CN1281757A - 超磁致伸缩声波发射换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超磁致伸缩声波发射换能器,属于声学换能器领域。它采用超磁致伸缩材料作发射换能器的核心部分——震源振子,即超磁棒或超磁条,其上均绕有线圈,置于前、后盖板之间,并用拉杆螺母压块压紧固定;前盖板上连接辐射块,或用振辐条与上、下盖板相固连,构成一灯笼式弯曲外壳兼辐射面。本发明具有频率低、体积小、带宽宽、余振短,穿透距离远等特点,并且每次发射的重复性好,能较好地满足地质和物探工程声波发射的要求。
Description
本发明涉及一种超磁致伸缩声波发射换能器，属于声学换能器技术领域，其作用是把电磁能通过磁致伸缩材料转换成机械能(声能)，向介质发射。
现有的发射换能器有几种。最早的是应用磁致伸缩材料通常是叠式镍片制成的换能器。它的效率低、成本高。自60年代至今，压电陶瓷材料制成的喇叭型换能器一直是最通用的换能器。它比镍片制成的换能器的效率有了很大的提高，成本也降低了很多。在一般情况下，它都能满足工程使用要求，但是作为地质测量用振源来说，它有下列缺点：功率不能做得过大，在低频段应用时它的体积很大，在谐振点应用时效率虽较高，但带宽较窄，且余振大，在远离谐振点应用时效率又很低。所以人们一直在寻找低频大功率声波震源，试用了爆炸声源(放炮或放手镏弹)、电火花声源以及人工锤击等方式，但这些方法都有一个共同缺点：很难确定起始时间，以致无法确定声波的传播时间，另外每次振动的随机性很大，功率大小变化也很大，从而给检波带来了无法精确测定波形等困难。
本发明的目的在于提供一种采用稀土元素的合金化合物--超磁致伸缩材料制成声波震源振子的超磁致伸缩声波发射换能器，它不仅可用于地面的声波发射，还可用于井间的声波发射，具有频率低，体积小、带宽宽、余振短，穿透距离远等特点，并且每次发射的重复性好，能较好地满足地质和物探工程声波发射的要求。
本发明的目的是由如下技术方案实现的：
一、超磁致伸缩(地面)声波发射换能器的结构如下：
它由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射块(12)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，前、后盖板(11)、(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和前盖板(11)相连，中间均衬有垫片(8)；拉杆(6)一端与前盖板(11)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定，用于压紧超磁棒(9)，施加的预应力在8MPa左右；幅射块(12)与前盖板(11)螺纹连接，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与前、后盖板(11)、(2)相连，用螺丝(3)固定。超磁棒(9)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物，幅射块(12)由铝合金制成，外壳(13)由不锈钢或钙塑材料制成。
二、超磁致伸缩(地面锚用)声波发射换能器的结构如下：
它由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射头(14)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，幅射头(14)与后盖板(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和幅射头(14)相连，中间均衬有垫片(8)，拉杆(6)一端与幅射头(14)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与幅射头(14)、后盖板(11)目连，用螺钉(3”)固定。幅射头(14)呈锥状，超磁棒(9)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物；幅射头(14)由铝合金制成；外壳(13)由不锈钢或钙塑材料制成。
三、超磁致伸缩(井中)声波发射换能器的结构如下：
它由旋块(1’)、压块(3’)、振幅条(5’)、超磁条(6’)、线圈(7’)、上、下盖板(2’)、(9’)和吊环(10’)组成，超磁条(6’)上绕有线圈(7’)，其上、下端分别与压块(3’)和下盖板(9’)相连，中间均衬有垫板(8’)；振幅条(5’)为多根，呈弯弧状，沿圆周等间距排列，其上、下端均分别与上、下盖板(2’)、(9’)相固连，构成一灯笼式弯曲外壳兼幅射面，把垂直振动变为灯笼壁的径向振动，使之声波向水平方向振动发射，成为一个水平基本无方向性的声源，旋块(1’)置于压块(3’)上，与上盖板(2’)螺纹连接；压块(3’)置于上盖板(2’)内，用端螺丝(4’)固定，对超磁条(6’)施加的预应力为7Mpa左右。引出线圈(7’)两端导线穿出下盖板(9’)外。
下盖板(9’)上设有一个吊环(10’)，与下盖板(9’)螺纹连接；振幅条(5’)可为8根。
超磁条(6’)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物。
振幅条(5’)由不锈钢制成。
以上三种超磁致伸缩声波发射换能器的结构有所不同，但技术原理是一致的，都是把超磁致伸缩材料应用到换能器的核心部分-震源振子上来，它不仅可用于地面的声波发射，还可用于井间的声波发射。它的制作简单，把超磁致伸缩材料涂上保护漆后在其上用导线绕制成线圈，固定好线圈后，把它装入上、下盖板之间，并用拉杆螺母压块压紧，绕有线圈的超磁材料，施加的压力在8Mpa左右，引出线圈导线接入发射机输出端即可。
本发明使用的超磁致伸缩材料GMM(Giant MagnetostrictiveMaterials)是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)、和铁(Fe)的合金化合物，该材料首先由美国海军防卫研究所于70年代初研制成功，故此材料又称为Terfenol-D。它的致伸缩效应的最大应变比通常的PZT压电陶瓷至少大4倍，可达到10-3以上，其能量密度比压电陶瓷至少大10倍以上，可达到2×104J／m3，而其声速比PZT压电陶瓷的小3-4倍。比用镍片的磁致伸缩比提高30倍。因此本发明应用超磁振子研制的地面声波发射换能器和井中发射换能器比用压电陶瓷制成的同体积的声波震源能量大10倍多，并且具有频带宽(100-10000Hz)，发射能量稳定且可调，声波信号一致性好，可进行任意次叠加等特点，从而克服了传统震源的诸多不足。如锤击振动每次的能量不稳定，频率也不一致，无法进行信号叠加；压电晶体震源能量小，勘探范围有限；电火花震源发射能量不稳、频带窄，信号叠加性能不好；放炮也存在与电火花同样的缺陷，而且易爆坏钻井等。此种材料在低频大功率换能器方面的应用将越来越广。
通过查新检索表明，在国内外未见采用超磁致伸缩材料制作声波发生器，在地表探测地下建基岩体质量的文献报道。因此，本发明制的大功率超磁致伸缩声波震源是一种全新的工程勘探震源，将在地震反射波法、折射波法、瑞利波法及小应变桩基动测反射波法、跨孔声波法等方法的震源应用方面具有广阔的前景。
本发明的优点是：由于采用超磁致伸缩材料作发射换能器的核心部分-震源振子，该材料的转换效率比用镍片的磁致伸缩材料的伸缩比提高30倍，比PZJ压电陶瓷材料提高4倍，用它制成的发射换能器具有频率低、体积小、带宽宽、余振短，穿透距离远等特点，并且每次发射的重复性好，能较好地满足地质和物探工程声波发射的要求。
结合附图和实施例将本发明作进一步说明：
图1为超磁伸缩(地面)声波发射换能器结构示意图
图2为超磁伸缩(地面锚用)声波发射换能器结构示意图
图3为超磁伸缩(井中)声波发射换能器结构示意图
实施例1：(如图1所示)
本实施例所述的超磁伸缩地面声波发射换能器中，它由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射块(12)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，前、后盖板(11)、(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和前盖板(11)相连，中间均衬有垫片(8)；拉杆(6)一端与前盖板(11)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定，幅射块(12)与前盖板(11)螺纹连接，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与前、后盖板(11)、(2)相连，用螺丝(3)固定。超磁棒(9)是由超磁致伸缩材料制成，幅射块(12)由铝合金制成，外壳(13)由不锈钢制成。
本实施例所述的发射换能器，可用于地面向地下的声波发射。同与其配套使用的端面检波器一起，可用于地表探测地下建基岩体质量。
使用原理如下：
通电后，超磁棒(9)在电磁能的作用下，作纵向垂直振动，使之声波通过幅射块(12)自地表向地下振动发射，成为一个纵向性的声源。
实施例2：(如图2所示)
本实施例所述的超磁伸缩地面锚用声波发射换能器中，它由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射头(14)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，幅射头(14)与后盖板(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和幅射头(14)相连，中间均衬有垫片(8)，拉杆(6)一端与幅射头(14)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与幅射头(14)、后盖板(11)相连，用螺钉(3”)固定。幅射头(14)呈锥状，超磁棒(9)是由超磁致伸缩材料制成，幅射头(14)由铝合金制成，外壳(13)由钙塑材料制成。
在三峡工程等大型建设中常采用金属锚杆来锚住大的花岗岩，以增强建基的稳定性、防止滑坡，本实施例所述的声波发射换能器与其配套的复合指形压电陶瓷检波器可用于检测锚杆锚固质量。
使用原理如下：
通电后，超磁棒(9)在电磁能的作用下，作纵向垂直振动，使之声波通过幅射头(14)自地表向地下振动发射，成为一个纵向性的声源。
实施例3：(如图3所示)
本实施例所述的超磁伸缩井中声波发射换能器中，它由旋块(1’)、压块(3’)、振幅条(5’)、超磁条(6’)、线圈(7’)、上、下盖板(2’)、(9’)和吊环(10’)组成，超磁条(6’)上绕有线圈(7’)，其上、下端分别与压块(3’)和下盖板(9’)相连，中间均衬有垫板(8’)；振幅条(5’)为8根，呈弯弧状，沿圆周等间距排列，其上、下端均分别与上、下盖板(2’)、(9’)相固连，构成一灯笼式弯曲外壳兼幅射面，把垂直振动变为灯笼壁的径向振动，使之声波向八个方向振动发射，成为一个水平基本无方向性的声源，旋块(1’)置于压块(3’)上，与上盖板(2’)螺纹连接；压块(3’)置于上盖板(2’)内，用端螺丝(4’)固定，引出线圈(7’)两端导线穿出下盖板(9’)外。
下盖板(9’)上设有一个吊环(10’)，与下盖板(9’)螺纹连接。
超磁条(6’)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物。
振幅条(5’)由不锈钢制成。
使用原理如下：
在线圈通电时引起磁场的变化，使超磁条(6’)伸缩，从而带动振幅条(5’)的收缩、膨胀，向径向发出振动声波，并通过地层在水平方向传播，再由井角中的径向检波器检测出声波，最后根据声波在不同地质条件下传播速度不同，对地质情况进行判断。
Claims (10)
1．一种超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射块(12)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，前、后盖板(11)、(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和前盖板(11)相连，中间均衬有垫片(8)；拉杆(6)一端与前盖板(11)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定；幅射块(12)与前盖板(11)螺纹连接，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与前、后盖板(11)、(2)相连，用螺丝(3)固定。
2．一种超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于由插头座(1)、拉杆(6)、压块(7)、超磁棒(9)、线圈(10)、盖板、幅射头(14)、外壳(13)组成，涂有保护漆的超磁棒(9)上绕有线圈(10)，置于外壳(13)内，幅射头(14)与后盖板(2)之间；超磁棒(9)上、下端分别与压块(7)和幅射头(14)相连，中间均衬有垫片(8)，拉杆(6)一端与幅射头(14)固连，另一端穿过压块(7)，用螺母(4)固定，引出线圈(10)两端导线与插头座(1)相连，插头座(1)固装在后盖板(2)上，外壳(13)两端分别与幅射头(14)、后盖板(11)相连，用螺钉(3”)固定。
3．一种超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于由旋块(1’)、压块(3’)、振幅条(5’)、超磁条(6’)、线圈(7’)、上、下盖板(2’)、(9’)和吊环(10’)组成，超磁条(6’)上绕有线圈(7’)，其上、下端分别与压块(3’)和下盖板(9’)相连，中间均衬有垫板(8’)；振幅条(5’)为多根，呈弯弧状，沿圆周等间距排列，其上、下端均分别与上、下盖板(2’)、(9’)相固连，构成一灯笼式弯曲外壳兼幅射面，旋块(1’)置于压块(3’)上，与上盖板(2’)螺纹连接；压块(3’)置于上盖板(2’)内，用端螺丝(4’)固定，引出线圈(7’)两端导线穿出下盖板(9’)外。
4．如权利要求1或2所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于超磁棒(9)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物。
5．如权利要求1或2所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于外壳(13)由不锈钢或钙塑材料制成。
6．如权利要求1所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于幅射块(12)由铝合金制成。
7．如权利要求2所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于幅射头(14)呈锥状，由铝合金制成。
8．如权利要求3所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于下盖板(9’)上设有一个吊环(10’)，与下盖板(9’)螺纹连接。
9．如权利要求3所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于振幅条(5’)为8根，由不锈纲制成。
10．如权利要求3所述的超磁致伸缩声波发射换能器，其特征在于超磁条(6’)是由超磁致伸缩材料制成，超磁致伸缩材料是一种稀土元素钛(Ti)、镝(Dy)和铁(Fe)的合金化合物。
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