一種低頻偶極子發射換能器的製作方法

2023-10-26 07:37:12 1

專利名稱：一種低頻偶極子發射換能器的製作方法
技術領域：
本發明涉及聲學探測領域，具體地，本發明涉及一種低頻偶極子發射換能器。
背景技術：
石油被稱為工業的血液，如今石油及其化工製品已經融於到我們生產生活中各個角落，然而作為不可再生資源隨著100多年來的開採已經面臨枯竭，而且剩下的儲藏開採難度和開採成本也越來越高，石油開採進入精細開採的時代。聲波能夠有效地在固、液、氣三相介質中長距離有效的傳播。通過對聲衰減、聲速等聲學參量的測量估算地層的孔隙度、滲透率、含水飽和度等地層性質，聲波測井已經成為石油勘探等領域非常重要的測量手段。·聲波在測井中的應用最早出現在20世紀50年代。聲波測井最初的應用是在固井過程中的膠結質量的檢測和介質聲速的測量，此時的聲波測井儀器結構比較簡單，主要是單發雙收或者雙發雙收，聲波的波載信息的利用上也只局限於縱波的振幅和速度；70年代末發展了一種長源距聲波全波列測井。儀器增加了發射換能器和接收換能器中間的距離，從而在時間軸上把波至中的縱波、橫波和偽瑞利分離開來，多種聲波波至為測井解釋帶來了豐富的素材，促進了聲波測井的巨大發展，使聲波測井逐漸成為主流的測井手段。期間提出了利用斯通利波反演慢速地層中的橫波，然而這種測量手段的可靠性差，再一個由於當時的聲源頻率比較高，斯通利波提取也很困難。到了 90年代初出現了偶極子或者多極子測量地層橫波，偶極子聲源和四極子聲源能夠激勵井孔產生擾曲波(Flexural wave)和扭曲波(Screw wave),隨著激勵頻率的降低,擾曲波和扭曲波的波速將趨近於地層的橫波聲速，擾曲波和扭曲波的高頻極限則是逼近斯通利波的高頻極限。理論分析表明無論在快速地層和慢速地層都能得到地層的橫波速度。為了有效地區分開測量波序中的地層縱波和地層橫波，偶極子信號需要工作在5kHz —下。偶極子聲源是偶極子橫波測井儀器中的核心部件。常見的偶極子聲源主要有以下幾類1、三疊片；2、動圈式；2、鑲拼圓環等。然而以上幾種換能器均存在著不足三疊片通常只採用兩片陶瓷而且工作的時候利用材料的1-3工作模態，在加載大電壓的時候會在粘接面上產生很大的剪切應力，容易損壞器件，這些不足導致了換能器不能夠實現大功率的發射；動圈式結構能夠實現低頻而且平坦的響應曲線，然而這種結構固有存在輻射效率低下的問題，也不能夠實現大功率發射；鑲拼圓環的諧振基頻跟圓環的直徑相關，降低換能器的設計頻率需要增大換能器的直徑。而現在井孔的孔徑對這類結構換能器的低頻化帶來了切實的困難。

發明內容
本發明的目的在於，提供了一種低頻偶極子發射換能器。為實現上述發明目的，本發明提出的低頻偶極子發射換能器包括基本振子、過渡杆2、彎曲梁3、過渡梁4、擺動柱5、剛性梁6、端蓋板7和水密層8 ；
所述的基本振子設置於剛性梁6內，由上下兩個陶瓷堆I通過過渡杆2和彎曲梁3串接相連構成，該基本振子通過剛性梁6和設置在剛性梁6兩端的端蓋板7鉗定。所述的剛性梁6的外部依次套設擺動柱5和水密層8。所述的過渡梁4設置於剛 性梁6中部側壁上的孔洞中，並通過該過渡梁4將彎曲梁3和擺動柱5的中部相連。所述的陶瓷堆I由若干陶瓷片機械級聯形式堆積，相鄰兩片陶瓷的電極方向相反。所述的陶瓷堆I由陶瓷片採用機械級聯的形式堆積而成。相鄰兩片陶瓷的電極方向相反，對所有陶瓷片在電路上採用並聯激勵。所述的彎曲梁3由若干段圓弧梁(或者橢圓弧梁)外切而成，優選為三段，其中靠近A端的兩段圓弧梁(或者橢圓弧梁)形狀一致，三段圓弧梁(或者橢圓弧梁)中靠近A端的兩端圓弧梁(或者橢圓弧梁)的相切點的曲率半徑小於第三條圓弧梁(或者橢圓弧梁)的曲率半徑，在與過渡杆2連接處，梁的切向垂直於過渡杆2的端面。所述的擺動柱5採用模量在IelOPa到3ellPa之間的剛性材料設計而成。所述的過渡梁4用於擺動柱5和彎曲梁3的剛性連接。所述的剛性梁6和端蓋板7採用模量在IelOPa到3ellPa之間的剛性材料設計而成，用來約束陶瓷堆I的振動，使陶瓷堆I的振動從另外一端輻射出去。所述的剛性梁6的中間位置對稱開兩個小孔，用於過渡梁4的穿出。本發明的換能器是一種能夠適用於井孔的低頻寬帶大功率偶極子換能器，當電壓激勵陶瓷堆I產生厚度方向的振動的時候，剛性梁6和端蓋板7抑制住陶瓷堆ID端垂直方向的振動位移。陶瓷堆I垂直方向的振動位移只能從A端釋放，通過過渡杆2推動彎曲梁3的A點產生一個垂直方向的振動。彎曲梁3具有位移轉向和振幅放大的作用，即能夠把兩端垂直方向的振動位移轉化成中點水平方向的振動位移，同時還能夠將振動位移進行放大。振動位移通過過渡梁4傳遞到擺動柱5上面，從而推拉擺動柱5產生一個水平方向的擺動形成偶極子聲源，由於過渡梁4為一剛性體，其不會改變傳遞的振動位移的幅度。本發明的優點在於激勵源堆積方向為垂直方向(井軸方向)，其不受井孔孔徑的限制，可以使用更多的有源材料，便於換能器的大功率設計；同時尺寸的不受限也非常有利於換能器的低頻設計；陶瓷堆I採用3-3模態工作，因此可以很好地規避1-3模態工作時候的結構粘接問題，可以加載很大的電壓而不用擔心陶瓷的剝落；換能器在工作頻帶範圍內存在多種工作模態低頻段存在一個等效於兩質量一彈簧系統的振動模態，中頻段有陶瓷堆跟彎曲梁一體的彎曲振動和剛性梁的彎曲振動、高頻段存在陶瓷堆的厚度振動，這些豐富的振動模態能夠很好地展寬換能器的帶寬。


圖I為本發明的低頻偶極子發射換能器結構示意圖。附圖標識I、陶瓷堆 2、過渡杆 3、彎曲梁4、過渡梁 5、擺動柱 6、剛性梁7、端蓋板 8、水密層
具體實施例方式接下來將根據附圖舉例對本發明作進一步的說明換能器由兩組陶瓷堆I、過渡杆2、彎曲梁3、過渡梁4、擺動柱5、剛性梁6、端蓋板7以及水密層8組成。實施例中換能器的總長度為193mm。其中陶瓷堆I採用PZT-4壓電陶瓷；過渡杆2、彎曲梁3、過渡梁4、擺動柱5均採用牌號為TC4的鈦合金，剛性梁6和端蓋板7採用45#鋼，水密層8採用JA-2S型聚氨酯橡膠。陶瓷堆I分為兩組，每組陶瓷堆由8片(j5 30mmX5mm的極化好的陶瓷片和一片小30mm X 2mm的未經極化的陶瓷片機械串聯粘接而成，其中相鄰的兩片陶瓷電極方向相反，未極化的陶瓷片用來實現陶瓷堆I和端蓋板7的絕緣，在每兩片陶瓷中間加上一片尺寸為
30mmX0. Imm的磷銅片作為電極。彎曲梁3採用三個矩形圓弧梁外切而成，其中兩端的梁半徑相同並且小於中間的 圓弧梁的半徑。實施方案中彎曲梁的總長度為42_，梁的厚度和寬度分別為12_和6_，兩端的圓弧梁的半徑為IOmm,而中間圓弧梁的半徑為19. 7_。擺動柱5的尺寸為(j5 67mmX (t 60mmX 152mm。利用過渡梁4把彎曲梁3的中心和擺動柱5的中心連接起來。過渡梁的目的是把B處的水平振動等幅度地傳遞到C處，從而使擺動柱5產生一個水平的擺動。剛性梁6米用37mmX 54mmX 163mm的圓管設計而成，圓管的中心處對稱統出16mm寬16mm高的方孔，用於過渡梁4的穿出。設計中剛性梁的長度稍微小於陶瓷堆I、過渡杆2、彎曲梁3的總長度(小了 0. 6_)，這一尺寸用於陶瓷堆I的預應力加載。開孔給過渡梁4每邊空出2mm的空間餘量，防止裝備過程中出現過渡梁4與剛性梁6刮蹭。
端蓋板7用於抑制陶瓷堆振動時位移向D端的傳遞，因此理論上越厚越有利於陶瓷振動的抑制，不過考慮到換能器整體的重量，端蓋板的厚度設計為15_。實施例中在300Hz到5000Hz的頻帶範圍內存在著三個有效的偶極子工作模態，分別為等效兩質量一彈簧系統的模態，剛性梁的彎曲振動模態和陶瓷堆的厚度振動模態。其諧振頻率分別為1000Hz，3067Hz，3967Hz。換能器工作頻段內的多階工作模態非常有利於換能器的帶寬展開。當換能器工作在低頻段的時候，擺動柱以及聲場的附加質量可以視為一個純質量塊，而剛性梁和段蓋板可以視為另外一個質量塊，陶瓷堆I、過渡杆2和彎曲梁3可以近似為一個有質量的彈簧，因此形成了一個兩質量一彈簧的系統，系統存在一個固有的頻率，實施例中這個頻率在IOOOHz附近。隨著工作頻率的升高，到3000Hz左右的時候進入了剛性梁6的彎曲振動區域。剛性梁6的彎曲振動在換能器的兩端產生一個水平的振動，振動通過段蓋板7、陶瓷堆I、過渡杆2、彎曲梁3 —路下行最終對擺動柱5產生一個推拉作用力形成一個偶極子工作模態。隨著工作頻率的進一步升高，換能器進入到陶瓷堆I的厚度振動工作區域。陶瓷堆I的厚度振動會拉伸和壓縮彎曲梁3，使彎曲梁3的中心產生一個水平方向的左右振動，振動通過過渡梁4傳遞到擺動柱5上面，形成一個偶極子工作模態。本工作模態在4000Hz附近。最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制。儘管參照實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發明的技術方 案進行修改或者等同替換，都不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。
權利要求
1.一種低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，該換能器包括基本振子、過渡杆(2)、彎曲梁(3)、過渡梁(4)、擺動柱(5)、剛性梁(6)、端蓋板(7)和水密層⑶； 所述的基本振子設置於剛性梁出)內，由上下兩個陶瓷堆(I)通過過渡杆(2)和彎曲梁(3)串接相連構成，該基本振子通過剛性梁(6)和設置在剛性梁(6)兩端的端蓋板(7)鉗定； 所述的剛性梁￠)的外部依次套設擺動柱(5)和水密層(8)； 所述的過渡梁⑷設置於剛性梁(6)中部側壁上的孔洞中，並通過該過渡梁⑷將彎曲梁(3)和擺動柱(5)的中部相連。
2.根據權利要求I所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，所述的陶瓷堆(I)由若干陶瓷片機械級聯形式堆積，相鄰兩片陶瓷的電極方向相反。
3.根據權利要求I所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，所述的彎曲梁(3)由若干段圓弧梁拼接而成，其中與過渡杆(2)接觸的兩段圓弧梁對稱，且圓弧梁切向垂直於過渡杆⑵的端面。
4.根據權利要求3所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，所述的彎曲梁(3)由3段圓弧梁拼接而成。
5.根據權利要求4所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，所述的彎曲梁(3)中與過渡杆(2)接觸的兩段圓弧梁的半徑小於中間圓弧梁的半徑。
6.根據權利要求I所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，過渡梁(4)與彎曲梁(3)和擺動柱(5)的連接方式為剛性連接。
7.根據權利要求I所述的低頻偶極子發射換能器，其特徵在於，所述的擺動柱(5)、剛性梁(6)和端蓋板(7)採用模量在IelOPa到3ellPa之間的剛性材料。
全文摘要
本發明涉及一種低頻偶極子發射換能器。該換能器包括基本振子、過渡杆(2)、彎曲梁(3)、過渡梁(4)、擺動柱(5)、剛性梁(6)、端蓋板(7)和水密層(8)；所述的基本振子設置於剛性梁(6)內，由上下兩個陶瓷堆(1)通過過渡杆(2)和彎曲梁(3)串接相連構成，該基本振子通過剛性梁(6)和設置在剛性梁(6)兩端的端蓋板(7)鉗定；所述的剛性梁(6)的外部依次套設擺動柱(5)和水密層(8)；所述的過渡梁(4)設置於剛性梁(6)中部側壁上的孔洞中，並通過該過渡梁(4)將彎曲梁(3)和擺動柱(5)的中部相連。本發明的優點激勵源堆積方向為垂直方向，便於換能器的低頻大功率設計，很好地展寬換能器的帶寬。
文檔編號B06B1/06GK102748013SQ20111009851
公開日2012年10月24日 申請日期2011年4月20日 優先權日2011年4月20日
發明者戴鬱郁, 莫喜平 申請人:中國科學院聲學研究所