摘要
由于单极子声源、偶极子声源和相控阵声源存在发射功率有限和高低频无法兼顾等缺陷，而随钻冲激声源具有冲激波强度大、频带宽且参数可控等特点，正好弥补了目前声源所存在的不足。因此，在随钻冲激声源深探测技术中，发射源选用随钻冲激声源。 由于电极结构是随钻冲激声源中非常重要的组成部分，所以本文针对随钻冲激声源的电极结构研究了以下四个方面的内容: (1)首先，对随钻声波深探测技术、随钻冲激声源和随钻冲激声源电极结构的国内外现状做了概述;分析了随钻冲激声源的冲激波产生机理和理论过程，得到了预击穿时间的判决条件，即电极结构的边界水温度达到边界沸腾温度773.15K，且电极水间隙的平均电场强度超过了8kV/cm，两个条件同时满足的预击穿时刻即为符合判定条件的时刻，并利用等离子体控制方程，计算出不同电极结构下的冲激波强度。 (2)其次，采用COMSOL有限元仿真软件对已知实验的电极进行建模仿真，确证本文仿真方法和模型的正确性。然后构建针-针电极(N型电极)、针-环电极(L型电极)和针-环阵列电极(A型电极)结构。在外围电路不变时，通过对比三种电极的预击穿时间、泄露能量、沉积能量、冲激波强度和转换效率，得到L型电极的预击穿时间更短，泄露的能量更少，通道内的沉积能量更多，冲激波强度更强，电声转换效率更高，从而得出L型电极更适合用于随钻冲激声源的电极结构。 (3)接下来，研究了电极间隙、充电电压和环半径对L型电极特性的影响。随着充电电压的增大，预击穿时间缩短，冲激波强度线性增长，但电声转换效率降低;当优选出电极间隙为5mm、环半径为2mm时，冲激波强度和电声转换效率兼顾最佳。 (4)最后，在最佳电极间隙和环半径条件下，对L型电极进行结构微优化。与优化前电极相比，优化后的电极预击穿时间缩短了67.58μs，且泄露能量减小，沉积能量增大，在距离放电中心8cm处的冲激波强度增大了0.6MPa，电声转换效率提高了0.13％。因此，优化电极提高了随钻冲激声源的冲激波强度和电声转换效率，且电极结构尺寸适用于井下狭小空间，为随钻冲激声源深探测仪器的声源设计提供了理论依据。
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