CN1239917C - 一种任意指向性可控井下声波辐射器 - Google Patents

一种任意指向性可控井下声波辐射器 Download PDF

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一种新型的任意指向性可控井下声波辐射器，它是属于应用地球物理领域。该一种任意指向性可控井下声波辐射器既可用于声波测井仪器又可用于用于井间声波勘探的任意指向性可控的声波辐射器。它主要是通过采用将两个以上方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成，使得它可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量。

Description

一种任意指向性可控井下声波辐射器
技术领域
本发明专利涉及一种新型的任意指向性可控井下声波辐射器，它是属于应用地球物理领域。该任意指向性可控井下声波辐射器既可用于声波测井仪器又可用于用于井间声波勘探的任意指向性可控的声波辐射器。它主要是通过采用将两个以上方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成，使得它可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量。
背景技术
现有声波测井仪器和井间地震勘探所用的声源类似于点声源，它向四周均匀地辐射能量，如附图1所示，即其辐射无明显的指向性，并且探头在使用过程中无法控制指向性。这种辐射无指向性的发射探头不能用于评价地层的各向异性和井周介质的非均匀性，还会导致井下测量仪器的以下几个主要缺点：只有少部分能量是向接收探头一侧的地层中辐射进而形成有用的信号，而大部分辐射能量将向与接收探头相反一侧的方向辐射从而形成无用信号；这种辐射器在井眼泥浆中激发起很强的斯通利波，斯通利波往往是地层有用信号的干扰信号。中国专利ZL 01268574.7提出了两个阵元以上的相控线阵声波辐射器，可以用来实现声波的定向辐射，使发射探头的辐射的声波能量向接收探头一侧传播。但是它所辐射的声场仍然具有轴对称性，利用这种探头仍然不能评价地层的方位特性和各向异性，仍不能满足井间地震勘探和新兴的反射声波成像测井等石油工程的需要。
发明内容
本发明的目的就在于避免上述现有技术的不足之处而提供了一种可以在井下使用的、水平指向性和垂直指向性及辐射主瓣角宽均可控制的相控阵声波辐射器，即任意指向性可控井下声波辐射器。它主要是由两个以上的方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿按一定的规则排列构成，其技术特点在于该声波辐射器是由两个以上的方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成，从而可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量，其中相控圆弧阵声波辐射器是由10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵；它是利用各个相控圆弧阵驱动信号的幅度和相位的控制来调节水平指向性、利用两个以上相控圆弧阵沿轴线的排列并施加不同延迟时间的驱动信号来调整垂直指向性；其圆弧阵通过相位和幅度加权来减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣，以提高辐射器所辐射声波的空间分辨能力，其换能器阵的外直径范围为60～95mm，工作频率范围为5kHz～25kHz。
为了更好地实现本发明的上述目的，发明者在换能器阵元和阵元之间都留有一定间隙以便进行声电隔离，其换能器可以是压电型偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。其圆弧阵的工作模式有两种，其一是整个圆弧阵上的所有阵元按一定的幅度和相位加权参与振动，另一种方式是圆弧阵上的若干个(偶数个或奇数个均可)相邻(或不相邻)阵元按一定的幅度和相位加权参与振动。
附图说明
附图1任意指向性声波辐射器结构示意图，其中1为圆弧阵，2为隔声材料。
附图2是本发明所述的由10个以上条形压电型偶极子振子(阵元)沿一个圆周排列而成的声波圆弧阵示意图。
附图3是本发明所述的由10个以上条形压电型偶极子振子(阵元)沿一段圆弧排列而成的声波圆弧阵示意图。
附图4是本发明所述的压电型条形偶极子振子。
附图5是本发明所述的声波辐射器的水平指向性图。
附图6是本发明所述的声波辐射器的垂直指向性图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细描述本发明的技术特点。
本发明的目的是这样实现的，任意指向性可控井下声波辐射器由两个以上方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成。由于两个以上按直线排列的点声源可以辐射垂直指向性可以调节的声波，而方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器可以发出任意方位方向的声波，于是，根据乘积原理，本发明所述的辐射器可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量。
方位指向性可控圆弧阵声波辐射器为阵列式换能器，它是由若干个作弯曲振动的条形偶极子振子沿一个圆周或一段圆弧排列而成。每一个条形偶极子振子为一个阵元，其两端处于嵌定条件，各阵元之间进行声电隔离。各个阵元可以是压电型的偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。圆弧阵的外直径范围为60～95mm，各个阵元的工作频率范围为5kHz～25kHz。圆弧阵声波辐射器的工作模式为，圆弧阵上的若干个(偶数个或奇数个均可)相邻(或不相邻)阵元按一定的幅度和相位加权参与振动。幅度加权的目的在于减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣，以提高辐射器所辐射声波的空间分辨能力。
本发明所提出的声波辐射器是由多个声波圆弧阵构成的阵列式换能器，如图1所示。每个圆弧阵如附图2和附图3所示，是由10个以上条形压电型偶极子振子(阵元)沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，各阵元之间留有间隙以实现相邻阵元之间的声电隔离。各个阵元可以是如附图4所示的压电型条形偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。根据声场理论，相控阵声波辐射器的指向性是由其各阵元发射的声波在场区干涉叠加的结果，与各阵元的分布和施加在阵元上信号的相位和幅度有关。对其中每个阵元进行精密的激发相位和幅度控制，以调整各个阵元的发射相移从而获得相控圆弧阵声波辐射器辐射的合成主波束的偏转，使其具有可以控制的空间指向性和辐射主瓣宽度。
本发明所述的声波辐射器的水平指向性图和垂直指向性图分别如附图5和附图6所示。
本发明首次提出一种可以在井下使用的具有水平指向性和垂直指向性以及辐射主瓣角角宽都可以控制和调节的相控阵声波辐射器，利用本发明提出的声波辐射器可用向井周地层的任意方向辐射声波能量，可用于评价地层的各向异性和井壁地层介质的非均匀性，可以为新一代反射声波成像测井和套管井固井质量检测等新一代声波测井及井间声波勘探技术提供可能。

Claims (5)

  1. 一种任意指向性可控井下声波辐射器，它主要是由两个以上的方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿按轴线排列构成，其特征在于该声波辐射器是由两个以上的方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成，从而可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量，其中相控圆弧阵声波辐射器是由10个以上作弯曲振动的条形压电型偶极子振子沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵；它是利用各个相控圆弧阵驱动信号的幅度和相位的控制来调节水平指向性、利用两个以上相控圆弧阵沿轴线的排列并施加不同延迟时间的驱动信号来调整垂直指向性；其圆弧阵通过相位和幅度加权来减小辐射主瓣角的角宽和压制旁瓣，以提高辐射器所辐射声波的空间分辨能力，其换能器阵的外直径范围为60～95mm，工作频率范围为5kHz～25kHz；其换能器阵元和阵元之间留要有一定间隙以便进行声电隔离，换能器可以是压电型偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器；其圆弧阵的工作模式可以是整个圆弧阵上的所有阵元按一定的幅度和相位加权参与振动，也可以是圆弧阵上的若干个不相邻阵元按一定的幅度和相位加权参与振动；这样，在实施本发明时，应按如下要求进行：
    1.任意指向性可控井下声波辐射器由两个以上方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器沿轴线排列构成；
  2. 2.由于两个以上按直线排列的点声源可以辐射垂直指向性可以调节的声波，而方位指向性可控的圆弧阵声波辐射器可以发出任意方位方向的声波，所以，根据乘积原理，所述的辐射器可以辐射水平指向性和垂直指向性以及主瓣角角宽都可以控制的声波能量；
  3. 3.方位指向性可控圆弧阵声波辐射器为阵列式换能器，它是由若干个作弯曲振动的条形偶极子振子沿一个圆周或一段圆弧排列而成，每一个条形偶极子振子为一个阵元，其两端处于嵌定条件，各阵元之间进行声电隔离；
  4. 4.各个阵元可以是压电型的偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器，圆弧阵的外直径范围为60-95mm，各个阵元的工作频率范围为5kHz-25kHz；圆弧阵声波辐射器的工作模式为：圆弧阵上的若干个相邻或不相邻阵元按一定的幅度和相位加权参与振动；
  5. 5.这样，具体实施时则每个圆弧阵是由10个以上条形压电型偶极子振子阵元沿一个圆周排列或沿一段圆弧排列而成的换能器阵，各阵元之间留有间隙以实现相邻阵元之间的声电隔离；各个阵元可以是压电型条形偶极子振子，也可以是其它类似于点声源的换能器。
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