Акустический преобразователь Советский патент 1988 года по МПК G01V1/52 

(21)4101458/24-25

(22)09.06.86

(46) 15.06.88. Бюл. № 22

(71)Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии

(72)В.Н.Носов (53) 350.83 (088.8)

(56)Патент ClUA № 4319345,

кл. G 01 V 1/40, олублик. 1980.

Авторское свидетельство СССР № 845618, кл. G 01 V 1/40, 1980.

Марков А,И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980, с.29.

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

(57)Изобретение относится к геофизической скважинкой алпаратуре и ал- 1:а5,-атуре для физического воздействия яа пласты с целью интенсификации до- .)ычи полезных ископаемых и может быть использовано в геологоразведке, нефтяной, газовой, горной и других отраслях промышленности. Цель - увеличение мощности и уменьшение продольного размера преобразователя.

Акустический преобразователь содержит пьезопакет с накладками в виде многоступенчатого волновода, выполненного из стержней большого и малого диаметров. Для достижения цели стержни большого диаметра многоступенчатого волновода выполнены из продольно-поляризованных пьезокерами- ческих элементов. Элементы соединены электрически параллельно между собой и с выводами пьезопакета.Стержни малого диаметра снабжены дисками, выполненными из одного куска материала. Диаметр дисков не меньше, чем диаметр пьезокерамических элементов. Длина X многоступенчатого волновода не меньше, чем (C,arccos 0,71)/2 1Гг, где ,14;f - частота; ско- Iрость распространения продольной вол- ны в волноводе. Иьезокерамические элемейты размещены между дисками стержней малого диаметра. Наружная часть волновода вьтолнена в виде накладки. Акустический преобразователь имеет в 3-4 раза большую акустическую мощность и меньшую в 1,66 раза длину волновода. 4 ил.

S

(Л

(49

Изобреггение относится к геофизической скважинной аппаратуре и аппаратуре для физического воздействия на пласты с целью интенсификации добычи полезных ископаемых и может быть использовано в геолого-разведочной, нефтяной, газовой, горной и других отраслях промышленности.

Целью изобретения является увели- :Чение мощности и уменьшение продольного размера преобразователя. I На фиг,1 показано устройство акус- гического преобразователя; на фиг.2 - размещение преобразователей в корпусе скважинного снаряда; на фиг. 3 - распределение колебательной скорости ho длине акустического преобразовате- Ья; на фиг.4 - вариант выполнения Ьтержня малого диаметра в виде кон- Центратора и электрическое соединение Ььезоэлементов,

Акустический преобразователь (фиг.) армирован с помощью полого болта 1 и гайк:и 2. Возможен вариант меармированного преобразователя, в Этом случае элементы 1 и 2 отсутствуют. Наружная часть многоступенчатого .волновода заканчивается накладкой 3, ьшолненной из материала с малым дельным весом, например алюминиево- ito сплава, магния, сплава электрон и др.5 толщиной , где дли- На продольной волны на часто- lie преобразователя. Если вьшолнить Накладку указанной толщины, то в ней о|тсутствуют изгибные колебания, ухуд сдающие колебательные и знергетические свойства преобразователя. Пьезокера- м ические элемен ты 4, собранные в дан- HjDM случае, попарно и соединенные э|пектрически параллельно (фиг.4), и стержни 5 малого диаметра с вьшолнен- нЬ1ми заодно с ними дисками 6 образу- ю|г элемент многоступенчатого волновода. На фиг.1 число таких элементов с каждой стороны преобразователя рав но трем (симметричный акустический преобразователь), хотя число элементов может . быть любьгм и определяется ни условия размещения их в пределах вфлнового размера , где k вол-- ндвое число, ах- текущее значение дгшны преобразователя. При этом cosk 0,71 (фиг.З). За волноводом следует пьезопакет 7, в середине которого в узле колебаний размещен ко- 8 с отверстием для шплинта или дf yгoгo элемента фиксации. В случае

5

0

5

0

5

0

5

1

5

если преобразователь выполнен армированным, пьезозлементы представляют .собой продольно-поляризованные шайбы (фиг.4). Если армирование отсутствует и преобразователь рассчитан на небольшую мощность, то пьезозлементы представляют собой диски, причем в первом случае стержни 5, диски 6 и хомутик 8 имеют отверстия под армирующий болт (с учетом изоляции) 1.

В случае выполнения акустического преобразователя по несимметричной схеме вместо одного из волноводов устанавливают тяжелую накладку или заполняют оставшийся волновой размер пьезоэлементами пьезопакета 7.

На фиг.2 показан акустический преобразователь 9, выполненный согласно фиг.. и размещенный в звукопроз- рачном трубчатом корпусе скважинного снаряда 10. Корпус изготавливают из , металла, пластмассы (полихлорвинил, полиэтилен и т.п.). Внутри корпуса имеется несущий стержень 11, на котором укреплены акустические преобразователи с помощью шплинтов, размещенных в хомутиках 8. Корпус заканчивается геофизическими головками 12 и 13„ Внутрь корпуса залита компенсационная жидкость типа ПЭС-З, ПЭС-4, керосина, трансформаторного масла, глицерина; между геофизическими головками 12 и 13 проложены провода. Механически геофизические головки соединены между собой с помощью стержня ilj а корпус снаряда 10 соединен с ними с помощью уплотнитель- ных колец (методом сварки, склейки и т.п.). Так как корпус обладает необходимой податливостью, то наличие компенсатора давления скважинной среды необязатель-но. Для заливки компенсационной среды в снаряд в одной из головок (12 или 13) предусмотрено отверстие, закрытое пробкой. Для выравнивания внутреннего и внешнего давлений в головке предусмотрен шариковый . или иной конструкции клапан, сбрасывающий давление среды из корпуса 10, . J

Лпя формирован1-ш необходимой ширины характеристики направленности и обеспечения необходимого коэффициента концентрации звуковой энергии в снаряде устанавливают любое количество акусти еских преобразователей

Акустический преобразователь работает следующим образом.

- компенса10

15

технологических акустических преобразователей. Акустические преобразователи размещают внутри скважинного снаряда на расстоянии А-/2, где длина акустической волны в ционной среде (фиг.2). Геофизические головки 12 и 13, являющиеся одновременно отражателями звука, вьтолняют из стали или другого акустически жесткого материала во избежание излучения в продольном.направлении скважины и снижения акустической мощности. Суммарная акустическая мощность пропорциональна числу установленных в скважинном снаряде, акустических преобразователей.

Выигрыш по акустической мощности

При подаче на отрицательный и положительный электроды пьезозлементов положительного полупериода сигналов высокой частоты (обычно на резонансной частоте) длина основного пьезо- пакета 7 и длина стержней большего диаметра, образованных пьезоэлемен- тами 4 и дисками 6, возрастает. Все амплитуды продольных колебаний, распространяющиеся от узла колебаний (место размещения хомутика 8) в сторону накладок 3, складываются между. собой, и распределение колебательных скоростей принимает вид, показанный на фиг.3 (а - колебательная скорость), В излучении принимают участие и внешние поверхности дисков 6 и стержней 5. Излучение с указанных поверхностей происходит радиально. В связи с этим активная излучающая (принимающая) поверхность преобразователя резко возрастает, что приводит к повьшению излучаемой акустической мощности.

Число элементов (элементы 4,стержни 5, диски 6) многоступенчатого волновода ограничено уменьшением колебательной скорости до 3 дБ (Oj71a), что соответствует при этом половинной мощности, хотя можно допустить и другие уровни, например 6 дБ. Однако следует учесть, что при этом объем активного материала в преобразователе уменьшается, а объем пассив- 35 диаметра

величине А,„/2. В то же время размгщесоставляет при и,

d , 2, где d J 20

диаметр стержня 5, а d - диаметр

пьезоэлемента 4, установленного в многоступенчатом волноводе, порядок от 3 до 5 (независимо от числа акустических преобразователей, установ 25 ленных в скважинном снаряде).

Некоторое повьш1ение акустической мощности можно получить при использовании стержней.5 многоступенчатого волновода, форма которых изображена на фиг.4. Форма стержня 5 может быть экспоненциальной, катеноидальной, конической и др. Увеличение колебательной скорости а с помощью такого стержня возможно .лишь при приближё- d., и длины стержня 5 к

30

ного материала вследствие введения стержней 5 и дисков 6 возрастает, что приводит к уменьшению эффективности преобразова1теля в режш е излучения , чувствительности в режиме приема, электроакустического коэффициента полезного действия и, в итоге, выходной мощности в связи с уменьшением величины колебательной скорос- ти. Длина X волновода равна (C arccos 0,7l)/2ff.

Увеличение мощности достигается за счет того, что удельная мощность на торце передней накладки 3 может быть снижена и перераспределена между остальными излучающими поверхностями. При размещении акустических преобразователей в снаряде (фи.г.2) все колебания сфазированы и корпус переизлучает колебания как пульсирую- gg

ние пьезоэлементов в стержнях больше-- го диаметра волновода позволяет увеличить мощность за счет введения до40 полнительного активного материала в преобразователь, при этом выигрыш по мощности пропорционален увеличению количества пьезоэлементов, размещенных в многоступенчатом волноводе.

45 Длина стержней и их диаметр в многоступенчатом волноводе, а также диаметр дисков 6 могут быть любыми. Все элементы преобразователя склеены между собой с помопцзю клея горячего отgQ верзкдения типа ДМ5-65 или другой марки.

Акустический преобразователь позволяет получить увеличение излучаемой мощности в 3-4 раза и уменьшение продольного размера волновода в 1,66 раза. Это позволяет реализовать скважинные геофизические и технологические акустические преобразователи меньш ей длины и большей мощности.При

щий цилиндр, обеспечивая тем самым получение дискообразной формы характеристики направленности, характерной для скважинных геофизических и

- компенса

5

технологических акустических преобразователей. Акустические преобразователи размещают внутри скважинного снаряда на расстоянии А-/2, где длина акустической волны в ционной среде (фиг.2). Геофизические головки 12 и 13, являющиеся одновременно отражателями звука, вьтолняют из стали или другого акустически жесткого материала во избежание излучения в продольном.направлении скважины и снижения акустической мощности. Суммарная акустическая мощность пропорциональна числу установленных в скважинном снаряде, акустических преобразователей.

Выигрыш по акустической мощности

составляет при и,

d , 2, где d J 20

диаметр стержня 5, а d - диаметр

диаметра

пьезоэлемента 4, установленного в многоступенчатом волноводе, порядок от 3 до 5 (независимо от числа акустических преобразователей, установ ленных в скважинном снаряде).

Некоторое повьш1ение акустической мощности можно получить при использовании стержней.5 многоступенчатого волновода, форма которых изображена на фиг.4. Форма стержня 5 может быть экспоненциальной, катеноидальной, конической и др. Увеличение колебательной скорости а с помощью такого стержня возможно .лишь при приближё- d., и длины стержня 5 к

ние пьезоэлементов в стержнях больше-- го диаметра волновода позволяет увеличить мощность за счет введения дополнительного активного материала в преобразователь, при этом выигрыш по мощности пропорционален увеличению количества пьезоэлементов, размещенных в многоступенчатом волноводе.

Длина стержней и их диаметр в многоступенчатом волноводе, а также диаметр дисков 6 могут быть любыми. Все элементы преобразователя склеены между собой с помопцзю клея горячего отверзкдения типа ДМ5-65 или другой марки.

Акустический преобразователь позволяет получить увеличение излучаемой мощности в 3-4 раза и уменьшение продольного размера волновода в 1,66 раза. Это позволяет реализовать скважинные геофизические и технологиеские акустические преобразователи меньш ей длины и большей мощности.При

tSa

0.7fff

e.llk