一种微音器 本发明公开了一种微音器，属于石油天然气井液面深度测量用的“回声仪”上使用的一种回声接收装置。
回声仪是利用声波反射原理测量油气井液面深度的。其接收装置实质上是个类似话筒的低频声波及次声波接收器。由于恶劣的工作环境的限制，不仅要求它在几赫兹到几十赫兹声波范围内有较高的灵敏度和较高的滤杂波抗干扰能力以及很好的防腐蚀抗污染能力，更主要的是要求它既能在高达十几兆帕甚至更高的气压环境下可靠地工作，又能承受瞬时强气压的冲击。所以微音器都是由压电陶瓷材料制成的。压电陶瓷体表面积大，厚度薄，灵敏度就高，承压和抗冲击能力就低。反之，灵敏度就低，而承压和抗冲击能力就高些。当然，还和微音器的具体结构有关。在现技术中，主要有三种结构的微音器。1、圆筒型。它是把2mm以上厚的圆筒型压电陶瓷体两端封堵后再用胶体封裹而成的一种全封闭的空芯结构的微音器。它有较高的机械强度，承压和抗冲击能力相对较高，而灵敏度较低。同时其内部为封闭空间，不能与外界进行气体交换，所以承压和抗冲击地极限是由筒形压电陶瓷体的厚度限定的，不可能很高。它的另外一个缺点是体积较大。2、气门型。它是把带有金属基片的的薄型压电陶瓷片用胶封贴到一有凹坑的壳体上，所形成的空间用由进气门和排气门构成的双向限压阀与外界联通，能自动平衡内外气压差。无论工作环境气压高低，其气压差总是被限定在一极低的范围内，不会向圆筒型微音器那样，使压电陶瓷片单面承受高气压，不易损坏，而对声波信号反应却较灵敏。所以，它的承压能力和灵敏度都比圆筒型要高些。但因使用环境恶劣，污染腐蚀会使气门失灵，造成声波信号短路，无法测试。3、阻尼管型。本方案参见公告号为2118815的中国专利《微音接收器》。它与气门式微音器基本相同，只是将进气门和排气门用一根空气阻尼管代替，使变化的气压或声波信号在作用到压电陶瓷片外面后再经过一定时间的延迟才能进入空腔内作用到压电陶瓷片的里面。从而达到既能使内外气压平衡又能使压电陶瓷片响应声波信号的目的。所以它与气门式微音器性能相近，结构却更加简单。但因阻尼管又细又长，易堵塞使压电陶瓷片损坏，且声波信号经延时后终会作用到压电陶瓷片的里面，会对其外面正在接收的刚到达的声波信号产生干扰，所以输出的信号波形不好。上述三种微音器还有一个共同的致命缺点，就是承受瞬间高气压冲击的能力较差，压电陶瓷片常因冲击过载而碎裂。这是因为回声仪的声源大多是靠火药声弹的爆炸而产生的。其瞬间冲击波很强。圆筒型微音器无气压平衡装置，压电陶瓷体虽然较厚且为圆筒形，却也难以承受这种冲击，故易碎裂。气门式和阻尼管式微音器，因有气门限压或阻尼管平衡，所以理论上说可以承受极高的气压，但这只对缓变的气压有效。因为气门或阻尼管通气量小，内外气压平衡的速度不可能很快，因而对于象声弹爆炸瞬间产生的强冲击波来说，常会因内外气压未来的及平衡就使压电陶瓷片受压过载损坏了。
本发明的目的是要提供一种既能适应高的缓变的气压环境，又能承受声弹爆炸瞬间所产生的强烈冲击波的冲击，且灵敏度高波形好的微音器。
为了实现上述目的，本发明采用了一种与现有技术有本质区别的气压盒式结构。它是将由弹性材料制成的膜与压电陶瓷片直接贴合或通过垫圈相贴合构成一种气压盒式结构，也可以是先把压电陶瓷片封贴到弹性膜上，再把此弹性膜与一基板或另一贴有或不贴有压电陶瓷片的弹性膜相贴合构成一种气压盒式结构。并且在弹性膜的壁上有起双向限压作用的孔隙，也可以无此孔隙而在弹性膜上或垫圈上或基板上安装上双向限压阀或空气阻尼管。它们都可以使盒内外气压差保持在一个很小的范围内，所以理论上说，无论工作环境的气压高低都不会使压电陶瓷片单面受压过载。但是，由于孔隙或双向限压阀或阻尼管通气量不可能做得很大，当有突变的高气压脉冲到来时，却会容易使压电陶瓷片过载。在本发明中弹性膜受冲击时能迅速发生弹性变形，且变形压力远低于压电陶瓷片的过载压力。这样盒内的气体便会压缩或膨胀，使内外压差迅速减小，甚至接近平衡，也就是使压电陶瓷片两面受压基本一致。当然，由于孔隙或双向限压阀需要的开门压力又远大于声波信号产生的微弱压力，所以声波信号不会使孔隙或双向限压阀打开，或者由于阻尼管的延时作用，声波信号只能推动压电陶瓷片的外面，产生足够强的电信号输出。
本发明由于采用了具有弹性的气压盒式结构和具有双向限压作用的孔隙或双向限压阀或阻尼管这样的复合结构，所以与现有技术相比有着显著的优点。1、具有双向限压作用的孔隙或双向限压阀或阻尼管能对缓变气压进行自动调节，使盒内外气压基本平衡，压电陶瓷片内外两面所受的气压差始终被限定在一很小的范围内，而与工作环境的气压高低基本无关，所以理论上说可以在任意高的静态气压环境下工作。2、弹性膜能靠自身的弹性变形快速地平衡突变气压，有效地保护压电陶瓷片，使之避免因单面冲击过载而损坏，因此，理论上说它可以适应任意高的动态冲击气压。正因为如此，我们可以使用更薄的压电陶瓷片，来提高接收灵敏度。3、弹性膜的快速平衡作用，也减小了对双向限压阀的冲击。因此，可以直接在弹性膜上用锋利器具切割或穿刺出一个或多个孔隙作为双向限压阀或阻尼管使用，不但结构大为简化，效果也极好，不易堵塞失灵。4、由于对声波信号来说，双向限压阀或有双向限压作用的孔隙始终是关闭的，就如同圆筒型或气门型微音器一样，而不会象阻尼管型微音器那样，会有部分声波传到压电陶瓷片的背面，造成声波短路或产生干扰。所以波形好，灵敏度高。
附图1至附图5是依据本发明提出的微音器的5种典型实施例的结构简图。为了简便起见，图2至图5采用了简化画法并省略了保护层和双向限压阀或阻尼管。
下面结合实施例附图，对本发明作进一步说明。
本发明公开的是一种微音器，即一种用声波反射原理测量石油天然气井液面深度的“回声仪”上作声波接收装置用的微音器。主要由压电陶瓷片(1)、弹性膜(2)、引线(3)和保护层(4)构成。由附图看出，根据具体实施方案的不同还可以包括双向限压阀或阻尼管(7)以及垫圈(5)或基板(6)等。弹性膜(2)最好是用橡胶、塑料等柔质材料制成，以便在其上直接加工出具有双向限压作用的孔隙(2a)，从而省去双向限压阀或阻尼管(7)。当然也可以用波纹盒之类的金属材料制成，但此时必须安装双向限压阀或阻尼管(7)。但考虑到制作工艺及实际效果，最好使用柔质材料做弹性膜(2)，这样可以直接在膜上用刀、锥等锋利器具切割或穿刺出或者用其他工艺加工出一个或多个孔隙(2a)作为双向限压阀，使整体结构简化，可靠性提高。其原理是：由于膜自身的弹性作用，当它被割透或穿透后形成的孔隙(2a)会自动闭合，只有受到一定的外力作用时，才会由于弹性膜(2)发生形变而使孔隙(2a)张开。其张开所需的力量由材料的弹性性能、厚度、面积及孔隙的大小、形状决定。但只要此力远大于压电陶瓷片(1)产生一定幅度的电信号所需的最小压力，同时又远小于压电陶瓷片单成所能承受的最高压力，就既不会使声波信号泄漏到盒内，影响测试，也不会使压电陶瓷片(1)因单面受压过载而损坏。因为盒内外的气压可以通过孔隙(2a)的连通作用(或者还包括弹性膜的变形)达到基本平衡，孔隙(2a)完全可视为一个双向限压阀。所以，也完全可以利用这个原理制成独立的结构简单性能可靠的双向限压阀(7)，并方便地安装在弹性膜(2)上或垫圈(5)上或基板(6)上。当然，双向限压阀(7)也可以是满足上述开门压力的其他结构的双向限压阀，也可以由两个互为相反安装的单向气门代替。
附图1是根据发明提出的一种微音器的第一个实施例。由压电陶瓷片(1)、弹性膜(2)、引线(3)、保护层(4)等构成。弹性膜(2)直接与接有引线(3)并有保护层(4)的压电陶资片(1)相贴合成为气压盒式结构。在弹性膜(2)上有起双向限压阀作用的孔隙(2a)，当然，也可以没有孔隙(2a)而安装上双向限压阀或阻尼管(7)。其工作原理如下：工作环境气压的升高或降低都同时作用到弹性膜(2)和压电陶瓷片(1)的外表面。如果气压波动的变化量低于孔隙(2a)或双向限压阀(7)的开门压力，则弹性膜(2)仅发生极小的凹陷性或凸起性变形或基本不发生变形，孔隙(2a)或者双向限压阀(7)处于关闭状态，压电陶瓷片(1)因单面受压变形产生足够强的电信号输出。如果气压变化量高于孔隙(2a)或双向限压阀(7)的开门压力，则在压电陶瓷片(1)产生电信号输出的同时，气体会通过孔隙(2a)或双向限压阀(7)向盒内或盒外渗透，使盒内外气压差稳定在一接近平衡的范围内，压电陶瓷片(1)不会因单面受压过载而损坏。另外，如果环境气压发生强烈波动时，孔隙(2a)或者是双向限压阀或阻尼管(7)将无法使盒内外气压迅速达到平衡，但弹性膜(2)将快速地、大幅度地发生凹凸性变形，使盒内气体急速压缩或膨胀，对孔隙(2a)或双向限压阀或阻尼管(7)的欠平衡进行快速补偿，避免了压电陶瓷片的损坏，并产生正常的信号输出。
附图2是第二个实施例。它与上述实施例并无本质区别，只是在压电陶瓷片(1)和弹性膜(2)之间设有垫圈(5)。这样弹性膜(2)可以使用加工简便的平膜，且既可以在膜上直接加工出孔隙(2a)作为双向限压阀用，也可以不加工此孔隙，而把独立的双向限压阀或阻尼管(7)安装在弹性膜(2)上或垫圈(5)上。安装在垫圈(5)上更便于拆装维护。其工作原理与上例安全相同。
附图3和附图4是另两个实施例。其特点是：先把压电陶瓷片(1)封贴到弹性膜(2)上，再由此膜与基板(6)构成一个气压盒式结构。它同样可以直接在弹性膜(2)上做出孔隙(2a)或者不做孔隙而在弹性膜(2)上或基板(6)上安装上独立的双向限压阀或阻尼管。
附图5是又一种实施例。其特点是：气压盒是由两片弹性膜(2)构成的或由弹性材料直接做成的。压电陶瓷片(1)就贴在盒的壁上。它的优点是可以方便地贴上一片或两片压电陶瓷片，以串联或并联方式联接，便于使压电陶瓷片(1)增大输出电流的强度或提高输出电压的幅度。与其他实施例一样，既可以在盒壁上也就是弹性膜(2)上加工出孔隙(2a)也可以不加工孔隙而安装上双向限压阀或阻尼管。
无论哪种方案的实施例，压电陶瓷片(1)都应当向实施例1一样，在表面涂上保护层，增强其防潮、抗腐和绝缘能力。