深部钻测中压电声学换能器的数值研究

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压电声学换能器是深部钻测仪器的核心部件之一。本论文主要采用解析与数值方法,对一种随钻测井换能器进行模拟计算,研究其振动特性与发射性能,以优化设计新型声波测井换能器。  本文使用有限元与边界积分相结合的方法,利用Comsol的完全匹配层建模与远场积分计算,实现了在减小有限元单元规模的同时有效地计算远场辐射声压。利用活塞辐射的例子,将Comsol求解与解析计算的结果进行对比,验证了这一方法的有效性。在上述研究工作的基础上,论文针对随钻声波测井单极子换能器进行了数值仿真分析,主要工作如下:  首先,对换能器的主要换能单元压电振子进行了解析分析与数值仿真,考察了不同边界条件下,长厚比对弯曲振动双叠片压电振子谐振频率的影响。研究表明,双叠片长厚比越大,有限元解与解析解的偏差越小,且对于高阶频率这趋势更为显著。解析计算与有限元分析结果的相对误差大小还受边界条件的影响较为明显,整体来说简支边界下一阶谐振频率的相对误差最小。  其次,推导了三叠片型压电换能器的谐振频率计算公式,并对比了有限元计算与解析计算的结果。对于多组不同的结构参数,一阶频率有限元与解析计算的平均误差为2.3%,最大误差4.3%;三阶频率平均误差4.1%,最大误差9.3%。研究了结构参数对三叠片弯曲振动谐振频率的影响,结果表明:换能器谐振频率随金属基片厚度增加而升高;随着压电陶瓷片长度增加,换能器的一阶频率先下降后上升,三阶频率先上升再下降后又上升。  最后,用有限元方法研究了环状阵列弯曲振动换能器的电声性能。考察了内表面固定与自由两种边界条件下,换能器在空气中谐振频率与发射电导纳,发现了换能器在自由边界下存在两种“一阶”模态;模拟了自由边界下换能器在水中的辐射声场,研究了不同激励条件下换能器的发射电压响应与指向性。  本文的研究工作为换能器辐射问题的研究提供了理论依据与实践指导,为深部钻测压电声学换能器的研发提供了参考依据。
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