Скважинный приемник звука Советский патент 1981 года по МПК E21C39/00 

(54) СКВАЖИННЬШ ПРИЕМНИК ЯВУКУ

1

Изобретение относится к горной промышленности, а частности к устройствам для исследования свойств и состояния горных пород в массиве с использованием упругих волн.

Известен скважинный приемник звука, состоящий из закрепленного на штанге корпуса с пружинным прижимным устройством и размещенных в нем пьезоэлементов 1.

Известен также скважинный приемник , включающий закрепленный на штанге корпус, размещенные в нем продольно поляризованные пьезоэлементы, прижимное устройство и. контактные нaклaдки{ J.

Однако пьезоэлементы приемника размещены в корпусе поперек скважины, вследствие чего их размеры ограничены и, следовательно, наибольшая чувствительность может быть получена только на высоких частотах, где резонансные размеры пьезоэлементов достаточно малы.

Целью изобретения .является повышение чувствительности в области низких частот.

Цель достигается тем, нто скважинный приемник звука снабжен расположенной в корпусе армирующей трубкой с прижимными гайками на концах и кольцевым выступом посередине, относительно которого симметрично установлены пьезоэлементы, которые выполнены, цилиндрическими и снабжены частотно-понижающими накладками, через которые пьезоэлементы связаны с прижимным устройством, выполненны.м в виде дугообразных упругих пластин, причем в середине армирующей трубки перпендикулярно ее оси установлен шаровой шарнир, соединенный со штангой.

На чертеже приведена конструкция скважинного приемника звука.

Скважинный приемник звука содержит армирующую трубку 1 с кольцевым выступом 2, относительно которого симметрично установлены цилиндические соединенные попарно и параллельно пьезоэлементы 3 и 4. Для создания начального усилия сжатия пьезоэлементов 3 и 4 и повышения таким образом их прочности на растяжение, пьезоэлементы 3 и 4 через частотно-понижающие накладки 5 и 6 сжаты с помощью гаек 7

и 8, навинченных на армирующую трубку 1. Между накладками 5 и 6 зажимаются упругие дугообразные пластины 9 и 10, в середине которых закреплены контактные накладки 11 и 12, которые акустически связаны со стенками скважины. Для защиты пьезоэлементов 3 и 4 скважинный приемник снабжен закрепленным за кольцевой выступ 2 цилиндрическим корпусом 13 с нижней крышкой 14 и верхней крышкой 15, на которой закреплен разъем 16, к которому подсоединяются выводы пьезоэлементов 3 и 4. Штанга 17, с помощью которой приемник перемещается вдоль скважины, закрепляется на шаровом шарнире 18 в центральной части армирующей трубки 1. Скважинный приемник звука работает следующим образом. В свободном состоянии вне скважины расстоение между контактными накладками 11 и 12 несколько превыщает диаметр скважины (на 2-5 мм). При размещении в скважине дугообразные упругие пластины 9 и 10 несколько изменяют свою форму, а контактные накладки 11 и 12 сближаются между собой. При этом за счет упругости пластин 9 и 10 на стенки скважины действует некоторая сила прижима, обеспечивающая прохождение акустических колебаний через указанные элементы 11, 12, 9 и 10 на вход пьезоэлементов 3 и 4. Число пластин 9 и 10 и соответственно накладок 11 и 12 может быть от двух и более в зависимости от желаемой формы диаграммы направленности. В момент создания усилия прижима пластины 9 и 10 растягивают армирующий элемент 1 и жестко связанные с ним пьезоэлементы 3 и 4. При этом имеет место трансформация сил в сторону их увеличения с одновременным уменьщением величины смещения. Пьезоэлемент работает в режиме вынужденных колебаний и как датчик малых перемещений, что обеспечивает широкую полосу рабочих частот. Кроме того, продольный размер пьезоэлементов 3 и 4 может быть достаточно больщим, чтобы обеспечить резонансный прием в низкочастотной области. Трансформация сил приводит к увеличению чувствительности в К раз, где К - коэффициент трансформации. Чувствительность в режиме приема равна:л.. дуккСпеп. гё Vй)RЧCвxtCп)П1 где € -диэлектрическая проницаемость пьезокерамики; -пьезомодуль; -волновое число накладки; -продольный размер пьезоэлемента;К -коэффициент трансформации силы;Сп -емкость пьезоэлемента; со -угловая частота, равная , где f - частота; R - сопротивление нагрузки приемника;-бх -входная емкость усилителя, к которому подключается приемник. Коэффициент К трансформации силы равен у/х, где у - смещение контактных накладок 11 и 12, а X - смещение частотнопонижающих накладок 5 и 6. Приближенная взаимосвязь между величинами х и у выглядит следующим образом: у(а-у) 2х(2Н-х),(2) где а. -расстояние между точками закрепления концов дугообразных упругих пластин 9 и 10; Н -прогиб пластин 9 и 10 вследствие воздействия сигнала при приеме из стенок скважины. В формуле (2) величину у следует умножить на коэффициент меньший единицы, учитывающий потери силы в пластинах 9 и 10 вследствие их недостаточной жесткости. Величина этого коэффициента зависит в основном от типа материала, из которого изготовлены пластины 9 и 10 (пружинная сталь, бронза, титан и др.) и ее толщины. Вследствие больщой прилагаемой силы к пьезоэлементу 3 иа его электродах возникают большие выходные напряжения, пропорциональные величине акус тического давления сигналов, воздействующих на контактные пластины 11 и 12. Эти напряжения снимаются с разъема 16. Таким образом, совмещение функций прижима и трансформатора силы в элементах 9 и 10 позволяет значительно увеличить (примерно до 100 раз) чувствительность приемника с одновременным упрощением его эксплуатации, поскольку не требуется отдельного прижимного устройства. Крепление щтанги 17 с помощью щарового щарнира 18 в середине армирующей трубки 1,т. е. в узле колебаний, значительно повыщает защищенность (до 30 дб) против вибрационных помех со стороны штанги. Это, в свою очередь, приводит к увеличению отношения сигнал/шум, т. е. к повышению чувствительности предлагаемого приемника. Выполнение прижимного устройства в виде дугообразных упругих пластин 9 и 10 жестко связанных с накладками 5 и б пьезоэлементов 3 и 4 обеспечивает изменение направления подвода принятых упругих колебаний на 90°, что позволяет разместить пьезоэлементы соосно скважине и, как следствие, осуществлять прием упругих волн в низкочастотном диапазоне частот без потери чувствительности. Направленность приемника в горизонтальной плоскости зависит от числа использованных дугообразных упругих пластин и протяженности контактных накладок. Для получения достаточной направленности в вертикальной плоскости необходимо использовать приемную систему, состоящую из нескольких предложенных приемников, соединенных между собой механически гирляндой через промежуточные штанги, длина каждой из которых равна длине волны принимаемого сигнала, и электрически параллельно.