聲波測井4課件

第三章井下聲波的產(chǎn)生與接收第三章井下聲波的產(chǎn)生與接收第1節(jié)磁致伸縮效應與壓電效應第2節(jié)逆壓電效應與聲波的發(fā)射第3節(jié)換能器的振動模式與激化方式第4節(jié)換能器參數(shù)換能器：能實現(xiàn)將電磁能（或機械能）轉換為聲能，或者將聲能轉換為電磁能的元器件，俗稱探頭。第一節(jié)磁致伸縮效應與壓電效應第一節(jié)磁致伸縮效應與壓電效應本產(chǎn)品是以壓電效應實現(xiàn)電能與聲能相互轉換的壓電陶瓷元件。其采用螺旋槳固型。在負荷變化時也能產(chǎn)生穩(wěn)定的超聲波。具有高性能、大振幅、耐熱性的特點.本產(chǎn)品主要應用于超聲波清洗設備.磁致伸縮效應可用來設計制作應力傳感器和轉矩傳感器。利用磁致伸縮系數(shù)大的硅鋼片制取的應力傳感器多用于1t以上重量的檢測中。其輸入應力與輸出電壓成正比，一般精度為1%～2%，高的可達0.3%～0.5%。磁致伸縮轉矩傳感器可以測出小扭角下的轉矩。磁致伸縮用的材料較多，主要有鎳、鐵、鈷、鋁類合金與鎳銅鈷鐵氧陶瓷，其磁致伸縮系數(shù)為10-5量級。高磁致伸縮系數(shù)（≥10-3量級）的材料也被開發(fā)出了，如鋱鐵金屬化合物——TbFe2、TbFe3和非晶體磁致伸縮材料——金屬玻璃等。將磁棒放進交變電磁場中，在周期性的磁化作用下，其長度將發(fā)生周期性變化。當把交變電磁場的頻率調(diào)到與磁棒的固有頻率相等時，鎳棒將在交變電磁場的作用下以其固有頻率振動，振幅達到極大，同時，在棒的兩端發(fā)射出與棒的固有頻率相同的聲波。反之，當聲波經(jīng)過鎳棒傳播時，由于聲波對鎳棒的作用，鎳棒將發(fā)生周期性的拉伸與壓縮變形（雖然變形很?。蛊浯呕瘡姸劝l(fā)生改變，致使套在鎳棒上的線圈產(chǎn)生感應電動勢，這個過程稱為逆磁致伸縮效應。利用這種效應可以接收聲波信號，并將其轉換成為電信號進行刻度和處理。溫度升高，分子熱運動加劇，磁致伸縮效應減弱；當溫度達到某一數(shù)值時，鐵磁性材料的磁性將完全消失（退磁），磁致伸縮效應將完全消失，這一特征溫度叫作居里點。聲波測井常用的磁致伸縮材料－鎳片的居里點為370oC。實際上，當溫度超過110oC時，鎳片的磁致伸縮效應已經(jīng)相當微弱，以致不能正常的發(fā)射聲波。具有壓電效應的材料稱為壓電材料。壓電材料壓電單晶體(天然或人工制造)：石英；酒石酸鉀鈉；硫酸鋰等壓電多晶體(人工按陶瓷制作工藝燒制)，通稱壓電陶瓷：鈦酸鋇；鋯鈦酸鉛；鎂鈮酸鉛等在外加交變電場變化范圍不大的情況下，外加電場強度E和線應變之間具有近似的線性關系。橫向壓電效應：外加作用力(或壓電陶瓷產(chǎn)生的應力)和原始極化方向互相垂直。縱向壓電效應：應力方向和極化方向一致的壓電效應。切向壓電效應：壓電陶瓷在受到剪切應力作用時所產(chǎn)生的壓電效應。第二節(jié)逆壓電效應與聲波的發(fā)射逆壓電效應：指壓電陶瓷材料在外加電場的作用下發(fā)生形變的過程，（電場→形變），或者叫作電致極化伸縮效應

?？v向逆壓電效應：壓電陶瓷材料在外加電場作用下，發(fā)生形變的方向與電場方向一致的效應。在壓電陶瓷的原始極化方向上施加電場，將使壓電陶瓷在X、Y和Z方向上發(fā)生伸縮形變。若在原始極化方向上施以頻率為f的交變電場，則壓電陶瓷將發(fā)生頻率相同的伸縮振動。因此，若外加電場頻率f與壓電陶瓷在某一方向上的振動固有頻率相同，則在該方向上發(fā)生的伸縮變形最為明顯，此時，即向壓電陶瓷周圍的空間輻射出聲波（縱波）。切向逆壓電效應：壓電陶瓷材料在外加電場作用下，發(fā)生剪切形變的效應。可以利用壓電陶瓷的切向逆壓電效應在固體介質中激發(fā)橫波，即可制作橫波換能器。第三節(jié)換能器的振動模式與激化方式現(xiàn)有的聲波測井儀的發(fā)射換能器一般是圓管狀的壓電陶瓷（當然也有極個別還是利用鎳片）。壓電陶瓷工作原理：經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷材料，沿一定方向加以交變電流時，在電場的作用下將發(fā)生形變，在外加電場變化范圍不大的情況下，形變與外加電場成正比，此即逆壓電效應或電致極化伸縮效應。聲波發(fā)射換能器工作原理：當外加交變電壓的頻率與壓電陶瓷材料的固有頻率相同時，壓電陶瓷即產(chǎn)生按其固有頻率發(fā)生的形變，從而在周圍介質中激發(fā)起聲波。聲波測井用的壓電陶瓷換能器是有限長的圓管，內(nèi)外均鍍有銀膜作為電極，供加交變電壓（作發(fā)射換能器時）或者搜索電荷（作接收換能器時）。有限長圓管狀探頭在沿厚度方向，即其原始極化方向上加以電場時，產(chǎn)生三種振動模式：①向井壁發(fā)射接近柱面波的徑向振動；

②向井筒軸線方向發(fā)射近似于“平面波”的軸向振動；③向井壁發(fā)射柱面波的厚度振動。由于圓管狀探頭在X、Y和Z方向上的幾何尺寸各不一樣，因此，徑向、軸向和厚度振動發(fā)出的聲波信號的頻率是各不相同的，即三種振動的固有頻率各不相同。例如：鎢鎘鋯鈦酸鉛(PZT-YG)壓電陶瓷換能器的幾何尺寸：外徑53毫米，高41毫米，厚4.5毫米；其徑向振動固有頻率18～20KHz，軸向振動固有頻率50～60KHz，厚度振動固有頻率2MHz左右，測井時所用的是頻率最低的徑向振動模式。圓管狀換能器的內(nèi)外表面上鍍有銀膜，在Z方向加交變電壓，利用其徑向振動發(fā)射出聲波。這是利用換能器的橫向逆壓電效應，因為外加電場的方向是圓管的徑向方向，這種激發(fā)聲波的振動方式稱為徑向激化，其能量轉換(電能轉換為聲能)效率低。為了使換能器有更大的能量轉換效率，需要做一下改進：①選擇和改進壓電陶瓷材料性能；②利用縱向逆壓電效應。例如：我國在七十年代中期開始使用的縱向逆壓電效應探頭，這種探頭選用鎢鎘鋯鈦酸鉛或摻有鈮酸鋰的鋯鈦酸鉛等材料，居里點高，可在200～250oC溫度下穩(wěn)定工作。圓管狀探頭的內(nèi)外表面上，間隔相等地沿管軸方向敷以偶數(shù)條銀層（8或12條），將相隔的銀層用導線相連接作為外加電場（或搜索電荷）的兩根引入線。在展開圖上，圓管周長為Z方向，圓管軸線方向為X，圓管厚度方向為Y，原始極化方向為Z，經(jīng)極化處理后，當外加交變電場為Z方向的E時，若E的頻率和探頭徑向振動的固有頻率相同時，在Z方向引起主要的聲振動，表現(xiàn)為圓管的周長收縮和膨脹。這種激化方式比徑向激化方式的橫向逆壓電效應具有高得多的電能－聲能轉換效率。這種換能器在工作時，外加電場是加在相鄰的兩條銀層之間，即電場強度方向是沿圓管探頭外表面的切線方向，因此，把這種激化方式稱為“切向激化”實驗表明：在相同的接收條件下，用相同材料做成的切向激化探頭發(fā)射比用徑向激化探頭發(fā)射接收到的信號要大45％；在相同的發(fā)射條件下，用相同材料做成的切向激化探頭接收比用徑向激化探頭接收到的信號要大20～67％。第四節(jié)換能器參數(shù)對在聲頻段或超聲頻段工作的電－聲換能器，選擇其工作頻率是十分重要的。影響如下因素：★換能器頻率特性；★換能器方向特性；★換能器輻射功率；★換能器效率；★接收靈敏度。一工作頻率和頻率特性對于發(fā)射換能器，工作頻率一般選擇為換能器系統(tǒng)本身的機械諧振頻率，這樣可以獲得最佳工作狀態(tài)，取得最大電聲效率和最大的輻射聲功率；對于接收換能器，要接收的信號具有一定的頻帶寬度，要求接收換能器對一定頻率范圍的聲波信號都有平坦的接收特性，一般接收換能器的接收靈敏度特性是在低于機械諧振頻率的某一范圍內(nèi)比較平坦。換能器的頻率特性是指換能器輻射功率隨頻率變化的特性(發(fā)射換能器)或接收靈敏度隨頻率變化的特性。當換能器用于發(fā)射脈沖聲信號或接收聲信號時，為了使信號不過分失真，要求換能器具有一定的頻帶寬度。換能器的頻帶寬度Δf：

Δf＝f0/QMf0－換能器機械諧振頻率；QM－換能器機械振動品質因素。QM是表示換能器在振動過程中由于克服內(nèi)摩擦而產(chǎn)生的機械能損耗多少的物理量，QM與機械能損耗成反比，即機械能損耗小，則品質因素值大。換能器的壓電材料居里點：聲波測井換能器在井下高溫條件下工作→在高溫下工作頻率與頻帶寬度穩(wěn)定不變。材料名稱QMQE居里點oCPZT－4500250328PZT－57550365PZT－31000250300鈦酸鋇300100115QE為壓電陶瓷的電學品質因素；與換能器工作過程中介電損耗有關，介電損耗越小的壓電材料，其電學品質因素越高。部分壓電材料的性能參數(shù)由于聲波發(fā)射探頭是具有一定幾何形狀和尺寸的，因此，探頭發(fā)射出的聲波能量在空間各個方向上的分布是有差別的。二方向特性在空間或平面的各個方位上聲源發(fā)出聲波能量最大值（通常取聲壓或聲強的最大值）的分布圖，叫作聲源的指向角特性花瓣圖。規(guī)定聲壓幅度值為聲軸方向聲壓幅度值70％（-3db）的方向所張開的角度稱為波束角。聲壓最大值方向波束角D-3db是表示探頭發(fā)出的聲波方向特性的重要參數(shù)；圓柱狀聲源在軸線方向上尺寸越長，波束角就越小，反之亦然。指向角主瓣