Скважинный приемник звука

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социали1тииеских

Республик

< » 819337 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 03.05.79 (21) 2761655/22-03 (51) М. Кл.з с присоединением заявки №вЂ”

Гееударстеениый кемнтет

СССР

Е 21 С 39/00 (23) Приоритет— ю делам нэебретеннй н еткрытнй

Опубликовано 07.04.81. Бюллетень № 13

Дата опубликования описания 17..04.81 (53) УДК 622 (088.8) (72) Авторы изобретения

В. Н. Носов, В. С. Ямщиков, В. Л. Шк. рати;: ;. и М. Д. В и гдорч и к

Московский ордена Трудового Красного Знамени горный институт (71) Заявитель (54) СКВАЖИННЫй ПРИЕМН! : " "-В "<

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

Известен скважинный приемник звука, v

5 состоящии из закрепленного на штанге корпуса с пружинным прижимным устройством и размещенных в нем пьезоэлементов 11J

Известен также скважинный приемник звука, включающий закрепленный на штанге корпус, размещенные в нем продольно 1о поляризованные пьезоэлементы, прижимное устройство и. контактные накладки 2g.

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. 2о

Цель достигается тем, что 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, выполненным 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

819337 зоо оьсо R Д проницаемость

3 стенками скважины. Для защиты пьезоэлементов 3 и 4 скважинный приемник снабжен закрепленным за кольцевой выступ 2 ци1 лнндрическим 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 армируюшей трубки l.

Скважинный приемник звука работает следующим образом.

В свободном состоянии вне скважины расстоение между контактными накладками

11 и 12 несколько превышает 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 уменьшением 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 большим, чтобы обеспечить резонансный прием в низкочастотной области. Трансформация сил приводит к увеличению чувствительности в К раз, где К вЂ” коэффициент трансформации.

Чувствительность в режиме приема равна: азКк С,Е

2Е где Я -диэлектрическая пьезокерамики; — пьезомодуль;

K - волновое число накладки;

-продольный размер пьезоэлемента;

К -коэффициент трансформации силы >

Сд -емкость пьезоэлемента; сц -угловая частота, равная 2ХК, где

1 — частота;

R - -сопротивление нагрузки приемника;

Cex - входная емкость усилителя, к ко° торому подключается приемник.

1о

15 го гз зо

PQ

4

Коэффициент К трансформации силы равен у/х, где у — смещение контактных накладок 11 и 12, а х — 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 большой прилагаемой силы к пьезоэлементу 3 на его электродах возникают большие выходные напряжения, пропорциональные величине акустического 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 штанги 17 с помощью шарового шарнира 18 в середине армирующей трубки l,ò. е. в узле колебаний, значительно повышает 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 6 пьезоэлементов

3 и 4 обеспечивает изменение направления подвода принятых упругих колебаний на 90, что позволяет разместить пьезоэлементы соосно скважине и, как следствие, осушествлять 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.

819337

Форм1/ла изобретении

Составитель Е. Борисова

Редактор С. Титова Техред А. Бойкас Корректор М. Демчик

Заказ 840/5 Тираж 627 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )К вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Скважинный приемник звука, включающий закрепленный на штанге корпус, размещенные в неM продольно поляризованные пьезоэлементы. прижимное устройство и контактные нак.гадки, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности в области низких частот, он 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 накладкачи, через которые пьезоэлементы связаны с прижимным устройством, выполненным в виде дутообразных упругих пластин, причем в середине армирующей трубки перпендикулярно ее оси установлен шаровой шарнир, соединенный со штангой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Исаков М. Е. Определение зоны, нарушенных горных пород в массиве вокруг горных выработок. — «Шахтное строительст10 во», 1967, № 1.

2. Авторское свидетельство СССР № 540039, кл. Е 21 С 3900, 1972 (прототип).