CN112443320A - 一种远探测偶极子测井换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于三叠片结构的远探测偶极子测井换能器，主要由有源材料片1、基片2、螺钉3、安装骨架4组成。所述的有源材料片1和基片2粘接成三叠片结构，数个三叠片结构通过紧固螺钉3周向均布地固定在圆柱形安装骨架4上面组成发射基阵，并通过特定的激励方式使平行的三叠片结构同向振动。本发明的优点在于：采用三叠片结构作为基本模块进行设计能够很小的尺寸实现低频高效辐射，同时三叠片结构简单、紧凑，非常适用于井下，设计时兼顾考虑了换能器在高压下的振动性能。
Description
技术领域
本发明归属于声学传感器领域，具体地说涉及一种小体积的，能高效辐射低频偶极子声场的测井用换能器。
背景技术
声波换能器又被称为声学系统的“神经”，在各种声波通信、声波探测领域有着非常重要的意义。“神经”能否准确无误地接收到目标信号，能否把“大脑”发出的指令准确无误地发送出去，这直接关系到整个系统能否正常运行。
声波测井是声波换能器的一个重要应用领域，声波测井中，利用换能器激励出来的声波在井中传播时幅度的衰减、相位的延迟等信息可以有效地反应出地层的各种地质参数，进而反应出地层的各种地质构造，这是声波测井的理论基础。
声波在井孔内传播时，会根据地层硬度、声源形式、频率等以多种模式传播。目前测井中最为常用的声源形式有单极子声源和偶极子声源。对于单极子声源，硬地层时，高频单极子能产生清晰的P波、S波和斯通利波；低频单极子则主要产生斯通利波；软地层时，高频单极子只产生泄露纵波；低频单极子除产生泄漏纵波以外，还产生斯通利波。偶极子声源主要用来产生井壁弯曲波，低频时，弯曲波趋近于地层横波速度；高频时，弯曲波又趋近于地层斯通利波速度。偶极子声源的这一特性在声波测井中，尤其是慢速地层横波测井中有着重要的应用。众所周知：慢速地层由于横波没有临界反射角，在井中测量不到地层的反射角，利用低频偶极子的这一特性可以有效地测量慢速地层的横波。
近年来，基于反射声波成像的横波远探测技术兴起，利用偶极子井孔模式波存在低频截止频率的特点，将声源的工作频率设计在截止频率以下，从而避免艾利相的巨大振幅对数据量化产生的饱和效应，在常规源距下实现测井仪器远探测。
中国专利CN204691763U公开了《随钻声波测井装置》，其中在一个实施例中，发射换能器为发射型压电陶瓷片、第一辐射金属 块、第一金属夹板和第一质量金属块黏结而成，发射型压电陶瓷片为耐高温发射型压电陶瓷片，其数量为 (偶数)片，极化方向为厚度方向，黏结时相邻压电陶瓷片极化方向相反。
而大部分地层的偶极子井孔模式波的截止频率均在2kHz以上，因此横波远探测仪器采用的换能器工作频率应设计在2kHz以下，同时2kHz以上的能量要尽可能地小，以降低井孔模式波的影响。换能器需要耐高温高压，以满足井下工作条件，同时换能器尺寸要尽量地小。
发明内容
本发明的目的针对现有技术存在的问题和需要，设计一种通过对结构尺寸的优化，使换能器的主要能量集中在一阶激励，并将一阶振动频率控制在2kHz以内的远探测偶极子测井换能器。
为了实现上述发明目的，本发明提出的一种远探测偶极子测井换能器，包括有源材料片、基片、紧固件和安装骨架；其中：所述的有源材料片沿基片上下两个粘接面粘接组成三叠片结构，并通过紧固件将基片固定在安装骨架上；有源材料片极化方向保持同向，均垂直于粘接面，有源材料片的两个粘接面用导线连接起来作为电压输入一极，而有源材料片没有粘接的两个电极面同样用导线连接起来作为电压输入的另外一极。
上述方案进一步包括：
所述的有源材料包括压电陶瓷、弛豫铁电单晶、弛豫反铁电单晶、电致伸缩材料、磁致伸缩材料中的一种。
有源材料片长度为30~500mm,宽度为5~70mm，厚度为0.5~20mm，极化时沿厚度方向极化。
所述的基片和安装骨架所用材料包括PEEK、玻璃钢、铝合金、铁、钢、钛合金、铜、铅中的一种。
所述的基片长度为50~500mm,宽度为5~70mm，厚度为0.5~20mm，并且在同一个设计中长度应该大于有源材料片的长度，宽度应该不小于有源材料的宽度。
所述的骨架周向均布有若干槽，每个槽内嵌入一组三叠片。
所述骨架槽的两端打螺钉孔，两排螺钉孔之间则进一步铣槽，槽深应大于单片有源材料的厚度；所述紧固件为与螺钉孔配合的螺钉。
本发明主要有一下几个优点：一、采用三叠片进行设计，三叠片结构能够在小尺寸情况下实现低频辐射；二、设计结构紧凑、简单，能够应用于井下，当工作频率对应的波长远大于换能器的尺度时，整个换能器能够实现偶极指向性；三、考虑了换能器的工作环境，设计换能器能够正常稳定工作在高温高压的环境中。
附图说明
图1是本发明一种实施例的结构示意图；
图2是三叠片结构示意图；
图3 是本发明另一种实施例的结构示意图；
图中：1-压电陶瓷片，2-基片，3-紧固螺钉， 4-安装骨架 ，5-配重。
具体实施方式
下图结合附图和实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
加工尺寸为140mm×42mm×4.5mm的LY12铝合金板作为基片2备用，将2片尺寸为70mm×42mm×4.5mm的PZT-4压电陶瓷片1分别粘接在基片2的两个表面，制成三叠片结构，如图2所示。
三叠片粘接过程中需要注意压电陶瓷片1的极化方向和电激励方式，两片压电陶瓷电极方向如箭头所示（均向上），上压电陶瓷片的上电极面跟下压电陶瓷片的下电极面短接作为换能器的一个电极p1，而上压电陶瓷片1的下电极面跟下压电陶瓷片1的上电极面短接为换能器的另外一个电极p2。当p1电极上加正电极而p2电极上加负电极时，上压电陶瓷片1收缩而下压电陶瓷片1拉伸，将使基片2产生向上的弯曲，当p1、p2电极方向反向时，上压电陶瓷片1拉伸而下压电陶瓷片压缩，使基片2产生向下的弯曲。一共四组三叠片采用紧固螺钉3固定在安装骨架4上组成基阵，骨架由不锈钢制成，结构如图1所示，中间镂空以防止结构对三叠片振动产生影响。四组三叠片安装时候需要注意三叠片的安装方向，需使平行的两组三叠片同向弯曲。
实施例二
本实施例同样采用三叠片结构设计，不同点在于分别采用八组三叠片，分上下两组组成两个正方形基阵，结构如图3所示。同样采用的三叠片组成基阵，并且保证平行的四组三叠片同向振动。
需要指出的是以上两个实施例只是介绍了4组和8组三叠片设计的低频高效偶极子换能器，同样采用更多组三叠片也可以实现低频偶极子辐射的设计要求。
进一步的，上述实施例中，圆柱形安装骨架沿周向铣出正方形安装面，并根据所需能量大小，沿轴向铣出多组安装面。
进一步的，上述实施例中，三叠片采用同向辐射的装配形式，即振动时候，通过对三叠片安装方向和激励方式的调节，使平行的两组三叠片均同时向外或者同时向内振动，实现一个方向的偶极辐射。
进一步的，上述实施例中，压电陶瓷完全可以用弛豫铁电单晶、弛豫反铁电单晶、电致伸缩材料、磁致伸缩材料替代。
进一步的，上述实施例中，铝合金基片完全可以采用钛合金、钢、铜或者钨合金替代。
进一步的，上述实施例中，安装骨架采用铝合金、钛合金、钢、铜或者钨合金替代不锈钢。
本发明基于以上条件，换能器采用三叠片结构进行设计，三叠片是采用两片压电陶瓷和一片基片层合而成，通过对加载电压的控制，使层合结构产生弯曲振动，三叠片具有尺寸小、灵敏度高、耐高温高压等优点，非常适合井下换能器设计。
Claims (7)
1.一种远探测偶极子测井换能器，包括有源材料片、基片、紧固件和安装骨架；其特征在于：所述的有源材料片沿基片上下两个粘接面粘接组成三叠片结构，并通过紧固件将基片固定在安装骨架上；有源材料片极化方向保持同向，均垂直于粘接面，有源材料片的两个粘接面用导线连接起来作为电压输入一极，而有源材料片没有粘接的两个电极面同样用导线连接起来作为电压输入的另外一极。
2.按照权利要求1所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：所述的有源材料包括压电陶瓷、弛豫铁电单晶、弛豫反铁电单晶、电致伸缩材料、磁致伸缩材料中的一种。
3.按照权利要求2所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：有源材料片长度为30~500mm,宽度为5~70mm，厚度为0.5~20mm，极化时沿厚度方向极化。
4.按照权利要求1、2或3所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：所述的基片和安装骨架所用材料包括PEEK、玻璃钢、铝合金、铁、钢、钛合金、铜、铅中的一种。
5.按照权利要求4所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：所述的基片长度为50~500mm,宽度为5~70mm，厚度为0.5~20mm，并且在同一个设计中长度应该大于有源材料片的长度，宽度应该不小于有源材料的宽度。
6.按照权利要求1、2或3所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：所述的骨架周向均布有若干槽，每个槽内嵌入一组三叠片。
7.按照权利要6所述的远探测偶极子测井换能器，其特征在于：所述骨架槽的两端打螺钉孔，两排螺钉孔之间则进一步铣槽，槽深应大于单片有源材料的厚度；所述紧固件为与螺钉孔配合的螺钉。
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