基于厚度剪切振动的低频宽带正交偶极子换能器研究

The dipole acoustic logging tools have been widely used for the measurement of shear-wave velocity and the interpretation of the anisotropy for formation evaluation in the oil and gas industry. The most important part of a dipole tool is the dipole transducer, which quality decides the performance of the tool. The aim of this project is to design a novel cross-dipole transducer with low-frequency and broadband by applying the shear-thickness vibration of the piezoelectric ceramic. The design has four features. 1. The cylindrical radiation surface will be applied to improve the radiation efficiency. 2. The resonance frequency of the transducer is determined by the axial dimension of the transducer, which brings in a large design space and a drop of the operating frequency. 3. The series and parallel characteristics of the vibration elements are applied to reduce the operating frequency and to widen the frequency bandwidth. 4. The polarized piezoelectric ceramic that is transversely isotropic material will be applied in the design, so that the vibration-element with a single radiation surface could realize the dipole vibration in two directions. This design has two advantages. Firstly, the transducer works in low-frequency and broadband. Secondly, the directivity of the two orthogonal axes are symmetric and uniform in the operating frequency range. The benefits of this research will be firstly the further understanding of using the shear-thickness vibration in the design of a dipole transducer; and secondly the development of the low-frequency and broadband cross-dipole transducer which is important to the dipole acoustic logging tool.

偶极子声波测井可用于探测地层横波和各向异性，在油气资源勘探等领域有着重要应用。偶极子换能器作为偶极子声波测井仪器中最关键的部件之一，其好坏直接决定着仪器工作性能的优劣。本项目通过对厚度剪切压电陶瓷振动特性的研究，探索利用这一振动模式设计一款低频宽带正交偶极子换能器。设计方案有以下特点：1、采用圆柱形辐射面，有利于提高换能器的辐射效率；2、换能器的谐振频率由结构的轴向尺寸决定，具有更大设计余地，方便降低工作频率；3、利用振元的串联和并联特性，进行低频和宽带设计；4、利用极化后压电材料的横观各向同性特征，采用一组振元驱动同一辐射面实现相互正交的两组偶极子振动。与现有设计方案相比，本设计具有低频宽带的优点，并且工作频率内相互正交的两轴的指向性都具有极好的对称性和一致性。本项目的研究成果为测井用低频宽带正交偶极子换能器设计提供了新的思路，具有重要的学术价值和明确的应用价值。

相对于厚度伸缩振动，驱动厚度剪切振动方式更加复杂（需要先被极化电极，再磨去电极，然后再被加载电场电极），因此换能器设计中很少利用这一模式。然而厚度剪切振动具有压电常数大，转换效率高等优点，具有更好的宽带大功率辐射潜能，同时陶瓷片的厚度剪切振动还具有非常典型的偶极子振动特征，考虑这些特点，厚度剪切振动在大功率偶极子发射换能器设计方面具有很好的优势。.项目首先研究了压电陶瓷厚度剪切模的驱动方式，以及陶瓷串联、并联及负载等特征，并推陶瓷到各种状态下的等效电路，为陶瓷厚度剪切振动的应用奠定了理论基础。然后根据厚度剪切模的振动特征设计了一款耐高温高压的低频宽带偶极子发射换能器样机，并针对换能器输入阻抗大的问题，设计了一款专门的功率放大电路，利用变压器实现功放电路与换能器之间的阻抗匹配，采用设计功放电路对样机的声学性能进行测试。.测试结果表明换能器在500Hz~8kHz之间存在两个明显的谐振频率，分别对应压电陶瓷厚度剪切振动的一阶振动模式(1.2kHz)和圆柱辐射壳的一阶弯曲振动(6.7kHz)。其中1.2kHz处的发射电压响应达到130dB，较声波测井现用偶极子换能器响应大12dB以上，6.7kHz处灵敏度也较现用换能器高约2dB。通过两个振动模式的耦合作用，换能器在工作频域内均具有良好的声辐射能力。样机的指向性测试结果显示，谐振频率处的“8”字形旁瓣差分别为2‰和1.2％远小于现用换能器的指向性旁瓣差5%，具有更好的偶极子指向性。样机目前已经通过150℃和120MPa温度压力试验。..本项目的探索为耐高温高压宽带大功率发射换能器的研制开拓了视野，在深海勘探和声波测井等领域都有非常重要的应用。尤其在声波测井领域，低频大功率偶极子发射换能器一直是制约多极子声波测井仪器推广的关键技术瓶颈，本项目的研究为问题的解决提供了新的思路，推动声波测井在石油勘探领域得到更深入的应用，推进我国石油勘探技术的进步。..项目总计发表学术论文6篇，发明专利5项，其中SCI期刊论文1篇，EI期刊1篇，核心期刊2篇，SCI会议1篇，EI会议1篇。