圓柱式增壓水聽器的研制

何 利 王軍民 余 沛 何志昂

（長江大學地球物理與石油資源學院，湖北 武漢 430100）

0 引言

隨著社會經濟的快速發展，人們對化石能源需求量越來越大，加大資源勘探力度和提高勘探設備精度是以后能源勘探發展的必然趨勢。在勘探過程中，數據采集環節尤為重要，選擇高靈敏度、高穩定性的采集設備會大大提高勘探效率。本文所介紹的圓柱式增壓水聽器，通過理論計算、實驗室模擬、野外勘探測試，均有著工作頻帶較寬、靈敏度高、穩定性好等優勢。

1 圓柱式增壓水聽器原理與結構

1.1 工作原理

圓柱式增壓水聽器的基本原理是采用壓電效應將地下的地震信號轉換為電信號。與現有其他類型的水聽器相比，圓柱式增壓水聽器采用多個壓電陶瓷片組合，有著明顯的增壓效果，且靈敏度更高。

描述它的方程為［1］：

式中，Sh為應變分量；為恒電場的柔性常數分量；Tk為應力分量；djh、dik為壓電常數分量；Ej為電場強度分量；Di為電位移分量為恒應力的介電常數分量。

1.2 形態結構

整個裝置為封閉模式，其內部的8個壓電陶瓷片嵌于圓柱套管內壁，用導線串接在一起，導線從套管上蓋圓心處引出，如圖1所示。

圖1 圓柱式增壓水聽器結構圖

1.3 電路分析

增壓水聽器采用的敏感元件為圓薄片狀壓電陶瓷片，由于壓電陶瓷片存在著輸出電荷極性，因此采用的連接方式不同，水聽器的工作狀態就不同。基于上述理論，為提高水聽器的靈敏度，我們將每2個壓電陶瓷片粘在一起，且采用并聯的方式形成1個壓電陶瓷單元。采用8個相同規格的壓電陶瓷片做成4個壓電陶瓷單元，且這4個單元之間串聯，隨后通過INA128電子放大電路放大并傳輸到采集設備中，其等效電路如圖2所示。

圖2 水聽器內置壓電陶瓷片連接結構示意圖

C1～C8分別為8個壓電陶瓷片的電容，按照圖2的連接方式，其輸出電荷量為單片輸出的2倍，輸出電壓為單片輸出的4倍。其總電容C為：

根據網絡諧振原理，水聽器的諧振頻率f0為：

式中，C0為電容量；L1為電感量。

水聽器的諧振頻率是性能評價的重要參數之一，往往工作頻率要遠離諧振頻率。在制作工藝上，要盡量降低諧振頻率。而降低諧振頻率的同時，也降低了敏感元件的接收靈敏度，所以對敏感器件電容量和負載電路電感量的選擇應根據設計目的確定［2］。

2 靈敏度計算及測量

2.1 理論計算

對壓電效應方程進行化簡，并加入邊界條件，可得到圓片狀壓電陶瓷（雙邊式邊緣固定壓電陶瓷片）的接收靈敏度為：式中，r為壓電陶瓷片半徑；a為壓電陶瓷片厚度；g31為壓電陶瓷片的壓電常數［2］。

按照我們所討論的水聽器的結構（圖1），先將壓電陶瓷片兩兩并聯再串聯，使得儀器所接收到的電壓為單個壓電陶瓷片的4倍，再經過電路的N倍降壓后，得到水聽器的接收電壓靈敏度為：

再將接收電壓靈敏度轉化為水聽器的接收靈敏度［3］，表示為：

式中，M0為基準值，取 M0＝1 V／μPa。

代入水聽器的參數：a＝0.09 mm，r＝7.5 mm，g31＝－11.4×10－3V·m／N，N＝8，計算得到增壓水聽器的靈敏度MdB＝－178.5 dB。

2.2 靈敏度測量

將標準聲源、標準聲壓傳感器和圓柱式增壓水聽器等距離吊放在平靜的水池中央。在10～1 000 Hz的掃頻條件下，由標準聲壓傳感器和增壓水聽器采集到2組信號，采用靈敏度自由場比消法得到2組結果。

標準聲壓傳感器參數資料表明，在10～1 000 Hz條件下其靈敏度為（－42±3）dB（圖3）。由于環境噪聲的影響以及我們實驗條件的局限性，標準聲壓傳感器的靈敏度并不是－42 dB。為了消除環境噪聲的影響，將標準聲壓傳感器靈敏度矯正到－42 dB。由于標準聲壓傳感器和圓柱式增壓水聽器是處于同一環境中，通過上述得到的校正量對增壓水聽器采集得到的靈敏度進行矯正，得到圓柱式增壓水聽器在50～1 000 Hz區域內的靈敏度（圖4）。

圖3 標準聲壓傳感器靈敏度隨頻率變化曲線

圖4 圓柱式增壓水聽器靈敏度隨頻率變化曲線

經矯正后的靈敏度，在50～1 000 Hz范圍內平均值是－179.8 dB，最大偏差只有－1.89 dB。

圓柱型增壓水聽器靈敏度高，穩定性好，完全符合實際地震勘探和工程探測的要求。

3 結語

本文介紹的圓柱式增壓水聽器，采用8個壓電陶瓷片組合，2個并聯為1壓電單元，可以降低海浪、水流等自然噪音的影響。以4組串聯的方式，放大了圓柱式增壓水聽器外壁接受的壓應力。它具有靈敏度高、響應頻帶寬和重量輕等顯著優點。

［1］欒桂冬，張金鐸，王仁乾.壓電換能器和換能器陣［M］.北京大學出版社，2005

［2］解寶興，高俊琴.SDS-1型淺海石油水聽器［J］.應用聲學，1992（5）

［3］魏兵，杜宏亮，王麗坤.圓柱形壓電陶瓷水聽器［A］.中國儀器儀表學會第九屆青年學術會議論文集［C］，2007