EP0468984A1 - Device for generating elastic waves in a body and for seismic prospecting - Google Patents

Device for generating elastic waves in a body and for seismic prospecting

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Publication number
EP0468984A1
EP0468984A1 EP90905465A EP90905465A EP0468984A1 EP 0468984 A1 EP0468984 A1 EP 0468984A1 EP 90905465 A EP90905465 A EP 90905465A EP 90905465 A EP90905465 A EP 90905465A EP 0468984 A1 EP0468984 A1 EP 0468984A1
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EP
European Patent Office
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frequency
sound
loudspeaker
elastic waves
frequency range
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP90905465A
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German (de)
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Inventor
Franz Prof. Dr. Thyssen
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Original Assignee
Individual
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/02—Generating seismic energy

Definitions

  • the invention relates to a device for generating elastic waves in a body and for seismic prospection with at least one airborne sound source.
  • Soil geophysical methods of investigation are known, e.g. seismic and dynamic soil investigations with which layer boundaries, deposits and cavities can be localized in the subsurface.
  • the investigations can be carried out from the surface of the site or in boreholes and are used for large-scale outcrops.
  • the wave propagations in the subsurface and their speeds are measured.
  • seismic waves are generated by artificial excitation, e.g. by explosions in air (US Pat. No. 2,912,060) or by vibrators, which propagate underground, are broken and reflected at the geological interfaces and back to the earth's surface return where they are registered with geophones.
  • the waves arrive with different running times. From this, the structure of the subsurface can be determined with great accuracy, down to depths of several kilometers, with the corresponding measuring effort.
  • the disadvantage of known methods is that that the surface layer is only recorded with a low resolution down to a depth of one hundred meters, with this soil layer being of particular interest, for example because of the exploration of the subsoil, the location of cavities, the mapping of archaeological sites and the mapping of contaminated sites. Since this uppermost layer is the most inhomogeneous layer of earth, it has also led to disturbances in the measurement signals in the hitherto known prospecting methods for greater depths, so that a correction of the measurement signals was necessary.
  • An underwater location system is known from US Pat. No. 3,237,151, in which airborne noise is generated by an aircraft flying over the location area.
  • the aircraft can also be provided with a siren, the sound of which is picked up by couplers floating on the water surface, which use the ultrasound frequencies for an active sonar signal, hydrophones arranged below the coupler picking up the reflected ultrasound signals.
  • the invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which enables better resolution of the measurement signals in the depth range up to 100 m.
  • the features of the main claim serve to achieve this object.
  • the use of an electro-magnetic loudspeaker working in the frequency range between 100 and 1500 Hertz enables the prospection to be optimized to a desired depth of penetration in layers near the surface, which advantageously enables an examination and mapping of layers and deposits near the surface up to a depth of 100 meters with high Resolution is possible.
  • the device according to the invention has the advantage of being inexpensive and simple. With short sound impulses, the noise pollution is extremely low.
  • the device can be assembled in an extremely compact manner, which makes it particularly suitable for measurements in urban areas, not least because of the low noise pollution. Since the device uses sophisticated technical elements, it is also highly reliable.
  • the airborne sound preferably has an arbitrarily selectable amplitude and frequency characteristic within the specified range.
  • the airborne sound can be varied within the frequency range 100 to 1500 Hz with regard to frequency, waveform, intensity curve, sound pulse sequence, etc.
  • the adaptation of the amplitude and frequency characteristics makes it possible to achieve a resolution in the dm range in the upper layers and in the m range in deeper layers, whereby measurements not only in the solid rock but also in the loose rock are possible.
  • a higher frequency generally leads to a higher resolution but also to a lower penetration depth.
  • the preferred application of the device is in high-resolution reflection measurements in structures near the surface in loose and solid rock up to a depth of about 100 m. It allows these structures to be imaged with great accuracy using their reflective properties.
  • the device can be used in the usual way for mapping, profile measurement, com-on-mid-point measurement and for vertical seismic profiling.
  • the resolution of the measurement signals allows e.g. the static correction of seismic signals which are falsified by the inhomogeneous layer near the surface.
  • the high resolution also enables the device to be used for site investigation, for mapping old sites, for mapping archaeological sites or for recording and checking aquifers.
  • the signal generator consists of a signal generator with selectable amplitude and frequency characteristics, whereby the frequency, the waveform and intensity as well as the temporal intensity curve as well as the repetition rate, pulse train but also continuous pulses can be set in an advantageous manner and thus adapted to body properties in order to provide a high-resolution measurement signal receive. Frequency-modulated sound waves can also be generated.
  • the airborne sound source has at least one loudspeaker arranged at an adjustable distance from the body, which is decoupled from the body via a soft suspension.
  • the adjustable height makes it possible to avoid resonances, the attachment of the loudspeakers via a soft suspension, for example soft rubber buffers, resulting in a virtually complete decoupling of the chassis of the airborne sound source from the body to be examined.
  • An impedance converter can be arranged between the body and the loudspeaker and / or a structure-borne sound sensor. This impedance converter reduces reflections on the body surface and improves the coupling of the sound impulses.
  • An intermediate layer can be arranged between the impedance converter and the body, which facilitates displacement of the loudspeaker or the structure-borne sound sensor.
  • the intermediate layer makes it possible to shift measuring devices, namely the sound source on the one hand and sound pickups on the other hand, onto the body surface, so that various measurement signal evaluation methods, such as mapping, profile measurement and common mid-point measurements, can be used.
  • the structure-borne noise transducers can also be arranged at different depths in the body to be examined, thereby permitting highly precise speed measurements and e.g. with geophysical application an exact devil assignment for the calibration of the measuring method.
  • Geophones with a natural frequency ⁇ IOO Hertz can be used as structure-borne sound sensors.
  • the noise level at low frequency, e.g. from traffic-related vibrations is reduced.
  • the natural frequency of the geophones is chosen to be as high as possible in order to exclude low-frequency noises.
  • the invention is explained in more detail below with reference to the single figure.
  • the figure shows a movable arrangement 1 of a loudspeaker 2 which is suspended at an adjustable height above the floor 3 in a suitable frame construction 4.
  • Decoupling devices for example soft suspensions, are provided in the frame for decoupling the loudspeaker from the ground. In this way, the generation of surface waves is reduced and the signal form generated by the loudspeaker is fed into the loose and solid rock of the ground 3 essentially undisturbed.
  • the loudspeaker chassis 6 can be connected to the decoupled part of the frame 4 via an additional decoupling device 7.
  • an impedance converter 8 can be attached to the base 3 in a fixed or movable manner below the loudspeaker 2. With many loose rocks, however, an impedance converter 8 can be dispensed with. The conversion of airborne sound into structure-borne sound is only supported to the extent necessary by the impedance converter 8.
  • the reflected echo signals are received in the usual way with structure-borne sound transducers 9 on the floor 3, which can also be adapted in terms of their impedance via a fixed or movable impedance converter 10.
  • Geophones with a natural frequency> 100 Hertz are preferably used.
  • the signals from the structure-borne noise transducers 9, for example the geophone, are amplified by an amplifier 12 which can be controlled by a computer 11 and fed to the computer 11 via an A / D converter 14.
  • the signal is generated by a signal generator 16, the output signal of which can be adjusted with regard to amplitude, frequency, waveform and frequency modulation and is supplied to the electromagnetic loudspeaker 2 via a power amplifier 17.
  • the signal can also be generated via the computer 11, by means of which an even better variation of the signal characteristics is possible.
  • the digital signals from the computer 11 are fed to the power amplifier 17 via a D / A converter 18.
  • loudspeakers it is also possible to provide these loudspeakers with different signals, e.g. different frequency to supply.
  • the output power of the amplifier 17 should be at least 500 W. With regard to the frequency, it can generally be said that a higher frequency results in a higher resolution, albeit with a somewhat lower penetration depth. The penetration depth is correspondingly higher at lower frequencies.
  • the computer 11 also serves to register the measured values, coordinate the emitted signal pulses and the received reflection pulses, temporarily store and evaluate the results, etc. With the aid of the computer 11, signal stacking can also be carried out, which is very precisely reproducible because of the negligible deformation of the body 3.
  • a current generator 19 can be provided to supply power to the electrical devices.
  • the sound source arrangement 1 and the structure-borne sound recording device 20 can be arranged displaceably on the floor 3 via an intermediate layer 22 arranged between the arrangements and the body or floor 3.
  • the structure-borne noise transducers 9 can also be arranged in a bore in different depths in order to enable very precise speed measurements and thus depth assignments in the sense of a calibration of the measuring devices.

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Abstract

Procédé acoustique de prospection où l'on génère des ondes élastiques dans un corps à l'aide de bruit aérien pour identifier des structures et des défauts d'homogénéité dans le corps en mesurant les ondes réfléchies. On produit électromagnétiquement un bruit aérien dans la gamme de fréquences comprise entre 100 et 1500 Hz et on ajuste leurs caractéristiques d'amplitude et de fréquence en fonction de la profondeur de pénétration et/ou de la résolution désirées.Acoustic prospecting process in which elastic waves are generated in a body using airborne noise to identify structures and homogeneity defects in the body by measuring the reflected waves. Airborne noise is electromagnetically produced in the frequency range between 100 and 1500 Hz and their amplitude and frequency characteristics are adjusted according to the depth of penetration and / or the desired resolution.

Description

Vorrichtung zum Erzeugen elastischer Wellen in einem Körper und zur seismischen ProspektionDevice for generating elastic waves in a body and for seismic prospection
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen elastischer Wellen in einem Körper und zur seismischen Prospektion mit mindestens einer Luftschallquelle.The invention relates to a device for generating elastic waves in a body and for seismic prospection with at least one airborne sound source.
Bekannt sind geophysikalische Untersuchungsmethoden des Bodens, z.B. seismische und dynamische Bodenuntersuchun¬ gen, mit denen sich Schichtgrenzen, Einlagerungen und Hohlräume im Untergrund lokalisieren lassen. Die Unter¬ suchungen können von der Geländeoberfläche aus oder in Bohrlöchern ausgeführt werden und finden bei großflä¬ chigen Aufschlüssen Anwendung. Gemessen werden die Wel¬ lenausbreitungen im Untergrund und deren Geschwindig¬ keiten.Soil geophysical methods of investigation are known, e.g. seismic and dynamic soil investigations with which layer boundaries, deposits and cavities can be localized in the subsurface. The investigations can be carried out from the surface of the site or in boreholes and are used for large-scale outcrops. The wave propagations in the subsurface and their speeds are measured.
Bei der Reflexions- und Refraktionsseismik werden durch künstliche Anregung, z.B. durch Sprengungen in Luft (US-PS 2 912 060) oder durch Vibratoren, seismische Wellen erzeugt, die sich im Untergrund ausbreiten, an den geologischen Grenzflächen gebrochen und reflektiert werden und wieder zur Erdoberfläche zurückkehren, wo sie mit Geophonen registriert werden. Je nach Weg- und Schallgeschwindigkeit in den durchlaufenen Gesteins¬ schichten kommen die Wellen mit unterschiedlichen Lauf¬ zeiten an. Hieraus kann dann bei entsprechendem Meßauf- wand die Struktur des Untergrundes bis in Teufen von mehreren Kilometern mit großer Genauigkeit ermittelt werden. Der Nachteil bekannter Verfahren besteht darin, daß die Oberflächenschicht bis zu einer Tiefe von hun¬ dert Metern nur mit geringer Auflösung erfaßt wird, wobei gerade diese Bodenschicht z.B. wegen der Baugrund¬ erkundung, der Hohlraumortung, der Abbildung archäolo- gischer Fundstellen und der Altlastenkartierung, von besonderem Interesse ist. Da diese oberste Schicht die inhomogenste Erdschicht ist, hat sie auch bei den bis¬ her bekannten Prospektionsverfahren für größere Tiefen zu Störungen der Meßsignale geführt, so daß eine Kor- rektur der Meßsignale erforderlich war.In reflection and refraction seismics, seismic waves are generated by artificial excitation, e.g. by explosions in air (US Pat. No. 2,912,060) or by vibrators, which propagate underground, are broken and reflected at the geological interfaces and back to the earth's surface return where they are registered with geophones. Depending on the path and speed of sound in the rock strata that are passed through, the waves arrive with different running times. From this, the structure of the subsurface can be determined with great accuracy, down to depths of several kilometers, with the corresponding measuring effort. The disadvantage of known methods is that that the surface layer is only recorded with a low resolution down to a depth of one hundred meters, with this soil layer being of particular interest, for example because of the exploration of the subsoil, the location of cavities, the mapping of archaeological sites and the mapping of contaminated sites. Since this uppermost layer is the most inhomogeneous layer of earth, it has also led to disturbances in the measurement signals in the hitherto known prospecting methods for greater depths, so that a correction of the measurement signals was necessary.
Aus der Druckschrift "Geophysics", März 1986, Seiten 533 bis 537 ist ein Luftschalluntersuchungsverfahren für die archäologische Prospektion bekannt, das für die Suche nach Hohlräumen in archäologischen Fundorten be¬ nutzt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Frequenzbe¬ reich von 20 bis 3000 Hz verwendet, wobei die von den Hohlräumen erzeugten Resonanzfrequenzen zur Detektion der Hohlräume verwendet werden.From the publication "Geophysics", March 1986, pages 533 to 537, an airborne sound investigation method for archaeological prospecting is known which is used for the search for cavities in archaeological sites. In this method, a frequency range of 20 to 3000 Hz is used, the resonance frequencies generated by the cavities being used to detect the cavities.
Aus der Druckschrift Erlinghagen: 12 Jahre VIBROSEIS bei PRAKLA-SEISMOS, Firmenschrift der Firma PRAKLA-From the Erlinghagen publication: 12 years of VIBROSEIS at PRAKLA-SEISMOS, company lettering from PRAKLA-
SEISMOS GmbH, geht ein Prospektionsverfahren hervor, bei dem hydraulische Vibratoren verwendet werden. Diese hydraulischen Vibratoren werden so gesteuert, daß sie einen Frequenz-Sweep mit einem bestimmten Frequenz- Spektrum in den Boden induzieren. Ein typischer Sweep verläuft dabei innerhalb eines Frequenzbereiches bei¬ spielsweise zwischen 15 und 47 Hz oder 25 und 75 Hz. Bei einer speziellen Untersuchung auf Algenriffen ist dabei auch schon einmal eine Mittelfrequenz von 120 Hz verwendet worden. Aus der DE-AS 22 33 490 ist ein Generator zum Erzeugen seismischer Schwingungen bekannt, der eine zur Gelände¬ oberfläche offene Luftkammer aufweist, an derem oberen Ende eine Druckluftquelle angeordnet ist, die ein Luft- kissen erzeugt. Mit Hilfe einer Steuerung wird der Luft¬ druck in der Luftkammer variiert, um seismische Schwin¬ gungen zu erzeugen.SEISMOS GmbH, a prospecting process emerges in which hydraulic vibrators are used. These hydraulic vibrators are controlled so that they induce a frequency sweep with a certain frequency spectrum in the ground. A typical sweep runs within a frequency range, for example between 15 and 47 Hz or 25 and 75 Hz. In a special examination on algae reefs, a center frequency of 120 Hz has also been used. From DE-AS 22 33 490 a generator for generating seismic vibrations is known, which has an air chamber open to the surface of the terrain, at the upper end of which a compressed air source is arranged which generates an air cushion. The air pressure in the air chamber is varied with the aid of a controller in order to generate seismic vibrations.
Aus der US-PS 3 237 151 ist ein Unterwasserortungs- system bekannt, bei dem von einem das Ortungsgebiet überfliegenden Flugzeug ein Luftschall erzeugt wird. Das Flugzeug kann auch mit einer Sirene versehen sein, deren Geräusch von auf der Wasseroberfläche schwimmen¬ den Kopplern aufgenommen wird, die die Ultraschallfre- quenzen für ein aktives Sonarsignal nutzen, wobei un¬ terhalb der Koppler im Wasser angeordnete Hydrophone die reflektierten Ultraschallsignale aufnehmen.An underwater location system is known from US Pat. No. 3,237,151, in which airborne noise is generated by an aircraft flying over the location area. The aircraft can also be provided with a siren, the sound of which is picked up by couplers floating on the water surface, which use the ultrasound frequencies for an active sonar signal, hydrophones arranged below the coupler picking up the reflected ultrasound signals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich- tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine bessere Auflösung der Meßsignale im Tiefenbereich bis 100 m ermöglicht.The invention has for its object to provide a device of the type mentioned, which enables better resolution of the measurement signals in the depth range up to 100 m.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen erfindungsgemäß die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Verwendung eines elektro-magnetischen, im Frequenzbereich zwischen 100 und 1500 Hertz arbeitenden Lautsprechers ermöglicht die Optimierung der Prospektion auf eine gewünschte Eindringtiefe in oberflächennahen Schichten, wodurch in vorteilhafter Weise eine Untersuchung und Kartierung oberflächennaher Schichten und Lagerstätten bis zu einer Tiefe von 100 Metern mit hoher Auflösung möglich ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, preis¬ wert und einfach zu sein. Bei kurzen Schallimpulsen ist die Lärmbelästigung äußerst gering. Die Vorrichtung kann äußerst kompakt zusammengestellt werden, wodurch sie sich nicht zuletzt auch wegen der geringen Lärmbe¬ lästigung insbesondere auch für Messungen im Stadtgebiet eignet. Da die Vorrichtung ausgereifte technische Ele¬ mente verwendet, ist sie darüber hinaus auch noch in hohem Maße betriebssicher.According to the invention, the features of the main claim serve to achieve this object. The use of an electro-magnetic loudspeaker working in the frequency range between 100 and 1500 Hertz enables the prospection to be optimized to a desired depth of penetration in layers near the surface, which advantageously enables an examination and mapping of layers and deposits near the surface up to a depth of 100 meters with high Resolution is possible. The device according to the invention has the advantage of being inexpensive and simple. With short sound impulses, the noise pollution is extremely low. The device can be assembled in an extremely compact manner, which makes it particularly suitable for measurements in urban areas, not least because of the low noise pollution. Since the device uses sophisticated technical elements, it is also highly reliable.
Vorzugsweise weist der Luftschall eine beliebig wähl¬ bare Amplituden- und Frequenzcharakteristik innerhalb des angegebenen Bereichs auf. Der Luftschall kann inner¬ halb des Frequenzbereich 100 bis 1500 Hz hinsichtlich Frequenz, Wellenform, Intensitätsverlauf, Schallim¬ pulsfolge usw. variiert werden.The airborne sound preferably has an arbitrarily selectable amplitude and frequency characteristic within the specified range. The airborne sound can be varied within the frequency range 100 to 1500 Hz with regard to frequency, waveform, intensity curve, sound pulse sequence, etc.
Die Anpassung der Amplituden- und Frequenzcharakteri¬ stik erlaubt, in oberen Schichten eine Auflösung im dm-Bereich und in tieferen Schichten im m-Bereich zu erzielen, wobei nicht nur Messungen im Festgestein son¬ dern auch im Lockergestein möglich sind. Eine höhere Frequenz führt allgemein zu einer höheren Auflösung aber auch zu einer geringeren Eindringtiefe. Bei niedrigen Frequenzen erzielt man dagegen größere Ein¬ dringtiefen mit entsprechend reduziertem Auflösungs¬ vermögen.The adaptation of the amplitude and frequency characteristics makes it possible to achieve a resolution in the dm range in the upper layers and in the m range in deeper layers, whereby measurements not only in the solid rock but also in the loose rock are possible. A higher frequency generally leads to a higher resolution but also to a lower penetration depth. At low frequencies, on the other hand, greater penetration depths are achieved with a correspondingly reduced resolution.
Die bevorzugte Anwendung der Vorrichtung liegt in hoch- auflösenden Reflexionsmessungen in oberflächennahen Strukturen in Locker- und Festgesteinen bis ca. 100 m Tiefe. Sie erlaubt die Abbildung dieser Strukturen mit großer Genauigkeit über ihre Reflexionseigenschaften. Die Vorrichtung kann in der üblichen Weise für Kartie¬ rung, Profilmessung, Com on-Mid-Point-Messung sowie für Vertical-Seismic-Profiling eingesetzt werden.The preferred application of the device is in high-resolution reflection measurements in structures near the surface in loose and solid rock up to a depth of about 100 m. It allows these structures to be imaged with great accuracy using their reflective properties. The device can be used in the usual way for mapping, profile measurement, com-on-mid-point measurement and for vertical seismic profiling.
Die ' he Auflösung der Meßsignale erlaubt z.B. die sta¬ tische Korrektur reflexionsseismischer Signale, die durch die inhomogene oberflächennahe Schicht verfälscht werden. Die hohe Auflösung ermöglicht ferner die Verwen¬ dung der Vorrichtung zur Baugrunderkundung, zur Altla- stenkartierung, zur Abbildung archäologischer Fundstel¬ len oder Erfassung und Kontrolle von Grundwasserleitern.The resolution of the measurement signals allows e.g. the static correction of seismic signals which are falsified by the inhomogeneous layer near the surface. The high resolution also enables the device to be used for site investigation, for mapping old sites, for mapping archaeological sites or for recording and checking aquifers.
Der Signalgeber besteht aus einem Signalgenerator mit wählbarer Amplituden- und Frequenzcharakteristik, wobei in vorteilhafter Weise die Frequenz, die Wellenform und Intensität sowie der zeitliche Intensitätsverlauf sowie die Wiederholrate, Impulsfolge aber auch Dauerimpulse eingestellt und damit an Körpereigenschaften angepaßt werden können, um ein hochauflösendes Meßsignal zu er- halten. Dabei können auch frequenzmodulierte Schall¬ wellen erzeugt werden.The signal generator consists of a signal generator with selectable amplitude and frequency characteristics, whereby the frequency, the waveform and intensity as well as the temporal intensity curve as well as the repetition rate, pulse train but also continuous pulses can be set in an advantageous manner and thus adapted to body properties in order to provide a high-resolution measurement signal receive. Frequency-modulated sound waves can also be generated.
Die Luftschallquelle weist mindestens einen in einem einstellbaren Abstand von dem Körper angeordneten Laut- Sprecher auf, der über eine weiche Aufhängung vom Kör¬ per entkoppelt ist. Die einstellbare Höhe ermöglicht es, Resonanzen zu vermeiden, wobei die Befestigung der Lautsprecher über eine weiche Aufhängung, z.B. weiche Gummipuffer, eine quasi vollständige Entkopplung des Chassis der Luftschallquelle von dem zu untersuchenden Körper bewirken. - 6 -The airborne sound source has at least one loudspeaker arranged at an adjustable distance from the body, which is decoupled from the body via a soft suspension. The adjustable height makes it possible to avoid resonances, the attachment of the loudspeakers via a soft suspension, for example soft rubber buffers, resulting in a virtually complete decoupling of the chassis of the airborne sound source from the body to be examined. - 6 -
Zwischen dem Körper und der Lautsprecher und/oder einem Körperschallaufnehmer kann jeweils ein Impedanzwandler angeordnet sein. Dieser Impedanzwandler reduziert Re¬ flexionen an der Körperoberfläche und verbessert die Einkopplung der Schallimpulse.An impedance converter can be arranged between the body and the loudspeaker and / or a structure-borne sound sensor. This impedance converter reduces reflections on the body surface and improves the coupling of the sound impulses.
Zwischen Impedanzwandler und Körper kann eine Zwischen¬ schicht angeordnet sein, die ein Verschieben des Laut¬ sprechers bzw. des Körperschallaufnehmers erleichtert. Die Zwischenschicht ermöglicht es, Meßvorrichtungen, nämlich die Schallquelle einerseits und Schallaufnehmer andererseits, auf der Körperoberfläche zu verlagern, damit verschiedene Meßsignalauswerteverfahren, wie Kar¬ tierung, Profilmessung und Common-Mid-Point-Messungen, einsetzbar sind.An intermediate layer can be arranged between the impedance converter and the body, which facilitates displacement of the loudspeaker or the structure-borne sound sensor. The intermediate layer makes it possible to shift measuring devices, namely the sound source on the one hand and sound pickups on the other hand, onto the body surface, so that various measurement signal evaluation methods, such as mapping, profile measurement and common mid-point measurements, can be used.
Die Körperschallaufnehmer können auch in unterschiedli¬ chen Tiefen im zu untersuchenden Körper angeordnet sein und erlauben dadurch hochgenaue Geschwindigkeitsmessun- geh und z.B. bei geophysikalischer Anwendung eine exakte Teufenzuordnung zwecks Kalibrierung des Meßverfahrens.The structure-borne noise transducers can also be arranged at different depths in the body to be examined, thereby permitting highly precise speed measurements and e.g. with geophysical application an exact devil assignment for the calibration of the measuring method.
Als Körperschallaufnehmer können Geophone mit einer Eigenfrequenz ≥IOO Hertz verwendet werden. Der Stör- pegel bei niedriger Frequenz, z.B. aus verkehrsbeding¬ ten Schwingungen, wird dadurch reduziert. Entsprechend der gewählten Frequenz des Signals wird die Eigenfre¬ quenz der Geophone möglichst hoch gewählt, um nieder¬ frequentere Geräusche auszuschließen.Geophones with a natural frequency ≥IOO Hertz can be used as structure-borne sound sensors. The noise level at low frequency, e.g. from traffic-related vibrations is reduced. In accordance with the selected frequency of the signal, the natural frequency of the geophones is chosen to be as high as possible in order to exclude low-frequency noises.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die einzige Figur die Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt eine bewegliche Anordnung 1 eines Laut¬ sprechers 2, der in einstellbarer Höhe über dem Boden 3 in einer geeigneten Rahmenkonstruktion 4 aufgehängt ist. Zur Entkopplung des Lautsprechers von dem Unter- grund sind in dem Rahmen Entkopplungsvorrichtungen 5, z.B. weiche Aufhängungen, vorgesehen. Hierdurch wird die Erzeugung von Oberflächenwellen reduziert und die von dem Lautsprecher erzeugte signalform im wesentli¬ chen ungestört in das Locker- und Festgestein des Bo- dens 3 eingespeist.The invention is explained in more detail below with reference to the single figure. The figure shows a movable arrangement 1 of a loudspeaker 2 which is suspended at an adjustable height above the floor 3 in a suitable frame construction 4. Decoupling devices 5, for example soft suspensions, are provided in the frame for decoupling the loudspeaker from the ground. In this way, the generation of surface waves is reduced and the signal form generated by the loudspeaker is fed into the loose and solid rock of the ground 3 essentially undisturbed.
Ein oder mehrere hinsichtlich Leistung, Frequenzbereich und Dämpfung geeignete Lautsprecher können vorgesehen sein. Das Lautsprecherchassis 6 kann über eine zusätz- liehe Entkopplungsvorrichtung 7 mit dem entkoppelten Teil des Rahmens 4 verbunden sein.One or more loudspeakers suitable in terms of power, frequency range and attenuation can be provided. The loudspeaker chassis 6 can be connected to the decoupled part of the frame 4 via an additional decoupling device 7.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Einspeisung kann ein Impedanzwandler 8 unterhalb des Lautsprechers 2 auf dem Untergrund 3 fest oder beweglich angebracht werden. Bei vielen Lockergesteinen kann jedoch auf einen Impedanzwandler 8 verzichtet werden. Die Umwandlung von Luftschall in Körperschall wird nämlich nur soweit er¬ forderlich durch den Impedanzwandler 8 unterstützt.To improve the efficiency of the infeed, an impedance converter 8 can be attached to the base 3 in a fixed or movable manner below the loudspeaker 2. With many loose rocks, however, an impedance converter 8 can be dispensed with. The conversion of airborne sound into structure-borne sound is only supported to the extent necessary by the impedance converter 8.
Die reflektierten Sσhallsignale werden in der üblichen Weise mit Körperschallaufnehmern 9 am Boden 3 empfangen, die ebenfalls über einen festen oder beweglichen Impe¬ danzwandler 10 in ihrer Impedanz angepaßt sein können.The reflected echo signals are received in the usual way with structure-borne sound transducers 9 on the floor 3, which can also be adapted in terms of their impedance via a fixed or movable impedance converter 10.
Vorzugsweise werden Geophone mit einer Eigenfrequenz >100 Hertz eingesetzt. Die Signale der Körperschallaufnehmer 9, z.B. der Geo¬ phone, werden über einen von einem Rechner 11 ansteuer¬ baren Verstärker 12 verstärkt und dem Rechner 11 über einen A/D-Wandler 14 zugeführt.Geophones with a natural frequency> 100 Hertz are preferably used. The signals from the structure-borne noise transducers 9, for example the geophone, are amplified by an amplifier 12 which can be controlled by a computer 11 and fed to the computer 11 via an A / D converter 14.
Die Signalerzeugung erfolgt durch einen Signalgenerator 16, dessen Ausgangssignal hinsichtlich Amplitude, Fre¬ quenz, Wellenform und Frequenzmodulation einstellbar ist und über einen Leistungsverstärker 17 dem elektro- magnetischen Lautsprecher 2 zugeführt wird.The signal is generated by a signal generator 16, the output signal of which can be adjusted with regard to amplitude, frequency, waveform and frequency modulation and is supplied to the electromagnetic loudspeaker 2 via a power amplifier 17.
Die Signalerzeugung kann aber auch über den Rechner 11 erfolgen, durch den eine noch bessere Variation der SignalCharakteristik möglich ist. In diesem Fall werden die digitalen Signale des Rechners 11 über einen D/A¬ Wandler 18 dem Leistungsverstärker 17 zugeführt.The signal can also be generated via the computer 11, by means of which an even better variation of the signal characteristics is possible. In this case, the digital signals from the computer 11 are fed to the power amplifier 17 via a D / A converter 18.
Es ist auch möglich, wenn mehrere Lautsprecher vorgese¬ hen sind, diese Lautsprecher mit unterschiedlichen Sig- nalen, z.B. unterschiedlicher Frequenz, zu versorgen.If several loudspeakers are provided, it is also possible to provide these loudspeakers with different signals, e.g. different frequency to supply.
Die Ausgangsleistung des Verstärkers 17 sollte minde¬ stens 500 W betragen. Hinsichtlich der Frequenz kann generell gesagt werden, daß eine höhere Frequenz eine höhere Auflösung ergibt, allerdings bei etwas geringe¬ rer Durchdringungstiefe. Entsprechend ist bei niedri¬ geren Frequenzen die Durchdringungstiefe höher.The output power of the amplifier 17 should be at least 500 W. With regard to the frequency, it can generally be said that a higher frequency results in a higher resolution, albeit with a somewhat lower penetration depth. The penetration depth is correspondingly higher at lower frequencies.
Der Rechner 11 dient darüber hinaus der Registrierung der Meßwerte, der Koordination der ausgesandten Signal¬ impulse und der empfangenen Reflexionsimpulse, der Zwischenspeicherung und Auswertung der Ergebnisse usw. Mit Hilfe des Rechners 11 kann auch eine Signalstapelung durchgeführt werden, die wegen der vernachlässigbaren Verformung des Körpers 3 sehr genau reproduzierbar mög¬ lich ist.The computer 11 also serves to register the measured values, coordinate the emitted signal pulses and the received reflection pulses, temporarily store and evaluate the results, etc. With the aid of the computer 11, signal stacking can also be carried out, which is very precisely reproducible because of the negligible deformation of the body 3.
Zur Stromversorgung der elektrischen Geräte kann ein Stromgenerator 19 vorgesehen sein.A current generator 19 can be provided to supply power to the electrical devices.
Die Schallquellenanordnung 1 und die Körperschallauf- nahmevorrichtung 20 können über eine zwischen den An¬ ordnungen und dem Körper bzw. Boden 3 angeordnete Zwischenschicht 22 auf dem Boden 3 verschiebbar ange¬ ordnet sein.The sound source arrangement 1 and the structure-borne sound recording device 20 can be arranged displaceably on the floor 3 via an intermediate layer 22 arranged between the arrangements and the body or floor 3.
Die Körperschallaufnehmer 9 können auch in einer Boh¬ rung in unterschiedlichen Teufen angeordnet sein, um sehr genaue Geschwindigkeitsmessungen und damit Teufen- zuordnungen im Sinne einer Kalibrierung der Meßeinrich¬ tungen zu ermöglichen. The structure-borne noise transducers 9 can also be arranged in a bore in different depths in order to enable very precise speed measurements and thus depth assignments in the sense of a calibration of the measuring devices.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zum Erzeugen elastischer Wellen in einem Körper und zur seismischen Prospektion mit mindestens einer Luftschallquelle, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die mindestens eine Luftschallquelle minde¬ stens einen im Frequenzbereich zwischen 100 und 1500 Hertz arbeitenden elektromagnetischen Laut¬ sprecher (2) aufweist.1. Device for generating elastic waves in a body and for seismic prospection with at least one airborne sound source, so that the at least one airborne sound source has at least one electromagnetic loudspeaker (2) operating in the frequency range between 100 and 1500 Hertz.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich¬ net, daß der Luftschall eine definierte wählbare Amplituden- und FrequenzCharakteristik innerhalb des angegebenen Frequenzbereichs aufweist.2. Device according to claim 1, characterized gekennzeich¬ net that the airborne sound has a defined selectable amplitude and frequency characteristic within the specified frequency range.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Lautsprecher (2) in einem einstellbaren Abstand von dem Körper (3) angeordnet und über eine weiche Aufhängung (5,7) vom Körper entkoppelt ist.3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the at least one loudspeaker (2) is arranged at an adjustable distance from the body (3) and is decoupled from the body via a soft suspension (5, 7).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß zwischen dem Körper (3) und dem Laut¬ sprecher (2) und/oder einem Körperschallaufnehmer (9) jeweils ein Impedanzwandler (8,10) angeordnet ist.4. Apparatus according to claim 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that an impedance converter (8,10) is arranged between the body (3) and the speaker (2) and / or a structure-borne sound sensor (9).
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch gekennzeichnet, daß mehrere Körperschall¬ aufnehmer (9) in unterschiedlichen Abständen und /oder Tiefen vom/des zu untersuchenden Körper(s) (3) angeordnet sind. 5. Device according to one of claims 1 to 4, da¬ characterized in that a plurality of sound absorbers (9) are arranged at different distances and / or depths from / of the body (s) to be examined (3).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da¬ durch gekennzeichnet, daß die Körperschallaufneh¬ mer (9) aus Geophonen mit einer Eigenfrequenz £100 Hertz bestehen.6. Device according to one of claims 1 to 5, da¬ characterized in that the Körperschallaufneh¬ mer (9) consist of geophones with a natural frequency £ 100 Hertz.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da¬ durch gekennzeichnet, daß mehrere Lautsprecher in einer körperparallelen Ebene angeordnet sind.7. Device according to one of claims 1 to 6, da¬ characterized in that a plurality of speakers are arranged in a plane parallel to the body.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Lautsprecher unterschiedliche Schall¬ signale erhalten. 8. The device according to claim 7, characterized gekennzeich¬ net that the speakers receive different Schall¬ signals.
EP90905465A 1989-04-21 1990-04-10 Device for generating elastic waves in a body and for seismic prospecting Withdrawn EP0468984A1 (en)

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