用于水下地震勘探的海洋振动声源的制作方法
【专利摘要】一种用于在水体和水体下方的地质结构内产生扫描或脉冲编码信号的海洋振动声源，该海洋振动声源主要用于水底下方的地层的地震勘探。更具体地，一种高功率、伺服控制的液压声源，该声源能容易地在水中拖曳、沿着水下底面拖曳或在水下底面上的静止位置使用。
【专利说明】用于水下地震勘探的海洋振动声源
[0001]对相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2011年8月24日提交的美国临时申请N0.61/576，605和2012年3月30日提交的美国临时申请N0.61/686，199的优先权，每个申请均题为“ImProved MarineVibratory Sound Source for Beneath Water Seismic Exploration”,所述申请在此以引用的方式整体并入本文。
【技术领域】
[0003]本发明涉及一种用于在水体中和水体下方的地质结构内产生扫描或脉冲编码信号的海洋振动声源，该海洋振动声源主要用于水底下方的地层的地震勘探。更具体地，本发明涉及一种高功率、伺服控制的液压声源，该声源能容易地在水中拖曳、沿着水下底面拖曳或在水下底面上的静止位置使用。本发明的说明性实施例是一种具有光滑、管状构型的海洋振动声源，其具有可选的控制翼(control fin)以协助将设备维持在水体内的指定深度处。
【背景技术】
[0004]存在现有技术的振动型海洋声源，但此类设备笨重、庞大、局促并且难以配置在海轮后方。某些现有技术液压致动的振动海洋声源被尝试直接装设在海轮的船尾上。然而，这种装设在船尾、液压驱动的振动声音设备产生的作用力/反作用力产生麻烦、烦扰和非期望的振动，包括船本身的船后端分。此类振动在恰好与由大型装设在船尾的强力、液压驱动的振动声源产生的基础和/或谐振(泛音)频率共振的结构部件、面板、支柱等中变得剧烈。
[0005]对使用与船本身分离并在船后方被拖曳通过水体的现有技术振动声源的尝试经历了相当大的困难。它们的极大重量和体积使得它们难以从船舷提升到船尾上方并且然后下降到水中以配置它们。它们同样难以从水中收回以使它们回到船舷上。
[0006]此外，现有技术海洋地震振动装置的大截面积(即，它们的迎风面积)产生无法接受的大水中阻力，由此使抵抗拖船的向前运动而向后拖拽。大阻力的不希望存在的后果是拖曳设备中过大的应力和用于推进拖船的燃料的浪费的大量消耗。
[0007]本发明人在美国专利N0.6，464，035中描述了一种产生最低限度的阻力的光滑、鱼状构型，所述申请在此以引用的方式整体并入本文。所公开的设备纠正了上述问题中的许多问题，但该设备具有最低限度的对将系统定位在指定深度处的控制和压力平衡方面的瑕疵。相应地，需要一种海洋声源系统，该海洋声源系统改善了深度定位控制、改善了频率响应、通过减少不希望的加速而提高了能量效率和可靠性、并且提供了污染被勘探水体的风险的降低。
【发明内容】
[0008]根据本发明的一个方面，公开了一种用于在水体中产生强扫描频率和脉冲编码的声能信号并将其传播到水体中以勘探水底下方的地质结构的可拖曳的海洋振动能量源。
[0009]本发明的说明性实施例所提供的诸多优点尤其是其流线形状和用于将设备定位并维持在水体内的指定深度处的控制所带来的优点。该海洋振动源的光滑轮廓允许系统在底面上的地质结构的地势上操作而不会造成过大的阻力或使系统卡挂或钩挂在大洋、大海、湖泊或其它水体的基底上的突出的岩层或其它物体上。不具有突起的光滑形状也有助于使系统移动上下勘探船。可选地，深度控制翼可附着于系统以协助在由勘探船低速和高速拖曳海洋振动源的同时将其定位在期望深度处。该系统还可在水体的底面上的静止位置操作。
[0010]根据本发明的一个独特方面，该振动源具有半球形的拖头和装设在形成为长的筒状不锈钢壳体的中段上的流线形的尾段(tail head)。具有一系列用于连接空气管路、水管路、液压管路和电气控制线路的安装端口的附属舱口(hatch)附接到拖头的上表面。该系列的附接端口成指向与海洋振动源被拖动的方向相反的方向的锐角延伸。对向的角度缓解了高压液压管路、空气管路和电缆束内的应力。液压输入和输出管路均附接到主流体输送组件的输入和输出导管，其中每个导管都穿过附属舱口中单独的加大尺寸的开口延伸。开口的直径大于主管道导管，以允许在主振动源操作时主流体输送组件随着高压液压流体以在从例如2Hz至200Hz的范围内的频率被送入和送出伺服阀而在直径较大的开口内振动。焊接于附属舱口的不锈钢管道包围各输入和输出导管，其中弹性、柔性的橡胶软管接头(jumper)将舱口附接到输入和输出液压管路的可分离配件。在拖头壳体内，高压液压流体被进一步给送通过与主体流体输送组件并列的脉冲减振器以消除由于高压液压流体的流动方向的变化而造成的脉动。低频和高频脉动随着管路内的流体压力达到例如3000psi而被脉冲减振器吸收，从而防止损坏伺服阀或其它系统构件并且减少寄生噪音和振动。
[0011]该海洋振动源的另一个重要方面是使中段与多个活塞腔室组件形成端对端附接的模块化的筒状壳体。各活塞腔室组件与附接到拖头的壳的前组件和附接到尾段的壳的后组件互相轴向对齐地附着。利用三件式凸缘夹环将第一活塞腔室组件的筒状壳体固定于该腔室内的静止隔板(bulkhead)的外径来完成附接。第二活塞腔室组件的筒状壳体也被固定于夹环内的静止隔板，其中每个另外的腔室都类似地附接，从而形成中段。可利用该模块化的结构来附接所需数量的腔室，这允许系统构造为适合于适应对特定水体和勘探的振动功率输出要求的长度和尺寸。
[0012]这些模块化的活塞腔室中的每一个活塞腔室内都有附着于长度适合的活塞轴的可轴向振动的活塞，所述活塞轴插入穿孔各活塞腔室组件的静止隔板中的开口。活塞轴在静止隔板的中央孔内来回移动。活塞和静止隔板均具有互相对向地定位成形成沙漏形的压缩腔室的圆锥形面。随着活塞随轴来回移动，水在活塞和隔板的圆锥形面之间脉冲并从所述圆锥形面冲出，从而将声波从海洋振动系统传播出来以及在其周围传播。活塞和隔板的圆锥形面将水的运动从筒状壳体内的端口引出以及引导通过所述端口，从而改善平面活塞上的振动信号的特性。圆锥形面还减小了压缩腔室容积并由此降低了整体系统功率要求，这是因为与尺寸相当的平面活塞相比必须移动的水的体积更小。在该腔室内，轴和活塞往复振动而产生用于识别水体的底部下方的地质结构的声波。
[0013]圆锥形活塞由例如钛制成并且具有中空结构，其中内部角板和肋支承该结构，从而使系统的总重量更轻并且进一步降低了功率要求。圆锥形的活塞利用钛套筒间隔件沿着钛轴定位，所述套筒间隔件利用穿过各圆锥形的静止隔板中的开口延伸的单独间隔件将活塞定位在各隔板之间。静止隔板由非腐蚀性材料如不锈钢或不锈钢合金如17-4ph制成。隔板也形成为中空的薄圆环，其中圆锥形的面和平坦后表面布置在相邻的活塞腔室组件内的圆锥形的活塞的平坦后表面附近。活塞和隔板的各后表面具有一系列孔，从而形成与活塞和静止隔板的内部共用的空气腔。空气从压缩机给送并通过勘探船上的压力调整器并且被迫压到位于钛活塞轴中央的轴向通路中以进入空气腔以及活塞和隔板的内部空间。该压力在操作时被维持在周围的水压或接近周围的水压以平衡活塞上的力。该平衡空气压力还充填拖头和尾段的内部隔室。利用附着于拖头的外壳的双压力传感器，测得内部和外部压力并且将所述压力传送到勘探船上的控制系统。基于这些压力读数，可以对系统的空气压力进行调节，以改变振动信号的特性。监视系统压力可进一步检测空气泄漏或其它系统异常。
[0014]活塞轴延伸到拖头内的致动器筒状壳体中。壳体内的串联致动器活塞组件被附着于活塞轴，其中致动器活塞的移动由闭环液压动力输送线路控制。歧管直接装设在致动器筒状壳体的平坦顶面上，其中伺服阀直接装设在歧管顶部上，从而形成直接穿过歧管延伸到各致动器活塞的液压腔室的竖直流体输送孔。输送孔的最小长度小于致动器活塞的直径，从而提高了向系统输送流体的效率。在操作中，勘探船上的控制器向伺服阀发送经调制的扫描或脉冲电信号，以引导高压液压流体流过前输送孔，从而充填前致动器活塞液压腔室。同时，流体流从后致动器液压腔室被引出以从后致动器活塞排泄流体，由此使致动器和轴随圆锥形的活塞沿向前方向沿着轴移动。以选定的频率发送信号，以控制伺服阀改变流体流的方向并且引导液压流体充填后致动器活塞液压腔室，同时将流动引导成从前致动器活塞液压腔室排泄流体，由此使所有活塞都沿向后方向沿着所述轴移动。扫描和脉冲正弦波形信号可在2HZ至200HZ的范围内，并且可被调制成形成正弦状、锯齿状、方形、三角形或其它形状的信号并由此使各模块化的腔室内的活塞振动以使压缩腔室内的水振动，从而以选定的频率传播振动波。可调节频率和波形以减少空穴并改善振动波的整体特性。附接到活塞轴的端部的定位传感器也向勘探船上的计算机控制系统提供反馈，以将电子信号的频率调节为期望波形或在调节流体流的时间段期望的预设频率范围并由此使该频率的声波从振动源传播出来。伺服阀接受精确调整的频率调节并且快速调节流体流量以产生并维持与期望波形或频率范围匹配的真实、极易再现的波形，从而允许计算机控制系统软件过滤和合并振幅以可靠地确定水体底部下方数英里的地质结构的结构形态。
[0015]在又一个实施例中，一种长形筒状弹性隔膜可附接到拖头的后部和尾段的前部以环绕中段筒状壳体。该隔膜仅被固定在拖头和尾段，由此搁靠在夹环上并在隔膜与筒状壳体之间形成可调整的空间或腔室。活塞压缩腔室被充填有新鲜水或与丙二醇混合以防止冻结的新鲜水并且一系列端口与弹性隔膜连通。每个活塞腔室组件都具有多个端口，所述端口的组合截面积大于圆锥形的活塞的截面积，以使进出各压缩腔室的振动水流量最大化。随着活塞振动，水充填隔膜内的可调整空间，从而使隔膜以与所述电信号的频率匹配的频率膨胀和收缩。隔膜的整个表面区域变成与水的振动耦合器，从而在更大的均匀表面上传播来自端口的波形。
[0016]在本发明的该方面中，隔膜变成当浸入水中时具有更真实地复制来自控制系统的期望信号或预设的频率范围的运动的传声部件。在振动信号周期的例如为正弦波的上升段(rise)的第一部分中，移动的水耦合部件在压力下将水推开。随着活塞在振动信号周期中的正弦波的下降期间退回并扩大压缩腔室内的容积，耦合部件反转并且向外移动的水必须逆转其方向以跟随耦合部件。此时耦合部件与其间界面处的水之间的压力发生减弱。如果该海洋振动源正在深度浅的水中操作，则在耦合部件与水之间的界面处可能出现由局部真空和水蒸气组成的空穴，特别是压缩腔室内的水承受张力和低压力时的温水中。空穴将造成所传输的声信号中不希望有的尖峰。该问题的一个解决方案是使所述源在水压较高并且活塞或其它振动传递部件的向后移动不易在其向后行程期间造成空穴的较深深度处运行。
[0017]在本发明的又一个实施例中，设置了送水管路以向传声筒状隔膜的范围内的可调谐空间增加水。可在振动源操作时增减水。由于隔膜具有高强度和弹性，故它将抵抗拉伸并且因此隔膜内的压力将随着增加额外的水而增大，从而降低压缩腔室内面向水的圆锥形的活塞表面处出现空穴的可能性。如果所述源要在浅水中例如在沼泽中或水体的岸附近操作，则这是一个重要优点。由于筒状隔膜具有比活塞在腔室面向水的表面积多的面向周围的水的表面积，故隔膜的外表面的运动幅度较小，因而降低了空穴化的倾向。充水管路形成在附属盖中以将水从勘探船引导通过管状导管，从而充填所述空间或释放来自隔膜下方的空气，由此减少活塞的高频移动造成的空穴，从而改善振动源的整体频率响应。如果在操作期间空气从通风孔逸出，则作为通风孔的充填管路导管还将可供用于检测系统内破损的密封件或泄漏。另外，水听器定位在附属舱口的后表面上，以监视来自振动源的信号并将其传送到控制系统作为在信号处理中使用的基准。在该说明性的实施例中，所述系统可以由于从活塞和隔板的对向的圆锥形状形成和排出的振动脉冲而在没有筒状隔膜的情况下操作，如文中更详细所述。
[0018]在本发明的另一个方面中，通过构成双伺服阀系统来消除振动加速以及减少寄生噪音，其中各伺服阀附接到单独的致动器和振动源组件，其中前组件和后组件定位成端对端轴向对齐。在该构型中，各伺服阀控制各串联致动器活塞组件和各振动源组件的移动，从而允许单独的振动组件同步并沿对向的方向移动。利用单个振动源，由于筒状壳体沿与活塞组件的移动相反的方向移动而产生寄生噪音和非谐波振动。由于这些对向的力，随着活塞例如沿向后方向移动，未附接到活塞组件的筒状壳体沿向前方向移动并且筒状壳体的移动造成不希望有的噪音。
[0019]通过端对端地定位两个振动源组件，消除了筒状壳体的每一次系统移动，从而减少了泛音和非谐波振动。装设在组件的各活塞轴上的定位传感器向系统控制器提供反馈，以调节各伺服控制系统的频率和由此通往歧管的输入阀和输出阀的液压流体流量，以同步前、后振动组件的操作，从而提高声信号的功率输出振幅和解析度。声源的模块化构造有利于利用合适数量的圆锥形的活塞腔室和将有益于各种海洋地震勘探和勘探应用的合适的活塞轴长度来制造前、后振动源组件。
[0020]在再又一个实施例中，水马达(water motor)可定位在拖头隔室内以直接驱动液压泵,从而在海洋振动源内形成闭环液压动力系统。拖船上的水泵以例如高达4000psi的压力将水泵送到水马达。水马达联接到使向歧管、伺服阀和致动器提供流体的液压泵旋转的轮轴。水被排出到系统的外部进入水体中，从而免除对由外部液压系统使用的通往船的附加回流管路的需求。热交换器沿着水输出管路附着，以在液压流体在致动器活塞腔室之间被往复引导以使振动源组件振动时提供用于系统的液压输出管路的冷却。利用该设计，大幅降低了液压流体泄漏到水体中的风险。[0021]在再又一个实施例中，可使用海水代替液压流体来驱动振动源组件。海水从勘探船被直接泵送通过歧管、伺服阀和致动器，以给致动器提供动力并使所述源以规定的扫描或脉冲频率振动。来自该系统的排出物也被引导到水体，从而消除通往勘探船的附加回流管路的成本和必要性。一个或多个海洋振动源系统可用于更大的地理覆盖范围，从而使第一振动源能够与被拖曳或定位在更大的水体中或通过更大的水体的伴随源同步。
[0022]本发明的另一个重要的方面是利用中空的钛活塞、钛活塞轴和中空的不锈钢隔板来减轻海洋振动源设备的重量。利用内部角板和肋来加强和支承活塞和隔板的中空筒体。重量的减轻降低了整体功率要求，其中需要更小的功率来致动和移动中空活塞。
[0023]该系统还可具有深度控制翼以将设备操作到规定深度。附接到控制翼的电机可基于周围水压和预设的基准压力来自动调节翼的俯仰角。可通过将周围水压与基准压力进行比较来将该海洋振动源保持在特定深度处。如果周围水压高于基准压力，则电机顺时针转动控制翼，从而引起海洋振动源上的向上力使海洋振动源随着其被拖曳而上升，直至达到设定的基准压力。在期望深度处，翼定位在中间位置。如果测得的水压低于基准，则使控制翼逆时针转动，从而将海洋振动源移动到更低深度。或者，可将浮子附接到设备的前部和后部以调节设备的深度。
[0024]根据如文中所述的新颖海洋振动源的使用，有利的是在多种海洋环境中进行地震勘探。例如，位于海岸附近或浅水中的海洋环境，其中在深度不足例如7.62m(25英寸)的情况下难以拖曳声源。普遍的勘探拖曳操作的深度为从7.62m(25英尺)至12.19m(40英尺)，并且因此如果水过浅而不能进行勘探，则有利的是利用本发明的振动声源来在振动源可在水体底部上被拖曳的这种海洋环境中进行勘探。光滑设计不具有可能粘附或悬挂在水底地势上的突起，并且拖头的充气腔室、拖头和平衡空气腔内的空气提供了足够的浮力，以使源的水下重量处于从例如约226.8kg(500磅)至317.5kg(700磅)的范围内，由此使其重量非常轻并且可在较浅的深度处操作。
[0025]本发明的声源还可在不改变所产生的信号的特性的情况下在不同水深下操作，这是因为可调节平衡空气腔室内的低压空气以使操作深度处的静水压力匹配。例如，可能有利的是将振动源拖曳到比标准深度深的深度以避免存在巨浪的恶劣天气造成的潜在问题。所述源可配置在这种深度处或甚至在需要时配置在例如数百英尺水深处的海床上并且将正常操作，这是因为压力平衡空气将手动或自动改变以在Ipsi内与操作深度处的水压匹配。本发明的声源因此可在宽范围的不同深度和海洋环境中操作。
[0026]通过参照以下详细描述和附图，将更好地理解根据本发明的这些和其它特征、优点和改进。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]现将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的若干实施例，在附图中:
[0028]图1是本发明的海洋振动源的一个实施例及勘探船的图示；
[0029]图2A是本发明的海洋振动源的一个实施例的侧视图；
[0030]图2B是本发明的海洋振动源的一个实施例的顶视图；
[0031]图2C是本发明的海洋振动源的一个实施例的深度控制系统的第一实施例；
[0032]图3是通往本发明的海洋振动源的实施例的电气线路、空气管路和液压管路以及附件的第一实施例的侧视图；
[0033]图4A-4D是用于本发明的海洋振动源的实施例的歧管的第一实施例；
[0034]图5是本发明的海洋振动源的实施例的致动器系统的第一实施例的侧视图；
[0035]图6A和6B是用于本发明的海洋振动源的实施例的主隔板和致动器壳体的一个实施例；
[0036]图7是本发明的海洋振动源的实施例的活塞轴组件的第一实施例的侧视图；
[0037]图8A是本发明的海洋振动源的实施例的振动源组件的第一实施例的侧视图；
[0038]图SB是本发明的海洋振动源的又一个实施例中具有传声联接部件的振动源组件的侧视图；
[0039]图9A和9B是本发明的海洋振动源的实施例的静止隔板和具有夹环的活塞的第一实施例的侧视图；
[0040]图10A-10D是用于本发明的海洋振动源的实施例的夹环的第一实施例；
[0041]图11A-11C是本发明的海洋振动源的实施例的圆锥形的静止隔板的第一实施例；
[0042]图12A-12C是本发明的海洋振动源的实施例的圆锥形活塞的第一实施例；
[0043]图13A是致动器活塞组件的第一实施例的顶视图和本发明的海洋振动源的实施例的振动源组件的侧视图；
[0044]图13B是致动器活塞组件的第一实施例和本发明的海洋振动源的实施例的振动源组件的剖面的侧视图；
[0045]图14是具有用于充填活塞腔室组件的接近端口的本发明的海洋振动源的又一个实施例；
[0046]图15是用于本发明的海洋振动源的可调节的充水导管的再又一个实施例；
[0047]图16是具有双伺服阀系统的本发明的海洋振动源的又一个实施例的局部侧视图；
[0048]图17是具有双伺服阀系统的本发明的海洋振动源的又一个实施例的侧视图；
[0049]图18是具有驱动液压系统的水马达的本发明的海洋振动源的又一个实施例；
[0050]图19A是具有来自勘探船的单个软管的利用海水作为动力输送流体的海洋振动源的再又一个实施例的顶视图；
[0051]图19B是具有来自勘探船的单个软管的利用海水作为动力输送流体的海洋振动源的再又一个实施例的顶视图。
【具体实施方式】
[0052]如图1所示，海洋振动能量源10可由地震勘探船I拖曳。振动源10被固定于链条或缆绳3并且放置在需要地震勘探的水体4中。除拖链3外，具有电气控制线路、液压软管和空气管路的缆束5从船I固定于海洋振动源10。具有浮链7的一个或多个浮子6也可固定于海洋振动源10的前段和后段上的拖挂点支架8，以控制和调节设备的深度。振动源10呈长形，具有包括水动力拖头12和后段14的总体大体筒状设计。这些前段12和后段14被合适地且可移除地装设在可形成为长筒状壳体的中段15的前端和后端。海洋振动源10的流线形的主体特别是在系统10的下部上不带突起或台肩，以使得系统10可更容易地移动上下勘探船I并且可沿着正被勘探的水体的底部被拖曳而不会造成系统上的额外摩擦或阻力。平滑、水动力学形状还防止系统10卡挂在岩层或大洋、湖泊、水池或其它水体的底部上的其它物体上。中段15具有在其中同心地延伸的如图2A所示的纵向轴线Xe。中段15可延伸为任意所需的长度以适应不同勘探条件所需的输出振幅，所述长度的尺寸为从3m (IOft)至5.5m (18英尺)，但更具体地约4.6m (15ft)，以使得在包括拖头12和后段14的情况下沿着设备的纵向轴线XC的总长度可以是长6m(20ft)以上。后段14形成有呈锥形筒体或圆锥体形状的隔室17，从而降低阻力并提高系统10的可操作性。后段外壳16渐缩至光滑、圆形的尖端(snub end) 18，具有由消除了变形的不锈钢或其它非腐蚀性合金形成的平滑表面19，以进一步减小海洋振动源10操作时的阻力或振动干扰。
[0053]海洋振动源10的前部中的拖曳段12的鼻部20也可形成为锥形的圆锥体或半球形的前帽21。平滑表面22类似地由消除了变形的不锈钢合金制成，从而提高水动力学性能并减小在被拖动通过水时的阻力。在拖曳段12的上表面23上，附属舱口 24覆盖液压和控制系统构件并提供对拖头隔室25的接近。一个或多个液压管路附接端口 27穿过附属舱口24延伸以连接缆束5的液压管路、空气软管和电气线路。
[0054]为了操作振动源10并使其上升或下降到规定深度，浮子6和链条7可在拖曳点支架8附接于前段12和后段14。拖曳点支架8可形成有回转连接器以提高拖曳时的可操作性。可选择地或附加地，深度控制翼29可附着于拖曳段12以特别是在系统10在浮冰下方被拖曳的情况下操作系统10。控制翼29从拖曳段12的任一侧侧向地延伸。各翼29附着于穿过系统10的拖头外壳26延伸并附接到电机31的轮轴30。电力或电池动力的电机31从缆束5附接到电缆28并由勘探船I上的电子系统控制器32从表面控制。
[0055]当翼沿着XC轴线对齐时，叶片位置传感器33确定深度控制翼29在翼位于通常位置的情况下的姿态。穿过拖头的外壳26装设的双压力传感器34测量包括拖头和后隔室25、17及一系列空气腔211的系统10的周围压力Pa和系统10外部的水压Pw。这些压力Pa、Pw传递到电子系统控制器32并且对来自勘探船I的空气流量进行调节以维持与通过系统在水体4内的深度确定的外部水压Pw匹配的空气压力。
[0056]为了利用控制翼29来调节海洋振动系统10的深度，针对期望深度选择基准压力Pr并从电子控制器32发送信号以转动电机31,从而选择控制翼29。控制翼29基于周围系统压力Pa、外部水压Pw和预设的基准压力Pr的比较而顺时针或逆时针旋转。电机31在外部水压Pw大于基准压力Pr的情况下沿顺时针方向旋转，从而在海洋振动源10上形成向上的力而使海洋振动源10随着被拖曳而上升，直至达到基准压力Pr。电机31然后沿着XC轴线将翼29调节为中间位置，以将系统10维持在通过基准压力Pr设定的深度处。如果水压Pw低于基准压力Pr，则电机31使控制翼29沿逆时针方向旋转，从而使海洋振动源10移动到较低深度。重要的是，控制翼29提供对系统10的深度的轻微调节，其中将系统维持在指定深度处对于使振动源与为了更大规模的地质勘探而配置的一个或多个其它系统10同步而言很关键。利用控制翼29或拖链7，海洋振动源10可被拖曳通过水或者被保持在表面或水体底部的基底上的静止位置。通常，系统在6m(20ft)至10m(32ft)的深度处被拖曳，其中深度要求由正在进行的地质勘探以及将系统10维持在期望深度处的控制缆绳和液压管路的长度及功率需求确定。基于这些需求，海洋振动源10可如文中所述在任意深度处操作。
[0057]内部隔室的周围空气压力由船I上的空气压缩机46和调整器控制。利用装设在拖头的外壳26上的双压力传感器34来监视内部隔室压力和外部周围水压。压缩空气经缆束5内连接到附属舱口 24上的密封配件48的空气管路47给送。如图2B中的系统的顶视图所示，在空气管路连接器48附近，一个或多个电连接器50穿过附属舱口 24的表面分布以向系统内部构件传输电力和控制信号。输入液压管路60附接到附接端口 27的可分离配件64并且将液压管路固定于附属舱口 24，如图3所示。输入液压管路60向系统供给高压液压流体并且液压回流管路62排出已进入并通过系统的流体，从而使流体在闭环液压系统中回到勘探船I。位于勘探船I上的液压泵45例如以100GPM至250GPM的流量和高达3000psi的压力泵送流体通过液压系统。
[0058]利用带有一系列螺栓41和垫片(未示出)的螺栓连接法兰39将附属舱口 24附着于拖头外壳26的表面23，以形成舱口 24对拖头12的气密密封。附接端口 27可互相偏离以在各端口 27周围提供用于附接液压管路60、62的附加空间。用于液压输入和输出管路的各附接端口 27形成有成角度的不锈钢管状支承件61，该支承件包围用于附属舱口 24的盖内的各管路的单独开口并从该开口延伸。主流体输送组件具有均伸出并穿过各舱口开口和成角度的支承管61以与可分离的液压配件64连接的主输入导管36和主输出导管38。舱口开口具有大于主导管36、38的直径，以允许主流体输送组件随着高压液压流体被送入和送出伺服阀85而在直径较大的开口内振动，由此防止在高压液压流体被往复引导通过系统10时损坏伺服阀和其它构件。钢间隔件65包围各可分离的配件64，从而扩大管道配件64的直径以与成角度的支承管61的直径匹配，使得橡胶或弹性软管接头63可在各附接端口 27的支承管61和间隔件65两者上滑动。软管接头63在高压流体在海洋振动源10的操作期间流过系统时吸收振动并提供软管连接部位的减振，从而纠正构件的错位和公差累积。支承管61成锐角延伸，从而沿与从勘探船I的拖曳方向相反的方向引导附接端口
27。该角度相对于XC轴线处在20°与60°之间的范围内且更优选为例如45°，从而在缆束5中形成对向的曲线，由此在海洋振动源10被拖曳通过水体4时释放高压液压管路上的应力。可分离的管道配件44和附属舱口 24内的多针电连接器可供用于使主输入和输出导管36、38与内部管道分离以移除舱口盖。辅助舱口 24的移除提供了对位于舱口隔室42内的液压连接件和伺服阀85的接近。
[0059]内部管道配件44附接到各弯曲钢输入导管58和输出导管59，以将液压流体往来于歧管70引导来自各液压管路60、62的液压流体。脉冲减振器67位于各导管58、59的流体路径内。脉冲减振器67用于在大量高压流体被迫压通过液压管路时缓和脉动，从而保护系统构件。弯曲导管58、59利用焊接于各导管58、59并与歧管70配对的装设凸缘68附接到歧管70。如图4A-4D所示，利用插入如图4C所示的歧管块中的螺孔72的螺栓66来将装设凸缘68固定于歧管70。弯曲导管58、59的直径可大于歧管70的输入输送孔84和输出返回内孔86，并且因此半径69可形成为将流体引导到直径较小的内孔84、86。在各半径69内，O形圈(未示出)定位成将装设凸缘68密封于歧管70。
[0060]歧管70由具有上表面74、下表面76、用于流体连接的第一端78、对向端80、第一侧边82和第二侧边83的不锈钢块构成。流体连接端78被钻削有用于输入输送孔84和返回内孔86的两个通道，以使液压流体从闭环液压系统中的液压泵45进入和回到液压泵45。内孔通道84、86成角度并从歧管70的各侧边82、83定向到中央部分，由此提供用于附接装设凸缘68和各弯曲导管58、59的充足空间。成角度的通道84、86进一步缩短了液压流体在伺服阀85内的行程长度，从而改善系统的频率响应。
[0061]在歧管块70的顶面74上设置有一系列螺孔92以将伺服阀85直接附接到歧管70。伺服阀85直接连接到歧管缩短了液压流体通路、降低了泄漏风险、并且消除了流体在系统中输送和输送通过系统的延迟。如图4A所示，用于附接伺服阀85的螺栓93 (为了清楚起见示出了一个螺栓)螺合在孔92内并部分地穿过歧管块70延伸。沿着歧管块70的外缘82、83设置有一组螺栓孔94，以将歧管70直接附接到活塞致动器组件97。各孔94内可形成有凹部96以将螺栓98拧紧成与歧管70的大致平坦表面74齐平。一个或多个定位销99可从上表面74延伸以与开口匹配并使伺服阀85与液压通道对齐。在中央部分内，竖直前输送孔88穿过歧管块70形成以与致动器活塞组件97的前致动器活塞100的前液压腔室106连通。第二竖直后输送孔90沿着纵向轴线XC形成以与后致动器活塞102的液压腔室108连通。前、后液压腔室106、108和致动器活塞100、102类似地确定尺寸，从而在向前和向后方向上提供大致相似的力。
[0062]在如图5所示的说明性实施例中，海洋振动源10使用装设在活塞轴110上并直接定位在歧管70附近的两个单独的致动器活塞100、102。利用两个单独的致动器活塞的布置以及伺服阀85和歧管70直接装设在致动器活塞组件97上，大幅减小了液压管路的长度并且降低了其复杂性，其中不需要液压管路延伸到单个活塞组件的对向侧。各致动器活塞100、102具有最低长度的通往歧管70的输送导管103、105，以排出来自各次致动的溢流。重要的是，整个竖直输送孔88、90和输送导管103、105的长度小于致动器活塞的其中一个的直径。
[0063]随着液压流体被提供给前致动器活塞液压腔室106，同时流体从后致动器液压腔室108排出并且致动器活塞100和102使活塞轴110沿向前方向随振动源组件175的活塞170移动。或者，在从前致动器活塞液压腔室106排出流体的同时向后致动器活塞液压腔室108供给流体，致动器活塞100、102和活塞轴110沿向后方向移动。致动器活塞100、102在致动器活塞组件97的方形壳体112内沿着活塞轴110装设。不锈钢壳体112从主隔板120延伸到前帽114并在拖头隔室25内包围致动器活塞100、102和活塞轴110。歧管70在壳体112的平坦上表面113上就位并且活塞导管103、105在致动器壳体112的致动器活塞隔板116中确定中心并形成为与歧管70直接连通的通路。各活塞导管103、105与致动器壳体隔板116的中点对称地隔开，由此与输送孔88和90及伺服阀85对齐。
[0064]如图6A和6B所示，利用位于隔板120内的中央开口 O周围的一系列螺栓118将致动器活塞组件壳体112附接到主隔板120。隔板120内的螺栓孔119将隔板与将壳体112支承在主拖头隔室25内的方形致动器壳体112的面117对齐。主隔板120属于中空结构，具有从内筒体124延伸到外筒体126而形成中空段128的支承肋122。第一圆盘127形成前壁并围出拖头隔室25，其一部分邻接致动器壳体112的正面117。致动器壳体112沿着XC轴线装设，从而提供用于附接歧管70的平坦表面。如图6A所示，用于致动器壳体的螺栓孔191从垂直于纵向轴线XC的轴线YC成45°角β延伸。在该定向上，有螺纹的螺栓孔119位于致动器壳体112的方形面117的角部内，所述角部在图6Β的平面侧视图中未被完全示出为穿过主隔板120。第二圆盘129围出主隔板120的中空部分128，其中各筒体127、129被焊接于主隔板120的内筒体124和外筒体126。带有肋122和中空段128的主隔板的结构进一步减轻了整个系统10的重量。主隔板外筒体126形成有用于利用如文中更详细所述的夹环179将隔板120附接到活塞组件腔室177的筒状壳体174的中央凸缘130。
[0065]活塞轴110穿过主隔板120的中央开口 O和致动器壳体隔板116中的内孔Oa延伸到致动器壳体112的前帽114。如图7所示，活塞轴110在各前端142和后端144上具有螺纹延伸部140。在组装时，密封件149被安装在致动器壳体隔板116的内孔Oa中并且致动器活塞间隔件148a在内孔Oa内安装和确定中心。密封件149和导向环轴承151安装在致动器活塞100、102的外筒体上并且前致动器活塞100穿过致动器壳体112定位成邻接壳体隔板116的前端。后致动器活塞102穿过主隔板O中的开口和致动器壳体112的内孔Oa定位成邻接隔板116的后端。被支承在水平台上的活塞轴110穿过后致动器活塞102、致动器壳体内孔Oa内的致动器活塞间隔件148a插入到穿过前致动器活塞100延伸的点。端部螺母146附接到轴的前端142并被紧固成与活塞轴110齐平。前帽114安装在致动器壳体112上。致动器活塞100、102的内径da和间隔件148的直径Ds确定大小为与活塞轴110的外径Ds大致相同，从而使活塞轴110的金属表面与各筒体和间隔件148的内表面匹配。间隔件套筒148a的壁厚为例如1/2”。隔板116的内孔Oa具有略大于活塞轴Ds的总直径且为间隔套筒148a的壁厚2ts的两倍的内径Da。密封件149和导向环轴承151将致动器液压腔室106和108与致动器压缩腔室109和111密封并且减小致动器在壳体内移动时致动器100、102与致动器壳体112之间的摩擦。主隔板120沿着轴110滑动并附接到致动器壳体112。
[0066]第二间隔套筒148b沿着轴110滑动并且穿过主隔板120中的开口 O延伸以及定位在后致动器102附近。密封件149和导向环151安装在第一圆锥形活塞170a的外径OD上并且O形圈密封件147沿着轴110滑动到第二间隔套筒148b。第一活塞170a沿着轴110滑动成邻接O形圈147和间隔件148b。第一活塞腔室组件177a的如图8A所示的第一筒状壳体174a经导向环151和密封件149被推到主隔板120的引导直径上。壳体174a具有抵靠主隔板中央凸缘130向上滑动的伸出边沿205。可利用临时夹环来保持壳体抵靠在凸缘上就位。第三间隔套筒148c和O形圈密封件147沿着活塞轴110安装并且抵靠在第一圆锥形活塞170a的内毂243上就位。如图9A所示的密封件206沿着第一静止隔板172a的外径安装并且O形圈215安装在由静止隔板的内筒体229形成的凹槽213内。第一静止隔板172a滑过间隔套筒148c，其中筒状壳体174a的伸出边沿205滑过隔板172a的前引导直径201以抵靠在静止的隔板中央凸缘199上滑动。第二圆锥形活塞170b安装有密封件149和导向环151并且沿着活塞轴110滑动到间隔套筒148c。形成有空气腔211，其中间隔套筒148c延伸超出静止筒体172a的端部并与第二活塞轴170b交汇。沿着静止筒体的外径206和内径215安装的密封件以及密封件149和O形圈147防止水进入空气腔211。空气导管217穿过活塞轴110和间隔件148形成以充填空气腔211。第二筒状壳体174b的伸出边沿205滑过第一静止隔板172a的后引导直径203。安装第二静止隔板172b并按需对适当数量的活塞腔室组件177重复安装步骤。端部螺母140安装在活塞轴110的端部上以沿着轴将各圆锥形的活塞170和间隔件148固定到位，从而形成作为一致地移动通过各隔板172中的开口的单个单元的组合活塞。后壳16围绕最终的活塞腔室组件177的静止隔板172的引导直径滑动并利用夹环类似地固定。
[0067]主隔板120、各活塞腔室组件177和后壳16均利用三件式凸缘夹环170被端对端地互相固定。如图10A-10D所示的夹环170由形成为半圆或其它局部圆直径的刚性不锈钢制成为围绕隔板的引导直径延伸。夹环170具有外表面半圆直径181和内表面半圆直径183，其中内表面直径181具有垂直于内径183的两个对向凸缘185。各对向凸缘185如图1OD所示沿着各外缘并沿着夹环179的整个内半圆周183延伸。沿着各凸缘185的是在图9A中最佳地示出的圆形内角部187，以减小将筒状壳体174的伸出边沿205挤压于主隔板130的中央凸缘和静止隔板199时的应力。随着壳体的不锈钢边沿205和中央凸缘130或199被楔入夹环179内，凸缘185内形成紧配合。第一夹环179a和第二夹环179b从夹环179的第一端191利用螺纹连接器189配对，其中收紧螺钉193或诸如螺母和螺栓的其它附接固定件附着于夹环179的对向端195，从而围绕隔板的外径形成圆环，如图1OA所示。如图1OC所示，螺纹连接器189和附接螺钉193与外表面181齐平并且环179的外表面181被去毛刺并倒圆以去除突起和变形，由此维持光滑表面以减小系统10上的阻力并协助使系统10移动上下船I。经倒圆的边缘也提供了用于弹性隔膜197包围振动源组件175并靠置在其上的平滑表面。
[0068]如图1lA所示,静止隔板172形成有具有比图12A所示的圆锥形活塞170的直径Dp大的直径Db的中央开口 Ob。静止隔板的直径Db为活塞轴110的总直径且为包围活塞轴110并使活塞170沿着轴110定位的间隔套筒148的厚度2ts的两倍。静止隔板172未附接到活塞轴110或间隔件148，从而允许轴110和活塞170穿过静止隔板开口 Ob往复移动。圆锥形活塞170未附接到筒状壳体并跨置在腔室壳体174内，其中一系列导向环轴承151包围圆锥形活塞以减小活塞170与壳体174之间的摩擦。如图1IA-1IC所示，静止隔板172具有与筒体200的轴线Ab成角度α 3从隔板筒体200延伸到中央开口 Ob的圆锥形面227。角度α 3介于20至70度之间且更优选地成例如60度角。开口 Ob由内筒体229形成，所述内筒体包括如图1lC所示的带O形圈215的凹槽213以将隔板172密封在间隔筒体148周围。O形圈215由硬弹性材料例如具有在从约70至约90的范围内的硬度等级的聚氨酯形成。隔板172的中空内部231由具有穿过隔板172的面227延伸并焊接于所述面上的一个或多个榫舌235或突片的一系列径向定位的肋233支承。静止隔板172可由非腐蚀性金属材料如17_4ph不锈钢合金制成并且它们的中空结构进一步减轻了海洋振动源10的总系统重量。如图1lA所示，隔板172的后表面237大致是平坦的并具有允许将压缩空气给送到中空隔板内部231中的一系列开口 0c。
[0069]如图12A-12C所示，圆锥形活塞170以与静止隔板172相似的方式形成有与筒体241的轴线Ap成角度α 4从外筒体241延伸到中央开口 Op的圆锥形面239。角度α 4介于20至70度之间并且更优选地成大致60度角。开口 Op由内筒体243形成，所述内筒体包括用于将O形圈147安置在圆锥形的活塞170与间隔套筒148之间的切口 245。一系列径向定位的肋247被焊接于圆锥形活塞170的平坦后表面249并从所述后表面延伸以支承圆锥形面239，从而形成中空内部隔室251。各肋249具有穿过活塞170的面239延伸并被焊接于所述面的一个或多个榫舌253或突片。如图12Α所示，活塞170的后表面249具有允许活塞腔室251充填有压缩空气的一系列开口 0c。活塞直径Dp可具有可能的范围为例如从15.24cm(6英寸)至152.40cm(60英寸)的任意合适的尺寸,不过在本发明的范围内设想大得多或小得多的尺寸。中央开口 Op的直径根据所选择的活塞直径Dp由活塞轴直径Ds决定。静止隔板172与活塞170相似地定制尺寸成与活塞面239的圆锥形表面区域匹配或相似，以优化振动耦合区域的振幅。在各活塞腔室组件177内，活塞的圆锥形面239定位成与静止隔板172的圆锥形面227对向，从而如图13B所示在活塞轴110周围形成容积减小的容积减小的沙漏形的压缩腔室254。本发明的重要特征减小了在腔室254内振动的水的体积，由此降低了系统10的总动力需求。
[0070]活塞170的后表面与静止隔板172之间的空气腔211经间隔套筒148中的凹槽219和钻出的通路220低压给送，从而连接到活塞轴110中的小开口 217。这些开口 217连接到活塞轴110内的主空气导管138。主空气导管138沿活塞轴110的全长延伸，从而给送空气腔211并向后隔室17提供空气。主空气导管138由将主空气导管138连接到致动器壳体112的前帽114内的空气腔室134的小空气通路236供给。在帽114内形成有允许空气从前隔室25流到空气腔室134的一系列开口 0e。空气腔室134还与前活塞致动器腔室109连通，从而在致动器在致动器壳体112内往复移动时提供用于活塞100的空气缓冲。用于后致动器102的第二致动器腔室111同样充填有来自轴空气通路217和主隔板120的开口 O的压缩空气。前帽空气腔室134还防止在致动器100、102和轴110在操作期间往复移动时随着压缩空气被自由地压入和压出腔室134而在活塞轴110的端部142积累压力。
[0071]系统10将空气腔211内的内部低压空气自动控制为与周围水压相差+/-1psi以内并且因此内部系统压力对活塞动力学性能的影响最低。这些调节可在致动器活塞100、102使振动源组件175振动的操作前或操作期间完成。适当调节后的压力保证了致动器在启动前和操作中在中间位置承受相等的力。利用双压力传感器34，恒定地监视内部压力和外部压力，并且通过调整来自勘探船I的控制系统32的空气压力而自动适应最低的压力变化。在操作时维持最低压力变化的能力为关键特征，其中例如IOpsi的较小压力变化将使活塞上的压力失衡。作为示例，海洋振动系统可具有七个活塞腔室组件和因此七组振动传递活塞，其中每个活塞都具有260英寸2的正面截面积，共计1819英寸2。液压致动器活塞具有41英寸2的截面积。七个活塞的平衡空气压力容积内的每平方英寸每一磅的压力施加1819磅的力。假设操作压力为lOOOpsi，致动器中的液压压力具有41英寸2X IOOOpsi的操作力，从而引起致动器产生41，000磅的力。
[0072]如果系统以Ipsi运行，则平衡空气压力腔中的空气压力即Ipsi所施加的1819磅的力将在活塞组件沿向后方向移动时增加至该41，000磅的力，从而形成将水从端口压出的42，819的合力。当活塞组件沿向前方向移动时，从41，000磅的力减去1819磅的力，从而实现可用于在水中通过端口的39，181磅的力，进而引起活塞组件的向前和向后运动之间的力差别为3，638磅，这是可接受的差别。然而，如果要在平衡空气压力腔内施加IOpsi的平衡压力，则致动器和活塞组件在向后方向施加的力将为41,000+18，190 = 59，190磅力。在向前行程方向上，平衡空间内的IOpsi所施加的18，190磅将从41，000磅减去，从而留下可用于活塞组件的向前运动的41,000-18，190 = 22，810磅的力。该59，190-22,810的差等于36，380，这是无法接受的差别。活塞组件向后运动与活塞组件向前运动之间的这种大差异与源的期望信号相比将导致正弦状波形的无法接受的扭曲。因而，例如，美国专利N0.6464035中平衡压力空气腔内在35psi至IlOpsi之间的压力范围将引起现有技术中公开的系统无法操作。自动化的空气调整器控制对内部空气压力的调节以将系统10维持在周围水压的+/-lpsi，从而防止系统内的不平衡压力造成的变形。
[0073]在活塞轴110随振动源组件175振动时监视活塞轴110的位置的数字位置传感器152附着于前帽114。光学、电气或机械指示器156附接到该传感器以确定活塞在其往复移动时的位置和速度。船I上的电子系统控制器32比较所传输的速度和位置并对电子频率和因此通往伺服阀85的流体流量进行轻微调节。利用系统控制器32和反馈调节，可使海洋振动系统10的振动输出与正由船I或其它船拖曳的其它此类振动声源同步以增加声音的功率放大。也可对扫描频率信号进行调节以提高再现性，其中信号可开始于较低的频率并且在15秒以上的期间逐渐调节为更高频率范围。扫描频率的逐渐上升或利用脉冲信号可供用于解构作为控制器系统32的一部分的软件以绘制和评价振动波图案并确定可指示水体的底面下方的各种地质构造的异常。操作的关键是波形的再现性和解析度以正确地解构发射(emission)。利用来自位置传感器152的反馈,来自控制器32的信号调节也可用于同步如文中更详细所述的双伺服阀和致动器系统内的第二振动源。
[0074]在操作中，伺服阀85经从缆束5的电缆53延伸的控制缆绳104接收电子频率信号。该信号致动伺服阀85引导来自液压输入管路60的流通过歧管输入通道84、通过伺服阀85并进入歧管的前输送孔88，从而充填前致动器活塞液压腔室106。同时，伺服阀85引导来自后活塞液压腔室108的流通过后歧管内孔90、通过伺服阀85并通过输出通道86引出到输出液压管路62，从而排泄后致动器液压腔室108。随着流体充填前液压腔室106并从后液压腔室108排空，前致动器活塞100和后致动器活塞102沿向前或第一方向移动，从而使活塞轴110和圆锥形活塞170向前移动。第二电子频率信号被发送到伺服阀85，从而切换从输入管路60到后歧管输送孔90的流动方向而充填后致动器活塞液压腔室108并同时切换从前致动器液压腔室106经歧管内孔88和伺服阀85到输出液压管路62的流输出而使轴和圆锥形活塞沿向后或对向方向移动。
[0075]来自电子控制器32的信号可以是呈任意调制后的波形并处于从例如2Hz至200Hz的范围内的扫描频率或脉冲频率。在其操作中，伺服阀85对这些信号作出响应，以将高压液压流体流调整到前、后致动器活塞100和102，从而引起致动器使活塞轴110协同活塞170往复振动。振动源组件175内的活塞170由此轴向地往复振动，从而引起压缩腔室254内的水经筒状壳体174中的多个端口 256振动出入而形成传播到周围水体中并通过水体下方的地质结构的振动波。如果安装有如文中进一步所述的弹性隔膜260，则该声音用于使其膨胀和收缩。该系统完全可在没有隔膜260的情况下操作，其中大端口 256用于将水从筒状壳体174压出并通过筒状壳体174。
[0076]在该又一个实施例中，如图8B所示，传声隔膜260包围中段15的振动源组件175并且模仿活塞170的振动发射，从而提供与水体接触的大振动耦合表面积。隔膜260属于形成为包围系统10的无缝板或筒体的弹性材料，具有略大于筒状壳体174的夹环179的直径。隔膜260随着流体通过控制系统被泵入和泵出而以与从该系统发送到伺服阀85的扫描或脉冲频率匹配的频率脉动地整体振动，从而使轴110和活塞170以这些频率轴向地移动。隔膜260仅被固定在拖头12的后段和由环绕的软管卡箍262固定的尾段14的前段，其中隔I旲的振动表面以一定间隙摘罪在夹环179周围并附接到各如壳26和后壳16上的台肩258。隔膜260密封振动源组件175并且可充有新鲜水或与丙二醇混合以防止冻结的新鲜水。在隔膜260的内表面与筒状壳体174的外表面之间，形成有长环状空间265，其可供用于水流过活塞腔室端口 256并充填壳体174周围的该空间265，由此使隔膜膨胀和收缩而引起其振动。穿过拖曳段或后段的台肩258延伸的如图14所示的接近端口 264可供用于在将系统10配置在水体4内之前使振动源组件175充填有新鲜水。第二端口 266可被用作通风孔以在系统10被充填时去除空气。优选地，活塞腔室254和空间265充满水以在最大表面区域上提供振动耦合。
[0077]在图15所示的又一个实施例中，储器283位于勘探船I上以给送水管282，该水管被包括在缆束5内并利用可分离的连接器284附接到附属舱口 24。内部送水管路288从连接器284经附属舱口隔室42和前隔室25延伸到位于拖头12的后部的主隔板120附近。内部送水管路288附接到穿过前段台肩258延伸的输送孔289。在操作中，振动源组件175在下水之前被充填有新鲜水。利用来自装设在附属舱口 24上的水听器267的信号测量频率响应和发射品质并且可进行调节以增减通往隔膜空间265的水，或者在所传输的声信号内存在空穴引起的不希望有的尖峰的情况下从系统排出空气。大量逸出的空气还可指示系统内的空气泄漏。通过监视系统空气压力和振动解析度的品质，可调整含水量以减小或消除以较高频率快速移动的活塞170的表面处的空穴。
[0078]通过紧固各端部螺母140并利用间隔套筒148将各活塞170锁定到位的活塞轴110和圆锥形活塞170的复合结构消除了对螺母、螺栓、配件或其它附接固定件的需求。轴110和活塞170完全一致地移动，从而在配件不具有可能在压缩腔室254内形成水蒸气或空穴的突起或障碍物的情况下提供可再现的频率响应。隔膜260随着活塞170往复移动而膨胀和收缩，从而随着活塞239的圆锥形面将水压向并进入静止隔板172的圆锥形面227而将水从活塞腔室254泵出。对向的圆锥形状239、227降低了尺寸要求和使活塞170和轴110移动所需的能量，因为与平面活塞相比移动出入腔室254的水量较小。
[0079]利用如图16所示的具有两个伺服阀系统以及第一和第二振动源的双海洋振动源290的结构，可进一步提高振动源的频率响应和再现性。在该结构中，第一伺服阀85a沿着纵向轴线Xe轴向于第二伺服阀85b安置。各伺服阀定位在歧管70a、70b上和附接到沿对向的方向延伸的独立振动源组件175a、175b的完全独立的致动器组件97a、97b上。第一组件175a延伸到前拖头12且第二组件175b延伸到尾段14。各系统的构件与上述相同，其中增加了沿着液压输入和输出管路60、62安置的T形配件270、272。在附属舱口 24内，输入管路60在T形配件270分支，从而将通过管道274的流引导到前歧管70a并经管道276引导到后歧管70b。液压输出管路62接收经前输出导管278来自前歧管70a和经后输出导管280来自后歧管70b的流。
[0080]在操作中，各伺服阀85a、85b同时接收电信号以致动第一阀85a引导流体流通过充填液压致动器腔室108a和将液压致动器腔室106a排空来使致动器活塞100a、102a沿向前方向移动。然而，对于对向的致动器组件97b而言，第二伺服阀85b引导流体流通过充填液压致动器腔室108b和将液压致动器腔室106b来使致动器活塞100b、102b沿相反的向后方向移动。振动源组件175a、175b沿对向方向的操作纠正了具有仅一个振动源组件175的系统10中的筒状壳体174的对向移动引起的不协调的移动和寄生噪音。使各振动源组件同步并沿相反的方向移动防止了筒状壳体的移动并且形成了对筒状壳体的移动造成的噪首的裳减，由此提闻了在具有一个振动源175的系统10上广生的声首的品质。
[0081]在该构型中，致动器组件97a和97b沿对向的方向延伸且因此液压腔室106和108与第二致动器组件97b相比在第一致动器组件97a中位于相反的位置。在使振动源组件175a和175b朝向彼此移动到伸出最少的点时，流体被引导到最内部的液压腔室106a和106b。为了使振动源组件175a和175b彼此离开移动到最外部的伸出位置(outermostextension),流体被引导到外液压腔室108a和108b,由此使第一振动源组件175a移动到其更前面的伸出位置并且使组件175b移动到其最后面的伸出位置。
[0082]定位传感器152a和152b提供对各活塞轴IlOa和IlOb的速度和位置的反馈，从而可供用于电子控制器32调节频率和因此通往致动器组件97a和97b的流体流量，以同步各振动源组件175a和175b的移动，由此增大功率振幅。频率响应于由于利用两个组件175a和175b发射振动能量来放大扫描频率或脉冲频率而改善。如图17所示，辅助舱口 24定位在海洋振动源290的中央并且可具有任意长度或尺寸，其中对期望模块化的活塞段177的选择被选择成适应勘探和地质要求。海洋振动双伺服阀系统290可串联使用或采用更大的数量，其中每个系统都定位在地质勘探区域内以增大功率振幅并覆盖更大的面积。
[0083]在又一个实施例中并且为了降低液压流体对水体的泄漏和污染的风险，该海洋振动系统可构造成具有内部闭环液压系统310。如图18中示意性地示出，海水或新鲜水泵312定位在勘探船I上，从而提供单个输送管路314。在拖头隔室25内，脉冲减振器316用于在海水以例如200GPM的流量被泵送到水马达324时减小振动并保护系统构件免于损坏。水马达324直接连接到驱动液压泵336的轮轴334。
[0084]液压泵336位于具有向系统310提供液压流体的储器342的闭环系统内。如上所述，电子控制器32向伺服阀85发送信号，所述伺服阀引导液压流体通过歧管70以使活塞致动器100、102在前或后位置移动，从而引起振动源组件175往复振动而将声波传送到海洋振动源系统10周围并从其传出。液压流体被引导到液压输入管路338中并经其被引导到歧管70和伺服阀85，以充填第一致动器液压腔室100并同时将活塞致动器组件97内的第二致动器液压腔室102排空。在闭环系统310中，来自排空的腔室的流体经输出液压管路352被引导到脉冲减振器340，以减小通过系统的高压液压流体的移动造成的系统振动。流体然后从水马达324被引导到沿着水输出管路354定位的热交换器350。经加热的液压管路352经热交换器350延伸到冷水输出管路354附近以冷却系统310内的液压流体。在冷却之后，液压管路358使液压流体回到储器342以给送液压泵336。闭环液压系统310的该实施例在污染减少、更低的成本和复杂性方面存在许多优点，因为仅需单个输送管路来将海水或新鲜水供给到水马达并且水被回排到水体。另外，液压系统内的较短管路减少了较长的液压管路中较高的压力对系统构件造成的磨损。可用的水还提供了用以驱动液压泵的无限源。
[0085]在图19A和19B所示的再又一个实施例中，用以给勘探船上的液压泵45供给动力的动力输送流体由海水或新鲜水泵312代替并且利用水来驱动致动器活塞组件97。该系统的操作与上述相同，其优点是排出管路354被引导回到会提，因此仅需一个输送管路314。伺服阀和致动器的一部分构件由在海水中操作时稳固的材料如陶瓷和塑料构成。
[0086]已具体参照本发明的某些优选实施例详细描述了本发明，但应该理解的是，在本发明的精神和范围内可以实现变型和改型。
【权利要求】
1.一种海洋振动声源，包括: 长形筒状壳体，所述长形筒状壳体具有与其同心的轴线； 所述长形筒状壳体具有多个筒状腔室； 位于各所述筒状腔室内的可轴向地往复移动的中空圆锥形活塞和中空静止圆锥形隔板； 所述静止隔板附接到所述长形筒状壳体； 长形活塞轴，所述长形活塞轴连接到所述圆锥形活塞并且沿着所述轴线延伸； 第一和第二致动器活塞，所述致动器活塞连接到所述长形活塞轴； 流线形的拖头，所述流线形的拖头附着于所述长形筒状壳体的前端； 流线形的尾段，所述流线形的尾段附着于所述长形筒状壳体的对向端； 所述长形筒状壳体中在各所述筒状腔室处具有多个端口； 可计算机控制的液压流体线路，所述液压流体线路用于将动力输送流体可选择地给送到第一和第二液压致动器活塞，同时去除来自所述第一和第二液压致动器活塞中的另一者的动力输送流体，从而使所述第一和第二致动器活塞移动到前、后位置而使所述活塞轴和圆锥形活塞轴向地振动，以使水经所述端口振动地移动出入以传播振动声音。
2.如权利要求1所述的海洋振动声源，其中: 所述筒状腔室具有压力受控的低压空气腔，所述低压空气腔形成在中空圆锥形静止隔板和相邻的筒状腔室的中空圆锥形活塞的内部隔室之间并且包括所述内部隔室，以调节所述圆锥形活塞上的压力。
3.如权利要求2所述的海洋振动声源，其中 所述低压空气腔的压力控制被自动调节以维持所述致动器活塞上的平衡力。
4.如权利要求3所述的海洋振动声源，其中: 所述第一和第二致动器活塞均具有液压腔室； 所述第一和第二致动器活塞液压腔室具有与所述可计算机控制的液压流体线路内的歧管和伺服阀直接连通的输送孔； 所述输送孔从致动器壳体隔板的中心点均匀地隔开并且长度小于所述第一和第二致动器活塞中的一者的直径；并且 所述致动器活塞在向前方向和向后方向上提供相等的力。
5.如权利要求4所述的海洋振动声源，其中: 所述伺服阀接收作为调制后的波形的频率为2-200HZ的控制信号，以控制所述可计算机控制的液压流体线路内的流体流产生声波，波形的调制通过所述活塞轴上的位置传感器接收的反馈信号来验证。
6.如权利要求1所述的海洋振动声源，其中: 所述可计算机控制的液压流体线路的动力输送流体是来自水体的水，其中在将流体从所述液压流体线路排出到所述水体时需要来自船的单个流体输送软管。
7.如权利要求1所述的海洋振动声源，其中: 可计算机控制的液压流体线路由所述振动声源内的水马达提供动力； 水来自所述水体并通过来自船的单个流体输送软管供给；并且 其中，水从所述水马达排出到所述水体。
8.如权利要求1所述的海洋振动声源,还包括: 附属舱口，所述附属舱口具有带柔性软管接头的成角度的支承管； 所述支承管具有足够大以使液压导管通过的内径，以提供足够用于所述液压流体线路的操作期间的失准和振动的间隙。
9.如权利要求1所述的海洋振动声源，还包括深度控制翼。
10.如权利要求1所述的海洋振动声源,还包括: 长形的圆筒状弹性隔膜，所述隔膜环绕所述长形筒状壳体并从所述长形筒状壳体径向向外隔开； 所述隔膜在其前端和后端连接到所述拖头和所述尾段，以提供在所述弹性隔膜与所述长形筒状壳体之间纵向地延伸的长形环状隔膜腔室； 所述隔膜腔室充填有水； 其中，所述端口向所述长形环状隔膜腔室开放以提供各所述筒状腔室中的水与所述长形环状隔膜腔室之间的水的连通，从而使所述隔膜振动。
11.如权利要求10所述的海洋振动声源，还包括: 可计算机控制和/或手动控制的送水管路，用以在操作时从所述筒状隔膜的环状隔膜腔室的空间增减水。
12.一种可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，所述双海洋振动声源包括:` 第一和第二长形振动源组件，所述第一和第二长形振动源组件沿着在所述振动源组件中纵向地延伸并与所述振动源组件同心的轴线端对端地附着； 位于所述第一和第二振动源组件的每一个内的多个活塞腔室组件； 所述活塞腔室组件在沿着活塞组件轴的位置轴向地隔开并且均具有中空圆锥形的活塞和间隔套筒； 所述活塞腔室组件均具有附着于筒状壳体的中空圆锥形的静止隔板； 形成在所述多个活塞腔室组件的各筒状壳体内的一系列端口； 附着于所述第一长形振动源的前端的流线形的拖头； 附着于所述第二长形振动源的后部的流线形的尾段； 连接到所述第一活塞轴的第一串联致动器活塞组件和连接到所述第二活塞轴的第二串联致动器活塞组件；和 可计算机控制的液压流体线路，所述液压流体线路用于将流体可选择地输送到所述第一和第二串联致动器活塞组件的每一者，以使第一和第二致动器活塞中的每一者交替地向前和向后移动，由此使所述第一和第二活塞轴以及各第一和第二振动源沿对向的方向振动，以使通过所述端口的水振动，从而将振动声音传输到周围的水体中。
13.如权利要求12所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 所述第一和第二活塞腔室组件具有压力受控的低压空气腔，该低压空气腔形成在相邻的活塞腔室组件的中空圆锥形的静止隔板和中空圆锥形的活塞的内部隔室之间并且包括所述内部隔室，以调节所述圆锥形的活塞上的压力。
14.如权利要求13所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 所述低压空气腔的压力控制被自动调节以维持各串联致动器活塞组件的第一和第二致动器活塞上的平衡力。
15.如权利要求14所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 各致动器活塞组件的第一和第二致动器活塞均具有液压腔室； 所述第一和第二致动器活塞液压腔室具有与所述可计算机控制的液压流体线路内的歧管和伺服阀直接连通的输送孔； 所述输送孔与致动器壳体隔板的中心点均匀地隔开并且长度小于所述第一和第二致动器活塞中的一者的直径；并且 所述致动器活塞在向前方向和向后方向上提供相等的力。
16.如权利要求15所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 所述第一和第二伺服阀接收作为调制后的波形的频率为2-200HZ的控制信号，以控制各所述第一和第二可计算机控制的液压流体线路内的流体流产生声波，波形的调制通过所述活塞轴上的位置传感器接收的反馈信号来验证。
17.如权利要求12所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 所述可计算 机控制的液压流体线路的动力输送流体为来自水体的水，并且其中在将流体从所述液压流体线路排出到所述水体时需要来自船的单个流体输送软管。
18.如权利要求12所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，其中: 可计算机控制的液压流体线路由所述双海洋振动声源内的水马达提供动力； 水来自所述水体并通过来自船的单个流体输送软管供给；并且 其中，水从所述水马达排出到所述水体。
19.如权利要求12所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，还包括深度控制翼。
20.如权利要求12所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，还包括: 位于所述双海洋振动源的中央的附属舱口； 所述附属舱口具有带柔性软管接头的成角度的支承管；所述支承管的内径足够大以使液压导管通过，并且具有足够用于所述液压流体线路的操作期间的失准和振动的间隙。
21.如权利要求20所述的可在勘探船的后方拖曳以执行海洋地震勘探的双海洋振动声源，还包括: 第一和第二长形筒状弹性隔膜，所述隔膜环绕各所述第一和第二长形振动源并从所述长形振动源径向向外隔开； 所述第一隔膜在其前端和后端连接到所述拖头和舱口，并且所述第二隔膜在其前端和后端连接到所述舱口和尾段，以提供在所述弹性隔膜与所述长形振动源之间纵向地延伸的第一和第二长形环形隔膜腔室；所述隔膜腔室充填有水； 其中，所述端口向所述长形环状隔膜腔室开放以提供各所述筒状腔室中的水与所述长形环状隔膜腔室之间的水的连通，从而使所述隔膜振动。
22.如权利要求21所述的海洋振动声源，还包括: 可计算机控制和/或手动控制的送水管路，用以在操作时从所述筒状隔膜的第一和第二环状隔膜腔室的空间增减水。
23.一种在任意深度处的海洋环境内产生振动声音的方法，包括以下步骤: 将海洋振动源配置在水体内的任意深度处以使振动信号在所述水体和所述水体下方的地质结构内传播； 将所述海洋振动源的内部空气系统的空气压力平衡成与外部水压匹配。
24.如权利要求23所述的在任意深度处的海洋环境内产生振动声音的方法，还包括以下步骤: 在所述水体内拖曳所述海洋振动源。
25.如权利要求23所述的在任意深度处的海洋环境内产生振动声音的方法，还包括以下步骤: 在所述水体的基底上拖曳所述海洋振动源。
26.如权利要求23所述的在`任意深度处的海洋环境内产生振动声音的方法，还包括以下步骤: 将所述海洋振动源安置在所述水体的基底上的静止位置。
【文档编号】G01V1/38GK103890614SQ201280052046
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月24日 优先权日:2011年8月24日
【发明者】斯蒂芬·凯尔明斯基 申请人:斯蒂芬·凯尔明斯基