基于ATS的声波换能器设计

　　0 引言

　　油田作业中,ATS(Acoustic Telemetry System)是为实现随钻测井及重点油田监测而开发的动态监测系统。因其独特优越性(设备操作灵活、方便,成本低廉等),一直受到石油行业的关注。其基本原理是:以钻柱或者油管柱为传输媒介,以声波作为信息载体,按照拟定好的程序向地面发送调制后的数据信息,在井口对信息进行接收、解调并显示,从而获得井下的实时参数。基于其工作原理)以声波为载体进行信息传输,所以设计声波换能器将电能转换为声能是此系统的关键。声波换能器性能的好坏直接关系到电、声信号的转换效率及发射声波功率的大小,所以对于声波换能器的研究十分必要。研究表明声波换能器的性能与其制作材料、尺寸、结构及其谐振频率密切相关。

　　1 换能器材料选型

　　基于压电陶瓷材料的诸多优点,以前人们将研究的焦点放在压电陶瓷换能器上。近几年来,稀土超磁致伸缩材料的出现为制作出性能较之更为优越的换能器提供了可能,因为这种材料有着压电陶瓷材料不可比拟的优势[1]:其最大应变量比压电陶瓷大4倍以上,可达2000ppm;能量密度比压电陶瓷大10倍以上;机械强度高,大功率时不会引起系统的破坏;另外,压电陶瓷在制造时通过一定电场产生的剩余极化会随时间的推移而退化,而超磁致材料不会出现类似问题;而且其杨氏模量比较低,因而这种材料出现以后,在低频、大功率换能器中得到了广泛应用。而通过多方考证,最适于在油管或钻柱这类信道上直接传输的信号就是低频声波信号,加之井下环境的特殊性,信号传输过程中衰减大,最终到达井口接收装置的声波信号已经微乎其微,所以研制低频、大功率的声波换能器对于声波遥测系统十分重要。综上,稀土超磁致伸缩材料是制作声波换能器的最佳选择。

　　2 换能器工作原理

　　超磁致伸缩换能器由超磁致伸缩棒、永磁体、激励线圈、线圈骨架、蝶形弹簧、辐射板、导磁体等组成,其结构简图如1所示。

　　将超磁致伸缩棒置于激励线圈和永磁体产生的磁场中,当给激励线圈通以交变电流时,线圈周围会产生交变的场。基于磁致伸缩原理,磁致伸缩棒会在轴向产生伸缩变形,从而带动辐射板振动,产生声波,最后通过介质耦合传递出大功率的声波信号。其中,永磁体为超磁致伸缩棒提供适当的偏置磁场,使其处于极化状态,从而消除倍频现象。由导向块、碟形弹簧、辐射板、压环和螺钉组成的预压力组件给超磁致伸缩棒施加轴向预压力。因为超磁致伸缩材料属于脆性材料,宜设计成受压状态,为使其工作时不处于拉应力作用下,应给其施加预应压力。而且轴向的预应压力可使超磁致伸缩棒内部磁畴在未加磁场时尽可能地沿着与轴向应力垂直的方向排列,在外加激励磁场作用下,可以获得较大的伸缩应变,从而增大输出位移。另外,施加适当大小的预压力可提高驱动器的磁机转换效率。导向块、永磁体、超磁致伸缩棒、调节螺钉、外壳、导磁体和气隙等组成闭合磁路。此外,将螺线管线圈长度设计成大于磁致伸缩棒,使线圈在长度方向上涵盖整个超磁致伸缩棒,这样可以改善超磁致伸缩棒中磁场的均匀度,避免边缘效应。