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Die Erfindung betrifft einen Schallgenerator zur wiederholten Erzeugung
von seismischen Impulsen.
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Bei einer typischen Untersuchungsanordnung verwendet man eine seismische
Energiequelle, in der Mischungen von Luft und Propan wiederholt am oberen Ende eines
länglichen Rohres gezündet werden. Das untere Ende des Rohres ist mit der Erde durch
Eintauchen in Wasser gekuppelt. Wenn die Verbrennung in dem Rohr nach unten wandert,
entsteht eine Detonation. Die hierbei auftretende Wellen- oder Flammenfront erreicht
an der Oberfläche des Wassers eine Endgeschwindigkeit, die wesentlich über der Schallgeschwindigkeit
in der Luft liegt. Der sich hierbei ergebende Aufprall erzeugt seismische Wellen.
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Die Erfindung geht aus von einem Schallgenerator mit einem länglichen
rohrförmigen Teil, der eine Verbrennungszone, in der eine brennbare Mischung mittels
einer Zündvorrichtung gezündet werden kann, eine Eintauchzone, die in Wasser eingetaucht
werden kann, um Schallimpulse in das Wasser abzugeben, und einen Einlaß für die
in der Verbrennungszone zu verbrennende brennbare Mischung aufweist.
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Die Erfindung bezweckt, besondere Maßnahmen vorzusehen, um die Strömungsmittelkomponenten
zu mischen und einer Detonationskammer so zuzuführen, daß in gleichförmigen zeitlichen
Abständen seismische Signale erzeugt werden.
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Gemäß der Erfindung ist ein Schallgenerator der genannten Art gekennzeichnet
durch einen mit dem Einlaß für die brennbare Mischung verbundenen Mischkanal, der
eine Prall- oder Leiteinrichtung zum Bilden eines gewundenen Durchganges für die
brennbare Mischung enthält.
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Durch den gewundenen Durchgang wird ein gutes Mischen der Strömungsmittelkomponenten
erhalten.
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Außerdem wird ein Rückschlagen der Verbrennung verhindert, die in
einem dem Mischkanal nachgeordneten glattwandigen Rohrstück hervorgerufen wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Mischkanal
eine Querschnittsfläche, die wenigstens doppelt so groß wie der Einlaß für die brennbare
Mischung ist.
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Die Prall- oder Leiteinrichtung kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung Platten aufweisen, deren Querschnittsfläche jeweils größer als die
Hälfte der Querschnittsfläche des Kanals ist und die zum Bilden eines Zickzackweges
für die brennbare Mischung längs dem Kanal in Abständen voneinander angeordnet sind.
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Eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Prall-oder Leiteinrichtung wenigstens eine Wand in dem Mischkanal
aufweist, die den Kanal in wenigstens zwei getrennte Kammern trennt, und die eine
Mehrzahl von Löchern aufweist, durch welche die brennbare Mischung aus einer Kammer
in die nächste strömen kann.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 einen abgewandelten Strömungsmittelmischer und F i g. 3 eine abgewandelte
Mischvorrichtung.
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Es konnte festgestellt werden, daß ein sich regelmäßig wiederholender
Betrieb nur erzielt werden
kann, wenn die die Brennstoffmischung bildenden Strömungsmittelkomponenten
gründlich vermischt und ineinander dispergiert sind. Für seismische Untersuchungen
ist es erwünscht, daß zwischen jeder Zündung und der Ankunft einer Detonationswelle
an der Mündung des Detonationsrohres gleiche Zeitintervalle liegen. Seismische Aufzeichnungen
werden im allgemeinen so vorgenommen, daß noch zeitliche Anderungen in der Größenordnung
von l Millisekunde leicht erkennbar sind. Aus diesem Grunde muß die Energiequelle
regelmäßig arbeiten und darf sich vorzugsweise in einem Toleranzbereich von weniger
von 1 Millisekunde nicht ändern. Ferner ist es für viele Anwendungen erwünscht,
wiederholt gleichartige seismische Wellen zu erzeugen, um entweder ein im wesentlichen
kontinuierliches Diagramm oder Profil der unterirdischen Formation mit einem beweglichen
System zu gewinnen oder aber, um bei einer statischen Anordnung das Verhältnis von
Signal zu Störgeräusch zu verbessern. Angestrebt ist die Schaffung einer Mischvorrichtung,
die einen sich regelmäßig wiederholenden Betrieb ermöglicht und insbesondere ein
vollständiges Erlöschen eines ersten Brenn- oder Detonationszyklus sicherstellt,
um im unmittelbaren Anschluß einen zweiten Zyklus einleiten zu können.
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Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung enthält ein Detonatorrohr
10, dessen untere oder Auslaßöffnung 11 unterhalb der Erdoberfläche 12 in Wasser
eingetaucht ist. Das Detonatorrohr 10 ist sehr stark vergrößert dargestellt und
verkörpert das von einem Schiff 13 getragene Rohr 10'. In der dargestellten Ausführungsform
besteht das Detonationsrohr 10 aus einem unteren Abschnitt von erheblichem Durchmesser
und einem oberen Abschnitt 14 von wesentlich kleinerem Durchmesser.
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Am oberen Ende des Abschnittes 14 ist ein Durchflußsystem angeschlossen,
welches so ausgebildet ist, daß es für eine richtige Vermischung der Strömungsmittelkomponenten
und auch für ein Erlöschen der auf jeden Schußzyklus folgenden Verbrennung sorgt.
Dem Detonatorrohrabschnitt 14 wird aus einem Mischkanal (einer Mischkammer) 15 eine
Brennstoffmischung zugeführt. Die Brennstoffmischung besteht aus Luft aus einer
Quelle 16, Sauerstoff aus einer Quelle 17 und einem Brennstoffgas aus der Quelle
18, jeweils in den geeigneten Proportionen. Als Brennstoff hat sich Propangas als
besonders geeignet erwiesen. Die Gaskomponenten werden mit Hilfe der Mischer 19
und 20 und der Leitung20b der Mischkammer 15 zugeführt. Die Mischung strömt von
der Kammer 15 in den Rohrabschnitt 14, den unteren, erweiterten Abschnitt des Detonationsrohres
10 und dann von dort über die Auslaßöffnung 11 aus dem Rohr heraus.
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Die Strömungsmittelkomponenten strömen kontinuierlich aus den Quellen
16, 17 und 18, um eine Brennstoffmischung zu bilden. Die Luft wird der Mischkammer
19 über eine Einlaßleitung 19 a zugeführt, während die Zufuhr des Sauerstoffes über
die Leitung 19 b erfolgt. Ein Gehäuse, welches einen Abschnitt des Durchflußkanals
umhüllt, bildet eine Kammer, in der der Sauerstoff zugeführt wird. wie schen der
Einlaßleitung 19 a und der Auslaßleitnng 19 c befindet sich eine Venturi-Düse. Der
in der Kammer außerhalb des Durchflußkanals 19a, 19 c befindliche Sauerstoff wird
in den Luftstrom aus der Quelle 16 hineingezogen. Die Sauerstoff-Luft-Strömung gelangt
dann über die Leitungl9c zu einem
ähnlichen Mischer 20, in dem über
die Leitung 20a das Brennstoffgas zugeführt wird.
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Die Auslaßleitung 20b ist mit dem oberen Ende der mit Strömungshindernissen
besetzten Mischkammer 15 verbunden. Die Kammer 15 besteht aus einem relativ weiten
Rohr, in das eine Reihe von Prallplatten eingebaut ist. Die Platte 15 a ist D-förmig
und hat einen Radius, der gleich dem Innenradius des Rohres 15 ist. Der kreisförmig
ausgebildete Rand der Platte ist an der Innenfläche des Rohres angeschweißt. Die
Abmessung der Platte 15 a in einer senkrecht zur freien Kante verlaufenden Richtung,
d. h. in einer Richtung, die senkrecht auf einer durch die Achse des Rohres 15 hindurchführenden
Linie steht, ist vorzugsweise größer als der Radius des Rohres 15. Eine zweite Prallplatte
15 b und auch die weiteren, in der F i g. 1 dargestellten Prallplatten sind abwechselnd
an gegenüberliegenden Seiten des Rohres 15 durch Schweißung befestigt, so daß das
Strömungsmittelgemisch einen gewundenen Pfad durchlaufen muß, ehe es in das Detonationsrohr
14 eintreten kann. Die in der Strömung an jedem einzelnen der verschiedenen Hindernisse
des Durchflußpfades hervorgerufene Turbulenz führt zu einer gründlichen Durchmischung
der Gaskomponenten, so daß eine gleichförmige Brennstoff-Gasmischung am Austrittsende
der Kammer 15 erscheint.
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Die Detonation der Mischung wird mit einer Vorrichtung eingeleitet,
zu dem ein Zünder 30 gehört. Weiterhin ist eine Nebenkammer 31 vorgesehen, die am
oberen Abschnitt 14 des Detonationsrohres angebracht ist und sich senkrecht zu dieser
erstreckt.
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Der Zünder 30, der vorzugsweise eine Zündkerze sein kann, ist in der
Nebenkammer angebracht. Der Zünder 30 ist über Leitungsverbindung 32 mit einem Impulsgeber
33 verbunden. Der Impulsgeber 33 wird von einem Steuerschalter 34 periodisch betätigt,
um den Zünder an Spannung zu legen und die Verbrennung der Mischung einzuleiten.
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Nach der Verbrennung der Mischung in der Nebenkammer 31 schreitet
die Flammenfront in beiden Richtungen fort. In abwärtiger Richtung vergrößert sich
die Geschwindigkeit der Flammenfront bis zur Entstehung einer Detonationswelle,
wenn die Flammenfront eine Geschwindigkeit erreicht, die wesentlich über der Schallgeschwindigkeit
liegt und letztlich einen im wesentlichen konstanten Wert annimmt. Die Detonationswelle
und die diese Welle begleitenden Verbrennungsprodukte beaufschlagen die Oberfläche
des Kopplungsmediums an der Mündung des Rohres 10, um seismische Wellen zu erzeugen.
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Wenn die Flammenfront durch die Prallplattenanordnung 15 nach oben
wandert, kommt es durch die Änderung der Mischung oder die Art des Strömungspfades
oder durch Kombination der beiden vorerwähnten Fakten zu einem Erlöschen der Flamme.
Auf alle Fälle hört die Verbrennung augenblicklich nach der Detonation einer Ladung
des Brennstoffgemisches in dem Detonatorrohr auf. Das Rohr 10 wird dann wieder durch
die von den Quellen 16, 17 und 18 kommenden Komponenten mit einer Brennstoffmischung
nachgeladen.
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Die Prallplattenkammer 15 dient somit einem doppelten Zweck, da sie
eine innige und gründliche Mischung der in den Mischern 19 und 20 zu einer gemeinsamen
Strömung zusammengefaßten Strömungsmittel fördert und auch die Verbrennung der
Mischung
zum Erlöschen bringt. Mit Hilfe der beschriebenen Anordnung kann der Zünder 30 in
kurzen Intervallen, z. B. alle 1 bis 3 Sekunden, erregt werden, um auf verläßlichem
Wege wiederholte seismische Impulse von gleichförmiger Wiederholungsfrequenz zu
erzeugen.
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In der Praxis hat es sich als besonders günstig erwiesen, den Zünder
30 in einem Zweigpfad oder einer von dem Rohrstück 31 gebildeten Nebenkammer anzuordnen.
Die auf diese Weise vorgesehene Abschirmung des Zünders sorgt dafür, daß der letztere
nicht durch Wasser gestört oder beeinträchtigt werden kann, welches im Entstehungsaugenblick
einer jeden Detonationswelle in die Vorrichtung eindringt. Somit ermöglicht die
Anlage, Serien von Schallimpulsen zu erzeugen.
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Das Detonatorrohr 10 ist mit einer Mehrzahl von Ventilen, beispielsweise
den Ventilen 40 und 41, versehen, welche mithelfen, den Zünder gegen störende Einflüsse
zu schützen. Wie dargestellt, bestehen die Ventile aus einfachen, einseitig gelagerten
Klappen, die Öffnungen in den Wandungen des Rohres 10 verschließen, wenn der Druck
im Inneren des Rohres den äußeren Druck übersteigt. Wenn der atmosphärische Druck
außerhalb des Rohres den Druck im Inneren des Rohres übersteigt, öffnen sich die
Ventile 40 und 41, um einen Lufteintritt zu ermöglichen und auf diese Weise den
Druck auszugleichen und ein Ansaugen der Kopplungsflüssigkeit in die Anlage zu verhindern.
Bei praktischen Erprobungen wurden vier Ventile verwandt, welche mit vier Einlaßöffnungen
mit je einem Durchmesser von 25 mm zusammenarbeiteten, die sich jeweils 60 cm unterhalb
des Abschnittes 14 befanden. Die Ventile 40 und 41 ermöglichten eine wirksame Abschirmung
des Zünders 30 und verhinderten Zündstörungen.
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Mit der so weit beschriebenen Anlage kann ein Boot über einen genau
abgesteckten Kurs gefahren werden und dabei eine Gruppe von seismischen Detektoren
hinter sich her schleppen, die mit einem Kabel 45 verbunden und angeschlossen sind.
Das Kabel 45 wird mit Hilfe eines Schwimmers 46 und eines Tiefenruders 47, welche
in geeigneter Weise mit dem Boot 13 und miteinander gekuppelt sind, im wesentlichen
auf gleicher Wassertiefe gehalten.
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Die durch das Kabel 45 übertragenen Signale werden über die Kabeltrommel
47 einem Verstärker 48 zugeführt von dem die Signale vorzugsweise in eine Vorrichtung
49 gelangen, in der diese Signale aus dem Kabel 45 mit Signalen früherer seismischer
Ereignisse kombiniert werden. Die kombinierten Signale werden über einen Kanal 50
einer Aufzeichnungsvorrichtung 51 zugeführt. Vorzugsweise ist eine Präzisionsenergiequelle
52 vorgesehen, die den Antriebsmotor 53 des Signalkombinators 49 in zuvor festgelegter
Beziehung zum Motor 54 der Aufzeichnungsvorrichtung 51 antreibt. Die Welle 55 des
Motors 54 trägt eine Mehrzahl von Schaltnocken.
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Ein erster Nocken 56 dient zur Betätigung des Steuerschalters 34,
derart, daß die von dem Impulsgeber 33 und dem Zünder 30 erzeugten Detonationswellen
wiederholt und in Synchronismus mit den Bewegungen der schreibenden Aufzeichnungsvorrichtung
51 und dem Signalkombinator 49 entstehen. Der Nocken 57 betätigt einen Steuerschalter
58, welcher über einen Schalter 58 a mit dem Steuergerät 59 verbunden ist, welches
durch Einstellung des Ventils 60 den Zustrom des Brennstoffgases von der Quelle
zum
Mischer 20 regelt. Die Brennstoffzufuhr kann, wenn es sich um
Impulsfrequenzen in der Größenordnung von 1 Impuls alle drei Sekunden handelt, so
begrenzt werden, daß sie nur während der Hälfte der Arbeitszeiten erfolgt. In ähnlicherWeise
steuert der Nocken 61 den Steuerschalter 62, welcher über den Schalter 62 a mit
einem Steuergerät 63 verbunden ist, das seinerseits ein Steuerventil 64 verstellen
kann, um die Zeit zu beschränken, in der Sauerstoff aus der Quelle 17 zugeführt
wird. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß ein kontinuierlicher Luftstrom
nach jedem einzelnen Detonationszyklus das Rohr von Verbrennungsprodukten befreit.
Anschließend wird dann die Strömung des Brennstoffgases und des Sauerstoffes wieder
hergestellt, um in dem Rohr 10 die gewünschte Mischung zu erzeugen, bevor es zur
nächsten Erregung des Zünders 30 kommt. Durch eine Aufrechterhaltung der Sauerstoff-
und Brennstoffströmung können fortlaufende Impulsserien erzeugt werden. Es konnte
festgestellt werden, daß man einen verläßlichen Betrieb auch dann erreicht, wenn
man nur Luft und ein Brennstoffgas verwendet, wobei dann die Zugabe von Sauerstoff
nur dazu dient, die Größe der Energie in der Detonationswelle beim Aufprall auf
das Wasser an der Auslaßöffnung des Detonatorrohres zu vergrößern. Mit oder ohne
Zugabe von Sauerstoff können jedoch wiederholt Impulse erzeugt werden mit nur kleinen
zeitlichen Schwankungen zwischen der Zündung an der Zündkerze 30 und dem Aufprall
der sich ergebenden Detonationswelle. Zulässige Abweichungen können in der Größenordnung
von 1 Millisekunde liegen. Es ist zu beachten, daß Schwankungen in der Detonationszeit
dazu führen, daß Daten des schreibenden Aufzeichnungsgerätes 51 unpräzise und unklar
werden, während gleichförmige Detonationsintervalle die Aufzeichnungen von scharfen
und präzisen Linien ermöglichen, von denen jede die Anwesenheit einer unter Tage
liegenden Reflexionsebene zeugt. Wenn auch die zulässigen Schwankungen etwas von
dem gewünschten Ergebnis abhängen, so hat es sich als am günstigsten erwiesen, diese
Schwankungen auf einen Wert, der kleiner als 1 Millisekunde ist, zu beschränken.
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Bei einer Ausführungsform bestand der untere Abschnitt des Detonatorrohres
10 aus einem Rohrabschnitt mit einer Länge von 6,60m und einem Durchmesser von 152
mm. Der obere Abschnitt 14 des Detonatorrohres war 60 cm lang und hatte einen Durchmesser
von 50,08 mm. Die Nebenkammer 31 bestand aus einem kurzen, einseitig geschlossenen
Rohr von 31,75 mm Durchmesser. Es hat sich als günstig erwiesen, den Zünder 30 in
einem Abstand von etwa 7,5 cm von der Achse des Abschnittes 14 anzuordnen. Die Öffnung
am Auslaßende 11 hatte einen Durchmesser von 10 cm.
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Als Mischkammer 15 diente ein 52,5 cm langer Abschnitt eines Rohres
eines Durchmessers von 101,60 mm mit sechs Prallplatten, die voneinander einen Abstand
von etwa 7,5 cm hatten und jeweils von der Rohrwandung in die Kammer 15 bis zu einem
Punkt hineinragten, der etwa 6 mm jenseits der Rohrachse lag, so daß die Ränder
der Prallplatten einander um etwa 12 mm überlappten.
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Bei der zuvor erwähnten Vorrichtung wurden Durchflußgeschwindigkeiten
nachfolgender Größe verwendet. Das aus der Quelle 18 kommende flüssige Propan wurde
mit einer Geschwindigkeit von
47,3 Liter/Stunde zugeführt. Die Strömung des Sauerstoffgases
erfolgte mit einer Geschwindigkeit von 21,2 m8/Stunde. Nachdem man die Strömungsgeschwindigkeiten,
wie zuvor angegeben, eingestellt hatte, wurde die Strömung der Druckluft stetig
gesteigert, bis wiederholt Zündungen erfolgten. Die Luftströmung wurde im wesentlichen
in der Größenordnung von 4, 11 m3/Minute gehalten bei einem Druck von 7 kg/cm2.
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In der Zündanlage wurde einer Funkenstrecke von etwa 3 mm Länge eine
Spannung in der Größenordnung von 5000 Volt zugeführt. Die Energie betrug etwa 1,5
Wattsekunden.
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In der F i g. 2 ist eine abgewandelte Ausführungsform eines Mischers
dargestellt, der ähnlich arbeitet, wie die Mischer 19 und 20 aber einen durchlaufenden
Kanal 21 mit einem Abschnitt von vermindertem Querschnitt aufweist. Im mittleren
Abschnitt 22 des Kanals 21 ist eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen vorgesehen, so
daß eine Venturiwirkung entsteht und die Strömungsmittel aus der Kammer 23 in das
Rohr 21 hineingesaugt werden. Diese Vorrichtung arbeitet zufriedenstellend, wenn
Sauerstoff und ein Niederdruckgas oder ein sonstiges Brennstoffgas in den Luftstrom
hineingesaugt werden soll.
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Es soll nun auf die Fig.3 Bezug genommen werden, in der eine brauchbare
abgewandelte Ausführungsform der Mischkammer dargestellt ist. Hier ist eine Mehrzahl
von glockenförmigen Kammern 70, 71, 72, 73 mit Hilfe von Wandungsperforationen 74
so zusammengeschaltet, daß die in einer der Eintrittsöffnung 75 zugeführten Luftströmung
mitgeführten Komponenten eine gründliche Durchmischung erfahren, während sie die
Öffnungen 74 zwischen den Kammern 70 bis 73 durchströmen. Im Endergebnis entsteht
eine Brennstoff-Gasmischung gleichförmiger Ausbildung, die dann von der Kammer 73
in den oberen Abschnitt 14 des Detonatorrohres einströmt.
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Eine Mischkammer dieser Art ist leicht dadurch herzustellen, daß man
Rohrfittinge in geeigneter Weise zusammenschweißt. Bei einer Ausführungsform dieser
Art wurden nur zwei Kammern mit einer einzigen Gruppe von Wandungsperforationen
zwischen den beiden Kammern verwendet. In allen Fällen ergab sich eine innige und
gründliche Mischung, wie sie hier benötigt wird, um einen gleichförmigen Betrieb
der Vorrichtung zu ermöglichen.
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Die in der vorstehend beschriebenen Anlage erzeugten Wellen sind
zur Durchführung seismischer Untersuchungen bis zu Tiefen von mehreren tausend Metern
geeignet. Das schreibende Aufzeichnungsgerät 51 liefert ein graphisches Diagramm
über den Verlauf unterirdischer reflektierender Schichten. Die Schallquelle ist
besonders geeignet, da die vorherrschende Frequenz der entstehenden Wellen bei den
sich wiederholenden Ereignissen im wesentlichen gleich bleibt und innerhalb des
Frequenzbandes liegt, das normalerweise für die seismische Untersuchung verwendet
wird. Die vorherrschende Frequenz liegt in der Größenordnung von 30 bis 100Hz. Wenn
auch bei der Verwendung von Luft, Sauerstoff und einem Brennstoffgas, wie beispielsweise
Propan, als Brennstoffmischung akustische Impulse mit sehr großer Energie erzeugt
werden, so sei doch noch erwähnt, daß immer dann, wenn auch ein Betrieb mit einem
geringeren akustischen Pegel ausreichend ist, eine vereinfachte Schallquelle verwendet
werden
kann. Speziell hat sich herausgestellt, daß Luft und Niederdruckgas,
welches man an einem einfachen T-förmigen Anschlußstück am oberen oder Einlaßende
der Kammer 15 zuführt, in dem gewundenen Kanal so gemischt wird, daß man einen verläßlichen,
sich regelmäßig wiederholenden Betrieb erhält. In einer solchen Anlage wurde eine
Mischkammer 15 der zuvor beschriebenen Art in Verbindung mit einem Detonatorrohr
verwendet, dessen unterer Abschnitt einen Durchmesser von 3"hatte und eine Länge
von etwa 6,90 m aufwies. Im letzterwähnten Falle wurde der Detonator oder die Zündkerze
30 unmittelbar in ein T-Stück eingesetzt, welches man am unteren oder Auslaßende
der Misebkammer 15 vorsah.
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Es versteht sich, daß an Stelle der Mischer 19 und 20 auch andere
Mischvorrichtungen verwendet werden können. Bei einer Ausführungsform wurde der
Sauerstoff-Luft-Mischer 19 fortgelassen und dafür ein Mischer entsprechend der Kammer
15 verwendet.
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Sauerstoff und Luft wurden mit einem T-Stück am Einlaßende dieser
Kammer zu einem gemeinsamen Strom zusammengeführt. Der Ausgang dieser Kammer wurde
dann mit dem Mischer 20 verbunden, dessen Ausgang dann seinerseits am oberen Ende
des Mischers 15 in der in F i g. 1 dargestellten Weise zugeführt wurde.