薄片换能器厚度极化理论分析及声反射系数的实验研究

摘要

随着科技的发展，对水声材料各项物理性能的研究备受关注，其中反射系数作为水声材料物理性能的一个重要参数更是引起了广大学者的探究兴趣。这是由于反射系数在石油勘探中起着“纽带”的作用，它能够将测井得到的曲线图转换为地震数据，也能够将地震数据反演得到伪测井曲线。在石油勘探相对较深的地区，通过测量得到的井下数据可以计算出反射系数，并估算出反射波的能量大小。因此如何精确的得到吸声材料的声反射系数及反射系数受哪些因素的影响成为声学研究中的一个重要课题。
　　本文首先对发出声波的厚度极化方向的薄圆片换能器进行理论推导，计算出了其等效电路在发射端处的电-声转换、接收端处的声-电转换的数学方程;然后，选择不同类型的激励信号，构建了激励信号、发射端处的电-声转换以及辐射出的声波信号的关系，同时也对接收端处的声-电转换和测量得到的声波信号的关系进行了分析。通过分析三种不同激励信号下声波信号的变化情况，最后选出性能较好的门选正弦作为激励薄圆片换能器的驱动信号。由于在实际测量中，需要考虑实验环境与实验测试系统对测试结果造成的影响，因此本文首先在实际测量中计算出当前环境下换能器的声波传播速度，测量得到的声速为理论仿真反射系数提供了数据参数。其次建立了声波入射到液，固界面模型，计算出了材料铝和有机玻璃作为固体界面时的反射系数跟入射角度间的关系。接着在实际测量中使用自由场测试方法，优势在于测量环境近似于材料的实际应用环境，通过薄圆片换能器发出的声信号可以以任意角度入射到材料。测量出声波以不同角度入射下的声信号的幅值变化情况，通过理论与实际测量图形的分析能够知道反射系数的大小也跟入射角度有关。
　　本文所研究的声波在液固界面反射系数和入射角的关系，为建立新的声波测井模型和声波测井仪的设计提供了理论依据。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 应用背景

1．2 研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

第2章 换能器基本理论

2．1 换能器概念及基本类型

2．2 常用电-声换能器基本原理

2．2．1 压电效应

2．2．2 无机压电材料

2．2．3 有机压电材料

2．2．4 压电复合材料

2．2．5 压电复合材料的结构-性能关系

2．2．6 压电复合材料存在的主要问题及发展方向

2．3 压电陶瓷及几种新型压电材料

2．3．1 压电陶瓷

2．3．2 几种新型压电材料

2．4 换能器主要特性参数

2．5 不同介质对换能器性能的影响

2．6 电声四端网络

2．7 压电方程

2．8 压电振动类型

第3章 薄圆片换能器传输网络的分析

3．1 电—声转换特性

3．1．1 压电方程的推导

3．1．2 辐射阻和辐射质量的推导

3．1．3 压电换能器发出的声波并求解质点位移

3．2 网络模型

3．3 声源与接收源冲击响应的推导

第4章 激励电压信号卞系统辐射声能的时域跟频域仿真

4．1 时域和频域仿真

4．2 不同驱动信号下激发换能器的时域—频域波形

4．2．1 脉冲信号激发换能器的时域—频域波形

4．2．2 窄方波信号激发换能器的时域—频域波形

4．2．3 门选正弦信号激发换能器的时域—频域波形

4．3 两种地震子波的分析

4．4 门选正弦激发下接收换能器转换辐射出的时域-频域波形

4．5 结论

第5章 水下超声测速及水声材料声反射系数测量

5．1 水中声速测量方法

5．1．1 共振干涉法

5．1．2 相位比较法

5．1．3 时差法

5．2 发射／接收性能测试

5．2．1 实验条件及实验原理

5．2．2 门选正弦驱动信号下的幅频变化

5．2．3 换能器水中声速的测量

5．3 P-波入射到液体—固体之间的界面

5．3．1 P-波入射的模型建立

5．3．2 P-波入射到液—固界面的反射—折射系数的推导

5．3．3 P-波入射到液—固界面的反射系数的计算与分析

5．4 针对两种反射材料下的实际测量及分析

5．4．1 实验测量反射的实物图及原理图

5．4．2 超声换能器在不同角度入射到铝的反射声波幅值变化

5．4．3 超声换能器在不同角度入射到有机玻璃的反射声波幅值变化

第6章 结论与展望

6．1 本文总结

6．2 研究展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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