Гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы Российский патент 2020 года по МПК H04R1/44 G01V1/38 

Изобретение относится к технике пьезоэлектрических приемников звука геофизической сейсмокосы, предназначенных для регистрации и измерения акустического поля в воде, применяемых в геофизике для поиска углеводородов.

Основная цель проектирования таких приемников - создание высокочувствительных к звуковому давлению, легко совмещаемых с конструкцией протяженных антенн и стримеров. При этом такой приемник должен обладать малым удельным весом, быть механически прочным к внешнему гидростатическому давлению и иметь минимальную чувствительность к вибрации. Поскольку в протяженных антеннах и стримерах необходима установка до нескольких десятков тысяч приемников на изделие, весьма важна себестоимость таких приемников и, соответственно, технологичность их изготовления.

Известны отечественные приемники давления для геофизических стримеров [1], а также приемники подобной конструкции, известные из [2]. Приемники [1] содержат герметичный цилиндрический корпус, на торцах которого размешены изгибные тонкостенные пьезокерамические элементы в виде дисков, электрически включенные согласно, так что, при синфазном воздействии звукового давления электрический заряд складывается, а при вибрации закрепленного в буксируемой антенне герметичного корпуса электрический заряд на обкладках пьезоэлементов - вычитается.

Такие приемники обладают высокой чувствительностью к акустическому давлению. Однако их существенным недостатком является низкая прочность к гидростатическому давлению и низкая виброустойчивость, что существенно ограничивает область их применения в геофизических антеннах.

Известен гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы [3], который содержит по крайней мере один цилиндрический пьезоэлемент внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом и электрические выводы, на наружную поверхность пьезоэлемента с натягом установлена полиуретановая трубка, а торцы трубки герметично защемлены. Наиболее близким по количеству общих признаков с предлагаемым приемником является приемник акустического давления [3].

Приемник акустического давления для геофизической сейсмокосы, содержит по крайней мере один цилиндрический пьезоэлемент и установленную на нем с натягом полиуретановую трубку через концевые части трубки выведены электрические провода от электродов цилиндрического пьезоэлемента.

Безусловным достоинством этого приемника является простота, технологичность конструкции и повышенная чувствительность к акустическому давлению, близкая к расчетной [5] (сумма радиальной и торцевой чувствительности цилиндрического пьезоэлемента за счет использования пьезомодуля d₃₁).

Однако, приемник-прототип имеет ряд недостатков - не используется потенциальная возможность увеличения чувствительности пьезоэлемента, поскольку радиальные и осевые колебания пьезоэлемента под действием акустического давления приводят к возникновению деформаций пропорциональных только пьезомодулю d₃₁. При этом в существующей матрице пьезомодулей [4, 5] пьезомодуль d_31; почти в два раза меньше пьезомодулей d₃₃ или d₁₅. Кроме того, монтаж такого приемника в сейсмокосе вызывает затруднения из-за полной герметизации внутреннего объема, при которой осесимметричная установка в сейсмокосе проблематична, и исключена прокладка сквозь внутренний объем линий телеметрии, при этом, технологический прием вывода электрических проводов через концевые части трубки не обеспечивает при термообработке надежной герметизации пьезоэлемента от заполнителя сейсмокосы.

Задачей заявленного изобретения повышение чувствительности заявленного приемника, а также повышение технологичности его изготовления и встраивания в конструкцию сейсмокосы.

Технический результат предлагаемого решения заключается в достижении максимальной чувствительности приемника путем использовании для электромеханического преобразования пьезомодулей d₃₁ и d_15, обеспечении транзита линий коммуникаций через приемник, предотвращение нарушения работоспособности пьезоэлемента при нештатном увеличении гидростатических давлениях.

Для достижения заявленного технического результата в гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, содержащий чувствительный элемент, выполненный по крайней мере из одного цилиндрического пьезоэлемента, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, а на наружную поверхность с натягом установлена полимерная трубка, также содержащий электрические выводы введены новые признаки, а именно: герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента выполнена с помощью коаксиально установленной в его внутренней полости жесткой трубки и торцевых втулок, торцевые втулки выполнены в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, концевые части полимерной трубки, выступающие за торцы чувствительного элемента, герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельно допустимого гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки, и торцы жесткой трубки в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов.

Чувствительный элемент может быть выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу и соединенных последовательно.

В этом случае электрические выводы от наружных электродов чувствительного элемента целесообразно вывести через отверстия в полимерной трубке и загерметизировать полимером.

Предложенная конструкция приемника позволяет реализовать в чувствительном элементе колебания сдвига, при которых реализуется пьезомодуль d₁₅, что обеспечивает повышение чувствительности к акустическому давлению, а выполнение торцевых втулок в виде полых усеченных конусов предохраняют приемник от разрушения в аварийных ситуациях при избыточном гидростатическом давлении.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена конструкция заявленного приемника.

Гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны содержит чувствительный элемент 2 и, установленную на нем с натягом, полиуретановую трубку 1. Концевые части трубки 1, выступающие за торцы чувствительного элемента 2 герметично склеены по внутренней поверхности с центрирующими торцевыми втулками 6, жестко и герметично соединенными с полым цилиндром 5. Герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента 2 выполнена с помощью коаксиально установленной в его внутренней полости жесткой трубки 5 и торцевых втулок 6. Торцевые втулки выполнены в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки. Концевые части полимерной трубки 1, выступающие за торцы чувствительного элемента, герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок 6, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок 6 герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки 5. В сечении между внутренней поверхностью чувствительного элемента 2 и конической поверхностью торцевых втулок 6 имеется зазор, размер которого определяется экспериментально для конкретной величины заданного предельного гидростатического давления. Эксперимент подтвердил, что механическая прочность такого приемника при ширине зазора, равного ширине пьезокерамического кольца обеспечивает его прочность при давлении до 80 атм. Внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки 6 на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки 5, и торцы жесткой трубки 5 в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов.

Чувствительный элемент в данном примере выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу 4 и соединенных последовательно. Это позволяет обеспечить повышенную виброустойчивость приемника и вывести электроды 3 чувствительного элемента с наружной поверхности цилиндрических пьезоэлементов, через полимерную трубку, загетметизировав их полимером.

Заявленный приемник изготавливают следующим образом: полиуретановую трубку 1 с натягом одевают на заранее изготовленный чувствительный элемент 2. Через отверстие в трубке удаляют клей с поверхности электродов пьезоэлемента 2 и припаивают провод 3. Затем, на внутреннюю поверхность концевых частей трубки 1, выступающие за торцы цилиндрического пьезоэлемента наносится клей, в одну из торцевых втулок с натягом устанавливается центрирующая втулка бис натягом вставляется в полиуретановую трубку 1 до упора торцевой втулки 6 с торцом полого цилиндра 5. Та же операция по установке торцевой втулки 6 выполняется на противоположном конце полиуретановой трубки 1. Отверстие в полиуретановой трубке 1 на поверхности пьезоэлемента 2 после пайки вывода 3 заливают герметизирующим полимером. После выдержки, необходимой для полимеризации клея, производится проверка электроакустических параметров изготовленного приемника и проверка его на герметичность при воздействии гидростатического давления. При установке заявленного приемника в геофизическую сейсмокосу приемник соосно с оболочкой сейсмокосы фиксируют на силовом грузонесущем элементе и через жесткую трубку 5 протягивают линии электрической коммуникации.

Предложенный приемник работает следующим образом.

При действии акустического давления тангенциальные механические напряжения, возникающие на внешней поверхности чувствительного элемента одновременно приводят к сжатию-растяжению полиуретановой трубки, жестко связанной с внешней поверхностью чувствительного элемента, радиальному сжатию - растяжению чувствительного элемента и возникновению на электродах суммарной ЭДС, пропорциональной пьезомодулю сдвига (d₁₅) и радиальным колебаниям цилиндрического пьезоэлемента (d₃₁). В отличие от прототипа, где используется только пьезомодуль d₃₁ электромеханическое преобразование в пьезоэлементе происходит благодаря реализации пьезомодулей d₁₅ и d_31. где d₁₅≈2 d₃₁, и, как следствие, достижению в цилиндрических пьезоэлементах максимальной чувствительности к акустическому давлению. В приемнике-прототипе сдвиговый модуль практически не реализуется, так как при осцилляция полимерной трубки под действием звукового давления в ней реализуются радиальные колебания и торцевые колбания цилиндрического пьезоэлемента. Другими словами, в приемнике прототипе полностью реализуется пьезомодуль d₃₁ и увеличение чувствительности в 1,3-1,4 раза и по отношению к чувствительности, обусловленной только радиальными колебаниями, близко к теоретическому [5].

В предлагаемом приемнике конструкция исключает деформацию торцов пьезоэлемента, а при синфазных радиальных колебаниях трубки часть из которой жестко связана с наружной поверхностью цилиндрического пьезоэлемента и свободной части трубки в зазоре одновременно возникают механические тангенциальные напряжения (пьезомодуль d₃₁₎ и сдвиговые напряжения (пьезомодуль d₁₅) за счет сжатия - растяжения свободных участков трубки. Таким образом, в предлагаемой конструкции приемника суммарно реализуются пьезомодули d₃₁ и d_15, при которых происходит увеличение чувствительности в 1,7-1,9 раза по отношению к чувствительности, обусловленной только радиальными колебаниями, и близко к теоретическому значению [5].

Таким образом, в предлагаемой конструкции мы реализуем чувствительность на 25-35% больше, чем у приемника-прототипа. Кроме того, при действии предельного гидростатического давлений, вызванного аварийной ситуацией (обрыв сейсмокосы и погружение ее на глубины, превышающие рабочие) наличие коаксиально установленной во внутренней полости приемника жесткой трубки и торцевых втулок, выполненных в виде полых усеченных конусов и выполняющих роль «предохранителя», ограничивающего радиальный прогиб свободных участков трубки при избыточном гидростатическом давлении, разрушение заявленного приемника произойдет при значительно больших глубинах погружения, чем у приемника-прототипа. Кроме того, благодаря наличию в приемнике полой осесимметричной трубки обеспечивается виброустойчивое крепление приемника и прокладка в сейсмокосе линий телеметрии вдоль оси симметрии, что способствует обеспечению штатной эксплуатации сейсмокосы.

Все изложенное выше позволяет считать, что заявленный результат достигнут.

Источники информации

1 - Рекламный проспект ОАО «ЭЛЛА» info@elpapiezo.ru

2 - Рекламный проспект Geopoint Hydrothon фирмы Benhtos inc. Huston

3 - гидроакустическаий приемник для геофизической сейсмокосы. Патент РФ на изобретение №2626812 Опубликовано: 01.08.2017

4 - Голямина И.П. Ультразвук Москва изд. «Советская Энциклопедия». 1979 г.

5 - Ананьева А.А. Керамические приемники звука изд. Академии наукСССР 1963 г.

Изобретение относится к технике пьезоэлектрических приемников звука геофизической сейсмокосы, предназначенных для регистрации и измерения акустического поля в воде, применяемых в геофизике для поиска углеводородов. Предложен гидроакустический приемник, в котором чувствительный элемент, выполнен по крайней мере из одного цилиндрического пьезоэлемента, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, а на наружную поверхность с натягом установлена полимерная трубка, также содержащий электрические выводы. В заявленном приемнике герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента выполнена с помощью коаксиально установленной в его внутренней полости жесткой трубки и торцевых втулок, торцевые втулки выполнены в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, концевые части полимерной трубки, выступающие за торцы чувствительного элемента, герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки, и торцы жесткой трубки в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов. Это позволяет повысить чувствительность заявленного приемника, технологичность его изготовления и встраивания в конструкцию сейсмокосы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны, содержащий чувствительный элемент, выполненный по крайней мере из одного цилиндрического пьезоэлемента, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, а на наружную поверхность с натягом установлена полимерная трубка, также содержащий электрические выводы, отличающийся тем, что герметизация внутренней поверхности чувствительного элемента выполнена с помощью коаксиально установленной в его внутренней полости жесткой трубки и торцевых втулок, торцевые втулки выполнены в виде полых усеченных конусов, имеющих на концах цилиндрические участки, концевые части полимерной трубки, выступающие за торцы чувствительного элемента, герметично склеены по внутренней поверхности с наружной поверхностью цилиндрических участков торцевых втулок, а внутренняя цилиндрическая поверхность торцевых втулок герметично соединена с наружной поверхностью полой жесткой трубки, при этом между внутренней поверхностью чувствительного элемента и конической поверхностью торцевых втулок имеется зазор, размер которого определяется величиной предельного гидростатического давления, причем внутренняя цилиндрическая поверхность каждой торцевой втулки на конце снабжена цилиндрическим выступом, внутренний диаметр которого равен внутреннему диаметру жесткой трубки, и торцы жесткой трубки в упор соединены с внутренними торцами этих цилиндрических выступов.

2. Приемник по п. 1, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из двух соосно расположенных цилиндрических пьезоэлементов, радиально поляризованных в противоположных направлениях, склеенных по торцам через диэлектрическую шайбу и соединенных последовательно.

3. Гидроакустический приемник по п. 2, отличающийся тем, что электрические выводы от наружных электродов чувствительного элемента выведены через полимерную трубку и загерметизированы полимером.