DE2132033B2 - Unterwasser-Schallempfänger - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Unterwasser-Schallempfänger mit einem radial polarisierten piezoelektrischen Ring mit zur Achse des Ringes konzentrischen Innen- und Außenflächen mit jeweiligen Elektrodenbelägen, wobei der Ring an jedem Ende eine ringförmige Stirnfläche aufweist, und mit Membranelementen an zumindest einer der Stirnflächen des Ringes.

Ein bekannter Unterwasser-Schallempfänger dieser Art (französische Patentschrift 1 141 962) besteht aus einem radial polarisierten piezoelektrischen Ring, an

dessen einer Stirnfläche eine Membran einstückig ausgebildet ist. Diese Membran ist eben und relativ steif und weist eine relativ große Masse auf. Daher spricht dieser bekannte Unterwasserschallempfänger außer auf Unterwasser-Schalldruckänderungen auch auf mechanische Schwingungen sehr stark an, die beim Schleppen eines derartigen Unterwasser-Schallempfängers in einem Schleppsvrang auftreten. Weiterhin ist ein Unterwasser-Schallempfänger bekannt (USA.-Patentschrift 3 489 994), bei dem das empfindliche EIement lediglich ein piezoelektischer zylindrischer Körper ist, dessen Enden wasserdicht abgeschlossen sind. Auch dieser Unterwasser-Schallempfänger weist nur eine sehr geringe Empfindlichkeit gegenüber Schalldruckänderungen, jedoch ebenfalls eine in vielen Fällen störende Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Schwingungen auf. Wie dies bekannt ist, kann das elektrische Nutz-Ausgangssigrial eines Unterwasser-Schallempfängers durch fünf verschiedene Störungsquellen ganz oder teilweise verdeckt oder unkenntlich gemacht werden, und zwar

1. durch das Rauschen der nachgeschal'.eten Verstärkungseinrichtung,

2. durch in dem Medium erzeugte thermische Geräusche,

3. durch von anderen Quellen stammende Geräusche,

4. durch ein Geräusch oder Rauschen, welches durch den Unterwasser-Schallempfänger selbst erzeugt wird, wenn der Unterwasser-Schallempfänger durch eine turbulente Strömung von Wasser mit gegenüber dem Gehäuse des Unterwasser-Schallempfängers regellosen Bewegungen ausgesetzt wird sowie

5. durch durch mechanische Schwingungen hervorgerufene Geräusche, die durch die Halte- und/oder Schleppseile erzeugt werden.

Bei den bekannten Unterwasser-Schallempfängern wirken sich bei nachgeschleppten Unterwasser-Schallempfängern die vorstehend an vierter und fünfter Stel-Ie erwähnten Arten von Geräuschen oder Störungen so aus, daß sie die Brauchbarkeit der auszuwertenden Schallinformationen und die zulässige Schleppgeschwindigkeit erheblich einschränken. Diese beiden Arten von Geräuschen und Störungen können auch die Brauchbarkeit von Schallinformationen beeinträchtigen, die von ortsfesten Unterwasser-Schallempfängern aufgenommen werden. Die Wirkung der beiden zuletzt genannten Arten von Störgeräuschen kann zwar dadurch verringert werden, daß die physikalischen Abmessungen der Unterwasser-Schallempfänger verkleinert werden. Eine Verkleinerung der Baugröße führt jedoch gleichzeitig zu einer Verringerung der Empfindlichkeit, so daß sich hierdurch keine Verbesserung des Nutz-Störsignalverhältnisses ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Unterwasser-Schallempfänger der eingangs genannten Art zu schaffen, der einerseits über einen großen Frequenzbereich eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Schalldruckänderungen aufweist und der andererseits nur wenig empfindlich gegenüber Beschleunigungen oder Schwingungen ist, die durch die Halterung des Unterwasser-Scliillempfängers bei ortsfesten oder nachschleppbaren Anordnungen übertragen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede Stirr fläche des Ringes von einer dünnen kreisrunden Membran überdeckt ist, die Randabschnitte aufweist, mit denen sie an den ringförmigen Stirnflächen des Ringes befestigt ist und daß jede Membran bleibend nach innen gewölbt in Richtung auf die Mittelebene des Ringes verformt ist

Durch diese Ausgestaltung des Unterwasser-Schallempfängers ergibt sich eine hohe Empfindlichkeit gegenüber jeder Schalldruckänderung, während nur eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen besteht, die durch eine Beschleunigung des Gehäuses oder der Halterung der Unterwasser-Schaüempfänger hervorgerufen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß jede Membran einen äußeren Randabschrütt umfaßt, der zu einem kurzen zylindrischen Ansatz vorgeformt ist, dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Ringes ist und der so angeordnet ist, daß er einen Teil der zylindrischen Außenfläche des Ringes überlappt.

Es ist zwar bereits bekannt (USA.-Patentschrift 2 607 858) piezoelektrische ^c-";hallwandler, in diesem Fall einen Sichallsender mit einer gewölbten Membran, zu verwenden. Dieser bekannte Schallwandler weist jedoch nur eine Membran auf einer Stirnfläche des piezoelektrischen Ringes auf, und diese Membran ist zunächst nach außen und dann wiederum schalenförmig nach innen gewölbt, wobei eine derartige Membrangestaltung die· dem vorliegenden Anmeldungsgegenstand zugrunde liegende Aufgabe nicht lösen würde.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Unterwasser-Schallempfänger in einer Baugruppe mit Membranhalterungseinrichtungen angeordnet, die einen kreisrunden elastischen Ring mil einem im wesentlichen kreisrunden Querschnitt und einem Durchmesser, der im wesentlichen dem mittlerer Durchmesser des piezoelektrischen Ringes entspricht Verbindungsmittel, welche den elastischen Ring mil dem Unterwasser-Schallempfänger im Bereich de· Randabschnittes einer der Membranen verbinden, wobei sich dieser Randabschnitt der Membran zwischer den zylindrischen Innen- und Außenflächen des piezo elektrischen Ringes erstreckt, und ein Halterungstei umfassen, das den elastischen Ring innerhalb de; Schleppstranges für seismische Untersuchungen gleichachsig mit dem Schleppstrang halten. Durch diese Ausgestaltung des Unterwasser-Schallempfängers ergibt sich eine Aufhängung, die mechanische Schwingunger nur wenig weiterleitet, während die Empfindlichkeit ge genüber Schalldruckänderungen nicht verringert wird Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn das Halte rungsteil zwei voneinander abgewandte nngförmig( Stirnflächen aufweist, die mit den ringförmigen Stirn flächen des piezoelektrischen Ringes im wesentlicher kongruent -ind und an denen jeweils ein Unterwasser Schallempfänger über jeweils einer elastischen Ring derart befestigt ist, daß die beiden Unterwasser-Schall empfänger gleichachsig mit der Längsachse de; Schleppstranges und in einem Längsabstand voneinan der gehaltert sind. Auf diese Weise läßt sich sehr ein fach eine Baugruppe mit jeweils zwei Unterwas ser-Schallempfängern an einem gemeinsamen Halte rungsteil aufbauen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil düngen der Erfindung ergeben sich aus den Unteren Sprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in dei Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen nocl näher erläutert ·

F i g. 1 ist eine schematische Darstellung einet seis mischen Schleppstranges, das seine Gebrauchsstelluni

in einein Gewässer einnimmt.

Fig.2 veranschaulicht schematisch die Anordnung von Unterwasser-Schallernpfängern innerhalb eines einzelnen aktiven Schleppstrangabschnitts.

F i g. 3 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch einen Teil eines aktiven Schleppstrangabschnitts und läßt erkennen, auf welche Weise eine Unterwasser-Schallempfängerbaugruppe in dem Schleppstrangabschnitt unterstützt ist.

F i g. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4-4 in F i g. 3.

F i g. 4A zeigt in einer perspektivischen Teildarstellung die Gestaltung eines Endabschnitts eines Tragzylinders zur Halterung einer Unterwasser-Schallempfängerbaugruppe zwischen zwei Abstandshaltern in- nerhalb des Schleppstrangabschnitts.

F i g. 5 zeigt eine der Unterwasser-Schallempfängerbaugruppen in einer Stirnansicht.

F i g. 5A ist ein Schnitt längs der Linie 5/1-5/4 in F i g. 5.

F i g. 6 ist eine Stirnansicht eines Unterwasser-Schallempfängers.

F i g. 6A ist ein Schnitt längs der Linie 6/1-6/4 in F i g. 6.

F i g. 6B zeigt in einem vergrößerten Teilschnitt die einander benachbarten Teile eines Rings aus keramischem Material und einer der Membranen sowie das zugehörige Kräftediagramm.

F i g. 7 ähnelt F i g. 6A. zeigt jedoch eine abgeänderte Ausführungsform eines Unterwasser-Schallempfän- gers.

F i g. 8 zeigt schematisch die Anordnung von Unterwasser-Schallempfängern in einem einzigen aktiven, sich verjüngenden oder nicht linearen Schleppstrangabschnitt.

F i g. 9 ist eine schematische Darstellung einer ortsfesten Abhorchvorricht.ung.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet; in F i g. 1 erkennt man in schematischer Darstellung einen seismischen Schleppstrang 10, der an einer Trommel 10/4 befestigt ist und durch ein auf der Wasseroberfläche schwimmendes Fahrzeug 11 oder ein Unterseeboot in verschiedenen Wassertiefen, die gewöhnlich bis zu etwa 15 m betragen können, in Süß- oder Seewasser nachgeschleppt wird. Der Schleppstrang 10 umfaßt ein Zuleitungskabel 12, das mit Einführungsteilen versehen sein kann und Signalleitungen, Zugseile und andere für den Betrieb benötigte Verbindungselemente enthält. Auf dieses Kabel folgen nacheinander ein elastischer Abschnitt 13, aktive Abschnitte 14, inaktive Abschnitte 15, eine Vorrichtung zum Regeln der Tauchtiefe sowie ein auf bekannte Weise ausgebildetes Abschlußelement Das allgemeine Verfahren zum Benutzen solcher Schleppstränge bei seismischen Untersuchungen ist in dem USA.-Patent 2 465 6% beschriebea

Fig.2 veranschaulicht schematisch einen einzigen aktiven Abschnitt 14; eine größere Anzahl solcher Abschnitte kann längs des Schleppstrangs in der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise vorgesehen sein; dieser aktive Abschnitt umfaßt mehrere aktive Baugruppen 20, die in gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Längsabständen verteilt sein können. Die Ausgänge der in einem einzigen Abschnitt enthaltenen Baugruppen sind gewöhnlich parallel geschaltet und an einen Wider- 6s itandanpasstmgstransformator 20/4 angeschlossen. Der iktive Abschnitt 14 umfaßt einen äußeren rohrförmigen Mantel 23, der z. B. aus einem Polyvinylmaterial besteht und mehrere Abstandhalter 21 umschließt, die z. B. so angeordnet sein können, daß zwei Abstandhalter durch einen Abstand von etwa 150 mm getrennt sind und daß das nächste Paar von Abstandhaltern in einem Abstand von etwa 1800 mm längs des Strangs von dem zuerst genannten Paar angeordnet ist. Die Abstandhalter 21 bestehen gewöhnlich aus einem starren Kunststoff und weisen mehrere öffnungen auf, durch die hindurch sich die verschiedenen Signalleitungen 26 und die Zugseile 22 erstrecken. Die Abstandhalter tragen auch dazu bei, die zylindrische Form des dickwandigen flexiblen äußeren Mantels 23 aufrechtzuerhalten. Die beiden in F i g. 3 gezeigten Abstandhalter 21a und 216 werden in dem gewählten Abstand von z.B. etwa 150mm durch Haltemittel festgehalten, die Bewegungen der Abstandhalter gegenüber den Zugseilen 22 verhindern, z. B. dadurch, daß sie öffnungen 2Γ aufweisen, die sich vom äußeren Umfang des betreffenden Abstandhalters aus zu den öffnungen erstrecken, welche die Zugseile 22 aufnehmen: in diese öffnungen wird ein Lötmaterial eingeführt, um eine Verbindung zu den Zugseilen herzustellen und so den Abstandhalter gegen axiale Bewegungen zu sichern.

Zwischen den beiden einander zugeordneten Abstandhaltern 21a und 216 erstreckt sich ein elastischer Schhuch 24, der z. B. aus einem weichen flexiblen Vinylmaterial besteht und geeignet ist, eine der zylindrischen Unterwasser-Schallempfängerbaugruppen fest zu umschließen, und der an seinen Enden in der aus F i g. 4A ersichtlichen Weise mit Ausschnitten versehen ist, die drei Ansätze oder Finger 24a abgrenzen, weiche nach außen gegen die einander zugewandten Stirnflächen der beiden Abstandhalter gebogen und in der in F i g. 4 gezeigten Weise so geschlitzt sind, daß die Finger die Zugseile 22 übergreifen können, um den Schlauch 24 in seiner gleichachsigen Lage gegenüber dem äußeren Mantel 23 zu halten. Die Signalleitungen 26 erstrecken sich durch die Ausschnitte zwischen benachbarten Fingern 24 und durch die sie aufnehmenden Längsöffnungen der Abstandhalter 21. Die leeren Räume innerhalb des Schleppstrangs sind mit einer geeigneten Flüssigkeit, z. B. geruchlos gemachtem Kerodin. gefüllt so daß der Schleppstrangabschnitt einen nahezu neutralen Auftrieb besitzt

Die Konstruktion jeder der Unterwasser-Schallempfängerbaugruppen 25, von denen je eine in jedem der Schläuche 24 angeordnet ist geht aus F i g. 5 und 5A hervor. Jede Baugruppe 25 umfaßt eine äußere zylindrische Umschließung oder ein Rohr 28 aus einem starren Werkstoff, z. B. Stahl, und ist mit gelochten Stirnwänden 29 ans dem gleichen Werkstoff versehen, so daß die in dem Schleppstrangabschnkt enthaltene Flüssigkeit ungehindert durch die Baugruppe strömen kann. In dem zylindrischen Rohr 28 ist ein Tragzyiinder 30 gehaltert der aus einem starren Werkstoff besteht eine allgemein zylindrische Form hat jedoch in der Mitte zwischen seinen Enden auf seiner Außenseite eine nach außen vorspringende, sich in der Umfangsrichtung erstreckende ringförmige Rippe 3OA aufweist die mit der Innenfläche des äußeren zylindrischen Rohrs 28 zusammenarbeitet Der Tragzyiinder 30 ist über den größten Teil seiner Länge mit einer durchgehenden Bohrung versehen, die jedoch in der Mitte zwischen ihren Enden durch eine Trennwand 30B unterbrochen ist um dem Tragzylinder 30 die erforderliche Starrheit zu verleihen; femer weist der Tragzyiinder 30 mehrere Öffnungen 34 auf, damit die in dem Schleppstrang enthaltene Flüssigkeit ungehindert in die Bohrunesahsnhniftp Hm

Tragzylinders eintreten kann. Ferner sind zwei Unterwasser-Schallempfänger 35 vorgesehen, die nahe den voneinander abgewandten Stirnflächen des Tragzylinders 30 angeordnet sifid, wobei zwischen jedem Schallempfänger und dem betreffenden Ende des Tragzylinders ein elastischer kreisrunder Ring 31 angeordnet ist; die Schallempfänger sind z. B. mit Hilfe eines Epoxyklebemittels Qti dgl. mit dem zugehörigen Ring 31 verbunden, und der Ring 31 ist seinerseits auf ähnliche Weise mit der zugehörigen Stirnfläche des Tragzylinders 30 verbunden.

Jeder Schallempfänger 35 umfaßt einen piezoelektrischen Ring 37, und der Tragzylinder 30 hat einen Innendurchmesser, der annähernd gleich dem Innendurchmesser des piezoelektrischen Rings 37 ist; der Außendurchmesser des Tragzylinders ist mit Ausnahme seines die ringförmige Rippe 30/4 bildenden Teils annähernd gleich dem Außendurchmesser des piezoelektrischen Rings 37. Die ringförmige Rippe 30/4 in der Mitte zwischen den Enden des Abstandhalters 30 hat einen Außendurchmesser, der nahezu gleich dem Innendurchmesser des äußeren zylindrischen Rohrs 28 ist, und im Bereich der Rippe ist der Tragzylinder auf bekannte Weise, z. B. mittels Schrauben, fest mit dem Rohr 28 verbunden. Der piezoelektrische Ring 37, der z. B. aus radial polarisiertem Bleizirkonat-Titanat besteht, weist an seinem inneren Umfang eine Elektrodenfläche 38 und an seinem äußeren Umfang eine Elektrodenfläche 36 auf: diese Elektrodenflächen bestehen 2. B. aus e,nem Silberüberzug, der in die Innenfläche bzw. die Außenfläche des Rings aus dem keramischen Material eingebrannt ist. Mit der inneren und der äußeren Elektrodenfläche sind elektrische Leiter 41 und 42 mit Hilfe von Lot oder leitfähigem Kitt 40 verbunden; der Leiter 41 verläuft durch ein radiales Loch des Ringes 37 und ist gegen die äußere Elektrode 36 durch eine isolierende Buchse 45 isoliert. Ferner sind zwei Membranen 39 vorgesehen, von denen je eine mit jeder Stirnfläche des piezoelektrischen Ringes 37 mit Hilfe eines Kitts 44 oder auf andere Weise verbunden ist. Die Membranen 39 haben eine solche Form, daß sie gemäß Fig.6A und 6B etwas nach innen konkav sind; diese bestehen vorzugsweise aus Metall, doch könnte man sie auch aus Kunststoffen mit oder ohne Verstärkungsfaden herstellen.

Die Membranen können die beschriebene Form vor oder nach dem Anbringen der Membranen an dem piezoelektrischen Ring 37 erhalten. Das bevorzugte Verfahren zum Formen der Metallmembranen besteht darin, daß die Membranen im noch flachen Zustand an den Stirnflächen des piezoelektrischen Ringes 37 befestigt werden, daß die Zuleitungen 4t und 42 so angebracht werden, daß die Membranen 39 zusammen mit dem Ring 37 einen nach außen abgedichteten Raum 46 abgrenzen, und daß dann ein hydrostatischer Druck auf die Außenseite des Schallempfängers 35 aufgebracht wird. Mit Hilfe unterschiedlicher hydrostatischer Drükke können Verformungen von unterschiedlichem Ausmaß bewirkt werden. Es hat sich z. B. als zweckmäßig erwiesen, piezoelektrische Ringe mit einem Durchmesser von etwa 25,4 mm und einer Breite von etwa 63 mm in Verbindung mit Metallmembranen mit einer Stärke von etwa 0,025 bis etwa 0,25 mm zu verwenden und zum Formen der Membranen einen Druck von bis zu etwa 243 atü aufzubringen.

Weitere Einzelheiten der Gestaltung der Membran und des ihr benachbarten Teils des piezoelektrischen Ringes sind aus F i g. 6B zu ersehen, wo auch ein Kräftediagramm dargestellt ist, das weiter unten benutzt wird, um die Theorie der Wirkungsweise zu erläutern. Die Bezugszeichen DE, EF, FG und GH bezeichnen verschiedene ringförmige Abschnitte der Membran 39. RE'ist der wirksame Radius der Membran, aus dem sich die wirksame Fläche berechnen läßt, und Ro ist der äußere Radius des piezoelektrischen Ringes 37.

Wenn die vorstehend beschriebene, in Fig.6A dargestellte Hydrophoneinheit in einem Schallfeld angeordnet wird, das einen Druck ρ aufweist, werden in dem piezoelektrischen Ring 37 verschiedene Beanspruchungen hervorgerufen, und zwar wie folgt:

a) durch den Druck p, der in radialer Richtung auf die äußere Umfangsfläche des Ringes 37 wirkt.

b) durch den Druck p, der in axialer Richtung auf die Membranflächen wirkt und auf die Stirnflächen des Ringes 37 aufgebracht wird sowie

c) durch eine radiale Kraft, die auf den Ring 37 wirkt und durch eine axiale Bewegung der Membranen hervorgerufen wird, die auf den Druck ρ zurückzuführen ist.

Die Wirkungen der unter a) und b) genannten Beanspruchungen wurden in der Fachliteratur von R. A. L e η g e ν i η beschrieben. (J. Acoust. Soc. Amer., 26, 1954, 421). Die Wirkungen der unter c) genannten Beanspruchungen sind in den USA.-Patenten 2 607 858 und 2 403 692 behandelt. Die Wirkung der unter c) genannten Beanspruchung ist in Fig.6B schematisch durch ein Kräftediagramm veranschaulicht, bei dem Fcb diejenige Kraft ist, welche in axialer Richtung auf die Membran wirkt; θ ist der Winkel zwischen dem ringförmigen ebenen Abschnitt DE der Membran und dem ringförmigen konischen Abschnitt FG, innerhalb dessen die Beanspruchungskraft Fab parallel zu FG verläuft, und Fac ist die resultierende Radialkraft. Der Membranabschnitt GH kommt auf starre Weise zur Wirkung. Der ringförmige Abschnitt £Fbiegt sich nach Art einer ebenen Platte durch; jedoch kann die Wirkung der Durchbiegung vernachlässigt werden, wenn der Mittelpunkt der Membran nach innen um eine Strecke versetzt ist, die größer ist als das Zweifache der Dicke der Membran (siehe S. Timoshenko, Vibration Problems in Engineering, D. van Nonstrand, S. 453). Der auf die beiden Membranen wirkende effektive Druck PE ist durch die folgende Gleichung gegeben:

Pf= P(R $ IRL tang Θ)

Hierin bezeichnet L die axiale Breite des Ringes. Mit Hilfe von Schallempfängern der beschriebenen Art ist es möglich, elektrische Ausgangssignale innerhalb eines breiten Frequenzbereichs zu erhalten, und bei diesen Schallempfängern treten effektive Schalldrücke auf, die Werte bis zum 20fach en des tatsächlichen Drucks erreichen. Da das Ausmaß der Verformung der Membran den Winkel θ bestimmt ist es auf einfache Weise möglich. Schallempfänger herzustellen, deren Empfindlichkeit mindestens ebenso groß ist wie diejenige bekannter Schallempfänger mit oder ohne starre ebene Stirnwände und deren Empfindlichkeit ein Vielfaches der Empfindlichkeit solcher bekannter Schallempfänger erreichen kana Ferner läßt sich die Empfindlichkeit dadurch regeln, daß man den Werkstoff und/oder die Dikke der Membranen variiert.

Gemäß F i g. 5A umfaßt die Unterwasser-Schallempfängerbaugruppe 25 zwei Schallempfänger 35, die elektrisch parallel geschaltet und mit Leitungen 32 und 33 verbunden sind. Die Empfindlichkeit der Baugruppe ge-

gen axiale Schwingungen, transversale Schwingungen und Drehschwingungen ist äußerst gering. Axiale Schwingungen werden durch das zylindrische Rohr 28, den zentralen Ringwulst 3OA auf der Außenseite des Tragzylinders 30 und durch diesen Tragzylinder mit gleich großen Amplituden über die elastischen Ringe 31 übertragen, welche nicht notwendigerweise dazu dienen, Stöße zu dämpfen, sondern die Kräfte auf den Umfang des Zylinders zu verteilen, so daß die piezoelektrischen Ringe 37 elektrische Ausgangssignale von gleicher Größe, jedoch von entgegengesetzter Polarität erzeugen, die insgesamt nur zu einem vernachlässigbar kleinen Ausgangssignal führen. Transversal- und Drehschwingungen werden auf ähnliche Weise durch das äußere Rohr 28 auf die piezoelektrischen Ringe 37 so übertragen, daß in benachbarten, gleichgroßen Raumteilen des piezoelektrischen Werkstoffs Beanspruchungen von gleicher Größe, jedoch in entgegengesetzten Richtungen hervorgerufen werden, die ebenfalls zu einem vernachlässigbar kleinen Ausgangssignal führen.

F i g. 7 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform eines Schallempfänger, der allgemein dem an Hand von F i g. 6A beschriebenen ähnelt. Die Ausführungsform nach F i g. 7 umfaßt den gleichen piezoelektrischen Ring 37. der z. B. aus radial polarisiertem Bleizirkonattitanat besteht, wobei das keramische Material auf der Innenfläche und der Außenfläche mit Überzügen aus Silber versehen ist. die Elektroden 36 und 38 bilden. Die elektrischen Leitungen 41 und 42 sind mit der inneren bzw. der äußeren Elektrodenfläche in der gleichen Weise wie bei der Ausführungsform nach F i g. 6A mit Hilfe von Lot oder eines leitfähigen Kitts 40 verbunden, und die Leitung 41 ragt durch eine radiale öffnung des Ringes 37 und ist gegenüber der äußeren Elektrode 36 durch eine isolierende Buchse 45 isoliert. Die beiden Membranen 39', von denen jeweils eine an jedem Ende des Ringes 37 angeordnet ist, sind mit dem Ring mit Hilfe von Kitt 44 verbunden, und ihre äußeren Ränder sind um etwa 90° nach innen abgewinkelt, so daß sie riv.gförmige Lippen 39^ bilden, welche die Außenfläche des Ringes 37 nahe den Enden des Ringes innerhalb einer schmalen Zone verlassen. Diese Gestaltung erleichtert das richtige Anordnen der Membranen 39' auf den Enden des piezoelektrischen Ringes 37 während der Montage.

Wenn man die Schallempfänger 35 oder 35' auf den Enden des Tragzylinders 30 unter Verwendung der elastischen Ringe 31 anordnet und die so erhaltene Baugruppe in dem Rohr 28 haltert. das seinerseits in der beschriebenen Weise zwischen den Abstandhaltern 21 aufgehängt ist, wird die Empfindlichkeit der Hydrophonbaugruppe gegen axiale Schwingungen, Transversalschwingungen und Drehschwingungen auf ein Minimum verringert Axiale Schwingungen, die auf die Schallempfänger 35 durch den Tragzylinder 30 und die elastischen Ringe 31 fibertragen werden, führen zu Beanspruchungen des Materials der beiden piezoelektrischen Ringe 37, so daß elektrische Ausgangssignale von gleicher Größe, jedoch von entgegengesetzter Polarität erzeugt werden, wobei insgesamt nur ein vernachlässigbar kleines Ausgangssignal entsteht Transversal- und Drehschwingungen, die über den Tragzylinder 30 und die Ringe 31 übertragen werden, bewirken, daß benachbarte Raummengen des piezoelektrischen Materials in entgegengesetzten Richtungen beansprucht werden. Da die elastischen Ringe 31 auf dem mittleren Durchmesser der piezoelektrischen Ringe 37 angeordnet sind, wird das resultierende elektrische Ausgangssignal vernachlässigbar klein. Wird auf die Membranen der Schallempfänger ein Druck aufgebracht, der auf eine axiale oder eine drehende Bewegung der Schallempfänger gegenüber dem sie umgebenden Medium zurückzuführen ist, werden in den piezoelektrischen Ringen ebenfalls gleich große, einander entgegengesetzte Spannungen erzeugt, die wiederum zu einem vernachlässigbar kleinen Ausgangssignal führen.

Statt den in F i g. 2 schematisch dargestellten aktiven Schleppstrangabschnitt 14 zu verwenden, kann man den aktiven Schleppstrangabschnitt in der in Fig.8 schematisch dargestellten Weise mit Schallempfänger versehen. Gemäß Fig.8 ist ein Widerstandsanpassungstransformator 20a vorgesehen; die Schallempfängerbaugruppen 206,20c, 2Odusw. bis 2Oy unterscheiden sich bezüglich ihrer Empfindlichkeit, und sie sind auf der Längsachse des aktiven Schleppstrangab-Schnitts 14 in solchen Abständen verteilt, daß sie eine sich »verjüngende« oder ungleichmäßige Anordnung bilden. Dies ist in manchen Fällen erforderlich, wenn der Schleppstrangabschnitt eine bestimmte richtungsabhängige Charakteristik erhalten soll. Die Zweckmäßigkeit solcher Anordnungen ist in der Fachliteratur bereits behandelt worden (siehe C. H. S a ν i t u. a.. The Moveout Filter. Geophysics, Bd. 23, Nr. 1. 1958). Die erforderlichen unterschiedlichen Empfindlichkeitswerte lassen sich erzielen, indem man den an Hand von Fig.6B definierten Winkel θ und/oder die Dicke der Membranen oder den Membranwerkstoff variiert.

Wie in F i g. 9 schematisch gezeigt, ist es auch möglich, eine Schallempfängerbaugruppe als ortsfesten Schallwellenempfänger in einem Gewässer zu benutzen. Die Schallempfängerbaugruppe, die gegebenenfalls nur einen einzigen Schallempfänger 35 umfaßt, oder bei der es sich um eine Baugruppe 25 der beschriebenen Art mit zwei Schallempfängern 35 handeln kann, welche unter Verwendung elastischer Ringe 31

auf den Enden des Tragzylinders 30 angeordnet sind, ist in einem Behälter 47 untergebracht und wird durch eine Boje oder einen Schwimmer 48 in der gewünschten Wassertiefe zwischen dem Boden 52 und der Oberfläche 53 eines Gewässers 54 gehalten. Die Baugruppe

wird mit Hilfe eines Ankers 51 verankert und durch ein Seil 50 in ihrer Lage gehalten. Ein Kabel 49. das elektrische Leiter enthält, ist mit der Schallempfängerbaugruppe in dem Behälter 47 verbunden und führt zu einem Verstärker oder Ständer, der dazu dient, die

Ausgangssignale zu einer entfernten Stelle zu übermitteln.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich daß der beschriebene Unterwasser-Schallempfängei insbesondere geeignet ist, als ortsfester oder nach-

schleppbarer Schallempfänger benutzt zu werden, da er eine hohe Empfindlichkeit für jede Schallstrahlung aufweist, während er nur in einem geringen Ausmaß füi Schwingungen empfindlich ist, die eine Beschleunigung des Gehäuses oder der Halterung des Schallempfän-

gers bewirken. Bezüglich nachgeschleppter Schlepp stränge für seismische Untersuchungen sei bemerkt daß sich ein solcher Schleppstrang ständig in Bewe gung befindet und daß unvermeidbare Veränderung^ zu Beschleunigungskräften führen, die Anlaß zu uner

"S wünschten Signalen geben; auf diesem Arbeitsgebiet isi man daher ständig bestrebt, die AnsprechemjrfindHch teit für akustische Drücke zu steigern und die Empfind Henkelt für Beschleunigunger auf einem Minimum zt

alten. Die Schallempfänger und die Tragkonstruktion rmöglichen es bei Schleppsträngen für seismische Unersuchungen, den Störabstand erheblich zu verbessern. )a es ohne jede Schwierigkeit möglich ist, Schallempänger von unterschiedlicher regelbarer Empfindlich-

keit herzustellen, eignen sich die beschriebenen Schallempfänger insbesondere zur Verwendung bei aktiven oder eine ungleichmäßige Anordnung bildenden Schleppsträngen für seismische Untersuchungen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Unterwasser-Schallempfänger mit einem radial polarisierten piezoelektrischen Ring mit zur Achse des Ringes konzentrischen Innen- und Außenflächen mit jeweiligen Elektrodenbelägen, wobei der Ring an jedem Ende eine ringförmige Stirnfläche aufweist, und mit Membranelementen an zumindest einer der Stirnflächen des Ringes, dadurch ge- to kennzeichnet, daß jede Stirnfläche des Ringes (37) von einer dünnen kreisrunden Membran (39) überdeckt ist, die Randabschnitte (DE) aufweist, mit denen sie an den ringförmigen Stirnflächen des Ringes (37) befestigt ist, und daß jede Membran (39) bleibend nach innen gewölbt in Richtung auf die Mittelebene des Ringes (37) verformt ist

2. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran (39') einen äußeren Randabschnitt umfaßt, der zu einem kurzen zylindrischen Ansatz (39a') vorgeformt ist. dessen Innendurchmesser etwas größer als der Außendurchmesser des Ringes (37) ist, und der so angeordnet ist, daß er einen Teil der zylindrischen Außenfläche des Ringes überlappt.

3. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch I oder 2 zur Verwendung bei einem unter Wasser nachzuschleppenden langgestreckten Schleppstrang für seismische Untersuchungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterwasser-Schallempfänger in einer Baugruppe (25) mit Membranhalterungseinrichtungen angeordnet ist, daß diese Membranhalterungseinrichtungen einen kreisrunden elastischen Ring (31) mit einem Li wesentlichen kreisrunden Querschnitt und einem Durchmesser, der im wesentlichen dem mittleren Durchmesser des piezoelektrischen Ringes (37) entspricht, Verbindungsmittel, welche den elastischen Ring (31) mit dem Unterwasser-Schallempfänger (35) im Bereich des Randabschnittes (DE) einer der Membranen (39) verbinden, wobei sich dieser Randabschnitt der Membran zwischen den zylindrischen Innen- mid Außenflächen des piezoelektrischen Ringes eritreckt, und ein Halterungsteil (30) umfassen, das den elastischen Ring innerhalb des Schleppstranges (10) für seismische Untersuchungen gleichachsig mit dem Schleppstrang halten.

4. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch

3, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil (30) zwei voneinander abgewandte ringförmige Stirnflächen aufweist, die mit den ringförmigen Stirnflächen des piezoelektrischen Ringes (37) im wesentlichen kongruent sind und an denen jeweils ein Unterwasser-Schallempfänger (37) über jeweils einen elastischen Ring (31) derart befestigt ist, daß die beiden Unterwasser-Schallempfänger gleichachsig mit der Längsachse des Schleppstranges (10) und in einem Längsabstand voneinander gehaltert sind.

5. Unterwasserschallempfänger nach Anspruch

4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungsteil die Form eines axial langgestreckten, im wesentlichen hohlen Tragzylinders (30) aufweist, der in seiner zylindrischen Wand öffnungen (34) aufweist, damit Strömungsmittel-Druckwelten in den hohlen ⁶S Teil des Tragzylinders eintreten und auf die Membranen (30) der beiden Unterwasser-Schallempfänger (35) wirken können.

6. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, doß die aus dem Tragzylinder (30) und den beiden Unterwasser-Schallempfängern (35) gebildete Baugruppe innerhalb einer, zylindrischen Umschließung (28) unterstützt ist, daß der Tragzylinder (30) in der Mitte zwischen seinen Enden eine nach außen vorspringende ringförmige Rippe (30A) aufweist, die sich nach außen an der zylindrischen Innenwand der zylindrischen Umschließung (28) abstützt und an ihr befessigt ist, daß die zylindrische Umschließung mit gelochten Stirnwänden (29) versehen ist, damit ein Strömungsmittel in die zylindrische Umschließung eintreten und durch die öffnungen (34) des Tragzylinders (30) in diesen eintreten kann, daß der Schleppstrang (10) einen äußeren Mantel (23) von kreisrundem Querschnitt umfaßt, daß in diesem äußeren Mantel zwei zylindrische Abstandshalter (21) aus Kunststoff gleichachsig mit dem SchleppsUäug angeordnet und durch einen gewählten Abstand voneinander getrennt sind und daß sich Haltemittel (24) zwischen den Abstandshaltern erstrecken und die zylindrische Umschließung (28) zwischen den Abstandshaltern (21) gleichachsig mit dem Schleppstrang haltern.

7. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch

6, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltemittel zum Haltern der zylindrischen Umschließung (28) einen langgestreckten elastischen Schlauch (24) umfassen, dessen Innendurchmesser im wesentlichen dem Außendurchmesser der zylindrischen Umschließung (28) entspricht, so daß der Schlauch in seinem mittleren Teil zwischen seinen Enden mit der zylindrischen Umschließung (28) zusammenarbeitet, um sie zu haltern, daß der Schlauch an seinen Enden mit mehreren sich radial nach außen erstreckenden, sich verjüngenden Fingern (24a) versehen ist, die gegenüber der Mittelachse des Schlauches nach außen durchgebogen sind und sich teilweise über die Umfangsfläche des benachbarten Abstandshalters (21) erstrecken und daß Haltemittel (21') vorgesehen sind, um zu verhindern, daß sich der Schlauch gegenüber den Abstandshaltern dreht.

8. Unterwasser-Schallempfänger nach Anspruch

7, dadurch gekennzeichnet, daß die letztgenannten Haltemittel (2Γ) in den freien Randabschnitten der Finger (24a) des Schlauchs (24) ausgebildete Einschnitte umfassen, daß der Schleppstrang (10) für seismische Untersuchungen Zugseile (22) umfaßt, die sich längs des Schleppstranges und durch die Abstandshalter (21) hindurcherstrecken und daß die Ausschnitte der Finger die Zugseile übergreifen, um zu verhindern, daß sich der Schlauch gegenüber den Abstandshaltern dreht.