隨鉆聲波傳輸中換能器聲源功率匹配實(shí)驗(yàn)研究

陳 勇 尚海燕 秦 瓊

(西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所， 西安 710065)

?

隨鉆聲波傳輸中換能器聲源功率匹配實(shí)驗(yàn)研究

陳 勇 尚海燕 秦 瓊

(西安石油大學(xué)井下測(cè)控研究所， 西安 710065)

研究了隨鉆聲波傳輸中壓電換能器聲源發(fā)射功率，提出了并聯(lián)式壓電換能器陣列雙頻匹配方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能使壓電換能器聲源機(jī)械轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最大，在雙頻諧振點(diǎn)的發(fā)射功率達(dá)到200 W以上，滿足隨鉆聲波傳輸現(xiàn)場(chǎng)的功率輸出要求，提高了聲波的傳輸距離，為實(shí)現(xiàn)基于壓電換能器陣列聲源的聲波長(zhǎng)距離傳輸?shù)於嘶A(chǔ)。

并聯(lián)式壓電換能器陣列； 聲源功率； 電感匹配； 雙頻匹配

近年來(lái)隨鉆聲波傳輸技術(shù)迅速發(fā)展。聲波傳輸速率比傳統(tǒng)泥漿脈沖高出1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，與電磁波的傳輸速率相當(dāng)，但其對(duì)環(huán)境的要求不高[1]。因此，采用聲波作為載體進(jìn)行信號(hào)傳輸成為隨鉆傳輸領(lǐng)域很有潛力的發(fā)展方向[2]。目前在井下高溫、高壓、強(qiáng)沖擊的環(huán)境中，壓電換能器聲源機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定。開展換能器頻率及功率特性研究可以有效提高隨鉆聲波的傳輸距離和可靠性。

1 壓電換能器電學(xué)特性分析

1.1 壓電換能器介紹

壓電換能器是通過(guò)具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換[3]。換能器可分為發(fā)射型、接收型和接發(fā)兩用型。本次實(shí)驗(yàn)選用發(fā)射型壓電換能器，選用金屬氧化物作為壓電陶瓷材料，可以保證較大的輸出聲功率和比較高的電 — 聲轉(zhuǎn)換效率[4]。實(shí)驗(yàn)中的壓電換能器性能參數(shù)如表1所示。

表1 壓電換能器性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中壓電換能器聲源發(fā)射裝置由2個(gè)高頻換能器H1、H2和2個(gè)低頻換能器L1、L2組成壓電換能器陣列。為了使該壓電換能器陣列可以同步工作，采用串并聯(lián)式陣列。多個(gè)壓電換能器串聯(lián)可能會(huì)出現(xiàn)單個(gè)壓電換能器的失效，從而導(dǎo)致整個(gè)壓電換能器陣列失效，因此選擇并聯(lián)式壓電換能器陣列進(jìn)行功率匹配。

用精密阻抗分析儀Agilent4294A測(cè)試壓電換能器阻抗參數(shù)(見表2)。測(cè)試從單個(gè)換能器到并聯(lián)式壓電換能器陣列進(jìn)行，可以保證壓電換能器的一致性。通過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所選壓電換能器具有較強(qiáng)的一致性。對(duì)比表2可以看出，并聯(lián)式壓電換能器陣列和單個(gè)壓電換能器的機(jī)械諧振頻率并沒(méi)有明顯差別，證明了換能器的機(jī)械諧振頻率具有一致性。

1.2 壓電換能器匹配原理

壓電換能器雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是隨鉆聲波傳輸過(guò)程中壓電式換能器始終工作在單一震動(dòng)模式，因此在電學(xué)中可以簡(jiǎn)化為圖1a所示的換能器等效電路[5]。圖中C0為并聯(lián)的靜態(tài)電容，其值遠(yuǎn)小于在諧振頻率點(diǎn)的換能器等效電容；L1是壓電換能器的動(dòng)態(tài)電感，來(lái)自振動(dòng)體的彈性；C1是壓電換能器的動(dòng)態(tài)電容，來(lái)自振動(dòng)體的質(zhì)量；R1是壓電換能器的動(dòng)態(tài)電阻，包含換能器介質(zhì)損耗和負(fù)載。

圖1 換能器等效電路

圖1a中的壓電換能器的等效阻抗Z為：

(1)

根據(jù)匹配原理，在壓電換能器的機(jī)械諧振頻率點(diǎn)時(shí)，存在如下關(guān)系式：

(2)

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率等于fs時(shí)，串聯(lián)支路諧振，此時(shí)，電抗X=0，并聯(lián)支路只剩下電阻分量R1，等效電路如圖1b所示。此時(shí)換能器可等效為容性負(fù)載，需要1個(gè)感性元件來(lái)與之進(jìn)行調(diào)諧匹配[6]，抵消電感C0產(chǎn)生的容抗分量對(duì)電路輸出功率的影響。

電感匹配分為并聯(lián)和串聯(lián)2種方式[7]。并聯(lián)匹配方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，但對(duì)目前常用的開關(guān)型電源而言，串聯(lián)匹配比并聯(lián)匹配更能有效抑制電源輸出波形中的方波成分，減輕功率放大器的負(fù)擔(dān)，因此，串聯(lián)匹配更具優(yōu)越性。本次研究主要討論串聯(lián)匹配方式。對(duì)壓電換能器機(jī)械諧振點(diǎn)的等效電路(圖1b)進(jìn)行串并聯(lián)電路之間的等效變換，即可得到圖2a所示電路。

圖2a中：

(3)

(4)

(5)

其中： R、Cs—— 分別為R1、C0串并聯(lián)等效變換后的值；

ωs—— 串聯(lián)諧振角頻率。

要使換能器在ωs點(diǎn)發(fā)生諧振，由式(3)、式(4)得：

(6)

由式(5)、式(6)得：

(7)

根據(jù)表2的測(cè)試結(jié)果，將并聯(lián)式壓電換能器陣列機(jī)械諧振頻率fs和等效電感Cs的值帶入式(7)可得匹配電感值。此時(shí)由電感和壓電換能器陣列組成的匹配電路在fs點(diǎn)諧振，等效電路中只有電阻R，換能器工作在純電阻狀態(tài)，電路如圖2b所示。數(shù)字功放與換能器之間只有有功功率的定向傳遞而無(wú)無(wú)功功率的往復(fù)交換。

圖2 換能器串聯(lián)電感匹配原理圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)分析，對(duì)并聯(lián)式壓電換能器陣列發(fā)射功率進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)，確定最佳雙頻匹配頻率和最大發(fā)射功率。圖3是由整個(gè)壓電換能器聲源裝置和測(cè)量?jī)x器組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。壓電換能器聲源裝置主要由信號(hào)發(fā)生器、D類數(shù)字功放、單 — 雙電源模塊、升壓變壓器、匹配電路、壓電換能器陣列6部分組成。測(cè)量?jī)x器由示波器、濾波放大器、高壓探頭組成。

電路中信號(hào)發(fā)生器主要提供不同頻率、不同大小的電能；單 — 雙電源模塊主要為D類數(shù)字功放雙電源供電；D類數(shù)字功放選用具有保護(hù)功能的PWM型功率放大驅(qū)動(dòng)電路，升壓變壓器將電壓提升至350～450 Vpp；匹配電路是保證電能高效率傳輸給壓電換能器的陣列，由可調(diào)電感器組成；并聯(lián)式壓電換能器陣列則是讓電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械震動(dòng)的聲波能量。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取壓電換能器的頻帶為0.9 — 1.2 kHz，測(cè)試并聯(lián)式壓電換能器陣列的匹配功率。用信號(hào)發(fā)生器以脈沖形式激發(fā)換能器工作，不斷調(diào)節(jié)匹配電感器的值進(jìn)行功率匹配，測(cè)試壓電換能器陣列端電壓，流經(jīng)電流及匹配相位角。

并聯(lián)壓電換能器陣列端電壓、電流、相位角、發(fā)射功率隨換能器頻率的變化曲線如圖4所示。換能器陣列端電壓、電流出現(xiàn)2個(gè)峰值，在峰值點(diǎn)處的匹配相位角達(dá)到最小值，換能器陣列近似工作在純電阻狀態(tài)。最佳匹配頻率fs1=0.975 kHz，fs2=1.100 kHz，其發(fā)射功率在這2個(gè)頻率點(diǎn)也達(dá)到峰值。并聯(lián)換能器陣列功率匹配結(jié)果見表3。

圖3 換能器聲源裝置功率匹配測(cè)試電路

圖4 并聯(lián)換能器陣列諧振頻率與各參數(shù)關(guān)系曲線

換能器類別fs∕kHzLs∕mH換能器功率∕WL1+L2+H1+H2并聯(lián)0．975175211．591．100235215．28

4個(gè)換能器并聯(lián)組成的換能器陣列在雙頻段的匹配功率均在200 W以上，可有效地提高聲波的傳輸距離，可以滿足隨鉆聲波傳輸現(xiàn)場(chǎng)的功率輸出要求。對(duì)比單個(gè)壓電換能器機(jī)械諧振頻率，發(fā)現(xiàn)多個(gè)換能器的并聯(lián)可以降低壓電換能器的諧振頻率。

3 結(jié) 語(yǔ)

選用壓電換能器作為隨鉆聲波遙傳的聲源裝置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了并聯(lián)式壓電換能器陣列雙頻功率匹配，得到的主要認(rèn)識(shí)有：

(1) 對(duì)于壓電換能器陣列負(fù)載串聯(lián)電感可以在其機(jī)械諧振頻率附近進(jìn)行準(zhǔn)確匹配。

(2) 并聯(lián)式壓電換能器陣列可以有效提高壓電換能器聲源裝置的發(fā)射功率。

(3) 多個(gè)換能器并聯(lián)，能使換能器諧振頻率降低。

(4) 由不同頻率的換能器并聯(lián)組成的換能器陣列，可實(shí)現(xiàn)換能器的多頻匹配。

(5) 并聯(lián)式壓電換能器陣列在雙頻狀態(tài)下，穩(wěn)定輸出的發(fā)射功率均能達(dá)到200 W以上，能夠達(dá)到測(cè)井現(xiàn)場(chǎng)功率輸出的要求，可以明顯提高隨鉆聲波傳輸?shù)木嚯x和可靠性。

[1] 李志剛,管志川,王以法.隨鉆聲波遙測(cè)及其關(guān)鍵問(wèn)題分析[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(9):6-9.

[2] 劉海軍.隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸方式的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].西部探礦工程,2014,26(4):67-71.

[3] 閆迎利.壓電效應(yīng)及其應(yīng)用[J].安陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2001(2):44-45.

[4] 李曉娟,李全祿,謝妙霞,等.壓電陶瓷材料的發(fā)展及其新應(yīng)用[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,22(1):8-12.

[5] 徐春龍,胡卓蕊,田華.壓電超聲換能器電端匹配電路研究[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào),2007,20(6):194-197.

[6] 鮑善惠.壓電換能器的動(dòng)態(tài)匹配[J].應(yīng)用聲學(xué),1998,17(2):16-20.

[7] 武劍,董惠娟.電超聲換能器初級(jí)串聯(lián)匹配新方法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2009,39(6):1642-1645.

Experimental Study on Acoustic Source Power Matching of Transducer Sound Source

CHENYongSHANGHaiyanQINQiong

(Underground Measurement and Control Research Institute of Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

In this paper, the piezoelectric transducer sound source power in acoustic transmission is studied, and the dual frequency matching mode of parallel piezoelectric transducer array is proposed. Experimental results show that the new method makes conversion efficiency of piezoelectric transducer reach the maximum. When the transmitting power of the dual frequency resonant point reached more than 200W and met the requirements of the power output of the transmitted acoustic field while drilling, it could effectively improve the acoustic transmission distance, which would lay a foundation for the realization of long distance transmission based on the acoustic source of piezoelectric transducer array.

parallel piezoelectric transducer array; sound source power; inductance matching; dual frequency matching

2016-03-22

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及隨鉆測(cè)錄、酸性氣層測(cè)試技術(shù)與裝備”(2011ZX05021-005)；陜西省教育廳項(xiàng)目“隨鉆聲波傳輸信道模擬與信息傳輸研究”(15JK1582)

陳勇(1989 — )，男，西安石油大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槭凸こ虦y(cè)試技術(shù)與儀器。

TB559

A

1673-1980(2016)05-0123-04