超磁致伸縮聲波發射換能器的製作方法

2023-10-05 08:07:04

專利名稱：超磁致伸縮聲波發射換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超磁致伸縮聲波發射換能器，屬於聲學換能器技術領域，其作用是把電磁能通過磁致伸縮材料轉換成機械能(聲能)，向介質發射。
現有的發射換能器有幾種。最早的是應用磁致伸縮材料通常是疊式鎳片製成的換能器。它的效率低、成本高。自60年代至今，壓電陶瓷材料製成的喇叭型換能器一直是最通用的換能器。它比鎳片製成的換能器的效率有了很大的提高，成本也降低了很多。在一般情況下，它都能滿足工程使用要求，但是作為地質測量用振源來說，它有下列缺點功率不能做得過大，在低頻段應用時它的體積很大，在諧振點應用時效率雖較高，但帶寬較窄，且餘振大，在遠離諧振點應用時效率又很低。所以人們一直在尋找低頻大功率聲波震源，試用了爆炸聲源(放炮或放手鎦彈)、電火花聲源以及人工錘擊等方式，但這些方法都有一個共同缺點很難確定起始時間，以致無法確定聲波的傳播時間，另外每次振動的隨機性很大，功率大小變化也很大，從而給檢波帶來了無法精確測定波形等困難。
本發明的目的在於提供一種採用稀土元素的合金化合物--超磁致伸縮材料製成聲波震源振子的超磁致伸縮聲波發射換能器，它不僅可用於地面的聲波發射，還可用於井間的聲波發射，具有頻率低，體積小、帶寬寬、餘振短，穿透距離遠等特點，並且每次發射的重複性好，能較好地滿足地質和物探工程聲波發射的要求。
本發明的目的是由如下技術方案實現的
一、超磁致伸縮(地面)聲波發射換能器的結構如下它由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射塊(12)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，前、後蓋板(11)、(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和前蓋板(11)相連，中間均襯有墊片(8)；拉杆(6)一端與前蓋板(11)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定，用於壓緊超磁棒(9)，施加的預應力在8MPa左右；幅射塊(12)與前蓋板(11)螺紋連接，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與前、後蓋板(11)、(2)相連，用螺絲(3)固定。超磁棒(9)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物，幅射塊(12)由鋁合金製成，外殼(13)由不鏽鋼或鈣塑材料製成。
二、超磁致伸縮(地面錨用)聲波發射換能器的結構如下它由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射頭(14)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，幅射頭(14)與後蓋板(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和幅射頭(14)相連，中間均襯有墊片(8)，拉杆(6)一端與幅射頭(14)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與幅射頭(14)、後蓋板(11)目連，用螺釘(3」)固定。幅射頭(14)呈錐狀，超磁棒(9)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物；幅射頭(14)由鋁合金製成；外殼(13)由不鏽鋼或鈣塑材料製成。
三、超磁致伸縮(井中)聲波發射換能器的結構如下它由旋塊(1』)、壓塊(3』)、振幅條(5』)、超磁條(6』)、線圈(7』)、上、下蓋板(2』)、(9』)和吊環(10』)組成，超磁條(6』)上繞有線圈(7』)，其上、下端分別與壓塊(3』)和下蓋板(9』)相連，中間均襯有墊板(8』)；振幅條(5』)為多根，呈彎弧狀，沿圓周等間距排列，其上、下端均分別與上、下蓋板(2』)、(9』)相固連，構成一燈籠式彎曲外殼兼幅射面，把垂直振動變為燈籠壁的徑向振動，使之聲波向水平方向振動發射，成為一個水平基本無方向性的聲源，旋塊(1』)置於壓塊(3』)上，與上蓋板(2』)螺紋連接；壓塊(3』)置於上蓋板(2』)內，用端螺絲(4』)固定，對超磁條(6』)施加的預應力為7Mpa左右。引出線圈(7』)兩端導線穿出下蓋板(9』)外。
下蓋板(9』)上設有一個吊環(10』)，與下蓋板(9』)螺紋連接；振幅條(5』)可為8根。
超磁條(6』)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物。
振幅條(5』)由不鏽鋼製成。
以上三種超磁致伸縮聲波發射換能器的結構有所不同，但技術原理是一致的，都是把超磁致伸縮材料應用到換能器的核心部分-震源振子上來，它不僅可用於地面的聲波發射，還可用於井間的聲波發射。它的製作簡單，把超磁致伸縮材料塗上保護漆後在其上用導線繞製成線圈，固定好線圈後，把它裝入上、下蓋板之間，並用拉杆螺母壓塊壓緊，繞有線圈的超磁材料，施加的壓力在8Mpa左右，引出線圈導線接入發射機輸出端即可。
本發明使用的超磁致伸縮材料GMM(Giant MagnetostrictiveMaterials)是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)、和鐵(Fe)的合金化合物，該材料首先由美國海軍防衛研究所於70年代初研製成功，故此材料又稱為Terfenol-D。它的致伸縮效應的最大應變比通常的PZT壓電陶瓷至少大4倍，可達到10-3以上，其能量密度比壓電陶瓷至少大10倍以上，可達到2×104J／m3，而其聲速比PZT壓電陶瓷的小3-4倍。比用鎳片的磁致伸縮比提高30倍。因此本發明應用超磁振子研製的地面聲波發射換能器和井中發射換能器比用壓電陶瓷製成的同體積的聲波震源能量大10倍多，並且具有頻帶寬(100-10000Hz)，發射能量穩定且可調，聲波信號一致性好，可進行任意次疊加等特點，從而克服了傳統震源的諸多不足。如錘擊振動每次的能量不穩定，頻率也不一致，無法進行信號疊加；壓電晶體震源能量小，勘探範圍有限；電火花震源發射能量不穩、頻帶窄，信號疊加性能不好；放炮也存在與電火花同樣的缺陷，而且易爆壞鑽井等。此種材料在低頻大功率換能器方面的應用將越來越廣。
通過查新檢索表明，在國內外未見採用超磁致伸縮材料製作聲波發生器，在地表探測地下建基巖體質量的文獻報導。因此，本發明制的大功率超磁致伸縮聲波震源是一種全新的工程勘探震源，將在地震反射波法、折射波法、瑞利波法及小應變樁基動測反射波法、跨孔聲波法等方法的震源應用方面具有廣闊的前景。
本發明的優點是由於採用超磁致伸縮材料作發射換能器的核心部分-震源振子，該材料的轉換效率比用鎳片的磁致伸縮材料的伸縮比提高30倍，比PZJ壓電陶瓷材料提高4倍，用它製成的發射換能器具有頻率低、體積小、帶寬寬、餘振短，穿透距離遠等特點，並且每次發射的重複性好，能較好地滿足地質和物探工程聲波發射的要求。
結合附圖和實施例將本發明作進一步說明

圖1為超磁伸縮(地面)聲波發射換能器結構示意2為超磁伸縮(地面錨用)聲波發射換能器結構示意3為超磁伸縮(井中)聲波發射換能器結構示意圖實施例1(如圖1所示)本實施例所述的超磁伸縮地面聲波發射換能器中，它由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射塊(12)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，前、後蓋板(11)、(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和前蓋板(11)相連，中間均襯有墊片(8)；拉杆(6)一端與前蓋板(11)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定，幅射塊(12)與前蓋板(11)螺紋連接，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與前、後蓋板(11)、(2)相連，用螺絲(3)固定。超磁棒(9)是由超磁致伸縮材料製成，幅射塊(12)由鋁合金製成，外殼(13)由不鏽鋼製成。
本實施例所述的發射換能器，可用於地面向地下的聲波發射。同與其配套使用的端面檢波器一起，可用於地表探測地下建基巖體質量。
使用原理如下通電後，超磁棒(9)在電磁能的作用下，作縱向垂直振動，使之聲波通過幅射塊(12)自地表向地下振動發射，成為一個縱向性的聲源。
實施例2(如圖2所示)本實施例所述的超磁伸縮地面錨用聲波發射換能器中，它由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射頭(14)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，幅射頭(14)與後蓋板(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和幅射頭(14)相連，中間均襯有墊片(8)，拉杆(6)一端與幅射頭(14)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與幅射頭(14)、後蓋板(11)相連，用螺釘(3」)固定。幅射頭(14)呈錐狀，超磁棒(9)是由超磁致伸縮材料製成，幅射頭(14)由鋁合金製成，外殼(13)由鈣塑材料製成。
在三峽工程等大型建設中常採用金屬錨杆來錨住大的花崗巖，以增強建基的穩定性、防止滑坡，本實施例所述的聲波發射換能器與其配套的複合指形壓電陶瓷檢波器可用於檢測錨杆錨固質量。
使用原理如下通電後，超磁棒(9)在電磁能的作用下，作縱向垂直振動，使之聲波通過幅射頭(14)自地表向地下振動發射，成為一個縱向性的聲源。
實施例3(如圖3所示)本實施例所述的超磁伸縮井中聲波發射換能器中，它由旋塊(1』)、壓塊(3』)、振幅條(5』)、超磁條(6』)、線圈(7』)、上、下蓋板(2』)、(9』)和吊環(10』)組成，超磁條(6』)上繞有線圈(7』)，其上、下端分別與壓塊(3』)和下蓋板(9』)相連，中間均襯有墊板(8』)；振幅條(5』)為8根，呈彎弧狀，沿圓周等間距排列，其上、下端均分別與上、下蓋板(2』)、(9』)相固連，構成一燈籠式彎曲外殼兼幅射面，把垂直振動變為燈籠壁的徑向振動，使之聲波向八個方向振動發射，成為一個水平基本無方向性的聲源，旋塊(1』)置於壓塊(3』)上，與上蓋板(2』)螺紋連接；壓塊(3』)置於上蓋板(2』)內，用端螺絲(4』)固定，引出線圈(7』)兩端導線穿出下蓋板(9』)外。
下蓋板(9』)上設有一個吊環(10』)，與下蓋板(9』)螺紋連接。
超磁條(6』)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物。
振幅條(5』)由不鏽鋼製成。
使用原理如下在線圈通電時引起磁場的變化，使超磁條(6』)伸縮，從而帶動振幅條(5』)的收縮、膨脹，向徑向發出振動聲波，並通過地層在水平方向傳播，再由井角中的徑向檢波器檢測出聲波，最後根據聲波在不同地質條件下傳播速度不同，對地質情況進行判斷。
權利要求
1．一種超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射塊(12)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，前、後蓋板(11)、(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和前蓋板(11)相連，中間均襯有墊片(8)；拉杆(6)一端與前蓋板(11)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定；幅射塊(12)與前蓋板(11)螺紋連接，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與前、後蓋板(11)、(2)相連，用螺絲(3)固定。
2．一種超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於由插頭座(1)、拉杆(6)、壓塊(7)、超磁棒(9)、線圈(10)、蓋板、幅射頭(14)、外殼(13)組成，塗有保護漆的超磁棒(9)上繞有線圈(10)，置於外殼(13)內，幅射頭(14)與後蓋板(2)之間；超磁棒(9)上、下端分別與壓塊(7)和幅射頭(14)相連，中間均襯有墊片(8)，拉杆(6)一端與幅射頭(14)固連，另一端穿過壓塊(7)，用螺母(4)固定，引出線圈(10)兩端導線與插頭座(1)相連，插頭座(1)固裝在後蓋板(2)上，外殼(13)兩端分別與幅射頭(14)、後蓋板(11)相連，用螺釘(3」)固定。
3．一種超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於由旋塊(1』)、壓塊(3』)、振幅條(5』)、超磁條(6』)、線圈(7』)、上、下蓋板(2』)、(9』)和吊環(10』)組成，超磁條(6』)上繞有線圈(7』)，其上、下端分別與壓塊(3』)和下蓋板(9』)相連，中間均襯有墊板(8』)；振幅條(5』)為多根，呈彎弧狀，沿圓周等間距排列，其上、下端均分別與上、下蓋板(2』)、(9』)相固連，構成一燈籠式彎曲外殼兼幅射面，旋塊(1』)置於壓塊(3』)上，與上蓋板(2』)螺紋連接；壓塊(3』)置於上蓋板(2』)內，用端螺絲(4』)固定，引出線圈(7』)兩端導線穿出下蓋板(9』)外。
4．如權利要求1或2所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於超磁棒(9)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物。
5．如權利要求1或2所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於外殼(13)由不鏽鋼或鈣塑材料製成。
6．如權利要求1所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於幅射塊(12)由鋁合金製成。
7．如權利要求2所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於幅射頭(14)呈錐狀，由鋁合金製成。
8．如權利要求3所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於下蓋板(9』)上設有一個吊環(10』)，與下蓋板(9』)螺紋連接。
9．如權利要求3所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在于振幅條(5』)為8根，由不鏽綱製成。
10．如權利要求3所述的超磁致伸縮聲波發射換能器，其特徵在於超磁條(6』)是由超磁致伸縮材料製成，超磁致伸縮材料是一種稀土元素鈦(Ti)、鏑(Dy)和鐵(Fe)的合金化合物。
全文摘要
本發明涉及一種超磁致伸縮聲波發射換能器,屬於聲學換能器領域。它採用超磁致伸縮材料作發射換能器的核心部分——震源振子,即超磁棒或超磁條,其上均繞有線圈,置於前、後蓋板之間,並用拉杆螺母壓塊壓緊固定;前蓋板上連接輻射塊,或用振輻條與上、下蓋板相固連,構成一燈籠式彎曲外殼兼輻射面。本發明具有頻率低、體積小、帶寬寬、餘振短,穿透距離遠等特點,並且每次發射的重複性好,能較好地滿足地質和物探工程聲波發射的要求。
文檔編號H04R15/00GK1281757SQ99110820
公開日2001年1月31日 申請日期1999年7月22日 優先權日1999年7月22日
發明者肖柏勳, 劉春生, 王軍民, 周樂寶 申請人:長江水利委員會長江工程地球物理勘測研究院(武漢)