УЗЕЛ ПРИВОДА ИСТОЧНИКОВ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G01V1/143 B06B1/10 G10K1/06 

Изобретение относится к устройствам возбуждения колебаний акустических источников, имеющих звукоизлучающие поверхности, которые могут быть приведены в колебательное движение, для использования, например, при решении задач сейсмической разведки.

Примерами источников, которые служат для генерации звуковых волн в воде, могут служить гидролокационные источники, источники для обнаружения изгибных напряжений, или сейсмические передатчики или источники энергии. Изобретение может использоваться преимущественно в источниках таких типов, т. е. для излучения звуковых волн под водой. Результирующий эхо-сигнал, отраженный от морского дна и подстилающих геологических образований, может быть обнаружен с помощью гидрофонов и геофонов различных типов.

При этом хорошо известно, что низкочастотные звуковые волны могут передаваться через водную среду и геологические структуры на большие расстояния, чем высокочастотные. В области военного применения, также как и в индустрии морской добычи нефти и газа, давно существовала потребность в мощных источниках звука низких частот, которые могли бы работать под водой. Длительное время для этих целей и областей применения использовались источники различных конструкций и видов. Такие акустические источники описаны, например, в "Seismic Energy Sources", 1968, Handbook, Bendix, United Geophysical Corporation, 1968, а также в "Transducer Needs for Low-Frequency Sonar, Proceedings of the Second International Workshop on Power Transducer for Sonic and Ultrasonics", France, June 12 - 13, 1990.

Большинство акустических источников, используемых в настоящее время, представляют собой источники импульсного типа, которые разработаны для получения излучения как можно большей энергии за как можно более короткий промежуток времени. Частоты колебаний, излучаемых такими источниками, могут быть изменены в весьма незначительной степени и поэтому для решения разных изыскательских задач выбираются разные источники.

Не так давно были разработаны сейсмические источники энергии в виде вибраторов, которые могут генерировать колебания в пределах различных частотных полос, с так называемым "качанием частоты". К этой группе относятся вибраторы, которые работают на основе гидравлических устройств, и источники, использующие пьезоэлектрические или магнитострикционные материалы. В гидравлических вибраторах управление поршнем осуществляется с помощью клапанного устройства, что делает возможным получение больших амплитуд колебаний. Пьезоэлектрический эффект, как известно, заключается в изменении длины кристаллического материала под воздействием электрического напряжения, приложенного к его внешней поверхности, и, наоборот, если этот материал подвергнуть физической деформации, то на его внешней поверхности появляется электрическое напряжение. Магнитострикция заключается в том, что магнитные материалы под воздействием изменения магнитного поля изменяют свою длину, и наоборот, изменение длины материала будет приводить к изменению магнитного поля.

При этом существуют разнообразные конструкции акустических источников. Источники колебаний низких частот, в которых используются гидравлические принципы, обычно имеют поверхность круглой формы (по форме поршня), а в случае использования пьезоэлектрических или магнитострикционных материалов - цилиндрической формы с круглым или эллиптическим поперечным сечением.

Источник с гидравлическим поршнем описан в "The Marine Vibrator Source", First Break, vol. 6, N 9, September, 1988/285.

Наибольшая проблема, связанная с этим типом управляемых источников, состоит в получении точно заданной и достаточно большой амплитуды колебаний. Для этого необходима либо большая поверхность источника, либо, если поверхность источника небольшая, колебания с большими амплитудами.

Вибраторы на основе гидравлического принципа (например, для морской сейсмической разведки) обеспечивают большие амплитуды на низких частотах. Движениями поршня управляет клапанное устройство, однако степень управляемости источников с гидравлическим поршнем, что касается амплитуды и частоты, является ограниченной.

Наличие так называемых "высокомагнитострикционных магнитных материалов" обеспечивает возможность изготовления хороших акустических источников. При использовании материалов этого типа в качестве элементов привода стало возможным получение амплитудных изменений, которые в 20 раз превышают соответствующие амплитуды, достигаемые при использовании пьезоэлектрических материалов. Источники, использующие высокомагнитострикционные материалы, имеются в продаже уже несколько лет. Увеличение амплитуды, однако, все еще относительно невелико; к тому же магнитострикционные материалы имеют серьезные ограничения в области низких частот, несмотря на то, что управление амплитудой простое и очень точное.

Теперь более подробно рассмотрим обычную конструкцию современного возбудителя колебаний, при этом за основу возьмем цилиндрический источник, имеющий эллиптическое поперечное сечение. Цилиндрическая камера состоит из эластичной мембраны или оболочки. Внутри нее параллельно оси цилиндра и в сцеплении с оболочкой установлены два концевых стержня. Поверхность поперечного сечения стержней представляет собой симметричное зеркальное изображение относительно короткой оси эллиптической оболочки и каждый стержень ограничен частью оболочки, которая обращена к концу длинной оси, и линией, параллельной короткой оси. Между стержнями и в сцеплении с их параллельными сторонами установлен электрически управляемый элемент возбуждения в виде штока привода. Продольная ось штока привода совпадает с длинной осью эллиптического поперечного сечения и пространственно расположена на равных расстояниях от торцов источника. Если используется магнитострикционный принцип, то шток состоит из магнетика, предпочтительно из высокомагнитострикционного материала, который намагничивается окружающей его электрической обмоткой в соответствии с желаемой частотой генерации. Если используется пьезоэлектрический принцип, то шток выполняется из пьезоэлектрического материала. Безусловно, шток может состоять полностью или частично из любого материала, который обеспечивает требуемую возможность изменений длины.

Базовая конструкция акустического источника, описанная выше, может меняться в деталях. Акустический источник, имеющий цилиндрическую форму и поперечное сечение эллиптической формы, со штоком из высокомагнитострикционного материала описан, в частности в патенте США N 4901293 "A rare earth flextensional transducer".

Изобретение относится к устройству, которое упоминается выше как элемент возбуждения, но далее в описании будет называться узлом или устройством привода (или возбуждения колебаний). Что касается остальных частей источника, то в качестве исходной принята конструкция, имеющая цилиндрическую форму и поперечное сечение эллиптической формы, как рассматривалось выше. Источник имеет эластичную мембрану или оболочку и два внутренних концевых стержня на концах длинной оси.

Система возбуждения колебаний в самом широком смысле содержит в соответствии с вариантом выполнения изобретения раму, имеющую внешнюю форму в виде прямоугольного параллелепипеда. Устройство возбуждения колебаний, включающее электродвигатель, соединенный с осью, имеющей овально-коническую форму, прикреплено к раме. Овально-коническая ось находится в зацеплении с регулируемой люлькой. С люлькой соприкасаются толкатели, которые передают усилие на мембрану. Электродвигатель соединяется с регулятором, который управляет частотой. Вращение оси овально-конической формы вызывает колебания мембраны вперед и назад пропорционально скорости вращения. В зависимости от того, какой вид придан овальной-конической оси, могут генерироваться большие амплитуды низкой частоты.

В данном варианте выполнения изобретения амплитуда изменяется путем смещения регулируемой люльки вдоль овально-конической оси с помощью линейного двигателя. Таким образом, может быть изменена амплитуда перемещения, воздействующего на толкатели, связанные с мембраной через концевые стержни. Путем изменения частоты с помощью регулятора двигателя и путем изменения амплитуды перемещения с помощью линейного двигателя можно выбрать режим качания частоты с желаемой амплитудой и частотой.

В этом варианте выполнения изобретения высота рамы выбирается так, чтобы по существу соответствовать расстоянию между внутренними параллельными сторонами концевых стержней, то есть длине длинной оси между концевыми стержнями. Ширина рамы соответствует осевой длине цилиндрической оболочки. Толщина рамы может варьироваться без больших ограничений и рама может, например, быть выполнена из прямоугольных, T-образных, L-образных, I-образных брусков, труб или других конструктивных элементов из подходящих материалов. Как описывается ниже, эллиптические концевые пластины источника прикреплены к сторонам рамы, соответствующим ее высоте и толщине.

Требуемое механическое смещение обеспечивается с помощью устройств, расположенных на толкателях. Толкатели, которые передают усилия на мембрану, снабжаются винтовым устройством, например таким, которое дает возможность сделать толкатель более длинным или более коротким, что предназначено для изменения механического смещения.

Описываемый здесь подход к проектированию акустического источника включает большую степень свободы в той части, которая касается структуры, размеров и акустической мощности, так как помимо прочего количество узлов возбуждения колебаний в системе возбуждения может выбираться свободно. Рама дает хорошие возможности для монтирования узлов или устройств возбуждения колебаний и для прикрепления концевых стержней в процессе изготовления мембраны.

Из предварительных приведенных выше сведений и как будет видно из последующего описания устройство или узел привода (возбуждения колебаний) в соответствии с изобретением в его наиболее общей форме отличается наличием вращающего электродвигателя, имеющего связанную с ним ось, которая имеет по крайней мере один участок, внешний контур поперечного сечения которого по крайней мере частично по длине оси выполнен не круглым, но предпочтительно плавно округленным, например в форме овала, и ряд толкателей, размещаемых радиально по отношению к оси таким образом, что при вращении оси некруглый участок воздействует на них, предпочтительно косвенным образом на их внутренние в радиальном направлении концы, в то время как внешние в радиальном направлении концы толкателей служат для возбуждения колебаний упомянутой звукоизлучающей поверхности.

В последующем более детально будут объяснены другие особенности изобретения.

На фиг. 1 показан цилиндрический акустический источник, имеющий эллиптическое поперечное сечение, который включает устройство привода (возбуждения колебаний), в соответствии с изобретением; на фиг. 2 - элементы устройства возбуждения колебаний; на фиг. 3 - скользящие колеса, смонтированные на люльке; на фиг. 4 A-F - различные формы поперечных сечений некруглого участка оси; на фиг. 5 - альтернативный вариант выполнения изобретения по отношению к показанному на фиг. 2 и 3.

Акустический источник, в котором предпочтительно может использоваться система возбуждения колебаний в соответствии с настоящим изобретением, показан на фиг. 1. Показано, что источник имеет форму цилиндра с эллиптическим поперечным сечением. С внешней стороны источник имеет покрывающую поверхность в виде эластичной мембраны 1 и концевых пластин 2 и 3. В объеме, ограниченном мембраной, на концах длинной оси эллиптического поперечного сечения имеются два концевых стержня 4 и 5.

Устройство возбуждения колебаний смонтировано в прямоугольной раме 6. Рама расположена в центре объема внутри мембраны таким образом, что плоскость, расположенная посредине между сторонами, определяющими высоту и ширину рамы, и параллельно им обеим, совпадает с плоскостью всех длинных осей. Высота h рамы выбирается таким образом, чтобы она в общем случае соответствовала свободному промежутку между концевыми стержнями, и это практически означает, что рама будет соединять концевые стержни. Ширина b рамы соответствует осевой длине цилиндрической мембраны. Поэтому концевые пластины источника могут быть прикреплены с помощью винтов 7, 8, 9 и 10 к сторонам рамы, соответствующим ее высоте-ширине. Толщина t рамы, т. е. расстояние между двумя ее сторонами, соответствующими высоте-ширине, в общем случае определяется требованиями к практическому встраиванию устройства возбуждения колебаний, а также требованиями к размерам сквозных отверстий для толкателей. Поскольку рама "плавает" внутри источника, когда она посредством толкателей механически смещается, рама по существу не будет подвергаться значительным механическим деформациям. Поэтому высота и ширина рамы будут в основном определяться количеством толкателей или количеством устройств возбуждения колебаний, необходимым для получения требуемой акустической мощности. Сквозные отверстия 11, 12, 13 и 14 для толкателей устройства возбуждения колебаний расположены на раме вдоль ее общей центральной оси или линии. Перпендикулярно отверстиям для толкателей в раме предусмотрены сквозные отверстия 15 и 16 для оси вращающего двигателя и для двигателя линейного перемещения.

Пример устройства или узла возбуждения колебаний в соответствии с изобретением показан на фиг. 2. Электродвигатель 17 присоединен к оси 18 овальной-конической формы. В зацеплении с этой осью находится смещаемая люлька 19 и 20, которая действует на пару толкателей 21 и 22. На конце этих толкателей показаны скользящие колеса 23 и 24, установленные для уменьшения трения при движении по подвижной люльке 19 и 20. В подвижной люльке предусмотрены скользящие колеса 25 и 26 для уменьшения трения при движении по оси овально-конической формы. Кроме того, могут быть рассмотрены и другие средства уменьшения трения, в которых с осью овально-конической формы может быть связан обычный подшипник. Посредством нарезной части 27 и 28 толкатели могут вращаться и благодаря этому может быть изменено механическое смещение. Способ механического смещения толкателей может быть реализован в различных видах, например путем использования клиньев или гидравлических поршней.

Скорость вращения электродвигателя 17 может регулироваться с помощью системы управления 29, которая соединяется с электродвигателем с помощью кабеля 31. Эта система управления может содержать, например, преобразователь частоты или нечто подобное, в зависимости от того, используется двигатель постоянного или переменного тока. Амплитуда изменяется посредством оси 18, имеющей овально-коническую форму, и подвижной люльки 19 и 20, которая сцеплена с осью и приспособлена для смещения вдоль оси с помощью двигателя 30 линейного перемещения. Вместо двигателя линейного перемещения могут быть использованы другие устройства различного вида, обеспечивающие достаточное движение люльки. Другой способ управления амплитудой состоит в использовании эксцентрической оси, которая блокирована радиально с помощью шпонки и может быть смещена вдоль оси двигателя путем использования, например, двигателя линейного перемещения, как объясняется ниже со ссылкой на фиг. 5.

На фиг. 3 показан пример установки скользящего колеса 25 на оси 32 в люльке для уменьшения трения при движении по оси, имеющей овально-коническую форму.

Основная идея, описанная по отношению к источнику с необходимыми деталями, может быть реализована в виде различных вариантов, охватываемых настоящим изобретением. В дополнение к выбору количества толкателей, осей для задания амплитуды, размеров узлов возбуждения колебаний и рамы, что уже было упомянуто выше, двигатель 17 может быть расположен вне фактического источника, представленного мембраной 1, что схематически показано на фиг. 2.

Задающая амплитуду ось, предварительно описанная как ось 18, имеющая овально-коническую форму, может быть выполнена в различном виде, при этом определяющим параметром будет требуемый набор частот возбуждения. Например, выбор задающей амплитуду оси может быть направлен на то, чтобы получить несколько частот одновременно без изменения частоты двигателя. Ряд модификаций поперечных сечений оси для подобного случая обсуждается ниже со ссылкой на фиг. 4. Более того, вполне возможно такое выполнение источника, при котором этот источник используется для одной определенной частоты вращения и/или для случая, когда ось, задающая амплитуду, заменяется при различных вариантах использования. Для некоторых случаев использования может представлять интерес цилиндрическая, а не коническая ось, задающая амплитуду.

В том случае, если требуется расширить частотный диапазон источника вверх по частоте, в толкатели могут быть введены приводные элементы на основе магнитострикционных и пьезоэлектрических материалов, показанные как элементы 28A и 28B на фиг. 2.

Очевидно, что устройство возбуждения колебаний также может быть использовано в источниках цилиндрической формы, имеющих поперечное сечение, отличное от эллиптического, например круглое. Другое применение устройства возбуждения колебаний, очевидно, представляют поршневые источники, где, например, могут использоваться поршень и мембрана круглой формы или два диаметрально противоположных поршня с мембранами круглой формы, расположенными одна напротив другой. Мембрана, безусловно, может иметь отличающуюся от круглой геометрическую форму.

На фиг. 4, A-F показаны различные формы оси или, более точно, участка оси, как указано выше. На фиг. 4,A-F отмечена действительная ось 38 двигателя, тогда как поперечное сечение участка оси, имеющего различную форму для получения различного состава частот, показано полностью черным около действительной приводной оси 38.

Форма поперечного сечения на фиг. 4,F соответствует овальному контуру, который рассматривался выше со ссылкой на фиг.2. Фиг. 4,A показывает возможность еще более простой формы, основанной на круглом контуре, который, однако, благодаря своей эксцентричности по отношению к оси 38, представляет форму не круглую, что дает в результате основную частоту, равную половине основной частоты варианта, показанного на фиг. 4,F, при условии той же самой скорости вращения приводной оси 38.

Фиг. 4,B показывает модификацию овального поперечного сечения из фиг. 4, F, где четыре выступающих контурных элемента 34B1, 34B2, 34B3 и 34B4 обеспечивают через толкатели возбуждение колебаний, содержащих высшие гармоники основной или исходной частоты.

Фиг. 4, C показывает более остроугольное поперечное сечение с восемью треугольными выступами или волнами, которое, в противоположность другим показанным примерам, не имеет какого-нибудь значительного округления внешнего контура.

С другой стороны, фиг. 4,D показывает хорошо скругленный контур поперечного сечения, имеющий четыре волновых гребня. Наконец, фиг. 4,E показывает вариант выполнения участка оси, имеющего круглую основную форму, модифицированную двумя группами гребней, каждая из которых состоит из трех волновых гребней, а именно 34E1, 34E2, 34EЗ и 34E4, 34E5, 34E6 соответственно.

Варианты контуров поперечных сечений, иллюстрируемые на фиг. 4,A-F, показывают некоторые возможности, которые имеются для возбуждения определенного набора частот.

Как упоминалось выше, регулирование амплитуды может иметь место благодаря возможности осевого перемещения участка оси вдоль оси устройства возбуждения колебаний или двигателя. Принцип этого варианта выполнения показан на фиг. 5, где ось 48 привода двигателя несет участок 58 оси, составляющий отдельную часть, обладающую возможностью перемещения вдоль оси 48 устройства возбуждения колебаний. Однако во всех положениях на оси участок заблокирован от вращения вокруг оси 48 посредством шпонки 48A и соответствующей внутренней шпоночной канавки 58A на участке 58 оси. Чисто схематически на фиг. 5 показано, как два толкателя 51 и 52 своими внутренними концами непосредственно касаются внешней поверхности или контура участка 58 оси, чтобы он действовал на них во время вращения. Таким образом, аналогично варианту на фиг. 2, ось 48 привода и толкатели 51, 52 также всегда находятся в одном и том же положении друг относительно друга в осевом направлении, тогда как смещение участка 58 вдоль оси 48 привода может служить для управления амплитудой, если некруглый участок оси, или элемент 58, выполнен коническим.

Наконец, фиг. 5 показывает, что на оси 48 дополнительно к узлу 50 может быть установлен дополнительный узел 60 той же самой конструкции, т. е. участок 68 оси (или несколько таких участков) со связанным с ним набором толкателей 61 и 62 для возбуждения тех же самых звукоизлучающих поверхностей (не показаны) в акустическом источнике. Два или более таких узлов 50 и 60 могут также быть установлены на отдельных для каждого узла осях, которые предпочтительно расположить параллельно.

Использование: при сейсмических исследованиях. Сущность изобретения: узел привода источников акустических сигналов, имеющих звукоизлучающие поверхности, приводимые в колебательное движение, содержит вращающий электродвигатель и связанную с ним ось, которая включает участок, внешний контур поперечного сечения которого по меньшей мере частично на протяжении этого участка оси не является окружностью, но предпочтительно плавно округлен. Кроме того, устройство содержит ряд толкателей, установленных радиально по отношению к оси таким образом, чтобы при вращении оси некруглый участок оси воздействовал на их внутренние концы, тогда как внешние концы толкателей 21 и 22 возбуждают колебания звукоизлучающей поверхности. 10 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Узел привода источников акустических сигналов, имеющих звукоизлучающие поверхности, выполненные с возможностью приведения их в колебательное движение, в частности для использования в сейсмических исследованиях, отличающийся тем, что он содержит вращающий электродвигатель и связанную с электродвигателем ось, которая имеет по меньшей мере один участок, внешний контур поперечного сечения которого по меньшей мере частично на протяжении указанного участка оси не является окружностью, но предпочтительно плавно округлен, например, имеет форму овала, и ряд толкателей, установленных радиально по отношению к оси с возможностью воздействия на внутренние в радиальном направлении концы толкателей указанного некруглого участка оси при ее вращении, тогда как внешние в радиальном направлении концы толкателей установлены с возможностью возбуждения колебательного движения звукоизлучающей поверхности. 2. Узел привода по п.1, отличающийся тем, что скорость вращения двигателя может регулироваться посредством системы управления. 3. Узел привода по п.1 или 2, отличающийся тем, что некруглый участок оси имеет также конусность, а узел привода включает имеющее возможность перемещения вдоль оси устройство типа люльки для преобразования вращательного движения указанного участка оси в поступательное движение толкателей в их продольном направлении, предпочтительно с использованием линейного электродвигателя для смещения люльки вдоль оси. 4. Узел привода по п.3, отличающийся тем, что люлька снабжена скользящими колесами, катящимися по указанному участку оси, и оси этих колес предпочтительно по существу параллельны оси вращающего двигателя. 5. Узел привода по п.1 или 2, отличающийся тем, что некруглый участок оси является цилиндрическим. 6. Узел привода по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что некруглый участок оси имеет поперечное сечение с одним или несколькими выступающими по контуру элементами или волнообразными формами для формирования желаемого состава частот возбуждения звукоизлучающих поверхностей с помощью толкателей. 7. Узел привода по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что толкатели снабжены устройством смещения на основе регулировки длины толкателей. 8. Узел привода по любому из пп.1 - 7, отличающийся тем, что толкатели снабжены возбуждающими элементами на основе, например, магнитострикционного или пьезоэлектрического эффектов для дополнительного или накладывающегося возбуждения звукоизлучающих поверхностей с помощью толкателей. 9. Узел привода по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что он выполнен с возможностью размещения по существу внутри связанного с ним акустического источника и в основном окруженным этим источником, тогда как вращающий двигатель выполнен с возможностью размещения снаружи акустического источника. 10. Узел привода по любому из пп.1 - 9, отличающийся тем, что он содержит одну или несколько предпочтительно параллельных осей, каждая из которых имеет один или более некруглый участок, каждый из которых имеет взаимодействующий с ним набор толкателей. 11. Узел привода по любому из пп.1, 2, 6 - 10, отличающийся тем, что некруглый участок оси имеет также конусность и выполнен в виде отдельной части с возможностью перемещения вдоль оси, но без возможности вращения относительно нее, а толкатели установлены с возможностью воздействия предпочтительно непосредственно на их внутренние концы этого участка оси при вращении.