DE2041612C3 - Einrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen - Google Patents

Einrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen

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Description

Die Erfindung betrifft eine der seismischen Erkundung dienende Einrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen, mit einem zwei gleiche und entgegengesetzte Kräfte erzeugenden Generator, die zwei sich gegenüberliegenden Generatorflächen zugeordnet sind und mit vom Generator beaufschlagten sowie mit dem Untergrund verankerten Kopplungselementen, über die der zu untersuchende Untergrund in horizontaler Richtung erregbar ist (US-PS 32 86 783). Bei der bekannten Einrichtung wurden Horizontalvibratoren verwendet, die dem Erdboden durch Reibung alternative Horizontalbewegungen erteilten. Die durch diese Vibratoren ausgesandten Impulse sind von langer Dauer, im allgemeinen mehrere Sekunden lang. Die Korrelationstechnik ermöglicht es zwar, Impulse für die Verarbeitung der Aufzeichnungen einzuschnüren; es kann jedoch in gewissen Fällen notwendig werden, über seismische Impulse kurzer Dauer, z. B. von weniger als 30 Millisekunden, zu verfügen.
Mit einer anderen Einrichtung wird horizontal eine Masse auf ein im Erdboden festes Auflager geschleudert, so daß in den Erdboden eine Horizontalkraft übertragen wird (US-PS 27 40 489). Hierbei ist allerdings die Masse an einem Balken über Seile aufgehängt, was Nachteile mit sich bringt. Insbesondere sind hier die Aktions- und Reaktionskräfte auf den Erdboden nicht kontrollierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einer Einrichtung der eingangs genannten Art kurze Impulse reiner Form auszusenden und regelbare Aktions- und Reaktionskräfte zu liefern.
Erreicht wird dies überraschend einfach erfindungsgemäß dadurch, daß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art die beiden sich gegenüberliegenden Flächen des Generators über elastische Organe unterschiedlicher Federsteifigkeit an den Untergrund gekoppelt sind.
Zweckmäßig sind reibungsfreie Verbindungseinrichtungen zwischen Generator und Erdboden vorgesehen. Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
F i g. 1 das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, F i g. 2 schematisch eine erste Ausführungsform einer Einrichtung zur Erzeugung von Transversaiwellen,
Fig.3 die Kräfte, die dem Erdboden in einer im wesentlichen horizontalen Richtung erteilt werden,
Fig.4 schematisch die Anordnung der Sende- und Empfangseinrichtungen für den Fall von Transversalwellen der SV-Art,
Fig.5 schematisch die Anordnung der Sende- und Empfängereinrichtungen im Fall von Transversalwellen der SH-Art,
F i g. 6 schematisch eine zweite Ausführungsform der Einrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen, F i g. 7 eine dritte,
F i g. 8 eine vierte,
F i g. 9 eine fünfte,
F i g. 10 eine sechste und
F i g. 11 schematisch eine siebte Ausführungsform. Ein Kräftegenerator G, dessen Vertikalachse durch den Punkt O verläuft, übt nach F i g. 1 gleichzeitig in Richtung O-Yeine Horizontalkraft F2 = -Fi aus.
Die Einrichtung umfaßt Bauteile 3 und 5 um jeweils die Aktions- und Reaktionskräfte F, und F2 zu steuern und sie ungleich zu machen. Bei diesen Bauteilen handelt es sich um elastische Organe mit den Steifigkeitskoeffizienten Αί und fo, die jeweils auf die Kräfte F\ und F2, um sie in Kräfte F\ und F'z umzuwandeln, einwirken.
Die Einrichtung umfaßt im übrigen Kopplungselemente 2 und 4 zur Transmission von Kräften F\ bzw. Fz in den Richtungen OA'und -OX. uiese Kräfic werden
JO
3r>
dem Erdboden entweder direkt durch Anbringen der Transmissionselemente 2 und 4 auf den Wandungen des Erdbodens, die im wesentlichen senkrecht zur Achse OX verlaufen oder über in den Erdboden eingepflanzte Auflager erteilt die unter Abständen x\ und X2 vom Punkt O jeweils in den Richtungen OX und - OX angeordnet sind.
Da die Kräfte F\ und F2 ungleich sind, resultiert hieraus eine Kraft F/, die auf den Erdboden in Form eines seismischen Impulses übertragen wird.
Tatsächlich ist nämlich die Entfernung Xx-X2, in der Meter-Größenanordnung, im allgemeinen klein verglichen mit den Längen der ausgesandten Wellen (wenigstens 10 m oder mehr) und die Auftreffpunkte x\ und X2 der Kräfte F', und F'2 können praktisch als zusammenfallend unter Berücksichtigung des Maßstabes der ausgesandten seismischen Wellen angesehen werden.
Die Horizontalkraft F'(t), die auf den Erdboden ausgeübt wird, ist also = V'\(t)+ Ftft).
Wichtig ist, daß man die Steifigkeit k\ des Organs 3 und die Steifigkeit k2 des Organs 5 von unterschiedlichem Wert wählt derart, daß die Übertragungsfunktion
——— und
wird, d. h. wo die Resonanzfrequenz Zo= 10 Hertz ist und
wo die Dämpfung η =
--1 wird (Φ: Reibungsko-
F2
unterschiedlich sind, was es ermöglicht Kräfte F\(t)\md F'2(t) zu erhalten, die hinsichtlich ihres Absolutwertes nichtgleich sind, trotz der Gleichheit von F\(t) und F2(t) hinsichtlich des Absolutwertes.
Somit ist die horizontal auf den Erdboden ausgeübte Kraft F'(t)= F\(t)+ F'2(t)nicht Null und ihre Form kann beliebig gewählt und modifiziert werden, indem man die Werte der Koeffizienten k\ und fo für die Steifigkeit der elastischen Organe 3 und 5 variieren läßt
Der Kräftegenerator G kann beispielsweise aus einem Perkussionssystem bestehen, die energetische Quelle ist hierbei pneumatischer, hydraulischer oder elektromagnetischer Art oder es kann sich auch um ein Explosionssystem handeln, wobei die energetische Quelle aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Explosivstoff, einem Zündsystem oder einem Explosivdrahtsystem etc. besteht
Nach einer ersten in Fig.2 dargestellten Ausführungsform besteht der Generator G beispielsweise aus einem Perkussionssystem mit einem Kolben 7, der von einem Zylinder 1 bewegt wird; die Kraft Fi wird durch den Kolben 7 und die Kraft F2 durch den Zylinder 1 dieses Systems übertragen.
Der Generator G wird ohne Reibung durch einen Träger 6, z. B. eine Luf (.kammer, gelagert Die auf den Erdboden durch den Träger 6 übertragenen Kräfte haben praktisch keinerlei Horizontalkomponente, da dieser Träger reibungslos arbeitet
Die resultierende Kraft F'(t), die horizontal auf den Erboden im Fall der Einrichtung der F i g. 2 ausgeübt wird, kann man berechnen.
Nimmt man an, daß die Verbindung des Kolbens 7 (F i g. 2) mit der Platte 2 starr ist, so bedeutet dies Ar1 = oo. Mit der Steifigkeit k2 der Feder 5 und der Masse /W3 des Zylinders 1 erhält man für die Eigenkreisfrequenz ωο des Systems: Zylinder 1-Feder5:Q)o I/ ^2 .
F i g. 3 zeigt graphisch beispielsweise die Kraft F'2(t), die auf den Erdboden durch die Transversalwellen-Sendeeinrichtung im besonderen Fall ausgeübt wird, wo die effizient des Systems bei Rücklauf des Zylinders \\
Man hat angenommen, daß die durch den Generator G ausgeübte Kraft F\(t) die in der Figur angegebene Form aufwies, mit einer Zeitkonstanten, die in dei Größenordnung von 5 Millisekunden gewählt wurde.
F\(t)=F\(t) gibt die durch die Platte 2 auf den Erdboden ausgeübte Kraft an. Sie ist gleich der durch den Generator ausgeübten Kraft, da angenommen wurde, daß der Erdboden einen geringen Scheinleitwert des Koeffizienten γ=0 aufwies.
F'2(t) gibt die durch die Platte 4 auf den Erdboden über die Feder 5 ausgeübte Reaktionskraft wieder.
F'(t)= F'i(t)+ F2(O stellt die Horizontalkraft dar, die auf den Erdboden durch die Einrichtung ausgeübt wird.
Die Kraft F'(t) wird in Richtung OX mit einem Angriffspunkt ausgeübt, der sich dem Mittelpunkt Oder Einrichtung nähern kann.
Die Parameter k2, k\, mi, m (Masse des Kolbens 7) werden unter Berücksichtigung der Frequenzen derart gewählt, daß:
(a) /ö= -.f'-- kleiner oder gleich der niedrigsten
Nutzfrequenz des Emissionsspektrums wird (zur seismischen Prospektion, wo das nutzbare Frequenzband zwischen 10 und 100 Hertz liegt, kann man wie im Beispiel der F i g. 3/<j = ^0_Hz annehmen) und daß
(b) f\ = ^i wo ü)i =1. -l größer als /ö und auch so groß
2 π I W1
wie man will wird also: fo< f\ < °°.
In der Gleichung (b) bezeichnet m\ die Masse der
Platte 2. Im Fall der F i g. 3 beispielsweise hat man /i = oo gewählt, was sehr leicht ist, da es hierzu genügt die Verbindung zwischen Kolben 7 und Platte 2 starr
auszuführen, d. h. k\ = oo zu wählen.
Praktisch ist die obere Grenze der ausgesandten
Frequenzen nicht durch /i, sondern durch die Eigenfrequenz ic von G oder die Kopplungsfrequenz fc der Platte 2 mit dem Erdboden vom Leitwert yi definiert
Der Dämpfungskoeffizient η= y —- wird ausreichend hochgewählt, um das Nachhallphänomen cufgrund einer zu schwachen Dämpfung zu verhindern. Praktisch muß dieser Koeffizient über 0,3 liegen.
Beispielsweise wird für den Fall, wo 0,3 < η < 1 ist die Dämpfung um so größer, je größer η wird.
Im Fall wo η gleich oder größer 1 wird, ist die so Dämpfung vollständig.
Die Regelung von η kann erfolgen, indem der Reibungskoeffizient Φ modifiziert wird.
Die Wahl der Richtung der Achse OX hängt von der Art der Transversalwelle, die man aussenden will, ab:
Um Transversallwellen der Art SV auszusenden, richtet man die Achse OX in Richtung des zu untersuchenden seismischen Profils, wobei auch die Seismographen horizontal in Richtung des Profils, derart, daß die Wellen SV aufgenommen werden, angeordnet sind.
Um Transversalwellen der Art SH auszusenden, richtet man die Ach^e OX in einer Richtung senkrecht zum zu untersuchenden seismischen Piüfil, die Seismographen sind untereinander horizon'ai ;r> einer Richtung to senkrecht zum Profil angeordnet, derart, daß die Wellen SH aufgenommen werden
Fig. 4 zeigt eine ^"hematische Darstellung der
Steifigkeit ki der Feder 5 se gewählt wird, daß iä»- 62,8 Einrichtung in der Draufsicht:
Geber oder Generator G und Seismographen S\, S2, S3 ... Sn für eine Prospektion von SV- Weilen.
Die Fig.5 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung in der Draufsicht, bestehend aus Geber C und Seismographen Su Sj, Sz... Sn für eine Prospektion in SH- Wollen.
Anctere Ausführungsformen können in Betracht gezogen werden.
So ersetzt man beispielsweise nach einer zweiten Ausführungsform, bei der es sich um eine Variante zu der in Fig.2 gezeigten handelt, die reibungsfreie elastische Verbindungseinrichtung 6 durch eine Flüssigkeit In diesem Fall schwimmt der Zylinder 1 des Generators auf einer Flüssigkeit 8, die sich in einem Behälter 9, wie in F i g. 6 dargestellt, befindet
Die Arbeitsweise der Einrichtung ist in diesem Falle die gleiche wie die nach F i g. 2.
Nach einer dritten Ausführungsform der Einrichtung — in F i g. 7 dargestellt — ist die elastische reibungsfreie Verbindung durch ein Wälzsystem 10 hergestellt Der 7η Zylinder 1 des Generators ruht dann auf dem Erdboden über Wälzlager.
Nach einer vierten Ausführungsform der Transversalwellen-Sendeeinrichtung werden die horizontalen Kräfte F\ und F2 auf den Erdboden über Kupplungselemente bildende Platten 11 und 12, die mit Spitzen besetzt sind, übertragen.
Die Platte 11 ist fest mit einem Auflager 13 verbunden, gegen das der Kolben 7 schlägt. Die Platte 12 trägt den Zylinder 1 des Generators über ein reibungsfreies System; das dem Kolben 7 gegenüberliegende Ende des Zylidners 1 stützt sich auf ein fest mit der Platte 12 verbundenes Auflager über eine Feder 5 von der Steifigkeit Ai oder auf 2 Auflager 14 und 15 über zwei Federn 5 und 3 ab, deren Federsteifigkeiten ki bzw. Αϊ sind.
Nach einer fünften Ausführungsform der Einrichtung, bei der es sich um eine Variante zur letztgenannten handelt ist die Platte 11 ersetzt durch einen in den Erdboden getriebenen Pfahl 16. Dieser Pfahl trägt das Auflager 13, auf das der Kolben 7 (F i g. 9) schlägt.
Nach einer sechsten in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform der Einrichtung, bei der es sich um eine Variante zur vorhergehenden Ausführungsform handelt ruht der Zylinder 1 des Generators auf dem Erdboden über das reibungsfreie elastische Verbindungssystem β sowie eine Platte 17. Die Kräfte F\ und F'2 werden dem Erdboden über zwei Vertikale in den Boden eingetriebene Auflager erteilt, beispielsweise Pfähle 16 und 18, welche mit Auflagern 13 und 14 versehen sind. Das dem Kolben 7 gegenüberliegende Ende des Zylinders 1 stützt sich im Augenblick des Rücklaufs gegen das Auflager 14 über die Feder 5 ab.
Man kann sogar die Feder 5 fortfallen lassen und die Verbindung zwischen dem Zylinder 1 und dem Auflager 14 starr ausbilden, wenn man nur eine Asymmetrie zwischen den Kräften F\ und F'i hervorruft, die dem den erteilt werden, indem man eine Asymmetrie an den Kupplungsbedingungen der Pfähle 16 und 18 mit dem Erdboden einführt: Beispielsweise wird der Pfahl 16 sehr stark eingetrieben, um mn dem Erdboden eine Hochfrequenzkopplung zu erreichen; der Pfahl 18 wird gering eingetrieben, um mit dem Erdboden eine Niederfrequenzkopplung zu erreichen. In diesem Fall werden demnach die elastischen Organe unterschiedlicher Federsteifigkeit durch die mit dem Erdboden jeweils zusammenwirkenden Pfähle 16,18 gebildet.
Man kann auch den Zylinder 1 direkt auf den lockeren Boden aufsetzen, um eine Niederfrequenzkopplung zu erreichen.
Eine siebte Ausführungsform, die das Aussenden von Transversalwellen mittels eines Explosivgenerators ermöglicht, ist in F i g. 11 dargestellt
In diesem Faii wird die Energie in Form von Druck durch Explosion einer Explosivladung 20 in einer eine Flüssigkeit enthaltenden Kammer Ϊ9 freigesetzt; die freigesetzte Kraft wird auf den Erdboden über eine der Wandungen der Kammer übertragen, welche durch eine verformbare Membran 21 gebildet wird.
Der Generator ruht beispielsweise wie im Fall der Fig.8 auf dem Erdboden über ein elastisches reibungsfreies Verbindungssystem 6 und eine Platte 12 die mit in den Erdboden eingetriebenen Spitzen besetzt ist; die Platte 12 ist mit einem vertikalen festen Aufläget 14 auf der Seite des Endteiles 22 der Kammer IS gegenüber der verformbaren Wand 21 versehen. Eine Feder 5 verbindet das Auflager 14 mit diesem Endteil 22 Ein anderes fest mit einer im wesentlichen horizontaler und am Erdboden über Spitzen befestigten Platte feste: vertikales Auflager 13 ist auf der Seite der verformbaren Wandung 21 der Kammer angeordnet.
Im Augenblick der Explosion wird die Kraft F\ aui den Erdboden über die verformbare Wandung 21 unc das Auflager 13 übertragen, während die Kraft F'2 durcr den Endteil 22 über die Feder 5 und das Auflager U übertragen wird.
Das Prinzip der Aufbringung der Kräfte auf der Erdboden ist das gleiche wie bei den verschiedener vorhergehenden Fällen.
Selbstverständlich kann man die vorher beschriebene Explosivladungseinrichtung durch irgendein andere! System ersetzen, welches in der Lage ist eine Änderung des Drucks in einer Kammer zu schaffen, welche Flüssigkeit enthält oder es kann auch die Flüssigkeit dei Kammer durch ein gasförmiges Explosivgemisd ersetzt werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. IO
    Patentansprüche:
    I. Der seismischen Erkundung dienende Einrichtung zur Erzeugung von Transversalwellen, mit einem zwei gleiche und entgegengesetzte Kräfte erzeugenden Generator, die zwei sich gegenüberliegenden Generatorflächen zugeordnet sind und mit vom Generator beaufschlagten sowie mit dem Untergrund verankerten Kopplungselementen, über die der zu untersuchende Untergrund in horizontaler Richtung erregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sich gegenüberliegenden Flächen des Generators (C) über elastische Organe unterschiedlicher Federsteifigkeit an den Untergrund gekoppelt sind.
    ?. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) einen Zylinder (1), dessen eine Endwandung eine der Flächen bildet sowie einen beweglichen Kolben (7) aufweist, dessen eine Wandung die zweite Fläche bildet.
    3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) eine flüssigkeitsenthaltende Kammer (19) aufweist, die an einem Ende eine verformbare eine erste Fläche bildende Wand (21) und am anderen Ende eine steife, die zweite Fläche bildende Wand (22) aufweist.
    4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch reibungsfreie Verbindungseinrichtungen zwischen Generator (G) und Erdboden.
    5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen aus einem elastischen Träger (6) bestehen.
    6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen aus einem Wälzsystem (to) bestehen.
    7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungseinrichtungen aus einer Flüssigkeitsmasse (8) bestehen.
    8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Organe wenigstens eine Feder (3; 5) zwischen einer der Flächen des Generators und einem Kopplungselement aufweisen.
    9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 4> zeichnet, daß die Kopplungselemente (2, 4) in Form von Platten an vertikalen Erdbodenwandungen angreifen.
    10. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente ein mit r> <> dem Erdboden fest verbundenes Auflager (13; 14) umfassen.
    II. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungselemente einen in den Erdboden im wesentlichen vertikal eingetriebenen Pfahl (16; 18) umfassen.
    12. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß aas Auflager (13; 14) fest mit einer im Erdboden verankerten Platte (11; 12) verbunden ist.
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