圓柱式增壓水聽器的研制

何 利 王軍民 余 沛 何志昂

（長(zhǎng)江大學(xué)地球物理與石油資源學(xué)院，湖北 武漢 430100）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)化石能源需求量越來越大，加大資源勘探力度和提高勘探設(shè)備精度是以后能源勘探發(fā)展的必然趨勢(shì)。在勘探過程中，數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)尤為重要，選擇高靈敏度、高穩(wěn)定性的采集設(shè)備會(huì)大大提高勘探效率。本文所介紹的圓柱式增壓水聽器，通過理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)室模擬、野外勘探測(cè)試，均有著工作頻帶較寬、靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。

1 圓柱式增壓水聽器原理與結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

圓柱式增壓水聽器的基本原理是采用壓電效應(yīng)將地下的地震信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。與現(xiàn)有其他類型的水聽器相比，圓柱式增壓水聽器采用多個(gè)壓電陶瓷片組合，有著明顯的增壓效果，且靈敏度更高。

描述它的方程為［1］：

式中，Sh為應(yīng)變分量；為恒電場(chǎng)的柔性常數(shù)分量；Tk為應(yīng)力分量；djh、dik為壓電常數(shù)分量；Ej為電場(chǎng)強(qiáng)度分量；Di為電位移分量為恒應(yīng)力的介電常數(shù)分量。

1.2 形態(tài)結(jié)構(gòu)

整個(gè)裝置為封閉模式，其內(nèi)部的8個(gè)壓電陶瓷片嵌于圓柱套管內(nèi)壁，用導(dǎo)線串接在一起，導(dǎo)線從套管上蓋圓心處引出，如圖1所示。

圖1 圓柱式增壓水聽器結(jié)構(gòu)圖

1.3 電路分析

增壓水聽器采用的敏感元件為圓薄片狀壓電陶瓷片，由于壓電陶瓷片存在著輸出電荷極性，因此采用的連接方式不同，水聽器的工作狀態(tài)就不同?；谏鲜隼碚摚瑸樘岣咚犉鞯撵`敏度，我們將每2個(gè)壓電陶瓷片粘在一起，且采用并聯(lián)的方式形成1個(gè)壓電陶瓷單元。采用8個(gè)相同規(guī)格的壓電陶瓷片做成4個(gè)壓電陶瓷單元，且這4個(gè)單元之間串聯(lián)，隨后通過INA128電子放大電路放大并傳輸?shù)讲杉O(shè)備中，其等效電路如圖2所示。

圖2 水聽器內(nèi)置壓電陶瓷片連接結(jié)構(gòu)示意圖

C1～C8分別為8個(gè)壓電陶瓷片的電容，按照?qǐng)D2的連接方式，其輸出電荷量為單片輸出的2倍，輸出電壓為單片輸出的4倍。其總電容C為：

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)諧振原理，水聽器的諧振頻率f0為：

式中，C0為電容量；L1為電感量。

水聽器的諧振頻率是性能評(píng)價(jià)的重要參數(shù)之一，往往工作頻率要遠(yuǎn)離諧振頻率。在制作工藝上，要盡量降低諧振頻率。而降低諧振頻率的同時(shí)，也降低了敏感元件的接收靈敏度，所以對(duì)敏感器件電容量和負(fù)載電路電感量的選擇應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)目的確定［2］。

2 靈敏度計(jì)算及測(cè)量

2.1 理論計(jì)算

對(duì)壓電效應(yīng)方程進(jìn)行化簡(jiǎn)，并加入邊界條件，可得到圓片狀壓電陶瓷（雙邊式邊緣固定壓電陶瓷片）的接收靈敏度為：式中，r為壓電陶瓷片半徑；a為壓電陶瓷片厚度；g31為壓電陶瓷片的壓電常數(shù)［2］。

按照我們所討論的水聽器的結(jié)構(gòu)（圖1），先將壓電陶瓷片兩兩并聯(lián)再串聯(lián)，使得儀器所接收到的電壓為單個(gè)壓電陶瓷片的4倍，再經(jīng)過電路的N倍降壓后，得到水聽器的接收電壓靈敏度為：

再將接收電壓靈敏度轉(zhuǎn)化為水聽器的接收靈敏度［3］，表示為：

式中，M0為基準(zhǔn)值，取 M0＝1 V／μPa。

代入水聽器的參數(shù)：a＝0.09 mm，r＝7.5 mm，g31＝－11.4×10－3V·m／N，N＝8，計(jì)算得到增壓水聽器的靈敏度MdB＝－178.5 dB。

2.2 靈敏度測(cè)量

將標(biāo)準(zhǔn)聲源、標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器和圓柱式增壓水聽器等距離吊放在平靜的水池中央。在10～1 000 Hz的掃頻條件下，由標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器和增壓水聽器采集到2組信號(hào)，采用靈敏度自由場(chǎng)比消法得到2組結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器參數(shù)資料表明，在10～1 000 Hz條件下其靈敏度為（－42±3）dB（圖3）。由于環(huán)境噪聲的影響以及我們實(shí)驗(yàn)條件的局限性，標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器的靈敏度并不是－42 dB。為了消除環(huán)境噪聲的影響，將標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器靈敏度矯正到－42 dB。由于標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器和圓柱式增壓水聽器是處于同一環(huán)境中，通過上述得到的校正量對(duì)增壓水聽器采集得到的靈敏度進(jìn)行矯正，得到圓柱式增壓水聽器在50～1 000 Hz區(qū)域內(nèi)的靈敏度（圖4）。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)聲壓傳感器靈敏度隨頻率變化曲線

圖4 圓柱式增壓水聽器靈敏度隨頻率變化曲線

經(jīng)矯正后的靈敏度，在50～1 000 Hz范圍內(nèi)平均值是－179.8 dB，最大偏差只有－1.89 dB。

圓柱型增壓水聽器靈敏度高，穩(wěn)定性好，完全符合實(shí)際地震勘探和工程探測(cè)的要求。

3 結(jié)語

本文介紹的圓柱式增壓水聽器，采用8個(gè)壓電陶瓷片組合，2個(gè)并聯(lián)為1壓電單元，可以降低海浪、水流等自然噪音的影響。以4組串聯(lián)的方式，放大了圓柱式增壓水聽器外壁接受的壓應(yīng)力。它具有靈敏度高、響應(yīng)頻帶寬和重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)。

［1］欒桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣［M］.北京大學(xué)出版社，2005

［2］解寶興，高俊琴.SDS-1型淺海石油水聽器［J］.應(yīng)用聲學(xué)，1992（5）

［3］魏兵，杜宏亮，王麗坤.圓柱形壓電陶瓷水聽器［A］.中國儀器儀表學(xué)會(huì)第九屆青年學(xué)術(shù)會(huì)議論文集［C］，2007