Акустический преобразователь Советский патент 1985 года по МПК G01V1/52 

о 1 Изобретение относится к скваяинным акустическим преобразователям, приборостроению, гидроакустическим преобразователям и может быть использовано для акустического каро- тажа при геологоразведке на нефть и газ,акустического воздействия на пласты с целью повьшения дебита и вызова притока нефти в скважины, для акустических измерений, для гидролокаторов и других акустически приборов в геологоразведочной, нефтяной, газовой, судостроительной и других отраслаях промьшшенности. Известен пьезокерамический акустический преобразователь с односторонним излучением и приемом для акустического каротажа, содержащий ,серебряные электроды на внутренней и наружной поверхностях и выполненный в виде цилиндра 1 3. Недостатками этого преобразовате ля являются небольшая эффективность в режиме излучения и небольшая развиваемая мощность вследствие недостаточной величины сопротивления излучения и наличия акустического короткого замыкания между наружной и внутренней поверхностями с одной стороны и торцами и этими же поверхностями - с другой. Известен цилиндрический преобразователь, изготовленный из трех колец из титаната бария, герметизированный снаружи защитной оболочкой из звукопрозрачной резины, причем цилиндры установлены и соединены между собой механи 1ески и изолирова ны с помощью соединительных втулок на торцы крайних цилиндров насажены крышки с сальниками, стянутые между собой болтом и гайкой, внутреннее пространство пьезоцилиндров заполне но воздухом Однако зтот преобразователь хара теризуется тем, что он развивает недостаточную мощность и имеет небольшие эффективность в режиме излу . ч1ения и чувствительность в режиме приема вследствие малого сопротив ления излучения. Наиболее близким к предлагаемом является акустический преобразователь, содержащий трубчатый корпус с активным элементом, размещенным между двумя крышками, во внутренню полость которого запита компенсационная жидкость иЗ. 6 Однако известньй преобразователь характеризуется небольшой излучаемой мощностью и чувствительностью в режиме приема вследствие наличия акустического короткого замыкания между внешней, внутренней и торцовыми поверхностями, а также малой зффективностью в режиме излучения изза недостаточного сопротивления излучения и акустического короткого замыкания между поверхностями активного элемента. Цель изобретения - увеличение акустической мощности, эффективности в режиме излучения и чувствительности в режиме приема. Указанная цель достигается тем, что акустический преобразователь, содержащий трубчатый корпус с активным элементом, размещенным между двзпмя крьшжами, во внутреннюю полость которого залита компенсацион ная жидкость, снабжен двумя жесткими экранами, один из которых повторяет Форму активного элемента и скреплен с торцовой поверхностью активного элемента, а второй выполнен в виде перегородок, соединенных с трубчатым корпусом длиной не более четверти длины волны упругих колебаний в жидКости и высотой, равной высоте активного элемента, при этом в первом из экранов вьтолнены отверстия, отстоящие от середины активного элемента на половину длины волны упругих колебаний в жидкости. На фиг о 1 представлен вариант вьшолнения акустического преобразователя с одним акустическим экраном; на фиг„ 2 - сечение А-А на фиг. 1„ Акустический преобразователь содержит трубчатый корпус 1 - основуi на которой крепится вся конструкция преобразователя. На внешней поверхности сверху и снизу в корпусе выполнены канавки для резиновых уплотнений 2о Поверх уплотнений размещена крышка 3, внешняя поверхность которой запщщена резиновой оболочкой 4. Под крышкой находится уплотнение кольца 5 пьезоэлемента 6 цилиндрической формы, нижний торец которого опирается на уплотнительное и электроизолирукицее кольцо 7. Кольца 5 и 7 вьшолняются из фторопласта, резины, полистирола или другого электроизолирующего материала. Нижняя часть кольца 7 состыкована своим буртиком с канавкой акустически жесткого экрана 8, выполненного в виде толстого кольца из стали или другого проч ного материала. Толщина этого экрана, стенки трубчатого корпуса 1 выполняются равными примерно 1/40 дли ны продольной волны на резонансной частоте для стали или другого испол зуемого материала. В нижней части экрана 8 вьтолнены отверстия 9, нахОдящиеся на расстоянии, равном половине длины волны, распространяющейся в компенсационной яовдкости, залитой внутрь преобразователя от середины образукяцей пьезоэлемента 6 Если толщина стенки экрана 8 велика и ее необходимо принять во внимание то расстояние между серединой высоты пьезоэлемента 6 и центром отверс тий 9 равно разности длины полуволны в компенсационной жидкости и толщины указанной стенки Форма отвер.стий может быть любой. Вместо од ного отверстия в экране 8, число которых может быть больше одного, может быть вьтолнено несколько отверстий общей площадью, равной площади внутренней поверхности пьезоэлеменга. Высота последнего не долж на превышать четверти длины волны в компенсационной жидкости во избежание появления отраженных волн про тивоположной полярностИо В качестве пьезозлемента может быть также использован не только пьезокерамический, но и витой или шихтованный магнитострикционный пре-образователь выполненный в виде цилиндра Диаметр отверстия 9 выбирается та.ким образом, чтобы получить наименьшее сопротивление при распространении акустической волны через отверстие. Нижняя крьшша 10 насажена на трубчатый корпус 1 с помощью уплотнений 11 „ Крьш1ка 10, имеющая как. и крьшка 3 наружную резьбу 12 для стыковки преобразователя с корпусом скважинного снаряда, закреплена на |трубчатом корпусе 1 с помощью гай|ки 13. На крышке 3 вьшолнена наружная резьба 14, в трубчатом корпусе 1 вьтолнено отверстие 15 для кабелей. На фиг. 2 показана звуконепроницаемая перегородка 16, вьшолненная отдельно или заодно с трубчатым кор пусом 1. Между пьезоэлементом 6 и торцом перегородки 16 (экрана) вь полнен зазор 17, равный нескольким десятым миллиметра во избежание касания пьезоэлемента и перегородки между собой во время работы и для с.оздания большого гидравлического сопротивления между секциями А, Б, В, и т«До - вывод 18 от внутренней оболочки пьезоэлемента к свечному вводу 19 для соединения с вьгеодами. Жидкость 20 служит для компенсации статического давления и для распространения звуковой энергии от внутренней поверхности пьезоэлемента для вывода во внешнее пространство. Оболочка 4 вьшолняет также функцию компенсатора при расширениях или сжатии жидкости 20„ Расстояние между перегородками в одной секции не должно превьштать одной половины длины волны, распространяющейся в жидкости 20 на резонансной частоте. Это.расстояние отсчитывается между кромками соседних перегородок. С целью дальнейшего уменьшения потерь в отверстиях 9 и сужении ширины диаграммы направленности в вертикальной плоскости, повьш1ения мощности между крьш1кой 4 и кольцом 5 может быть установлен дополнительный акустически жесткий экран, аналогичный экрану 8о Расстояние между внешней поверхностью трубчатого корпуса, станками пьазоэлемента и экрана 8 составляет менее четверти длины волны в жидкости 20. Акустический преобразоват ель работает следующим образом. С помощью выводов на обкладки пьезоэлемента 6 через свечные вводы 19 от генератора высокой частоты (не показан) подается напряжение высокой частоты, равной резонансной частоте пьезоэлемента.. Эта частота равна f С/3,14 Д , где С- скорость распространения продольных волн в материале пьезоэлемента, а Dcp средний диаметр цилиндра. Пьезоэлемент совершает при этом радиальные колебания, причем если высота образующей больше толщины стенки цилиндра то смещение стенок является односторонним Это вызывает акустические колебания в озвучиваемой среде снаружи и в секциях А, Б, В, Г, Д с противоположными фазами. В устройстве-прототипе энергия колебаний, излучаемых пьезоэлементом 6 в жидкость 20, не используется и уходит в потери на .трение. В данном случае эта энергия получает временную задержку вследствие смещения отверстий 9 на экране 8 на половину длины волны в жидкости 20 и излучается во внешнее пространство синфазно с энергией колебаний излучаемой наружной поверхностью пьезоэлемента. Таким образом достигается увеличение сопротивления излучения, что и приводит к повышению мощности, эффективности в режиме излучения и чувствительности в режиме приема. Во избежание прохождения акустической энергии в , другие отверстия экрана 8, расположенные дальше, чем на половину длины волны, внутри преобразователя установлены звуконепроницаемые перегородки 16, направляющие поток энер гии только в те отверстия в экране 8,в которых происходит инвертирование фазы на 180. Это позволяет увеличит сопротивление излучения преобразователя на 70-80%, что в свою очередь приводит к соответствующему увеличению мощности и эффективности в режиме излучения на 30-40%. Увеличение чувствительности в режиме П 6 приема реализуется на 70-80%. Кроме того, в преобразователе, снабженном двумя экранами 8 (снизу и сверху пьезоэлемента 6), можно широко варьировать частотную характеристику, форму и ширину диаграммы направленности путем смещения отверстий 9 относительно центра образующей цилиндра пьезоэлемента 6. Увеличение расстояния между отверстиями 9 и центром дает подъем в частотной характеристике на частотах ниже резонанса, уменьшение этого расстояния - на частотах вьш1е резонанса. При использовании предлагаемого акустического преобразователя для акустического воздействия на нефтяные и иные пласты время обработки последних может сократиться примерно в 1,5 раза. При использовании прибора для каротажа эффективность последнего повьш1ается путем повьш1ения излучаемой мощности, чувствительности в режиме приема и эффективности в режиме излучения, что, в свою очередь, приводит к повьш1ению отношения сигнал-шум всей каротажной аппаратуры в общей и ее разрешакмдей способности Фиг. г

АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, содержащий трубчатый корпус с активным элементом, размещенным .-. между двумя крьшками, во внтуреннюю полость которого залита компенсационная жидкость, отличающийся тем, что, с целью увеличения акустической мощности, эффективности в режиме излучения и чувствительности в режиме приема, он снабжен двумя жесткими экранами, один из которых повторяет форму активного элемента и скреплен с торцовой поверхностью активного злеменга, а второй выполнен в виде перегородок, соединенных с трубчатым корпусом длиной не более четверти длины волны упругих колебаний в жидкости и высотой, равной высоте активного элемента, при этом в пер(Л вом из экранов выполнены отверстия, с отстоящие от середины активного элемента на половину длины волны упругих колебаний в жидкости.