KZ-28型可控震源混合隔振仿真研究

曲 喆,马 磊,李建良,陶知非,李淑清

(1.天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072750)

KZ-28型可控震源混合隔振仿真研究

曲 喆1,马 磊2,李建良1,陶知非2,李淑清1

(1.天津科技大学电子信息与自动化学院，天津 300222；2.中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司，河北 涿州 072750)

KZ-28型可控震源由于仅装备了被动隔振系统，在低频段振动时隔振效果不理想，导致震源输出的波形产生畸变，从而影响地震勘探的质量。为此，需要设计一套混合隔振系统。以该震源的技术参数和工作方式为基础，确定了震源的振动模型为单自由度模型，设计了震源的被动隔振和混合隔振的仿真模型，并使用LabVIEW设计了仿真程序，进行被动隔振和混合隔振的仿真。仿真结果表明：采用被动隔振方式，只有当激振频率高于13 Hz时，隔振效率才能大于95%；采用混合隔振方式，可以实现1～250 Hz频率范围内95%以上的隔振效率，可以解决该震源低频隔振不理想的问题。根据仿真结果得出以下结论：在该震源的新型隔振系统设计中可以采用分频段隔振技术，即在1～17 Hz的低频段采用混合隔振方式，而在17～250 Hz的高频段采用被动隔振方式。

可控震源； LabVIEW； 测控系统； 被动隔振； 混合隔振； 分频段隔振

0 引言

KZ-28型可控震源是东方地球物理公司自主研发的大吨位级可控震源，它作为地球物理勘探中的激发装备，用于陆地油气勘探过程中地震波信号的激发[1]。振动器是可控震源的核心部分，它在震源工作时通过振动产生激发信号，并将激发信号下传到大地[2]。然而振动器在工作的同时也不可避免地对可控震源本身造成影响，尤其在低频段振动时会使可控震源输出的激发信号波形产生畸变，从而影响所采集的地震数据的品质[3]。KZ-28型可控震源尽管已经安装了被动隔振弹簧，受可控震源本身的固有频率影响，通过弹簧对其进行被动隔振，在中高频范围内才会取得良好的隔振效果；但是在低频范围内的隔振效果则不太理想，尤其在可控震源的固有频率附近完全没有隔振效果。因此，迫切需要设计针对该可控震源的被动-主动隔振共同作用的混合隔振系统，从而实现1～250 Hz频率范围内理想的隔振效果。

LabVIEW是美国国家仪器公司研发的基于G语言的测控系统开发平台，具有强大的人机交互界面、高效的数据处理功能和丰富的功能扩展模块[4-5]。采用该软件可以直接设计仿真系统和控制系统，并且可以将仿真程序直接设置在实际的控制系统中，因此具有非常强的实用性。

本文首先建立了KZ-28型可控震源的物理振动模型，分析了被动隔振和混合隔振达到理想隔振效果的频率范围。利用LabVIEW的控制设计与仿真模块，设计了以上述模型为基础的被动隔振和混合隔振仿真程序，并对不同的激振频率和阻尼比进行了仿真。仿真结果表明，通过被动隔振和混合隔振分频段联合作用，在KZ-28型可控震源上能够实现1～250 Hz频率范围内95%以上的隔振效率，因此，KZ-28型可控震源新型隔振系统设计时可以采用这种隔振技术。

1 KZ-28型可控震源的振动特性

KZ-28型可控震源在工作时由于只在垂直方向发生振动，因此可将其简化为单自由度振动模型，如图1所示。图1中：m为车体质量；k为弹簧刚度；c为系统阻尼；M为振动器质量。

图1 单自由度振动模型

KZ-28型可控震源的四个技术参数分别为：车体质量m=2.79×103kg；弹簧刚度k=7.24×106N/m；振动器振幅A=3.8×10-2m；系统固有频率fn=2.57 Hz。阻尼比与阻尼系数的关系如下：

(1)

式中：阻尼系数c<1，因此ζ<0.01，即KZ-28型可控震源属于弱阻尼系统。

对于KZ-28型可控震源来说，当激振频率1 Hz≤f≤5fn=12.85 Hz时，对提高地震勘探质量来说具有特殊重要的意义，而在这一频段被动隔振又不能达到理想的隔振效果。主动隔振可以实现激振频率在固有频率附近的完美隔振。基于上述分析，要实现理想的隔振效果，可以考虑在1 Hz≤f≤13 Hz的低频段用混合隔振的方式，在13 Hz

下面根据KZ-28可控震源的振动特性，使用LabVIEW设计仿真程序，进行被动隔振和混合隔振仿真，探讨为KZ-28型可控震源设计分频段工作的新型隔振系统的可行性。

2 隔振模型与仿真程序

2.1 被动隔振仿真模型

被动隔振通过在激振源和隔振对象之间安装隔振装置，改变了隔振对象的振动物理特性，实现了隔振功能。在整个振动过程中，隔振对象的物理振动特性不能随激振源振动参数的改变而改变，因此称为被动隔振。

KZ-28型可控震源被动隔振的物理模型如图2所示。图2中：x为车体振动位移；xs=0.038sin(2πft)为振动器的振动位移，f为激振频率。该振动通过隔振弹簧传递给车体，成为车体的激振源，取车体静平衡位置o为坐标原点。

图2 被动隔振物理模型

根据图2可得如下被动隔振动力学微分方程：

(2)

2.2 混合隔振仿真模型

混合隔振是指被动隔振和主动隔振共同作用的隔振方式。主动隔振要在原来被动隔振的系统上加上一个主动控制力，对系统进行激振，抵消原来的激振力产生的震动，从而达到隔振的目的。KZ-28型可控震源的主动隔振主要用于解决1～13 Hz低频段被动隔振不能解决的隔振问题。

KZ-28型可控震源混合隔振模型如图3所示。图3中：f(t)为主动控制力，其他参数与图2被动隔振中的参数意义完全一样。

图3 混合隔振物理模型

根据图3可得如下混合隔振动力学微分方程：

(3)

2.3 隔振仿真程序设计

由式(2)、式(3)可知，混合隔振只比被动隔振多了主动控制力f(t)项，因此可以把被动和混合隔振用一个程序实现，用一个隔振方式开关来选择隔振方式。

混合隔振仿真采用闭环控制。由于PID控制算法简单、可靠性高、鲁棒性好，尤其适用于建立精确数学模型的控制系统[6-8]，因此本仿真程序设计中采用PID闭环控制算法，通过试验法确定PID控制算法中的三个参数为Kp=24 500、TI=1.35、TD=0.6。

根据式(2)和式(3)，采用LabVIEW设计了被动和混合隔振仿真程序。除了仿真功能，程序还实现了计算隔振振幅、位移传递率和隔振效率的功能，以便比较仿真结果。

3 隔振仿真及结果分析

3.1 被动隔振

假设振动器的振动位移为xs=0.038sin(2πf)，振幅A=0.038 mm，阻尼比ζ=0.01，激振频率f分别取1 Hz、3 Hz、8 Hz、13 Hz、17 Hz进行仿真。被动隔振仿真结果如表1所示。

表1 被动隔振仿真结果

由表1 可以看出，当激振频率f≥13 Hz时，隔振效率超过了95%；而当激振频率f<13 Hz时，频率越小，隔振效果越差。

3.2 混合隔振

混合隔振仿真条件与被动隔振仿真条件相同。混合隔振仿真结果如表2所示。

表2 混合隔振仿真结果

由表2可以看出，激振频率在1～17 Hz的低频范围内，混合隔振的隔振效果非常理想，隔振效率都在97%以上，尤其在激振频率为1～3 Hz时，隔振效率都达到了99%以上。而被动隔振仿真在激励频率为1～3 Hz时已经完全失效。因此，激励频率在1～17 Hz的低频范围内，混合隔振能够实现KZ-28型可控震源的完美隔振，达到了理想的隔振效果，即在KZ-28可控震源隔振新型系统设计时，采用混合隔振方式在原理上是可行的。

3.3 阻尼比对隔振的影响

根据单自由度弱阻尼系统强迫振动理论，系统对强迫振动的响应由瞬态振动和稳态振动两部分组成。而瞬态振动时，最大振幅衰减到指定振幅的衰减时间与阻尼比成反比，可用如下公式计算[8]：

(4)

由式(4)可以看出，阻尼比可能对被动隔振效果产生很大影响，因此有必要对阻尼比ζ对被动隔振效果的影响进行仿真，为新型混合隔振系统的设计提供技术依据。分别取阻尼比ζ为0.01和0.05、激励频率f=13 Hz，进行被动隔振仿真。仿真结果如表3所示。

表3 不同阻尼比的被动隔振仿真结果

由表3可以看出，阻尼比对被动隔振达到稳态后的隔振振幅及隔振效率影响不大，随着阻尼比的增加，瞬态响应衰减的时间显著缩短。下面采用式(4)对仿真结果进行验证。

由表1和表2可以看出，当激振频率为17 Hz时，被动隔振和混合隔振有最接近的隔振振幅、位移传递率和隔振效率，因此把混合隔振和被动隔振的切换点定在17 Hz，这样混合隔振和被动隔振之间就可以平稳切换。设计KZ-28型可控震源新型隔振系统时，将阻尼比提高到0.05以上，被动隔振波形就能在很短的时间内达到稳定状态，这有利于取得更好的被动隔振效果。

4 结束语

本文针对KZ-28型可控震源在工作时产生的激发信号受到振动干扰产生畸变的问题，将可控震源简化为单自由度振动模型，设计了被动隔振和混合隔振的物理模型；用LabVIEW设计了隔振仿真程序，并进行了仿真。仿真结果表明：当激励频率大于13 Hz时，仅用被动隔振就能达到95%以上的隔振效率；而当激励频率小于13 Hz时，用混合隔振能达到95%以上的隔振效率，尤其在激励频率与可控震源固有频率相近时，在被动隔振已经完全不起作用的情况下，混合隔振同样可以实现95%以上的隔振效率。在激振频率大于17 Hz的中高频率范围内，采用被动隔振方式；在1～17 Hz的低频范围内，采用混合隔振的方式，可以实现1～250 Hz频率范围内95%以上的隔振效率，完全满足了KZ-28型可控震源对隔振的要求。在KZ-28型可控震源新型隔振系统设计时，可以采用这种分频段隔振技术。在新型隔振系统中，如果能将阻尼比提高到0.05以上，被动隔振能够获得更好的效果，但此项技术的实施方案还有待进一步研究。

[1] 丁雅萍.KZ-28型可控震源振动器平板结构优化设计与性能研究[D].成都:西南石油大学,2015.

[2] 黄志强,李刚,丁雅萍,等.KZ-28型可控震源振动器平板性能有限元分析[J].机械科学与技术,2016,35(11):1673-1678.

[3] 陶知非.可控震源输出信号畸变控制问题的研究[J].物探装备,2007,17(1):1-13.

[4] 张黎,蔡亮.基于LabVIEW的虚拟信号发生器的设计与实现[J].国外电子测量技术,2014,33(1):82-85.

[5] 刘松斌,王海星,马双,等.基于LabVIEW的单片机与PC机串口通信显示系统设计[J].化工自动化及仪表,2015(7):806-808.

[6] 吴天行,华宏星.机械振动[M].北京:清华大学出版社,2014:44-51.

[7] 张春良,梅德庆,陈子辰.振动主动控制及应用[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2011:72-73.

[8] 郑兆昌.机械振动[M].北京:机械工业出版社,1980:48-49.

ResearchontheHybridVibrationIsolationSimulationofKZ-28Vibroseis

QU Zhe1,MA Lei2,LI Jianliang1,TAO Zhifei2,LI Shuqing1

(1.College of Electronic Information and Automation,Tianjin University of Science & Technology,Tianjin 300222，China;2.Bureau of Geophysical Prospecting INC.,China National Petroleum Corporation,Zhuozhou 072750，China)

KZ-28 vibroseis is unable to provide satisfactory effects of vibration isolation when it is working at low vibration frequencies because it is only equipped with a passive isolation system,so the output waveform of vibration source is distorted,and the quality of seismic exploration is affected.Thus a hybrid vibration isolation system is required in order to address this problem.With the technical parameters and the working mode of this vibration source as the basis,it is determined that the vibration model of this source is a single-degree-of-freedom model; the passive vibration isolation and a simulation model of the vibration source are designed,and the simulation program is designed using LabVIEW,to carry out the simulation for passive vibration isolation and hybrid vibration isolation.The simulation results indicate that if passive isolation is used,the isolation efficiency does not exceed 95% until the excitation frequency increases above 13 Hz.Conversely,in the hybrid isolation mode,the isolation efficiency stays above 95% throughout the working frequency range of 1 Hz to 250 Hz,hence providing a solution to the vibration source problem of poor isolation at low frequencies.The conclusion is that in new design of the vibration isolation system,different isolation modes for different frequency bands can be considered,hybrid isolation mode for 1 Hz to 17 Hz,and passive mode for 17 Hz to 250 Hz.

Vibroseis； LabVIEW； Measurement and control system； Passive vibration isolation； Hybrid vibration isolation； Frequency band based vibration isolation

TH865;TP29

： A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201709001

修改稿收到日期:2017-04-17

国家高技术研究发展计划基金资助项目(2012AA061201)

曲喆(1991—)，男，在读硕士研究生，主要从事现代传感技术与数据融合方向的研究。E-mail:wjnjrs@163.com。 李淑清(通信作者)，女，博士，教授，主要从事现代传感技术与数据融合方向的研究。E-mail:lshq@tust.edu.cn。