CN104730569A - 一种电声转换电极 - Google Patents

Abstract

一种电声转换电极，包括高压电极(1)、内绝缘筒(2)、金属外筒(3)、接地端(4)、第二外筒(5)和金属帽(6)。金属帽(6)套装在内绝缘筒(2)上部。第二外筒(5)套装在金属外筒(3)下部，内绝缘筒(2)装入金属外筒(3)内。高压电极(1)由多根长度相等的单芯绝缘电缆捆扎成束形成，每根绝缘电缆的一端剥去绝缘层，将露出的中心导体焊接在一起，作为高压电极(1)的引出端与外界电源的高压输出端连接；高压电极(1)的另一端置于有一定电导率的液体中，液体注满由金属外筒(3)、第二外筒(5)和内绝缘筒(2)围起的封闭空间内；高压电极(1)插入内绝缘筒(2)密封固定。

Description

一种电声转换电极

技术领域

本发明涉及一种脉冲放电电极，特别涉及一种将水中放电能量转换为脉冲声能或地震波能的电声转换电极。

背景技术

水中脉冲放电技术已在工业、科学及医学等领域得到了广泛的应用，电火花震源是其在地震勘探领域中较有潜力的应用之一。电火花震源是利用大电流放电在水中形成的巨大冲击波，冲击波通过液体和地表层传播，最后通过检波器接收进而获得地质地貌特征。传统的电火花震源必须依赖于较大的水体，如海洋电火花震源在广阔海水中放电，而陆地电火花震源也需在勘探地挖井注水，然后将电极置入井水中放电。因此，对于山地或其他缺水地区的地震勘探，传统电火花震源并不适用。

中国专利200810056793.3公开的放电电极，需在开阔的水空间内形成放电，主要用于海洋地震勘探，无法用于山地或其他缺水地区的地震勘探。中国专利201010541046.6公开的相控电火花子震源，高压电极从震源侧面引出，在引出端浸水情况下很容易发生闪络放电；放电腔小，水的引入及保持较为困难，同时由于放电间隙小且不易调节，因此只能产生电弧放电，放电的重复性及可控性较差；另外，由于高压电极为裸导体单电极，电极及附近的绝缘材料很易烧蚀。

发明内容

本发明的目的是克服现有的放电电极的缺点，提出一种电声转换电极。本发明可在封闭的空间内形成水中放电，放电的形式可灵活控制，解决了相控电火花震源中高压端易闪络、放电不可控及材料易烧蚀等问题，同时提高了放电的可操作性及电声转换效率。

本发明包括六个组成部分：高压电极，内绝缘筒，金属外筒，接地端，第二外筒和金属帽。

所述的内绝缘筒为一上下两段外径不同的圆筒，由绝缘材料制成。所述的金属帽套装在内绝缘筒的上部；所述的第二外筒套装在金属外筒的下部，内绝缘筒置于金属外筒的内部。

所述的高压电极由多根长度相等的单芯绝缘电缆捆扎成束形成。每根绝缘电缆的一端剥去绝缘层，将露出的中心导体焊接在一起，作为高压电极的引出端与外界电源的高压输出端连接；高压电极的另一端置于具有一定电导率的液体中，液体充满由金属外筒、第二外筒和内绝缘筒围起的封闭空间内，液体的电导率为10-50ms/cm。高压电极插入内绝缘筒，通过浇注或密封胶密封并固定。

所述的内绝缘筒为一上下两段外径不同的圆筒，由绝缘材料制成。内绝缘筒上段的外径小于其下段的外径，两段衔接处形成一个台阶。所述的内绝缘筒上下两段的内径相同，内绝缘筒的内径略大于高压电极的直径，以方便高压电极插入和拔出。

所述的金属外筒为一上下两段内径不同的圆筒，由不锈钢材料制成。金属外筒上段的内径大于下段的内径，金属外筒上段的内径略大于内绝缘筒下段的外径，以便于内绝缘筒套入。金属外筒上下两段连接处形成一个台阶，此台阶上放置有密封圈。金属外筒的上段长度略小于内绝缘筒下段的长度，以方便将金属帽压紧内绝缘筒，再挤压置于台阶上的密封圈，使内绝缘筒与金属外筒之间密封。

金属外筒的上下两端均有外螺纹，金属外筒上端的外螺纹与金属帽的内螺纹配合，金属外筒下端的外螺纹与第二外筒的内螺纹配合。

所述的金属帽开有中心通孔，由不锈钢材料制成。金属帽中心通孔的内径略大于内绝缘筒上段的外径，使金属帽能够套住内绝缘筒。金属帽与金属外筒上端通过螺纹的配合固定，使金属帽从上面压紧内绝缘筒，进一步固定内绝缘筒。

所述的第二外筒为一圆筒，分为上下两段，上下两段内径不同，上段的内径大于下段的内径。第二外筒的上下两段的衔接处形成一个台阶，台阶上放置有密封圈。第二外筒的上段有内螺纹，与金属外筒下端的外螺纹配合，装配时，压紧第二外筒台阶上的密封圈，实现第二外筒与金属外筒之间的密封。第二外筒内部与金属外筒形成储液空间，其中充满有一定电导率的液体。第二外筒上段的筒壁较下段薄。

第二外筒由金属材料或绝缘材料制成。当第二外筒为金属材料制作时，第二外筒的内部需要套装入一绝缘套筒，以防止高压电极和第二外筒的内壁发生闪络。

所述的高压电极的一端穿出内绝缘筒的底部，伸入置于金属外筒与第二外筒内部形成储液空间内的具有一定电导率的液体中，液体的电导率为10-50ms/cm。高压电极伸入至第二外筒，与第二外筒的内底面有一定距离；当第二外筒为金属材料时，高压电极至第二外筒内底面的距离为本发明电声转换电极的放电间隙。

在金属帽与第二外筒之间的金属外筒的外壁焊有接地端，用于和外部电源的地相连。

通过外部电源提供高压脉冲输出，由多根单芯电缆组成的高压电极在水中形成脉冲放电，脉冲放电的形式可为电晕放电或电弧放电。当外筒为金属材料制作时，放电间隙为高压电极末端至外筒底部的距离，通过改变放电间隙，可以获得稳定的电晕放电；当外筒为绝缘材料制作时，放电间隙为高压电极末端至金属外筒底部的距离，此时绝缘材料的声阻抗应和导电溶液的声阻抗相当，这样可减小放电产生冲击波在外筒界面的反射，提高电声转换效率。和电弧放电相比，电晕放电的重复性较好且无延时，这样利用多个电极同时作用时，增加了其可控性；同时，电晕放电时电极的烧蚀小很多，因此尽量采用电晕放电的形式。

本发明的积极效果是：通过调整放电间隙和外施电压，可在密闭液体空间内获得稳定的电晕放电，同时提高了放电电极的可控性及寿命，为相控阵电火花震源的实际应用奠定了基础。

附图说明

图1为本发明一种电声转换电极示意图；

图2为本发明一种电声转换电极的另一种实施方案的示意图；

图中，1高压电极，2内绝缘筒，3金属外筒，4接地端，5第二外筒，6金属帽，7绝缘套筒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明包括高压电极1，内绝缘筒2，金属外筒3，接地端4，第二外筒5和金属帽6。内绝缘筒2为一上下两段外径不同的圆筒，由绝缘材料制成，金属帽6套装在内绝缘筒2的上部；第二外筒5套装在金属外筒3的下部，内绝缘筒2置于金属外筒3的内部。高压电极1由多根长度相等的单芯绝缘电缆捆扎成束形成。每根绝缘电缆的一端剥去绝缘层，将露出的中心导体焊接在一起，作为高压电极1的引出端与外界电源的高压输出端连接；高压电极1的另一端置于具有一定电导率的液体中，液体的电导率为10-50ms/cm，液体充满由金属外筒3、第二外筒5、内绝缘筒2围起的封闭空间内。高压电极1插入内绝缘筒2，并通过浇注或密封胶进一步密封并固定。

内绝缘筒2为一上下两段外径不同的圆筒，由绝缘材料制成。内绝缘筒2上段的外径小于其下段的外径，两段衔接处形成一个台阶。所述的内绝缘筒2上下两段的内径相同，内绝缘筒2的内径略大于高压电极的直径，使高压电极便于插入内绝缘筒2。

金属外筒3为一上下两段内径不同的圆筒，由不锈钢材料制成；金属外筒3上段的内径大于其下段的内径，且金属外筒3上段的内径略大于内绝缘筒2下段的外径，以便于内绝缘筒2套入。金属外筒3上下两段连接处形成一个台阶，金属外筒3两端均有外螺纹，金属外筒3上端的外螺纹与金属帽6的内螺纹配合，金属外筒3下端的外螺纹与第二外筒5的内螺纹配合。金属帽6由不锈钢材料制成，开有中心通孔，通孔的内径略大于内绝缘筒2上段的外径，使金属帽6能够套住内绝缘筒2。金属帽6与金属外筒3上端通过螺纹的配合固定，使金属帽6从上面压紧内绝缘筒2，进一步固定内绝缘筒2。

第二外筒5为一圆筒，分为上下两段，上下两段内径不同，上段的内径大于下段的内径；第二外筒5上段的筒壁较下段薄。第二外筒5的上下两段的衔接处形成一个台阶，台阶上放置有密封圈。第二外筒5的上段有内螺纹，与金属外筒3下端的外螺纹配合，装配时，压紧第二外筒5台阶上的密封圈，实现第二外筒5与金属外筒3之间的密封。第二外筒5内部与金属外筒3形成储液空间，其中充满具有一定电导率的液体，液体的电导率为10-50ms/cm。。第二外筒5由金属材料或绝缘材料制成。当第二外筒5为金属材料制作时，如图2所示，第二外筒5内需要套装入一绝缘套筒7，以防止高压电极和第二外筒5的内壁发生闪络。高压电极1插入内绝缘筒2，穿出内绝缘筒2的底部，伸入置于金属外筒3与第二外筒2内部形成的储液空间内的电导率为10-50ms/cm的液体中，高压电极1伸入至第二外筒5，与第二外筒5的内底面有一定距离；当第二外筒5为金属材料时，高压电极1至第二外筒5内底面的距离为本发明电声转换电极的放电间隙。在金属帽6与第二外筒5之间的金属外筒3的外壁焊有接地端，用于和外部电源的地相连。

本发明具体实施以获得约800A的电晕电流为例。高压电极由70根单芯绝缘电缆组成，电缆中心导体直径1mm，绝缘层厚度约1mm。每根电缆的一端剥去约3mm左右的绝缘层，将每根电缆露出的中心导体通过铜编织带焊接在一起，作为与外电源高压输出的连接端。内绝缘筒2的内径略大于70根电缆的总外径，高压电极插入内绝缘筒2后，通过环氧浇注或绝缘胶固定并密封。金属外筒3由不锈钢材料制成，上下两段的内径差约3mm，金属外筒3上段的内径略大于内绝缘筒2下段的外径，以便装入内绝缘筒2。金属外筒3上下两段衔接处形成台阶，台阶上放置有密封圈，金属外筒3和内绝缘筒2之间通过密封圈密封。内绝缘筒2的下段高出金属外筒3上段2mm，以便于金属帽6压紧内绝缘筒2并固定。第二外筒5由不锈钢材料制成，分为上下两段，其中上段有内螺纹，与金属外筒3下端的外螺纹配合；内绝缘筒2上下两段的内径差约3mm，上下两段衔接处形成台阶，台阶上放置密封圈，装配时，压紧第二外筒5台阶上的密封圈，实现第二外筒5与金属外筒3之间的密封。第二外筒5内部放一厚度约2mm的绝缘套筒7，以防止高压电极和第二外筒侧壁之间发生放电，绝缘套筒7的高度和第二外筒5下段的高度相当。金属帽6由不锈钢材料制成，开有中心通孔，通孔内径略大于内绝缘筒2上段的外径；金属帽6通过螺纹和金属外筒3固定。金属外筒3、第二外筒5和绝缘套筒7围起的封闭空间内充满盐水，电导率为30ms/cm。金属外筒3上部分焊接直径约6mm的螺钉，与外电源的地相连。

本发明工作过程如下：将绝缘套筒7置入第二外筒5内，绝缘套筒7内注满盐水，第二外筒5和金属外筒3连接，将内绝缘筒2和高压电极1置入金属外筒3，盖上金属帽6。将外部电源高压输出端和高压电极1连接，电源地和高压电极的接地端连接。高压电极1和外筒2底部距离为6cm。高压电极自接地端以下置入土中，距离高压电极1m附近布置有检波器，用以测量放电产生的地震波形。控制外部电源，使其输出一定幅值的脉冲电压，高压电极内部将发生水中电晕放电，电晕放电电流通过分流器测量。当外施幅值为4.8kV的脉冲电压时，产生的电晕电流约为800A。放电产生的地震波和电晕电流有正相关性，即地震波幅值随电晕电流的增加而增大。电晕电流的幅值可通过脉冲电源的输出电压幅值及放电间隙来调控，一定放电间隙下，电压越高，电晕电流越大；一定电压下，间隙越小，电晕电流越大，但小间隙下很容易发生电弧放电。因此，在电源一定的条件下，需选择合适的间隙已产生可控的放电，放电间隙可通过高压电极的电缆长度灵活调节。

当第二外筒5为绝缘材料时，第二外筒5内部不需要置入绝缘套筒，放电间隙通过高压电极1和金属外筒3之间的距离确定。制作第二外筒5的绝缘材料应具有和筒内液体相当的声阻抗，这样可有效降低水中放电产生的冲击波在外筒界面的反射，提高电声转换效率。

本发明可在封闭空间内获得重复性好、可控的水中电晕放电，可用于山地及无水地区的地震勘探及相控阵技术领域。

Claims (9)

1.一种电声转换电极，其特征在于，所述的电声转换电极包括高压电极(1)、内绝缘筒(2)、金属外筒(3)、接地端(4)、第二外筒(5)和金属帽(6)；内绝缘筒(2)为一上下两段外径不同的圆筒，金属帽(6)套装在内绝缘筒(2)的上部；第二外筒(5)套装在金属外筒(3)的下部，内绝缘筒(2)置于金属外筒(3)内部；高压电极(1)由多根长度相等的单芯绝缘电缆捆扎成束形成，每根绝缘电缆的一端剥去绝缘层，将露出的中心导体焊接在一起，作为高压电极(1)的引出端与外界电源的高压输出端连接；高压电极(1)的另一端置于有一定电导率的液体中，液体注满由金属外筒(3)、第二外筒(5)和内绝缘筒(2)围起的封闭空间内，所述液体的电导率为10-50ms/cm；高压电极(1)插入内绝缘筒(2)，并密封固定。

2.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的内绝缘筒(2)为一上下两段外径不同的圆筒，内绝缘筒(2)上段的外径小于其下段的外径，两段衔接处形成一个台阶；所述的内绝缘筒(2)上下两段的内径相同，内绝缘筒(2)的内径略大于高压电极的直径，以方便高压电极插入和拔出。

3.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的金属外筒(3)为一上下两段内径不同的圆筒，金属外筒(3)上段的内径大于其下段的内径，且金属外筒(3)上段的内径略大于内绝缘筒(2)下段的外径，以便于内绝缘筒(2)套入；金属外筒(3)上下两段连接处形成一个台阶，此台阶上放置有密封圈；金属外筒(3)上段的长度略小于内绝缘筒(2)下段的长度，以方便将金属帽(6)压紧内绝缘筒(2)，再挤压置于台阶上的密封圈，使内绝缘筒(2)与金属外筒(3)之间密封。

4.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的金属外筒(3)的上下两端均有外螺纹，金属外筒(3)上端的外螺纹与金属帽(6)的内螺纹配合，金属外筒(3)下端的外螺纹与第二外筒(5)的内螺纹配合。

5.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的金属帽(6)开有中心通孔，通孔的内径略大于内绝缘筒(2)上段的外径，使金属帽(6)能够套住内绝缘筒(2)；金属帽(6)与金属外筒(3)上端通过螺纹的配合固定，使金属帽(6)从上面压紧内绝缘筒(2)，进一步固定内绝缘筒(2)。

6.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的第二外筒(5)为一圆筒，分为上下两段，上下两段内径不同；上下两段的衔接处形成一个台阶，台阶上放置有密封圈；第二外筒(5)的上段有内螺纹，与金属外筒(3)下端的外螺纹配合，压紧第二外筒(5)台阶上的密封圈，实现第二外筒(5)与金属外筒(3)之间的密封；第二外筒(5)内部与金属外筒(3)形成储液空间，其中充满有一定电导率的液体，所述液体的电导率为10-50ms/cm；第二外筒(5)上段的筒壁较下段薄。

7.根据权利要求1或6所述的电声转换电极，其特征在于：所述的第二外筒(5)由金属材料或绝缘材料制成；当第二外筒(5)为金属材料制作时，第二外筒(5)内部套装入一绝缘套筒；当第二外筒(5)为绝缘材料制作时，第二外筒(5)的绝缘材料具有和筒内液体相当的声阻抗。

8.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的高压电极(1)的一端穿出内绝缘筒(2)的底部，伸入置于金属外筒(3)与第二外筒(5)内部形成的储液空间内的液体中，与第二外筒(5)的内底面有一定距离；当第二外筒(5)为金属材料制作时，高压电极(1)至第二外筒(5)内底面的距离为所述电声转换电极的放电间隙。

9.根据权利要求1所述的电声转换电极，其特征在于：所述的金属帽(6)与第二外筒(5)之间的金属外筒(3)的外壁焊有接地端，用于和外部电源的地相连。