壓力補(bǔ)償源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及壓力補(bǔ)償源，特別地實(shí)施例涉及一種用于海洋地球物理勘查的聲源。一實(shí)施例提供一種聲源，其包括：外殼體，其包含在第一氣體壓力的第一氣體；以及順應(yīng)腔室，其與第一氣體間接流體連通，順應(yīng)腔室包含在第二氣體壓力的第二氣體，其中第二氣體壓力低于第一氣體壓力。一實(shí)施例提供一種用于海洋地球物理勘查的聲源，其包括：外殼體；聯(lián)接到外殼體上的質(zhì)量；以及聯(lián)接到外殼體的促動器。在本文中公開了額外的設(shè)備和方法。
【專利說明】壓力補(bǔ)償源
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用 本申請要求保護(hù)在2013年5月7日提交的、名稱為"Sound Source Passive Compliance Chamber"的美國臨時申請No. 61/820,645的權(quán)益，其全部公開以引用的方式 并入到本文中。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002] 實(shí)施例大體而言涉及用于海洋地球物理勘查的聲源。更特定而言，實(shí)施例涉及在 聲源中使用諸如附加質(zhì)量或順應(yīng)腔室這樣的機(jī)構(gòu)來在操作期間補(bǔ)償在聲源內(nèi)部的氣體體 積變化。
【背景技術(shù)】
[0003] 聲源通常為生成聲能的裝置。聲源的一種用途是在海洋地震勘查中，其中，可以采 用聲源來生成聲能，聲能向下行進(jìn)穿過水并且進(jìn)入到地表下巖石內(nèi)。在與地表下巖石(例 如，在不同地表下層之間的邊界處）相互作用后，聲能中的某些可以朝向水面返回并且由專 門的傳感器檢測到。所檢測的能量可用來推斷地表下巖石的特定性質(zhì)，諸如結(jié)構(gòu)、礦物質(zhì)組 成和流體含量，從而提供適用于回收烴類的信息。
[0004] 目前用于海洋地震勘查的大部分聲源為脈沖型，其中，做出努力以在盡可能短的 時間跨度期間生成盡可能多的能量。這些脈沖型源中最常用的是氣槍，氣槍通常利用壓縮 空氣來生成聲波。脈沖型源的其它示例包括爆炸和重物墜落脈沖源。可以用于地震勘查中 的另一類型的聲源包括振動器源，諸如液壓動力源、機(jī)電振動器、電氣海洋地震振動器和采 用電致伸縮(例如，壓電）或磁致伸縮材料的源。振動器源通常生成被稱作"掃頻（sweep)" 或"啁啾（chirp) "模式的一定頻率范圍的振動。
[0005] 用于海洋地震勘查中的現(xiàn)有聲源通常已被設(shè)計用于相對高頻操作(例如，高于 10Hz)。但是，熟知的是，當(dāng)聲波穿過水和穿過地表下地質(zhì)結(jié)構(gòu)行進(jìn)時，較高頻率的聲波比 較低頻率的聲波更快速地衰減，并且因此，較低頻率聲波比較高頻率聲波穿過水和地質(zhì)結(jié) 構(gòu)傳輸更長距離。因此，已做出努力來開發(fā)能以低頻操作的聲源。已發(fā)展了很低頻率源 ("VLFS")，其通常具有約10Hz或更低的至少一個共振頻率。VLFS的特征通常在于具有與 VLFS的聲波長相比很小的源大小。VLFS的源大小通常遠(yuǎn)小于波長的1/10并且更通常地為 波長的大約1/100。例如，以5Hz操作、具有3米最大尺寸的源為波長大小的1/100。
[0006] 為了在水中實(shí)現(xiàn)給定的輸出水平，海洋聲源通常需要經(jīng)歷體積變化。為了在一定 深度工作同時最小化結(jié)構(gòu)重量，可以利用外部流體靜壓力來使源壓力平衡。隨著在該源中 的內(nèi)部氣體(例如，空氣)壓力升高，內(nèi)部氣體的體積模量(剛性)也升高。這種內(nèi)部氣體的體 積模量的增加傾向于隨源的操作深度變化。另外，內(nèi)部氣體和結(jié)構(gòu)的剛性為源共振頻率的 主要決定因素。因此，該源的共振可以基于該源的操作深度而變化，特別是在海洋聲源中， 其中，該源的內(nèi)部體積可以利用外部流體靜壓力而被壓力平衡。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007] 這些附圖示出了本發(fā)明的實(shí)施例中某些實(shí)施例的方面并且不應(yīng)用來限制或限定 本發(fā)明。
[0008] 圖1以局部截面圖示出了聲源的示例實(shí)施例，該聲源包含多個順應(yīng)腔室。
[0009] 圖2示出了包含順應(yīng)腔室的聲源的另一示例實(shí)施例。
[0010] 圖3為示出根據(jù)示例實(shí)施例的聲源的外殼體、內(nèi)部氣體和順應(yīng)腔室的剛性的示意 圖。
[0011] 圖4為示出根據(jù)示例實(shí)施例使用順應(yīng)腔室的效果的模擬振幅譜。
[0012] 圖5示出了示例實(shí)施例中可用于順應(yīng)腔室中的彈簧堆疊。
[0013] 圖6示出了在示例實(shí)施例中多個彈簧堆疊用于順應(yīng)腔室中。
[0014] 圖7為根據(jù)示例實(shí)施例用于貝氏（Belleville)彈簧墊圈堆疊的模擬/仿真力偏 轉(zhuǎn)圖表的圖。
[0015] 圖8A和圖8B示出了包含順應(yīng)腔室的聲源的另一示例實(shí)施例。
[0016] 圖9示出了包含順應(yīng)腔室的聲源的另一示例實(shí)施例。
[0017] 圖10示出了在外殼體上具有附加質(zhì)量的聲源的示例實(shí)施例。
[0018] 圖11為示出根據(jù)示例實(shí)施例將質(zhì)量附加到聲源的外殼體上的效果的模擬/仿真 振幅譜。
[0019] 圖12為示出根據(jù)示例實(shí)施例與在源外殼體上的附加質(zhì)量組合地使用順應(yīng)腔室的 效果的模擬/仿真振幅譜。
[0020] 圖13為使用聲源的海洋地震勘查系統(tǒng)的示例實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 應(yīng)了解本公開并不限于特定裝置或方法，其當(dāng)然可變化。應(yīng)了解本文所用的術(shù)語 僅僅是出于描述特定示例性實(shí)施例的目的并且無限制意圖。本文所公開的所有數(shù)字和范圍 可以以某些量變化。每當(dāng)公開了具有上限和下限的數(shù)值范圍時，具體地公開了屬于該范圍 內(nèi)的任何數(shù)字和任何包括的范圍。盡管公開了個別實(shí)施例，本發(fā)明涵蓋所有那些實(shí)施例的 所有組合。如本文所用的單數(shù)形式"一"、"該"和"所述"包括單個和多個參考物，除非內(nèi)容 清楚地表示為其它情況。而且，詞語"可(可以）"在本申請中以許可意義（即具有這種可能 性，能夠）而不是強(qiáng)制意義（即必須）使用。術(shù)語"包括"和其衍生詞表示"包括，但不限于。" 術(shù)語"聯(lián)接"表示直接或間接連接。如果在本說明書和可能以引用的方式并入到本文中的 一個或多個專利或其它文獻(xiàn)中詞語或術(shù)語的使用存在任何沖突，與本說明書一致的定義將 用于理解本發(fā)明的目的。
[0022] 實(shí)施例大體而言涉及用于海洋地球物理勘查的聲源。更特定而言，在一個或多個 實(shí)施例中，附加質(zhì)量或順應(yīng)腔室用于聲源中以在操作期間補(bǔ)償聲源內(nèi)部的氣體體積變化。 如在下文中更詳細(xì)地討論，附加質(zhì)量或順應(yīng)腔室可能使聲源的共振頻率轉(zhuǎn)變?yōu)楦投瑫r 增加在更低頻率的聲輸出。
[0023] 聲源可以用于海洋地球物理勘查中以生成向下行進(jìn)穿過水并且向下到地表下巖 石內(nèi)的聲能。聲源的實(shí)施例可以包括外殼體，夕卜殼體包含具有一定氣體壓力的氣體。舉例 而言，聲源可包括外殼體，外殼體限定內(nèi)部體積，氣體可置于內(nèi)部體積中。合適聲源的示例 包括海洋振動器、彎曲物源（bender source)或聲學(xué)源（acoustic source)。合適海洋振動 器可以為液壓動力振動器、機(jī)電振動器、電氣海洋地震振動器和采用電致伸縮(例如，壓電） 或磁致伸縮材料的振動器。合適彎曲物源的示例可以包括壓電或其它合適電致伸縮材料， 其當(dāng)啟動時涉及該源相對于未啟動時的源的平面表面的撓性彎曲。在某些實(shí)施例中，聲源 可以是彎張殼體型源。包括促動器和換能器的彎張裝置充當(dāng)機(jī)械變換器，其變換并且放大 在有源元件中生成的位移和力以滿足不同應(yīng)用的需求。彎張殼體型源通常為海洋振動器， 海洋振動器具有外殼體，外殼體振動和撓曲以生成聲能。彎張殼體型源的示例可以見于美 國專利No. 8, 446, 798中，其以引用的方式并入到本文中。
[0024] 在某些實(shí)施例中，聲源可以具有壓力補(bǔ)償系統(tǒng)。壓力補(bǔ)償系統(tǒng)可以用來例如均衡 聲源外殼體的內(nèi)部氣體壓力與外部壓力。聲源外殼體的內(nèi)部氣體壓力將在本文中被稱作 "殼體內(nèi)部氣體壓力"。壓力補(bǔ)償可以例如結(jié)合海洋聲源使用，其中，源需要經(jīng)歷體積變化來 實(shí)現(xiàn)給定輸出水平。隨著聲源深度增加，殼體內(nèi)部氣體壓力可以升高以均衡壓力與由于深 度而增加的水壓?？諝饣蛄硪缓线m氣體可以被引入到源的外殼體內(nèi)例如用以增加殼體內(nèi)部 氣體壓力。合適氣體的額外示例可包括惰性氣體，惰性氣體可以具有低體積模量(例如比空 氣更低的體積模量)。
[0025] 然而，增加殼體內(nèi)部氣體壓力可能會不利地影響聲源的共振頻率。特別地，隨著殼 體內(nèi)部氣體壓力升高，共振頻率可升高。在某些實(shí)施例中，在聲源內(nèi)側(cè)的加壓氣體可以具有 比聲源外殼體的剛性更高的剛性。受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)意識到殼體內(nèi)部氣體 壓力的升高也可導(dǎo)致外殼體中氣體(例如空氣)的體積模量(剛性)增加。由于聲源的共振頻 率基于外殼體的剛性與外殼體中氣體剛性的組合，這種體積模量增加影響共振頻率。因此， 聲源的共振頻率可以基于其操作深度而改變，例如由于殼體內(nèi)部氣體壓力根據(jù)深度改變。
[0026] 為了補(bǔ)償殼體內(nèi)部氣體壓力變化，可以采用順應(yīng)腔室。根據(jù)本實(shí)施例，順應(yīng)腔室可 以包含氣體(例如，空氣或另一合適氣體)，該氣體具有低于殼體內(nèi)部氣體壓力的內(nèi)部氣體 壓力。在順應(yīng)腔室中所用的合適氣體的額外示例可以包括惰性氣體，惰性氣體可以具有低 體積模量(例如，比空氣更低的體積模量)。順應(yīng)腔室的內(nèi)部氣體壓力將在本文中被稱作"腔 室內(nèi)部氣體壓力"。在示例實(shí)施例中，腔室內(nèi)部氣體壓力可小于1個大氣壓。在某些實(shí)施例 中，在順應(yīng)腔室中可以形成真空或基本上真空。
[0027] 在某些實(shí)施例中，順應(yīng)腔室可包括密封的體積，當(dāng)在水面(小于約1米的深度)時密 封的體積具有小于1個大氣壓的腔室內(nèi)部氣體壓力。替代地，當(dāng)在水面時，腔室內(nèi)部氣體壓 力可以是大氣壓力。在本實(shí)施例中，當(dāng)聲源在操作深度時，腔室內(nèi)部氣體壓力可以小于殼體 內(nèi)部氣體壓力。在某些實(shí)施例中，聲源可以例如在從約1米至約375米和更特別地從約1 米至約100米的深度操作。順應(yīng)腔室的實(shí)施例可包括一種在管中的彈簧活塞組件，管具有 小于殼體內(nèi)部氣體壓力的腔室內(nèi)部氣體壓力。順應(yīng)腔室的替代實(shí)施例可包括一種在柔性波 紋管中的彈簧活塞組件，柔性波紋管可以是柔性機(jī)械結(jié)構(gòu)，其具有小于殼體內(nèi)部氣體壓力 的腔室內(nèi)部氣體壓力，使得結(jié)構(gòu)與內(nèi)部氣體的組合的順應(yīng)性超過殼體內(nèi)部氣體。順應(yīng)腔室 可以與殼體內(nèi)部氣體壓力成間接流體連通。如本文所用的術(shù)語"間接流體連通"通常指順 應(yīng)腔室的至少一部分向殼體內(nèi)部氣體壓力暴露而不使腔室內(nèi)部氣體與殼體內(nèi)部氣體摻合 或混合。可以使用很多種不同的技術(shù)來使順應(yīng)腔室與殼體內(nèi)部氣體壓力成間接流體連通。 舉例而言，順應(yīng)腔室可以安置于聲源的外殼體中。在替代實(shí)施例中，順應(yīng)腔室可以經(jīng)由管、 端口或其它合適機(jī)構(gòu)與包含于外殼體中的氣體壓力成間接流體連通。在本實(shí)施例中，腔室 內(nèi)部氣體可以不與殼體內(nèi)部氣體成直接流體連通。
[0028] 根據(jù)示例實(shí)施例，順應(yīng)腔室操作通常不需要外部能源。替代地，順應(yīng)腔室的實(shí)施例 可由于在殼體內(nèi)部氣體壓力與腔室內(nèi)部氣體壓力之間的壓差(例如，跨越于在包含于順應(yīng) 腔室中的整個密封活塞)變化而操作。在某些實(shí)施例中，由于壓差所造成的力可以由施加到 活塞背側(cè)的力(例如，由彈簧，諸如壓縮彈簧所施加的力)抵消。對于靜態(tài)(例如，由于增加的 源深度造成的壓力）和動態(tài)(聲源的聲學(xué)操作）應(yīng)用，都可發(fā)生力平衡。增加殼體內(nèi)部氣體 壓力通常導(dǎo)致順應(yīng)腔室增加的力要求。在采用壓縮彈簧的實(shí)施例中，例如，可以通過位移實(shí) 現(xiàn)增加的力，因此，由于在聲源內(nèi)的壓力變化則在順應(yīng)腔室內(nèi)可發(fā)生體積變化。有利地，該 體積變化可以補(bǔ)償聲源（當(dāng)其輻射聲時）的內(nèi)部體積變化，導(dǎo)致減少例如殼體內(nèi)部氣體對于 源共振頻率的剛性效應(yīng)。由某些實(shí)施例提供的另一益處可以是包含于聲源的內(nèi)部體積內(nèi)的 氣體剛性減小。順應(yīng)腔室可以具有適當(dāng)大小以補(bǔ)償聲源的整個內(nèi)部體積變化，導(dǎo)致相同的 共振頻率，與水深度無關(guān)。當(dāng)順應(yīng)腔室與聲源的內(nèi)部氣體以串聯(lián)配置組合時可實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng) 剛性減小。組合順應(yīng)腔室的這些益處(例如，體積補(bǔ)償和剛性減?。┩ǔ？蓪?dǎo)致聲源的低頻 性能提高。順應(yīng)腔室的另一優(yōu)點(diǎn)可以在于其具有其自己的共振，這可以增加來自聲源的聲 學(xué)輸出并且可能增加帶寬。
[0029] 在某些實(shí)施例中，聲源可以產(chǎn)生顯示在約1 Hz至約200 Hz之間的至少一個共振 頻率（當(dāng)浸沒于水中時)。在替代實(shí)施例中，聲源可以顯示在約0.1 Hz與約100 Hz之間，替 代地在約0. 1 Hz與約10 Hz之間，并且替代地在約0. 1 Hz與約5 Hz之間的至少一個共振 頻率（當(dāng)浸沒于水中時)。聲源通常被稱作VLFS，其中，其具有約10Hz或更低的至少一個共 振頻率。
[0030] 圖1示出了聲源2的示例實(shí)施例，聲源2例如采用一個或多個順應(yīng)腔室4來補(bǔ)償 殼體內(nèi)部氣體壓力的壓力變化。圖1的聲源2以局部截面圖示出。在圖示實(shí)施例中，聲源2 為彎張殼體型源。如圖所示，聲源2安裝于框架6內(nèi)。支架8可以安裝到框架6頂部。支 架8可以用來將聲源2部署于水體中。聲源2可以包括外殼體10。如圖所示，順應(yīng)腔室4 可以安置于外殼體10內(nèi)。雖然圖1示出了兩個順應(yīng)腔室4安置于外殼體10中，應(yīng)了解本 發(fā)明可適于在聲源2中使用任何數(shù)量的順應(yīng)腔室4。舉例而言，實(shí)施例可以包括聲源2使用 一個、兩個、三個、四個或更多個順應(yīng)腔室4。
[0031] 在圖示實(shí)施例中，外殼體10可以為橢圓形狀或者其它合適形狀，包括凸形、凹形、 平坦的或其組合。雖然未圖示，外殼體10可以例如由兩個殼體側(cè)部形成，兩個殼體側(cè)部彼 此可成鏡像。聲源2可以是液壓動力振動器、機(jī)電振動器或電氣海洋地震振動器，或替代 地，聲源2可以采用電致伸縮(例如壓電)或磁致伸縮材料。在特定實(shí)施例中，聲源2還可包 括線性驅(qū)動裝置12,線性驅(qū)動裝置12可以是電動促動器。在某些實(shí)施例中，線性驅(qū)動裝置 12可以是"動圈"或"音圈"促動器。在本發(fā)明的范圍內(nèi)設(shè)想到采用單個雙向線性促動器、 一個或多個單向促動器、多個并聯(lián)布置的促動器或其它合適布置的線性驅(qū)動裝置12。線性 驅(qū)動裝置12可以通過操作以使外殼體10振動和撓曲從而生成聲能。
[0032] 圖2示出了采用順應(yīng)腔室4的聲源2的另一示例實(shí)施例。如圖所示，聲源2可包 括外殼體10,在外殼體10中可安置順應(yīng)腔室4。在圖$實(shí)施例中，夕卜殼體10具有殼體內(nèi)部 體積14,殼體內(nèi)部體積14可以包含氣體，諸如空氣以提供殼體內(nèi)部氣體壓力。順應(yīng)腔室4 可以與殼體內(nèi)部體積14成間接流體連通。順應(yīng)腔室4也可具有腔室內(nèi)部體積16,腔室內(nèi)部 體積16可以提供腔室內(nèi)部氣體體積。在某些實(shí)施例中，腔室內(nèi)部體積16可以包含氣體，諸 如空氣。如先前所描述，腔室內(nèi)部氣體壓力應(yīng)小于殼體內(nèi)部氣體壓力。腔室內(nèi)部氣體壓力 可以小于1個大氣壓。根據(jù)本實(shí)施例，可以密封腔室內(nèi)部體積16。
[0033] 如圖所示，順應(yīng)腔室4可以包括管18、活塞20和彈簧元件22。腔室內(nèi)部體積16 可以由管18和活塞20限定?；钊?0可以在管18中滑動使得當(dāng)驅(qū)動進(jìn)出所述管10時，改 變腔室內(nèi)部體積16?；钊?0可以被設(shè)計成在管10中具有充分位移以補(bǔ)償由于深度造成的 壓力變化以及由于聲源2操作所造成的體積變化?；钊?0可以密封于管20中，例如利用0 形環(huán)或波紋管。雖然活塞20被示出為圓盤或其它圓柱形元件，應(yīng)了解該活塞20的其它配 置可以用來實(shí)現(xiàn)管18中所希望的體積變化。例如，活塞20可以具有不同的配置，包括正方 形、矩形或長圓形等。彈簧活塞可以由活塞20和彈簧元件22形成?；钊?0可以利用彈簧 元件22加載于管20中。如圖所示，彈簧元件22可以安置于腔室內(nèi)部體積16中以向活塞 20施加偏壓作用。彈簧元件22可以是適合于在活塞20上施加偏壓作用的任何彈簧，包括 線性和非線性彈簧。舉例而言，彈簧元件22可以是壓縮彈簧、扭轉(zhuǎn)彈簧或用來施加所希望 的偏壓作用的其它合適彈簧?？梢杂糜趶椈稍?2的彈簧的具體示例包括螺旋彈簧、片簧 和貝氏彈簧墊圈等。在某些實(shí)施例中，非線性彈簧(諸如貝氏彈簧墊圈)可以是有利的，其在 壓力升高時提供軟化響應(yīng)。其它柔性機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)也可用作彈簧元件22。舉例而言，活 塞20和彈簧元件22可以由具有一定內(nèi)部體積的機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)替換。機(jī)械加工的結(jié)構(gòu)的 某部分可以充當(dāng)彈簧元件22并且機(jī)械加工的元件的某部分可以充當(dāng)活塞20。例如，薄柔性 板(例如，在圖8A和圖8B中的柔性板34)，在該薄柔性板的后方具有密封的體積(在密封的 體積中的氣體小于殼體內(nèi)部氣體壓力)，其中，當(dāng)在整個板兩邊存在壓差時板撓曲使柔性板 起到彈簧元件22和活塞20二者的功能。
[0034] 現(xiàn)將根據(jù)一示例實(shí)施例描述圖2示出的順應(yīng)腔室4的操作。由于在殼體內(nèi)部體 積14與腔室內(nèi)部體積16之間的整個活塞20兩端上的壓差變化，順應(yīng)腔室可操作。舉例而 言，該變化可能是由于增加的深度或聲源2的聲學(xué)操作所致的壓力升高造成。在圖示實(shí)施 例中，由于壓差所造成的力可以由彈簧元件22施加到活塞20上的力抵消。升高殼體內(nèi)部 體積14內(nèi)的殼體內(nèi)部氣體壓力通常導(dǎo)致順應(yīng)腔室4增加的力要求。在壓縮彈簧用于彈簧 元件22的實(shí)施例中，可以通過位移實(shí)現(xiàn)增加的力，因此，由于在聲源4內(nèi)的壓力變化，在腔 室內(nèi)部體積16內(nèi)可以發(fā)生體積變化。在順應(yīng)腔室4內(nèi)的體積變化可以補(bǔ)償殼體內(nèi)部體積 14變化。因此，可以例如減小源共振頻率的剛性效應(yīng)。
[0035] 圖3為外殼體10、空氣彈簧和順應(yīng)腔室4的剛性的示例機(jī)械表示。殼體內(nèi)部體積 14中的空氣因?yàn)槠鋲嚎s阻力通?？梢猿洚?dāng)空氣彈簧。在示例實(shí)施例中，空氣彈簧具有剛性 (k ai,)，剛性（kai,)應(yīng)與順應(yīng)腔室4的剛性串聯(lián)起作用。在某些實(shí)施例中，空氣彈 簧具有大于順應(yīng)彈簧4的剛性（k。^^)的剛性（k&)。在示例實(shí)施例中，多個順應(yīng)腔室4可 以串聯(lián)作用 total = 其中N是順應(yīng)腔室4的數(shù)量)。外殼體10通常具有與 空氣彈簧的剛性（kaJ和順應(yīng)腔室4的剛性（k。^^)并聯(lián)作用的剛性（k stell)。在順應(yīng)腔室 4中可需要剛性彈簧元件22以抵消由于深度造成的壓力變化，其中F =壓力*活塞面積= kc^b^x，其中X是活塞位移。但是，可需要軟彈簧元件22來對抗空氣彈簧使得小 于空氣彈簧的剛性（kaJ。
[0036] 圖4示出了根據(jù)示例實(shí)施例用來評估聲源2中的順應(yīng)腔室4的使用的來自有限元 模擬/仿真的結(jié)果。附加了四個順應(yīng)腔室4的聲源2的輸出在圖4中以24示出。無順應(yīng) 腔室4的同一聲源2的輸出在圖4中以26示出。曲線表示當(dāng)以約50米的深度拖曳時源輸 出。每個順應(yīng)腔室4具有1. 0E+5牛頓/米的彈簧常數(shù)(僅動態(tài)部分)。在殼體內(nèi)部體積14 中的空氣彈簧具有從體積模量計算的2. 86E+6的彈簧常數(shù)?；钊?0具有0. 32平方米的面 積。如圖4所示，采用順應(yīng)腔室4將共振頻率從3. 4 Hz減小至2. 7 Hz。此外，在低于共振 頻率的所有頻率的輸出將增加約4分貝至約5分貝。
[0037] 圖5示出了可根據(jù)示例實(shí)施例使用的彈簧堆疊28的示例實(shí)施例。在圖示實(shí)施例 中，彈簧堆疊28包括貝氏彈簧墊圈30的堆疊。合適貝氏彈簧墊圈的示例可包括可購自馬里 蘭州巴爾的摩（Baltimore, Maryland)的Rolex Springs的AM系列貝氏彈簧，諸如Rolex 彈簧AM-25012770。彈簧元件22 (例如，在圖2中示出)可包括一個或多個彈簧堆疊28。本 領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到多個貝氏彈簧墊圈30可以堆疊以修改彈簧常數(shù)。在相同方向堆疊 將并聯(lián)地增加彈簧常數(shù)以形成剛性更強(qiáng)的彈簧。在交替方向堆疊類似于將彈簧串聯(lián)地加起 來并且可以形成具有更多偏轉(zhuǎn)的更低的彈簧常數(shù)。在交替方向和以不同配置堆疊多個貝氏 彈簧墊圈30可以允許具有特定彈簧常數(shù)的彈簧元件22的設(shè)計。
[0038] 在圖示實(shí)施例中，彈簧堆疊28包括以串聯(lián)堆疊布置的五十個貝氏彈簧墊圈30。如 圖所示，相鄰成對的彈簧墊圈30并聯(lián)布置使得彈簧堆疊28包括二十五對串聯(lián)布置的彈簧 墊圈30。然而，應(yīng)了解，彈簧墊圈30的數(shù)量和配置可以改變以提供彈簧堆疊28的選定彈簧 常數(shù)。在一特定實(shí)施例中，每個彈簧墊圈30具有245毫米的外徑和2千克的質(zhì)量。根據(jù)示 例實(shí)施例可以使用多于一個彈簧堆疊28。
[0039] 圖6示出了采用多個彈簧堆疊28的示例順應(yīng)腔室4。如圖所示，彈簧元件22可以 包括兩個彈簧堆疊28。彈簧堆疊28可以安置于腔室內(nèi)部體積16中。如先前所描述，實(shí)施 例可包括彈簧元件22,彈簧元件22在活塞20上施加偏壓作用，活塞20可以在管18中滑 動。
[0040] 圖7為圖5所示的彈簧堆疊28的力偏轉(zhuǎn)曲線的圖。力偏轉(zhuǎn)曲線將兩個堆疊28對 于用于示例實(shí)施例的順應(yīng)腔室4中時遇到的力做出響應(yīng)建模。在聲源2從0米的深度下降 到約50米的深度期間，彈簧堆疊28沿著箭頭32a初始壓縮。在聲源2在約50米深度操作 期間，彈簧堆疊28的壓縮被示出沿著箭頭32b。彈簧堆疊28具有如沿著箭頭32c所示的安 全裕度。如由圖7所示，在某些實(shí)施例中，彈簧堆疊28可以是有利的，歸因于隨著力增加它 們的軟化響應(yīng)。關(guān)于其它優(yōu)點(diǎn)，這可減少順應(yīng)腔室4的剛性，導(dǎo)致聲源2改進(jìn)的聲學(xué)性能。
[0041] 圖8A和圖8B示出了采用順應(yīng)腔室4的聲源2的另一示例實(shí)施例。如圖所示，聲 源2可包括外殼體10,順應(yīng)腔室4可安置于外殼體10中。在圖示實(shí)施例中，順應(yīng)腔室4具 有腔室內(nèi)部體積16,腔室內(nèi)部體積16可以提供腔室內(nèi)部氣體體積，腔室內(nèi)部氣體體積具有 小于殼體內(nèi)部氣體壓力的腔室內(nèi)部氣體壓力。如圖所示，順應(yīng)腔室4可以包括柔性板34,在 柔性板34的后方具有腔室內(nèi)部體積16。例如，柔性板34可以跨管18或其它合適容器的 開口而安置。響應(yīng)于殼體內(nèi)部氣體壓力變化，柔性板34可撓曲，如在圖8B中最佳地看出， 使得由腔室內(nèi)部氣體壓力所形成的空氣彈簧向柔性板34施加偏壓力。因此，在整個柔性板 34兩邊上施加壓差應(yīng)導(dǎo)致順應(yīng)腔室4體積變化。
[0042] 圖9示出了采用順應(yīng)腔室4的聲源2的另一示例實(shí)施例。如圖所示，聲源2可以 包括外殼體10,順應(yīng)腔室4可安置于外殼體10中。在圖示實(shí)施例中，順應(yīng)腔室4包括柔性 機(jī)械結(jié)構(gòu)，諸如柔性波紋管36,其具有小于殼體內(nèi)部氣體壓力的氣體壓力。柔性波紋管36 與腔室內(nèi)部氣體的組合的順應(yīng)性可超過殼體內(nèi)部氣體使得在柔性波紋管36兩端施加壓差 可以導(dǎo)致順應(yīng)腔室4體積變化。
[0043] 因此，一個或多個順應(yīng)腔室4可以用來調(diào)整聲源2的共振頻率，因此補(bǔ)償殼體內(nèi)部 氣體壓力的壓力變化。有利地，一個或多個順應(yīng)腔室可以用來將共振頻率轉(zhuǎn)變到更低范圍 并且增加了聲輸出，例如以更低頻率。使用多個順應(yīng)腔室4和/或更軟的彈簧元件22可以 甚至進(jìn)一步改進(jìn)性能?？赡艿娜毕莅嗽谀承?shí)施例中彈簧元件22可能不利地增加聲 源2的質(zhì)量。舉例而言，所需的貝氏彈簧墊圈30的數(shù)量和大小可較大，這可能顯著地增加 聲源2的質(zhì)量。在彈簧墊圈30的彈簧堆疊28中的動態(tài)也可影響性能并且在某些實(shí)施例中 彈簧堆疊28可能存在摩擦問題。
[0044] 根據(jù)另一實(shí)施例，用以補(bǔ)償殼體內(nèi)部氣體壓力的壓力變化的替代技術(shù)可包括改變 聲源2'的質(zhì)量。舉例而言，質(zhì)量可以附加到外殼體10上(例如，在圖1和圖2中示出）以轉(zhuǎn) 變共振頻率。在某些實(shí)施例中，這種附加質(zhì)量的方案可能與先前描述的順應(yīng)腔室4組合，如 關(guān)于圖1至圖9所描述。
[0045] 圖10示出了包括附加質(zhì)量38的聲源2'。如圖所示，聲源2可包括具有內(nèi)部體積 14的外殼體10。外殼體10的構(gòu)造可類似于在上文關(guān)于圖1所描述的外殼體10。在圖示實(shí) 施例中，質(zhì)量38聯(lián)接到外殼體10的外表面，例如在水體積中。在替代實(shí)施例（未圖示）中， 質(zhì)量38可以聯(lián)接到外殼體10的內(nèi)部，例如在內(nèi)部體積14中。附加的質(zhì)量38可以包括用 來向外殼體10附加質(zhì)量38的多種合適物體，包括簡單的金屬結(jié)構(gòu)，機(jī)電驅(qū)動器的部分也可 附連到外殼體10上，或者可附連到外殼體10上的包含質(zhì)量的任何物體。舉例而言，全部或 部分驅(qū)動器(例如，磁性零件）可以附連到外殼體10上以用于附加所述質(zhì)量38。在某些實(shí) 施例中，質(zhì)量38可以集中在外殼體10的中部段處。舉例而言，在圖10中示出質(zhì)量38附連 到外殼體10的中部段。以此方式，質(zhì)量38可以對殼體剛性具有相對較小的影響。實(shí)施例 可包括增加密度以改變質(zhì)量38。可以使用多種合適技術(shù)中的任何技術(shù)將質(zhì)量38附連到外 殼體10,包括機(jī)械附連(例如，緊固件）和粘合劑等。雖然在圖10中未示出，聲源2'還可包 括促動器(例如，在圖2中的線性驅(qū)動裝置12)，促動器至少部分地安置于外殼體10中并且 聯(lián)接到外殼體10。促動器可以通過操作以造成外殼體10振動和撓曲從而生成聲能。
[0046] 圖11示出了根據(jù)示例實(shí)施例用來將不同的質(zhì)量附連到聲源2'的有限元模擬/仿 真的結(jié)果。在圖11中的曲線表示在50米處拖曳的聲源2'的輸出。在圖11中的曲線表示 分別附連了 〇千克("kg")、1000kg、1500kg和2000kg的聲源2'的輸出，在圖11中以40、42、 44和46示出。如圖所示，添加2000kg，聲源2'的共振從3.4Hz轉(zhuǎn)變?yōu)?.7Hz。低于2Hz， 在聲輸出中存在很少差異。
[0047] 因此，根據(jù)示例實(shí)施例可以使用附加質(zhì)量38來向下調(diào)整聲源2'的共振頻率到所 希望的范圍。有利地，附加質(zhì)量38可以是用來轉(zhuǎn)變共振頻率的相對簡單的技術(shù)。在某些實(shí) 施例中，驅(qū)動器(例如在圖1中的線性驅(qū)動裝置12)的更多的質(zhì)量可以附加到外殼體上，因 此將較小額外質(zhì)量附加到聲源2'并且向設(shè)計增添了較小的復(fù)雜性。但是，這種技術(shù)的缺陷 包括對于低于共振頻率的頻率的聲輸出有較低的影響以及可能減少高于共振頻率的聲輸 出。
[0048] 圖12示出了用來確定組合多個順應(yīng)腔室4與附加質(zhì)量38的效果的來自有限元模 擬/仿真的結(jié)果。附加了四個順應(yīng)腔室4和1000 kg質(zhì)量38的聲源的輸出在圖12中以 48示出。無順應(yīng)腔室4或附加質(zhì)量38的同一聲源的輸出在圖12中以50示出。曲線表示 在50米的源輸出。質(zhì)量38附加到外殼體10外部在其的中部段上。每個順應(yīng)腔室4具有 1. 0E+5牛頓/米的彈簧常數(shù)(僅動態(tài)部分)。在殼體內(nèi)部體積14中的空氣彈簧具有2. 86E+6 的彈簧常數(shù)，從體積模量計算?；钊?0具有0.32平方米的面積。如圖12所示，采用順應(yīng) 腔室4組合附加質(zhì)量38將共振從3. 4Hz減小為2. 4Hz。此外，在低于共振頻率的所有頻率 的輸出增加約4分貝至約5分貝。雖然未圖示，根據(jù)示例實(shí)施例，附加質(zhì)量38可以用來補(bǔ) 償增加的深度。
[0049] 圖13示出了可以結(jié)合本技術(shù)的實(shí)施例使用的采集海洋地震數(shù)據(jù)的示例技術(shù)。在 圖示實(shí)施例中，勘查船只52沿著水體54 (諸如湖泊或海洋)的表面移動。勘查船只52可以 在其上包括裝備，大體上以56示出并且在本文中統(tǒng)稱作"記錄系統(tǒng)"。記錄系統(tǒng)56可以包 括用來檢測由地震傳感器58 (在下文中進(jìn)一步解釋）中每一個生成的信號并且對于這些信 號生成時間索引記錄并且用來在選定的時間促動聲源2的裝置(均未單獨(dú)示出）。記錄系統(tǒng) 56也可包括用來確定勘查船只52和各個地震傳感器58的測地學(xué)位置的裝置(均未單獨(dú)示 出)。
[0050] 如圖所示，勘查船只52 (或不同船只)可以在水體54中拖曳聲源2。源纜線60可 以將聲源2 (或聲源2'）聯(lián)接到勘查船只52。聲源2 (或聲源2'）可以在水體54中在例如 從0米至約120米的深度處拖曳。雖然在圖13中僅示出了單個聲源2,設(shè)想到實(shí)施例可以 包括由勘查船只52或不同船只拖曳的多于一個聲源2(或聲源2'）。在某些實(shí)施例中，可以 使用聲源2的一個或多個陣列。在選定時間，可以例如由記錄系統(tǒng)56觸發(fā)聲源2來生成聲 能?？辈榇?2 (或不同船只）還可拖曳至少一個傳感器拖纜（streamer) 62來在其例如 已與水底66下方的巖層62相互作用之后檢測聲能。如圖所示，聲源2和傳感器拖纜62可 以在水底66上方被拖曳。在某些實(shí)施例中，可以由勘查船只拖曳多于一個傳感器拖纜310， 這些傳感器拖纜310可以在側(cè)向或堅直地間隔開，或者既在側(cè)向也堅直地間隔開。地震拖 纜62可以在其上在間隔開的位置處包含地震傳感器58。地震傳感器58可以是本領(lǐng)域中 已知的任何類型的地震傳感器，包括例如水聽器、粒子速度傳感器、粒子移位傳感器、粒子 加速度傳感器或壓力梯度傳感器。舉例而言，地震傳感器58可以響應(yīng)于檢測到聲能而生成 響應(yīng)信號，諸如電信號或光信號。由地震傳感器58生成的信號可以被傳送到記錄系統(tǒng)56。 檢測的能量可以用來推斷地表下巖石的特定性質(zhì)，諸如結(jié)構(gòu)、礦物質(zhì)組成和流體含量，從而 提供適用于回收烴類的信息。
[0051] 前面的附圖和討論并非旨在包括適應(yīng)買方或賣方或者描述該系統(tǒng)的本技術(shù)的所 有特點(diǎn)，這些附圖和討論也并非限制性的而是示例性的并且在本技術(shù)的精神內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于海洋地球物理勘查的聲源，包括： 外殼體，其包含處于第一氣體壓力的第一氣體；以及 順應(yīng)腔室，其與所述第一氣體成間接流體連通，所述順應(yīng)腔室包含處于第二氣體壓力 的第二氣體，其中所述第二氣體壓力低于所述第一氣體壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述聲源為彎張殼體型源。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述聲源為大約10Hz或更低的至少一個 共振頻率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述順應(yīng)腔室安置于所述外殼體中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，其還包括：與所述第一氣體成間接流體連 通的一個或多個額外順應(yīng)腔室。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述順應(yīng)腔室包括管、可在所述管中滑動 的活塞、和彈簧元件，所述彈簧元件向所述活塞施加偏壓力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲源，其特征在于，所述管和活塞限定密封的體積，所述密封 的體積包含所述第二氣體，其中所述彈簧元件安置于所述密封的體積中。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲源，其特征在于，所述彈簧元件包括非線性的彈簧。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲源，其特征在于，所述彈簧元件包括貝氏彈簧墊圈的堆疊。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲源，其特征在于，所述貝氏彈簧墊圈的堆疊布置成串聯(lián)堆 疊，并且其中在所述串聯(lián)堆疊中的相鄰成對的貝氏彈簧墊圈并聯(lián)地布置。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述順應(yīng)腔室包括柔性板，所述柔性板 與容器一起限定密封的內(nèi)部體積，所述密封的內(nèi)部體積包含所述第二氣體。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述順應(yīng)腔室包括柔性波紋管，所述柔 性波紋管限定密封的內(nèi)部體積，所述密封的內(nèi)部體積包含所述第二氣體。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲源，其特征在于，所述外殼體還包括附加質(zhì)量。
14. 一種用于海洋地球物理勘查的聲源，包括： 外殼體； 聯(lián)接到所述外殼體上的質(zhì)量；以及 促動器，其聯(lián)接到所述外殼體。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的聲源，其特征在于，所述聲源為彎張殼體型源。
16. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的聲源，其特征在于，所述質(zhì)量附加到所述聲源的外表面上。
17. -種方法，其包括： 將聲源安置于水體中，所述聲源包括： 外殼體，其包含處于第一氣體壓力的第一氣體；以及 順應(yīng)腔室，其與所述第一氣體成間接流體連通，所述順應(yīng)腔室包含處于第二氣體壓力 的第二氣體，其中所述第二氣體壓力低于所述第一氣體壓力；以及 響應(yīng)于所述第一氣體壓力的變化來改變所述第二氣體壓力從而調(diào)整所述聲源的共振 頻率。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述順應(yīng)腔室包括管、可在所述管中滑 動的活塞、和彈簧元件，所述彈簧元件向所述活塞施加偏壓力，其中調(diào)整所述第二氣體壓力 包括使所述活塞在所述管中移位。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于，所述彈簧元件包括貝氏彈簧墊圈的堆 疊使得所述活塞在所述管中的移位包括壓縮所述貝氏彈簧墊圈的堆疊。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，其還包括：觸發(fā)所述聲源以生成聲能； 以及在所述聲能已與所述水體底部下方的一個或多個巖層相互作用之后檢測所述聲能中 的某些。
21. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，所述共振頻率小于約10Hz或更小。
22. -種方法，其包括： 將聲源安置于水體中一定深度，所述聲源包括： 外殼體，其包含處于第一氣體壓力的第一氣體；以及 順應(yīng)腔室，其與所述第一氣體成間接流體連通，所述順應(yīng)腔室包括密封的內(nèi)部體積； 改變所述聲源在所述水體中的深度； 響應(yīng)于改變所述聲源的深度而改變所述第一氣體壓力；以及 響應(yīng)于改變所述第一氣體壓力來改變所述順應(yīng)腔室的密封的內(nèi)部體積。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述順應(yīng)腔室包括管、可在所述管中滑 動的活塞、和彈簧元件，所述彈簧元件向所述活塞施加偏壓力，其中改變所述密封的內(nèi)部體 積包括使所述活塞在所述管中移位。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述彈簧元件包括貝氏彈簧墊圈的堆 疊使得所述活塞在所述管中的移位包括壓縮所述貝氏彈簧墊圈的堆疊。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其特征在于，所述聲源具有大約10Hz或更低的至少 一個共振頻率。
【文檔編號】G01V1/135GK104142515SQ201410189610
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月7日
【發(fā)明者】J.S.茲羅斯特里克, T.A.雷德斯 申請人:Pgs 地球物理公司
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