Brevet FR2534026A1 — publié le 19840406

L'invention concerne de façon générale la carac- térisation de matières par la mesure de la propagation d'énergie acoustique dans ces matières Plus spécifique- ment, l'invention concerne l'exploration géologique dans laquelle on propage de l'énergie acoustique dans une par- tie de la terre pour caractériser les matières se trouvant dans la terre à travers lesquelles 1 énergie acoustique est propagée. Le gouvernement des Etats Unis d'Amérique a ac- -10 quis des droits sur'11 invention grace au contrat n O W-7405-EMG-48 entre le Département de l Energie des E.U A et l'Université de Californie. Il est d'une pratique courante de caractériser des matières en envoyant une onde énergétique, constituant une certaine forme d'énergie, telle que de 1 énergie acous- tique, dans la matière à caractériser Cette technique est utilisée En géologie, pour caractériser un volume de terre dans la recherche des matières tel que des gisements de pétrole et d'eau La technique est également utilisée dans la technologie relative à 1 'évalmation non destructrice de matériaux de construction pour détecter des imperfec- tions, telles que des vides, des fissures, ou des inclu- sions, dans des matériaux tels que de l'acier, de l'alumi- nium et du béton. Cette technique utilise une source d'énergie pour engendrer un signal d'impulsion énergétique qui traverse la matière à caractériser On utilise un récepteur pour recevoir et interpréter leimpulsion ou le signal La dis- tance entre -la source et le récepteur est connue, ainsi que 1 'énergie de l'impulsion transmise En mesurant le temps pris par le signal pour se déplacer de la source au récepteur, on peut évaluer la vitesse de propagation et la comparer à des tables de caractéristiques connues de matières De cette façon, il est possible de caractériser le type de matière En prenant une série de mesures le long de différents trajets dans la matière, et en détec- tant et en caractérisant les échos, il est possible de détecter et de caractériser des irrégularités dans la ma- tière. En exploration géologique, on peut placer la sour- ce d'énergie et le récepteur à différents endroits sur la surface de la terre, ou dans des premier et second trousd'a- lésage quisont espacés l'un de 11 autre d'une distance connue La source ou le générateur peut produire des si- gnaux sous la forme d'une série d'impulsions discrètes qui parcourent la distance connue entre le générateur et le ré- cepteur Typiquement, le générateur peut être constitué par des dispositifs comme de la dynamite ou d'autres charges explosives, ou une source d'étincelles électriques Ces générateurs peuvent produire des impulsions comprenant des ondes de compression ou de pression, des ondes de rarifica- tion, et des ondes de rotation ayant deux composantes ho- rizontale et verticale comme on veut On utilise souvent des ondes de rotation comme impulsions énergétiques car les ondes de rotation se déplacent à une vitesse comprise approximativement entre une moitié et un tiers de la vites- se des ondes de compression, en permettant ainsi au récep- teur de disposer de plus de temps pour recevoir et analyser les impulsions Les techniques existantes posent des pro- blèmes et ont des inconvénients, y compris des difficultés de fonctionnement pour la mise au point et l'utilisation des techniques existantes, des difficultés pour faire des mesures précises des temps de propagation des impulsions, et des difficultés pour interpréter les données de test, de sorte qu'une interprétation faite par un personnel hau- tement qualifié est nécessaire La comparaison des données de test avec les caractéristiques de matières connues est également difficile. Un objet de la présente invention est un procédé nouveau et perfectionné pour caractériser des matières par la propagation d'une énergie acoustique dans ces matières. Un autre objet de l'invention est de disposer de ce nouveau procédé perfectionné plus précis, plus simple et plus facile à mettre en oeuvre que ceux delart antérieur. :3 Un autre objet de l'invention est un appareil nou- veau et perfectionné pour caractériser des matières par la propagation d'une énergie acoustique dans ces matières. Pour réaliser ces objets et d'autres, la présente invention fournit de préférence un procédé pour caractéri- ser des matières consistant à fournir une énergie acous- tique en un premier emplacement à la matière à carac- tériser, l'énergie acoustique étant propagée dans la ma- tière, à recevoir l énergie acoustique en un second empla- cement dans la matière et à convertir l'énergie acoustique reçue en un signal électrique, à amplifier les signaux é- lectriques pour produire une énergie électrique amplifiée, à convertir l'énergie électrique amplifiée en cette éner- gie acoustique, l'opération d'amplification étant exécutée avec une amplification à réaction suffisante pour produire des oscillations de lénergie électrique et de l'énergie acoustique, et à indiquer la fréquence des oscillations comme une indication du caractère de la matière. L'opération d'indication comprend de préférence la mesure de la fréquence des oscillations, et la conver- sion de la fréquence en une indication de la vitesse de. propagation de l'énergie acoustique dans la matière On peut réaliser cette conversion en multipliant la fréquence par la distance de propagation acoustique dans la matière. L'opération d'amplification comprend de préférence le réglage de l'amplification à réaction pour produire-des oscillations entretenues. Le gain de cette amplification à réaction est de préférence utilisé comme une autre indication du caractère de la matière. L'énergie acoustique est de préférence produite sous la forme d'une onde de rotation acoustique sinusoïdale dans son ensemble pour une propagation dans la matière. Selon la présente invention, un appareil pour ca- ractériser des matières comprend un générateur d'énergie acoustique pour convertir une énergie électrique en une énergie acoustique et pour fournir cette énergie acousti- que à la matière à caractériser en un premier emplacement, l'énergie acoustique étant propagée dans la matière, un récepteur acoustique pour recevoir l'energie acoustique provenant de la matière en un second emplacement et pour convertir l'énergie acoustique reçue en signaux électriques, un amplificateur connecté entre le récepteur et l'émetteur pour amplifier les signaux électriques en provenance du récepteur et pour fournir une énergie électrique amplifiée correspondante à l'émetteur, l'amplificateur ayant un gain de réaction suffisant pour produire des oscillations qui indiquent les caractéristiques de la matière dans laquelle l'énergie acoustique est émise, et un moyen d'indication pour indiquer le caractère de ces oscillations comme une indi&ation du caractère de cette matière. Ce moyen d'indication comprend de préférence un moyen d'indication de vitesse pour mesurer la fréquence des oscillations et pour convertir la fréquence en une in- dication de vitesse en multipliant la fréquence par la dis- tance dans la matière entre l'émetteur et le récepteur. L'amplificateur comprend de préférence un circuit de commande de gain calibré pour régler le gain de ltampli- ficateur afin de produire des oscillations entretenues tout en indiquant la grandeur de ce gain comme une indica- tion supplémentaire du caractère de la matière. Le générateur comprend de préférence un moyen pour engendrer des ondes de rotation acoustiques sinusoïdales dans leur ensemble pour une propagation dans la matière. Le récepteur comprend de préférence un géophone. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en réfé- rence au dessin annexé dans lequel la figure unique est une vue schématique en élévation, partiellement en coupe, représentant un exemple de réalisation préféré d'un appa- reil selon la présente invention. Sur la figure, un appareil 10 selon l'invention est destiné à indiquer et à mesurer les caractéristiques de la matière 12 qui, dans ce cas, prend la forme d'un vo- lume de matière en terre Ainsi, l'appareil 10 est particu- lièrement destiné à 1 exploration géologique Cependant, on peut aussi utiliser l'appareil de l'invention pour le test non destructeur de différents matériaux de construc- tion. Comme on l'a représenté en coupe sur la figure, la matière en terre 12 comporte de préférence un premier et un second trou d'alésage 14 et 16 qui sont espacés l'un de l'autre- d'une distance choisie D On peut forer les trous 14 et 16 ou bien les former autrement dans la matiè- re en terre 12 Un générateur acoustique 18 est monté dans le premier trou d'alésage 14 et il est fixé de façon appro- priée contre le côté du trou d'alésage 14, pour fournir une énergie acoustique à la matière en terre 12 Le géné- rateur 18 est de'préférence d'une construction connue ou appropriée de manière à ce qu'il soit agencé pour conver- tir une énergie électrique en une énergie acoustique, de préférence sous la forme d'ondes de rotation sinusoidales dans leur ensemble Ainsi, par exemple, le générateur 18 peut être un générateur d'ondes de rotation verticales fabriqué par la société Mark Products Un circuit de com- mande ou un amplificateur de puissance 20 fournit un cou- rant d'alimentation électrique au générateur 18, de sorte qu'il produit des ondes ou impulsions acoustiques 22 qui sont propagées dans la matière en terre 12. L'énergie ou ondes acoustiques 32 se propagent dans la matière en terre 12 et sont détectées par un ré- cepteur 24 qui est de préférence monté dans le second trou d'alésage 16 et qui-est fixé contre le coté du trou, en contact avec la matière en terre 12, pour recevoir l'éner- gie acoustique à un niveau réduit ou atténué. Le récepteur 24 constitue un transducteur servant à convertir l'énergie acoustique reçue en signaux électri- ques qui sont envoyés à l'entrée d'un amplificateur 26 comportant un circuit de commande de gain variable 28 Le récepteur 24 peut être un géophone vertical. La sortie de l'amplificateur 26 est reliée à l'en- trée du circuit de commande 20 pour former une boucle fer- mee 30 qui, de préférence, comprend également un filtre 32. On remarquera qu'on peut varier l'ordre de disposition de l'amplificateur 26, du circuit de commande de gain 28 et du filtre 32 dans la boucle fermée La mise en phase ou la polarité de l'amplificateur 26 dans la boucle fermée est de préférence telle que la boucle fermée fournit une réac- tion ou une amplification à réaction positive. La boucle fermée 30 peut comprendre une première ligne de transmission 34 pour faire passer les signaux élec- triques du récepteur 24 à l'amplificateur 26, une deuxième ligne de transmission 36 pour faire passer les signaux é- lectriques amplifiés de l'amplificateur 26 au circuit de commande 20, et une troisième ligne de transmission 38 pour faire passer le courant électrique du circuit de com- mande 20 à l'émetteur 18. L'appareil 10 représenté comprend un moyen d'indi- cation qui peut inclure un oscilloscope 40, un dispositif de mesure de niveau 42, et un dispositif de mesure de fré- quence 44 Comme on l'a représenté, l'oscilloscope 42 est pourvu d'un commutateur sélecteur 46, par lequel l'entrée de l'oscilloscope 40 peut être connectée à la sortie de l'amplificateur 26 ou à la sortie du filtre 32 Dans ce cas, le dispositif de mesure de niveau 42 est connecté à la sortie du filtre 32 Le dispositif de mesure de fréquen- ce 44 est également connecté à la sortie du filtre 32 On peut utiliser l'oscilloscope 40 pour mesurer la tension des signaux électriques amplifiés en provenance de l'amplifica- teur 26 ou du filtre 32 On peut également utiliser l'os- cilloscope 40 pour indiquer ou mesurer la fréquence des signaux électriques amplifiés, et pour indiquer également la forme d'onde de ces signaux. Le dispositif de mesure de niveau 42 indique ou mesure la tension des signaux électriques amplifiés La fréquence des signaux électriques amplifiés est indiquée ou mesurée par le dispositif de mesure de fréquence 44. Selon le procédé de la présente invention, l'am- plificateur 26 disposé dans la boucle fermée 30 assure une amplification à réaction Le circuit de commande de gain variable 28 est de préférence réglé pour que cette amplifi- cation à réaction produise des oscillations entretenues dans la boucle fermée 30 La fréquence de ces oscillations est ensuite indiquée ou mesurée par l'oscilloscope 40 ou par le dispositif de mesure de fréquence 44, comme une in- dication des caractéristiques de la matière en terre 12 dans laquelle les ondes acoustiques 22 sont propagées en- tre l'émetteur 18 et le récepteur 24 La fréquence des os- cillations est proportionnelle à la vitesse à laquelle l'énergie acoustique se propage dans la matière en terre 12 On peut déterminer ou évaluer la vitesse présente en multipliant la fréquence par la distance D entre l'émetteur 18 et le récepteur 24, dans la matière en terre 12 La vi- tesse est déduite de la relation suivante& v = d/t o v la vitesse, d= la distance, dû le temps et t= l/f, o f= la fréquence On a alors: v = df. Comme on l'a représentée un convertisseur 46 est connecté entre le dispositif de mesure de fréquence 44 et un dispositif de mesure de vitesse 48 Le convertisseur 46 peut multiplier la fréquence par le coefficient de conver- sion, pour produire la vitesse, qui -est indiquée par le dispositif de mesure de vitesse 48 Le convertisseur 46 est de préférence réglable ou programmable de manière à ce que l'opérateur puisse faire varier le coefficient de conversion Le dispositif de mesure de fréquence 44, le convertisseur 46 et le dispositif de mesure de vitesse 48 peuvent être des dispositifs analogiques ou numériques. Le circuit de commande de gain 28 est de préf é- rence étalonné, pour indiquer le coefficient de gain qui est nécessaire pour produire des oscillations entretenues dans la boucle fermée 30 Ce coefficient de gain est une indication de l'atténuation de l'énergie acoustique ou sis- mique quand elle est propagée dans la matière en terre 12 entre le générateur 18 et le récepteur 24 Ainsi, le coef- ficient de gain constitue une autre indication des carac- téristiques de la matière en terre 12. on peut utiliser le filtre 32 pour supprimer ou atténuer des signaux parasites ou d'interférence qui sont captés par le récepteur 24 e Le filtre 32 empeche ces si- gnaux parasites d'interférer avec la précision des mesures effectuées par l'appareil 10 Ces signaux parasites pewrent comprendre des vibrations à basse fréquence de 60 Hz ou Hz, produites par le matériel ou équipement électrique. Quand le gain ou rendemen t de toute la boucle fer- mnée 30 dépasse l 'unité et que la relation de phase convena- ble est présente, des oscillations entretenues sont produi- tes dans la boucle Ces oscillations sont produites à la fois dans l'énergie électrique et dans l'énergie acoustique ou sismique 22 Le coefficient de gain entre le générateur 18 et le récepteur 24 est inférieur à l'unité, en raison de l'atténuation de l'énergie acoustique ou sismique quand el- le se propage dans la matière en terre 12 Pour obtenir un gain de dispositif dépassant l'unité, le gain ou l'amplifi- cation du dispositif électrique doit être également supé- rieur à l'unité Le gain de dispositif est le produit du gain partiel dans la matière en terre 12, entre le généra- teur 18 et le récepteur 24, et du gain d'amplificateur dans le dispositif électrique, Comprenant le circuit de commande de gain variable 28, l'amplificateur 26, le fil- tre 32, et le circuit de commande 20. Pendant le fonctionnement de l'appareil 10, l'am- plificateur a un gain qui est graduellement augmenté par l'augmentation de réglage de gain réalisée par le circuit de commande de gain variable 28, jusqu'à ce que le gain de dispositif soit supérieur à un ou l'unité, comme il est indiqué par la production d'oscillations entretenues dans la boucle fermée 30 Les oscillations entretenues sont in- diquées par l'oscilloscope 40 et le dispositif de mesure de niveau 42 Le bruit inhérent à la boucle fermée fournit des signaux initiaux à partir desquels sont établies les oscillations entretenues La fréquence des oscillations 2 5 3 4 0 2 6- entretenues est une mesure directe de la vitesse de propa- gation des ondes acoustiques ou sismiques 22 dans la ma- tière en terre 12 La vitesse de propagation des ondes a- coustiques ou sismiques 22 dans la matière en terre 12 va- rie d'environ 300 mètres/seconde à environ 10 000 m/sec, en fonction des caractéristiques de la matière en terre. Ainsi, la vitesse mesurée est une indication de ces carac- téristiques La vitesse de propagation des signaux électri- ques dans le dispositif électrique est beaucoup plus gran- de, en approchant la vitesse de la lumière qui est de 3 x 10 m/sec Cela s'applique à tout le dispositif élec- trique, y compris le récepteur 24, la ligne de transmission 34, le circuit de commande de gain variable 28,9 l'amplifi- cateur 26, le filtre 32, la ligne de transmission 36, le circuit de commande 20, la ligne de transmission 38 et le générateur 18 En raison de la vitesse de propagation éle- vée des signaux électriques, le temps de propagation des signaux électriques dans le dispositif électrique est né- gligeable comparé à la vitesse acoustique. Quand le gain de la boucle fermée est augmenté suffisamment pour produire des oscillations entretenues, la fréquence de ces oscillations est déterminée par la vitesse de propagation de l'énergie acoustique ou sismique dans la matière en terre 12 sur la distance D séparant le générateur 18 du récepteur 24 En raison de cette relation, la fréquence des oscillations est proportionnelle à la vi- tesse de propagation de l'énergie acoustique On peut con- vertir la fréquence mesurée en vitesse en multipliant la fréquence mesurée par la distance D le long de laquelle les ondes acoustiques sont propagées entre le générateur 18 et le récepteur 24. La mesure de la vitesse de propagation de l'éner- gie acoustique ou sismique dans la matière en terre 12 en- tre les deux trous d'alésage-14 et 16 fournit une indica- tion précieuse sur la structure géologique de la terre. Cette information géologique est nécessaire pour la plupart des applications de génie civil, pour l'exploration miniè- re, l'exploration pétrolière, et pour l'exploration en vue. d'autres sources d'énergie, telles que le schiste bitumeux. L'exploration pour l'eau est égalenient facilitée par cette information géologique. On peut aussi utiliser le procédé et l'appareil de la présente invention pour effectuer une évaluation non destructrice de matériaux de construction, tels que de l'acier, de l'aluminium, et du béton, pour rechercher des inclusions, des fissures et d'autres imperfections. La présente invention a l'avantage particulier de fournir des mesures plus simples et plus précises des vi- tesses de propagation d'énergie acoustique dans les matiè- res à caractériser Selon la présente invention, la vites- se acoustique est déterminée en mesurant la fréquence ou la période des oscillations entretenues Cette fréquence ou cette période est mesurée plus facilement et de façon plus précise que par le procédé traditionnel pour mesurer directement le temps de déplacement précis d'une impulsion acoustique ou sismique dans la matière à caractériser Cet- te mesure directe du temps de déplacement implique la me- sure du délai entre le départ de l'impulsion acoustique du générateur et l'arrivée de l'impulsion acoustique au récepteur Ces mesures de délai sont difficiles, particu- lièrement en présence d'un niveau de bruit élevé La mesu- re de la fréquence des oscillations peut être effectuée très facilement et très précisément. La présente invention a l'avantage supplémentaire quion peut facilement utiliser le procédé et l'appareil de l'invention pour contrôler de façon continue la vitesse de propagation de l'énergie acoustique ou sismique dans la matière en terre Pour une telle application de la présen- te invention, les oscillations entretenues sont produites de manière continue La fréquence de ces oscillations est mesurée de façon continue, ou à des intervalles fréquents, et elle est enregistrée par un enregistreur sur papier 50 ou autre L'enregistreur 50 peut également enregistrer la vitesse Des variations de fréquence indiquent des change- ments dans la matière en terre Ces changements peuvent être produits par des variations de température, d 'hu- 1 l midité ou de contrainte. Ainsi, on peut utiliser la présente invention pour contrôler des variations de température au voisinage de moyens d'emmagasinage et de disposition souterrains pour S des matières radioactives En outre, on peut utiliser la présente invention pour contrôler des variations de tempé- rature comme une indication d'une activité volcanique De plus, on peut utiliser la présente invention pour contrô- ler des variations de contrainte qui peuvent précéder des tremblements de terre et celle-ci peut donc être utile pour prévoir des tremblements de-terre éventuels. Pour effectuer un contrôle continu, on peut avan- tageusement inclure-dans le circuit de commande de gain variable 28 un circuit de commande de niveau automatique pour maintenir les oscillations entretenues au niveau ou l'amplitude voulue. On remarquera que le générateur 18 et le récepteur 24 ne sont pas nécessairement dans des trous d'alésagep * mais qu'ils peuvent être en contact avec la matière à tes- ter à des emplacements en surface ou à tout endroit appro- prie. On peut utiliser différentes autres modifications sans sortir du cadre de la présente invention telle qu'elle est définie dans les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1 Appareil pour caractériser des matières, carac- térisé en ce qu'il comprend: un générateur d'énergie acoustique ( 18) agencé pour convertir de l'énergie électrique en énergie acousti- que ( 22) et pour fournir cette énergie acoustique à la ma- tière ( 12) à caractériser en un premier emplacement ( 14), l'énergie acoustique étant propagée dans la ma- tière; un récepteur d'énergie acoustique ( 24) agencé pour recevoir l'énergie acoustique de la matière en un se- cond emplacement ( 16) et pour convertir l'énergie acousti- que reçue en sigraqx électriques; dispositif un /amplificateur ( 26,28)connecté entre ledit récep- teur ( 24) et l'émetteur ( 18) pour amplifier les signaux électriques provenant du récepteur et pour fournir de l'é- nergie électrique amplifiée correspondante à l'émetteur ( 18) l'amplificateur ayant un gain de réaction suffi- sant pour produire des oscillations qui indiquent les ca- ractéristiques de la matière dans laquelle l'énergie acous- tique a été transmise; et un moyen d'indication ( 40, 42, 44, 46, 48) agencé pour indiquer le caractère desdites oscillations comme une indication du caractère de la matière. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que-ledit moyen d'indication comprend un moyen de me- sure de fréquence ( 44 ou 40) pour mesurer la fréquence des oscillations. 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'indication comprend un moyen d'indica- tion de vitesse ( 44, 46, 48) pour mesurer la fréquence des oscillations et pour convertir la fréquence en une indica- tion de la vitesse de propagation de l'énergie acoustique dans la matière. 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'indication comprend un moyen d'indica- tion de vitesse ( 44, 46, 48) pour mesurer la fréquence des oscillations et pour convertir la fréquence en une in- dication de vitesse en multipliant la fréquence par la dis- tance dans la matière entre l'émetteur et le récepteur. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif amplificateur ( 26, 28) comprend un circuit de commande de gain ( 28) pour régler le gain du dispositif afin de produire des oscillations entretenues. 6 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit dispositif amplificateur comprend un cir- cuit de commande calibré ( 28) pour régler le gain du dis- positif amplificateur afin de produire des oscillations entretenues tout en indiquant la grandeur de ce gain comme une autre indication du caractère de la matière. 7 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen d'indication ( 40, 42, 44, 46, 48) com- prend un moyen de-mesure de fréquence ( 44 ou 40) pour indi- quer la fréquence des oscillations comme une indication du caractère de la matière dans laquelle l'énergie acoustique est propagée, ledit dispositif amplificateur incluant un circuit de commande de gain calibré ( 28) pour régler le gain du dispositif amplificateur afin de produire des os- cillations entretenues tout en indiquant le gain comme une autre indication du caractère de la matière. 8 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit générateur ( 18) comprend un moyen pour en- gendrer des ondes de rotation acoustiques sinusoïdales dans leur ensemble ( 22) pour leur propagation dans la matière. 9 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit récepteur ( 24) comprend un géophone. 10 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur ( 18) comprend un moyen pour engen- drer des ondes de rotation acaustiques sinusoïdales dans leur ensemble, ledit récepteur ( 24) comprenant un géophone.