CN114482987A - 一种低频多模偶极子发射换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及换能器技术领域，尤其是一种低频多模偶极子发射换能器，包括基本振子、紧固件、两个摆动杆以及两个质量块，所述基本振子与两个质量块刚性连接，且基本振子设置于两个质量块的径向开口中，固定在质量块的径向开口的平面上，所述摆动杆与两个质量块刚性连接，所述摆动杆由两个边缘段以及中间段三段连接构成，其摆动杆的中间段端面与对应的质量块刚性连接，所述紧固件设置在摆动杆的两端上，本发明的换能器在工作频带内存在四个有效的偶极子工作模态，通过合理调整各组件尺寸可现实各工作模态之间的有效耦合，从而拓展换能器的工作带宽。
Description
技术领域
本发明涉及换能器技术领域，具体领域为一种低频多模偶极子发射换能器。
背景技术
声波能有效地在固、液、气三相介质中长距离有效传播。通过对声学参量的测量和处理可探测物体以及检测物体的性质。
声波在测井中的应用最早出现在20世纪50年代，经过几十年的发展，声波测井技术在石油测井和物探上有着极其广泛的运用。
声波测井技术近年来发展很快，已由常规的声速测井发展到能够测量地层的多种物性参数，包括渗透率、波的能力衰减、反射及透射、地层的各向异性等，测量精度及分辨率也大大提高。通过声波测井，人们能够探测储层位置，估算油气储量及饱和度、流通性，判断地应力状态及其方位，研究地裂隙的方位及发育程度，推断井周围地层的变化，以及地层界面的延伸形态等。
声波测井的测量手段也从过去的单极子测井发展到偶极子横波测井、正交偶极子各向异性测井以及四极子测井，测量过程也从常规的电缆测井发展到今天的随钻测井。
在储藏页岩气与煤层气的泥岩等软地层中，由于地层横波声速小于井孔中流体声速，单极子声源所激发的横波信号在井壁上无法满足临界折射条件，因而无法获取地层横波信息。通过利用偶极声波测井，人们可以获得沿井壁传播且携带地层横波信息的弯曲波信号，从而可实现软地层中横波声速的获取。
目前，获取软地层性质最为稳定可靠的方法是偶极横波测井，而采用正交偶极子测井还可以确定横波环向各向异性特征，并进一步或得井壁周围地层的各向异性信息。用横波的各向异性可以识别地层的应力方向和裂缝有效性等，在地质构造解释、断层确定和裂缝特征分析、区域构造研究中具有重要的意义。
为了准确地获取地层横波速度和分析弯曲波频散特性，偶极子发射换能器作为偶极声波测井仪的核心部件，往往要求具备低频、宽带和大辐射功率的特点。此外，换能器还需要适应高温(175℃)和高压(140MPa)的工作环境。
自1967年以来，人们提出了各式各样的偶极子声波换能器，有些已得到广泛应用。常见的偶极子声源主要有三叠片、动圈式以及拼镶圆环等。然而以上几种换能器均存在着不足。三叠片结构通常宽频有限，难以扩展有效的低频工作范围；动圈式结构能够实现低频且平坦的响应曲线，然而这种结构辐射效率较低，不能实现大功率发射；镶拼圆环的谐振基频跟圆环直径相关，降低工作频率需增大圆环的直径，而现在的井孔孔径使得这类换能器实现低频发射较为困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种低频多模偶极子发射换能器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种低频多模偶极子发射换能器，包括基本振子、紧固件、两个摆动杆以及两个质量块，所述基本振子与两个质量块刚性连接，且基本振子设置于两个质量块的径向开口中，固定在质量块的径向开口的平面上，所述摆动杆与两个质量块刚性连接，所述摆动杆由两个边缘段以及中间段三段连接构成，其摆动杆的中间段端面与对应的质量块刚性连接，所述紧固件设置在摆动杆的两端上。
优选的，所述的基本振子由两个陶瓷片以及基板组成，两个陶瓷片的极化方向相同且垂直于基板和陶瓷片的接触面。
优选的，所述的基板由两个边缘段以及中间段三段连接构成，基板的两个边缘段的长度不相等，即基本振子沿X轴非对称设置。
优选的，所述基板的边缘段设置有刚度调整结构，所述刚度调整结构为窄缝、沟槽或者通孔。
优选的，所述紧固件由螺母以及弹簧垫片组成。
优选的，所述紧固件采用自锁螺母。
优选的，所述陶瓷片与基板之间采用胶黏剂粘合连接。
优选的，所述陶瓷片的材料为压电陶瓷、压电单晶、反铁电材料或稀土材料。
优选的，所述的基板、摆动杆、质量块采用模量在10GPa到300GPa之间的刚性材料制成。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：换能器在工作频带内存在多个工作模态，低频段存在振子的第一阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态；中频段存在第三阶弯曲振动与摆动杆的弯曲振动的耦合模态；高频段存在摆动杆和质量块组成的振动系统的第一阶纵振模态。通过合理调整各组件尺寸可现实各工作模态之间的有效耦合。
附图说明
图1为本发明的偶极子发射换能器结构示意图；
图2为本发明的带刚度调整结构的偶极子发射换能器结构示意图；
图3为本发明的基本振子的安装示意图；
图4为本发明的偶极子发射换能器的第一个偶极子模态的振型图；
图5为本发明的偶极子发射换能器的第二个偶极子模态的振型图；
图6为本发明的偶极子发射换能器的第三个偶极子模态的振型图；
图7为本发明的偶极子发射换能器的第四个偶极子模态的振型图。
图中：10、换能器整体；12、基板；12A、基板的一侧边缘段；12B、基板的另一侧边缘段；13A、一陶瓷片；13B、另一陶瓷片；14、摆动杆；14A、上摆动杆；14Aa、摆动杆的一侧边缘段；14Ab、摆动杆的另一侧边缘段；14Ac、摆动杆的中间段；14B、下摆动杆；15、质量块；15A、左质量块；15Aa、径向开口；15Ab、环形槽；15B、右质量块；16、紧固件；16A、弹簧垫片；16B、螺母；17(+)、正极电源线；17(-)、负极电源线；21A、21B、两个刚度调整结构；31、螺钉；32、通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至7，本发明提供一种技术方案：一种低频多模偶极子发射换能器，包括基本振子、紧固件、两个摆动杆以及两个质量块，所述基本振子与两个质量块刚性连接，且基本振子设置于两个质量块的径向开口中，固定在质量块的径向开口的平面上，所述摆动杆与两个质量块刚性连接，所述摆动杆由两个边缘段以及中间段三段连接构成，其摆动杆的中间段端面与对应的质量块刚性连接，所述紧固件设置在摆动杆的两端上。
所述的摆动杆14分为上下两根，分别是上摆动杆14A和下摆动杆14B。每根摆动杆分为三段，分别是边缘段14Ab、14Aa以及中间段，通过调整摆动杆14的尺寸(尤其是长度)可有效调整偶极子发射换能器的偶极子模态的频率，尤其是对第2、3、4个偶极子模态频率的调整。
所述的质量块15分为左右两块，分别是左质量块15A和右质量块15B。一般地，质量块存在三个特征：两轴向的通孔、一径向的开口15Ab以及一环形槽15Aa，所述基板12的边缘段12A、12B分别设置于相应的质量块的开口15Ab中。
所述的摆动杆14穿过质量块15，并通过紧固件16将摆动杆14、质量块15刚性连接在一起。
所述的环形槽15Aa用于去耦件的安装，以隔离偶极子发射换能器与安装平台之间的振动。
所述的基本振子由两个陶瓷片以及基板组成，两个陶瓷片的极化方向相同且垂直于基板和陶瓷片的接触面，两陶瓷片13的外表面通过导线连接，并通过导线17(+)引出作为正电源线，导线17(-)为负电源线。
所述的基板由两个边缘段12A、12B以及陶瓷片的中间段三段连接构成，边缘段12A、12B的长度分别为L1、L2，优选地，长度L1与L2不相等，即基本振子沿X轴非对称，通过L1、L2的长度可调整偶极子发射换能器的谐振频率以及工作频带内电压响应起伏。
所述基板的边缘段设置有刚度调整结构，所述刚度调整结构为窄缝、沟槽或者通孔。
所述紧固件由螺母以及弹簧垫片组成。
所述紧固件采用自锁螺母。
所述陶瓷片与基板之间采用胶黏剂粘合连接。
所述陶瓷片的材料为压电陶瓷、压电单晶、反铁电材料或稀土材料。
所述的基板、摆动杆、质量块采用模量在10GPa到300GPa之间的刚性材料制成。
优选地，所述基板的材料是钛、铜、铝、低膨胀合金或Peek材料。
所述的陶瓷片的材料为压电陶瓷、压电单晶、反铁电材料、稀土材料，优选地，采用PZT4或者PZT8。
本发明提供的换能器是一种能够适用于小井孔的低频、宽带、大功率偶极子发射换能器。工作时，所述基板一侧的陶瓷片伸长，另一侧的陶瓷片缩短，使得基本振子作弯曲振动，同时，激励出摆动杆的弯曲模态以及纵振模态，上述模态与基本振子的弯曲模态耦合，从而实现宽带发射。
本发明的换能器在工作频带内存在多个工作模态，低频段存在振子的第一阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态；中频段存在第三阶弯曲振动与摆动杆的弯曲振动的耦合模态；高频段存在摆动杆和质量块组成的振动系统的第一阶纵振模态。通过合理调整各组件尺寸可现实各工作模态之间的有效耦合。
通过本技术方案，偶极子发射换能器由两陶瓷片13、基板12、两摆动杆14、两质量块15以及紧固件16组成。实施例中换能器的总长度为212mm，直径为38.5mm。其中，陶瓷片采用PZT4压电陶瓷；基板采用牌号为4J36的殷钢；摆动杆、质量块均采用牌号为304的不锈钢。
陶瓷片、基板的的尺寸分别为90mm×38mm×3.2mm、122mm×38mm×4.2mm，两陶瓷片的极化方向相同且垂直于基板和陶瓷片的接触面。两陶瓷片的外表面通过导线连接，并引出导线作为正电源线，基板、质量块、摆动杆电连接在一起构成负极，负电源线从质量块的端面引出。
实施例中基板两端设置有刚度调整特征，优选地，所述刚度调整特征为两贯穿于基板宽度方向的矩形窄缝，窄缝宽度为1mm。所述的刚度调整特征可有效降低偶极子模态的频率。
陶瓷片与基板之间采用胶黏剂粘合构成基本振子，优先地，所述胶黏剂为环氧树脂，但也不局限于此类胶黏剂。
基本振子设置于两质量块的径向开口中，如图3所示，该实施例中偶极子发射换能器30的质量块上设置有两垂直于基本振子平面的通孔32，利用四个螺钉31将基本振子固定在质量块的径向开口的平面上。
摆动杆穿过质量块，并通过紧固件将摆动杆、质量块刚性连接在一起,紧固件由螺母与弹簧垫片组成，优选地，所述弹簧垫片为贝氏弹簧垫圈。
实施例中，在300Hz到5000Hz的频带范围内存在着四个有效的偶极子工作模态，分别为：基本振子的第一阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态、基本振子的第三阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态、基本振子的第三阶弯曲振动与摆动杆的第三阶弯曲振动的耦合模态、摆动杆和质量块组成的振动系统的第一阶纵振模态。四个偶极子模态的振型分别如图4、图5、图6、图7所示，其谐振频率分别为1586Hz、2212Hz、3481Hz、4067Hz。换能器工作频带内的多阶工作模态非常有利于换能器带宽的展开。
在具体应用中，两偶极子发射换能器正交布置，分别沿笛卡尔坐标系的X和Y方向激发，从而构成正交偶极子发射系统。
图4为本发明提供的偶极子发射换能器的第一个偶极子模态的振型图(仿真结果)，该模态为基本振子的第一阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态。
图5为本发明提供的偶极子发射换能器的第二个偶极子模态的振型图(仿真结果)，该模态为基本振子的第三阶弯曲振动与摆动杆的第一阶弯曲振动的耦合模态。
图6为本发明提供的偶极子发射换能器的第三个偶极子模态的振型图(仿真结果)，该模态为基本振子的第三阶弯曲振动与摆动杆的第三阶弯曲振动的耦合模态。
图7为本发明提供的偶极子发射换能器的第四个偶极子模态的振型图(仿真结果)，该模态为摆动杆和质量块组成的振动系统的第一阶纵振模态。。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：包括基本振子、紧固件、两个摆动杆以及两个质量块，所述基本振子与两个质量块刚性连接，且基本振子设置于两个质量块的径向开口中，固定在质量块的径向开口的平面上，所述摆动杆与两个质量块刚性连接，所述摆动杆由两个边缘段以及中间段三段连接构成，其摆动杆的中间段端面与对应的质量块刚性连接，所述紧固件设置在摆动杆的两端上。
2.根据权利要求1所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述的基本振子由两个陶瓷片以及基板组成，两个陶瓷片的极化方向相同且垂直于基板和陶瓷片的接触面。
3.根据权利要求2所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述的基板由两个边缘段以及中间段三段连接构成，基板的两个边缘段的长度不相等，即基本振子沿X轴非对称设置。
4.根据权利要求3所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述基板的边缘段设置有刚度调整结构，所述刚度调整结构为窄缝、沟槽或者通孔。
5.根据权利要求1所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述紧固件由螺母以及弹簧垫片组成。
6.根据权利要求1所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述紧固件采用自锁螺母。
7.根据权利要求2所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述陶瓷片与基板之间采用胶黏剂粘合连接。
8.根据权利要求2所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述陶瓷片的材料为压电陶瓷、压电单晶、反铁电材料或稀土材料。
9.根据权利要求2所述的一种低频多模偶极子发射换能器，其特征在于：所述的基板、摆动杆、质量块采用模量在10GPa到300GPa之间的刚性材料制成。
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