CN102071927A - 一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，包括前辐射头、压电晶堆、尾质量块、硫化橡胶以及预应力螺栓，压电晶堆共有八组，沿圆周方向均匀排布，压电晶堆两端粘接在辐射头和尾质量块之间，并通过预应力螺栓施以合适大小的预应力，输出电缆通过尾质量块将压电晶堆的引线连接至外激励源。本发明换能器由左、右两半部分拼装成了一个圆柱环形结构，同轴安装在钻铤上，充分利用了钻铤的体积空间，使得换能器能够在500Hz～30kHz的频率范围内兼顾实现声波的大功率发射和高灵敏度接收双重功用，两个半部拼装成圆柱环形的结构设计使其拆装非常便捷，具有结构简单、制作方便、稳定可靠以及低频率、轻小型的优势，非常适合应用于声波测井技术领域。

Description

一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器
技术领域
本发明属于石油勘测声波测井技术，涉及一种能够实现声波发射和接收功能的、声波测井用的电声换能器，具体地说，涉及一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器。
背景技术
近年来，随着地质和石油勘探的不断深入，声波测井技术已经逐渐成为石油测井的重要方法之一。这种采用声波作为信息载体进行信息传输的技术，其中电/声换能器作为一个不可或缺的关键部件，其性能的优劣以及其特殊应用环境下的可实现性成为制约声波测井技术向更高层次发展的难题。长期以来，人们开发出了形式多样的声波测井换能器，以解决地质和石油勘探中的需求。
中国发明专利CN 1441261A中公开了一种声波测井发射震源，它采用稀土超磁致伸缩材料作为其电声转换的功能元件，通过线圈中的交变电流产生磁场，再进一步激励超磁致伸缩棒伸缩并牵引发射板振动发声；而在实用新型专利CN 201460882U中则展示了另外一类采用压电陶瓷作为电声转换功能材料的声波测井发射换能器，具有较好的耐高温特性。
在发明专利CN 101881157A中公开了一种收发分置的声波测井换能器，它是由一个发射器和两个接收器构成，其功能材料也是压电陶瓷的。
上述专利所展示的换能器都有各自的性能优势，都是有效的声波测井电声转换装置。然而在实际应用中，目前的声波测井换能器仍存在诸多的不足和问题：
(1).换能器的结构形式受限。由于安装换能器的钻铤是中空的圆柱形结构，而目前普遍采用的方式是在钻铤的一侧开一个狭长的小槽用于安装换能器，很显然体积空间和安装方式的限制，将致使换能器结构单一；
(2).换能器的功率容量有限。换能器有限的安装空间不能为用于实现电声转换的功能材料提供足够的体积空间，这将直接导致换能器可转换的电声能量是有限的；
(3).换能器结构复杂、拆装不便。传统的声波测井换能器一般要考虑在其外包覆注油皮囊，这是一个极易受损的器件，显然井下的恶劣工况也将依此威胁到换能器的使用安全。
可见为了满足声波测井技术所要求的大功率、高灵敏度、轻小型以及可靠、稳定、拆装便捷等苛刻的应用要求，必须对现有的声波测井换能器进行完全设计改进。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，其目的是充分利用钻铤的体积空间，合理优化换能器的结构形式，能够实现声波发射和接收功能的、适用于声波测井用的电声换能器，并且其能够在500Hz～30kHz的频率范围内兼顾实现声波的大功率发射和高灵敏度接收功能，具有结构简单、拆装便捷、可靠稳定的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：该声波测井换能器包括：辐射头、压电晶堆、尾质量块、硫化橡胶、预应力螺栓及输出电缆；所述的压电晶堆粘接在辐射头和尾质量块之间，并通过预应力螺栓施加合适的预应力，压电晶堆外包覆硫化橡胶，输出电缆通过尾质量块将压电晶堆的引线连接至外激励源。
所述的压电晶堆共有八组，沿圆周方向均布，每个压电晶堆由偶数个压电陶瓷薄片串联粘接而成，相邻两个压电陶瓷薄片的极化方向相反，且其粘接面处有电极片引出电极，每个压电晶堆的同性电极片电学并联连接，按极化方向的“正”、“负”共引出两个抽头。压电晶堆两端各有一个绝缘垫片，起电绝缘作用。压电晶堆外包覆硫化橡胶，起防水、绝缘的作用。八组压电晶堆两端均粘接在辐射头与尾质量块之间，，并通过预应力螺栓施加合适的预应力。为了保证良好的传声效果，辐射头材料宜与钻铤材料相一致，尾质量块可采用铜等重金属，如此可获得较大的前、后端面振速比，从而，可尽可能多的从辐射面发送声能量。
本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器为圆柱环形结构，圆柱环形结构分为相互对称的左半部分和右半部分，左、右两半部分通过辐射头连接件、尾质量块连接件和紧固螺栓及紧固螺栓弹垫组合安装成一体，并可同轴安装在钻铤之上。
本发明圆柱环形压电陶瓷电声换能器的有益效果是：换能器兼顾实现了声波的发射和接收双重功用；换能器左、右两半部分组合安装的形式使其在钻铤上的拆装更加便捷；换能器的圆柱环形结构充分利用了钻铤内的体积空间，有效的增加了换能器的发声功率容量，从而使得换能器的发射能力和接收灵敏度均得以很大的提高；本发明圆柱环形压电陶瓷电声换能器具有结构简单、制作方便、稳定可靠以及低频率、轻小型的优势，特别适合于对于性能指标、应用环境和拆装受到限制等要求苛刻的声波测井技术领域。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器作进一步详细说明。
图1为本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器的结构示意图。
图2为本发明换能器的压电晶堆部分的结构及其级联关系示意图。
图3为本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器的装配关系示意图。
图中：
1.辐射头  2.紧固螺栓  3.辐射头连接件  4.硫化橡胶5.尾质量块连接件  6.尾质量块  7.输出电缆  8.压电晶堆  9.预应力螺栓10.弹簧垫片  11.绝缘垫片  12.绝缘套管  13.电极连线  14.电极片15.压电陶瓷片  16.紧固螺栓弹垫
具体实施方式
本实施例是一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器。
如图1所示，是本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器的结构，包括辐射头1、压电晶堆8、尾质量块6、硫化橡胶4、预应力螺栓9以及输出电缆7等。所述的压电陶瓷电声换能器包括左、右两半部分，两半部分结构一样，通过辐射头连接件3、尾质量块连接件5以及相应的紧固螺栓2和紧固螺栓弹垫16拼装成一个圆柱环形结构。其中辐射头1材料与钻铤材料相一致；尾质量块6可采用铜等重金属。
所述的压电晶堆8共八组，沿圆周方向均匀排布，每个压电晶堆8由偶数个压电陶瓷片15串联粘接而成，相邻两个压电陶瓷片15的极化方向相反，且其粘接面处有电极片14引出电极，每个压电晶堆8的同性电极片通过电极连线13电学并联连接在一起，按极化方向共引出两个抽头“极化+”和“极化-”，压电晶堆8两端各有一个绝缘垫片11，压电晶堆8外包覆硫化橡胶4；八组压电晶堆8两端均粘接在辐射头1和尾质量块6之间，并通过预应力螺栓9施加合适的预应力，预应力螺栓9需弹簧垫片10配合使用，其外套有绝缘套管12；八组压电晶堆的“极化+”和“极化-”抽头需要全部并联在一起，然后通过输出电缆7与外激励源相接。
本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器的具体装配过程如下：
(1).首先用环氧树脂将压电陶瓷片15和电极片14交叉串联粘接在一起，并在两端分别粘接绝缘垫片11，形成压电晶堆8，其中压电陶瓷片的极化方向如图2所示，共粘接八组；
(2).将八组压电晶堆8沿圆周方向等间隔均布，用环氧树脂粘接在辐射头1和尾质量块6之间，并通过预应力螺栓9施以合适大小的预应力，预应力螺栓9需弹簧垫片10配合使用，其外套有绝缘套管12，如图2、图3所示；
(3).将上面的八组压电晶堆的电极片14进行并联连线，最终引出“极化+”、“极化-”两个抽头，并分别与输出电缆7对应连接在一起；
(4).为上述压电晶堆包覆硫化橡胶4；
(5).实际应用时以拼装的方式将换能器左、右两半部分同轴置放于钻铤之上，并通过辐射头连接件3、尾质量块连接件5以及相应的紧固螺栓2和紧固螺栓弹垫16形成一个圆柱环形结构。
本发明圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器所实现的主要功能包括：换能器能够在500Hz～30kHz的频率范围内兼顾实现声波的大功率发射和高灵敏度接收双重功用；换能器圆柱环形结构充分利用了钻铤内的体积空间；换能器由左、右两半部分拼装而成的结构设计使其在实际应用中的拆装非常便捷；换能器具有结构简单、制作方便、稳定可靠以及低频率、轻小型的优势。

Claims (4)

1.一种圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，其特征在于包括辐射头(1)、压电晶堆(8)、尾质量块(6)、硫化橡胶(4)、预应力螺栓(9)及输出电缆(7)；所述的压电晶堆(8)粘接在辐射头(1)和尾质量块(6)之间，并通过预应力螺栓(9)施加合适的预应力，压电晶堆(8)外包覆硫化橡胶(4)，输出电缆(7)通过尾质量块(6)将压电晶堆(8)的引线连接至外激励源。
2.根据权利要求1所述的圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，其特征在于：圆柱环形结构分为相互对称的左、右两半部分，通过辐射头连接件(3)、尾质量块连接件(5)和紧固螺栓(2)及紧固螺栓弹垫(16)组合安装成一体。
3.根据权利要求1所述的圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，其特征在于：所述的压电晶堆(8)共有八组，沿圆周方向均匀排布。
4.根据权利要求1所述的圆柱环形结构的压电陶瓷电声换能器，其特征在于：所述的压电晶堆(8)由偶数个压电陶瓷片(15)串联粘接而成，压电晶堆(8)的同性电极片通过电极连线(13)电学并联连接在一起。
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