专利名称：用于海上声学振动器的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋地球物理勘探，更确切地说，涉及用于海洋地球物 理勘探的振动源。
背景技术：
包括振动源在内的地震源#皮应用在对地J求的陆地和水面覆盖区域 的地球物理勘探中。这些源发出的信号向下传播至地球中，从地下的反 射界面反射并由地球表面上或地球表面附近的信号检测器(通常是水听
器(hydrophone)或地听器(geophone ));险测。
现今在海上作业中采用的大多数声源都是脉沖型，在这种类型中在 尽可能短的时间间隔内尽力产生尽可能大的能量。这类源的频谱只能在 较小程度上加以控制，并且对于不同的勘测需求为了产生不同的频率范 围而选择不同的源。在海上作业中已经使用了振动声源，包括液压传动 源和利用压电材料或磁致伸缩材料的源。然而，这些源的用途有限。虽 然这些源可发出不同频带的信号(通常称为"扫频")，但现有技术公知 的是这些源所能产生的有限功率限制了它们在海上作业中的用途。
公知的是，当声波穿过水和地下地质结构时，频率较高的声波比频 率较低的声波衰减得更快，因此频率较低的声波能比频率较高的声波在 水和地质结构中传递的距离更长。长时间来，在油气工业的地震部门中 一直有对大功率低频海上声源的需求。
因此， 一直需要改进的声源以用于海上作业。
发明内容
具体实施方式
中的海上振动器包括基本椭圆形的外壳、具有第一端 和第二端的驱动器、至少一个连接在所迷驱动器的所述笫一端与所述第 二端之间的外弹簧、以及至少一个连接在所述驱动器的所述第 一端与所 述第二端之间的内弹簧。所述内弹簧附接有一个或多个质量体。至少一 个传输元件将所述外弹簧和所迷外壳相连，并将声能传输至水中。对所 述外弹簧和内弹簧以及附接到所述内弹簧的质量体进行选择，从而在介于1Hz与300Hz之间的频率范围内产生第一共振频率和第二共振频率。
图1表示本发明在配置用于海上作业时的具体实施。 图2以局部剖面表示本发明的实施例。 图3表示本发明实施例的外弹簧。 图4表示与驱动器相结合的外弹簧。
图5表示与驱动器相结合的外弹簧、其结合了增设有质量体的内弹簧。
图6表示具有两个共振的模拟振幅谱。
具体实施例方式
海上振动器所受到的总阻抗可如下表述
=& + ,r (方程1 )
其中Zr是总阻抗
Rr是辐射阻抗，并且 ^是反应阻抗。
在分析海上振动器的能量转移时，系统可近似为屏障活塞(baffled piston)。在表述将经受到的总阻抗时，屏障活塞的辐射阻抗Rr为
7 r =孤2p。c《(;)c) (方程2 )
且反应阻抗为
X,孤》,X,(x) (方程3 )
其中
x = 2^ = ， = ^ (方程4)并且其中<formula>formula see original document page 5</formula>
并且<formula>formula see original document page 5</formula>其中
po-水密度，。=辐射频率，k-波数，"-活塞半径， 。=声速，^=波长，且J= 一阶Bessel函数 对以上方程采用泰勒级数展开，得到<formula>formula see original document page 5</formula>
对于低频率，当1 = 2&远小于1时，总阻抗表达式的实数部分和虛 数部分可利用泰勒展开的第一项来近似表示。当波长远大于活塞半径 时，低频表达式变为<formula>formula see original document page 5</formula>
由此得出结论，对于低频率，R与X相比较小，这暗示着信号发生 的效率4艮低。然而，通过在频语的下端引入共振，可以更加有效地产生 低频声能。在共振时阻抗的虛数(反应)部分被抵消，且声源能够有效 地将声能传输到水中。
本发明在一优选实施例中包括海上振动器，该海上振动器表现了至少两个处于所关注的地震频率范围(通常为1Hz到300Hz之间的范围) 内的共振频率。
图1示出根据本发明的一个优选实施例的海上振动器19在其配置 在海上作业时的实施。海上振动器19包括安装在框架16内的振动源20。 支架14连接到框架16的顶部并包括若干孔24，该孔24可用于将振动 器配置用在海上环境中。本文将进一步描述图1,但是为了更好地理解 本发明，参照图2至图5。
图2以局部剖面表示本发明的实施例，该实施例包括驱动器8，驱 动器8可以是磁致伸缩驱动器，并且优选地是由Terfenol-D形成。虽然 本文所述的本发明具体实施例仅示出了单一的驱动器，但并行使用多个 驱动器的实施方式也在本发明的范围内。本实施方式还包括与驱动器8 的各端13相连接的外驱动器弹簧3。在本发明的具体实施中，驱动器弹 簧3可具有椭圆形状。在驱动器8包括Tefenol-D驱动器的优选实施例 中，驱动器8还包括磁路(未具体示出)，当向该磁路施加电流时该磁 路将产生^f兹场。该^磁场将导致Tefenol-D ^f奉伸长。通过改变电流大小， 从而改变磁场的大小，使驱动器8的长度变化。通常，利用永磁体向 Terfenol-D棒施加偏压磁场，并通过向围绕Terfenol-D棒形成的电线圏 施加变化的电流而产生磁场变化。驱动器的长度变化导致外驱动器弹簧 3的尺寸相应地变化。
图2中还示出了内弹簧4，内弹簧4附接有质量体7。如下进一步 所述，包括附接有质量体7的内驱动器弹簧4以在所关注的地震频率范 围内获得第二系统共振频率。虽然仅包括外弹簧3的振动器系统通常会 表现出第二共振频率，但对于尺寸适于用在海洋地球物理勘测中的系统 而言，第二共振频率会远高于所关注的地震频率范围内的频率。
如图2所示，安装支架28在其上端和下端固定连接到上端板和下 端板18 (如图1所示)。驱动器8在其纵向中央位置固定连接到安装支 架28,以保持驱动器8的稳定基准点。驱动器棒8的端部13的运动不 受安装支架28的限制。
图2示出的本发明的一个实施例还包括外壳2,外弹簧3通过传输 元件5连接到所述外壳2。外壳2的形式一般称为弯张外壳(flextensional shell)。在本发明的具体实施方式
中，外壳2包括两个侧部和两个端梁 1,所述两个侧部可互为镜像，且所述侧部通过铰链6铰接式连接到端
6梁l。图2示出了外壳2的侧部之一，该侧部在图2中表示为外壳侧部 2a。在完全组装时，构成了基本上为外壳侧部2a的镜像的第二外壳侧 部(图2中未示出)将通过铰链6铰接式连接到端梁1,从而完成包围 了组装好的驱动器8和外弹簧3以及内弹簧4的弯张外壳。
参照图1,海上振动器19还包括顶端板和底端板18。组装好的外 壳2包括两个外壳侧部和两个端梁1,该外壳密封地附接到顶端板和底 端板18。尽管外壳2与顶端板和底端板18密封地接合，但当海上振动 器19作业时，所述外壳2将相对于所述端板18运动，因此所述端板18 与所述外壳2之间的连接为柔性连接，该柔性连接可通过例如柔性膜22 (未详细示出)提供。
图3、图4和图5中示出了本发明具体实施的其它细节。图3表示 外驱动器弹簧3。该弹簧具有两个功能。 一个功能是将所述磁致伸缩驱 动器8的长度变化转变为所述外壳2的运动。第二功能是形成共振系统， 以更加有效地在海上环境中产生声能。当驱动器8的长度缩短时，驱动 器弹簧3的中心部分将从驱动器8向外运动，且当驱动器8的长度伸长 时，驱动器弹簧3的中心部分将朝向驱动器8向内运动。外弹簧3的中 心部分的该运动借助于传输元件5传递到外壳2。从而外壳2的该运动 相对于驱动器的运动得到增强，该增强量通常称为"转换因子 (transformation factor)，，，由椭圆形驱动器弹簧3的半径IO确定。转 换因子的值通常根据椭圆形弹簧的半径而从2到5变化。如果需要用较 小的力产生较大振幅，那么选择较大的转换因子。驱动器弹簧3的两个 部分由驱动器板9互连，该驱动器板9在振动器20组装好时形成所述 驱动器8的上端和下端13。
图4表示外驱动器弹簧3以及驱动器8。图4表示通过驱动器板9 连接到驱动器8的驱动器弹簧3，驱动器板9固定到驱动器8的各端。 外驱动器弹簧3、驱动器8和外壳2的特性基本确定了第一共振频率。 通过选择驱动器弹簧3的弹簧常数，可在所关注的地震频率范围内得到 处于所需频率下的共振频率。
图5表示具备附接有质量体7的内驱动器弹簧4的海上振动器设备。 附接有质量体7的该内驱动器弹簧4将与驱动器8相互作用以确定第二 共振频率。通过选择内驱动器弹簧4的弹簧常数和质量体7的质量，可 在所关注的地震频率范围内所需频率下得到第二共振频率。该第二共振将增强海上振动器的声输出并在第 一与第二共振之间产生接近平坦的 振幅谱。外弹簧3和内弹簧4均可由钢、玻璃纤维、碳纤维或其它适当 柔性材料形成。
图6表示得自根据本发明优选实施例的海上振动器的有限元模拟结 果。第一共振频率11基本来自外驱动器弹簧3、驱动器8与外壳2的相 互作用。第二共振频率12基本来自内驱动器弹簧4与其附加质量体7 和驱动器8的相互作用。
在构造本发明的任何具体实施时，可利用本领域普通技术人员所公 知的有限元分析。在这类分析中，以下操作原理是相关的。如果外壳2 近似为活塞，那么对于低频率而言，作用在外壳上的质量载荷或等效流 体载荷为
其中，M为质量载荷 po为水密度，并且
"是与外壳2的尺寸对应的活塞的等效半径。
外壳2在其椭圆形的长短轴之间具有转换因子Tshell,使得两个外壳 侧部(图2中的侧部2a以及其在外壳2另一侧上的镜像)的偏转比由 传输元件5的运动引起的端梁1(其将外壳2的两个侧部互连)的偏转 幅度更大。另外，外弹簧3在驱动器8上产生较大的质量载荷，因为外 弹簧3在其椭圆形的长短轴之间也具有转换因子，长轴基本等于驱动器 8的长度且短轴是椭圆形弹簧的宽度。将该转换因子称为Tspring,该驱动 器8上的质量载荷为
<formula>formula see original document page 8</formula>声学发射器的第 一 共振基本由以下质量弹簧关系确定<formula>formula see original document page 8</formula>其中:
尺-弹簧常数，并且
A/ =驱动器8上的质量载荷。
丄"o她r
《代表与驱动器8相结合的外弹簧3的弹簧常数，其中外弹簧3通 过传输元件5、端梁1和铰链6而连接到外壳2。
为了实现具有所关注的地震频率范围的高效能量传递，重要的是在 所关注的地震频率范围内获得第二共振频率。在缺少内弹簧的情况下， 当与驱动器8 —起作用的外驱动器弹簧3具有其第二固有模态(Eigen mode)时将产生第二共振频率。然而该共振频率通常远高于第一共振频 率，因此将在所关注的地震频率范围之外。从前述方程明显可知，如果 外弹簧3上的质量载荷增加，那么共振频率将降低。可通过向驱动器8 增设质量体而增加该质量载荷，然而为了增加足够的质量以在所关注的 地震频率范围内获得第二共振频率，需要增加至所述驱动器的质量将导 致该系统不能实际应用于海上地震作业。
根据本发明，在外驱动器弹簧3内包括第二弹簧、内驱动器弹簧4， 在内弹簧3的侧面上增设质量体7。该增设的质量体的效果与在驱动器 8的端部所增设的质量体等同。
(方程14)
额外弹簧，内驱动器弹簧4也具有转换因子Tm，并将增加Terfenol 驱动器8上的质量载荷。使用具有增设的质量体4的所述内弹簧4可以 调谐系统的第二共振，使得第二共振处于所关注的地震频率范围内，从 而提高地震频带中声学发射器的效率。
其中尺=内弹簧的弹簧常数
i朋"
尺=外驱动器组件的弹簧常数。
本发明不仅在所关注频率中产生两个共振，而且可以使这类声学发
(方程15)射器产生大振幅成为可能。
虽然针对有限数量的实施例描述了本发明，但本领域技术人员在受 益于本公开后将理解，可以设计不脱离本文公开的发明范围的其它实施 例。因此，本发明的范围仅由所附权利要求限定。
权利要求
1.一种海上地震振动器，包括基本椭圆形的外壳；具有第一端和第二端的驱动器；至少一个连接在所述驱动器的第一端与第二端之间的外弹簧；至少一个连接在所述驱动器的第一端与第二端之间的内弹簧，所述内弹簧附接有一个或多个质量体；至少一个将外弹簧和所述外壳相连接的传输元件，其中，所述弹簧和所述质量体被选择为产生在1Hz与300Hz之间的频率范围内的第一共振频率和第二共振频率。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述驱动器包括磁 致伸缩驱动器。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述磁致伸缩驱动 器包括Terfenol-D。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，外驱动器弹簧与所 述驱动器和所述外壳一起确定所述海上振动器的第一共振频率。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，内驱动器弹簧和附 接在其上的质量体以及所述驱动器确定所述海上振动器的第二共振频 率。
6. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，其中所述外壳是弯 张外壳。
全文摘要
本发明涉及用于海上声学振动器的驱动装置。具体实施例中的海上振动器包括基本椭圆形的外壳、具有第一端和第二端的驱动器、至少一个连接在所述驱动器的所述第一端与所述第二端之间的外弹簧、以及至少一个连接在所述驱动器的所述第一端与所述第二端之间的内弹簧。所述内弹簧附接有一个或多个质量体。至少一个传输元件将所述外弹簧和所述外壳相连接。对所述外弹簧和内弹簧以及附接到所述内弹簧的质量体进行选择，从而在1Hz与300Hz之间的频率范围内产生第一共振频率和第二共振频率。
文档编号G01V1/143GK101526624SQ20091000833
公开日2009年9月9日 申请日期2009年2月26日 优先权日2008年2月26日
发明者S·R·L·滕汉恩 申请人:Pgs地球物理公司