Page 60 - 应用声学2019年第5期

812 2019 年 9 月

所示。从表 3 中可以看出，随着压电阵子半径增大， 2.7
2.4 α=70°
压电阵子径向振动模态的谐振频率逐渐向低频移 α=75°
2.1 α=80°
动，电导值逐渐增大，压电阵子的最大发射电压级幅 1.8 α=85°
G/mS 1.2
逐渐升高。 1.5

表 3 不同半径压电振子的谐振频率、最大电导 0.9
值及最大发射电压级幅值 0.6
0.3
Table 3 Resonance frequency, maximum
0
conductance and maximum emission volt- 10 11 12 13 14 15 16 17
f/kHz
age level of piezoelectric vibrator with dif-
(a) ႃ࠮ྲভ
ferent radius
150
140
半径/mm 谐振频率/Hz 电导值/mS 最大发射电压级/dB 130
120
60 18705 1.96 133.8 110 α=70°
SVL/dB α=75°
70 16057 2.22 136.0 100 α=80°
80 14051 2.36 138.6 90 α=85°
80
90 12459 2.46 140.3 70
60
2.4 张开角度对压电阵子性能的影响 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
f/kHz
考察压电振子张开角变化对其声学性能指标 (b) ԧ࠱ႃԍጟ־ऄ
的影响。模型中压电振子的厚度D 为5 mm，高度H
图 10 不同张开角压电振子的性能变化
为 40 mm，半径 R 为 77 mm，张开角 α 分别为 70 、
◦
Fig. 10 Acoustic performance of piezoelectric vi-
75 、80 、85 ，其他参数保持不变。图10是不同张开
◦
◦
◦
brator with different opening angle
角压电振子的性能变化图。其中，图10(a) 为不同张
开角圆弧状压电阵子在空气中的电导特性变化曲 3 圆弧状压电阵子的优化设计
线，图 10(b) 为不同张开角压电阵子的发射电压级
响应曲线。从图 10 中可得到不同张开角压电振子 随钻声波测井仪测量时由于钻头尺寸不同，需
的谐振频率、最大电导值及最大发射电压级幅值如 要设计几种不同尺寸的工具以适应不同的井眼环
表4 所示。从表4中可以看出，随着压电阵子张开角 境条件，如斯伦贝谢公司研制的 SonicScope 随钻
增大，压电阵子的径向振动模态的谐振频率逐渐向 多极声波测井仪设计 [10] 采用了 4.75 in、6.75 in 及
低频移动，电导值逐渐增大，压电阵子的最大发射电 8.25 in 三种不同尺寸外径的钻铤；另外由于钻铤的
压级幅值逐渐降低。 外径不同，钻铤模式波的隔声阻带也有差异 [11] ，需
要发射换能器的谐振频率工作在隔声阻带频率范
表 4 不同张开角压电振子的谐振频率、最大电
围内，才能保证尽量消除钻铤模式波对地层波信号
导值及最大发射电压级幅值
的影响。因此需要优化设计晶体尺寸使发射换能器
Table 4 Resonance frequency, maximum
具有最大发射效率，满足随钻声波恶劣环境的测量
conductance and maximum emission volt-
age level of piezoelectric vibrator with dif- 需求。
ferent opening angle 本文以外径为 6.75 in 钻铤为例阐述圆弧状压
电阵子晶体尺寸的优化设计方法。6.75 in 的钻铤
张开角/( ) 谐振频率/Hz 电导值/mS 最大发射电压级/dB
◦
外半径为 85.7 mm，由于换能器安装在钻铤凹槽内，
70 16293 2.16 140.8 换能器的半径不宜超过钻铤外径尺寸，另外考虑
75 15388 2.25 140.3 晶体封装材料的厚度，所以圆弧状压电阵子晶体的
80 14586 2.33 137.9 半径 R 为 83 mm。由本文第 2.4 节张开角对压电阵
85 13897 2.36 137.2 子性能影响因素可知，晶体张开角度越大，其电导