不同地層對聲波傳播速度的影響分析

摘""要：目的""研究地層物理特性對聲波傳播速度、衰減及反射折射現象的影響，為地質工程提供理論依據。方法""通過數值模擬與實驗，構建不同地層模型，測量聲波傳播速度、衰減系數、反射折射現象和能量傳遞能力。結果""巖石層聲波傳播速度最快，衰減最小；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致明顯的反射現象。結論""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。

關鍵詞：聲波傳播""地層特性""聲波衰減""反射折射

中圖分類號：P63

Analysis"of"Influence"of"Different"Geological"Layers"on"Propagation"Speed"of"Sound"Waves

WANG"Rui

China"Oilfield"Services"Limited"Geophysical"Exploration"Division"Engineering"Survey"Operation"Company，"Tianjin，"300459"China

Abstract："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與工程領域中占據重要地位，尤其在油氣勘探、地層結構評價和工程建設等方面。聲波的傳播速度、衰減特性和反射折射現象，通常由地層的密度、孔隙率和彈性模量等物理參數決定，反映了地層內部的復雜結構。然而，傳統的勘探方法大多依賴于經驗公式，難以全面反映復雜多變的地質條件，特別是在面對多層地質結構時，常常出現精度和深度不足的問題。近年來，隨著數值模擬和計算技術的進步，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。本研究結合理論分析與仿真實驗，針對不同地層對聲波傳播特性的影響進行了系統探討，重點研究了地層密度、孔隙率、含水量等對聲波傳播速度、衰減及反射現象的影響。通過對聲波在巖石層、砂土層、黏土層和地下水層的傳播進行模擬，本文為油氣勘探、深層結構探測提供了優化思路和理論支持，有助于提高地質勘探的精度與效率。

1""理論基礎與公式原理

1.1""聲波傳播的基本理論

聲波在介質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，振動方向與傳播方向一致；橫波為剪切波，振動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、反射和折射現象。

1.2""不同地層對聲波傳播的影響因素

地層的物理和化學性質決定聲波傳播特性，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

聲波在不同介質中的傳播速度可通過縱波（P波）和橫波（S波）的公式計算。縱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，因為它們沒有足夠的剪切模量。由上述公式可見，聲波傳播速度與地層的物理性質密切相關。在巖石等高彈性模量介質中，縱波和橫波速度較高；而在孔隙率和含水量較大的介質中，聲波傳播速度較慢。

1.4""聲波衰減及反射現象的理論

聲波在傳播的過程中會由于介質的不均勻性以及阻尼效應而使振幅變小，頻率下降，其影響因素主要有吸收系數，孔隙率以及含水量。聲波在不同的地層邊界相遇時會產生局部的反射與透射現象[3]。波阻抗相差越大，反射強度越大，在地震波勘探、巖層檢測等領域中被廣泛用于反演地層的密度、彈性模量等物理特性。

2""模擬仿真實驗

2.1""仿真實驗目的與方法

本研究采用模擬仿真實驗探討不同層位對聲波傳播速率的影響，重點分析密度、孔隙率、含水量和彈性模量對聲波傳播的影響。試驗利用基于有限元法的仿真工具進行地層建模，模擬聲波傳播，加載聲波信號，并記錄各地層的傳播速度、衰減系數、反射和折射特性。通過模擬和比較不同種類的地層，證實了聲波在各種介質中的傳播規律，為實際勘探工作提供了理論依據。

2.2""地層模型構建

2.2.1nbsp;"地層類型及參數選擇

選取巖石層、砂土層、黏土層和地下水層4種典型地層，每種地層在地質勘探中具有代表性。根據文獻和實驗條件，設定各層的密度、孔隙率、含水量和彈性模量，主要參數見表1。

不同地層的彈性模量、密度和泊松比對聲波傳播速度起關鍵作用，以上參數用于計算縱波和橫波的傳播速度。

2.2.2""邊界條件設置

實驗采用固定邊界條件，底部邊界固定，頂部邊界自由，以允許聲波自由傳播。側邊界設置為無反射條件，以避免反射波干擾主要信號。這些設置確保聲波在地層中的傳播真實模擬其自然狀態[4]。邊界條件設置如下：

2.3""聲波激勵與監測

實驗采用脈沖激勵源，激勵信號為頻率范圍20Hz～500Hz的正弦波脈沖，垂直施加于地層頂部。通過設置多個監測點，記錄聲波傳播過程中的速度、衰減系數、反射和折射現象等數據[5]。

通過監測點的數據記錄，計算聲波在不同地層中的傳播時間t以及距離d，根據公式：

式（3）中：表示聲波傳播時間，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。

根據彈性模量和泊松比的關系，剪切模量可以通過以下公式計算：

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""實驗結果與討論

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。

結合仿真實驗結果，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的吸收和散射作用會逐漸衰減，其衰減系數可以通過以下公式表示：

式（7）中：表示衰減系數，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""聲波反射與折射現象分析

聲波在不同地層邊界處會發生反射和折射，反射的強度與波阻抗的差異有關。波阻抗由下式決定：

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。

4""結論

本項研究通過分析不同層位對聲波傳播速度、衰減、反射、折射等特性的影響。試驗結果表明，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。砂土層、黏土層由于孔隙率大、聲波衰減顯著，制約著它們在地質勘探方面的推廣應用。同時也說明聲波的反射和折射現象與地層波阻抗的不同有著密切的關系。在此基礎上，今后地質探測要更加注重地層物理特性，從而提升勘探效率與精度。

參考文獻

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