不同地層對(duì)聲波傳播速度的影響分析摘""要：目的""研究地層物理特性對(duì)聲波傳播速度、衰減及反射折射現(xiàn)象的影響，為地質(zhì)工程提供理論依據(jù)。方法""通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建不同地層模型，測(cè)量聲波傳播速度、衰減系數(shù)、反射折射現(xiàn)象和能量傳遞能力。結(jié)果""巖石層聲波傳播速度最快，衰減最??；砂土層與黏土層因孔隙率高，傳播速度較慢。巖石層與砂土層的波阻抗差異導(dǎo)致明顯的反射現(xiàn)象。結(jié)論""地層物理特性顯著影響聲波傳播，巖石層適合深層勘探，而砂土和黏土層的衰減性限制其效果。關(guān)鍵詞：聲波傳播""地層特性""聲波衰減""反射折射中圖分類號(hào)：P63Analysis"of"Influence"of"Different"Geological"Layers"on"Propagation"Speed"of"Sound"WavesWANG"RuiChina"Oilfield"Services"Limited"Geophysical"Exploration"Division"Engineering"Survey"Operation"Company，"Tianjin，"300459"ChinaAbstract："Objective""To"investigate"the"effects"of"geological"layer"properties"on"sound"wave"propagation"speed，"attenuation，"and"reflection/refraction"phenomena，"thereby"providing"theoretical"support"for"geological"engineering."Methods"Numerical"simulations"and"experiments"were"conducted"to"model"different"geological"layers，"measuring"sound"wave"propagation"speed，"attenuation"coefficient，"reflection/refraction"phenomena，"and"energy"transmission"capacity."Results""Rock"layers"exhibitednbsp;the"highest"sound"wave"propagation"speed"and"the"least"attenuation，"whereas"sandy"and"clay"layers"exhibited"slower"propagation"due"to"high"porosity."The"impedance"difference"between"rock"and"sandy"layers"resulted"in"significant"reflection"phenomena."Conclusion""Geological"layer"properties"significantly"influence"sound"wave"propagation."Rock"layers"are"suitable"for"deep"exploration，"while"the"attenuation"in"sandy"and"clay"layers"limits"their"effectiveness.KeyWords："Sound"wave"propagation;"Geological"layer"properties;"Sound"wave"attenuation;"Reflection/refraction聲波傳播特性在地球物理學(xué)與工程領(lǐng)域中占據(jù)重要地位，尤其在油氣勘探、地層結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)和工程建設(shè)等方面。聲波的傳播速度、衰減特性和反射折射現(xiàn)象，通常由地層的密度、孔隙率和彈性模量等物理參數(shù)決定，反映了地層內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)的勘探方法大多依賴于經(jīng)驗(yàn)公式，難以全面反映復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，特別是在面對(duì)多層地質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，常常出現(xiàn)精度和深度不足的問題。近年來，隨著數(shù)值模擬和計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，基于有限元法和聲波傳播理論的仿真手段逐漸成為研究聲波與地層相互作用的重要工具。本研究結(jié)合理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，針對(duì)不同地層對(duì)聲波傳播特性的影響進(jìn)行了系統(tǒng)探討，重點(diǎn)研究了地層密度、孔隙率、含水量等對(duì)聲波傳播速度、衰減及反射現(xiàn)象的影響。通過對(duì)聲波在巖石層、砂土層、黏土層和地下水層的傳播進(jìn)行模擬，本文為油氣勘探、深層結(jié)構(gòu)探測(cè)提供了優(yōu)化思路和理論支持，有助于提高地質(zhì)勘探的精度與效率。1""理論基礎(chǔ)與公式原理1.1""聲波傳播的基本理論聲波在介質(zhì)中以彈性波的形式傳播，速度受密度、彈性模量及泊松比等因素的影響。聲波分為縱波和橫波：縱波為壓縮波，振動(dòng)方向與傳播方向一致；橫波為剪切波，振動(dòng)方向垂直于傳播方向[1]。聲波傳播速度影響穿透能力以及衰減、反射和折射現(xiàn)象。1.2""不同地層對(duì)聲波傳播的影響因素地層的物理和化學(xué)性質(zhì)決定聲波傳播特性，主要影響因素包括密度、孔隙率、含水量和彈性模量。高密度地層如巖石，聲波傳播較快；低密度的地下水層傳播速度較慢[2]?？紫堵蚀髣t傳播速度降低，增加聲波散射和衰減。含水量也顯著影響傳播速度，水作為良導(dǎo)體加速傳播但也能引起能量衰減。1.3""縱波與橫波的傳播速度公式聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度可通過縱波（P波）和橫波（S波）的公式計(jì)算?？v波速度和橫波速度公式如下。式（1）、式（2）中：表示縱波的傳播速度，單位為m/s；表示橫波的傳播速度，單位為m/s；表示彈性模量，單位為GPa；表示泊松比；表示地層的密度，單位為kg/m3。橫波不在液體或氣體中傳播，因?yàn)樗鼈儧]有足夠的剪切模量。由上述公式可見，聲波傳播速度與地層的物理性質(zhì)密切相關(guān)。在巖石等高彈性模量介質(zhì)中，縱波和橫波速度較高；而在孔隙率和含水量較大的介質(zhì)中，聲波傳播速度較慢。1.4""聲波衰減及反射現(xiàn)象的理論聲波在傳播的過程中會(huì)由于介質(zhì)的不均勻性以及阻尼效應(yīng)而使振幅變小，頻率下降，其影響因素主要有吸收系數(shù)，孔隙率以及含水量。聲波在不同的地層邊界相遇時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部的反射與透射現(xiàn)象[3]。波阻抗相差越大，反射強(qiáng)度越大，在地震波勘探、巖層檢測(cè)等領(lǐng)域中被廣泛用于反演地層的密度、彈性模量等物理特性。2""模擬仿真實(shí)驗(yàn)2.1""仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c方法本研究采用模擬仿真實(shí)驗(yàn)探討不同層位對(duì)聲波傳播速率的影響，重點(diǎn)分析密度、孔隙率、含水量和彈性模量對(duì)聲波傳播的影響。試驗(yàn)利用基于有限元法的仿真工具進(jìn)行地層建模，模擬聲波傳播，加載聲波信號(hào)，并記錄各地層的傳播速度、衰減系數(shù)、反射和折射特性。通過模擬和比較不同種類的地層，證實(shí)了聲波在各種介質(zhì)中的傳播規(guī)律，為實(shí)際勘探工作提供了理論依據(jù)。2.2""地層模型構(gòu)建2.2.1nbsp;"地層類型及參數(shù)選擇選取巖石層、砂土層、黏土層和地下水層4種典型地層，每種地層在地質(zhì)勘探中具有代表性。根據(jù)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)定各層的密度、孔隙率、含水量和彈性模量，主要參數(shù)見表1。不同地層的彈性模量、密度和泊松比對(duì)聲波傳播速度起關(guān)鍵作用，以上參數(shù)用于計(jì)算縱波和橫波的傳播速度。2.2.2""邊界條件設(shè)置實(shí)驗(yàn)采用固定邊界條件，底部邊界固定，頂部邊界自由，以允許聲波自由傳播。側(cè)邊界設(shè)置為無反射條件，以避免反射波干擾主要信號(hào)。這些設(shè)置確保聲波在地層中的傳播真實(shí)模擬其自然狀態(tài)[4]。邊界條件設(shè)置如下：2.3""聲波激勵(lì)與監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)采用脈沖激勵(lì)源，激勵(lì)信號(hào)為頻率范圍20Hz～500Hz的正弦波脈沖，垂直施加于地層頂部。通過設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄聲波傳播過程中的速度、衰減系數(shù)、反射和折射現(xiàn)象等數(shù)據(jù)[5]。通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)記錄，計(jì)算聲波在不同地層中的傳播時(shí)間t以及距離d，根據(jù)公式：式（3）中：表示聲波傳播時(shí)間，單位為s；表示聲波傳播距離單位為m；表示聲波傳播速度單位為m/s。根據(jù)彈性模量和泊松比的關(guān)系，剪切模量可以通過以下公式計(jì)算：式（4）中：表示剪切模量，單位為GPa；表示彈性模量，單位為GPa；表示泊松比。3""實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論3.1""聲波在不同地層中的傳播速度聲波在不同地層中的傳播速度主要受地層密度、彈性模量和孔隙率的影響。根據(jù)聲波傳播理論，縱波（P波）的速度和橫波（S波）的速度可以通過以下公式計(jì)算：式（5）中：表示縱波的傳播速度，單位為m/s；表示彈性模量，單位為GPa；表示泊松比；表示地層的密度，單位為kg/m。式（6）中：表示橫波的傳播速度，單位為m/s；表示彈性模量，單位為GPa；表示地層的密度，單位為kg/m3；表示泊松比。結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同地層的聲波速度如表2所示。3.2不同地層聲波衰減的比較聲波在傳播過程中由于介質(zhì)的吸收和散射作用會(huì)逐漸衰減，其衰減系數(shù)可以通過以下公式表示：式（7）中：表示衰減系數(shù)，單位為m?1；表示聲波初始振幅；表示傳播后的振幅；表示傳播距離，單位為m。3.3""聲波反射與折射現(xiàn)象分析聲波在不同地層邊界處會(huì)發(fā)生反射和折射，反射的強(qiáng)度與波阻抗的差異有關(guān)。波阻抗由下式?jīng)Q定：式（8）中：表示波阻抗，單位為kg/m2·s；表示地層的密度，單位為kg/m3；表示聲波的傳播速度，單位為m/s。表3顯示了不同地層交界處的波阻抗與反射系數(shù)。本項(xiàng)研究通過分析不同層位對(duì)聲波傳播速度、衰減、反射、折射等特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石層聲波傳播速度與能量傳遞能力明顯好于砂土層與黏土層與密度與彈性模量大有關(guān)。砂土層、黏土層由于孔隙率大、聲波衰減顯著，制約著它們?cè)诘刭|(zhì)勘探方面的推廣應(yīng)用。同時(shí)也說明聲波的反射和折射現(xiàn)象與地層波阻抗的不同有著密切的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，今后地質(zhì)探測(cè)要更加注重地層物理特性，從而提升勘探效率與精度。[1]"ZENG"Q，LIU"S，TANG"L，et"al.Theoretical"and"numerical"study"on"transient"acoustic"wave"propagation"across"ice"layers"in"the"arctic"ocean[J].THE"Journal"of"the"Acoustical"Society"of"America，2024，155（5）：3132-3143.[2]侯連浪，劉向君，梁利喜，等.壓力及溫度對(duì)碳酸鹽巖聲波速度與頻譜特征的影響