一种主动式噪声压裂效果检测方法技术领域
本发明属于噪声测井领域，具体涉及一种主动式噪声压裂效果检测方法。
背景技术
在科技与经济飞速发展的今天，石油在国家发展中的工业、军事等诸多领域的影
响都扮演了不可替代的作用，而且石油资源的珍贵不言而喻，尤其目前各个国家石油开采
已经到了末期阶段，提高如何油井开采利用率成为了比较重要的一个问题。目前为了对油
井充分开采，通常会向井中注水加压来提高出油率，为了检测井下注水以后压裂效果的好
坏，一般性做法是在注水井中加入放射性元素，通过其放射性元素的辐射来判断注水以后
的压裂效果，其最明显的缺点就是对环境污染比较大。另一种方法是向井下注水加压以后，
通过检测其井下各方位噪声信息来判断在多个方向上的压裂效果，但目前用于井下噪声压
裂效果检测装置无法同时获得多个方向上的噪声信息，准确地掌握井下各个方位上的压裂
效果情况，同时对单目标的具体方位的分辨力不够，不能分辨方位相近的高分辨源，也不能
有针对性的在特定方向上提高出油产量。噪声测井在测井领域中扮演者十分重要的地位，
如何准确地测得出在注水加压以后的井下压裂效果一直是研究的热点。
发明内容
本发明提供了一种主动式噪声压裂效果检测方法，通过使用换能器的倍频窄波束
技术解决上述现有技术中存在的问题，在提高目标分辨能力的同时，还能够测出井下多个
方位在注水前后的压裂效果的好坏情况。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种井下噪声保护方法，通过声
波发射换能器在外部脉冲激励电路产生的激励电压作用下发射出一个原始声信号，该原始
声信号在井下套管里和注水以后井下多个方向的噪声信号混合加载在一起形成噪声加载
信号，之后被声波接收换能器接收，声波接收换能器把接收到的噪声加载信号转换成模拟
电信号，模拟电信号在经过电子仓中一系列电路的处理后由电缆传至地面装置中，在地面
装置中把声波发射换能器发射出的原始声信号滤除，只留下井下各个方向上的噪声信号，
最后对噪声信号进行一系列处理后，通过噪声信号的信息来判断井下压裂效果的好坏，可
以获得较好的结果。通过声波发射换能器发射的声波信号来加载噪声信号，从而保护噪声
信号，可以有效减小井下噪声的失真，能够更加准确地获得井下注水后的噪声信息。
一种主动式噪声压裂效果检测方法，包括以下步骤：
步骤一、通过声波发射换能器发射原始声信号对噪声信号进行保护；
步骤二、通过声波接收换能器获得其内部产生的四路电压信号p1、p2、p3、和p4；
步骤三、将四路电压信号p1、p2、p3、和p4相加得到总的声压信号P；
步骤四、利用位于x轴方向上的声压信号p1和p3，通过两点的声压差利用声压梯度
求得水平方向上的振速vx；
步骤五、利用位于y轴方向上的声压信号p2和p4，通过两点的声压差利用声压梯度
求得垂直方向上的振速vy；
步骤六、通过设置不同的电子旋转角度ψ，在上述步骤中得到的P、vx、vy这三路信号
中利用倍频窄波束算法加入八个不同方向上的旋转角度ψ，合成这八个方向上的指向性图，
使得声波接收换能器在井下得到这八个方向上的噪声加载后的信号，通过判断这八个方
向上注水前后噪声信号的强弱来判断井下压裂效果的好坏。
上述步骤三、将四路电压信号p1、p2、p3、和p4相加得到总的声压信号P：
P＝p1+p2+p3+p4(1)
上述步骤四、利用位于x轴方向上的声压信号p1和p3，通过两点的声压差利用声压
梯度求得水平方向上的振速vx：
v
x
=
1
ρ
Δ
r
∫
(
p
1
-
p
3
)
d
t
-
-
-
(
2
)
]]>
其中ρ为介质密度，Δr为p1和p3两点之间的距离。
上述步骤五、利用位于y轴方向上的声压信号p2和p4，通过两点的声压差利用声压
梯度求得垂直方向上的振速vy：
v
y
=
1
ρ
Δ
r
∫
(
p
2
-
p
4
)
d
t
-
-
-
(
3
)
]]>
其中ρ为介质密度，Δr为p2和p4两点之间的距离。
上述步骤六、通过设置不同的电子旋转角度ψ，在上述步骤中得到的P、vx、vy这三路
信号中利用倍频窄波束算法加入八个不同方向上的旋转角度ψ，合成这八个方向上的指向
性图，包括如下步骤：
(6.1)声波接收换能器指向性的合成原理是：
当波达方向为θ的声场平面波入射到声波接收传感器上，可以通过声波接收换能
器获得相互正交的两个振速分量vx、vy和一个声场中声压信号P，此时产生的输出可以表示
为：
Xv(t)＝[1,U]P(t)(4)
其中,Xv(t)＝[P(t),vx(t),vy(t)]T，U＝[sinθ,cosθ]T，U为与波达方向有关的单
位方向向量。
(6.2)在地面装置中引入一个旋转角度ψ，控制波束在二维空间的旋转。令：
vc(t)＝vx(t)cosψ+vy(t)sinψ＝x(t)cos(θs-ψ)(5)
vs(t)＝-vx(t)sinψ+vy(t)cosψ＝x(t)sin(θs-ψ)(6)
vc(t)和vs(t)具有偶极子指向性，通过改变不同的ψ值，即可控制波束vc(t)和vs
(t)在水平面的旋转。
(6.3)把声压和振速的乘积定义为瞬时声强流：
I(t)＝p(t)v(t)(7)
那么电子旋转声矢量角度传感器输出向量：
vc(t)＝vx(t)cosψ+vy(t)sinψ＝p(t)cosθcosψ+p(t)sinθsinψ＝p(t)cos(θ-ψ)(8)
所以其单边指向性可以表示为：
I
(
t
)
=
(
p
(
t
)
+
v
c
(
t
)
)
v
c
(
t
)
=
p
2
(
t
)
cos
2
(
θ
-
ψ
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
2
)
-
-
-
(
9
)
]]>
(6.4)取两个相隔角度为Δ的波束输出I1和I2做互相关运算得到：
y
o
u
t
=
cos
2
(
θ
-
ψ
1
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
1
2
)
*
cos
2
(
θ
-
ψ
2
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
2
2
)
-
-
-
(
10
)
]]>
由上式可以得到超指向性图，得到的超指向性归一化处理即可实现声矢量换能器
在特定方向上的指向性。
本发明的有益效果：本发明通过注水前后不同噪声信息对比来判断各个方向上的
压裂效果，其中利用声波发射换能器发射出原始声信号对井下噪声信号进行保护，可以有
效减小井下噪声的失真，能够更加准确地获得井下注水后的噪声信息，声波接收换能器可
以根据获得的声压信息来得到声场的振速信息，这样就有可能根据声场中的振速和声压信
息，利用声矢量换能器的倍频窄波束算法来使声波接收换能器产生辐射性，在地面装置中
通过不同的控制角度来调整声波接收换能器在多个方向上指向性，在地面装置中可以得到
不同方向上的噪声信息，通过噪声的幅度和频率来判断流体的类型和方位，可以在提高目
标分辨能力的同时能够测得井下多个方向上的噪声，从而通过对噪声的分析得到出井下多
个方位在注水前后的压裂效果的好坏情况。
附图说明
下面通过附图并结合实施例具体描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加
明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的
限制。
图1是本发明一种主动式噪声压裂效果检测系统的结构示意图；
图2是本发明中压裂效果检测装置的内部结构示意图；
图3是本发明中一种主动式噪声压裂效果检测系统的检测原理框图；
图4是本发明中声波发射换能器结构示意图；
图5是本发明中声波接收换能器结构示意图；
图6是本发明中井下套管中一个方向上的噪声信息示意图；
图7是本发明中利用声波接收换能器倍频窄波束技术在井下八方位的指向性图；
图8是本发明中声波接收换能器外部的通道示意图和通道1的内部电路原理图；
图9是本发明中相关电路原理图：图9(a)为声波接收换能器与外部电路连接的电
路原理；图9(b)为CAN总线电路图；图9(c)为声波发射换能器的外部电压激励电路图；
附图标记说明：1、电缆；2、压裂效果检测装置；3、套管；4、地面装置；201、壳体；
202、电子仓；203、连接管；204、过线胶管；205、声波发射换能器；206、压电陶瓷支架；207、透
声管壁；208、声波接收换能器；209、橡皮塞；210、管卡；211、密封架；20501、发射换能器压电
陶瓷圆筒基底；20502、发射换能器正电极；20503、发射换能器负电极；20801、接收换能器压
电陶瓷圆筒基底；20802、接收换能器正电极；20803、接收换能器压电陶瓷圆筒电极之间的
绝缘带；20804、接收换能器负电极。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行
实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员
来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本发明保护
范围。
一种主动式噪声压裂效果检测系统，如图1和图2所示，该检测系统包括电缆1、压
裂效果检测装置2、套管3、地面装置4，压裂效果检测装置2通过电缆1与地面装置7相连；其
中压裂效果检测装置2包括电子仓202、声波发射换能器205、声波接收换能器208，电子仓
202上端与电缆1相连接，压裂效果检测装置2还包括壳体201、连接管203、过线胶管204、压
电陶瓷支架206、透声管壁207、橡皮塞209、管卡210、密封架211，其中电子仓202、连接管
203、过线胶管204、声波发射换能器205、压电陶瓷支架206、透声管壁207、声波接收换能器
208、橡皮塞209、管卡210、密封架211均安装于壳体201内部，声波接收换能器208、声波发射
换能器205和电子仓202由下向上依次通过连接管203连接，声波发射换能器205与壳体201
之间由过线胶管204密封，声波接收换能器208和声波发射换能器205之间通过压电陶瓷支
架206支撑，声波接收换能器208和声波发射换能器205之间还设置有透声管璧207，在声波
接收换能器208最下方与壳体201之间依次设置橡皮塞209、管卡210和密封架211。
如图3所示，表示了主动式噪声压裂效果检测系统的检测原理框图，声波接收换能
器208内部产生的四路电压输出信号p1、p2、p3、和p4分别通过各自路径送至电子仓202中，电
子仓202中的四路通道内的电路和参数完全一样，首先声波接收换能器208接收到的噪声信
号会在声波接收换能器208内部产生的一路电压信号经过通道1送至A/D转换电路中，通道1
中依次连接着前置预处理电路、低通滤波电路、可变增益放大电路、电压放大电路。A/D转换
电路和可变增益放大电路分别和由单片机控制的控制电路连接，控制电路连接有CAN总线
电路，CAN总线与数据收发模块相连，最后将处理后数据经电缆1送入地面装置4中。本文只
介绍声波接收换能器将采集到的数据经过通道1传输到A/D电路中，其他三路通道的原理与
过程均与通道1相同，在此不做一一介绍。
电子仓202主要是对声波发射换能器205提供外部电压激励和接收换能器转换的
电信号经行一系列的调整，实现井下和井上的数据传输，将井下声波接收换能器208接受到
的测井数据传输到地面装置4。电子仓202包括和声波接收换能器208相连的四个通道电路，
激励电压产生电路，和通道电路连接的A/D转换电路、控制电路，CAN总线电路，数据收发模
块；激励电压产生电路为一个单独存在用于声波发射换能器的方波脉冲激励电压的产生电
路；通道电路中包括依次连接的前置预处理电路、低通滤波电路、可变增益放大电路、电压
放大电路、A/D转换电路，前置预处理电路主要对来自声波接收换能器208接收到的微弱信
号进行一个20dB左右的放大。
声波发射换能器205由外部脉冲方波产生的激励电压作用下产生声波，首先由一
个方波脉冲电压电路对声波发射换能器205产生一个频率约为20kHz的电压激励，声波发射
换能器205在给定电压激励后发射出原始声信号，最后原始信号在套管3里和注水以后的噪
声信号混合加载在一起后被声波接收换能器208接收，声波接收换能器208把接收到的噪声
信号转换成模拟电信号，模拟电信号在经过压裂效果检测装置2中电子仓202中的滤波电路
来把声波发射换能器205发射出的原始声信号滤除，只留下井下各个方向上的噪声信号，对
噪声信号经行一系列处理后，可以较好掌握井下注水前后的压裂情况。
声波发射换能器205内部结构示意图如图4(a)所示，声波发射换能器205包括发射
换能器压电陶瓷圆筒、发射换能器压电陶瓷圆筒基底20501、发射换能器正电极20502、发射
换能器负电极20503，发射换能器正电极20502为发射换能器压电陶瓷圆筒内壁极化后形
成，发射换能器负电极20503为发射换能器压电陶瓷圆筒外壁极化后形成，发射换能器压电
陶瓷筒内、外壁上的发射换能器压电陶瓷极化方向与发射换能器压电陶瓷圆筒的径向平
行，其中20501是发射换能器压电陶瓷圆筒基底，20502是发射换能器正电极，20503是发射
换能器负电极。如图4(b)所示，声波发射换能器压电陶瓷沿圆周内、外壁上共形成2个电极，
2个电极分别为沿压电陶瓷圆筒内设置有1个正电极和外部设置的1个负电极，将发射换能
器压电陶瓷圆筒外壁上的1个发射换能器负电极20503用导线引接出来到声波发射换能器
205的外表面，作为整个声波发射换能器205的负极，且该负电极接地，发射换能器压电陶瓷
圆筒内壁上的1个发射换能器正电极20502引出1根导线用来作为声波发射换能器205的外
部电路产生激励电压的输入端。
声波接收换能器208内部结构示意图如图5所示，图5(a)中表示了声波接收换能器
208由一个接收换能器压电陶瓷圆筒和覆盖在接收换能器压电陶瓷圆筒内、外壁上沿圆周
方向设置的多个银电极矩形条组成，接收换能器压电陶瓷圆筒由接收换能器压电陶瓷圆筒
基底20801、绝缘压电陶片组成，银电极矩形条为极化后分别形成的8个正负电极。其中
20801是接收换能器压电陶瓷圆筒基底，20802是接收换能器正电极，20803是接收换能器压
电陶瓷圆筒电极之间的绝缘带，20804是接收换能器负电极。各银电极等间距覆盖在接收换
能器压电陶瓷圆筒内、外壁上，接收换能器压电陶瓷圆筒内、外壁上对应的银电极连接在一
起，各银电极之间的接收换能器压电陶瓷极化方向与接收换能器压电陶瓷圆筒的径向平
行，各银电极之间的接收换能器压电陶瓷极化形成接收换能器正电极和接收换能器负电
极，接收换能器正电极与接收换能器负电极沿接收换能器压电陶瓷圆筒圆周方向交替间隔
设置。银电极均通过丝网印刷形成，且沿接收换能器压电陶瓷圆筒内外分别设置为4个接收
换能器正电极和4个接收换能器负电极，并相互绝缘，如图5(b)所示。将接收换能器压电陶
瓷圆筒外壁上的4个接收换能器负电极连接在一起后作为整个换能器的负极，接收换能器
压电陶瓷圆筒内壁上的4个接收换能器正电极分别引出四根导线作为四路输出信号p1、p2、
p3、和p4，利用这四路电压输出信号可以得到相互正交的两路信号vx、vy和一路声压信号P。
将如上所获得的四路电压相加就可以的到总的声压信号P，利用位于x轴方向上的
声压信号p1和p3，通过两点的声压差利用声压梯度求得水平方向上的振速vx，同理声压信
号p2和p4两点的声压差利用声压梯度可以求得y轴方向的振速vy，然后在地面装置4中通过
设置不同的电子旋转角度ψ来控制换能器波束方向以接收不同方向上的声波信号，可以同
时合成在任意方位的指向性图，从而实现换能器在井下同时获得不同方位的声波信号。
下面具体介绍怎么利用获得的四路电压信号获得两路不同方向上的振速信号vx、
vy和一路声压信号P。获得水平方向声压p1和p3以及和垂直方向的声压p2和p4后，利用声压梯
度与振速的关系来获得在水平方向的振速vx和垂直方向上振速vy，一路声压信号P。
目标声场振速和声压关系：![]()
式中，ρ为介质密度，v为振速，p为声压。则水平方向上的振速vx、垂直方向的振速vy
和总的电压信号P可以用如下公式表示：
电压信号P：P＝p1+p2+p3+p4；
水平方向上的振速vx：![]()
垂直方向上的振速vy：![]()
这样通过四路电压信号p1、p2、p3和p4我们就能获得相互正交的两路信号vx、vy和一
路声压信号P。
本发明的声波接收换能器指向性的合成原理是：
当波达方向为θ的声场平面波入射到声波接收传感器上，我们可以通过声波接收
换能器208获得相互正交的两个振速分量vx、vy和一个声场中声压信号P，此时产生的输出可
以表示为：
Xv(t)＝[1,U]P(t)
其中,Xv(t)＝[P(t),vx(t),vy(t)]T，U＝[sinθ,cosθ]T
U为与波达方向有关的单位方向向量。
利用声压与振速的不同组合利用三角函数关系可以获得不同的指向性图。当利用
声压与振速组合为：![]()
的时候，我们可以得到类似具有蝌蚪形的指向性图。
在地面装置4中引入一个旋转角度ψ的时候，就可以控制波束在二维空间的旋转。
令：
vc(t)＝vx(t)cosψ+vy(t)sinψ＝x(t)cos(θs-ψ)，
vs(t)＝-vx(t)sinψ+vy(t)cosψ＝x(t)sin(θs-ψ)，
vc(t)和vs(t)具有偶极子指向性，只要通过改变不同的ψ值，即可控制波束vc(t)和
vs(t)在水平面的旋转。
把声压和振速的乘积定义为瞬时声强流：
I(t)＝p(t)v(t)
那么电子旋转声矢量角度传感器输出向量：
vc(t)＝vx(t)cosψ+vy(t)sinψ＝p(t)cosθcosψ+p(t)sinθsinψ＝p(t)cos(θ-ψ)
所以其单边指向性可以表示为：
I
(
t
)
=
(
p
(
t
)
+
v
c
(
t
)
)
v
c
(
t
)
=
p
2
(
t
)
cos
2
(
θ
-
ψ
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
2
)
]]>
假设电子旋转其引导方位为ψ，将产生相应的瞬时声强流输出Ii。取两个相隔角度
为Δ的波束输出I1和I2做互相关运算得到：
y
o
u
t
=
cos
2
(
θ
-
ψ
1
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
1
2
)
*
cos
2
(
θ
-
ψ
2
2
)
c
o
s
(
θ
-
ψ
2
2
)
]]>
由上式可以得到超指向性图，得到的超指向性归一化处理即可实现声矢量换能器
在特定方向上的指向性。在地面装置4上只要在获得的vx、vy和P三路信号里设定不同的ψ值
就可以获得任意方向的指向性超指向性图。
由声波接收换能器208接收到一个方向上的井下加载噪声信号和经过处理后的该
方向上的井下噪声信号分别为图6(a)和图6(b)所示。图6(c)中表示该方向上多次采集到的
的噪声信号经行希尔伯特变换后的噪声伪彩色图。其中图6(a)是由声波发射换能器2058发
出的一个频率为20kHz与井下噪声加载在一起后的声波波形。声波接收换能器208会将接收
到的加载噪声转换为模拟信号送入压裂效果检测装置2中的电子仓202中进行处理，最后在
地面装置4将噪声加载信号中的声波发射换能器205发射出的载波模拟信号滤除，只留下井
孔中流体与管道接触而产生的噪声信号，如图6(b)所示。在图6(c)中井下一个方位上获得
的多次噪声信息比较可以看出在地面装置4中获得的噪声信息失真较小，可以较为真实的
反映出井下注水后的噪声的情况。通过噪声信号的幅度和频率等信息来判断井下压裂效果
的好坏，就可以较好掌握井下注水后的压裂情况。其他的方向上的井下噪声情况与此类似，
不做一一介绍。
本发明通过声矢量传感器获得的四路电压信号送至地面装置后最终合成了相互
正交的两路振速信号vx、vy，一路声压信号P；在这三路信号中利用倍频窄波束算法加入八个
不同方向上的旋转角度ψ，合成了在八个方向上的指向性图，从而声波接收换能器208可以
在井下得到这八个方向上的噪声加载后的信号，通过判断这八个方向上注水前后噪声信号
的强弱来判断井下压裂效果的好坏，如图7所示，表示了利用上述公式在给定八个不同的ψ
的情况下，合成了在八个方向上的指向性图。
声波接收换能器208采用压电陶瓷圆筒径向极化形成的声压换能器，换能器的指
向性就是通过获得的四路电压信号传输到地面装置4后利用不同的波束“引导方位”ψ值在
井下合成多个方向的波束指向性图，从而实现换能器水平方向的多方位指向性。通过换能
器获得的四路信号经处理能动态的掌握在注水以后井下的压裂噪声情况，将注水后加载的
噪声信号经滤波电路把声波发射换能器发射的原始声信号滤除，将剩下的噪声信号与注水
前比较就可以获得井下注水压裂效果的好坏。主要原理是用指向性换能器将接收到的噪声
加载信号转换为电信号，接着通过电子仓对信号经行放大、A/D转化等相关处理，再将电信
号送到CAN总线电路，然后通过传输电缆送到地面装置，最后用计算机对接收到的注水压裂
噪声信号经行分析处理，同时将获得的东南西北及其他四个方位的噪声加载信号比较，判
断八个方向注水前后井下的压裂效果，得出注水后井下压裂效果在某个方向上压裂效果会
比较好。
以下为本发明中所用电路介绍：
图8表示了声波接收换能器外部的通道示意图和通道1的内部电路原理图，声波接
收换能器208内部产生的四路电压输出信号分别通过与之相连的四路通道送至A/D转换电
路中，四路通道内的电路和参数完全一样，首先声波接收换能器208接收到的噪声信号会在
声波接收换能器208内部产生的一路电压信号经过通道1送至A/D转换电路中，通道1中依次
连接着前置预处理电路、低通滤波电路、可变增益放大电路、电压放大电路。A/D转换电路和
可变增益放大电路分别和由单片机控制的控制电路连接，控制电路连接有CAN总线电路，
CAN总线与数据收发模块相连，最后将处理后数据经电缆1送入地面装置4中。本图中只介绍
声波接收换能器208将采集到的数据经过通道1传输到A/D电路中，其他三路通道的原理与
过程均与通道1相同，在此不做一一介绍。
如图9所示，表示了本发明中相关电路原理图：
图9(a)表示声波接收换能器与外部电路连接的电路原理，其中包括前置预处理电
路，低通滤波电路，可变增益放大电路，电压放大电路，A/D转换电路，控制电路。
其中，前置预处理电路的放大倍数在20分贝左右，由集成电路U1A、电阻R1、电阻
R3、电阻R6、电阻R9、电容C2连接构成，集成电路U1A的型号为LM358AD，集成电路U1A的反相
输入端2脚串联电阻R3和电容C2，四路电压信号通过电阻R3和电容C2接入集成电路U1A反相
输入端，集成电路U1A同相输入端3脚通过电阻R6接地，输出端1脚通过反馈电阻R1连接到
U1A的2脚，4脚接地，8脚接正5伏电压；
低通滤波电路由集成电路U2A、电阻R4、电阻R5、电阻R11、电阻R12、电容C1、电容
C3、电容C6连接构成，集成电路U2A的型号也为LM358AD，其4脚接地，8脚接正5伏电压，集成
电路U1B的同向输入端5脚串联电阻R4和电容C3后与一级放大电路的输出端相连，其反相输
入端6脚通过电阻R11连接接地，集成电路U1B的输出端7脚连接电容C1和电阻后R5的串联后
接入同向输入端5脚，输出端的另一路通过电阻R12与R11的串联并联电容C6接地，由电容C1
和电容C6构成低二阶通滤波电路，其滤波截止频率大概在20kHZ；
可变增益放大电路由集成电路U2B、集成电路X1、电阻R7、电阻R10、电容C4、电容C5
连接构成，集成电路U2B的型号为LM358AD，X1的型号为X9241，X9241是可控的数字电位器，
和控制电路的单片机以及集成电路X1共同组成0～60分贝的可变增益放大电路，集成电路
U2B的反相输入端通过电阻R7和电容C4串联后连接到低通滤波电路U1B的输出端，反相输入
端6脚同时连接到芯片X9241的12引脚和18引脚，U2BA的同相输入端5脚串联电阻R10后接
地，4脚接正5伏电压，8脚接负5伏电压，芯片X9241的4脚和5脚串联后接地，15脚和16脚并联
接地，19脚通过电容C5与可变增益放大电路的输出端，数字电位器X9241的TXD引脚和RXD引
脚与控制电路中的单片机的TXD引脚和RXD引脚连接，通过单片机向X9241芯片的寄存器中
写入一个电阻值，从而控制可变增益放大电路的放大倍数；
电压放大电路由集成电路U2A、电阻R2、电阻R8、电阻R13、电容C5连接构成，其电压
放大电路放大倍数在20分贝左右，集成电路U2CA的型号为LM358AD，其4脚接地，8脚接正5伏
电压，集成电路U2B的反相输入端连接电阻R2后接地，同向输入端串联电阻R8、电容C5与可
变增益放大电路输出端相连，U2B的输出端通过反馈电阻R13连接到其同向输入端3脚；
A/D转换电路由集成电路芯片ADC0809、电阻R15、滑动变阻器R14、电压放大电路输
出端和由电阻R15、滑动变阻器R14组成的供电电路与ADC0809的11脚和12脚相连，作为信号
的输入，GND和VREF-脚串联在一起后接地，A/D转换芯片的23脚、24脚和25脚与单片机的
P1.4、P1.5和P1.6三个引脚分别相连作为ADC0809的地址信号锁存，用于选通ADIN0～ADIN7
信号通路的选择，本文其他的三路通道的信号经过相应的处理后分别连接到ADIN1、ADIN2
和ADIN3，不再做一一介绍，D0～D7作为信号的输出与控制电路的单片机P2口接在一起，用
于信号传输，ADC0809的ST接口与单片机的P1.0相连，单片机的P1.1接口、P1.2接口、P1.3接
口分用于控制ADC0809的EOC、OE和CLK时钟信号；
控制电路由集成电路U3、复位电路和晶振电路三部分组成，集成电路U3为
AT89C51单片机作为控制芯片，晶振电路由电容C7、电容C8和晶体振荡器Y1连接构成，晶体
电路的XTAL1和XTAL1与单片机18脚和19脚相连，为单片机提供晶振频率，单片机复位电路
由电容C9、电容C10、电阻R16、电阻R17和按钮S1组成，与单片机的复位引脚RST连接，为单片
机AT89C51提供工作电压，单片机的40引脚接正5伏电压，20脚接地，P1.0～P1.3接口控制A/
D转换电路的控制信号，P1.4～P1.6用于控制ADC0809的地址锁存信号，单片机的P3.0和
P3.1的RXD和TXD引脚用于控制可变增益放大电路中的芯片X9241，单片机的P2接口用于接
收A/D转换电路的输出，P0接口与CAN总线电路连接作为数据的输出，同时单片机的P3.3引
脚、P3.5引脚、P3.6引脚、P3.7引脚、30引脚分别与CAN总线电路的INT引脚、P1.0引脚、R/D引
脚、W/R引脚、ALE引脚相连，用于控制单片机和CAN总线电路的输出传输。控制电路模块是整
个电子仓部分电路的核心，控制各个集成电路的工作状态，将井下声波接受换能器接收到
的测井数据传输到地面装置，通过声矢量传感器获得的三路信号中加入不同的方位旋转角
度，合成了八个方向上指向性图，从而换能器可以在井下得到这八个方向上的噪声信号，通
过对比这八个方向上注水前后噪声信号的强弱来判断井下压裂效果的好坏。
如图9(b)所示的CAN总线控制电路由集成电路SJA1000、光电耦合器件6N137、CAN
数据收发控制器TJA1050、电阻31～电阻40、电容C23～电容29、二极管D3、二极管D4连接构
成。集成电路SJA1000芯片的AD0～AD7分别接控制电路中单片机P2.0～P2.7，SJA1000芯片
的9引脚的XTAL1和10引脚XTAL2和用于晶振电路连接，晶振电路由电容C14、电容C16和晶体
振荡器Y2组成。复位电路由电阻R31和电容C24组成连接通过RST连接到SJA1000的RST的引
脚。集成电路AT89C51的ALE端口接集成电路SJA1000的ALE端口，集成电路SJA1000的
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端口分别接集成电路AT89C51的P3.5、P3.7、P3.6、P3.3、30引脚
端口，集成电路SJA1000的VSS1～VSS3端口接地，集成电路SJA1000的MODE、VDD1～VDD3端口
连接在一起连接VCC。RX0和RX1分别连接电阻R32和电阻R33并联后连接VCC供电，TX0通过电
阻R38接到光电耦合器件6N137(1)的VF(+)引脚上，光电耦合器件6N137(1)和6N137(2)的
VCC和VE接正5.5伏，光电耦合器件6N137(1)的VF(—)引脚接正5伏电压。光电耦合器件
6N137(1)的VO作为数据收发输入连接到TJA1050的TXD上，光电耦合器件6N137(2)的VF(+)
引脚通过电阻R25连接TJA1050的RXD上，其S引脚和GND引脚接地，数据收发芯片TJA1050的
CANH和CANL连个引脚作为CAN总线电路的输出通过电缆传输到地面装置。电容C27和二极管
D3并联后一端接入TJA1050的CANL上，另一端接地，电容C28和二极管D4并联后一端接入
TJA1050的CANH上，另一端也接地。
如图9(c)所示的为声波发射换能器的外部电压激励电路，由电感L1、电阻18～电
阻30、滑动变阻器R27、R27，电容C11～电容C22、二极管D1、二极管D2、COMOS管Q1、Q2和集成
电路TL494、555定时器、IR2110和变压器T1组成。采用集成电路TL494产生占空比可调的方
波脉冲产生电路，它的最高输出额定频率可以达到300kHz，通过电阻R17调节占空比。电容
C14和电阻R25并联，主要作用是滤波，即阻止低频信号或者直流信号通过，让高频信号或者
交流信号通过。驱动电路采用集成电路IR2110实质上就是一个功率放大电路，可提供更大
的带负载能力同时起到开关放大的作用，采用集成电路IR2110芯片组成一个DC-DC升压电
路将18V的电压上升到30V。在DC-DC升压电路中，C15和C17为电源去耦电容，R18、R20、C11、
C12并联组成滤波电路。由2个集成555定时器接成一个多谐振荡器和一个单稳态触发器。首
先由单稳态触发器产生一个脉宽为25us的脉冲信号，然后由多谐振荡器以50ms为周期对该
信号进行连续触发，以产生脉宽为25us，重复周期为50ms的脉冲信号。为了连续发出激励脉
冲发，采用的555多谐振荡器作为555单稳态触发器的触发信号。通过调节电阻R28或电容
C21来改变脉冲的周期和宽度。555多谐振荡器的3脚连接到另一个555定时器的TRIG引脚用
于单稳态脉冲触发器的输入,单稳态触发器的输出脉冲引脚3脚连接到COMOS管Q2的输入端
通过高低电平来控制Q2得导通，最后将获得的30V信号经过变压器T1经行10倍的放大，产生
一个300V电压。由变压器T1引出两根导线与声波发射换能器连接。
以上所述为本发明的优选应用范例，并非对本发明的限制，凡是根据本发明技术
要点做出的简单修改、结构更改变化均属于本发明的保护范围之内。