DE1154954B - Zylindrischer magnetostriktiver Koerperschallwandler - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

P 25878 IXa/42g

ANMELDETAG: 19. OKTOBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT: 26. SEPTEMBER 1963

Die Hauptpatentanmeldung betrifft einen zylindrischen magnetostriktiven Körperschallwandler, bei dem ein magnetostriktiver Zylinder in Längsrichtung aufgeschlitzt ist und die Längskanten des Schlitzes nach innen abgebogen sind und bei dem zwischen den Kanten des Schlitzes ein Spulenkern eingesetzt ist, der eine Spulenwicklung trägt.

Die meist verwendeten Typen von solchen Körperschallwandlern, z. B. Geophonen, arbeiten nach dem Seismographenprinzip mit einer über Federn gegen das auf dem Boden aufliegende Gehäuse abgestützten seismischen Ruhmasse. Derartige Geophone besitzen eine durch die Federung und die Ruhmasse festgelegte Eigenfrequenz, unterhalb derer die Empfindlichkeit schnell abfällt und auch nicht mehr proportional der Schallschnelle (Frequenz multipliziert mit der Amplitude) ist. Um eine Empfindlichkeit bis herab zu tiefen Frequenzen zu erhalten, muß also das Feder-Masse-System auf eine entsprechend tiefe Frequenz abgestimmt werden. Diese erfordert sehr weiche Federn, so daß die für die Verwendung als Feldmeßgerät zu fordernde Robustheit nicht mehr erreichbar ist.

Erfindungsgemäß wird eine frequenzmäßige Ausdehnung des Frequenzbereiches von Wandlern nach der Hauptpatentanmeldung nach unten dadurch erreicht, daß in dem magnetischen Kreis des Wandlers ein magnetischer Unterbrecher angeordnet ist, der mit einer den zu messenden Frequenzen gegenüber hohen Schaltfrequenz betrieben wird. Es entsteht in dem magnetischen Kreis des Wandlers ein pulsierender magnetischer Fluß, der in einer mindestens über einen Teil des magnetischen Kreises erstreckten Spule eine Spannung induziert, deren Amplitude dem Momentanwert der aufgenommenen Körperschallwelle proportional ist. Die dadurch erhaltene, mit der Körperschallwelle modulierte Ausgangsspannung wird nachfolgend in einer an sich bekannten Gleichrichterschaltung demoduliert. Der Verlauf der Empfindlichkeitskurve in Abhängigkeit von der Frequenz ist für diesen Wandler somit im Bereich tiefer Frequenzen linear bis hinab zur Frequenz Null. Vorteilhaft wird der magnetische Schalter mit rechteckförmigen Stromimpulsen betrieben, so daß sich weder durch Temperaturabhängigkeiten der für den Schalter benutzten magnetischen Werkstoffe noch durch Amplitudenschwankungen der Stromimpulse unerwünschte Einflüsse auf die Funktion des Wandlers ergeben.

In vorteilhafter Ausbildung wird der magnetische Schalter zur Verringerung des Schaltleistungsbedarfes so ausgebildet, daß nur ein kleiner Teil des symmetrisch angeordneten magnetischen Kreises des Schalters in die Sättigung getrieben wird.

Zylindrischer magnetostriktiver
Körperschallwandler

Zusatz zur Patentanmeldung P 25741IX a/42 g
(Auslegeschrift 1148 773)

Anmelder:

PRAKLA Gesellschaft für praktische

Lagerstättenforschung G.m.b.H.,

Hannover, Haarstr. 5

Ernst Nolte, Hildesheim,
ist als Erfinder genannt worden

Da der Wandler auch auf stationäre äußere Druckschwankungen anspricht, läßt er sich auch als Manometer, Tiefenanzeiger usw. vorteilhaft verwenden. Der Innenraum des Wandlers kann zweckmäßig den zum Betrieb erforderlichen Rechteckgenerator wie auch etwaige Vor- und Anpassungsverstärker aufnehmen.

Wenn die höherfrequenten modulierten Impulse über Leitungen zu einer entfernt gelegenen Anzeige-Vorrichtung übertragen werden, lassen sich weiterhin in einfacher Weise tieffrequente Störungen, wie z. B. Netzeinstreuungen, ausfiltern, auch wenn die übertragenen Schallwellen den gleichen Frequenzbereich umfassen.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen geschlitzten magnetostriktiven Körperschallwandler mit magnetischem Schalter,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines derartigen Wandlers über ein mehradriges Kabel, wie es z. B. bei seismischen Bohrlochmessungen benutzt wird,

Fig. 3 charakteristische Spannungen an einigen Punkten der Schaltung nach Fig. 2.

Der in Fig. 1 im Schnitt dargestellte Wandler besteht aus einem zylinderförmig gebogenen Blech 1 aus magnetostriktivem Material, wie z. B. Nickel, Permendur oder anderen Legierungen. Die beiden zur

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Zylinderachse parallelen Kanten 2 sind durch ein Joch 3 aus magnetisch leitendem Material verbunden, in das ein magnetischer Schalter eingefügt ist. Der magnetische Schalter kann vorteilhaft aus einem zweischenkligen Kern 4 aus weichmagnetischem Material 5 hoher Sättigung und einer Brücke 5 aus weichmagnetischem Material relativ niedriger Sättigung und vorzugsweise rechteckförmiger Hystereseschleife, wie z.B. bestimmte Mu-Metallegierungen, aufgebaut sein. Die den Schalter erregende Wicklung 6 ist auf den beiden Schenkeln des Kernes 4 so angeordnet, daß zu den auf dem Joch 3 befindlichen Ausgangswicklungen 7 keine direkte elektrische oder magnetische Kopplung besteht.

Bei stromloser Wicklung 6 des magnetischen Schal- *5 ters arbeitet der Wandler wie der magnetostriktive Wandler nach dem Hauptpatent. Die Druckkomponente einfallender Schallwellen erzeugt eine entsprechende Veränderung des Spannungszustandes des magnetostriktiven Materials, die wiederum eine Anderung des in dem Wandler herrschenden Magnetisierungszustandes bewirkt. Diese Änderung des Magnetflusses induziert in der Ausgangswicklung 7 eine elektrische Spannung proportional der Änderung des Flusses mit der Zeit. Demgegenüber ist die Wick- ^a5 lung 6 mit ihren beiden Hälften in bezug auf diese Flußänderungen gegeneinandergeschaltet, so daß sich in ihr die induzierten Spannungen gegenseitig aufheben.

Der Wicklung 6 werden rechteckförmige Stromimpulse einer solchen Amplitude zugeführt, daß die Brücke 5 jeweils voll in den waagerechten gesättigten Teil ihrer Kennlinie ausgesteuert wird und damit den magnetischen Kreis des Wandlers periodisch unterbricht. Die Aus- und Einschaltung des magnetischen Flusses des Wandlers induziert in der Ausgangswicklung 7 je einen positiv oder negativ gerichteten Spannungsimpuls, dessen Amplitude dem im Schaltaugenblick vorhandenen magnetischen Fluß proportional ist. Erne an die Wicklung 6 angelegte Rechteckimpulsfolge 20 (Fig. 3) erzeugt in der Ausgangswicklung 7 eine aus abwechselnd positiven und negativen Impulsen 23 und 22 zusammengesetzte Impulsfolge, die in der Amplitude mit der empfangenen Kurvenform der Schallwelle 24, 25 moduliert ist. Nach Gleichrichtung entsteht eine Gleichstromkomponente, von der in bekannter Weise die Schallwelle 26 abgetrennt werden kann.

In der Fig. 2 ist eine Gesamtanordnung des Wandlers nach der Erfindung gezeigt, die für Schallmessungen in Bohrlöchern besonders geeignet ist. Über eine Ader 12 eines im Beispiel dreiadrigen Kabels, das zugleich den die Schallwandleranordnung beinhaltenden Versenkkörper in einem Bohrloch trägt, wird die zum Betriebe eines Rechteckgenerators 10 von z. B. 100 kHz Impulsfrequenz und eines Vorverstärkers 11 notwendige Versorgungsspannung zugeführt. Der vorzugsweise im freien Innenraum des Bleches 1 des Wandlers angeordnete Rechteckgenerator 10 kann aus einem einfachen Transistormultivibrator an sich bekannter Bauart bestehen. Die in der Ausgangswicklung? induzierte Spannung wird über den Vorverstärker 11 auf die Kabeladern 13 und 14 gegeben und einer auf der Erdoberfläche stehenden Auswerteapparatur zur Demodulation und weiteren Auswertung zugeleitet. Da auf den Adern 13 und 14 höherfrequente Ströme fließen, ist es an der Erdoberfläche in einfacher Weise möglich, niederfrequente Störspannungen, insbesondere Einstreuungen aus dem Starkstromnetz von 50 kHz, von den an sich den gleichen Frequenzbereich umfassenden Schallwellen zu trennen.

Zum Schutz gegen unerwünschte Einflüsse der umgebenden Flüssigkeit ist das Schallwandlersystem im druckfreien Raum eines Versenkkörpers so angeordnet, daß die Außenseite des Zylinders akustisch gut mit der Innenfläche des Versenkkörpers gekoppelt ist. Die Kopplung kann insbesondere durch Ausfüllen der zwischen dem Wandler und dem Rohr noch verbliebenen Zwischenräume mit geeigneten Stoffen, wie Ölen, Fetten oder Harzen, verbessert werden.

Man kann auch das Wandlersystem zur Erzielung einer günstigen Ankopplung an Flüssigkeiten mit einer dünnwandigen elastischen Hülle umgeben, wobei der Zylinderwandler an den Stirnseiten feste Abschlußdeckel erhält, um einen akustischen Kurzschluß von der Außen- zur Innenseite zu unterbinden. Dabei läßt sich auch über gewundene dünne Kanäle in an sich bekannter Weise ein statischer Druckausgleich zwischen dem Außen- und dem Innenraum des Wandlers erreichen.

Bei Verwendung gegeneinander genügend verschiedener Schaltfrequenzen der Rechteckgeneratoren können auch mehrere erfindungsgemäße Schallwandler über ein gemeinsames Kabel¹ betrieben werden.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Zylindrischer magnetostriktiver Körperschallwandler mit einem weichmagnetische Teile aufweisenden magnetostriktiven Kreis, insbesondere nach Patentanmeldung P 25741IX a/42 g, dadurch gekennzeichnet, daß in dem magnetisch wirksamen Kreis des Wandlers ein magnetischer Unterbrecher (5) angeordnet ist, der mit einer den zu messenden Frequenzen gegenüber hohen Schaltfrequenz betrieben wird.

2. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterbrecher ein Stück eines unter der Einwirkung eines von außen angelegten magnetischen Feldes stehendes magnetisch leitenden Materials niedriger Sättigung, die Brücke (5), aufweist.

3. Körperschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspulen des Unterbrechers symmetrisch auf den Schenkeln eines weichmagnetischen Kernes (4) angeordnet sind und mit ihrer Achse auf der oder den Achsen der Ausgangswicklungen (7) des Wandlers senkrecht stehen, so daß die Erreger- und Ausgangsspulen elektrisch und magnetisch voneinander entkoppelt sind.

4. Körperschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Unterbrecher als Teil des in den magnetostriktiven Kreis, dem Blech (1), eingesetzten weichmagnetischen, die Ausgangswicklung (7) tragenden Joches (3) ausgebildet ist.

5. Körperschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (6) für die Erregung des magnetischen Unterbrechers mit einem Rechteckimpulsgenerator (10) verbunden sind.

6. Körperschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn-

zeichnet, daß der Ausgangswicklung (7) eine Demodulationsschaltung nachgeordnet ist.

7. Körperschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechteckgenerator (10) und weitere zugehörige Schaltungselemente in den Innenraum des magnetostriktiven zylinderförmigen Bleches (1) eingebaut sind.

8. Schallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zylinderförmige magnetostriktive Blech (1) in akustischer Kopplung mit der Wandung im druckfreien Innenraum eines Versenkkörpers für akustische Messungen in Bohrlöchern angeordnet ist.

9. Körperschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetostriktiv wirksame Teil des Wandlers über eine dünnwandige elastische Hülle an die umgebende Flüssigkeit angekoppelt ist und daß die Stirnseiten des zylinderförmigen Wandlers zur Unterbindung eines akustischen Kurzschlusses zwischen Außen- und Innenseite mit festen Deckeln versehen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen