Page 56 - 应用声学2019年第5期

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frequency of collar’s stopband and maximum emission voltage level. The numerical simulation results play a
good guiding role on the design of the transmitting transducer of LWD acoustic logging tool.
Key words Arcuate shaped piezoelectric vibrator, Resonance frequency, Frequency response, Emission volt-
age level, Finite element method

其振动模态、谐振频率及发射电压级响应等因素的
0 引言 影响。

随钻声波换能器是随钻声波测井仪器的核心
1 圆弧状压电阵子的有限元分析
部件，该技术目前制约我国随钻声波测井技术发展。
传统的电缆声波测井仪器采用圆管换能器，利用其
1.1 圆弧状压电阵子的有限元模型
膨胀-收缩模态实现单极子声源发射，向井外地层辐
随钻声波测井仪发射换能器一般由四片圆弧
射声波能量。而随钻声波测井仪器发射换能器需要
状换能器组合而成，每片换能器采用环氧树脂等材
安装在钻铤的凹槽内，由于机械安装的困难无法采
料对圆弧状压电阵子进行封装，最外层再用橡胶进
用圆管换能器，通常把圆管换能器切割成均匀的四
行封装。由于四片圆弧状压电阵子具有结构对称性，
片圆弧状压电阵子，进行封装后安装在钻铤上，实
声学性能完全一致，因此仅需研究单片压电阵子的
现随钻单极子声源的发射 [1] 。圆弧状压电阵子由于
声学性能。另外由于压电振子是换能器辐射声波的
切割的影响，其膨胀 -收缩模态振动频率、频率响应、
核心部件，因此文本的数值模拟不考虑封装材料等
发射电压级等声学特性与圆管换能器有很大的差
因素的影响。
异。因此研究圆弧状压电阵子的声学性能对随钻发
图 1 为圆弧状压电阵子结构简图。压电振子
射换能器的设计具有参考价值。
的高度 H 为 40 mm，厚度 D 为 5 mm，半径 R 为
吴金平等 [2] 制作了应用于随钻声波测井的圆
77 mm，张开角α 为80 。压电振子采用PZT-5A且
◦
弧状压电振子，并进行了声学性能实验研究。刘玉
厚度方向极化的压电陶瓷片。数值模拟中压电阵子
凯等 [3] 基于有限元法计算了钻铤存在对随钻多极
采用自由边界条件。压电振子的内外表面分别施加
子换能器水平指向性的影响。魏倩等 [4] 采用有限元
正负电压，在外加电压信号的激励下，圆弧状压电阵
法研究了三叠片圆形随钻换能器，分析了基片材料
子可产生弯曲振动或径向振动等模态，进而向外辐
对其发射性能的影响。Fu 等 [5] 采用有限元分析方
射声波能量。
法对随钻声波换能器提出了优化设计方案，通过采
用低阶弯曲振动模态的方式提高换能器的带宽及
机电性能。陈俊圆等 [6] 采用有限元方法研究了适用
于随钻方位测井的圆弧状声波发射换能器，考察了
钻铤及换能器尺寸对声源谐振频率及水平指向性 H
的影响。以上多数学者研究的随钻声波发射换能器 ༏ҵႃԍ᠇ౝ
均采用了圆弧状压电阵子，其声学性能决定随钻声 ༏ҵႃԍ൤ౝ D
α R
波测井仪器的测量效果。
随钻声波测井仪一般设计几种不同尺寸的钻
图 1 圆弧状压电阵子结构示意图
铤适应不同的井眼测量环境，因此需要对发射换能
Fig. 1 Structure of arcuate shaped piezoelectric
器的尺寸做优化设计，由于压电阵子采用的是圆弧 vibrator
状结构，因此很难用解析方法进行分析 [7] 。COM-
SOL Multiphysics 是一个基于高级数值方法，用于 1.2 圆弧状压电阵子的振动模态分析
建模和模拟物理场问题的通用有限元分析软件，该 在 COMSOL Multiphysics 软件固体力学模块
软件在声波测井换能器设计及声场计算中有广泛 中选择压电设备物理场接口，利用特征频率研究方
的应用。本文采用 COMSOL Multiphysics 有限元 法可对压电设备进行模态分析。数值计算表明圆弧
分析软件，数值模拟了圆弧状压电振子结构参数对 状压电阵子的振动模式非常丰富，主要存在弯曲振