圆柱式增压水听器的研制

2014-03-06王军民何志昂

机电信息 2014年12期

何利王军民余沛何志昂

（长江大学地球物理与石油资源学院，湖北武汉 430100）

0 引言

随着社会经济的快速发展，人们对化石能源需求量越来越大，加大资源勘探力度和提高勘探设备精度是以后能源勘探发展的必然趋势。在勘探过程中，数据采集环节尤为重要，选择高灵敏度、高稳定性的采集设备会大大提高勘探效率。本文所介绍的圆柱式增压水听器，通过理论计算、实验室模拟、野外勘探测试，均有着工作频带较宽、灵敏度高、稳定性好等优势。

1 圆柱式增压水听器原理与结构

1.1 工作原理

圆柱式增压水听器的基本原理是采用压电效应将地下的地震信号转换为电信号。与现有其他类型的水听器相比，圆柱式增压水听器采用多个压电陶瓷片组合，有着明显的增压效果，且灵敏度更高。

描述它的方程为［1］：

式中，Sh为应变分量；为恒电场的柔性常数分量；Tk为应力分量；djh、dik为压电常数分量；Ej为电场强度分量；Di为电位移分量为恒应力的介电常数分量。

1.2 形态结构

整个装置为封闭模式，其内部的8个压电陶瓷片嵌于圆柱套管内壁，用导线串接在一起，导线从套管上盖圆心处引出，如图1所示。

图1 圆柱式增压水听器结构图

1.3 电路分析

增压水听器采用的敏感元件为圆薄片状压电陶瓷片，由于压电陶瓷片存在着输出电荷极性，因此采用的连接方式不同，水听器的工作状态就不同。基于上述理论，为提高水听器的灵敏度，我们将每2个压电陶瓷片粘在一起，且采用并联的方式形成1个压电陶瓷单元。采用8个相同规格的压电陶瓷片做成4个压电陶瓷单元，且这4个单元之间串联，随后通过INA128电子放大电路放大并传输到采集设备中，其等效电路如图2所示。

图2 水听器内置压电陶瓷片连接结构示意图

C1～C8分别为8个压电陶瓷片的电容，按照图2的连接方式，其输出电荷量为单片输出的2倍，输出电压为单片输出的4倍。其总电容C为：

根据网络谐振原理，水听器的谐振频率f0为：

式中，C0为电容量；L1为电感量。

水听器的谐振频率是性能评价的重要参数之一，往往工作频率要远离谐振频率。在制作工艺上，要尽量降低谐振频率。而降低谐振频率的同时，也降低了敏感元件的接收灵敏度，所以对敏感器件电容量和负载电路电感量的选择应根据设计目的确定［2］。

2 灵敏度计算及测量

2.1 理论计算

对压电效应方程进行化简，并加入边界条件，可得到圆片状压电陶瓷（双边式边缘固定压电陶瓷片）的接收灵敏度为：式中，r为压电陶瓷片半径；a为压电陶瓷片厚度；g31为压电陶瓷片的压电常数［2］。

按照我们所讨论的水听器的结构（图1），先将压电陶瓷片两两并联再串联，使得仪器所接收到的电压为单个压电陶瓷片的4倍，再经过电路的N倍降压后，得到水听器的接收电压灵敏度为：

再将接收电压灵敏度转化为水听器的接收灵敏度［3］，表示为：

式中，M0为基准值，取 M0＝1 V／μPa。

代入水听器的参数：a＝0.09 mm，r＝7.5 mm，g31＝－11.4×10－3V·m／N，N＝8，计算得到增压水听器的灵敏度MdB＝－178.5 dB。

2.2 灵敏度测量

将标准声源、标准声压传感器和圆柱式增压水听器等距离吊放在平静的水池中央。在10～1 000 Hz的扫频条件下，由标准声压传感器和增压水听器采集到2组信号，采用灵敏度自由场比消法得到2组结果。

标准声压传感器参数资料表明，在10～1 000 Hz条件下其灵敏度为（－42±3）dB（图3）。由于环境噪声的影响以及我们实验条件的局限性，标准声压传感器的灵敏度并不是－42 dB。为了消除环境噪声的影响，将标准声压传感器灵敏度矫正到－42 dB。由于标准声压传感器和圆柱式增压水听器是处于同一环境中，通过上述得到的校正量对增压水听器采集得到的灵敏度进行矫正，得到圆柱式增压水听器在50～1 000 Hz区域内的灵敏度（图4）。