DE1184096B

DE1184096B - Body-borne sound receiver for low frequencies

Info

Publication number: DE1184096B
Application number: DEP25788A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Albert Stein
Original assignee: PRAKLA GmbH
Current assignee: PRAKLA GmbH
Priority date: 1960-10-05
Filing date: 1960-10-05
Publication date: 1964-12-23

Description

Körperschallempfänger für tiefe Frequenzen Die Erfindung betrifft einen Körperschallempfänger für tiefe Frequenzen, der bei seismischen Messungen zur Bestimmung des Aufbaues der Erd- und Gesteinsschichten bis zu einigen Kilometern Tiefe benutzt werden kann.Structure-borne sound receiver for low frequencies The invention relates to a structure-borne sound receiver for low frequencies that is used for seismic measurements to determine the structure of the earth and rock layers up to a few kilometers Depth can be used.

Je nach der zu erwartenden geologischen Beschaffenheit des Untergrundes und der gestellten Aufgabe werden seismische Messungen nach dem Reflexions- oder Refraktionsverfahren angewandt. Depending on the expected geological condition of the subsoil and the task at hand are seismic measurements according to the reflection or Refraction method applied.

Die durch die Erd- und Gesteinsschichten bei Refraktionen und bei tiefen Reflexionen gelaufenen Schallwellen haben am Empfangsort ihre größte Energie im Frequenzbereich von wenigen Hertz. Um bei tiefen Frequenzen einen genügenden Abstand zwischen dem Eigenrauschen (Wärme- und Widerstandsrauschen) des Körperschallwandlers und den noch zu empfangenden Signalen kleiner Amplituden sicherzustellen, müssen derartige Körperschallempfänger oder Geophone mit einer entsprechend großen seismischen Masse ausgerüstet sein. Da sich weiterhin das auf den Eingang des seismischen Verstärkers rückbezogene Rauschen zu der Ausgangsspannung des Geophones addiert, ist zur Sicherstellung eines genügenden Rauschabstandes aus 4diesem Grunde außerdem eine möglichst hohe Empfindlichkeit des Geophones erwünscht.The through the earth and rock layers during refractions and at Sound waves that have passed through deep reflections have their greatest energy at the point of reception in the frequency range of a few Hertz. To get a sufficient one at low frequencies Distance between the inherent noise (heat and resistance noise) of the structure-borne sound transducer and to ensure that the signals still to be received are of small amplitudes such structure-borne sound receivers or geophones with a correspondingly large seismic Be equipped mass. Since this continues to the input of the seismic amplifier Referred noise added to the geophone's output voltage is a backup For this reason, if the signal to noise ratio is sufficient, it should also be as high as possible Sensitivity of the geophone desirable.

Es sind schon Tauchspulgeophone für tiefe Frequenzen bekannt, bei denen die Empfindlichkeit vergrößert wurde, indem die seismische Masse nahe dem Drehpunkt eines einseitigen Hebels angeordnet wurde, dessen freies Ende die Tauchspule trägt. Moving coil geophones for low frequencies are already known at whose sensitivity was increased by placing the seismic mass close to the The pivot point of a unilateral lever was arranged, the free end of which is the plunger coil wearing.

Unter Vernachlässigung der Masse der Tauchspule läßt sich mit dieser Anordnung die Empfindlichkeit im Verhältnis der Hebelübersetzung steigern. Damit der Einfluß der Tauchspulenmasse genügend klein bleibt, muß die seismische Masse entsprechend vergrößert werden. Durch das außerdem noch vorhandene und mit dem Gehäuse verbundene Dauermagnetsystem werden derartige Geophone relativ schwer und bedingt durch die Abmessungen der Hebelanordnung unhandlich groß. Da zur Durchführung einer einzigen Messung eines Profils viele Geophone über einen größeren Geländestreifen verteilt aufgestellt werden müssen, sollen andererseits zur Erleichterung des Transportes Gewicht und Abmessungen des einzelnen Geophones so klein wie möglich gehalten werden.Neglecting the mass of the moving coil can be with this Arrangement increase the sensitivity in relation to the leverage. In order to the influence of the moving coil mass remains sufficiently small, the seismic mass must be enlarged accordingly. With the still existing and with the housing connected permanent magnet systems, such geophones are relatively heavy and conditional bulky due to the dimensions of the lever assembly. Because to carry out a single measurement of a profile many geophones over a large strip of terrain must be set up distributed, should on the other hand to facilitate transport The weight and dimensions of the individual geophones are kept as small as possible.

Es ist ferner bekannt, zur Erzielung eines bandfilterähnlichen Frequenzganges bei Tauchspulgeophonen sowohl das Dauermagnetsystem als auch die Tauchspule je für sich federnd gegen das Geo phongehäuse anzuordnen. Weiterhin sind Tauchspulgeophone bekannt, welche unabhängig von der Orientierung bei der Aufstellung (aufrecht oder umgedreht) polungsrichtige Spannungen liefern, indem das Magnetsystem nebst Tauchspule an einer gemeinsamen Stütze angeordnet sind, welche unter der Wirkung der Schwere so weit durchsinkt, daß entweder das Magnetsystem oder die Tauchspule an dem Gehäuse anliegen. It is also known to achieve a frequency response similar to a band filter in moving coil geophones both the permanent magnet system and the moving coil each for to be arranged resiliently against the geophone housing. Moving coil geophones are also used known, which regardless of the orientation when setting up (upright or reversed) supply voltages with the correct polarity by using the magnet system and moving coil are arranged on a common support, which under the effect of gravity sinks so far that either the magnet system or the plunger coil on the housing issue.

Bei dem Geophon nach der Erfindung wird nun eine wesentliche Verringerung des Gewichtes und der Abmessungen bei einer Anordnung mit einem einseitig gegenüber dem Gehäuse federnd drehbar gelagerten Hebel dadurch erzielt, daß das Magnetsystem des Wandlers auf dem einseitig federnd eingespannten Hebel angeordnet ist, während die relativ gegenüber dem Magnetsystem bewegliche Tauchspule mit dem freien Ende eines weiteren zweiarmigen Hebels verbunden ist, dessen einer Arm drehbar mit dem freien Ende des ersten Hebels verbunden ist und dessen relativ gegenüber dem Gehäuse feststehender Drehpunkt so angeordnet ist, daß die Spule mit vorgegebener Ilbersetzung gegenläufig zu der Bewegung des als seismische Masse dienenden Magnetsystems in dessen Luftspalt geführt ist. Bei dieser Anordnung ist mithin eine be sondere seismische Masse überflüssig, da das Dauermagnetsystem gleichzeitig die Funktion der seismischen Masse übernimmt. Durch die zueinander gegenläufige Führung des Dauermagnetsystems und der Tauchspule tritt eine Erhöhung der Relativbewegung über das fit eine gestreckte Hebelanordnung geltende Übersetzungsverhälmis zwischen Tauchspule und Dauermagnetsystem und damit eine entsprechende Erhöhung der Empfindlichkeit auf den Faktor ü + 1 ein, wenn mit ü das Obersetzungsverhältnis der gestreckten Hebelanordnung bezeichnet wird. Dies ergibt für praktisch verwendete abso- lute Übersetzungsverhältnisse von etwa 3:1 bis etwa 6:1 eine entsprechende Erhöhung der zugehörigen wirksamen Übersetzung und damit der Empfindlichkeit auf 4:1 bis 7:1. With the geophone according to the invention there is now a substantial reduction the weight and dimensions in an arrangement with a one-sided opposite the housing resiliently rotatably mounted lever achieved in that the magnet system of the transducer is arranged on the lever, which is spring-loaded on one side, while the moving coil with the free end, which can move relative to the magnet system Another two-armed lever is connected, one arm of which is rotatable with the free end of the first lever is connected and its relative to the housing fixed fulcrum is arranged so that the coil with a predetermined Iltranslation counter to the movement of the magnet system serving as a seismic mass in whose air gap is guided. With this arrangement there is therefore a special seismic one Mass superfluous as the permanent magnet system simultaneously functions as a seismic one Mass takes over. Due to the opposing guidance of the permanent magnet system and the plunger coil occurs an increase in relative motion over the fit an elongated one Lever arrangement applicable transmission ratio between moving coil and permanent magnet system and thus a corresponding increase in sensitivity to the factor ü + 1, if with ü denotes the transmission ratio of the extended lever arrangement will. For practically used absolute good gear ratios from about 3: 1 to about 6: 1 a corresponding increase in the associated effective Translation and thus the sensitivity to 4: 1 to 7: 1.

Gleichzeitig ergibt die Anordnung nach der Erfindung eine vorteilhafte Lösung des Dämpfungsproblems. Um eine möglichst naturgetreue Wiedergabe der Bodenbewegungen bis hinab zu der auf z. B. 2 Hz liegenden natürlichen Eigenresonanz des Geophones zu erhalten, ist es notwendig, daß die Dämpfung des aus Federn und Massen gebildeten Schwingsystems etwa an der kritischen Grenze liegt. At the same time, the arrangement according to the invention results in an advantageous one Solution of the attenuation problem. To reproduce the movements of the ground as faithfully as possible down to the z. B. 2 Hz lying natural natural resonance of the geophone To obtain, it is necessary that the damping of the springs and masses formed Oscillation system is approximately at the critical limit.

Da erhebliche Massen zu dämpfen sind, werden entsprechend starke Dämpfungen benötigt. Zufolge der wirksamen Übersetzung ergibt sich auch eine entsprechende Erhöhung der die Relativbewegung zwischen Tauchspule und Magnetsystem dämpfenden elektromagnetischen Kräfte. Diese um das Übersetzungsverhältnis erhöhte Dämpfungskraft reicht praktisch aus, um die erwünschte kritische Dämpfung ohne weitere Hilfsmittel zu erhalten. Da somit zur Erzeugung der Dämpfung keine Anteile der magnetischen Energie des Dauermagnetsystems abgezweigt werden müssen, kann das Magnetsystem uneingeschränkt zur Erzielung einer hohen Empfindlichkeit ausgenutzt werden.Since considerable masses have to be damped, there is correspondingly strong damping needed. As a result of the effective translation, there is also a corresponding one Increase in the damping of the relative movement between the moving coil and the magnet system electromagnetic forces. This damping force increased by the transmission ratio is practically sufficient to achieve the desired critical damping without further aids to obtain. Since there are no components of the magnetic to generate the damping Energy of the permanent magnet system must be diverted, the magnet system can be used without restriction can be used to achieve high sensitivity.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich an Hand der nachfolgenden Beschreibung und der Darstellung eines Ausführungsbeispieles in den Zeichnungen. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Körperschallempfängers, teilweise im Schnitt, Fig. 2 eine Einzelheit der Aufhängung des die Tauchspule tragenden Hebelarmes, Fig.3 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel. Further features of the invention emerge from the following Description and illustration of an exemplary embodiment in the drawings. 1 shows a schematic side view of a structure-borne sound receiver according to the invention, partly in section, Fig. 2 shows a detail of the suspension of the moving coil carrying the moving coil Lever arm, Figure 3 is a longitudinal section through an embodiment.

In dem beispielsweise auf dem Erdboden stehenden Gehäuse 1 eines Körperschallwandlers nach F i g. 1 ist ein Federlager 2 und ein Auflager 9 fest mit der Bodenplatte 1 verbunden. Ein oberer Hebel 3 stützt sich über eine Blattfeder 4 auf dem Federlager 2 ab. Die Feder 4 ist so vorgespannt, daß der obere Hebel 3 die dargestellte waagerechte Gleichgewichtslage einnimmt. An dem freien Ende des oberen Hebels 3 ist eine weitere Blattfeder 7 angeordnet, deren anderes Ende mit dem unteren Hebel 8 verbunden ist. Der untere Hebel 8 trägt an seinem freien Ende eine Tauchspule 6 und ist nahe dem Angriffspunkt der Blattfeder7 auf dem Auflager 9 gelagert. Mit dem oberen Hebel 3 ist ein Dauermagnetsystem 5, z. B. der Topfbauart, verbunden. Die gegenseitige Anordnung des Dauermagnetsystems 5 und der Tauchspule 6 ist so getroffen, daß die Tauchspule 6 frei in den Luftspalt des Dauermagneten 5 eintaucht. In the housing 1 standing, for example, on the ground Structure-borne sound transducer according to FIG. 1 is a spring bearing 2 and a support 9 fixed connected to the base plate 1. An upper lever 3 is supported by a leaf spring 4 on the spring bearing 2. The spring 4 is biased so that the upper lever 3 assumes the horizontal equilibrium position shown. At the free end of the upper lever 3 is another leaf spring 7 is arranged, the other end with the lower lever 8 is connected. The lower lever 8 carries at its free end a moving coil 6 and is close to the point of application of the leaf spring 7 on the support 9 stored. With the upper lever 3 is a permanent magnet system 5, for. B. the pot design, tied together. The mutual arrangement of the permanent magnet system 5 and the moving coil 6 is made so that the plunger coil 6 freely in the air gap of the permanent magnet 5 dips.

Wenn die auf dem Erdboden aufliegende Bodenplatte 1 zufolge einer durch den Erdboden gelaufenen Schallwelle, z. B. eine aufwärts gerichtete Momentanbewegung ausführt, versucht das zugleich als seismische Masse wirksame Dauermagnetsystem 5 in Ruhe zu bleiben. Dadurch bewegt sich das freie Ende des oberen Hebels 3 relativ zu der Bodenplatte 1 nach unten und drückt das der Tauchspule 6 abgewandte Ende des Hebels 8 ebenfalls nach unten. If the floor plate 1 resting on the ground, according to a sound wave passed through the ground, e.g. B. an upward momentary movement executes, tries the permanent magnet system, which also acts as a seismic mass 5 to stay calm. As a result, the free end of the upper lever 3 moves relatively to the base plate 1 and presses the end facing away from the plunger coil 6 of the lever 8 also downwards.

Da der Hebel 8 auf dem Auflager 9 gelagert ist, führt er eine Drehbewegung entgegen dem Uhrzeigersinn aus, so daß die Tauchspule 6 im Maße des wirksamen Übersetzungsverhältnisses in den Luftspalt eintritt. Die in der Tauchspule 6 durch das Schneiden der Magnetlinien des Dauermagnetsystems 5 induzierte Spannung wird über die Leitungen 13 außerhalb des Gehäuses verfügbar. Bei entsprechend gewähltem Abschlußwiderstand der Leitung 13 dämpft der in den Windungen der Tauchspule 6 fließende Strom das aus den beschriebenen Massen und Federn bestehende System gerade kritisch, so daß die abgegebene Spannung optimal mit der aufgenommenen Schallwelle übereinstimmt.Since the lever 8 is mounted on the support 9, it performs a rotary movement counterclockwise so that the plunger coil 6 to the extent the effective gear ratio enters the air gap. The one in the plunger coil 6 by cutting the magnetic lines the permanent magnet system 5 induced voltage is via the lines 13 outside of the housing available. With an appropriately selected terminating resistance of the line 13, the current flowing in the windings of the plunger coil 6 dampens that from the described Masses and springs in the existing system are just critical, so that the voltage output optimally matches the recorded sound wave.

Die kritische Dämpfung der recht erheblich schwingenden Massen wird bei dem vorliegenden System ohne jede zusätzlichen Dämpfungen dadurch ermöglicht, daß durch die Übersetzung die Geschwindigkeit der Tauchspulenbewegung und damit auch die Dämpfungskraft entsprechend zunimmt.The critical damping of the masses, which vibrate quite considerably, becomes in the present system, without any additional damping, that through the translation the speed of the moving coil movement and thus the damping force also increases accordingly.

Gegenüber der lediglich zur Erklärung der Wirkungsweise dargestellten schematischen Ausführung nach Fig. 1 sind für den praktischen Aufbau bestimmte Ausgestaltungen einzelner Elemente oder Baugruppen besonders vorteilhaft. So ist in Fig. 2 eine zweckmäßige, praktisch reibungsfreie Lagerung des unteren Hebels 8 gegen die Bodenplatte 1 dargestellt. Der obere Hebel 3 ist mit dem unteren Hebel 8 durch eine zwischen Leichtmetallbacken eingeklemmte Blattfeder 7 verbunden. Da der Drehpunkt des unteren Hebels 8 gegen das Gehäuse 1 eine waagerechte Bewegung ausführt, ist statt des Auflagers 9 ein Galgen 11 angeordnet, an dem der untere Hebel 8 mittels eines flexiblen Seiles 10 aufgehängt ist. Bei dieser Art der Aufhängung wird die Zentrierung der Tauchspule 6 in dem Luftspalt des Dauermagnetsystems allein durch die aus einem oder mehreren parallelen Blechen gebildete Blattfeder 7 bewirkt, so daß seitliche Stöße gegen das Gehäuse nicht direkt auf den unteren Hebel 8 übertragen werden. Compared to that shown only to explain the mode of operation Schematic embodiment according to FIG. 1 are specific configurations for the practical construction individual elements or assemblies are particularly advantageous. So in Fig. 2 is a expedient, practically frictionless storage of the lower lever 8 against the base plate 1 shown. The upper lever 3 is with the lower lever 8 by an between Light metal jaws clamped leaf spring 7 connected. As the fulcrum of the lower Lever 8 executes a horizontal movement against the housing 1, instead of the support 9 a boom 11 is arranged on which the lower lever 8 by means of a flexible rope 10 is suspended. With this type of suspension, the moving coil is centered 6 in the air gap of the permanent magnet system solely by the one or more parallel sheets formed leaf spring 7 causes so that lateral impacts against the housing cannot be transferred directly to the lower lever 8.

Bei dem in F i g. 3 dargestellten Längsschnitt durch eine Ausführungsform sind die mit den in den Fig. 1 und 2 übereinstimmenden Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the case of the one shown in FIG. 3 shown longitudinal section through an embodiment The parts that correspond to those in FIGS. 1 and 2 have the same reference numerals Mistake.

Mit der Bodenplatte 1 ist über eine Dichtung 15 ein Deckel 16 verbunden, so daß sich ein das Gerät vor äußeren Einwirkungen aller Art schützendes Gehäuse ergibt. Zur Aufstellung mit sicherer Gleichgewichtslage trägt die Bodenplatte 1 ferner drei Füße 14. Die Blattfeder 4 wird durch je einen Leichtmetallbalken 17 und 18 in geeigneter Schräglage gegen den oberen Hebel 3 und einen Amboß 25 der Bodenplatte 1 gedrückt gehalten. Zur genauen Einstellung der Federsteife und damit der Ruhelage des Systems sind die Durchgangslöcher für die Schrauben 26 zweckmäßig oval oder geschlitzt ausgeführt. A cover 16 is connected to the base plate 1 via a seal 15, so that the device is protected from external influences of all kinds results. The base plate 1 supports the installation with a secure equilibrium position Furthermore, three feet 14. The leaf spring 4 is supported by a light metal beam 17 each and 18 in a suitable inclined position against the upper lever 3 and an anvil 25 of the Base plate 1 held down. For the exact setting of the spring stiffness and thus the through-holes for the screws 26 are expedient in the rest position of the system oval or slotted.

Eine Madenschraube 22 hält das aus einem eisernen TopfS, einem Dauermagnetenl9, einem Polschuh 20 und einem Bolzen 24 bestehende Dauermagnetsystem in der Lagerung des oberen Hebels 3. A grub screw 22 holds it out of an iron pot, a permanent magnet, a pole piece 20 and a bolt 24 existing permanent magnet system in the bearing of the upper lever 3.

Das schwingende Ende des Hebels 3 besteht aus zwei gabelförmigen Fortsätzen 23, an deren Ende zwischen Klemmstücken 12 je eine Blattfeder 7 gehalten wird.The swinging end of the lever 3 consists of two fork-shaped extensions 23, at the end of which a leaf spring 7 is held between clamping pieces 12.

Die Blattfedern 7 sind ihrerseits mit dem freien Ende des unteren Hebels 8 so verbunden, daß die vertikale Bewegungskomponente des oberen Hebels 3 unverändert auf den unteren Hebel 8 übertragen wird. Da im allgemeinen Fall der untere Hebel 8 gegenüber dem Gehäuse 1 zufolge der Drehung des Gesamtsystems um den Drehpunkt der Blattfeder 4 eine waagerecht gerichtete Bewegungskomponente aufweist, muß die Aufhängung des Hebels 8 diese Bewegung zulassen. Während bei der schematischen Darstellung nach F i g. 1 die längere Blattfeder 7 diese waagerechte Bewegungskomponente zuläßt, ist beim Ausführungsbeispiel nach den Fig.2 und 3 der untere Hebel 8 nur in vertikaler Richtung in einer bestimmten Lage gegenüber dem Gehäuse gehalten, indem er über ein Seil 10, z. B. aus feinen Stahldrähten, Kunststoffasern usw., an einem Galgen 11 hängt. Das freie Ende des Hebels 8 trägt den Tauchspulenkörper21 mit der Wicklung 6. Da die Dämpfungskraft durch die wirksame Übersetzung der Bewegung zur Erzielung der gewünschten Dämpfung ausreicht, kann der Spulenkörper 21 auch aus einem elektrischen Nichtleiter, wie z. B. aus Kunststoffen, bestehen. Die Enden der Spulenwicklung 6 sind über Leitungen 13 an in bekannter Weise am Gehäuse angeordnete Anschlußklemmen geführt.The leaf springs 7 are in turn with the free end of the lower Lever 8 connected so that the vertical component of movement of the upper lever 3 is transferred unchanged to the lower lever 8. Since in the general case of the lower lever 8 opposite the housing 1 as a result of the rotation of the entire system the fulcrum of the leaf spring 4 a horizontally directed movement component has, the suspension of the lever 8 must allow this movement. While at the schematic representation according to FIG. 1 the longer leaf spring 7 this horizontal Movement component allows, is in the embodiment of Figures 2 and 3 of lower lever 8 only in the vertical direction in a certain position relative to the Housing held by being over a rope 10, for. B. made of fine steel wires, synthetic fibers etc., hanging on a gallows 11. The free end of the lever 8 carries the plunger bobbin21 with the winding 6. Since the damping force through the effective translation of the movement The coil body 21 can also be sufficient to achieve the desired damping from an electrical non-conductor, such as. B. made of plastics. The ends the coil winding 6 are arranged in a known manner on the housing via lines 13 Terminals led.

Die in dem Ausführungsbeispiel dargestellte Ausführungsform stellt keine Beschränkung des Gegenstandes der Erfindung dar. So können an Stelle der Blattfedern auch Spiralfedern oder eine Aufhängung des oberen Hebels 3 an einer Schraubenfeder vorgesehen sein. Auch ist es möglich, anstatt des Tauchspulen-Dauermagnetsystems andere Wandlersysteme, wie z. B. Systeme mit Veränderung der magnetischen Leitfähigkeit eines durch einen oder mehrere veränderliche Luftspalte unterbrochenen magnetischen Kreises zu benutzen. The embodiment shown in the exemplary embodiment represents does not constitute a limitation of the subject matter of the invention. Thus, instead of the leaf springs also coil springs or a suspension of the upper lever 3 on a coil spring be provided. It is also possible instead of the moving coil permanent magnet system other converter systems, such as B. Systems with a change in magnetic conductivity a magnetic one interrupted by one or more variable air gaps Circle to use.

Claims

Claims: 1. Electrodynamic structure-borne sound receiver for low frequencies with a spring mounted rotatable on one side opposite the housing Lever, characterized in that the magnet system (5) of the transducer on the one-sided in relation to the housing cocked lever (3) is arranged during the relative to the magnet system (5) movable part of the transducer (6) with the free end of another two-armed lever (8) is connected, one arm of which is rotatably connected to the free end (23) of the first lever (3) and its relative to the housing fixed pivot point is arranged so that the moving part of the transducer (6) with a predetermined translation relative to the magnet system emotional.

2. Structure-borne sound receiver according to claim 1, characterized in that that the fulcrum of the second lever (8) is suspended by means of a rope (10) is formed on a boom (11) connected to the housing.

3. Structure-borne sound receiver according to claim 1 or 2, characterized in that that the first lever (3) is arranged above the second lever (8).

4. Structure-borne sound receiver according to claim 3, characterized in that that the second lever (8) by means of one or more leaf springs (7) to the free The end of the first lever (3) is hinged.

5. Structure-borne sound receiver according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the free end of the first lever (3) in a Fork (23) runs out, between which the gallows (11) carrying the second lever (8) is arranged

6. Structure-borne sound receiver according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that the coil body (21) with the second lever (8) connected coil (6) consists of electrically non-conductive material.

References considered: U.S. Patents No. 2272984, 2548990.