專利名稱：用于生成寬帶寬聲能的裝置與方法
用于生成寬帶寬聲能的裝置與方法對相關(guān)申請的交叉引用本申請要求于2010年3月23日提交的美國臨時(shí)申請序列號61/316，526的較早提交日期的利益，該申請的全部公開內(nèi)容通過引用，包含于此。
背景技術(shù)：
聲學(xué)測量是測量各種介質(zhì)(例如地層的成分)的屬性的一種重要手段。例如，對聲波通過地層的速度的測量使得估計(jì)如構(gòu)成地層的物質(zhì)的類型和量及地層孔隙率的屬性。聲學(xué)傳送器一般包括配置成執(zhí)行振蕩運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)器。這種振蕩運(yùn)行傳輸?shù)铰晫W(xué)膜片，該聲學(xué)膜片進(jìn)而生成聲波。這種傳送器一般包括致動(dòng)器與膜片之間的直接耦合機(jī)制。典型的壓電聲學(xué)傳送器包括直接附連到聲學(xué)室中的聲學(xué)膜片內(nèi)部的壓電致動(dòng)器。這些傳送器通常都包括形成有致動(dòng)器和膜片、填充了油的聲學(xué)室。這種傳送器通常在其輸出帶寬上是 受限的，尤其是在較低頻率的時(shí)候更是如此。

發(fā)明內(nèi)容
一種聲學(xué)傳送器，包括配置成把聲波傳送到介質(zhì)中的聲學(xué)膜片；配置成響應(yīng)于所施加的電信號而在軸向變形的壓電致動(dòng)器組件；以及位于所述壓電致動(dòng)器和所述聲學(xué)膜片之間并且配置成響應(yīng)于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)而向聲學(xué)膜片傳送壓力波的高度不可壓縮的彈性材料。一種用于估計(jì)穿透地層的鉆孔中的屬性的方法，包括傳送載體通過所述鉆孔；經(jīng)聲學(xué)傳送器把聲波傳送到鉆孔和地層中的至少一個(gè)中；以及利用聲學(xué)檢測器接收聲波，以便估計(jì)屬性。所述載體包括至少一個(gè)聲學(xué)傳送器，所述聲學(xué)傳送器包括配置成將聲波傳送到介質(zhì)中的聲學(xué)膜片；配置成響應(yīng)于所施加的電信號而在軸向變形的壓電致動(dòng)器組件；以及位于所述壓電致動(dòng)器和聲學(xué)膜片之間并且配置成響應(yīng)于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)而向聲學(xué)膜片傳送壓力波的高度不可壓縮的彈性材料。


被視為發(fā)明的主旨特別是在本說明書最后的權(quán)利要求書中指出并明確地要求保護(hù)。根據(jù)以下結(jié)合附圖的具體描述，本發(fā)明的上述及其它特征與優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，其中圖I示出了地下鉆井、測井、評估、勘探和/或生產(chǎn)系統(tǒng)的示例性實(shí)施方式；圖2是彈性動(dòng)力耦合的聲學(xué)傳送器的示例性實(shí)施方式的側(cè)面橫截面視圖；圖3是圖2聲學(xué)傳送器的實(shí)施方式的分解透視圖；圖4是圖2聲學(xué)傳送器的實(shí)施方式的分解側(cè)視圖；圖5是彈性動(dòng)力耦合的聲學(xué)傳送器的示例性實(shí)施方式的透視橫截面視圖；圖6A-D分別是聲學(xué)膜片的示例性實(shí)施方式的主側(cè)視圖、頂視圖、底視圖和小側(cè)視圖；圖7是圖6A-D的聲學(xué)膜片的圖示；
圖8是用在聲學(xué)傳送器中的壓電結(jié)構(gòu)的透視圖；圖9是示出傳送聲波和/或估計(jì)介質(zhì)屬性的方法的示例性實(shí)施方式的流程圖；圖10是圖5聲學(xué)傳送器的數(shù)學(xué)模型的圖示；圖11是顯示圖10的模型相對于頻率的壓力響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖；圖12是顯示圖10的模型在12kHz的頻率下的壓力響應(yīng)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖；圖13是顯示圖10的模型在4kHz的頻率下的壓力響應(yīng)的極坐標(biāo)數(shù)據(jù)圖；圖14是顯示彈性動(dòng)力耦合的聲學(xué)傳送器在12kHz的頻率的壓力響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖；圖15是顯示圖14的聲學(xué)傳送器在12kHz的頻率下的壓力響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖；以及
圖16是顯示圖14的聲學(xué)傳送器相對于頻率的壓力響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式在這里，描述了用于生成聲能的裝置與方法。聲學(xué)傳送器包括壓電致動(dòng)器組件，其間接且彈性動(dòng)力耦合到聲學(xué)膜片，以便通過壓電器件的致動(dòng)產(chǎn)生聲學(xué)膜片特定于頻率的運(yùn)動(dòng)。“彈性動(dòng)力耦合”是指壓電致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)通過結(jié)構(gòu)彈性介質(zhì)向膜片的傳送。在一種實(shí)施方式中，所述結(jié)構(gòu)彈性介質(zhì)包括高度不可壓縮的材料，例如高度不可壓縮的彈性體。在一種實(shí)施方式中，壓電致動(dòng)器組件和膜片被用高度不可壓縮的材料填充的間隙隔開。在一種實(shí)施方式中，致動(dòng)器組件和膜片至少部分地設(shè)置于聲學(xué)腔中并且被至少部分地用高度不可壓縮的彈性體填充的腔體隔開。所述致動(dòng)器組件和膜片每個(gè)都可以至少部分地設(shè)置于用高度不可壓縮的材料填充的腔體中。在此所述的裝置與方法呈現(xiàn)出在例如用于井下測井和/或隨鉆測井(LWD)應(yīng)用的系統(tǒng)中非常重要的寬頻率帶寬聲學(xué)輸出特性。在一種實(shí)施方式中，致動(dòng)器組件包括高頻壓力活塞，該活塞安裝在壓電結(jié)構(gòu)上或者以其它方式集成到致動(dòng)器組件中，以方便致動(dòng)器組件與膜片之間的相互作用并且定義致動(dòng)器組件與膜片之間用高度不可壓縮的材料填充的內(nèi)部腔體間隔。所述彈性動(dòng)力耦合用來在較低的頻率范圍相對于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)放大聲學(xué)膜片的運(yùn)動(dòng)，并且還在較高的頻率范圍顯現(xiàn)出顯著的聲學(xué)輸出。在此所述的裝置提供了在較低的工作頻率范圍(例如大約2kHz)和中間工作頻率范圍(例如大約8kHz)放大致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的能力，同時(shí)在較高的工作頻率范圍(例如大約12kHz)有效地傳送致動(dòng)器運(yùn)動(dòng)。參考圖1，地下鉆井、測井、評估、勘探和/或生產(chǎn)系統(tǒng)10的示例性實(shí)施方式包括示為設(shè)置于鉆孔14中的鉆柱12，其中鉆孔14在地下操作過程中穿透至少一個(gè)地層16。如在此所描述的，“鉆孔”或者“井孔”是指構(gòu)成鉆井的全部或部分的單個(gè)孔，而“地層”是指在地表下環(huán)境和鉆孔周圍可能遇到的各種特征與物質(zhì)。鉆架18或者其它結(jié)構(gòu)配置成支撐和/或部署鉆柱12及各種部件。在一種實(shí)施方式中，鉆柱12包括例如測井工具的記錄或測量工具20。在一種實(shí)施方式中，測量工具20配置成作為聲學(xué)測量工具。測量工具20在圖I中示為井下線纜工具，但并不限于此，并且可以與任何合適的載體一起設(shè)置。例如，鉆柱12可以配置成作為包括一個(gè)或多個(gè)向下延伸到鉆孔14中的管段或盤管并且包括具有鉆頭的底部鉆具組件(BHA)的鉆桿。所述工具可以配置成作為隨鉆測井(LWD)或者隨鉆測量(MWD)工具。如在此所描述的，“載體”意指可以用于傳送、容納、支撐或以其它方式方便另一設(shè)備、設(shè)備部件、設(shè)備的組合、介質(zhì)和/或組件的使用的任何設(shè)備、設(shè)備部件、設(shè)備的組合、介質(zhì)和/或組件。示例性的非限制載體包括盤管類型、接合管類型的鉆柱或者其任意組合或者部分。其它的載體例子包括套管、線纜、線纜探頭、鋼絲探頭、熔滴彈丸(drop shot)、鉆艇、底部鉆具組件及鉆桿。在一種實(shí)施方式中，測量工具20包括至少一個(gè)配置成生成并傳送聲波的聲學(xué)傳送器22和至少一個(gè)配置成檢測聲波的聲學(xué)接收器24。聲學(xué)傳送器配置成把聲波傳送到地層中，而聲學(xué)接收器24配置成檢測反射或以其它方式行進(jìn)通過地層的波。盡管測量工具20在這里描述為井下工具，但是它也可以用在任何期望的位置，例如地面位置。此外，聲學(xué)傳送器22和/或聲學(xué)接收器24也可以位于地面位置。另外，聲學(xué)傳送器可以結(jié)合到配置成使用聲波生成的任何類型的工具或測量裝置中，而不限于井下應(yīng)用。在一種實(shí)施方式中，井下工具20、聲學(xué)傳送器22和/或聲學(xué)接收器24配備有最終傳送到地面處理單元26的傳送裝備。這種傳送裝備可以采取任何期望的形式，并且可以使用不同的傳送介質(zhì)和方法。連接的例子包括有線、光纖、無線連接和基于存儲器的系統(tǒng)。參考圖2-4，聲學(xué)傳送器30的實(shí)施方式包括由例如彈性體的高度不可壓縮的材料36隔開并彈性動(dòng)力稱合的壓電致動(dòng)器組件32和聲學(xué)膜片34。在一種實(shí)施方式中，聲學(xué)傳送器30包括例如調(diào)諧共振結(jié)構(gòu)外罩的外罩38，該外罩配置成支撐致動(dòng)器組件32和膜片34并且在致動(dòng)器組件32和膜片34之間形成由高度不可壓縮彈性體36填充的間隔或間隙。致動(dòng)器組件32可以包括方便定義致動(dòng)器組件32和膜片34之間的間隙的壓力活塞40。壓力活塞40在彈性體介質(zhì)中產(chǎn)生大直徑的壓力波，該壓力波轉(zhuǎn)化成聲學(xué)膜片34的運(yùn)動(dòng)。所述高度不可壓縮的材料是例如聚合物的彈性材料。在一種實(shí)施方式中，所述材料是包括硅樹脂或者其它聚合物材料的彈性體。在一種實(shí)施方式中，當(dāng)被壓迫時(shí)，所述高度不可壓縮的材料具有比水低的壓縮能力。在一種實(shí)施方式中，所述高度不可壓縮的材料具有至少大約2 X IO9Pa的體積模量。在圖2-4所示的例子中，致動(dòng)器組件32設(shè)置在外罩38中并且通過任何合適的機(jī)構(gòu)固定。在這個(gè)例子中，致動(dòng)器設(shè)置在配置成提供電連接的凹口 42中并且耦合到預(yù)加載適配器54，其中預(yù)加載適配器54把致動(dòng)器固定到合適的位置并且在外罩38中定義致動(dòng)器腔44和聲學(xué)腔46?？梢园ɡ鏞環(huán)的密封機(jī)構(gòu)48,在致動(dòng)器腔44和聲學(xué)腔46之間產(chǎn)生密封。在一種實(shí)施方式中，致動(dòng)器腔44是在選定的壓力下經(jīng)填充端口 50用例如油的流體來填充的。外罩38還可以包括補(bǔ)償活塞或者定位環(huán)，來調(diào)節(jié)致動(dòng)器腔壓力。在一種實(shí)施方式中，聲學(xué)腔46至少部分地用高度不可壓縮的材料36填充，使得致動(dòng)器組件32和膜片34之間的間隙用高度不可壓縮的材料36填充。在圖4所示的例子中，聲學(xué)腔44是在外罩38中形成的并且通過外罩38、膜片34、可選的預(yù)加載適配器54和壓力活塞40定義。在一種實(shí)施方式中，壓力活塞40配置成定義致動(dòng)器組件32與膜片34之間的間隙。壓力活塞40在彈性體介質(zhì)中產(chǎn)生大直徑的壓力波，該壓力波轉(zhuǎn)化成聲學(xué)膜片34的運(yùn)動(dòng)。壓力活塞40可以具有任何適于定義致動(dòng)器組件32和膜片34之間的間隔或間隙并且方便壓力波通過高度不可壓縮的材料傳送的形狀。壓力活塞40可以是部分圓錐形的 形狀，具有平坦的部分和圓錐形的部分，如圖2-4中所示出的，或者可以如圖5中所示的那樣是圓盤形狀，其中圖5示出了聲學(xué)傳送器30的另選實(shí)施方式。在一種實(shí)施方式中，壓力活塞具有至少為聲學(xué)膜片34的直徑的直徑(在圓形膜片的情況下)或者至少等于膜片34的小直徑的直徑(在橢圓形膜片的情況下)。在一種實(shí)施方式中，活塞40具有至少為膜片34包括單元結(jié)構(gòu)的部分的直徑。參考圖6A-D和7，在一種實(shí)施方式中，聲學(xué)膜片34是具有寬頻率響應(yīng)的自穩(wěn)定動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。當(dāng)受到來自彈性體腔壓力波的加載時(shí)，聲學(xué)膜片34的動(dòng)態(tài)自穩(wěn)定特性使膜片34保持恒定的小表面變形。這種建于聲學(xué)膜片表面上的穩(wěn)定性是通過在寬工作頻率范圍之上的設(shè)計(jì)來保持的，例如，所述設(shè)計(jì)大大高于致動(dòng)器壓力活塞的共振帶寬。聲學(xué)膜片34包括配置成與傳送聲波的介質(zhì)(例如位于鉆孔14中的水或者流體)相互作用的聲學(xué)表面56。在一種實(shí)施方式中，聲學(xué)表面56是實(shí)心的(B卩，沒有開口)。在一種實(shí)施方式中，膜片34包括多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件58，這些結(jié)構(gòu)構(gòu)件用來減小膜片34的重量并增加其剛性。在一種實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件58相交，以形成例如三角形的幾何形狀(或者單元)。在一種實(shí)施方式中，包括表面和多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的聲學(xué)膜片是從一塊實(shí)心材料(例如招或者鈦)機(jī)加工而成的。膜片可以通常是圓形主體或者可以具有橢圓形形狀，如圖6A-D和7的實(shí)施方式中所示。 在一種實(shí)施方式中，膜片34形成多個(gè)小面60,例如多個(gè)成對的三對稱小面。在這種實(shí)施方式中，膜片34包括與三角形單元結(jié)構(gòu)兼容的成對的三對稱平面小面60的混合幾何形狀和橢圓形聲學(xué)表面區(qū)域56，來最大化膜片框架之上的硬度相對于質(zhì)量分布的組合，并提升聲學(xué)膜片34的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在一種實(shí)施方式中，膜片34包括六個(gè)平面小面60。六角形小面方案中所使用的斜度是不對稱的而且定制成當(dāng)在彈性動(dòng)力腔體組件中耦合時(shí)把聲學(xué)膜片鼓面共振頻率調(diào)諧到選定的頻率，例如大約IIkHz。在一種實(shí)施方式中，平面小面60關(guān)于硬度的中央?yún)^(qū)域62對稱布置。該中央?yún)^(qū)域62對應(yīng)于致動(dòng)器壓力活塞直徑的大致最優(yōu)偏轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)。中央?yún)^(qū)域62包括配置成與致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)軸平行定位的平坦表面。致動(dòng)器組件32和/或壓力活塞40相對于中央?yún)^(qū)域62的間隔可以基于傳送器系統(tǒng)的基礎(chǔ)共振模式及工作頻率范圍之上的聲學(xué)輸出的總體大小來選擇?？偟膩碚f，基礎(chǔ)共振模式頻率與總體聲學(xué)輸出大小都隨著間隔增加而減小。除了小面設(shè)計(jì)之外，對高頻輸出特性有顯著影響的其它因素包括聲學(xué)膜片單元壁的厚度、面板厚度及邊緣帶厚度。壓電致動(dòng)器組件32包括由晶體或者其它材料制成的壓電結(jié)構(gòu)64，其中這些材料以當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)變時(shí)產(chǎn)生電荷的能力(稱為直接壓電效應(yīng))為特征。相反，當(dāng)受到電勢場時(shí)，這種材料會(huì)變形，稱為逆壓電效應(yīng)。這種材料的例子包括屬于鐵電族的某些陶瓷材料，例如鋯鈦酸鉛(PZT)，其中PZT可以包括例如PbZrO3和PbTiO3的混合晶體。這些材料具有把例如應(yīng)力和應(yīng)變的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成電壓及反過來把電壓變換成機(jī)械力和位移的能力。在一種實(shí)施方式中，致動(dòng)器配置成使得壓電結(jié)構(gòu)64的位移線性遵循所接收到的電荷(Q)，并且因此，流動(dòng)的電流(I=dQ/dt)與致動(dòng)器端板的速度(v=ds/dt)成比例。相應(yīng)地，電流中波動(dòng)的陡度(轉(zhuǎn)換速率)(dl/dt)與致動(dòng)器端板的加速度(a=dv/dt)成比例。一個(gè)或多個(gè)轉(zhuǎn)換速率受控的放大器或者內(nèi)部電流控制回路可以用于將輸入電流波動(dòng)嚴(yán)格地限制到致動(dòng)器組件32，以減小或消除造成過高致動(dòng)器加速速率的電荷的爆發(fā)。壓電結(jié)構(gòu)64的一個(gè)例子在圖8中示出。在這個(gè)例子中，壓電結(jié)構(gòu)64是細(xì)長的陶瓷結(jié)構(gòu)，配置成響應(yīng)于大約2000V/mm的場強(qiáng)度而獲得I. 5至I. 7%的變形。壓電結(jié)構(gòu)64可以利用多層陶瓷材料來制造。例如，壓電結(jié)構(gòu)64包括多達(dá)500層陶瓷材料，每一層是大約O. Imm厚。這些層堆疊并燒結(jié)，以便允許由僅200V的電壓實(shí)現(xiàn)最大的位移。在一種實(shí)施方式中，機(jī)械預(yù)加載設(shè)備包括在致動(dòng)器組件32中，以防止壓電結(jié)構(gòu)64加載拉伸應(yīng)力。所述預(yù)加載設(shè)備配置成施加例如至少大約為阻滯力(FB) —半的預(yù)加載力，來穩(wěn)定致動(dòng)器組件32。示例性預(yù)加載力包括大約O. 5和I. OFB之間的力?？刂茩C(jī)構(gòu)也可以連接到致動(dòng)器結(jié)構(gòu)64，來控制致動(dòng)器行程。例如，與閉環(huán)電壓反饋組合的應(yīng)變片可以連接到壓電結(jié)構(gòu)64。合適的致動(dòng)器的例子包括單片分層的陶瓷致動(dòng)器，具有14_X14_X20_的尺寸，一層的厚度為大約O. 1mm，最大阻滯力為大約8000N，預(yù)加載力為大約5000N。可以施加大約-50V至+200V范圍的電壓，來獲得大約-7. 5 μ m至+30. O μ m范圍內(nèi)的位移。在使用當(dāng)中，來自致動(dòng)器組件32的運(yùn)動(dòng)在高度不可壓縮的材料36中產(chǎn)生圓錐形發(fā)散的壓力波，該壓力波入射到自穩(wěn)定動(dòng)態(tài)膜片34的單元結(jié)構(gòu)和背面(S卩，與聲學(xué)表面56相對的表面)上。致動(dòng)器壓力活塞的幾何形狀、腔體容積的幾何形狀和高度不可壓縮的材料的屬性可以設(shè)計(jì)成產(chǎn)生大致一致的入射到膜片背面主要區(qū)域上的壓力分布。例如，在較高頻率范圍(口 IOkHz)聲學(xué)傳送器30的聲學(xué)輸出的大小高度依賴于針對致動(dòng)膜片表面維持剛體運(yùn)動(dòng)的程度。膜片背面上的壓力脈沖的一致性往往對所述剛體運(yùn)動(dòng)起作用，并由此提高聲學(xué)壓力的大小。相應(yīng)地，在一種實(shí)施方式中，壓力活塞的表面的形狀做成與所述背面(即，與膜片的聲學(xué)表面相對的表面)的至少一部分的形狀相符或者成比例。壓力活塞的表面的形狀便于在高度不可壓縮的材料中生成壓力波，其在背面之上是一致的。例如，壓力活塞40如圖2-4中所示成形，包括中央平坦的表面和外圍圓錐形的表面，具有與聲學(xué)膜片的 背面的至少一部分的形狀成比例或者以其它方式與其總體上相符的形狀。在一種實(shí)施方式中，為了造成聲學(xué)膜片的顯著運(yùn)動(dòng)，致動(dòng)器壓力活塞40具有足夠大的表面區(qū)域，使得該表面區(qū)域在設(shè)備的工作頻率范圍之上隨相對剛體(不變形)的運(yùn)動(dòng)而移動(dòng)。在一種實(shí)施方式中，高性能的鈹合金與特定的壓力活塞結(jié)構(gòu)結(jié)合使用，產(chǎn)生超輕但仍然非常硬的設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)通過彈性體腔介質(zhì)到聲學(xué)膜片34中的高壓力生成機(jī)制。有效地，自穩(wěn)定的膜片和彈性動(dòng)力耦合建立了設(shè)備的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以由操作的三個(gè)主要共振特性來表征。第一基礎(chǔ)共振模式包括處于與致動(dòng)器組件32的運(yùn)動(dòng)同步相位的聲學(xué)膜片34的正常運(yùn)動(dòng)。第二共振模式(模式-2)包括聲學(xué)膜片34的鼓面撓曲。第三共振模式(模式-3)包括致動(dòng)器壓力活塞40的鼓面撓曲。在一種實(shí)施方式中，致動(dòng)器組件32和聲學(xué)膜片34配置成產(chǎn)生共振交互效應(yīng)，以增加在期望的工作頻率帶寬之上的能量輸出。例如，對于如10-20kHz操作的高頻操作，模式-2的聲學(xué)膜片共振衰減(動(dòng)態(tài)響應(yīng)零)配置成通過特定的頻率帶寬導(dǎo)致模式-3的致動(dòng)器壓力活塞共振放大(動(dòng)態(tài)響應(yīng)極)。為了產(chǎn)生這種共振交互效應(yīng)，膜片鼓面共振針對大約IlkHz進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)諧，而致動(dòng)器壓力活塞鼓面共振調(diào)諧到大約18kHz。這種共振組合顯著地最小化了活塞膜片共振頻率之上衰減的響應(yīng)并且在寬的高頻范圍之上工作，提供非常寬和相對一致的高聲學(xué)輸出。這種帶寬放大近似地在聲學(xué)膜片的共振帶寬與致動(dòng)器壓力活塞的共振帶寬之間延伸。圖9示出了用于傳送聲波和/或測量地層屬性的方法70。方法70包括一個(gè)或多個(gè)階段71-74。在這里方法70是結(jié)合聲學(xué)傳送器22、30來描述的，但方法70可以結(jié)合任意數(shù)量和配置的彈性動(dòng)力耦合的聲源來描述。在第一階段71,聲學(xué)傳送器22、30設(shè)置在選定的位置。在一種實(shí)施方式中，該選定的位置是鉆孔中的井下位置。在第二階段72，電流施加到壓電致動(dòng)器組件32，以感應(yīng)出振蕩運(yùn)動(dòng)并且把聲波從聲學(xué)膜片34傳送到介質(zhì)中。在一種實(shí)施方式中，電流是經(jīng)脈動(dòng)的和/或振蕩的電壓信號(例如脈動(dòng)的正弦電壓)施加的。介質(zhì)可以是任何選定類型的材料，并且在一個(gè)例子中包括地下地層的物質(zhì)。在第三階段73，通過聲學(xué)檢測器檢測聲波。在一種實(shí)施方式中，聲學(xué)檢測器包括如上所述彈性動(dòng)力耦合到壓電結(jié)構(gòu)的聲學(xué)膜片。在第四階段74，所接收到的聲波用于估計(jì)介質(zhì)的屬性。在此所述的系統(tǒng)與方法提供了優(yōu)于現(xiàn)有處理方法與設(shè)備的各種優(yōu)點(diǎn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備，在此所述的系統(tǒng)與方法允許在更寬的工作頻率范圍(例如，4kHz至25kHz)上生成非常高的聲能水平。所述裝置與方法提供了將自穩(wěn)定動(dòng)態(tài)膜片的獨(dú)特動(dòng)態(tài)特性與單片多層壓電設(shè)備的高力特性有效地耦合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高度不可壓縮的材料減小了阻尼效應(yīng)并 顯著增加了聲學(xué)輸出，尤其是在較低的頻率(例如，低于IOkHz)更是如此。這些及其它優(yōu)點(diǎn)結(jié)合對在此所述裝置的實(shí)施方式的性能分析的描述來說明。在水介質(zhì)中對圖5中所示的聲學(xué)傳送器的實(shí)施方式的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行頻率響應(yīng)分析。如以上所討論的，聲學(xué)傳送器包括高度不可壓縮的彈性體腔。在這個(gè)例子中，結(jié)合鋁聲學(xué)膜片和鋁-鈹合金壓力活塞，導(dǎo)熱的硅樹脂彈性體用作聲學(xué)腔材料。參考圖10，其示出了圖5的聲學(xué)傳送器的數(shù)學(xué)有限元模型。該聲學(xué)傳送器的一些特征和材料屬性在表I中示出。表I
組件部件__十才枓屬性 ____注釋_
膜片活塞(Al) Ε=71000 ρ=277θ ν=0.32 ξ=0.05 橢圓
MPakg/m3__70mmx 85mm
彈性體腔(DOW E=0.622 p=2200 V=ξ=0.125 K=2100 MPa
SE-4430 )__MPa__kg/m3 0.49995___
壓電致動(dòng)器E=I 59000 p=7650 v=0,33 ξ=0.05 14mm x 14mm 乂
__MPa__kg/m3____20mm_
壓力盤(AlBeMet E=193000 p=2120 v=0.17 ξ=0.05 050mm x 4mm
162)__MPa__kg/m3____
致動(dòng)器配件E= 193000 p=2120 v=0.17 ξ=0.05
(AlBeMet 162) MPa_ kg/m3 ___在表I中，“E”指楊氏模量或者彈性模量，“ P ”指質(zhì)量密度，“ V ”指泊松比，而“ξ”指阻尼比。高度不可壓縮的彈性體材料具有大約2100MPa的體積模量。膜片具有橢圓形的形狀，主直徑為大約85mm,而次軸為大約70mm,而且壓力活塞具有大約4mm的厚度和大約50mm的直徑。壓電致動(dòng)器具有大約14mm X 14mm X 20mm的尺寸。
動(dòng)態(tài)模擬是以直接頻率響應(yīng)分析的形式進(jìn)行的，考慮了單個(gè)構(gòu)成部件的依賴于材料的阻尼。來自耦合外部流體介質(zhì)的多個(gè)物理方面包括在這些模擬中，并且設(shè)備的聲學(xué)壓力輸出是基于聲學(xué)膜片和水介質(zhì)的流體結(jié)構(gòu)交互來計(jì)算的。對所述聲源設(shè)計(jì)進(jìn)行一系列的頻率響應(yīng)分析，來確定壓電致動(dòng)器的軸向運(yùn)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。動(dòng)態(tài)加載在20_尺寸內(nèi)沿軸施加到壓電致動(dòng)器。分析結(jié)果在圖11-13的數(shù)據(jù)圖中示出。圖11示出了在各個(gè)工作頻率下模型的壓力響應(yīng)數(shù)據(jù)80。圖12和13分別包括在12kHz和4kHz工作頻率下的壓力響應(yīng)數(shù)據(jù)82和84。圖11-13指示在8kHz左右的適度阻尼共振響應(yīng)和在14kHz附近稍高的共振響應(yīng)。高頻帶寬對于剛體膜片加速呈現(xiàn)出適度阻尼響應(yīng)，該響應(yīng)可以在寬帶寬之上轉(zhuǎn)變成顯著的聲學(xué)壓力。圖11-13的模型與結(jié)果說明，在12kHz左右高頻工作模式的穩(wěn)定的膜片結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)與在大約4-7kHz之間寬頻范圍內(nèi)轉(zhuǎn)化成顯著聲能輸出的低頻率共振響應(yīng)組合。例如，圖12和13分別示出了在12kHz和4kHz都顯著的壓力響應(yīng)。確定系統(tǒng)的低頻響應(yīng)主要受系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)質(zhì)量和彈性動(dòng)力腔的有效機(jī)械硬度影響。相反，系統(tǒng)的高頻響應(yīng)主要受聲 學(xué)膜片和致動(dòng)器壓力活塞結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響。圖14-16示出了包括彈性動(dòng)力耦合的壓電聲源的聲學(xué)傳送器的水箱測試的結(jié)果。對于壓電致動(dòng)器在瞬態(tài)脈沖群模式下的操作，獲得了一系列聲學(xué)測量值。施加到致動(dòng)器的瞬態(tài)電壓脈沖群一般包括與DC偏移疊加的五個(gè)正弦脈沖，其考慮了壓電致動(dòng)器設(shè)備的不對稱電壓限制。聲學(xué)測量是在淡水中2米的深度利用離聲源測試物I米遠(yuǎn)的水聽器設(shè)備進(jìn)行的。圖14-16中所示的測試數(shù)據(jù)指示傳送器的高聲學(xué)輸出在從小于或等于大約4kHz到遠(yuǎn)高于30kHz的頻率范圍之上延伸。如圖14中所述，具有12kHz脈沖頻率的瞬態(tài)電壓波形86施加到聲學(xué)傳送器。如在數(shù)據(jù)圖中所指示的，結(jié)果產(chǎn)生的跨致動(dòng)器的電壓88顯著小于所施加的電源電壓86。這是由于引入了一個(gè)串聯(lián)電阻，該串聯(lián)電阻被確定為是控制可能潛在地生成過多加速并損壞壓電致動(dòng)器的瞬態(tài)電流所必需的。在12kHz的脈沖頻率下測量到的數(shù)據(jù)90指示大約I. 35psi(峰值)的聲學(xué)壓力是在65V (峰值-峰值)的致動(dòng)器電壓下由聲學(xué)傳送器產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)96暗示在240V (峰值-峰值)的期望操作電壓電平下可以預(yù)期跨致動(dòng)器的大致4. 97psi (峰值)的聲學(xué)輸出。此外，如圖15中所述，具有4kHz脈沖頻率的瞬態(tài)電壓波形92施加到聲學(xué)傳送器。如在數(shù)據(jù)圖中所指示的，結(jié)果產(chǎn)生的跨致動(dòng)器的電壓94只相對于所施加的電源電壓略微減小。這是由于在較低頻率范圍內(nèi)減小的電路電流造成的。在4kHz脈沖頻率測量到的數(shù)據(jù)96指示大約O. 27psi (峰值)的聲學(xué)壓力是在131V (峰值-峰值)的致動(dòng)器電壓下由原型物產(chǎn)生的。數(shù)據(jù)96暗示在240V (峰值-峰值)的期望操作電壓電平下可以預(yù)期跨致動(dòng)器的大致0.49psi (峰值)的聲學(xué)輸出。用于所述瞬態(tài)聲學(xué)脈沖群的總供給能量是O. 657焦耳。還在大的頻率范圍上執(zhí)行了一系列聲學(xué)脈沖群測試。所測量出的聲學(xué)數(shù)據(jù)98以IOOHz的頻率步進(jìn)從2kHz累積到20kHz，并且規(guī)格化到240V (峰值-峰值)的致動(dòng)器電壓。如圖16中所示，該圖是對分析模型的壓力響應(yīng)數(shù)據(jù)與頻率的比較，所測量到的數(shù)據(jù)與該模型對應(yīng)并且示出了寬頻率范圍之上顯著的壓力響應(yīng)。為了支持這里的教導(dǎo)，可以使用各種分析部件，包括數(shù)字和/或模擬系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可以具有例如處理器、存儲介質(zhì)、存儲器、輸入、輸出、通信鏈路(有線的、無線的、脈沖泥漿(pulsed mud)、光學(xué)的或者其它)、用戶接口、軟件程序、信號處理器(數(shù)字的或者模擬的)及其它此類部件(例如電阻器、電容器、電感器及其它)，以本領(lǐng)域眾所周知的若干方式中的任意一種提供對在此所公開的裝置與方法的操作與分析?？梢哉J(rèn)為這些教導(dǎo)可以，但不必，結(jié)合存儲在計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上的一組計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令來實(shí)現(xiàn)，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括存儲器(ROM、RAM)、光學(xué)的(CD-ROM)或者磁性的(盤、硬盤驅(qū)動(dòng)器)或者任何其它類型，當(dāng)所述指令被執(zhí)行時(shí)，使計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方法。除本公開內(nèi)容中所描述的功能之外，這些指令還可以提供裝備操作、控制、數(shù)據(jù)收集和分析及系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、所有者、用戶或其他此類個(gè)人認(rèn)為相關(guān)的其它功能。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，有多種部件或技術(shù)可以提供某些必需或有利的功能性或特征。相應(yīng)地，就像為了支持所附權(quán)利要求及其變體所需要的，這些功能和特征被認(rèn)為是作為這里教導(dǎo)的一部分和所公開本發(fā)明的一部分固有地包括在內(nèi)。盡管本發(fā)明已經(jīng)參考示例性實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，在不背離本發(fā) 明范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化，而且可以用等價(jià)物代替其元素。此外，在不背離其實(shí)質(zhì)范圍的情況下，可以想到許多修改，來使特定儀器、情況或材料以適應(yīng)本發(fā)明教導(dǎo)。因此，本發(fā)明不是要限定到所公開的、預(yù)期是執(zhí)行本發(fā)明最佳模式的特定實(shí)施方式，相反，本發(fā)明將包括屬于所附權(quán)利要求范圍之內(nèi)的所有實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種聲學(xué)傳送器，包括 聲學(xué)膜片，配置成把聲波傳送到介質(zhì)中； 壓電致動(dòng)器組件，配置成響應(yīng)于所施加的電信號而在軸向變形；及 高度不可壓縮的彈性材料，設(shè)置在所述壓電致動(dòng)器與所述聲學(xué)膜片之間，并且配置成響應(yīng)于所述壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)而把壓力波傳送到所述聲學(xué)膜片。
2.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，還包括在所述聲學(xué)膜片與所述壓電致動(dòng)器之間形成的腔體，所述腔體至少部分地用所述高度不可壓縮的彈性材料填充。
3.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述聲學(xué)膜片和所述壓電致動(dòng)器至少部分地設(shè)置在用所述高度不可壓縮的彈性材料填充的腔體中。
4.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述高度不可壓縮的材料在被壓迫時(shí)具有比水低的壓縮能力。
5.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述高度不可壓縮的材料具有至少大約2 X IO9Pa的體積模量。
6.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述壓電致動(dòng)器組件包括壓電結(jié)構(gòu)和附接到該壓電結(jié)構(gòu)的壓力活塞，所述壓力活塞包括其形狀大致與所述聲學(xué)膜片的表面的至少一部分相符的表面。
7.如權(quán)利要求6所述的聲學(xué)傳送器，其中所述壓力活塞的表面具有等于或者大于所述聲學(xué)膜片的直徑的直徑。
8.如權(quán)利要求6所述的聲學(xué)傳送器，其中所述聲學(xué)膜片調(diào)諧到第一鼓面共振，而所述壓力活塞調(diào)諧到超過所述第一鼓面共振選定頻率帶寬的第二鼓面共振。
9.如權(quán)利要求8所述的聲學(xué)傳送器，其中所述第一鼓面共振是大約11kHz，而所述第二鼓面共振是大約18kHz。
10.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述聲學(xué)膜片包括實(shí)心的聲學(xué)表面和設(shè)置成與所述聲學(xué)表面相對并且形成幾何形狀的多個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。
11.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，還包括控制器，配置成施加脈動(dòng)電壓信號和振蕩電壓信號中的至少一種，以便在所述壓電致動(dòng)器中感應(yīng)振蕩運(yùn)動(dòng)。
12.如權(quán)利要求I所述的聲學(xué)傳送器，其中所述聲學(xué)傳送器配置成設(shè)置在地層中的鉆孔中。
13.一種用于估計(jì)穿透地層的鉆孔中的屬性的方法，該方法包括 傳送載體通過所述鉆孔，所述載體包括至少一個(gè)聲學(xué)傳送器，所述聲學(xué)傳送器包括 聲學(xué)膜片，配置成把聲波傳送到介質(zhì)中； 壓電致動(dòng)器組件，配置成響應(yīng)于所施加的電信號而在軸向變形；以及 高度不可壓縮的彈性材料，設(shè)置在所述壓電致動(dòng)器與所述聲學(xué)膜片之間，并且配置成響應(yīng)于所述壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)而把壓力波傳送到所述聲學(xué)膜片； 經(jīng)所述聲學(xué)傳送器把聲波傳送到所述鉆孔和所述地層中的至少一個(gè)中；以及 利用聲學(xué)檢測器接收聲波以估計(jì)所述屬性。
14.如權(quán)利要求13所述的方法,其中所述傳送聲波包括施加脈動(dòng)電壓信號和振蕩電壓信號中的至少一種，以便在所述壓電致動(dòng)器中感應(yīng)振蕩運(yùn)動(dòng)。
15.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述傳送器還包括在所述聲學(xué)膜片與所述壓電致動(dòng)器之間形成的腔體，該腔體至少部分地用所述高度不可壓縮的彈性材料填充。
16.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述聲學(xué)膜片和所述壓電致動(dòng)器至少部分地設(shè)置在用所述高度不可壓縮的彈性材料填充的腔體中。
17.如權(quán)利要求I所述的方法，其中所述壓電致動(dòng)器組件包括壓電結(jié)構(gòu)和附接到該壓電結(jié)構(gòu)的壓力活塞，所述壓力活塞包括其形狀大致與所述聲學(xué)膜片的表面的至少一部分相符的表面。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述壓力活塞的表面具有等于或者大于所述聲學(xué)膜片的直徑的直徑。
19.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述聲學(xué)膜片調(diào)諧到第一鼓面共振，而所述壓力活塞調(diào)諧到超過所述第一鼓面共振選定頻率帶寬的第二鼓面共振。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第一鼓面共振是大約11kHz，而所述第二鼓面共振是大約18kHz。
全文摘要
一種聲學(xué)傳送器，包括配置成把聲波傳送到介質(zhì)中的聲學(xué)膜片；配置成響應(yīng)所施加的電信號而在軸向變形的壓電致動(dòng)器組件；及設(shè)置于所述壓電致動(dòng)器和聲學(xué)膜片之間并且配置成響應(yīng)于壓電致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)而把壓力波傳送到聲學(xué)膜片的高度不可壓縮的彈性材料。
文檔編號G01V1/40GK102870010SQ201180021947
公開日2013年1月9日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
發(fā)明者D·W·斯韋特 申請人:貝克休斯公司