横波远探测测井换能器研究

为提高偶极子横波远探测反射波的信噪比和增加其探测距离,根据偶极子井孔模式波的激发特性及反射波传播特征分析,研制了基于三叠片的低频大功率偶极子的横波远探测换能器,以降低模式波的相对能量和增加反射波的相对能量。为了得到满足要求的低频大功率偶极换能器,采用有限元方法对现有三叠片进行了优化改进,得到一种符合设计要求的换能器结构,最后制作了样机并对其进行了测试。样机测试结果跟仿真吻合得很好,低频性能得到了极大改善：换能器在谐振频率1.2 kHz附近具有极好的偶极子指向性,谐振频率处的响应比X-MAC同频率段大19 dB。该换能器的研发成功将为偶极子远探测测井仪器性能及成像质量的提高奠定了坚实的基础。     

多极子阵列声波成像测井技术研究*

多极子阵列声波成像测井已经成为测井中主要方法之一,在地层评价与油气田开发中有重要作用。在已有理论与数值模拟的基础上,经过近十年的技术攻关,我们已经在多极阵列声波成像仪器制造、测试与数值处理等主要关键技术方面都取得了长足的进展,具体包括高温正交偶极子发射换能、高温低频单极子换能器、声系测试、多极子阵列声波测井高温电路及仪器集成、资料处理及解释等主要方面。所研制的仪器及资料处理方法,经过与国外同类仪器的测井结果进行了对比分析,验证了所研发的仪器的可靠性和处理方法的正确性,这些关键技术为我国声学测井仪器装备技术研发和快速发展打下了基础,提供了技术支撑。     

一种宽带大功率镶拼圆环换能器的设计

介绍了一种大功率宽带换能器的设计方法,换能器由三个镶拼圆环组成,圆环之间用去耦材料隔振。采用有限元方法仿真圆环振子的电声性能,根据仿真结果优化结构尺寸。运用互辐射理论探讨了整体换能器的性能,研制了样机并进行测试。测试结果表明,换能器在2.8 k Hz～8.0 k Hz工作频带内最大发射响应为148 d B,起伏在±2.5 d B之内,具有较大的发射电压响应和较宽的工作频带。     

声波远探测测井仪发射电路的优化实现*

声波远程探测需要低频大功率发射和宽频带接收技术,从而使得仪器看得远、看得清。目前,采用单脉冲的激励方式,需要增加发射脉宽或者提高发射电压来提高发射能量。而增加发射脉宽会降低成像分辨率,提高发射电压又对发射换能器提出了新的挑战。该文在现有换能器基础上,提出并采用线性调频脉冲信号激励换能器的方法,以提高探测距离和精度。具体采用DDS技术产生线性调频脉冲信号并由FPGA实现;采用高效的D类放大器来最大化功率;采用一个全桥电路实现了两路发射控制。测井表明,设计的电路能稳定有效地工作,相对于单脉冲发射电路而言,它得到了更好的成像效果图像。该文工作为远程声波探测测井仪器的自主研发提供了一种技术参考。     

一种宽带大功率镶拼换能器设计

介绍了一种大功率宽带换能器的设计方法,换能器由三个镶拼圆环组成,圆环之间用去耦材料隔振。采用有限元方法仿真圆环振子的电声性能,根据仿真结果优化结构尺寸。运用互辐射理论探讨了整体换能器的性能,研制了样机并进行测试。测试结果表明,换能器在2.8 k Hz～8.0 k Hz工作频带内最大发射响应为148 d B,起伏在±2.5 d B之内,具有较大的发射电压响应和较宽的工作频带。     

多谐振宽带Janus-Ring换能器

提出了一种多谐振宽带Janus-Ring换能器,两个一定距离的压电圆环换能器(Ring换能器)嵌套在双面纵振Janus换能器的两端,Ring换能器的径向振动、Janus换能器的纵振动与它们中间形成的Helmholtz液腔振动相耦合,可大大拓展换能器的工作带宽。使用有限元方法设计并研制了Janus-Ring换能器样机,经测试在1.8~8.0 kHz范围内,样机最大发射电压响应144 dB,起伏小于6 dB。相比传统的Janus-Helmholtz换能器,Janus-Ring换能器有效拓展了工作频带,增大了发射电压响应,减小了频带内的发射电压响应起伏。      

铌酸钾钠基无铅压电陶瓷纵振换能器*

高性能环境友好型无铅压电陶瓷及其应用是当前压电材料研究的热点之一,为了探究其在水声换能器领域的应用潜力,该文对铌酸钾钠基无铅压电陶瓷和锆钛酸铅压电陶瓷纵振式换能器进行了对比研究。依据仿真结果优化结构尺寸,制作了两种换能器样机并测试了其在空气中和水中的电声性能。测试结果表明,铌酸钾钠基无铅压电陶瓷换能器的谐振频率为35kHz,最大发送电压响应为 151dB,声源级可达 190dB,在 26kHz~67kHz 的频率范围内发送电压响应的起伏不超过±4.5dB,谐振频率处-3dB 的指向性开角约为 76°。该无铅压电陶瓷换能器具有和锆钛酸铅压电陶瓷换能器相当的发射性能,有望推动无铅压电材料在水声换能器领域的应用进程。     

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。      

弯曲模式波测井的多极子换能器

本文根据井孔中弯曲等模式声波的速度频散特性,利用压电晶片的弯曲振动模式,提出并设计了一种用于直接横波测井的偶极子和四极子换能器.对设计制作的多极子换能器的振动和电声性能进行了测试。在快地层人工模拟井孔中的一发一收的试验表明,这种换能器能较好地在充液井孔中激发出弯曲等模式的声波,为实现快慢地层井孔中的直接横波测井提供了一种发射和接收换能器。     

弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔换能器

使用双面同相振动的弯曲圆盘换能器驱动双Helmholtz共振腔,既放大了弯曲圆盘换能器弯曲共振频率以下频段的声输出,又利用两个Helmholtz共振腔的同相声源辐射模型实现了在Helmholtz共振频率处的"∞"字形垂直指向性,实现了低频指向性声发射。阐述了换能器实现"∞"字形低频指向性发射的机理,研究了腔体长度、金属圆片厚度及弯曲圆盘边缘简支厚度等关键结构参数对Helmholtz共振频率的影响,求解了换能器的发送电压响应、指向性等参数。依据仿真结果制作了实验样机,在消声水池中进行了电声性能测试。测试结果显示,指向性形状及液腔共振频率与仿真结果基本相符。这种由弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔水声换能器为实现水声换能器小尺寸、低频指向性发射提供了一种技术手段。      

铁镓Janus-Helmholtz换能器非线性驱动

利用磁路法理论分析了磁阻对铁镓驱动磁场的影响,结果表明磁路中无永磁体时铁镓驱动磁场是有永磁体时的5倍以上,结合铁镓材料近似线性区小的特点,提出了一种无偏场非线性驱动方式。首先利用帕德逼近方法近似铁镓材料的磁化过程,得到磁场强度与磁致伸缩应变的关系,进而得到驱动电信号表达式,在此基础上提出了铁镓换能器的非线性驱动模型。设计研制了无偏场铁镓Janus-Helmholtz换能器样机,通过振动特性实验分析验证非线性驱动模型的可行性,最后在水中测试了换能器的发射性能。测试结果表明,采用无偏场非线性驱动的换能器在驱动电流为9.4 A时,声源级可达到198.2 dB,相对于永磁偏置磁场的换能器,声源级高了4 dB,发射性能得到了明显的提升。     

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875～2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。     

自由端盖Ⅲ型宽带弯张换能器的设计

提出了一种利用多模耦合实现低频、宽带、大功率特性的新结构Ⅲ型弯张换能器。通过在压电陶瓷堆内部嵌入与凹型弯张壳体相连的弹性辅助弯曲梁结构,并用弯曲圆盘作为顶部自由端盖,增加有效工作模态。利用有限元方法对换能器进行了设计优化,分析结果显示换能器在低频段存在4个主要工作模态。根据优化结果,加工制作了换能器样机,水池实验的测试结果表明:在1.5～5.5 kHz范围内,换能器样机的发送电压响应均大于135 dB;1.5～4 kHz内的最大发送电压响应大于142 dB,响应起伏小于6 dB。研究结果表明自由端盖Ⅲ型弯张换能器不仅能够在小尺寸设计下实现大功率工作,还能获得低频宽带发射性能。      

偶极子声波测井仪发射声系性能快速检测方法*

该文提出了一种针对偶极子声波测井仪发射声系性能进行快速检测的方法。通过实验测量方法,采用专门设计的简易装置测量偶极子声波测井仪发射声系激发的声场波形,并提取声场强度、声源主频以及空间分布对称性等特征参数。如果准确掌握了仪器处于完好状态时的这些特征参数,以此为参考依据与实验测量结果进行对比,通过设定可接受的相对偏差,就可完成对偶极子声波测井仪发射声系性能的快速评价。相对于现有的声波测井仪器检测方法,该方法具有高效、便捷的优势,便于在测井前线基地应用。     

正交偶极声波测井换能器有限元分析*

三叠片型换能器是正交偶极声波测井仪器的重要组成部分。换能器的性能直接影响声波测井数据的质量。本文在前人工作基础上,针对三叠片型声波测井发射换能器长度方向的一阶弯曲振动工作模式,利用有限元方法,模拟了换能器结构尺寸和边界条件变化对换能器性能的影响。结果显示,结构尺寸和边界条件对换能器的谐振频率和电导值均有不同程度的影响。参考数值模拟结果,选取合适的结构尺寸参数和边界固定方式,可以调整和选择正交偶极声波测井仪器发射换能器工作频率和最大发射效率。本文研究结果对三叠片型换能器的优化设计有较好的指导意义。     

弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器EI北大核心CSCD

为了降低纵向换能器尺寸并提高发射带宽和发送电压响应,研究了一种弛豫铁电单晶/压电陶瓷混合激励换能器,换能器由[011]方向极化PIN-PMN-PT单晶和PZT-4压电陶瓷混合激励,利用多模态振动耦合的原理,通过单晶的32模式振动,可以灵活调整两种振子之间的驱动能力和刚度分配。首先通过四端网络法得到了换能器等效电路并计算了其谐振频率,然后利用有限元方法对换能器进行了仿真优化,最后制作了试验样机并进行了测试分析。换能器样机外径86 mm、长度80 mm,工作频带13~38 kHz,最大发送电压响应为144.9 dB,带内发送电压响应起伏小于6 dB,具有良好的宽带、小尺寸工作性能。     

压电管堆式宽带换能器*

研究了一种具有管状叠堆结构的圆管换能器,其敏感元件是由纵向极化压电陶瓷单元组成的薄壁管状压电叠堆,探讨利用管状叠堆纵向和径向振动耦合实现宽带发射。利用压电柱壳振动理论推导了管堆的频率方程,分析了换能器的纵向和径向模态的振动耦合特性。在理论分析的基础上利用有限元方法对换能器的带宽和发射电压响应进行优化并研制换能器样机。测试结果表明,纵向极化的管状压电叠堆结构具有良好的发射电压响应和宽带特性,与理论及仿真结果相符。     

声管测量系统的宽带复合型换能器

提出了一种纵向换能器与Ⅳ型弯张换能器相结合的复合型换能器,推导了换能器的等效电路,根据等效电路分析了纵向换能器和弯张换能器之间的耦合作用;应用有限元方法进行了结构优化,使换能器能够发射较高频率声波的同时兼顾低频发射.研制了宽带复合型换能器实验样机,对在声管中所建立的驻波声场特性进行了实验研究,并成功利用该脉冲声管系统进...     

面向水下应用的电容式微机械超声换能器*

电容式微机械超声换能器具有宽频带和易于制造二维阵列等优势,已经成为一种重要的新型超声换能器。该文针对图像声呐系统对新型超声换能器的迫切需求,提出了一种电容式微机械超声换能器结构和参数,并利用硅微加工技术制备出了该换能器,最后对其主要性能参数进行了测试和分析。测试结果表明该换能器具有发射和接收超声波的功能,中心工作频率为1.965 MHz,6 dB相对带宽达到109.4%,在1 MHz、2 MHz和3 MHz频率时的接收灵敏度分别为-218.29 d B、-219.39 dB和-218.11 dB。该文研制的电容式微机械超声换能器显示出了优秀的宽频带特性,且工作频率和接收灵敏度性能均基本满足了高频图像声呐系统的需求。     

NiMnGa磁控形状记忆合金纵振式换能器

为实现低频、小尺寸水下声源,利用具有大应变、快速响应和高能量密度等优势的NiMnGa合金为驱动元件设计了水声换能器。基于NiMnGa合金变形原理,建立了NiMnGa纵振式换能器物理模型,推导了等效电路。通过有限元法,实现了NiMnGa纵振式换能器电磁-机械-声的多物理场耦合仿真,用于预测换能器的水下声学性能。制作了小型NiMnGa纵振式换能器样机,并在水中测试了500～800 Hz频带内的声源级。实验结果表明,换能器样机辐射面直径为8 mm,水中谐振频率为700 Hz,最大声源级为115.5 dB。