黃 海 吳 衡

（廣州海洋地質調查局 廣州 510760）

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

摘要 通過對兩套大容量電火花震源系統進行激發聲波測試，發現兩者的頻率有所差異。進而測試這兩套系統的固體放電開關的放電電流，并對比放電電流及這兩套設備的固體放電開關閘流管的電子特性，討論固體放電開關對激發聲波頻的影響。

關鍵詞 電火花震源 聲波 放電電流 固體放電開關 閘流管

1 概 述

電火花震源利用電容器充電后經電極在水中瞬間導通，電流的突然放電來激發聲脈沖。充電高壓電容器對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，不會貫穿兩個電極。由于放電氣泡小，氣泡無二次漲縮過程，直徑隨鹽水電導率增加而增加，正高壓氣泡直徑大于負高壓［2］。

現在海洋電火花震源的放電方式都采用電暈放電方式。本文僅對兩套大容量電火花系統（荷蘭GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統和自主研發的海鰻20kJ電火花震源系統）激發的聲波進行頻譜分析。

2 實驗系統的組成

由電火花震源系統通過水下電極電暈放電，激發聲波，產生的聲波通過震源子波測試系統的水聽器接收，最終由震源子波測試系統來處理采集的聲波信號，見圖1所示。

3 實驗設備

3.1 海鰻20kJ電火花震源系統

該系統樣機由震源主機、放電電纜、電纜絞車和放電電極組成（圖2）。震源主機的充電電路為恒流充電，放電開關由單管半導體閘流管組成（圖3），放電回路包含有放電開關、四組同軸并聯放電電纜、水下電極（10組電極，每組200極點面排列結構電極）。

圖1 電火花震源海上測試方法示意圖

圖2 海鰻20kJ電火花震源系統樣機

圖3 單管半導體固體開關及觸發電路板

主要技術指標如下：

● 能量輸出：最大20kJ，改變工作電壓或增/減電容器數量可實現儲能連續調節；

● 震源輸出電壓2～5 kV可調；

●儲能電容器采用脈沖電容器并聯，放電開關采用固體可控硅放電方式；

● 充電采用高頻高壓開關電源模式實現恒流充電，充電速率≥2500J/s；

● 震源激發聲波主頻為200～1200 Hz。

3.2 GEO-SPARK 10kJ電火花震源系統

該設備在2006年從荷蘭GEO-resources公司引進，包括震源主機、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）。該系統采用恒壓充電，放電開關由多管半導體晶閘管串并聯組成（圖5），放電電路包含有放電開關、同軸放電電纜和放電電極（6組電極，每組200極魚骨排列結構電極）。

其主要技術指標如下：

● 電壓輸出：3200～5600VDC可選，固態的半導體放電方式；

● 能量輸出：100～10000J，步長為100J；

● 充電速度：3500 J/s；

● 觸發：光電隔離觸發輸入；

● 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

3.3 震源子波測試系統

其主要包括以下幾個部分：

●標準水聽器 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 多管半導體晶閘管固體開關電路圖及實圖

圖6 震源子波測試系統

● NI 6281 M型數字采集器 輸入通道數：8個差分輸入或16個普通輸入；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；具有模擬觸發；集成信號調成：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 實驗方法

4.1 遠場子波測試［3］

在南海東沙群島選取水深2500 m海域定點實驗，把電火花震源系統廠界環境噪聲的水下電極沉放水深3 m；聲波數據采集系統的寬頻帶水聽器沉放水深80 m；每8s等時間觸發電火花震源系統，電火花震源系統通過水下電極放電；激發產生的聲波由聲波采集系統的寬頻帶水聽器接收，通過信號放大，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。

子波信號的采集通過聲波采集系統從激發時間起，可選取任一時間點記錄震源子波的時域波形，并根據上述截取的子波時域波形數據進行FFT處理計算得出其頻譜，可設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 儲能放電電流測試

電火花震源在激發聲波的過程中，為了了解震源的固體開關放電過程，在放電開關輸出端套上一個霍爾線圈，用示波器來監視其電容儲能的放電過程。

5 測試結果

5.1 遠場子波測試

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

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

5.2 儲能放電電流測試

從圖11、圖12、圖13和圖14對比來看，海鰻20kJ電火花震源系統樣機的放電電流大，上升斜率也大；而GEO-SPARK 10kJ電火花震源的放電電流持續時間長。

6 結論

通過這兩套設備的固體開關，我們發現海鰻20kJ電火花震源的固體開關采用的是單管閘流管，其放電過程時間短，放電電流大，其激發的聲波主頻就偏高；而GEO-SPARK10kJ電火花震源采用的多管晶閘管的固體開關，其放電電流偏小，放電時間持續長，這也是其激發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計，來實現改變激發聲波的主頻。

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

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

［2］秦曾衍.高壓強脈沖放電及其應用［M］.北京：工業大學出版社，2000.

［3］楊懷春.海洋地震勘探中空氣槍震源激發特性研究［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，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