随钻声波传输中换能器声源功率匹配实验研究

陈 勇 尚海燕 秦 琼

(西安石油大学井下测控研究所， 西安 710065)



随钻声波传输中换能器声源功率匹配实验研究

陈 勇 尚海燕 秦 琼

(西安石油大学井下测控研究所， 西安 710065)

研究了随钻声波传输中压电换能器声源发射功率，提出了并联式压电换能器阵列双频匹配方式。实验结果表明，该方法能使压电换能器声源机械转换效率达到最大，在双频谐振点的发射功率达到200 W以上，满足随钻声波传输现场的功率输出要求，提高了声波的传输距离，为实现基于压电换能器阵列声源的声波长距离传输奠定了基础。

并联式压电换能器阵列； 声源功率； 电感匹配； 双频匹配

近年来随钻声波传输技术迅速发展。声波传输速率比传统泥浆脉冲高出1～2个数量级，与电磁波的传输速率相当，但其对环境的要求不高[1]。因此，采用声波作为载体进行信号传输成为随钻传输领域很有潜力的发展方向[2]。目前在井下高温、高压、强冲击的环境中，压电换能器声源机电转换效率高、性能稳定。开展换能器频率及功率特性研究可以有效提高随钻声波的传输距离和可靠性。

1 压电换能器电学特性分析

1.1 压电换能器介绍

压电换能器是通过具有压电效应的电介质将电信号转换成声信号，从而实现能量的转换[3]。换能器可分为发射型、接收型和接发两用型。本次实验选用发射型压电换能器，选用金属氧化物作为压电陶瓷材料，可以保证较大的输出声功率和比较高的电 — 声转换效率[4]。实验中的压电换能器性能参数如表1所示。

表1 压电换能器性能参数

实验中压电换能器声源发射装置由2个高频换能器H1、H2和2个低频换能器L1、L2组成压电换能器阵列。为了使该压电换能器阵列可以同步工作，采用串并联式阵列。多个压电换能器串联可能会出现单个压电换能器的失效，从而导致整个压电换能器阵列失效，因此选择并联式压电换能器阵列进行功率匹配。

用精密阻抗分析仪Agilent4294A测试压电换能器阻抗参数(见表2)。测试从单个换能器到并联式压电换能器阵列进行，可以保证压电换能器的一致性。通过测试，发现所选压电换能器具有较强的一致性。对比表2可以看出，并联式压电换能器阵列和单个压电换能器的机械谐振频率并没有明显差别，证明了换能器的机械谐振频率具有一致性。

1.2 压电换能器匹配原理

压电换能器虽然结构复杂，但是随钻声波传输过程中压电式换能器始终工作在单一震动模式，因此在电学中可以简化为图1a所示的换能器等效电路[5]。图中C0为并联的静态电容，其值远小于在谐振频率点的换能器等效电容；L1是压电换能器的动态电感，来自振动体的弹性；C1是压电换能器的动态电容，来自振动体的质量；R1是压电换能器的动态电阻，包含换能器介质损耗和负载。

图1 换能器等效电路

图1a中的压电换能器的等效阻抗Z为：

(1)

根据匹配原理，在压电换能器的机械谐振频率点时，存在如下关系式：

(2)

当激励信号的频率等于fs时，串联支路谐振，此时，电抗X=0，并联支路只剩下电阻分量R1，等效电路如图1b所示。此时换能器可等效为容性负载，需要1个感性元件来与之进行调谐匹配[6]，抵消电感C0产生的容抗分量对电路输出功率的影响。

电感匹配分为并联和串联2种方式[7]。并联匹配方式相对比较简单，但对目前常用的开关型电源而言，串联匹配比并联匹配更能有效抑制电源输出波形中的方波成分，减轻功率放大器的负担，因此，串联匹配更具优越性。本次研究主要讨论串联匹配方式。对压电换能器机械谐振点的等效电路(图1b)进行串并联电路之间的等效变换，即可得到图2a所示电路。

图2a中：

(3)

(4)

(5)

其中： R、Cs—— 分别为R1、C0串并联等效变换后的值；

ωs—— 串联谐振角频率。

要使换能器在ωs点发生谐振，由式(3)、式(4)得：

(6)

由式(5)、式(6)得：

(7)

根据表2的测试结果，将并联式压电换能器阵列机械谐振频率fs和等效电感Cs的值带入式(7)可得匹配电感值。此时由电感和压电换能器阵列组成的匹配电路在fs点谐振，等效电路中只有电阻R，换能器工作在纯电阻状态，电路如图2b所示。数字功放与换能器之间只有有功功率的定向传递而无无功功率的往复交换。

图2 换能器串联电感匹配原理图

2 实验分析

根据分析，对并联式压电换能器阵列发射功率进行匹配实验，确定最佳双频匹配频率和最大发射功率。图3是由整个压电换能器声源装置和测量仪器组成的实验平台。压电换能器声源装置主要由信号发生器、D类数字功放、单 — 双电源模块、升压变压器、匹配电路、压电换能器阵列6部分组成。测量仪器由示波器、滤波放大器、高压探头组成。

电路中信号发生器主要提供不同频率、不同大小的电能；单 — 双电源模块主要为D类数字功放双电源供电；D类数字功放选用具有保护功能的PWM型功率放大驱动电路，升压变压器将电压提升至350～450 Vpp；匹配电路是保证电能高效率传输给压电换能器的阵列，由可调电感器组成；并联式压电换能器阵列则是让电能转换为机械震动的声波能量。

实验时，选取压电换能器的频带为0.9 — 1.2 kHz，测试并联式压电换能器阵列的匹配功率。用信号发生器以脉冲形式激发换能器工作，不断调节匹配电感器的值进行功率匹配，测试压电换能器阵列端电压，流经电流及匹配相位角。

并联压电换能器阵列端电压、电流、相位角、发射功率随换能器频率的变化曲线如图4所示。换能器阵列端电压、电流出现2个峰值，在峰值点处的匹配相位角达到最小值，换能器阵列近似工作在纯电阻状态。最佳匹配频率fs1=0.975 kHz，fs2=1.100 kHz，其发射功率在这2个频率点也达到峰值。并联换能器阵列功率匹配结果见表3。

图3 换能器声源装置功率匹配测试电路

图4 并联换能器阵列谐振频率与各参数关系曲线

换能器类别fs∕kHzLs∕mH换能器功率∕WL1+L2+H1+H2并联0．975175211．591．100235215．28

4个换能器并联组成的换能器阵列在双频段的匹配功率均在200 W以上，可有效地提高声波的传输距离，可以满足随钻声波传输现场的功率输出要求。对比单个压电换能器机械谐振频率，发现多个换能器的并联可以降低压电换能器的谐振频率。

3 结 语

选用压电换能器作为随钻声波遥传的声源装置，通过实验研究了并联式压电换能器阵列双频功率匹配，得到的主要认识有：

(1) 对于压电换能器阵列负载串联电感可以在其机械谐振频率附近进行准确匹配。

(2) 并联式压电换能器阵列可以有效提高压电换能器声源装置的发射功率。

(3) 多个换能器并联，能使换能器谐振频率降低。

(4) 由不同频率的换能器并联组成的换能器阵列，可实现换能器的多频匹配。

(5) 并联式压电换能器阵列在双频状态下，稳定输出的发射功率均能达到200 W以上，能够达到测井现场功率输出的要求，可以明显提高随钻声波传输的距离和可靠性。

[1] 李志刚,管志川,王以法.随钻声波遥测及其关键问题分析[J].石油矿场机械,2008,37(9):6-9.

[2] 刘海军.随钻测量数据传输方式的现状和发展趋势[J].西部探矿工程,2014,26(4):67-71.

[3] 闫迎利.压电效应及其应用[J].安阳师范学院学报,2001(2):44-45.

[4] 李晓娟,李全禄,谢妙霞,等.压电陶瓷材料的发展及其新应用[J].陕西理工学院学报,2006,22(1):8-12.

[5] 徐春龙,胡卓蕊,田华.压电超声换能器电端匹配电路研究[J].纺织高校基础科学学报,2007,20(6):194-197.

[6] 鲍善惠.压电换能器的动态匹配[J].应用声学,1998,17(2):16-20.

[7] 武剑,董惠娟.电超声换能器初级串联匹配新方法[J].吉林大学学报,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

国家科技重大专项“旋转导向及随钻测录、酸性气层测试技术与装备”(2011ZX05021-005)；陕西省教育厅项目“随钻声波传输信道模拟与信息传输研究”(15JK1582)

陈勇(1989 — )，男，西安石油大学在读硕士研究生，研究方向为石油工程测试技术与仪器。

TB559

A

1673-1980(2016)05-0123-04