声波测井4课件

第三章井下声波的产生与接收第三章井下声波的产生与接收第1节磁致伸缩效应与压电效应第2节逆压电效应与声波的发射第3节换能器的振动模式与激化方式第4节换能器参数换能器：能实现将电磁能（或机械能）转换为声能，或者将声能转换为电磁能的元器件，俗称探头。第一节磁致伸缩效应与压电效应第一节磁致伸缩效应与压电效应本产品是以压电效应实现电能与声能相互转换的压电陶瓷元件。其采用螺旋桨固型。在负荷变化时也能产生稳定的超声波。具有高性能、大振幅、耐热性的特点.本产品主要应用于超声波清洗设备.磁致伸缩效应可用来设计制作应力传感器和转矩传感器。利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的应力传感器多用于1t以上重量的检测中。其输入应力与输出电压成正比，一般精度为1%～2%，高的可达0.3%～0.5%。磁致伸缩转矩传感器可以测出小扭角下的转矩。磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为10-5量级。高磁致伸缩系数（≥10-3量级）的材料也被开发出了，如铽铁金属化合物——TbFe2、TbFe3和非晶体磁致伸缩材料——金属玻璃等。将磁棒放进交变电磁场中，在周期性的磁化作用下，其长度将发生周期性变化。当把交变电磁场的频率调到与磁棒的固有频率相等时，镍棒将在交变电磁场的作用下以其固有频率振动，振幅达到极大，同时，在棒的两端发射出与棒的固有频率相同的声波。反之，当声波经过镍棒传播时，由于声波对镍棒的作用，镍棒将发生周期性的拉伸与压缩变形（虽然变形很小），使其磁化强度发生改变，致使套在镍棒上的线圈产生感应电动势，这个过程称为逆磁致伸缩效应。利用这种效应可以接收声波信号，并将其转换成为电信号进行刻度和处理。温度升高，分子热运动加剧，磁致伸缩效应减弱；当温度达到某一数值时，铁磁性材料的磁性将完全消失（退磁），磁致伸缩效应将完全消失，这一特征温度叫作居里点。声波测井常用的磁致伸缩材料－镍片的居里点为370ºC。实际上，当温度超过110ºC时，镍片的磁致伸缩效应已经相当微弱，以致不能正常的发射声波。具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料压电单晶体(天然或人工制造)：石英；酒石酸钾钠；硫酸锂等压电多晶体(人工按陶瓷制作工艺烧制)，通称压电陶瓷：钛酸钡；锆钛酸铅；镁铌酸铅等在外加交变电场变化范围不大的情况下，外加电场强度E和线应变之间具有近似的线性关系。横向压电效应：外加作用力(或压电陶瓷产生的应力)和原始极化方向互相垂直。纵向压电效应：应力方向和极化方向一致的压电效应。切向压电效应：压电陶瓷在受到剪切应力作用时所产生的压电效应。第二节逆压电效应与声波的发射逆压电效应：指压电陶瓷材料在外加电场的作用下发生形变的过程，（电场→形变），或者叫作电致极化伸缩效应

。纵向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场作用下，发生形变的方向与电场方向一致的效应。在压电陶瓷的原始极化方向上施加电场，将使压电陶瓷在X、Y和Z方向上发生伸缩形变。若在原始极化方向上施以频率为f的交变电场，则压电陶瓷将发生频率相同的伸缩振动。因此，若外加电场频率f与压电陶瓷在某一方向上的振动固有频率相同，则在该方向上发生的伸缩变形最为明显，此时，即向压电陶瓷周围的空间辐射出声波（纵波）。切向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电场作用下，发生剪切形变的效应。可以利用压电陶瓷的切向逆压电效应在固体介质中激发横波，即可制作横波换能器。第三节换能器的振动模式与激化方式现有的声波测井仪的发射换能器一般是圆管状的压电陶瓷（当然也有极个别还是利用镍片）。压电陶瓷工作原理：经过极化处理的压电陶瓷材料，沿一定方向加以交变电流时，在电场的作用下将发生形变，在外加电场变化范围不大的情况下，形变与外加电场成正比，此即逆压电效应或电致极化伸缩效应。声波发射换能器工作原理：当外加交变电压的频率与压电陶瓷材料的固有频率相同时，压电陶瓷即产生按其固有频率发生的形变，从而在周围介质中激发起声波。声波测井用的压电陶瓷换能器是有限长的圆管，内外均镀有银膜作为电极，供加交变电压（作发射换能器时）或者搜索电荷（作接收换能器时）。有限长圆管状探头在沿厚度方向，即其原始极化方向上加以电场时，产生三种振动模式：①向井壁发射接近柱面波的径向振动；

②向井筒轴线方向发射近似于“平面波”的轴向振动；③向井壁发射柱面波的厚度振动。由于圆管状探头在X、Y和Z方向上的几何尺寸各不一样，因此，径向、轴向和厚度振动发出的声波信号的频率是各不相同的，即三种振动的固有频率各不相同。例如：钨镉锆钛酸铅(PZT-YG)压电陶瓷换能器的几何尺寸：外径53毫米，高41毫米，厚4.5毫米；其径向振动固有频率18～20KHz，轴向振动固有频率50～60KHz，厚度振动固有频率2MHz左右，测井时所用的是频率最低的径向振动模式。圆管状换能器的内外表面上镀有银膜，在Z方向加交变电压，利用其径向振动发射出声波。这是利用换能器的横向逆压电效应，因为外加电场的方向是圆管的径向方向，这种激发声波的振动方式称为径向激化，其能量转换(电能转换为声能)效率低。为了使换能器有更大的能量转换效率，需要做一下改进：①选择和改进压电陶瓷材料性能；②利用纵向逆压电效应。例如：我国在七十年代中期开始使用的纵向逆压电效应探头，这种探头选用钨镉锆钛酸铅或掺有铌酸锂的锆钛酸铅等材料，居里点高，可在200～250ºC温度下稳定工作。圆管状探头的内外表面上，间隔相等地沿管轴方向敷以偶数条银层（8或12条），将相隔的银层用导线相连接作为外加电场（或搜索电荷）的两根引入线。在展开图上，圆管周长为Z方向，圆管轴线方向为X，圆管厚度方向为Y，原始极化方向为Z，经极化处理后，当外加交变电场为Z方向的E时，若E的频率和探头径向振动的固有频率相同时，在Z方向引起主要的声振动，表现为圆管的周长收缩和膨胀。这种激化方式比径向激化方式的横向逆压电效应具有高得多的电能－声能转换效率。这种换能器在工作时，外加电场是加在相邻的两条银层之间，即电场强度方向是沿圆管探头外表面的切线方向，因此，把这种激化方式称为“切向激化”实验表明：在相同的接收条件下，用相同材料做成的切向激化探头发射比用径向激化探头发射接收到的信号要大45％；在相同的发射条件下，用相同材料做成的切向激化探头接收比用径向激化探头接收到的信号要大20～67％。第四节换能器参数对在声频段或超声频段工作的电－声换能器，选择其工作频率是十分重要的。影响如下因素：★换能器频率特性；★换能器方向特性；★换能器辐射功率；★换能器效率；★接收灵敏度。一工作频率和频率特性对于发射换能器，工作频率一般选择为换能器系统本身的机械谐振频率，这样可以获得最佳工作状态，取得最大电声效率和最大的辐射声功率；对于接收换能器，要接收的信号具有一定的频带宽度，要求接收换能器对一定频率范围的声波信号都有平坦的接收特性，一般接收换能器的接收灵敏度特性是在低于机械谐振频率的某一范围内比较平坦。换能器的频率特性是指换能器辐射功率随频率变化的特性(发射换能器)或接收灵敏度随频率变化的特性。当换能器用于发射脉冲声信号或接收声信号时，为了使信号不过分失真，要求换能器具有一定的频带宽度。换能器的频带宽度Δf：

Δf＝f0/QMf0－换能器机械谐振频率；QM－换能器机械振动品质因素。QM是表示换能器在振动过程中由于克服内摩擦而产生的机械能损耗多少的物理量，QM与机械能损耗成反比，即机械能损耗小，则品质因素值大。换能器的压电材料居里点：声波测井换能器在井下高温条件下工作→在高温下工作频率与频带宽度稳定不变。材料名称QMQE居里点ºCPZT－4500250328PZT－57550365PZT－31000250300钛酸钡300100115QE为压电陶瓷的电学品质因素；与换能器工作过程中介电损耗有关，介电损耗越小的压电材料，其电学品质因素越高。部分压电材料的性能参数由于声波发射探头是具有一定几何形状和尺寸的，因此，探头发射出的声波能量在空间各个方向上的分布是有差别的。二方向特性在空间或平面的各个方位上声源发出声波能量最大值（通常取声压或声强的最大值）的分布图，叫作声源的指向角特性花瓣图。规定声压幅度值为声轴方向声压幅度值70％（-3db）的方向所张开的角度称为波束角。声压最大值方向波束角D-3db是表示探头发出的声波方向特性的重要参数；圆柱状声源在轴线方向上尺寸越长，波束角就越小，反之亦然。指向角主瓣