电火花震源激发的声波频谱分析

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 systems，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

分贝（工程应用）

如（此处以功率为例）：　X = 100000 = 10^5　X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(10^5) dB= 50 dB　X = 0.000000000000001 = 10^-15　X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(10^-15) dB= -150 dB　一般来讲，在工程中，dB和dB之间只有加减，没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。比如：30dBm - 0dBm = 1000mW/1mW = 1000 = 30dB。dBm 加 dBm 实际上是两个功率相乘，没有实际的物理意义。　在电子工程领域，放大器增益使用的就是dB（分贝）。放大器输出与输入的比值为放大倍数，单位是“倍”，如10倍放大器，100倍放大器。当改用“分贝”做单位时，放大倍数就称之为增益，这是一个概念的两种称呼。　电学中分贝与放大倍数的转换关系为：　A(V)(dB)=20lg(Vo/Vi)；电压增益　A(I)(dB)=20lg(Io/Ii)；电流增益　A(p)(dB)=10lg(Po/Pi)；功率增益　分贝定义时电压(电流)增益和功率增益的公式不同，但我们都知道功率与电压、电流的关系是P=V^2/R=I^2*R。采用这套公式后，两者的增益数值就一样了：　10lg[Po/Pi]=10lg[(Vo^2/R)/(Vi^2/R)]=20lg(Vo/Vi)。注意：这只是在Ri=Ro的电路中适用，比如在有线电视系统中各种器材的匹配阻抗都是75Ω。　使用分贝做单位主要有三大好处。　（1）数值变小，读写方便。电子系统的总放大倍数常常是几千、几万甚至几十万，一台收音机从天线收到的信号至送入喇叭放音输出，一共要放大2万倍左右。用分贝表示先取个对数，数值就小得多。　（2）运算方便。放大器级联时，总的放大倍数是各级相乘。用分贝做单位时，总增益就是相加。若某功放前级是100倍(20dB)，后级是20倍(13dB)，那么总功率放大倍数是100×20=2000倍，总增益为20dB+13dB=33dB。　（3）符合听感，估算方便。人听到声音的响度是与功率的相对增长呈正相关的。例如，当电功率从0.1瓦增长到1.1瓦时，听到的声音就响了很多；而从1瓦增强到2瓦时，响度就差不太多；再从10瓦增强到11瓦时，没有人能听出响度的差别来。如果用功率的绝对值表示都是1瓦，而用增益表示分别为10.4dB，3dB和0.4dB，这就能比较一致地反映出人耳听到的响度差别了。您若注意一下就会发现，Hi－Fi功放上的音量旋钮刻度都是标的分贝，使您改变音量时直观些。　分贝数值中，－3dB和0dB两个点是必须了解的。－3dB也叫半功率点或截止频率点。这时功率是正常时的一半，电压或电流是正常时的1/√2。在电声系统中，±3dB的差别被认为不会影响总特性。所以各种设备指标，如频率范围，输出电平等，不加说明的话都可能有±3dB的出入。例如，前面提到的频响10Hz～40kHz，就是表示在这段频率中，输出幅度不会超过±3dB，也就是说在10Hz和40kHz这二个端点频率上，输出电压幅度只有中间频率段的0.707(1/根2)倍了。0dB表示输出与输入或两个比较信号一样大。分贝是一个相对大小的量，没有绝对的量值。可您在电平表或马路上的噪声计上也能看到多少dB的测出值，这是因为人们给0dB先定了一个基准。例如声级计的0dB是2×10－4μb(微巴)，这样马路上的噪声是50dB、60dB就有了绝对的轻响概念。常用的0dB基准有下面几种：dBFS——以满刻度的量值为0dB，常用于各种特性曲线上；dBm——在600Ω负载上产生1mW功率(或0.775V电压)为0dB，常用于交流电平测量仪表上；dBV——以1伏为0dB；dBW——以1瓦为0dB。一般读出多少dB后，就不用再化为电压、声压等物理量值了，专业人士都能明白。只有在极少数场合才要折合。这时只需代入公式： 10^(A/20)×D0或10^(A/10)×D0计算即可。A为读出的分贝数值，D0为0dB时的基准值，电压、电流或声压用A/20，电功率、声功率或声强则用A/10。现在您就可以来回答本文开头的问题了。第二只音箱在相同输入时比第一只音箱响一倍，如果保持两只音箱一样响的话，第二只音箱只要输入一半功率即可。第一只功放只是很普通的品种，第二只功放却很Hi－Fi，整个频率范围内输出电压只有±2.3%的差别!　简单地说，dB是一个比值，举个例子，音频行业中，功率大一倍即是大3dB。　又比如音箱的灵敏度单位是dB,声压计测出的声音强度也是dB。　这里要提一下dBm,dBw,dBu,dBc的含义和之间的关系，dBm是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mw），这是一个绝对值，0dBm即使1毫瓦所转换的能量。　dBw与dBm一样，dBw是一个表示功率绝对值的单位（也可以认为是以1W功率为基准的一个比值），计算公式为：10lg（功率值/1w）。dBw与dBm之间的换算关系为：0 dBw = 10lg1 W = 10lg1000 mw = 30 dBm,由此可见，0dBw是一个比0dBm大得多的多的单位，功率上相差1000倍，因此专业音频设备上，最典型的例子就是功放，0dB的刻度是最大值，功放的旋钮其实是一个衰减器；　dBu是以.775v电压作为基准值的一个单位参数，dBv则是1V为基准值，因此，0dBv大概等于2.2dBu；它们换算公式是：x dBv = (x + 2.2)dBu　而dBc在数字音频系统中比较常见，这也是一个考量相对功率的值。比如某处理器内部设置的0dBc实际等同于是-24dBm；　而我们在统计声音响度或者声压级时也会采用分贝dB作为单位去衡量，这是因为dB的步阶可以如实地反映人对声音的感觉。实践证明，声音的分贝数增加或减少一倍，人耳听觉响度也提高或降低一倍。即人耳听觉与声音功率分贝数成正比。　db dbm dbi dbc w 的区别　-　dBm与w dbi2008-02-22 10:43 dBm意即分贝毫瓦。　功率单位 与P（瓦特）换算公式：　1dBm=30+10lgP (P单位瓦特）　首先， DB 是一个纯计数单位：dB = 10lgX。dB的意义其实再简单不过了，就是把一个很大（后面跟一长串0的）或者很小（前面有一长串0的）的数比较简短地表示出来。如：　X=1000000000000000 (多少个了?)=10lgX=150dB　X=0.000000000000001=10logX=-150 dB　dBm 定义的是 miliwatt。 0 dBm=10lg1mw；　dBw 定义 watt。 0 dBw = 10log1 W = 10log1000 mw = 30 dBm。DB在缺省情况下总是定义功率单位，以 10lg 为计。当然某些情况下可以用信号强度（Amplitude）来描述功和功率，这时候就用 20log 为计。不管是控制领域还是信号处理领域都是这样。比如有时候大家可以看到 dBmV 的表达。　在dB，dBm计算中，要注意基本概念。比如前面说的 0dBw = 10lg1W = 10lg1000mw = 30dBm；又比如，用一个dBm 减另外一个dBm时，得到的结果是dB。如：30dBm - 0dBm = 30dB。　一般来讲，在工程中，dB和dB之间只有加减，没有乘除。而用得最多的是减法：dBm 减 dBm 实际上是两个功率相除，信号功率和噪声功率相除就是信噪比（SNR）。dBm 加 dBm 实际上是两个功率相乘，这个已经不多见（我只知道在功率谱卷积计算中有这样的应用）。dBm 乘 dBm 是什么，1mW 的 1mW 次方？除了同学们老给我写这样几乎可以和歌德巴赫猜想并驾齐驱的表达式外，我活了这么多年也没见过哪个工程领域玩这个。　要计算A的功率相比于B大或小多少个dB时，可按公式10 lg A/B计算。例如：A功率比B功率大一倍，那么10 lg A/B = 10 lg2 = 3dB。也就是说，A的功率比B的功率大3dB；如果A的功率为46dBm，B的功率为40dBm，则可以说，A比B大6dB；如果A天线为12dBd，B天线为14dBd，可以说A比B小2dB。可以理解为将dBm或dBd先转换成Watt再进行功率比较计算谁比谁多或少几个dB。　dBm是一个表示功率绝对值的单位，计算公式为：10lg功率值/1mW。　[例1] 如果发射功率P为1mw，折算为dBm后为0dBm。　[例2] 对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：　10lg（40W/1mw)=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm。