CN113909083A

CN113909083A - 压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器

Info

Publication number: CN113909083A
Application number: CN202111044586.8A
Authority: CN
Inventors: 郭亮; 刘春宇; 张朝来; 张成键
Original assignee: China University of Petroleum East China
Current assignee: China University of Petroleum East China
Priority date: 2021-09-07
Filing date: 2021-09-07
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2041-09-07
Also published as: CN113909083B

Abstract

本发明涉及声波换能器技术领域，特别涉及压电‑电磁混合驱动式偶极子声波换能器。包括两个相对设置的外端盖，设于两个外端盖之间的圆柱形壳体和两个永磁体，所述两个永磁体对称设于圆柱形壳体的两侧；所述圆柱形壳体包括两端分别与两个外端盖连接的圆柱形支架，固定于圆柱形支架上的两个绝缘体；所述圆柱形支架由导电性材料制成；所述两个绝缘体相对设置，并设于圆柱形壳体上远离两个永磁体的位置。本发明在压电陶瓷本身应变有限的压电驱动基础上对已有的换能器结构进行改进，加上电磁驱动，实现两种效果的混合驱动，通过混合驱动提升圆柱形壳体的振动幅度，增强声波强度，提高探测距离。

Description

压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器

技术领域

本发明涉及声波换能器技术领域，特别涉及压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器。

背景技术

随着油气的大量开采，测井技术发展迅速。其中，偶极子声波测井技术应用广泛，例如利用偶极子声波可以计算岩石的各种弹性常数，可以对油气储层进行有效的气体识别、裂缝识别、对岩层结构进行分析。随着油气的不断开采，需要达到的测井距离越来越大，如何提高超声波测井的距离问题显得尤为重要。

圆柱形压电摆动声波换能器是当前研究最为广泛的声波换能器之一。圆柱形压电摆动式声波换能器由三叠片、金属骨架、弹簧、圆柱形壳体等组成。三叠片由金属基片以及在两边的压电器件构成。在压电器件原理金属基片侧加上正弦电压激励，金属基片一侧接地，在激励电压的作用之下，三叠片会产生形变，进而带动圆柱形壳体进行摆动，与井中介质接触产生声波。

现有的偶极子声波换能器为压电驱动式，可以呈现比较纯净的偶极声场，圆柱形压电摆动式声波换能器虽然可以很好地产生声波，在过去测井中有很好地应用，但是由于压电陶瓷本身应变有限，圆柱形壳体的振动幅度较小，产生的声波强度不会太强，探测的距离受到限制。但是随着对测井距离要求的提高，圆柱形压电摆动式声波换能器产生声波强度达不到想要的效果。

因此，目前亟需一种可提高圆柱形壳体的振动幅度，提高探测距离的偶极子声波换能器。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，针对背景技术中涉及的已有的偶极子声波换能器振动幅度较小这一问题，在原有的压电驱动的基础之上加以电磁驱动，实现对偶极子声波换能器的混合驱动，增大偶极子声波换能器的振动幅度。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，包括两个相对设置的外端盖，设于两个外端盖之间的圆柱形壳体和两个永磁体，所述两个永磁体对称设于圆柱形壳体的两侧；

所述圆柱形壳体包括两端分别与两个外端盖连接的圆柱形支架，固定于圆柱形支架上的两个绝缘体；

所述圆柱形支架由导电性材料制成；

所述两个绝缘体相对设置，并设于圆柱形壳体上远离两个永磁体的位置。

进一步的，所述圆柱形支架包括分别与两个外端盖连接的两个内端盖，设于两个内端盖之间的两个支撑架，所述两个支撑架相对设置，并分别设于圆柱形支架上靠近两个永磁体的位置。

进一步的，所述两个绝缘体与两个支撑架穿插间隔设置。

进一步的，所述两个内端盖，两个支撑架和两个绝缘体共同围合成全封闭的圆柱形壳体。

进一步的，所述两个永磁体相对设置于圆柱形壳体的左右正两侧。

进一步的，所述圆柱形壳体的内部设有两组连接于两个内端盖之间的三叠片。

进一步的，所述三叠片包括一金属基片，分别设于金属基片两侧的两个压电陶瓷片，所述金属基片的两端分别与两个内端盖连接，所述金属基片和压电陶瓷片上分别连接激励电压正负极。

进一步的，所述两个内端盖上分别连接有激励电流正负极。

进一步的，所述内端盖和外端盖之间设有U型弹簧。

进一步的，所述永磁体为棱柱形，两个永磁体相对的面互相平行，所述绝缘体为扇柱形，由碳纤维制成。

本发明压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器的有益效果是：

本发明在压电陶瓷本身应变有限的压电驱动基础上对已有的换能器结构进行改进，加上电磁驱动，实现两种效果的混合驱动，通过混合驱动提升圆柱形壳体的振动幅度，增强声波强度，提高探测距离。

附图说明

图1为本发明实施例的主视结构示意图；

图2为本发明实施例的侧视结构示意图；

图3为本发明实施例的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例去除永磁体的侧剖结构示意图；

图5为本发明实施例三叠片的结构示意图；

图6为本发明实施例U型弹簧的结构示意图；

图7为本发明实施例永磁体的结构示意图；

图8为本发明实施例外端盖的结构示意图；

图9为本发明实施例圆柱形支架的结构示意图；

图10为本发明实施例的B-B剖面结构示意图；

图11为本发明实施例圆柱形支架的俯视结构示意图；

图12为本发明实施例绝缘体的结构示意图；

图13为本发明实施例2压电驱动加载的正弦电压图；

图14为本发明实施例2压电仿真中心参考点位移图；

图15为本发明实施例2电磁驱动激励电流图；

图16为本发明实施例2电磁仿真中心参考点位移图；

图中各部件标记如下：

外端盖1，圆柱形壳体2，永磁体3，圆柱形支架4，绝缘体5，内端盖6，U型弹簧7，支撑架8，三叠片9，金属基片10，压电陶瓷片11。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1：

如图1-12所示，压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，包括两个相对设置的外端盖1，设于两个外端盖1之间的圆柱形壳体2和两个永磁体3，所述两个永磁体3对称且相对设置设于圆柱形壳体2的左右正两侧，所述永磁体3的形状如图7所示，其横切面为弓形，两个永磁体3的平面相对且互相平行。

所述圆柱形壳体2包括两端分别与两个外端盖1连接的圆柱形支架4，所述圆柱形支架4 由铜金属之类的导电性材料制成，圆柱形支架4上固定有两个绝缘体5；如图12所示，所述绝缘体5为扇柱形，由碳纤维制成。所述两个绝缘体5相对设置，并设于圆柱形壳体2上远离两个永磁体3的位置。如图11所示，所述圆柱形支架4包括分别与两个外端盖1连接的两个内端盖6，所述内端盖6和外端盖1之间设有U型弹簧7。U型弹簧7的形状如图6所示，圆柱形壳体2震动时，U型弹簧7可增加震动幅度。所述圆柱形支架4还包括设于两个内端盖6之间的两个支撑架8，所述两个支撑架8相对设置，并分别设于圆柱形支架4上靠近两个永磁体3的位置。所述两个绝缘体5与两个支撑架8穿插间隔设置。所述两个内端盖6，两个支撑架8和两个绝缘体5共同围合成全封闭的圆柱形壳体2。扇柱形绝缘体5可以直接通过螺丝固定在支撑架8上，所述两个内端盖6上分别连接有激励电流正负极，使电流可通过由铜导电材料制成的圆柱形支架4，无法通过绝缘体5，因此使电流在永磁体3正对面铜导体流过，运动带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力，所以圆柱形壳体2会受到洛伦兹力的作用产生形变。

所述圆柱形壳体2的内部设有两组连接于两个内端盖6之间的三叠片9，所述三叠片9 包括一金属基片10，分别设于金属基片10两侧的两个压电陶瓷片11，所述金属基片10的两端分别与两个内端盖6连接，所述金属基片10和压电陶瓷片11上分别连接激励电压正负极。

本发明压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器的驱动原理如下：

压电驱动原理：三叠片由两个压电陶瓷片和一个金属基片组成，所述金属基片上连接激励电压负极，所述两个压电陶瓷片上连接激励电压正极。根据压电器件的压电逆效应，一侧压电陶瓷片沿着长度的方向收缩，另一侧沿着长度方向伸长，从而使得三叠片出现弯曲。给三叠片加上相反的电压，三叠片会出现相反方向的弯曲，当给三叠片加上正弦交变电压时，因为电压的不断变化，三叠片会不断振动，进而带动圆柱形壳体不断振动。圆柱形壳体不断振动，会与其所在的介质发生碰撞产生声波。

电磁驱动原理：

因为永磁体的存在，在两个永磁体之间会产生沿X方向的磁场，如图1所示。在圆柱形壳体两端分别连接激励电流正负极，由于碳纤维是绝缘体，所以电流只会在永磁体正对面的铜导体支撑架上流过，在外加电流不变的情况下，相比于现有技术中直接将整个圆柱形壳体设置为导体，实际起驱动作用的电流加强。运动带电粒子在磁场中会受到洛伦兹力，所以圆柱形壳体的支撑架会受到洛伦兹力的作用带动圆柱形壳体产生形变，运动的带电粒子在磁场中所受的洛伦兹力公式如下：

其中

表示空间的电流密度，

表示磁通密度。当加载激励电流为交流电时，因为

方向不断地改变，而

是由永磁体产生，方向不会产生变化，所以

的方向会产生变化，圆柱形壳体形变方向变化，圆柱形壳体开始振动。

在压电驱动基础上加上电磁驱动，实现两种效果的混合驱动，通过混合驱动提升圆柱形壳体的振动幅度。

增加圆柱形壳体的长度可以提高电磁驱动下圆柱形外壳的振动幅度，但是会使得压电驱动方式下圆柱形壳体的振动幅度减小。可以通过增加圆柱形壳体的长度使得两种驱动方式下的圆柱形壳体的振动幅度和取得最大值。

实施例2：

首先对换能器结构进行静态仿真得出其各阶谐振频率，通过观察得出其在一阶谐振频率之下振动幅度最大，一阶谐振频率约为0.466Khz，将压电驱动和电磁驱动分开仿真模拟，分别观察两种驱动方式下圆柱形壳体的振动情况。

压电驱动方式：按照测出的一阶谐振频率为正弦激励电压的频率加载在三叠片两端，对三叠片进行驱动，使圆柱形壳体振动。

电磁驱动方式：按照测出的一阶谐振频率为激励电流的频率加载在圆柱形壳体上，对圆柱形壳体进行驱动，使圆柱形壳体振动。

通过观察圆柱形壳体的中心点的位移来观测压电-电磁混合驱动式换能器与压电式换能器相比振动幅度的提升。

压电驱动仿真加载如图13所示的正弦电压，其中压电驱动激励电压为峰值为1000V频率为0.466Khz的正弦电压，中心参考点(图1中的A点)的位移情况如图14所示：

通过图中可以看出，在进行压电仿真时换能器圆柱形外壳振动情况。在加载电压时，圆柱形壳体会出现类似于正弦波的振动状态。在所加电压结束后，由于惯性的原因，圆柱形壳体会继续振动，但震动频率有所降低。

电磁仿真加载如图15所示的激励电流，图15中纵坐标为电流I单位为A，电磁驱动激励电流为峰值为1000A左右，频率为0.466Khz的高斯函数一阶导数，永磁体产生的静磁场为 0.8T，参考点(图1中的A点)的位移情况如图16所示：

通过图中可以看出，在进行电磁仿真时换能器圆柱形壳体振动情况。在加载电流时，圆柱形壳体会出现类似于正弦波的振动状态。在所加电流结束后，由于惯性的原因，圆柱形壳体会继续振动，但是振动幅度减小较大，并且震动频率有所降低。

由图14、图16可以看出在0～3ms这一时间段内两种驱动方式的效果吻合度较高，能够实现很好的叠加效果，其中2ms和3ms附近振动幅度最大，所以在2ms和3ms产生的声波较强。与单一的压电驱动方式相比，压电和电磁混合驱动方式能够使圆柱形壳体的振动幅度增加10％左右。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征在于：包括两个相对设置的外端盖，设于两个外端盖之间的圆柱形壳体和两个永磁体，所述两个永磁体对称设于圆柱形壳体的两侧；

所述圆柱形支架由导电性材料制成；

2.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述圆柱形支架包括分别与两个外端盖连接的两个内端盖，设于两个内端盖之间的两个支撑架，所述两个支撑架相对设置，并分别设于圆柱形支架上靠近两个永磁体的位置。

3.根据权利要求2所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述两个绝缘体与两个支撑架穿插间隔设置。

4.根据权利要求2所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述两个内端盖，两个支撑架和两个绝缘体共同围合成全封闭的圆柱形壳体。

5.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述两个永磁体相对设置于圆柱形壳体的左右正两侧。

6.根据权利要求2所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述圆柱形壳体的内部设有两组连接于两个内端盖之间的三叠片。

7.根据权利要求6所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述三叠片包括一金属基片，分别设于金属基片两侧的两个压电陶瓷片，所述金属基片的两端分别与两个内端盖连接，所述金属基片和压电陶瓷片上分别连接激励电压正负极。

8.根据权利要求2所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述两个内端盖上分别连接有激励电流正负极。

9.根据权利要求2所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述内端盖和外端盖之间设有U型弹簧。

10.根据权利要求1所述的压电-电磁混合驱动式偶极子声波换能器，其特征是：所述永磁体为棱柱形，两个永磁体相对的面互相平行，所述绝缘体为扇柱形，由碳纤维制成。