王 慶 管志川 劉永旺 張 波 李 成

1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 2.山東省深地鉆井過(guò)程控制工程技術(shù)研究中心3.中國(guó)石油塔里木油田公司油氣工程研究院

0 引言

井下信息的準(zhǔn)確高速傳輸是保障復(fù)雜工況中多風(fēng)險(xiǎn)共存背景下安全高效鉆井作業(yè)的關(guān)鍵之一。隨著油氣資源勘探開發(fā)力度的不斷增大，深井超深井的井下情況日益復(fù)雜，智能化鉆井設(shè)備的廣泛應(yīng)用對(duì)井下信息的傳輸速率提出了更高的要求[1]。研發(fā)出速度快、準(zhǔn)確性高、抗外界因素干擾能力強(qiáng)的井下信息傳輸方法成為安全高效鉆井所需要攻克的瓶頸問(wèn)題之一。井下信息聲波傳輸技術(shù)因傳輸過(guò)程不依賴鉆井液，不受地層性質(zhì)的限制，并且具有傳輸設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，有望成為突破上述瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)[2]。目前，國(guó)外部分聲波傳輸系統(tǒng)已經(jīng)開展了初步的應(yīng)用，包括美國(guó)哈里伯頓公司研發(fā)的油井測(cè)試聲波傳輸系統(tǒng)和加拿大XACT井下遙測(cè)公司研制的無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，最大傳輸深度和速率可達(dá) 3 600 m 和 33 bps/s，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景[3-5]。國(guó)內(nèi)亦開展了相關(guān)研究，并取得了重大進(jìn)展。振動(dòng)波井下通訊技術(shù)已在分層注水信息傳輸中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試[6]，地層出砂和叢式井防碰等領(lǐng)域也采用與聲波傳輸相關(guān)的技術(shù)[7]。相關(guān)研究人員也研究了不同因素對(duì)鉆柱中聲波傳輸特性的影響，包括管柱結(jié)合方式[8]與尺寸特性[9]、鉆柱彎曲[10]、鉆井流體阻尼[11]、地層阻尼[12]和噪聲[13-14]、換能器激勵(lì)參數(shù)[15]等，建立了基礎(chǔ)傳輸模型和實(shí)驗(yàn)裝置[16-18]。

然而，井下信息聲傳輸技術(shù)還未成為現(xiàn)場(chǎng)的主要測(cè)控手段。究其原因，井下信息聲傳輸系統(tǒng)裝置的缺乏是制約該技術(shù)從理論分析與實(shí)驗(yàn)研究走向現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的難題之一。井下信息聲傳輸系統(tǒng)由井下聲波信號(hào)的發(fā)生、中繼和接收裝置組成，其中聲波發(fā)生裝置作為聲信號(hào)的源點(diǎn)，是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。為攻克上述難題，筆者設(shè)計(jì)了一種新型井下聲波發(fā)生裝置，并通過(guò)建立的試驗(yàn)系統(tǒng)開展了裝置的功能性及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)研究。

1 聲波發(fā)生裝置原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 井下用聲波換能器的選擇

換能器作為實(shí)現(xiàn)井下電能—聲能轉(zhuǎn)換的元件，是井下聲波發(fā)生裝置的核心。低頻縱波因在鉆柱中傳播速度快、能量衰減小、接收及分析難度小而成為井下信息聲載波的首選，當(dāng)前常用產(chǎn)生縱波的換能器有夾心壓電換能器和磁致伸縮換能器兩種，然而夾心壓電換能器因生產(chǎn)制造難度大，安裝及井下供電困難而難以應(yīng)用于井下。超磁致伸縮換能器因具有應(yīng)變大（5～10倍于壓電陶瓷）、輸出功率高、高可控性、結(jié)構(gòu)緊湊及工作溫度范圍廣（－50～70 ℃）等優(yōu)點(diǎn)[19]，是井下復(fù)雜有限空間中高溫高壓環(huán)境下聲波發(fā)生換能器的首選。因此，選擇超磁致伸縮換能器作為井下用聲波換能器。

1.2 超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)及原理

基于能量轉(zhuǎn)換材料——國(guó)產(chǎn)Terfenol-D棒（?10 mm×40 mm，在 6～ 8 MPa壓力下，磁場(chǎng)強(qiáng)度為 10 000 kA/m時(shí)，軸向應(yīng)變值達(dá) 1.2×10－3）設(shè)計(jì)的超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示。當(dāng)換能器工作時(shí)，由脈沖電源產(chǎn)生脈沖電流施加于換能器的激磁線圈上，超磁致伸縮棒在交變磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生伸縮變化，將電能轉(zhuǎn)換成一定頻率的機(jī)械振動(dòng)，其發(fā)射主頻為800 Hz，工作頻帶寬度范圍介于20 Hz ～ 25 kHz。

1.3 換能器聲波輻射方式設(shè)計(jì)與優(yōu)選

1.3.1 換能器聲波輻射方式設(shè)計(jì)

換能器聲波輻射方式是指聲波從換能器進(jìn)入鉆柱系統(tǒng)的方式，換能器作為井下聲波發(fā)生裝置的核心部件，其聲波輻射方式是決定聲波發(fā)生端聲傳遞效率及鉆柱中聲傳播特性的關(guān)鍵。由于超磁致伸縮換能器輸出端是圓形截面，而鉆柱截面是直徑遠(yuǎn)大于換能器輸出端的環(huán)形截面。因此，設(shè)計(jì)的換能器聲波輻射方式不僅要保證進(jìn)入鉆柱中的聲波特性不發(fā)生畸變，還需將聲波在傳遞時(shí)的能量損失降到最低。

圖1 井下用磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

利用平面波在鉆柱中傳輸井下信息對(duì)聲信號(hào)穩(wěn)定性及接收端信號(hào)質(zhì)量都十分有利，鉆柱中平面波的產(chǎn)生取決于換能器聲波輻射進(jìn)入鉆柱管體的方式，其最優(yōu)輻射方式是換能器輸出端具有與鉆柱管體相同的環(huán)形截面的環(huán)狀輻射，這在井下復(fù)雜有限空間內(nèi)基于超磁致伸縮換能器是很難實(shí)現(xiàn)的。

綜合考慮井下安裝條件與超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)特征，筆者設(shè)計(jì)了周向多點(diǎn)聲波輻射與中心單點(diǎn)變幅桿聲波輻射兩種輻射方式，以期能達(dá)到與環(huán)狀輻射方式同等效果。其中周向多點(diǎn)聲波輻射方式是通過(guò)在管柱截面周向均勻分布多個(gè)換能器將聲波傳入管柱；中心單點(diǎn)變幅桿聲波輻射方式是利用變幅桿結(jié)構(gòu)思想，將換能器安裝位于鉆柱軸線處的變幅桿小端面上，通過(guò)變幅桿將換能器發(fā)出的聲波傳入鉆柱中進(jìn)行傳播。

1.3.2 換能器聲波輻射方式優(yōu)選

為了從上述設(shè)計(jì)的兩種換能器聲波輻射方式中優(yōu)選出最佳方案，設(shè)計(jì)了如圖2所示的兩種測(cè)試方案對(duì)不同換能器聲波輻射方式的聲傳播效果進(jìn)行對(duì)比分析。

圖2 不同換能器聲波輻射方式傳輸效果測(cè)試方案圖

控制測(cè)試條件一致，兩種測(cè)試方案得到的接收端聲波信號(hào)如圖3所示。測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，采用周向多點(diǎn)聲波輻射方式得到接收端同一接收面上周向均勻分布的4個(gè)加速度計(jì)測(cè)得的聲波幅值差異明顯，說(shuō)明該方式下鉆柱管體中獲得的聲波為非平面波；比較而言，采用中心單點(diǎn)變幅桿聲波輻射方式得到接收端不同測(cè)點(diǎn)接收信號(hào)波形與幅值不存在明顯差異，說(shuō)明該方式能夠獲得平面波，可以實(shí)現(xiàn)與最優(yōu)輻射方式同等的聲傳播效果。因此，選擇中心單點(diǎn)變幅桿輻射方案作為井下聲波發(fā)生裝置中換能器的安裝形式。

1.4 井下聲波發(fā)生裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)的超磁致伸縮換能器與中心單點(diǎn)變幅桿換能器聲波輻射方式，設(shè)計(jì)了如圖4所示的井下聲波發(fā)生裝置。

其工作原理為：通過(guò)探測(cè)儀器連接管將測(cè)得的井下信息傳輸至編碼及轉(zhuǎn)碼電路進(jìn)行信號(hào)的編碼與轉(zhuǎn)碼，進(jìn)而傳輸至換能器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行放大，并驅(qū)動(dòng)換能器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)輻射進(jìn)入鉆柱中傳輸，實(shí)現(xiàn)井下信息聲波信號(hào)的發(fā)生。其中聲信號(hào)發(fā)生單元主要包括換能器、預(yù)緊材料、聲傳遞介質(zhì)與變幅桿，換能器通過(guò)尾部的預(yù)緊材料固定在換能器保護(hù)筒內(nèi)，其產(chǎn)生聲波通過(guò)聲傳遞介質(zhì)傳遞到變幅桿中，繼而進(jìn)入鉆柱進(jìn)行傳播。裝置中設(shè)置預(yù)緊材料的目的是實(shí)現(xiàn)換能器保護(hù)筒中的換能器、聲傳遞介質(zhì)、變幅桿的緊密連接，設(shè)置聲傳遞介質(zhì)的目的是降低因?yàn)閾Q能器連接桿面積（輸出端）與變幅桿小端面積的差異性導(dǎo)致的聲波能量損失，同時(shí)濾除傳入變幅桿的干擾信號(hào)。

圖3 不同聲波輻射方式4個(gè)加速度計(jì)的傳輸效果測(cè)試圖

圖4 井下聲波發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)圖

從上述裝置可以看出，鉆柱中聲信號(hào)的傳輸距離與傳輸質(zhì)量取決于聲信號(hào)發(fā)生單元，因此聲信號(hào)發(fā)生單元是整個(gè)裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。變幅桿參數(shù)、聲傳遞介質(zhì)與換能器預(yù)緊狀態(tài)是聲信號(hào)發(fā)生單元中影響聲能量傳遞效率與質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此對(duì)上述3個(gè)關(guān)鍵因素的參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計(jì)。

2 變幅桿設(shè)計(jì)

2.1 變幅桿類型選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)

變幅桿主要用于換能器輸出位移振幅較小時(shí)將機(jī)械振動(dòng)位移或速度振幅放大，把能量集中在較小的輻射面上進(jìn)行聚能。而在聲波發(fā)生單元設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用變幅桿結(jié)構(gòu)是為了使聲信號(hào)傳遞過(guò)程不受截面效應(yīng)影響，將聲波從變幅桿小端面?zhèn)鬟f到大端面上，期間必然造成能量的損失。因此在變幅桿設(shè)計(jì)過(guò)程中，除了保證換能器輸出端面在接入變幅桿后不致改變?cè)泄ぷ鳡顟B(tài)外，還需有效地降低聲波能量的損失。

圓錐、指數(shù)及懸鏈線是3種常用的變幅桿類型，研究發(fā)現(xiàn)在同等條件下，隨長(zhǎng)度增加，圓錐變幅桿的兩端振幅變化最小，這符合本文降低聲能量損失的要求。同時(shí)考慮鉆柱內(nèi)部鉆井液過(guò)流需求，筆者選擇帶內(nèi)孔的單級(jí)圓錐變幅桿進(jìn)行設(shè)計(jì)。

忽略變幅桿縱向變形對(duì)橫向變形的影響，同時(shí)認(rèn)為桿由均勻、各向同性材料構(gòu)成，縱波沿桿軸向傳播。作用在變幅桿微元(x, x+dx)上的張應(yīng)力為由牛頓定律可得變幅桿的動(dòng)力學(xué)方程[20]為：式中A=A(x)表示桿的橫截面積函數(shù)；ξ=ξ(x)表示質(zhì)表示應(yīng)力函數(shù)，E表示楊氏模量；ρ表示桿材料的密度。在簡(jiǎn)諧振動(dòng)的情況下，由式（1）可得變截面桿的縱振方程為：

圖5 井下聲波發(fā)生裝置變幅桿結(jié)構(gòu)圖

井下聲信號(hào)發(fā)生裝置的變幅桿分析結(jié)構(gòu)如圖5所示，設(shè)計(jì)過(guò)程中將原鉆井液流道簡(jiǎn)化為截面為等面積環(huán)形的鉆井液流道。

坐標(biāo)原點(diǎn)x=0處的直徑為R1，x=L處為R3，環(huán)狀流道內(nèi)徑為R2，其面積函數(shù)為：

設(shè)變幅桿兩端面的力和振動(dòng)速度分別為F1、，方程（2）的解為：

變幅桿的放大系數(shù)（Mp）是指在變幅桿在諧振狀態(tài)下工作時(shí)，變幅桿的輸出與輸入端之間位移比值。本文裝置中聲波從小端面輸入經(jīng)由變幅桿在大端面輸出，放大系數(shù)越大表明聲波能量損失越大。因此需對(duì)變幅桿的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)降低放大系數(shù)。

由式（7）可得振幅放大系數(shù)為：

由式（8）可知，大端半徑R1、小端半徑R2、環(huán)狀流道外徑R3及整體長(zhǎng)度L是決定變幅桿放大系數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。其中由換能器安裝要求設(shè)計(jì)R2為20 mm；由裝置結(jié)構(gòu)可知，變幅桿大端延伸部分外表面為連接螺紋，即變幅桿大端半徑等于外螺紋小端半徑，對(duì)具有不同標(biāo)準(zhǔn)外徑的井下鉆具而言，有著與其相對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)連接螺紋，因而對(duì)于確定的鉆桿類型，其大端外徑（R1）為固定值。因此，對(duì)于已知鉆柱類型，大端半徑與小端半徑均為已知參數(shù)，此時(shí)決定鉆井液過(guò)流面積及變幅桿強(qiáng)度的環(huán)狀流道外徑也為定值。

由此可知，對(duì)于與已知鉆柱類型配合使用的井下聲波發(fā)生裝置而言，只能通過(guò)對(duì)變幅桿長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)降低其放大系數(shù)。定義無(wú)量綱參數(shù)變幅桿長(zhǎng)徑比（H）為長(zhǎng)度（L）與大端外徑（R1）的比值。則放大系數(shù)可表示為：

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例及可靠性分析

以標(biāo)準(zhǔn)?127.0 mm鉆桿為例，接頭外徑168.28 mm，變幅桿大端外徑R1=70 mm，變幅桿小端半徑R2=35 mm，環(huán)狀流道外徑R3=50 mm，常用的用于井下信息聲載波頻率一般在0.6～1.5 kHz低頻區(qū)間內(nèi)選取，根據(jù)式（9）計(jì)算得到不同載波頻率下放大系數(shù)隨長(zhǎng)徑比變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6可知，隨著變幅桿長(zhǎng)徑比增加，放大系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，存在極小值；在0.6～1.5 kHz低頻段內(nèi)隨載波頻率增加，放大系數(shù)最小值所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比逐漸減小，所以在確定的載波頻率下進(jìn)行變幅桿設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)徑比附近進(jìn)行選擇。

圖6 變幅桿放大系數(shù)與長(zhǎng)徑比關(guān)系圖

井下信息聲載波常用推薦頻率有0.65 kHz和1.41 kHz，當(dāng)選擇1.41 kHz聲波作為通信載波時(shí)，變幅桿放大系數(shù)極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)長(zhǎng)徑比介于7.5～8.0。因此應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)?127.0 mm鉆桿的變幅桿長(zhǎng)度為0.5 m。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)變幅桿在井下工作的可靠性，通過(guò)有限元軟件對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)及強(qiáng)度可靠性分析。模擬工作環(huán)境參數(shù)：井深 3 000 m，泵壓 20 MPa，排量 35 L/s，鉆壓100 kN，扭矩20 kN·m，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

通過(guò)對(duì)變幅桿內(nèi)部流場(chǎng)及強(qiáng)度分析可知，變幅桿內(nèi)流體速度峰值出現(xiàn)在環(huán)狀流道入口處，峰值約為11.88 m/s，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，應(yīng)用于四川某井的HTMWD儀器內(nèi)流體最大速度達(dá)60 m/s，且連續(xù)工作1 000 h以上沒(méi)有出現(xiàn)沖蝕破壞；最大等效應(yīng)力91.19 MPa出現(xiàn)在外螺紋根部，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度785 MPa，最大變形0.07 mm出現(xiàn)在變幅桿大徑端，變形量很小，基本可以忽略。因此，所設(shè)計(jì)的變幅桿在井下應(yīng)用時(shí)抗沖蝕能力強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度安全可靠。

3 井下聲波發(fā)生裝置的試驗(yàn)研究

為了測(cè)試基于超磁致伸縮換能器的井下聲波發(fā)生裝置的功能性與聲傳遞效果，同時(shí)對(duì)聲信號(hào)發(fā)生單元中聲傳遞介質(zhì)與換能器預(yù)緊狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)上述設(shè)計(jì)參數(shù)建立如圖8所示試驗(yàn)裝置。

3.1 試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

圖7 變幅桿可靠性分析云圖

圖8 聲波井下通信測(cè)試裝置照片

試驗(yàn)裝置包括聲波發(fā)生系統(tǒng)、鉆柱系統(tǒng)、聲波接收及處理系統(tǒng)。聲波發(fā)生系統(tǒng)為所設(shè)計(jì)的井下聲波發(fā)生裝置，主要由超磁致伸縮換能器、變幅桿、發(fā)生信號(hào)調(diào)節(jié)器和電源模塊組成，發(fā)生信號(hào)調(diào)節(jié)器通過(guò)換能器與鉆柱連接，可實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)條件下聲波的發(fā)生功能；鉆柱系統(tǒng)由3根?127.0 mm標(biāo)準(zhǔn)鉆桿連接而成；鉆柱另一端連接有聲波接收與處理系統(tǒng)，用于聲波信號(hào)的接收、顯示、存儲(chǔ)及時(shí)域和頻域分析。

3.2 聲傳遞介質(zhì)對(duì)聲波傳播的影響研究

裝置中設(shè)置聲傳遞介質(zhì)的目的是降低因?yàn)閾Q能器連接桿面積（輸出端）與變幅桿小端面積的差異性導(dǎo)致的聲波能量損失，同時(shí)濾除傳入變幅桿的干擾信號(hào)。聲波從一端面?zhèn)鬟f到另一端面聲波能量的損失程度與兩端面材料的聲波阻抗差異性有關(guān)，變幅桿材料與不同金屬材料的聲阻抗如表1所示。

表1 不同金屬材料聲阻抗表

為測(cè)試不同阻抗材料的能量傳遞與濾波功能，分別選擇阻抗低于換能器連接桿的鋁制材料與阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的黃銅材料加工成相同尺寸的傳遞介質(zhì)（如圖8-b所示），其小端直徑為20 mm，大端直徑35 mm。并控制傳遞介質(zhì)材料為單一變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同聲傳遞介質(zhì)材料的聲波頻譜對(duì)比圖

由圖9測(cè)試頻譜可見(jiàn)，使用變幅桿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到聲波頻譜穩(wěn)定且通阻帶區(qū)分明顯，設(shè)計(jì)的變幅桿達(dá)到了預(yù)期效果。聲波經(jīng)由兩種聲傳遞介質(zhì)進(jìn)入鉆柱中時(shí)的聲傳播特性雖存在相同之處，但也有較大差異，具體表現(xiàn)在：①頻譜中通帶均分布在0～5 kHz范圍的低頻段，且通帶位置基本相同，不同聲傳遞介質(zhì)對(duì)通帶位置分布不產(chǎn)生影響；②當(dāng)使用黃銅材質(zhì)時(shí)，頻譜中通阻帶區(qū)分更為明顯，且通帶內(nèi)聲波振幅大、毛刺曲線少，雜波干擾信號(hào)更輕微，濾波效果更佳；進(jìn)入鉆柱的聲波能量明顯高于使用鋁制傳遞介質(zhì)。

綜上分析，黃銅介質(zhì)在濾波效果與聲能量傳遞效率兩方面都要優(yōu)于鋁介質(zhì)。分析導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因是黃銅聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿阻抗之間，使得聲波在界面?zhèn)鬟f時(shí)的能量損失較小，而鋁聲阻抗遠(yuǎn)小于變幅桿聲阻抗，會(huì)導(dǎo)致聲波能量在聲傳遞介質(zhì)與變幅桿接觸界面上存在較大損失。從不同金屬材料聲阻抗表中可以看出，聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的金屬材料中，黃銅的經(jīng)濟(jì)成本低。因此確定黃銅作為聲傳遞介質(zhì)的首選。

3.3 換能器預(yù)緊狀態(tài)對(duì)聲波傳播的影響研究

換能器的預(yù)緊狀態(tài)是指換能器安裝在保護(hù)筒中的受力狀態(tài)，這種受力狀態(tài)是由預(yù)緊材料實(shí)現(xiàn)的。由換能器內(nèi)部Terfenol-D棒在一定預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下能夠提高其輸出效率可知，與輸入端面緊密接觸的換能器外部所受的應(yīng)力狀態(tài)也將影響聲波的傳播效率。

預(yù)緊材料與預(yù)緊力大小是決定換能器預(yù)緊狀態(tài)的兩個(gè)主要因素，預(yù)緊材料不同會(huì)導(dǎo)致聲波通過(guò)預(yù)緊材料傳播到換能器保護(hù)筒中聲波能量不同，影響聲波傳播效率，預(yù)緊力大小不同會(huì)導(dǎo)致聲波發(fā)生單元各部件連接的緊密程度，從而影響聲波傳播效率。為分析出兩者中影響換能器聲波傳播效率的主導(dǎo)因素與影響規(guī)律，選擇碟形彈簧（高碳鋼，阻抗為46×103MPa/s）與聚四氟乙烯圈（阻抗為27×103MPa/s）兩種預(yù)緊材料進(jìn)行試驗(yàn)研究。

從圖10-a所示測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，聲波頻譜中通阻帶位置分布基本一致，但使用碟形彈簧較聚四氟乙烯圈而言，頻譜振幅明顯偏大，聲波能量損失小，傳遞效率高。說(shuō)明使用碟形彈簧作為預(yù)緊材料能夠減少聲波能量的損失，提高傳遞效率，分析導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是碟形彈簧比聚四氟乙烯圈具有更大的剛度，在相同壓縮距離之下能夠提供更大的預(yù)緊力。由此可見(jiàn)預(yù)緊力對(duì)換能器聲傳播效率的影響程度遠(yuǎn)高于預(yù)緊材料的影響。因此，需對(duì)預(yù)緊力對(duì)換能器聲傳播效率的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步研究。

采用調(diào)節(jié)碟簧壓縮距離的方式實(shí)現(xiàn)不同預(yù)緊力條件進(jìn)行試驗(yàn)研究，并采用相對(duì)聲波能量（不同預(yù)緊力下聲波能量與無(wú)預(yù)緊力下聲波能量之比）為縱軸，預(yù)緊力大小為橫軸進(jìn)行作圖分析。從圖10-b所示實(shí)測(cè)結(jié)果中可見(jiàn)，換能器預(yù)緊力大小對(duì)聲傳播特性影響顯著：在預(yù)緊力處于0～4.50 kN時(shí)，隨預(yù)緊力增加，相對(duì)聲波能量急劇上升，聲波能量傳遞效率上升明顯；在預(yù)緊力處于4.50～7.20 kN時(shí)，隨預(yù)緊力增加，相對(duì)聲波能量上升趨勢(shì)變緩，在預(yù)緊力大于7.20 kN之后，預(yù)緊力的增加對(duì)聲波能量的影響不大，聲波能量維持一恒定值，此時(shí)接收端聲波能量是無(wú)預(yù)緊力狀態(tài)下聲波能量的八倍。

綜上分析，換能器預(yù)緊力大小雖對(duì)頻譜中通阻帶位置分布影響不大，但是對(duì)聲波能量傳遞效率影響顯著。因此，為有效提高井下聲波發(fā)生裝置的能量傳播效率，同時(shí)保證換能器端部不產(chǎn)生受壓變形，通過(guò)碟形彈簧對(duì)換能器施加預(yù)緊力在7.20 kN左右為宜。

圖10 不同換能器預(yù)緊材料下聲傳播特性對(duì)比圖

4 結(jié)論與建議

1）采用超磁致伸縮換能器作為井下用聲波換能器，當(dāng)采用中心單點(diǎn)變幅桿結(jié)構(gòu)輻射換能器聲波時(shí)，鉆柱中能夠獲得理想的平面波。

2）變幅桿參數(shù)對(duì)頻譜通阻帶位置影響不大，但對(duì)聲波能量傳播效率影響顯著，隨著變幅桿長(zhǎng)徑比增加，放大系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)，當(dāng)選用的載波頻率位于當(dāng)前常用低頻段內(nèi)，變幅桿長(zhǎng)徑比應(yīng)在放大系數(shù)極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)值附近進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）安裝在換能器輸出端部的聲傳遞介質(zhì)材料對(duì)頻譜通阻帶位置影響不大，但對(duì)濾波效果與聲波能量傳遞效率影響明顯，聲阻抗位于換能器連接桿與變幅桿之間的材料具有更好的濾波效果與能量傳遞效率，黃銅是聲傳遞介質(zhì)的優(yōu)選材料。

4）換能器的預(yù)緊狀態(tài)對(duì)頻譜通阻帶位置影響不大，但預(yù)緊力大小對(duì)聲波能量傳播效率影響顯著，7.20 kN左右的換能器預(yù)緊力使得鉆柱中聲能量傳遞效率最大。

5）建議進(jìn)一步研究聲發(fā)射端機(jī)械結(jié)構(gòu)及聲載波參數(shù)等因素對(duì)鉆柱中聲傳播特性的影響，以加快實(shí)現(xiàn)井下信息聲傳輸技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的步伐。