DE1148773B

DE1148773B - Cylindrical magnetostrictive body-borne sound transducer

Info

Publication number: DE1148773B
Application number: DE1960P0025741
Authority: DE
Inventors: Ernst Nolte
Original assignee: PRAKLA GmbH
Current assignee: PRAKLA GmbH
Priority date: 1960-09-24
Filing date: 1960-09-24
Publication date: 1963-05-16
Also published as: DE1154954B

Description

Zylindrischer magnetostriktiver Körperschallwandler Die Erfindung betrifft einen zylindrischen magnetostriktiven Körperschallwandler, der zur Umwandlung von auftreffenden Schallwellen in entsprechende elektrische Signale geeignet ist.Cylindrical magnetostrictive structure-borne sound transducer The invention relates to a cylindrical magnetostrictive structure-borne sound transducer, which is used for conversion from incident sound waves into corresponding electrical signals.

Es sind bereits mehrere Bauformen magnetostriktiver Wandler bekannt. Meist wird ein nach Art eines Transformatorkernes aufgebautes Paket aus magnetostriktiven Blechen verwandt, welches mit einer Wicklung versehen ist. Die ausgenutzte Schwingrichtung liegt dabei in der Längsrichtung des einzelnen Bleches. Derartige Wandler haben wegen der Elastizitätskonstanten und der Form eine relativ hohe Eigenresonanz, in deren Nähe ein guter Wirkungsgrad vorhanden ist. Die Empfindlichkeit für unterhalb der Eigenresonanz liegende Frequenzen ist relativ gering. Several designs of magnetostrictive transducers are already known. Usually a package of magnetostrictive ones built like a transformer core Sheet metal used, which is provided with a winding. The direction of oscillation used lies in the longitudinal direction of the individual sheet. Have such converters because of the elasticity constants and the shape a relatively high natural resonance, in the proximity of which there is a good degree of efficiency. The sensitivity for below the natural resonance frequencies are relatively low.

Um die Empfindlichkeit auch für tiefere Frequenzen zu erhöhen, werden auch magnetostriktive Wandler in Form von Rohrstücken benutzt, die eine Toroidwicklung tragen. Da die Wicklung die Außen- und Innenflächen des rohrförmigen Elementes gleichmäßig bedeckt, ergeben sich bei derartigen Wandlern Schwierigkeiten in bezug auf eine günstige Schallankopplung. Dies ist besonders bei solchen Wandlern der Fall, die wegen der rauhen Betriebsbedingungen mit einem Schutzrohr od. dgl. umgeben werden müssen. Zur Erzielung einer genügenden Ankopplung zwischen dem magnetostriktiven Rohr und dem äußeren Schutzrohr wird dabei der die Wicklung aufnehmende Zwischenraum mit einer geeigneten erhärtenden Vergußmasse ausgefüllt. Diese Vergußmasse erhöht zwangläufig die Steifigkeit des magnetostriktiven Wandlers, so daß die Empfindlichkeit für tiefere Frequenzen auch bei einem derartigen Wandler gering ist. In order to increase the sensitivity for lower frequencies, too Magnetostrictive transducers in the form of pieces of pipe with a toroidal winding are also used wear. Because the winding makes the outer and inner surfaces of the tubular element uniform covered, difficulties arise with such transducers with respect to a favorable sound coupling. This is particularly the case with converters that Because of the harsh operating conditions with a protective tube or the like. Surrounded have to. To achieve a sufficient coupling between the magnetostrictive The space between the tube and the outer protective tube becomes the space that accommodates the winding filled with a suitable hardening potting compound. This potting compound increases inevitably the rigidity of the magnetostrictive transducer, so that the sensitivity is low for lower frequencies even with such a converter.

Der magnetostriktive Wandler nach der Erfindung vermeidet diese Nachteile, indem ein magnetostriktiver Zylinder in Längsrichtung aufgeschlitzt ist und die Längskanten des Schlitzes nach innen abgebogen sind und daß zwischen den Kanten des Schlitzes ein Spulenkern eingesetzt ist, der eine Spulenwicklung trägt. The magnetostrictive transducer according to the invention avoids these disadvantages, by slitting a magnetostrictive cylinder in the longitudinal direction and the Long edges of the slot are bent inwards and that between the edges of the slot a coil core is inserted, which carries a coil winding.

Diese Spulenwicklung kann im Gegensatz zu der bisher üblichen Toroidspule einfach und daher auch mit beliebig angepaßten Windungszahlen hergestellt werden. Dadurch ist der eigentliche magnetostriktive Wandler frei von abschirmenden Spulenwicklungen und kann z. B. durch in den Spalt eingesetzte Keilstücke sauber an das umgebende Schutzrohr angepreßt werden, so daß sich ein guter Wirkungsgrad ergibt. This coil winding can, in contrast to the previously common toroidal coil can be produced easily and therefore with any number of turns. As a result, the actual magnetostrictive converter is free of shielding coil windings and can e.g. B. by wedge pieces inserted into the gap cleanly to the surrounding area Protective tube are pressed, so that there is a good efficiency.

Der im Inneren des Wandlers vorhandene freie Raum kann einen Vorverstärker aufnehmen, wie er für bestimmte Anwendungen zweckmäßig ist, bei denen zwischen dem Schallempfänger und dem Eingang der nachgeschalteten elektronischen Apparatur größere Wegstrecken zu überwinden sind. The free one inside the transducer Room can have a preamp record as appropriate for certain applications where between the Sound receiver and the input of the downstream electronic equipment larger There are distances to be overcome.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der Beschreibung des in den Zeichnungen dargestellten Beispieles eines magnetostriktiven Wandlers nach der Erfindung in Anwendung auf eine Schallgeschwindigkeitsmeßeinrichtung für Bohrlöcher. Further features of the invention emerge from the description of the example of a magnetostrictive transducer shown in the drawings according to the invention in application to a sound velocity measuring device for Drill holes.

Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung mit Schutzrohr, Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Versenkkörper nach Fig. 1, teilweise in Ansicht, Fig. 3 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, eines in einem Bohrloch befindlichen Schallempfängers zur Laufzeitbestimmung eines auf der Erdoberfläche ausgesandten Schallimpulses.1 shows a cross section through a transducer according to the invention with protective tube, FIG. 2 shows a longitudinal section through the countersunk body according to FIG. 1, partially 3 is a view, partly in section, of one located in a borehole Sound receiver to determine the transit time of a sent out on the earth's surface Sound pulse.

Der aus einem dünnwandigen Rohr (Fig. 1) bestehende Zylinder 2 aus magnetostriktivem Material, z. B. aus Permendur, weist einen Längsschlitz auf, dessen Längskanten 3 und 4 nach innen abgebogen sind. Zwischen den abgebogenen Längskanten ist ein weichmagnetischer, z. B. aus Mu-Metall bestehender Spulenkern 5 eingefügt, welcher eine Spulenwicklung 6 trägt. Der Zylinder 2 ist von einem Schutzrohr 1 umgeben, an dessen Innenwand er durch in den Längsschlitz eingefügte Keile7 und 8 angepreßt ist. Der Innenraum 9 des Zylinders 2 kann einen Vorverstärker, z. B. mit Transistoren, aufnehmen. Durch entsprechendes Eintreiben der nichtmagnetischen Keile 7 und 8 kann ein optimaler Arbeitspunkt des magnetostriktiven Wandlers eingestellt werden, da ein nachträgliches Eingießen der nunmehr vom aktiven Wandlermaterial getrennten Spulenwicklung ohne jeden Einfluß auf den Vorspannungszustand des magnetostriktiven Materials bleibt. Bei den bisher benutzten Wandlem mit Toroidwicklung trat durch das Vergießen der Wicklung meist eine erhebliche Änderung des Spannungszustandes ein, so daß ein Teil der Wandler unbrauchbar wurde. The cylinder 2 consisting of a thin-walled tube (Fig. 1) magnetostrictive material, e.g. B. from Permendur, has a longitudinal slot whose Long edges 3 and 4 are bent inwards. Between the bent long edges is a soft magnetic, e.g. B. made of mu-metal coil core 5 inserted, which carries a coil winding 6. The cylinder 2 is surrounded by a protective tube 1, it is pressed against its inner wall by wedges 7 and 8 inserted into the longitudinal slot is. The interior 9 of the cylinder 2 can be a preamplifier, e.g. B. with transistors, take up. By driving in the non-magnetic wedges 7 and 8 accordingly an optimal operating point of the magnetostrictive transducer can be set because a subsequent pouring of the now active Transducer material separate coil winding without any influence on the bias state of the magnetostrictive Material remains. The toroidal winding transducers used up to now came through the encapsulation of the winding usually results in a considerable change in the state of tension so that some of the transducers became unusable.

Das Schutzrohr 1 dient bei Messungen unter erhöhtem statischem Außendruck, wie z. B. in der Spülung von Bohrlöchern, gleichzeitig zur Abschirmung des Wandlers gegen den Außendruck. Zur weiteren Verbesserung der akustischen Ankopplung können die zwischen dem magnetostriktiven Zylinder 2 und dem Schutzrohr 1 verbleibenden kleinen Zwischenräume mit einem geeigneten, genügend schallharten Stoff ausgefüllt werden. Die Innenfläche des Zylinders 2 steht entweder frei oder ist durch ein Druckausgleichsystem statisch vorbelastet. Im letzteren Fall wird im Innenraum des Wandlers ein elastisch kompressibles Glied, z. B. ein Luftkissen, angeordnet, damit die über das Schutzrohr 1 auf den Zylinder 2 einwirkenden Schallwellen eine Verformung desselben bewirken können. Zweckmäßig wird weiterhin die Wandstärke des Schutzrohres so bemessen, daß sie klein im Verhältnis zu den Längen der zu messenden Schallwellen bleibt. Dadurch bleibt der durch Reflexion an der Rohroberfläche entstehende Verlust an Schallenergie gering. The protective tube 1 is used for measurements under increased static external pressure, such as B. in the flushing of boreholes, at the same time to shield the converter against external pressure. To further improve the acoustic coupling you can those remaining between the magnetostrictive cylinder 2 and the protective tube 1 small spaces filled with a suitable, sufficiently reverberant material will. The inner surface of the cylinder 2 is either free or is through a pressure equalization system statically preloaded. In the latter case, there is an elastic in the interior of the transducer compressible member, e.g. B. an air cushion, arranged so that the over the protective tube 1 sound waves acting on the cylinder 2 cause a deformation of the same can. The wall thickness of the protective tube is expediently dimensioned so that it remains small in relation to the lengths of the sound waves to be measured. Through this What remains is the loss of sound energy caused by reflection on the pipe surface small amount.

Die Keile 7 und 8 können anstatt aus nichtmagnetischem Matenal auch aus permanent magnetischem Material, vorzugsweise geringer reversibler Permeabilität, bestehen, um die Vormagnetisierung des magnetostriktiven Zylinders 2 auf einen für große Empfindlichkeit optimalen Wert einzustellen. Die magnetische Parallelschaltung einer Brücke aus Dauermagnetmaterial geringer reversibler Permeabilität zu dem hochpermeablen Spulenjoch 5 hat bei dem ohne Schwierigkeiten erreichbaren Verhältnis der magnetischen Leitfähigkeiten von 1: 1000 und mehr praktisch keinen Empfindlichkeitsveriust zur Folge. The wedges 7 and 8 can also be made of non-magnetic material instead of made of permanent magnetic material, preferably low reversible permeability, exist to bias the magnetostrictive cylinder 2 to one for great sensitivity to set optimal value. The magnetic parallel connection a bridge made of permanent magnet material of low reversible permeability to the highly permeable Coil yoke 5 has with the easily achievable ratio of the magnetic Conductivities of 1: 1000 and more practically no loss of sensitivity Episode.

Andererseits kann auch der Spulenkern 5 selbst aus Material mit dauermagnetischen Eigenschaften bestehen. Bei dieser Anordnung müßte das Jochmaterial zur Vermeidung einer Einbuße an Empfindlichkeit jedoch eine hohe reversible Permeabilität aufweisen.On the other hand, the coil core 5 itself can be made of material with permanent magnets Properties exist. With this arrangement, the yoke material would have to be avoided a loss of sensitivity, however, have a high reversible permeability.

Der in Fig. 2 in teilweisem Längsschnitt dargestellte untere Teil eines Versenkkörpers zur Schallaufnahme in Bohrlöchern weist einen aus dem Schutzrohr 1 und der Spitze 12 bestehenden Versenkkörper auf, in dessen Innerem zwischen akustisch isolierenden Abstandsstücken 10 der magnetostriktive Zylinder 2 unter der Wirkung der Keile 7 und 8 fest gegen die Wandung des Schutzrohres 1 gepreßt wird. The lower part shown in partial longitudinal section in FIG. 2 a countersunk body for sound absorption in boreholes has one from the protective tube 1 and the tip 12 existing sinker, in the interior between acoustically insulating spacers 10 of the magnetostrictive cylinder 2 under the action the wedges 7 and 8 is pressed firmly against the wall of the protective tube 1.

Die Spulenwicklung 6 liegt im Inneren des Versenkkörpers und ist über eine bekannte elektrische Herausführung mit dem Meßkabel verbunden, an dem der Versenkkörper im Bohrloch hängt.The coil winding 6 lies inside the sinker and is over a known electrical lead-out connected to the measuring cable on which the sinker hangs in the borehole.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung zur Bestimmung der Schall-Laufzeit von der Erdoberfläche zu mehreren Punkten eines Bohrloches 15 sind mehrere Versenkkörper an dem Meßkabei 19 untereinander befestigt. In the arrangement shown in FIG. 3 for determining the sound propagation time from the surface of the earth at several points of a borehole 15 there are several countersunk bodies attached to each other on the measuring cable 19.

In jedem der Versenkkörper sind ein oder mehrere magnetostriktive Zylinder 2 angeordnet und über entsprechende Adern des Meßkabels 19 mit dem auf der Erdoberfläche stehenden Meßgerät 18 verbunden. In einer nahe dem Bohrlochmund angeordneten Schußbohrung ist eine Sprengstoffiadung 16 angeordnet. In each of the sinkers there are one or more magnetostrictive ones Cylinder 2 arranged and on corresponding wires of the measuring cable 19 with the the earth's surface standing measuring device 18 connected. In one near the mouth of the borehole arranged shot hole an explosive charge 16 is arranged.

Die durch die Explosion dieser Ladung erzeugte Schallwelle läuft durch die verschiedenen Erdschichten mit der jeweils für die einzelne Erdschicht charakteristischen Geschwindigkeit und trifft schließlich an den Versenkkörpern 21 und 17 ein. Die durch die magnetostriktiven Zylinder 2 erzeugten elektrischen Impulse werden von der Meßapparatur registriert, so daß in bekannter Weise aus der Laufzeit und dem Schallweg die Schallgeschwindigkeit bestimmt werden kann.The sound wave generated by the explosion of this charge passes through the different layers of the earth with the characteristic for each layer of the earth Speed and finally arrives at the sinkers 21 and 17. the by the magnetostrictive cylinder 2 generated electrical pulses are from the measuring apparatus registered, so that in a known manner from the running time and the Sound path the speed of sound can be determined.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Cylindrical magnetostrictive structure-borne sound transducer, characterized in that a magnetostrictive cylinder (2) in the longitudinal direction is slit up and the longitudinal edges (3, 4) of the slot are bent inwards are and that a coil core (5) is inserted between the edges (3, 4) of the slot is, which carries a coil winding (6).

2. Structure-borne sound transducer according to claim 1, characterized in that the converter is inserted positively into a protective tube (1).

3. Structure-borne sound transducer according to claim 2, characterized in that Wedges (7, 8) are inserted into the slot of the transducer, which close the cylinder Maintain contact with the protective tube.

4. Structure-borne sound transducer according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that the coil core (5) for generating a premagnetization of the magnetostrictive cylinder material from a permanent magnet of high reversible Permeability exists.

5. Structure-borne sound transducer according to claim 3, characterized in that the wedges (7, 8) made of a permanent magnet material of low reversible permeability exist.

6. Structure-borne sound transducer according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the remaining spaces between the protective tube (1) and the outer jacket of the cylinder transducer (2) with an acoustically good conductive one Substance are filled out.

7. Structure-borne sound transducer according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the protective tube as a sinker for acoustic borehole investigations is trained.