Акустический преобразователь

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (2l) 4101458/24-25 (22) 09.06.86 (46) 15.06.88. Бюл. 11 - 22 (71) Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии (72) В.Н.Носов (53) 550.83 (088.8) (56) Патент США М 4319345, кл. G 01 V 1/40, опублик. 1980.

Авторское свидетельство СССР

М 845618, кл. G 01 V 1/40, 1980.

Марков А.И. Ультразвуковая обработка материалов. М.: Машиностроение, 1980, с.29. (54 ) АКУСТИЧЕ СКИЙ 11РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ (57) Изобретение относится к геофизической скважинной аппаратуре и аппd1,àòóðå для физического воздействия на пласты с целью интенсификации до.бычи полезных ископаемых и может быть использовано в геологоразведке, нефтяной, газовой, горной и других отраслях промышленности. Цель — увеличение мощности и уменьшение продольного размера преобразователя.

„„SU„„1402991 А 1 (51 )4 а 01 V 1 40

Акустический преобразователь содержит пьезопакет с накладками в виде многоступенчатого волновода, выполненного иэ стержней большого и малого диаметров. Для достижения цели стержни большого диаметра многоступенчатого волновода выполнены из продольно-поляризованных пьезокерамических 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 х многоступенчатого волновода не меньше, чем (С„агссов 0,71)/2 иХ, где И = 3,14; Х " частота; С - ско рость распространения продольной вол" ны в волноводе. 11ьезокерамические ! элемейты размещены между дисками стержней малого диаметра. Наружная часть волновода выполнена в виде накладки. Акустический преобразователь имеет в 3-4 раза большую акустическую мощность и меньшую в 1,66 раза длину волновода. 4 ил.

1402991

Изобретение 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 увеличение мощности и уменьшение продольного размера преобразователя.

На фиг,l показано устройство акустического преобразователя; на фиг.2— размещение преобразователей в корпусе скважинного снаряда; на фиг. 3— распределение колебательной скорости по длине акустического преобразователя; на фиг.4 — вариант выполнения стержня малого диаметра в виде концентратора и электрическое соединение

Пьезоэлементов, Акустический преобразователь (фиг.l) армирован с помощью полого болта 1 и гайки 2. Возможен вариант неармированного преобразователя, в этом случае элементы 1 и 2 отсутствуют. Наружная часть многоступенчатого ,волновода заканчивается накладкой 3, выполненной из материала с малым удельным весам, например алюминиево1о сплава, магния, сплава электрон и др., толщиной Лщ/40, где 71 — длиНа продольной волны на раба ей часто-. те преобразователя. Если выполнить

Накладку указанной толщины, то в ней отсутствуют изгибные колебания, ухуд" п1ающие колебательные и энергетические свойства преобразователя. Пьезокерамические элементы 4, собранные в данном случае, попарно и соединенные электрически параллельно (фиг,4), и стержни 5 малого диаметра с выпалнен.нЫми заодно с ними дисками 6 образуют элемент многоступенчатого BoJIHQ вода. На фиг.l число таких элементов с каждой стороны преобразователя рав" но трем (симметричный акустический преобразователь), хотя число элемен" тов может быть любым и определяется иэ условия размещения их в пределах вфлнового размера К х, где k - вол-. новое число, а х " текущее значение дпины преобразователя. При этом созК х = 0,71 (фиг.З). За волноводом следует пьезопакет 7, в середине которого в узле колебаний размещен хомутик 8 с отверстием для шплинта или другого элемента фиксации. В случае, 10

45 если преобразователь выполнен армированным, пьезоэлементы представляют .собой продольно-поляризованные шайбы (фиг.4). Если армирование отсутствует и преобразователь рассчитан на небольную мощность, то пьезоэлементы представляют собой диски, причем в первом случае стержни 5, диски 6 и хомутик 8 имеют отверстия под армирующий болт (с учетом изоляции) ), В случае выполнения акустического преобразователя по несимметричной схеме вместо одного из волноводов устанавливают тяжелую накладку или заполняют оставшийся волновой размер пьезоэлементами пьезапакета 7.

На фиг.2 показан акустический преобразователь 9, выполненный согласно фиг.l и размещенный в звукапрозрачном 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-3, ПЭС-4, керосина, трансформаторного масла, глицерина; между геофизическими головками 12 и 13 проложены провода.

Механически геофизические головки соединены между собой с помощью стержня 11 а корпус снаряда 10 соединен с ними с помощью уплотнительных колец (метадом сварки, склейки и т.п.), Так как корпус обладает не" обходимой податливостью, то наличие компенсатора давления скважинной среды необязательно. Дпя 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.

Дпя формирования необходимой ширины характеристики направленности и обеспечения необходимого коэффициента концентрации звуковой энергии в снаряде устанавливают любое количество акустических преобразователей.

Акустический преобразователь работает следующим образом, )40?99!

1!ри подаче на отрицательныи и положительный электроды пьезоэлементов положительного полупериода сигналов высокой частоты (обычно на резонансной частоте) длина основного пьезопакета 7 и длина стержней большего диаметра, образованных пьезоэлементами 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. B связи с этим активная излучающая (нринимающая) поверхность преобразователя резко возрастает, что приводит к повышению излучаемой акустической мощности.

Число элементов (элементы 4,стерж" ни 5, диски 6) многоступенчатого волновода ограничено уменьшением колебательной скорости до 3 дБ (0,7!а), 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 преобраэователе уменьшается, а объем пассивного материала вследствие введения стержней 5 и дисков 6 возрастает, что приводит к уменьшению эффективности преобразователя в режиме излучения, чувствительности в режиме приема, электроакустического коэффициента полезного действия и, в итоге, выходной мощности в связи с уменьшением величины колебательной скорости. Длина х волновода равна (C„arccos 0,7!)/2И.

Увеличение мощности достигается за счет того, что удельная мощность на торце передней накладки 3 может быть снижена и перераспределена между остальными излучающими поверхностями. 1!ри размещении акустических преобразователей в снаряде (фиг.2) все колебания сфазированы и корпус переизлучает колебания как пульсирующий цилиндр, обеспечивая тем самым получение дискообраэнай формы характеристики направленности, характерной для скважинных геофизических и

55 полнительного 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 помощью клея горячего отверждения 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 меньшей длины и больней мощности.При технологических акустических преобразователей. Акустические преобразователи размещают внутри скважинного

5 снаряда на расстоянии 8 /2 где

Э

J длнна акустической волны в компенсационной среде (фиг.2). Геофизические головки 12 и !3, являющиеся одновременно отражателями звука, выполняют из стали или другого акустически жесткого материала во избежание из" лучения в продольном. направлении скважины и снижения акустической мощности. Суммарная акустическая мощ-!

5 ность пропорциональна числу установленных в скважинном снаряде акустических преобразователей.

Выигрыш по акустической мощности составляет при d . d = 2, где d.-.20 диаметр стержня 5, а й, — диаметр пьезоэлемента 4, установленного в многоступенчатом волноводе, порядок от 3 до 5 (независимо от числа акустических преобразователей, установ."

25 ленных в скважинном снаряде).

Некоторое повышение акустической мощности можно получить при использовании стержней 5 многоступенчатого волновода, форма которых изображена

30 на фиг.4. Форма стержня 5 может быть экспоненциальнай, катеноидальной, ко" нической и др. Увеличение колебательной скорости а с помощью такого стержня возможно .лишь при приближении диаметра d и длины стержня 5 к величине /2. В то же время размещение пьезоэлементов в стержнях большего диаметра волновода позволяет увеличить мощность эа счет введения до14,32991 решении задач интенсификация добычи нефти, газа и других полезных ископаемых применение данного преобразователя позвбляет экономить время, эпектроэнергию, испольэовать генера" тары меньшей мощности, повысить надежность проведения технологических операций.

Формула и э о б р е т е н и я

Акустический преобразователь, содержащий пьезопакет с накладками в ание многоступенчатого волновода,выполненного из стержней большего и меиьшего диаметра, о т л и ч а ю—

@ и и с я тем, что, с целью увеличения мощности и уменьшения продольного размера преобразователя, стержни большего диаметра многоступенчатого волновода выполнены иэ продпльно-поляризованных пъезокерамических элементов, соединенных электрически параллельно между собой и с выводами пьеэопакета, а стержни меньшего диаметра снабжены выполненными из одного куска материала дисками, диаметр которых не меньше, чем диаметр пье1о эокерамических элементов, длина многоступенчатого волновода не меньше, чем х = (С агссоэ 0,71)/2tlf, 15 где Г= 3,14; Х - частота; С„- скорость распространения продольной волны в волноводе, причем пьезокерчмические элементы размещены между дисками стержней

;р меньшего диаметра,„ а наружная часть волновода выполнена в виде накладок.

l4П2ЧЧ1

Составитель Н.Гусева

Редактор A.Èàêîâñêàÿ Техред Л.Сердюкова

Корректор Л.Пилипенко

Тираж 522 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам. изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 285b/37

Производственно-полиграфическое предприятие, г. ужгород, ул. Проектная, 4