声学换能器与发射电路的匹配技术在石油勘探行业的应用.pdf

2 0 1 3年 第 2 7卷 第 3期 石油仪器 PETR0LEUM I NSTRUM ENI S 33 仪器设备 声学换能器与发射电路的匹配技术在 石油勘探行业的应用 王 钗 东方地球物理勘探有限责任公司西安物探装备分公司 陕西 西安 摘 要研 究了B P S声学定位 系统 中应答器的发射 电路 与声学换 能器匹配技术，采用匹配网络技术来完成 变阻、滤波功 能， 实现 发射 电路的功率放 大器与声 学换 能器在较宽U_ v - 作频带内进行 良好 匹配。分析 了该 匹配技术的设计思路及 B P S声 学定位 系统 在野 外施 工 中的应 用 。 关 键 词声学定位；功率放 大器；匹配网络 中图法分类号P 6 3 1 ． 4 文献标识码 B 文章编号1 0 0 4 9 1 3 4 2 0 1 3 0 3 0 0 3 3 ． 0 3 0 引 言 近年来 ，随着海上地震勘探 的迅速发展 ，勘探工 作量也在逐年增加 ， 海上石油勘探中最常用的一种方 法就是海底电缆勘探 ， 它是利用投放在海底的地震信 号接收器 检波器来接收地震 信号 。在实际施工 中，由于 受到海流 、潮汐、船速以及沉降速度的影 响 ， 检波器很难准确地与投放位置相 同，这种位置误 差直接影响地震勘探采集质量。 为了有效地测量和监 测检波器的实际位置 ， 需要采用定位系统对其位置进 行二 次定 位 。 2 0 0 6年底 ， 由东方公司装备事业部与西安物探装 备分公司合作成功研制了具有独立 自主知识产权的能 够满足海底电缆二次定位的 “ B P S B o t t o m P o s i t i o n i n g S y s t e m声学定位系统” 。此系统主要由主控机、应 答器、声学换能器及 G P S四部分组成 ，主控机发射 电信号 ，通过声学换能器转化为声信号，应答器接收 来 自主控机 的声信号并作 出相应的回应 。 这个过程也 需要声学换能器 的传播 ， 主控机再根据接收到应答器 的回应信号以及 GP S的坐标值 ，最终解算出水下应 答器的具体位置 ，从而完成定位功能。现在海底电缆 作业 由浅海逐步要过渡到深海 ， 就意味着这套声学定 位系统要逐步增加通讯距离 ， 而通讯距离的增加关键 涉及到声学换能器与发射 电路的匹配问题 。 本文主要研究 B P S 声学定位系统中应答器的发射 电路与声学换能器匹配技术 。 拟采用匹配网络技术来 完成调频、变阻、滤波功能，使声学换能器作为一个 负载通过匹配网络后对功率放大器的阻抗接近一个恒 定值 ， 从而实现发射电路的功率放大器与水声换能器 在较宽的工作频带 内进行良好匹配 。 1 匹配技术 低频宽带水声发射声源是现代水声发展的方向， 也是水声技术的一个难点。要实现水声信号高保真、 低频 、宽带 、大功率发射 ，必须具有性能良好的声学 换能器及线性功率放大器， 同时必须实现换能器与线 性功率放大器良好匹配⋯。 声学换能器与功率放大器的匹配包括两个方面， 一 是通过匹配使功率放大器向换能器输出额定的电功 率 ， 这是 由于功率放大器需要一个最佳的负载才能输 出额定功率所致，把换能器 的阻抗变换成最佳负载 ， 也即阻抗变换作用； 二是通过匹配使功率放大器输出 效率最高，这是 由于换能器有静电抗的原因，造成工 作频率上的输出电压和电流有一定相位差， 从而使输 出功率得不到期望 的最大输出 ， 使功率放大器输出效 率降低 ， 因此在功率放大器输出端并上或串上一个相 反的抗 ，使功率放大器 负载为纯电阻，也即调谐作 用。 由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产 生和 效率 。 2 匹配网络设计 2 ． 1 匹配网络的作用[ ] 调频即用外加电抗性元件来调节换能器本身的 第一作者简介王钗，女，1 9 7 8 年生，工程师，2 0 0 3年毕业于西安石油大学计算机科学与技术专业，现就职于东方公司西安物探装备分公 司，主要从事石油勘探仪器方面的研发工作。邮编 7 1 0 0 8 2 3 4 石油仪器 P E T R oL E U M I NS T RU ME N I S 2 0 1 3年 6月 输入阻抗和谐振点 ， 使其输入相角减小 ， 从而减小功 率传输中的无功损耗，提高转换效率； 变阻即变换换能器的有功电阻，使之与功率放 大器的输出电阻一致 ， 从而使换能器获得最大的输出 功率，一般可通过变压器实现； 滤波 由于 D类功放属于开关型功放 ， 方波信号 中含有大量谐波成分， 合理设计匹配网络可滤掉多余 的频率成分 ，减轻功放负担 ，提高转换效率． 总体上讲 ， 要实现功率放大器和水声换能器在较 宽工作频带 内的良好匹配是 比较困难的， 由于功率放 大器的最大输出功率是一定的， 当它的输出电压确定 后 ， 其输出阻抗也就确定了， 而水声换能器在水中的 阻抗并非恒定值 ，而是频率的函数，随频率的改变而 变化很大． 如果不能实现功率放大器和水声换能器的 良好阻抗匹配 ， 就会导致功放的严重失配，致使功率 管发热，设备不能正常工作 ，功放的输出功率无法保 证 ， 所以匹配 目的就是要对换能器进行阻抗变换 ， 使 其在较宽的工作频带 内有较为恒定的输出功率 。 2 ． 2阻抗匹配设计 为了使功率放大器输出额定功率最大 ； 在电源电 压给定条件下主要取决于负载阻抗 。 一般在 D类开关 型功放中其发生器变压器初级等效负载 上 的输出 功率表达式为 p， ～ 2 RI 式中 ， 为等效负载上的基波幅度； U A 。 一2 。 。为电源电压 ； 。 。 为功放管饱和压降，故 ， 2 。 -2 。 。 一 为了保证系统有一定功率余量 因输出变压器 ， 末级匹配 回路及晶体管损耗电阻都有损耗 ，P 。 需要 乘上一个约等于 1 ． 4～ 1 ． 5的系数 。即输出功率 为 1 ． 5 Po ； 从上式可知，在电源电压给定之后 ，输出功率的 大小取决于等效负载风 。目前大多数功率超声发生 器的负载为压电型换能器， 其阻抗约为几十欧姆至几 百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对 换能器负载尺 进行阻抗变换 。由高阻抗变换为低阻 抗 。一般常用的方法 ， 通过输出变压器的初次级线圈 的匝数比进行变换 。变压器次初级匝数比为n ／ m，则 输出功率几时的初级电阻 ， RI 帆 √可 I m J 2 ． 3 调谐匹配_3 由于压电换能器有静电容c 0 ， 磁致伸缩换能器有 静 电感 o ，在换能器谐振状态时，换能器上 的电压 U R L 与电流 L 间存在着一相位角妒 ，其输出功率P o U R t J R L c o s o 。由于 的存在 ， 输出功率达不到最大值。 只有当 0时 ，输出功率达最大值。因此为了使换 能器上电压U R L 与电流 L 同相 一0 ，则必须在换 能器上 ，并上或串上一个相抵消的抗 。对于压电换能 器而言 ，即并上或串上一个电感三 。 即可 ，而磁致伸缩 换能器应并上或串上一个电容 。 压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图 1 所示 。 I R ∽ x ∽ 阻 抗 导纳 图 1 压电换能器的阻抗或导纳等效电路图 在等效电路图中 而 c 式中， R 1厂 、 厂 为串联电阻和电抗 ； R 1厂 、 G _ 厂 、B 厂 为并联电阻、电导和电纳 。它们都是频 率的函数。并联调谐和串联调谐电感量由下式确定 ， 1 X f o ， 一～ 开 B ．厂 r V o L串 一 一 3 目前 B P S声学定位系统存在的问题 在野外试验中， 我们发现同一生产批次的应答器 在水下的工作状况并不相 同，有些应答器应答率较 高，通讯距离较远 ，有些应答器应答率较低 ，有些甚 至没有应答 ， 这就说明声学换能器与发射电路的功放 匹配存在差异。 同样在勘探施工中也会遇到相同的问 题 ， 解决起来就比较麻烦 ，因为应答器都是随海缆一 起抛人海中， 如果某相邻几个应答器应答率较低 ， 就 会影响整条测线数据结果的质量 ， 再有甚者就需要把 海缆从水中拉起来 ，重新更换几个应答器 。如此 一 来 ，势必会拖慢施工进度，也浪费大量的人力物力， 增加施工成本。 4 应用效果 4 ． 1 试验室测试的效果 将该匹配技术应用于 B P S声学定位系统应答器的