RU2378667C2 - Well acoustic progressive wave emitter - Google Patents

Well acoustic progressive wave emitter Download PDF

Info

Publication number
RU2378667C2
RU2378667C2 RU2008110618/28A RU2008110618A RU2378667C2 RU 2378667 C2 RU2378667 C2 RU 2378667C2 RU 2008110618/28 A RU2008110618/28 A RU 2008110618/28A RU 2008110618 A RU2008110618 A RU 2008110618A RU 2378667 C2 RU2378667 C2 RU 2378667C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
output
modules
power amplifier
piezoelectric
packets
Prior art date
Application number
RU2008110618/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2008110618A (en
Inventor
Борис Анатольевич Касаткин (RU)
Борис Анатольевич Касаткин
Сергей Борисович Касаткин (RU)
Сергей Борисович Касаткин
Original Assignee
Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) filed Critical Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority to RU2008110618/28A priority Critical patent/RU2378667C2/en
Publication of RU2008110618A publication Critical patent/RU2008110618A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2378667C2 publication Critical patent/RU2378667C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: physics; acoustics.
SUBSTANCE: invention relates to geophysics and applied hydroacoustics and can be used in powerful sound devices for processing production zones of oil and water wells, as well as for acoustic profiling the top layer of the Earth's crust. The device has active modules in form of piezo packets with end straps tied by central bolts. The piezo packets are placed on the axis of a hard sealed cylindrical case. The case is filled with electrically insulating liquid and made with sound transparent windows between the end straps of the piezo packets. Spring elements mechanically tighten ends of neighbouring modules and ends of terminal modules with end covers of the case. Soft screens, thickness of which is an order less than thickness of piezo packets, lie between the end straps of neigbouring modules and between end straps of terminal modules and end covers of the case. The emitter is electrically connected to a power supply which has a driving generator and a power amplifier with a balanced output. The power supply has a second power amplifier with a balanced output and a phase shifter which shifts the phase of the input signal by 90°.
EFFECT: wider functional capabilities through generation of unidirectional radiation in the vertical direction.
3 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики и прикладной гидроакустики и может быть использовано в мощных звуковых устройствах обработки продуктивных зон нефтяных и водяных скважин для повышения их производительности, а также для акустического профилирования верхнего слоя земной коры.The invention relates to the field of geophysics and applied hydroacoustics and can be used in powerful sound devices for processing productive zones of oil and water wells to increase their productivity, as well as for acoustic profiling of the upper layer of the earth's crust.

Известен акустический скважинный излучатель по патенту РФ № 2169383 (МПК 7 Н04R 1/44, 20.06.01). Данный акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем.Known acoustic downhole emitter according to the patent of the Russian Federation No. 2169383 (IPC 7 H04R 1/44, 06/20/01). This acoustic borehole emitter contains active modules in the form of piezoelectric packs with end plates tightened by central pins, placed along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with electrical insulating liquid, soundproof at least in the gap between the modules, the ends of adjacent modules are mechanically fastened together by spring elements, and the ends of the end modules through spring elements are connected to the end caps of the housing, while the flexibility of the spring element more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of the insulating liquid in the gap between the modules, and the power source, electrically connected to the emitter.

Недостатком такого акустического скважинного излучателя является его направленность в вертикальной плоскости, в результате чего практически все излучение локализовано в горизонтальном направлении. Этот недостаток акустического скважинного излучателя затрудняет его использование для вертикального зондирования грунта или профилирования.The disadvantage of such an acoustic downhole emitter is its directivity in the vertical plane, as a result of which almost all radiation is localized in the horizontal direction. This drawback of the acoustic downhole emitter makes it difficult to use for vertical sounding of the soil or profiling.

Известен акустический скважинный излучатель по патенту РФ № 2276475 (МПК H04R 1/44, 04.10.2004). Данный акустический скважинный излучатель содержит активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, звукопрозрачного по крайней мере в области промежутков между модулями, торцы соседних модулей механически скреплены между собой пружинными элементами, а торцы концевых модулей через пружинные элементы соединены с торцевыми крышками корпуса, при этом гибкость пружинного элемента более чем на порядок превышает гибкость объема электроизоляционной жидкости в промежутке между модулями, и источник питания, электрически соединенный с излучателем. Кроме того, N (по числу пьезопакетов) акустически мягких цилиндрических экранов размещены между боковой поверхностью пьезопакетов и внутренней поверхностью жесткого герметичного цилиндрического корпуса. Торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1.2-1.3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде. Расстояние между торцевыми накладками соседних модулей и торцами концевых модулей и торцевыми крышками корпуса составляет (0.2-0.25)λ, где λ-длина волны акустического излучения во внешней рабочей среде. Источник питания подключен к излучателю посредством усилителя мощности, который выполнен с симметричным выходом и снабжен N-позиционным коммутатором. При этом первые N входов-выходов коммутатора соединены с электрическими входами-выходами N пьезопакетов, а симметричный выход усилителя мощности соединен с симметричным вторым входом N позиционного коммутатора, причем N позициям коммутатора соответствуют N законов фазовой манипуляции звукового давления в (N+1) звукопрозрачных промежутках жесткого герметичного цилиндрического корпуса. Расстояние между центрами звукопрозрачных промежутков равно (0.8-0.85) λ.Known acoustic downhole emitter according to the patent of the Russian Federation No. 2276475 (IPC H04R 1/44, 10/04/2004). This acoustic borehole emitter contains active modules in the form of piezoelectric packs with end plates tightened by central pins, placed along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with electrical insulating liquid, soundproof at least in the gap between the modules, the ends of adjacent modules are mechanically fastened together by spring elements, and the ends of the end modules through spring elements are connected to the end caps of the housing, while the flexibility of the spring element more than an order of magnitude greater than the flexibility of the volume of the insulating liquid in the gap between the modules, and the power source, electrically connected to the emitter. In addition, N (according to the number of piezoelectric packets) acoustically soft cylindrical screens are placed between the lateral surface of the piezoelectric packets and the inner surface of the rigid sealed cylindrical body. The end plates are made frequency-decreasing in such a way that the effective speed of sound, which determines the frequency of longitudinal resonance in piezoelectric packets with end plates, is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in an external working medium. The distance between the end plates of adjacent modules and the ends of the end modules and the end caps of the housing is (0.2-0.25) λ, where λ is the wavelength of acoustic radiation in the external working medium. The power source is connected to the emitter through a power amplifier, which is made with a balanced output and is equipped with an N-position switch. The first N inputs / outputs of the switch are connected to the electrical inputs and outputs of N piezoelectric packets, and the symmetric output of the power amplifier is connected to the symmetric second input of N position switch, and N positions of the switch correspond to N laws of phase manipulation of sound pressure in (N + 1) translucent gaps rigid sealed cylindrical body. The distance between the centers of the translucent gaps is (0.8-0.85) λ.

Такой акустический скважинный излучатель обладает значительно большими функциональными возможностями и является наиболее близким к предлагаемому изобретению.Such an acoustic downhole emitter has significantly greater functionality and is closest to the proposed invention.

Недостатком известного акустического скважинного излучателя является то, что он не может формировать однонаправленное излучение в вертикальном направлении, что затрудняет его использование для целей профилирования верхнего слоя земной коры в задачах геофизики и прикладной гидроакустики.A disadvantage of the known acoustic downhole emitter is that it cannot generate unidirectional radiation in the vertical direction, which makes it difficult to use for profiling the upper layer of the earth's crust in geophysics and applied hydroacoustics.

Задачей настоящего изобретения является разработка такого акустического скважинного излучателя бегущей волны, который формирует однонаправленное излучение в вертикальном направлении.The present invention is the development of such an acoustic borehole emitter of a traveling wave that generates unidirectional radiation in the vertical direction.

Для достижения поставленной задачи в акустическом скважинном излучателе бегущей волны, содержащем активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, со звукопрозрачными окнами, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, набор мягких экранов, источник питания, электрически соединенный с излучателем, содержащий задающий генератор и усилитель мощности с симметричным выходом, причем торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде, звукопрзрачные окна размещены между торцевыми накладками и узловой плоскостью пьезопакетов, каждый пружинный элемент выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет fpeз=(0.8-0.9)f1, где f1-частота полуволнового резонанса пьезопакета. Кроме того, мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположены между торцевыми накладками соседних модулей и между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса, в источник питания введен второй усилитель мощности с симметричным выходом и фазовращатель, сдвигающий фазу входного сигнала на 90°, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен со входом второго усилителя мощности с симметричным выходом. Каждый из пьезопакетов, число которых равно 2N, разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю относительно узловой плоскости пьезопакета, причем все верхние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом, все верхние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом.To achieve this goal, in a traveling traveling acoustic borehole emitter containing active modules in the form of piezoelectric packs with end plates tightened by central studs, placed along the axis of a rigid sealed cylindrical body filled with insulating liquid, with soundproof windows, spring elements mechanically fastening the ends of adjacent modules and ends of end modules with end caps of the housing, a set of soft screens, a power source electrically connected to the radiation a detector containing a master oscillator and a power amplifier with a balanced output, and the end plates are made frequency-decreasing in such a way that the effective speed of sound, which determines the frequency of the longitudinal resonance in piezoelectric packets with end plates, is (1.2-1.3) С, where С- the speed of sound in the external working environment, sound-transparent windows are placed between the end plates and the nodal plane of the piezoelectric packs, each spring element is made in the form of a short cylinder of such dimensions that the resonant frequency of the bending The fucking of the end plate supported on the spring element is f pez = (0.8-0.9) f 1 , where f 1 is the frequency of the half-wave resonance of the piezoelectric packet. In addition, soft screens, whose thickness is an order of magnitude smaller than the thickness of the piezoelectric packs, are located between the end plates of adjacent modules and between the end plates of the end modules and the end caps of the housing; a second power amplifier with a balanced output and a phase shifter shifting the input phase by 90 °, the input of which is connected to the output of the master oscillator, and the output is connected to the input of the second power amplifier with a balanced output. Each of the piezoelectric packets, the number of which is 2N, is divided into two electrically independent sections, the upper and lower relative to the nodal plane of the piezoelectric packet, with all the upper sections of the piezoelectric packets of odd numbers connected electrically in parallel and connected to the first output of the first power amplifier with a balanced output, all the lower sections of the piezoelectric packets the odd numbers are connected electrically in parallel and connected to the first output of the second power amplifier with a balanced output, all the upper sections of the piezo packets are even numbers The ditches are electrically connected in parallel and connected to the second output of the first power amplifier with a balanced output, all the lower sections of the piezo packets of even numbers are connected electrically in parallel and connected to the second output of the second power amplifier with a balanced output.

В заявленном акустическом скважинном излучателе бегущей волны общими существенными признаками для него и прототипа являются:In the claimed acoustic borehole emitter of a traveling wave, the common essential features for him and the prototype are:

- содержат активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками;- contain active modules in the form of piezoelectric packs with end plates, tightened by central studs;

- активные модули размещены по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса;- active modules are placed along the axis of the rigid sealed cylindrical body;

- корпус заполнен электроизоляционной жидкостью и содержит звукопрозрачные окна;- the housing is filled with electrical insulating fluid and contains translucent windows;

- пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса;- spring elements that mechanically fasten together the ends of adjacent modules and the ends of the end modules with end caps of the housing;

- набор мягких экранов;- a set of soft screens;

- источник питания, электрически соединенный с излучателем, содержащий задающий генератор и усилитель мощности с симметричным выходом;- a power source electrically connected to the emitter, containing a master oscillator and a power amplifier with a balanced output;

- торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде.- end plates are made frequency-reducing so that the effective speed of sound, which determines the frequency of longitudinal resonance in piezoelectric packets with end plates, is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in an external working medium.

Сопоставительный анализ существенных признаков заявленного акустического скважинного излучателя и прототипа показывает, что первый, в отличие от прототипа, имеет следующие отличительные признаки:A comparative analysis of the essential features of the claimed acoustic downhole emitter and prototype shows that the first, in contrast to the prototype, has the following distinctive features:

- звукопрзрачные окна размещены между торцевыми накладками и узловой плоскостью пьезопакетов;- soundproof windows are placed between the end plates and the nodal plane of the piezo packets;

- каждый пружинный элемент выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет fpeз=(0.8-0.9)f1, где f1-частота полуволнового резонанса пьезопакета;- each spring element is made in the form of a short cylinder of such dimensions that the resonant frequency of bending vibrations of the end plate supported on the spring element is f pez = (0.8-0.9) f 1 , where f 1 is the half-wave resonance frequency of the piezoelectric packet;

- мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположены между торцевыми накладками соседних модулей, а также между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса;- soft screens, whose thickness is an order of magnitude smaller than the thickness of the piezoelectric packs, are located between the end plates of adjacent modules, as well as between the end plates of the end modules and the end caps of the housing;

- в источник питания дополнительно введен второй усилитель мощности с симметричным выходом и фазовращатель, сдвигающий фазу входного сигнала на 90°, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен со входом второго усилителя мощности с симметричным выходом;- a second power amplifier with a symmetric output and a phase shifter shifting the phase of the input signal by 90 °, the input of which is connected to the output of the master oscillator, and the output is connected to the input of the second power amplifier with a symmetric output, are additionally introduced into the power source;

- каждый из пьезопакетов, число которых равно 2N, разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю относительно узловой плоскости пьезопакета, причем все верхние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом, все верхние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом.- each of the piezo packets, the number of which is 2N, is divided into two electrically independent sections, the upper and lower relative to the nodal plane of the piezo packet, with all the upper sections of the piezo packets of odd numbers connected electrically in parallel and connected to the first output of the first power amplifier with a balanced output, all lower sections the piezo packets of odd numbers are connected electrically in parallel and connected to the first output of the second power amplifier with a balanced output, all the upper sections of the piezo packets are even The drivers are electrically connected in parallel and connected to the second output of the first power amplifier with a balanced output, all lower sections of the piezo packets of even numbers are connected electrically in parallel and connected to the second output of the second power amplifier with a balanced output.

Наличие в составе акустического скважинного излучателя бегущей волны двух усилителей мощности с симметричным выходом, на входы которых подаются сигналы, сдвинутые по фазе на 90°, позволяет получить на выходе источника питания излучателя четыре сигнала, фазы которых отличаются на 90° во всем диапазоне и составляют 0°, 90°, 180°, 270°. В качестве идеального фазовращателя можно использовать цифровое устройство, реализующее преобразование Гильберта [3] или аналоговый вариант типа R-C цепочки. В свою очередь, наличие в составе излучателя 2N пьезопакетов четных и нечетных номеров, каждый из которых разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю, позволяет объединить все секции в четыре электрически независимые группы, пространственный сдвиг которых в направлении излучения составляет примерно половину длины пьезопакета. При такой организации возбуждения пьезопакетов и при условии, что на половине длины пьезопакета укладывается примерно четверть длины волны во внешней рабочей среде, на всей длине скважинного акустического излучателя устанавливается режим бегущей волны.The presence of two power amplifiers with a balanced output in the acoustic downhole emitter of a traveling wave, the signals of which are 90 ° shifted in phase, provide four signals at the output of the emitter power source, the phases of which differ by 90 ° in the entire range and are 0 °, 90 °, 180 °, 270 °. As an ideal phase shifter, you can use a digital device that implements the Hilbert transform [3] or an analog version of the R-C type chain. In turn, the presence in the emitter of 2N piezoelectric packets of even and odd numbers, each of which is divided into two electrically independent sections, the upper and lower, allows you to combine all sections into four electrically independent groups, the spatial shift of which in the direction of radiation is approximately half the length of the piezoelectric packet . With such an organization of the excitation of piezoelectric packets and provided that about a quarter of the length of the piezoelectric packet fits about a quarter of the wavelength in the external working medium, the traveling wave mode is set along the entire length of the downhole acoustic emitter.

Для выполнения этого условия эффективная скорость звука в пьезопакетах, определяющая частоту продольного резонанса, уменьшена частотопонижающими накладками до значения (1.2-1.3)С, где С-скорость звука во внешней рабочей среде. Кроме того, рабочая частота пьезопакета с частотопонижающими накладками уменьшена дополнительно тем, что накладки оперты на пружинные элементы, каждый из которых выполнен в виде короткого цилиндра таких размеров, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет fpeз=(0.8-0.9)f1, где f1-частота полуволнового резонанса пьезопакета. Для выполнения этого условия достаточно подобрать материал цилиндра (сплавы А1, сталь) и его внутренний радиальный размер, сохраняя неизменной его толщину (высоту), которая будет определяться толщиной мягких экранов. При выполнении этих двух условий скорость распространения бегущей волны вдоль скважинного акустического излучателя близка к скорости звука во внешней рабочей среде, а излучатель формирует однонаправленное излучение вдоль своей оси. Угол максимума характеристики направленности определяется выражением (β=arccos(C/Cэфф), где Сэфф-эффективная скорость звука в пеьзопакетах (скорость распространения бегущей волны), а ширина характеристики направленности определяется апертурой акустического скважинного излучателя в направлении излечения, т.е. его длиной.To fulfill this condition, the effective speed of sound in piezoelectric packets, which determines the frequency of longitudinal resonance, is reduced by frequency-reducing overlays to a value of (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in an external working medium. In addition, the working frequency of the piezoelectric package with frequency-reducing plates is further reduced by the fact that the plates are supported by spring elements, each of which is made in the form of a short cylinder of such dimensions that the resonant frequency of the bending vibrations of the end plate supported by the spring element is f pez = (0.8 -0.9) f 1 , where f 1 is the frequency of the half-wave resonance of the piezoelectric packet. To fulfill this condition, it is enough to select the cylinder material (A1 alloys, steel) and its internal radial size, keeping its thickness (height) unchanged, which will be determined by the thickness of the soft screens. When these two conditions are met, the propagation velocity of the traveling wave along the borehole acoustic emitter is close to the speed of sound in the external working medium, and the emitter generates unidirectional radiation along its axis. The angle of the maximum directivity characteristic is determined by the expression (β = arccos (C / C eff ), where C eff is the effective speed of sound in pouches (propagating velocity of the traveling wave), and the width of the directivity is determined by the aperture of the acoustic downhole emitter in the cure direction, i.e. its length.

Акустически мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположенные между торцевыми накладками соседних модулей и между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса, уменьшают паразитную акустическую связь между соседними модулями и между концевыми модулями и корпусом излучателя. При этом продольно-изгибные колебания отдельных модулей трансформируются в радиальные колебания электроизоляционной жидкости в корпусе излучателя, энергия которых через звукопрозрачные окна выводится во внешнюю рабочую среду в виде сфазированного в направлении оси излучения.Acoustically soft screens, whose thickness is an order of magnitude smaller than the thickness of the piezoelectric packs, located between the end plates of adjacent modules and between the end plates of the end modules and the end caps of the housing, reduce spurious acoustic communication between the adjacent modules and between the end modules and the transmitter body. In this case, the longitudinal-bending vibrations of individual modules are transformed into radial vibrations of the insulating liquid in the emitter housing, the energy of which is transmitted through sound-proof windows to the external working medium in the form of radiation phased in the direction of the axis.

Таким образом, данная совокупность общих и отличительных существенных признаков обеспечивает получение технического результата во всех случаях, на которые испрашивается правовая охрана. Именно такая совокупность существенных признаков позволила реализовать режим бегущей волны и сформировать однонаправленное излучение скважинного акустического излучателя в вертикальном направлении. При использовании излучателя вне скважины однонаправленное излучение формируется вдоль его оси, что также представляет практический интерес в прикладной гидроакустике.Thus, this combination of general and distinctive essential features provides a technical result in all cases for which legal protection is requested. It is this combination of essential features that made it possible to implement the traveling wave mode and form the unidirectional radiation of the borehole acoustic emitter in the vertical direction. When using the emitter outside the well, unidirectional radiation is formed along its axis, which is also of practical interest in applied hydroacoustics.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. thanks to this combination of essential features of the invention, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step and is suitable for use.

Заявленный акустический скважинный излучатель бегущей волны поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схематическая конструкция акустического скважинного излучателя, на фиг.2 - фрагмент излучателя с активным модулем, пружинными элементами, мягкими экранами и звукопрозрачным окном, на фиг.З - схема электрического соединения секций пьезопакетов с выходами усилителей мощности.The claimed acoustic borehole emitter of a traveling wave is illustrated by drawings, in which Fig. 1 shows a schematic construction of an acoustic borehole emitter, in Fig. 2 is a fragment of a radiator with an active module, spring elements, soft screens and a soundproof window, in Fig. 3 is a diagram of the electrical connection of the sections piezo packages with power amplifier outputs.

Акустический скважинный излучатель бегущей волны содержит активные модули, выполненные в виде пьезопакетов 1. Каждый активный модуль состоит из одинаковых пьезокерамических шайб 2, склеенных через металлические электроды 3. На торцах активной части модуля имеются металлические частотопонижающие накладки 4. Модуль вдоль оси сжат с определенным усилием центральной металлической армирующей шпилькой 5, повышающей его механическую прочность. Шпилька помещена внутри пьезопакета с минимальным зазором. Активные модули размещены соосно в металлическом корпусе 6, имеющем звукопрозрачные окна 7. Модули акустически развязаны от корпуса с помощью резиновых прокладок 8, а с помощью пружинных элементов 9, обеспечивающих жесткую фиксацию относительного размещения модулей в корпусе 6, они образуют механически связанную цепочку. Металлические электроды верхней и нижней секций пьезопакета соединены между собой проводами 10. Первая и последняя гибкие пружины соединены с крышками 11 корпуса 6. Корпус 6 герметизирован резиновыми заглушками 12 и заполнен электроизоляционной жидкостью 13. Корпус 6 снабжен компенсатором 14, защищенным механически колпаком 15. Между металлическими накладками 4 соседних модулей, а также между металлическими накладками 4 и крышками 11 корпуса расположены мягкие экраны 16, например, из жесткого пенопласта.An acoustic borehole traveling wave emitter contains active modules made in the form of piezoelectric packs 1. Each active module consists of identical piezoceramic washers 2 glued through metal electrodes 3. At the ends of the active part of the module there are metal frequency-reducing plates 4. The module along the axis is compressed with a certain central force metal reinforcing stud 5, increasing its mechanical strength. The hairpin is placed inside the piezoelectric package with a minimum clearance. Active modules are placed coaxially in a metal case 6 having soundproof windows 7. The modules are acoustically decoupled from the case with rubber gaskets 8, and with the help of spring elements 9, which provide rigid fixation of the relative placement of the modules in the case 6, they form a mechanically connected chain. The metal electrodes of the upper and lower sections of the piezoelectric packet are interconnected by wires 10. The first and last flexible springs are connected to the covers 11 of the housing 6. The housing 6 is sealed with rubber plugs 12 and filled with an insulating fluid 13. The housing 6 is equipped with a compensator 14, mechanically protected by a cap 15. Between the metal soft screens 16, for example, of rigid foam, are located between the plates of 4 adjacent modules, as well as between the metal plates 4 and the covers 11 of the housing.

Схема электрического соединения поясняется фиг.3. Сигнал с задающего генератора 17 подается на вход первого усилителя мощности 18 с симметричным выходом и через фазовращатель 19 на вход второго усилителя мощности 20 с симметричным выходом. Все верхние секции пьезопакетов с нечетными номерами подключаются к выходу (11) первого усилителя мощности 18. Все нижние секции пьезопакетов с нечетными номерами подключаются к выходу (21) второго усилителя мощности 20. Все верхние секции пьезопакетов с четными номерами подключаются к выходу (12) первого усилителя мощности 18. Все нижние секции пьезопакетов с четными номерами подключаются к выходу (22) второго усилителя мощности 20.The electrical connection diagram is illustrated in Fig.3. The signal from the master oscillator 17 is fed to the input of the first power amplifier 18 with a balanced output and through the phase shifter 19 to the input of the second power amplifier 20 with a balanced output. All the upper sections of the piezo packets with odd numbers are connected to the output (11) of the first power amplifier 18. All the lower sections of the piezo packets with odd numbers are connected to the output (21) of the second power amplifier 20. All the upper sections of the piezo packets with odd numbers are connected to the output (12) of the first power amplifier 18. All lower sections of the piezo packets with even numbers are connected to the output (22) of the second power amplifier 20.

Акустический скважинный излучатель работает следующим образом.Acoustic downhole emitter operates as follows.

Сигнал с задающего генератора 17 поступает на вход усилителя мощности 18 и через фазовращатель 19, изменяющий фазу сигнала на 90°, на вход усилителя мощности 20. На выходах усилителей мощности 18 и 20 формируются четыре сигнала, фазы которых отличаются на 90° и составляют 0°, 90°, 180°, 270°. Эти четыре сигнала подаются по многожильному кабель - тросу - на четыре группы секций пьезопакетов акустического скважинного излучателя, сформированных так, как описано выше. При подаче сигналов звуковой частоты на отдельные секции излучателя возбуждаются резонансные колебания механической системы, состоящей из отдельных секций модулей, каждый из которых оперт частотопонижающими накладками на пружинные элементы, играющие роль элементов упругости. Эти колебания трансформируются в радиальные колебания объема электроизоляционной жидкости, заполняющей корпус излучателя, которые излучаются через звукопрозрачные окна во внешнюю рабочую среду. Фазовые соотношения между колебаниями отдельных секций соответствуют волне, бегущей вдоль оси излучателя. При достаточной апертуре излучателя формируется мощное однонаправленное излучение, направленное вертикально вниз, если излучатель работает в скважине, либо вдоль его оси, если излучатель работает вне скважины.The signal from the master oscillator 17 is fed to the input of the power amplifier 18 and through the phase shifter 19, changing the phase of the signal by 90 °, to the input of the power amplifier 20. Four signals are generated at the outputs of the power amplifiers 18 and 20, the phases of which differ by 90 ° and are 0 ° , 90 °, 180 °, 270 °. These four signals are applied via a multicore cable - cable - to four groups of sections of piezoelectric packs of an acoustic borehole emitter, formed as described above. When applying sound frequency signals to individual sections of the emitter, resonant vibrations of a mechanical system consisting of separate sections of modules are excited, each of which is supported by frequency-reducing overlays on spring elements playing the role of elastic elements. These vibrations are transformed into radial vibrations of the volume of the insulating liquid filling the emitter body, which are emitted through the soundproof windows into the external working environment. The phase relations between the vibrations of individual sections correspond to a wave traveling along the axis of the emitter. With a sufficient aperture of the emitter, powerful unidirectional radiation is generated, directed vertically downward if the emitter is working in the well, or along its axis if the emitter is working outside the well.

Источники информацииInformation sources

1. Патент Российской Федерации № 2169383, МПК 7 Н04R 1/44, 20.06.01.1. Patent of the Russian Federation No. 2169383, IPC 7 H04R 1/44, 06.20.01.

2. Патент Российской Федерации № 2276475, МПК H04R 1/44, 04.10.2004 - прототип.2. Patent of the Russian Federation No. 2276475, IPC H04R 1/44, 04/10/2004 - prototype.

3. А.Б.Сергиенко. Цифровая обработка сигналов, 2-е издание, СПб. Питер, 2006, с.64-65.3. A.B.Sergienko. Digital signal processing, 2nd edition, St. Petersburg. Peter, 2006, p. 64-65.

Claims (1)

Акустический скважинный излучатель бегущей волны, содержащий активные модули в виде пьезопакетов с торцевыми накладками, стянутыми центральными шпильками, размещенные по оси жесткого герметичного цилиндрического корпуса, заполненного электроизоляционной жидкостью, со звукопрозрачными окнами, пружинные элементы, механически скрепляющие между собой торцы соседних модулей и торцы концевых модулей с торцевыми крышками корпуса, набор мягких экранов, источник питания, электрически соединенный с излучателем, содержащий задающий генератор и усилитель мощности с симметричным выходом, причем торцевые накладки выполнены частотопонижающими таким образом, что эффективная скорость звука, определяющая частоту продольного резонанса в пьезопакетах с торцевыми накладками, составляет (1,2-1,3)С, где С - скорость звука во внешней рабочей среде, отличающийся тем, что звукопрозрачные окна размещены между торцевыми накладками пьезопакетов, пружинные элементы выполнены в виде короткого цилиндра, такого, что резонансная частота изгибных колебаний торцевой накладки, опертой на пружинный элемент, составляет fpeз=(0,8-0,9)f1, где f1-частота полуволнового резонанса пьезопакета, мягкие экраны, толщина которых на порядок меньше толщины пьезопакетов, расположены между торцевыми накладками соседних модулей и между торцевыми накладками концевых модулей и торцевыми крышками корпуса, в источник питания введен второй усилитель мощности с симметричным выходом и фазовращатель, сдвигающий фазу входного сигнала на 90°, вход которого соединен с выходом задающего генератора, а выход соединен со входом второго усилителя мощности с симметричным выходом, каждый из пьезопакетов, число которых равно 2N, разделен на две электрически независимые секции, верхнюю и нижнюю относительно узловой плоскости пьезопакета, причем все верхние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов нечетных номеров соединены электрически параллельно и подключены к первому выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом, все верхние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу первого усилителя мощности с симметричным выходом, все нижние секции пьезопакетов четных номеров соединены электрически параллельно и подключены ко второму выходу второго усилителя мощности с симметричным выходом. An acoustic borehole emitter of a traveling wave, containing active modules in the form of piezoelectric packs with end plates tightened by central pins, placed along the axis of a rigid sealed cylindrical housing filled with insulating liquid, with soundproof windows, spring elements that mechanically fasten the ends of adjacent modules and the ends of the end modules with end caps of the housing, a set of soft screens, a power source electrically connected to the emitter, containing a master oscillator p and a power amplifier with a balanced output, and the end plates are made frequency-reducing so that the effective speed of sound, which determines the frequency of the longitudinal resonance in piezoelectric packets with end plates, is (1.2-1.3) C, where C is the speed of sound in the external a working environment, characterized in that the translucent windows are placed between the end plates of the piezoelectric packs, the spring elements are made in the form of a short cylinder, such that the resonant frequency of the bending vibrations of the end plate supported on the spring the element is f rez = (0.8-0.9) f 1 , where f 1 is the frequency of the half-wave resonance of the piezoelectric packet, soft screens whose thickness is an order of magnitude smaller than the thickness of the piezoelectric packets are located between the end plates of adjacent modules and between the end plates of end modules and end caps of the case, a second power amplifier with a symmetric output and a phase shifter is introduced into the power supply, shifting the phase of the input signal by 90 °, the input of which is connected to the output of the master oscillator, and the output is connected to the input of the second power amplifier with symmetry by an output output, each of the piezoelectric packets, the number of which is 2N, is divided into two electrically independent sections, the upper and lower relative to the nodal plane of the piezoelectric packet, with all the upper sections of the piezoelectric packets of odd numbers connected electrically in parallel and connected to the first output of the first power amplifier with a balanced output the lower sections of the piezo packets of odd numbers are connected electrically in parallel and connected to the first output of the second power amplifier with a balanced output, all the upper sections of the piezo packet in even numbers are connected electrically in parallel and connected to the second output of the first power amplifier with a symmetrical output, all the lower section pezopaketov even numbers are connected electrically in parallel and connected to the second output of the second power amplifier with a symmetrical output.
RU2008110618/28A 2008-03-19 2008-03-19 Well acoustic progressive wave emitter RU2378667C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110618/28A RU2378667C2 (en) 2008-03-19 2008-03-19 Well acoustic progressive wave emitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2008110618/28A RU2378667C2 (en) 2008-03-19 2008-03-19 Well acoustic progressive wave emitter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2008110618A RU2008110618A (en) 2009-09-27
RU2378667C2 true RU2378667C2 (en) 2010-01-10

Family

ID=41168985

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2008110618/28A RU2378667C2 (en) 2008-03-19 2008-03-19 Well acoustic progressive wave emitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2378667C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2453677C1 (en) * 2011-02-09 2012-06-20 Сергей Александрович Турко Acoustic downhole emitter

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2453677C1 (en) * 2011-02-09 2012-06-20 Сергей Александрович Турко Acoustic downhole emitter

Also Published As

Publication number Publication date
RU2008110618A (en) 2009-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN101526624B (en) Drive device of a marine acoustic vibrator
CN102136268B (en) Bent piezoelectric-ceramic low-frequency underwater acoustic transducer
US7881158B2 (en) Seismic vibrator having multiple resonant frequencies in the seismic frequency band using multiple spring and mass arrangements to reduce required reactive mass
CN102405652B (en) Piezoelectric acoustic transducer
CN101964185B (en) Ultra-wideband underwater acoustic transducer
US8446798B2 (en) Marine acoustic vibrator having enhanced low-frequency amplitude
US4333028A (en) Damped acoustic transducers with piezoelectric drivers
EP0758455B1 (en) Flextensional acoustic source for offshore seismic exploration
US6851511B2 (en) Drive assembly for acoustic sources
US6643222B2 (en) Wave flextensional shell configuration
KR100983744B1 (en) Sound wave generator for the application of the parametric array
US8565043B2 (en) Acoustic transducer
CN102169685A (en) Small sized deepwater underwater sound energy transducer with low frequency and broad band
RU2378667C2 (en) Well acoustic progressive wave emitter
CN202042174U (en) Zigzag piezoelectric-ceramic low-frequency underwater acoustic transducer
US8072843B1 (en) Stepped multiply resonant wideband transducer apparatus
Bybi et al. Reducing crosstalk in array structures by controlling the excitation voltage of individual elements: a feasibility study
JP3487602B2 (en) Electroacoustic transducer with mechanical impedance transformer
RU2453677C1 (en) Acoustic downhole emitter
CN202042175U (en) Low-frequency broadband small-size deep water underwater acoustic transducer
Chalmers et al. Acoustic band gap formation in two-dimensional locally resonant sonic crystals comprised of Helmholtz resonators
Rajapan et al. Development of wide band underwater acoustic transducers
RU2363115C1 (en) Multi-element hydroacoustic antenna
JP2009194889A (en) Underwater transducer, driving method thereof, and composite underwater sonic wave transmitter
RU2276475C1 (en) Acoustic well emitter

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180320