一种三叠片式弯曲振动器、弯曲式换能器及带宽拓宽方法技术

本发明专利技术公开了偶极子声波换能器技术领域的一种三叠片式弯曲振动器、弯曲式换能器及带宽拓宽方法，包括金属基片、设置在金属基片宽度方向两侧的第一叠片结构和第二叠片结构，第一叠片结构包括多个平行设置、长度递减并绝缘连接的第一压电陶瓷片，第二叠片结构包括多个平行设置、长度递减并绝缘连接的第二压电陶瓷片，且第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化方向为金属基片的厚度方向。本发明专利技术可先通过对不同长度的压电陶瓷片顺序激励，使金属基片发生不同程度的弯曲振动，并得不同频率的谐振峰，再通过不同频率的谐振峰之间的相互组合，实现拓宽弯曲式换能器的频带。实现拓宽弯曲式换能器的频带。实现拓宽弯曲式换能器的频带。

【技术实现步骤摘要】
一种三叠片式弯曲振动器、弯曲式换能器及带宽拓宽方法


[0001]本专利技术涉及偶极子声波换能器
，具体涉及一种三叠片式弯曲振动器、弯曲式换能器及带宽拓宽方法。

技术介绍

[0002]作为一种声波换能器，声波振动器常被用于声波测井技术和设备中。声波测井是利用声波振动器激励声波信号，声波通过钻孔流体的耦合，在井外地层介质中传播，而声波传播的速度，幅度衰减、相位变化等信息可以有效地反应出地层的各种地质特性参数，进而反应出地层的各种地质构造。
[0003]声波在井孔内激励并开始向井外地层传播时，基于不同的地层特性、声源形式、频率等，以多种模式波传播。目前声波探测中最为常用的声源形式有单极子声源和偶极子声源。对于单极子声源，在硬地层中传播时，高频条件下，单极子声源可激励P波、S波和斯通利波；低频条件下，单极子则主要产生斯通利波；在软地层中传播时，高频单极子只产生泄露纵波；低频单极子除产生泄漏纵波以外，还产生斯通利波。而偶极子声源主要用来产生弯曲波，低频条件下，弯曲波趋近于地层横波速度；高频条件下，弯曲波又趋近于地层斯通利波速度。因此，偶极子声源在慢速地层中可有效用于横波测井中。慢速地层中，由于横波没有临界反射角，在井中测量不到地层的反射角，利用低频偶极子的这一特性可以有效地测量慢速地层的横波。
[0004]弯曲式换能器是一种常用的低频换能器，其利用压电陶瓷的弯曲振动辐射能量，而弯曲振动相比于纵振动，在相同尺寸时可以获得更低的谐振频率，具有小尺寸发射的特点。弯曲换能器的常用结构是三叠片振动器，如图10所示，三叠片振动器包括金属基片110和设置在金属基片110两侧的第一压电陶瓷片121、第二压电陶瓷片131；三叠片振动器通过加载在第一压电陶瓷片121、第二压电陶瓷片131上的激励电压，使第一压电陶瓷片121、第二压电陶瓷片131在金属基片110的长度方向分别伸长和收缩，进而带动金属基片110发生弯曲振动。但三叠片振动器受单一振动模态工作的限制，带宽较窄，导致实际应用不理想。
[0005]为了拓宽弯曲式换能器的带宽，近几十年来，本行业向后出现了弯曲圆盘换能器和组合式弯曲换能器，都是通过多个不同谐振频率换能器的谐振峰相互叠加实现拓宽带宽的，但是上述弯曲式换能器由于采用圆盘结构或多个换能器组合的因素，导致弯曲式换能器体积较大，无法用于声波测井。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三叠片式弯曲振动器，以解决现有三叠片振动器振动模态单一的技术问题。
[0007]本专利技术所采用的技术方案为：一种三叠片式弯曲振动器，包括：
[0008]金属基片；
[0009]第一叠片结构，所述第一叠片结构设置在金属基片厚度方向的一侧，所述第一叠
片结构包括多个平行设置并绝缘连接的第一压电陶瓷片，且靠近所述金属基片的第一压电陶瓷片在金属基片长度方向上的尺寸大于远离金属基片的第一压电陶瓷片在金属基片长度方向上的尺寸；
[0010]第二叠片结构，所述第二叠片结构设置在金属基片厚度方向的另一侧，所述第二叠片结构包括多个平行设置并绝缘连接的第二压电陶瓷片，且靠近所述金属基片的第二压电陶瓷片在金属基片长度方向上的尺寸大于远离金属基片的第二压电陶瓷片在金属基片长度方向上的尺寸；
[0011]其中，所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的极化方向为金属基片的厚度方向。
[0012]优选的，所述第一叠片结构包括2～4个第一压电陶瓷片，且相邻两个所述第一压电陶瓷片之间通过绝缘的第一环氧树脂粘接层粘接固定连接；所述第二叠片结构包括2～4个第二压电陶瓷片，且相邻两个所述第二压电陶瓷片之间通过绝缘的第二环氧树脂粘接层粘接固定连接。
[0013]优选的，所述第一叠片结构和第二叠片结构对称设置在金属基片厚度方向的两侧。
[0014]优选的，所述金属基片的长度为150mm～300mm，所述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片的长度为50mm～200mm。
[0015]优选的，所述第一叠片结构上沿金属基片厚度方向设有第一释力缝，所述第二叠片结构上沿金属基片厚度方向设有第二释力缝。
[0016]优选的，所述第一压电陶瓷片和/或第二压电陶瓷片为压电陶瓷、压电单晶、电致伸缩材料和磁致伸缩材料中的任意一种。
[0017]优选的，所述金属基片为铝、铜、低膨胀合金、铝合金和钢中的任意一种。
[0018]本专利技术的第二目的在于提供一种弯曲式换能器，包括上述的三叠片式弯曲振动器和安装骨架，所述安装骨架上圆周均布有偶数个安装槽，所述三叠片式弯曲振动器一一对应安装于安装槽内。
[0019]优选的，所述安装槽两端的台肩上设有螺纹连接孔，所述三叠片式弯曲振动器的金属基片长度方向的两端设有与螺纹连接孔一一对应的连接通孔，设置在所述连接通孔内的紧固螺钉螺纹连接在螺纹连接孔中。
[0020]本专利技术的第三目的在于提供一种弯曲式换能器带宽拓宽方法，所述方法使用的是上述的三叠片式弯曲振动器，包括如下步骤：先后对所述第一叠片结构的各个第一压电陶瓷片和第二叠片结构的各个第二压电陶瓷片进行激励，且与所述金属基片距离相等的第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片同时激励。
[0021]优选的，在所述金属基片厚度方向上，顺次对所述第一叠片结构的各个第一压电陶瓷片和第二叠片结构的各个第二压电陶瓷片进行激励。
[0022]本专利技术的有益效果：
[0023]1、本专利技术在金属基片厚度方向的两侧设置有长度不同的压电陶瓷片，可通过对不同长度的压电陶瓷片顺序激励，使金属基片发生不同程度的弯曲振动，并得不同频率的谐振峰，进而通过不同频率的谐振峰之间的相互组合，实现拓宽弯曲式换能器的频带。
[0024]2、本专利技术采用三叠片结构设计，利用不同频率的谐振峰相互组合的方式拓宽弯曲
式换能器的带宽，能够在小尺寸情况下实现低频和多谐振辐射，具有结构紧凑、简单的优点，使得弯曲式换能器能够应用于小直径工程钻孔中，且当工作频率对应的波长远大于换能器的尺度时，整个换能器能够实现偶极指向。
[0025]3、本专利技术采用先后激励的信号控制发射方式，使得弯曲振动器可工作在各个谐振频率处，并辐射最大能量，非常适用于海上地质基础工程勘察现场的声学探测，如地层风化严重，高频声波衰减严重，工程钻孔较小等环境。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的主视图；
[0027]图2为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的侧视图；
[0028]图3为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的立体示意图之一；
[0029]图4为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的立体示意图之二；
[0030]图5为本专利技术的弯曲式换能器的剖视图；
[0031]图6为本专利技术的弯曲式换能器的立体示意图；
[0032]图7为安装骨架的横截面图；
[0033]图8为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的电场激励示意图；
[0034]图9为本专利技术的三叠片式弯曲振动器的使用状态参考图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三叠片式弯曲振动器，其特征在于，包括：金属基片(110)；第一叠片结构(120)，所述第一叠片结构(120)设置在金属基片(110)厚度方向的一侧，所述第一叠片结构(120)包括多个平行设置并绝缘连接的第一压电陶瓷片(121)，且靠近所述金属基片(110)的第一压电陶瓷片(121)在金属基片(110)长度方向上的尺寸大于远离金属基片(110)的第一压电陶瓷片(121)在金属基片(110)长度方向上的尺寸；第二叠片结构(130)，所述第二叠片结构(130)设置在金属基片(110)厚度方向的另一侧，所述第二叠片结构(130)包括多个平行设置并绝缘连接的第二压电陶瓷片(131)，且靠近所述金属基片(110)的第二压电陶瓷片(131)在金属基片(110)长度方向上的尺寸大于远离金属基片(110)的第二压电陶瓷片(131)在金属基片(110)长度方向上的尺寸；其中，所述第一压电陶瓷片(121)和第二压电陶瓷片(131)的极化方向为金属基片(110)的厚度方向。2.根据权利要求1所述的一种三叠片式弯曲振动器，其特征在于，所述第一叠片结构(120)包括2～4个第一压电陶瓷片(121)，且相邻两个所述第一压电陶瓷片(121)之间通过绝缘的第一环氧树脂粘接层(122)粘接固定连接；所述第二叠片结构(130)包括2～4个第二压电陶瓷片(131)，且相邻两个所述第二压电陶瓷片(131)之间通过绝缘的第二环氧树脂粘接层(132)粘接固定连接。3.根据权利要求2所述的一种三叠片式弯曲振动器，其特征在于，所述第一叠片结构(120)和第二叠片结构(130)对称设置在金属基片(110)厚度方向的两侧。4.根据权利要求2所述的一种三叠片式弯曲振动器，其特征在于，所述金属基片(110)的长度为150mm～300mm，所述第一压电陶瓷片(121)和第二压电陶瓷片(131)的长度为50mm～200mm。5.根据权利要求1所述的一种三叠片式弯曲振动器，其特征在于，所述第一叠片结...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，李孟超，吴彩虹，陈波，王浩，王东，尚文猛，顾庙元，曹旭，张雄，丁晓庆，杨晓龙，刘青，
申请(专利权)人：上海勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：