Устройство для генерирования акустических импульсов в жидкой среде Советский патент 1981 года по МПК G01V1/02 

внутри сильно экранирующего цилиндра возникновение реактивного толчка, заставляющего сильно утяжелять конструкцию, для предотвращения его вредного влияния, и возникновение кавитационных эффектов, также застав ляющих повышать прочность конструкции . Цель изобретения - создание генератора, обладающего большей мощность легкостью конструкции и отсутствием кавитационного воздействия на его детали, кроме того устранение реактивного эффекта, возникающего при работе генератора. Генератор выбрасывает в окружающую воду струю воды под большим давлением и с большой скоростью. Вернее это даже не струя,, а жидкостная пуля (или несколько пуль), которая вылетает из полости генератора и взрывается на расстоянии от него. Взрыв происходит благодаря тому, что давление внутри этой пули значительно выше давления окружающей воды. Таким образом, акустический импульс происходит не внутри генератора, а снаружи, что существенно повышает его мощность и устраняет кавитацию. Цель достигается тем, что генера тор представляет собой конструкцию, состоящую из двух, размещенных в одном корпусе, цилиндров, расположе ных вертикально на одной оси. Внутр цилиндров расположены поршни, соединенные общим штоком. Верхний цилиндр и поршень служат для приведения в движение нижнего поршня, для чего в верхний цилиндр при помощи системы клапанов подается сжатый во дух или иной инертный газ. Нижний цилиндр снабжен особой ко струкции выпускным окном, расположенным в нижней торцовой части цили дра. Нижний цилиндр в исходном поло жении заполняется водой, которая и выбрасывается через это выпускное окно, образуя жидкостную пулю. Вы пускное окно образуется коническим бортиком, идущим по внутренней пове хности нижней кромки цилиндра, причем площадь сечекия окна значительн меньше площади внутреннего сечения самого цилиндра. Этот бортик являет ся седлом поршня, работающего в конце своего пути подобно клапану, замыкающему выпускное окно. Замыкание выпускного окна происходи51 благодаря особой конфигурации нижней части поршня, которая повторяет конфигурацию выпускного окна и имеет специальный выступ, плотно вх дящий в окно. Верхняя часть нижнего цилиндра также имеет окно конструкции, анало гичной конструкции нижнего выпускного окна. Верхняя часть нижнего поршня выполнена так, что ее конфиг ация соответствует конфигурации того верхнего окна, площадь сечения оторого также значительно меньше лощади сечения самого нижнего цилинра. Через это верхнее окно нижний илиндр сообщается с верхним и окно лужит для резкой передачи давления жатого газа на нижний поршень. Верхний цилиндр представляет собой три стакана, концентрически вставленные один в другой так, что внутренний стакан служит направляющим для верхнего поршня, средний является коллектором сжатого газа, двигающего верхний поршень, наружный является коллектором сжатого газа, воздействующего на нижний поршень. Конструкция верхнего цилиндра может быть и иной, так как этот цилиндр служит в основном для перемещения нижнего, рабочего поршня и, следовательно, его конструкция не влияет на принцип работы генератора. Предложенная конструкция позволяет как бы свернуть длинный верхний цилиндр и сделать конструкцию более компактной . Одной из важнейших частей генератора является дефлектор, который надевается на выпускное окно нижнего цилиндра. Он представляет собой заслонку, препятствующую прямолинейному движению струи воды, вьабрасываемой из генератора. Заслонка снабжена отверстиями, разделяющими эту струю минимум на две, противоположно направленные под углом до 90° к оси генератора, струи. Этим устройством устраняется один из важнейших недостатков известных Конструкций - реактивная отдача струи. Генератор снабжен также клапаном, расположенным в верхней части генератора, и служащим для переключения подачи сжатого газа, управляющего движением поршней. Клапан состоит из небольшого цилиндра и штока с поршнем, который работает как золотник . Шток проходит своим нижним концом в полость верхнего цилиндра и перемещается вверх в момент, когда верхний поршень передвигается в верхнее крайнее положение и упирается своей верхней частью в нижнюю часть штока клапана. На фиг.1-4 изображены разрезы сбоку одного из вариантов генератора, показывающие различные положения его элементов в процессе работы и конфигурацию производимых генератором струй воды; на фиг.5 - прорыв окружающей воды в сферическую полость, образуемую внутри расширяющейся жидкостной на фиг.б - эффект отдачи направленного внутрь взрыва; на фиг,7 - эффект упругого сжатия, вызываемый скошенными поверхностями поршня и выпускного окна; на фиг.8 - зависимость между площадью поперечного сечения выпускного окна и скоростью получаемой водяной струи на фиг.9,11 - генератор, снабженный дефлектором, разрез; на фиг.10 разрез А-А на фиг.9; на фиг.12 - раз рез Б-Б на фиг.11; на фиг.13 - гене ратор и полости, образующиеся в глав ной и расщепленных струях; на фиг.14 те же полости, что на фиг.13, вид сверху; на фиг.15 - генератор с дефлектором в момент поднятия поршня; на фиг. 16 - обобщенная форма волны давления, получаемого посредством им пульсного генератора; на фиг.17 - то же, усредненный вариант; на фиг.18 контролируемая форма волны на заданном расстоянии от места взрыва для генератора без дефлектора; на фиг.19 контролируемая форма волны на заданном расстоянии от места взрыва для генератора с дефлектором;на фиг.20 кривая прямой волны, полученной посре дством генератора с дефлектором; на фиг.21 - кривая прямой волны вблизи места взрыва после отражения от поверхности воды; на фиг.22 - кривая н ложенной формы волны вблизи места взрыва; на фиг.23 - кривая давления, полученного от генератора без расшир тельной камеры; на фиг.24 - кривая давления для генератора с расширительной камерой; на фиг.25 - использование устройства для проведения сейсмической разведки под водой; на фи-г.26 использование устройства дл расщепления и отклонения струи пара, для генераторов, работающих на перегретом паре. Акустический генератор (фиг.1-4) включает корпус 1, состоящий из верхнего цилиндра 2 и нижнего цилиндра 3 Нижний цилиндр снабжен седлами 4 и 5 для соответствующих им верхней и нижней частей нижнего поршня б, находящегося в нижнем цилиндре 3. Седла образуют верхнее 7 и нижнее 8 окна, которые имеют скошенные поверхности, соответствующие форме верхней и нижней частей поршня 6. Поршень 6 снабжен уплотнительным кольцом 9. Верхний цилиндр состоит из двух концентрических стаканов внутреннего 10 и промежуточного 11, которые также концентрически вставлены в наружный стакан, являющийся корпусом цилин дра 3. Внутренний стакан 10 образует каме ру 12, в которой помещается верхний поршень 13, снабженный уплотнительным кольцом 14. Верхний и нижний поршни связаны между собой жестким штоком IS Верхняя часть камеры 12 внутреннег стакана 10 имеет вентиляционное отвер стие 16, сообщающееся с забортной водой, отверстие (с уплотнением) 17 для прохода штока 18 клапана 19, и от верстие 20 для сообщения посредством клапана 21 (предпочтительно электромагнитного) с кс1мерой 22, образованной наружной стенкой верхнего цилиндра 2 и промежуточным стаканом 11. Верхняя часть камеры 23, образованной стенками внутреннего стакана 10 и промежуточного стакана 11, имеет отверстие 24 для сообщения с верхней частью клапана 19 и с компрессором 25, подающим сжатый воздух через клапан 26 в генератор. Камера 22 может сообщаться с полостью 27 нижнего цилиндра (фиг.2), образующейся за опускающимся поршнем б, через окно 7. Сообщающиеся камеры 12 и 23 изолированы от камеры 22 специальным уплотнением 28. Кроме того, камера 22 имеет отверстие 29, через которое она сообщается с нижней частью клапана 19 и компрессором 25. Полость 27 нижнего цилиндра имеет отверстие 30, через которое она сообщается с забортной водой через расширительную камеру 31 и небольшое вентиляционное отверстие 32 в самой расширительной камере. 33- основная струя воды, производимая генератором, 33.1 - 33.4 ответвленные струи воды, 34 - основная внутренняя полость, 34.1-34.4 побочные полости. Генератор содержит все необходимые узлы и элементы для создания импульса гораздо более мощного, чем у известного устройства и не претерпевает кавитационного воздействия взрыва, который происходит вне генератора . Желательно, чтобы генератор оканчивался дефлектором, который может быть съемным. На фиг.9-15 показано устройство и действие дефлектора 35, который в простейшем виде может представлять собой плоскую или коническую плиту, установленную на расстоянии от выпускного окна В. Предпочтительно, чтобы дефлектор представлял собой полый стакан, имекиций в стенках 36 два или более отверстия 37, разнесенных по окружности напротив друг друга. Оптимальное число отверстий четыре и разнесены они должны быть примерно на 90 по окружности стенки дефлектора. Для подготовки генератора к работе (фиг.1), где генератор изображен в исходном для возбуждения импульса положении, его погружаю в воду выпускным окном 8 вниз и открывают регулировочный клапан 26 с целью подачи сжатого воздуха в камеры 23 и 12 через отверстие 24 из компрессора 25. Поданный воздух заставляет порень 13 занять взведенное положение, при котором шток 18 клапана 19 поднят и открытый клапан 19 подает давение в камеру 22 (направление двиения сжатого воздуха- показано стрелнами). Нижний поршень также занимает крайнее верхнее положение и нижний цилиндр заполняется забортной водой. Генератор готов к работе. Для генерации импульса необходимо открыть электромагнитный клапан 21, после чего верхние части камеры 12 и камеры 23 получают между собой прямое сообщение. Давление из камеры 22 передается в камеру 12 и на поршень 13. Это давление суммируется с давлением, уже воздействующим через окно 7 на поршень 6 из камеры 22,и заставляет систему, состо шцую из поршня 12, штока 15 и поршня б, начать движение вниз.{Указанную систему будем в дальнейшем для краткости именовать затвором). Когда нижний поршень сдвинется со своего верхнего седла 4, то площещь, на которую воздействует давление из камеры 22 резко, скачком, возрастает Соответственно.возрастает и усилие, воздействующее на затвор, заставляя его резко, рывком, опускаться вниз, выталкивая воду через выпускное окно 8 (фиг.2). В конце пути поршень 6 замыкает выпускное окно 8 специальным цилиндрическим выступом (фиг.3). Высокое давление начинает дросселироваться через отверстие 30 в расширительную камеру 31 и оттуда через отверстие 32 в забортную воду. Скошейная. поверхность седла 5 выпускного окна 8 имеет весьма важное значение. До того как коническая поверхность нижней части поршня б приблизится к конической поверхности седла 5, вода беспрепятственно выходит через выпускное окно 8. Однако, когда эти поверхности начинают сходиться, кольцо воды 38 (фиг.3,7 и 8 оказывается захваченным между двумя этими поверхностями и начинает работать как амортизатор, препятствуя удару поршня о седло. Скорость выхода водяной струи 33 зависит от диаметра выпускного окна 8 и скорости перемещения затвора. Быстро движущаяся струя отрывается от генератора (фиг.З) и образует близкую к цилиндрической полость 39 а затем близкую к сферической полост 40 (фиг.4). Эта полость, благодаря высокому внутреннемудавлению,п6лученному еще внутри генератора, расширя тся и прорывается далее заполн ющей tee забортной водой. Сначала пр исходит двухмерный,, а потом и трехмерный взрыв полости на значительно расстоянии от генератора (фиг.З и 6 Акустическая энергия, создаваема двухмерным взрывом (фиг.З), прибл зительно пропорциональна квадрату скорости струи, а акустическая энер гия от трехмерного взрыва (фиг.4 и приблизительно пропорциональна кубу .скорости струи. Таким образом, скорость струи, которая определяется отчасти площадью поперечного сечения выпускного окна 8, играет главенствующую роль в определении количества энергии акустического импульса, получаемого от генератора. Кроме того, чем выше скорость струи, тем дальше от генератора происходит взрыв, что лучше и с конструктивной точки зрения, поскольку когда взрыв происходит между элементами кон-, струкции генератора, это вызывает усталость металла. Во всех известных в настоящее время подобных конструкциях импульсы были либо двухмерными, либо трехмерньаш но всегда происходили внутри генераторов, значительно сокращая тем самым срок службы устройства, не говоря уже об очевидном значительном ослаблении мощности импульса. Когда затвор останавливается,замкнув выступом поршня б выпускное окно 8 (фиг.З), камера 27, расположенная над поршнем б, камера 12 (ее верхняя часть, раеЛоложенная над поршнем 13) и камера 31 продолжают вентилироваться в забортную воду до тех пор, пока противодавление в камере 23 не превысит давления в вентилируемых камерах. После этого затвор начнет подниматься вверх (фиг.4). Путем подбора размеров или регулировки просветов вентиляционных отверстий 32 И 16 можно регулировать скорость возврата затвора во взвешенное положение и тем самым регулировать частоту импульсов. Когда затвор занимает исходное крайнее верхнее положение (фиг.1), цикл повторяется снова. Таким образом, генератор работает в автоматическом режиме. Взрыв происходит весьма быстро, даже раньше начала обратного хода затвора (фиг.4 и 5). Без расширительной камеры 31 полость 27 вентилировалась бы непосредственно в забортную воду в точке, слишком близко расположенной к месту взрыва, и выходящий воздух действовал бы как поглотитель акустической энергии воды под высоким давлением, что ослабляло бы выходные акустические импульсы генератора.Различие сигналов, детектированных вблизи взрыва (известных как подписи давления), видно на фиг.23 и 24. Благодаря наличию расширительной камеры 31, полость 27 сначала продувается в эту рас.ширительную камеру, в течение времени взрыва. Таким образом, то что венти;1яционное отверстие 32 обращено наверх и находится на большом расстоянии от места взрыва, улучшает подпись давления, которая становится более чистой, УЗКОЙ и большой при наличии камеры 31 (фиг.24), чем без камеры (фиг.23). При работе генератора без дефлек тора (фиг.1-4) после каждого срабат вания генератора возникает направле ное вверх реактивное усилие. Часто бывает желательно или необходимо ис ключить это направленное вверх реак тивное усилие, Кроме того, полость 39 (фиг.5) заполняется водой под весьма большим давлением. Это создает в воде первичное сжатие 41 и, следовательно, акустический импульс. При таких давлениях вода в полости действует как пружина, которая после взрыва отдает, производят вторичное сжатие (фиг.6) известное как пузырьковый импульс 42, который является не желательным сейсмическим импульсом, также вызывающим отражения от лежащих внизу пород. Детектированные от раженные пузырьковые сигналы значительно усложняют обработку сейсмических сигналов. Реактивное усилие и пузырьковые импульсы можно исключить или намног уменьшить при помощи дефлектора (фиг.9-15). Когда водяная струя 33, производимая генератором, ударяется о плиту дефлектора 35, то если бы не был цилиндрической стенки 36, струя отклонилась бы по окружности во всех направлениях в плоскости, перпендикулярной продольной оси генератора. Ре.активные усилия также находились бы в этой плоскости и стремились бы взаимно уравновесится. Однако цилиндрическая стенка с отверстиями разнесенными на 90° по окружности, позволяет упорядочить движение струй и дает возможность сформировать равные по объему и действию взрывные полости. Главная струя 33 расщепляется на четыре ответвленных струи 33.1-33.4 Внутри каждой струи образуются полости 34.1-34.4 (фиг.13,14). Струи отрываются от стенок дефлектора и формируют эти полости внутри своеобразных жидкостных пуль. Главная струя образует полость 34.4 еще внутри дефлектора как только она проходит через выпускное окно. Если использовать более четырех отверстий 37, то взрывы будут мешать один другому. Если использовать только два отверстия, то пузырьковые импульсы будут ослаблены недостаточно. При использо вании четырех отверстий наружные полости 33.1-33.4 не будут заметным образом мешать друг другу. Установлено, что внутр енняя полость 34 заполняется после полостей 34.1-34.4, так что внутренняя полост поглощает массы воды под высоким давлением, которые в противном случае вызывали бы пузырьковые импульсы. Таким образом, расщепление основной ::труи 33 на четыре исключает или рущественно ослабляет пузырьковые импульсы 42, которые чрезвычайно нежелательны при проведении сейсмических наблюдений. Функцию дефлектора можно иллюстрировать на примере взрыва, производимого генератором 43 пара (фиг.21), выпускающим перегретый пар в заборную воду. Перегретый пар выпускают посредством изолированной трубы 44, погруженной примерно на 3-5 м ниже поверхности воды. На конце трубы имеется паровой клапан 45, периодичест ки эжектирующий шарик перегретого пара в воду с давлением примерно 90 бар при 100°С. Эжектирование пара из этого клапана вызывает два эффекта , он подвергается воздействию реактивного усилия и отдачи. Путем окружения парового клапана 45 дефлектором 35 эжектируемые пузырьки пара будут располагаться в плоскости, перпендикулярной к траектории из обычного выпуска и реактивное усилие будет уничтожаться. Расщепление пузырька на четыре дает внутреннюю ролость и четыре наружных полости 46. И здесь прорыв во внутреннюю полость происходит после прорыва во внешние полости, благодаря чему энергия отдачи взрывов пузырьков поглощается (фиг.14). Таким образом, дефлектор играет важную роль в работе генератора. Основные требования для образования полости определяются условиями, в которых происходит замедление и остановка порланя 6. С другой стороны,, для того, чтобы полость производила полезный импульс давления 41, необходимо, чтобы скорость струи 33 (фиг.8) до остановки поршня была достаточно велика. Важно иметь в виду форму и характер сигналов общего давления, возникающих под воздействием взрывного сжатия. На фиг.16 показан сигнал общего давления, или подпись давления, в функции времени, измеренной на фиксированном расстоянии от места взрыва. Первая часть 1 этой- кривой показывает увеличение окружгиощего давлеНия Ph в жидкости, соответствующее продвижению струи 33. Избыточное давление достигает пиковой величины ЛРо и после этого давление уменьшается. Часть 2 этой кривой показывает, что когда поршень резко останавливается, давление уменьшается до тех пор, пока не станет отрицательным относительно гидростатического давления. Это отрицательное давление соответствует формированию полости и увеличению ее объема, и продолжается до тех пор, пока разрежение не достигнет своего максимального значения дР . Когда объем полости станет максимальным, ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию взрыва. Часть кривой 3 отмечает высокий пик АР,(давления взрыва), который соответствует максимальному давлению в окружающей воде в точке измерения. Этот момент соответствует взрыву полости, показанному на фиг.5.

Часть кривой 4 показывает отдачу массы воды с высоким давлением, заполняющей полость (фиг. 6). Отдача дает вторичную кавитацию, за которой следуют вторичные взрывы, что может повториться последовательно несколько раз. Эти кавитации и взрывы дают последовательные пики ДРд, дРз и т.д., с уменьшающейся амплитудой и чередованиями стабильности, соответствующими разрежениям.

В масшта&е времени часть кривой Т означает период сигнала, измеренного от начала и до конца первичного взрыва. Этот период Т зависит от потенциальной энергии полости, и следовательно, от кинетической энергии водяной струи, а также от расстояния от поверхности воды. Общая продолжительность подписи давления составляет Т, что и определяет сейсмическое разрешение. Разрешение больше, когда Т меньше. Вазовая кривая, показанная .16, не есть кривая обычно используемая в геофизической разведке. Полезным сигналом является та часть этой базовой кривой., которая находится слева после фильтрования частоты 8-62 Гц с точки зрения проникания или после фильтрования частоты 0-248 Гц с точки зрения разрешения.

На фиг. 17 показано, что означает левая часть кривой давления на фиг.16 после фильтрования при 862 Гц. Можно видетьj что пик дР соответствует первому взрыву и, содержащий высокие частоты, не отличается заметно от пикаАРд, соответствующего взрыву, происходящему после первого пузырькового возрастания давления 42. Поэтому сигнал имеет много пиков, что означает, что каяудн донный слой дает много отраженных сигналов, детектируемых вымпельным кабелем 47 и записывающим блоком 48 (фиг.25).

Все эти йедостатки присущи генератору, работающему без дефлектора. Кроме того, наибольшая часть используем)й энергии выделяется в максимуме взрыва и излучается в полосе относительно высокой , которая быстро поглощается грунтом. Проникание такой волны относительно мало.

При использовании дефлектора характер работы генератора резко меняется. Исключаются вторичные пики лРд и л Р 3 путем придания соответствующих размеров боковым отверстиям 36. Таким образом можно создать полости

различных размеров, периоды взрывов которых также будут разными, и все это позволяет создать в моменты, соответствующие вторичным пикам дР и дР.} (фиг. 16), взрывы с оппозитно направленными пиками, что даст аннулирование вторичных пиков.

Это формирование взрывных полостей представляет интерес для генераторов, относительно не крупных по размерам, в которых боковые отверстия 37 имеют размеры, не обеспечивающие достаточного поглощения воды по высоким давлением во внутренней полости 34 (фиг.14) во время возникновения отдачи. Наконец, весьма целесообразно укорачивать период Т/ излучаемого сигнала, так как сигнал, отраженный от поверхности воды (фиг.21 накладывается на первоначальный сигнал (фиг.20), но с фазовой разницей, соответствующей времени, которое необходимо на прохождение первоначальным сигналом полного круга до места взрыва.

Генератор с дефлектором позволяет накладывать положительную часть отраженного сигнала (фиг.20) на положительную часть первоначсшьного сигнала (фиг.20) при относительно мелки взрывах. Объединение сигналов (фиг.20 и 21) дает результирующий сигнал (фиг.22). Этот сигнал представлйет особый интерес, поскольку он содержит относительно высокую энергию в полосе низкой частоты именно благодаря использованию низких частот, содержсвдихся в положительной части отраженного сигнала (фиг.21). В соответствии с этим, при равном количестве входной энергии поступающей в генератор, можно значительно увеличить глубину проникания комбинированного сигнала (фиг.22).

Действительная форма волньг сигналов, прослеживаемая гидрофоном вблизи места взрыва без дефлектора, показана на фиг;18, соответствующей фиг.20. Форма волны при работе с дефлектором показана на фиг.19, соответствующей фиг.22. Таким образом, эксперимент подтверждает приведенные теоретические формы волны.

Предложенный генератор акустических- импульсов для сейсмической подводной разведки позволяет существенно повысить мощность импульсов, избежать кавитационного воздействия на элементы конструкции и также избежать эффекта отдачи, возникающего при работе всех известных приборов этого назначения.

Формула изобретения

1. Устройство для генерирования акустических импульсов в жидкой среде, состоящее из соосно расположенных верхнего и нижнего цилиндров, в которых помещаются поршни,связанные ме жду собой общим штоком, системы тру бопроводов и отверстий для подвода цилиндрам сжатого газа, а также клапанов, отличающееся тем что, с целью повышения мощности им йульса и предотвращения кавитации внутри устройства, нижний цилиндр имеет выпускное окно, образованное коническим бортиком, идущим по внутренней поверхности нижней кромки ци линдра, причем площадь сечения окна существенно меньше площади внутреннего .сечения нижнего цилиндра, наруж ный торец поршня, расположенного в нижнем цилиндре, имеет форму, соответствующую форме конического бортика, являющегося седлом поршня и снаб жен выступом, входящим в. упомянутое окно, когда поршень находится в край нем нижнем положении, а выпускное ок но снабжено насадкой с отверстиями, разделяющими выбрасываемую жидкость на не менее чем две противоположно направленные струи, которые выходят из отверстий под углом до 90 к вертикальной оси генератора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний цилиндр представляет собой три стаканана, вставленных соосно один в другой таким образом, что внутренний стакан служит направляющим для верхнего поршня, средний стакан является коллектором сжатого газа, двигё1ющего верхний поршень, а наружный стакан является .коллектором сжатого газа, воздействующего на нижний поршень. 3.Устройство по П.1, отличающееся тем, что верхняя часть нижнего цилиндра имеет окно, образованное бортиком, идущим по внутренней поверхности верхней кромки цилиндра, причем площадь сечения окна существенно меньше площсцци внутреннего сечения цилиндра. 4.Устройство по П.1, отличающееся тем, что верхний цилиндр имеет в торцовой части отверстие, через которое проходит шток клапана, подающего сжатый газ в верхнюю часть нижнего цилиндра в тот момент, когда верхний поршень находится в крайнем верхнем положении и нажимает на шток. 5.Устройство по П.1, отличающееся тем, что верхний и нижний цилиндры сообщаются между собой посредством трубопровода, снабженного нормально закрытым клапаном. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент США № 3369627, кл. 181-5, опублик. 1968. 2.Патент США 3642089, кл. 181-120, опублик. 1972 (прототип).

«

6 k

33

А:А

г. fS

417

Фаг 20

Гт г

из

Фиг 25