TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung gehört in das Gebiet der
Hydrophonanordnungen, die für Schallbilder benutzt werden.
Normalerweise bestehen diese Anordnungen aus einem
mechanischen Aufbau, bei dem mehrere Hydrophone in Bezug
zueinander angeordnet sind. Der mechanische Aufbau weist auch eine
zweckmäßige Einrichtung zum Auseinanderziehen, Benutzen und
Zurückziehen der Anordnung auf. Im allgemeinen beinhaltet die
Anordnung einige elektrische Schaltungen und andere
Vorrichtungen, um das Sammeln von mehreren Datenkanälen sowie ein
Steuern der Anordnung zu erleichtern. Der übliche Ausdruck
für diese Anordnungen lautet "Streamer". Dieser Ausdruck wird
nachfolgend benutzt.
STAND DER TECHNIK
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Bei der Anwendung werden die Streamer gewöhnlich
hinter einem Wasserfahrzeug, entweder einem Schiff oder einem
Unterseeboot, hergezogen. Im aktiven Aufnahmezustand
beschallt eine akustische Schallquelle einen Bereich, und der
Streamer nimmt Reflektionen von irgendwelchen Zielobjekten in
dem Bereich auf. Im passiven Aufnahmezustand "hört" der
Streamer nur auf irgend einen von Zielobjekten ausgehenden
Schall. Die vorliegende Erfindung beschreibt Techniken, die
auf Streamer angewandt werden können, die in beiden
Anwendungsbereichen benutzt werden.
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Ein axialer Schnitt eines Streameraufbaus gemäß dem
Stand der Technik ist in der Fig. 1 dargestellt und ist den
Fachleuten bekannt. Ein Verbinder 1 verbindet mechanisch,
elektrisch und optisch jeden Streamerabschnitt zu dem
vorhergehenden und somit letztlich mit dem ziehenden
Wasserfahrzeug. Das Signal von dem Hydrophon 2 (es ist nur ein
Hydrophon dargestellt) wird über Drähte 3 zu dem Verbinder 1
geführt. Festigkeitselemente 4 erstrecken sich von Verbinder
zu Verbinder und sorgen für die axiale mechanische
Festigkeit. Ein Kernmaterial, entweder fest oder flüssig, füllt den
Raum 5 aus, um die Schwimmfähigkeit (und in einigen Fällen
die gewünschten akustischen Eigenschaften) zu gewährleisten.
Der Streamerabschnitt ist in einer kontinuierlichen Haut 6
eingeschlossen, welche die Streamerkomponenten vor
Wassereintritt schützen.
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Ein kritisches Leistungskriterium des Streamers ist
das Eigenrauschen des Streamers, d. h. das unerwünschte
akustische Signal, das von den Hydrophonen aufgenommen wird, wenn
der Streamer durch das Wasser gezogen wird. Das Eigenrauschen
weist zwei Hauptkomponenten auf, die eine, welche durch die
beim Ziehen des Streamers durch das Wasser erzeugte Turbulenz
verursacht wird (Strömungsrauschen), und jene, welche durch
die Vibration des Streameraufbaus hervorgerufen wird. Ein
großer Teil der in den Streamer gekoppelten Vibration stammt
von dem ziehenden Wasserfahrzeug und wird über die Zugzeile
und die Festigkeitselemente auf den Hydrophonabschnitt
übertragen. Es können auch andere Vibrationsquellen vorliegen,
die aber normalerweise weniger wichtig sind.
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In mit Flüssigkeit gefüllten Streamern wird das
Vibrationsrauschen von einer einzigen Raumwelle dominiert und
kann dadurch vermindert werden, daß eine Gruppe von
Hydrophonen vorgesehen ist, die in der Richtung der
Wellenausbreitung voneinander beabstandet sind, wobei der Abstand
eine Funktion der Wellenlänge der Raumwelle ist. Die Signale
von der Gruppe von Hydrophonen werden dann in einem einzigen
Kanal summiert und die Welleneffekte löschen sich gegenseitig
aus. Obwohl diese Technik für eine Rauschverminderung in
einem begrenzten Frequenzbereich bei der vorgesehenen
Temperatur erfolgreich ist, kann die Leistungsfähigkeit für den
Temperaturbereich, in dem der seismische Streamer aufgrund
von Veränderungen in den Eigenschaften der Raumwelle arbeiten
muß, nicht aufrechterhalten werden. Normalerweise muß das
Hüllenmaterial gewechselt werden, um die Leistungsfähigkeit
beizubehalten.
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Bisher wurden mit Flüssigkeit gefüllte Streamer
eingesetzt, da es sich gezeigt hat, daß die
Flüssigkeitsfüllung hinsichtlich des Eigenrauschens günstige
Eigenschaften aufweist. Jedoch sind mit Flüssigkeit gefüllte Streamer
zerbrechlich und können sich beim Gebrauch als unhandlich
erweisen. Beispielsweise kann die Beschädigung eines
Abschnitts des Streamers im Zustand des ständigen Ziehens zu
einem "Ausstoßeffekt" führen, wodurch schrittweise alle
Abschnitte ausfallen, wenn der Streamer sinkt. Eine
Beschädigung eines Abschnitts eines mit einem Feststoff gefüllten
Streamers führt nicht notwendigerweise zu einem Ausfall des
betreffenden oder eines anderen Abschnitts. Dementsprechend
sind mit einem Feststoff gefüllte Streamer im allgemeinen
bevorzugt.
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Mit einer Flüssigkeit gefüllter Streamer sind auch
während des Einholens und des Auseinanderziehens, was
normalerweise durch das Benutzen einer Seilwinde geschieht, für
eine Beschädigung anfällig. Um diese Beschädigung auf einem
Minimum zu halten, werden die Streamer bei geringen Schiffs-
und Seilwindengeschwindigkeiten eingeholt. Die niedrigen
Einholgeschwindigkeiten und die Anfälligkeit für
Beschädigungen während des Betriebs der Seilwinde kann zu einem
Verlust wertvoller Beobachtungszeit mit einem daraus folgenden
Rentabilitätsverlust führen. Dies wird noch offensichtlicher,
wenn Daten unter Einsatz von mehreren Streamern gesammelt
werden. Die Verwendung von Feststoffstreamern erlaubt ein
Einholen mit normalen Betriebsgeschwindigkeiten bei einem
Datenverlust nur bezüglich des Streamers, der eingeholt wird.
Die Einholzeit wird auch durch ein Benutzen der Seilwinde mit
Betriebsgeschwindigkeiten erzielt, die höher sind als jene,
welche mit Streamern erreicht werden können, die mit einer
Flüssigkeit gefüllt sind.
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Bemühungen, mit Flüssigkeit gefüllte Streamer durch
robustere, mit einem Feststoff gefüllte Streamer zu ersetzen,
waren wegen der Schwierigkeiten entmutigend, das
Eigenrauschen von mit einem Feststoff gefüllten Streamern auf ein
annehmbares Maß zu reduzieren. Ein solcher Streamer, der aus
einem Feststoffaufbau besteht, ist in dem US-Patent 3781778
beschrieben. Darin ist ein Streamer für die See angegeben,
der einen Aufbau aus Feststoffschichten aufweisen kann.
Jedoch führt die Gestalt dieses Feststoffstreamers noch zu
einem "Eigenrauschen", das von dem Hydrophon aufgenommen
wird.
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Bei einem üblichen Streameraufbau, wie jenem, der
in Fig. 1 dargestellt ist, wird die Vibration am Kopf des
Streamers über die Festigkeitselemente 4 und die
Verbindungsplatte 1 in das Kernmaterial 5 des Streamers, das eine
Flüssigkeit ist, eingekoppelt. Dies erzeugt dann einen
Wellenbauch oder eine atmende Welle mit niedriger Geschwindigkeit
und hoher Amplitude, verglichen mit den akustischen Signalen,
die normalerweise von den Hydrophonen empfangen werden.
Dadurch erhöht sich das gesamte Eigenrauschen des Streamers.
Wenn das Kernmaterial 5 ein Feststoff ist, ist die
Leistungsfähigkeit normalerweise schlechter, wenn nicht der hier
beschriebene Träger eingebaut ist.
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Diese Erfindung befaßt sich hauptsächlich mit der
Verminderung des durch Vibration induzierten Rauschens an den
Hydrophonen in einem mit einem Feststoff gefüllten
Streameraufbau, obwohl die Erfindung in gleicher Weise auf mit einer
Flüssigkeit gefüllte Streamer anwendbar ist. Die Erfindung
benötigt nicht eine Gruppe von Hydrophonen, um ein
akzeptables Vibrationsverhalten zu erreichen.
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Die Robustheit der Erfindung über einen Bereich der
Betriebstemperaturen und die Handhabungsbedingungen bieten
eine Ausgestaltung, um einem weiten Bereich von
Betriebsbedingungen gerecht zu werden.
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Ferner ist die Erfindung nicht von der Art des
Transducers beschränkt, und es kann durch die Erfindung eine
Reihe von piezoelektrischen Keramiken, piezoelektrischen
Polymeren und faseroptischen Transducern eingesetzt werden.
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Es ist gut bekannt, daß gewisse
Transducerkonfigurationen eine geringe Ausgangsleistung haben, wenn sie in
Luft vibrieren. Eine typische Art von Transducer, die in
seismischen Streamern eingesetzt wird, ist ein Paar
piezokeramische Scheiben, die mechanisch Rücken an Rücken montiert
sind. Diese Transducer sind somit für eine geringe
Vibrationsempfindlichkeit ausgelegt, wenn sie in einer Ebene im
rechten Winkel zu der Ebene der Scheibe vibrieren, und sind
naturgemäß unempfindlich, wenn sie in einer Achse parallel zu
der Ebene der Scheibe vibrieren. Jedoch bleibt dieses
Verhalten nicht, wenn das Hydrophon in Streamern angebracht
wird. Die Rauschniveaus an dem Hydrophon in einem Streamer
nehmen aufgrund von Belastungen und Spannungen zu, die in dem
festen Füllstoff (oder auf Grund des Drucks im Fall eines
flüssigen Füllstoffs), der das Hydrophon umgibt, erzeugt
werden. Diese Erfindung begegnet diesem Nachteil dadurch, daß
für typische Hydrophone Vibrationsempfindlichkeiten erzeugt
werden, die in der Nähe jener eines einfachen Transducers in
Luft liegen.
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In der Vergangenheit wurden verschiedene
Befestigungsarten benutzt, um Hydrophone in einem seismischen Kabel
anzubringen. Beispielsweise beschreiben Cholet et al.,
US-Patent 3371311 eine Befestigung, die für
flüssigkeitsgefüllte Kabel ausgelegt ist. Die beanspruchte Funktion dabei
ist das Isolieren des Hydrophons von
Streamervibrationsbewegungen, wobei noch eine Übertragung von Druckschwankungen von
dem Streameraufbau zu dem Hydrophonhohlraum möglich ist.
Tatsächlich wurde in der Praxis gefunden, daß das unangenehmste
äußere Rauschen von Drücken oder Spannungen im Aufbau
herrühren, die durch das Auftreten von Kabelvibration induziert
werden, weshalb sich ein solches äußeres Rauschen durch den
normalen Betrieb der Hydrophone als Drucktransducer
manifestiert. Befestigungen, wie jene, die von Cholet et al.
beschrieben worden sind, isolieren das Hydrophon nicht von
der Belastung und der Spannung, die sich aus Vibrationen
innerhalb eines Streamers ergeben, da sie eine Kommunikation
zwischen dem Streamer und dem Bereich, in welchem die
Hydrophone montiert sind, vorsehen. Deshalb ist der Einsatz
solcher Befestigungen beim Vermindern einer größeren Komponente
des Eigenrauschens nicht von Wert.
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Gemäß der Erfindung wird ein Hydrophonträger zur
Verfügung gestellt, der zum Befestigen eines Hydrophons in
einem Streamer ausgebildet ist, wobei den Trägern ein Paar
Endplatten aufweist, die durch mindestens ein steifes oder
halbsteifes Zentralelement axial voneinander beabstandet
sind, wobei beim Gebrauch, zusammen mit der Außenhaut des
Streamers, eine eingeschlossene Zone zwischen den genannten
Endplatten festgelegt wird, die von einer Belastung und
Spannung des Aufbaus, welche durch eine aus dem Streamer
stammende Vibration induziert worden sind, isoliert ist, aber
extern induzierte Druckschwankungen, wie sie sich aus den in
der externen Umgebung vorhandenen akustischen Wellen ergeben,
noch durchläßt. Das mindestens eine steife oder halbsteife
Zentralelement kann in einer Vielzahl von Konfigurationen
angeordnet werden, um zu ermöglichen, daß die
Streamerfestigkeitselemente und Drähte durch den Träger hindurchgeführt
werden. Der Streamer ist normalerweise von einer Außenhaut
umgeben, die an die genannten Endplatten festgeklammert oder
an ihnen befestigt oder als ein integraler Teil des erwähnten
Trägers ausgebildet sein kann, um eine Vibration innerhalb
der erwähnten Isolationszone weiter zu vermindern.
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Bei einer praktischen Verwirklichung eines
typischen Feststoffskabels sind alle Räume außerhalb des Trägers
mit einem festen Material gefüllt, das normalerweise aus
einer Polymerzusammensetzung besteht, wobei das Material eine
ausreichende niedrige Dichte aufweist, um einen insgesamt
neutral in Wasser schwimmfähigen Aufbau zu erhalten. Der
Bereich innerhalb des Trägers kann mit einer Flüssigkeit,
einem Gel oder einem Feststoff gefüllt sein.
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Um die mechanische Lokalisierung des Trägers zu
unterstützen, kann das Zentralelement des Trägers mit einem
relativ nachgiebigen Material an die Festigkeitselemente des
Streamers gebunden sein. In diesem Fall muß darauf geachtet
werden, daß sichergestellt ist, daß das Zentralelement des
Trägers axial und radial ausreichend steif ist, um die
gewünschte Isolierung vor Belastung und Spannung innerhalb
des festen schwimmfähigen Materials zu erreichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung nur
beispielhaft beschrieben. In den Zeichnungen ist
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Fig. 1 ein Streameraufbau gemäß dem Stand der Technik,
dargestellt als Axialschnitt;
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Fig. 2 ein Hydrophonträger gemäß der Erfindung,
dargestellt als Axialschnitt;
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Fig. 3 ein Hydrophonträger gemäß Fig. 2, dargestellt an
Ort und Stelle;
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Fig. 4 eine zweite Ausführungsform eines Hydrophons
gemäß der Erfindung, dargestellt an Ort und Stelle.
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Fig. 5 eine dritte Ausführungsform eines
Hydrophonträgers gemäß der Erfindung, dargestellt an Ort und
Stelle in einer perspektivischen Ansicht;
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Fig. 6 eine vierte Ausführungsform eines
Hydrophonträgers gemäß der Erfindung, dargestellt an Ort und
Stelle in einer perspektivischen Ansicht;
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Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform eines
Hydrophonträgers gemäß der Erfindung, dargestellt an Ort und
Stelle im Querschnitt.
ARTEN DES AUSFÜHRENS DER ERFINDUNG
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Das Wesen der Erfindung ist das Mittel, durch das
Belastungen und Spannungen, die durch eine von dem
Streameraufbau herrührende Vibration hervorgerufen werden, mittels
eines Hydrophonträgers von dem Hydrophon isoliert werden.
Fig. 2 zeigt einen Axialschnitt durch eine Ausführungsform
des Hydrophonträgers. Der Träger besteht aus einer Spindel 7,
Endplatten 8 und Naben 9. Der Träger weist eine Durchbohrung
mit einem Loch 10 auf. Diese Naben helfen beim Lokalisieren
des Trägers innerhalb des Kerns, haben aber auf das
Isolationsverhalten eine geringe Wirkung. Die Naben 9 wurden der
Klarheit halber nicht bei allen übrigen Figuren dargestellt.
Bei einer alternativen Verwirklichung des Trägers wäre das
Loch 10 an den Enden nach außen erweitert, um den Träger
innerhalb des Kerns festzulegen.
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Fig. 3, die einen vereinfachten Streamer im
axialen Schnitt zeigt, erläutert beispielhaft, wie der Träger in
einen praktischen Streamer integriert ist. Der Streamer
besteht aus einem zentralen Festigkeitselement 11, das durch
die Länge des Streamers hindurchgeführt ist. Das
Festigkeitselement 11 geht durch den Hydrophonträger 12 hindurch, in dem
das Hydrophon 13 befestigt ist. Der Rest des Streamers
besteht aus einem Kern 14 und einer Haut 15. Nicht
dargestellt sind Drähte für die Telemetrie, die Steuerung usw..
Das Festigkeitselement 11 ist an dem Feststoffkern 14
befestigt, der seinerseits an der Haut 15 fest angebracht ist. Für
ein optimales Verhalten ist es vorteilhaft, wenn das
Festigkeitselement 11 auf beiden Seiten des Trägers über
einige wenige Zentimeter nicht mit dem Kern mechanisch
gekoppelt ist.
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Bei dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau ist das
Hydrophon von einer Belastung und Spannung des Aufbaus durch den
Träger isoliert. Das Festigkeitselement 11 weist keine enge
Kopplung mit dem Träger auf, und das Hydrophon 13 ist vom
Rest des Streamers durch die Endplatten 8 isoliert, welche
durch die Spindel 7 fest in einem Abstand gehalten werden. Da
das Trägermaterial erheblich steifer ist als das
schwimmfähige Kernmaterial, besteht die einzige Möglichkeit für eine
durch Vibration induzierte Belastung und Spannung, in eine
Kopplung mit dem Hydrophon einzutreten, über die Haut 15.
Dies ist jedoch vernachlässigbar und kann durch Anbringen von
Bandklammern 16 um den Streamer herum weiter vermindert
werden. Es hat sich aber noch nicht gezeigt, daß dies nötig ist,
um ein gutes Vibrationsverhalten zu erreichen. Wenn das
Material, welches das Hydrophon umgibt, flüssig ist, können
Klammern nötig sein, um ein Austreten von Flüssigkeit zu
vermeiden.
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Die Methode des Verhinderns von Spannungen an der
Hydrophonbefestigung hat andere Vorteile, die beim Testen der
Erfindung offensichtlich wurden. Die Empfindlichkeit des
Hydrophons gegenüber durch Vibration induzierte Belastung und
Spannung innerhalb des Trägers wird gegenüber
Temperaturschwankungen geringer. Dies kommt daher, daß das Material
(entweder ein Feststoff oder ein Gel oder eine Flüssigkeit)
18, das den Sensor umgibt, auch isoliert ist und deshalb die
Materialeigenschaften das durch Vibration hervorgerufene
Eigenrauschen nicht wesentlich beeinflussen. Die Methode des
Befestigens des Hydrophons an dem Träger wurde nicht
dargestellt. Es hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, das
Hydrophon nachgiebig aufzuhängen und nicht fest an den Träger
zu binden. Eine Methode, um dies durchzuführen, ist das
Ankleben von Weichgummiblöcken an den Träger und das Anbringen
eines nichtfühlenden Teils des Hydrophons an diesen Blöcken.
Beim Bender-Typ des Hydrophons ist der nichtfühlende Teil der
Rahmen, an dem die fühlenden Platten angebracht sind.
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Die Flexibilität der Erfindung ist derart, daß
durch ein Beabstanden der Sensoren unter Verwendung von
flexiblen Polymeren eine Situation geschaffen wird, in der die
Streamer mit einer für seismische Vorgänge normalen
Schleppbelastung mittels einer Winde gezogen werden kann. Die
empfindlichen Sensoren werden während des Ziehens mit der Winde
durch die Spindel 7 und die Endplatten 8 vor einer
Beschädigung geschützt. Ein weiterer Schutz kann durch Anbringen von
Stangen zwischen den Umfängen der Endplatten, parallel zu der
Trägerspindel, oder durch andere Maßnahmen, z. B. einen harten
"Korb" über dem Sensor 2, erreicht werden.
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Im Interesse der Einfachheit wurde das Prinzip der
Erfindung unter Einsatz eines zentralen Festigkeitselements
und unter Weglassen der nötigen Vorrichtungen und Gegenstände
für die Telemetrie und die Steuerung erläutert. Es ist jedoch
möglich, eine Mehrzahl von Festigkeitselementen zu benutzen,
wie sie in Fig. 4 dargestellt sind. Hier werden zwei
Festigkeitselemente 20 und ein Drahtbündel 21 gezeigt, die durch
einen in geeigneter Weise aufgebohrten Träger 22
hindurchgeführt sind. Das Prinzip des Isolierens des Hydrophons von
dem Aufbau wird noch eingehalten.
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Das Prinzip der Isolierung kann auf
Festigkeitselemente ausgedehnt werden, die sich an der Außenseite des
Trägers befinden. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt des
Streamers in der Mitte des Trägers. Der isolierte Teil des
Streamers ist der etwa trapezförmige Raum 25. Die
Festigkeitselemente 26 sind an der Seite durch den Träger
hindurchgeführt. Lokalisierungsrippen 27 dienen zum Halten der
Festigkeitselemente an Ort und Stelle. Vorrichtungen und
Gegenstände für die Telemetrie und die Steuerung 28 können an
der Streamerachse angeordnet werden. Bei allen
Ausführungsformen der Fig. 2, 3, 4 und 6 ist es möglich, einen
einzigen zentralen Kern auszubilden, und zwar durch
Unterbringen der Drähte mit den Festigkeitselementen derart, daß
nur ein axiales Loch in dem Träger erforderlich ist.
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Eine andere Methode der Verwirklichung der
Erfindung besteht darin, den Träger in "Hufeisen"-Form
auszubilden, wie Fig. 6 zeigt. Diese Form kann leicht über das
zentrale Spannungselement 11 geschoben werden. Ein Block 31
kann dann auf den Träger 30 aufgeklebt oder in anderer Weise
daran befestigt werden, um zu verhindern, daß das
Festigkeitselement aus dem Träger austritt.
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Die Wirksamkeit der Träger kann dadurch verbessert
werden, daß man von dem Vorteil einer Gruppenüberlappung bei
praktischen Streamern Gebrauch macht. Bei praktischen
Streamern sind Hydrophone in Gruppen angeordnet, wobei eine Gruppe
eine Anzahl von (üblicherweise) elektrisch verbundenen
Hydrophonen ist, die entlang der Streamerlänge angeordnet sind.
Diese Gruppen sind auf praktischen Streamern überlappend
ausgebildet. Bei einigen Verwirklichungen können sich Hydrophone
von überlappenden Gruppen an der gleichen (oder einer sehr
die Telemetrie 33
kann in den Schlitzen 32 aufgenommen
werden, ohne das Vibrationsverhalten zu beeinträchtigen. Diese
Variation ist hinsichtlich der Aufnahme dieser notwendigen
Vorrichtungen in praktischen Streamern vorteilhaft. Zum
Zwecke der Illustration wird auch die Außenhaut 15 des
Streamers dargestellt.
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Die Verwendung verschiedener Festigkeitselemente
und Trägerkonfigurationen ergibt die gute Möglichkeit, den
Streamer nach verschiedenen Methoden zu planen, herzustellen
und zu reparieren.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle
Beispiele beschrieben worden ist, ist es für Fachleute auf
dem vorliegenden Gebiet selbstverständlich, daß die Erfindung
auch in vielen anderen Ausführungsformen ausgebildet sein
kann.