海洋电火花震源的电极结构.pdf

海洋电火花震源的电极结构左公宁摘要海洋电火 花震源未用两 种放电形式和多种电极结构。本文对两 种放电 形 式作了详细 的论述,对四种电极结构的气泡效 率作了对比,得出了一些曲线和经验公式。理论和实 践都表明,平行电极 放电震源比较实用,而爆炸丝放电震源效率较高。?!?#!%&()%+%之()%,(./,%,012.)3,243),%(5%42(&3&/+0)6+%+%0(23%,0(/%0/(%,780),%(0%/02(3%0)+,012.)3,2 43),6%(5%42彻,%2&(%,9/9 9+%44)%)%:2442/(%+%0(23%,0(/%0/(%,3244%(,2&%/(;%,3%&)()%+42(&/+%。?2 00%0%2(:30%(%60)%,21000%&2(%(%0)%+,1)+%0%?8 )21)(%2/(%,)5%(%44)%)%:。前台对海洋地震勘探来说,电火花震源是一种较好的脉 冲 震源。它有许多特点,例 如,有较宽 的频谱,其频率可从每秒几 周延伸 到每秒几十 千周,重复激发效率 高,重复性好,操作方便,对海洋污染小等等。用这种震源得到的地震资料和其它海洋勘探震源所得的资料相比,波组特征更为清楚,深层 资料也有改善。因此,进一步研究电火花 震源的特性是很必要的。当储存在电容器中的电能迅速向水中的间隙”释放时,可 以在水中产生多 种物理效应,如力效应、声效应、光效应及其它综合效应。放电所产生的 冲击压力,以及随后的气泡压力的衰减,形成放电的声效应,这便是电火花震源的工作 原理。本文着重研究作为电 火花震源的四种电极结构的放电过程及气泡过程。试验装置为了对震源的放电过程和气泡过程进行研究,专门建 立了一套 试验装置。所使用的放电回 路原理如图=所示。主 电容器组#充 电后,经 由控制开关向水间隙作脉冲放电,即 可用作 电火花震源。主电容器组是。由=台=仟 伏、微法和台仟伏、=微法电容器组成。利用分流器和分压 器可 以拍摄放电 间隙的电流和 电压波 形。放电间隙置于放电 室中,其结构如 图所示。为了用高速摄影机拍摄气泡 的运动过程,在放电室壁开有一个价&的摄影窗口,在和摄影窗垂直方向的两侧壁上还各 开 一个功=&的照 明窗,各有一个7仟瓦 的照明设备。放电室内盛有盐水用 以摸拟海水,含盐量为7。为了减少放电室壁对放电后所产生气泡 的影响,放电室可 做得 大些。高压电极 的下端裸露面置于水面 下&处,其余部分有绝缘被覆。子一价不毛几仁、价二不#+宁 8图=放电回路原理图#一主电容器组瓦一控制开关 一回路电感一放电间隙 一分流器、一分压器图=、高压电极火花放电的放电室布置示意图低压电极,由四根裸铜棒组成,按正方形顶点分布两种放电形式的分析电容器对水中的 间隙放电,一般有两 种放电形式。一种是人们 所熟知 的电弧放电,另 一种称为火花放电。电孤放电当控制开关被击穿后,电容器的电压迅速加到水间隙上,电能使水间隙的水或金属丝加热、气化、电离而击穿,并形成具有高温等离子体通道的 电弧放电。弧道可 以是柱形或球形,其温度可高达几万度。弧道表面 的一薄层液体被气化。此时,输人 电弧的功率可高达=一=瓦,它使弧道截面 和气泡都 迅速 向外膨胀。由于水的压缩性很小 和惯性的缘故,弧道和气泡 的膨胀受阻而产生高压,于是形成初始速度为每秒几 十米的高压波 向外传播。随后出现一个由气泡压 力维 持的持续时间在几毫秒的压力脉冲。在这过程中,则 向外输出机械能、光能和热能。电 弧燃烧几百微秒后便熄灭,而高温、高 压气泡仍继续向外膨胀,同时继续向外传输能量,气 泡内的温度和压力 则不断 下降。当内部压力 和外部压 力相等 时,由于惯性原 因,气抱仍继续向外膨胀,于是开始形成负压。气泡直径膨胀到某一最大值后,就变 为 向内收缩的运动,气抱 内的水分子也不断冷凝成为 液体。当收缩气泡的直径接近最小值时,则 开始形成第二次压力脉冲,然后又再次膨胀,压力也随之下 降。在本装置的试验中,气泡的胀缩循环只进行了一次。当 电容器储能较大时,这种循环可进行多次,然后才破碎,消失。输出声能振 幅 的频谱与胀缩周期即胀缩一次所需时间!刀和脉冲压力持续时 间丁有关,其振幅也与脉冲压力 的 幅值有关。气泡内的主要成份是过热水蒸汽、金属粒子 和离子,以及 由水分解的氢、氧离子。在气泡的胀缩过程中,水蒸汽和氢、氧离子不断冷凝和复合成为液态水。所以,当 电极浸 入水面下一定深度时,在水面上只可 看到逸出的少许气泡,但看不到水家。水间隙的电流、电压波形如图所示。尸严一叫阅图电弧放电的电流、电压 示波图由图可 见,其开始的斜线段是能量“泄漏”阶段这部分能量大部分被浪费了,以后才是电弧放电阶 段,曲线表现 为阻 尼衰减波形。电压波形则近似于马鞍形。由于 电弧 电阻较小毫欧级,所 以放电特性取决于放电回路的固有特性和电 弧的特性。火花放电当高低压电极之间的距离增大后,则在电极 间不能形成等离子体通道,仅在高压电极放电部位观察到向外喷射的半球形火花。在本装置 中,当高低压 电极间的距 离 大于厂洲、火7左一丈二一户气又止二7一叭,图火花放电 的 电流、电压示 波图 2&时 即可 形成火花放电。放电间隙的电流、电压典型示波 图如图所示。图是一 种电阻 性负 载的波形,其阻值是几欧姆的量级,它比回路的 波 阻抗 大得多。因此,放电的特性主 要取决于负载的特性。在放电回路 的固有特性相同的情况 下,火花放电的电流峰值和 功率峰值大约是电 弧放电的一半。在高压 电极附近的电场强度约为=,2;&,这 个数值只稍低于电弧放电的 电场强度 的 数值。在高压电极端部,存在一个“火花位 降区”。当电容器储能1,22 2,电压;。7;时,它的半径大 约是&。电容器中 的电压 降落在这个区内,因而其储能也大部分在此 区 内释放。电极 间的电位分布如 图所示。图还表 明,改变电极 间的距离对这个位降 区的大小影响不大。火花放电同样也 可以产 生气 泡。但是,8二二二二二 一了了士+/己=+,%+=7?月卫?卫?!图电征间的 电位分布图#被测点的 电位%&被测点与高压电极的距离实线&高低压电极间距离胡(虚线&高低压电极间距离)(它的胀缩周期较短,直径也较小。膨胀的初速度 每秒只有几 米到十 几米。由于 放电功率较小,因而气泡内压力和温 度也较低。当高压 电极的直径较小时,气泡呈 圆形,而 当直径较大时,则呈扁形。由于 电能集 中在高 压电 极附近释 放,因而气泡的最大直径及其胀缩周期 和电极 间的距离没有密 切 的关系。四种电极结构的对比电容器对水中间 隙放电,可以做成 多种 电极结构。本文仅研 究 了四种类型&平行电极放电震源对极放电震源爆炸丝放电震源和火花放电震源。前三种都是电弧放电形式,后一 种则是火花放电形式。平行电极平行电 极 即高、低压电极彼 此平行布置。两个 电极 均只有端面裸 露于 盐 水中,其 余部分 均有绝缘被覆。电极 间距离月+)(,电容器 电压,&+?).,改 变电容量就可 改变电容器的储能。用高速照相机测量气泡 的变化过程,则可 求 出气泡最大直径/二,和 气泡胀缩周期0,相对电容器储能1的变化关系,其曲线 如 图2、3所示。上述 关系也可以用经验公 式 表示/二4+?2评50刀,+?21。?6(76(876476)7式中1。的单位是焦 耳。气泡所做功1&可由下式近似计算二。迎竺、7?=一,。乙一一一5晰式中71。2“&丁刀7 _。“&,小7义=。一_。“同时还可推算出!,和_、“成正比。耀炸丝 电极爆炸丝放电是将高低压电极 间用直径27&的 铝丝连接。高、低压 电极 彼此平 行布置。选&,二途时。改变_。所得几,、!、刀的 曲线如图、所示。这些关系也可用经验公式表示为二 二。_。“&!。=7,1。&,刀=“,_”=同时,还可推算出!。和_、“”成正比。火花放 电火花放电的试验条件是高压电极置于放电室中心,四根裸铜棒 作为低压 电极按正方形顶点布置如 图所示。选&,#衅。改 变1所得。、!、刀的曲线如 图、所示。也可用经验公式表示如下次、7_。“”&=!=7,1”&。=勺二7_一。“=同时还可推算出!。和_5。“成正比。刀,和勺可达一,而刀。则高达,刀是刀,或刀的三倍。爆炸丝放电形成电弧 时所消耗的电离能要小得多,这是一个很重 要 的因素,同时 也 没有“泄漏”能量,所以它发出的冲击波能量和气泡所做的功均较大。下表给出了水、铜、铝由固态 变成等离子体过程 中所消耗能量的比较。而火花放电 的气抱效率低达,它的电极间电场强 度比较低,电流密度比较小,因而等离子体的温度、压力 均较低,所以使 电容器的一部分储能以“泄 漏”的形式转变为热能而损 失了。、?岛自0/,6(799几尸产,44?4:8;,?44的4?犷讼67/)口 不犷:674 )&图2气泡最大直径 几乒和电容器储能1&的关系图3气泡胀缩周期0和 电容器储能1的关系实验结果还表明,四种震源的气饱直径和胀缩周期都随电容器储能的增加而 增加,而前三种震源的气抱效率亦 随储 能的增加而增加。附。6 7图气泡效率刀和 电容器储能。的关系由此看来,爆炸丝放电 震源是一种效率较高的震源。当电容器储能再增加时,气泡效率还可大幅度地提高。但是船体在行驶过程中要把爆炸丝加到电极间是比较困难的。平行电极和对极放电震源的效率不太高。但平行电极的结构简单,运行方便实验表 明,当电容器储能增加时,气 泡效率可以进一步提高到 。因此,平行电极放电震源是一种很实用的震源。火花放电 震源的结构虽然简单,但气 泡效率过低,且当电容器储能 增加后,效率没有增加的趋势,因 此 目前使用这种 震源还需要研究提高效率的措施。形成电弧所 消耗 能量 的 比较,卡克度刀。卡克卡克石仟卡克门自才任=。=。=水铭铜参加 此项 研究工作 的有张禄荪、陈 东兵、郭忠华、褚宗兰和 谭芝仙。参考文献海洋石油勘探局 地调处、中国科 学院 电工研究所,电火花震源,海洋 石 油,第=期,=年库尔,水下爆炸,国防工 业出版社,”黝。?7:(2兀?,7?7益,尹%!%代%只仄9+?2及%,:,尸=自口洲?一、气 月气石由地球物 理 学家学会简介石油地球物理学家 学会已经成 立。它 的任 务是促进石油地球物理勘探技术的发展,提高会员们 的专 业知识水平。石油地球物理学 家学会的理 事会设名誉理事长、正副理事长和正副秘书长及理 事若干人,由正副 理事长和正副秘书长组成常务理事会行使 学会的职权。学会每年举行一次大型 学术报告会和若 干次小型技术座谈 会,举办各类培 训班,并开展其它方 面的 科学技 术交流工作。学会 的出版物为石油地球物理勘探杂志,双月刊。它 主要报道中国石油地球物理勘探方面 的先进技术和最新科研成果。学会设有文献资料部。学会 的领导和主要 办事机构的成员是&名誉理事长&顾功叙傅承义翁文波理事长&林运根副 理事长&潘暖陆邦干朱大授储绍 良秘书长&于锡胜副秘书一民&于 占元王敬煌杂志主 编兼文献资料部主任&陈俊 生学 会地址&中国河北省琢县十 一信箱