一种随钻声波换能器及随钻仪器钻铤的制作方法

本申请涉及一种换能器，尤指一种随钻声波换能器及随钻仪器钻铤。

背景技术：

随钻声波测井仪器的开发均经历了从随钻单极声波测井到后来随钻多极声波的研发历程。随钻多极声波测井仪在传感器设计、电子线路设计及机械设计等方面远比随钻单极声波测井仪复杂很多。其中随钻四极子发射换能器作为其中的核心部件声学性能直接关系到地层横波的测量效果。

电缆声波仪器通过在仪器外表面开声窗，皮囊里面充硅油的方式保证换能器与仪器外泥浆的压力平衡，而随钻声波测井仪器发射换能器需要安装在钻铤的凹槽内，由于机械安装的困难无法采用圆管换能器，通常把圆管换能器切割成均匀的四片圆弧状压电阵子，进行封装后安装在钻铤上，实现随钻单极子声源、四极子声源的发射。由于换能器直接封装于钻铤的凹槽内，工作时，换能器的位移矢量主要沿径向方向，压电陶瓷晶体中部沿径向向外膨胀的同时，压电陶瓷晶体两端沿径向向内收缩，进而产生弯曲振动，弯曲状振动谐振频率很低，且位移分布不利于产生四极子声场，使换能器的工作频率不在其谐振频率上，使其发射效率不高。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种随钻声波换能器及随钻仪器钻铤，使随钻声波换能器能够产生完美的四极子辐射声场。

为了达到本申请目的，本申请实施例采用如下技术方案：

一种随钻声波换能器，包括相互叠加设置的压电陶瓷晶体、基片，以及将所述压电陶瓷晶体和所述基片封装的封装结构，所述基片包括外露于所述封装结构的安装部，所述安装部上设有用于固定的连接件。

可选地，所述封装结构包括封装本体以及位于所述封装本体两侧的缺口，所述缺口将所述基片的两侧露出，所述基片的所述两侧形成所述安装部。

可选地，所述基片的两侧由所述封装结构的两侧伸出，形成所述安装部。

可选地，所述基片还包括封装于所述封装结构内的基片本体，所述基片本体与所述安装部一体成型，所述基片本体的上表面与所述压电陶瓷晶体的下表面通过粘接胶层粘结成一体。

可选地，所述基片本体为厚度均匀的薄片；或者所述基片本体为中间薄、两侧厚的薄片。

可选地，所述基片为弧状片体。

可选地，所述基片为金属材质。

可选地，所述连接件为螺纹孔。

可选地，所述封装结构的外侧设有减震层。

一种随钻仪器钻铤，包括钻铤本体以及上述随钻声波换能器，所述随钻声波换能器通过所述安装部固定于所述钻铤本体上。

与现有技术相比，本申请的有益效果至少包括：

本申请实施例中的随钻声波换能器通过基片的安装部固定，使换能器谐振频率位于4khz附近，且发射电压级可以达到140db，可以满足随钻四极横波测井的测量需求。另外由于采用了独特的钳定机械安装方式，换能器两侧位移接近为零，换能器中心位置位移最大，可以使换能器产生完美的四极子辐射声场。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例提供的随钻声波换能器的剖视图；

图2为本申请实施例中封装结构的俯视图；

图3为本申请实施例中基体的正视图；

图4为本申请实施例中基体的俯视图；

图5为本申请实施例提供的随钻仪器钻铤的剖视图；

图6为无基体的随钻声波换能器工作时的位移示意图；

图7为本申请实施例提供的随钻声波换能器工作时的位移示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本申请实施例提供了一种随钻声波换能器，包括相互叠加设置的压电陶瓷晶体2、基片4，以及将压电陶瓷晶体2和基片4封装的封装结构1，压电陶瓷晶体2和基片4均为弧状片体，两者形状尺寸互相匹配。制备时，先将压电陶瓷晶体2和基片4互相叠加固定在一起，然后通过封装结构1将压电陶瓷晶体2和基片4封装。

进一步的，基片4为金属材质，从而增强了换能器弯曲振动模式。

如图1、图3和图4所示，基片4包括基片本体401以及安装部402，基片本体401封装于封装结构1内，用于与压电陶瓷晶体2固定。安装部402位于基片本体401的两侧，与基片本体401一体成型，安装部402外露于封装结构1的外侧，其上设有用于固定的连接件4021。本实施例中的随钻声波换能器通过安装部402上的连接件4021固定于待安装体，使换能器谐振频率与随钻四极子的激发频率接近，且发射电压级可以达到140db，可以满足随钻四极横波测井的测量需求。另外由于采用了独特的钳定机械安装方式，即通过连接件4021与待安装体固定，换能器两侧位移接近为零，换能器中心位置位移最大，可以使换能器产生完美的四极子辐射声场。

如图1所示，基片本体401位于压电陶瓷晶体2的下方，并与压电陶瓷晶体2相对应，基片本体401的上表面涂覆有一层粘接胶层3，压电陶瓷晶体2的下表面通过粘接胶层3与基片本体401的上表面粘结成一体。

如图3所示，基片本体401为中间薄、两侧厚的薄片，两侧厚的部分形成安装部402，从而加强了安装部402强度，避免因震动导致换能器脱离。

在一些实施例中，基片本体401也可以为厚度均匀的薄片。

如图1和图2所示，封装结构1为弧状的片体，封装结构1的弧度与待安装体的弧度匹配，从而使封装结构1能够与待安装体贴合。封装结构1包括封装本体101以及位于封装本体101两侧的缺口102，缺口102为矩形，将封装本体101的两侧露出，封装本体101露出的两侧形成安装部402。安装部402上的连接件4021为螺纹孔，安装部402上并排设有2个螺纹孔，随钻声波换能器通过螺纹孔与待安装体螺纹连接。

在一些实施例中，基片的两侧也可以由封装结构的两侧伸出，从而外露于封装结构的外侧，基片伸出的两侧形成安装部。

在一些实施例中，封装结构的外侧设有减震层，减震层可以为橡胶材质，具有减震功能。

如图5所示，本申请实施例还提供了一种随钻仪器钻铤，包括钻铤本体6以及如上所述的随钻声波换能器，随钻声波换能器通过基体4的安装部固定于钻铤本体6上。具体地，基体4的安装部上设有螺纹孔，钻铤本体6对应的设有螺纹孔，螺钉5穿过基体4的螺纹孔与钻铤本体6的螺纹孔螺纹连接。

为了检验本申请实施例中随钻声波换能器的弯曲振动位移，进行如下测试：

提供本申请实施例的随钻声波换能器，将该随钻声波换能器固定于待安装体上；

提供无基体的随钻声波换能器，即该随钻声波换能器包括压电陶瓷晶体以及将压电陶瓷晶体封装的封装结构，将该随钻声波换能器固定于待安装体上；

分别对本申请实施例的随钻声波换能器以及无基体的随钻声波换能器进行弯曲振动位移测试。

测试结果如图6和图7所示，其中，实线线条为无基体的随钻声波换能器和本申请实施例的随钻声波换能器未工作静止时的位置，虚线线条为无基体的随钻声波换能器和本申请实施例的随钻声波换能器工作时产生位置后的位置。由此可知，无基体的随钻声波换能器由于两侧没有固定，其内的压电陶瓷晶体的位移矢量主要沿径向方向，压电陶瓷晶体中部沿径向向外膨胀的同时，压电陶瓷晶体两侧沿径向向内收缩，进而产生弯曲振动。本申请实施例的随钻声波换能器中的基体由于两侧处于固定状态，压电陶瓷晶体的中部沿径向向内收缩，而换能器两侧的位移很小。从两种换能器的数值对比分析，无基体随钻声波换能器的压电陶瓷晶体弯曲状振动谐振频率很低，且位移分布不利于产生四极子声场；而本申请实施例随钻声波换能器的压电陶瓷晶体谐振频率与随钻四极子的激发频率接近，该位移分布可产生完美的四极子声场。

另外，无基体随钻声波换能器的压电陶瓷晶体在一阶弯曲振动谐振频率点附近无明显变化，所以该模式的机电转换能力很差。而本申请实施例随钻声波换能器的压电陶瓷晶体在一阶弯曲振动谐振频率为5.5khz，对应的电导值为0.32ms，表明该结构的换能器具有良好的机电转换性能，可用于四极子测量模式。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。