Page 105 - 《应用声学》2025年第1期

第 44 卷 第 1 期 赵子萌等： 单极子声波测井探测器数值模拟优化设计 101

2.2 探测器多物理场耦合数值模拟 6 mm 和7 mm的响应曲线在12∼15 kHz差别不大，
2.2.1 油腔大小对探测器性能影响分析 取值为 1∼4 mm 时发射响应不如 5∼6 mm，在低
根据图 4“水域 -透声窗 -单极子圆管型换能 频时随着外侧油腔腔体增大共振峰向高频方向
器 -油腔 -骨架” 二维轴对称模型，以压电陶瓷圆 偏移。
管为参考，油腔可分为左侧与右侧两部分，二维模型 2.2.2 探测器透声窗材料与厚度变化数值模拟
图中的左侧即为压电陶瓷圆管的内侧。换能器工作
透声窗是保证换能器能够正常工作、不被其他
时压电陶瓷、油腔内液体和透声窗产生耦合共振，因
声信号干扰、提高数据准确性的关键。透声窗不仅
此油腔的大小对换能器性能也有一定影响。其他结
需要具有良好的结构强度、刚度和温度稳定性，能
构参数保持不变，左侧油腔宽度 L 1 分别选取5 mm、
够承受高温、高压、高震动等环境下的应力，在高温
10 mm、15 mm、20 mm、25 mm，右侧油腔宽度 L 2
下保持结构稳定性，起到保护换能器的作用，同时要
分别选取1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、
有较好的透声性能，使地层反射的声波能够尽可能
7 mm，模拟结果如图 10所示。与图 7∼9 相比，加上
地透过材料到达接收声系，并且防止其他噪声信号
骨架、透声窗后共振峰数量增加，原因为换能器与
对测井结果产生干扰。因此，选择性能优良的透声
骨架、透声窗以及油腔产生耦合共振。
窗材料、确定合适的透声窗尺寸对于提升换能器的
性能具有重要意义。
150
140
2.2.2.1 透声窗材料的选择
ԧ࠱־ऄ/dB 120 能，根据声压透射系数公式 [13] 可知，声波透过材料
130
理想的透声窗材料首先要具有较好的透声性
110
L  =5 mm 层的多少，不仅和材料层及介质的特性阻抗有关，还
100 L  =10 mm
L  =15 mm 和材料的厚度与其中声波的传播波长之比有关。当
L  =20 mm
90
L  =25 mm
材料本身的特性阻抗 (材料的密度与声速乘积) 与
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 介质的特性阻抗匹配 (相等或接近)，材料的衰减常
ᮠဋ/kHz
(a) ࢻΟ෴ᑿ 数小，声波入射到透声层上时能够几乎无反射、无
损耗地通过，此时透声窗的透声效果最佳。在实际
150
应用中，经常用作透声材料的有橡胶、钢、聚醚醚酮
140
(PEEK) [14−15] 等。根据实际应用需求，本文选取了
130 不锈钢 (304)、玻璃钢 (GFRP)、橡胶、PEEK 和钛合
ԧ࠱־ऄ/dB 120 金 TC4(Ti-6Al-4V)5 种材料，几种材料的声阻抗与

110
100 L  =1 mm L =5 mm 水的声阻抗相近(表1)。
L =2 mm L  =6 mm 模拟计算所需的材料参数如表2所示。
90 L =3 mm L  =7 mm
L  =4 mm
80 表 1 6 种材料的声阻抗
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Table 1 Acoustic impedance of 6 materials
ᮠဋ/kHz
(b) ԿΟ෴ᑿ 密度/ 声速/ 声阻抗/
(kg·m −3 ) (m·s −1 ) (kg·m −2 ·s −1 )
图 10 油腔大小对换能器性能影响
水 1000 1500 1.5×10 6
Fig. 10 Effect of oil cavity size on transducer per-
橡胶 1300 2311 3×10 6
formance
PEEK 1290 2586 3.3×10 6
随着参数 L 1 的增大，即内侧油腔腔体增大，探
GFRP 1650 2550 4.2×10 6
测器在 12∼15 kHz 范围内的响应效果逐渐增强，超
TC4 钛合金 4440 5050 2.2×10 7
过 20 mm 后增益较小；而外侧油腔的大小对换能
304 钢 7930 5920 4.69×10 7
器性能的影响相对不明显，外侧油腔宽度为 5 mm、