Способ возбуждения упругих колебаний в воде и устройство для его осуществления

 

Использование: в процессах генерирования сейсмической энергии в водной среде. Сущность: способ предусматривает подачу сжатого воздуха к выхлопному окну пневмоизлучателя и формирование расширяющейся тороидальной газовой полости на глубине погружения источника. При этом на нижней и верхней кромках выхлопного окна создают разность скоростей истечения газа, обеспечивающую вихревое вращение газа вокруг оси тороидальной газовой полосы и присоединенного к ней слоя водной среды толщиной до 5 см. Рабочая камера источника выполнена в виде тора и соединена с каналом выхода воздуха так, что образует улитообразную структуру с монотонно уменьшяющимся к выхлопному окну внутренним диаметром. Система управления содержит электромагнитную катушку, связанную с источником тока и установленную в верхней части корпуса, выполненного из магнитного материала, и подвижной элемент, выполненный из магнитного материала и установленный соосно с катушкой со смещением центра магнитной массы относительно полюсов катушки. 2 с. п. и 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к генерированию сейсмической энергии в водной среде путем использования сейсмических источников с резким выхлопом сжатого воздуха.

Наиболее близким к изобретению является способ возбуждения упругого импульса в воде источником сигнала, включающий формирование в месте выпускных отверстий предварительно сформированной полости и пропускание сжатого воздуха от пневмоизлучателя через полость [1] .

Недостатком этого способа является сложность синхронизации выхлопа в сформированную полость, поскольку по условию способа в ней должно быть давление, близкое к гидростатическому, а время жизни такой полости при этом давлении менее 1 мс. При незначительном отклонении давления в рабочей камере от оптимального уже будет ломаный фронт первого пика давления акустического сигнала и снижение его амплитуды.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является сейсмический источник, содержащий корпус, подвижный цилиндр и кольцевой выступ, рабочую и управляющую камеру, пневмоклапан и каналы [2] .

Недостатком такого источника являются значительные повторные пульсации, которые снижают сейсмическую эффективность разведки.

Целью изобретения является повышение сейсмической эффективности за счет увеличения амплитуды излучаемого сигнала и уменьшение повторных пульсаций образованного газового пузыря.

Это достигается тем, что в способе возбуждения упругого импульса в воде, включающем формирование предварительной тороидальной газовой полости на глубину погружения источника в месте выпускного отверстия пневмоизлучателя и возбуждение путем пропускания сжатого воздуха через полость, согласно изобретению предварительную полость формируют за счет выпуска 10-15% объема воздуха из рабочей камеры, а возбуждение осуществляют путем подачи воздуха в виде вихревого потока, раскручивающего сформированную полость, и соприкасающийся с ней слой среды толщиной до 5 см со скоростью истечения потока. При этом формирование акустического сигнала идет непрерывно, с момента формирования полости.

Это достигается тем, что в устройстве для возбуждения упругого импульса, включающем корпус с подвижным элементом, выступом, рабочую и управляющую камеры, каналы, согласно изобретению рабочая камера выполнена в виде тора с отношением радиуса тора и радиусом кольцевой оси 1: 1,5 с монотонно уменьшающимся к выхлопному окну с переменным внутренним диаметром каналом и начальным радиусом его сопряжения с тором 2: 1, причем верхняя Т-образная часть корпуса и подвижный элемент выполнены из магнитного материала.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2-4 - процесс формирования акустического сигнала.

Способ осуществляется следующим образом.

В начале процесса происходит резкое вскрытие камеры по кольцевому зазору, в результате чего формируется расширяющаяся тороидальная полость. При полном вскрытии камеры истечение воздуха в расширяющуюся полость приобретает вихревой характер, раскручивающий воздух в полости. Движение воздуха в полости захватывает и раскручивает в тороидальной структуре соприкасающуюся с ней водную среду в слое около 5 см.

Возникающая центробежная сила F_цб. движущейся по окружности сечения тора воды приводит к большему перерасширению газового пузыря, увеличивая амплитуду акустического сигнала, а на фазе сжатия при первой пульсации, резко возрастая при уменьшении радиуса вращения (сечения тора), демпфирует процесс пульсации и сглаживает его, так что отношение амплитуды первой фазы к амплитуде пульсации может достигать отношения 5: 1 и лучше.

Устройство состоит из корпуса 1 с торообразной рабочей камерой 2, переходящей в канал-формирователь 3 воздушного потока, заканчивающегося выхлопным окном 4 с подвижным элементом 5, имеющим кольцевой выступ 6, размещенный в тормозной камере 7. В корпусе выполнены каналы 8-12, а также размещены индуктивная катушка 13, электрический и воздушные вводы 14, 15, подшипник 16 скольжения, уплотнительные элементы 17, 18. Часть корпуса 1 выполнена из немагнитного материала, а часть 19 - из магнитного материала.

Соотношение радиусов камеры в устройстве должно обеспечивать создание вихревого потока при выхлопе воздуха; компактность и прочность конструкции.

Соотношение R₂ : R₁ = 1,5 выбрано в полной мере из соображений компактности и прочности конструкции. Такое соотношение выбрано для стали марки 12 х 18Н 10Т Гост 5632-72, для бронзы - 1,7 : 1,8.

Соотношение R₃ : R₁ = 2,0 выбрано в основном для создания вихревого потока воздуха. Для этого необходимо сформировать этот поток по касательной к окружности R₁ и направить на плоскость, расположенную под углом 45^о к потоку. Сила "соскальзывания" потока, создающая на выхлопе разные скорости его выхода, фактически тангенциальная функция давления потока на эту плоскость.

Устройство работает следующим образом.

Электрический импульс подается через разъем 14 в катушку 13 индуктивности, генерируя магнитное поле в магнитной части корпуса 9 и окружающем устройстве. Поскольку подвижный элемент 5 изготовлен из магнитного материала и в начальный момент расположен со значительным смещением своей магнитной массы относительно полюсов катушки, он притягивается, стремясь занять равновесное состояние в магнитном поле, и создает под кольцевым выступом относительное разрежение, передаваемое по каналу на уплотнительный элемент 18, что приводит к прорыву сжатого воздуха под торцовую разгонную площадку подвижного элемента, движение которого резко ускоряется и камера вскрывается, выбрасывая воздух в окружающую среду.

В первой фазе вскрытия образуется тороидальная расширяющаяся полость, на которую расходуется около 10% воздуха.

При приходе подвижного элемента в верхнее положение воздух из рабочей камеры 2 по каналу 3 истекает в тороидальную полость в виде вихревого потока, раскручивая воздух и окружающую среду вокруг кольцевой оси тора с одновременным расширением этой полости, образуя устойчивую тороидальную форму воздушного пузыря, на что затрачивается 70% воздуха.

Затем подвижный элемент возвращается за счет сжатого в тормозной камере воздуха, в этот момент происходит остаточный выхлоп около 3% воздуха, образующий в среде остаточный воздушный пузырь, который быстро разрушается. Кольцевым уступом в тормозной камере создается давление, которое передается на уплотнительный элемент, плотно герметизирующий подвижный элемент. Поскольку давление в тормозной камере восстанавливается быстрее, чем в рабочей, в силу меньшего объема, уплотнительный элемент не срывается до полного заполнения и держит уплотнение до нового цикла.

Использование предлагаемого способа и устройства позволяет за счет подавления повторных пульсаций увеличить амплитуду излучаемого сигнала, т. е. повысить сейсмическую эффективность сейсморазведки.

Формула изобретения

1. Способ возбуждения упругих колебаний в воде, заключающийся в подаче воздуха под давлением к выхлопному окну пневмоизлучателя и формировании расширяющейся тороидальной газовой полости на глубине погружения источника, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности за счет увеличения амплитуды сейсмического сигнала и уменьшения пульсаций, на нижней и верхней кромках выхлопного окна создают разность скоростей истечения газа, обеспечивающую вихревое вращение газа вокруг оси тороидальной газовой полости и присоединенного к ней слоя водной среды толщиной до 5 см.

2. Устройство для возбуждения упругих колебаний в воде, включающее корпус с подвижным элементом, образующие рабочую камеру с выхлопным отверстием по всей окружности рабочей камеры и тормозную камеру, каналы для подвода сжатого воздуха и систему управления, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности сейсмического сигнала, рабочая камера выполнена в виде тора и соединена с каналом выхода воздуха так, что образует улиткообразную структуру с монотонно уменьшающимся к выхлопному окну внутренним диаметром.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система управления содержит электромагнитную катушку, связанную с источником тока, установленную в верхней части корпуса, выполненного из магнитного материала, и подвижный элементы, выполненный из магнитного материала, установленный соосно с катушкой со смещением центра магнитной массы относительно полюсов катушки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4