● 摘要
随着生产的迅速发展和人们生活水平的日益提高，石油需求总量逐渐增大和原油采收率不高成为摆在人们面前的主要矛盾，如何增加原油采收率成为目前亟待解决的问题。作为三次采油的一种，声波采油具有无污染、成本低、选择性好等优点，能有效提高原油采收率。但是目前所使用的声波采油技术难以同时实现低频率和大功率，超磁致伸缩换能器是解决该问题的新途径。
本文就基于超磁致伸缩执行器（GMA）的低频、大功率采油换能器展开研究。主要研究内容包括声辐射器研制和换能器性能仿真、测试。
在声辐射器研制阶段，首先分别研究了结构参数对凸型和凹型声辐射器的谐振频率、静态位移放大比、最大等效应力的影响，在此基础上确定了两种声辐射器的最终尺寸，比较认为凹型声辐射器更适合用作井下低频大功率声波辐射。进一步分析，凹型声辐射器谐振频率为313.2Hz，振型均匀，静态位移放大比为5.73，在2000N正弦载荷驱动下，壳体法向最大振幅为1mm，最大等效应力为70.18MPa。
换能器性能仿真包括GMA模态分析、换能器模态分析以及预压力对性能的影响。通过将GMA简化为“棒-输出杆-碟簧”模型，获得GMA第1阶谐振频率为1155Hz，对应输出杆、碟簧和棒顶部的轴向振动。凹型换能器1阶谐振频率为358.15Hz，振型对应声辐射器的呼吸运动和棒的轴向运动。当装配产生预压力时，声辐射器由于刚度降低频率也会降低，而GMA由于自身刚度较高因而谐振频率变化不大。
测试表明，10~500Hz扫频时，凹型辐射器在70Hz、290Hz、470Hz附近出现谐振峰，分别对应GMA的谐振、声辐射器1阶和2阶谐振；准静态条件下，凹型辐射器位移放大比能达到7.3；1A恒流扫频时，凹型辐射器在290Hz的峰值最高，振动幅值达到近140μm，而GMA 290Hz时的输出位移不足5μm，说明凹型辐射器具有很好的位移放大效果，如果继续改善GMA的输出位移，凹型声辐射器将能够实现大功率声波辐射，换能器的整体性能将会大大提高。