CN113176605A - 一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，属于海洋地震勘探领域，包括金属接地框以及固定在金属接地框内的多个并排布置的电声单元，所述的电声单元的输入端通过高压输入端口与脉冲电缆连接；所述的电声单元包括单排线电极阵列以及对称设置在单排线电极阵列两侧的硬界面结构。利用本发明，可以显著提高电火花震源的初泡比并产生频率更低的声脉冲，进一步提高电火花震源的探测深度，具有良好的应用前景。

Description

一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵
技术领域
本发明属于海洋地震勘探领域，尤其是涉及一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵。
背景技术
电火花震源由于其突出的高分辨率、高重复性和宽频带等优势，被广泛应用于海洋高分辨率地震勘探。电火花震源主要包括脉冲电源、脉冲传输线和多电极发射阵等。
如公开号为CN106932814A的中国专利文献公开了一种海洋高分辨立体垂直时延电火花震源，公开号为CN206710620U的中国专利文献公开了一种海洋高分辨立体垂直阵列电火花震源。
目前，电火花震源的多电极发射阵一般包括鱼骨状结构、刷状结构和线阵列组合结构等。但是，对于鱼骨状和刷状电极结构，由于电极间距较小，放电过程中由于电火花气泡的融合，产生较大的气泡脉冲，典型的如法国SIG系列电火花震源。
对于线阵列组合结构采用的思路是采用大量电极将每个电极的激发能量降低到5J左右，并且电极间距约为1-2cm，因此气泡脉冲较小，但大量的电极数目一方面造成发射阵体积较大，另一方面由于负载阻抗较小导致放电时间短，产生的声脉冲主频较高。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，可以同步实现低频发射和气泡脉冲压制，提高电火花震源地层穿透深度。
一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，包括金属接地框以及固定在金属接地框内的多个并排布置的电声单元，所述的电声单元的输入端通过高压输入端口与脉冲电缆连接；
所述的电声单元包括单排线电极阵列以及对称设置在单排线电极阵列两侧的硬界面结构。
为了使多电极发射阵能够激发主频低的声脉冲，同时保证气泡脉冲得到有效压制，本发明在线阵列组合结构的基础上，采用对称硬界面结构来压制气泡脉冲。
金属接地框用于构成放电回路的低压部分，实现整个放电回路的导通。单排线电极阵列用于电火花放电产生低频声脉冲，对称硬界面结构用于对电火花放电产生的气泡进行流场畸变，进而压制气泡脉冲。
进一步地，所述的单排线电极阵列包括分线硫化段以及上端固定在风险硫化段上的多个线电极。
线电极用于实现电声转换激发声脉冲，每个电极放电能量可高达100J，远远超过目前发射阵设计的单电极激发能量。分线硫化段用于保证线电极并联实现同步放电。
进一步地，所述的线电极包括金属线芯和包裹在金属线芯外的绝缘层，金属线芯的下端部裸露在绝缘层之外；
所述的金属线芯为金属铜材料或者钨合金材料，直径≤2mm；所述的绝缘层为聚四氟材料，直径≤10mm。
进一步地，所述的分线硫化段包括金属压排和封装硫化胶，所述的金属压排用于固定线电极的上端部，保证线电极以一定距离排列和并联连接，所述金属压排的输入端通过高压输入端口与脉冲电缆连接；所述的封装硫化胶用于实现电气绝缘和防水防腐蚀。
进一步地，所述的硬界面结构包括硬质薄板以及与硬质薄板配合的限位滑轨，所述限位滑轨用于调节硬质薄板与单排线电极阵列侧面之间的距离；
每个电声单元中，单排线电极阵列两侧的两个硬质薄板对称布置。
优选地，所述的硬质薄板为不锈钢金属材料，兼做放电回路的接地极。或者，所述的硬质薄板也可以为聚四氟乙烯或尼龙材料。
进一步地，所述的硬质薄板与单排线电极阵列中的线电极距离不超过50mm，该距离依据实际放电能量通过所述的限位滑轨进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的发射阵，可以实现单个电极激发能量达到100J的电火花放电，进而实现大能量少电极的低频发射。通过对称硬界面结构，可以实现大能量放电产生的气泡脉冲压制，减少气泡脉冲对地层信息的干扰和覆盖，最终实现更大穿透深度的电火花震源地震勘探。
附图说明
图1为本发明一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵的俯视结构示意图；
图2为本发明发射阵中电声单元的侧视结构示意图；
图3为本发明实施例中对称硬界面气泡脉冲压制后单电极放电声脉冲测试结果。
图中：1-高压电脉冲输入端口；2-金属接地框；3-电声单元；31-分线硫化段；32-线电极；33-限位滑轨；34-硬质薄板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，包括高压脉冲输入端口1、金属接地框2和N组电声单元3。高压脉冲输入端口1一般为高压同轴或多芯插件；金属接地框2一般为不锈钢材料。
其中，电脉冲通过高压脉冲输入端口1输入，在电声单元3实现水下电火花放电，金属接地框2作为低压端完成脉冲电流的回流，最终形成放电回路。
具体的，电声单元3的结构如图2所示，包括单排线电极阵列以及对称设置在单排线电极阵列两侧的硬界面结构。
单排线电极阵列包括分线硫化段31以及上端固定在分线硫化段31上的线电极32。分线硫化段31用于保证线电极32并联实现同步放电；线电极32用于实现电声转换激发声脉冲，每个电极放电能量可高达100J，远远超过目前发射阵设计的单电极激发能量。
分线硫化段31包括金属压排和封装硫化胶。其中，金属压排用于固定线电极根部，保证线电极以一定距离排列和并联连接；封装硫化胶用于实现电气绝缘和防水防腐蚀等作用。
线电极32包括金属线芯和包裹在金属线芯外的绝缘层，金属线芯的下端部裸露在绝缘层之外。金属线芯一般为金属铜材料，可选的还有钨合金材料，直径一般不超过2mm；所述的绝缘层一般为聚四氟材料，保证金属线芯仅有头部裸露，直径一般不超过10mm。
对称设置在单排线电极阵列两侧的硬界面结构包括两组硬质薄板34以及与硬质薄板34配合的限位滑轨33。其中，硬质薄板34在单排线电极阵列32两侧对称布置；限位滑轨33用于控制硬质薄板34到单排线电极阵列32的距离。
硬质薄板34优选的材料为不锈钢金属材料，可以充当放电回路的接地极，可选的材料为聚四氟乙烯或尼龙等非金属材料；硬质薄板34距离线电极距离不超过50mm，并且可以根据放电能量通过限位滑轨33进行调节。
为验证本发明的效果，本发明实施例分别测量了传统线电极和对称硬界面气泡脉冲压制下的声脉冲波形。电火花放电能量为20J，对称硬界面为不锈钢板，厚度0.5mm，长×宽分别为40mm×40mm，间距约为40mm，即距离放电电极20mm，放电电极为单电极，放置在对称硬界面中间。测试水听器距离放电电极100mm。
从图3可以看出，对称硬界面对直达波脉冲没有影响，直达波声脉冲幅值约为14.8V。但是，对称硬界面能够显著压制气泡脉冲，传统线电极放电的气泡脉冲达到63.6V，但经过对称硬界面压制后，气泡脉冲幅值仅有12.4V，下降80.5％。此外，传统线电极初泡比仅有0.23，而对称硬界面压制后，初泡比增加到1.19，增大5.2倍。实施例表明本发明提出的一种对称硬界面结构压制气泡脉冲的方法可行，具有良好的应用前景。
本发明的工作原理如下：
当电脉冲经过高压脉冲输入端口1输入到电声单元3的线电极32后，产生剧烈的电火花放电。同时，由于线电极32和金属接地框2的距离较远，电火花放电仅仅在线电极32尖端发生，在放电过程中和金属接地框2构成放电回路。在电火花放电过程和完成后，会在线电极32下部的尖端产生高速脉动的水蒸气泡，在水蒸气泡膨胀过程中，位于水蒸气泡和对称的硬质薄板34之间的水体流速增加，根据伯努利原理，气泡将趋向硬质薄板34运动。
此外，由于硬质薄板34的对称结构，水蒸气泡两侧分别向各自靠近的硬质薄板34运动形成撕裂趋势，进而气泡形态发生变化，不能保持较好的球形状态，因此在气泡压缩过程中气泡壁速度和泡内压力都显著下降，进而导致气泡脉冲幅值的下降，实现了对称的硬质薄板34对气泡脉冲的压制效果。
本发明基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵采用对称硬界面实现了气泡脉冲的显著压制，可以显著提高电火花震源的初泡比，满足较少电极发射阵高初泡比和低频发射的要求，进一步提高电火花震源的探测深度和降低数据后处理难度和复杂度。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，包括金属接地框以及固定在金属接地框内的多个并排布置的电声单元，所述的电声单元的输入端通过高压输入端口与脉冲电缆连接；
所述的电声单元包括单排线电极阵列以及对称设置在单排线电极阵列两侧的硬界面结构。
2.根据权利要求1所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的单排线电极阵列包括分线硫化段以及上端固定在风险硫化段上的多个线电极。
3.根据权利要求2所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的线电极包括金属线芯和包裹在金属线芯外的绝缘层，金属线芯的下端部裸露在绝缘层之外；
所述的金属线芯为金属铜材料或者钨合金材料，直径≤2mm；所述的绝缘层为聚四氟材料，直径≤10mm。
4.根据权利要求2所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的分线硫化段包括金属压排和封装硫化胶，所述的金属压排用于固定线电极的上端部，保证线电极以一定距离排列和并联连接，所述金属压排的输入端通过高压输入端口与脉冲电缆连接；所述的封装硫化胶用于实现电气绝缘和防水防腐蚀。
5.根据权利要求1所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的硬界面结构包括硬质薄板以及与硬质薄板配合的限位滑轨，所述限位滑轨用于调节硬质薄板与单排线电极阵列侧面之间的距离；
每个电声单元中，单排线电极阵列两侧的两个硬质薄板对称布置。
6.根据权利要求5所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的硬质薄板为不锈钢金属材料，兼做放电回路的接地极。
7.根据权利要求5所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的硬质薄板为聚四氟乙烯或尼龙材料。
8.根据权利要求5所述的基于对称硬界面结构压制气泡脉冲的低频电声发射阵，其特征在于，所述的硬质薄板与单排线电极阵列中的线电极距离不超过50mm，该距离依据实际放电能量通过所述的限位滑轨进行调节。
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