ИМПУЛЬСНЫЙ НЕВЗРЫВНОЙ СЕЙСМОИСТОЧНИК ДЛЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ
PULSED NON-EXPLOSIVE SEISMIC SOURCE FOR WATER ENVIRONMENT

Изобретение относится к источникам сейсмических волн и предназначен для проведения сейсморазведочных работ на покрытых водой территориях: рекам, озерам, шельфе морей и т.д.
Известен сейсмоисточник для создания сейсмических волн при проведении инженерно-геофизических исследований морского дна (Патент СССР №1817707 A3, опубл. 23.05.93. Бюл. №19). Его техническое решение принято за аналог и содержит герметичный корпус, днище которого выполнено в виде мембраны из электропроводного материала. В корпусе помещены две дисковые концентрически расположенные катушки обмотки возбуждения магнитного поля индукционно-динамического двигателя, плоские торцевые поверхности которых прилегают к электропроводной мембране, выполняющей роль якоря двигателя. Выводы от каждой катушки присоединены через тиристоры к отдельным конденсаторам, заряжаемым от общего зарядного устройства.
Техническое решение аналога имеет несколько недостатков. Применение двух катушек возбуждения, присоединяемых к двум накопителям энергии через отдельные управляемые коммутирующие приборы, усложняет конструктивное выполнение сейсмоисточника, снижает его надежность работы и увеличивает стоимость.
При прогибе жесткой электропроводной мембраны в ней возникают значительные механические напряжения, что уменьшает создаваемое ею объемное возмущение в водной среде и интенсивность генерируемой источником сейсмической волны. При этом снижается коэффициент передачи механической энергии двигателя в энергию ударного объемного воздействия на воду, интенсивность генерируемой сейсмической волны и уменьшается эффективность работы сейсмоисточника в целом, в том числе и за счет генерирования сейсмической волны-помехи при возврате мембраны в исходное положение.
Наиболее близким по совокупности признаков заявляемому изобретению является принятый за прототип источник для генерации акустического сигнала в морской сейсморазведке (Патент US 6,771,565 В2 Aug. 3, 2004). Сейсмоисточник содержит герметичный корпус с размещенной в нем основной катушкой возбуждения магнитного поля индукционно-динамического двигателя. Днище корпуса выполнено в виде плоской мембраны из упругого материала. Якорь двигателя выполнен в виде пластины из электропроводного материала и помещен в зазоре между катушкой и мембраной так, что одна сторона пластины-якоря прилегает к плоской торцевой поверхности катушки, а вторая - к мембране.
Создаваемый двигателем между катушкой возбуждения и якорем импульс силы образуется при пропускании по катушке импульса тока при разряде на катушку заряженного конденсатора с необходимой энергией. Под действием силы двигателя якорь перемещается в направлении от катушки к мембране, что вызывает ее смещение и создание объемного возмущения в воде, объемная скорость которого определяет интенсивность генерируемой сейсмической волны.
Недостатком прототипа является низкий кпд преобразования потребляемой энергии в механическую энергию якоря, низкое значение скорости нарастания и величины создаваемой якорем на мембрану и водную среду механической силы, что приводит к недостаточной генерируемой сейсмической мощности и эффективности проведения сейсморазведочных работ.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение создаваемого на воду механического воздействия и сейсмической эффективности сейсмоисточника.
Техническим результатом является увеличение кпд преобразования потребляемой двигателем энергии в механическую энергию якоря, увеличение создаваемого на мембрану сейсмоисточника механического импульса, скорости объемного возмущения в водной среде и соответствующей генерируемой источником сейсмической мощности.
Упомянутая задача достигается тем, что сейсмоисточник, содержащий герметичный корпус с днищем в виде упругой мембраны и помещенный внутри корпуса двигатель индукционно-динамического типа, катушка возбуждения которого прикреплена к корпусу, а якорь двигателя содержит прилегаемую к плоской торцовой поверхности катушки пластину из электропроводного материала и расположен между катушкой возбуждения и мембраной, отличается тем, что якорь отделен от мембраны плоским зазором с возможностью его выбора при перемещении якоря по направлению от катушки к мембране.
Якорь двигателя с целью увеличения его конструктивной жесткости может быть выполнен с подложкой из прочного материала с небольшим удельным весом, например сплава типа дюралюминия, или из пластика.
Получение технического результата достигается за счет того, что при работе сейсмоисточника с зазором между якорем и мембраной перед моментом механического воздействия на мембрану якорь, ускоряясь в течение выбора им зазора, получает некоторую скорость и дополнительный механический импульс, определяемый величиной действующей на якорь силы двигателя и временем выбора зазора. В результате происходит сложение предварительного механического импульса с действующим на якорь импульсом при воздействии якоря на мембрану и, следовательно, увеличение механического импульса воздействия мембраной на водную среду. При этом увеличиваются кпд преобразования двигателя в механическую энергию движения якоря и мощность создаваемой сейсмической волны.
Изобретение поясняется чертежами:
Фиг.1. - конструктивная схема выполнения сейсмоисточника;
Фиг.2. - графики изменения тока возбуждения двигателя, развиваемой им силы и механического импульса;
Фиг.3. - вариант выполнения якоря с жесткой подложкой.
Сейсмоисточник состоит из герметичного корпуса 1, днище которого выполнено в виде гибкой мембраны 2 из эластичного материала. Катушка 3 обмотки возбуждения помещена в пазу детали 4 из неэлектропроводного и немагнитного материала, жестко соединенной с корпусом 1. К торцевой поверхности катушки 3 прилегает якорь 5, выполненный из материала с высокой электропроводностью, например из меди. Обращенная к мембране 2 поверхность якоря 5 выполнена с выступами 6, обеспечивающими зазор 7 между поверхностью якоря 5 и мембраной 2. Выводы от катушки 3 проходят через деталь 4 в полость 8 внутри корпуса 1 и присоединяются к генератору 9 импульсов тока. Схема управления генератором 9 присоединена кабелем 10 к генератору 9 через ввод 11 в корпусе 1.
0
Работает сейсмоисточник следующим образом. В момент времени t (фиг.2) по кабелю 10 подается управляющий сигнал на генератор 9 и он формирует проходящий по обмотке возбуждения 3 индукционно-динамического двигателя импульс тока 12. За счет магнитной связи между обмоткой возбуждения 3 и якорем 5 в якоре индуктируется ток. Создаваемый обмоткой 3 магнитный поток проходит в радиальном направлении между обмоткой 3 и якорем 5 и замыкается через неэлектропроводную деталь 4. В результате между обмоткой возбуждения и пластиной 5 якоря двигателя создается расталкивающая их сила P(t) 13.
1
2
где: i и i соответственно ток в обмотке возбуждения и якоре, М - коэффициент их магнитной связи, а х - направление перемещения якоря относительно катушки возбуждения под действием силы P(t).
1
1
Якорь 5 под действием силы 13 ускоряется в направлении к мембране 2. При этом упоры 6 якоря к моменту времени t погружаются в упругий материал мембраны 2, а зазор 7 между якорем и мембраной выбирается (уменьшается до нуля). К моменту времени t скорость якоря увеличивается до значения
я
1
1
определяющего при массе якоря m величину полученного якорем механического импульса N и его кинетическую энергию A.
1
1
1
(t1)
ф
ф
ф
На фиг.2 импульс N отображается площадью 14, ограниченной кривой 13 силы и абсциссой на интервале времени от нуля до t. В момент времени t якорь 5 со скоростью V воздействует на мембрану 2. Совместное движение мембраны и якоря вызывает объемное возмущение в водной среде и формирование сейсмической волны в ней в течение времени t, зависящего от площади воздействия мембраной на воду и скорости распространения продольной волны в водной среде. В течение времени t на якорь продолжает действовать сила P(t) двигателя и ему передается механический импульс N 15
m
В результате величина объемного возмущения, создаваемого в воде мембраной сейсмоисточника суммой 16 механических импульсов 14 и 15, увеличивается, что приводит к увеличению создаваемого в воде давления Р и интенсивности генерируемых сейсмоисточником сейсмических волн.
Увеличение перемещения якоря за счет величины зазора 7 обеспечивает повышение кпд преобразования энергии магнитного поля индукционно-динамического двигателя в энергию механического воздействия якорем на водную среду.
После окончания воздействия мембраной на водную среду и действия силы 13 мембрана и якорь под воздействием гидростатического давления воды возвращаются в исходное положение. Для снижения уровня создаваемых при этом сейсмических помех в сейсмоисточнике может быть применен односторонний демпфер, установленный между корпусом 1 и якорем 5 двигателя.
Для уменьшения прогиба якоря под действием на него силы P(t) двигателя он может быть выполнен комбинированным (фиг.3), то есть состоящим из жесткой подложки 17, выполненной из прочного материала с небольшим удельным весом, например из сплава типа дюралюминия или из пластика, и закрепленной на ней пластины 5 из электропроводного материала.
Для уменьшения массы якоря подложка может быть выполнена с полостями, то есть сотовой конструкции. При выполнении якоря с подложкой создающие зазор 7 между якорем и мембраной упоры 6 должны выполняться на обращенной к мембране стороне подложки 17. Причем выступы 6 на подложке могут быть выполнены подпружиненными с возможностью их вдавливания в тело подложки, что обеспечивает исключение погружения выступов в тело мембраны и повышает срок ее службы.
Для уменьшения силы сопротивления движению якоря при выборе им зазора 7 в теле якоря могут быть выполнены отверстия 18 для прохождения воздуха из уменьшающегося при движении якоря объема зазора 7 в полость 8 корпуса над якорем.