技术领域

本发明属于脉沖放电技术领域， 具体涉及一种双极性脉沖放电的多电极发 射阵。 背景技术

电火花震源是最早应用于海洋地震勘探的非炸 药震源之一， 其基本过程是 电容储能通过水中高压脉沖放电的机械效应产 生强脉沖声波。

1956年 Knott和 Hersey通过筒单的电容储能向水中电极放电， 产生脉沖压 力波可以穿透海底数百米地层， 同时通过拖曳形式得到了连续的地层剖面。 1957 年， Alpine Geophysical公司开发了第一套电火花震源系统。 此后的数十年电火 花震源发展迅猛， 先后有 EG&G、 Fairfield, Aquatronics等公司开发不同能量等 级的系统。 目前， 电火花震源主要用在海洋高分辨率浅地层地震 勘探， 尤其是 海洋工程地质勘探， 电火花震源是必不可少的地质勘探工具。 国外已成熟应用 的产品主要有荷兰 GEO-Spark、 法国 SIG和英国 Applied Acoustic等公司的， 国 内的产品主要是浙江大学研发的等离子体震源 。 以上电火花震源产品都由脉沖 电源、 传输缆和发射阵三个部分构成。 其中， 脉沖电源主要起到压缩电能， 输 出强流脉沖的作用， 传输缆主要传输电能， 发射阵起到电声能量转化的作用， 将脉沖电能转化为脉沖声波， 即为换能器。

而目前电火花震源采用的发射阵都为多电极结 构。 不同产品的发射阵结构 不同， 同时放电的极性也有不同， 一般采用正极性放电或负极性放电。

荷兰 GEO-Spark公司采用平面阵结构（如图 1所示；)， 所有发射电极都向下 排列， 框架为不锈钢， 框架两侧带有浮球， 采用负极性放电。 这种发射阵的优 点是电极损耗很小， 使用寿命在 5年以上， 缺点是负极性放电的能量效率比正 极性放电低， 此外这种结构笨重， 对拖曳缆的抗拉能力要求较高。

法国 SIG公司采用的是类似于鱼骨刺的结构（如图 2所示）， 发射电极朝向 两侧， 无框架， 结构筒单， 放电极性为正极性。 这种发射阵的优点是结构轻巧， 对拖曳缆的抗拉能力要求小， 缺点是正极性放电的电极损耗很大， 使用寿命在 1 年以下。

英国 Applied Acoustic公司采用的是刷子结构 （如图 3所示）， 发射电极捆 绑在一起， 方向朝后， 放电极性也为正极性， 因此寿命较短， 此外这种结构可 视为点源， 发射无指向性， 向下发射的能量效率较低。

由于以上 3种发射阵都是单极性的， 需要与相应的脉沖电源匹配， 如正极 性放电需采用正极性输出的高压脉沖电源， 负极性放电需采用负极性输出的高 压脉沖电源。 高压输出通过传输线接到发射电极， 低压输出接到发射阵的不锈 钢框架或者其他棵露在水里的金属导体块上。 发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷， 本发明提供了一种双极性脉沖放电 的多电极发射阵， 无需专门匹配脉沖电源的输出极性， 且能够解决目前正极性 放电发射阵的寿命问题， 也能够解决负极性放电发射阵能量效率较低， 结构笨 重的问题。

一种双极性脉沖放电的多电极发射阵， 包括： 固定框架、 接线柱和 2n组发 射极， 每组发射极由多个发射电极并排组成， 所有发射电极均设于固定框架上， 所述的接线柱位于固定框架的一侧， n为大于 0的自然数；

所述的发射电极由铜芯和包裹铜芯的绝缘层组 成； 铜芯的一端为发射电极 的发射头， 另一端通过连接线与接线柱相连；

所述的发射极中的发射电极共用一条连接线与 接线柱对应的端子相连；

2n组发射极分为 n组正极性发射极及对应的 n组负极性发射极； 正极性发 射极中发射电极的铜芯直径比负极性发射极中 发射电极的铜芯直径大。 发射电极的发射头指向相对。

所述的固定框架为由 n+1根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接组 成的 一具有 n组框格的框架， 每组框格为由两根横向固定管和两根纵向支撑 管围成 的矩形结构， 每组框格的两根横向固定管上分别固定一组正 极性发射极及其对 应的一组负极性发射极。

相邻框格共用一根横向固定管， 该公共横向固定管的两侧分别固定有两组 发射极， 这两组发射极为同极性。

所述的发射极中发射电极的公共连接线设置于 发射极所在的横向固定管 内， 连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱对应 的端子相连。

所述的公共横向固定管上两组发射极中的发射 电极共用一条连接线， 该连 接线设置于公共横向固定管内， 连接线穿出公共横向固定管的一端后与接线柱 对应的端子相连。

优选地， 所述的固定框架的另一侧安装有平衡尾翼； 能够使发射阵拖曳时 保持水平平衡。

所述的固定框架悬浮于水中。

所述的绝缘层采用聚氨酯或其他绝缘材料。

所述的横向固定管、 纵向支撑管以及平衡尾翼采用不锈钢材质或者 硬质塑 料材质。

所述的接线柱为防水密封结构且具有 1个进线端子和 n+1个出线端子； 进 线端子连接拖曳缆， n+1 个出线端子分别连接 n+1根横向固定管所引出的连接 线。 接线柱可为中空， 也可用绝缘介质浇注。

若发射阵所加载的高压脉沖为正极性， 则正极性发射极为高压极， 负极性 发射极为低压极； 若发射阵所加载的高压脉沖为负极性， 则正极性发射极为低 压极， 负极性发射极为高压极。 发射极的组数以及每组发射极中的发射电极个 数由高压脉沖能量决定， 每组发射极中的发射电极个数可以相等或不等 。

产生水中高压脉沖放电最主要的条件是放电电 极尖端具有很高的电场强度 和电流密度， 这与电极所具有的电势无关， 只取决于电极与水的接触面积和水 的电导率。 接触面积越小， 电导率越高， 则在相同的能量条件下， 放电现象越 明显， 产生的沖击波越强。 单极性脉沖放电是将放电电极连接到脉沖电源 的高 压输出端， 且放电电极只尖端棵露在水中， 而脉沖电源的低压输出端连接在发 射阵金属框架或大面积棵露在水中的金属块上 ， 因此脉沖放电只发生在高压端。 出端和低压输出端， 由于两端的放电电极具有相同的电场强度和电 流密度， 因 此都会产生高压脉沖放电。 从电路原理上看， 相当于在脉沖电源的高压输出端 和低压输出端之间串联了两个负载， 因此放电能量会分到两个负载上。 图 4给 出的是双极性放电及其气泡脉动的高速摄影结 果（5000 帧 /秒）， 其中上面的电 极为负极性， 下面的电极为正极性。 由图可以看到负极性放电电极产生的气泡 比正极性的小， 其原因主要是正极性放电的起晕电压比负极性 低。

本发明的有益技术效果如下：

( 1 )本发明采用双极性放电， 无需专门匹配脉沖电源的输出极性， 既可应 用于正极性输出的高压脉沖电源， 又可应用于负极性输出的高压脉沖电源。

( 2 )本发明采用两种规格的发射电极， 正极性的发射电极比负极性发射电 极粗， 较粗的电极直径可减緩正极性发射电极的损耗 速度， 负极性发射电极无 损耗； 同时由于正极性脉沖电晕放电的起晕电压比负 极性的低， 因此正极性放 电的能量效率较高， 故本发明兼具了正极性发射能量效率高和负极 性发射电极 无损耗的特点。

( 3 )本发明采用较筒洁的框架结构，解决了负极� �发射阵框架笨重的缺点， 具有轻巧易操作的特点。 附图说明

图 1为荷兰 GEO-Spark公司的发射阵系统的结构示意图。

图 2为法国 SIG公司的发射阵系统的结构示意图。

图 3为英国 Applied Acoustic公司的发射阵系统的结构示意图。

图 4 为双极性放电及其气泡脉动的高速摄影。

图 5为本发明发射阵一种实例的结构示意图。

图 6为本发明发射阵另一种实例的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明， 下面结合附图及具体实施方式对本发明的技 术方案进行详细说明。

实施例 1

如图 5所示， 一种双极性脉沖放电的多电极发射阵， 包括： 固定框架 3、 接 线柱 2、 平衡尾翼 4和两组发射极， 每组发射极由多个发射电极 1并排组成， 所 有发射电极 1均设于固定框架 3上， 接线柱 2位于固定框架 3的左侧， 平衡尾 翼 4安装于固定框架 3右侧， 固定框架 3悬浮于水中。

发射电极 1 由耐高压的铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成； 铜芯的一端为发射 电极 1的发射头， 另一端通过连接线与接线柱 2相连； 绝缘层采用聚氨酯， 厚 度约为 2mm; 连接线采用同轴传输线， 内外导体都为 200股直径 0.3mm的漆包 线。

两组发射极分为一组正极性发射极及其对应的 一组负极性发射极； 发射电 极 1的长度为 2.5cm, 正极性发射极中发射电极 1的铜芯直径（ 1mm )比负极性 发射极中发射电极 1的铜芯直径（0.5mm )大； 正极性发射极中发射电极 1的发 射头与负极性发射极中发射电极 1的发射头指向相对。

固定框架 3 由两根横向固定管和两根纵向支撑管相互连接 组成， 两根横向 固定管上分别固定正极性发射极和负极性发射 极。

发射极中的发射电极 1 共用一条连接线， 该公共连接线设置于发射极所在 的横向固定管内， 公共连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱 2对应的端子 相连。

纵向支撑管和平衡尾翼 4采用 304不锈钢材质； 横向固定管采用一侧开口 的 PVC管， 内置长度略小于 PVC管的铜带， 铜带上焊上发射电极 1 , 铜带的一 端通过连接线与接线柱 2对应的端子相连， 最后用环氧树脂对 PVC管内部进行 浇注， 将铜带及其上的焊接点全部密封。

接线柱 2为圓柱形的防水密封结构， 采用 304不锈钢材质并用环氧树脂浇 注， 其具有 1个进线端子和 2个出线端子； 进线端子连接拖曳缆， 2个出线端子 分别连接两组发射极从两根横向固定管所引出 的连接线。

若发射阵所加载的高压脉沖为正极性， 则正极性发射极为高压极， 负极性 发射极为低压极； 若发射阵所加载的高压脉沖为负极性， 则正极性发射极为低 压极， 负极性发射极为高压极。 实施例 2

如图 6所示， 一种双极性脉沖放电的多电极发射阵， 包括： 固定框架 3、 接 线柱 2、 平衡尾翼 4和四组发射极， 每组发射极由多个发射电极 1并排组成， 所 有发射电极 1均设于固定框架 3上， 接线柱 2位于固定框架 3的左侧， 平衡尾 翼 4安装于固定框架 3右侧， 固定框架 3悬浮于水中。

发射电极 1 由耐高压的铜芯和包裹铜芯的绝缘层组成； 铜芯的一端为发射 电极 1的发射头， 另一端通过连接线与接线柱 2相连； 绝缘层采用聚氨酯， 厚 度约为 2mm; 连接线采用同轴传输线， 内外导体都为 200股直径 0.3mm的漆包 线。 的长度为 2.5cm, 正极性发射极中发射电极 1的铜芯直径（ 1mm )比负极性发射 极中发射电极 1 的铜芯直径（0.5mm ) 大； 每一组正极性发射极中发射电极 1 的发射头与其对应的一组负极性发射极中发射 电极 1的发射头指向相对。

固定框架 3 为由三根横向固定管和两根纵向支撑管相互连 接组成的一具有 两组框格的框架， 每组框格为由两根横向固定管和两根纵向支撑 管围成的矩形 结构， 每组框格的两根横向固定管上分别固定一组正 极性发射极及其对应的一 组负极性发射极。

发射极中的发射电极 1 共用一条连接线， 该公共连接线设置于发射极所在 的横向固定管内， 公共连接线穿出横向固定管的一端后与接线柱 2对应的端子 相连。

两组框格共用一根横向固定管， 该公共横向固定管的两侧分别固定有两组 发射极， 这两组发射极为同极性。公共横向固定管上两 组发射极中的发射电极 1 共用一条连接线， 该连接线设置于公共横向固定管内， 连接线穿出公共横向固 定管的一端后与接线柱对应的端子相连。

纵向支撑管和平衡尾翼 4采用 304不锈钢材质； 横向固定管采用一侧开口 的 PVC管 （公共横向固定管两侧开口）， 内置长度略小于 PVC管的铜带， 铜带 上焊上发射电极 1 ,铜带的一端通过连接线与接线柱 2对应的端子相连， 最后用 环氧树脂对 PVC管内部进行浇注， 将铜带及其上的焊接点全部密封。

接线柱 2为圓柱形的防水密封结构， 采用 304不锈钢材质并用环氧树脂浇 注， 其具有 1个进线端子和 3个出线端子； 进线端子连接拖曳缆， 3个出线端子 分别连接四组发射极从三根横向固定管所引出 的连接线。

若发射阵所加载的高压脉沖为正极性， 则正极性发射极为高压极， 负极性 发射极为低压极； 若发射阵所加载的高压脉沖为负极性， 则正极性发射极为低 压极， 负极性发射极为高压极。

以下我们选用正极性发射电极和负极性发射电 极各 200个组成的发射阵， 发射电极方向相对， 电极头间距 2cm。 该发射阵在正极性和负极性两种脉沖电 源的驱动下都可以放电。 图 7~9是在相同放电能量 10J条件下， 正极性放电、 负极性放电和双极性放电三种情况下的声脉沖 波形图。 声脉沖波形图是使用同 一个水听器在同一位置上测得的结果， 由图可见正极性放电和双极性放电的脉 沖声波峰值为 34V, 而负极性放电的脉沖声波峰值为 30V; 换算成源级， 正极 性放电和双极性放电的源级为 209dB , 而负极性放电的为 207dB。故本实施方式 发射阵负极性放电的能量效率与正极性的相当 ， 负极性发射电极无损耗。