DE1498011A1 - Vorrichtung zur Erzeugung akustischer Impulse zur Untersuchung von unter Wasser liegenden Formationen - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Erzeugung aKustischer „ntersuchung von unter Wasser liegenflen Fonnatio-

nen.

Die Erfindung bezieht sich auf seismische üntersuchun_gen und insbesondere auf eine seismische Quelle zur Verwendung hei seismischen Untersuchungen auf See.

Bei seismischen Untersuchungen von unter Wasser liegen_den Formationen werden seismische Starungen im Wasser von einem Boot aus erzeugt. Die dabei entstehenden attischen _IfflPulse werden von den unter Wasser liegenden rentiert und zur Herstellung von seismischen Aufzeichnungen aufgenommen. Bei einer zur Zeit verwendeten Anlage wer_den seismische Störungen dadurch erzeugt, da* wiederholt in einer ReaKtio—er, die ein an das Wasser angekoppeltes offenes Ende aufweist, ein brennbares Gemisch aus Luft, reinem sauerstoff und Propan zur Explosion gebracht wird.

Allgemein wird durch die Erfindung eine neue seismische

909807/0639

1490011

Quelle zur Verwendung bei seismischen Untersuchungen auf See geschaffen. Die Quelle weist eine starre Primärkammer mit einem an das Wasser anzukoppelnden Auslaßende und einer Ventilvorrichtung auf, welche das Auslaßende öffnet und schließt. Zur Betätigung der Ventilvorrichtung zum Verschließen des Auslaßendes sind Mittel vorgesehen. Außerdem sind Mittel vorgesehen, mit denen ein Strömungsmittel in die Kammer eingeführt wird, wenn die Ventilvorrichtung in Schließstellung ist, um einen Strömungsmitteldruck in der Kammer zu erzeugen, der wesentlich größer als der hydrostatische Druck des Wassers am Auslaßende ist. Sobald der Druck in der Kammer einen gewünschten Höchstwert erreicht, wird das Ventil zur Öffnung des Auslaßendes betätigt, um dem in der Kammer unter Druck stehenden Strömungsmittel den Austritt in das Wasser zu ermöglichen, wodurch ein akustischer Impuls erzeugt wird.

Bei einer Ausführungsform ist das zur Beaufschlagung der Kammer verwendete Strömungsmittel Luft. In einer weiteren Ausführungsform wird ein brennbares Strömungsmittel, wie z.B. Dieselöl, in die Kammer eingeführt und gezündet, um durch die Verbrennung einen hohen Gasdruck in der Kammer zu erzeugen. In der zuletzt genannten Ausführungsform wird das Ventil zur Öffnung des Auslaßendes betätigt, wenn im Anschluß an die Zündung der Druck in der Kammer auf einen gewünschten Höchstwert ansteigt, der über dem hydrostatischen Druck des Wassers liegt.

909Ö-Ö7/Ö63S'

Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet dadurch die Notwendigkeit, reinen Sauerstoff und Propan zu verwenden, die in gewissen Gebieten der Erde schwierig zu erhalten sind, in denen jetzt seismische Untersuchungen stattfinden. Weitere Vorzüge der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß die Speicherung des Brennstoffes keine Schwierigkeiten macht, da Luft reichlich vorhanden ist und Dieselöl aus dem Brennstoffvorrat des Bootes z.B. ebenfalls.

Bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung führt die Freilassung des unter Druck stehenden Gases aus der Kammer dazu, daß eine große sieh ausdehnende Gasblase entsteht, welche das Auslaßende der Kammer umgibt. Während die Blase noch das Auslaßende umschließt, wird das Ventil in Schließstellung gebracht, um das Wasser daran zu hindern, anschließend in die Kammer einzutreten. Die Kammer wird dadurch wasserfrei gehalten und kann wiederholt zur Erzeugung von akustischen Impulsen in kurzen Zeitzwischenräumen verwendet werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind Mittel vorgesehen, welche den Strömungsmitteldruck in der Primärkammer ausnutzen, um das Ventil für eine gewünschte Zeitspanne geschlossen zu halten. Zusätzlich sind Mittel vorgesehen, die den Strömungsmitteldruck in der Primärkammer verwenden, um damit die Ventilvorrichtung zur öffnung des Auslaßendes zu betätigen.

Im einzelnen enthält das Ventil ein spulenförmiges Glied,

909807/06 39

das einen ersten und einen zweiten Teller aufweist, die über ein Verbindungsglied zusammenhängen. Wenigstens der zweite Teller des Ventils wird so gehalten, daß er in der Primärkammer bewegbar ist. Es sind Mittel vorgesehen, um das Ventil in eine Schließstellung zu bewegen, in welcher der erste Teller das Auslaßende der Kammer verschließt. In der Schließstellung bildet wenigstens ein Teil der Innenfläche des ersten Tellers einen Teil der Innenwandfläche der Kammer; die Außenfläche ist dem Wasser ausgesetzt. Die Fläche der Projektion der Innenfläche des zweiten Tellers auf eine Ebene, die normal zur Ventilachse liegt, ist grosser als die Fläche der Projektion des inneren Flächenabschnittes des ersten Tellers auf die gleiche Ebene. Der zweite Teller hat daher für die Einwirkung von Strömungsmitteldruck parallel zur Ventilaehse einen größeren Inneren Flächenbereich als der erste Teller. Weiter sind Mittel vorgesehen zur Bildung einer zweiten Kammer mit der Außenfläche des zweiten Tellers bei Schließung des Ventils. Diese Kammer wird gewöhnlich auf einem verhältnismäßig niedrigen Druck gehalten. Wenn daher das Ventil in die Schließstellung bewegt und die Primärkammer unter Druck gesetzt wird, wird durch den Strömungsmitteldruck ein Kraftüberschuß auf das Ventil in eine dem Auslaßende entgegenliegende Richtung ausgeübt, wodurch das Ventil geschlossen gehalten wird. Wenn es erwünscht ist, einen akustischen Impuls zu erzeugen, wird die zweite Kammer an das unter Druck stehende Gas in

der Primärkammer angeschlossen. Auf diese Weise wird zusätzliche Kraft auf das Ventil ausgeübt, um den am Ventil angreifenden, vorerwähnten Kraftüberschuß zu überwinden und dadurch das Ventil in eine Öffnungsstellung zu drücken, in der das unter Druck stehende Gas aus der Primärkammer freigesetzt wird.

Weitere Vorzüge und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen beispielsweise erläutert und dargestellt sind. Es zeigen; Fig. I eine schematische Darstellung einer seismischen

Quelle nach der Erfindung,

Fig, II zur Erläuterung der Erfindung dienende Kurven, Fig. III eine ausführliche Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. IV einen vergrößerten Querschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. III entlang der Linie 4-Ψ, Fig. V eine ausführliche Darstellung einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung, Fig. VI den Teil eines Schnittes entlang der Linie 6-6

der Fig. V und
Fig. VII eine Abwandlungsform der Vorrichtung nach Fig. V.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen seismischen Quelle zur Erzeugung akustischer Impulse enthält eine Kammer Io, die vom Boot aus durch ein Kabel 11 im Wasser gehalten wird und ein an das Wasser an-

909307/0639

gekoppeltes Auslaßende 12 aufweist. Ein schnellöffnendes Ventil, das hier durch das spulenförmige Ventil 15 dargestellt ist, ist zur öffnung und Schließung des Ausladendes vorgesehen. In die Kammer wird Strömungsmittel durch in Fig. I nicht dargestellte Mittel eingeführt, um einen hohen Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer zu erzeugen. Zu einem gewünschten Zeitpunkt wird das Ventil 13 betätigt, um dem unter Druck stehenden Strömungsmittel den Austritt in das Wasser in kürzester Zelt zu ermöglichen. Der Druck im Wasser steigt dadurch schnell auf einen Höchstwert an, um einen Druckimpuls zu erzeugen, der z.Zt. a in Fig. II angedeutet ist und der den akustischen Impuls liefert.

In der Vorrichtung nach Fig. I ist das eingeführte Strömungsmittel ein Gas, z.B. unter Druck eingeblasene Luft, mit welcher ein hoher Gasdruck in der Kammer zur Erzeugung eines akustischen Impulses hergestellt wird. In einer außerdem beschriebenen weiteren Ausführungsform wird ein brennbares Strömungsmittel, wie z.B. Dieselöl, in eine geschlossene Kammer eingeführt und gezündet, um einen hohen Gasdruck innerhalb der Kammer zu erzeugen. Ein schnellöffnendes Ventil wird zur Freisetzung des unter Druck stehenden Gases zu einem gewünschten auf die Zündung folgenden Zeitpunkt betätigt, um einen akustischen. Impuls zu erzeugen. Bei Betätigung der Vorrichtungen nach diesen Ausführungsformen wird eine große Oasblase 13*, Fig. I, Im Anschluß an die Freisetzung des unter Druck stehenden Gases in das Wasser gebildet. Die Bildung

9 09007/063 9

H98011

der Blase erzeugt einen negativen Impuls, der zur Zeit b in Pig. II dargestellt ist, und gewöhnlich einen zweiten Druckimpuls, der zur Zeit c in der Kurve A dargestellt ist. Weiter unten werden noch Mittel erläutert, mit weichen die Amplitude und Frequenz des sekundären Druckimpulses vermindert werden können, wie durch die Kurve B dargestellt wird, Fig. I läßt erkennen, daß der Luftdruck innerhalb der Kammer verwendet wird, um das Ventil in einer geschlossenen Stellung zu halten, während der Druck auf einen gewünschten Höchstwert ansteigt, und um ferner das Ventil zur öffnung des Auslaßendes zu betätigen. Im einzelnen weist das spulenförmige Ventil einen ersten Teller 14 auf, der über ein Verbindungsglied 15 mit einem zweiten Teller l6 zusammenhängt. Das Ventil wird durch in Fig. I nicht dargestellte Mittel in eine Schließstellung bewegt, in welcher ein Gummidichtungsring und Sitz 17. die Innenfläche l8 des Tellers 14 zur Abdichtung des Auslaßendes berührt. Der Innendurchmesser des Dichtungsringes 17 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser des oberen Tellers l6. Daher hat der Teller l6 eine große Innenfläche für die Einwirkung von Strömungsmitteldruck parallel zur Ventilachse. Wenn das Ventil in geschlossener Stellung ist, berührt der Gummidichtungsring und Sitz 2o, der an dem Bauteil 21 vorgesehen ist, die Oberseite 22 des Tellers l6, um einen Ringraum oder eine Kammer 23 zu bilden, die gegen die Kammer Io abgedichtet ist. Der Druck in der Kammer 23 wird durch in Fig. I nicht dargestellte Mittel ge-

909807/0839

wohnlich auf einem Wert gehalten, der geringer als der des Druckes innerhalb der Kammer Io 1st und tatsächlich im Bereich des Atmosphärendruckes liegt. Wenn daher die Kammer Io unter Druck gesetzt wird, wirkt eine aufwärts gerichtete Überschußkraft auf das Ventil 15 und hält dadurch das Ventil in Schließstellung. Falls ein akustischer Impuls erzeugt werden soll, wird das Sölenoidventil 24 betätigt, um dem unter Druck stehenden Gas in der Kammer Io den Übergang in die Kammer 2j5 zu ermöglichen. Dadurch wirkt eine zusätzliche Kraft auf die Oberseite 22 des Tellers l6 ein, um den am Ventil angreifenden aufwärts gerichteten Krafttiberschuß zu überwinden, so daß die Dichtung zwischen der Kammer und dem Ventil unterbrochen wird. Die Druckluft in der Kammer Io drückt dann das Ventil 13 in kürzester Zeit abwärts und wird dadurch schnellstens in das Wasser freigesetzt, um einen akustischen Impuls zu erzeugen. Der Behälter 25 dient als Anschlag für das Ventil, nachdem es ausreichend abwärts bewegt worden ist, um den Austritt des unter Druck stehenden Gases zu ermöglichen. Im einzelnen wirkt das Wasser in dem Behälter 15, sobald der Teller 14 des Ventiles IJ> sich dem Behälter nähert und in diesen eintritt, als Bremse für die Ventilbewegung.

An Hand von Fig. III wird die in Fig. I dargestellte Vorrichtung, in der Druckluft in die Kammer zur Erzeugung von akustischen Impulsen eingeführt wird, mehr ins einzelne gehend erläutert. Dabei haben gleiche Elemente die glel-

909807/0639

chen Bezugszeichen wie in Fig. I.

Das Ventil 13 wird hin- und herbeweglich in der Kammer Io durch Mittel gehalten, zu denen ein Trägerglied 3o und Lagermittel 31 gehören. Der Dichtungsring 1? wird von dem Teil 32 gehalten, welcher das Auslaßende bildet. Dieser mit dem unteren Ende der Kammer Io verbundene Teil ist vorgesehen, um den Zusammenbau und das Auseinandernehmen der Vorrichtung zu erleichtern. Ein Dichtungsring 33 ist als Abdichtung zwischen dem Teil 32 und dem unteren Ende der Kammer Io angeordnet. Der den Dichtungsring 2o stützende Bauteil 21 wird von Stangen 33 ·, siehe auch Fig. IV, getragen und ist mit dem Teil 32 verbunden. Der Bauteil 21 enthält ein erstes scheibenförmiges Glied Jk₃ das an die Stangen 33* gekuppelt ist, und ein zweites scheibenförmiges Glied 35 mit geringerem !Durchmesser, das sich unter dem Glied 3^ zwischen den Stangen 33* erstreckt. Der Dichtungsring 2o wird in einem ringförmigen Glied 36, siehe auch Fig. IV, gehalten, das durch eine Mehrzahl von Federn 37 nach unten vorgespannt ist. Diese Federn sind in öffnungen 38, Fig. IV, angeordnet, welche im Ring 36 ausgebildet sind, und dienen dazu, den Ring 36 und damit den Dichtungsring 2o in Richtung auf die Oberseite 22 des Tellers l6 zu drücken. Diese Anordnung gewährleistet, daß der Dichtungsring 2o die Fläche 22 zur gleichen Zeit berührt, wenn der Dichtungsring 17 die Fläche 18 berührt, selbst wenn die Abmessungen der Dichtungsringe auf Grund von Abnutzungen sich ändern, so daß

909807/0639

- Io -

die erforderliche Dichtung zwischen den Dichtungsringen und den entsprechenden Flächen aufrechterhalten wird. Zwischen der Scheibe 35 und dem Ring 36 wird durch einen Dichtungsring 39 eine Dichtung hergestellt.

Wenn das Ventil 13 in Schließstellung ist, ist die da-' durch gebildete Kammer 23 an die Atmosphäre angeschlossen, um zu verhindern, daß sich ein Druck in der Kammer 23 aufbaut, falls zwischen den Abdichtungen ein Leck auftritt. Der Strömungsweg von der Kammer 23 zur Oberfläche verläuft über die Leitung 4o, den in einer der Stangen 33' ausgebildeten Kanal 4l, den im Teil 32 vorhandenen Kanal 42 und die Leitung #3, die zur Oberfläche führt.

Die Vorrichtung zur Bewegung des Ventiles 13 in Schließstellung weist eine Leitung 50 auf, die fest mit den Scheiben 34 und 35 verbunden ist und abwärts in eine Kammer 51 hineinragt, die in dem Verbindungsglied 15 ausgebildet ist. Das Ventil 13 bewegt sich gegenüber der Leitung 5o und wird aus einer unteren Stellung nach oben durch Einblasen komprimierter Luft in die Kammer 51 über -die Leitung 5o und die Öffnung 52 bewegt. Die komprimierte Luft beaufschlagt die obere Fläche der Kammer 51, um das Ventil 13 nach oben zu bewegen. Die Luft wird in die Leitung 5o über einen Strömungsweg eingeblasen, welcher die Leitung 53* den in einer der Stangen 33' ausgebildeten Kanal 54, den im Teil 32 ausgebildeten Kanal 55 und die Leitung 56 aufweist, welche bis zu einer an der Oberfläche liegenden Druckluftquelle 57

909807-/0639

führt. Im Ventilteller l6 und dem Bodenende der Leitung 5o sind Dichtungsringe 57' angeordnet, um zwischen der Leitung und dem Ventil 15 eine richtige Dichtung aufrechtzuerhalten. Zusätzlich sind Lagerglieder 58 im Teller l6 und am Bodenende der Leitung 5o angeordnet, um ein Gleiten des Ventiles 13 gegenüber der Leitung 50 zu ermöglichen.

Die Vorrichtung wird vorzugsweise periodisch betätigt, so daß akustische Impulse wiederholt, beispielsweise mit einer Periode von einem Impuls in jeweils 6 Sek., erzeisgt werden. Eine Mehrzahl von Nocken 6o bis 63, welche von einem Motor 64 angetrieben werden, betätigt in Reihenfolge Schalter 65 bis 68 innerhalb jeder Periode, um die verschiedenen • Bestandteile der Vorrichtung zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu steuern. Der Arbeitsablauf während einer_% Periode wird mit der Annahme beschrieben, daß gerade ein akustischer Impuls erzeugt worden ist und das Ventil 13 sich in Öffnungsstellung befindet. In diesem Zeitpunkt ist das Solenoidventil 24 innerhalb der Kammer Io geschlossen, ebenso wie die SoIenoidventile 69 bis 71» die zur Steuerung des Luftzustrimes in die Kammer Io und aus dieser heraus verwendet werden.

Wie bereits erwähnt, führt die Freisetzung der Druckluft in das Wasser zur Bildung einer großen Luftblase, die vollständig das Auslaßende 12 der Kammer Io umgibt. Während die Luftblase noch das Auslaßende 12 umschließt und noch vor der Zeit, in welcher die Luftblase forttreibt, wird das Ventil 13 in Schließstellung bewegt, um das Wasser am Eintreten

909807/0839

in die Kammer Io zu hindern. Hierzu schließt der Nocken 60 zunächst den Schalter 65, um das Ventil 69 zu öffnen, so daß Druckluft von der Quelle 57 in die Kammer 51 eintreten kann und das Ventil 13 in die Schließstellung bewegt. Danach schließt der Nocken 6l den Schalter 66, der das Ventil 7o öffnet,. um der Druckluft aus der Quelle 57 zu ermöglichen, über die Leitung 72 in die Kammer Io einzufließen. Nachdem der Druck in der Kammer Io ausreicht, um das Ventil 15 in Schließstellung zu halten, gestattet der Nocken 60 die Öffnung des Schalters 65, wodurch der Zustrom von Luft in die Kammer 51 unterbrochen wird. Gleichzeitig oder kurz danach sehließt der Nocken 62 den Schalter 67* um das Solenoidventil 71 zur Entlüftung der Kammer 51 zur Atmosphäre hin über die Leitung 56, 7j5 und das offene Ventil 71 zu ermöglichen. Wenn der Druck in der Kammer Io auf einen gewünschten Höchstwert ansteigt, ermöglicht der Nocken 6l die Öffnung des Schalters 66, wodurch das Ventil 7o schließt, um den Zustrom von Luft in die Kammer Io zu unterbrechen. Zusätzlich wird durch den Nocken 62 die Öffnung des Schalters 67 ermöglicht, so daß das Ventil 71 schließt. Schließlich schließt der Nocken 63 den Schalter 68, so daß das Ventil 24 in der Kammer Io öffnet und den Zustrom von Druckluft aus der Kammer Io über die Leitung 74 in ä±e Kammer 23 ermöglicht, so daß das Ventil zur Erzeugung eines akustischen Impulses betätigt wird. Der innere Durchmesser der Leitung 4o ist kleiner als der der Leitung 74 und der Öffnung des Ventiles 24. Dadurch

909807/0639

steigt der Druck in der Kammer 25 auf einen Wert an, der ausreicht, um die aufwärts gerichtete Überschußkraft am Ventil 15 zu überwinden, so daß die Dichtung zwischen der Kammer und dem Ventil unterbrochen wird. Die Druckluft in der Kammer Io zwingt das Ventil 13 dann in krüzester Zeit nach unten und wird schnellstens in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses freigesetzt.

In einer praktischen Ausführungsform sind die Ventile 24 und 69 bis Jl mit Pedervorspannung arbeitende, solenoidbetätigte Ventile. Der Teller l6 des Ventiles 13 hat einen Durchmesser von 7^!f (I78 mm). Der Dichtungsring 17 hat einen Innendurchmesser von 5 7/8" (149 mm) und einen Außendurchmesser von 6 1/8" (156 mm). Der Außendurchmesser des Verbindungsgliedes 15 ist 2" (51 mm). Außerdem hat der Dichtungsring 2o einen Innendurchmesser von 6 5/4" (171 mm) und einen Außendurchmesser von 7" (178 mm). Der Außendurchmesser der Leitung 5o liegt in der Größenordnung von 5/4" (19 mm). Das Volumen der Kammer Io hat die Größenordnung von 1,3 Kübikfuß (57*2 dnr). In dieser Anordnung kann die Kammer Io bis zu einem Wert in der Größenordnung von 21 kg/cm Überdruck zur Erzeugung eines akustischen Impulses beaufschlagt werden.

Wie bereits angedeutet, sind Mittel vorgesehen, um Sekundärdruekimpulse zu vermindern, die gewöhnlich auf Grund der Schwingung der Gasblase entstehen, die nach dem Freisetzen des unter Druck stehenden Gases in das Wasser gebildet worden ist. Zu diesem Zweck ist eine Mehrzahl von Leitungen

909807/0639

U98Q11

80, siehe Fig. I, vorgesehen, welche Strömungswege zwischen der gebildeten Gasblase und der Oberfläche bilden, um die unerwünschten Sekundärdruckimpulse zu verringern. Die oberen Enden 8l der Leitungen 80 sind zur Oberfläche hin offen, und die unteren Enden 82 sind so angeordnet, daß sie bei Ausdehnung der Gasblase in diese hineinreichen. Die Ventile 85 sind vorgesehen, um gewöhnlich die unteren Enden geschlossen und die Leitungen 80 damit im wesentlichen von Wasser freizuhalten. Die Ventile werden geöffnet, wenn die Blase die unteren Enden der Leitungen einhüllt, um eine Mehrzahl von Strömungswegen zwischen der Blase und der Oberfläche herzustellen, und damit die Bildung von hohen Drücken in der Blase anschließend an die Ausdehnung zu verhindern.

In gewissen Tiefen, in denen seismische Störungen für seismische Untersuchungen erzeugt werden, nimmt der Innendruck der Blase bis unter den Atmosphärendruck ab. Unter diesen Umständen werden die Ventile 83 geöffnet, wenn der Innendruck der Blase auf einen gewissen Wert unter Atmosphärendruck abgesunken ist, um den Zutritt von Luft von der Oberfläche in die Blase zu ermöglichen. Auf diese Weise wird die Schwingungsamplitude der Blase verringert und damit auch die sekundären Druckimpulse.

Zum Steuern des öffnens und Schließens dieser Ventile sind Federn vorgesehen. Wie Fig. I zeigt, ist an einer Leitung 80 ein Ventil 83 bei 84 angelenkt und auf eine Schließstellung durch eine Feder 85 vorgespannt. Wenn der Druck in

9 0 9 Ö 0 7/0839

der Blase 13' auf einen gewissen Wert unterhalb des Atmosphärendruckes sinkt, wird der Druck auf die Oberseite des Ventiles ausreichend groß, um die aufwärts gerichtete von der Peder ausgeübte Kraft zu überwinden und das Ventil in Öffnungsstellung zu drücken.

An Hand der Fig. V wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung beschrieben, bei welcher ein brennbares Strömungsmittel, wie z.B. Dieselöl, in eine Kammer loo eingeführt und gezündet wird, um einen hohen Gasdruck auf Grund der Verbrennung in der Kammer zu erzeugen. Wenn der Druck einen Höchstwert im wesentlichen erreicht hat, wird ein schnellöffnendes, spulenförmiges Ventil Io1 betätigt, um das Auslaßende Io2 der Kammer zu öffnen und den Austritt des Gases in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu ermöglichen.

Für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise Dieselöl verwendet, da es leicht erhältlich ist und benutzt werden kann, um zur Erzeugung akustischer Impulse sehr hohe Drücke hervorzurufen. Bei der Vorrichtung nach Fig. V werden Dieselöl und Luft getrennt in die Kammer loo eingespritzt bzw. -geblasen, so daß eine brennbare Mischung entsteht, die gezündet wird. Die unter Druck stehende Luft wird in die Kammer von einem Luftver dicht er Ioj5 über eine Leitung Io4 eingeblasen. Danach wird unter Druck stehendes Dieselöl in die Kammer in einer kurzen Zeitspanne durch eine Mehrzahl von Düsen Io5, siehe Fig. VI, eingespritzt. Das Dieselöl

909807/0633

149801]

wird in der Kammer mit der unter Druck stehenden Luft zur Bildung eines Brennstoffgemisches vermischt, das durch Heizelemente I06 gezündet wird. Nach Zündung des brennbaren Gemisches aus Dieselöl und Luft steigt der Druck in der Kammer an. Bei Anwachsen des Druckes auf einen Höchstwert wird das Solenoidventil Io7 geöffnet, um das spulenförmige Ventil Io1 zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu betätigen, wie anschließend beschrieben wird.

Zu diesem Zweck ist das spulenförmige Ventil mit einem unteren Teller oder kolbenartigen Kopf Io8 versehen, der durch das Verbindungsglied Io9 mit einem oberen Teller oder kolbenartigen Kopf llo verbunden ist. Der untere Teller Io8 bewegt sieh in einem unteren Kolbenzylinder 111 hin und her und ist mit einem Metalldichtungsring 112 verbunden, der eine Dichtung zwischen dem Auslaßende Io2 der Kammer loo und dem Ventil lol bildet, wenn das Ventil in Schließstellung ist. In gleicher Weise bewegt sich der obere Teller Ho in einem oberen Kolbenzylinder 115 hin und her und ist mit einem Metalldichtungsring versehen, um eine Dichtung zwischen dem Teil 115 der Kammer loo und dem oberen Teller herzustellen, wenn das Ventil geschlossen ist. Der obere Teller Ho ist etwas größer im Durchmesser als der untere Teller Io8, so daß er eine größere Innenfläche für die Einwirkung von Strömungsmitteldruck parallel zur Ventilachse aufweist. Die Durchmesserverhältnisse der beiden Teller sind klarer aus der Fig. VI zu entnehmen, in welcher die äußere Umfangs-

909807/0639

linie des oberen Tellers Ho durch die punktierte Linie llo' zu Vergleiehszwecken dargestellt ist. Eine Rückführfeder 116 ist vorgesehen, um das Ventil lol auf die Schließstellung hin, wie noch erläutert wird, vorzuspannen. Wenn das Ventil geschlossen ist, ist ein Ringraum oder eine Kammer 119, die gegen die Kammer llo abgedichtet ist, zwischen dem oberen Flansch 12o und der Oberseite 121 des oberen Tellers llo vorhanden. Dieser Ringraum ist durch eine kleine Leitung 122 an die Atmosphäre angeschlossen. Wenn daher die Kammer unter Druck steht und das Ventil lol geschlossen ist, greift am Ventil eine aufwartsgerichtete Überschußkraft an, die das Ventil in Sehließstellung zu halten sucht. Wenn der Druck in der Kammer loo seinen Höchstwert erreicht, nachdem das Brennstoffgemisch aus den eingeführten Strömungsmitteln gezündet worden ist, wird das Solenoidventil Io7 geöffnet, um dem unter Druck stehenden Gas in der Kammer loo Über die Leitungen 123 und 124 die Einwirkung im Ringraum I19 zu ermöglichen. Wenn der Druck im Ringraum 119 ausreicht, um die Kraft der Rückführfeder und die Kraft zu überwinden, die durch den Unterschied in der Größe der Ventilteller erzeugt wird, beginnt das Ventil lol, sich in Abwärt sr ich tung zu bewegen. Zusätzlich wird, wenn der Dichtungsring am oberen Ventilteller llo über die öffnungen 125 hinweggeht, die im oberen Kolbenzylinder 112 ausgebildet sind, der Druck auf beiden Seiten des Ventiltellers mehr oder weniger ausgeglichen. Dadurch wird eine große abwärts gerichtete Kraft auf

909809/0633

das Ventil Io 1 durch das unter Druck stehende Gas in der Kammer atisgeübt. Wenn der Dichtungsring am unteren Ventilteller über die Entlüftungsöffnungen 126 hinweggeht, die im unteren Zylinder ausgebildet sind, wird der Druck in der Kammer loo in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses freigesetzt. Das Ventil wird durch einen hydraulische Stoßfänger enthaltenden Bremsbehälter 127 angehalten und durch die Rückführfeder 116 in Schließstellung zurückbewegt. Hydraulische Stoßfänger, welche Kammern 128, Federn 129 und Verbindungsglieder 129' aufweisen, sind im oberen Abschnitt vorgesehen und verlangsamen die Rückbewegung des Ventils während des Schließens.

Die Vorrichtung zum Einspritzen des Dieselöls in die Kammer loo durch die Düsen Io5 weist einen Sammler Ij5o auf, in den das Dieselöl durch die Pumpe Ij51, die an den Vorratsbehälter 132 angeschlossen ist, unter Druck eingepumpt wird. Der Sammler l]5o ist seinerseits über einen Verteiler IjSjJ und die Leitungen 1^4, siehe Pig. VI, an die Düsen Io5 angeschlossen. Das unter Druck stehende Dieselöl wird in die Kammer loo nur während einer kurzen Zeitspanne eingespritzt, um die gewünschte brennbare Mischung herzustellen. Die Leitungen 13²J-haben alle die gleiche Länge, um zu gewährleisten, daß dieselbe Menge öl gleichzeitig durch alle Düsen Io5 eingespritzt wird.

In der Vorrichtung ist eine Trägerleitung l4o vorgesehen, die zusätzlich das Ventil Io1 und die Rückführfeder

.909807/0639

trägt. Lagerglieder l4l sind zwischen der Trägerleitung l4o und dem Verbindungsglied I09 angeordnet. Ein schmierendes Strömungsmittel wird zwischen den Lagergliedern durch Leitungen 142 umgewälzt. Trägerstangen 143 sind zwischen dem oberen und dem unteren Ventilteller des Ventils Io 1 zur zusätzlichen Abstützung angeordnet.

Wie bei der Vorrichtung nach Fig. III wird die Vorrichtung nach Fig, V periodisch betätigt, um mit Wiederholungen akustische Impulse zu erzeugen. Innerhalb jedes Zyklus betätigen die Nocken 15o bis 152, die von einem Motor 153 angetrieben werden, die Schalter 154 bis 156, um die verschiedenen Bestandteile zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu steuern. Die Reihenfolge der Vorgänge während einer Periode wird jetzt unter der Annahme beschrieben, daß ein akustischer Impuls gerade erzeugt worden ist und das Ventil lol in seine Schließstellung zurückgekehrt ist. In diesem Zeitpunkt ist das Solenoidventil I07 geschlossen, ebenso wie die Solenoidventile 157 und 158, die zur Steuerung der Vorgänge in der Vorrichtung verwendet werden.

Bei der Erzeugung eines akustischen Impulses schließt der Nocken 15o zunächst den Schalter 154, um das Ventil 157 zu öffnen, wodurch Druckluft in die Kammer loo einströmen kann. Danach betätigt der Nocken I51 den Schalter 155* um damit das Ventil I58 für eine vorher bestimmte Zeitspanne zu öffnen, welche die Größenordnung von 1/4 Sek. haben kann, wonach das Ventil wieder schließt. Wie erwähnt, wird Diesel-

9Q9807/0S3S

- 2ο -

öl unter Druck in die Kammer loo durch die Düsen Io5 eingespritzt, vermischt sich dort mit unter Druck stehender Luft und wird durch die Heizelemente I06 gezündet. Wenn der Druck auf einen gewünschten Höchstwert angewachsen ist, - die hierfür erforderliche Zeit läßt sich versuchsweise bestimmen -, schließt der Nocken 152 den Schalter 156, so daß sich das Solenoidventil Io7 öffnet. Das Ventil Io7 wird dann betätigt, um das Austreten des in der Kammer unter Druckstehenden Gases in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses, wie oben beschrieben, zu ermöglichen. Nach Erzeugung des akustischen Impulses stößt die Rückführfeder 116 das Ventil Io1 in die Schließstellung. Dies geschieht, während die erzeugte Gasblase das Auslaßende Io2 der Kammer loo umschließt, und noch vor der Zeit, in der die Gasblase forttreibt.

Für die Erzeugung akustischer Impulse ist es bei der Vorrichtung nach der Fig. V erwünscht, in der Kammer Überdrücke von bis zu 35 kg/enr zu erzeugen. Die erwähnten Heizelemente Io6 können elektrische Spulen sein, die ununterbrochen erregt sind. Ferner können entsprechende Mittel vorgesehen sein, um die Abgase aus der Kammer auszuspülen. Z.B. können, nachdem das Ventil lol geschlossen worden JLst, und während das Ventil 157 sieh während der nächsten Periode öffnet, andere mit der Kammer loo verbundene, nicht dargestellte Ventilvorrichtungen kurzzeitig geöffnet werden, um den Eintritt von frischer Luft zur Ausspülung der Abgase zu ermöglichen.

9098Ö7/ÖS3§

In Fig. VII ist eine abgewandelte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. V dargestellt, wobei Luft und Dieselöl in Reihenfolge in die Kammer loo eingeblasen bzw. eingespritzt werden, um ein Brennstoffgemisch zu bilden, welches durch eine Zündkerzenanordnung gezündet wird. Wie in der Vorrichtung nach Fig. V wird die Druckluft zunächst in die Kammer eingeblasen. Danach wird Dieselöl in die Kammer durch Düsen Io5 innerhalb einer kurzen Zeitspanne eingespritzt. Am Ende der Dieselöleinspritzung wird das Ventil l6o geöffnet, um einem brennbaren Gas, wie z.B. unter Druck stehendes Propangas aus einem Vorrat l6l, zu ermöglichen, durch die Düsen 162 in die Kammer loo einzuströmen. Gleichzeitig mit der Betätigung des Ventils l6o oder kurz danach wird die Zündkerze I6j5 durch einen Impulsgeber 164 erregt, um das Propangas zu zünden und eine Temperatur zu erzielen, die ausreicht, um die Brennstoffmischung aus Dieselöl und Luft zu zünden. Das Solenoidventil Io7* Fig. V, wird in der gleichen Weise betätigt, Wie im Zusammenhang mit der Arbeitsweise der Vorrichtung nach Fig. V beschrieben worden ist, um das Ventil Io 1 zu betätigen und dem in der Kammer unter Druck stehenden Gas den Austritt in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu ermöglichen.

Obwohl nur eine Zündkerzenanordnung in Fig. VII dargestellt ist, kann eine Mehrzahl von Zündkerzen und Propandüsen verwendet und gleichzeitig betätigt werden, um die Verbrennungsgeschwindigkeit und damit den Druck in der Kam-

mer loo zu steigern. In den Vorrichtungen nach Figuren V Ms VII wird Dieselöl und Luft getrennt in die Kammer eingespeist, um darin ein brennbares Gemisch zu bilden. Ein solches brennbares Gemisch kann jedoch auch zuerst hergestellt und dann in die Kammer eingespeist werden, um dort ' z.B. durch eine Anordnung, wie in Fig. VII dargestellt, gezündet zu werden.

909007/0639

Claims (16)

1. Patentansprüche.

   l Vorrichtung zur Erzeugung akustischer Impulse für die Erforschung von unter Wasser liegenden Formationen, gekennzeichnet durch eine Kammer mit einem an das Wasser anzukoppelnden Auslaßende, das durch eine Ventilvorriehtung geöffnet und verschlossen werden kann, durch Mittel zur Einführung eines Strömungsmittels in die Kammer während der Schließstellung der Ventilvorrichtung, um in der Kammer einen Strömungsmitteldruck zu erzeugen, der merklich größer als der hydrostatische Druck des Wassers am Auslaßende ist, und durch Mittel zur Betätigung der Ventilvorriehtung zur öffnung des Auslaßendes, um dem unter Druck stehenden Strömungsmittel in der Kammer den Austritt in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses zu ermöglichen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Betätigung der Ventilvorriehtung zum Verschliessen des Auslaßendes.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das austretende Strömungsmittel das Wasser zur Bildung einer Blase verdrängt, die das Auslaßende umschließt, wobei Mittel zur Betätigung der Ventilvorrichtung vorgesehen sind, um das Auslaßende zu verschließen, während die Blase das Auslaßende umgibt, um zu verhindern, daß anschließend Wasser in die Kammer eintritt.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch

   909SÖ?/OS39

   gekennzeichnet, daß als Strömungsmittel Luft eingeführt wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das eingeführte Strömungsmittel ein brennbares Strömungsmittel enthält, wobei die Vorrichtung Mittel aufweist, um das brennbare Strömungsmittel In der Kammer zur Erzeugung eines Gasdruckes zu zünden, der wesentlich größer als der hydrostatische Druck des Wassers am Auslaßende ist, und daß die Betätigungsmittel Mittel zur Betätigung des Ventils zur öffnung des Auslaßendes zu einer Zeit aufweisen, wenn der Druck innerhalb der Kammer Im Anschluß an die Zündung auf einen gewünschten Höchstwert angewachsen 1st, der über dem hydrostatischen Druck des Wassers liegt.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß das brennbare Strömungsmittel Dieselöl enthält und die Vorrichtung Mittel aufweist, um Luft in die Kammer zur BIldung eines brennbaren Gemisches mit dem Dieselöl einzuführen, worauf das Gemisch gezündet wird.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um den Strömungsmitteldruck in der Kammer zur Aufrechterhaltung der Ventllvorrichtung im geschlossenen Zustand während einer gewünschten Zeitspanne zu verwenden.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Betätigung der

   909807/0839

   Ventllvorrlchtung zur Öffnung des Auslaßendes Mittel enthalten, um den Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer zur Betätigung der Ventilvorrichtung zur Öffnung des Auslaßendes zu verwenden.
9. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, daduroh gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung eine in der Kammer liegende erste Fläche aufweist, die frei zum Innenraum der Kammer liegt, wenn die Ventilvorrichtung in Schließ· stellung 1st und die zum Auslaßende gekehrt ist, wenn das Ventil in Schließstellung ist, wobei der Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer In einer ersten Richtung auf die erste Fläche eine Kraft ausübt, die ausreicht, um die Ventilvorrichtung in Schließstellung zu halten, und daß die Ventilvorrichtung wenigstens eine Steuerfläche aufweist, die in eine der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung gekehrt 1st, und daß die Mittel zur Betätigung der Ventilvorrichtung zur Öffnung des Auslaßendes Mittel enthalten, um den Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer auf die Steuerfläche zur Betätigung der Ventilvorrichtung zur öffnung des Auslaßendes einwirken zu lassen.
10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer ein erstes, dem Auslaßende gegenüberliegendes Ende aufweist, und daß die Ventilvorriohtung zur Beaufschlagung durch den Strömungsmittel- druck wenigstens eine erste und eine zweite Fläche aufweist, die in entgegengesetzte Richtungen gekehrt sind, wobei die

    909807/0630

    erste Fläche zum ersten Ende der Kammer hin gekehrt ist und einen Teil der Innenwandfläche der Kammer bildet, wenn das Ventil in Schließstellung ist, während die zweite Ventilfläche einem Strömungsmitteldruck ausgesetzt 1st« der ausreicht, um das Ventil in Schließstellung zu halten, wenn der Druck innerhalb der Kammer anwächst« wobei die Mittel zur Betätigung der Ventilvorrichtung zur Öffnung des Auslaßendes eine Steuervorrichtung aufweisen, mit welcher unter Druck stehendes Strömungsmittel auf die Ventilvorrichtung in einer Richtung zur Einwirkung gebracht wird, die entgegengesetzt zu der Kraft liegt, die durch den Strömungsmitteldruck auf die zweite Fläche ausgeübt wird, um das Ventil zur öffnung des Auslaßendes zu betätigen.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung eine dritte Fläche aufweist, die in gleicher Richtung wie die erste Fläche gekehrt liegt, und die Steuervorrichtung Mittel enthält, um unter Druck stehende Strömungsmittel in ausreichendem Maße auf die dritte Fläche einwirken zu lassen, um die Ventilvorrichtung zur Öffnung des Auelaßendes zu betätigen.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionen der ersten und der zweiten Fläche auf eine Ebene« die normal zu einer Linie liegt, welche sich von dem ersten Ende zum Auslaßende erstreckt« eine erste bzw. eine zweite Fläche bildet, die verschiedene Größen haben, wobei die erste !»rojjektionsflache kleiner als die zweite Pro-

    909807/0639

    Jektionsfläche ist« und daß die zweite Fläche dem Druck innerhalb der Kammer ausgesetzt ist, um die Ventilvorrichtung in geschlossenem Zustand zu halten, wobei die Ventilvorrich-

    tung eine dritte Fläche aufweist, die in die gleiche Richtung wie die erste Fläche gekehrt liegt, und die Steuervorrichtung Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer auf die dritte Fläche zur Betätigung des Ventils zur öffnung des Auslaßendes leitet.
13. 13, Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer eine Gesamtkraft auf die zweite Fläche ausübt, die größer als die auf die erste Fläche ausgeübte ist, um die Ventilvorrichtung geschlossen zu halten.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilvorrichtung zur öffnung und Schließung des Auslaßendes spulenförmlg ist und einen ersten und einen zweiten Ventilteller aufweist, die durch ein Zwischenglied verbunden sind, und daß Mittel zum Halten wenigstens des zweiten Tellers zur Bewegung innerhalb der Kammer vorgesehen sind, wobei die Außenfläche des ersten Tellers zum Wasser gekehrt liegt und die Innenfläche des ersten Tellers die erste Fläche bildet, während die Innenfläche des zweiten Tellers die zweite Fläche bildet, die frei zum Innenraum der Kammer liegt, und daß die Außenfläche des zweiten Tellers die dritte Fläche bildet, die gegenüber der Kammer abgedichtet ist, wenn das Ventil in

    909807/0639

    Schließstellung ist, wobei die Steuervorrichtung den Strömungsmitteldruck innerhalb der Kammer auf die Außenfläche des zweiten Tellers zur Überwindung des an den Innenflächen der Teller angreifenden Kraftüberschusses leiten, um die Ventilvorrichtung zur öffnung des Auslasses zu betätigen.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel eine zweite Kammer, die mit der Außenfläche des zweiten Tellers gebildet ist, und Mittel aufweisen, mit welchen die zweite Kammer an die erste Kammer angeschlossen werden kann.
16. 16. Verfahren zur Erzeugung akustischer Impulse zur Verwendung bei der Untersuchung von Unterwasserformationen, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsmittel in einen im Wasser über den zu untersuchenden Formationen liegenden Bereich eingeführt werden, um einen Oasdruck darin zu erzeugen, der wesentlich größer als der hydrostatische Druck des umgebenden Wassers ist, wobei während der Erzeugung des Oasdruckes in dem Bereich dieser abgeschlossen gehalten wird, um den Bereich frei von der Einwirkung des Wassers zu halten, worauf ein Weg zwischen dem Bereich und dem Wasser hergestellt wird, um den Bereich dem Wasser auszusetzen, und damit das unter Druck stehende Gas in das Wasser zur Erzeugung eines akustischen Impulses übertreten zu lassen, so daß das freigesetzte Gas das Wasser zur Bildung einer Blase verdrängt, welche den Weg umschließt, worauf während der Umschließung des Weges durch die Blase der Bereich abgeschlossen wird,

    909807/0639

    um ihn frei vom Wasser zu halten, worauf die vorerwähnten Schritte zur Erzeugung nachfolgender akustischer Impulse wiederholt werden.

    9098077OS39