謝晉興 張永亮 江 敏 江 彪 鄭江龍 劉 丹 王宜志 黃逸凡*

1(中國科學院深圳先進技術研究院 先進材料科學與工程研究所 深圳 518055)2(南方科技大學 海底地震儀設備與技術工程實驗室 深圳 518055)

1 引 言

水聲是水下信息傳播最有效的媒介，因此發(fā)展水聲傳感及探測技術是認識海洋的必然手段。水下聲源的不同工作頻段在水下探測方面存在較大差異，其核心部件——發(fā)射換能器在水聲探測系統(tǒng)中至關重要。以海底探測為例，側掃聲吶的工作頻段一般在數(shù)百 kHz，多波束聲吶主要工作在數(shù)十 Hz，兩者都用于海底地形地貌測量，可以得到分辨率很高的精細海底圖像，但無法得到海底以下的信息，主要原因是高頻聲信號在海底沉積物中吸收衰減很快[1]。淺剖聲吶工作頻段相對較低，一般在數(shù) kHz 左右，可以穿透數(shù)米左右的海底地層，得到最高分辨率在 20 cm 左右的地層剖面[2]。參量陣聲源也可以獲取類似的地層信息，但不同于線性聲源，參量陣產(chǎn)生數(shù)十 kHz 左右的雙頻信號，利用遠場非線性作用得到數(shù) kHz 的差頻信號[3]。淺剖和參量陣聲吶主要用于海底淺層埋藏物探測。如果要獲取更深的海底地層信息，那么需要使用頻率更低的聲源，如電火花聲源(Sparker)、電磁脈沖聲源(Boomer)等。Sparker 和 Boomer 產(chǎn)生的是高功率脈沖波(又稱地震子波)，主頻一般在數(shù)百至數(shù)千 Hz 左右，結合單道或多道接收系統(tǒng)進行地震勘探，可以獲得最高分辨率 1 m 左右、穿透深度達到數(shù)十米至數(shù)百米的地層剖面，因此在工程地質(zhì)調(diào)查、海底淺層資源調(diào)查方面應用廣泛[4]。

常規(guī)的海底測繪或者地震勘探都采用水面作業(yè)形式，調(diào)查設備通過調(diào)查船在海面拖曳進行巡線作業(yè)。對于深海水域，受菲涅爾半徑限制，常規(guī)作業(yè)無法獲得較高探測分辨率[5]，因此國內(nèi)外多個研究機構都開展了深拖淺剖或深拖地震系統(tǒng)等方面的研究。在深拖淺剖方面，美國 Benthos 研制了一套 3 000 m 級的深拖淺剖系統(tǒng) SIS3000[6]，我國大洋號遠洋調(diào)查船裝備了此系統(tǒng)。中國科學院聲學研究所也研制了類似的深拖系統(tǒng) DTA6000[7]。深拖地震方面，美國 NRL(Naval Research Laboratory)在 20 世紀 90 年代研制了一套 6 000 m 級的深拖地震系統(tǒng) DTAGS[8]，法國 Ifremer 在 21 世紀初也研制了類似的系統(tǒng) SYSIF[9]。我國海洋一所依托“十三五”重點研發(fā)計劃深水專項研制了2 000 m 級的深拖地震系統(tǒng)“揆洋號”，目前正在海試過程中[10]。

綜上所述，由于不斷追求提高探測分辨率，深海探測活動逐漸增多。不同于常規(guī)水面聲源，深海聲源需要克服深水環(huán)境的高水靜壓做功，對換能器材料、結構設計等方面的要求較高。以深拖地震為例，深水環(huán)境下的高功率低頻地震子波發(fā)射是需要解決的技術難點。美國 DTAGS 和法國 SYSIF 都采用赫姆霍茲共振腔(Helmholtz Resonator)類型的發(fā)射換能器，其特點是換能器效率高，發(fā)射的調(diào)頻信號經(jīng)過解調(diào)得到的子波脈沖窄、頻帶寬，有利于提高成像分辨率，但換能器及其功放系統(tǒng)龐大[11]。我國哈爾濱工程大學[12]、上海船舶電子設備研究所等[13]也在開展深海共振腔聲源的研究。與此二者不同的是，自然資源部第一海洋研究所牽頭研制的“揆洋號”采用了電火花結構作為震源，其特點是換能器發(fā)射地震子波，無需解調(diào)處理，且功放和換能器都相對較小，但換能器壽命較短，需要定期維護。因此，研制工作性能(聲源級和主頻)受水靜壓影響小，工作壽命長，且方便深拖系統(tǒng)搭載的高功率脈沖聲源對于近海底地震勘探是至關重要的。本文基于高功率電磁脈沖機理研發(fā)深海脈沖聲源，通過建模仿真和實驗測試深入研究高功率脈沖電路、換能器的線圈負載、脈沖電流激勵的電磁力、磁力驅(qū)動的發(fā)射板在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)中的振動，以及不同水靜壓條件下發(fā)射板的振動特性等關鍵基礎問題，為深海脈沖聲源的研發(fā)提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

2 方 法

2.1 計算模型

本文將電磁脈沖換能器簡化為兩部分：線圈負載和發(fā)射板。模擬仿真也主要從兩方面開展：脈沖激勵的電磁力和電磁力驅(qū)動的發(fā)射板振動。使用的模擬軟件為 Comsol 多物理場耦合計算軟件，模擬的參數(shù)包括脈沖電流、電磁力和發(fā)射板振動(位移)等，同時使用 Matlab 進行輔助數(shù)據(jù)分析，特別是對實驗視頻記錄的圖像處理、軌跡捕捉以及利用位移數(shù)據(jù)計算速度和加速度等。

2.1.1 電磁力計算模型

圖1 用于電磁力計算的幾何簡化圖Fig. 1 Simplified geometric diagram for electromagnetic force calculation

線圈激勵使用電壓激勵如圖 2，激勵函數(shù)是以 t 為變量的階躍函數(shù) step1(t)。根據(jù)實際實驗參數(shù)，step1(t)的高電平為 1.6 kV，低電平為 0 V。同時，放電開關設置觸發(fā)時延 50 μs，系統(tǒng)整體延遲 25 μs，因此設置階躍函數(shù)過渡區(qū)寬度 75 μs，階躍起始點取過渡區(qū)寬度的一半，即從 37.5 μs開始。

圖2 電壓激勵波形Fig. 2 Voltage excitation waveform

其他在磁場模塊設置的參數(shù)包括：空氣的電導率為 1 S/m，銅的電導率為 5.998e-7 S/m，發(fā)射板的電導率為 3.774e-7 S/m；同時非鐵磁性材料相對磁導率均接近 1，為簡化計算節(jié)省時間，均設置為 1。研究方法方面選用瞬態(tài)研究，采用廣義 α 方式求解。原因是廣義 α 相對于向后差分法具有更小的阻尼，處理突變參數(shù)的計算更準確，對于結構力學、聲學和瞬態(tài)電磁波等對過度耗散敏感的物理模型來說，廣義 α 是最佳選擇。

2.1.2 振動計算模型

由于振動模擬使用三維模型的計算量大、耗時長，通常一次三維模型運算需要數(shù)百分鐘，而簡化二維模型僅需要數(shù)分鐘，相差懸殊，且隨著精度的提高，三維模型耗時呈指數(shù)增加，因此本文設計二維模型作等效替換。具體地，設置二維模型與三維模型采用相同的電壓脈沖激勵，并調(diào)校二維模型使輸出相同的時域電流波形、電磁力波形。在此，本文認為二維模型可以作有效替換，二維軸對稱結構如圖 3 所示。幾何等參數(shù)設置與計算電磁力的三維結構相同。此外，物理場使用磁場(Magnetic Field)模塊作電磁轉(zhuǎn)化計算；運動過程使用全局微分方程(ge)模塊作位移計算；模型中結構運動表達使用動網(wǎng)格(ale)模塊。

圖3 用于發(fā)射板振動計算的軸對稱幾何結構Fig. 3 Axisymmetric geometric diagram for emitting plate vibration

發(fā)射板在受迫運動過程中主要受以下幾個方面的力作用：隨位置變化的電磁力 Fmf，隨位置變化的彈簧阻力 Fr，隨速度變化的介質(zhì)阻力 Fra。因此，全局變量方程中設置速度 v 的函數(shù)如下：

其中，mdisc＝0.173 kg，為發(fā)射板的質(zhì)量；Fmf由電磁力模型計算得到；Fr和 Fra的具體計算公式如下：

其中，k＝970 N/m，為彈簧彈性系數(shù)；u 為發(fā)射板瞬時位置，mm；z0為發(fā)射板初始位置，mm；Cra為阻尼系數(shù)(這里將水阻力與彈簧阻尼進行等效計算)，N·s/m；v 為發(fā)射板瞬時速度，m/s。此外，公式(3)使用 abs(v)×v 來表示 Fra為矢量。

學習僅僅是計算機科學中的一個專門術語，用更為嚴格的數(shù)學語言來說，學習即是統(tǒng)計的意思。機器學習，簡單地說，僅僅是利用計算機這個平臺，利用統(tǒng)計學的方法，去對數(shù)據(jù)集進行分析與歸納?，F(xiàn)代個性化的推薦系統(tǒng)便是機器學習中的一個重要的主題，也是我們?nèi)粘Ｉ钪休^為熟悉的一個機器學習的貼切的例子。推薦算法是推薦系統(tǒng)的核心所在，一個特定的算法本質(zhì)上就是一個計算的過程。推薦算法的計算主要來自于數(shù)學中的線性代數(shù)與概率統(tǒng)計，其中一個核心的概念，便是矩陣。

2.2 實驗設計

本文設計了一套實驗系統(tǒng)對脈沖電流、發(fā)射板振動等參數(shù)進行實際測量，驗證模型計算結果的準確性。實驗系統(tǒng)包括研制的脈沖電源、電磁脈沖換能器、高壓水艙以及電流互感器、示波器、高速相機等測量設備。

脈沖電源的研制采用基于高頻全橋逆變和復合半導體開關的脈沖電路，電路原理如圖 4(a)所示。其中，脈沖儲能采用容值 40 μF，耐壓 3.5 kV的電容器。電容器充電采用工作頻率 40 kHz 的半橋逆變電路將輸入直流轉(zhuǎn)換成高頻交流，經(jīng)諧振、升壓整流后形成直流高壓。電容器最高充電電壓設定 1.6 kV，因此單脈沖放電能量 51.2 J，且實驗過程中固定放電能量不變。放電開關采用由可控硅和續(xù)流二極管組成的復合開關模塊。模塊開關耐壓 3.6 kV，允許浪涌電流(10 ms)達到 10.5 kA。電路實物如圖 4(b)所示。

圖4 脈沖電源電路Fig. 4 Pulse power circuit

電磁脈沖換能器的線圈負載采用截面面積10 mm2的銅帶繞制，與計算模型中參數(shù)一致。經(jīng)數(shù)字電橋(常州同惠，TH2830)測量 1 kHz 頻率下的電感為 83 μH，內(nèi)阻為 152 mΩ。線圈負載采用 3M2131B 硫化膠整體硫化，同時采用耐壓為 60 MPa的橡塑型水密連接件。發(fā)射板采用 2 mm 厚度的鋁合金板。發(fā)射板 4 個角的兩側都安裝有彈性系數(shù)為 970 N/m 的彈簧。換能器實物如圖 5 示。

在脈沖電流測量方面，本文采用美國 Pearson 4418 電流互感器，靈敏度(1±1%)mV/A，帶寬 0.7 Hz～2 MHz，可測量峰值電流 200 kA，最快前沿 200 ns。測量脈沖電流的同時，電容電壓通過美國泰克 P6015A 高壓探頭進行采樣，衰減比 1 000∶1，帶寬 75 MHz，可測量直流電壓峰值 20 kV。電流電壓信號由示波器(美國泰克，TBS1102)進行顯示和采集。

圖5 電磁脈沖換能器實物圖Fig. 5 The electromagnetic pulse transducer

在發(fā)射板振動測量方面，本文分別在空氣介質(zhì)和水介質(zhì)中進行實驗。其中，空氣介質(zhì)條件下的發(fā)射板振動測量實驗系統(tǒng)如圖 6 所示，高速相機(日本 NAC，MEMRECAM HX-7s)正對電磁脈沖換能器的縱截面，以幀率 2 000 fps 記錄發(fā)射板的振動過程。脈沖電源通過觸發(fā)線與高速相機相連，同步相機采集信號。

圖6 發(fā)射板振動測量實驗系統(tǒng)示意圖Fig. 6 Schematic diagram of experimental system for plate vibration measurement

水介質(zhì)中的發(fā)射板振動實驗在高壓水艙中進行。高壓水艙內(nèi)徑 200 mm，有效深度 500 mm，在艙體中部有一對對稱的觀察窗，最高工作壓力為 120 MPa，艙體結構與實物如圖 7 所示。將脈沖源外置，發(fā)射頭通過嵌于艙蓋的耐壓水密接頭與脈沖源連接，發(fā)射頭豎直放置，蓋好打壓后通過觀察窗記錄發(fā)射板位移情況。測量方法與空氣介質(zhì)實驗一致，在其中一側的觀察窗架設高速相機，另一側觀察窗補光照明。

圖7 120 MPa 高壓水艙Fig. 7 120 MPa high-pressure water tank

3 結果與分析

3.1 放電電流與電磁力

基于 Comsol 軟件，采用圖 2 所示電壓激勵函數(shù)對三維換能器模型進行計算，同時利用設置的全局變量探針 2 得到線圈電流曲線，并與實驗測得的實際放電電流曲線進行比較。圖 8 結果顯示，計算數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)吻合較好。其中，實驗電流峰值為 1 160 A，而計算得到的電流峰值為 1 148 A。

圖8 放電電流的理論計算和實驗結果比較Fig. 8 Simulation and experimental results of discharge current

圖 8 結果也顯示電流波形為單脈沖波形。本文采用的電容放電回路負載是感性負載，因此在回路中處于欠阻尼狀態(tài)。為了實現(xiàn)單脈沖電流輸出，同時也為滿足與模型計算中激勵階躍函數(shù)的一致性，放電回路采用續(xù)流的電路拓撲。該電路拓撲的特點是無論放電回路的阻尼狀態(tài)如何，輸出電流總是單脈沖，不存在振蕩，具體分析如圖 9所示。首先可控硅觸發(fā)打開后，儲能電容通過 RLC 回路放電，其中 R 是回路中的電阻，L 是回路中的電感，C 是儲能電容。此時二極管兩端電壓反向，處于關斷狀態(tài)。如果回路處于過阻尼或臨界阻尼狀態(tài)，那么 RLC 回路持續(xù)至電容放電完畢。如果回路處于欠阻尼狀態(tài)，那么電容電壓先于電流達到零點，并開始反向充電，此時二極管兩端因存在正向電壓而導通，回路電感儲能通過 RLD 回路放電，其中 D 為續(xù)流二極管。由此該放電回路的電流輸出呈單脈沖特性。

圖9 放電回路的單脈沖電流輸出Fig. 9 Single pulse current output of discharge circuit

圖10 線圈負載的磁能曲線Fig. 10 Magnetic energy curve of coil load

基于放電電流波形數(shù)據(jù)，利用模型中設置的全局變量探針 1 得到線圈負載的磁能，即電容儲能通過線圈負載放電將電能轉(zhuǎn)化為磁能。圖 10 為 8 ms 時間寬度內(nèi)以 0.1 ms 為單位時間的瞬時磁能分布，累加得到總磁能為 19.03 J。由于電容儲能為 51.2 J，因此線圈放電產(chǎn)生的磁能轉(zhuǎn)化效率為 37.17%。

圖 11(a)為計算得到的負載線圈放電電流，圖 11(b)為發(fā)射板受到的電磁力，圖 11(c)比較了不同激勵電壓條件下的電流峰值與電磁力關系。從圖結果可知，激勵電壓越大，放電電流越大，產(chǎn)生的電磁力也越大，同時電磁力的作用時間遠小于放電電流的衰減時間。比較放電電流峰值(Imax)和電磁力峰值(Fmax)可知，兩者呈線性相關，結果如圖 11(c)所示。

圖11 不同激勵電壓影響關系Fig. 11 The influence of diあerent excitation voltage

圖12 發(fā)射板在空氣介質(zhì)中的振動Fig. 12 The vibration of plate in the air

3.2 發(fā)射板振動幅度和頻率

在空氣介質(zhì)中，高速相機對發(fā)射板振動的記錄幀速為 2 000 fps。圖 12(a)為實際捕獲的發(fā)射板振動圖片，其中上下各 5 幅圖片分別為發(fā)射板初始向上振動和向下振動，圖中 n 為高速成像的幀數(shù)，上下 5 幅圖片間隔幀數(shù)為 8，因此時間間隔為 4 ms。本文采用 Matlab 程序?qū)ι鲜鰣D片進行處理，使用 Edge 函數(shù)進行邊緣判定，其中包含 Canny 邊緣檢測算法。具體步驟為：先用高斯濾波器平滑圖像，再使用一階偏導的有限差分來計算梯度的幅值和方向，再次對梯度幅值進行非極大值抑制，最后用雙閾值算法檢測和連接邊緣。這里設置 Canny 參數(shù)值為 0.5，對發(fā)射板下邊緣進行霍夫變換后取得直線(綠色)，同時以發(fā)射板厚度 2 mm 作為參照尺度，根據(jù)像素變化對其振動的位移量進行計算，結果如圖 12 所示。

發(fā)射板在電磁力和彈簧等共同作用下的振動特性為周期阻尼衰減，其中主要原因是根據(jù)圖 11 的電磁力曲線，電磁力作用時間僅 0.8 ms 左右，遠小于彈簧和發(fā)射板構成諧振系統(tǒng)固有周期約 42 ms。在電磁力計算數(shù)據(jù)的基礎上，根據(jù)公式(1)、(2)和(3)可以得到發(fā)射板振動的計算數(shù)據(jù)，與實驗數(shù)據(jù)的結果比較如圖 13 所示。發(fā)射板振動幅度和頻率的計算結果與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，實驗測得發(fā)射板的振動幅值達到 2.97 mm，計算得到的最大振幅為 2.93 mm；實驗頻率為 23.84 Hz，模擬頻率為 22.89 Hz，誤差 3.98%。

圖13 發(fā)射板振動位移和頻率的理論計算與實驗比較Fig.13 Calculation and experimental comparison of the plate vibration displacement and frequency

圖14 高壓水艙內(nèi)的發(fā)射板振動高速成像Fig. 14 High speed image of plate vibration in high pressure water tank

圖15 10 MPa 震動情況Fig. 15 Vibration under 10 MPa pressure

圖 14 為 10 MPa 水靜壓下水介質(zhì)中高速相機記錄的發(fā)射板振動圖像。其中，圖像處理方法、相機幀速等實驗參數(shù)與空氣介質(zhì)相同。圖中上側黑色部分為發(fā)射板，以其厚度 2 mm 做標尺計算發(fā)射板的位移量，下側黑色部分為發(fā)射頭外殼，白色部分為間隙。根據(jù)高速成像結果計算得到的發(fā)射板振動位移量曲線如圖 15 所示。水介質(zhì)中的發(fā)射板振動幅值為 0.15 mm 左右，遠小于空氣介質(zhì)，同時振動的頻率為 17.78 Hz，接近于空氣介質(zhì)，主要原因是水介質(zhì)的阻尼系數(shù)遠大于空氣介質(zhì)，發(fā)射板振動過程中受到的介質(zhì)阻力比較大。

圖 16 為不同水靜壓條件下的發(fā)射板振動幅值和頻率特性變化。水靜壓參數(shù)分別為 0.1 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa 和 50 MPa。從圖 16 可知，發(fā)射板振幅隨水靜壓的增大而逐漸減小，但減小的幅度不大，從 0.1 MPa 的 0.159 mm 下降到 50 MPa 的 0.135 mm，同時振動頻率穩(wěn)定不變。

圖16 不同壓力條件下的頻率和振幅趨勢Fig. 16 Frequency and amplitude trends under diあerent pressure conditions

4 討論與分析

國內(nèi)外對基于電磁脈沖的水下高功率脈沖聲源的研究較少。美國 MIT(Massachusetts Institute of Technology)在 20 世紀 60 年代對此類聲源開展了初期研究，并應用于海洋地震勘探，研制了激發(fā)能量達到 1 000 J 的電磁脈沖聲源(震源)系統(tǒng)，在淺海獲得了海底以下 1 000 m 的沉積地層信息，同時也指出該類聲源在深海應用的技術局限性，即發(fā)射板瞬間位移形成的空化效應[14]。同時期，中國科學院聲學研究所也開展了類似的研究，同樣研制了激發(fā)能量 1 000 J 的脈沖聲源系統(tǒng)，1 m 處峰值聲壓級約 220 dB[15]。中國科學院聲學研究所在 2015 年又研制了小型化的高功率電磁脈沖聲源，激發(fā)能量 360 J，1 m 處峰值聲壓級達到 226 dB。目前，此類聲源主要應用于海洋地震高分辨率地震勘探，且以水面(即常壓環(huán)境)作業(yè)為主，已形成多個商業(yè)化產(chǎn)品，如英國 GeoAcoustic 公司的 GeoPulse Boomer，英國 AAE 公司的 AA251 Boomer 等，法國 SIG 的 ENERGOS series 等，具體如圖 17 所示。

圖17 用于水面地震勘探作業(yè)的電磁脈沖聲源Fig. 17 Electromagnetic pulse sound source at water surface for seismic exploration

在深拖電磁脈沖聲源方面，相關研究更少。Simpkin 等[16]報道了經(jīng)過壓力補償?shù)纳钔想姶琶}沖聲源的波形和頻譜分析結果。英國地質(zhì)研究所曾研制拖曳深度達到 1 000 m 的深拖電磁脈沖聲源，應用于最大深度 1 500 m 的海底地質(zhì)調(diào)查[17]。此外，加拿大 GeoForce 公司推出的 DTS boomer 最大工作水深 500 m(見圖 18)；Rebesco[18]也曾使用 HUNTEC 公司的深拖電磁脈沖聲源進行海底地質(zhì)勘探，但最大拖曳深度只有 100 m。除了上述深拖電磁脈沖聲源外，未見有更大工作水深的同類型技術研究或者產(chǎn)品。而本文從實驗室驗證了水靜壓對電磁脈沖激勵的發(fā)射板振動特性影響很小，在理論上驗證了此類聲源可以工作于更大的水深深度。

圖18 深拖電磁脈沖聲源系統(tǒng)(DTS boomer)Fig. 18 Deep-towed electromagnetic pulse sound source system

5 結論和展望

本文以高功率電磁脈沖為基礎研發(fā)深海脈沖聲源，通過 Comsol 多物理場建模仿真、大電流測試和高速成像等手段對高功率脈沖電路、線圈負載放電電流、電流激勵的電磁力、以及電磁力驅(qū)動的發(fā)射板在空氣介質(zhì)中的振動特性(振幅和頻率)等關鍵基礎問題進行研究，研制了單脈沖輸出的高壓脈沖電源和線圈負載，實現(xiàn)了放電電流、電磁力、發(fā)射板振動的仿真計算，并利用高速成像方法對發(fā)射板振動過程進行成像，最終用實際觀測數(shù)據(jù)校驗計算結果，從而驗證了模型的準確性。同時，本文還利用 120 MPa 高壓水艙實際測試了水靜壓對電磁脈沖聲源性能的影響，在不同水靜壓條件下發(fā)射板振動的高速成像結果顯示其振動幅值隨著水靜壓的增大而略有減小，振動頻率不受水靜壓影響，從而驗證了該類換能器在深水工作的技術可行性。后續(xù)工作將進一步開展不同水介質(zhì)電導率、不同線圈電學參數(shù)等條件實驗，優(yōu)化計算模型，并根據(jù)實驗和計算數(shù)據(jù)設計深海脈沖聲源樣機，在條件允許下開展真正的深海試驗，推動該技術的實用化。