DE3532615A1

DE3532615A1 - Anordnung in einem hydrophon

Info

Publication number: DE3532615A1
Application number: DE19853532615
Authority: DE
Inventors: Eigil Horten Larsen; Eldar Kjølsdalen Lien; Clive Oegstgeest Snook
Original assignee: Geophysical Company of Norway AS
Current assignee: Westerngeco AS
Priority date: 1984-09-19
Filing date: 1985-09-12
Publication date: 1986-03-27
Also published as: DK424785A; US4679178A; GB2164820A; GB8523202D0; GB2164820B; DK163784C; FR2570567A1; DK163784B; DK424785D0; NO155599B; NO843743L; FR2570567B1; NO155599C

Description

ψ 91443

GEOPHYSICAL COMPANY OF NORWAY A.S. H^vik (Norwegen)

Anordnung in einem Hydrophon

Die Erfindung betrifft eine Anordnung in einem piezoelektrischen Hydrophon mit einem Außengehäuse, in dem ein wasserdichtes, geschlossenes Innengehäuse angeordnet ist, wobei die Anordnung zwei einander parallel gegenüberliegende Membranscheiben aufweist, die auf ihren Innenflächen mit piezoelektrischen Kristallen versehen sind, die metallüberzogene Flächen besitzen, und Verbxndungsdrähte sich von dem Innengehäuse durchdessen hohlen mittleren Teil hindurch erstrecken.

Hydrophone der vorgenannten Art sind beispielsweise aus der US-PS 3 255 431 und der US-PS 3 970 878 bekannt. Gemäß der erstgenannten Patentschrift ist an einem Tragring eine ebene Membran angebracht, die auf beiden Seiten mit je einem piezoelektrischen Element versehen ist. Dabei kann das piezoelektrische Element auf der Innen- und der Außenseite der Membran angeordnet sein. An diese Elemente sind elektrisch leitende Drähte angeschlossen, und die ganze Anordnung ist in einem Gehäuse untergebracht.

Eine andere Hydrophonausführung, die nach demselben Prinzip aufgebaut ist, zeigt die US-PS 3 970 878. Eine Hauptaufgabe der in diesem Patent angegebenen Erfindung besteht im wesentlichen in der Schaffung eines Hydrophons, das so dicht abgeschlossen ist, daß keine Flüssigkeit, wie Wasser, in das Hydrophon eindringen und zu den piezoelektrischen Kristallen gelangen kann. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das Gehäuse aus zwei metallischen Gehäusehälften, die an einem Flansch miteinander verlötet sind, und sind die elektrischen Anschlußleitungen durch Glasisolatoren hindurchgeführt. Nach einer Weiterentwicklung besteht der mittlere Teil des Gehäuses vollständig aus Glas, das auf geeignete Weise, beispielsweise durch Verkleben, mit den die Stirnwände des Gehäuses bildenden i?lembranscheiben verbunden sind. In einer derartigen Ausführungsform können an den Randverbindungen Dichtungsprobleme auftreten.

Derartige Hydrophone werden häufig bei seismischen Untersuchungen als Schallempfänger verwendet. Bei auf See durchgeführten Untersuchungen wird ein Schleppkabel verwendet, das mit einer speziellen Flüssigkeit, wie Kerosin, gefüllt sein kann, und in dem Hydrophone angeordnet sind. Die Hydrophone können auch direkt dem Seewasser ausgesetzt sein. Es versteht sich, daß der piezoelektrische Kristall nicht von der das Hydrophon umgebenden Flüssigkeit berührt werden darf. Diese Forderung ist bei dem Hydrophon gemäß der US-PS 3 255 431 nicht erfüllt, weil Undichtigkeiten u.a. an den Anschlußleitungen auftreten können. Diesem Problem wurde gemäß der US-PS 3 970 878 besondere Beachtung geschenkt. Darin wird die Möglichkeit eines Schutzes des Hydrophons vor einem überdruck besprochen und vorgeschlagen, im Innern des Hydrophongehäuses einen Abstandhalter oder ein Versteifungselement vorzusehen.

Angesichts der Schaffung von digitalen Schleppkabelsystemen für auf See durchzuführende Untersuchungen besteht neuerdings jedoch ein Bedürfnis nach Hydrophonen noch höherer Qualität. Derartige Hydrophone sollen hinsichtlich der Spannung und der Ladungsempfindlichkeit mit einer Genauigkeit von etwa 2 % arbeiten, während bisher eine Genauigkeit von 5 % genügte. Auf diese Weise soll die Gewinnung von Daten mit maximaler Qualität gewährleistet werden, bevor die von den einzelnen Hydrophonen der Anordnung erfaßten Daten zusammengefaßt werden.

Ferner werden für Untersuchungen auf See derartige Hydrophone in großer Anzahl verwendet, so daß die Kosten der Hydrophone möglichst niedrig sein sollen. Außerdem wird eine hohe Zuverlässigkeit der Hydrophone gefordert.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines einfach aufgebauten, billig herzustellenden und zuverlässig arbeitenden Hydrophons, dessen Gehäuse gegen die Umgebung vollkommen abgedichtet ist, aber eine möglichst hohe Empfindlichkeit gewährleistet. Ferner soll das Hydrophon einem hohen statischen Druck gewachsen sein.

Diese Aufgaben werden durch das in den Patentansprüchen gekennzeichnete Hydrophon gelöst.

Bei der Entwicklung des Hydrophons gemäß der Erfindung wurde auch der Entwicklungsstand der Digitaltechnik und die Miniaturisierung von Bauelementen berücksichtigt. Daher ist das Hydrophon gemäß der Erfindung so ausgebildet, daß in dem Hydrophon elektrische Bauelemente mit signalverstärkenden oder signalverarbeitenden Funktionen verwendet werden können. Dabei können mehrere einander angepaßte

Elemente zusammengesetzt werden oder können die einzelnen Hydrophone für ein Schleppkabel so eingestellt und abgestimmt werden, daß sie aneinander angepaßt sind.

Die Ausbildung des Hydrophons gemäß der Erfindung ermöglicht ferner eine Prüfung vor der Fertigstellung. Auf diese Weise kann die Zuverlässigkeit des Hydrophons kontrolliert werden.

Nachstehend wird die Erfindung nahand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In diesen zeigt

Figur 1 im Schnitt ein Hydrophon gemäß der Erfindung ohne das Außengehäuse und

Figur 2 in Draufsicht ein Hydrophon gemäß der Erfindung mit dem Außengehäuse.

Das Hydrophon gemäß der Erfindung besitzt ein in Figur 2 gezeigtes Außengehäuse 1, das vorteilhafterweise aus Messing besteht und die Aufgabe hat, das Hydrophon vor externen mechanischen Einwirkungen zu schützen, das Positionieren des Hydrophons zu vereinfachen und eine Fixierung der Anschlußleitungen zu ermöglichen, wie dies nachstehend näher erläutert ist. Das aktive Element des Hydrophons besitzt ein dicht abgeschlossenes, flüssigkeitsundurchlässiges Innengehäuse, das in den Figuren 1 und 2 mit 2 bezeichnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist das Innengehäuse 2 kreiszylindrisch. Das Innengehäuse 2 wird in das Außengehäuse 1 eingesetzt, das einen elliptischen Querschnitt und eine solche Zylinderlänge besitzt, daß es das Innengehäuse 2 vollständig aufnehmen kann. Das Innengehäuse 2

wird einfach in dem Außengehäuse 1 verkeilt, wobei es an flexiblen Kunststoffdichtungen 13 angreift, die mit der Innenwandung des Außengehäuses 1 verklebt sind. Diese Halteelemente aus Kunststoff können beispielsweise aus "Hytrell" bestehen und eine Dicke von 1 *m. haben. Auf diese Weise ist das aktive Element des Hydrophons reibungsschlüssig festgelegt, so daß das Innengehäuse 2 sehr einfach positioniert und festgelegt werden kann.

Das Innengehäuse 2 besitzt zwei äußere Membranscheiben 3, die in der dargestellten Ausführungsform zylindrisch sind und aus Berylliumkupfer bestehen, dessen Verwendung an sich bekannt ist. Zwischen den beiden Membranscheiben 3 ist ein keramischer Isolierring 6 zentral angeordnet, dessen Ausbildung nachstehend näher beschrieben wird und der aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hoher Reinheit besteht. Das Aluminiumoxid ist vorzugsweise bei 1800 C gebrannt worden, so daß es eine Reinheit über 85 %, vorzugsweise von 96 %, hat. Dieser Werkstoff ist von Dickschichtqualität und kann daher einwandfrei mit Metallüberzügen versehen werden.

An den Innenflächen der Membranscheiben 3 sind leitende piezoelektrische Kristallelemente 4 mit Hilfe eines elektrisch leitenden Leims befestigt. Diese Kristallelemente sind auf der der Membranscheibe zugekehrten und auf der entgegengesetzten Seite mit Elektroden oder Polflächen aus Silber versehen.

In dem Hohlraum des Isolierringes 6 sind unter anderem zwei Versteifungsscheiben 8 angeordnet, die die Druckfestigkeit des Hydrophons gewährleisten.

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Das Hydrophon wird wie folgt hergestellt:

Zunächst werden die Bauelemente des Hydrophons gemäß der Erfindung hergestellt. Dabei werden die piezoelektrischen Kristalle auf beiden Seiten durch Auftragen eines Silberüberzuges mit Elektroden oder Polflächen versehen. Die zylindrischen Membranscheiben werden aus Berylliumkupfer (BeCu) hergestellt.

Der Isolierring 6 wird aus zwei Teilen hergestellt. Zunächst werden zwei Ringkörper 7 mit dem in Figur 1 gezeigten Querschnitt aus Aluminiumoxid (Al₃Oo) hoher Reinheit hergestellt. Dann werden zwei Abstandhalter 8 hergestellt, die die in Figur 1 gezeigte Form besitzen und von einem Loch 14 durchsetzt sind.

Die Abstandhalter werden aus demselben Werkstoff hergestellt wie die Isolierringteile 7, d.h., aus reinem Aluminiumoxid. In den in Figur 1 durch gezackte Linien angedeuteten Bereichen werden die Elemente 7 und 8 mit Metall überzogen.

Dann wird das Außengehäuse des Hydrophons aus Messing hergestellt und mit den Einsätzen 13 zum reibungsschlüssigen Festlegen des Innengehäuses 2 versehen.

Nun wird jede Membranscheibe 3 an dem Metallüberzug 11 eines Aluminiumoxidringes 7 unter der Einwirkung von Druck und Wärme angelötet. Nach dem Verbinden dieser beiden Teile wird das piezoelektrische Kristallelement mit der Membranscheibe 3 in deren mittlerem Bereich mit Hilfe eines leitenden Silberleims verklebt. Dabei ist eine sehr genaue Positionierung erforderlich, damit alle Kristalle gleichmäßig angeordnet werden. Nun wird der Abstandhalter bzw.

das Versteifungselement 8 durch Ankleben an einer Innenfläche eines in der Zeichnung erkennbaren Vorsprunges 13 des Ringes 7 festgelegt, so daß der Abstand von dem Kristall

4 genau bestimmt ist.

Der nächste Schritt bei der Herstellung besteht in dem Verbinden des piezoelektrischen Kristalls 4 mit dem Metallüberzug des Versteifungselementes und dem Metallüberzug 11 des Isolierringes. Zu diesem Zweck wird ein Golddraht

5 (Figur 1) durch das Loch 14 des Versteifungselements 8 geführt und an dem Kristall beispielsweise durch Ultraschallschweißung befestigt. Das andere Ende des Golddrahtes 5 wird auf übliche Weise an einem der beiden Metallüberzüge angeschweißt. Danach werden die beiden Hydrophonhälften zu einem Innengehäuse zusammengesetzt, indem die beiden Metallüberzüge 11 miteinander in Berührung gebracht und außen miteinander verlötet werden, indem sie so stark erhitzt werden, daß die Metallüberzüge miteinander verschmelzen. Nun werden an den beiden Membranscheiben und der zentralen Lötstelle leitende Drähte angebracht und miteinander zu einer Leitung vereinigt. Danach wird das Innengehäuse 2 in das Außengehäuse 1 eingeführt und in diesem reibungsschlüssig festgelegt. Vor dem Verbinden der beiden Hälften miteinander kann jede Hydrophonhälfte einer Qualitätsprüfung unterworfen werden. Die Prüfung jeder Hydrophonhälfte kann aber auch nach dem vollständigen Zusammensetzen des Hydrophons durchgeführt werden. Danach werden die an die Innenpole der piezoelektrischen Kristalle angeschlossenen Drähte über die Metallüberzüge 11 mit der an diese außen angelöteten Leitung 5 (Figur 2) verbunden. Gemäß Figur 1 kann an die beiden Membranscheiben außen je ein Draht angeschlossen werden. Man kann die an die beiden Membranscheiben angeschlossenen Drähte und den an die zentrale Lötstelle angeschlossenen

Draht in einer von dem Hydrophon wegführenden Leitung als getrennte Adern führen. Nach der Funktionsprüfung können die beiden an die Membranscheiben angeschlossenen Drähte außerhalb des Außengehäuses 1 an einen einzigen Leiter angelötet werden, wie dies in Figur 2 angedeutet ist.

In der Figur 1 erkennt man zwischen den beiden Versteifungsscheiben 8 einen Zwischenraum, in dem elektronische Bauelemente zur Signalverstärkung oder Signalverarbeitung angeordnet werden können. Wenn im mittleren Bereich des Hydrophons derartige elektronische Verstärkerelemente angeordnet werden, können die erforderlichen elektrischen Anschlüsse an diese Elemente dadurch vorgesehen werden, daß der mittlere Teil 6 nicht nur aus zwei, sondern aus drei-oder mehreren Ringen 7 besteht, die alle an ihren Berührungsflächen mit Metallüberzügen versehen sind, die außen miteinander verlötet sind.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind somit zahlreiche Abänderungen des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels möglich.

- Leersei te -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung in einem piezoelektrischen Hydrophon mit einem Außengehäuse (1), in dem ein wasserdichtes, geschlossenes Innengehäuse (2) angeordnet ist, wobei die Anordnung zwei einander parallel gegenüberliegende Membranscheiben (3) aufweist, die auf ihren Innenflächen mit piezoelektrischen Kristallen (4) versehen sind, die metallüberzogene Flächen besitzen, und Verbindung*sdrähte sich von dem Innengehäuse durch dessen hohlen mittleren Teil (6) hindurch erstrecken, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der mittlere Teil (6) des Innengehäuses aus mindestens zwei miteinander verbundenen keramischen Elementen (7) besteht, die sich in je einer zu den Membranscheiben parallelen Ebenen erstrecken und in ihren einander berührenden Bereichen (9, 10) mit Metallüberzügen (11) versehen sind,

b) in dem Hohlraum (12) jedes der beiden Elemente (7) eine keramische Versteifungsscheibe (8) angeordnet ist, die an einem ihr angepaßten Vorsprung (13) des Elements (7) befestigt ist, und

c) die einwärtsgekehrten Pole der piezoelektrischen Kristalle

(4) mit den Metallüberzügen in der Berührungsebene der Elemente (7) verbunden sind und von diesen Metallüberzügen ein weiterer Anschluß (5, Fig. 2) nach außen führt, während die auswärtsgekehrten Pole der Kristalle (4) über ₍ die Membranscheiben (3) außerhalb des Innengehäuses (2) miteinander verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Werkstoff aus Al₃O₃ mit einer Reinheit von über 85 %, vorzugsweise etwa 96 %, besteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Elemente (7) in ihrer Berührungsebene auf beiden Seiten abgerundet und auf den abgerundeten Teilen mit den Metallüberzügen (11) versehen sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt zwischen den auf der Außenseite der beiden Elemente (7) vorgesehenen, abgerundeten Teilen mit einem Lot gefüllt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Versteifungsscheibe (8) von einem umfangsnahen Loch (14) durchsetzt und auf der von dem benachbarten Kristall abgekehrten Seite mit einem Metallüberzug versehen ist, der durch Löten elektrisch leitend mit einem benachbarten Metallüberzug auf dem keramischen Element (1) verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 und/oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche jedes Kristalls (4) durch einen durch das Loch (14) geführten, vorzugsweise aus einem Golddraht bestehenden Leiter (5) mit dem Metallüberzug (11) der Versteifungsscheibe (8) oder des Elements (7) verbunden ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Versteifungsscheiben (8) elektronische Bauelemente mit Signalverstärkungs- oder Signalverarbeitungsfunktionen angeordnet sind.

8, Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Elemente (7), die Versteifungsscheiben (8) und die Membranscheiben (3) kreisförmig sind.

9« Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) ein elliptischer Zylinder ist, in dem das Innengehäuse mittels einer Auskleidung (13) festgelegt ist.

10. Verfahren zum Herstellen eines piezoelektrischen Hydrophons nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines elektrisch leitenden Leims ein metallüberzogener Piezokristall an einer Seite einer Membranscheibe angebracht wird, daß ein auf seiner Außenseite mit einem Metallüberzug versehenes, ringförmiges keramisches Element mit dem umfang der Membranscheibe verbunden wird, daß an der Innenseite von Vorsprüngen des ringförmigen Elements eine Keramikscheibe befestigt wird, die von einem Loch durchsetzt ist, durch das ein Draht geführt wird, der an dem Metallüberzug des Kristalls befestigt und mit dem Metallüberzug auf der von der benachbarten Membranscheibe abgekehrten Seite des ringförmigen Elements in Berührung gebracht wird, und daß nach der getrennten Prüfung von zwei auf diese Weise erhaltenen Anordnungen diese zu einem dicht abgeschlossenen Gehäuse zusammengesetzt werden, das nach dem Verbinden mit den erforderlichen Leitern in einem Außengehäuse für das Hydrophon festgelegt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbinden von Metallüberzügen, Löten usw. in an sich bekannter Weise durch Erhitzen und Abkühlen erfolgt.