CN102748013B - 一种低频偶极子发射换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低频偶极子发射换能器。该换能器包括：基本振子、过渡杆(2)、弯曲梁(3)、过渡梁(4)、摆动柱(5)、刚性梁(6)、端盖板(7)和水密层(8)；所述的基本振子设置于刚性梁(6)内，由上下两个陶瓷堆(1)通过过渡杆(2)和弯曲梁(3)串接相连构成，该基本振子通过刚性梁(6)和设置在刚性梁(6)两端的端盖板(7)钳定；所述的刚性梁(6)的外部依次套设摆动柱(5)和水密层(8)；所述的过渡梁(4)设置于刚性梁(6)中部侧壁上的孔洞中，并通过该过渡梁(4)将弯曲梁(3)和摆动柱(5)的中部相连。本发明的优点：激励源堆积方向为垂直方向，便于换能器的低频大功率设计，很好地展宽换能器的带宽。

Description

一种低频偶极子发射换能器

技术领域

本发明涉及声学探测领域，具体地，本发明涉及一种低频偶极子发射换能器。

背景技术

石油被称为工业的血液，如今石油及其化工制品已经融于到我们生产生活中各个角落，然而作为不可再生资源随着100多年来的开采已经面临枯竭，而且剩下的储藏开采难度和开采成本也越来越高，石油开采进入精细开采的时代。

声波能够有效地在固、液、气三相介质中长距离有效的传播。通过对声衰减、声速等声学参量的测量估算地层的孔隙度、渗透率、含水饱和度等地层性质，声波测井已经成为石油勘探等领域非常重要的测量手段。

声波在测井中的应用最早出现在20世纪50年代。声波测井最初的应用是在固井过程中的胶结质量的检测和介质声速的测量，此时的声波测井仪器结构比较简单，主要是单发双收或者双发双收，声波的波载信息的利用上也只局限于纵波的振幅和速度；70年代末发展了一种长源距声波全波列测井。仪器增加了发射换能器和接收换能器中间的距离，从而在时间轴上把波至中的纵波、横波和伪瑞利分离开来，多种声波波至为测井解释带来了丰富的素材，促进了声波测井的巨大发展，使声波测井逐渐成为主流的测井手段。

期间提出了利用斯通利波反演慢速地层中的横波，然而这种测量手段的可靠性差，再一个由于当时的声源频率比较高，斯通利波提取也很困难。到了90年代初出现了偶极子或者多极子测量地层横波，偶极子声源和四极子声源能够激励井孔产生扰曲波(Flexural wave)和扭曲波(Screw wave)，随着激励频率的降低，扰曲波和扭曲波的波速将趋近于地层的横波声速，扰曲波和扭曲波的高频极限则是逼近斯通利波的高频极限。理论分析表明无论在快速地层和慢速地层都能得到地层的横波速度。为了有效地区分开测量波序中的地层纵波和地层横波，偶极子信号需要工作在5kHz一下。

偶极子声源是偶极子横波测井仪器中的核心部件。常见的偶极子声源主要有以下几类：1、三叠片；2、动圈式；2、镶拼圆环等。然而以上几种换能器均存在着不足：三叠片通常只采用两片陶瓷而且工作的时候利用材料的1-3工作模态，在加载大电压的时候会在粘接面上产生很大的剪切应力，容易损坏器件，这些不足导致了换能器不能够实现大功率的发射；动圈式结构能够实现低频而且平坦的响应曲线，然而这种结构固有存在辐射效率低下的问题，也不能够实现大功率发射；镶拼圆环的谐振基频跟圆环的直径相关，降低换能器的设计频率需要增大换能器的直径。而现在井孔的孔径对这类结构换能器的低频化带来了切实的困难。

发明内容

本发明的目的在于，提供了一种低频偶极子发射换能器。

为实现上述发明目的，本发明提出的低频偶极子发射换能器包括：基本振子、过渡杆2、弯曲梁3、过渡梁4、摆动柱5、刚性梁6、端盖板7和水密层8；

所述的基本振子设置于刚性梁6内，由上下两个陶瓷堆1通过过渡杆2和弯曲梁3串接相连构成，该基本振子通过刚性梁6和设置在刚性梁6两端的端盖板7钳定。

所述的刚性梁6的外部依次套设摆动柱5和水密层8。

所述的过渡梁4设置于刚性梁6中部侧壁上的孔洞中，并通过该过渡梁4将弯曲梁3和摆动柱5的中部相连。

所述的陶瓷堆1由若干陶瓷片机械级联形式堆积，相邻两片陶瓷的电极方向相反。

所述的陶瓷堆1由陶瓷片采用机械级联的形式堆积而成。相邻两片陶瓷的电极方向相反，对所有陶瓷片在电路上采用并联激励。

所述的弯曲梁3由若干段圆弧梁(或者椭圆弧梁)外切而成，优选为三段，其中靠近A端的两段圆弧梁(或者椭圆弧梁)形状一致，三段圆弧梁(或者椭圆弧梁)中靠近A端的两端圆弧梁(或者椭圆弧梁)的相切点的曲率半径小于第三条圆弧梁(或者椭圆弧梁)的曲率半径，在与过渡杆2连接处，梁的切向垂直于过渡杆2的端面。

所述的摆动柱5采用模量在1e10Pa到3e11Pa之间的刚性材料设计而成。

所述的过渡梁4用于摆动柱5和弯曲梁3的刚性连接。

所述的刚性梁6和端盖板7采用模量在1e10Pa到3e11Pa之间的刚性材料设计而成，用来约束陶瓷堆1的振动，使陶瓷堆1的振动从另外一端辐射出去。

所述的刚性梁6的中间位置对称开两个小孔，用于过渡梁4的穿出。

本发明的换能器是一种能够适用于井孔的低频宽带大功率偶极子换能器，当电压激励陶瓷堆1产生厚度方向的振动的时候，刚性梁6和端盖板7抑制住陶瓷堆1D端垂直方向的振动位移。陶瓷堆1垂直方向的振动位移只能从A端释放，通过过渡杆2推动弯曲梁3的A点产生一个垂直方向的振动。弯曲梁3具有位移转向和振幅放大的作用，即能够把两端垂直方向的振动位移转化成中点水平方向的振动位移，同时还能够将振动位移进行放大。振动位移通过过渡梁4传递到摆动柱5上面，从而推拉摆动柱5产生一个水平方向的摆动形成偶极子声源，由于过渡梁4为一刚性体，其不会改变传递的振动位移的幅度。

本发明的优点在于：激励源堆积方向为垂直方向(井轴方向)，其不受井孔孔径的限制，可以使用更多的有源材料，便于换能器的大功率设计；同时尺寸的不受限也非常有利于换能器的低频设计；陶瓷堆1采用3-3模态工作，因此可以很好地规避1-3模态工作时候的结构粘接问题，可以加载很大的电压而不用担心陶瓷的剥落；换能器在工作频带范围内存在多种工作模态：低频段存在一个等效于两质量一弹簧系统的振动模态，中频段有陶瓷堆跟弯曲梁一体的弯曲振动和刚性梁的弯曲振动、高频段存在陶瓷堆的厚度振动，这些丰富的振动模态能够很好地展宽换能器的带宽。

附图说明

图1为本发明的低频偶极子发射换能器结构示意图。

附图标识

1、陶瓷堆  2、过渡杆  3、弯曲梁

4、过渡梁  5、摆动柱  6、刚性梁

7、端盖板  8、水密层

具体实施方式

接下来将根据附图举例对本发明作进一步的说明

换能器由两组陶瓷堆1、过渡杆2、弯曲梁3、过渡梁4、摆动柱5、刚性梁6、端盖板7以及水密层8组成。实施例中换能器的总长度为193mm。其中陶瓷堆1采用PZT-4压电陶瓷；过渡杆2、弯曲梁3、过渡梁4、摆动柱5均采用牌号为TC4的钛合金，刚性梁6和端盖板7采用45#钢，水密层8采用JA-2S型聚氨酯橡胶。

陶瓷堆1分为两组，每组陶瓷堆由8片φ30mm×5mm的极化好的陶瓷片和一片φ30mm×2mm的未经极化的陶瓷片机械串联粘接而成，其中相邻的两片陶瓷电极方向相反，未极化的陶瓷片用来实现陶瓷堆1和端盖板7的绝缘，在每两片陶瓷中间加上一片尺寸为φ30mm×0.1mm的磷铜片作为电极。

弯曲梁3采用三个矩形圆弧梁外切而成，其中两端的梁半径相同并且小于中间的圆弧梁的半径。实施方案中弯曲梁的总长度为42mm，梁的厚度和宽度分别为12mm和6mm，两端的圆弧梁的半径为10mm，而中间圆弧梁的半径为19.7mm。

摆动柱5的尺寸为φ67mm×φ60mm×152mm。利用过渡梁4把弯曲梁3的中心和摆动柱5的中心连接起来。过渡梁的目的是把B处的水平振动等幅度地传递到C处，从而使摆动柱5产生一个水平的摆动。

刚性梁6采用φ37mm×φ54mm×163mm的圆管设计而成，圆管的中心处对称铣出16mm宽16mm高的方孔，用于过渡梁4的穿出。设计中刚性梁的长度稍微小于陶瓷堆1、过渡杆2、弯曲梁3的总长度(小了0.6mm)，这一尺寸用于陶瓷堆1的预应力加载。开孔给过渡梁4每边空出2mm的空间余量，防止装备过程中出现过渡梁4与刚性梁6刮蹭。

端盖板7用于抑制陶瓷堆振动时位移向D端的传递，因此理论上越厚越有利于陶瓷振动的抑制，不过考虑到换能器整体的重量，端盖板的厚度设计为15mm。

实施例中在300Hz到5000Hz的频带范围内存在着三个有效的偶极子工作模态，分别为：等效两质量一弹簧系统的模态，刚性梁的弯曲振动模态和陶瓷堆的厚度振动模态。其谐振频率分别为1000Hz，3067Hz，3967Hz。换能器工作频段内的多阶工作模态非常有利于换能器的带宽展开。

当换能器工作在低频段的时候，摆动柱以及声场的附加质量可以视为一个纯质量块，而刚性梁和端盖板可以视为另外一个质量块，陶瓷堆1、过渡杆2和弯曲梁3可以近似为一个有质量的弹簧，因此形成了一个两质量一弹簧的系统，系统存在一个固有的频率，实施例中这个频率在1000Hz附近。

随着工作频率的升高，到3000Hz左右的时候进入了刚性梁6的弯曲振动区域。刚性梁6的弯曲振动在换能器的两端产生一个水平的振动，振动通过端盖板7、陶瓷堆1、过渡杆2、弯曲梁3一路下行最终对摆动柱5产生一个推拉作用力形成一个偶极子工作模态。

随着工作频率的进一步升高，换能器进入到陶瓷堆1的厚度振动工作区域。陶瓷堆1的厚度振动会拉伸和压缩弯曲梁3，使弯曲梁3的中心产生一个水平方向的左右振动，振动通过过渡梁4传递到摆动柱5上面，形成一个偶极子工作模态。本工作模态在4000Hz附近。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种低频偶极子发射换能器，其特征在于，该换能器包括：基本振子、过渡杆(2)、弯曲梁(3)、过渡梁(4)、摆动柱(5)、刚性梁(6)、端盖板(7)和水密层(8)；

所述的基本振子设置于刚性梁(6)内，由上下两个陶瓷堆(1)通过过渡杆(2)和弯曲梁(3)串接相连构成，该基本振子通过刚性梁(6)和设置在刚性梁(6)两端的端盖板(7)钳定；

所述的刚性梁(6)的外部依次套设摆动柱(5)和水密层(8)；

所述的过渡梁(4)设置于刚性梁(6)中部侧壁上的孔洞中，并通过该过渡梁(4)将弯曲梁(3)和摆动柱(5)的中部相连。

2.根据权利要求1所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，所述的陶瓷堆(1)由若干陶瓷片机械级联形式堆积，相邻两片陶瓷的电极方向相反。

3.根据权利要求1所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，所述的弯曲梁(3)由若干段圆弧梁拼接而成，其中与过渡杆(2)接触的两段圆弧梁对称，且圆弧梁切向垂直于过渡杆(2)的端面。

4.根据权利要求3所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，所述的弯曲梁(3)由3段圆弧梁拼接而成。

5.根据权利要求4所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，所述的弯曲梁(3)中与过渡杆(2)接触的两段圆弧梁的半径小于中间圆弧梁的半径。

6.根据权利要求1所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，过渡梁(4)与弯曲梁(3)和摆动柱(5)的连接方式为刚性连接。

7.根据权利要求1所述的低频偶极子发射换能器，其特征在于，所述的摆动柱(5)、刚性梁(6)和端盖板(7)采用模量在1e10Pa到3e11Pa之间的刚性材料。