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第三章第三章 井下声波的产生与接收井下声波的产生与接收第第1 1节节 磁致伸缩效应与压电效应磁致伸缩效应与压电效应第第2 2节节 逆压电效应与声波的发射逆压电效应与声波的发射第第3 3节节 换能器的振动模式与激化方式换能器的振动模式与激化方式第第4 4节节 换能器参数换能器参数磁致伸缩效应可用来设计制作磁致伸缩效应可用来设计制作应力传感器应力传感器和和转矩传感转矩传感器器。利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的。利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的应力传感器应力传感器多用于多用于1t1t以上重量的检测中。其输入应力与输出电压以上重量的检测中。其输入应力与输出电压成正比，一般精度为成正比，一般精度为1%1%2%2%，高的可达，高的可达0.3%0.3%0.5%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，其磁致伸缩系数为类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为1010-5-5量量级。高磁致伸缩系数（级。高磁致伸缩系数（1010-3-3量级）的材料也被开发量级）的材料也被开发出了，如铽铁金属化合物出了，如铽铁金属化合物TbFeTbFe2 2、TbFeTbFe3 3和非晶体和非晶体磁致伸缩材料磁致伸缩材料金属玻璃等。金属玻璃等。随着磁场强度增加，铁磁性材料的变形增加，随着磁场强度增加，铁磁性材料的变形增加，当磁场强度增加到一定值以后，变形将不再当磁场强度增加到一定值以后，变形将不再增加，达到饱和值，但关系曲线上总有一段，增加，达到饱和值，但关系曲线上总有一段，线应变与磁场强度的关系可以近似看作线性线应变与磁场强度的关系可以近似看作线性关系。关系。各种铁磁性材料中，镍的磁致伸缩效应更为各种铁磁性材料中，镍的磁致伸缩效应更为明显，因而，利用镍片来制作井下声波信号明显，因而，利用镍片来制作井下声波信号的发射探头。的发射探头。将磁棒放进交变电磁场中，在周期性的磁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，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在棒的两端发射出与棒的固有频率相同的声波。声波。反之，当声波经过镍棒传播时，由于声波反之，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，这个过程称为生感应电动势，这个过程称为逆磁致伸缩逆磁致伸缩效应效应。利用这种效应可以接收声波信号，。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。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，这一特征温度叫作消失，这一特征温度叫作居里点居里点。声波测井常。声波测井常用的磁致伸缩材料镍片的居里点为用的磁致伸缩材料镍片的居里点为370 C。实。实际上，当温度超过际上，当温度超过110 C时，镍片的磁致伸缩效时，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。应已经相当微弱，以致不能正常的发射声波。压电效应压电效应是指某些单晶和多晶材料在应力是指某些单晶和多晶材料在应力作用下产生电场的物理过程（作用下产生电场的物理过程（应力应力电电场场）。压电效应也是可逆的，即在电场作）。压电效应也是可逆的，即在电场作用下，某些单晶和多晶材料上的应力与应用下，某些单晶和多晶材料上的应力与应变发生发生变化（变发生发生变化（电场电场应力应力） 。具有压电效应的材料称为具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料。压电压电材料材料压电单晶体压电单晶体(天然或人工制造天然或人工制造)：石英；：石英；酒石酸钾钠；硫酸锂等酒石酸钾钠；硫酸锂等压电多晶体压电多晶体(人工按陶瓷制作工艺烧人工按陶瓷制作工艺烧制制)，通称，通称压电陶瓷压电陶瓷：钛酸钡；锆钛：钛酸钡；锆钛酸铅；镁铌酸铅等酸铅；镁铌酸铅等在外加交变电场变化范围不大的情况下，外加电在外加交变电场变化范围不大的情况下，外加电场强度场强度E和线应变和线应变 之间具有近似的线性关系。之间具有近似的线性关系。压电效应和压电陶瓷的原始极化状态有关，压电效应和压电陶瓷的原始极化状态有关，只有在外加作用力能在原始极化方向上产只有在外加作用力能在原始极化方向上产生形变时，才能在原始极化方向上产生压生形变时，才能在原始极化方向上产生压电效应，即在和原始极化方向垂直的端面电效应，即在和原始极化方向垂直的端面上有充放电过程。上有充放电过程。横向压电效应横向压电效应：外加作用力：外加作用力( (或压电陶瓷产生的或压电陶瓷产生的应力应力) )和原始极化方向互相垂直。和原始极化方向互相垂直。纵向压电效应纵向压电效应：应力方向和极化方向一致的压：应力方向和极化方向一致的压电效应。电效应。切向压电效应切向压电效应：压电陶瓷在受到剪切应力作用：压电陶瓷在受到剪切应力作用时所产生的压电效应。时所产生的压电效应。利用压电陶瓷的压电效应制作成为声利用压电陶瓷的压电效应制作成为声波的接收换能器（波的接收换能器（应力应力电场电场）。）。第二节第二节 逆压电效应与声波的发射逆压电效应与声波的发射逆压电效应逆压电效应：指压电陶瓷材料在外加电场：指压电陶瓷材料在外加电场的作用下发生形变的过程，的作用下发生形变的过程，（电场电场形形变变），或者叫作电致极化伸缩效应），或者叫作电致极化伸缩效应 。横向逆压电效应横向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加电：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垂场作用下，发生形变的方向与电场方向垂直的效应。直的效应。纵向逆压电效应纵向逆压电效应：压电陶瓷材料在外加：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电场作用下，发生形变的方向与电场方向一致的效应。向一致的效应。在压电陶瓷的原始极化方向上施加电场，在压电陶瓷的原始极化方向上施加电场，将使压电陶瓷在将使压电陶瓷在X、Y和和Z方向上发生方向上发生伸缩形变。若在原始极化方向上施以频伸缩形变。若在原始极化方向上施以频率为率为f的交变电场，则压电陶瓷将发生的交变电场，则压电陶瓷将发生频率相同的伸缩振动。频率相同的伸缩振动。因此，若外加电场频率因此，若外加电场频率f与压电陶瓷在某一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）。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。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。体介质中激发横波，即可制作横波换能器。第三节第三节 换能器的振动模式与激化方式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（当然也有极个别还是利用镍片）。压电陶瓷工作原理压电陶瓷工作原理：经过极化处理的压电陶瓷：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。电效应或电致极化伸缩效应。声波发射换能器工作原理声波发射换能器工作原理：当外加交变电：当外加交变电压的频率与压电陶瓷材料的固有频率相同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。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）或者搜索电荷变电压（作发射换能器时）或者搜索电荷（作接收换能器时）。（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：化方向上加以电场时，产生三种振动模式： 向 井 壁 发 射 接 近 柱 面 波 的 径 向 振 动 ；向 井 壁 发 射 接 近 柱 面 波 的 径 向 振 动 ；向井筒轴线方向发射近似于向井筒轴线方向发射近似于“平面波平面波”的轴的轴向振动；向振动；向井壁发射柱面波的厚度振动向井壁发射柱面波的厚度振动。由于圆管状探头在由于圆管状探头在X、Y和和Z方向上的几何方向上的几何尺寸各不一样，因此，径向、轴向和厚度尺寸各不一样，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，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。即三种振动的固有频率各不相同。例如：钨镉锆钛酸铅例如：钨镉锆钛酸铅(PZT-YG)压电陶瓷换压电陶瓷换能器的几何尺寸：外径能器的几何尺寸：外径53毫米，高毫米，高41毫米，毫米，厚厚4.5毫米；其径向振动固有频率毫米；其径向振动固有频率1820KHz，轴向振动固有频率，轴向振动固有频率5060KHz，厚度振动固有频率厚度振动固有频率2MHz左右，测井时所左右，测井时所用的是频率最低的径向振动模式。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，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，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，这种激发声波的振动方式称为径向激化，其能量转换其能量转换( (电能转换为声能电能转换为声能) )效率低。效率低。为了使换能器有更大的能量转换效率，需为了使换能器有更大的能量转换效率，需要做一下改进：要做一下改进：选择和改进压电陶瓷材料性能；选择和改进压电陶瓷材料性能；利用纵向逆压电效应。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，居里点铅或掺有铌酸锂的锆钛酸铅等材料，居里点高，可在高，可在200250C温度下稳定工作。温度下稳定工作。圆管状探头的内外表面上，间隔相等地沿圆管状探头的内外表面上，间隔相等地沿管轴方向管轴方向敷以偶数条银层敷以偶数条银层（8或或12条），条），将将相隔的银层用导线相连接作为外加电场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。（或搜索电荷）的两根引入线。在展开图上，圆管周长为在展开图上，圆管周长为Z方向，圆管轴线方方向，圆管轴线方向为向为X，圆管厚度方向为，圆管厚度方向为Y，原始极化方向为，原始极化方向为Z，经极化处理后，当外加交变电场为经极化处理后，当外加交变电场为Z方向的方向的E时，时，若若E的频率和探头径向振动的固有频率相同时，的频率和探头径向振动的固有频率相同时，在在Z方向引起主要的声振动，表现为圆管的周方向引起主要的声振动，表现为圆管的周长收缩和膨胀。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。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面的切线方向，因此，把这种激化方式称为“切切向激化向激化”实验表明：在相同的实验表明：在相同的接收接收条件下，用相同条件下，用相同材料做成的切向激化探头发射比用径向激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化探头发射接收到的信号要大45；在相；在相同的同的发射发射条件下，用相同材料做成的切向条件下，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激化探头接收比用径向激化探头接收到的信号要大信号要大2067。第四节第四节 换能器参数换能器参数对在声频段或超声频段工作的电声换能器，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：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；换能器频率特性； 换能器方向特性；换能器方向特性； 换能器辐射功率；换能器辐射功率； 换能器效率；换能器效率； 接收灵敏度。接收灵敏度。一一 工作频率和频率特性工作频率和频率特性对于对于发射换能器发射换能器，工作频率一般选择为换能器系，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；状态，取得最大电声效率和最大的辐射声功率；对于对于接收换能器接收换能器，要接收的信号具有一定的频带，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。比较平坦。换能器的换能器的频率特性频率特性是指换能器辐射功率随是指换能器辐射功率随频率变化的特性频率变化的特性( (发射换能器发射换能器) )或接收灵敏或接收灵敏度随频率变化的特性。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。器具有一定的频带宽度。换能器的频带宽度换能器的频带宽度ff： ff0/QMf0换能器机械谐振频率；换能器机械谐振频率；QM换能器机械振动品质因素。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，而产生的机械能损耗多少的物理量， QM与机械与机械能损耗成反比，即机械能损耗小，则品质因素能损耗成反比，即机械能损耗小，则品质因素值大。值大。换能器的压电材料居里点：声波测井换能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器在井下高温条件下工作在高温下工作在高温下工作频率与频带宽度稳定不变。频率与频带宽度稳定不变。材料名称材料名称QMQE居里点居里点 CPZT4500250328PZT57550365PZT31000250300钛酸钡钛酸钡300100115QE为压电陶瓷的电学品质因素；与换能器工作过程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。品质因素越高。部分压电材料的性能参数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。空间各个方向上的分布是有差别的。二二 方向特性方向特性在空间或平面的各个方位上声源发出声波能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。分布图，叫作声源的指向角特性花瓣图。规定声压幅度值为规定声压幅度值为声轴方向声轴方向声压幅度值声压幅度值70（-3db ）的方向所张开的角度称为波束角。）的方向所张开的角度称为波束角。声压最大值方向声压最大值方向波束角波束角D-3db是表示探头发出的声波方向特性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。寸越长，波束角就越小，反之亦然。指向角主瓣指向角主瓣指向角旁瓣指向角旁瓣由于要求探头发射出的声波通过井内泥浆后，由于要求探头发射出的声波通过井内泥浆后，在井壁上各种声速不同的岩层中都能以产生滑在井壁上各种声速不同的岩层中都能以产生滑行波的临界角入射，因此，井下声波发射探头行波的临界角入射，因此，井下声波发射探头发射出的声波应在和井壁法线方向成发射出的声波应在和井壁法线方向成1363的范围内都有足够的声波能量。的范围内都有足够的声波能量。声波探头指向角特性声波探头指向角特性探头振动模式探头振动模式探头几何形状探头几何形状探头几何尺寸探头几何尺寸取决于取决于 换能器换能器 磁致伸缩效应磁致伸缩效应 压电效应压电效应 横向压电效应横向压电效应 逆压电效应逆压电效应 工作频率和频率特性工作频率和频率特性 方向特性方向特性 声波探头指向角特性声波探头指向角特性小结小结63 结束语结束语