CN115680637B - 一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，包括：中轴管；软铁盖，固定套设于中轴管外周，且软铁盖上设置有柱形槽；永磁体，固定套设于中轴管外周，且位于柱形槽内，并与柱形槽底面抵持；软铁底，固定套设于中轴管外周，且与永磁体端面抵持；驱动盖，固定套设于中轴管外周，驱动盖且面向软铁盖的端部伸入在磁隙中，伸入在磁隙中的驱动盖端部外壁缠绕有线圈；振动体，固定套设于中轴管外周，与驱动盖固定连接，包括上连接环和下连接环，上连接环与下连接环之间设置有多个圆弧振片；采用上述方式设置的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，能够满足小尺寸环境中低频声源的激励，且满足声波远距离探测的目的。

Description

一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器

技术领域

本申请涉及声波测井技术领域，特别涉及一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器。

背景技术

声波在地层中的衰减与频率相关，频率越低，衰减越慢，探测距离越远。传统声波测井常用的高频压电单极子声源频率在15kHz左右，要使得换能器发射频率降低就不得不增加换能器的体积，然而测井仪器需要工作在井下小尺寸环境中，因此压电单极子声源不利于远距离的探测。常用的磁致伸缩材料驱动的弯张换能器，虽然能够产生低频声源，且具有应变位移大，能量密度高等特点，但是磁致伸缩材料对温度变化比较敏感，在高温高压的井下环境中效率会大大降低。

因此，如何设计一种能够满足小尺寸环境中低频声源的激励，且满足声波远距离探测的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，克服现有技术中不能在井下高温高压以及小尺寸环境中产生低频声源的问题，该电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，既能够满足井下小尺寸的要求，又能够产生低频声源，满足井眼周围远距离探测需求。

为实现上述目的，本申请提供一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，包括：

中轴管；

软铁盖，固定套设于所述中轴管外周，且所述软铁盖上设置有与所述中轴管同轴的柱形槽；

永磁体，固定套设于所述中轴管外周，且位于所述柱形槽内，并与所述柱形槽底面抵持；

软铁底，固定套设于所述中轴管外周，且与所述永磁体背离所述柱形槽底面的端面抵持，所述永磁体、所述软铁底均与所述柱形槽内壁间隔设置，形成环状的磁隙；

驱动盖，固定套设于所述中轴管外周，且与所述中轴管外壁间隔设置，所述驱动盖且面向所述软铁盖的端部伸入在所述磁隙中，且与所述永磁体、所述软铁底、所述软铁盖均间隔设置，伸入在所述磁隙中的所述驱动盖端部外壁缠绕有线圈，且所述线圈位于所述永磁体产生的恒定磁场中；

振动体，固定套设于所述中轴管外周，且与所述驱动盖背离所述线圈的端部固定连接，包括与所述驱动盖连接的上连接环和与所述中轴管固定连接的下连接环，所述上连接环与所述下连接环之间设置有多个圆弧振片，且所述圆弧振片与所述中轴管外壁间隔设置。

优选地，所述永磁体和所述软铁底呈圆环状，且所述永磁体和所述软铁底内外径相同，所述软铁盖端面超过所述软铁底端面，即所述永磁体、所述软铁底均处于所述柱形槽内部。

优选地，所述圆弧振片的剖面为特定曲率的弧线，且所述弧线沿所述中轴管轴线旋转形成所述圆弧振片，所述圆弧振片的数量为8-16个，且多个所述圆弧振片沿所述中轴管周向分布，形成凹腰形圆筒，且相邻的所述圆弧振片之间设置有振片割缝。

优选地，伸入在所述磁隙中的所述驱动盖端部，其外壁上设置有凹槽，所述凹槽内刻有螺旋纹，所述线圈按照螺旋纹缠绕在所述凹槽内，且所述线圈在其高度方向的中点与所述软铁底在其厚度方向上的中点处于同于水平面上。

优选地，所述中轴管外壁上设置有贯通其自身的两个走线孔，所述线圈的导线通过两个所述走线孔进入所述中轴管，并与外部电路连接。

优选地，所述中轴管为中空管状结构，在其外壁上设置有凸出平台，所述凸出平台与所述软铁底之间夹持有垫片，且所述垫片与所述永磁体、所述软铁底三者的内外径均相同。

优选地，所述软铁盖背离所述柱形槽的端面抵持有压盖，所述压盖包括：

下压盖，为圆环状，套设于所述中轴管外周，用于和所述软铁盖抵持，且所述下压盖的外径小于所述软铁盖外径；

上压盖，为圆筒状，套设于所述中轴管外周，并与所述下压盖固定连接，所述下压盖固定设置在所述中轴管上，所述上压盖内壁上设置有限位槽，且所述限位槽沿所述压盖内壁环绕一周，用于定位所述压盖在所述中轴管上的位置；

所述压盖与所述凸出平台配合，将所述软铁盖、所述永磁体、所述软铁底、所述垫片固定压紧在所述中轴管上。

优选地，所述下连接环通过底座与所述中轴管固定连接，所述底座包括：

上底座，为圆环状，套设在所述中轴管外周，且其端面上设置有贯穿其自身的扇形贯通槽，所述上底座的外壁与所述下连接环内壁抵持，并固定连接；

下底座，为圆筒状，与所述上底座固定连接，且套设在所述中轴管外周，并固定设置在所述中轴管上。

优选地，所述中轴管外壁沿其周向开设有多个圆角矩形槽，相同轴向位置处的所述圆角矩形槽构成圆角矩形槽组，所述中轴管的侧壁上沿轴向间隔设置3个所述圆角矩形槽组，多个所述圆角矩形槽呈轴向交错设置，所述圆角矩形槽的开设位置与所述圆弧振片对应，且所述圆角矩形槽与所述扇形贯通槽配合使用，用于为所述圆弧振片内侧的流体导流，泄放内部能量。

优选地，所述驱动盖材料为非导电耐高温材料。

相对于上述背景技术，本申请的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器中，软铁盖、永磁体和软铁底构成磁路结构，磁路结构固定设置在中轴管上，且永磁体两端面分别抵持软铁盖和软铁底，软铁底垫有垫片防止在振动过程中永磁体和软铁底的破裂，永磁体产生的恒定磁场通过软铁盖和软铁底的传导汇聚在磁隙中，保证了磁场的利用率。

此外，本发明的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器中，振动体包括上连接环、下连接环和圆弧振片，驱动盖与振动体固定，振动体与中轴管固定连接，驱动盖上的线圈处在磁隙磁场中，当线圈通入交变电流，驱动盖产生交变的力来驱动振动体上下振动，从而使圆弧振片震动，向周围辐射低频声波，能够满足小尺寸环境中低频声源的激励，满足声波远距离探测的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的外部结构示意图；

图2为图1中A-A剖视图；

图3为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的中轴管结构示意图；

图4为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的压盖立体结构示意图；

图5为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的压盖剖面结构示意图；

图6为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的软铁盖剖面结构示意图；

图7为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的永磁体立体结构示意图；

图8为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的软铁底立体结构示意图；

图9为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的店面立体结构示意图；

图10为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的驱动盖立体结构示意图；

图11为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的驱动盖剖面结构示意图；

图12为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的振动体立体结构示意图；

图13为本申请实施例所提供的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器的底座立体结构示意图。

图中：1、中轴管  11、凸出平台  12、走线孔  13、圆角矩形槽；

2、压盖  21、上压盖  22、下压盖  23、限位槽；

3、软铁盖  31、柱形槽；

4、永磁体；

5、软铁底；

6、垫片；

7、驱动盖  71、线圈；

8、振动体  81、上连接环  82、圆弧振片  83、下连接环  84、振片割缝；

9、底座  91、上底座  92、下底座  93、扇形贯通槽。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。

如图1至13所示，在本实施例中，提供一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，它包括中轴管1、软铁盖3、永磁体4、软铁底5、驱动盖7和振动体8，软铁盖3、永磁体4和软铁底5构成磁路结构，磁路结构固定设置在中轴管1上，且永磁体4两端面分别抵持软铁盖3和软铁底5，具体的说，软铁盖3固定套设于中轴管1外周，且软铁盖3上设置有与中轴管1同轴的柱形槽31；永磁体4固定套设于中轴管1外周，且位于柱形槽31内，并与柱形槽31底面抵持；软铁底5固定套设于中轴管1外周，且与永磁体4背离柱形槽31底面的端面抵持，永磁体4、软铁底5均与柱形槽31内壁间隔设置，形成环状的磁隙，永磁体4产生的恒定磁场通过软铁盖3和软铁底5的传导汇聚在磁隙中，保证了磁场的利用率。

此外，上述振动体8包括上连接环81、下连接环83和圆弧振片82，驱动盖7与振动体8固定，振动体8与中轴管1固定连接，驱动盖7上的线圈71处在磁隙磁场中，当线圈71通入交变电流，驱动盖7产生交变的力来驱动振动体8上下振动，从而使圆弧振片82震动，向周围辐射低频声波，能够满足小尺寸环境中低频声源的激励，满足声波远距离探测的需求。

需要说明的是，驱动盖7固定套设于中轴管1外周，且与中轴管1外壁间隔设置，驱动盖7且面向软铁盖3的端部伸入在磁隙中，且与永磁体4、软铁底5、软铁盖3均间隔设置，伸入在磁隙中的驱动盖7端部外壁缠绕有线圈71，且线圈71位于永磁体4产生的恒定磁场中。

具体的说，上述振动体8固定套设于中轴管1外周，且与驱动盖7背离线圈71的端部固定连接，包括与驱动盖7连接的上连接环81和与中轴管1固定连接的下连接环83，上连接环81与下连接环83之间设置有多个圆弧振片82，且圆弧振片82与中轴管1外壁间隔设置。

在本实施例中，采用金属材料构成的中轴管1、磁路结构、驱动盖7、振动体8共同构成了电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，磁路结构通过软铁盖3和软铁底5将永磁体4产生的磁场汇聚在环状磁隙中，驱动盖7上的线圈71处在磁场中，驱动盖7与振动体8固定，振动体8底部固定在底座9上，通过调节底座9高度改变驱动盖7在气隙当中的位置。

采用上述方式设置的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，体积小，发射的声压级高，能够满足声波测井对低频声源的需求，有利于推广使用。

如图6、图7、图8所示，在本实施例中，永磁体和软铁底5呈圆环状，且永磁体4和软铁底5内外径相同，软铁盖3端面超过软铁底5端面，即永磁体4、软铁底5均处于柱形槽31内部。

需要说明的是，如图2所示，软铁盖3、永磁体4和软铁底5构成磁路结构，形成圆环状磁隙，软铁盖3和软铁底5将永磁体4产生的磁力线汇聚到磁隙当中，使得磁隙中有较强的磁通密度，为振动体8的振动提供足够的驱动力。

在本实施例中，软铁盖3呈盖状结构，能够将永磁体4和软铁底5罩住，且与振动体8上端距离不小于2.5mm，软铁盖3的外径不大于72mm。

此外，如图4、图5所示，软铁盖3背离柱形槽31的端面抵持有压盖2，压盖2包括：下压盖22为圆环状，套设于中轴管1外周，用于和软铁盖3抵持，且下压盖22的外径小于软铁盖3外径；上压盖21为圆筒状，套设于中轴管1外周，并与下压盖22固定连接，下压盖22固定设置在中轴管1上，当然，具体固定方式可以采用螺栓固定，也可以采用其他固定方式，这里不再详述；上压盖21内壁上设置有限位槽23，且限位槽23沿上压盖21内壁环绕一周，用于定位压盖2在中轴管1上的位置。

如图2和图3所示，中轴管1为中空管状结构，在其外壁上设置有凸出平台11，凸出平台11与软铁底5之间夹持有垫片6，且垫片6与永磁体4、软铁底5三者的内外径均相同。

在本实施例中，如图7、图8、图9所示，永磁体4、软铁底5、垫片6结构一致，且均为圆环状，永磁体4、软铁底5和垫片6内外径保持一致，永磁体4高度为10mm，软铁底5高度为8mm，垫片6高度为3mm。

如图2所示，需要说明的是，压盖2与凸出平台11配合，将软铁盖3、永磁体4、软铁底5、垫片6固定压紧在中轴管1上。

如图10和图11所示，在本实施例中，驱动盖7分为上下两部分，上下部分平滑连接，驱动盖7上部处于磁隙当中，驱动盖7上部外壁刻有深0.2mm，高10mm凹槽，凹槽内刻有螺旋纹，线圈71按照螺旋纹缠绕在凹槽内，在本实施例中，驱动盖7上部厚度不超过1.5mm；此外，如图2所示，线圈71在其高度方向的中点与软铁底5在其厚度方向上的中点处于同于水平面上。

在本实施例中，如图12所示，圆弧振片82的剖面为特定曲率的弧线，可以通过改变曲率来调整谐振频率，且弧线沿中轴管1轴线旋转形成圆弧振片82，圆弧振片82的数量为8-16个，且多个圆弧振片82沿中轴管1周向分布，形成凹腰形圆筒，且相邻的圆弧振片82之间设置有振片割缝84。

具体的说，弧形振片经过线切割处理，将弧形振片割成大小相等的8片，上连接环81和下连接环83上各有8个螺栓孔，均匀分布在圆周上，且分别与驱动盖7和底座9上的螺栓孔相对应；当然也可以采用其他固定方式，确保振动体8与底座9连接稳定，以及振动体8与驱动盖7连接稳定即可，在上述实施例中，振片割缝84宽1.5mm，相邻切割缝之间的夹角为45°。

此外，在驱动盖7与振动体8固定时，上连接环81上表面可以与驱动盖7下部的上表面处于同一平面，且上连接环81高度略大于驱动盖7下部高度；在振动体8与底座9固定时，下连接环83与上底座91固定，下连接环83的下表面与上底座91下表面位于同一平面，且下连接环83的高度略大于上底座91高度。

如图3所示，中轴管1外壁上设置有贯通其自身的两个走线孔12，线圈71的导线通过两个走线孔12进入中轴管1，并与外部电路连接。

如图12和图13所示，下连接环83通过底座9与中轴管1固定连接，底座9包括：上底座91，为圆环状，套设在中轴管1外周，且其端面上设置有贯穿其自身的扇形贯通槽93，上底座91的外壁与下连接环83内壁抵持，并固定连接；下底座92，为圆筒状，与上底座91固定连接，且套设在中轴管1外周，并固定设置在中轴管1上，具体固定方式可以在下底座92上开设螺纹孔，通过螺栓与中轴管1固定连接，当然，也可以采用其他方式固定，这里不再详述。

需要说明的是，如图3所示，中轴管1外壁沿其周向开设有多个圆角矩形槽13，相同轴向位置处的圆角矩形槽13构成圆角矩形槽组，中轴管1的侧壁上沿轴向间隔设置3个圆角矩形槽组，多个圆角矩形槽13呈轴向交错设置，圆角矩形槽13的开设位置与圆弧振片82对应，且圆角矩形槽13与扇形贯通槽93配合使用，用于为圆弧振片82内侧的流体导流，泄放内部能量。

在上述实施例中，驱动盖7材料为非导电耐高温材料，如聚醚醚酮等。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，包括：

中轴管；

软铁盖，固定套设于所述中轴管外周，且所述软铁盖上设置有与所述中轴管同轴的柱形槽；

永磁体，固定套设于所述中轴管外周，且位于所述柱形槽内，并与所述柱形槽底面抵持；

软铁底，固定套设于所述中轴管外周，且与所述永磁体背离所述柱形槽底面的端面抵持，所述永磁体、所述软铁底均与所述柱形槽内壁间隔设置，形成环状的磁隙；

驱动盖，固定套设于所述中轴管外周，且与所述中轴管外壁间隔设置，所述驱动盖面向所述软铁盖的端部伸入在所述磁隙中，且与所述永磁体、所述软铁底、所述软铁盖均间隔设置，伸入在所述磁隙中的所述驱动盖端部外壁缠绕有线圈，且所述线圈位于所述永磁体产生的恒定磁场中；

振动体，固定套设于所述中轴管外周，且与所述驱动盖背离所述线圈的端部固定连接，包括与所述驱动盖连接的上连接环和与所述中轴管固定连接的下连接环，所述上连接环与所述下连接环之间设置有多个圆弧振片，且所述圆弧振片与所述中轴管外壁间隔设置；

所述中轴管为中空管状结构，在其外壁上设置有凸出平台，所述凸出平台与所述软铁底之间夹持有垫片，且所述垫片与所述永磁体、所述软铁底三者的内外径均相同；

其中，所述下连接环通过底座与所述中轴管固定连接，所述底座包括：

上底座，为圆环状，套设在所述中轴管外周，且其端面上设置有贯穿其自身的扇形贯通槽，所述上底座的外壁与所述下连接环内壁抵持，并固定连接；

下底座，为圆筒状，与所述上底座固定连接，且套设在所述中轴管外周，并固定设置在所述中轴管上；

所述中轴管外壁沿其周向开设有多个圆角矩形槽，相同轴向位置处的所述圆角矩形槽构成圆角矩形槽组，所述中轴管的侧壁上沿轴向间隔设置3个所述圆角矩形槽组，多个所述圆角矩形槽呈轴向交错设置，所述圆角矩形槽的开设位置与所述圆弧振片对应，且所述圆角矩形槽与所述扇形贯通槽配合使用，用于为所述圆弧振片内侧的流体导流，泄放内部能量。

2.根据权利要求1所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，所述永磁体和所述软铁底呈圆环状，且所述永磁体和所述软铁底内外径相同，所述软铁盖端面超过所述软铁底端面，即所述永磁体、所述软铁底均处于所述柱形槽内部。

3.根据权利要求1所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，所述圆弧振片的剖面为固定曲率的弧线，且所述弧线沿所述中轴管轴线旋转形成所述圆弧振片，所述圆弧振片的数量为8-16个，且多个所述圆弧振片沿所述中轴管周向分布，形成凹腰形圆筒，且相邻的所述圆弧振片之间设置有振片割缝。

4.根据权利要求1所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，伸入在所述磁隙中的所述驱动盖端部，其外壁上设置有凹槽，所述凹槽内刻有螺旋纹，所述线圈按照螺旋纹缠绕在所述凹槽内，且所述线圈在其高度方向的中点与所述软铁底在其厚度方向上的中点处于同于水平面上。

5.根据权利要求1所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，所述中轴管外壁上设置有贯通其自身的两个走线孔，所述线圈的导线通过两个所述走线孔进入所述中轴管，并与外部电路连接。

6.根据权利要求2所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，所述软铁盖背离所述柱形槽的端面抵持有压盖，所述压盖包括：

下压盖，为圆环状，套设于所述中轴管外周，用于和所述软铁盖抵持，且所述下压盖的外径小于所述软铁盖外径；

上压盖，为圆筒状，套设于所述中轴管外周，并与所述下压盖固定连接，所述下压盖固定设置在所述中轴管上，所述上压盖内壁上设置有限位槽，且所述限位槽沿所述上压盖内壁环绕一周，用于定位所述压盖在所述中轴管上的位置；

所述压盖与所述凸出平台配合，将所述软铁盖、所述永磁体、所述软铁底、所述垫片固定压紧在所述中轴管上。

7.根据权利要求1-6任一项所述的电磁式低频弯张单极子声波测井发射换能器，其特征在于，所述驱动盖材料为非导电耐高温材料。

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