Акустический преобразователь

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТО!СКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<11873183

4(I

C (61) Дополнительное к авт. саид-вуРЦМ. Кл. (22) Заявлено 240180 (21) 2873700/18-25.

6 01 V 1/40 с присоединением заявки ¹

Государствениый комитет

СССР яо делам изобретений н открытмй (23) Приоритет

Опубликовано 1Ы0.81. Бюллетень 149 З8 (53) НЖ 550.83

{088. 8) Дата опубликевания описания 151081

В.Н. Носов, .В.Н. Макарон, В.А. Винеградов и В.Г. Сафин

1 — - ." ""

Всесоюзный научно-исследовательский институт ядерной геофизики и геохимии.{

1

/

f (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

{54) АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Изобретение относится к скважинным акустическим преобразователям и преобразователям, используемым в гидро..:акустике длясоздания кольцеобразной диаграввы направленности.

Известен пьезоэлектрический излучатель, содержащий две стальные, головки, соединенные металлическим цилкндром, окружающим пьезоэлемент ,из титаната бария,соединеннйй с головками при помощи резиновых уплотнений (1)

Известен пьезоэлектрический приемник для приборов акустического каротажа, содержащий две стальные головки,15 скрепленные стержнем, кристалл титаната бария, укрепленный на изолирующей пробке и заключенный в наполненную силиконовым маслом гибкую оболочку (2) °

Известен также преобразователь для 2Ц акусткческого каротажа скважин, содержащий кольцевые пьезоэлементы или магнитострикторы, трубчатый корпус, токосъемные электроды и упругую раз" резную оболочку, заполненную звукопоглощающим материалом и размещенную межцу пьезоэлементами. Упругая оболочка выполняет роль трансформатора продольных колебаний в поперечные, а ос,новной резонанс активных элементов 30 осуществляется на нулевой моде кольца, диаметр которого равен среднему диаметру кольца пьезоэлемента или магнитостриктора (31.

Недостаток данных устройств — и» малая чувствительность, обусловленная наличием демпфера в виде упругой обо,". лочки и ее низким механическим сопротивлением и.малой 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 мощность.

Кроме того, для обеспечения максимального электроакустического. коэффициента полезного действия в упругой оболочке выполнены разрезы вдоль ее, образующей,что еще больше уменыаает механическое .сопротивление и уменьшает КПд и чувствительность преобразователя. Так ка* применены кольцевые пьезоэлементы, резонансная частота котрых прямо пропорциональна их среднему диаметр то при использовании акустического преобразователя в ус ловиях скважины рабочая частота ограничивается частотами ультразвукового

873183 лнапазона, Упругая оболочка возбуждается за счет поперечных колебаний пьезоэлемента, что приводит к уменьшению чувствительности преобразователя.

Цель изобретения — увеличение чувствительности, излучаемой мощности и расширение функциональных возмож5 ностей преобразователя путем понижения нижнего предела рабочих частот.

Поставленная цель достигается тем, что в акустическом преобразователе, одержащем uHzHH pnzecrcHA находящиеся в нем два активных элемента, трансформатор продольных колебаний в поперечные, размещенный между ними, активные элементы выполнены в виде продольных вибраторов с частот,i5 нопонижающими накладками, армированных болтом и гайкой и нагруженных на шайбы из акустически мягкого материала, например, из пробки или резины, и размещенных в трубчатом корпусе, gp 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 навстречу друг другу конусов или плавных кривых, причем наружная поверхность пустотелого цилиндра сопряжена с поверхностью трубчатого корпуса и закреплена на нем.

На чертеже представлен вариант предлагаемого акустического преобразователя.

Акустический преобразователь содержит крышку 1 С уплотнениями 2, З5 размещенную в одном из концов трубчатого корпуса 3 и скрепленную с ним ., при помощи хвостовика 4 с резьбовой нарезкой. К хвостовику примыкает шайба 5 из акустически мягкого матери-4р ала, например пробки или резины, для предотвращения передачи колебаний частотнопонижающей накладки 6 преобразователя. С последней скреплен при помощи клея пакет из продольно поляризованных пьезоэлементов 7, выполненных в виде шайб. Отверстие пьезоэлемента сопряжено с отверстием 8, имеющим профиль плавной расходящейся кривой Нап двух конусов трансформатора 9 продольных колебаний в поперечные, выполненного из материала с большим коэффициентом Пуассона. В трансформаторе выполнены отверстия

10 для электропроводов 11, по которым подводится напряжение электрического тока к пьезоэлементам. С другой стороны трансформатора 9 симметрично пакету 7 размещен пакет пьезоэлементов 12 с частотнопонижающей накладкой 13. для получения значительной мощности ц 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. Электроразъем 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 было указано выше, с отверстием в виде расходящейся кривой или двух конусов, имеет место наибольшая деформация ма-. териала, 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, транс-. форматор выполняет также роль отражателя колебаний, поступающих на него от пьезоэлементов 7 и 12. Эа счет связй 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 не873183 обходимости увеличения диаметра, что является важным фактором прн 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.

3а счет большой длины акустического преобразователя улучшается направленность колебаний,.что имеет большое значение при использовании его для 0 целей гидроакустики. В корпус 3 может быть заключено несколько продольных вибраторов, размещенных последовательно один за другим. Между накладка. ми вибраторов должны быть устандвлены >5 шайбы 5 из акустически мягкого материала.

В режиме приема чувствительность преобразователя также возрастает за счет большой развитой поверхности корпуса 3. Резонансная частота акустического преобразователя равна частоте антирезонанса продольного вибратора.

Выполнение активного элемента в виде продольного вибратора с трансформатором продольных колебаний в по- 25 перечные, который значительно отличается конструктивно и по своим акусти.ческим параметрам, исключение потерь в демпфере, увеличение активной поверхности преобразователя позволяет Я 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 pan. Одновременно может быть увеличена направленность и расширена полоса рабочих частот, а также достигнута высокая механическая прочность преобразователя за счет исключения гибкой упругой оболочки, используемой в известном преобраэователе. Снижение рабочей частоты и увеличение 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 этом возрастает зона звуковой обработки и сокращаются ее сроки.

Формула изобретения

Акустический преобразователь, содержащий цилиндрический,корпус и находящиеся в нем дваактивных 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 про дольных колебаний в поперечные выполнен из материала с коэффициентом Пуас-сона 0,3-0,5 в форме пустотелого ци.линдра 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 СШК М 3258741, кл. 340-17,.опублик. 1966.

2. Патент США В 3243009, кл. 340-155, опублик. 1966.

3. Авторское свидетельство СССР

9 251845, кл. G 01 V 1/28, 1965 (прототип) .

873183

11

1Ю

12

5

Составитель H. *уравлева

Техред М. Голинка Корректор Г,,Назарова.

Редактор Н. Воловик

Закаэ 9027/72 Тираи 735 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета ССОР по делам иэобретеннй и открытий

ll3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r.Óêrîðîä, ул.Проектная,4