CN116913235B - 一种低频宽带偶极子声源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低频宽带偶极子声源，属于声波探测仪器领域，由低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组、安装骨架、左配重、右配重、安装螺钉和过线管构成，所述安装骨架呈圆筒状，三组三叠片组沿周向布置在安装骨架上，每组三叠片组包括四个尺寸相同的三叠片，四个三叠片组成正方形阵，沿周向均匀布置在安装骨架上；通过激励三叠片的低阶弯曲振动，实现低频辐射，激励正方形阵中平行的两个三叠片同向弯曲振动，实现偶极发射，分别激励正方形阵中相互垂直的两组三叠片，实现正交发射，利用三组三叠片组产生的谐振，实现宽带发射。
Description
技术领域
本发明涉及声波探测仪器领域，具体涉及一种低频宽带偶极子声源。
背景技术
横波远探测技术主要利用地层横波穿过裂缝、界面发育、溶洞腔壁等地质异常体时候会产生横波反射波，通过阵列记录反射横波可以对异常体进行成像。理论上利用该技术可实现对井周几米到上百米范围内的地质异常体进行成像，能够有效弥补常规横波测井技术（探测范围：井周零点几米至几米）和VSP、井间地震等探测技术（探测范围：井周数十米至数百米）之间的探测盲区，具有非常大的应用前景而受到市场的广泛关注。
横波远探测仪器设计方面包含一个偶极子发射声源、一组阵列接收单元和用于振动隔离的隔声体，与传统偶极子声波测井仪器几乎没有差别。但是这两种仪器所采用的工作方式却截然不同：常规横波测井仪采用的是井孔模式波成像，通过沿井孔传播的模式纵波、横波和斯通利波等模式波的时间延迟对地质构造进行成像，成像深度只有零点几米至几米的范围；横波远探测技术则利用井周地层内传播的体波横波遇到地质异常体产生的反射体波进行成像，探测深度根据发射声源能量及频率不同达到几米到上百米的范围。正是因为工作方式的不同，对于声源需求上也有很大的区别。
现用横波测井仪的偶极子声源需要在500Hz~6kHz甚至更宽的频带内均能激励出声信号，以兼顾不同地层。偶极子声源设计主要分为压电和可变磁阻方案，其中压电方案（US10393903B2、CN105221146A、CN202330735U）主要采用三叠片作为振动基元，利用不同尺寸的三叠片的多阶弯曲振动实现工作频带内的高效声辐射，以US10393903B2声源为例，分别利用两组不同尺寸三叠片的一阶及三阶弯曲振动，使声源在500Hz、800Hz、2700Hz、4500Hz等频率处具有高效声辐射，从而满足绝大部分地层的探测需求，但作为谐振发射这种设计方案的-3dB带宽很窄，信号拖尾非常严重，不利于各种模式波的分离，而且声源还存在1kHz以下的谐振，会产生非常强的斯通利波，影响反射波的提取，这也是该设计方案不适用于横波远探测的主要原因。可变磁阻方案（US6474439B1、US10288758B2）具有非常平坦的工作频率，但是由于其不是采用谐振发射，声源的响应不大，不能满足仪器远距离探测，而且声源同样会激励出丰富的低频成分，产生的斯通利波会掩盖掉反射横波。
上述介绍可以看到，现用偶极子源在探测距离、近井盲区、分辨率等方面均存在一些需要改进的地方，针对现用声源的不足，本发明拟提出一种更适应于横波远探测技术的低频宽带偶极子声源的设计方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种低频宽带偶极子声源，设计合理，解决了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现发明目的，采用以下技术方案：
一种低频宽带偶极子声源，由低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组、安装骨架、左配重、右配重、安装螺钉和过线管构成，所述安装骨架呈圆筒状，三组三叠片组沿周向布置在安装骨架上，每组三叠片组包括四个尺寸相同的三叠片，四个三叠片组成正方形阵，沿周向均匀布置在安装骨架上；
通过激励三叠片的低阶弯曲振动，实现低频辐射，激励正方形阵中平行的两个三叠片同向弯曲振动，实现偶极发射，分别激励正方形阵中相互垂直的两组三叠片，实现正交发射，利用三组三叠片组产生的谐振，实现宽带发射。
进一步地，所述三叠片为d31极化三叠片，从上到下依次由第一压电陶瓷片、基片和第二压电陶瓷片粘接层合而成，第一和第二压电陶瓷片的极化方向相同，第一压电陶瓷片的正极和第二压电陶瓷片的负极焊接作为三叠片正极，第一压电陶瓷片的负极和第二压电陶瓷片的正极焊接作为三叠片负极；当三叠片正负极上加载交流电压时，三叠片产生低频弯曲振动。
进一步地，所述三叠片为d33极化三叠片，包括若干个d33极化压电陶瓷片和基片，若干个d33极化压电陶瓷片平均分成两组，分别粘接在基片的上下两侧；同侧相邻的d33极化压电陶瓷片极化方向相反；将基片上侧d33极化压电陶瓷片的正极和基片下侧d33极化压电陶瓷片的负极并联作为d33极化三叠片的正极，将基片上侧d33极化压电陶瓷片的负极和d33极化压电陶瓷片的正极并联作为d33极化三叠片的负极；当三叠片正负极上加载交流电压时，三叠片产生低频弯曲振动。
进一步地，所述低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组的三叠片尺寸均不相同，分别对应不同的工作频率fL、fM、fH，其中，fH＞fM＞fL。
进一步地，低频三叠片组包括Y+方向低频三叠片A1、X+方向低频三叠片A2、Y-方向低频三叠片A3、X-方向低频三叠片A4，中频三叠片组包括Y+方向中频三叠片B1、X+方向中频三叠片B2、Y-方向中频三叠片B3、X-方向中频三叠片B4，高频三叠片组包括Y+方向高频三叠片C1、X+方向高频三叠片C2、Y-方向高频三叠片C3、X-方向高频三叠片C4。
进一步地，分别激励A1和A3、B1和B3、C1和C3能够形成Y向偶极子声场；分别激励A2和A4、B2和B4、C2和C4能够形成X向偶极子声场；X方向的偶极子声场与Y方向的偶极子声场方位正交，实现声源的正交发射。
进一步地，同时激励A1、C1、A2、C2、A3、C3形成Y轴方向的宽带偶极声场，同时激励A2、A4、B2、B4、C2、C4形成X轴方向的宽带偶极声场。
本发明具有的有益效果是：
本发明提出的一种低频宽带偶极子声源设置低频三叠片组、中频三叠片组和高频三叠片组，产生的三个谐振基频实现声源在较宽工作频带内高效声辐射，能够实现更宽宽带、更高效的声辐射，更远的成像分辨率和更小的近井盲区。
附图说明
图1为本发明中声源拓展带宽的原理图。
图2为本发明中采用d31极化三叠片的声源结构示意图。
图3为本发明中采用d31极化三叠片的声源结构的剖视图。
图4为本发明中d31极化三叠片的结构示意图。
图5为本发明中安装骨架的结构示意图。
图6为本发明中三叠片的极化方向示意图。
图7为本发明中声源内部Y轴正负极接线图。
图8为本发明中声源内部X轴正负极接线图。
图9为本发明的声源与现有声源的频谱响应对比图。
图10为本发明中d33极化三叠片的结构示意图。
图11为本发明中采用d33极化三叠片声源结构示意图。
其中，1-低频三叠片组；11-Y+方向低频三叠片；12-X+方向低频三叠片；13-Y-方向低频三叠片；14-X-方向低频三叠片；100-d31极化三叠片；101-第一压电陶瓷片；102-第二压电陶瓷片；103-基片；104-第一导线；105-第二导线；
2-中频三叠片组；21-Y+方向中频三叠片；22-X+方向中频三叠片；23-Y-方向中频三叠片；24-X-方向中频三叠片；200-d33极化三叠片；201-d33极化压电陶瓷片；202- d33基片；203-负电极；204-正电极；
3-高频三叠片组；31-Y+方向高频三叠片；32-X+方向高频三叠片；33-Y-方向高频三叠片；34-X-方向高频三叠片；
4-安装骨架；41-第一安装槽；42-第二安装槽；43-第三安装槽；
5-左配重；51-左配重定位螺钉孔；52-固定螺钉；6-右配重；61-右配重定位螺钉孔；7-安装螺钉；8-过线管。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步说明：
三叠片结构是有限空间内高温高压环境中实现低频发射的最有效手段之一，因此本发明采用三叠片作为基本振元，实现低频发射；采用四个尺寸完全相同的三叠片安装到骨架上组成正方形阵，通过激励正方形阵中平行的两个三叠片同向弯曲振动，实现偶极发射；再分别激励正方形阵中相互垂直的两组三叠片，实现正交发射；然后利用多组不同尺寸三叠片产生的谐振，实现宽带发射。综合以上设计手段，设计出满足仪器需求的低频宽带正交偶极子声源。
本发明设计了三种不同尺寸的三叠片组，分别为低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组，对应不同的工作频率fL、fM、fH，其中fH＞fM＞fL，然后利用多模态耦合方式拓宽带宽。当三种尺寸三叠片同向振动时，其体积位移会产生叠加，通过尺寸优化合理分配谐振频率和频率响应，可以使声源的频谱特性拓宽为△f，如图1所示，达到宽带发射的目的。考虑到声源与现用常规偶极声波测井仪器的兼容性及通用性，本发明声源两端的机械接口与电路接口与现用常规偶极子声源保持一致。
实施例一
一种低频宽带偶极子声源，如图2和3所示，由低频三叠片组（1）、中频三叠片组（2）、高频三叠片组（3）、安装骨架（4）、左配重（5）、右配重（6）、安装螺钉（7）和过线管（8）构成；三组三叠片组的尺寸不同，且沿周向布置在安装骨架上，每组三叠片组包括四个尺寸相同的三叠片，四个三叠片组成正方形阵，沿周向均匀间隔布置在安装骨架上，在本实施例中，采用的三叠片为d31极化三叠片（100）；安装骨架（4）用于三叠片的固定及成阵，左配重（5）和右配重（6）用于增加安装骨架的重量，提高仪器的辐射效率，过线管（8）用于仪器的贯穿线的通过，安装螺钉（7）用于三叠片在仪器上的固定；通过激励三叠片的低阶弯曲振动，实现低频辐射，激励正方形阵中平行的两个三叠片同向弯曲振动，实现偶极发射，分别激励正方形阵中相互垂直的两组三叠片，实现正交发射，利用三组三叠片组产生的谐振，实现宽带发射。
d31极化三叠片（100）如图4所示，每个三叠片从上到下依次由第一压电陶瓷片（101）、基片（103）和第二压电陶瓷片（102）粘接层合，第一和第二压电陶瓷片的极化方向相同，第一压电陶瓷片（101）的正极和第二压电陶瓷片（102）的负极通过第一导线（104）焊接成为三叠片正极，第一压电陶瓷片（101）的负极和第二压电陶瓷片（102）的正极通过第二导线（105）焊接成为三叠片负极。当三叠片正负极上加载交流电压后，会产生弯曲振动。
安装骨架用于三叠片的固定和成型，为保证能够应用到井下仪器且三叠片能够自由振动，安装骨架（4）呈圆筒状，如图5所示，安装骨架侧壁开设有与三叠片对应的多个安装槽，分别为第一安装槽（41）、第二安装槽（42）和第三安装槽（43），第一安装槽（41）对应低频三叠片组（1），第二安装槽（42）对应中频三叠片组（2），第三安装槽（43）对应高频三叠片组（3），每个三叠片通过安装螺钉7固定在螺钉孔44上，每组三叠片通过固定在安装槽内构成正方形阵；左配重（5）和右配重（6）通过固定螺钉52固定在安装骨架（4）两端，左配重和右配重由钨镍合金等高比重合金组成，用于增加安装骨架的重量，提高声源辐射效率，左配重和右配重与现用偶极子仪器声源的配重结构相同，从而保证本发明声源与现用偶极子仪器的通用性。装配时左配重定位螺钉孔（51）与右配重定位螺钉孔（61）需要保持在一条直线上，且对应的方向定义为+Y方向，其他方向按照右手螺旋定则依次确定，拇指指向右配重方向，依次为+Y、+X、-Y、-X。
低频三叠片组（1）包括Y+方向低频三叠片A1（11）、X+方向低频三叠片A2（12）、Y-方向低频三叠片A3（13）、X-方向低频三叠片A4（14），中频三叠片组（2）包括Y+方向中频三叠片B1（21）、X+方向中频三叠片B2（22）、Y-方向中频三叠片B3（23）、X-方向中频三叠片B4（24），高频三叠片组（3）包括Y+方向高频三叠片C1（31）、X+方向高频三叠片C2（32）、Y-方向高频三叠片C3（33）、X-方向高频三叠片C4（34）；
如图6所示，A1、B1、C1安装在位于Y+方位的安装槽内，其极化方向为沿径向向里，A3、B3、C3安装在位于Y-方位的安装槽内，极化方向为沿径向向外，A2、B2、C2安装在位于X+方位的安装槽内，极化方向为沿径向向里，A4、B4、C4安装在位于X-方位的安装槽内，极化方向为沿径向向外。
声源内部三叠片的接线如图7和8所示，将A1、B1、C1、A3、B3、C3的正极并联到一起组成Y轴的正极+P_y，将A1、B1、C1、A3、B3、C3的负极并联到一起组成Y轴的负极-P_y；对Y轴的正负极间施加交流电压，使位于Y轴方向的6个三叠片将沿着Y轴方向同向弯曲振动，辐射Y方向的偶极子声场；类似的，将A2、B2、C2、A4、B4、C4的正极并联到一起组成X轴的正极+P_x，将A2、B2、C2、A4、B4、C4的负极并联到一起组成X轴的负极-P_x，对X轴的正负极间施加交流电压，使位于X轴方向的6个三叠片将沿着X轴方向同向弯曲振动，辐射X方向的偶极子声场。X方向的偶极子声场与Y方向的偶极子声场方位正交，实现声源的正交发射。
同时激励A1、C1、A2、C2、A3、C3形成Y轴方向的宽带偶极声场，同时激励A2、A4、B2、B4、C2、C4形成X轴方向的宽带偶极声场。
通过优化，将每组三叠片能量集中到一阶弯曲振动集中发射，实现三叠片的高效辐射，同时利用三组不同尺寸的三叠片可以产生的三个谐振基频实现声源在较宽工作频带内高效声辐射。对比常规偶极子声源要兼顾500Hz~6kHz超宽工作频带，需要将有限能量均衡分散到更多的谐振频率上，没有办法实现严格意义上的宽带发射，这也是本发明与现用偶极子声源在声性能方面的关键区别所在。
由于声源的工作频率不能低于1kHz，低于1 kHz容易激励出井孔斯通利波，斯通利波幅度很大且传播速度很慢，导致出现很大的近井盲区；工作频率也不宜高于3kHz，高于3kHz声衰减迅速增加，影响到仪器探测距离；带宽不能低于1kHz，低于1kHz会影响仪器的分辨率，且会产生非常长的模式波拖尾，掩盖掉反射波，形成过多的近井盲区。综合以上考量，本实施例将声源工作频率确定在2~3kHz，工作频带内满足-3dB带宽。
根据上述方案，本实施例设计了一个声源，每个三叠片中的第一和第二压电陶瓷片采用PZT-4，基片采用牌号7075的铝合金材料，低频三叠片组中采用的压电陶瓷片尺寸为70*38*4.2mm，基片尺寸为120*38*3.5mm；中频三叠片组中采用的压电陶瓷片尺寸为66*38*4.2mm，基片尺寸为105*38*3.5mm；高频三叠片组中采用的压电陶瓷片尺寸为53*38*4.2mm，基片尺寸为102*38*3.5mm；该声源的发射电压响应如图9所示，其最大发射电压响应为-129dB，较现用偶极子声源大约6dB；-3dB工作带宽为2kHz~3kHz，Q值小于4，是现用偶极子声源带宽的3倍；声源外观尺寸、两端的机械连接方式和出线方式均跟现用偶极子声源保持一致，与偶极子阵列声波仪器兼容。
实施例二
本实施例与实施例一的区别为用d33极化三叠片（200）代替d33极化三叠片。本实施例采用d33极化三叠片（200）作为基本阵元设计， d33极化三叠片比d31极化三叠片具有更大的声辐射性能，但引线会更复杂一些，在追求更远探测距离时会选择采用。图10为d33极化三叠片的结构示意图、焊线和电压加载方式，由若干个 d33极化压电陶瓷片（201）、d33基片（202）、负电极（203）、正电极（204）等组成，其中d33极化压电陶瓷片（201）平均分成两组，粘接在d33基片（202）的上下两侧，注意同侧相邻的d33极化压电陶瓷片（201）极化方向必须相反，将d33基片（202）上侧d33极化压电陶瓷片的正极和d33基片（202）下侧 d33极化压电陶瓷片的负极并联作为d33极化三叠片的正极；将d33基片（202）上侧d33极化压电陶瓷片的负极和d33基片（202）下侧d33极化压电陶瓷片的正极并联作为d33极化三叠片的负极。
与实施例一类似，本实施例同样制作三种不同尺寸的d33极化三叠片（200），然后用安装螺钉（7）安装到安装骨架（4）上。声源两端采用左配重（5）、右配重（6）与仪器连接，d33声源结构如图11所示，外观尺寸、两端的机械连接方式和出线方式均跟现用偶极子声源保持一致，与偶极子阵列声波仪器兼容。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种低频宽带偶极子声源，其特征在于，由低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组、安装骨架、左配重、右配重、安装螺钉和过线管构成，所述安装骨架呈圆筒状，三组三叠片组沿周向布置在安装骨架上，每组三叠片组包括四个尺寸相同的三叠片，四个三叠片组成正方形阵，沿周向均匀布置在安装骨架上；
通过激励三叠片的低阶弯曲振动，实现低频辐射，激励正方形阵中平行的两个三叠片同向弯曲振动，实现偶极发射，分别激励正方形阵中相互垂直的两组三叠片，实现正交发射，利用三组三叠片组产生的谐振，实现宽带发射；
所述三叠片为d33极化三叠片，包括若干个d33极化压电陶瓷片和基片，若干个d33极化压电陶瓷片平均分成两组，分别粘接在基片的上下两侧；同侧相邻的d33极化压电陶瓷片极化方向相反；将基片上侧d33极化压电陶瓷片的正极和基片下侧d33极化压电陶瓷片的负极并联作为d33极化三叠片的正极，将基片上侧d33极化压电陶瓷片的负极和d33极化压电陶瓷片的正极并联作为d33极化三叠片的负极；当三叠片正负极上加载交流电压时，三叠片产生低频弯曲振动；
将每组三叠片能量集中到一阶弯曲振动集中发射，实现三叠片的高效辐射，同时利用三组不同尺寸的三叠片产生的三个谐振基频实现声源在较宽工作频带内高效声辐射；
所述低频三叠片组、中频三叠片组、高频三叠片组的三叠片尺寸均不相同，分别对应不同的工作频率fL、fM、fH，其中，fH＞fM＞fL。
2.根据权利要求1所述的一种低频宽带偶极子声源，其特征在于，所述三叠片为d31极化三叠片，从上到下依次由第一压电陶瓷片、基片和第二压电陶瓷片粘接层合而成，第一和第二压电陶瓷片的极化方向相同，第一压电陶瓷片的正极和第二压电陶瓷片的负极焊接作为三叠片正极，第一压电陶瓷片的负极和第二压电陶瓷片的正极焊接作为三叠片负极；当三叠片正负极上加载交流电压时，三叠片产生低频弯曲振动。
3.根据权利要求2所述的一种低频宽带偶极子声源，其特征在于，低频三叠片组包括Y+方向低频三叠片A1、X+方向低频三叠片A2、Y-方向低频三叠片A3、X-方向低频三叠片A4，中频三叠片组包括Y+方向中频三叠片B1、X+方向中频三叠片B2、Y-方向中频三叠片B3、X-方向中频三叠片B4，高频三叠片组包括Y+方向高频三叠片C1、X+方向高频三叠片C2、Y-方向高频三叠片C3、X-方向高频三叠片C4。
4.根据权利要求3所述的一种低频宽带偶极子声源，其特征在于，分别激励A1和A3、B1和B3、C1和C3能够形成Y向偶极子声场；分别激励A2和A4、B2和B4、C2和C4能够形成X向偶极子声场；X方向的偶极子声场与Y方向的偶极子声场方位正交，实现声源的正交发射。
5.根据权利要求3所述的一种低频宽带偶极子声源，其特征在于，同时激励A1、C1、A2、C2、A3、C3形成Y轴方向的宽带偶极声场，同时激励A2、A4、B2、B4、C2、C4形成X轴方向的宽带偶极声场。
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