提高声波测井探头发射功率的实验研究

2005 年 第 19 卷 第 2 期 沈建国 :提高声波测井探头发射功率的实验研究
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成感性负载 ,或由感性负载变成了容性负载 ,这样 ,加 在换能器上的电压的模随之改变 。匹配阻抗引入的目 的是 :在换能器主频附近 ,最大限度地减小回路中阻抗 的模 ,增加换能器上电压的模 ,如能够使压电晶体上的 电压的模大于电源电压 ,则匹配的效果将最好 ,这需要 依据导纳圆测量数据 ,借助于数值计算结果进行设计 , 计算方法涉及到 FFT。
4 结 论
单个换能器与其发射电路匹配得越好 ,其发射的 声功率就越大 。用多个压电晶体制作换能器是提高发 射声功率的有效途径 ,但是 ,这里涉及到压电晶体的一 致性以及单个换能器的响应时间等问题 。用导纳圆测 量仪在线测量的导纳和阻抗可以判断换能器的一致 性 ,为换能器和发射电路的最佳匹配提供依据 。
本文主要定性地讨论换能器与发射电路之间的匹 配问题[4 ] 。
1 实 验
对于单个压电晶体 ,我们进行了定性实验 ,图 1 是 高压电脉冲激发测量电路原理图 。压电晶体放在油槽 中 ,其激发的声振动用水听器接收 。直流电源的电压 可以调节 ,当直流电压值分别为 120 V 、160 V 、200 V 、 240 V 时测量的波形如图 2 所示 。图 3 是水听器接收 波形的首波幅度随激发脉冲幅度的变化 。图中有两条
例如 ,对于波纹管结构的换能器 ,如果外套比较 厚 ,则组装起来的换能器的频带将比较窄 。当换能器 仅有 1 kHz 的带宽时 ,测量波形的振动周期比较多 ,从 测量波形上分不开纵 、横波 ,不宜用于全波波形测井 ; 仅在井筒的固有频率与换能器的频率接近时声波波形 的幅度才比较大 ,能够测量到比较准确的地层的声波 时差 ;对于套管井来讲 ,能量主要集中在套管波上 ,地 层波的幅度比较小 ,无法用地层波识别第 2 界面的胶 接情况 。
图 2 高压脉冲幅度改变时水听器测量的波形
图 3 水听器接收波形首波幅度随所加电压脉冲幅度的变化
2 定性分析
当换能器被电脉冲激发时 ,电脉冲所包含的所有 的频率成分均要在换能器上响应 。频率不同 ,其响应 特征不同 、对应的振动幅度也不一样 ,最终导致换能器
有一套振动时表现出来的参数 ,称其为动态参数 。这
由于加在负载上的电压的相位与电源电压的相位 是不同的 ,这样 ,激发声波时 ,换能器有一响应时间 (从 电压加上到换能器起振这段时间) ,该响应时间因换能 器不同而不同 。
3 增加声发射效率的方法
实现大的声功率发射 ,需要从几个方面入手 : (1) 如果一个换能器用多个压电晶体 (长源距 、远 探测仪器和基于相控技术的测井仪器) ,那么 ,每个晶 体的阻抗或导纳特征 、频率特征应尽可能的一致 。 (2) 用同一种电脉冲激发时 ,各个压电晶体与电路 的匹配是有一定的差别 ,如果要用匹配元件提高压电 晶体上电压的模 ,增加声发射功率 ,那么 ,每个压电晶 体上的电压的相位将发生变化 ,其起振的时间将不同 。 该时间差别如果影响时差测量和相控的叠加 ,则必须 认真对待 。 (3) 同样 ,用相控换能器时也必须考虑匹配电路对 换能器响应时间的影响 。因为相控设计时没有考虑换 能器响应时间的影响 。 综上所述 ,让每个压电晶体单独发射时能够最有 效地激发 ,应该是最经济 、最能提高声波测井仪器性能 的途径 。这就要求电路和压电晶体达到最佳匹配 。 当用于相控目的 (所需要的压电晶体比较多) 时 , 由于要利用声波在空间的叠加 ,其前提是每个发射换 能器所发射出来的声波的能量及空间分布均相同 ,所
2. 5j
=
π
3. 53e - 4j A
各个负载上的电压分别为 :
π
π
V 1 = Z1 I = 4 j ×3. 53e - 4j = 14. 1 e 4 j V
V3e - 4j
= 7. 06 e - 3π4 j V
π
π
V 3 = Z3 I = 2 j ×3. 53e - 4j = 7. 06 e - 4 j V
参考文献
[1 ] 沈建国 ,等. 声波测井压电换能器的一致性问题 [J ] . 石 油仪器 ,2002 ,16 (6)
[ 2 ] 张沛霖 , 张仲渊. 压电测量[M ] . 北京 :国防工业出版社 , 1983
[ 3 ] P. M. 莫尔斯. 振动与声[M ] . 北京 :科学出版社 ,1981 [4 ] 李瀚荪. 电路分析基础 (第二版) [M ] . 北京 :高等教育出
参考文献
[1 ] 李洪人. 液压控制系统 [ M ] . 北京 : 国防工业出版 社 ,
1981 [ 2 ] 肖 建. 现代控制系统综合与设计[M ] . 北京 :中国铁道
出版社 ,2000 [3 ] 黄文梅 ,杨 勇 ,熊桂林 ,等. 系统仿真分析与设计 [M ] .
长沙 :国防科技大学出版社 ,2001 [4 ] 钟小鹏. MATLAB 在动态数据建模中的应用[J ] . 电脑开
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年
第
19
卷
第
2
期
石 油
PETROL EUM
仪 器 INSTRUMENTS
·方法研究·
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提高声波测井探头发射功率的实验研究
沈建国
(天津大学药学院 天津)
摘 要 : 声波测井仪器中的发射换能器发射的声功率越大 ,声波测井波形的幅度就越大 ,测井资料的质量就越有保 证 。从这个意义上说 ,最有效地激发声功率是提高声波测井仪器性能或测井资料质量的一个重要的技术手段 。用在线 测量的声波测井仪器的导纳圆参数可以分析发射电路与换能器的匹配情况 。文章首先给出了一个动态试验结果 ,用小 的感性负载串联到换能器的回路后 ,换能器发射声波的能量提高了近一倍 。然后用单频的电路阻抗模型简单地分析了 提高发射声功率的原因 。最后通过一个计算例子指出 ,在某些频率 ,由于有相位因素的影响 ,加在换能器上的电压的模 可以比电源电压还大 。
些参数有力学参数和电学参数 ,两者是相互联系 、互为
依存的 。电学参数与电路的匹配有关 ,包括动态的电
容 、电感和电阻等 ,可以通过导纳圆测量仪测量 (测量
的结果也包括晶体的静态电容 ,通常用电容表测量到
的只是该电容值 ,不包括动态电容) 。所以 ,研究耦合
问题时应该立足于换能器的导纳圆测量结果 。
(4) 换能器与发射 、接收电路匹配 ,能够最有效地 激发声波能量 。
用导纳圆测量系统可以测量压电晶体的频率和带 宽的一致性 ,从而解决压电晶体频率特征的挑选问 题[2 ] 。压电晶体的温度性能则与选材有关 。换能器结 构的设计比较复杂 ,需要涉及不同机械结构的振动问 题[3 ] 。为此 ,我们研制了检测不同结构换能器特征的 装置 。用该装置可以直接测量不同结构换能器激发的 波形 、声场的空间分布等等 ,通过对比测量结果 ,可以 评价和确定比较好的换能器结构 。
发与应用 ,2001 ,14 (10)
(收稿日期 :2004 - 10 - 15 编辑 : 高红霞)
·Ⅳ· PETROL EUM INSTRUMENTS Apr . 2005
Key Words :through annulus ,point test ,continuous test ,fluid producing profile
抗也是复数 。这样 ,当匹配阻抗与换能器的阻抗相位
相反时 ,两者串联后的阻抗的模减小 ,相应地 ,电路中
总的电流的模增加 。这时 ,加在换能器上的电压增加 ,
发射的声波能量加强 。
注意: 复数阻抗串联
后 ,阻抗的叠加是依向量的
加法进行的 ,向量加法允许
回路中单个原件上的电压
的模 大 于 电 源 电 压 。图 5 是一个简单的串联模型 。
2005
年
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月
曲线 ,分别对应于匹配前和匹配后测量的波形的首波 幅度 ,两者相差将近 1 倍 。该实验结果启示我们 ,声波
图 1 高压电脉冲激发测量电路原理图
换能器与发射电路的耦合特征对测量波形或发射声功 率有相当大的影响 。因此 ,研究换能器与电路的耦合 、 匹配问题 ,适当地调整发射电路是提高声波测井仪器 性能的一个重要的 、有效的途径 。
以 ,要求每个压电晶体的导纳圆应该尽可能一致 。 保证压电晶体之间的一致性是整个换能器设计 、
制造的基础 。 另外 ,由于压电晶体装配好后 ,其电学参数有所变
化 ,所以发射电路参数的调整应该基于装配结构 ,以装 配好的换能器的导纳圆测量结果为基础 。
换能器的导纳圆测量结果给出了不同频率处换能 器的导纳或阻抗的实部和虚部值 。当换能器回路加入 其它负载时 ,这些负载与换能器的导纳或阻抗一块构 成回路 ,回路电流是两者共同作用的结果 。回路电流 越大 ,则加在换能器上电压的模就越大 ,激发的声波能 量就越大 。所以 ,导纳圆测量结果是实现换能器与电 路匹配的基础 。
Zhou Jing and Yao Wenbin . System identif ication of the hydra ulic position - orientation control equipment . PI , 2005 ,19( 2) :60～62 ,68
版社 ,1983
(收稿日期 :2004 - 12 - 02 编辑 : 刘雅铭)
(上接第 62 页)
4 结束语
通过液压定位控制器的“黑箱”辨识研究 ,准确的 识别出了液压定位控制器的动态数学模型 ,为进一步 研究液压定位控制器的动态性能提供依据 。同时可以 看出系统辨识技术为深入研究液压定位控制器的控制 特性开辟了一条有效途径 。
关 键 词 : 声波测井 ; 换能器 ; 匹配 ; 导纳圆
中图法分类号 : P631. 8 + 1 文献标识码 : B 文章编号 : 100429134 (2005) 0220063203
0 引 言
近一年来 ,我们对大庆 、辽河 、胜利 、中原 、华北 、吉 林 、江苏 、大港 、西安石油勘探仪器总厂等单位所用的 压电晶体和声波测井仪器进行了导纳圆测量[1 ] 。发现 压电晶体频率的一致性存在较大的差异 ,通过模型井 实验证明这些差异对声波测井仪器有比较大的影响 ; 测量了温度 、压力改变时 ,声波测井仪器换能器导纳圆 或阻抗特征的变化 ;通过比较不同结构的声波换能器 的导纳圆测量结果和实际测井波形 ,还比较充分地认 识到了换能器结构的重要性 。
图 5 匹配阻抗电路
设频率固定在某一个值时 ,输入电压的幅度为 10 V , Z1 是感性负载为 4 j ,Ω , Z2 是容性负载为 - 2 j ,Ω , Z3 是纯阻性负载为 2 Ω。这时 ,总的阻抗为 :
2 + 2 j = 2. 83 Ω
电流为 :
I
=
Us Z
=
10 2 + 2j
=
2. 5 -
提高声波测井仪器的性能 ,从换能器的角度来说 应从下列几方面着手 :
(1) 挑选频率和带宽尽可能一致的压电晶体装在 同一只仪器上 。
(2) 应选取声 - 电和电 - 声转换效率等参数 ,高温 性能好 、温度稳定性好的压电晶体 。
(3) 换能器的内部结构要合理 ,它们构成的振动系 统的频率成分应较丰富 ,带宽较宽 。
图 4 所示为频率固定
时 ,匹配阻抗 Z1 与换能器
阻抗 Z2 的等效电路原理
图 。在换能器的共振频率
附近 , Z2 的阻抗值随频率 图 4 匹配阻抗电路原理图 变化 (这些变化可以通过导
纳圆测量到) , Z1 需要根据测量的 Z2 和其它参数设
计。
由于换能器的阻抗是复数 ,相应地 ,需要匹配的阻
第一作者简介 : 沈建国 , 男 ,教授 ,1983 年华东石油学院测井专业毕业 ,中国科学院声学研究所博士 ,清华大学物理学博士后 ,天津大学专门从事 声波测井方法原理 、资料处理和技术研究 。邮编 :300072
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石 油
PETROL EUM
仪 器 INSTRUMENTS
本例中 ,感性负载上的电压的模为 14. 1 V ,大于
电源电压 10 V 。这是由于它们之间的相位不同所致 。
三个负载上的电压 V 1 、V 2 、V 3 相加后仍然等于电源的 电压 Us 。
以上简单讨论了换能器及其回路对单个频率的响
应 ,其它频率的计算方法与上述相同 。只是 ,随着频率
的改变 ,各个负载的阻抗发生了变化 ,或由容性负载变