黄 海 吴 衡
（广州海洋地质调查局 广州 510760）
第一作者简介：黄海男，1972年生，工程师，现主要从事海洋地球物理探测与采集技术研究工作。
摘要 通过对两套大容量电火花震源系统进行激发声波测试，发现两者的频率有所差异。进而测试这两套系统的固体放电开关的放电电流，并对比放电电流及这两套设备的固体放电开关闸流管的电子特性，讨论固体放电开关对激发声波频的影响。
关键词 电火花震源 声波 放电电流 固体放电开关 闸流管
1 概 述
电火花震源利用电容器充电后经电极在水中瞬间导通，电流的突然放电来激发声脉冲。充电高压电容器对水中电极间隙脉冲放电有电弧和电晕两种放电形式。淡水中易形成电弧放电而不易形成电晕放电，盐水中间隙较小时形成电弧放电，间隙较大则形成电晕放电［1］。
电晕放电的特性，它与电弧放电明显不同，它是一过阻尼过程，无振荡，无二次放电，仅放电电极端部存在球形等离子体，不会贯穿两个电极。由于放电气泡小，气泡无二次涨缩过程，直径随盐水电导率增加而增加，正高压气泡直径大于负高压［2］。
现在海洋电火花震源的放电方式都采用电晕放电方式。本文仅对两套大容量电火花系统（荷兰GEO-SPARK 10kJ电火花震源系统和自主研发的海鳗20kJ电火花震源系统）激发的声波进行频谱分析。
2 实验系统的组成
由电火花震源系统通过水下电极电晕放电，激发声波，产生的声波通过震源子波测试系统的水听器接收，最终由震源子波测试系统来处理采集的声波信号，见图1所示。
3 实验设备
3.1 海鳗20kJ电火花震源系统
该系统样机由震源主机、放电电缆、电缆绞车和放电电极组成（图2）。震源主机的充电电路为恒流充电，放电开关由单管半导体闸流管组成（图3），放电回路包含有放电开关、四组同轴并联放电电缆、水下电极（10组电极，每组200极点面排列结构电极）。
图1 电火花震源海上测试方法示意图
图2 海鳗20kJ电火花震源系统样机
图3 单管半导体固体开关及触发电路板
主要技术指标如下：
● 能量输出：最大20kJ，改变工作电压或增/减电容器数量可实现储能连续调节；
● 震源输出电压2～5 kV可调；
●储能电容器采用脉冲电容器并联，放电开关采用固体可控硅放电方式；
● 充电采用高频高压开关电源模式实现恒流充电，充电速率≥2500J/s；
● 震源激发声波主频为200～1200 Hz。
3.2 GEO-SPARK 10kJ电火花震源系统
该设备在2006年从荷兰GEO-resources公司引进，包括震源主机、甲板缆、GEO-SPARK 2×800型电火花电极、高压电极缆、电极收放绞车（图4）。该系统采用恒压充电，放电开关由多管半导体晶闸管串并联组成（图5），放电电路包含有放电开关、同轴放电电缆和放电电极（6组电极，每组200极鱼骨排列结构电极）。
其主要技术指标如下：
● 电压输出：3200～5600VDC可选，固态的半导体放电方式；
● 能量输出：100～10000J，步长为100J；
● 充电速度：3500 J/s；
● 触发：光电隔离触发输入；
● 最大工作水深：4500 m；
● 最大穿透深度：750 m。
图4 GEO-SPARK 10kJ电火花震源系统
3.3 震源子波测试系统
其主要包括以下几个部分：
●标准水听器 频率：20 Hz～30 kHz；灵敏度：-196±2 dB（ref：1V/μPa）；前置放大器：增益：26±0.4 dB；宽带短路噪声＜2μV。
● B＆K2610型信号放大器 测量范围：10μV～30V；频率范围：2 Hz～200 kHz（±0.5dB）；增益：-30～100 dB。
图5 多管半导体晶闸管固体开关电路图及实图
图6 震源子波测试系统
● NI 6281 M型数字采集器 输入通道数：8个差分输入或16个普通输入；输入分辨率（位）：18位；最大采样率（S/s）2：单通道625 kS/s，多通道500kS/s；输入范围：±10 V，±5V，±2V，±1V，±0.5 V，±0.2 V，±0.1 V可调；具有模拟触发；集成信号调成：低通滤波器；模拟输出：2；最大输出速率（S/s）：2.8 M。
●震源子波测试软件。
4 实验方法
4.1 远场子波测试［3］
在南海东沙群岛选取水深2500 m海域定点实验，把电火花震源系统厂界环境噪声的水下电极沉放水深3 m；声波数据采集系统的宽频带水听器沉放水深80 m；每8s等时间触发电火花震源系统，电火花震源系统通过水下电极放电；激发产生的声波由声波采集系统的宽频带水听器接收，通过信号放大，最后由子波采集及处理软件采集和处理。测试方法示意图见图1所示。
子波信号的采集通过声波采集系统从激发时间起，可选取任一时间点记录震源子波的时域波形，并根据上述截取的子波时域波形数据进行FFT处理计算得出其频谱，可设置功率谱密度的上限和下限，得出震源子波的频域范围［4］。
4.2 储能放电电流测试
电火花震源在激发声波的过程中，为了了解震源的固体开关放电过程，在放电开关输出端套上一个霍尔线圈，用示波器来监视其电容储能的放电过程。
5 测试结果
5.1 远场子波测试
从海鳗20kJ电火花震源系统测试的特性图看，其子波频谱在300～1500 Hz之间（图7、8）。
从GEO-SPARK 10kJ电火花震源系统测试的特性图看，其子波频谱在200～1200 Hz之间（图9、10）。
5.2 储能放电电流测试
从图11、图12、图13和图14对比来看，海鳗20kJ电火花震源系统样机的放电电流大，上升斜率也大；而GEO-SPARK 10kJ电火花震源的放电电流持续时间长。
6 结论
通过这两套设备的固体开关，我们发现海鳗20kJ电火花震源的固体开关采用的是单管闸流管，其放电过程时间短，放电电流大，其激发的声波主频就偏高；而GEO-SPARK10kJ电火花震源采用的多管晶闸管的固体开关，其放电电流偏小，放电时间持续长，这也是其激发的声波主频偏低的原因。从这也可以看出，可以通过晶闸管的设计，来实现改变激发声波的主频。
图7 以海鳗20kJ电火花为震源的声波频谱特性图（6kJ）
图8 以海鳗20kJ电火花为震源的声波频谱特性图（10kJ）
图9 以GEO-SPARK 10kJ电火花为震源的声波频谱特性图（6kJ）
图10 以GEO-SPARK 10kJ电火花为震源的声波频谱特性图（10kJ）
图11 海鳗20kJ电火花震源的放电电流图（6kJ）
图12 GEO-SPARK 10kJ电火花震源的放电电流图（6kJ）
图13 海鳗20kJ电火花震源的放电电流图（10kJ）
图14 GEO-SPARK 10kJ电火花震源的放电电流图（10kJ）
参考文献
［1］左公宁.水中脉冲电晕放电的某些特性［J］.高电压技术，2003，29（8）：73～83.
［2］秦曾衍.高压强脉冲放电及其应用［M］.北京：工业大学出版社，2000.
［3］杨怀春.海洋地震勘探中空气枪震源激发特性研究［J］.石油物探，2004，7（43）：323～326
［4］万芃.一种新型的震源子波特性测试方法［J］.海洋地质，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声波分析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
