趙迪, 徐潤澤, 張帥, 李帥*

1 哈爾濱工程大學船舶工程學院, 哈爾濱 150001

2 浙江大學工程力學系, 杭州 310027

0 引言

地震波作為一種優(yōu)質(zhì)的信號能夠在海洋地球物理勘探中發(fā)揮巨大的作用(林建民等, 2008).傳統(tǒng)的震源信號如炸藥等缺乏環(huán)境友好性,因而逐漸被更安全的人工震源所取代(趙明輝等, 2008).隨著氣槍理論的發(fā)展,高壓氣槍震源憑借著良好的安全性和環(huán)保性(林建民等, 2010; 吳志強等, 2016)被廣泛應用于海底資源勘探(Watson et al., 2019)和地下空間結構探測(王櫟等, 2022; 徐逸鶴等, 2022),目前已經(jīng)成為世界上最受歡迎的人工震源.在海底結構勘探中,當震源氣槍在水下發(fā)射后,數(shù)十兆帕的壓縮空氣在短時間內(nèi)從氣槍內(nèi)釋放至水中,形成高壓震源氣泡(最大半徑為米級),震源氣泡劇烈脈動激發(fā)的壓力波會在海底不同媒質(zhì)分界面發(fā)生反射,通過解析反射波信號即可探查海底資源分布情況(Zhang et al., 2021).由于高壓震源氣槍氣泡脈動產(chǎn)生的壓力波信號是寬頻信號波(Chelminski et al., 2019),其中低頻成分穿透能力較強(趙明輝等, 2008),成像效果較好,而高頻成分不僅會快速衰減和散射(林建民等, 2008),還會對海洋生物造成嚴重的噪聲污染(Watson et al., 2019).因此為了改善震源氣槍的性能,需要對其背后的高壓氣槍震源氣泡非線性動力學進行研究.

在氣槍震源氣泡動力學理論的發(fā)展歷程中,Ziolkowski(1970)基于Gilmore方程建立了首個氣槍氣泡動力學模型,并用實驗數(shù)據(jù)進行了氣泡初始條件的修正,由于忽略了氣體從腔室注入氣泡的動態(tài)過程,該模型過高的估計了壓力波的首脈沖.Landr?(1992)在其氣泡初生模型中假設槍體內(nèi)的氣體勻速向外釋放,且高壓腔室內(nèi)的氣體溫度始終為環(huán)境溫度.由于該模型存在不合理的物理假設,需要調(diào)節(jié)多個人工參數(shù).其后,許多沿用該方法的氣槍震源氣泡初生模型(Li et al., 2011; Watson et al., 2019)均導致震源壓力首脈沖的計算精度不如人意.Schulze-Gatterman(1972)將氣槍槍體視為球泡內(nèi)的剛性球體,建立了氣槍信號能量、頻率以及氣泡脈動幅值的理論解.Landr?和Langhammer(1993a,b)在模型中引入了熱力學開放系統(tǒng),探究了溫度對氣槍震源信號的影響,他們還發(fā)現(xiàn)黏性并不是震源氣泡脈動過程中能量損失的主要因素.Li等(2011)探究了熱傳導、槍口節(jié)流以及氣泡上浮對震源氣泡動力學的影響.de Graaf等(2014b)綜合了黏性、熱傳導、槍體、蒸發(fā)冷凝等多個因素對氣槍震源氣泡壓力場進行了模擬.Watson等(2019)總結氣槍工作壓力是影響壓力波首脈沖的首要因素,低頻成分取決于工作壓力和腔室容積.張國平等(2019)引入多個對模擬結果具有重要影響的修正因子來改善傳統(tǒng)的單槍壓力子波計算方法,其計算精度相比前人的模型有明顯提高.此外,氣槍震源在真實作業(yè)過程中被工作船以恒定的速度拖行(2 m·s-1及以上),震源氣泡初生時會攜帶一定的水平初速度,但是該因素對震源氣泡后續(xù)運動及壓力波的影響規(guī)律尚未揭示.因此為了更真實的反應高壓氣槍震源氣泡在海底勘探時的物理特性,還需結合氣泡的平移運動進行研究.

在對多槍震源的研究中,Ziolkowski等(1982)提出了氣槍陣列中點源氣泡相互作用理論并研究了氣槍陣列中復雜的相干關系.Li等(2011)建立了氣槍陣氣泡群線性耦合理論模型,探討了不同容積氣槍氣泡在耦合過程中的“頻率鎖定”現(xiàn)象.葉亞龍等(2015)對Ziolkowski等提出的模型進行了修正,并考慮熱力學效應,研究了平面氣槍陣列的遠場壓力波特性.Zhang等(2017,2019)研究了氣槍陣列的優(yōu)化問題,并對氣槍陣列中氣槍間距和體積對壓力波的影響進行探討.Zhang等(2023)建立了氣泡統(tǒng)一方程,可同時考慮流場邊界、多氣泡耦合、流體可壓縮性、表面張力、黏性等諸多因素影響,在氣槍震源領域有很好的應用前景.在多槍震源的基礎上,非同步多槍技術既能夠降低氣泡脈動固有頻率(增強壓力波低頻能量),還可以控制雙槍激發(fā)時間以削弱首脈沖高頻成分,該方法的應用可以有效改善氣槍震源在深海勘探時的性能.為此本文將針對非同步雙槍氣泡耦合作用及其壓力波頻譜特性開展理論研究.

針對前人研究的不足,本文針對氣槍震源所涉及的前沿問題開展基礎性研究.首先,建立解析的計及物質(zhì)輸運效應和流場可壓縮性的氣槍震源氣泡初生模型,解決氣槍首脈沖精確計算難題;在氣槍線性開口假設模型的基礎上(Li et al., 2020),對氣槍的多種開口方式進行深入探討并分析該因素對首脈沖的影響規(guī)律.此后,探究水平移動速度對震源氣泡動力學特性及遠場壓力的影響,并給出可以忽略氣泡初始平移速度的臨界條件.最后,建立非同步雙槍氣泡耦合模型,并從理論角度探索雙槍發(fā)射的時間差對震源壓力波譜的改善效果.本文工作旨在為氣槍震源氣泡動力學的研究及海底資源勘探領域提供參考.

1 改進的氣槍震源氣泡動力學理論模型

1.1 可壓縮流場中氣泡動力學基本理論

(1)

式中,c是液體中的聲速(1500 m·s-1);ρ是液體的密度(1000 kg·m-3);R是氣泡的半徑;最后一部分壓力項Δp的展開形式為

(2)

式中,pb是氣泡內(nèi)部氣體壓力,pv是液體的飽和蒸汽壓力,σ是表面張力系數(shù),μ是動力黏性系數(shù),pimage是自由液面上方鏡像虛擬氣泡產(chǎn)生的聲壓,通過這一項來考慮自由液面效應.在雷諾數(shù)和韋伯數(shù)都較大的條件下,可以忽略黏性和表面張力的影響(艾旭鵬和倪寶玉, 2017;Han et al., 2002;Li et al., 2024).同時飽和蒸汽壓力也并不是影響氣槍氣泡動力學的主要因素,因此在模擬時可以忽略這三個因素.結合伯努利方程,可以得到震源氣泡周圍近場壓力的表達式為

(3)

(4)

式中,r為氣泡中心與遠場測點的距離,V為氣泡體積.實際上方程(3)中第二項展開后含有r-4項,當測點足夠遠時方程(3)和(4)是等價的.本文用方程(3)來計算近場壓力,用方程(4)計算遠場壓力.

1.2 震源氣泡平移運動對氣泡動力學方程的修正

經(jīng)典氣泡動力學中基于小體積氣泡的研究忽略了氣泡平移速度ub對流場的影響(Hsiao et al., 2003).實際上在海底勘探時高壓震源氣槍產(chǎn)生的氣泡半徑接近1 m數(shù)量級,當震源氣泡有平移運動時,有必要考慮其速度對方程中壓力項的修正(Hsiao et al., 2003; Zhang et al., 2023)：

(5)

式中,u代表流體的運動速度.考慮氣槍震源氣泡產(chǎn)生后在二維流動液體中的受力,氣泡的運動方程可以寫為(Ohl et al., 2003)：

(6)

等號右邊分別代表了浮力、拖曳力、包含附加質(zhì)量的壓力梯度、液體虛附加質(zhì)量變化的影響.拖曳力項中拖曳力系數(shù)的經(jīng)驗表達式為(Hsiao et al., 2003)：

式中雷諾數(shù)Re的表達式為

(8)

(9)

1.3 多氣泡耦合模型

實際上單個氣槍震源往往難以滿足海底地質(zhì)勘探的要求,氣槍通常是以多槍陣列的形式進行工作.因此為了探究氣槍震源氣泡間相互作用對壓力波以及頻譜的影響,需要建立多氣泡耦合模型.

氣泡之間的相互作用可分為強耦合作用和弱耦合作用.在強耦合作用下,氣泡會失去球狀特征并互相擠壓最終發(fā)生融合(Bremond et al., 2006).在弱耦合作用下,氣泡相干性使氣泡脈動發(fā)生變化,進而對壓力波和頻譜造成影響.在探測海底的背景下,震源氣泡之間的弱耦合作用占主導,因此本文僅討論氣泡之間弱相互耦合作用的影響.根據(jù)氣泡周圍流場環(huán)境壓力修正的觀點,Pelekasis等(2004)給出了不可壓縮條件下多氣泡的R-P方程的修正形式.同樣在可壓縮條件下,多氣泡耦合動力學方程可以表示為

(10)

式子中下標用來區(qū)分氣泡,L是兩氣泡之間的距離.Bremond等(2006)通過實驗證實了雖然氣泡發(fā)生了微小變形,但用該方法來模擬氣泡間相互作用是簡單又可行的.從表達式中也能夠發(fā)現(xiàn),當距離L趨于無窮大時,該修正項趨近于0,氣泡間相互作用可以不計.

1.4 氣槍與氣泡系統(tǒng)物質(zhì)輸運模型

建立氣槍震源氣泡物理模型的關鍵在于對氣槍氣泡系統(tǒng)物質(zhì)輸運過程進行合理的模擬.對于氣槍震源氣泡或者水下爆炸型氣泡來說,氣泡的初生狀態(tài)為高壓小體積球泡(de Graaf et al., 2014b).因此本文將氣泡的初始體積設置為氣槍體積的百分之一,初始壓力設置為靜水壓,氣槍和氣泡的初始溫度均為環(huán)境溫度(Li et al., 2020).氣槍發(fā)射后,假設氣體從腔室向氣泡內(nèi)的運輸是等熵過程,當阻塞流(氣體流經(jīng)槍口的速度達到聲速)條件成立時(Chelminski et al., 2019)：

(11)

氣體質(zhì)量變化遵循下式(Li et al., 2020)：

(12)

當該條件(11)不滿足時(de Graaf et al., 2014b)：

式中Pg,Pb分別表示氣槍和氣泡的壓強,Mg,Mb分別表示氣槍和氣泡內(nèi)部氣體的質(zhì)量.Vg代表腔室的容積,γ是絕熱常數(shù),Sport是每一時刻下槍口面積.在de Graaf傳統(tǒng)理論模型中,由于直接采用最大開口面積進行計算而沒有考慮放氣過程中開口面積的變化,導致模擬的首脈沖峰值遠大于測量值(de Graaf et al., 2014b).本研究采用了Li等(2020)提出的線性開口假設,該開口方式對于震源氣泡產(chǎn)生壓力波的首脈沖幅值和斜率的模擬較為準確,Sport隨時間的變化如下所示：

(14)

這里Topen是氣槍開口的時間,Tclose是開口關閉的時間,當腔室內(nèi)氣體殘留5%時,槍口瞬間關閉.

由于氣體釋放過程中氣泡與外界之間發(fā)生能量和物質(zhì)的交換,所以需要利用熱力學開口系統(tǒng)來分析.本文主要考慮氣體內(nèi)能的影響并忽略氣體在水中的耗散,對熱力學開口系統(tǒng)能量方程求時間導數(shù)后整理得到氣泡溫度變化率表達式：

(15)

式子中Tg,Tb分別指氣槍和氣泡內(nèi)部的溫度,Vb是氣泡的體積,Cv和Cp分別是等容比熱容和等壓比熱容：

(16)

Cp=Cv+R,

(17)

(18)

式中,Tw是環(huán)境中液體的溫度,Sb=πR2是氣泡表面積,k是傳熱系數(shù),通常取為2000～8000 W·m-2K.

氣槍內(nèi)部物理量可通過氣泡的物理量來更新：

(19)

(20)

最后氣泡和氣槍內(nèi)部氣體的壓強可通過理想氣體狀態(tài)方程得到：

PV=MRT.

(21)

在上述關于震源氣泡動力學以及氣槍氣泡系統(tǒng)物質(zhì)運輸方程的基礎上,我們通過自主編寫程序,在自適應時間步長(Wang et al., 1996)下,采用四階龍格庫塔法可得到震源氣泡半徑的數(shù)值解,進而求得震源壓力波及相應的頻譜曲線.

2 理論值與實驗值對比驗證

本節(jié)中為了驗證所建立的高壓氣槍震源氣泡物理模型的正確性,將該改進模型得到的壓力波理論值與de Graaf用傳統(tǒng)理論模型得到的結果(de Graaf et al., 2014b)以及澳大利亞國防科學技術組織利用SERCEL520型氣槍測得的實驗值進行對比.根據(jù)文獻中的工況設置,將氣槍工作壓力分別為20.7 MPa(3000psi)和17.2 MPa(2500psi),氣槍沉放深度分別為3 m和5 m.其他參數(shù)均保持一致,其中氣槍腔室容積是8521 cm3(520in3),槍口最大面積為128 cm2.測點位置位于相同深度下距離氣槍2.22 m的位置.絕熱常數(shù)γ設置為1.4,考慮震源氣泡在水中脈動時表面Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的發(fā)展會增加傳熱,將傳熱系數(shù)k設置為7000 W·m-2K(de Graaf et al., 2014a,b).由于氣槍開口時間Topen的大小至今沒有確切的設置方式,在本研究中通過測試發(fā)現(xiàn)將Topen設置為3.5 ms得到的結果與實驗值最為符合.

圖1中所展示的壓力波曲線均為疊加自由面虛反射(虛反射系數(shù)為-1)后的結果,且兩工況下均考慮了氣泡上浮的影響.圖1a中顯示,實驗測得的壓力波曲線(黑色四邊形表示)在2.5 ms左右時達到峰值,之后在虛反射作用下,壓力波值迅速下降.在0.02 s左右時曲線出現(xiàn)了波動,這是由于從固壁處反射回的壓力波引起的(de Graaf et al., 2014b).通過對比可以發(fā)現(xiàn),改進的模型對首脈沖模擬的結果(粉色實線曲線)僅小于實驗數(shù)據(jù)3.8%,而傳統(tǒng)模型(藍色點線)要超出實驗數(shù)據(jù)約35%.這表明不考慮氣槍的開口過程將會極大高估壓力波首脈沖.此外從圖1a中明顯看出改進的高壓氣槍震源氣泡物理模型對氣泡脈沖的模擬結果也要優(yōu)于傳統(tǒng)模型.圖1b中展示了第二個工況下各個模型得到的結果.同樣改進模型得到的首脈沖峰值僅比實驗數(shù)據(jù)小0.24%,周期僅長5.3%,而傳統(tǒng)模型的誤差則分別為39.0%和8.1%.再次證明了本研究中所建立的改進的氣槍氣泡物理模型更加合理有效.

圖1 實驗數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)模型和當前改進模型的對比 (附圖為首脈沖局部放大圖)(a) 工況1; (b) 工況2.

本研究中改進的物理模型較傳統(tǒng)模型得到了顯著改善,但是仍存在一定的誤差.雖然兩次對首脈沖峰值大小的模擬都與實驗數(shù)據(jù)符合良好,但峰值到達時刻的預測卻與實驗數(shù)據(jù)存在顯著差異,這可能是由于開口方式的選取不夠合理所造成,后面的章節(jié)中將對該問題進行進一步的討論.對于兩工況下周期預測值均偏小,這可能與氣泡形成的過程有關.SERCEL型氣槍發(fā)射是從四個端口同時釋放氣體(de Graaf et al., 2014b),在氣泡脈動的第一個周期內(nèi)四個小氣泡并沒有完全融合為一個完整的大氣泡,氣泡間的相互作用會使氣泡周期略有延長.

3 結果與討論

高壓氣槍震源氣泡脈動特性及流場壓力波受氣槍特征參數(shù)、氣泡初始條件、氣泡相互作用等多因素的影響.為了探究不同影響因素對高壓氣槍震源氣泡動力學的影響規(guī)律,本節(jié)將針對氣槍腔室容積、氣槍工作壓力、氣泡平移速度、氣槍開口方式、氣泡間距以及氣槍非同步激發(fā)進行討論.

3.1 氣槍腔室容積的影響

氣槍腔室容積對所產(chǎn)生的震源氣泡半徑和壓力波影響顯著,圖2展示了利用工況1中的參數(shù)模擬水下10 m處不同體積氣槍發(fā)射得到的半徑和壓力波結果.對比圖2a中的曲線可以發(fā)現(xiàn)隨著槍室容積的增大,氣泡半徑顯著增加.520 in3氣槍激發(fā)所產(chǎn)生氣泡的最大半徑較150 in3增大49.3%.這是由于氣槍容積直接決定了氣槍放出氣體的總質(zhì)量,容積越大,釋放的氣體就越多因而能夠產(chǎn)生更大的氣泡.圖2a的插圖中顯示,氣泡的最大半徑隨腔室體積的立方根成線性變化,這與理論研究結果是一致的.近場壓力波隨氣槍腔室容積變化的結果如圖2b所示,首脈沖和氣泡脈沖的幅值都會隨腔室容積的增大而增大.特別地,子波周期隨容積的變化最為顯著.當容積增加到520 in3時,周期增加了約50.6%.Nooteboom(1978)在研究中指出在氣槍震源工作壓力和深度不變的情況下,周期正比于腔室容積的立方根：

圖2 氣槍腔室容積的影響(a) 氣泡半徑; (b) 1 m處近場壓力.

(22)

這與圖2b插圖中展示的結果也是一致的.

3.2 氣槍工作壓力的影響

氣槍工作壓力也是影響氣槍震源氣泡脈動特性的關鍵因素,圖3展示了改變工作壓力后得到氣體質(zhì)量變化率、氣泡半徑、遠場壓力、壓力波頻譜的結果,參數(shù)設置與上一節(jié)相同,測點位于遠場100 m處.從圖3a中可以看出,隨著工作壓力的增加,氣體質(zhì)量變化率顯著提高.相同時間下噴出氣體質(zhì)量增多導致氣泡的半徑明顯變大.圖3b的插圖中顯示氣泡的最大半徑與氣槍的工作壓力接近正比關系,但由于氣槍壓強較低時氣泡可能無法順利膨脹,故在低壓下曲線斜率會產(chǎn)生偏差.氣槍工作壓力也是影響首脈沖的關鍵因素,從圖3c中可以看出首脈沖峰值隨著工作壓力的增加增大了54.2%,這是由于氣泡膨脹更劇烈造成的.由于氣泡體積的增大會使得氣泡脈動的周期延長,固有頻率降低;首脈沖增大又會使得高頻成分增加.因此在圖3d的頻譜曲線中,雖然主頻從9.4 Hz下降至了約7.4 Hz,聲壓級大小增加了1.1%,但由于高頻段聲壓級也增加了約2%,因此采取增加氣槍工作壓力的方式不能滿足新型綠色氣槍震源的要求.

圖3 氣槍工作壓力的影響(a) 氣體質(zhì)量變化率; (b) 氣泡半徑; (c) 遠場壓力波; (d) 壓力波頻譜.

圖4 氣泡平移速度的影響(a) 氣泡半徑; (b) 氣泡水平平移速度; (c) 遠場壓力; (d) 壓力波頻譜.

3.3 氣泡平移初速度的影響

由于在工程中氣槍震源常常是由震源船拖曳工作的,因此震源氣泡在水中產(chǎn)生的同時還擁有與氣槍移動速度相同的水平初速度.圖4展示了水平初速度大小對氣槍氣泡動力學特性的影響,參數(shù)設置與上節(jié)相同.在修正的氣泡動力學方程中,速度平方項的存在相當于將環(huán)境中靜水壓減小了ρu2/4,因此外界對氣泡脈動的抑制作用會有所削弱.在圖4a和圖4c中可以看出,當v0為5 m·s-1和10 m·s-1時,氣泡半徑和壓力波首脈沖略有增大.當v0=10 m·s-1時,氣泡半徑、周期以及首脈沖峰值分別僅增加了2.1%、2.0%和0.7%,當v0=20 m·s-1時才能產(chǎn)生明顯改變.通過圖4b分析氣泡速度變化發(fā)現(xiàn),氣泡平移速度是呈周期性減小的.初始時刻由于氣泡迅速膨脹,其平移速度在阻尼力和附加質(zhì)量力作用下迅速減小為一個小值.此后隨著氣泡收縮,附加質(zhì)量力符號改變,加速度變?yōu)檎?氣泡的平移速度又開始逐漸增大.但由于氣泡脈動的幅值會隨能量消耗逐漸減小,因而速度變化的幅值也隨之減小.在阻尼力的作用下,氣泡移動速度最終趨于0.

由于氣泡的平移速度僅僅在產(chǎn)生初期時才保持為較大值,因此其對氣泡脈動特性以及壓力波的影響十分微弱.本文發(fā)現(xiàn)當氣泡初始平移速度v0的值為7 m·s-1和16 m·s-1時,氣泡半徑和周期分別會增加1%和5%.此外在圖4d壓力波頻譜曲線中,即使v0=20 m·s-1,主頻和其對應的聲壓級大小也只產(chǎn)生約2%和1%的變化.實際上用于海底勘探的拖船工作航速通常在6 kn左右,該速度遠小于上述臨界值,因此在工程研究中可以不考慮該參數(shù)的影響.

3.4 氣槍開口方式的影響

第二節(jié)中采用了線性開口假設(Li et al., 2020)模擬了氣槍震源的放氣過程,該方法對首脈沖到達時刻的預測晚于實驗測量值61.4%.為了降低該誤差,本節(jié)將開口函數(shù)統(tǒng)一設置為冪函數(shù),開口時間統(tǒng)一設置為3.5 ms,通過調(diào)節(jié)冪指數(shù)的大小來改變開口的方式,其他設置同第二節(jié)中工況一相同.圖5a中顯示,隨著冪指數(shù)的增加,峰值到達的時刻逐漸后移,同時幅值也逐漸減小.但由于開口時間極短,因而氣泡脈沖并沒有產(chǎn)生明顯變化.通過與實驗數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)當指數(shù)為0.7時,壓力波首脈沖值大于測量值1.5%,到達時刻晚于測量值17.3%,此時模擬的準確度優(yōu)于線性假設.而指數(shù)為1.3時,誤差均超過了線性假設.但是若從首脈沖斜率與實驗值的對比中來看,線性假設的結果似乎更為符合,因此不能片面地評判哪一種開口形式是最佳的.由于氣槍開口形式與氣槍內(nèi)部結構中梭閥的運動密切相關,為了更準確的模擬氣槍發(fā)射過程,還需要結合放氣時間對梭閥的運動方程進行進一步的研究.

3.5 雙槍間距對雙泡耦合作用的影響

實際在海底勘探工程中往往會把多只氣槍按照一定方式組合在一起形成氣槍陣列,利用氣泡之間的相互作用來提高氣槍震源工作的性能.氣泡間距是影響氣泡相互作用的重要參數(shù),這里為了方便研究忽略氣泡上浮效應.對應圖中設定的距離,用Rmax表示分別為2.11Rmax,3.20Rmax,4.29Rmax,5.38Rmax.從圖6a可以看出,與兩個孤立氣泡得到的結果相比,隨著氣泡間距的減小,壓力波首脈沖峰值逐漸降低,周期延長,這表明氣泡的脈動受到了抑制.尤其當距離縮短到L≈2.11Rmax(l=2 m)時影響最為顯著,此時峰值減小了6.6%,周期增加了18.1%.對應于周期的變化,在圖6b中也可以看出隨著L的減小,主頻明顯向左移動.在L≈2.11Rmax(l=2 m)時主頻減小了約18%,而聲壓級大小僅降低了1.1%.因此工程中可以采用雙槍耦合的方式來降低氣泡脈動的固有頻率,使頻譜的低頻性能得到改善.

圖5 氣槍開口方式的影響(a) 近場壓力; (b) 壓力波頻譜.

圖6 雙槍間距對雙泡耦合作用的影響(a) 遠場壓力波; (b) 壓力波頻譜.

圖7 雙槍延遲時間對雙泡耦合作用的影響(a) 氣泡1的半徑; (b) 遠場壓力; (c) 壓力波頻譜.

3.6 雙槍延遲時間對雙泡耦合作用的影響

高壓氣槍震源信號的高頻段與其產(chǎn)生的壓力波首脈沖密切相關.從HSE(Health、Safety、Environmental)的角度考慮,為了減小高壓氣槍用于海底勘探時產(chǎn)生的高頻段信號對海洋生物的影響,我們希望通過氣槍延遲發(fā)射的方式使兩個首脈沖壓力波實現(xiàn)部分抵消.圖7展示了本文針對氣槍延遲時間研究得到的結果.圖7a中顯示隨著兩槍延遲時間的增加,首發(fā)氣泡的最大半徑略有減小.當Tdelay=6 ms時,氣泡最大半徑僅減小了3.7%,這可能是由于氣泡間相互作用延遲造成抑制作用時間減小導致的.在圖7b中可以看出,當Tdelay小于3 ms時,隨著Tdelay的增加,首脈沖形成的時間在后移,且幅值也減小了12.5%.Chelminski等(2019)在研究中指出由于震源壓力波首脈沖曲線的斜率與對海洋生物的影響成正相關,該斜率越大,高頻成分越多,其危害作用越大.因此可以通過控制氣槍發(fā)射時間差來使首脈沖上升的時間盡量延長以減小其對生態(tài)的不良影響.但是當Tdelay進一步增大后,由于雙泡產(chǎn)生的壓力首脈沖峰值明顯錯開,形成了兩個單獨的峰值.對于氣泡脈沖來說,時間延遲似乎并沒有產(chǎn)生明顯影響.反映在圖7c的頻譜中,可以發(fā)現(xiàn)氣槍的非同步發(fā)射能夠在保證信號低頻段不變的情況下,有效的降低高頻段的能量.

此外需要注意,受自由面虛反射的影響,反射波到達的時間大致為2H/c.因此理論上頻譜中的陷波點應該在頻率為c/2H的位置處(Zhang et al., 2018).但是當Tdelay大于3 ms時,由于時間延遲導致虛反射到達時間延長,頻譜中第一個陷波點出現(xiàn)的頻率明顯左移.當延遲6 ms發(fā)射時,陷波發(fā)生的頻率減小了66.5%,這將嚴重縮短頻譜的有效寬度.因此在采用該方法改善高壓氣槍震源的實際工作時,要綜合考慮壓力波首脈沖以及陷波點兩方面影響.

4 結論

本文基于高壓氣槍震源氣泡在海底勘探中的實際應用,在引入了氣槍氣泡系統(tǒng)之間的物質(zhì)輸運效應、氣液熱傳導等影響因素后,建立了改進的高壓氣槍震源氣泡物理模型.該模型通過與實驗數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)模型對比后驗證了其正確性和理論完備性.在此基礎上我們利用該模型對高壓氣槍震源氣泡動力學及震源壓力波的影響因素進行了參數(shù)化研究,得到的結論如下：

(1)高壓氣槍震源氣泡的最大半徑和周期都與氣槍腔室容積的立方根呈正比關系,與氣槍工作壓力也近似呈正比關系(工作壓力較小時有一定偏差).單獨提高氣槍工作壓力會同時提高壓力波低頻和高頻能量,因此不能滿足新型綠色氣槍震源的要求.

(2)高壓氣槍震源氣泡水平初速度對后續(xù)氣泡運動及壓力波的影響不顯著,當v0=7 m·s-1,氣泡半徑和周期較v0=0 m·s-1工況僅增加1%.

(3)氣槍開口方式對震源壓力波首脈沖影響顯著.當用冪函數(shù)s=ktα表示開口過程時,α=0.7時對峰值點的模擬效果最好,α=1時(即線性假設)對首脈沖曲線上升段模擬效果最好,更準確的開口方式還需進一步探究.

(4)氣槍氣泡間的相互作用有利于降低氣泡脈動的固有頻率,并且隨著氣槍間距的減小相互作用增強,當距離縮短至約2.11Rmax主頻可降低約18%,此時影響效果最為顯著.

(5)采用氣槍非同步發(fā)射的方式可以在保證震源壓力波信號低頻段不變的條件下,使高頻段能量有一定程度得降低.但當延遲時間超過一定數(shù)值時,陷波點的大幅前移會使頻譜的有效寬度減小.