DE2616959A1

DE2616959A1 - Implosionsgenerator zur erzeugung von akustischen impulsen

Info

Publication number: DE2616959A1
Application number: DE19762616959
Authority: DE
Inventors: Chadwick O Davies; Adiren P Toulon Pascouet
Original assignee: DEV de la RECH APPLIQUEE SOC P
Current assignee: DEV de la RECH APPLIQUEE SOC P
Priority date: 1975-04-18
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1976-11-04
Also published as: DE2616959C2; JPS51139318A; GB1538279A; BR7602346A; SU858580A3; JPS5653760B2; CA1070819A

Description

Societe Pour Le Developpement De La Kecherche Appliquee, ⁱ, rue Jean Mallard, 83100 Toulon, France

Implosionsgenerator zur Erzeugung von akustischen Impulsen

Akustische Implosionsgeneratoren zur Erzeugung von akustischen Impulsen in Wasser sind an sich bekannt. .Beispielsweise zeigt U.S.-PS 3.369.627 einen Generator, bei dem ein Hohlraum zwischen zwei sich rasch voneinander trennenden Platten erzeugt wird. Das heftige Zusammenfallen dieses Hohlraumes durch das umgebende Wasser erzeugt einen akustischen Impuls, der durch den Wasserkörper fortschreitet.

Ferner zeigt U.S.-PS 3.642.090 einen Kolben, der sich von einem flüssigen Körper weg schneller bewegt als der flüssige Körper dem Kolben folgen kann. Dadurch wird ein Hohlraum zwischen dem Kolben und dem umgebenden flüssigen Körper ausgebildet. Die umgebende Flüssigkeit stürzt ein und füllt diesen Hohlraum aus; dabei wird ein akustischer Impuls hoher Energie erzeugt, der durch den flüssigen Körper fortschreitet.

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Konto: Bayerische Vereinsfaank IBlZ 750 20073) 5 804 248 Postscheckkonto München 888 SS-S01

Gerichtsstand Rsgensisurg

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Ahnliche Einrichtungen sind in U.B.-PS 3.642.089 und 5-711-824 beschrieben.

Die meisten dieser Generatoren hatten keine oder, nur eine Degrenzte praktische Bedeutung; die Gründe hierfür werden in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Erzeugung eines akustischen Impulses vorgeschlagen, bei dem ein Hauptflüssigkeit sstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit längs einer vorgegebenen Trajektorie in einen flüssigen Körper eingeführt wird; der Strahl wird durch ein Kraftfeld angetrieben, das fast augenblicklich unterbunden wird.

Für Impulse sehr hoher Energie wird die Geschwindigkeit so groß gewählt, daß ein Hohlraum erzeugt wird, an den sich eine Implosion im flüssigen Körper anschließt.

Vorzugsweise wird der Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens zwei Zweigflüssigkeitsstrahlen aufgespalten, die abgelenkt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Generator zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrensvorgeschlagen, der ein Gehäuse aufweist, das eine Kammer bildet, welche dann, wenn das Gehäuse in den flüssigen Körper eingetaucht ist, ein* Flüssigkeitsmasse bzw. einen Flüssigkeitspfropfen darin einschließt. Die Kammer weist eine Austrittsöffnung auf, die mit dem flüssigen Körper in Verbindung steht. Ferner ist eine Vorrichtung mit der Flüssigkeitsmasse zum Antrieb eines Hauptflüssigkeitsstrahles längs einer vorbestimmten Trajektorie gekoppelt.

Die Öffnung weist vorzugsweise eine Querschnittfläche auf,

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die genügend groß ist, um eine Strahlgeschwindigkeit zu erzeugen, welche ausreicht, um im flüssigen Körper im Anschluß an eine Implosion einen Hohlraum zu erzeugen.

Zweckmäßigerweise "besitzt der Generator eine Strahlteilvorrichtung, um den Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens zwei Zweigflüssigkeitsstrahlen aufzuspalten, sowie eine AIdlenkvorrichtung, um die Zweigflüssigkeitsstrahlen in einer Ebene abzulenken, die relativ zu der Trajektorie des HauptStrahles geneigt ist.

TJm die Reaktionskraft aufzuheben, soll die Ebene etwa senkrecht zu der Trajektorie verlaufen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen: Figuren 1 -4 Schnittansichten einer Ausführungsform des Impulsgenerators nach der Erfindung, wobei verschiedene Positionen der Pendelanordnung und die von ihr erzeugten Wasserstrahlen dargestellt sind, Figur 5 das Zusammenfallen eines kugelförmigen Hohlraumes

durch die umgebende Wasserschicht hohen Druckes, Figur 6 den Rückpralleffekt der Implosion, Figur 7 den Dämpfungseffekt, der durch die kegeligen Oberflächen des Kolbens erzielt wird,

Figur 8 die Beziehung zwischen der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung und der Gestalt ". 3 des erzeugten Wasserstrahles,

Figuren 9, H₅ 13 und 15 Ansichten ähnlich denen nach den Figuren 1-4, jedoch für einen Generator, der mit einer Strahlteil-und Ablenkvorrichtung versehen ist, Figur 10 eine Schnittansicht längs der Linie 10-10 in

Figur 9,
Figur 12 eine Schnittansicht längs der Linie 12-12 in

Figur 11,
Figur 14 die Ausbildung der Hohlräume und die resultierenden

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Implosionen, die von dem Generator nach Figur 9 erzeugt werden,

Figur 16aeine verallgemeinerte Böirvenform des Druckverlaufes, der von einem Implosions-Impulsgenerator erzeugt wird,

Figur 16Td eine gefilterte Version der Kurvenform nach Figur 16a,

Figur 17a eine überwachte Eurvenform in einem vorbestimmten Abstand von der Implosionsstelle bei dem Generator nach Figur 1,

Figur 17b eine überwachte Kurvenform in einem vorbestimmten Abstand von der Implosionsstelle bei dem Generator nach Figur 9,

Figur 18a eine Darstellung der direkten Kurvenform, die von dem Generator nach Figur 9 erzeugt wird,

Figur 18b eine Darstellung der direkten Kurvenform, wie sie in der Jüähe der Implosionsstelle aufgenommen wird, nachdem sie von der Wasseroberfläche reflektiert worden ist,

Figur 18c eine Darstellung der überlagerten Kurvenform, die in der Nähe der Implosionsstelle aufgenommen wird,

Figur 19a den Druckverlauf, der durch einen Generator innerhalb einer Expansionskammer erzeugt wird,

Figur 19b den Druckverlauf eines Generator mit einer Expansionskammer ,

Figur 20 das Verfahren der Anwendung der Erfindung zur Durchführung einer seismischen Exploration in Wasser, und

Figur 21 die Verwendung der Strahlteil-und-Ablenkvorrichtung in Verbindung mit einem Implosionsgenerator, der Dampfblasen antreibt.

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Detailierte Beschreibung des Aufbaues einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines akustischen Generators 10 für den Betrieb in Wasser (Figuren 1-4) weist ein zylindrisches Gehäuse 13 auf. Das Gehäuse 13 besitzt eine zylindrische Bohrung 16 zwischen Absperrwandungen 17» 18, die Kolbensitze 17a, 18a aufweisen. Die Sitze 17a und 18a definieren Öffnungen 17b, 18b. In eingetauchtem Zustand ist die Öffnung 17b für die Flüssigkeit, beispielsweise Meerwasser 12 offen.

Ein Hauptkolben 20 ist gleitend in der Bohrung 16 auf einem Abdichtring 21 befestigt. Die öffnungen 17a und 18a besitzen abgeschrägte Oberflächen, und der Kolben 20 ist an der Oberseite und an der Unterseite so geformt, daß er angepaßte, sich verjüngende Oberflächen 20a und 20b besitzt.

Der Generator 10 kann im Wasser 12 akustische Impulse erzeugen, die kleine oder sehr große Amplituden haben können, je nach der Betriebsweise. Das Prinzip der Arbeitsweise basiert darauf, daß eine Wassermasse 22, die innerhalb einer Kammer 23 eingeschlossen ist, welche durch die Bohrung 16 zwischen dem Ring 21 und der Absperrwand 17 definiert ist, ausgestoßen wird. Die Bohrung 16 definiert ferner eine Kammer 24 zwischen dem Ring 21 und der Wand 18.

Die Wassermasse 22 wird durch Aufgeben eines Kraftfeldes ausgestoßen, das eine resultierende Kraft in axialer Richtung besitzt. Die Vorrichtung, die das Kraftfeld erzeugt, weist ein Betätigungsglied, z. B. eine Stößelstange 26 auf, die am einen Ende mit dem Kolben 20 und am anderen Ende mit einem Hilfskolben 27 gekoppelt ist, welcher am Ring 28 in einer zylindrischen .Bohrung 29 befestigt ist. Die Bohrung 29 definiert eine Rückführkammer 30 unterhalb des

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Kolbens 2?, sowie eine Auslösekammer 31 oberhalb des Kolbens 27. Die Kammer 30 ist mit Hilfe einer Ringdichtung 32 flüssigkeitsdicht ausgeführt und nimmt die Stößelstange abdichtend und gleitend auf. Die Kammer 31 ist dauernd über eine Entlüftungsöffnung 33 entlüftet. Für jede bestimmte Größe des Generators 10 gibt es eine optimale Länge für die Kammer 30, die sinen akustischen Impuls maximaler Energie liefert. Wenn die optimale Länge für die Kammer den Generator 10 unerwünscht lang macht, kann die Kammer "gefaltet" werden, sodaß sich ein ^rJ?eil der Käamer innerhalb befindet und ein anderer Teil 30a zwischen der Bohrung 29 und einer zylindrischen Wand 34 liegt. Das Volumen zwischen der Wand 34 und dem Gehäuse bildet eine Speicherkammer 35· Die Kammer 24 ist über eine sehr kleine Entlüftungsöffnung 36 dauernd, auch wenn tsie ihre kleinsten Dimensionen annimmt, entlüftet. Während das EntlüftungslQch 36 in das Wasser 12 entlüften kann, entlüftet es vorzugsweise in eine Expansionskammer 37 beachtlichen Volumens, und zweckmäßigerweise steht die Kammer 37 mit dem Wasser über ein kleines oberes Entlüftungsloch 38 in Verbindung.

Der Generator 10 wird durch einen Luftkompressor 45 angetrieben, der am Ausgang eines Steuerventiles 45a einen regulierten, steuerbaren Druckluftstrom erzeugt. Das Ventil 45a ist mit dem Einlaß 40 der Kammer 30a über den Kanal 41 verbunden. Die Kammer 35 weist einen Einlaß 42 auf, der mit dem Kanal 41 über ein normalerweise geschlossenes Ventil 43 gekoppelt ist, das durch einen Schieber 44 betätigt wird, der abdichtend und gleitend in der oberen Wand der Kammer 31 befestigt ist. Wenn der Kolben 27 seine oberste Position (J¹IgUr- 1) erreicht, wird der Schieber 44 von seinem Sitz 44a abgehoben, wodurch das Ventil 43 mechanisch geöffnet wird und Hochdruck in den Einlaß 42 der Kammer 35 eintreten kann. Der Wert des Gegendruckes auf den Kolben 27 wird durch das Ent-

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Entlüftungsloch. 33 gesteuert, der Wert des Gegendruckes auf den Kolben 20 durch die Entlüftungslöcher 36 und 38. Somit dient die Luft in den Kammern 24 und 31 als ein Strömungsmittel-Stoßdämpfer.

Die aus den Kolben 20, 27 und der Stößelstange 26 bestehende Anordnung bildet eine Pendelanordnung 46. Um die Pendelanordnung 46 nach unten zu treiben (!figur 2),wird ein Auslösedruck auf die Oberseite des Kolben 27 aufgegeben. Dieser Auslösedruck wird aus dem Auslaß 47 der Kammer 35 erhalten. Der Auslaß47 ist mit dem Einlaß 48 in der Kammer 31 über den Kanal 49 gekoppelt, welcher ein Ventil 50 aufweist, das vorzugsweise sölenoid^betätigt ist. Das Ventil ist normalerweise geschlossen und öffnet nur in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Signal 64, das auf der Leitung, 51 ankommt.

Es ist erwünscht, den Generator 10 mit einer Ablenkvorrichtung 15 (Figuren 9-10J abzuschließen, wie nachstehend noch erläutert wird. Die Ablenkvorrichtung 15 kann lösbar mit dem Generator 10 gekoppelt sein. Sie ist in ihrer einfachsten Form als Platte 15a ausgebildet, die eben oder konisch geformt sein kann. Die Platte 15a wird in einem Abstand von der Öffnung 17b angeordnet. Vorzugsweise jedoch weist die Ablenkvorrichtung 15 eine zylindrische Wand 15b auf, in welcher zwei oder mehr Offnungen 15c in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt vorgesehen sind. Die optimale Anzahl von Öffnungen 15c ist vier, wobei diese Offnunge*. voneinander um etwa 90° versetzt sind.

Während der akustische Impulsgenerator 10 nach vorliegender Erfindung in verschiedensten Industriezweigen Anwendung findet, wird er nachstehend als akustische Energiequelle für geophysikalische oder seismische Erkundung beschrieben.

Für die Verwendung in der Seismik (Figur 2Oj wird der

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Generator 10 normalerweise in Wasser eingetaucht von einem seismischen Schiff 60 geschleppt und zyklisch so "betätigt, daß eine Seihe von scharfen akustischen Impulsen hoher Leistung und kurzer Dauer in das Wasser 12 erzeugt werden. Der Generator 10 ist an einem einstellbaren Gehänge 61 aufgenommen. Auf dem Schiff 60 sind der Luftkompressor und zugeordnete Vorrichtung \*j, sowie ein Signalauf-' zeichnungs-und-Verarbeitungsgerät 62 vorgesehen. Der Kompressor 45 ist mit dem Ventil 45a über die Leitung 41 verbunden. Das Gerät 62 nimmt die angezeigten reflektierten seismischen Signale aus einem geschleppten Streamerkabel auf und erzeugt den Ausloseimpuls 64 auf der Leitung 51 zur öffnung des Ventiles 50, wodurch der Generator 10 "gezündet" wird.

Beschreibung der Arbeitsweise

Um den Generator 10 betriebsbereit zu machen (Figur 1) wird das Steuerventil 45a geöffnet, wodurch die Bückführkammer über den Einlaß 40 druckaufgeladen wird. Der. aufgegebene. Druck bewirkt, daß der Kolben 27 in seine gespannte Position zurückkehrt, in der der Schieber 44 von dem Sitz 44a abgehoben ist, um das Ventil 43 zu öffnen. Der Luftdruck von z.B. 150 Bar kann nunmehr die Speisekammer 35 füllen. Die Kammern 24, 31 und 37 weisen etwa den hydrostatischen Druck der Umgebung auf. Eine Wassermasse 22 füllt die Kammer 23-Der Generator 10 wird nunmehr mit Druck beaufschlagt und die Pendelanordnung 46 nimmt ihre gespannte Position ein.

Vorwärtshub der Pendelanordnung 46.

Damit die Pendelanordnung 46 ihrer«. Yorwärtsiiub ausführen kann(ligur2), wird ein Ausloseimpuls 64 übertragen, der ein öffnen des Ventiles 50 bewirkt, wodurch eine Druck-

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verbindung zwischen den Kammern 31 und 35 hergestellt wird. Eine nach abwärts gerichtete Auslösekraft 52 wird gegen den Kolben 27 ausgeübt, die in Verbindung mit der bereits vorhandenen, nach abwärts gerichteten Kraft 54 (Figur 1), welche auf den Teil des Kolbens 21 gegenüber der öffnung 18b ausgeübt wird, die Summe aller nach oben gerichteten Kräfte 53, die auf die Pendelanordnung 46 ausgeübt werden, überwindet. Dadurch beginnt die Pendelanordnung 46 sich bei ihrem Vorwärtshub nach abwärts zu bewegen. Wenn der freigelegte Teil 20b des Zylinders 20 sich von dem Sitz 18a abgehoben hat, wird der hohe Druck in der Kammer $5 gegen den gesamten Kolben 20 ausgeübt, was ein plötzliches Ausstoßen der Pendelanordnung 46 ergibt. Der hohe Druck beginnt mit der Entlüftung durch das Entlüftungsloch 36 in die Kammer 37 und von dort in das Wasser 12 über das Entlüftungsloch 38.

Die abgeschrägte Fläche 17a der Öffnung 17 hat eine sehr wichtige Funktion (Figur 7). Bevor die verjüngte Fläche 20a sich der abgeschrägten Fläche 17a nähert, besteht für die Wassermasse 22 keine Schwierigkeit, aus der Öffnung 17 auszutreten. Wenn die verjüngte Fläche 20a sich der verjüngten Fläche 17a nähert, wird ein Wasserring 22b dazwischen eingeschlossen, der als flüssiger Stoßdämpfer für den Kolben 20 dient. Ohne den Dämpfungseffekt, der durch den eingeschlossenen Ring erzeugt wird, würde der Generator 10 erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt, die die Lebensdauer des Generator herabsetzen wurden.

Die Austrittsform des Wasserstrahles 22a, der durch die Wassermasse 22 erzeugt wird, hängt auch von der Querschnittsfläche der öffnung 17b ab (Figuren 2,8)} je kleiner diese Querschnittsflacke ist, desto langer und dünner ist der Strahl 22a, und umso größer wird die kinetische Energie des Strahles.

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Der sich rasch bewegende Strahl 22a erzeugt bei der Trennung von dem Kolben 20 zuerst im "Wasser einen nahezu zylindrischen Hohlrauis OC (Figur 3), und dann einen nahezu kugelförmigen Hohlraum SO (Figur 4). Bas Zusammenfallen des zylindrischen Hohlraumes erzeugt eine swei-dimensionale Implosion, und das Zusammenfallen des kugelförmigen Hohlraumes erzeugt eine drei-dimensionale Implosion in einem sicheren Abstand vom Generator 10 abhängig von der Geschwindigkeit des Strahles 22a und von äer Querschnittsfläche der Öffnung 17b (Figuren 4, 8).

Wenn somit das Kraftfeld, das auf die Wassermasse 22 ausgeübt wird, unterbunden wird, z. B. durch augenblickliches Sperren der Bewegung des Kolbens 20 (Figur 3), setzt der ausgestoßene Wasserstrahl 22 a seine Abwärtsbewegung von dem angehaltenen Kolben 20 weg fort und erzeugt dabei eine zwei-dimensionale Implosion, an die sioli eine drei-dimensionale Implosion anschließt,

Die akustische Energie, die sich aus der Implosion OC (Figur 3) ergibt, ist bestenfalls proportional dem Volumen der Wassermasse 22 und die akustische Energie, die sich aus der Implosion SC (Figuren 4, 5) ergibt, ist etwa proportional der kinetischen Energie des Strahles. Somit spielt die kinetische Energie des Strahles 22a, die teilweise durch die Querschnittsfläche der Öffnung 17b und durch den von der Pendelanordnung 46 auf die Wassermasse 22 ausgeübten Druck bestimmt ist, eine maßgebliche Rolle bei der Größe der akustischen Impulse»energie, die aus dem Generator 10 erhalten wird.

Ferner ist es für den Generator vom Standpunkt der Konstruktion her umso besser, je weiter weg vom Generator 10 die dreidimensionale Implosion auftritt, da dann, wenn die gesamte Implosion zwischen Bauteilen des Generators auftritt, Ermüdungserscheinungen in dem Generatorgehäuse auftreten. Bei den

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bereits bekannten akustischen Implosiongeneratoren war die akustische Energie, die sich aus Implosionen ergab, etwa proportional dem überstrichenen Volumen, und die Implosionen fanden zwischen den Bauteilen des Generators statt, wodurch die Lebensdauer der Implosionseinrichtung wesentlich herabgesetzt wurde.

Der Rückführhub der Pendelanordnung 46

Wenn die Pendelanordnung 46 zum Stillstand kommt (Figur 3) werden die Kammern 24, 31 und 37 weiter entlüftet, bis der Gegendruck ausreichend gering ist und die Pendelanordnung 46 den Äückführhub beginnen kann. Die Rückführ geschwindigkeit der Pendelanordnung 46 wird durch die Geschwindigkeit der Belüftung der Kammer 24 beeinflußt. Wenn das Volumen der Kammer 24 kleiner wird, nimmt der Druck in der Kammer zu und bewirkt eine Verzögerung ddr Aufwärtsbewegung der Pendelanordnung. Die Kammer 31 wird ebenfalls fortlaufend über das Entlüftungsloch 33 in das Wasser 12 entlüftet, sodaß sie nicht zur Verzögerungskraft beiträgt, die von dem Gegendruck auf die zurückkehrende Pendelanordnung 46 erzeugt wird. Durch entsprechende Bemessung der Belüftungslöcher kann die Rückführung der Pendelanordnung so eingestellt werden, daß eine gewünschte Impulswiederholrate erzielt wird. In der Praxis führt die Pendelanordnung 46 ihren Vorwärtshub in einen Zeitinterval aus, das verhältnismäßig kurz im Vergleich zum Zeitinterval für den Rückführhub ist, und der Generator wird wiederholt so betätigt, daß er im Wasser 12 eine Folge von akustischen Hochleistungsimpulsen erzeugt, die von den Erdformationen 12a unterhalb des Wassers reflektiert werden. Die reflektierten seismischen Signale werden durch das Streamerkabel 63 zur Anzeige gebracht, dessen Signale von dem Aufzeichnungs-und Verarbeitungsgerät 62 an Deck des Schiffes 60 aufgezeichnet und verarbeitet werden. Die Ver-

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arbeitung der reflektierten seismischen Signale ermöglicht es einem Geologen, die Art der Erdformationen unterhalb des Wassers 12 zu studieren.

Wenn die aufeinander abgestimmten Flächen 20b und 18a wieder in .eingriff kommen (Figur 1), d.h., wenn der Kolben 27 seine Sperrposition einnimmt, bewegt sich der Schieber 44 nach oben, wodurch das Ventil 43 erneut geöffnet wird, durch welches Hochdruck in die Behälterkammer 35 gegeben wird. Gleichzeitig wird die Kammer 30 wieder druckaufgeladen, da der Rückführhub des Kolbens 27 eine Zunahme des Volumens der Kammer 30 ergeben hat. Umgekehrt nimmt während des Vorwärtshubes des Kolbens 27 das Volumen der Kammer 30 ab (Figur 3) und ein Teil des Luftdruckes aus der Kammer 30 entweicht über den Einlaß 40 in die Druckquelle 45.

Arbeitsweise der Expansionskammer 37

Die Implosion (Figuren 4, 5) erfolgt sehr rasch, noch bevor die Pendelanordnung 46 mit dem Kückführhub beginnt. Ohne Expansionskammer 37 würde die Kammer 27 direkt in das Wasser an einer Stelle entlüfte», die zu nahe dem Ort der Implosion liegt, und die entlüftete Luft würde als ein akustischer Energieabsorber für das unter hohem Druck stehende Wasser dienen, wodurch der akustische Ausgangsimpuls des Generators 10 gedämpft würde. Die Differenz in den Signalen, die in der Nähe der Implosion zur Anzeige gebracht werden und die als "Druckverlauf" bekannt sind, ergeben sich aus den Figuren 19a, 19h. Durch Verwendung der Expansionskammer kann die Kammer 24 zuerst in die Expansionskammer während der Implosionsdauer entlüften. Ferner verbessert die Tatsache, daß das Belüftungsloch 38 nach oben gerichtet ist und in einem größeren Abstand von der.EspIosionsstelle vorgesehen ist, den Druckverlauf, der sauberer, schmaler und höher ist, wenn die Kammer 37 (Figur 19b) verwendet wird,

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als wenn diese Kammer 37 fehlen würde (Figur 19a). Arbeitsweise der Ablenkvorrichtung 13

Ohne Ablenkvorrichtung 15 (Figuren 1-4) wird nach federn Zünden des Generators 10 eine nach oben gerichtete Reaktionskraft erzeugt. Es ist häufig erwünscht oder erforderlien, diese nach aufwärtsjgerichtete Reaktionskraft zu eliminieren.

Wenn ein Hohlraum zusammenbricht (Figur 5)» wird er mit Wasser sehr hohen Druckes gefüllt. Dies erzeugt eine Primärkompression PP im Wasser und damit einen akustisonen Impuls. Bei den hierbei auftretenden Drücken wirkt das Wasser im Hohlraum als eine Feder, die nach der implosion zurückprallt und eine Sekundärkompression (Figur 6) erzeugt, die als "Blasenimpuls¹' BP bekannt ist; ein derartiger Blasenimpuls ist ein unerwünschter seismischer Impuls, der auch Reflexionen von den darunterliegenden Erdschichten 12a bewirkt. Die angezeigten reflektierten Blasenimpulse machen die Verarbeitung der seismischen Signale erheblich komplizierter.

Die Reaktionkraft und der Blasenimpuls können durch Verwendung der Ablenkvorrichtung 15 (Figuren 9-15) eliminiert oder weitgehend unterdrückt werden. Die Figuren 9» 11» 13» 15 sind ähnlich den Figuren 1, 2, 3, 4, mit Ausnahme der Einflüsse der Ablenkvorrichtung 15·

Die Reaktionskraft

Wenn der Wasserstrahl 22a, der von der Wassermasse 22 erzeugt wird, auf die Bodenplatte 15a auftrifft, und wenn keine zylindrische Wand 15b vorhanden wäre, würda der Strahl in allen Richtungen in einer Ebene abgelenkt werden, die senkrecht zu der Längsachse des Generators liegt. Die

* wie auch der Wasserdampf

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üeaktionskräfte würden dann hauptsächlich in der Mormalebene auftreten und würden sieh auszulöschen versuchen. Dusch Verwendung der zylindrisches. Wandung 15b (Figur 10) in Verbindung mit der Platte 15s treten die abgelenkten Strahlen durch, die öffnungen 15c (Figuren 11 > 12j in der zylindrischen Wand aus. Da die Offnungen einander diametral gegenüberliegen, tendieren die Reaktionskräfte dazu, sich, gegenseitig in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Generators aufzuheben.

Der Blasenimpuls

Der Hauptstrahl 22a wird in vier Zweigstrahlen 22A-22D aufgespalten. Jeder Strahl erzeugt einen Hohlraum (Figuren 13, 14). Der Hauptstrahl erzeugt einen Hohraum ¹TO innerhalb der Ablenkvorrichtung 15· Die Strahlen 22A-22D erzeugen Hohlräume 7OA-7OD außerhalb der Ablenkvorrichtung 15· Wenn mehr als vier öffnungen lpe verwendet werden, beeinflußen sich die Implosionen gegenseitig. Wenn nur zwei Implosionen verwendet werden, wird der Blasenimpuls nicht genügend geschwächt. Verwendet man vier öffnungen 15c, beeinflussen sich die äußeren Hohlräume 7OA-7OD um den inneren Hohlraum 70 nicht erheblich., da sie im Winkel zueinander um etwa 90 versetzt sind. Man hat festgestellt, daß der innere Hohlraum 70 nach dem Zusammenfallen der Hohlräume 7OÄ-7OD zusammenfällt, sodaß der innere Hohlraum das Wasser hohen Druckes, das sonst Blasenimpulse erzeugen würde, absorbiert. Die Aufspaltung des Hauptstrahles 22a in vier Strahlen 22A-22D hat die Biasenimpulse BP, die zur Durchführung seismischer Erkundungen in hohem Maße unerwünscht sind, eliminiert oder entscheidend geschwächt.

Die Funktion der Ablenkvorrichtung 15 kann auch in Verwendung mit einer Implosion dargestellt werden, die von einem Dampfgenerator 45' (Figur 21) erzeugt wird, der überhitzten Dampf in das Wasser 12 abgibt.

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Der überhitzte Dampf wird durch eine isolierte Leitung 72, die etwa 3 bis 5m unter der Wasseroberfläche geführt wird, abgegeben. Am Ende der Leitung .»ist ein Dampf ventil 73 vorgesehen, das periodisch eine Blase des überhitzten Dampfes in das Wasser mit einem Druck von etwa 90 Bar bei einer Temperatur von 100⁰O ausstößt. Das Ausstoßen des Dampfes aus dem Ventil ergibt die beiden vorher erwähnten Effekte: es ist der Reaktionskraft und dem Rückpralleffekt ausgesetzt.

Dadurch, daß das Dampfventil 73 mit einer Ablenkvorrichtung 15 umgeben wird, liegen die ausgestoßemen Dampfblasen in einer Ebene senkrecht zum regulären Abgabepfad und deshalb wird die nach oben gerichtete R&aktionskraft eliminiert. Das Aufteilen der Blase in vier Blasen erzeugt einen inneren Hohlraum und vier äußere Hohlräume 74-· Sie implosion des inneren Hohlraumes erfolgt nach der Imj&osion der äußeren Hohlräume, wodurch die Rückprallenergie aus den Implosionen absorbiert wird (Figur 14).

Allgemeine Betrachtungen und Vorteile der Erfindung

Der Generator ohne Ablenkvorrichtung 15

Die wesentlichen Forderungen zur Ausbildung eines Hohlraumes hängen von den Bedingunjen ab, die die Verzögerung oder daß Anhalten des Kolbens 20 bestimmen. Damit andererseits ein Hohlraum einen nutzbaren Druckimpuls PP erzeugen kann, ist es erforderlich, daß die Geschwindigkeit des Strahles 22a· (Figur 8) vor dem Anhalten des Kolbens 20 ausreichend groß ist.

Die Form und die Art der Frequenzen des allgemeinen Druck-

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signales, das durch eine Implosionskompression erzeugt wird, ist zu berücksichtigen. Figur 16a zeigt das allgemeine Drucksignal oder den Druckverlauf als Punktion der Zeit, gemessen in einem festen Abstand von dem Mittelpunkt der Implosion. Der erste Teil 1 dieser Kurve zeigt eine Zunahme des Umgebungsdruckes Pha der Flüssigkeit entsprechend dem Vortrieb des Strahles 22a. Dieser Überdruck erreicht einen SpitzenwertΔΡό und im Anschluß daran fällt der Druck ab. Der Teil 2 der Kurve zeigt, daß dann, wenn der Kolben gewaltsam angehalten wird, der Druck abfällt, bis er in Bezug auf den hydrostatischen Druck negativ wird . Dieser negative Druck entspricht der Ausbildung des Hohlraumes und der Vergrößerung des Volumens, und setzt sich fort, bis die Abnahme den maximalen Wert -AP erreicht hat. Venn das Volumen des Hohlraumes den maximalen Wert annimmt, wandelt sich die Potentialenergie in kinetische Energie in der umgebenden Flüssigkeit um. Teil 3 der Kurve gibt den die Implosion erzeugenden Druck bei einem hohen Spitzenwert AP1 an, und zwar den maximalen Druck in der umgebenden Flüssigkeit an der Meßstelle im Anschluß an die Implosion des Hohlraumes (Figur 5)·

Teil 4 der Kurve zeigt das Rückprallen der Masse des Wassers hohen Druckes, das den Hohlraum füllt (-Figur β). Das Rückprallen ergibt sekundäre Hohlräume, an die sich sekundäre Implosionen anschließen, die sich nacheinander mehrere Male wiederholen können. Diese Hohlräume und Implosionen erzeugen aufeinanderfolgende SpitzenwerteΔPg,AP,, ubw, die in der Amplitude abnehmen und sich mit Tälern entsprechend den Senken ändern.

Auf der Zeitskala gibt T die Periode des Signales an, das von der Startzeit zum Ende der primären Explosion gemessen wird. Diese Periode T hängt von der Potentialenergie des Hohlraumes Hnd damit von der kinetischen Energie im Wasserstrahl 22a (Figur 3) oder von der thermddynamisehen Energie der Dampfblasen (Figur21) ab, ferner auch von dem Abstand

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des Hohlraumes von der Wasseroberfläche. Die Gesamtdauer des Druckverlaufes beträgt ii, das die seismische Auflösung bestimmt. Die Auflösung ist großer, wenn Ϊ1 kleiner ist.

Die in !Figur 16a gezeigte Grundkurve ist nicht die, welche normalerweise bei der geophysikalischen Erforschung verwendet wird. Das nutzbare Signal ist der Teil dieser Grundkurve, der übrig bleibt, nachdem er bei 8-62Hz vom Standpunkt der Durchdringung aus gefiltert worden ist, oder aber, nachdem er vom Standpunkt der Auflösung aus bei 0-248 Hz gefiltert worden ist.

Figur 16 b zeigt, was von dem Druckverlauf nach Figur 16a nach Filterung bei 8-62Hz übrigbleibt. Es zeigt sich, daß die SpitzeΛΡ1 entsprechend d»r ersten Implosion und hohe Frequenzen enthaltend nicht wesentlich anders als die SpitzeAP2 entsprechend der Implosion, die sieh aus dem ersten Blasendruck BP ergibt, aussieht. Das Signal hat deshalb viele Spitzen, was bedeutet, daß jede Schicht 12a viele reflektierte Signale erzeugt, die durch das Streamerkabel 63 angezeigt und von dem Gerät 62 aufgezeichnet werden (Figur 20).

Andere Nachteile ergeben sich, wenn die Ablenkvorrichtung 15 nicht verwendet wird. Der größte Teil der nutzbaren Energie ist am Maximum der Implosion vorhanden und wird in einem verhältnismäßig hohen Srequenzband emittiert, das vom Boden rasch absorbiert wird.-Das Durchdringen einer solchen Welle ist verhältnismäßig gering.

Der Generator mit Ablenkvorrichtung 15

Verwendet man die Ablenkvorrichtung 15» ist es möglich, die

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sekundären Spitzen.ilP2,Δ,P 3 durch entsprechende Formgebung der Dimensionen der seitlichen Offnungen 15c (Figuren 9, 10) zu unterdrücken. Auf diese Weise ist es möglich, Hohlräume unterschiedlicher Größe zu erzeugen, deren Implosionsperioden ebenfalls unterschiedlich sind, was insgesamt ermöglicht, entgegengesetzte Spitzen entgegengesetzter Phasenlage zu dem Zeitpunkt der sekundären SpitzenA Ρ2,ΔΡ3 (Figur 16a) zu erzeugen, wodurch die gewünschten Aufhebungen erzielt werden. Eine derartige Formgebung von Implosionshohlräumen ist besonders interessant für Generatoren mit verhältnismäßig geringen Größenabmessungen, bei denen die seitlichen öffnungen 15c . Dimensionen besitzen, die eine ausreichende Absorption des Wassers unter hohem Druck in dem Innenhohlraum 70 (Figur 14) während der Ausbildung des Kückprallens nicht gestatten. Die Verkürzung der Periode ^fi)1 des emittierten Signales ist schließlich außerordentlich zweckmäßig. Dies ist deshalb der Fall, weil das von der Wasseroberfläche 18b reflektierte Signal dem Anfangssignal 18a überlagert wird, jedoch mit einer Phasendifferenz, die der Zeitdauer entspricht, die das Anfangssignal benötigt, um einen Kundlauf von der Implosionsstelle zurück zur Implosionsstelle zu vervollständigen.

Ein Generator, der eine Ablenkvorrichtung 15 aufweist, bietet die Möglichkeit, den positiven Teil des Anfangssignales (Figur 18a) dem positiven ^rJ?eil des reflektierten Signales (Figur 18b) bei verhältnismäßig seichten Implosionen zu überlagern. Kombiniert man die in Figur 18a und 18b gezeigten Signale, ergibt sich ein resultierendes Signal naohFigur 18c. Dieses Signal ist von besonderem Interesse, da es verhältnismäßig hohe Energie im Niederfrequenzband enthält, insbesondere wegen der Ausnutzung der niedrigen Frequenzen, die im positiven i'eil des reflektierten Signales enthalten sind (Figur 18b). Somit ist es bei gleicher Menge an in den Generator eingegebener Energie möglich, das Durchdringungsvermögen des kombinierten Signales wesentlich zu erhöhen (Fig. 18c).

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Die tatsächliche Wellenform der Signale, die mit einem Hydrophon in der Nähe der Implosionsstelle überwacht werden ist ohne Ablenkvorrichtung in Fig. 17a entsprechend Fig. 16b gezeigt, das gleiche mit Ablenkvorrichtung 15 ist in Fig. 17b entsprechend Fig. 18c dargestellt. Die experimentellen Resultate bestätigen somit die theoretischen Wellenformen.

Verwendet man die Ablenkvorrichtung 15 mit einem Generator, bewirkt das antreibende Wasser (Fig. 9) oder der antreibende Dampf (Fig. 21), daß die vorerwähnten Nachteile behoben werden, indem eine Wellenform erzeugt wird, die nur eine dominierende einzelne Spitze (Fig. 18c) enthält, die ferner eine hohe Energiemenge bei verhältnismäßig niedrigen Frequenzen besitzt und die eine relativ kurze Dauer hat, so daß eine hohe Durchdringung in der Erdformation wie auch eine gute Auflösung erzielt werden.

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Claims

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Patentansprüche

ή. Verfahren zur Erzeugung eines akustischen Impulses, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hauptflüssigkeitsstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit längs einer vorgegebenen Trajektorie in einen Flüssigkeitskörper eingeführt wird, und daß der Strahl durch ein Kraftfeld angetrieben wird, das praktisch augenblicklich gestoppt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit ausreichend groß gewählt wird, daß ein Hohlraum erzeugt wird, und daß im Anschluß daran eine Implosion im flüssigen Körper durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens zwei Zweigflüssigkeits-"strahlen aufgespalten wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens vier Zweigflüssigkeitsstrahlen aufgespalten wird.
5· Verfahren nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigflüssigkeitsstrahlen in einer Ebene etwas senkrecht zu der Trajektorie des HauptflüssigkeitsStrahls abgelenkt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die. Zweigflüssigkeitsstrahlen in einer Ebene etwa senkrecht zu der Trajektorie des Hauptflüssigkeitsstrahles abgelenkt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigflüssigkeitsstrahlen etwa 90 voneinander versetzt sind.
8. Verfahren zur Erzeugung eines akustischen Impulses durch Antreiben eines Hauptflüssigkeitsstrahles längs einer vorbe-

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stimmten Trajektorie über eine Ventilvorrichtung, die praktisch augenblicklich gesperrt wird, dadurch, gekennzeichnet, daß der Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens zwei Zweigstrahlen unterteilt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigstrahlen in einer Ebene etwa senkrecht zu der Trajektorie des Hauptstrahles abgelenkt werden.
10. Generator zur Erzeugung eines akustischen Impulses in einem flüssigen Körper, insbesondere nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (13) eine Verzögerungskammer (23) definiert, die dann, wenn das Gehäuse in einen Flüssigkeitskörper (12) eingetaucht ist, eine Flüssigkeitsmasse (22) einschließt, daß die Kammer (23) eine Austrittsöffnung (17t) besitzt, die mit dem Flüssigkeitskörper (12) in Verbindung steht, und daß eine Vorrichtung (46) vorgesehen ist, die mit der Flüssigkeit smasse (22) so gekoppelt ist, daß ein Hauptflüssigkeitsstrahl (22a) längs einer vorbestimmten Tragektorie angetrieben wird.
11.Generator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (17t>) eine ausreichend große Querschnittsfläche aufweist, damit eine Geschwindigkeit erzeugt wird, die ausreichend groß ist, um im flüssigen Körper einen Hohlraum zu er«eugen, und sich eine Implosion anschließt.
12. Generator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlspaltvorrichtung (15b) vorgesehen ist, die den Hauptflüssigkeitsstrahl in wenigstens zwei Zweigflüssikgeitsstrahlen (22A, 22B) aufspaltet.
13·Generator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlablenkvorrichtung (15) vorgesehen ist, die die Zweigflüssigkeitsstrahlen in einer Ebene ablenkt, die relativ zu der Trajektorie geneigt ist.

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14. Generator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene etwa senkrecht zur Trajektorie steht.
15· Generator zur Erzeugung eines akustischen Impulses, wenn er in einem Wasserkörper eingetaucht ist, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse (13), das eine erste Bohrung (16) mit einer unteren Sperrwand (17) mit einer Austrittsöffnung (17b) und einer oberen Sperrwand (18) mit einer öffnung (18b) definiert,

eine hin- und hergehende (bzw. Pendel-) Vorrichtung (46) mit einem Hauptkolben (20), einer Stößelstange (26) und einem zweiten Kolben (27), wobei der Hauptkolben gleitend in der ersten Bohrung befestigt ist, die eine Flüssigkeitskammer (23) zwischen der unteren Sperrwand (17) und dem Hauptkolben (20) sowie eine Belüftungskammer (24) zwischen dem Hauptkolben und der oberen Sperrwand (18) definiert, wobei die Lüftungskammer eine Belüfuntsöffnung (36) aufweist,

eine zweite Bohrung (29) in axialer Ausrichtung mit der ersten Bohrung (16), wobei der zweite Kolben (27) gleitend in der zweiten Bohrung befestigt ist, die eine Rückführkammer (30) zwischen dem zweiten Kolben und einen festen Abdichtring (32), welcher die Stößelstange (26) gleitend aufnimmt, und eine Auslösekammer (31) oberhalb des zweiten Kolbens (27) definiert,

einen Druckeinlaß (40) in der Rückführkammer und eine Belüftungsöffnung (33) in der Auslösekammer (31), eine Vorratskammer (35) um die Rückführkammer herum, mit einem Druckeinlaß (42), in der Vorratskammer, ein normalerweise geschlossenes, mechanisch betätigtes Ventil (43) zur Kopplung einer Druckluftquelle (45) mit dem Einlaß (42) der Vorratskammer,

ein normalerweise geschlossenes, elektrisch betätigtes ¥entil (50), das einen Auslaß (47) aus der Vorratskammer mit

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einem Einlaß (4-8) in der Auslösekammer koppelt, einen Schieber (44), der beweglich in der Wand der Auslösekammer befestigt und durch den zweiten Kolben verschiebbar ist, wenn er|seine oberste Position in der zweiten Bohrung erreicht, wodurch das mechanisch betätigte Ventil zur Druckaufladung der Vorratskammer öffnet, und eine Vorrichtung (62), die ein elektrisches Signal (64) in das elektrisch betätigte Ventil (50) einspeist, um den Betrieb des Generators aufzunehmen.
16. Generator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen abgeschrägte getrennte Oberflächen (17a, 18a)· aufweisen, die mit den abgeschrägten Oberflächen (20a, 20b) des Hauptkdbens (20) aufeinanderliegend in Eingriff kommen, daß eine Wassermasse (22) die Flüssigkeitskammer füllt, und daß der Hauptkolben einen Hauptwasserstrahl (22a) durch die Austrittsöffnung (17b) während des Vorwärtshubes der hin- und hergehenden Vorrichtung (46) antreibt.
17· Generator nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlteiler (15b) vorgesehen ist, der den Wasserstrahl in wenigstens zwei Zweigstrahlen (22A, 22C) aufteilt.
18. Generator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ablenkvorrichtung (15a) in einem Abstand von der Austrittsöffnung positioniert ist, damit die Wasserstrahlen in einer Ebene abgelenkt werden, welche einen .Winkel mit der Trajektorie des Hauptwasserstrahles bildet.
19. Generator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (10) eine Expansionskammer (37) aufweist, die strömungsmittelmäßig mit der Belüfuftungsöffnuag (36) der Belüftungskammer (24) in Verbindung steht, wobei die Expansionskammer eine Belüfuntsöffnung (38) zum Belüften in den Wasserkörper besitzt_o

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20. Verfahren zum meeresseismischen Erkunden, dadurch gekennzeichnet, daß ein akustischer Impuls dadurch erzeugt wird, daß mit sehr hoher Geschwindigkeit längs einer vorbestimmten Trajektorie ein Hauptwasserstrahl in einen Wasserkörper gerichtet wird, daß der Strahl durch ein Kraftfeld angetrieben wird, daß praktisch augenblicklich gestoppt wird, wobei die Geschwindigkeit ausreichend groß ist, um einen Hohlraum zu erzeugen, woran sich eine Implosion im Wasserkörper anschUeßt, und daß die von den Erdformationen unterhalt des Wässerkörpers reflektierten Signales zur Anzeige gebracht werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptwasserstrahl in wenigstens zwei Zweigwasserstrahlen aufgeteilt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptwasserstrahl in wenigstens vier Zweigwasserstrahlen aufgeteilt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptwasserstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Tra^ektorie des Hauptwasserstrahles abgelenkt werden.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweigwasserstrahlen in einer Ebene senkrecht zur Trajektorie des Hauptwasserstrahles abgelenkt werden.

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