DE2616959C2 - Generator zur Erzeugung akustischer Impulse durch Implosionen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Generatoren zur Erzeugung akustischer Impulse nach dem Oberbegriff des

Anspruches 1.

Generatoren zur Erzeugung von akustischen Impulsen durch Implosionen in Wasser sind, an sich bekannt. Beispielsweise zeigt die US-PS 33 69 627 einen Generator der e^;ngangs genannten Art, 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 sich durch den Wasserkörper fortpflanzt.

Aus der US-PS 36 42 090 ist eine Kolbenanordnung bekannt, deren Kolben sich von einem Flüssigkeitskörper weg schneller bewegt als der Flüssigkeitskörper dem Kolben folgen kann. Dadurch wird ein Hohlraum zwischen Kolben und umgebendem Flüssigkeitskörper ausgebildet. Die umgebende Flüssigkeit stürzt ein und füllt den Hohlraum aus; dabei wird ein akustischer Impuls hoher Energie erzeugt, der sich durch den Flüssigkeitskörper fortpflanzt.
Weiterhin ist aus der US-PS 37 11 824 bekannt, einen Flüssigkeitsstrahl mit sehr hoher Geschwindigkeit aus einer Kammer ausströmen zu lassen, um einen akustischen Impuls zu erzeugen. Dieser austretende Strahl wird mittels eines Kraftfeldes unter Einwirkung einer Feder gestoppt.

Ferner ist aus der US-PS 33 79 273 ein Generator zur Erzeugung eines akustischen Impulses in einem Flüssigkeitskörper bekannt, der eine Verzögerungskammer aufweist, die dann, wenn das Gehäuse in einen Flüssigkeitskörper eingetaucht ist, eine Flüssigkeilsmasse einschließt. Die Kammer besitzt dabei eine mit dem Flüssigkeitskörper in Verbindung stehende Austrittsöffnung, und es sind Mittel vorgesehen, um einen Flüssigkeitsstrahl anzutreiben.
Schließlich ist aus der Literaturstelle »Der Ultraschall« von Dr. L. Bergmann, Hirzel Verlag Stuttgart, 1954, Seiten 837, 838 das physikalische Prinzip der Ultraschallkavitation bekannt.

Die letztgenannte Gruppe von drei Druckschriften bezieht sich nicht auf mit Implosionen arbeitende seismische Energiequellen, wie sie Gegenstand der Erfindung sind. Implosionsquellen arbeiten grundsätzlich anders als Energiequellen, die in der Technik als »Luftkanonen« bekannt sind und die Luftblasen in das Wasser

freigeben. Im Gegensatz hierzu handelt es sich nach vorliegender Erfindung um die Erzeugung von Implosionen aufgrund von im Wasser auftretenden Wasserstößen.

Demgemäß ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, einen Generator zum Erzeugen akustischer Impulse durch Implosionen zu schaffen, indem ein Flüssigkeitsstrahl sehr hoher Geschwindigkeit längs einer vorgegebenen Bahn in einem Flüssigkeitskörper, vorzugsweise -Wasser, getrieben wird und der Strahl dann plötzlich gestoppt wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit einem derartigen Generator werden im Wasser-• körper Wasserstöße erzeugt, die zu den gewünschten Implosionen führen.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit ■ der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen

F i g. 1 —4 Schnittansichten einer Ausführungsform des Inipulsgenerators nach der Erfindung, wobei verschiedene Positionen der Kolbenvorrichtung und die von ihr erzeugten Wasserstrahlen dargestellt sind,

F i g. 5 das Zusammenfallen eines kugelförmigen -Hohlraumes durch die umgebende Wasserschicht ho-•hen Druckes,

F i g. 6 den Rückpralleffekt der Implosion,

F i g. 7 den Dämpfungseffekt, der durch die kegeligen Oberflächen des Kolbens erzielt wird,

F i g. 8 die Beziehung zwischen der Querschnittsfläche der Auslriusöffnung und der Gestalt des erzeugten Wasserstrahles,

Fig.9, 11. 13 und 15 Ansichten ähnlich denen nach den F i g. 1 —4, jedoch für einen Generator, der mit einer Strahlteil- und -ablenkvorrichtung versehen ist,

Fig. 10 eine Schnittansicht längs der Linie 10-10 in F ig. 9.

Fig. 12 eine Schnittansicht längs der Linie 12-12 in Fig. II,

Fig. 14 die Ausbildung der Hohlräume und die resultierenden Implosionen, die von dem Generator nach ¹F i g. 9 erzeugt werden,

Fig. 16a eine verallgemeinerte Kurvenform des ' Druckverlaufes, der von einem Implosions-Impulsgenerator erzeugt wird,

Fig. 16b eine gefilterte Version der Kurvenform nach F i g. 16a,

Fig. 17a eine Kurvenform, die von dem Generator nach Fig. 1 in einem vorbestimmten Abstand von der Implosionsstelle erhalten wird,

Fig. 17b eine Kurvenform, die von dem Generator nach 1- i g. 9 in einem vorbestimmten Abstand von der Implosionsstelle erhalten wird,

Fig. 18a eine Darstellung der direkten Kurvenform, »'die von dem Generator nach F i g. 9 erzeugt wird,

Fi g. 18b eine Darstellung der direkten Kurvenform, in der Nähe der Implosionsstelle aufgenommen ist, nachdem sie von der Wasseroberfläche reflektiert worden ist,

Fig. 18c eine Darstellung der überlagerten Kurvenform, die in der Nähe der Implosionsstelle aufgenommen ist,

Fig. 19a den Druckverlauf, der von dem Generator innerhalb einer Expansionskammer erzeugt wird,

F i g. 19b den Druckverlauf des Generators mit einer Expansionskammer,

F i g. 20 das Verfahren der Anwendung der Erfindung zur Durchführung einer seismischen Exploration in Wasser, und

Fi g. 21 die Verwendung der Strahlteil- und -ablenkvorrichtung in Verbindung mit einem Implosionsgenerator, der Dampfblasen verwendet.

Detaillierte Beschreibung des Aufbaues
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung

Die F i g. 1 —4 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines akustischen Generators 10 für den Betrieb in Wasser. Der Generator weist ein zylindrisches Gehäuse 13 mit einem Arbeitszylinder 16 zwischen Abspei rwandungen 17,18, die Kolbensitze 17a, 18a ausbilden, auf. Die Sitze 17a und 18a definierten öffnungen 17b, 18b. In eingetauchtem Zustand ist die Arbeitsöffnung 176 für die Flüssigkeit, beispielsweise Meerwasser 12 offen.

Ein Hauptkolben 20 ist gleitend im Arbeitszylinder 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 kleiner oder großer Amplituden erzeugen. Das Prinzip der Arbeitsweise des Generators 10 basiert darauf, daß eine Wassermasse 22. die in einer durch den Arbeitszylinder 16 zwischen Ring 21 und Absperrwand 17 definierten Kammer 23 eingeschlossen ist, ausgestoßen wird. Der Arbeitszylinder 16 definiert ferner eine Kammer 24 zwischen Ring 21 und 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 Betätigungsgüed, z. B. eine Druckstange 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 einem Zylinder 29 befestigt ist. Der Zylinder 29 bildet eine Rückführkammer 30 unterhalb des Hilfskolben 27, sowie eine Auslösekammer 31 oberhalb des Hilfskolben 27 aus. Die Kammer 30 ist mit Hilfe einer Ringdichtung 32 flüssigkeitsdicht ausgeführt und nimmt die Druckstange 26 abdichtend und gleitend auf. Die Rückführkammer 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 einen akustischen Impuls maximaler Energie liefert. Wenn die optimale Länge für die Kammer 30 den Generator 10 unerwünscht lang macht, kann die Kammer 30 »gefaltet« werden, so daß sich ein Teil der Kammer innerhalb befindet und ein anderer Teil 30a zwischen dem Zylinder 29 und einer Zylinderwand 34 liegt. Das Volumen zwischen der Zylinderwand 34 und dem Gehäuse bildet eine Vorratskammer 35. Die Kammer 24 ist über eine sehr kleine Entlüftungsöffnung 36 dauernd, auch wenn sie ihre kleinsten Dimensionen annimmt, entlüftet. Während die Entlüftungsöffnung 36 in das Wasser 12 entlüften kann, entlüftet sie vorzugsweise in eine Expansionskammer 37 mit relativ großen Volumen, die zweckmäßigere eise mit dem Wasser über ein kleines oberes Ent-Iüftungsloch 38 in Verbindung.

Der Generator 10 wird durch eine Druckquelle 45, z. B. einen Luftkompressor 45 angetrieben, der am Ausgang eines Steuerventiles 45a einen geregelten, Steuer-

baren 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 Kolbenstößel 44 betätigt wird, der abdichtend und gleitend in der oberen Wand der Kammer 31 befestigt ist. Wenn der Hilfskolben 27 seine oberste Position (Fig. 1) erreicht, wird der Kolbenstößel 44 von seinem Sitz 44a abgehoben, wodurch das Ventil 43 mechanisch geöffnet .{; wird und Druckluft in den Einlaß 42 der Kammer 35

einströmen kann. Die Größe des Gegendruckes auf den Kolben 27 wird durch die Entlüftungsöffnung 33 gesteuert, die Größe des Gegendruckes auf den Kolben 20 durch die Entlüftungslöcher 36 und 38. Somit dient die Luft in den Kammern 24 und 31 als ein Flüssigkeits-Stoßdämpfer.

Die aus den Kolben 20, 27 und der Druckstange 26 bestehende Anordnung bildet eine Kolbenvorrichtung 46. Damit diese Kolbenvorrichtung 46 nach unten getrieben wird (F i g. 2), wird ein Auslösedruck auf die Oberseite des Kolbens 27 aufgegeben. Dieser Auslösedruck wird aus dem Auslaß 47 der Kammer 35 erhalten. Der Auslaß 47 ist mit dem Einlaß 48 in der Kammer 31 über eine Leitung 49 gekoppelt, die ein Ventil 50 aufweist, das vorzugsweise solenoidbetätigt ist. Das Ventil 50 ist normalerweise geschlossen und öffnet nur in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Auslöseimpuls, derauf der Leitung 51 ankommt.

Eine spezielle Ausführungsform des Generators 10 nach den F i g. 9 + 10 weist Strahlteil- und eine Ablenkvorrichtung 15 auf, die lösbar mit dem Generator 10 gekoppelt sein kann. Sie ist in ihrer einfachsten Form als Platte 15a ausgebildet, die eben oder konisch geformt sein kann. Die Platte 15a ist im Abstand von der öffnung 17Z? angeordnet. Vorzugsweise jedoch weist die Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 eine zylindrische Wand 156 auf, in welcher zwei oder mehr öffnungen 15c in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt vorgesehen sind. Die optimale Anzahl von Öffnungen 15c ist vier, wobei diese Öffnungen voneinander um etwa 90° versetzt sind.

Während der akustische Impulsgenerator 10 nach vorliegender Erfindung in verschiedensten Industrie-/ zweigen Anwendung findet, wird er nachstehend ais akustische Energiequelle für geophysikalische oder seismische Erkundung beschrieben.

Für die Verwendung in der Seismik (F i g. 20) wird der Generator 10 normalerweise in Wasser eingetaucht von einem seismischen Schiff 60 geschleppt und zyklisch so betätigt, daß eine Folge von 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 Vorrichtungen 45, sowie ein Signalaufzeichnungs- 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 63 auf und erzeugt den Auslöseirnpuls 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 (Fig. 1) wird das Steuerventil 45a geöffnet,wodurch die Rückführkammer 30 über den Einlaß 40 druckaufgeladen wird. Der aufgegebene Druck bewirkt, daß der Hilfskolben 27 in seine gespannte Position zurückkehrt, in der der Kolbenstößel 44 vom Sitz 44a abgehoben ist, um das Ventil 43 zu öffnen. Der Luftdruck von z. B. 150 Bar kann nunmehr die Vorratskammer 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 Kolbenvorrichtung 46 nimmt ihre gespannte Position ein.

Vorwärtshub der Kolbenvorrichtung 46.

Damit die Pendelanordnung 46 ihren Vorwärtshub ausführen kann (Fig.2), wird ein Auslöseimpuls 64 übertragen, der ein öffnen des Ventiles 50 bewirkt, wodurch eine Druckverbindung zwischen den Kammern 31 und 35 hergestellt wird. Eine nach abwärts gerichtete Auslösekraft 52 wirkt gegen den Hilfskolben 27, die in Verbindung mit der bereits vorhandenen, nach abwärts gerichteten Kraft 54 (Fig. 1), welche auf den Teil des Kolbens 21 gegenüber der öffnung 18£> ausgeübt wird, die Summe aller nach oben gerichteten Kräfte 53, die auf die Kolbenvorrichtung 46 ausgeübt werden, überwindet. Dadurch beginnt die Kolbenvorrichtung 46 sich bei ihren Vorwärtshub nach abwärts zu bewegen. Wenn der freigelegte Teil 20b des Kolbens 20 sich von dem Sitz 18a abgehoben hat, wird der hohe Druck in der Kammer 35 gegen den gesamten Kolben 20 ausgeübt, was ein plötzliches Ausstoßen der Kolbenvorrichtung 46 ergibt. Der hohe Druck beginnt mit der Entlüftung durch die Entlüftungsöffnung 36 in die Kammer 37 und von dort in das Wasser 12 über die Entlüftungsöffnung 38.

Die abgeschrägte Fläche 17a der öffnung 17 hat eine sehr wichtige Funktion (Fig.7). Bevor die verjüngte Fläche 20a sich der abgeschrägten Fläche 17a nähert, kann die Wassermasse 22 aus der öffnung 17 austreten. 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 würden.

Die Austrittsform des Wasserstrahles 22a, der durch die Wassermasse 22 erzeugt wird, hängt auch von der Querschnittsfläche der Öffnung XTb ab (Fig.2, 8); je kleiner diese Querschnittsfläche ist, desto länger und dünner ist der Strahl 22a, und desto größer wird die kinetische Energie des Strahles.

Der sich rasch bewegende Strahl 22a erzeugt beim Ablösen vom Kolben 20 im Wasser zuerst einen nahezu zylindrischen Hohlraum CC(Fig.3), und dann nahezu kugelförmigen Hohlraum SC(Fi g. 4). Das Zusammenfallen des zylindrischen Hohlraumes ergibt eine zwei-dimensionale Implosion, und das Zusammenfallen des kugelförmigen Hohlraumes erzeugt eine drei-dimensiona-Ie Implosion in einem sicheren Abstand vom Generator 10 abhängig von der Geschwindigkeit des Strahles 22a und von der Querschnittsfläche der Öffnung 17i> (F i g. 4, 8).

Wenn somit das Kraftfeld, das auf die Wassermasse 22 wirkt, unterbunden wird, z. B. durch plötzliches Sperren der Bewegung des Kolbens 20 (Fig.3), setzt der ausgestoßene Wasserstrahl 22a seine Abwärtsbewe-

gung von dem angehaltenen Kolben 20 weg fort und erzeugt dabei eine zwei-dimensionale Implosion, an die sich eine drei-dimensionale Implosion anschließt.

Die akustische Energie, die sich aus der Implosion CC (F i g. 3) ergibt, ist bestenfalls proportional dem VoIumen der Wassermasse 22 und die akustische Energie, die sich aus der Implosion SC(Fig.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 176 und durch den von der Kolbenvorrichtung 46 auf die Wassermasse· 22 ausgeübten Druck bestimmt ist, eine maßgebliche Rolle bei der Größe der akustischen Impulsenergie, die aus dem Generator 10 erhalten wird.

Ferner ist es für den Generator konstruktiv umso besser, je weiter weg vom Generator 10 die drei-dimensionale Implosion austritt, da dann, wenn die gesamte Implosion zu nahe am Generator erfolgt Ermüdungserscheinungen im Generatorgehäuse auftreten.

Der Rückführhub der Kolbenvorrichtung 46

Wenn die Kolbenvorrichtung 46 zum Stillstand kommt (F i g. 3) werden die Kammern 24, 31 und 37 weiter entlüftet, bis der Gegendruck ausreichend gering ist und die Kolbenvorrichtung 46 den Rückführhub beginnen kann. Die Rückführgeschwindigkeit der Kolbenvorrichtung 46 wird durch die Geschwindigkeit der Belüftung der Kammer 24 beeinflußt. Wenn das Volumen der Kammer 24 abnimmt, nimmt der Druck in der Kammer zu und bewirkt eine Verzögerung der Aufwärtsbewegung der Kolbenvorrichtung. Die Kammer 31 wird ebenfalls forllaufend über die Entlüftungsöffnung 33 in das Wasser 12 entlüftet, so daß sie nicht zur Verzögerungskraft beiträgt, die von dem Gegendruck auf die zurückkehrende Kolbenvorrichtung 46 erzeugt wird. Durch entsprechende Bemessung der Belüftungslöcher kann die Rückführung der Pendelanordnung so eingestellt werden, daß eine gewünschte Impulswiederholrate erzielt wird. Praktisch führt die Kolbenvorrichtung 46 ihren Vorwärtshub in einem 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 Verarbeitung der reflektierten seismischen Signale ermöglicht es einem Geologen, die Art der Erdformationen unterhalb des Wassers 12 zu studieren.

Wenn die aufeinander abgestimmten Flächen 206 und 18a wieder in Eingriff miteinander kommen (Fig. 1), d. h., wenn der Hilfskolben 27 seine Sperrposition einnimmt, bewegt sich der Kolbenstößel 44 nach oben, wodurch das Ventil 43 erneut geöffnet und Hohldruck in die Behäiterkammer 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 (F i g. 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 (F i g. 4, 5) erfolgt sehr rasch, noch bevor die Kolbenvorrichtung 46 mit dem Rückführhub beginnt. Ohne Expansionskammer 27 würde die Kammer 27 direkt in das Wasser an einer Stelle entlüftet, 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 gedämpftwürde. 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 F i g. 19a, 19b. Durch Verwendung der Expansionskammer 37 kann die Kammer 24 zuerst in die Expansionskammer während der Implosionsdauer entlüften. Ferner verbessert die Tatsache, daß die Belüftungsöffnung 38 nach oben gerichtet und in einem größeren Abstand von der Explosionsstelle vorgesehen ist, den Druckverlauf, der sauberer, schmaler und höher ist, wenn die Kammer 37 (F i g. 19b) vorhanden ist als wenn diese Kammer 37 fehlen würde (F i g. 19a).

Arbeitsweise der Strahlteil- und
Ablenkvorrichtung 15

Ohne Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 (F i g. 1 —4) wird nach jedem Zünden des Generators 10 eine nach aufwärts gerichtete Reaktionskraft erzeugt.

Es ist häufig erwünscht oder erforderlich, diese nach aufwärtsgerichtete Reaktionskraft zu eliminieren. Dies wird durch die Ablenkplatte 15a erreicht, die den Wasserstrahl 22a in einer Querebene so ablenkt, daß Reaktionskräfte erzeugt werden, die senkrecht zur Generatorachse verlaufen. Die Ablenkplatte 15a muß starr mit dem Hauptgehäuse 13 des Generators befestigt sein.

Wenn ein Hohlraum zusammenfällt (F i g. 5), wird er mit Wasser sehr hohen Druckes gefüllt. Dies ergibt eine erwünschte Primärkompression PP im Wasser und damit einen hohen akustischen Impuls. Bei den hierbei auftretenden Drücken wirkt das Wasser wie auch der Wasserdampf im Hohlraum als eine Feder, die nach der Implosion zurückprallt und eine Sekundärkompression (F i g. 6) erzeugt, die als »Blasenimpuls« 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 Reaktionskraft und der Blasenimpuls können durch Verwendung der Saugkammer 70 im Sekundärgehäuse 150 der Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 (Fig.9—15) eliminiert oder weitgehend unterdrückt werden. Die F i g. 9, 11,13,15 sind ähnlich den F i g. 1, 2, 3, 4, mit Ausnahme der Einflüsse der Strahlteil- und 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 \5b vorhanden wäre, würde der Strahl in allen Richtungen in einer Ebene abgelenkt werden, die senkrecht zu der Längsachse des Generators liegt. Die Reaktionskräfte würden dann hauptsächlich in der Normalebene auftreten und würde sich auszulöschen versuchen. Durch Verwendung der zylindrischen Wandung 15Z> (F i g. 10) in Verbindung mit

der Platte 15a treten die abgelenkten Strahlen durch die öffnungen 15c(Fig. 11, 12) in der zylindrischen Wand aus. Da die Öffnungen 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, die durch die vier öffnungen 15c austreten. Jeder Strahl erzeugt einen Hohlraum (Fig. 13, 14). Der Hauptstrahl erzeugt einen Hohlraum 70 innerhalb der Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15. Die Strahlen 22A—22D erzeugen Hohlräume 70A— 7OD außerhalb der Strahiteil- und Ablenkvorrichtung 15. Wenn mehr als vier öffnungen 15c 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 70Λ—70Dum 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 70A—7OD zusammenfällt, so daß der innere Hohlraum das Wasser hohen Druckes, das sonst Blasenimpulse erzeugen würde, absorbiert. Die Aufspaltung des Hauptstrahles 22a in vier Strahlen 22Λ—22D hat die Blasenimpulse 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 Dampf genera tor 45' (Fig. 21) erzeugt wird, der überhitzten Dampf in das Wasser 12 abgibt.

Der überhitzte Dampf wird durch eine isolierte Leitung 72, die etwa 3 bis 5 m unter der Wasseroberfläche geführt wird, abgegeben. Am Ende der Leitung ist ein Dampfventil 73 vorgesehen, das periodisch eine Blase des überhitzten Dampfes in das Wasser mit einem Druck von etwa 90 Bar bei einer Temperatur von 100⁰C 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 von einer Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 umgeben ist liegen die ausgestoßenen Dampfblasen in einer Ebene senkrecht zum regulären Abgabepfad und deshalb wird die nach oben gerichtete Reaktionskraft eliminiert. Das Aufteilen der Blase in vier Blasen erzeugt einen inneren Hohlraum in der Saugkammer 70 und vier äußere Hohlräume 74. Die Implosion des Hohlraumes innerhalb der Saugkammer erfolgt nach der Implosion der äußeren Haupthohlräume 74, wodurch die Rückprallenergie aus den Implosionen der Haupthohlräume 74 absorbiert wird (F i g. 14).

Allgemeine Betrachtungen und Vorteile
der Erfindung

Der Generator ohne Strahlteil- und
Ablenkvorrichtung 15

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

Die Form und die Art der Frequenzen des allgemeinen Drucksignales, das durch eine Implosionskompression erzeugt wird, ist zu berücksichtigen. F i g. 16a zeigt das allgemeine Drucksignal oder den Druckverlauf als Funktion der Zeit, gemessen in einem festen Abstand vom Mittelpunkt der Implosion. Der erste Teil 1 dieser Kurve zeigt eine Zunahme des Umgebungsdruckes Pha

to der Flüssigkeit entsprechend dem Antrieb des Strahles ■22a. Dieser Überdruck erreicht einen Spitzenwert APo und im Anschluß daran fällt der Druck ab. Der Teil 2 der Kurve zeigt, daß dann, wenn der Kolben zwangsweise angehalten wird, der Druck abfällt, bis er relativ zum 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. Wenn 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 APX an, und zwar den maximalen Druck in der umgebenden Flüssigkeit an der Meßstelle im Anschluß an die Implosion des Hohlraumes (F i g. 5).

Teil 4 der Kurve zeigt das Rückprallen der Masse des Wassers hohen Druckes, das den Hohlraum füllt (Fig.6). Das Rückprallen erzeugt sekundäre Hohlräume, an die sich sekundäre Implosionen anschließen, die sich nacheinander mehrere Male wiederholen können. Diese Hohlräume und Implosionen erzeugen aufeinanderfolgende Spitzenwerte AP2, APz, usw., 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 Γ hängt von der Potentialenergie des Hohlraumes und damit von der kinetisehen Energie im Wasserstrahl 22a (F i g. 3) oder von der thermodynamischen Energie der Dampfblasen (F i g. 21) ab, ferner auch von dem Abstand des Hohlraumes von der Wasseroberfläche, d. h. von der hydrostatischen Drucksäule über dem Hohlraum. Die Gesamtdauer des Druckverlaufes beträgt Tl, das die seismische Auflösung bestimmt Die Auflösung ist größer, wenn Tl kleiner ist.

Die in Fig. 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—62 Hz in Hinblick auf die Durchdringung gefiltert worden ist, oder aber, nachdem er in Hinblick auf die Auflösung bei 0—248 Hz gefiltert worden ist.

Fig. 16b zeigt, was von dem Druckverlauf der Fig. 16a nach Filterung bei 8—62 Hz übrigbleibt. Es zeigt sich, daß der Spitzenwert APi entsprechend der ersten Implosion und hohe Frequenzen enthaltend nicht wesentlich anders als der Spitzenwert AP2 entsprechend der Implosion, die sich 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 (Fig.20).

Andere Nachteile ergeben sich, wenn die Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 nicht verwendet wird. Der größte Teil der nutzbaren Energie ist am Maximum der

11

Implosion vorhanden und wird in einem verhältnismäßig hohen Frequenzband emittiert, das vom Boden rasch absorbiert wird. Das Durchdringen einer solchen Welle ist verhältnismäßig gering.

Der Generator mit Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15

Verwendet man die Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15, ist es möglich, die sekundären Spitzenwerte 2/P2, AP 3 durch entsprechende Formgebung der Di-'inensionen der seitlichen Öffnungen 15c (F i g. 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 sekundärer Spitzenwerte AP2. ΔΡ3 (Fig. 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 haben, die eine ausreichende Absorption des Wassers unter hohen Druck im lnncnhoh!raum70(Fig. 14) während der Ausbildung des Rückprallens nicht gestatten. Die Verkürzung der Periode 7Ί des emittierten Signales ist schließlich besonders zweckmäßig, weil das von der Wasseroberfläche 186 reflektierte Signal dem Anfangssignal 18a überlagert wird, jedoch mit einer Phasendifferenz, die der Zeitdauer entspricht, die das Anfangssignal benötigt, um einen Rundlauf von der Implosionsstelle zurück zur Implosionsstelle zu vervollständigen.

Ein Generator, der eine Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 aufweist, bietet die Möglichkeit, den positiven Teil des Anfangssignales (Fig. 18a) dem positiven Teil des reflektierten Signales (Fig. 18b) bei verhältnismäßig seichten Implosionen zu überlagern. Kombiniert man die in Fig. 18a und 18b gezeigten Signale, ergibt sich ein resultierendes Signal (Fig. 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 Teil des reflektierten Signales enthalten sind (Fig. 18b). Somit ist es bei gleichem Wert der in den Generator eingegebenen Energie möglich, das Durchdringungsvermögen des kombinierten Signales wesentlich zu erhöhen (F i g. 18c).

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

Verwendet man die Strahlteil- und Ablenkvorrichtung 15 mit einem Generator, bewirkt das antreibende Wasser (Fi g.9) oder der antreibende Dampf (Fig.21).. daß die vorerwähnten Nachteile behoben werden, in- 6ö dem 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 starke Durchdringung der Erdformation wie auch eine gute Auflösung erzielt werden.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Generator zur Erzeugung akustischer Impulse durch Implosionen in einem Flüssigkeitskörper, mit einer in einem Gehäuse hin- und hergehenden Kolbenvorrichtung mit einem mittels einer Druckstange in einem Arbeitszylinder beweglich angeordneten Kolben, der im Arbeitszylinder in axialer Richtung auf seiner der Druckstange zugeordneten Seite eine Entlüftungskammer mit einer Entlüftungsöffnung und auf seiner von der Druckstange abgewandten Seite eine Flüssigkeitskammer mit einer Arbeitsöffnung zum Flüssigkeitskörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die hin- und hergehende Kolbenvorrichtung (46) mit einem Hauptkolben (20), einem Hilfskolben (27) und einer diese beider; Kolben (20,27) in axialem Abstand koppelnden Druckstange (26) vorgesehen ist, wobei der Hauptkolben (20) gleitend in dem Arbeitszylinder (16) angeordnet ;ist, daß das Gehäuse (13) einen zweiten Zylinder (29) "enthält, in dem der Hilfskolben (27) gleitend angeordnet ist, daß der zweite Zylinder (29) eine Rückführkammer (30) zwischen dem Hilfskolben (27) und einer Stirnwand mit einem festen Abdichtring (32), der die Druckstange (26) gleitend aufnimmt, und eine Auslösekammer (31) zwischen dem Hilfskolben (27) und einer Stirnwand im Gehäuse (13) bildet, daß eine Vorratskammer (35) im Gehäuse (13) vorgesehen ist, wobei die Rückführkammer (30) einen Druckeiniaß, die Ausiösekammer (31) eine Entlüftungsöffnung (33) und einen Druckeinlaß und die Vorratskammer (35) einen Druckeinlaß und einen Druckauslaß besitzt, daß ein normalerweise geschlossenes, mechanisch betätigbares Ventil (43) vorgesehen ist, das eine Luftdruckquelle (45) mit dem Einlaß (42) der Vorratskammer (35) koppelt, wobei die Rückführkammer (30) direkt mit der Druckquelle (45) im Betrieb des Generators gekoppelt ist, daß ein normalerweise geschlossenes elektrisch betätigbares Ventil (50) vorgesehen ist, das den Auslaß (47) aus der Vorratskammer (35) mit dem Einlaß der Auslösekammer (31) koppelt, daß ein Kolbenstößel (44) beweglich in die Auslösekammer (31) ragt, der durch den Hilfskolben (27) verschoben wird, wenn der Hilfskolben seine oberste Position in dem zweiten Zylinder (29) erreicht hat, wodurch das mechanisch betätigbare Ventil (43) geöffnet wird, das den Aufbau eines Luftdruckes in der Vorratskammer (35) steuert, und daß das elektrisch betätigbare Ventil (50) bei Erregung durch ein elektrisches Signal den Luftdruck aus der Vorratskammer (35) in der Auslösekammer (31) aufbaut, wodurch die hin- und hergehende Kolbenvorrichtung (46) einen Vorwärtshub ausführt, der die Flüssigkeitsmasse (22) dergestalt antreibt, daß der sich ausbildende Flüssigkeitsstrahl (22a/ der durch die Arbeitsöffnung (17b) in den Flüssigkeitskörper austritt, bei seiner schlagartigen Beendigung eine Implosion in dem Flüssigkeitskörper auslöst, und anschließend die Kolbenvorrichtung (46) selbsttätig einen Rückführhub infolge des in der Rückführkammer (30) befindlichen Luftdrucks ausführt.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsöffnung (i7b) eine Innenfläche aufweist, die für den Hauptkolben (20) einen Sitz ausbildet, der der Oberfläche eines Teiles des Hauptkolbens (20) entspricht.

3. Generator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Saugkammer (70) mit einer Bodenwand (15a,} zum Ablenken der Flüssigkeitsmasse (22) in eine Ebene, die relativ zu der Bewegungsbahn der Flüssigkeitsmasse (22) geneigt ist und mindestens zwei Öffnungen (15c)zum Aufteilen der abgelenkten Flüssigkeitsmasse in mindestens zwei Flüssigkeitsstrahlen (22Λ, 22C) besitzt, die voneinander so um einen genügend großen Winkelabstand versetzt sind, daß der Rückprall zum Generator vermindert wird.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Expansionskammer (37) mit einer Entlüftungsöffnung (38) zum Entlüften in den Flüssigkeitskörper (12), wobei die Expansionskammer (37) eine Strömungsmittelverbindung (36) zur Entlüftungsö.f^cnung der Entlüftungskammer (24) hat