Акустический преобразователь Советский патент 1981 года по МПК G01V1/52 

(54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к скважинным акустическим преобразователям и преобразователям, используемым в гидро:акустике для создания кольцеобразной диаграммы направленности. Известен пьезоэлектрический излуч тель, содержащий две стальные головки, соединенные металлическим цилиндром, окружаюищм пьезоэлемент изтитаната бария,соединенный с голов ками припомощи резиновых уплотиенйй Ц V Известен пьезоэлектрический приемник для приборов акустического каро тгма, содержаддий две стальные головки скрепленные стержнем, кристалл титана та бария, укрепленный на изолирующей пробке и заключенный в наполненную си ликоновым маслом гибкую оболочку; 12 . Известен также преобразователь для акустического каротажа скваокин, содержащий кольцевые пьезозлементы или магнитострикторы, трубчатый корпус, токосъемные злектроды и упругую разрезную оболочку, заполненную звукопоглощаКЩим материалом и размещённую между пьезоэлементсшш. Упругая оболоч ка выполняет роль трансформатора продольных колебаний в поперечные, а 6с новной резонанс активных злементов осуществляется на нулевой моде кольца, диаметр которого равен среднему диаметру кольца пьезоэлемента или магнитостриктора 3. Недостаток данных устройств - их малая чувствительность, обусловленная наличием демпфера в виде упругой оболочки и ее низким 4exaничecким сопротивлением и МЕШой активной поверхностью. Акустическая энергия, снабжаемая кольцевыми пьезоэлементами упругой оболочке за счет большой связи с материалом демпфера в значительной мере переходит в теплоту, и оболочка не развивает больших амплитуд смещений, что снижает мсяциость. Кроме того, для обеспечения маиссимального электроакустического;коэффициента полезного действия в упру1Юй оболочке выполнены разрезы вдоль ее образующей,что еще больше уменьшает механическое чсоп)отивление и уменьша-, ет КПД и чувствительность преобразователя. применены кольцевые пьезозлементы, резонансная частота KOTOl&ix прямо пропорциональна их среднему диаметр , то при использовании акустического преобразователя в условиях скважины рабочая частота ограничивается частотами ультразвукового диапазона.- Упругая оболочка возбуждается за счет поперечных колебаний пьезоэлементл, что приводит к уменьш нию чувствительности преобразователя Цель изобретения - увеличение чувствительности, излучаемой мощност и расширение функциональных возможностей преобразователя путем понижения нижнего предела рабочих частот. Поставленная цель достигается тем что в акустическом преобразователе, содержащем цилиндрический корпус, находящиеся в нем два активных элеме та, трансформатор продольных колебаний в поперечные, размещенный между ними, активные элементы выполнены в виде продольных вибраторов с часто нопонижающими накладками, армированных болтом и гайкой и нагруженных на шайбы из акустически мягкого материа ла, например, из пробки или резины, и размещенных в трубчатом корпусе, трансформатор продольных колебаний в поперечные выполнен из материала с коэффициентом Пуассона 0,3-0,5 в виде пустотелого цилиндра с отверстием, имеющим профиль в виде двух одинаковых расходящихся навстре чу друг другу конусов или плавных кривых, причем наружная поверхность пустотелогоцилиндра сопряжена с поверхностью трубчатого корпуса и закреплена на нем, На чертеже представлен вариант предлагаемого акустического преобразователя . Акустический прербразователь содержит крышку 1 d уплотнениями 2, размещенную в одном йЗ концов трубча того корпуса 3 и скрепленную с ним при помощи хвостовика 4 с резьбовой нарезкой, К хвостовику примыкает шайба 5 из акустически мягкого матер ала, например пробки или резины, для предотвреицения передачи колебаний частотнопонижающей накладки б преобр зователя. С последней скреплен при помощи клея пакет из продольно поляризованных пьезоэлементов 7, выполненных в виде шайб. Отверстие пьеэоэлемента сопряжено с отверстием 8, имеющим профиль плавной расходящейся кривой или двух конусов, трансформатора 9 продольных колебаний в поперечные/ выполненного из материала с большим коэффициентом Пуассона, В трансформаторе выполнены отверстия 10 для электропроводов И, по которым подводится напряжение электрического тока к пьезоэлементам, С другой стороны трансформатора 9 симметрично пак ту 7 размещен пакет пьезоэлементов 1 с частотнопонижающей накладкой 13, Для получения значительной мощности элементы акустического преобразователя 6, 7, 9, 12, 13 стянуты армирующими болтом и гайкой 14, размещенным в отверстиях накладок и пьезопакетов В накладке 13 выполнен паз 15 для электропроводов 16, подсоединенных между клеммой 17 электроразъема и пьезопакетом 12, Электро.разъем представляет собой сочетание изолятора 18, корпуса 19, на наружной части которого размещены уплотнения 20, двух клемм 21, Концевик корпуса 19 снабжен резьбовой нарезкой 22 для ответной части электроразъема, не показанной на чертеже. Отверстие 23, предназначено для сочленения с изолятором ответной части. Изолятор 18 скреплен с корпусом 19 при помощи болта 24,.Для предупреждения выпадания изолятора из отверстия 23 предусмотрен кольцевой фиксатор 25, размещенный в соответствующем пазу и выполненный в виде разрезной кольцевой упругой пластины. Соединение корпуса преобразователя с другой клеммой электроразъема осуществляется посредством клеммы 26, Трансформатор 9 продольных колебаний в поперечные скреплен с корпусом 3 при помощи клея, сварки или пайки в зависимости от используемых материалов и условий работы преобразователя. Акустический .преобразователь работает следующим образом. На клеммы 21 электроразъема подается напряжение возбуждения от генератора высокой частоты (не показан). Это напряжение поступает на пьезоэлементы 7 и 12 и возбуждает их. Сочетание элементов 6, 7, 9, 12, 13 и 14 представляет собой симметричный полуволновый продольный вибратор с узлом колебаний, расположенным в середине трансформатора 9, В узле колебаний действует наибольшая сила, а, следовательно, в размещенном в этом месте трансформаторе, колебаний, выполненном, как былр указано вьЕие, с отверстием в виде расходящейся кривой или двух конусов, имеет место наибольшая деформация материала, преимущественно во внешнюю сторону, т,е, в сторону корпуса 3, Величина смещений зависит как от соотношения толщин стенок на входе и в самой узкой части трансформатора, так и от коэффициента Пуассона материала , С увеличением коэффициента Пуассона используемого материала и уменьшением толщины средней части трансформатора 9 смещение возрастает, а вместе с ним возрастает и чувствительность преобразователя. Таким образом, трансформатор выполняет также роль отражателя колебаний, поступающих на него от пьезоэлементов 7 и 12, За счет связи внешней поверхности трансформатора с корпусом 3, последний рассеивает акустическую энергию всей своей внешней поверхностью, за счет чего возрастает мощность излучаемых колебаний и чувствительность. Возможность увеличения длины преобразователя без необходимости увеличения диаметра, что является важным фактором при его использовании в условиях скважин, дает возможность реализовать поставленную Цель - понижение нижнего предела рабочих частот. Излучение акустического давления Р происходит в направлении стрелок, изображенных на чертеже. За счет большой длины .акустического преобразователя улучшается направленность колебаний, что имеет большое значение при использовании его для целей гидроакустики. В корпус 3 может быть заключено несколько продольных вибраторов, размещенных последовательно один за другим. Между накладка ми вибраторов должны быть устанбвлены шайбы 5 из акустически мягкого материала. В режиме приема чувствительность преобразователя также возрастает за счет большой развитой поверхности корпуса 3. Резонансная частота акусти ческого преобразователя равна частоте антирезонанса продольного вибратора. Выполнение активного элемента в - виде прюдольного вибратора с трансформатором продольных колебаний в по перечные, который значительно отличается конструктивно и по своим акустиг ческим параметрам, исключение потерь в демпфере, увеличение активной поверхности преобразователя позволяет осуществить.достижение поставленных целей - увеличение чувствительности примерно в 2-3 раза, повышение мощности в режиме излучения в 4-9 раз и снижения нижнего предела частот при использовании пьезокерамических элементов в 10-15 раз. Одновременно может быть увеличена направленность и расширена полоса рабочих частот. а такжедостигнута высокая механичес кая прочность преобразователя за сче исключения гибкой упругой оболочки, используемой в известном пЕ еобразова теле. Снижение рабочей частоты и у величение излучаемой мощности может оказаться особенно полезным при использовании преобразователя для термоакустического воздействия на нефтеносные пласты с целью повышения дебита нефти из последних, так как при зтом возрастает зона звуковой обработки и сокращаются ее сроки. Формула изобретения Акустический преобразователь, содержащий цилиндрический .корпус и находящиеся в нем два актийных элемента и трансформатор продольных колебаний в поперечные, размещенный между ними, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, излучаемой мощности и расширения Функциональных возможностей преобразователя путем понижения нижнего предела -рабочих частот, активные элементы выполнены в виде продольных вибраторов с частотнопонижающими накладками, армированных болтом и гайкой и нагруженных на шайбы из акустически мягкого материала, трансформатор продольных колебаний в поперечные выполнен из материала с коэффициентом Пуассона 0,3-0,5 в форме пустотелого цилиндра с отверстием, имеющим профиль в виде вогнутых кривых, причем наружная поверхность пустотелого цилиндра сопряжена с поверхностью цилиндрического корпуса. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США 3258741, кл. 340-17,.опублик. 1966. 2.Патент США 3243009, кл. 340-155, опублик. 1966. 3.Авторское свидетельство СССР № 251845, кл. G 01 V 1/28, 1965 (прототип) .