(57)【要約】  ダウンホールセメントボンド評価で使用するのに特に適しており、しかしさまざまな用途で使用可能な、低周波数パルスエコー超音波トランスデューサが提供される。１つの周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、ピエゾセラミック要素と、好ましくは、トランスデューサスタックのＱを減少させるため、ピエゾセラミック要素に整合した音響インピーダンスである、超音波抑制または減衰要素の交互の層を有するトランスデューサスタックを備える。別の低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、音響減衰裏当て上に配設される本トランスデューサスタックおよび前面を有するアセンブリを備える。さらに別の低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、メタニオブ酸鉛から作られたトランスデューサ合成物を含む。さらに別の周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、合成物のスタックを含む。さらなる低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、合成物スタックを備え、複数の駆動要素が、異なる時間に個別の要素を駆動することを可能にする。トランスデューサは、複数パルス時間遅延のやり方で駆動されうる。
2015518700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
音響ポスト(posts)のそれぞれが、交互の(alternating)音響要素(acoustic element)及び音響抑制(damping)要素のトランスデューサスタックを備える複数の音響ポスト(posts)と、
前記複数のポストを囲む低音響インピーダンスマトリックスと、
を備え、
前記音響ポストの各々が、厚さ（Ｚ）の方向に、複数パルス(multi-pulse)時間遅延動作(operation)のために電気的に結合される、
音響トランスデューサ。
【請求項２】
各トランスデューサスタックの音響要素の各々が、メタニオブ酸鉛(lead metaniobate)を含む、請求項１に記載の音響トランスデューサ。
【請求項３】
各トランスデューサスタックの各音響要素が、圧電要素を含む、請求項２に記載の音響トランスデューサ。
【請求項４】
各音響ポストの前記複数パルス時間遅延動作が、各トランスデューサスタックの各音響要素からの音響信号の前記位相の制御を与えるように構成される、請求項２に記載の音響トランスデューサ。
【請求項５】
各音響ポストの前記複数パルス時間遅延動作が、各トランスデューサスタックの各音響要素の位相遅延動作によって、各音響ポストの音響出力信号の制御を与えるように構成される、請求項２に記載の音響トランスデューサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]関連出願の相互参照
[0002]この米国非仮特許出願は、その各々の全体の内容が参照により本明細書に詳細に組み込まれる、２０１２年５月１日出願の「Ｌｏｗ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｂｒｏａｄ  Ｂａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願第６１／６４１，００４号、および２０１２年７月２０出願の「Ｌｏｗ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｂｒｏａｄ  Ｂａｎｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ」という名称の米国仮特許出願第６１／６７３，８２３号の利益および優先権を主張する。
【０００２】
[0004]本発明は、超音波トランスデューサの分野に関し、より詳細には、低周波パルスエコー超音波トランスデューサに関する。そのようなトランスデューサは、例えば、井戸用セメントボンド評価用途で採用されうる。
【背景技術】
【０００３】
[0006]油井または天然ガス井などの井戸を形成するとき、１つまたは複数の掘削具の端部に置かれた大地貫入ドリルビットを使用して大地に孔が掘削され、ここで、大地貫入ドリルビットは、多数のセクションでできているパイプ（すなわち、掘削アセンブリ）の端部に配設される。次いで、掘削アセンブリが回転されて、掘削プロセスに影響を及ぼす。典型的には、マッドとして知られる流体混合物が、掘削期間、井戸の中に循環される。次いで、マッドは、掘削具の周りを流れ、掘削の岩屑とともに孔から流出する。孔が形成された後、パイプなどの金属ケーシングが孔の中に置かれる。その後、井戸ケーシングの外側と孔の壁の間の空間を満たすために、井戸ケーシングと孔の壁の間にセメントが提供される。一度セメントが固まると、井戸ケーシングは、孔の壁に接合される。
【０００４】
[0007]井戸ケーシングと孔の壁の間に、間隙、エアポケットなどが存在しないことが、井戸の品質および完全性のため重要である。外部井戸ケーシングと孔の壁の間に、間隙、エアポケットなどが存在するかどうかを決定するため、セメント接合評価（ＣＢＥ）が実施される。ＣＢＥは、ＣＢＥ構成要素を有する道具を井戸の中に導入することにより、新しい井戸ならびに既存の井戸で実施されて、データを取得し、データが次いで分析される。ＣＢＥ構成要素は、典型的には、パルスエコーモードで動作するように構成される音響（例えば、超音波）トランスデューサである。そうしたことが図１に描かれており、その側面に置かれた超音波トランスデューサアセンブリ１３を有するダウンホールツール（道具）１０が、マッド１１を通して井戸ケーシング１４に向けて（平行線により表される）超音波信号を送ることが示される。超音波トランスデューサアセンブリ１３は、超音波信号抑制裏当てと調整されたＰＥＥＫ前面の間に置かれたピエゾセラミック要素を含む。井戸ケーシング１４の後は、セメント１５および孔が形成された形成物１２である。
【０００５】
[0008]超音波トランスデューサ１３は、井戸ケーシング１４に向けられる超音波パルスを生成する。送信された超音波パルスは、井戸ケーシング１４から反射され、トランスデューサ１３に戻される。加えて、送信された超音波パルスの一部が井戸ケーシング１４およびセメント１５を通って進み、形成物１２から反射されて、トランスデューサ１３に戻る。超音波反射は、トランスデューサに戻る、さらなる超音波反射を引き起こす。最終的には、超音波反射は弱まる。しかし、反射された超音波信号（すなわち、ケーシングおよびセメントの応答信号）を分析することにより、間隙、エアポケットなどがセメント１５の中（すなわち、井戸ケーシングと孔の壁の間）に存在するかどうか、ならびに間隙、エアポケットなどの推定サイズが決定されうる。
【０００６】
[0009]ほとんどのダウンホールパルスエコー超音波トランスデューサは、４００ｋＨｚから１ＭＨｚの範囲で動作する。パルスエコー超音波トランスデューサの動作周波数の選択は、トランスデューサのサイズ、焦点サイズ、解像度、リングダウン、減衰および周波数固有現象の間のトレードオフである。井戸のケーシングの厚さは、やはり、周波数に対して敏感である。トランスデューサのサイズ、焦点サイズ、解像度およびリングダウンは、一般的に、より高い周波数の超音波トランスデューサを選好し、一方減衰は、一般的に、より低い周波数を選好する。より低い周波数において、特に２．５４ｃｍ（１インチ）以上の壁厚を有する深い井戸で使用される井戸ケーシング（パイプ）に関して、いっそう多くの特定の現象もある。
【０００７】
[0010]図２Ａ〜図２Ｆを参照すると、反応した超音波周波数の効果に関して、本発明者らにより行われた試験について、さまざまなグラフ化した結果が示される。具体的には、低周波数（１１５ｋＨｚ、９５ｋＨｚ、７５ｋＨｚ）の３つの超音波トランスデューサが、井戸ケーシングと井戸形成物の間のセメント中に既知の間隙を有する４つの井戸試験構造物に関して使用された（すなわち、２．５４ｃｍ（１インチ）の厚さの壁を有する１５．２４ｃｍ（６インチ）ＯＤ鋼パイプのセクションを使用して、１つの井戸試験構造物は、０．７６２ｃｍ（０．３０インチ）の間隙を有し、１つの井戸試験構造物は、１．１４３ｃｍ（０．４５インチ）の間隙を有し、１つの井戸試験構造物は、１．８０３４ｃｍ（０．７１インチ）の間隙を有し、１つの井戸試験構造物は、５．９１８２ｃｍ（２．３３インチ）の間隙を有する）。図２Ｅのグラフ１６ｅおよび図２Ｆのグラフ１６ｆに見られるように、１１５ｋＨｚの超音波トランスデューサは、さまざまな間隙間で、区別を可能にする反応を生成しない。図２Ｃのグラフ１６ｃおよび図２Ｄのグラフ１６ｄで、９５ｋＨｚの超音波トランスデューサは、他の間隙から１．８０３４ｃｍ（０．７１インチ）の間隙のみ区別を可能にする反応を生成する。しかし、図２Ａのグラフ１６ａおよび図２Ｂのグラフ１６ｂで、７５ｋＨｚの超音波トランスデューサは、全ての間隙の区別を可能にする反応を生成する。したがって、井戸ケーシングが比較的厚い（すなわち、２．５４ｃｍ（１インチ）以上）であるダウンホールＣＢＥ用途では、より低い周波数の超音波トランスデューサが好ましいことになる。
【０００８】
[0011]しかし、超音波トランスデューサアセンブリのためにダウンホールツールだけで非常に大きな空間を有するので、ＣＢＥ用途の低周波数トランスデューサでの問題は、そのサイズである。図３を参照すると、超音波トランスデューサアセンブリのサイズの問題が描かれる。具体的には、図解１７は、ダウンホールツール内の限られた空間内の、４００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１８および１００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１９を描く。４００ｋＨｚ超音波トランスデューサ１８は、４００ｋＨｚ超音波信号２３を生成するＰＥＥＫ面２２を有する、超音波抑制裏当て２１に固定されたピエゾセラミック要素２０を含む。１００ｋＨｚ超音波トランスデューサ１９は、１００ｋＨｚ超音波信号２７を生成するＰＥＥＫ面２６を有する、超音波抑制裏当て２５に固定されたピエゾセラミック要素２４を含む。超音波トランスデューサの動作周波数を低下させることに関連するあらゆる変化は、帯域幅およびリングダウンの目標を達成することをより困難にする。具体的には、超音波抑制裏当てとピエゾセラミック要素の比が低下し、裏当て中の減衰が１６倍（１６×）に低下し、ピエゾセラミック容積対裏当て面積が４倍（４×）に低下し、エネルギを消費するサイクルの数が４倍（４×）に低下し（ここで、サイクル当たり、Ｑ＝Ｅ／ΔＥ）、ピエゾセラミックの厚み対直径が３：１に近づき、またはより悪くなる。ピエゾセラミック要素２４内の両矢印により示されるように、１００ｋＨｚピエゾセラミック要素２４は、著しく不要な径方向成分を有する。
【０００９】
[0012]図４は、４００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１８および１００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１９からの超音波エネルギ流を図示する。（典型的な超音波トランスデューサを表す）４００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１８に関して、ピエゾセラミック要素２０により放出される超音波エネルギは、大きい矢印３０により表されるように、裏当て２１中で散逸される。具体的には、裏当て２１の中に発射された超音波エネルギの５０％近くが散逸される一方、ピエゾセラミック２０内で、５％〜１０％の熱損失が生じる。さらに、２つの小さい矢印３１により表されるように、裏当て２１から、微小でコヒーレントなエコーがある。「送信された」とラベル付けされた大きい矢印３２により表されるように、超音波エネルギの残りは、ピエゾセラミック要素２０により放出される。（低周波超音波トランスデューサを表す）１００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１９に関して、ピエゾセラミック要素２６により放出される超音波エネルギの一部は、（大きい矢印３４により表されるように、）裏当て２１中で散逸される。しかし、１００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１９の裏当て２５はより小さいので、４００ｋＨｚ超音波トランスデューサアセンブリ１８ほどではない。さらに、２つの小さい矢印３５により表されるように、裏当て２５から得られるさらなるエコーがある。「送信された」とラベル付けされた大きい矢印３６により表されるように、超音波エネルギの残りは、ピエゾセラミック要素２６により放出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
[0013]したがって、ＣＢＥおよび他の用途で使用するのに、低周波数（すなわち、約１００ｋＨｚ）の超音波トランスデューサを有することが有利であるが、低周波数（すなわち、１００ｋＨｚ）超音波トランスデューサに関する上記の問題が、ダウンホールＣＢＥ用途に適さないおよび／または使用できない現在の設計をもたらす。トランスデューサからのエネルギを吸収する裏当ての能力が（トランスデューサアセンブリのためのダウンホールツールの中の制限された空間に起因して）減少すると、トランスデューサの中の損失は、帯域幅の目標を満たすために増加されなければならない。
【００１１】
[0015]本明細書で開示されるのは、ダウンホールセメントボンド評価で使用するのに特に適しており、しかしさまざまな用途で使用可能な、低周波数パルスエコー超音波トランスデューサである。本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、約１００ｋＨｚの動作周波数、ｔ＝２ｆ／ｖ（ここで、ｆ＝焦点深度、ｖ＝音の速さ）における３０ｄＢ未満のリングダウン、１００％よりも高い帯域幅、および３．８１ｃｍ（１．５インチ）未満の音響アセンブリ深さ（前面、ピエゾセラミック要素、および裏当て）を有する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0016]１つの形態では、本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、ピエゾセラミック要素と超音波抑制または減衰要素の交互の層を有するトランスデューサスタックを備える。超音波抑制または減衰要素は、好ましくは、トランスデューサスタックのＱを減少させるため、ピエゾセラミック要素に整合した音響インピーダンスである。概略を言えば、Ｑは、帯域幅の逆数である。具体的には、Ｑ＝Ｅ／ΔＥであり、ΔＥは、１サイクルのエネルギ損失である。トランスデューサのＱは、帯域幅が１００％に近づくと１に近づかなければならない。
【００１３】
[0017]別の形態では、本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、音響抑制または減衰裏当て上に配設される本トランスデューサスタックおよび前面要素を有するアセンブリを備える。前面要素は、好ましくは、必ずというわけではないが、１／４波長（１／４λ）ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）またはチタン構造である。
【００１４】
[0018]別の形態では、本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、メタニオブ酸鉛から作られた合成物（ＰｍＮ、ＰＮ、ＬＭ、ＰｂＮｂまたは他の標識）を備える。合成物は、低音響インピーダンスマトリックスの中へのピエゾセラミックポスト（ユニット）の組の配列によって特徴付けられる。ピエゾセラミックユニットは、本譲受人、インディアナ州インディアナポリス、Ｐｉｅｚｏ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓにより提供されるような、「Ｋ−８１」および「Ｋ−９１」として知られているメタニオブ酸鉛から作られうる。
【００１５】
[0019]さらに別の形態では、本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、好ましくは、必ずしもというわけではないが、メタニオブ酸鉛から作られた合成物のスタックを含む。合成物のスタックの各ユニットは、上に記載されたようなトランスデューサスタックからなる。
【００１６】
[0020]さらに別の形態では、本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、好ましくは、必ずしもというわけではないが、メタニオブ酸鉛から作られた合成物のスタックを含み、複数の駆動要素が、異なる時間に個別の要素を駆動することを可能にする。複数の駆動要素は、互いに対して位相が遅れ、より広い周波数範囲を実現することができる。
【００１７】
[0021]本低周波数パルスエコー超音波トランスデューサは、医療、リモートセンシング、化石燃料を回収するための井戸を含む、さまざまな用途で使用されうる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】[0023]井戸の中のセメントボンド評価で使用されるダウンホールツールのパルスエコー超音波トランスデューサの図解である。
【図２Ａ】[0024]間隙を通して向けられたときの、セメントボンド評価についての７５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図２Ｂ】[0025]間隙の近くに向けられたときの、セメントボンド評価についての７５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図２Ｃ】[0026]間隙を通して向けられたときの、セメントボンド評価についての９５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図２Ｄ】[0027]間隙の近くに向けられたときの、セメントボンド評価についての９５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図２Ｅ】[0028]間隙を通して向けられたときの、セメントボンド評価についての１１５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図２Ｆ】[0029]間隙の近くに向けられたときの、セメントボンド評価についての１１５ｋＨｚの超音波周波数の効果を図示する、異なるサイズのセメントボンド間隙についての、変位対弧長を描くグラフである。
【図３】[0030]セメントボンド評価について、４００ｋＨｚ超音波トランスデューサ対１００ｋＨｚ超音波トランスデューサを使用することにおける課題を図示する図である。
【図４】[0031]４００ｋＨｚ超音波トランスデューサから１００ｋＨｚ超音波トランスデューサに対する超音波エネルギ流を図示する図である。
【図５】[0032]本原理にしたがって形作られた（ｆａｓｈｉｏｎｅｄ）、低周波数超音波トランスデューサスタックの図解である。
【図６】[0033]単一要素の１００ｋＨｚ超音波トランスデューサおよび本１００ｋＨｚ超音波トランスデューサスタックからの平面または径方向ノイズを図示する図である。
【図７】[0034]一方は個別（単一）要素の１００ｋＨｚ超音波トランスデューサの基本厚み共振を図示し、他方は２つ（複数）の要素の１００ｋＨｚ超音波トランスデューサの基本厚み共振を図示する、２つのグラフである。
【図８】[0035]合成物ＰｍＮ超音波トランスデューサ構造の図解である。
【図９】[0036]一方はトランスデューサスタックを利用し、他方は合成物ＰｍＮトランスデューサスタックを利用する、本原理にしたがって形作られた低周波数超音波トランスデューサアセンブリの２つの実施形態を図示する図である。
【図１０】[0037]音響トランスデューサの中の音響共振の３つのモードの図解である。
【図１１】[0038]２つの音響要素を個々に駆動するやり方を図示する、２つの音響要素を有する、本原理にしたがって形作られた低周波数音響トランスデューサの図面である。
【図１２】[0039]本原理にしたがって形作られた低周波数音響トランスデューサを電気的に接続し駆動するやり方の図解である。
【図１３】[0040]図１２の低周波数音響トランスデューサを駆動するやり方の図解である。
【図１４】[0041]セメントボンド評価用途における、図１２および図１３の低周波数音響トランスデューサの図解である。
【図１５】[0042]本原理にしたがって形作られた低周波数音響トランスデューサを駆動する別のやり方の図解である。
【図１６】[0043]本位相調整された（ｐｈａｓｅｄ）低周波数音響トランスデューサ（キャリパ）の使用の図解である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
[0044]同様の参照番号は、いくつかの図を通して同じまたは類似の部分を示す。
【００２０】
[0046]図５を参照すると、本原理にしたがって形作られ、全体的に５０で表される、低周波数パルスエコー音響（例えば、超音波）トランスデューサスタックの全体的な図解が描かれる。音響トランスデューサスタック５０は、音響（例えば、超音波またはピエゾセラミック）要素と超音波抑制または減衰要素の交互の層により特徴付けられる。図５では、音響トランスデューサスタック５０は、第１のピエゾセラミック要素５１、第１のピエゾセラミック要素５１上に置かれた第１の音響抑制要素５２、第１の音響抑制要素５２上に置かれた第２のピエゾセラミック要素５３、第２のピエゾセラミック要素５３上に置かれた第２の音響抑制要素、および第２の音響抑制要素５２上に置かれた第３のピエゾセラミック要素５５を有する。音響抑制要素５２、５４は、好ましくは、トランスデューサスタックのＱを減少させるために、ピエゾセラミック要素５１、５３、５５と音響インピーダンス整合される。図５に示される音響スタック５０は、例示であって限定するものではないことを理解されたい。したがって、任意の数の層の音響スタックが企図される。抑制要素または層は、帯域幅の目標を達成するため、ピエゾセラミック要素にわたる音響減衰を可能にする。
【００２１】
[0047]図６では、２つの超音波パルスエコートランスデューサまたはトランスデューサアセンブリ５９および６０を描く図解５８が示される。音響パルスエコートランスデューサ５９は、前面６３を有する、音響抑制裏当て６２に付着された単一のピエゾセラミック要素６１を有する従来技術のトランスデューサである。音響パルスエコートランスデューサ５９は、音響信号６５を放出する一方、両矢印６４により表されるような径方向にも放射する。音響パルスエコートランスデューサ６０は、本原理にしたがって形成され、したがって、４つのピエゾセラミック要素６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄおよびその間に置かれる３つの音響抑制要素６８ａ、６８ｂ、６８ｃにより形成されるピエゾセラミックスタック６６を有し、スタック６６は、前面７０を有する音響抑制裏当て６９に付着される。音響パルスエコートランスデューサ６０は、音響信号７１を放出する一方、両矢印７２により表されるような径方向にも放射する。
【００２２】
[0048]図７のグラフ７４に図示されるように、単一要素のパルスエコー音響トランスデューサ５９の基本厚み共振は、およそ５００ｋＨｚである。図７のグラフ７６に図示されるように、本複数要素のパルスエコー音響トランスデューサ６０の基本厚み共振は、およそ１５０ｋＨｚである。これは、１未満に低下したＱを有する、３５０ｋＨｚの低下である。したがって、単一の音響要素と同じ物理的なサイズを有する音響スタックが、より低い周波数の音響信号を可能にし、一方不要な音響放射のかなりの量を抑制することがわかる。
【００２３】
[0049]図８を参照すると、本発明に準拠した合成物メタニオブ酸鉛トランスデューサが示される。合成物メタニオブ酸鉛トランスデューサは、複数のピエゾセラミックポスト７８から構成され、そのＺ軸が主たる動作軸である。複数のピエゾセラミックポスト７８は、低音響インピーダンスマトリックス８０の中に設置される。マトリックスは、Ｘ軸およびＹ軸の動きをほとんど分離する。合成物メタニオブ酸鉛トランスデューサの径方向リングダウン構成要素は、したがってほとんど完全に取り除かれる。
【００２４】
[0050]インディアナ州インディアナポリス、Ｐｉｅｚｏ  ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓからのＫ−８１およびＫ−９１ピエゾセラミックなどのメタニオブ酸鉛が、合成物トランスデューサ用に選択される。メタニオブ酸鉛から作られる合成物トランスデューサは、予期されない。しかし、以下の特性を鑑み、本原理にしたがって、本明細書に提供されるような、合成物トランスデューサスタックを含む合成物トランスデューサは、メタニオブ酸鉛を使用する。周波数およびモードは、材料中の音の速さおよび部分の幾何形状に関連する。図１０を参照すると、音響トランスデューサ中の音響共振の３つのモードが図示される。音響トランスデューサ１００は、平面共振モードを図示する。音響トランスデューサ１０１は、厚み共振モードを図示する。音響トランスデューサ１０２は、３３ロッド共振モードを図示する。平面モードおよび厚みモードでは、直径が厚みよりも非常に大きい。平面モードでは、共振周波数は、音が要素の幅を横切って移動するのに必要な時間の逆数である。厚みモードでは、共振周波数は、音が要素の厚みを横切って移動するのに必要な時間の逆数である。ロッドモードでは、共振周波数は、直径が厚みよりも非常に小さいことを除いて、厚みモードのように計算される。
【００２５】
[0051]結合係数ｋｘが、圧電材料によって、電気から音へ、または音から電気へ、どれだけのエネルギが変換されうるのかを決定する。変換される最大エネルギは、Ｅ＝（ｋｘ）２であり、ここで、添え字「ｘ」は、圧電動作のモードのことを言う（すなわち、Ｐ＝平面モード、Ｔ＝厚みモード、３３＝ロッドモード）。本明細書に提供されるように低周波数合成物用にメタニオブ酸鉛を使用することが、ただ１つの主たる理由、すなわち不要な平面（径方向）モードが抑制されることのため、合成物の性能を改善する。低周波数トランスデューサでは、平面モードは、望ましくないリングロンガの傾向がある。厚みモードのリンギングまたはリングダウンを抑圧するために使用される裏当ては、径方向モードのリンギングまたはリングダウンの制御にあまり効果がない。したがって、合成物用にメタニオブ酸鉛を使用することが、径方向モードのリンギング／リングダウンを制御する。副次効果は、合成物中の要素のインピーダンスの減少が、本トランスデューサスタックの界面における損失を最小化することである。したがって、要素を裏当てに整合させることがより容易である。メタニオブ酸鉛合成物を用いると、基本平面モード共振（リングダウン）は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）合成物よりも何桁も小さい。
【００２６】
[0052]ここで図９を参照すると、図６を参照して上に示され記載された、本音響パルスエコートランスデューサ６０を描く、図解８２が提供される。トランスデューサ６０は、本原理にしたがって音響スタックで形成されるが、トランスデューサスタック６６内の両矢印により表されるように、いくらかの不要な平面（径方向）ノイズを依然として呈する。平面ノイズを減少させるために、本原理の態様にしたがって形作られた音響パルスエコートランスデューサアセンブリ８６は、前面９０を有する、裏当て８９に付着された音響メタニオブ酸鉛合成物スタック８８を提供する。この実施形態では、音響メタニオブ酸鉛合成物スタック８８は４つのピエゾセラミック合成物要素９２ａ、９２ｂ、９２ｃ、９２ｄおよびその間に置かれる３つの音響抑制要素９３ａ、９３ｂ、９３ｃにより形成される。音響合成物スタック８８は、音響合成物スタック８８内の影の中の両矢印により表されるような、不要な平面（径方向）ノイズを減少する。もちろん、異なる数の音響要素および抑制層を有するスタックが使用されうる。さらに、音響メタニオブ酸鉛合成物スタック８８で、そのＱが１に近づき、小さい裏当てを可能にする。さらに、平面（径方向）モードエコーが最小化される。
【００２７】
[0053]全ての場合で、裏当ておよびトランスデューサスタックのための筐体は、好ましくは、必ずしもというわけではないが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）から形成される。スタックの裏当ておよび抑制層／要素は、（約８０ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有する）タングステンなどの高い音響インピーダンス材料、または高い音響インピーダンス材料の混合物（例えば、粉末タングステンと混合された約２０ＭＲａｙｌのエポキシ／ポリマ）から形成される。もちろん、他の高音響インピーダンス材料および／または混合物が使用されうる。
【００２８】
[0054]本低周波数音響トランスデューサの前面は、摩耗に耐える薄い厚さの材料から形成される。１つのそのような材料は、ポリマ、具体的には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）として知られるポリマである。ＰＥＥＫは、約４．５ＭＲａｙｌの音響インピーダンスを有し、薄く作られうる。本明細書に提供されるような１００ｋＨｚ音響トランスデューサでは、１／４波長（１／４λ）ＰＥＥＫ面は、約０．７１１２ｃｍ（０．２８インチ）厚である。もちろん、他の材料および厚さが使用されうる。
【００２９】
[0055]本発明の別の態様によれば、本明細書に記載されるような全ての形態の音響スタックは、スタックされた配列として駆動または動作されてよく、ここで、その複数の駆動（音響）要素が、（複数パルスで時間遅延される）異なるときに、個別駆動（音響）要素を駆動または律動させることを可能にする。このことが、裏および側からの音を除去する一方、トランスデューサの前からの音の生成を最大化させるなどの利点をもたらす。したがって、本明細書に記載されるような音響スタックの個別の音響要素は全て、別個に、しかし互いに対して駆動されうる。トランスデューサスタックを動作させるこのやり方は、図１１〜図１６に示され、抑制層なしで示される２つの音響要素のトランスデューサに関連して下で記載されており、本原理が本音響要素／抑制層トランスデューサスタックにも適用することが理解されよう。
【００３０】
[0056]２つの音響要素のトランスデューサ１０４が図１１に描かれる。トランスデューサ１０４の上の記述に、時間ゼロ（Ｔ＝０）において、第１の内部要素が点火され、第１の内部要素の中の波により表される。Ｔ＝１において、トランスデューサ１０４の中央の記述に表されるが、第１の内部要素からの信号またはインパルス（波）が前側要素を通って移動する。Ｔ＝２において、トランスデューサ１０４の下の記述に表されるが、第１の内部（後側）要素からのインパルスが前側要素の前面に到達すると、前側要素が点火される。
【００３１】
[0057]本トランスデューサを駆動する（すなわち、時間遅延された）このやり方が、感度、中心周波数および帯域幅に時間遅延効果をもたらす。具体的には、後側要素からの音響信号が、上の時間遅延方法（すなわち、複数パルス時間遅延駆動トランスデューサ）により前側要素からの音響信号に加えられると、付加的な音響信号の結果となる。この時間遅延された信号は、次いで、別の遅延された信号と相関され、ノイズ抑圧をもたらすことができる。時間相関された信号は、以下すなわち（１）時間加算［（時間ｔにおける後部における音響信号）＋（時間ｔ経過時における前部における音響信号）］、（２）通常加算［（時間ｔにおける前部における音響信号）＋（時間ｔにおける後部における音響信号）］、（３）時間相関された信号による通常乗算を実施することにより処理されうる。
【００３２】
[0058]本低周波数広帯域トランスデューサは、音響要素（例えばピエゾセラミック部品）を別個に（時間遅延で）、または一緒に点火することにより、より広い周波数範囲を獲得する。図１２を参照すると、２つの音響要素のスタックトランスデューサ１０６を電気的に接続し駆動するやり方が描かれる。ＡとＣが接続されると、高周波数音響信号が生成される。ＢとＣが接続されると、中間周波数音響信号が生成される。ＡとＢがＣと一緒に接続されると、低周波数音響信号が生成される。図１３に示されるように、両方の音響要素（例えばピエゾセラミック）を駆動するが、前側音響要素の点火を（パルスのタイミングを介して）遅延させ、そのため、前側音響要素のパルスが、後側音響要素からのパルスと同相であることにより、最大の帯域幅を有する最強の音響信号が獲得されることが本発明者らにより決定された。
【００３３】
[0059]２つの音響要素のスタックトランスデューサ１０６に関連して上に記載された接続および／または駆動方法を利用する、セメントボンド評価（ＣＢＥ）用途が図１４に描かれる。ＣＢＥ用途では、音響パルスが、掘削孔にライニングを施すために使用される鋼管（ケーシング）壁に向けられる。最大の信号は、最初の反射エコーである。管壁内の反響が、主反射後の反射信号中に見られてよい。鋼壁の厚みが反響の周期を決定する。異なる厚みの鋼板をターゲットとして使用して試験が実施された。各厚みに関連する周期および周波数は以下である。
厚み                                周期            周波数
０．９３９８ｃｍ（０．３７インチ）  ３．３２μＳ    ３０１ｋＨｚ
１．２７ｃｍ（０．５０インチ）      ４．４８μＳ    ２２３ｋＨｚ
１．９０５ｃｍ（０．７５インチ）    ６．７２μＳ    １４９ｋＨｚ
２．５４ｃｍ（１．００インチ）      ８．９６μＳ    １１２ｋＨｚ
[0060]別の駆動方式が、ここで図１５を参照して提示される。上の駆動方式は、中心周波数を増加させ、したがって潜在的な帯域幅を犠牲にする。代替方式は、前のように後側音響要素を点火することであるが、次いで、後側音響信号が前面に到達したら前側および後側音響要素の両方を同時に点火することである。このことが、低周波数の量を増加させ（すなわち、帯域幅を拡げ）、一方、時間遅延した信号の利益を維持する。
【００３４】
[0061]代替方法が使用されうる例示的なシステム１１０が図１６に示される。本キャリパを使用する中性子吸収測定システムの現在の構成が、本複数パルス時間遅延キャリパならびに駆動および信号抽出モジュールを使用する提案された構成に関して示される。
【００３５】
[0062]本システムは、井戸セメントボンド評価を参照して記載されてきたが、本低周波数パルスエコー音響トランスデューサは、他の構造物、アセンブリ、形成物、物品および／または物体の、他の分析／測定および／または非破壊検査および／または分析に使用されうる。
【００３６】
[0063]本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明のさまざまな詳細が変えられうることを、当業者は理解するであろう。さらに、前述の記載は、説明のためだけのものであり、性質が限定的でなく、その単に例示的な実施形態が示され記述されてきており、以下の特許請求の範囲内である全ての変更および修正が保護されることが求められることが理解される。
【００３７】
[0064]本明細書に引用されたあらゆる全ての参照は、本明細書に採用された方法論または技法を補い、説明し、背景を提供し、または教示する程度まで、参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
2015518700.tif 000005
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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