声学换能器

2011年至2021年，我国用10年时间实施找矿突破战略行动。其间累计发现17个亿吨级大油田和21个千亿立方米级大气田，新形成32处非油气矿产资源基地，主要矿产保有资源量普遍增长。石油能源建设对我们国家意义重大，中国作为制造业大国，要发展实体经济，能源的饭碗必须端在自己手里。端牢能源的饭碗，必须发挥科技创新第一动力作用，通过技术进步解决能源资源约束、生态环境保护、应对气候变化等重大问题和挑战。近年来，中国科学院声学研究所超声学实验室固体声学与深部钻测团队，数十年如一日不懈探索用井下声波来探测能源的核心技术，开发出性能更优越的井下声学探测仪器，对支撑我国深地勘探、保障国家能源安全具有重要的意义。——编者找到油气田，有哪些步骤？“望闻问切”定位置，测井仪器作“眼睛”油气勘探是一项复杂而又有高难度的工作，并且存在巨大风险。那么，要想找到油气田，需要经历哪些步骤？中国科学院声学研究所研究员、超声学实验室主任陈德华说：“找油气田的过程，可以用传统医学中的‘望闻问切’四字来概括。”首先，地质学家会进行区域概查，确定可能存在油气田的地区和范围。这一步相当于“望闻问切”中的“望”和“闻”；然后进行区域普查，利用人工地震方法推断地下岩石的结构，这一步相当于“问”，可以大体确定地下哪些位置存在油气储层；接下来，工程师会钻开潜在油气田的第一口井——探井，进行区域详查，相当于“切”。陈德华说：“如果想了解油气层的具体位置以及油气的开采价值，以上的‘望闻问切’还不够，还需要结合一些高科技手段，比如测井技术。”测井被称为“石油工业的眼睛”，因为在漆黑而又高温的地下，无法直接观察到地层岩石信息，必须通过测井仪器记录数据并传输到地面，这个过程就好比人的眼睛接收到光信号，并处理成图像以供辨别。“将先进的测井仪器放入钻孔内，我们就可以对地下几千米处的油气层进行精细探测，精度能达到厘米级甚至更高。通过测井，可以确定地层的性质，进一步对地层作出准确评价，从而确定地层是否含有油气、含油气量多少、油层厚度以及评估油气可采量。” 陈德华说，“这个过程就好比人们在医院体检时‘做B超’。”测井方法通常分为声法、电法、核物理法和核磁共振法四种。其中，向地层发射声波、接收处理反射或折射回来的声波从而获取地层信息的方法，被称为声波测井。“相比其它几种方法，声波测井不仅环保，成本相对还低，更重要的是能够获得许多至关重要的地层岩石力学参数。”陈德华说。国产高端声波测井装备，是如何研发出来的？“从零开始”解难题，反复试验终量产本世纪初，世界范围内油气资源勘探和开发的竞争不断升级。“当时，我们缺乏自主研发的偶极子声波测井换能器，也难以大面积推广应用偶极横波测井的先进技术。这不仅影响了我国高端声波测井装备的国产化，还严重阻碍和制约了我国油气勘探、开采的进度。”陈德华回忆。面对棘手难题，中科院声学所的研究团队迎难而上。研究可以说是“从零开始”，团队成员们除了能看到市面上已有换能器嵌入仪器后的“长相”，了解它可以实现的一些基本功能外，其余相关材料、结构、参数等具体信息几乎一无所知。此后，经过近3年的反复摸索、试验，经历了成百上千次的失败后，团队终于研制出了换能器的第一批样品。陈德华说：“但是，这批换能器样品一旦放入高温环境中进行测试，要么整体开裂，要么压电陶瓷破碎，导致试验失败了一次又一次。”究竟是哪里出了问题？近4个月的时间里，团队成员反复研究材料选型，换了十几批材料，并不断改进粘接工艺，经过上百次的反复试验，终于克服了耐高温、高压声波测井换能器的制作难题，研制出了达到国际先进水平的成品。国产换能器交付后，随即投入实际应用，并进行了小规模的量产。如何克服测井技术的“一孔之见”？优化设计“探得远”，激发声源“听得清”常规声波测井的探测范围往往局限在井周几厘米至几十厘米的范围内。这就像两个人说话时，双方距离越远，越难以听清对方的话；而如果藏在密闭空间里说话，外面人听到的声音会更小。由于测井是在非常狭小的钻孔中进行的，常规测井技术的探测范围非常有限，因此测井技术常被人形容为“一孔之见”。如何既“探得远”又“听得清”？“对声波测井来说，这就需要不断优化设计激发声源，让声波不仅传得更远，还能‘戴上瞄准镜’，具有‘指哪打哪’的方向性。”陈德华介绍。我国超声学领域几代科技工作者从上世纪80年代就开始探索。经过不懈努力，近年来，中科院超声学实验室不断发展低频横波远探测技术，将声波测井的探测范围拓展到了井周数十米甚至上百米。“偶极横波远探测的声源相较于普通声波测井的频率范围要低很多。低频声波衰减较小，故而能实现更远的横向探测距离。”陈德华说，“同时，偶极声源的信号存在方位差异性，采用多分量的声波发射和接收，通过信号处理可以确定声波反射体的方向，这就让声波具有了指向性。”2012年，中科院超声学实验室成功研发出偶极子阵列声波测井仪；2013年，开始着手横波远探测关键核心技术的研发；2021年底，第三代横波远探测成像测井仪在超深井中实现了清晰的井外地质成像及8340米深度的探测纪录，创下该类国产仪器深度探测纪录，对保障国家能源安全具有重要意义。

摘要：新一代走航式声学多普勒水流剖面仪M9克服了早期仪器的缺陷，采用多频、智能的多种工作模式，解决了困惑水文的高、低流速测流难题。M9灵活的配置，考虑不同用户的需求，可实现无线通讯、内置GPS、遥控，解决河床走底引起的多普勒流速仪流量测验误差。列举了各种不同条件、环境的河道，采用 M9实测的案例，显示了该仪器的优异性能。关键词：M9；多频；智能；脉冲相干、宽带、窄带多种工作模式自动切换；高、低速测流前言采用多普勒频移原理研制的走航式声学多普勒水流剖面仪，应用于水文测验已经有二十多年的历史。由于制作复杂、生产成本高、以及使用量不大等原因，世界上能够生产该类仪器的著名厂家仅为可数的几家，而且基本上集中在美国。近几年，国内部分厂家开始研制类似产品，并陆续投放市场。二十余年来，厂家历经了数次的改进，生产出了不少型号和不同工作频率的仪器，供不同条件和环境下的使用。其性能虽有了很大的提高，但因为最初的设计是针对海洋测流需要，这对于在内河河道上的使用，带来了一些不足；在水文测验中还是感到有些不尽人意。一直以来，困惑水文的高、低流速测流难题，仍然没有给出有效的解决方案。经过多年的研究和总结了目前所有多普勒流速仪产品存在的问题；美国赛莱默公司旗下的SonTek 公司在2009年开发出了最新一代的走航式声学多普勒水流剖面仪 M9/S5。经过数年多在世界各地的实际使用和比测，效果非常之好，成为了目前世界上最先进的一种声学多普勒流量计。M9 的技术指标和配置 考虑到不同用户的需要，M9系列的仪器有着灵活的配置。其标准配置为：仪器主机＋10米电源/通讯电缆线（可延长）；可安装在船舷边使用；实现主机与计算机之间的直接通讯。若装备有小型载体（船体）时，可配置无线电台的通讯方式，通讯距离可达1500米，实现主机与计算机之间的无线通讯。为了满足在河床走底情况下测流的需要，还可以选配内置的 GPS，有二种供选择；即 SonTek 的DGPS（亚米级精度），和SonTek 的RTK GPS（0.03米精度）。此外，M9/S5系列的仪器还可以配置SonTek自行研制的单体船，以及其它公司配套的三体船或自带动力的遥控船；这种浮体保证了仪器在测量时的平稳和较小的仪器入水深度。从上述技术指标可以看到，M9 从很浅的不到0.3米处河岸开始测量，一直到最深达80米的河床深度，仍然可以一次完成测量并计算出该测流断面的流量，这大大满足了全世界 85 % 以上河道测流的需求。M9/S5 的特点和优势作为一种全新的M9/S5，实际上是一款专为河流流量测验所设计的仪器。与老一代所有现有的多普勒流速仪相比，有以下几个特点：1、多种频率换能器的配置。4个一组的二种不同频率换能器用于流速的测量，满足了从浅水到深水的不同河床条件，只用一款仪器进行流量测验的需要。2、垂直声波探头专用于水深的测量。改变了原先采用斜向测速声波测量流速的同时，测量水深的方法。直接提高了水深的测量精度，以及流量的测量精度。500KHz工作频率的波束使得仪器的测量范围增加到80米之深。3、全自动的测量方式，有四种自动转换的功能工作模式的自动转换。仪器采用了一种 SmartPulseHD智能脉冲功能，基于实测动态的水深和流速，自动地选择 脉冲相干（PC）工作模式、或 宽带工作模式、或 窄带工作模式，这三种不同的工作模式都有其优点和弱点。M9/S5充分发挥了各种模式的优势，自动切换，使得仪器始终处于高分辨率的最佳性能比。? 测量单元的自动转换。可根据实测水深和流速，自动选择从0.02～4米的测量单元。保证在浅水时具有很高的分辨率；在深水时有更大的测量范围。? 二种不同频率换能器工作状态的转换。可根据实测的水深和流速，在浅水时采用高频的3MHz换能器测量流速，在深水时采用低频的1MHz换能器测量流速；仪器始终保持最佳的工作状态。? 采样频率的自动转换。可根据水深的变化，自动调整仪器每秒钟的采样频率，其最高采样频率达到 70Hz。在水深变化的情况下，尽可能地获取更多的采样数，以提高仪器的测量精度。以下图为例，在同一个测流断面上，用二种不同的仪器测量的成果。上图是采用老一代多普勒流速仪实测的成果；下图是M9 采用智能脉冲功能所表现的高分辨率，犹如HD“高清电视”的效果。测量精度大为提高。4、仪器内部的流量计算功能。内置微处理器直接计算流量数据，而不再依赖于外部的计算机和测量软件进行实测数据的处理和计算。M9在测量过程中，即使通讯中断，也不会影响到测量的过程，更不会因此而丢失数据。仪器测量运行时甚至可关闭计算机；而重新开机通讯后仍可获得全部数据。大大提高了测量的可靠性。16G内存可用于保存实测的流速、水深流量、GPS等大量数据5、可内置的GPS，满足了在走底河床情况下，仍然采用声学多 普勒 原理测量流量的可能性，而不必过虑因为采用外置GPS 所带来的不兼容等问题的困惑。SonTek 自行研制配套的DGPS（亚米级精度），和RTK GPS（0.03米精度），不同于市场上所选用的各种型号的GPS。DGPS不需要寻找地面上设置的基站，直接接收地球上空静止卫星的差分信号，以获得差分GPS 的精度。RTK GPS也不需要地面上已知点的支持，而自行在河岸的任何开阔处设立一个RTK基站。使得仪器的使用非常之灵活和简单。保证了在走底河床情况下的正确测流。6、多种通讯方式 － 有线与无线的选择。对于无线通讯，也可以根据需要，采用无线电台的通讯方式。有效的通讯距离达1500米。除了可使用计算机与主机之间的通讯之外，还可以采用平板电脑来控制主机测量的开始和结束，并在平板电脑屏幕上给出实测的各种数据、航迹和图表。使用非常方便。7、支持多国语言的操作、数据处理的计算机软件。可提供大量的实测数据，和经过计算、分析后的数据，同时提供多种方式，方便用户自行修正和处理数据。软件还可用于控制、下载、查看、分析数据等。

在前沿的组织工程、药物开发、甚至临床应用中，模拟体内组织结构和环境的体外模型构建都是十分重要的条件，而细胞或微结构单元的组装方式以及细胞外基质环境在组织功能化过程中扮演关键角色，这也就促使了三维组织结构打印技术的发展。在这些技术中，以投影式光固化、挤出式打印技术等为代表，使用包含有细胞的水凝胶作为生物墨水材料，展现了优越的生物组织构建的能力。但是，这种打印仍局限于对生物墨水整体打印，而其中的细胞是随机分布的，难以主动的对细胞组建微结构单元，这也是目前生物打印面临的一个挑战。近些年，声波作为一种易于集成、高生物亲和性且高精度的控制手段，在细胞的灵活操控和高效组装应用中得到广泛研究，比如将声波与微流控相结合的声流控与声镊技术，特别适合操控细胞构建类组织的体外模型。而如何将二维的声场操控技术拓展到三维，并进行三维组织结构的组装，是其迈向生物3D打印需要解决的难题。近日，厦门大学陈鹭剑教授、胡学佳助理教授与武汉大学杨奕教授课题组合作提出了一种新的解决方案：结合层片打印和声学操控细胞三维结构组装，并以题为：Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution发表于Biofabrication 期刊上。图1.声学3D细胞组装示意图。借鉴多层光固化打印的思路，本研究提出基于声表面波在凝胶层片中直接操控细胞组成特征结构，并对层片单元进行多层组装，成功实现了细胞的三维结构组装和仿生组织构建。图一中展示了该策略的示意图，该技术在Z-切铌酸锂基底上设计具有六重旋转对称的换能器配置，保证较大的调制自由度，通过波矢组合、相位组合以及振幅调制（图1b），能够将层片中细胞组装成为多样的结构。而为了将表面波产生的二维声场和二维细胞结构拓展到三维空间，使用了摩方精密的PμSL高精度3D打印技术（nanoArch P150，摩方精密)，来制造高精度模块化框架，与表面波声场耦合，并在该框架中实现细胞组装（图1c）。GelMA 60作为生物墨水，经过光固化后，可形成具有微观结构的凝胶层片。再将该凝胶层片作为二维单元，进行多层的对齐组装以及使用水凝胶融合，即可得到被凝胶基质固定的微观三维结构。图2.结合3D打印模组的器件示意图。作为论证，图三展示结合3D打印组件的声波装置调制产生的多种声场结构，其具有不同的特征单元，比如类血管的环形结构、类肝小叶的蜂巢结构以及密堆的点阵结构等等，并且通过实验验证其进行灵活细胞组装的能力（图3b）。通过二次三维组装，研究人员实现了多种三维的细胞尺度的类组织模型构建，包括空心管状的毛细血管组织、交织的组织结构以及类肝小叶蜂巢组织等（图4）。这些特征单元的尺度取决于声场的周期，可以通过设计实现在几十微米到数百微米变化。而在三维空间上，由于使用高精度打印的单元结构，这些层片的厚度可以低至100微米，能够通过设计不同层间距离适配不同组织高度的需求。并且这些三维类组织模型经过培养展现了较好的活性，微观上紧密连接的仿生结构进一步促进了细胞与组织功能化的过程，比如实验中验证发现，管状的三维模型在长期培养的过程中细胞之间相互连接融合并展现血管化趋势。图4.对细胞层片单元进行多层组装，构建的多种三维结构荧光共聚焦图。该声学细胞3D组装技术将声表面波的二维操控能力拓展到三维空间，展现了独特的优势，比如直接对细胞组装、精准构造组织结构、灵活可控以及操作简便。这项研究展现了对生物墨水打印之外对微观介质构建的能力，从新的维度提出了一种创新的技术路线。论文信息：Hu, X. J. Zheng, J. J. Hu, Q. H. Liang, L. Yang, D. Y. Cheng, Y. X. Li, S. S. Chen, L. J. Yang, Y., Smart acoustic 3D cell construct assembly with high-resolution. Biofabrication 2022, 14 (4)，045003