CN202330735U - 交叉偶极子发射换能器总成 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种交叉偶极子发射换能器总成，包括产生频散型挠曲波的二迭片、固定所述二迭片的机械骨架，其中，四个所述长/短二迭片分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述长/短二迭片均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述长/短二迭片的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；所述长/短二迭片包括长/短合金基片、以及分别膨胀或收缩的长/短上压电陶瓷片与长/短下压电陶瓷片；所述机械骨架两端设置有用于与仪器主体相连接的缓冲隔振器。采用本实用新型的交叉偶极子发射换能器总成稳定性好、具有较高的声电效能和低的谐振频率。

Description

交叉偶极子发射换能器总成

技术领域

本实用新型属于地球物理勘探技术，特别涉及一种交叉偶极子发射换能器总成。

背景技术

早期声波测井只记录首波到达时间和首波幅度，利用威利平均时间公式可计算出地层孔隙度，利用声幅评价套管外水泥胶接质量。后来发展了记录纵、横波波形的长源距声波测井，能够在硬地层中获得纵、横波时差和衰减。在此基础上，进一步加大源距、增加接收器数目、减小接收间距，产生了阵列声波测井。由于声波换能器的响应频带进一步加宽，低频响应更好，在井下实现数字化，信号动态范围更大，因此记录的波形更完整，更有利于获得准确的纵波、横波、斯通利波的时差、幅度等参数。然而，上述声波测井仪器所用的换能器都是径向均匀胀缩振动的单极子声源的换能器。单极子声源可看作是点声源或柱状声源，当地层横波速度低于井内流体声速时，这种测量方式记录不到横波；即使利用测量到的可以换算成横波的低频纵波进行转算，在测量精度上也远不如交叉偶极子声波发射换能器总成产生的挠曲波在低频时能够代替横波的测量精度。而交叉偶极子发射换能器不但能激发纵波，而且能激发横波。不仅可以确定硬地层和软地层的纵横渡时差，而且结合上覆地层压力和孔隙压力，计算地层岩石的机械特性、最大主应力、最小主应力以及应力场的方位。然而现有技术中的交叉偶极子声波发射换能器总成的制作材料易碎，制作工艺也不太严密，致使其耐温、耐压性能较差，此外，由于现有技术中交叉偶极子声波发射换能器总成的骨架材料的选择不当，导致了交叉偶极子声波发射换能器总成的挠性阻抗较高，发射能量的损失较大；另一方面，交叉偶极子声波发射换能器总成和仪器主体的连接多为刚性连接，交叉偶极子声波发射换能器的震动会传递到仪器主体上，产生仪器的自噪声，导致现有的偶极子发射换能器的防震抗噪性能较弱。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种稳定性好、具有较高的声电效能和低的谐振频率的交叉偶极子发射换能器总成。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种交叉偶极子发射换能器总成，包括产生频散型挠曲波的二迭片、固定所述二迭片的机械骨架，其中，四个所述长二迭片分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述长二迭片均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述长二迭片的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；四个所述短二迭片分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述短二迭片均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述短二迭片的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；每个所述长二迭片包括长合金基片、以及分别膨胀或收缩的长上压电陶瓷片与长下压电陶瓷片，所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片分别粘接于所述长合金基片的上、下两端；每个所述短二迭片包括短合金基片以及分别膨胀或收缩的短上压电陶瓷片与短下压电陶瓷片，所述短上压电陶瓷片以及短下压电陶瓷片分别粘接于所述短合金基片的上、下两端；所述机械骨架两端设置有用于与仪器主体相连接的缓冲隔振器。

所述缓冲隔振器为橡胶环，这种连接方式有效减少仪器内部因刚性连接引起声波沿仪器主体传播而产生仪器噪声。

所述机械骨架的材质为硬度比较大、谐振频率远离仪器探头谐振频率的钨钢，从而降低了仪器主体的挠性阻抗，减少仪器主体的反冲振动，减少了能量损耗，从而提高了声电效能。

所述长上压电陶瓷片、长下压电陶瓷片、短上压电陶瓷片以及短下压电陶瓷片尺寸均相同，为了增加带宽，所述长合金基片的长度大于所述短合金基片的长度，从而使之具有不同的频带。

所述长上压电陶瓷片、长下压电陶瓷片、短上压电陶瓷片以及短下压电陶瓷片的极化方向均为厚度方向。所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片可以将极性相同的一端粘接在所述合金基片的上下两端上，此时需使所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片的电场方向相同，以保证所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片的其中一个膨胀一个收缩，在实现方式上稍显复杂。优选的，所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片将极性相反的一端粘接在所述合金基片的上下两端。所述长上压电陶瓷片的上端与长下压电陶瓷片的下端分别连接长上引线以及长下引线，所述长合金基片连接长地引线。此时，将所述长上压电陶瓷片的上端以及长下压电陶瓷片的下端分别通过长上引线以及长下引线连接至产生电场的变压器的一端，所述长合金基片通过长地引线连接变压器的另一端，对所述长上压电陶瓷片以及长下压电陶瓷片施加相反的电场。所述短上压电陶瓷片的上端与短下压电陶瓷片的下端分别连接短上引线以及短下引线，所述短合金基片连接短地引线。将所述短上压电陶瓷片的上端以及短下压电陶瓷片的下端分别通过短上引线以及短下引线连接至产生电场的变压器的一端，所述短合金基片通过短地引线连接变压器的另一端，对所述短上压电陶瓷片以及短下压电陶瓷片施加相反的电场。

采用本实用新型结构的交叉偶极子发射换能器总成具有以下优点：

1、利用分别固定在不同长度的长合金基片以及短合金基片上的长上压电陶瓷片与长下压电陶瓷片以及短上压电陶瓷片与短下压电陶瓷片组成长二迭片以及短二迭片，本实用新型的尺寸以及结构的组合能够保证本实用新型的交叉偶极子发射换能器总成中的二迭片结构具有符合偶极声波的测井要求的谐振频率、高的声电效能、好的稳定性，实现具有方向性的频散型挠曲波的发射，使对软地层中横波的测量成为可能，更好地实现了声波测井的准确性。

2、所述机械骨架的材质采用硬度比较大的钨钢，其谐振频率远离探头的谐振频率，从而降低了仪器主体的挠性阻抗，减少仪器主体了反冲振动，减少发射能量的损失。

3、在所述机械骨架两端设置有橡胶环，并通过所述橡胶环与仪器主体连接，减小了交叉偶极子发射换能器发射出的声波沿仪器主体的传播，降低了仪器噪声。

附图说明

图1是本实用新型交叉偶极子发射换能器总成的平面结构示意图；

图2是本实用新型交叉偶极子发射换能器总成的剖视图；

图3是本实用新型交叉偶极子发射换能器总成的长二迭片以及短二迭片的结构示意图；

图4是本实用新型交叉偶极子发射换能器总成连接橡胶环后的平面结构示意图；

图5是本实用新型交叉偶极子发射换能器总成中二迭片结构的截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的结构进行详细说明，如图1所示，本实用新型的交叉偶极子发射换能器总成包括长二迭片1、短二迭片4以及金属骨架2，所述长二迭片1、短二迭片4均为四个，所述二迭片包括四个长二迭片1以及四个短二迭片4；四个所述长二迭片1分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述长二迭片1均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述长二迭片1的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；四个所述短二迭片4分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述短二迭片4均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述短二迭片4的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；所述二迭片结构均嵌合在所述金属骨架2上，在本实用新型中可以用螺钉将所述长二迭片1以及短二迭片4固定在所述金属骨架2的相应位置。以所述长二迭片1为例，如图5所示，为本实用新型交叉偶极子发射换能器总成中四个所述长二迭片1各位于一所述长方体的正方形面的边上的截面图。其中，101为长上压电陶瓷片，102为长合金基片，103为长下压电陶瓷片。由于所述短二迭片4的宽与所述长二迭片1的宽一致，四个所述短二迭片4的截面图与图5中四个所述长二迭片1的一致。所述短二迭片4与所述长二迭片1结构类似，包括短上压电陶瓷片401、短合金基片402以及短下压电陶瓷片403。

如图2所示，为本实用新型交叉偶极子发射换能器总成的剖视图，其中，1为与顶面的所述长二迭片1相邻并垂直的侧面的所述长二迭片1，4为与顶面的所述短二迭片4相邻并垂直的侧面的所述短二迭片4。

长上压电陶瓷片101、长下压电陶瓷片103、短上压电陶瓷片401以及短下压电陶瓷片403均是用PZT-5G陶瓷粉通过压制、化学镀、电镀、高温处理等工艺，并镀覆一层镍电极而成。这种陶瓷片不仅电极强度高、不易氧化，而且在高电压冲击下，电阻变化小，使用寿命长。为了使二迭片获得低于4KHZ的谐振频率、高的电效能、好的稳定性，该压电陶瓷片的尺寸设计为长＝102mm，宽＝37.8mm，厚＝3.6mm。

金属基板采用一种Fe-Ni系低膨胀合金，这种低膨胀合金是将常用的36Ni-Fe因瓦合金经冷加工或快冷处理，再经过一定的热处理后形成，其具有膨胀系数低、稳定性高、耐冲击性强等许多优点。所述长合金基片102尺寸为：长＝191mm、宽＝37.8mm、厚＝3.6mm，所述短合金基片402尺寸为：长＝155mm、宽＝37.8mm、厚＝3.6mm。

交叉偶极子发射换能器总成的内部充满流体介质，在本实用新型中这种流体介质为硅油。

如图4所示，为本实用新型交叉偶极子发射换能器总成与所述橡胶环3连接后的结构示意图，所述橡胶环3设置于所述交叉偶极子发射换能器总成的所述金属骨架2的两端，代替与仪器主体的刚性连接，从而有效减少声波沿仪器主体传播而产生仪器噪声。

所述长上压电陶瓷片101、长下压电陶瓷片103、短上压电陶瓷片401以及短下压电陶瓷片403的极化方向均为厚度方向，且所述长上压电陶瓷片101、长下压电陶瓷片103与所述长合金基片102粘接的一端极性相反；所述短上压电陶瓷片401、短下压电陶瓷片403与所述短合金基片402粘接的一端极性相反。所述长上压电陶瓷片101、长下压电陶瓷片103与所述长合金基片102之间以及所述短上压电陶瓷片401、短下压电陶瓷片403与所述短合金基片402之间均通过耐高温的绝缘胶粘接。

如图3所示，所述长上压电陶瓷片101的上端与所述长下压电陶瓷片103的下端分别连接有长上引线105以及长下引线106，所述长合金基片102连接所述长地引线104；所述短上压电陶瓷片401的上端与短下压电陶瓷片403的下端分别连接短上引线405以及短下引线406，所述短合金基片402连接短地引线404。

如图5所示，所述四个长二迭片1所在的长方体的正方形面上平行的两个对边上的两个长二迭片1中两个所述长上压电陶瓷片101极性相同地放置，两个所述长下压电陶瓷片103也极性相同地放置，这样当平行的两个所述长上压电陶瓷片101被施加了相同的电场，而平行的两个所述长下压电陶瓷片103同时被施加了与所述长上压电陶瓷片101相反的电场后，所述长上压电陶瓷片101与所述长下压电陶瓷片103会分别膨胀或者收缩，中间的两个所述长合金基片102会被迫使有相同的弯曲。如图5所示，本实用新型交叉偶极子发射换能器总成中二迭片结构的截面中，两个水平方向上的所述长合金基片102会有相同的弯曲；两个竖直方向上的所述长合金基片102也会有相同的弯曲。四个所述短二迭片4与四个所述长二迭片1以相同结构组合。

所述四个长二迭片1所在的所述长方体的正方形面上平行的两个对边上的两个长二迭片1与所述四个短二迭片4所在的所述长方体的正方形面上对应的两边上的两个短二迭片4中，所述长上压电陶瓷片101的上端的长上引线105与所述长下压电陶瓷片103的下端的长下引线106连接，所述短上压电陶瓷片401的上端的短上引线405与所述短下压电陶瓷片403的下端的短下引线406连接，后均连接至变压器的一端，所述长合金基片102上的长地引线104以及短合金基片402上的短地引线404均连接至变压器的另一端。即平行放置的两个所述长二迭片1及两个所述短二迭片4并联。

如图3所示，以所述长二迭片1为例，所述长上压电陶瓷片101、长下压电陶瓷片103与所述长合金基片102粘接的一端极性相反，所述长上压电陶瓷片101的上端的长上引线105以及长下压电陶瓷片103的下端的长下引线106连接至变压器的一端，所述长合金基片102上的长地引线104连接至变压器的另一端，所述长上压电陶瓷片101以及长下压电陶瓷片103处于方向相反的电场内，因此会产生相反的形变，即一个膨胀另一个收缩，这就引起所述长合金基片102的弯曲。如图5所示，所述四个长二迭片1所在的所述长方体的正方形面上平行的两个对边上的两个长二迭片1中的两个长合金基片102会有相同的弯曲。所述短二迭片4的工作原理与所述长二迭片1相同，所述四个短二迭片4所在的所述长方体的正方形面上平行的两个对边上的两个短二迭片4中的两个短合金基片402会有相同的弯曲，由于平行放置的两个所述长二迭片1及两个所述短二迭片4并联，平行放置的两个所述长合金基片102及两个所述短合金基片402会同时弯曲，从而产生具有方向的压力波，即挠曲波，进入周围的流体介质即硅油中。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种交叉偶极子发射换能器总成，包括产生频散型挠曲波的二迭片、固定所述二迭片的机械骨架(2)，其特征在于：所述二迭片包括四个长二迭片(1)以及四个短二迭片(4)；四个所述长二迭片(1)分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述长二迭片(1)均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述长二迭片(1)的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；四个所述短二迭片(4)分别位于有两个面为正方形的长方体的其余四个面上，四个所述短二迭片(4)均与所述长方体的正方形的面垂直，四个所述短二迭片(4)的两端分别位于所述长方体的两个正方形面的边上；每个所述长二迭片(1)包括长合金基片(102)、以及分别膨胀或收缩的长上压电陶瓷片(101)与长下压电陶瓷片(103)，所述长上压电陶瓷片(101)以及长下压电陶瓷片(103)分别粘接于所述长合金基片(102)的上、下两端；每个所述短二迭片(4)包括短合金基片(402)以及分别膨胀或收缩的短上压电陶瓷片(401)与短下压电陶瓷片(403)，所述短上压电陶瓷片(401)以及短下压电陶瓷片(403)分别粘接于所述短合金基片(402)的上、下两端；所述机械骨架(2)两端设置有用于与仪器主体相连接的缓冲隔振器。

2.根据权利要求1所述的交叉偶极子发射换能器总成，其特征在于：所述缓冲隔振器为橡胶环(3)。

3.根据权利要求1所述的交叉偶极子发射换能器总成，其特征在于：所述长上压电陶瓷片(101)、长下压电陶瓷片(103)、短上压电陶瓷片(401)以及短下压电陶瓷片(403)尺寸均相同，所述长合金基片(102)的长度大于所述短合金基片(402)的长度。

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