DE1623375A1

DE1623375A1 - Impedanzwandler fuer schnelle,mechanische Schwingungen zur UEbertragung von Schwingungsenergie auf den Erdboden

Info

Publication number: DE1623375A1
Application number: DE19671623375
Authority: DE
Inventors: Bodine Jun Albert George
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1966-10-20
Filing date: 1967-10-17
Publication date: 1971-03-25
Also published as: DE1558827A1; GB1204179A; US3416632A; GB1201243A; NL6712015A; NL6711960A

Description

1S23a75

DH. ING. ERNST MAIER

8 MÜNCHEN 22

ff · ΤΚΙιΕΙΌΝ" SS 25 8O₁ 20 Sl 92

A 37967 17. October 1967

Herr ALBERT GEORGE 3O])INS JR., 7877 Woodley Avenue, Van jjiuys, California / Y. St. A.

Impedanzwandler für schnelle, mechanische Schwingungen zur Übertragung von Schwingungsenergie auf den

Erdboden

Die Erfindung betrifft Impedanzwandler- für schnelle, mechanische Schwingungen zur Übertragung von £>chwingungs energie auf den Erdboden, insbesondere in Geräten für geologische Messungen.

In der USA-Patentschrift 2 745 507 wird ein Gerät beschrieben, mit dem energiereiche Schwingungen auf den Erdboden übertragen werden, um die geologische Formation des Untergrundes zu bestimmen. Das dort beschriebene Gerät

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ίββΛβΗΦ Uuumbmg laniheu« Μ»ιά, find t Co., MSndwn, Nr. 254U Sankhaui H. Aufhflunr, ΜΟηΛ.η, Nr. 53597 Poiti*»di MSndwn 153361

T.l.arammadr.li·! Pol.nrttnlor

verwendet Schwingungsgeneratoren mit umlaufenden um/uchtaassen, um die öchwingungsenergie au erzeugen, und ausgangsseitig v/erden diese Generatoren über einen Fuß mit großer Masse*, an die Erde angekoppelt. Um eine vollständige untersuchung der Bodenformation durchführen zu können, ist es wünschenswert, die Oszillatorfrequenz in einem "bestimmten Bereich von etwa 20 bis 80 Kz verändern zu können. ±>&- bei ergab sich, daß zwar eine gute Ankopplung an die Erde im unteren Frequenzbereich des Bandes erzieloar war, da die meisten Bodennaterialien bei niedriger frequenz gute Kopplun^sv/erte hatten, doch wird die Anpassung mit steigender Frequenz immer schlechter, was zu groiSen Verlusten an öchwingungsenergie" führt und oftmals darin gipfelt, daß der Fuß mit großer Masse auf dem Boden springt.

Das Gerät nach der Erfindung sieht Mittel und Maßnahmen vor, um diese. IT acht eile zu umgehen, indem ein Impedanzwandler für schnelle, mechanische Schwingungen vorgesehen wird, mit welchem die Schwingungsenergiequelle an den Erdboden angepaßt wird, und zwar über den gesamten Frequenzstellbereich. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung wird diese Umwandlung durch eine mit Drucäuft ge-

BAD ORiGiNAL

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speiste x-iembrananordnung ζ v/i sehen der Energiequelle und dem massereicheii Jj¹Ui?, der auf dem .rfodeii auflieft, erreicht. Die i-eabrai-anordnunft stellt eine pneumatische Feder dar. Ihre Federi:onstante wird durch Änderung der Füllung in der ^embrananordnung vorgenommen, so da;} im gesamten Frequenzbereich günstigste Anpassung herrscht. Somit wirά.die bestmögliene Energieübertragung i'ür alle vorkommenden ^'reauenaen erhielt.

In einer weiteren Aus f-'ihr ungs farn der Erfindung wird die Impedanzanpassung mit einem zu elastischen -fiesonansscnvingunferen fähigen Stab zwischen der ochwingungsenergiequelle und dem massereic/ien J?uß an der Ankopplungsstelle auf dem Erdboden erreicht. Der ^esonanzstab v/irkt ale "Lbex-tragungshebel",d-r den Ossiilator mit niedriger Ausgangsimpedanr: mit dem PuB mit hoher Inuedanz verbindet. Um die gewünschte ImpeiansTransformation bei beiden Ausfuhr uii._:;sfor:aen so wirkungsvoll wie möglich zu gestalten, v.ird die wirkliche liesonanzfrequenz des uchvängungssystems einschlie:31ich des Übertragungseleinentes und des ü'uSes hoher gelegt als die natürliche Frequenz des J?u.3es selbst oder dec angelcooDelten Erdbodens.

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Die Aufgabe dnr .!Erfindung besteht folglich, darin, Hilfsmittel zu schaffen, die eine wirkungsvollere Übertragung von Schwingungsenergie auf den Erdboden über ein gewisses Frequenzband gestatten.

',reiter besteht die Aufgabe, einen pneumatischen Impedanzwandler für schnelle, mechanische Schwingungen au schaffen, der für beste Anpassung des Schwingung sgener at or s an den erdboden einstellbar ist. Das Gerät soll überdies tragbar sein.

Vorteile, .eigenschaften und Merkmale der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung von Ausfünrurir,sbeispielen nach der Jirfinaung anhand der Figuren der äeiennung sowie aus den Patentansprüchen hervor, ils zeirti

1 eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform gemäß der .irfindung;

2 eine Ansicht nach der Linie 2-2 in Fig.1, teils aufgebrochen;

3 eine Seitenansicht, die die Verwendung der in Fig. 1 gezeigten Anordnung seigt, mit der Schwiri?Tungseriergie auf den Untergrund an einer Stelle unterhalb der Oberfläche übertrafen wird;

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4 einen ^uersehnitt durch einen Schwingungsgenerator, wie er in der erl'indungsgemäßen Anordnung Verwendung finden kann; und

!Pig. 5 eine Seitenansicht einer zweiten Ausfünrungsform gemäß der Erfindung.

äs hat sicn als sehr dienlich erwiesen, die Vorgänge eines mechanischen Schwingkreises in diejenigen eines elektrischen Schwingkreises zu übersetzen, -ain solches Vorgehen ist dem auf diesem Gebiet bewanderten Fachmann wohlbekannt und beispielsweise in Kapitel 2 des Buches "Sonics" von Hueter und Bolt, erschienen 1955 bei John Y/iley and Sons, eingehend beschrieben. Sei einer solchen Übertragung wird die Kraft ¥ im elektrischen System durch die Spannung E ersetzt, die Geschwindigkeit der Schwingung U durch den Strom i, die mechanische i'ederkonstante G durch die Kapazität C , die Masse M durch die elektrische Induktivität L, der Reibungswiderstand R durch den Ohm'sehen Widerstand R und die mechanische Impedanz Z_m durch die elektrische Impedanz Z ersetzt.

Es läßt sich damit zeigen, daß die mechanische Impedanz eines von einer sinusförmigen Kraft F sin CJ t

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(mit cd -ZlT mal f ) gleich

_Λ F sin GJ t

Sind die V/erte ölt! und —*— gleich, so herrscht

">^Gm

Resonanzbedingung, und aie mechanische Impedanz Z besteht lediglich aus dem Reibwiderstandswert R-, v/ahrend die -ölindanteile der Impedanz, nämlich die Anteile io M und t—q— >

sich gegenseitig aufheben. Bei dieser Resonanzbedingung ist die Geschwindigkeit der bchwingung u ein Maximum, der Leistungsfaktor ist 1,und die Schwingungsenergie wird mit größter Virksamkeit auf die Belastung, die an das üesonanzsystem angekoppelt ist, übertragen.

&enau wie bei elektrischen Schwingkreisen wird mechanische Schwingungsenergie von einem Kreiselement auf ein anderes dann am besten übertragen, wenn gute Impedanzanpassung vorliegt, d.h. wenn die beiden Elemente gleiche Impedanzwerte haben. Diese Tatsache ist bei der Erfindung

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von besonderer .Bedeutung, da es wioritig ist, den iünergieübergang vom Schwingungsgenerator auf die ürae so wirkungsvoll wie möglicli zu gestalten, damit ein möglichst starkes Signal zur Eoüenuntersuchung zur Veriügung steht. Aus der Gleichung (1) läßt sich ersehen, daß der Impedanzwert Z groß ist, wenn die Kraft P₀ groi3 ist und die Geschwindigkeit der Schwingung u verhältnismäßig niedrig bleibt. Mit !"inblick auf die Impedanzeigenschaf ten des Erdboden^ ist es '.wünschenswert, daß das an den erdboden angekoppelte Lnäe des üchvvinfung'sßysteias einen hohen Impedanzwert aufweist, also an den iLnltcroplungspunlct eine _f:roi?e Kraft bei niedriger r:ev;egun_t-sgeschv.'indigkeit auftritt.

Von besonderer -Bedeutung ist es auch, da;;· das zu resonanzschwingungen fähige System einen hohen Gütefaktor Q hat, wodurch die ».irksamkeit der Schwingungen beträchtlich verbessert wird una die für die Messungen zur Verfugung stehende Energie einen Größtwert erreicht, '..ie bei einem elektrischen Schv.'in.-k^eis bedeutet auch bei einem mechanischen Schwingkreis ein hoher Gütefaktor ^- einen scharf ausgeprägten Resonanzv/ert des Kreises, und sein ^T..'ert wird aus dem Verhältnis der v/äj-irend einer Schwingung gespeicherten -dner-

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gie und der je üchwingung. verbrauchten Energie gebildet, riathematisch ausgedrückt ist der v.^rert der Größe Q das Verhältnis-aus CO M und R. Der Gütefaktor Q eines mechaniscnen ochv/in^.kreises kann also gesteigert v;erden, wodurch Schwingungen mit großer Amplitude erreichbar sind, jndem die Keibung im Schwingkreis klein und/oder' die Kasse im Schwingkreis groß gemacht v/ird.

.Die .,'erte in der Gleichung (1) erfassen den gesamten Widerstand, die gesamte blasse una die gesamte Federkraft des mechanischen Schwingkreises, doch sind diese Größen iu allgemeinen in ochwingungssystern verteilt und treten nient als konzentrierte Größen in Jilrscneinung.

_--ei den VorriGeltungen gemäß der Erfindung v^erden 3ch>:inguni"sgeneratüren mit umlaufenden Unwuchtmassen verwendet, die sich in ihrer Ausgangsfrequenz und Phasenlage selbsttätig so anpassen, daß bei .ßelastungsänderung stets Kesonanzbedindungen herrschen. Ändert sich also die Kasse oder die Pederkonctante der Belastung cuircli And ρ rung der -Bedingungen des umgebenden Jirdmaterials, das zn Schwingungen angeregt v/ird, so paßt sich da^ 3chwinrungssystei:i auto-

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matisch an, so daß stets die günstigsten Resonanzbedinungen herrschen, da der Schwingungsgenerator mit umlaufender Masse die Eigenschaft nat, in !ritt zu fallen. Die ochwingungsenergie dieses Schwingungsgenerators mit umlaufender Unwuchtmasse wird in. einer bestimmten Achse des G-enerators auftretend erzeugt, so daß entlang dieser Achse die Energie abgenommen werden kann. Der Generator ändert nicht nur seine Frequenz sondern auch seinen Phasenwinkel und damit den Leistungsfaktor der Schwingungsenergie, wenn sich die Impedanz der Belastung ändert, so daß jederzeit die besten Anpassungsbedingungen herrschen.

In den J?ig. 1 und 2 ist nun ein erstes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wiedergegeben. Ein Fuß 11 mit großer Hasse, der aus Beton oder einem geeigneten Metall bestehen kann, liegt auf dem Erdboden 12 auf. Auf diesem Fuß 11 ist mittels Stützpfosten 13 eine runde Platte 15 getragen. Die Platte 15 und die Stützpfosten 13 sind vorzugsweise aus einem elastischen Metall wie etwa ^tahl hergestellt. An die Metallplatte 15 schließt sich, unter Zwischenschaltung eines Abstandsstückes 16 eine flexible Membran 17 an» Eine gleiche Membran 18 ist, ebenfalls unter

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Zwischenschaltung eines Abstandsstückes 19, auf dem j?uß 11 angeordnet. Die Äbstandsstücke 16 und 19 bestehen vorzugsweise aus einem elastischen Metall v;ie Stahl. An den Kanten ist die Membran 17 mit einer gleichen Membran 21 und die Membran 18 mit einer ebensolchen Membran 22 durch Bolzen und Muttern 27 verbunden. Ein Zwischenring 32 sorgt für einen gewissen Abstand zwischen den Membranen und gibt die Möglichkeit, eiiie Verbindung zwischen einer Druckluftlei- " tung 40 und dem Raum zwischen den jeweiligen Membranen herzustellen. Die Membranen 21 und 22 werden durch Metallflansche 37 und 38 mit dem Oszillatorgehäuse 35 verbunden. Hie Membranen stellen somit ein Paar aufblasbarer Balge 29 und 30 dar, deren eine Seite mit dem Oszillatorgenäuse 35 und deren andere Seite mit dem J?uß 11 verbunden ist.

Im Oszillatorgehäuse 35 ist ein Paar Umlaufbahnen 35a und 35b vorgesehen, in dem Unwuchtrotoren 41 und 42 umlaufen. Die Rotoren 41 und 42 werden in entgegengesetzter Richtung durch einen (nicht gezeigten) Motor angetrieben, ,, der über eine Yfelle 44 und ein Getriebe 45 mit den Rotoren verbunden ist. Die Rotoren 41 und 42 sind miteinander, wie es die Sig. 1 zeigt, derart in Phase, daß die Querkomponenten der Fliehkräfte einander aufheben, während sich, die in

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Längsrichtung der Anordnung wirkenden-Komponenten addieren, so dais die-Sciiv/in^ungsenergie in Richtung des Pfeiles 50 einen Größtwert erreicht. Die frequenz der ~chvingun^r* wird durch axe ümlaufgeschwindigkeiT der Rotoren 4-1 und 42 bestimmt, "■ -. ^;

Die 3"alge 29 und" 30 werden", mit druckluft -aus eineri Drucklufttank 54 über die Leitungen 40 ■ aufgeblasen." oie ste'leii lux'tfedern dar, deren 'Fed»?rJconstante durch Druckänderung: .variiert ν er den kann. Die ^iiiötellun-j eri'olgt über iiadelventile 52 und Auslaßventile 55, ait deren ililfe aas -Aufblasen oder Ablassen von Luft bei den -Balgen £?":) und ~.Q vorgeiionmen wird'.'"-"

Bei der Semessung des iiciruijigungssystems, das den J¹U'? 11 , die Membranbalgen 2^- und 5Q und di^ Verbinäungsteile xait" unfaist, wird axe Resonanzfrequenz in allgemeinen ™ nöher angesetzt als die naTürliche 3chwingun~sfrequenz des jirdbodens od.^r' des Puies, um axe günstigste uirirun.? ,zu erzielen, ^ei j'sder neuen Frequenzeinstellung yird der itruck in den i-Iembraiibalgen über die Ventile 52 und 53 neu eingestellt, bis ixe günstigste Kopplung dpi' dciivangungsenergie

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P S e is

auf den ^ntergrrmd erreicht ist, denn durch Änderung das Druckes in den ilembranbalgen werden die Impedanzwerte dieεer Elemente verändert, so daß die günstigste Kopplung zwischen dem Sciiwingungsgerierator und dem Fuß und zwischen dem fuß uni dem "Erdboden erreicht wird- ·

fe Ss sei noch hinzugefügt, daß nach dem Füllen der

Balgen. .29 und :^;ö die Nadelventile -52 geschlossen werden sollten, damit zwischen den Balgen keine Verbindung besteht. ' . - ·

In der i''ig. 5. ist ein Anwendungsfall der ersten Ausfüiirungsform. gemäß der Erfindung gezeigt, in dem Schwingung senergie mittels einer Stange oder ei.ies Rohres eine gewisse Strecke uriternalb der Lrüoberflache auf den Boden übBrtrage.-L wird. Dabei wird der ]?u3 11, fest :::it. der otange oder, dem Kohr 55 verbunden, das zuvor in den iürdboden 12 eincetrieben v/orden ist. Das Rohr 5-5, das vor:;Uvrswei se aus einem elastischen Material wie dtahl "besxeht, übertr.^:u^rt die ScnwlnjurLgseiiergie auf einen i:a allgeiaein^n. et.va 15 bis '55 m tief .'iele^enen Punkt, ftine de-ivarti^e kopplung ar_t einem iunkt unterhalb der oberflache ist bei den fea:\ Bodenuntersuchungen oft von Vorteil, daäadurch, St'-r

' ^BAD

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Oberfiäch.enleitung und außerdem .die Dampfung der Oberfläche vermieden werden. -

In der JPig. 4 ist ein ■■" Schwingungsgenerator ge- -> geigt, der mit Fort eil bei einer Vorrichtung gemäß der l&'fi&dung verwendet v/erden kann. Der fiotor 60 wird von ®inem iütriebselement 62 auf die Weise angetrieben, daß Q±n® Verzahnung 60a mit ainem Zaimramg 62a lcämDit. Das Jatzl©l}3©lemsnt 62 ist in Kugellagern 65 und. 66 gelagert oad wird von einer Antriebswelle 64 angetrieben. Der Eotor 60 läuft somit angetrieben auf einer Umlaufbaim 67a um, ate vom Oszillatorgeiiäuse 67 gebildet wird, wobei dieser IFslauf durcJi Eingriff der Yerzannung 60b in' einPii ^;Zahnring ■ölh- ©rleiehtert wird. Auf die Äeise wird der Rotor 60 O22S@ixtiasch um die ¥elie\64 angetrieben und erzeugt somit

Scliwingungsausgangskraft. _ _s Λ

In der Fig. 5 ist ein zweites Äusfünrungsbeispiel Tprricntung gemäß der Erfindung wiedergegeben. Bei diezweiten Äusfünrungsbeispiel erfolgt die Übertragung der ieliwingungen durch einen elastischen Stab 70, der aus einem cÄ&stischen, schwingfähigen Metall wie etwa Stahl hergesein kann und der mit Preßsitz in einen Metallfuß 76

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eiagefügt ist,, der seinerseits auf der sehr schweren ^rundplatte 77 ruht. Der Oszillator 75 sitzt am Oberende auf dem Stab 70 und ist dort mit diesem fest verbunden; dieser Oszillator kann von der Gestalt sein, wie er im Zusammenhang mit dir j?.ig. 1 beschrieben ist, so daß er in Längsrichtung des Stabes 70 eine >/echselkraft erzeugt. Der Oszillator 75 wird durch einen Antriebsmotor 7S angetrieben, der auf einem Ständer 79 steht, v/elcher wiederum auf der Grundplatte 77 befestigt ist.

Das schwingfähige System aus Stab 70, Fuß 76 und Grundplatte 77 ist vorzugsweise so bemessen, daß seine Eigenresonanzfrequenz etwa dem Höchstwert des zu überstreichenden Frequenzbandes gleich ist. Es wird dann in dem System eine stehende Resonanzwelle der Längsschwingung, wie sie äurch die nebenstehende Darstellung 81 wiedergege—. ben ist, erzeugt, wodurch, was daraus deutlich erkennbar ist, die große Amplitude am Ausgang des Oszillators 75» die einem niedrigen Impedanzwert entspricht, in eine klein© Amplitude .mit jedoch großer Kraft, also einem hohen Impedanzwert, an der Grundplatte 77 umgewandelt wird. Diese zweite Ausfuhrungsform, durch die die Impedanz des Oszillators an diejenige der Belastung sehr wirkungsvoll angerpaßt

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wird, kann natürlich nicht eingestellt werden, so daß, wie bei dein ersten Ausführung:sbeis;ael, bei jeder frequenz günstigste Anpassungsbedingungen herrschen, ns stellt alier trotadem eine wesentliche Verbesserung bei der Übertragung von öehwingungsenergie dar, insbesondere in den -"-"ereiciien näherer Frequenz. .""-'■

Das erfindungsgemäße U-erät stellt also eine An-- or in un.-·' dar, mit deren H-ilie es mcglicii ist, üchv/in,runas-eii^rgie zwischen einem Punkt Terhältnismäßig niedriger Impedanz am Ausgang des Oszillators und'einem ?ύηκΐ mit-.hoher Impedanz, v.'ie ihn der Erdboden darstellt, sehr vrir- -cuii^svo 11 zu' ;iDertragen., und diese "ÜDertra^un-- kann mit gutem ".('irlcungsgrad über das gesamte i"'req.uenzband vorge.-uocaeii \\*erden, aas bei Bodenuntersuchungeii mittels ochwingungen überstrichen ward." Es werden v/ei^erMii Ililfsmittel Yorgesenen, um. bei der genannten irequensciuiderung innerhalb des vorgesehenen Frequenzbandes die Kopplung möglichst opt.iEial zu gestalten. ^:

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Wandler für schnelle,^ mechanische Schwingungen zur Anpassung eines Schwingungsgenerators an den Erdboden, gekennzeichnet durch einen mit dem Boden (12) verbundenen schweren Fuß (i1-)-;76,77) mit großer Impedanz und ein federndes Element (29»30;70) zur Anpassung der Ausgangsimpedanz des Schwingungsgenerators (35;75) an den Fuß (.11; 76,7Ψ), dessen eines Ende mit dem Fuß (11;76,77) und dessen andere^ Ende mit dem Schwingungsgenerator (35;75) verbunden ist, wobei der Fuß und das federnde Element einen Resonanzschwingkreis bilden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des aus Fuß (11;76,77) und federndem Element (29,30;70) bestehenden Schwingkreises wesentlich höher liegt als die natürliche ochwingungsfrequenz des Fußes oder des Erdbodens allein.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das federnde Element eine Luftfeder (29,30) ist.

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4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß .die Luftfeder aus. einejn Paar elas ti scher Membranen (17,21;18*22) besteht, die miteinander zu einem aufblasbaren Balg verbunden sind, und eine der Membranen (18;17) Mit dem Fuß (H) und die andere (21 i22) mit dem Schwingüngsgenerator verbunden ist, und daß Vorrichtungen (40, 54,52,53) zum Aufblasen des Balges (29;30) vorgesehen sind. ■" _--';■ -■.■;-,■·- ''/"\ _ ^ ''

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter, dem ersten gleicher Balg zwischen dem Schwingungsgenerator und dem fuß vorgesehen ist.

6>-".-"'■ Wandler nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch ^kennzeichnet, daß die Hilfsmittel zum Aufblasen der Balge (^9,50) eifte Druckmittel quelle (54), "Ventile (52) zum Zu-

deriLuft aus der Druckmittelquelle (54) zu den Bai-(29,30iund Ventile (53) zum luftablassen aus den Balgen (29,3o| enthalten.

7· Wändler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, äaß das Pederelement ein elastischer Stab (70)

ist.: I- ■-..■■.-'■■ "

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8. Wandler nach. Anspruch 4, gekennzeichnet durch einen zweiten Balg, der dem ersten gleich und parallelgeschaltet ist.

9. Wandler nach einem dar Ansprüche 3 "bis 6, gekennzeichnet durch. Steuermittel zur -einstellung des Luftdruckes in den pneumatischen ü'e der elementen (29,30) und damit Änderung der Federkonstante»

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