压力补偿源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及压力补偿源，特别地实施例涉及一种用于海洋地球物理勘查的声源。一实施例提供一种声源，其包括：外壳体，其包含在第一气体压力的第一气体；以及顺应腔室，其与第一气体间接流体连通，顺应腔室包含在第二气体压力的第二气体，其中第二气体压力低于第一气体压力。一实施例提供一种用于海洋地球物理勘查的声源，其包括：外壳体；联接到外壳体上的质量；以及联接到外壳体的促动器。在本文中公开了额外的设备和方法。
【专利说明】压力补偿源
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请要求保护在2013年5月7日提交的、名称为"Sound Source Passive Compliance Chamber"的美国临时申请No. 61/820,645的权益，其全部公开以引用的方式 并入到本文中。
【技术领域】
[0002] 实施例大体而言涉及用于海洋地球物理勘查的声源。更特定而言，实施例涉及在 声源中使用诸如附加质量或顺应腔室这样的机构来在操作期间补偿在声源内部的气体体 积变化。
【背景技术】
[0003] 声源通常为生成声能的装置。声源的一种用途是在海洋地震勘查中，其中，可以采 用声源来生成声能，声能向下行进穿过水并且进入到地表下岩石内。在与地表下岩石(例 如，在不同地表下层之间的边界处）相互作用后，声能中的某些可以朝向水面返回并且由专 门的传感器检测到。所检测的能量可用来推断地表下岩石的特定性质，诸如结构、矿物质组 成和流体含量，从而提供适用于回收烃类的信息。
[0004] 目前用于海洋地震勘查的大部分声源为脉冲型，其中，做出努力以在尽可能短的 时间跨度期间生成尽可能多的能量。这些脉冲型源中最常用的是气枪，气枪通常利用压缩 空气来生成声波。脉冲型源的其它示例包括爆炸和重物坠落脉冲源。可以用于地震勘查中 的另一类型的声源包括振动器源，诸如液压动力源、机电振动器、电气海洋地震振动器和采 用电致伸缩(例如，压电）或磁致伸缩材料的源。振动器源通常生成被称作"扫频（sweep)" 或"啁啾（chirp) "模式的一定频率范围的振动。
[0005] 用于海洋地震勘查中的现有声源通常已被设计用于相对高频操作(例如，高于 10Hz)。但是，熟知的是，当声波穿过水和穿过地表下地质结构行进时，较高频率的声波比 较低频率的声波更快速地衰减，并且因此，较低频率声波比较高频率声波穿过水和地质结 构传输更长距离。因此，已做出努力来开发能以低频操作的声源。已发展了很低频率源 ("VLFS")，其通常具有约10Hz或更低的至少一个共振频率。VLFS的特征通常在于具有与 VLFS的声波长相比很小的源大小。VLFS的源大小通常远小于波长的1/10并且更通常地为 波长的大约1/100。例如，以5Hz操作、具有3米最大尺寸的源为波长大小的1/100。
[0006] 为了在水中实现给定的输出水平，海洋声源通常需要经历体积变化。为了在一定 深度工作同时最小化结构重量，可以利用外部流体静压力来使源压力平衡。随着在该源中 的内部气体(例如，空气)压力升高，内部气体的体积模量(刚性)也升高。这种内部气体的体 积模量的增加倾向于随源的操作深度变化。另外，内部气体和结构的刚性为源共振频率的 主要决定因素。因此，该源的共振可以基于该源的操作深度而变化，特别是在海洋声源中， 其中，该源的内部体积可以利用外部流体静压力而被压力平衡。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 这些附图示出了本发明的实施例中某些实施例的方面并且不应用来限制或限定 本发明。
[0008] 图1以局部截面图示出了声源的示例实施例，该声源包含多个顺应腔室。
[0009] 图2示出了包含顺应腔室的声源的另一示例实施例。
[0010] 图3为示出根据示例实施例的声源的外壳体、内部气体和顺应腔室的刚性的示意 图。
[0011] 图4为示出根据示例实施例使用顺应腔室的效果的模拟振幅谱。
[0012] 图5示出了示例实施例中可用于顺应腔室中的弹簧堆叠。
[0013] 图6示出了在示例实施例中多个弹簧堆叠用于顺应腔室中。
[0014] 图7为根据示例实施例用于贝氏（Belleville)弹簧垫圈堆叠的模拟/仿真力偏 转图表的图。
[0015] 图8A和图8B示出了包含顺应腔室的声源的另一示例实施例。
[0016] 图9示出了包含顺应腔室的声源的另一示例实施例。
[0017] 图10示出了在外壳体上具有附加质量的声源的示例实施例。
[0018] 图11为示出根据示例实施例将质量附加到声源的外壳体上的效果的模拟/仿真 振幅谱。
[0019] 图12为示出根据示例实施例与在源外壳体上的附加质量组合地使用顺应腔室的 效果的模拟/仿真振幅谱。
[0020] 图13为使用声源的海洋地震勘查系统的示例实施例。
【具体实施方式】
[0021] 应了解本公开并不限于特定装置或方法，其当然可变化。应了解本文所用的术语 仅仅是出于描述特定示例性实施例的目的并且无限制意图。本文所公开的所有数字和范围 可以以某些量变化。每当公开了具有上限和下限的数值范围时，具体地公开了属于该范围 内的任何数字和任何包括的范围。尽管公开了个别实施例，本发明涵盖所有那些实施例的 所有组合。如本文所用的单数形式"一"、"该"和"所述"包括单个和多个参考物，除非内容 清楚地表示为其它情况。而且，词语"可(可以）"在本申请中以许可意义（即具有这种可能 性，能够）而不是强制意义（即必须）使用。术语"包括"和其衍生词表示"包括，但不限于。" 术语"联接"表示直接或间接连接。如果在本说明书和可能以引用的方式并入到本文中的 一个或多个专利或其它文献中词语或术语的使用存在任何冲突，与本说明书一致的定义将 用于理解本发明的目的。
[0022] 实施例大体而言涉及用于海洋地球物理勘查的声源。更特定而言，在一个或多个 实施例中，附加质量或顺应腔室用于声源中以在操作期间补偿声源内部的气体体积变化。 如在下文中更详细地讨论，附加质量或顺应腔室可能使声源的共振频率转变为更低而同时 增加在更低频率的声输出。
[0023] 声源可以用于海洋地球物理勘查中以生成向下行进穿过水并且向下到地表下岩 石内的声能。声源的实施例可以包括外壳体，夕卜壳体包含具有一定气体压力的气体。举例 而言，声源可包括外壳体，外壳体限定内部体积，气体可置于内部体积中。合适声源的示例 包括海洋振动器、弯曲物源（bender source)或声学源（acoustic source)。合适海洋振动 器可以为液压动力振动器、机电振动器、电气海洋地震振动器和采用电致伸缩(例如，压电） 或磁致伸缩材料的振动器。合适弯曲物源的示例可以包括压电或其它合适电致伸缩材料， 其当启动时涉及该源相对于未启动时的源的平面表面的挠性弯曲。在某些实施例中，声源 可以是弯张壳体型源。包括促动器和换能器的弯张装置充当机械变换器，其变换并且放大 在有源元件中生成的位移和力以满足不同应用的需求。弯张壳体型源通常为海洋振动器， 海洋振动器具有外壳体，外壳体振动和挠曲以生成声能。弯张壳体型源的示例可以见于美 国专利No. 8, 446, 798中，其以引用的方式并入到本文中。
[0024] 在某些实施例中，声源可以具有压力补偿系统。压力补偿系统可以用来例如均衡 声源外壳体的内部气体压力与外部压力。声源外壳体的内部气体压力将在本文中被称作 "壳体内部气体压力"。压力补偿可以例如结合海洋声源使用，其中，源需要经历体积变化来 实现给定输出水平。随着声源深度增加，壳体内部气体压力可以升高以均衡压力与由于深 度而增加的水压。空气或另一合适气体可以被引入到源的外壳体内例如用以增加壳体内部 气体压力。合适气体的额外示例可包括惰性气体，惰性气体可以具有低体积模量(例如比空 气更低的体积模量)。
[0025] 然而，增加壳体内部气体压力可能会不利地影响声源的共振频率。特别地，随着壳 体内部气体压力升高，共振频率可升高。在某些实施例中，在声源内侧的加压气体可以具有 比声源外壳体的刚性更高的刚性。受益于本公开的本领域技术人员应意识到壳体内部气体 压力的升高也可导致外壳体中气体(例如空气)的体积模量(刚性)增加。由于声源的共振频 率基于外壳体的刚性与外壳体中气体刚性的组合，这种体积模量增加影响共振频率。因此， 声源的共振频率可以基于其操作深度而改变，例如由于壳体内部气体压力根据深度改变。
[0026] 为了补偿壳体内部气体压力变化，可以采用顺应腔室。根据本实施例，顺应腔室可 以包含气体(例如，空气或另一合适气体)，该气体具有低于壳体内部气体压力的内部气体 压力。在顺应腔室中所用的合适气体的额外示例可以包括惰性气体，惰性气体可以具有低 体积模量(例如，比空气更低的体积模量)。顺应腔室的内部气体压力将在本文中被称作"腔 室内部气体压力"。在示例实施例中，腔室内部气体压力可小于1个大气压。在某些实施例 中，在顺应腔室中可以形成真空或基本上真空。
[0027] 在某些实施例中，顺应腔室可包括密封的体积，当在水面(小于约1米的深度)时密 封的体积具有小于1个大气压的腔室内部气体压力。替代地，当在水面时，腔室内部气体压 力可以是大气压力。在本实施例中，当声源在操作深度时，腔室内部气体压力可以小于壳体 内部气体压力。在某些实施例中，声源可以例如在从约1米至约375米和更特别地从约1 米至约100米的深度操作。顺应腔室的实施例可包括一种在管中的弹簧活塞组件，管具有 小于壳体内部气体压力的腔室内部气体压力。顺应腔室的替代实施例可包括一种在柔性波 纹管中的弹簧活塞组件，柔性波纹管可以是柔性机械结构，其具有小于壳体内部气体压力 的腔室内部气体压力，使得结构与内部气体的组合的顺应性超过壳体内部气体。顺应腔室 可以与壳体内部气体压力成间接流体连通。如本文所用的术语"间接流体连通"通常指顺 应腔室的至少一部分向壳体内部气体压力暴露而不使腔室内部气体与壳体内部气体掺合 或混合。可以使用很多种不同的技术来使顺应腔室与壳体内部气体压力成间接流体连通。 举例而言，顺应腔室可以安置于声源的外壳体中。在替代实施例中，顺应腔室可以经由管、 端口或其它合适机构与包含于外壳体中的气体压力成间接流体连通。在本实施例中，腔室 内部气体可以不与壳体内部气体成直接流体连通。
[0028] 根据示例实施例，顺应腔室操作通常不需要外部能源。替代地，顺应腔室的实施例 可由于在壳体内部气体压力与腔室内部气体压力之间的压差(例如，跨越于在包含于顺应 腔室中的整个密封活塞)变化而操作。在某些实施例中，由于压差所造成的力可以由施加到 活塞背侧的力(例如，由弹簧，诸如压缩弹簧所施加的力)抵消。对于静态(例如，由于增加的 源深度造成的压力）和动态(声源的声学操作）应用，都可发生力平衡。增加壳体内部气体 压力通常导致顺应腔室增加的力要求。在采用压缩弹簧的实施例中，例如，可以通过位移实 现增加的力，因此，由于在声源内的压力变化则在顺应腔室内可发生体积变化。有利地，该 体积变化可以补偿声源（当其辐射声时）的内部体积变化，导致减少例如壳体内部气体对于 源共振频率的刚性效应。由某些实施例提供的另一益处可以是包含于声源的内部体积内的 气体刚性减小。顺应腔室可以具有适当大小以补偿声源的整个内部体积变化，导致相同的 共振频率，与水深度无关。当顺应腔室与声源的内部气体以串联配置组合时可实现了系统 刚性减小。组合顺应腔室的这些益处(例如，体积补偿和刚性减�。┩ǔ？傻贾律吹牡推� 性能提高。顺应腔室的另一优点可以在于其具有其自己的共振，这可以增加来自声源的声 学输出并且可能增加带宽。
[0029] 在某些实施例中，声源可以产生显示在约1 Hz至约200 Hz之间的至少一个共振 频率（当浸没于水中时)。在替代实施例中，声源可以显示在约0.1 Hz与约100 Hz之间，替 代地在约0. 1 Hz与约10 Hz之间，并且替代地在约0. 1 Hz与约5 Hz之间的至少一个共振 频率（当浸没于水中时)。声源通常被称作VLFS，其中，其具有约10Hz或更低的至少一个共 振频率。
[0030] 图1示出了声源2的示例实施例，声源2例如采用一个或多个顺应腔室4来补偿 壳体内部气体压力的压力变化。图1的声源2以局部截面图示出。在图示实施例中，声源2 为弯张壳体型源。如图所示，声源2安装于框架6内。支架8可以安装到框架6顶部。支 架8可以用来将声源2部署于水体中。声源2可以包括外壳体10。如图所示，顺应腔室4 可以安置于外壳体10内。虽然图1示出了两个顺应腔室4安置于外壳体10中，应了解本 发明可适于在声源2中使用任何数量的顺应腔室4。举例而言，实施例可以包括声源2使用 一个、两个、三个、四个或更多个顺应腔室4。
[0031] 在图示实施例中，外壳体10可以为椭圆形状或者其它合适形状，包括凸形、凹形、 平坦的或其组合。虽然未图示，外壳体10可以例如由两个壳体侧部形成，两个壳体侧部彼 此可成镜像。声源2可以是液压动力振动器、机电振动器或电气海洋地震振动器，或替代 地，声源2可以采用电致伸缩(例如压电)或磁致伸缩材料。在特定实施例中，声源2还可包 括线性驱动装置12,线性驱动装置12可以是电动促动器。在某些实施例中，线性驱动装置 12可以是"动圈"或"音圈"促动器。在本发明的范围内设想到采用单个双向线性促动器、 一个或多个单向促动器、多个并联布置的促动器或其它合适布置的线性驱动装置12。线性 驱动装置12可以通过操作以使外壳体10振动和挠曲从而生成声能。
[0032] 图2示出了采用顺应腔室4的声源2的另一示例实施例。如图所示，声源2可包 括外壳体10,在外壳体10中可安置顺应腔室4。在图$实施例中，夕卜壳体10具有壳体内部 体积14,壳体内部体积14可以包含气体，诸如空气以提供壳体内部气体压力。顺应腔室4 可以与壳体内部体积14成间接流体连通。顺应腔室4也可具有腔室内部体积16,腔室内部 体积16可以提供腔室内部气体体积。在某些实施例中，腔室内部体积16可以包含气体，诸 如空气。如先前所描述，腔室内部气体压力应小于壳体内部气体压力。腔室内部气体压力 可以小于1个大气压。根据本实施例，可以密封腔室内部体积16。
[0033] 如图所示，顺应腔室4可以包括管18、活塞20和弹簧元件22。腔室内部体积16 可以由管18和活塞20限定。活塞20可以在管18中滑动使得当驱动进出所述管10时，改 变腔室内部体积16。活塞20可以被设计成在管10中具有充分位移以补偿由于深度造成的 压力变化以及由于声源2操作所造成的体积变化。活塞20可以密封于管20中，例如利用0 形环或波纹管。虽然活塞20被示出为圆盘或其它圆柱形元件，应了解该活塞20的其它配 置可以用来实现管18中所希望的体积变化。例如，活塞20可以具有不同的配置，包括正方 形、矩形或长圆形等。弹簧活塞可以由活塞20和弹簧元件22形成。活塞20可以利用弹簧 元件22加载于管20中。如图所示，弹簧元件22可以安置于腔室内部体积16中以向活塞 20施加偏压作用。弹簧元件22可以是适合于在活塞20上施加偏压作用的任何弹簧，包括 线性和非线性弹簧。举例而言，弹簧元件22可以是压缩弹簧、扭转弹簧或用来施加所希望 的偏压作用的其它合适弹簧。可以用于弹簧元件22的弹簧的具体示例包括螺旋弹簧、片簧 和贝氏弹簧垫圈等。在某些实施例中，非线性弹簧(诸如贝氏弹簧垫圈)可以是有利的，其在 压力升高时提供软化响应。其它柔性机械加工的结构也可用作弹簧元件22。举例而言，活 塞20和弹簧元件22可以由具有一定内部体积的机械加工的结构替换。机械加工的结构的 某部分可以充当弹簧元件22并且机械加工的元件的某部分可以充当活塞20。例如，薄柔性 板(例如，在图8A和图8B中的柔性板34)，在该薄柔性板的后方具有密封的体积(在密封的 体积中的气体小于壳体内部气体压力)，其中，当在整个板两边存在压差时板挠曲使柔性板 起到弹簧元件22和活塞20二者的功能。
[0034] 现将根据一示例实施例描述图2示出的顺应腔室4的操作。由于在壳体内部体 积14与腔室内部体积16之间的整个活塞20两端上的压差变化，顺应腔室可操作。举例而 言，该变化可能是由于增加的深度或声源2的声学操作所致的压力升高造成。在图示实施 例中，由于压差所造成的力可以由弹簧元件22施加到活塞20上的力抵消。升高壳体内部 体积14内的壳体内部气体压力通常导致顺应腔室4增加的力要求。在压缩弹簧用于弹簧 元件22的实施例中，可以通过位移实现增加的力，因此，由于在声源4内的压力变化，在腔 室内部体积16内可以发生体积变化。在顺应腔室4内的体积变化可以补偿壳体内部体积 14变化。因此，可以例如减小源共振频率的刚性效应。
[0035] 图3为外壳体10、空气弹簧和顺应腔室4的刚性的示例机械表示。壳体内部体积 14中的空气因为其压缩阻力通�？梢猿涞笨掌�。在示例实施例中，空气弹簧具有刚性 (k ai,)，刚性（kai,)应与顺应腔室4的刚性串联起作用。在某些实施例中，空气弹 簧具有大于顺应弹簧4的刚性（k。^^)的刚性（k&)。在示例实施例中，多个顺应腔室4可 以串联作用 total = 其中N是顺应腔室4的数量)。外壳体10通常具有与 空气弹簧的刚性（kaJ和顺应腔室4的刚性（k。^^)并联作用的刚性（k stell)。在顺应腔室 4中可需要刚性弹簧元件22以抵消由于深度造成的压力变化，其中F =压力*活塞面积= kc^b^x，其中X是活塞位移。但是，可需要软弹簧元件22来对抗空气弹簧使得小 于空气弹簧的刚性（kaJ。
[0036] 图4示出了根据示例实施例用来评估声源2中的顺应腔室4的使用的来自有限元 模拟/仿真的结果。附加了四个顺应腔室4的声源2的输出在图4中以24示出。无顺应 腔室4的同一声源2的输出在图4中以26示出。曲线表示当以约50米的深度拖曳时源输 出。每个顺应腔室4具有1. 0E+5牛顿/米的弹簧常数(仅动态部分)。在壳体内部体积14 中的空气弹簧具有从体积模量计算的2. 86E+6的弹簧常数。活塞20具有0. 32平方米的面 积。如图4所示，采用顺应腔室4将共振频率从3. 4 Hz减小至2. 7 Hz。此外，在低于共振 频率的所有频率的输出将增加约4分贝至约5分贝。
[0037] 图5示出了可根据示例实施例使用的弹簧堆叠28的示例实施例。在图示实施例 中，弹簧堆叠28包括贝氏弹簧垫圈30的堆叠。合适贝氏弹簧垫圈的示例可包括可购自马里 兰州巴尔的摩（Baltimore, Maryland)的Rolex Springs的AM系列贝氏弹簧，诸如Rolex 弹簧AM-25012770。弹簧元件22 (例如，在图2中示出)可包括一个或多个弹簧堆叠28。本 领域技术人员将意识到多个贝氏弹簧垫圈30可以堆叠以修改弹簧常数。在相同方向堆叠 将并联地增加弹簧常数以形成刚性更强的弹簧。在交替方向堆叠类似于将弹簧串联地加起 来并且可以形成具有更多偏转的更低的弹簧常数。在交替方向和以不同配置堆叠多个贝氏 弹簧垫圈30可以允许具有特定弹簧常数的弹簧元件22的设计。
[0038] 在图示实施例中，弹簧堆叠28包括以串联堆叠布置的五十个贝氏弹簧垫圈30。如 图所示，相邻成对的弹簧垫圈30并联布置使得弹簧堆叠28包括二十五对串联布置的弹簧 垫圈30。然而，应了解，弹簧垫圈30的数量和配置可以改变以提供弹簧堆叠28的选定弹簧 常数。在一特定实施例中，每个弹簧垫圈30具有245毫米的外径和2千克的质量。根据示 例实施例可以使用多于一个弹簧堆叠28。
[0039] 图6示出了采用多个弹簧堆叠28的示例顺应腔室4。如图所示，弹簧元件22可以 包括两个弹簧堆叠28。弹簧堆叠28可以安置于腔室内部体积16中。如先前所描述，实施 例可包括弹簧元件22,弹簧元件22在活塞20上施加偏压作用，活塞20可以在管18中滑 动。
[0040] 图7为图5所示的弹簧堆叠28的力偏转曲线的图。力偏转曲线将两个堆叠28对 于用于示例实施例的顺应腔室4中时遇到的力做出响应建模。在声源2从0米的深度下降 到约50米的深度期间，弹簧堆叠28沿着箭头32a初始压缩。在声源2在约50米深度操作 期间，弹簧堆叠28的压缩被示出沿着箭头32b。弹簧堆叠28具有如沿着箭头32c所示的安 全裕度。如由图7所示，在某些实施例中，弹簧堆叠28可以是有利的，归因于随着力增加它 们的软化响应。关于其它优点，这可减少顺应腔室4的刚性，导致声源2改进的声学性能。
[0041] 图8A和图8B示出了采用顺应腔室4的声源2的另一示例实施例。如图所示，声 源2可包括外壳体10,顺应腔室4可安置于外壳体10中。在图示实施例中，顺应腔室4具 有腔室内部体积16,腔室内部体积16可以提供腔室内部气体体积，腔室内部气体体积具有 小于壳体内部气体压力的腔室内部气体压力。如图所示，顺应腔室4可以包括柔性板34,在 柔性板34的后方具有腔室内部体积16。例如，柔性板34可以跨管18或其它合适容器的 开口而安置。响应于壳体内部气体压力变化，柔性板34可挠曲，如在图8B中最佳地看出， 使得由腔室内部气体压力所形成的空气弹簧向柔性板34施加偏压力。因此，在整个柔性板 34两边上施加压差应导致顺应腔室4体积变化。
[0042] 图9示出了采用顺应腔室4的声源2的另一示例实施例。如图所示，声源2可以 包括外壳体10,顺应腔室4可安置于外壳体10中。在图示实施例中，顺应腔室4包括柔性 机械结构，诸如柔性波纹管36,其具有小于壳体内部气体压力的气体压力。柔性波纹管36 与腔室内部气体的组合的顺应性可超过壳体内部气体使得在柔性波纹管36两端施加压差 可以导致顺应腔室4体积变化。
[0043] 因此，一个或多个顺应腔室4可以用来调整声源2的共振频率，因此补偿壳体内部 气体压力的压力变化。有利地，一个或多个顺应腔室可以用来将共振频率转变到更低范围 并且增加了声输出，例如以更低频率。使用多个顺应腔室4和/或更软的弹簧元件22可以 甚至进一步改进性能。可能的缺陷包括了在某些实施例中弹簧元件22可能不利地增加声 源2的质量。举例而言，所需的贝氏弹簧垫圈30的数量和大小可较大，这可能显著地增加 声源2的质量。在弹簧垫圈30的弹簧堆叠28中的动态也可影响性能并且在某些实施例中 弹簧堆叠28可能存在摩擦问题。
[0044] 根据另一实施例，用以补偿壳体内部气体压力的压力变化的替代技术可包括改变 声源2'的质量。举例而言，质量可以附加到外壳体10上(例如，在图1和图2中示出）以转 变共振频率。在某些实施例中，这种附加质量的方案可能与先前描述的顺应腔室4组合，如 关于图1至图9所描述。
[0045] 图10示出了包括附加质量38的声源2'。如图所示，声源2可包括具有内部体积 14的外壳体10。外壳体10的构造可类似于在上文关于图1所描述的外壳体10。在图示实 施例中，质量38联接到外壳体10的外表面，例如在水体积中。在替代实施例（未图示）中， 质量38可以联接到外壳体10的内部，例如在内部体积14中。附加的质量38可以包括用 来向外壳体10附加质量38的多种合适物体，包括简单的金属结构，机电驱动器的部分也可 附连到外壳体10上，或者可附连到外壳体10上的包含质量的任何物体。举例而言，全部或 部分驱动器(例如，磁性零件）可以附连到外壳体10上以用于附加所述质量38。在某些实 施例中，质量38可以集中在外壳体10的中部段处。举例而言，在图10中示出质量38附连 到外壳体10的中部段。以此方式，质量38可以对壳体刚性具有相对较小的影响。实施例 可包括增加密度以改变质量38。可以使用多种合适技术中的任何技术将质量38附连到外 壳体10,包括机械附连(例如，紧固件）和粘合剂等。虽然在图10中未示出，声源2'还可包 括促动器(例如，在图2中的线性驱动装置12)，促动器至少部分地安置于外壳体10中并且 联接到外壳体10。促动器可以通过操作以造成外壳体10振动和挠曲从而生成声能。
[0046] 图11示出了根据示例实施例用来将不同的质量附连到声源2'的有限元模拟/仿 真的结果。在图11中的曲线表示在50米处拖曳的声源2'的输出。在图11中的曲线表示 分别附连了 〇千克("kg")、1000kg、1500kg和2000kg的声源2'的输出，在图11中以40、42、 44和46示出。如图所示，添加2000kg，声源2'的共振从3.4Hz转变为2.7Hz。低于2Hz， 在声输出中存在很少差异。
[0047] 因此，根据示例实施例可以使用附加质量38来向下调整声源2'的共振频率到所 希望的范围。有利地，附加质量38可以是用来转变共振频率的相对简单的技术。在某些实 施例中，驱动器(例如在图1中的线性驱动装置12)的更多的质量可以附加到外壳体上，因 此将较小额外质量附加到声源2'并且向设计增添了较小的复杂性。但是，这种技术的缺陷 包括对于低于共振频率的频率的声输出有较低的影响以及可能减少高于共振频率的声输 出。
[0048] 图12示出了用来确定组合多个顺应腔室4与附加质量38的效果的来自有限元模 拟/仿真的结果。附加了四个顺应腔室4和1000 kg质量38的声源的输出在图12中以 48示出。无顺应腔室4或附加质量38的同一声源的输出在图12中以50示出。曲线表示 在50米的源输出。质量38附加到外壳体10外部在其的中部段上。每个顺应腔室4具有 1. 0E+5牛顿/米的弹簧常数(仅动态部分)。在壳体内部体积14中的空气弹簧具有2. 86E+6 的弹簧常数，从体积模量计算。活塞20具有0.32平方米的面积。如图12所示，采用顺应 腔室4组合附加质量38将共振从3. 4Hz减小为2. 4Hz。此外，在低于共振频率的所有频率 的输出增加约4分贝至约5分贝。虽然未图示，根据示例实施例，附加质量38可以用来补 偿增加的深度。
[0049] 图13示出了可以结合本技术的实施例使用的采集海洋地震数据的示例技术。在 图示实施例中，勘查船只52沿着水体54 (诸如湖泊或海洋)的表面移动。勘查船只52可以 在其上包括装备，大体上以56示出并且在本文中统称作"记录系统"。记录系统56可以包 括用来检测由地震传感器58 (在下文中进一步解释）中每一个生成的信号并且对于这些信 号生成时间索引记录并且用来在选定的时间促动声源2的装置(均未单独示出）。记录系统 56也可包括用来确定勘查船只52和各个地震传感器58的测地学位置的装置(均未单独示 出)。
[0050] 如图所示，勘查船只52 (或不同船只)可以在水体54中拖曳声源2。源缆线60可 以将声源2 (或声源2'）联接到勘查船只52。声源2 (或声源2'）可以在水体54中在例如 从0米至约120米的深度处拖曳。虽然在图13中仅示出了单个声源2,设想到实施例可以 包括由勘查船只52或不同船只拖曳的多于一个声源2(或声源2'）。在某些实施例中，可以 使用声源2的一个或多个阵列。在选定时间，可以例如由记录系统56触发声源2来生成声 能。勘查船只52 (或不同船只）还可拖曳至少一个传感器拖缆（streamer) 62来在其例如 已与水底66下方的岩层62相互作用之后检测声能。如图所示，声源2和传感器拖缆62可 以在水底66上方被拖曳。在某些实施例中，可以由勘查船只拖曳多于一个传感器拖缆310， 这些传感器拖缆310可以在侧向或坚直地间隔开，或者既在侧向也坚直地间隔开。地震拖 缆62可以在其上在间隔开的位置处包含地震传感器58。地震传感器58可以是本领域中 已知的任何类型的地震传感器，包括例如水听器、粒子速度传感器、粒子移位传感器、粒子 加速度传感器或压力梯度传感器。举例而言，地震传感器58可以响应于检测到声能而生成 响应信号，诸如电信号或光信号。由地震传感器58生成的信号可以被传送到记录系统56。 检测的能量可以用来推断地表下岩石的特定性质，诸如结构、矿物质组成和流体含量，从而 提供适用于回收烃类的信息。
[0051] 前面的附图和讨论并非旨在包括适应买方或卖方或者描述该系统的本技术的所 有特点，这些附图和讨论也并非限制性的而是示例性的并且在本技术的精神内。
【权利要求】
1. 一种用于海洋地球物理勘查的声源，包括： 外壳体，其包含处于第一气体压力的第一气体；以及 顺应腔室，其与所述第一气体成间接流体连通，所述顺应腔室包含处于第二气体压力 的第二气体，其中所述第二气体压力低于所述第一气体压力。
2. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述声源为弯张壳体型源。
3. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述声源为大约10Hz或更低的至少一个 共振频率。
4. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述顺应腔室安置于所述外壳体中。
5. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，其还包括：与所述第一气体成间接流体连 通的一个或多个额外顺应腔室。
6. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述顺应腔室包括管、可在所述管中滑动 的活塞、和弹簧元件，所述弹簧元件向所述活塞施加偏压力。
7. 根据权利要求6所述的声源，其特征在于，所述管和活塞限定密封的体积，所述密封 的体积包含所述第二气体，其中所述弹簧元件安置于所述密封的体积中。
8. 根据权利要求6所述的声源，其特征在于，所述弹簧元件包括非线性的弹簧。
9. 根据权利要求6所述的声源，其特征在于，所述弹簧元件包括贝氏弹簧垫圈的堆叠。
10. 根据权利要求9所述的声源，其特征在于，所述贝氏弹簧垫圈的堆叠布置成串联堆 叠，并且其中在所述串联堆叠中的相邻成对的贝氏弹簧垫圈并联地布置。
11. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述顺应腔室包括柔性板，所述柔性板 与容器一起限定密封的内部体积，所述密封的内部体积包含所述第二气体。
12. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述顺应腔室包括柔性波纹管，所述柔 性波纹管限定密封的内部体积，所述密封的内部体积包含所述第二气体。
13. 根据权利要求1所述的声源，其特征在于，所述外壳体还包括附加质量。
14. 一种用于海洋地球物理勘查的声源，包括： 外壳体； 联接到所述外壳体上的质量；以及 促动器，其联接到所述外壳体。
15. 根据权利要求14所述的声源，其特征在于，所述声源为弯张壳体型源。
16. 根据权利要求14所述的声源，其特征在于，所述质量附加到所述声源的外表面上。
17. -种方法，其包括： 将声源安置于水体中，所述声源包括： 外壳体，其包含处于第一气体压力的第一气体；以及 顺应腔室，其与所述第一气体成间接流体连通，所述顺应腔室包含处于第二气体压力 的第二气体，其中所述第二气体压力低于所述第一气体压力；以及 响应于所述第一气体压力的变化来改变所述第二气体压力从而调整所述声源的共振 频率。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述顺应腔室包括管、可在所述管中滑 动的活塞、和弹簧元件，所述弹簧元件向所述活塞施加偏压力，其中调整所述第二气体压力 包括使所述活塞在所述管中移位。
19. 根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述弹簧元件包括贝氏弹簧垫圈的堆 叠使得所述活塞在所述管中的移位包括压缩所述贝氏弹簧垫圈的堆叠。
20. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，其还包括：触发所述声源以生成声能； 以及在所述声能已与所述水体底部下方的一个或多个岩层相互作用之后检测所述声能中 的某些。
21. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述共振频率小于约10Hz或更小。
22. -种方法，其包括： 将声源安置于水体中一定深度，所述声源包括： 外壳体，其包含处于第一气体压力的第一气体；以及 顺应腔室，其与所述第一气体成间接流体连通，所述顺应腔室包括密封的内部体积； 改变所述声源在所述水体中的深度； 响应于改变所述声源的深度而改变所述第一气体压力；以及 响应于改变所述第一气体压力来改变所述顺应腔室的密封的内部体积。
23. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述顺应腔室包括管、可在所述管中滑 动的活塞、和弹簧元件，所述弹簧元件向所述活塞施加偏压力，其中改变所述密封的内部体 积包括使所述活塞在所述管中移位。
24. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述弹簧元件包括贝氏弹簧垫圈的堆 叠使得所述活塞在所述管中的移位包括压缩所述贝氏弹簧垫圈的堆叠。
25. 根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述声源具有大约10Hz或更低的至少 一个共振频率。
【文档编号】G01V1/135GK104142515SQ201410189610
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年5月7日 优先权日:2013年5月7日
【发明者】J.S.兹罗斯特里克, T.A.雷德斯 申请人:Pgs 地球物理公司
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