黃 海 吳 衡

（廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 廣州 510760）

第一作者簡介：黃海男，1972年生，工程師，現(xiàn)主要從事海洋地球物理探測與采集技術(shù)研究工作。

摘要 通過對(duì)兩套大容量電火花震源系統(tǒng)進(jìn)行激發(fā)聲波測試，發(fā)現(xiàn)兩者的頻率有所差異。進(jìn)而測試這兩套系統(tǒng)的固體放電開關(guān)的放電電流，并對(duì)比放電電流及這兩套設(shè)備的固體放電開關(guān)閘流管的電子特性，討論固體放電開關(guān)對(duì)激發(fā)聲波頻的影響。

關(guān)鍵詞 電火花震源 聲波 放電電流 固體放電開關(guān) 閘流管

1 概 述

電火花震源利用電容器充電后經(jīng)電極在水中瞬間導(dǎo)通，電流的突然放電來激發(fā)聲脈沖。充電高壓電容器對(duì)水中電極間隙脈沖放電有電弧和電暈兩種放電形式。淡水中易形成電弧放電而不易形成電暈放電，鹽水中間隙較小時(shí)形成電弧放電，間隙較大則形成電暈放電［1］。

電暈放電的特性，它與電弧放電明顯不同，它是一過阻尼過程，無振蕩，無二次放電，僅放電電極端部存在球形等離子體，不會(huì)貫穿兩個(gè)電極。由于放電氣泡小，氣泡無二次漲縮過程，直徑隨鹽水電導(dǎo)率增加而增加，正高壓氣泡直徑大于負(fù)高壓［2］。

現(xiàn)在海洋電火花震源的放電方式都采用電暈放電方式。本文僅對(duì)兩套大容量電火花系統(tǒng)（荷蘭GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統(tǒng)和自主研發(fā)的海鰻20kJ電火花震源系統(tǒng)）激發(fā)的聲波進(jìn)行頻譜分析。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成

由電火花震源系統(tǒng)通過水下電極電暈放電，激發(fā)聲波，產(chǎn)生的聲波通過震源子波測試系統(tǒng)的水聽器接收，最終由震源子波測試系統(tǒng)來處理采集的聲波信號(hào)，見圖1所示。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

3.1 海鰻20kJ電火花震源系統(tǒng)

該系統(tǒng)樣機(jī)由震源主機(jī)、放電電纜、電纜絞車和放電電極組成（圖2）。震源主機(jī)的充電電路為恒流充電，放電開關(guān)由單管半導(dǎo)體閘流管組成（圖3），放電回路包含有放電開關(guān)、四組同軸并聯(lián)放電電纜、水下電極（10組電極，每組200極點(diǎn)面排列結(jié)構(gòu)電極）。

圖1 電火花震源海上測試方法示意圖

圖2 海鰻20kJ電火花震源系統(tǒng)樣機(jī)

圖3 單管半導(dǎo)體固體開關(guān)及觸發(fā)電路板

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

● 能量輸出：最大20kJ，改變工作電壓或增/減電容器數(shù)量可實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能連續(xù)調(diào)節(jié)；

● 震源輸出電壓2～5 kV可調(diào)；

●儲(chǔ)能電容器采用脈沖電容器并聯(lián)，放電開關(guān)采用固體可控硅放電方式；

● 充電采用高頻高壓開關(guān)電源模式實(shí)現(xiàn)恒流充電，充電速率≥2500J/s；

● 震源激發(fā)聲波主頻為200～1200 Hz。

3.2 GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統(tǒng)

該設(shè)備在2006年從荷蘭GEO-resources公司引進(jìn)，包括震源主機(jī)、甲板纜、GEO-SPARK 2×800型電火花電極、高壓電極纜、電極收放絞車（圖4）。該系統(tǒng)采用恒壓充電，放電開關(guān)由多管半導(dǎo)體晶閘管串并聯(lián)組成（圖5），放電電路包含有放電開關(guān)、同軸放電電纜和放電電極（6組電極，每組200極魚骨排列結(jié)構(gòu)電極）。

其主要技術(shù)指標(biāo)如下：

● 電壓輸出：3200～5600VDC可選，固態(tài)的半導(dǎo)體放電方式；

● 能量輸出：100～10000J，步長為100J；

● 充電速度：3500 J/s；

● 觸發(fā)：光電隔離觸發(fā)輸入；

● 最大工作水深：4500 m；

● 最大穿透深度：750 m。

圖4 GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統(tǒng)

3.3 震源子波測試系統(tǒng)

其主要包括以下幾個(gè)部分：

●標(biāo)準(zhǔn)水聽器 頻率：20 Hz～30 kHz；靈敏度：-196±2 dB（ref：1V/μPa）；前置放大器：增益：26±0.4 dB；寬帶短路噪聲＜2μV。

● B＆K2610型信號(hào)放大器 測量范圍：10μV～30V；頻率范圍：2 Hz～200 kHz（±0.5dB）；增益：-30～100 dB。

圖5 多管半導(dǎo)體晶閘管固體開關(guān)電路圖及實(shí)圖

圖6 震源子波測試系統(tǒng)

● NI 6281 M型數(shù)字采集器 輸入通道數(shù)：8個(gè)差分輸入或16個(gè)普通輸入；輸入分辨率（位）：18位；最大采樣率（S/s）2：單通道625 kS/s，多通道500kS/s；輸入范圍：±10 V，±5V，±2V，±1V，±0.5 V，±0.2 V，±0.1 V可調(diào)；具有模擬觸發(fā)；集成信號(hào)調(diào)成：低通濾波器；模擬輸出：2；最大輸出速率（S/s）：2.8 M。

●震源子波測試軟件。

4 實(shí)驗(yàn)方法

4.1 遠(yuǎn)場子波測試［3］

在南海東沙群島選取水深2500 m海域定點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，把電火花震源系統(tǒng)廠界環(huán)境噪聲的水下電極沉放水深3 m；聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的寬頻帶水聽器沉放水深80 m；每8s等時(shí)間觸發(fā)電火花震源系統(tǒng)，電火花震源系統(tǒng)通過水下電極放電；激發(fā)產(chǎn)生的聲波由聲波采集系統(tǒng)的寬頻帶水聽器接收，通過信號(hào)放大，最后由子波采集及處理軟件采集和處理。測試方法示意圖見圖1所示。

子波信號(hào)的采集通過聲波采集系統(tǒng)從激發(fā)時(shí)間起，可選取任一時(shí)間點(diǎn)記錄震源子波的時(shí)域波形，并根據(jù)上述截取的子波時(shí)域波形數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理計(jì)算得出其頻譜，可設(shè)置功率譜密度的上限和下限，得出震源子波的頻域范圍［4］。

4.2 儲(chǔ)能放電電流測試

電火花震源在激發(fā)聲波的過程中，為了了解震源的固體開關(guān)放電過程，在放電開關(guān)輸出端套上一個(gè)霍爾線圈，用示波器來監(jiān)視其電容儲(chǔ)能的放電過程。

5 測試結(jié)果

5.1 遠(yuǎn)場子波測試

從海鰻20kJ電火花震源系統(tǒng)測試的特性圖看，其子波頻譜在300～1500 Hz之間（圖7、8）。

從GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統(tǒng)測試的特性圖看，其子波頻譜在200～1200 Hz之間（圖9、10）。

5.2 儲(chǔ)能放電電流測試

從圖11、圖12、圖13和圖14對(duì)比來看，海鰻20kJ電火花震源系統(tǒng)樣機(jī)的放電電流大，上升斜率也大；而GEO-SPARK 10kJ電火花震源的放電電流持續(xù)時(shí)間長。

6 結(jié)論

通過這兩套設(shè)備的固體開關(guān)，我們發(fā)現(xiàn)海鰻20kJ電火花震源的固體開關(guān)采用的是單管閘流管，其放電過程時(shí)間短，放電電流大，其激發(fā)的聲波主頻就偏高；而GEO-SPARK10kJ電火花震源采用的多管晶閘管的固體開關(guān)，其放電電流偏小，放電時(shí)間持續(xù)長，這也是其激發(fā)的聲波主頻偏低的原因。從這也可以看出，可以通過晶閘管的設(shè)計(jì)，來實(shí)現(xiàn)改變激發(fā)聲波的主頻。

圖7 以海鰻20kJ電火花為震源的聲波頻譜特性圖（6kJ）

圖8 以海鰻20kJ電火花為震源的聲波頻譜特性圖（10kJ）

圖9 以GEO-SPARK 10kJ電火花為震源的聲波頻譜特性圖（6kJ）

圖10 以GEO-SPARK 10kJ電火花為震源的聲波頻譜特性圖（10kJ）

圖11 海鰻20kJ電火花震源的放電電流圖（6kJ）

圖12 GEO-SPARK 10kJ電火花震源的放電電流圖（6kJ）

圖13 海鰻20kJ電火花震源的放電電流圖（10kJ）

圖14 GEO-SPARK 10kJ電火花震源的放電電流圖（10kJ）

參考文獻(xiàn)

［1］左公寧.水中脈沖電暈放電的某些特性［J］.高電壓技術(shù)，2003，29（8）：73～83.

［2］秦曾衍.高壓強(qiáng)脈沖放電及其應(yīng)用［M］.北京：工業(yè)大學(xué)出版社，2000.

［3］楊懷春.海洋地震勘探中空氣槍震源激發(fā)特性研究［J］.石油物探，2004，7（43）：323～326

［4］萬芃.一種新型的震源子波特性測試方法［J］.海洋地質(zhì)，2009，4：1～9

The Study of Acoustic SpECtrum Generated by the Sparker Systems

Hang Hai，Wu Heng

（Guangzhou Marine Geological Survey，Guangzhou，510760）

Abstract：Through testing of acoustic wave generated by two high capacity sparker sy聲波分析stems，thefrequency differences between the two systems were found.Then testing the discharging current ofsolid discharge switch on the two sparker systems and comparing discharge current and electronicproperties of the two solid discharge switch thyratrons，we discussed the effect of solid dischargeswitch to DOminant frequency of generated acoustic wave.

Key words：Sparker Acoustic wave Discharge current Solid discharge switch Thyratron