2.1.2.2. Эквивалентные электрические параметры излучателя

Электрическая емкость цилиндрического конденсатора:

где ₃₃^ - диэлектрическая проницаемость пьезокерамики при отсутствии механических напряжений;

₀= 8,8510^-12Ф/м – электрическая постоянная

К₃₁=0,32 – коэффициент электромеханической связи пьезокерамики.

Эквивалентное активное сопротивление потерь:

где tqδ_ЭЛ – тангенс угла потерь;

Q_ЭЛ = 1/tqδ_ЭЛ – электрическая добротность.

Q_ЭЛ = 1/0.012 = 83.33

R_П = 1/(84400 ∙ 4.449∙10^-8 ∙ 0,012) = 22.2 ∙10³ Ом

Вносимое в электрическую цепь активное сопротивление с механической стороны называется динамическим сопротивлением:

R_М = r / N² = 82810 / 7.584² = 1440 Ом

Вносимое реактивное сопротивление определяется аналогично:

х = 79400 ∙ 1.7 ∙ (1,057 – 1/1,057) = 14980 Ом

X_М = х / N² = 14980 / 7.584² = 260.445 Ом

2.1.3. Расчет акустической мощности преобразователя

Предельная величина рабочего напряжения не должна превышать 10 – 20 % напряжения поляризации и должна быть меньше пробивного напряжения U_пр, с учетом того, что в среднем для пьезокерамики напряженность поля поляризации Е_пол = U_пол / δ = 10000 В/см, а Е_пр / δ = 30000 В/см, рабочее напряжение может быть рассчитано:

U = 1500∙0, 9 = 1350 В

Акустическая мощность, развиваемая цилиндрическим преобразователем, может быть рассчитана на основании параметров его эквивалентной электромеханической схемы:

P_a = r_s | V |²

где V – колебательная скорость поверхности преобразователя.

Максимальная мощность колебаний преобразователя:

Р_м = 848.233 / 0,65 = 1305

2.1.4. Определение кпд преобразователя

Мощность электрических потерь в преобразователе:

Р_ЭП = U² / R_n

Р_ЭП = 1350 ² / 22200 = 82.095 Вт

Суммарная мощность, потребляемая преобразователем от генератора возбуждения:

Р_Э = Р_М + Р_ЭП = 1305 + 82.095 = 1387.095 Вт

Электрическая мощность генератора:

Р_Г = Р_Э / _Г = 1387.095 / 0,5 = 2774 Вт

где _Г = 0,4  0,6 = 0,5.

Электромеханический кпд преобразователя на резонансе – степень активной электрической мощности в активную механическую, развиваемую на выходе:

_ЭМ = Р_М / Р_Э = 1305 / 1387.095 = 0,941

Полный КПД излучателя, оценивающий эффективность излучателя в целом:

_аэ = _эм  _ам = 0,941 ∙ 0,65 = 0,612

2.1.5. Проверка пьезоэлемента на механическую прочность

При механических колебаниях преобразователя, особенно на резонансе, материал преобразователя испытывает знакопеременные нагрузки. При этом необходимо, чтобы механические напряжения были меньше предела прочности для данного типа керамике. В связи с тем, что у пьезокерамики прочность на сжатие на порядок выше прочности на растяжение, величина динамических напряжений, возникающих в пьезокерамике, не должна превосходить предела прочности на растяжение _р (_р=0,1910⁸ Н/м²).

Механическое напряжение растяжения-сжатия составит:

Полученное значение _rm меньше предельно-допустимого напряжения растяжения _р для данного типа керамики.

2.1.6. Составной излучатель

Так как данный излучатель состоит из l склеенных пьезоколец высотой h каждое, механические и электрические параметры составного излучателя возрастут в 1 раз. Для данного случая все параметры возрастут в 4 раза.

2.1.7. Каротажный акустический зонд

В зондах, предназначенных для работы на головных волнах, минимальное расстояние между приемником и излучателем определяется по формуле:

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ УЗЛЫ АППАРАТУРЫ КОНТРОЛЯ

   1. Импульсный генератор возбуждения акустических излучателей

Обязательным узлом акустической аппаратуры контроля является генератор возбуждения акустических преобразователей. Как правило, акустические преобразователи возбуждаются ударными электрическими импульсами малой длительности и достаточной амплитуды. При таком способе возбуждения преобразователи начинают излучать в оптимальном с энергетической точки зрения режиме, совершая колебания на своей основной резонансной частоте. Для создания ударных электрических импульсов применяются разрядные устройства, выполненные, как правило, на основе тиристоров или транзисторов, работающих в ключевом режиме. Основным отличием возбуждения пьезоэлектрических излучателей, применяемых при межскважинном прозвучивании, от возбуждения магнитострикционных преобразователей, используемых в каротажных зондах, является то, что для возбуждения пьезокерамики необходимо создание на её обкладках достаточной величины электрического напряжения, тогда как условием возбуждения магнитострикционного преобразователя является достаточная величина электрического тока, проходящего через его обмотку.