DE2842544A1

DE2842544A1 - Vorrichtung zur erzeugung akustischer signale

Info

Publication number: DE2842544A1
Application number: DE19782842544
Authority: DE
Inventors: John Vinton Bouyoucos
Original assignee: Hydroacoustics Inc
Current assignee: Hydroacoustics Inc
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1979-04-12
Also published as: JPS5474201A; IT7851288A0; JPH0118396B2; NO147322C; GB2005023A; DK155385B; NO147322B; AU518822B2; DK155385C; ZA785538B; DK431978A; GB2005023B; AU4027678A; CA1127748A; NL7809887A; SE7810151L; IT1105987B; FR2404862A1; SE444774B; NO783269L

Description

KARLHWAGNER ff SSiESSSftiS

GEWÜRZMOli POSTFACH 246

78-LW-3339

11YDROACOUSTICS, IUC, Rochester, N.Y., V.St.A.

Vorrichtung zur Erzeugung akustischer Signale

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lrzeugung akustischer Signale im Meer, d.h. im Wasser, und zwar insbesondere auf eine hydroakustische Quelle zur Erzeugung von Folgen aus akustischen Impulsen unter Wasser, wobei die Impulse in schneller Aufeinanderfolge auftreten können.

Die Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung in einer seismischen Marine- oder Meeres-Signalquelle für 9^°~ physikalische Untersuchungszwecke, wo die übertragung einer großen Anzahl von Impulsen mit hohen Zyklusraten und genauer Zeitsteuerung entsprechend einem Signalformat oder einem Code erwünscht ist, und wo auch der synchrone Betrieb einer Vielzahl von Quellen in genauer zeitlicher Beziehung erforderlich ist. Solche Systeme sind in den US-Patentanmeldungen Serial No. 730,752 vom 7. To. 1976 (Deutsche Patentanmeldung No. P 27 45 213.7) (Anmelder: John V. Bouyoucos) und Serial No. 828,698 vom 29. 8. 1977 (Deutsche Patentanmeldung Nr. P 28 37 641.2) (Anmelder: David E. Nelsen) beschrieben, wobei diese beiden Anmeldungen auf die Anmelderin der vorliegenden Anmeldung übertragen wurden.

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ORIGINAL INSPECTED

US-PS 3 277 4 37 beschreibt eine akustische Unterwasser-Signalquelle, wo ein Strahlungskolben am oberen Ende eines Zylinders positioniert ist, in dem ein partielles Vakuum erzeugt ist. Wenn der Koben freigegeben wird, so wird die Druckdifferenz am Kolben infolge des Umgebungsdrucks (des Drucks des umgebenden Wassers) den Kolben nach innen in eine Position beschleunigen, wo er abrupt abstoppt (d.h. die Geschwindigkeit des Kolbens geht schnell auf Null). Diese Position wird eine Schlagposition genannt. Der Druck der in dem Zylinder verbleibenden Luft erhöht sich, wenn sich der Kolben nach innen beschleunigt, und kann eine Feder bilden, die den Schlag abdämpft und den Kolben zum Rücklauf veranlassen kann. Ein akustischer Druckimpuls im umgebenden Wasser wird erzeugt, wenn der Kolben nach innen zur Schlagposition läuft und zur Rückkehrung umgekehrt wird. Die Umkehr der Kolbenrichtung kennzeichnet ein elastisches Schlagereignis. Der erzeugte Druckimpuls ist ein akustisches Signal, welches als ein seismisches Signal zur Echolokalisierung (sonar) und geophysikalischen Erforschung und anderen Signalzwecken geeignet ist. Zur Erzeugung eines weiteren Impulses muß die Quelle wieder in den Betriebszustand versetzt werden, was zusätzliche Zeit erforderlich macht. Es gibt zahlreiche Abwandlungen der in US-PS 3 277 437 beschriebenen Quelle, und es sei beispielsweise auf die folgenden US-Patente hingewiesen: 3 564 492, 3 610 366, 3 679 021 und 3 721 211.

Die in den genannten US-Patenten beschriebenen Quellen sowie deren Abwandlungen sind für Einzelimpulsoperationen mit niedrigen Zyklusraten geeignet. Das heitß also, diese Quellen müssen wieder in die Ausgangsposition gebracht werden, um den Kolben in einer äußeren Position gegenüber dem Wasserdruck anzuordnen, bevor die erneute Auslösung zur Erzeugung eines weiteren Impulses erfolgen kann. Ferner muß Zeit eingeräumt werden für irgendwelche vorübergehenden Schwingungen, die dann auftreten, wenn der Strahlungskolben in die äußere Position entgegen seinen Anschlägen zurückgesetzt wird. Demgemäß sind solche Quellen auf einen Betrieb mit niedrigen Zyklusraten von ungefähr einer oder mehr Sekunden zwischen Auslösungen beschränkt.

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Es ist jedoch notwendig, zum Erhalt von Verbesserungen bei der Signalgebung, beschrieben in den obigen Anmeldungen, Sequenzen zu erzeugen, die viele Impulse während eines Übertragungs- oder Sendeintervalls einschließen, dessen Dauer von vier bis fünfzehn Sekunden betragen kann, um so Energie mit einem hohen Gleichförmigkeitsniveau über einen gewünschten geophysikalischen Abfragefrequenzbereich hinweg zu verteilen, wie beispielsweise von 20 bis 100 Hz oder 40 bis 200 Hz. In derartigen Sequenzen oder Folgen müssen die Impulse mit Raten von im Durchschnitt 20 bis 40 pro Sekunde erzeugt werden, wobei mehrere Hundert Schlagereignisse während eines Übertragungsintervalls erfolgen. Die Impulse müssen mit einer präzisen Zeitsteuerung und Amplitude und synchronisiert mit den Impulsen von anderen Quellen übertragen werden, die in einer Anordnung von Quellen verwendet werden können.

Es ist ferner wichtig, daß irgendwelche ungesteuerten akustischen übergänge, die bei der Zurückbringung in die Ausgangsstellung der Quelle nach der Erzeugung eines Impulses auftreten können, eine niedrige Amplitude besitzen. Insbesondere wurde festgestellt, daß die Amplitude solcher nicht gesteuerten Druckübergänge mindestens 20 dB unterhalb der Amplitude des gewünschten Impulses liegen sollte, damit das Korrelationsrauschen bei der Verarbeitung einer codierten Sequenz nicht stört oder das sich ergebende Seismogramm oder eine andere Ausgangsanzeige verschlechtert.

Der akustische Druck P(t) des Impulses ist eine Funktion der Beschleunigung des Kolbens und ist durch folgende Gleichung gegeben:

P (t) = ( S/4 ρ r) (dv/dt) (1),

dabei istf die Strömungsmitteldichte, S die Kolbenfläche, r der Radialabstand vom Kolben und dv/dt die Kolbenbeschleunigung. Zum Erhalt einer hohen Amplitude sind' große Koben (mehrere Fuß im Durchmesser) erforderlich, die gemäß einem Merkmal der Erfindung ausgebildet sein können. Die Beschleunigung

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zur Schlagposition hin muß gesteuert sein, um die vorgeschriebene Amplitude der akustischen Impulsvorrichtung zu erhalten, die gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehen ist. Ebenfalls muß die Zeitsteuerung der Schlagereignisse genau gesteuert sein, wobei die Steuerung gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehen ist. Schließlich muß die Dauer des Zyklus,in dem die Impulse erzeugt werden, gesteuert sein, und zwar reduziert ohne die Erzeugung von Störsignalen, um zu ermöglichen, daß die Impulse mit schnellen Zyklusraten erzeugt werden und mit der Wiederholfrequenz durchstreichen. Diese Zeitdauersteuerung und das NichtVorhandensein von Störsignalen wird ebenfalls gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehen. Das Druckdifferential bzw. die Druckdifferenz am Kolben (der Meereswasserdruck) und die Masse des Kolbens bestimmen die Beschleunigung. Die Beschleunigung bestimmt die Impulsamplitude, und die Steuerung der Beschleunigung und Impulsamplitude werden gemäß einem Merkmal der Erfindung vorgesehen. Die Form der einzelnen Impulse bestimmt die Breite des Spektrums. Es ist zweckmäßig, daß die Form die gleiche von Impuls zu Impuls ist und nicht nachteilig beeinflußt wird durch die Vorrichtungen, die verwendet werden, um die Quelle zur Erzeugung jeden Impulses in die Ausgangsstellung zu bringen.

Die Impulsquellen gemäß dem oben genannten US-PATENT 3 277 und die Abwandlungen davon zeigen große Amplitudenstöße, wenn jeder Impuls erzeugt wird. Da die Quelle zum Gebrauch untergetaucht werden muß und zur Wartung herauszuholen ist, ist die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit des Betriebs von Wichtigkeit. Quellen mit Gehäuseabschnitten, die hohen Drücken und den sich daraus ergebenden Kräften ausgesetzt sind, wie beispielsweise in einigen der oben genannten Patente beschrieben sind, zeigen häufig Ausfälle, was sie im Betrieb unzuverlässig macht.

Das Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Quelle für Schlagereignisse vorzusehen, und zwar zur Anwendung

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in Meeresumgebungen, um in steuerbarer Weise akustische Impulse zu erzeugen, die frei von ungewollten oder ungesteuerten Übergängen sind, wobei diese Impulse große Amplituden besitzen und mit schnellen Raten des Zyklusvorgangs auftreten.

Ferner bezweckt die Erfindung, eine Unterwasserquelle vorzusehen, die seismische Signale in Sequenzen erzeugt, die eine genaue Zeitsteuerung während eines Übertragungsintervalls aufweisen. Ferner sieht die Erfindung eine im Wasser zu verwendende Quelle vor, die seismische Signale mit gesteuerten Amplituden erzeugt. Ferner soll eine im Meer zu verwendende Quelle vorgesehen werden, die derart gesteuert werden kann, daß Impulse beim Auftreten von Befehlssignalen erzeugt werden, wobei deren Periodizität gemäß einem Code gegeben ist. Ferner sieht die Erfindung eine Quelle zur Verwendung unter Wasser bei seismischen Forschungen vor, wobei die Quelle eine Vielzahl von geformten akustischen Signalen erzeugt, deren jedes in genauer zeitlicher Beziehung bezüglich der anderen Signale steht. Ferner bezweckt die Erfindung, eine Quelle für seismische Signale vorzusehen, die eine große Anzahl von Schlagereignissen während eines ÜbertragungsIntervalls erzeugt, um so mehr akustische Energie über das Intervall hinweg zu liefern als dies bei einem einzigen Ereignis, selbst mit größerer individueller Amplitude, möglich ist. Ferner sieht die Erfindung eine verbesserte akustische Impulsquelle vor, die einen höheren Leistungsumwandlungswirkungsgrad hinsichtlich Antriebsleistung zu akustischer Leistung aufweist, als dies für bekannte Quellen ähnlicher Art bisher möglich war. Die Erfindung sieht ferner eine akustische Impulsquelle vor, die gleichförmig über einen Frequenzbereich verteilte Spektralenergie erzeugt, wie dies für geophysikalische Forschungen zweckmäßig ist. Die Erfindung sieht schließlich eine Quelle vor, die akustische Impulse mit hohen Zyklusraten erzeugt, und zwar mit hohem akustischen Druck und bei zuverlässigem Betrieb.

Kurz gesagt weist die erfindungsgemäße hydroakustische Impulsquelle mindestens einen Kolben auf, der zwischen einer Innenposition und einer Aussenposition bewegbar ist. Die Innenposi-

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- 4<r

tion ist die Schlagposition- Schlagereignisse treten dann auf, wenn der Kolben die Schlagposition erreicht. Dieser Kolben ist Teil eines Masse-Feder-Systems mit einer Resonanzperiode kürzer als das kürzeste Intervall zwischen Impulsen in einer Impulsfolge, die durch die Quelle erzeugt werden kann. Anders ausgedrückt ist die Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems höher als die höchste Rate, mit der die Schlagereignisse während eines Ubertragungsintervalls auftreten. Die Spektralform der Impulse wird bestimmt durch das Masse-Feder-System. Wenn die Übertragung gemäß einem Code oder einer Sequenz für die gleichförmige Verteilung über einen Frequenzbereich hinweg erfolgt, wie dies für hohe Auflösung bei geophysikalischer Forschung erwünscht ist, so kann die Zeitdauer des einzelnen Impulses in der Größenordnung von 0,003 Sekunden liegen, wobei Spektralenergie sich über 200 11z erstreckend erzeugt wird, und die Wiederholfrequenz der ImpuLse kann über ein Band so breit wie beispielsweise 40 bis 8O JIz streichen, obwohl auch Überstreichungen von etwas geringeren Bändern, wie beispielsweise von 5 bis 10 Hz oder 20 bis 40 Hz, verwendet werden können. Typischerweise kann ein Ubertragungsintervall von 4 Sekunden mehr als 200 Ereignisse verwenden.

Es kann ein Paar von Strahlungskolben vorgesehen sein. Wenn sich die Kolben nach innen zueinander hin unter dem Druck des umgebenden Wassers, in dem sie eingetaucht sind, bewegen, so beschleunigen sie sich aufeinander zu in eine Schlagbeziehung an der Schlagposition. Der Schlag kann durch das zwischen den Kolben eingefangene Gas gedämpft werden. Sodann kehren die Kolben um und bewegen sich nach außen voneinander weg in eine Aussenposition. Die Innen- und Aussen-Bewegungen bilden einen Zyklus, während welchem ein Schlagereignis und der sich ergebende akustische Impuls erzeugt werden. Um die Dauer der Zyklen zu steuern, die Impulse zeitlich zu steuern und die Amplitude und Form der Impulse zu bewahren, sind Strömungsmitteldruckraittel vorgesehen, die ein hydraulisches Steuer-und Betätigungssystem sein können, um die Beschleunigung der Kolben nach innen zueinander hin zur Schlagposition zu steuern, so daß sie die Schlagposition zu einer vorgeschriebenen Zeit entsprechend einer gewünschten Zeit eines Impulses erreichen. Wenn das Schlag-

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ereignis auftritt, welches infolge des Impulses festgestellt werden kann, so werden die Kolben nach aussen von der Schlagposition weg beschleunigt und sodann während des äußeren Teils ihrer Bahn verzögert, so daß sie ihre Aussenposition mit annähernd der Geschwindigkeit Null erreichen. Die Kolben erreichen ihre Aussenposition bereit für den nächsten Zyklus in einer Zeit, die so kurz als möglich ist, aber ohne ungesteuerte vorübergehende akustische Signale infolge irgendwelcher abrupten Verzögerungen zu erzeugen, wenn die Kolben ihre Aussenposition erreichen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die trömungsmitteldruckbetätigten Mittel infolge der Beschleunigung der Kolben gesteuert, wie dies beispielsweise von einem Wandlersystem erhalten wird, welches auf die Amplitude der akustischen Impulse anspricht, um darauffolgend auf den Schlag hydraulische Nettokräfte (die Kräfte infolge der Differenz zwischen dem hydraulischen Druck und dem Druck des umgebenden Wassers) in einer Richtung anzulegen, um erstens die Kolben voneinander weg zu beschleunigen, während weniger als der gesamten Erholung des Wiedervorbereitungsteils des Zyklus und um zweitens die Kolben über die verbleibenden Bahnstrecke hinweg derart zu verzögern, daß die Kolben ihre Aussenposition mit der Geschwindigkeit von ungefähr Null erreichen. Die Form und die Amplitude der Impulse wird auf diese Weise bewahrt, und unerwünschte Impulse werden vermieden, obwohl die Kolben schnell in ihre Aussenposition zurückgesetzt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die hydraulischen Nettokräfte während des gesamten Erholoder Rückstell-Teils des Zyklus angelegt, um die Kolben nach aussen zu beschleunigen, sind aber kleiner als die Kräfte, die erforderlich sind, um die Kolben in der Aussenposition entgegen dem Druck des umgebenden Wassers zu halten. Die Nettokräfte reichen jedoch aus dann, wenn sie zu den Rückkehrkräften infolge des Masse-Feder-Systems hinzuaddiert werden, die Kolben in ihre Aussenposition mit der Geschwindigkeit von ungefähr Null zurückgebracht werden. Sodann werden die hydraulischen

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Kräfte erhöht, um die Kolben in der Aussenposition zu halten, und zwar bereit für den Beginn des nächsten Zyklus.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbexspiel der Erfindung werden die hydraulischen Nettokräfte angelegt, um den Kolben nach aussen nach Vollendung der Kolbenrückkehr zu drücken, wenn die Kolben die Geschwindigkeit Null erreichen. Der Fluß des diese hydraulischen Nettokräfte erzeugenden Strömungsmittels wird derart gesteuert, daß die Kolben sich ihrer Aussenposition mit ihrer sich gleichzeitig Null nähernden Geschwindigkeit annähern.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Vorderansicht der erfindungsgemäßen hydroakustischen Impulsquelle;

Fig. 2 eine Endansicht der in Fig. 1 gezeigten Quelle von rechts gesehen;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Quelle gemäß den Fig. 1 und 2 zusammen mit zugehörigen Vorrichtungen, die ein hydraulisches Quellensystem bilden;

Fig. 4 einen Teilschnitt einer Impulsquelle ähnlich der Quelle gemäß den Fig. 1 und 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbexspiel der Erfindung;

Fig. 5 einen Teilschnitt des Leistungsstufenventils und der damit verbundenen Akkumulatoren, wobei das Ventil in der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Quelle verwendet wird;

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wird;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des hydraulischen Kreises verwendet bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Quelle;

Fig. 7A und 7B Blockdiagranune des mit der Quelle gemäß den Fig. und 2 verwendeten Steuersystems;

Fig. 8 Wellenformdiagramme von Druck, Kolbenversetzung,

Ventilposition und akustischem Druckimpuls während des Betriebs des Steuersystems der Fig. 7;

Fig. 9 und 10 Teilvorderansichten von Teilen von Quellen ähnlich der Quelle gemäß Fig. 1, aber mit Strahlungskolben von konkaver bzw. konvexer Gestalt;

Fig. 11 und 12 Schnitte, welche schematisch eine hydroakustische Impulsquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Positionen während des Betriebs darstellen;

Fig. 13 Wellenformen des Drucks, der Kolbenversetzung und der Ventilposition während eines Betriebszyklus der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Quelle;

Fig. 14, 15, 16 und 17 Schnitte , welche schematisch eine hydro-. statische Impulsquelle gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in unterschiedlichen Positionen während eines Operationszyklus darstellen;

Fig.18 Wellenformen ähnlich der Fig. 8 während eines Betriebszyklus der Quelle gemäß den Fig. 14, 15, 16 und 17;

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Fig. 19 Wellenformen ähnlich der Fig. 18, wobei ein Betriebs- oder Operationszyklus einer Quelle ge7 maß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Meeres- oder Marine-Quelle dargestellt, die beim Untertauchen in Wasser, wie beispielsweise im Meer, betrieben werden kann, um wiederholt akustische Impulse zu erzeugen. Diese Quelle besitzt ein Gehäuse 10, in dem ein Paar von Strahlungskolben 12 und 14 symmetrisch gegeneinander gehalten wird; d.h. die Kolben 12 und 14 besitzen Stirnflächen 16 und 18, die einander gegenüberliegen. Am Gehäuse 10 ist durch Bügel 20 und 22, die daran angeschweißt sein können, ein Gehäuse 24 für Strömungsmitteldrucksteuermittel in der Form eines Ventilmechanismus befestigt. Dieser Mechanismus enthält ein Leistungsstufen-Hauptventil, welches im Hauptkörper des Gehäuses 24 angeordnet ist,und ein Pilotventil, welches in einem Aussenabschnitt 25 des Gehäuses 24 angeordnet ist.

Die Quelle wird durch ein unter Druck stehendes hydraulisches Strömungsmittel, vorzugsweise Hydrauliköl, betrieben, welches der Quelle von einer (nicht gezeigten) HydraulikleistungsVersorgung geliefert wird. Die Versorgung erzeugt unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel mit Versorgungs- und Rücklaufdrücken über Hydraulikleitungen 26 bzw. 28. Die Hydraulikleitung 26 ist am Ventilgehäuse 24 über ein Einlaßfilter 30 befestigt. Die Leitung 26 liefert Hydraulikströmungsmittel mit Versorgungsdruck, beispielsweise mit einem Druck von 2000 bis 30OO psi (engl. Pfund pro Quadratzoll). Die Leitung 28 ist mit der Rücklaufseite der hydraulischen Leistungsversorgung verbunden, die ein Reservoir sein kann. Das Hydraulikströmungsmittel fließt sodann von der Versorgung in die Versorgungsleitung 26 und über die Rücklaufleitung 28 heraus. Die Energie des unter Druck stehenden Hydraulikströmungsmittels wird in akustische Impulsenergie durch die Quelle umgewandelt. Der Hydraulikkreis der Quelle wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig, 6 beschrieben und oist Akkumulatorvorrichtungen 32 und

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36 auf, die mi,t den Versorgungs- und Rücklauf sei ten der Schaltung verbunden sind. Die Versorgungsleitung 26, Rücklaufleitung 28 und Einlaßfilter 30 sind in Fig. 1 zur Vereinfachung der Darstellung nicht gezeigt. Die Quelle kann in einem (nicht gezeigten) Rahmen zusammen mit der hydraulischen Leistungsversorgung untergebracht sein und wird in Wasser untergetaucht, und zwar auf eine Betriebstiefe, die mehrere 10OO Fuß betragen kann. Die gesamte Anordnung kann von einem zu seismischen zu Untersuchungen verwendeten Schiff gezogen werden und kann entweder allein oder zusammen mit einer Gruppe aus zwei oder mehreren solchen Quellen in einer Anordnung zum Zwecke geophysikalischer Forschungszwecke verwendet werden. Die in der Quelle der Fig. 1 und 2 vorgesehene Symmetrie vermindert die an das Gehäuse, die Ventile, den Tragrahmen und die Hydraulikleitungen angelegten Beschleunigungen, wodurch sich eine erhöhte Zuverlässigkeit des Quellengebildes ergibt.

Das Gehäuse 10 weist eine zylindrische Hülse 40 auf. Ein Paar von Trägergliedern 42 und 44 ist an entgegengesetzten Seiten der Hülse 4O angeordnet. Diese Trägerglieder besitzen zylindrische mittige Naben 46 und 48 sowie vier Streben 50, 52, 54, 56, die sich von der Nabe 46 aus radial nach aussen erstrecken, wobei ferner vier Streben, von denen zwei bei 58 und 60 in Fig. 1 gezeigt sind, vorgesehen sind, welche sich radial von der anderen Nabe 48 aus nach aussen erstrecken. Die Streben passen in Ringe 62 und 64, die sandwichartig zwischen den Streben und den Kanten der Hülse 40 angeordnet sind und mittels vier Stangen zusammengebaut sind, von denen zwei, nämlich die Stangen 66 und 68, in Fig. 1 gezeigt sind, während die anderen beiden Stangen bei 70 und 72 in Fig. 2 dargestellt sind. Diese Stangen sind an ihren äußeren Enden mit Gewinde versehen, auf welche zum Zwecke des Zusammenbaus des Gehäuses Muttern 74 aufgeschrubt sind.

Die Strahlungskolben 12 und 14 besitzen Ränder 76 und 78, welche Schalen enthalten, in denen Dichtungen, wie beispielsweise chevronförmige Dichtungen 80 und 82 (vgl. Fig. 1), angeordnet sind. Diese Dichtungen befinden sich in Berührung

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mit der Hülse 40 derart, daß eine Kammer 84 zwischen den zueinander entgegengesetzt liegenden Stirnflächen 16 und 18 der Strahlungskolben 12 und 14 und dem Innenumfang der Hülse 40 gei.iidet wird. Eine Öffnung 86 ist mittig zwischen den Enden der Hülse 40 angeordnet und ist mit einer Leitung 88 verbunden. Diese Leitung 88 ist mit einer Vakuum- oder Niederdruck-Pumpe verbunden, so daß der Druck eines Gases, zweckmäßigerweise von Luft, in der Kammer 84 eingestellt werden kann. Diese Einstellung kann an der Oberfläche derart erfolgen, daß ein partielles Vakuum in der Kammer 84 existiert. Wenn die Quelle untergetaucht ist, so baut sich eine Druckdifferenz an jedem der Strahlungskolben 12 und 14 auf, und zwar gleich der Differenz zwischen dem Druck in der Kammer und dem Druck infolge der Seewasserhöhe. Die Kräfte an den Kolben infolge des Seewasserdrucks hängen von der Fläche der Kolben und dem Differenzbzw. Differentialdruck ab. Die an den Kolben auftretende Kraft kann diese nach innen zur Schlagposition hin treiben. Dieser Schlag kann durch das restliche komprimierte Gas in der Kammer 84 gedämpft werden. An der Schlagposition brauchen sich die Kolben nicht körperlich zu berühren und sie können etwas voneinander getrennt sein, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist.

Die Strahlungskolben 12 und 14 werden in den Naben 46 und 48 getragen. Die gesamte bauliche Festigkeit der Träger 42 und 44 trägt die Kolben 12 und ^ längs deren gemeinsamer Mittelachse auf Wellen 90 und 92, die sich von den Kolben aus nach aussen zu den Trägern 42 und 44 hinerstrecken. Die Naben 46 und 48 besitzen Bohrungen 96 und 98 in Auskleidungen 100 und 102. Diese Auskleidungen wirken als Büchsen für die Wellen 90 und 92. Die Welle 92 ist mit einer Mittelbohrung 104 zum Zwecke der Gewichtsverminderung ausgestattet. Die Bohrung 104 ist am äußeren Ende der Welle 92 offen und erstreckt sich durch eine rohrförmige Verlängerung 106. Diese Verlängerung 106 ist am anderen Ende der Nabe 48 durch Bolzen 108 befestigt. Die Verlängerung 106 dient als ein Schutz für die^ Welle 92. Eine ähnliche Verlängerung 110 ist an der Nabe 46 durch Bolzen 112 befestigt und dient in ähnlicher Weise als Schutz für die andere Welle 90.

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Die Welle 90 besitzt eine Mittelbohrung 114, die nahe dem äusseren Ende der Welle durch einen Endabschnitt 116 geschlossen ist. Der Teil der Bohrung 114 benachbart zum Endabschnitt 116 besitzt einen etwas größeren Durchmesser als das innere Ende der Bohrung. Eine Stange 118 ist gleitend in der Bohrung 114 angeordnet. Das Ende der Stange 118, der Endabschnitt 116 und die Bohrung 114 definieren eine Kammer 120 für das unter Druck stehende Hydraulikströmungsmittel. Um den Austritt von Strömungsmittel aus der Kammer 120 zu verhindern, sind Dichtungen, wie beispielsweise Chevron-Dichtungen 122 und 124, vorgesehen, um der Welle 90 das Gleiten nach innen und aussen in der Bohrung 96 der Auskleidung 100 zu gestatten. Dichtungen, wie beispielsweise O-Ringdichtungen 126, um die Auskleidung herum schützen ebenfalls gegenüber dem Austritt von unter Druck stehendem Hydraulikströmungsmittel. Eine weitere Dichtung 130 nahe dem offenen Ende der Bohrung 114 verhindert den Austritt von Hydraulikströmungsmittel, gestattet aber die Bewegung der Stange 118 nach innen und aussen bezüglich der Welle 90.

Die Auskleidung 100 ist mit einer Umfangsnut 132 ausgestattet, die sich axial über einen Abstand mindestens gleich der Versetzung oder dem Hub der Welle 90 erstreckt. Diese Nut 132 bildet eine Gallerie oder einen Raum, der mit der Kammer 12Ο durch Löcher 134 verbunden ist. Der Raum 132 ist seinerseits mit einem hydraulischen Zuführungsrohr 136 durch eine Anzahl von Radiallöchern 138 verbunden, von denen zwei in Fig. 1 dargestellt sind. Diese Löcher 138 verbinden den Raum 132 mit einer Nut 14o im Innenumfang der Nabe 46, um eine dichte Abdichtung (vgl. Fig. 4) vorzusehen.

Wenn unter Druck stehendes Hydraulikströmungsmittel an die Kammer 120 angelegt wird, so wird die Stange 118 nach innen und die Welle 90 nach aussen zwangsweise bewegt, wodurch die Strahlungskolben 12 und 14 voneinander getrennt werden. Die Kolben 12 und 14 besitzen Schultern 148 und 149, die als Anschläge dienen, welche mit den inneren Enden der Naben 46 und 48 dann in Berührung kommen, wenn die Kolben die Aussenposition erreichen. Nachdem die Strahlungskolben getrennt sind

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und auf ihre Aussenpositionen eingestellt sind, wird der Druck in der Kammer 120 mittels des Ventilmechanismus im Ventilgehäuse 24 vom Versorgungsdruck auf den Rücklaufdruck umgeschaltet. Zum Zwecke der Steuerung der Beschleunigung und Impulsamplitude kann das Hauptventil in eine Position gebracht werden, wo es die Kammer 120 nicht vollständig zum Rücklauf öffnet. Der Nettobetrag der Druckströmungsmittelkräfte an den Kolben wirkt dann in einer die Kolben nach innen treibenden Richtung.

Wenn die Nettokraft infolge des Meereswasserdrucks die schnelle Bewegung der Strahlkolben nach innen zueinander hin bewirkt, so bewegt sich die Stange 118 nach aussen und drückt das hydraulische Strömungsmittel aus der Kammer 120 heraus. Der Fluß kann gedrosselt werden, wenn das Hauptventil nicht vollständig zum Rücklauf offen ist und die Nettokraft an den Kolben kann reduziert werden. Die Beschleunigung der Kolben zueinander hin in die Schlagbeziehung an ihrer Schlagposition kann dadurch gesteuert werden, daß man das Hauptventil proportional zum Rücklauf öffnet.'Da die Beschleunigung proportional zur akustischen Impulsamplitude (vgl. Gleichung 1) ist, wird die Amplitude der Impulse gesteuert. Zudem steuert die Steuerung der Beschleunigung die Zeit bis zum Schlag.

Wenn die Schlagposition erreicht ist, kehren die Kolben um und laufen zurück. Die von den Kolben bei Erreichung der Schlagposition erreichte Geschwindigkeit wird umgekehrt (d.h. die Kolbengeschwindigkeit V an der Schlagposition wird zu annähernd "V). Die Umkehr geschieht in einer Zeit proportional zu ungefähr einem halben Zyklus der Resonanzfrequenz des Masse-Federsystems einschließlich der Masse und Steifheit der Kolben und der Feder infolge der zusammengepreßten Luft in der Kammer84 zwischen den entgegengesetzten Stirnflächen 16 und 18 der Kolben. Die Steifheit geht in der Hauptsache auf die zusammengepreßte Luft in der Kammer zurück und ist nichtlinear, wobei jedoch in einer ersten Annäherung für die Resonanzfrequenz folgendes gilt:

f_o =1Κ/Μ/2Γ (2),

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dabei ist M die mit den Kolben 12 und 14 und ihren Wellen 90 und 92 assoziierte Masse, und K ist die effektive Steifheit der zusammengedrückten Luftfeder. Die Beschleunigung ist ein Maximum an der Schlagposition, wo V annähernd -V wird, und bestimmt die Amplitude der akustischen Impulscharakteristiken des Systems.

Der maximale Beschleunigungspunkt wird durch das in Verbindung mit Fig. 7 beschriebene Steuersystem festgestellt und zeigt an, wann die Schlagposition erreicht ist. Sodann wird für einen Teil der Zeit, aber nicht für die ganze Zeit, während welcher die Kolben sich erholen oder rückstellen und sich nach aussen zur Aussenposition bewegen, das hydraulische Strömungsmittel veranlaßt, in die Kammer 120 zu fließen, um die Kolben zu trennen. Dies wird dadurch erreicht, daß man das Hauptventil in eine Position bringt, wo es vollständig offen für die Versorgung ist. Für den verbleibenden Teil des Rückstellzyklus wird das Hauptventil in eine Position betätigt, wo es zum Rücklauf hin offen ist. Die Nettokräfte an den Kolben verzögern dann deren Auswärtsbewegungen und bringen sie auf die Geschwindigkeit Null bei einer Position entsprechend der äußeren Grenze des Kolbenlaufs. Auf diese Weise werden die Kolben in ihren Bewegungen über die Bahn hinweg beschleunigt oder verzögert durch Umschalten des Hauptventils zwischen Versorgungs- und Rücklaufdrücken. Die hydraulischen Leistungsverluste in den Ventildurchlässen werden dadurch minimiert, was zu einem höheren Leistungsumwandlungswirkungsgrad führt.

Der Ventilmechanismus wird derart gesteuert, daß sich wiederholende (repetitive) Impulse jedesmal dann vorgesehen werden, wenn die Strahlungskolben 12 und 14 sich aufeinander zu zur Schlagposition bewegen, und sie werden umgekehrt durch die Federcharakteristiken der zusammengepreßten Luft in der Kammer 84 und/oder die Federcharakteristiken der Kolben 12 und 14 selbst, um nach aussen zurückzukehren. Durch die Gleitanordnung und Befestigung der Kolben in den Naben 46 und 48 des Gehäuses 10

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innerhalb der Träger 42 und 44 unter Führung an den Aussenumfängen durch die Hülse 40 wird ein Gebilde geschaffen, welches in der Lage ist, den Kräften infolge des Meereswasserdrucks und den beim Schlag erzeugten Kräften zu widerstehen, um so ein hohes Ausmaß an struktureller Integrität und Zuverlässigkeit im Betrieb vorzusehen. Die hydraulischen Strömungsmitteldruckvorrichtungen einschließlich des Ventilmechanismus und seiner Steuerung, was die Erzeugung von jeweils akustischen Impulsen mit hohen Raten vorsieht, wird im einzelnen in Verbindungen mit den Fig. 5-8 besehrieben.

Fig. 3 zeigt das hydroakustische Quellensystem zusammengebaut, um an einem seismischen Untersuchungsschiff geschleppt zu werden. Der Rahmen 2 3 aus Rohrgliedern bildet einen offenen Kasten, in dem das Gehäuse 10 angeordnet ist. Ohren 27, die an den Trägern 42 und 44 durch Bügel 29 befestigt sein können, dienen zur Befestigung des Gehäuses 10 am Rahmen 23 Ein an einer Seite des Rahmens 23 befestigter Arm trägt ein Hydrophon 33. Das Hydrophon und die Kolben 12 und 14 sind längs der gleichen Achse derart angeordnet, daß das Hydrophon sich direkt im Pfad der akustischen Druckimpulse befindet, die durch die Quelle erzeugt werden. Das Hydrophon 33 gibt ein elektrisches Signal entsprechend dem Impuls ab, der bei der Steuerung der Quelle verwendet wird, was im folgenden noch im einzelnen beschrieben wird.

Eine Leitung 35 für elektrische Steuersignale, Leitungen 26 und 28 für hydraulisches Druckströmungsmittel und eine Luftleitung 88 sind mit der Quelle, wie oben erläutert, verbunden. Die Leitungen können starre Rohre sein, die aus dem Rahmen 23 zu (nicht gezeigten) flexiblen Schläuchen herausgeführt sind. Die Leitung 35 ist zu einem (nicht gezeigten) flexiblen Kabel herausgeführt. Die Enden dieses Kabels und der Schläuche können an einem Schlitten befestigt sein, der am Rahmen befestigt ist, oder aber die Anordnung kann mittels Drahtseil erfolgen, um das Spiel der Schläuche auf dasjenige zu beschränken, welches der Leiter und die Leitungen aufnehmen können. Der Rahmen ist am

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Schiff durch Zugseile befestigt, und es ist eine hinreichende Durchhängung für die Schläuche und elektrischen Kabel vorgesehen, damit diese keine Lastbeanspruchungen aufnehmen müssen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Impulsquelle mit einer Vereinfachung durch Eliminierung der frei bewegbaren Stange 118 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Teile der in Fig. 4 gezeigten Quelle, die ähnlich denjenigen der Quelle gemäß den Fig. 1 und 2 sind, tragen das gleiche Bezugszeichen. Die Stange 118a im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist einstückig oder integral mit der Welle 92a ausgebildet, die am Strahlkolben 14 befestigt ist,und erstreckt sich nach innen in die Bohrung 96 der Welle 90, die den Strahlkolben 12 trägt. Die Stange 118a dient, wie die Stange 118, als ein Kolben, um Strahlkolben 12 und 14 dann zu trennen, wenn Hydraulikströmungsmittel mit einem Versorgungsdruck veranlaßt wird, in die Kammer 120 hinter der Stange 118a zu fließen. Die Stange 118a besitzt eine Bohrung, die das Gewicht der Anordnung aus Welle 92a und Strahlkolben 14 vermindert. Die Strahlkolben 12 und 14 sind in Fig. 4 in ihrer Aussenposition dargestellt, wobei die Schultern 148 und 149 dort, wo die Strahlkolben die Wellen 90 und 92 vereinigen, an den Innenenden der Naben 46 und 48 anschlagen.

Obwohl die Betätigung beider Kolben unter Verwendung eines einzigen Ventilmechanismus in Verbindung mit einer einzigen Kammer und doppelt wirkender Welle und Stange derzeit bevorzugt wird, so können doch auch gesonderte Ventilmechanismen gleichzeitig betrieben mit gesonderten Kammern und eine einfach wirkende Stange zur Durchführung der Erfindung verwendet werden.

Es sei nunmehr auf die Fig. 5 und 6 verwiesen, wo ein Leistungsstufenventil 150 gezeigt ist, welches - wie in Fig. 5 gezeigt einen Kolben oder Schieber 152 besitzt, der axial in einer Bohrung 154 bewegbar ist. Diese Kolbenbohrung 154 ist in einem Block 156 ausgebildet, der in einem Gehäuse 24 enthalten ist. Die Enden der Bohrung 154 sind durch Gewindestopfen 158 und (vgl. auch die Fig. 1 und 2) verschlossen. In der Bohrung 154

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befinden sich an entgegengesetzten Enden des Kolbens 152 Steuerkammern 162 und 164. Durchlässe 166 und 168 verbinden diese Steuerkammern 162 und 164 mit dem Pilot- oder Steuerventil 151, welches den Druck in diesen Steuerkammern zur Versorgung oder zum Rücklauf schaltet oder die Kammern abschließt. Wenn sich Versorgungsdruck in der Kammer 162 und Rücklauf in Kammer 164 befindet, so wird das Kolbenventil nach links (abwärts in Fig. 6) verschoben, was die Öffnung 173 öffnet. In dem Ausmaß, in dem die öffnung 173 geöffnet ist, entweder vollständig zum Rücklauf wie in Fig. 5 gezeigt, oder aber weniger, hängt von der Zeit ab, mit der der Druck in der Kammer 162 zur Versorgung und die Kammer 164 zum Rücklauf geschaltet wird, d.h. wie lange die schematisch bei 181 im Pilotventil 151 gezeigten Verbindungen sind, bestimmt das Ventilöffnungsausmaß. Demgemäß ist der Pfad zum Rücklauf im Hauptventil 150 als ein veränderbarer Widerstand 177 dargestellt.

Das Einspeisungsrohr 136 ist mit der Mittelkammer 170 in der Kolbenventilbohrung 154 verbunden. Die Versorgungs- und Rücklaufleitungen sind mit den Kammern 172 bzw. 174 verbunden, und zwar auf entgegengesetzt liegenden Seiten der Mittelkammer 170. Die Versorgungs- und Rücklaufakkumulatoren 36 und 32 sind mit der Versorgungskammer 172 und der Rücklaufkammer 174 des Ventils verbunden. Die Akkumulatoren 32 und 36 können gasgefüllte Akkumulatoren mit beweglichen Kolben sein. Die Leitungen 26 und 28 zu den Akkumulatoren können darinnen Einweg-Rückschlagventile 167 und 169 aufweisen.

Das Pilotventil 151 ist eine elektrohydraulische Vorrichtung, die in entgegengesetzten Richtungen durch eine elektromagnetische Treibervorrichtung betätigt wird. Diese Treibervorrichtung ist als ein Paar von Elektromagneten 176 und 178 dargestellt. Andere elektromagnetische Treibervorrichtungen, wie beispielsweise Drehmomentmotore verwendet in Servoventilen, können verwendet werden. Durch das Steuersystem in Fig. 7 erzeugte Steuersignale werden an die Elektromagnete angelegt. Das Pilotventil besitzt drei Zustände oder Positionen, die schematisch durch die Verbindungen 179, 180 und 181 dargestellt

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sind, die in jedem dieser Zustände hergestellt werden. In der Position 181, in die das Ventil 151 automatisch beispielsweise durch Federn vorgespannt ist, wenn die Elektromagnete 176 und 17 8 ent-erregt sind, sind die Kontroll- oder Steuerkanunern 162 und 164 abgeschlossen und das Hauptventil 150 kann selektiv positioniert und in der ausgewählten Position gehalten werden.

Das Steuersystem ist in Fig. 7 gezeigt und die Arbeitsweise wird anhand von Fig. 8 erläutert. Fig. 8e zeigt den Druckverlauf oder die Wellenform des von der Quelle übertragenen akustischen Impulses. Die Positionen von Pilotventil 151 und Hauptventil 150, die die akustische Impulswellenform erzeugen, sind in den Fig. 8a bzw. 8b dargestellt.

Wie oben erläutert, wird das Pilotventil 151 derart gesteuert, daß es nur eine von drei Positionen einnimmt: S , vollständig offen gegenüber der Versorgung, wie bei 179 in Fig. 6 gezeigt; S₀, vollständig offen gegenüber dem Rücklauf, was bei 180 in Fig. 6 gezeigt ist; S_n, Mittelzustand (kein Fluß), was bei 181 in Fig. 6 gezeigt ist. Die elektrischen Steuersignalen zu diesem Ventil 151 betätigen das Ventil derart, daß es diese drei Positionen einnimmt, und zwar durch Anlegen von entweder dem vollen Steuerstrom an den Elektromagnet 176 oder an den anderen Elektromagnet 178 oder durch das Anlegen von keinem Steuerstrom an die Elektromagnete.

Das Hauptventil 150 ist normalerweise entweder auf die Positionen der vollen Versorgung S„ oder des vollen Rücklaufs S_n eingestellt, und zwar mit Ausnahme der Zeit, wo die Kolben 12 und 14 sich nach innen zur Schlagposition bewegen, was man als die Fallzeit bezeichnen kann, und zwar dann, wenn das Hauptventil 150 in eine Position etwas geringer als vollen Rücklauf getrieben ist. Dieses Intervall erstreckt sich, wie gezeigt, von T~ bis T₃.

Zu Beginn des Zyklus wird ein Ubertragungsbefehl zu T vorgesehen. Nach einer kurzen Verzögerung zur Berücksichtigung von Quellenvariationen empfängt das Pilot ntil 151 einen Befehl

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zur Rückkehr, der erzeugt wird durch das Steuersystem zur Zeit T₁. Die Zeitdauer von T₁ nach T„ steuert, wieviel Strömungsmittel zu den Steuerkammern 162 und 164 des Hauptventils 150 transportiert wird, und somit die Position des Koibens 152. Zur Zeit T₂ nimmt das Piiotventil· 151 die Mitteiposition 181 ein, wo es geschiossen ist, und das Hauptventil· verbl·eibt in der teiiweise Offen-zu-Rückiauf-Position bis T-,. Während des Intervalls T₂ bis T^ beschieunigen sich die Koiben nach innen zu ihrer Schiagposition hin. Der Druck im Hohlraum 120 (vergleiche Fig. 8d) fällt ab, aber erreicht nicht den Rücklaufdruck P_R, da die Öffnung 175 nicht vö^ig offen ist. Der Druck im llohiraum 120 erfährt eine gewisse Fiuktuation infoige des Rücklaufakkumuiators 32 (Fig. 6). Zur Zeit T3 wird das Piiotventil· 151 zur Versorgung S_q (Position 179) geschaitet und das Hauptventil· 150 fol·gt mit seiner maximalen Schwenkrate. Die Zeitsteuerung bestimmt, daß der Kolben 152 des Hauptventils durch seine Mittelposition iäuft mit beiden öffnungen und 175 (Fig. 4) geschiossen im Augenbiick des maximalen übertragenen Drucks, was auch einem Nuil-Strömungsmittelflußzustand entspricht. Das Hauptventil· setzt die Lieferung von S„ fort und nach einem Zeitintervail· T₃-T₁-/ während welchem der Versorgungsdruck Energie (Kraft und Fluß) zur Wiederanordnung der Kolben 12 und 14 liefert, wird das Pilotventil· 151 zur Zeit T₅ wiederum zum Rücklauf S (Position 180) geschaltet und das Hauptventil 150 folgt. Während des nächsten Intervalls T(.-T, wird der Druck in der Kammer 120 zum Rücklauf P_R geschaltet und der Stromungsmittel^uB wird in der Rückiau^eitung von der Kammer 120 vermindert, wenn die Koiben sich zu ihrer Aussenposition hin (vgl·· Fig. 8c) verzögern.

Nach diesem Intervall· zur Zeit T, wird das Piiotventii 151 wiederum zur Versorgung S„ (Position 179) geschaitet und das Hauptventil· öffnet sich zur Versorgungsposition S₅, um den Druck in der Kammer 120 zum Versorgungsdruck P zu schaiten und die Kolben in ihrer Aussenposition zu halten, und zwar in Vorbereitung auf den nächsten übertragenen Befehl. Der Zykius

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ist dann völlig vollendet, wenn das Hauptventil 150 die Versorgungsposition S_q bei T₇ erreicht und die Kammer 120 sich auf Versorgungsdruck P_c befindet.

Das Steuersystem (Fig. 7) besitzt einen Eingangsabschnitt 2OO, der den ÜbertragungsZeitsteuerbefehl T und den Amplitudensteuerbefehlspegel A aufnimmt. Ein Steuersignalerzeugungsabschnitt 220 erzeugt die Zwischenbefehlszeitsteuersignale. Ein Detektorabschnitt 230 weist einen Unterwasserwandler 202, wie beispielsweise das Hydrophon 33 (Fig. 3), auf, und zwar angeordnet nahe der Quelle, um den Druckimpulsverlauf, wie er in Fig. 8e gezeigt ist, zu erzeugen. Der Detektorabschnitt erzeugt Steuersignale, welche die tatsächliche Zeit der Übertragung des akustischen Impulses T und seine Amplitude A repräsentieren. Der Abschnitt 240 erzeugt die Signale, welche die Elektromagnete 176 und 178 des Pilotventils 151 betätigen. Der Wandler 202 hat die Vorteile der Zuverlässigkeit und Einfachheit. Es können auch andere Fühler verwendet werden, um die ihre Innenposition (d.h. die Schlagposition) erreichenden Kolben festzustellen- Derartige Fühler können auf die Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung ansprechen. Wenn der Übertragungsbefehl T ankommt, so wird er an einen astabilen Multivibrator (One Shot = OS) angelegt. Die Zeitverzögerung von diesem OS 211 repräsentiert die erwartete Verzögerung T, zwischen dem Übertragungsbefehl und dem übertragenen Signal für alle Quellen, die in der Anordnung sein können oder einer individuellen Quelle, wenn nur eine verwendet wird, und zwar minus einer kleinen Zeitvariation, die die während des Betriebs der Quellen erwarteten Variationen repräsentiert. Am Ende dieses Zeitintervalls T, wird ein Flip-Flop 212 durch die ins Negative gehende Flanke des OS-Ausgangsimpulses gesetzt, der durch eine Differenzier- und Invertier-Schaltung 185 detektiert wird. Das Flip-Flop 212 wird darauffolgend bei T rückgesetzt. T ist die Spitze des akustischen Impulses, die dann auftritt, wenn die Beschleunigung der Kolben maximal ist. Dies tritt auf in der Schlagposition und wird als die Zeit des Schlagereignisses genommen, und der tatsächliche Augenblick der Übertragung. Während des Intervalls zwischen dem Ende von T, und T leitet ein Stromschalter, vorgesehen durch ein Analoggatter 213,

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Strom von einer Stromquelle 186 in einen Integrator 214, der ein Analogzeitsteuerfehlersignal T„ erzeugt, welches das Zeitintervall zwischen der gewünschten Schlagereigniszeit und der tatsächlichen Schlagereigniszeit repräsentiert. Der Integrator 214 wird darauffolgend zur Zeit T„ entladen, und zwar unter Verwendung eines Flip-Flop 216 und eines Schalters, der durch ein weiteres Analoggatter 217 vorgesehen ist, und zwar unmittelbar vor der Erfassung einer Messung des Fehlersignals T .

Der Analogamplitudensteuerbefehl A wird an einen Differenzverstärker 215 mit dem gemessenen Amplituden A -Pegel angelegt. Die Differenzausgangsgröße (A -A) vom Verstärker 215

c ρ

ist ein Amplitudenfehlersignal A .

Die gemessen Ausgangsgrößen T und A werden im Detektorabschnitt 230 abgeleitet. Das Signal des Wandlers 202 wird in einer Differenzierschaltung 231 differenziert. Eine Null-Ableitung, die beim übertragenen Spitzendruck auftritt, wird gemessen durch Vergleich des differenzierten Signals mit einem Null-Bezugspegel (Erde) in einem Komparator 232 zur Zeit T . Gleichzeitig tastet eine Sample- und Hold- (Tast- und Halte-) Schaltung 234 das Drucksignal in diesem gleichen Augenblick und erzeugt eine Analogrepräsentation A des durch die Quelle übertragenen Spitzendrucks.

Der Steuersignalerzeugungsabschnitt 220 enthält eine Folge von veränderbaren Zeitverzögerungs(VTD)-Schaltungen, wie beispielweise gesteuerten OS 221, OS 222 und OS 223, sowie weitere OS-Schaltungen 227 und 228. Diese OS-Schaltungen werden jeweils durch die abfallenden und nacheilenden Flanken der Impulse von ihren vorausgehenden OS-Schaltungen getriggert, und zwar durch Differenzier- und Invertier-Schaltungen 187-190. Eine weitere Differenzier- und Invertier-Schaltung 191 in der Folge erzeugt das letzte Zeitsteuersignal zur Zeit T_ß. Die Sequenz beginnt mit dem Übertragungsbefehl T , der VTD 221 triggert. Die Verzögerungszeit von VTD 221 (T₁ - T) wird durch das Zeitsteuer-

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fehlersignal T derart eingestellt, daß später im Zyklus die Quelle genau zur gewünschten Zeit überträgt. Beim Abschluß dieses Intervalls (T₁ - T„) wird der Pilotventilbefehl an S_D (Position 180 in Fig. 5) zur Zeit T. ausgegeben, und die Quelle beginnt ihren Übertragungszyklus.

Das T₁ - T₂~Intervall wird durch VTD 222 erzeugt, welches durch das Amplitudenfehlersignal A_T, derart eingestellt ist, daß die Quelle den Spitzendruckpegel, bestimmt durch A , erzeugt. Die Änderung dieses Intervalls T₁ auf T„ verändert beim Hauptventil 150 die Öffnungsgröße der Rücklauföffnung 173, was den Druck in und den Fluß aus der Kammer 120 (vgl. Fig. 8d) steuert, und auch die Nettodruckstromungsmittelkräfte an den Kolben 12 und 14 während der Abfallzeit. Die Verlängerung des Intervalls T₁ auf T^ bewirkt einen intensiveren Übertragungsdruckimpuls.

Zur Zeit T₂ wird das Pilotventil 151 zur S -Mittelposition zurückgebracht, was den Kolben 152 des Hauptventils 150 an der Position hält, die durch die Pilotventilschaltzeit T₁ bis T„ eingestellt ist, und zwar durch die Abfallzeit (vgl. Fig. 8a und 8b). Nach einem Intervall T₂ bis T₃, welches etwas kleiner ist als die tatsächliche Abfallzeit, wird ein Steuersignal zur Zeit T₃ entwickelt. Dieses Signal befiehlt dem Pilotventil 151 S_s (Position 179) zu liefern. Das Hauptventil 150 folgt mit seiner Schwenkrate. Die Verzögerungszeit des VTD 223 wird derart gesteuert, daß das Zeitsteuersignal zur Zeit T₃ erzeugt wird, und zwar zu einer solchen Zeit vor T , daß das Hauptventil durch seine Mittelposition S läuft, und zwar genau bei T (vgl. Fig. 8b und 8c). Ein Flip-Flop 224 wird dann gesetzt, wenn dem Pilotventil 151 befohlen wird, S₀ (Position 179) zu liefern, und die Rückstellung erfolgt zur festgestellten Übertragungszeit T , wenn der Pegel vom Inverter 233 ins Positive geht. Ein Analoggatter 225 sieht eine Stromschaltung vor und lädt einen Integrator 226 aus einer Stromquelle 192 auf und entwickelt ein Analogfehlersignal T proportional zum Zeitintervall zwischen dem Pilotventilbefehl zur Zeit T^ und dem Übertragungsimpuls zur Zeit T . Dieses Fehlersignal wird ver-

wendet, um die Verzögerungszeit von VTD 223 derart einzustellen, daß der Ventilbefehl T₃ dem Druckimpuls durch das richtige

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Zeitintervall voranschreitet. Der Integrator 226 wird zur Zeit ^ri' durch ein Flip-Flop 227 und ein Analoggatter 228 rückgestellt, welches als ein Schalter wirkt, um für eine Fehlermessuny vorbereitet zu sein.

Nach dem Schlagereignis zur Zeit T laufen die Kolben zurück und bewegen sich nach aussen zur Aussenposition hin gegen die durch die inneren Enden der Naben 46 und 48 und die Schultern 148 und 149 (Fig. 1) gebildeten Anschläge. Die Dauer dieses Auswärtsbewegungsteils des Zyklus wird gesteuert und minimiert durch die Einführung von Hydraulikdruck mit der Versorgung, um hydraulische Nettokräfte vorzusehen, um die Kolben nach aussen von der innen gelegenen Schlagposition zu beschleunigen und um sodann die Kolben im äußeren Teil ihrer Bahn derart zu verzögern, daß die Kolben die äußere Position mit annähernd der Geschwindigkeit Null erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel befinden sich die hydraulischen Nettokräfte in der Auswärtsrichtung zu Beginn des Auswärtsteils der Bahn für eine Zeitperiode, die kürzer ist als die Periode oder Dauer der Auswärtsbewegung. Diese Zeitperiode wird derart eingestellt, daß die Kolben die Aussenposition an den Anschlägen dann erreichen, wenn sie sich im wesentlichen auf der Geschwindigkeit Null befinden. Übergangserscheinungen im akustischen Impuls, wie beispielsweise ungewollte Signale infolge von Vibrationen der Kolben oder infolge von Klingen des Traggebildes,werden dadurch vermieden. Die Zeitperiode, wo die hydraulischen Nettokräfte in der Auswärtsrichtung erzeugt werden, wird erhalten mittels der OS-Schaltungen 227 und 228. Diese OS-Schaltungen sind voreingestellt, um die gewünschte Energieübertragung und Wiedergewinnung in den Intervallen T., - T₅ bzw. T₁- - T_fi vorzusehen.

Die Signale zur Zeit T₁. und T_fi werden verwendet zum Befehl von Pilotventil auf Rücklauf S und sodann auf Versorgung S₀. Das Hauptventil 150 folgt wie in Fig. 8b gezeigt. Am Ende des Zyklus, nach T , befinden sich beide Ventile 150 und 151 auf Versorgungszuständen S , und der Versorgungsdruck in der Kammer 120 hält die Kolben in der Aussenposition gegen die Anschläge (vgl. Fig.8d)

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Im Ventilbefehlssystem 240 sind die Elektromagnete 176 und 178 des Pilotventils 151 gezeigt. Wenn der Elektromagnet 178 erregt ist, bewirkt er eine Bewegung zur Versorgung S . Der andexe Elektromagnet 176 bewirkt eine Bewegung zum Rücklauf S bei seiner Erregung. Das NichtVorhandensein von Signalen an dem einen oder anderen der Elektromagnete läßt das Pilotventil im Mittelzustand S oder der geschlossenen Position (181 in Fig. 6). Pegel werden erzeugt durch aus Flip-Flop 241 bis 244 und ODER-Gattern 245 und 246 bestehenden Logikvorrichtungen, und zwar infolge von Zeitsteuersignalen zur Zeit T., T~, Τ,, Ί' und Τ,. Diese Pegel werden über Verstärker 247 und 248 an die Elektromagnete 176 und 178 angelegt.

Wie in Fig. 8a gezeigt, ist das Pilotventil für die Versorgung S_q offen in den Zeit Intervallen T- - T₁- und T- - ¹I' . Die Flip-Flops 241 und 242 werden während der Intervalle 'l'j-'i'c, bzw-T_fi-^rL' gesetzt. Die Q-Ausgangsgrößen dieser Flip-Flops 241 und 242 werden in ODER-Gattern 245 und 246 vereinigt und veranlassen die entsprechende Befehlssteuerung des Pilotventils durca den Verstärker 247 innerhalb dieser Intervalle. In gleicher Weise werden die Flip-Flops 243 und 244 während der Intervalle Τ..-Ί' bzw.-T₅-T, gesetzt und erzeugen während dieser Intervalle Befehlssignale zum Rücklauf S_R.

Die Fig. 9 und 10 zeigen zwei unterschiedliche Arten von Strahlkolben, die beide einen biegbaren Aufbau zeigen (d.h. die Kolben sind biegsame Scheiben). In Fig. 9 sind die Kolben 12a und 14a konkav und werden bei Berührung längs ihrer Umfange gehaltert, während sie gebogen werden. In Fig. 10 sind die Kolben T2b und 14b konvex und werden beim Berühren oder unter Eingriff während des Biegens nach ihren Mitten getragen. Die Steifheit des Masse-Feder-Systems und der Quelle hängt nicht von der zusammengepreßten Luft in der Kammer 84 für den Federparameter ab. Die Steifheit des Systems wird gesteuert und linearisiert durch die Linearsteifheit der Biegekolben derart, daß die Form der akustischen Impulse durch die Steifheitscharakteristika der Kolben selbst gesteuert wird.

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- 3(Τ

Die Fig. 11, 12 und 13 zeigen eine hydroakustische ImpulsqueJIe 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel· der Erfindung. Die Queile 300 ist in mehreren Beziehungen ähnlich wiu die Quelle 10 aufgebaut, die in Verbindung mit den Fig. 1, 2 und 4 beschrieben wurde. Gleichartige Teile beider Quellen 1O und 30ü sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeicnnet. Die Darstellung der Quelle 300 in den Fig. 11 und 12 ist für die Zwecke dieser Erläuterung vereinfacht.

Die Quelle ist gekennzeichnet durch zusätzliche Hydraulikmittel, welche hydraulisches Strömungsmittel mit drei unterseil iedlichen Drücken anlegt, nämlich einen hohen Verriegelung- oder Haltedruck P₁. , einen Zwischendruck P., und einen niedrigen Druck P„. Diese Drücke können durch die gleiche oder unterschiedliche hydraulische Leistungsversorgungen geliefert werden. P_R ist der Rücklauf druck, wohingegen P und P₁- erhöhte Drücke sind. Der Zwischendruck P_c und der Rücklaufdruck P. werden an die Strahlkolben 12 und 14 unter Verwendurs? eines Ilydraulikkreises angelegt, der das Hauptventil 15Ο, das hydraulische Speiserohr 136, die Galerie 132 und das ÖffnunijSloch 134 aufweist.

Die Kammer 120 empfängt unter Druck stehende Strömungsmittel mit den Drücken P„ oder Ρ_π, die durch das Ventil 150 geschaltet werden. Der Verriegelungsdruck P wird in die Kammer 120 übe* einen hydraulischen Kreis mit niedriger Leistung eingeführt, der einen Durchlaß 302 besitzt, weicher durch eine schriale Zumeßöffnung 304 eingeschränkt ist. Die Zumeßöffnung ist mit der Umfangsnut in der Axialbohrung 96 der Nabe 46 verbunden, die eine Galerie 306 bildet. Die Galerie 306 ist nach außen gegenüber der Galerie 132 mit Abstand angeordnet, durch welche das Hydraulikströmungsmittel bei den Drücken P₀ und P_R in die Kammer 120 fließen kann. Nur dann, wenn sich die Strahlkolben 12 und 14 an ihren äußeren Positionen, wie in Fig. 12 gezeigt, befinden, kann das hydraulische Strömungsmittel auf dem Verriegelungsdruck P_r in die Kammer 120 fliessen, und zwar über das Öffnungsloch 134. Wenn sich die Strahl-

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kolben in ihrer Außenposition befinden, so befindet sich das llauptventil 150 in der Null- oder Mittelposition, wobei die Öffnungen 173 und 175 zu den Rücklauf- und Versorgungsleitungen geschlossen sind. Das einzige Flußerfordernis des Hochdruckverriegelungskreises besteht darin, das Leck durch das Hauptventil 150 bei der Null-Position zu überwinden, was in Fig. 12 gezeigt ist. Der Fluß wird ferner durch die Einschrankzumeßöffnung 304 beschränkt. Demgemäß wird nur eine niedrige hydraulische Leistung von dem Verriegelungskreis benötigt. Das hydraulische Strömungsmittel auf dem Verriegelungsdruck P_T kann kontinuierlich an den Durch-

L·

laß 302 angelegt werden.

Die Arbeitsweise der Quelle 300 wird aus einer Betrachtung der Fig. 13 klarer. Es sei angenommen, daß sich die Strahlkolben 12 und 14 anfangs in ihrer Außenposition, wie in Fig. 12 gezeigt, befinden. Der Verriegelungsdruck P_T ist dann in der Kammer 120 vorhanden und die Hydraulikkräfte infolge des Verriegelungsdrucks sind an die Stange 118 angelegt und reichen aus, um die Kolben 12 und 14 in ihrer äußeren Position zu halten, und zwar gegenüber dem Druck des Meereswassers. Ungefähr zur Zeit T veranlaßt der Befehl zur Erzeugung eines akustischen Impulses das Pilotventil 151 (vgl. Fig. 6), Betriebsdrücke an die Steuerkammern 162 und 164 des Hauptventils 150 anzulegen, die das Ventil nach links von der in Fig. 12 gezeigten Null-Stellung weg verschieben. Die Ventilposition während des Betriebszyklus ist in Fig. 13c dargestellt. Die Rücklauföffnung 173 kann, wie in Verbindung mit Fig. 6 und 7 beschrieben, gesteuert werden, um die Amplitude des sich ergebenden akustischen Impulses zu steuern, und zwar durch Veränderung des Druckes P_n in der Kammer 120. Die Veränderung

im Rücklaufdruck wird in Fig. 13a durch die gestrichelte Linie 308 angegeben.

Während des Intervalls T-T laufen die Strahlkolben 12

a ρ

und 14 schnell aufeinander zu in die Schlagposition gemäß Fig. 11. Der akustische Impuls wird mit seiner Maximalampli-

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tutle zur Zeit T erzeugt. Die Kolben erreichen ebenfalls dit; Geschwindigkeit Null bei T . Die Zeit T wird wie in

P P

Verbindung mit Fig. 7 erläutert detektiert, und der Kolben des Hauptventils wird nach rechts verschoben. Die Versorgungsöffnung 175 öffnet sich, und die Rücklauföffnung 173 schließt sich; somit wird der Druck in Kammer 120 von P auf P

schaltet, wenn die Kolben sich in der Nähe ihrer inneren Position befinden, wodurch der Kolbenrücklauf unterstützt wird. Der Druck P, wird bis zur Zeit T aufrechterhalten, wenn die

ο C

Strahlkolben 12 und 14 ihre Außenposition erreichen. Zur Zeit T kehrt der Kolben 152 des Hauptventils in die Null-Position zurück, und der Verriegelungsdruck P übernimmt und hält die Kolben 12 und 14 in ihrer Außenposition. Der Druck P„ reicht aus, um die Energie während des Rücklaufs der Kolben zu deren Außenposition zu liefern, so daß die Kolben ihre AußenposiLion zur Zeit T mit der Geschwindigkeit von annähernd Null erreichen. Der Druck P ist niedriger als der Verriegelungsdruck P₁. und wäre alleine nicht ausreichend, um die Strahlkolben 12 und 14 in ihrer Außenposition zu halten. Bei Nichtvorhandensein eines Verriegelungsdrucks P zur Zeit T würden die Kolben nach innen zurückfallen längs der gestrichelten Bahnlinie 500 in Fig. 13b.

Der Druck P„ reicht jedoch aus, um die Strahlkolben in ihrer Außenposition mit annähernd der Geschwindigkeit Null zu bringen. Wenn demgemäß die Schultern 148 und 149 das innere Ende der Naben 46 und 4 8 erreichen, die die Auswärtsbewegung der Strahlungskolben 12 und 14 begrenzen, so erfolgt der Eingriff mit annähernd der Geschwindigkeit Null, so daß keine Übergangsvorgänge erzeugt werden bei der Erzeugung des akustischen Impulses, wie das der Fall wäre, wenn ein Druck angelegt würde, der ausreichen würde, um die Kolben in der Außenposition zu halten, und zwar während des gesamten Rücklaufs oder Rückführungsteils des Zyklus (d.h. von T bis T ). Das Springen der Strahlkolben beim Erreichen ihrer Außenposition und die daraus folgenden unerwünschten Übergangsvorgänge in der akustischen Impulswellenform werden dadurch eliminiert. Der hohe Verrie-

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gelungsdruck kann beispielsweise ungefähr das Doppelte des Zwischendrucks P_c sein. Im Falle einer Quelle mit Strahlungskolben von annähernd drei Fuß Durchmesser kann der Druck P₁. 2600 psi betragen und der Zwischendruck P_c kann 1200 psi betragen. Diese Drücke können entsprechend der Konstruktion der Quelle variiert werden, um unterschiedliche Abmessungen bei den Strahlungskolben, der Welle 90 und der Stange 118 zu berücksichtigen.

Bei der Quelle 300 der Fig. 11 bis 13 erfolgt das Umschalten der Drücke in der Kammer 120 stets dann, wenn die Kolben 12 und 14 die Geschwindigkeit Null haben. Infolgedessen wird die Kavitation in den Ventilzonen vermieden. Beim Starten der Quelle kann ein Spanndruck über ein Startventil (nicht gezeigt) angelegt werden, welches mit dem Speiserohr 136 verbunden ist. Alternativ kann Hochdruckgas in die Kammer 84 zwischen die Kolben 12 und 14 zum Zwecke von deren Trennung gedrückt werden. Dieses Gas wird sodann ausgestoßen, so daß ein niedriger Druck oder ein Partialvakuum innerhalb der Kammer 34 existiert, bevor die übertragung einer Sequenz akustischer Impulse erfolgt.

Eine hydroakustische Impulsquelle 400 gemäß den Fig. 14 bis 17 hat den Vorteil der Eliminierung eines gesonderten hydraulischen Kreises zum Anlegen des hydraulischen Strömungsmittels mit dem Verriegelungsdruck P_T an die Kammer 120. Die Quelle 400 verwendet ein Dreidruckwählhauptventil 402. Im übrigen ist die Quelle 400 in gleicher Weise wie die Quelle 10 aufgebaut, die unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 4 beschrieben wurde, so daß gleichartige Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Das Ventil 402 besitzt einen Schieber oder Kolben 404 mit vier Stegen und 3 Nuten. Die Stege und Nut auf der linken Seite des Kolbens 402 schalten den Verriegelungsdruck P_L zum Speiserohr 136 über einen Durchlass 406. Der dritte Steg von links definiert die Öffnungen 173 und 175, die den Druck zwischen P_c und P umschalten. Das Ventil 402 wird betätigt und

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nach links oder rechts verschoben durch die Steuerdrücke, die über das Pilotventil 151 (Fig. 5) geschaltet werden, und zwar zu den Kammern 162 und 164.

Die Arbeitsweise der Quelle 400 kann unter Bezugnahme auf Fig. 18 verstanden werden. Beim Starten (d.h. bevor die Betriebsdrücke an die Quelle angelegt werden) befinden sich die Strahlkolben 12 und 14 in ihrer Innenposition, wie in Fig. 14 gezeigt. Sodann wird das Pilotventil 151 betätigt, um den Kolben 404 des Ventils 402 nach rechts (vgl. Fig. 15 und 18a) zu verschieben, und der Verriegelungsdruck P_L wird in die Kammer 120 eingelassen. Die Kolben 4, 10 und 12 bewegen sich dann nach außen entgegen dem Meereswasserdruck zur Position gemäß Fig. 15. Die Quelle befindet sich nunmehr in der Position zum Beginn der übertragung einer Sequenz von Impulsen.

Zur Zeit T hat der Befehl den ersten Impuls zu übertragen die Folge, daß der Kolben 404 nach links verschoben wird. Der Durchlass 406 wird geschlossen, und die Rücklaufdruckleitung wird mit dem Speiserohr 136 durch die Rücklauföffnung 175 (vgl. Fig. 16) verbunden. Die Kolben 12 und 14 laufen dann schnell nach innen aufeinander zu und kommen an der Schlagposition zu?r Zeit T an. Der akustische Impuls hat seine Maximalamplitude bei T . Diese Amplitude wird delektiert und zur Steuerung des Veritilmechanismus verwendet. Der Kolben 404 wird nach rechts verschoben während des Intervalls, wenn die Kolbenschwindigkeit nahe Null ist, wodurch die Öffnung 173 geöffnet und die Öffnung 175 geschlossen wird. Der Durchlaß 406 verbleibt geschlossen, und der Druck wird von P_R auf P_s geschaltet. Während die Kolben 12 und 14, wie in Fig. 17 gezeigt, zurücklaufen,wirkt der Zwischendruck in der Kammer 120 unterstützend beim Antrieb der Kolben in ihre äußere Position (vgl. Fig. 18b). Die Kolben kommen in ihrer äußeren Position zur Zeit T an, und zwar mit der Gescnwindigkeit Null (vgl. Fig. 18c). Das Aufprallen gegen die Anschläge, wo

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die Schultern 148 und 149 auf Kopf 46 und 48 treffen, wird daher vermieden und Übergangsvorgänge in der akustischen Impulsfolge werden eliminiert. Zur Zeit T wird der Kolben 404 weiter nach rechts verschoben (vgl. Fig. 15). Der Durchlaß 406 ist dann geöffnet, so daß das hydraulische Strömungsmittel auf P in das Speiserohr 136 eingelassen wird, um so die Kolben 12 und 14 in ihrer Außenposition zu halten. Die Versorgungs- und Rücklaufleitungen zu P_g und P_R werden geschlossen (die Öffnungen 173 und 175 befinden sich im Schließzustand) . Der Zyklus wiederholt sich, wenn ein Befehl zur Übertragung des nächsten akustischen Impulses empfangen wird. In den durch die Fig. 13 und 18 repräsentierten Zyklen tritt im Gegensatz zum Zyklus der Fig. 8 das Schalten des Hauptventils zwischen Versorgungs- und Rücklaufdrücken auf, wenn die Geschwindigkeit der Kolben 12 und 14 niedrig ist. Die niedrige Geschwindigkeit der Kolben entspricht der niedrigen Flußgeschwindigkeit durch die Versorgungs- und Rücklauföffnungen 173 und 175 und somit in einem niedrigen Leistungsverlust in der diesen Öffnungen entsprechenden Zumeßöffnung. Der Zyklus der Fig. 8, das Schalten zwischen Versorgung und Rücklauf zur Zeit T^ kann auftreten, wenn die Kolbengeschwindigkeit noch immer merklich ist. Die Vorrichtungen der Fig. 11 und 14 können dort vorteilhaft sein, wo ein höherer Wirkungsgrad des Betriebs erwünscht ist als bei einer Vorrichtung der Fig. 1 (auf Kosten einer etwas größeren mechanischen und hydraulischen Komplexität).

Fig. 19 zeigt den Zyklus, wo das Schalten der Drücke im Hohlraum 120 nicht am Schlagpunkt T auftritt, sondern bei anderen Null-Geschwindigkeitszeiten im Zyklus, wo die Änderungsrate der Geschwindigkeit in der Nähe des Schaltpunktes nicht so hoch ist wie bei T . Der Aufbau kann der gleiche wie bei den Fig. 1 bis 4 sein. Die Befehle zum Pilotventil können erzeugt werden nach dem Übertragungsbefehl durch ein System der KAnstruktion, wie sie oben in Verbindung mit Fig. 7 beschrieben wurde. Zur Zeit T bewirkt der Befehl zum

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Rücklauf abrupt die Verschiebung des Hauptventils zur Position S_R. Die RücklaufÖffnung 175 darf nicht vollständig (100-έ) geöffnet sein, um den Fluß durch das Hauptventil 150 zu steuern, um dadurch die Amplitude des akustischen Impulses zu steuern.

Die Kolben 12 und 14 beschleunigen sich nach innen von der Außenposition und laufen vom Federsystem zurück (beispielsweise die Kolbenmasse und die zusammengepreßte Luft in der Kammer 84 zwischen den Kolben). Zur Zeit T erreicht der akustische Impuls seine Maximalamplitude, und die Kolben befinden sich auf der inneren Schlagposition und erreichen die Geschwindigkeit Null (vgl. die Fig. 19b), haben aber hohe Beschleunigung. Die Kolben laufen vom Federsystem zurück. Da der Druck im Hohlraum 120 sich dann auf Rücklauf befindet, erfolgen die hydraulischen Nettokräfte in der nach innen gerichteten Richtung. Wenn die nach außen gerichtete Kraft an den Kolben infolge des zusammengedrückten Gases in der Kammer 84 kleiner wird als die nach innen gerichteten hydraulischen Nettokräfte an den Kolben, so verzögern sich die Kolben. Nach Vollendung des Rücklaufs erreichen die Kolben wiederum die Geschwindigkeit Null. Dies tritt zwischen dem Außenteil der in Fig. 19b gezeigten Bahn auf. Sodann und zur Zeit T verschiebt ein Befehl zum Pilotventil 151 sehr schnell dieses in die Position S_q und dann zurück zu S_w· Dies hat in der Versorgungsöffnung 173 des Hauptventils zur Folge, daß es gerade geringfügig geöffnet wird (vgl. Fig. 19a).

Der Druck in der Kammer 12 steigt langsam, wie in Fig. 19c, an, um eine nach außen gerichtete Nettokraft an den Kolben 12 und 14 von ungefähr Null zu erzeugen; die Kraft des umgebenden Meereswassers und die Kraft der Luft in der Kammer 84 gleichen die hydraulische Kraft an der Stange 118 (vgl. Fig. 1) gerade aus. Der Fluß in die Kammer 120 wird dann wiederstandsgesteuert durch den hohen Widerstand in der Versorgungsöffnung. Die Kolben 12 und 14 bewegen sich voneinander

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weg ohne Beschleunigung, bis sie die Außenposition zur Zeit T an den Anschlägen 148 und 149 erreichen. Der Druck in der Kammer 120 befindet sich dann auf P_c (vgl. Fig. 19c). Die Form des akustischen Impulses ist in Fig. 19d gezeigt. Es gibt keine signifikanten akustischen Übergangsvorgänge, da die Kolbengeschwindigkeit annähernd Null ist, wenn die Kolben sich der Außenposition nähern.

Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt man, daß verbesserte Signalquellen für seismische Signale geschaffen wurden. Diese Quelle ist in der Lage, Sequenzen von Impulsen zu erzeugen, wobei die Impulse in schneller Aufeinanderfolge erzeugt werden. Abwandlungen der Erfindung sind möglich.

Zusammenfassend sieht die Erfindung somit eine Quelle 10 vor, die in der Lage ist, akustische Signale unter Wasser mit hohen Zyklusraten zu erzeugen, so daß die seismischen Signale eine gesteuerte Amplitude und Spektralform in genau zeitgesteuerten Intervallen aufweisen, was für geophysikalische Meeresuntersuchungen zweckmäßig ist. Die Quelle 10 besitzt dabei ein Paar von Strahlkolben 12, 14, die gleitend innerhalb einer zylindrischen Hülse 40 angeordnet sind, welch letztere Radialträger 44, 46 aufweist. Axialwellen 90, 92 erstrecken sich nach außen von den Kolben 12, 14 und tragen die Kolben 12, 14 in den Trägern 44, 46. Die Kolben 12, 14 und die Hülse 40 definieren eine erste Kammer 84 zwischen den Kolben 12, 14, die unter statischen Bedingungen ein Niederdruckgas enthält. Die Welle 90 an mindestens einem Kolben 12 erstreckt sich in eine zweite Kammer 120 der Nabe von Träger unter Druck stehendes hydraulisches Strömungsmittel angelegt an Kammer 120 über Ventil 150 bewirkt, daß die Kolben 12, 14 Zyklen ausführen, in denen sie zuerst rückgesetzt werden, sodann zur Bewegung aufeinander zu in eine Schlagposition freigegeben werden, und zwar infolge des lydrostatischen Umgebungsdrucks. Nach dem Schlagereignis laufen die Kolben voneinander weg infolge des Massefedersystems, definiert durch

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die Kolben 12, 14 und das zusammengepreßte Gas der ersten Kammer 84. Das Federmassesystem dient als ein Dämpfer für den Schlag und die Form des akustischen Signals. Ein Steuersystem 202, 231, 232 spricht auf das akustische Signal an, detektiert den Schlag der Kolben und erzeugt die präzise Kontrolle der Zeitsteuerung und Dauer jedes Betriebszyklus derart, daß akustische Signale mit einer gewünschten Amplitude und Wiederholrate erzeugt werden. Nach dem Schlagereignis werden die Kolben nach außen für den nächsten Zyklus zurückgesetzt. Hohe Zyklusraten sind möglich, weil keine unerwünschten akustischen Übergangsvorgänge auftreten.

- Patentansprüche -

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IO

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Claims

Patentansprüche Λ.) Hydroakustische Quelle (10) zur Verwendung im Meer

bzw. Wasser zur Erzeugung akustischer Impulse mit gesteuerter Amplitude und Spektralform in einer präzise zeitgesteuerten Impulsfolge, gekennzeichnet durch

a) mindestens einen Kolben (12), bewegbar in entgegengesetzten Richtungen zwischen einer Innenposition und einer Außenposition zur Erzeugung aufeinanderfolgender Impulse der Fulge dann, wenn der Kolben (12) die Innenposition erreicht,

b) Mittel einschließlich des Kolbens (12) zur Definierung eines Masse-Federsystems mit einer Resonanzperiode, die mindestens so kurz ist wie das kürzeste Intervall zwischen den Impulsen der Folge,

c) Strömungsmitteldruckmittel (150, 151) zum Anlegen, zusanimen mit dem Umgebungsdruck der Meeresumgebung, von Netto-Strömungsmitteldruckkräften zum Antreiben des Kolbens (12) in entgegengesetzte Richtungen, um erstens den Kolben (12) nach innen von seiner Außenposition zu beschleunigen, um vom Federsystem an der Innenposition mit einer vorgeschriebenen Zeit entsprechend einem Impuls der Folge zurückzulaufen, und um zweitens den Kolben (12) nach außen von der Innenposition aus zu beschleunigen, und um schließlich drittens den Kolben (12) in der Außenposition seiner Bahn derart zu verzögern, daß der Kolben (12) die Außenposition mit annähernd der Geschwindigkeit Null erreicht.
2. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Kolben (12, 14) vorgesehen ist, wobei die Kolben (12, 14) voneinander weg zu der Außenposition und aufeinander zu zu der Innenposition bewegbar sind, und wobei ferner beide Kolber des Kolbenpaares (12, 14) von der Masse umfaßt sind, die das Masse-Federsystem definiert, und wobei die Strömungsmitte] druckmittel (150,151) Mittel (118, 120, 90, 92) aufweisen, um die Nettoströmungsmitteldruckkräfte gleichzeitig an

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das l'aar von Kolben (12, 14} anzulegen.
3. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die :;trömungsmi tteldruckmittel (150, 151) Mittel (200, 220, 230) aufweisen, um die Zeitsteuerung der ersten, zweiten und dritten Beschleunigungen des Kolbens (12) infolge des die Innenposition erreichenden Kolbens (12) zu steuern,
4. Quelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel Mittel (230) aufweisen, welche auf die Beschleunigung der Kolben ansprechen, wenn diese sich bezüglich einander bewegen, um ein Steuersignal zu erzeugen, wenn die Beschleunigung ihr Maximum erreicht.
5. Quelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die Beschleunigung ansprechenden Mittel (230) Mittel (2O2, 231, 232) aufweisen, um die durch die Quelle erzeugten akustischen Impulse zu detektieren und das Steuersignal dann vorzusehen, wenn die Amplitudenänderung des Impulses maximal ist.
6. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckmittel (150, 151) Mittel (150, 151, 220, 240) aufweisen, um die erwähnten Nettoströmungsmittelkräfte zur Beschleunigung des Kolbens (12) nach außen gegenüber der Innenposition nur während eines Teils des Auswärtslaufs des Kolbens (12) anzulegen, und zwar beginnend dann, wenn der Kolben (12) seine Innenposition erreicht.
7. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckmittel (150, 151) Mittel (15O, 151, 22O, 240) aufweisen, um die Nettoströmungsmitteldruckkräfte anzulegen, um den Kolben (12) nach außen von der Innenposition zu beschleunigen, und zwar nur während eines Teils des nach außen gerichteten Laufs des Kolbens (12), und zwar beginnend, nachdem der Kolben (12) die Innenposition verläßt,

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wenn der Kolben (12) zuerst ungefähr die Geschwindigkeit Null erreicht.
8. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmitteldruckmittel (150, 151) Mittel (150, 151, 215, 220) aufweisen, die zur Veränderung der Nettoströmungs mitteldruckkräfte dienen, welche den Kolben (12) beschleuni gen, und zwar während des Teils der Bahn des Kolbens (12) nach innen zur Innenposition, was die Beschleunigung des Kolbens (12) nach innen und die Amplitude und Zeitsteuerung der akustischen Impulse steuert.
9. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenposition die Schlagposition ist, wo die Kolben (12, 14) in Schlagbeziehung zueinanderstehen.
10. Quelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die das Masse-Federsystem definierenden Mittel eine Kammer (84) aufweisen, die ein Gas zwischen den Kolben (12, 14) enthält, wobei das Gas bei der Beschleunigung der Kolben (12, 14) nach innen zusammengepreßt wird.
11. Quelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (12, 14) biegbare Glieder sind und entgegengesetzte Stirnflächen (16, 18) aufweisen, die konkav in ihrer Form sind.
12. Quelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (12, 14) biegsame Glieder sind und entgegengesetzte Stirnflächen (16, 18) aufweisen, die konvexe Form besitzen.
13. Quelle nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Hülse (40) um den Umfang der Kolben (12, 14) herum zur Definition einer Zone (84) anfangs auf einem Druck niedriger als der,in dem die

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Quelle (1O) untergetaucht ist, wobei sich die Kolben (12, 14) in Gieitbeziehung bezüglich der Hülse (40) befinden, und zwar für eine Bewegung nach innen aufeinander zu und nach außen voneinander weg, um einen akustischen Impuls dann zu erzeugen, wenn sie die Schlagposition benachbart zueinander erreichen.

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