ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКОЙ СЕЙСМОКОСЫ
HYDROACOUSTIC RECEIVER FOR GEOPHYSICAL SEISMIC

Изобретение относится к технике пьезоэлектрических приемников звука геофизической сейсмокосы, предназначенных для регистрации и измерения акустического поля в воде, применяемых в геофизике для поиска углеводородов.
Основная цель проектирования таких приемников - создание высокочувствительных к звуковому давлению, легко совмещаемых конструкцией протяженных антенн и стримеров. При этом такой приемник должен обладать малым удельным весом и быть механически прочным к внешнему гидростатическому давлению. Поскольку в протяженных антеннах и стримерах необходимо до нескольких десятков тысяч приемников на изделие, весьма важна стоимость таких приемников и, соответственно, технологичность их изготовления.
Известны отечественные приемники давления для геофизических стримеров [1], а также приемники подобной конструкции, известные из [2]. Приемники [1] содержат герметичный цилиндрический корпус, на торцах которого размешены изгибные тонкостенные пьезокерамическе пьезоэлементы в виде дисков, электрически включенных согласно, так что при синфазном воздействии звукового давления электрический заряд складывается, а при вибрации закрепленного в буксируемой антенне герметичного корпуса электрический заряд на обкладках пьезоэлементов  вычитается.
Такие приемники обладают повышенной виброустойчивостью, однако их существенным недостатком является низкая прочность к гидростатическому давлению, что существенно ограничивает область применения геофизических антенн и сложность конструкции.
Наиболее близким по количеству общих признаков с предлагаемым приемником является приемник акустического давления [3].
Приемник акустического давления  для геофизической сейсмокосы содержит цилиндрический пьезоэлемент с электрическими выводами торцовыми крышками в виде шайб, закрепленных на полом цилиндрическом основании, расположенном коаксиально внутри пьезоэлемента. С целью повышения виброустойчивости к осевой вибрации в него введена размещенная с зазором внутри цилиндрического основания трубка, соединенная с основанием посредством кольцевого пояска, выполненного на внутренней поверхности основания в плоскости, перпендикулярной продольной оси и равноудаленной от торцов основания.
Безусловным достоинством этого приемника является высокая виброустойчивость вследствие симметрии конструкции.
Недостатком приемника-прототипа является сложность его конструкции и технологии изготовления и неэффективное использование торцевой приемной поверхности приемника для преобразования акустического сигнала в электрический и что приводит к неполному использованию как цилиндрической, так и торцевой поверхности приемника и не обеспечивает максимальную чувствительность к акустическому давлению, поскольку часть торцевой поверхности занята коаксиальной трубкой, а торцы ограничивают цилиндрические колебания пьезоэлектрического цилиндрического элемента, кроме того, конструкция имеет сравнительно большой вес, обусловленный наличием большого количества механических деталей, и значительную трудоемкость сборки.
Задачей изобретения является повышение его чувствительности при одновременном упрощении конструкции и технологии изготовления приемника.
Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника при использовании одного и того же (как у прототипа) пьезоэлемента, исключение дополнительных деталей и минимизация веса приемника давления и, как следствие, снижение стоимости приемника.
Для достижения заявленного технического результата в гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы, содержащий цилиндрический пьезоэлемент, внутренняя поверхность которого герметично заэкранирована воздухом, и электрические выводы, введены новые признаки, а именно: на наружную поверхность цилиндрического пьезоэлемента с натягом установлена полиуретановая трубка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру цилиндрического пьезоэлемента, а концевая часть трубки, выступающая за торцы цилиндрического пьезоэлемента, герметично защемлена с помощью склейки и термической обработки, образуя герметичные швы, через которые герметично пропущены электрические выводы.
Технический результат предлагаемого решения заключается в обеспечении максимального электромеханического преобразования цилиндрического пьезоэлемента, а конструкция обеспечивает осуществление свободных радиальных колебаний незаторможенного цилиндрического пьезоэлемента, что приводит к достижению максимальной радиальной чувствительности. Воздействие акустического давления на торцевую приемную поверхность, равную площади поперечного сечения цилиндрического пьезоэлемента, приводит к увеличению чувствительности цилиндрического элемента в полтора раза, что обеспечивает суммарную максимальную чувствительность приемника за счет радиальных и торцевых колебаний. При этом достигается устойчивость к гидростатическому давлению при одновременном упрощении конструкции за счет минимизации количества деталей, минимизации веса и достигается возможность создания автоматизированной сборки таких приемников.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1а) и б), на которой приведена конструкция заявленного приемника, при этом на фиг. 1а) изображен цилиндрический пьезоэлемент, на котором с натягом установлена полиэтиленовая трубка, а на фиг. 1б) - конструкция заявленного приемника в разрезе.
Гидроакустический приемник для гибкой протяженной буксируемой антенны содержит цилиндрический пьезоэлемент 2 и установленную на нем с натягом полиуретановую трубку 1 (фиг. 1а). Через концевую часть 4 и 5 трубки выведены электрические провода 3 от электродов пьезоцилиндра 2, а концевая часть трубки 4 и 5 герметично защемлена с помощью склейки и термической обработки, образуя герметичный шов (фиг. 1б). Свободная часть полиуретановой трубки 1 между цилиндрическим пьезоэлементом и швом образует торцевую поверхность приемника и воздушную полость в виде шатра, проекция приемной поверхности которого равна площади поперечного сечения цилиндрический пьезоэлемент 2. Таким образом, площадь приемной поверхности к звуковому давлению равна сумме площадей образующей цилиндрического пьезоэлемента и проекции площади торцевой поверхности.
Заявленный приемник изготавливают следующим образом: на электроды цилиндрического пьезоэлемента 2 припаиваются электрические провода 3. После чего на подготовленную к склейке, например обезжириванием, наружную поверхность цилиндрического пьезоэлемента и внутреннюю поверхность концевой части 4 и 5 полиуретановой трубки 1 наносится полиуретановый клей. Полиуретановую трубку 1 с натягом надевают на цилиндрический пьезоэлемент 2. Через отверстие в свободной части трубки 1 продевают электрические провода 3, после чего свободные части трубки 4 и 5 с помощью термопресса, нагретого до температуры пластичности полиуретана, сжимают для формирования герметичного шва в течение 3-5 мин.
После формовки шва полиуретановой трубки 1 проводится проверка электрических и электроакустических параметров и проверка на герметичность при воздействии гидростатического давления.
31
31
При действии гидроакустического давления на пьезолемент при радиальных колебаниях, не ограниченных жесткими элементами конструкции, например торцевыми крышками в виде шайб, в пьезоэлементе возникают тангенциальные механические напряжения, пропорциональные пьезомодулю d, а при воздействии на торцевые поверхности в цилиндрическом пьезоэлементе возникают механические напряжения, нормальные к направлению поляризации сжатия-растяжения, также пропорциональные пьезомодулю d. Таким образом, в цилиндрическом пьезоэлементе возникают максимальные механические напряжения, а чувствительность приемника не имеет потерь электромеханического преобразования и обладает теоретически возможной чувствительностью к звуковому давлению. При действии гидростатического давления устойчивость приемника определяется устойчивостью пьезокерамического цилиндрического элемента, а устойчивость торцов на прогиб определяется жесткостью сформированных швов и по экспериментальным проверкам превышает прочность пьезокерамического кольца.
Таким образом, предложенный гидроакустический приемник для геофизической сейсмокосы отличается от известных максимальным электромеханическим преобразованием, т.е. чувствительностью к звуковому давлению, и простотой конструкции, позволяющей существенно снизить его трудоемкость и организовать его массовое изготовление.
Источники информации
1.  Рекламный проспект ОАО «ЭЛПА» info@elpapiezo.ru.
2.  benthos, inc. Geopoint US PAT5.675.556.
3.  Приемник акустического давления для гибкой протяженной антенны. Заявка 2808859/23, 06.08.1979, опубликовано 27.02.2000.