KR101563536B1 - Low noise piezoceramic cylinder hydrophone for ocean bottom seismology and OBS receiver having the same - Google Patents

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박경수
이창식
김규중
권이균
신영재
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(주) 에이에이티
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Abstract

In the present invention, disclosed is a low noise piezoceramic cylinder hydrophone for an ocean bottom seismology (OBS). The present invention improves the performance of an OBS receiver with a cheap hydrophone using two piezoceramic cylinders by installing a first piezoceramic cylinder for measuring pressure due to a pressure wave (P wave) and a second piezoceramic cylinder for blocking the pressure with the same specification on the OBS receiver and attenuating a horizontal displacement noise generated in the piezoceramic cylinder due to the horizontal vibration with the displacement due to an elastic wave. Also, the present invention naturally attenuates a noise influence due to the physical displacement of various directions with a prediction difficulty which is physically applied to the receiver except the horizontal displacement noise due to the elastic wave.

Description

해저탄성파탐사용 저잡음 압전세라믹 실린더 하이드로폰 및 이를 구비하는 OBS 수신기{Low noise piezoceramic cylinder hydrophone for ocean bottom seismology and OBS receiver having the same}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a low noise piezoceramic cylinder hydrophone and an OBS receiver having the same,

본 발명은 탄성파를 이용한 해저 지층 탐사용 하이드로폰(hydrophone)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 압전세라믹 실린더(piezoceramic cylinder, 이하, "압전실린더"로 약칭함)를 이용하여 압력파(pressure wave, P파)를 수신하는 하이드로폰 및 이를 구비하는 OBS 수신기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrophone for seabed stratum exploration using seismic waves, and more particularly to a hydrophone using a pressure wave (P) using a piezoceramic cylinder Wave and an OBS receiver having the same.

해저탄성파탐사법(ocean bottom seismology, OBS)은 에어건 또는 다이나마이트 등으로 강한 탄성파(seismic wave)를 터뜨리고, 이 탄성파가 해저지층 내부에서 반사되어 돌아오는 반사신호를 해저에 설치한 수신기로 수신하여, 해저의 지층 구조를 탐사하는 방법이다. OBS는 1980년대부터 주로 해저유전을 개발하기 위하여 급격히 발전하였다. 2000년대 들어와서는 OBS 탐사장비가 상업적으로 시판되기 시작하였고, 최근에는 이러한 탐사법으로 지질학적인 지층구조와 연안의 안전을 예측하기 위한 해저단층을 조사하는 분야에도 적용되고 있다. OBS 탐사장비는 워낙 고가여서 우리나라에서는 OBS방법으로 연안의 해저자료를 측정한 적은 아직 없으며, 2013년부터 OBS 장비개발을 위한 시험을 수행하고 있는 중이다.Ocean bottom seismology (OBS) is a technique that sees a seismic wave with an air gun or a dynamite, receives the reflection signal reflected from the seabed layer by a receiver installed on the sea floor, Is a method of exploring the stratum structure. OBS has developed rapidly since the 1980s, mainly to develop submarine oil fields. In the early 2000s, OBS exploration equipment began to be commercially available, and in recent years it has also been applied to investigate geologic stratigraphy and seafloor faults to predict coastal safety. Since OBS exploration equipment is so expensive, there has not yet been a survey of coastal seabed data by OBS method in Korea, and we are conducting tests for OBS equipment development from 2013.

도 1은 해저탄성파탐사(OBS)의 개념을 설명하기 위한 간략한 도면이다. OBS시스템은 탐사선(11), OBS송신기(12) 및 1개 이상의 OBS수신기(14)로 구성된다. 송신기는 탐사선이 끌고 다니면서 수면에서 탄성파를 발사하지만, 해저에 내려서 바닥에서 탄성파를 발생시키기도 한다. 1 is a simplified diagram for explaining the concept of an undersea seismic exploration (OBS). The OBS system consists of a probe 11, an OBS transmitter 12 and one or more OBS receivers 14. The transmitter radiates seismic waves from the water while the probe is dragged, but it also falls on the seabed to generate seismic waves at the bottom.

탐사선(11)은 이동하면서 OBS 송신기(12)를 일정 시간 간격(1초~20초)으로 가동하여 탄성파를 발사한다. OBS 수신기(14)의 경우, 회수를 간편하게 하기 위하여 일정 길이 간격으로 케이블에 OBS 수신기(14)를 부착하여 해저에 설치하는 것이 보통인데, 잠수부나 잠수정을 이용하여 일정 길이 간격으로 해저 바닥에 고정하는 방법으로 설치하기도 한다.The probe 11 moves the OBS transmitter 12 at a predetermined time interval (1 second to 20 seconds) while emitting the seismic waves. In order to simplify the recovery of the OBS receiver 14, an OBS receiver 14 is usually attached to the cable at intervals of a predetermined length and installed on the seabed. It is fixed to the bottom of the seabed at regular intervals using a diver or a submersible It can also be installed as a method.

도 1에서 보듯이, OBS의 목표는 해저지층 내부를 조사하는 것이므로, OBS수신기에 수신되는 신호 중에서 중요한 신호는 해저지층 내부에서 반사되어 돌아오는 신호, 즉, 해저바닥 아래에서 위로 올라오는 윗방향의 신호이며, 위에서 아래로 내려가는 아랫방향의 신호는 잡음에 해당함을 알 수 있다. 수평방향성분의 신호는 해저지층 내부구조의 조사에서는 덜 중요하다. 그러므로 OBS의 핵심기술은 OBS수신기에 수신되는 신호 중에서 잡음에 해당하는 아랫방향의 신호들을 제거하는 기술이라고 말할 수 있다. 하지만, 아랫방향의 신호는 잘 제거하고 윗방향의 신호는 잘 증폭하는 기술은 대단히 어렵다.As shown in FIG. 1, the target of the OBS is to examine the interior of the seabed so that an important signal among the signals received by the OBS receiver is a signal that is reflected from the bottom of the seabed, that is, Signal, and the downward signal from the top down corresponds to the noise. Signals in the horizontal component are less important in the investigation of the inner structure of the seafloor. Therefore, the core technology of OBS is a technique to remove the downward signals corresponding to the noise among the signals received by the OBS receiver. However, it is very difficult to remove the downward signal well and amplify the upward signal well.

탄성파는 압력파(pressure wave, P파)와 전단파(shear wave, S파)로 구성되는데, S파는 OBS중에서도 더욱 정교한 OBS에서만 이용되는 것이므로 본 발명에서는 P파만 다루기로 한다. OBS기술을 구현하는 기본 원리는 P파가 진행하는 방향이 아랫방향일 경우에는 지오폰과 하이드로폰에 수신되는 신호의 위상이 동일하고, P파가 진행하는 방향이 윗방향일 경우에는 지오폰과 하이드로폰에 수신되는 신호의 위상이 서로 반대라는 현상을 이용하는 것이다. 따라서 OBS수신기는 위상을 판별하기 위하여 적어도 1개의 하이드로폰과 1개의 지오폰(geophone)이 필요하다. 하지만, 하이드로폰의 경우에는 잡음이 심하여, 잡음을 줄이기 위해서는 1개의 OBS수신기에 다수 배열의 하이드로폰을 사용하게 되고 이에 따라 장비가격이 매우 높아지는 문제가 있는 실정이다.The elastic wave is composed of a pressure wave (P wave) and a shear wave (S wave). Since the S wave is used only in more sophisticated OBS among the OBS, the P wave is dealt with in the present invention. The basic principle of implementing OBS technology is that when the direction of the P wave is downward, the phase of the signal received by the geophone and the hydrophone is the same, and when the direction of the P wave is upward, The phenomenon that the phases of the signals received by the hydrophone are opposite to each other. Therefore, the OBS receiver requires at least one hydrophone and one geophone to determine the phase. However, in the case of a hydrophone, there is a problem in that the noise is heavy and a plurality of hydrophones are used in one OBS receiver in order to reduce the noise, thereby increasing the equipment cost.

OBS의 음향수신센서로는 2종류가 있으며 하이드로폰과 지오폰이 그것이다. OBS수신기(14A~14C)는 하이드로폰과 지오폰으로 탄성파를 각각 수신하여 그 신호를 저장한다. 도 1에서는 OBS송신기(12)로부터 1회 발사된 탄성파에 대한 OBS수신기 중 1대(14C)에서 시간에 따라 수신되는 하이드로폰 수신신호(18)와 지오폰 수신신호(19)를 각각 도시하였다. OBS송신기(12)로부터 발사된 탄성파는 사방으로 전파되지만, 여기서는 그 중에서 OBS수신기(14C)에 도달하는 파에 대해서만 그 경로를 도시한다.There are two types of acoustic reception sensors in OBS: hydrophones and geophones. The OBS receivers 14A to 14C receive the acoustic waves from the hydrophones and the geophones, respectively, and store the signals. In FIG. 1, a hydrophone reception signal 18 and a geophone reception signal 19, which are received over time in one (14C) of the OBS receivers for an elastic wave once fired from the OBS transmitter 12, are shown. The seismic waves emitted from the OBS transmitter 12 propagate in all directions, but here, only those waves reaching the OBS receiver 14C are shown.

OBS수신기(14C)에 가장 먼저 도달하는 P파는 직선으로 오는 파로써(13), 신호의 크기가 가장 강하며(13H, 13G), 이 신호는 해저바닥의 위치를 나타낸다. 이 신호는 아랫방향으로 진행하는 P파이므로 하이드로폰과 지오폰에서 위상이 동일하다. The P wave arriving first in the OBS receiver 14C is a straight line 13, the signal is strongest (13H, 13G) and this signal indicates the location of the bottom of the seabed. This signal is a P-wave traveling in the downward direction, so the phases are the same in the hydrophone and the geophone.

(15A)방향으로 진행하는 P파는 일부는 지층 표면(101)에서 수중으로 반사되고(15C), 일부는 지층으로 침투하여 하부지층(102)에서 반사되어 수신기(14C)에 도달하는데, 지층내에서는 감쇄가 심하므로 이러한 지층신호의 크기는 크지 않다(15H, 15G). 이 신호의 경우 하이드로폰에서는 위상이 변하지 않는 반면에(15H), 지오폰에서는 위상이 역으로 나타난다(15G). 중력을 거스르는 윗방향으로 진행하여 수신되었기 때문이다.A portion of the P wave propagating in the direction 15A is reflected in the water 15C at the stratum surface 101 and some penetrates into the stratum and is reflected at the lower stratum 102 to reach the receiver 14C, Since the attenuation is severe, the magnitude of these stratum signals is not large (15H, 15G). In the case of this signal the phase does not change in the hydrophone (15H), whereas in geophones the phase is reversed (15G). This is because it was received in the upward direction against gravity.

(16A)방향으로 진행하는 P파는 지층 표면(101)에서 1회 반사되고(16B), 다시 해면(17)에서 반사된 후(16C) 일부는 수신기(14C)에 도달하는데, 지층 표면(101)과 해면(17)은 좋은 반사면이므로 신호 크기는 상당히 강한 특징이 있다(16H, 16G). 이렇게 2회 이상 반사된 후에 수신기에 기록되는 신호를 멀티플(multiple)이라고 부르는데, 이러한 멀티플은 해저지층에서 올라오는 신호들과 겹치기 때문에 OBS수신기록에서 가장 큰 잡음에 해당하는 것이다. The P wave traveling in the direction 16A is reflected once at the surface layer 101 and then reflected at the surface 17C again and then reaches the receiver 14C, Since the surface 17 and the surface 17 are good reflecting surfaces, the signal size is very strong (16H, 16G). The signal recorded in the receiver after two or more reflections is called multiple, which is the largest noise in the OBS receive record because it overlaps with the signals coming from the undersea layer.

강한 멀티플은 거의 대부분 아랫방향으로 진행하는 파에 해당하므로 하이드로폰과 지오폰에서 위상이 동일하다(16H, 16G). 도 1은 송신파 및 수신파가 이상적인 경우, 또한 하이드로폰과 지오폰도 이상적인 경우의 예이기 때문에, 이러한 위상의 차이를 이용하면 지층신호와 멀티플을 쉽게 구분할 수 있는 것 같이 보인다. Strong multiples are mostly downward waves, so they are identical in phase (16H, 16G) in hydrophones and geophones. Fig. 1 shows the case where the transmission wave and the reception wave are ideal, and the hydrophone and the geophone are also ideal cases.

하지만, 실제로는 송신파도 단일 주파수가 아니고, 하이드로폰의 수신 잡음이 매우 심하기 때문에 도 1에 도시된 내용은 오직 이상적인 경우를 설명한 것에 불과하고, 실제로는 잡음의 영향으로 정확한 측정이 매우 어렵다.However, in reality, the transmission wave is not a single frequency, and the reception noise of the hydrophone is very high. Therefore, the contents shown in Fig. 1 merely illustrate the ideal case. In fact, accurate measurement is very difficult due to the influence of noise.

따라서, 수신된 신호에서 효과적으로 잡음을 제거하여 보다 정확한 측정을 가능하게 하는 하이드로폰 및 이를 이용한 OBS 수신기가 요구된다.
Therefore, there is a need for a hydrophone and an OBS receiver using the same, which effectively removes noise from the received signal to enable more accurate measurement.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 범용으로 이용할 수 있는 압전세라믹 실린더를 이용한 해저탄성파탐사(OBS)용 하이드로폰을 제공함으로써, 수신되는 신호의 잡음을 효과적으로 제공하면서도 고가의 OBS수신기를 대체할 수 있는 저가의 OBS수신기를 제공하는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hydrophone for an underwater seabed seismic exploration (OBS) using a general-purpose piezoelectric ceramic cylinder, which can effectively replace the expensive OBS receiver while effectively providing noise of a received signal Low-cost OBS receiver.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이드로폰은, 외부로부터 인가되는 압력 및 진동 변화가 전달되도록 설치되어, 압력 및 진동 변화에 대응되는 전기 신호를 출력하는 제 1 압전 세라믹 실린더; 외부의 압력이 내부에 수용된 제 2 압전 세라믹 실린더에 인가되는 것을 차단하고, 외부의 진동 변화만을 상기 제 2 압전 세라믹 실린더에 전달하는 하우징; 및 상기 하우징 내부에 수용되어 진동 변화에 따른 전기 신호를 출력하는 상기 제 2 압전 세라믹 실린더를 포함하고, 상기 제 1 압전 세라믹 실린더 및 상기 제 2 압전 세라믹 실린더는 서로 같은 극끼리 연결되어, 상기 제 1 압전 세라믹 실린더에 인가된 압력 변화에 대응되는 전기 신호만을 출력할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a hydrophone comprising: a first piezoelectric ceramic cylinder that is installed to transmit pressure and vibration changes applied from the outside, and that outputs an electric signal corresponding to pressure and vibration changes; ; A housing for blocking external pressure from being applied to the second piezoelectric ceramic cylinder housed therein and transmitting only an external vibration change to the second piezoelectric ceramic cylinder; And a second piezoelectric ceramic cylinder accommodated in the housing and outputting an electric signal according to a change in vibration, wherein the first piezoelectric ceramic cylinder and the second piezoelectric ceramic cylinder are connected to each other with the same polarity, It is possible to output only the electric signal corresponding to the pressure change applied to the piezoelectric ceramic cylinder.

또한, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해저 탄성파 탐사용 수신기는, 상기 하이드로폰을 포함할 수 있다.In order to solve the above-described problems, a submarine seismic wave detection receiver according to a preferred embodiment of the present invention may include the hydrophone.

또한, 상기 해저 탄성파 탐사용 수신기는, 수직 방향의 진동에 대응되는 전기 신호를 출력하는 지오폰을 더 포함하고, 상기 하이드로폰과 상기 지오폰은 동일한 진동 변화가 인가되도록 일체로 형성될 수 있다.
In addition, the seabed seismic wave detection receiver may further include a geophone that outputs an electrical signal corresponding to vertical vibration, and the hydrophone and the geophone may be integrally formed to apply the same vibration change.

본 발명은 하나의 OBS 수신기에 제 1 압전실린더 하이드로폰과 제 2 압전실린더 하이드로폰을 동시에 설치하되, 압력파(P파)의 압력 측정을 위한 제 1 압전실린더 하이드로폰은 P파의 압력 변화에 의한 영향 및 물리적인 진동에 의한 영향에 모두 반응할 수 있도록 OBS 수신기에 설치하고, 제 2 압전실린더 하이드로폰은 제 1 압전실린더 하이드로폰과 동일한 사양으로 견고한 하우징 내부에 배치하여 P파에 의한 압력 변화에 의한 영향은 차단하고 물리적 진동에 의한 영향에만 반응하도록 설치하였다. 상기와 같이 구성함으로써, 본 발명의 OBS 수신기는 P파에 의한 압력 변화 이외에 탄성파로 인하여 발생하는 수평적인 변위(displacement) 진동에 의해 압전실린더에서 발생하는 잡음을 서로 상쇄하도록 구성할 수 있고, 이에 따라서, 범용의 압전실린더를 이용한 하이드로폰으로도 P파 측정의 정확도를 개선할 수 있어, 정확한 측정이 가능한 OBS수신기를 저가로 제공할 수 있다.In the present invention, the first piezoelectric cylinder hydrophone and the second piezoelectric cylinder hydrophone are simultaneously installed in one OBS receiver, and the first piezoelectric cylinder hydrophone for measuring the pressure of the pressure wave (P wave) And the second piezoelectric cylinder hydrophone is placed inside a rigid housing with the same specifications as the first piezoelectric cylinder hydrophone so that the pressure change due to the P wave And to respond only to the effects of physical vibration. With the above configuration, the OBS receiver of the present invention can be configured to cancel the noise generated in the piezoelectric cylinder by horizontal displacement vibration generated due to the acoustic wave in addition to the pressure change due to the P wave, , A hydrophone using a general-purpose piezoelectric cylinder can improve the accuracy of P-wave measurement, and can provide an OBS receiver capable of accurate measurement at a low cost.

또한, 본 발명은 상기와 같이, 탄성파로 인한 변위 잡음 이외에, 수신기에 물리적으로 가해지는 예측이 어려운 가속도에 의한 잡음 영향도 자연스럽게 상쇄할 수 있는 효과가 있다.
In addition, as described above, the present invention has an effect of naturally canceling the noise caused by the acceleration, which is difficult to predict, which is physically applied to the receiver, in addition to the displacement noise caused by the acoustic waves.

도 1 은 해저탄성파탐사(OBS)의 개념 설명을 위한 OBS시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2 는 하이드로폰과 지오폰을 포함하는 종래 기술의 OBS수신기의 일예를 도시하는 도면이다.
도 3 은 하이드로폰에 사용되는 압전세라믹 실린더의 특성을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에서 P파를 수신할 때 압력 이외의 물리적인 변위에 의한 잡음을 제거하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OBS수신기의 구성을 도시하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an OBS system for explaining the concept of an ocean bottom seismic exploration (OBS). FIG.
2 is a diagram showing an example of a prior art OBS receiver including a hydrophone and a geophone.
3 is a view showing the characteristics of a piezoelectric ceramic cylinder used in a hydrophone.
4 is a view for explaining the principle of eliminating noise due to physical displacement other than pressure when receiving a P wave in the present invention.
5 is a diagram illustrating a configuration of an OBS receiver according to a preferred embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해저탄성파탐사용 저잡음 압전세라믹 실린더 하이드로폰 및 이를 구비하는 OBS 수신기를 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a low-noise piezoelectric ceramic cylinder hydrometer and an OBS receiver including the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2 는 하이드로폰과 지오폰을 포함하는 종래 기술의 OBS수신기의 일예를 도시하는 도면이다. OBS 수신기(20)는 지오폰(21), 하이드로폰(22) 및 신호기록부(23, 하우징(23-1) 내부에 수용된 전자장치(23-2)는 구체적인 도시 생략)로 구성된다. 이 예에서 지오폰(21)은 기본적인 수직 지오폰으로, 그 원리는 자성체에 의해서 발생하는 자기장속에서 코일이 수직방향(중력방향)으로 진동할 때 코일에 전압이 유도되는 것이다. 2 is a diagram showing an example of a prior art OBS receiver including a hydrophone and a geophone. The OBS receiver 20 includes a geophone 21, a hydrophone 22 and a signal recording unit 23 and an electronic device 23-2 housed in the housing 23-1. In this example, the geophone 21 is a basic vertical geophone, and its principle is that a voltage is induced in the coil when the coil vibrates in the vertical direction (gravity direction) in a magnetic field generated by the magnetic body.

따라서, 출력되는 전압의 극성은 중력에 대하여 윗방향일 경우와 아랫방향일 경우 역으로 나타난다. 수직 지오폰은 수직방향 변위(displacement) 성분에만 반응하는데, 지오폰의 출력전압은 수직에 대하여 각도가 0o일 때 가장 크고, 각도가 커질수록 그 각도에 대한 cosine값으로 출력전압이 감소하며, 각도가 180o일 때 출력전압은 0이 된다. Therefore, the polarity of the output voltage is reversed when it is in the upward direction or in the downward direction with respect to gravity. Vertical geophones respond only to vertical displacement components. The output voltage of a geophone is greatest when the angle is 0 ° with respect to vertical. As the angle increases, the output voltage decreases with cosine of the angle. When the angle is 180 ° , the output voltage becomes zero.

지오폰(21)은 지오폰 소자(element)(24)가 이를 수납하는 하우징(25)과 동일하게 움직이도록 부착되어있고, 하우징(25) 또한 OBS 수신기(20)와 한 몸체를 이루므로 지오폰(21)에 가해지는 물리적인 진동은 OBS수신기(20) 전체에 가해지는 진동과 동일하다. 지오폰(21)의 주파수대역은 보통 10Hz부터 400Hz 이하로써 수중에서의 파장(wave length)은 약 4m 이상으로 파장이 매우 긴 저주파 대역에 해당한다. The geophone 21 is attached so that the geophone element 24 moves in the same manner as the housing 25 accommodating the geophone element 24. The housing 25 also forms a body with the OBS receiver 20, The physical vibration applied to the OBS receiver 20 is the same as the vibration applied to the entire OBS receiver 20. The frequency band of the geophone 21 is usually from 10 Hz to 400 Hz, and the wave length in the water is about 4 m or more, which corresponds to a very long low-frequency band.

하이드로폰(22)은 압전실린더(27)와 이 실린더를 해수와 분리하는 방수층(28)으로 구성되는데, 주파수특성을 좋게 하기 위하여 실린더 상하를 디스크(29) 같은 것으로 밀봉하고 실린더 내부를 공기(26)로 비워두는 것이 일반적이다. 여기서 방수층(28)은 폴리우레탄층으로 구현되는 것이 일반적이다. The hydrophone 22 is composed of a piezoelectric cylinder 27 and a waterproof layer 28 for separating the cylinder from seawater. In order to improve the frequency characteristics, the cylinder 29 is sealed upside down with a disk 29, ). Here, the waterproof layer 28 is generally formed of a polyurethane layer.

이 하이드로폰(22) 또한 지오폰(21)과 마찬가지로 OBS수신기(20)와 한 몸체를 이루므로 하이드로폰에 가해지는 물리적인 진동은 OBS수신기 전체에 가해지는 진동과 동일하다. OBS수신기에서는 수신되는 신호의 위상이 중요하므로, 물리적인 진동이나 움직임도 하이드로폰과 지오폰에 동일하게 작용하도록 한 몸체로 구성하는 것이다. OBS용 하이드로폰(22)의 주파수대역은 보통 1Hz부터 1KHz 이상으로 지오폰의 주파수 대역보다 훨씬 넓고 출력되는 신호의 위상도 차이가 있다. 그러나, 정교한 OBS탐사장비에서는 하이드로폰 신호의 증폭시, 지오폰의 주파수 대역과 위상에 대응하는 필터회로를 사용한다.
Since this hydrophone 22 also forms a body with the OBS receiver 20 like the geophone 21, the physical vibration applied to the hydrophone is the same as the vibration applied to the entire OBS receiver. In the OBS receiver, the phase of the received signal is important, so that the physical vibration and the movement also constitute one body so that the hydrophone and the geophone function in the same way. The frequency band of the hydrophone 22 for OBS is usually 1 Hz to 1 KHz or more, which is much wider than the frequency band of the geophone, and the phase of the output signal is also different. However, in sophisticated OBS exploration equipment, the filter circuit corresponding to the frequency band and phase of the geophone is used in the amplification of the hydrophone signal.

도 3은 하이드로폰에 사용되는 압전실린더의 특성에 관한 것으로 압전실린더에 가해지는 주요 압력방향과 그에 따른 출력전압극성을 도시하는 도면이다. 압전실린더(31)의 외부(32)와 내부(33)는 금속전극으로 입혀져 있으며, 이 전극은 각각 + 및 -의 극성이 있다. 하이드로폰은 압전실린더에 가해지는 힘의 변화에 따라 전압이 출력되는 현상을 이용하는 음향센서인데, 힘에는 압력, 속도, 온도 등의 변화가 가장 큰 영향을 미친다. 여기서 온도는 그 변화가 매우 느리므로 고려 대상이 아니다. 그러므로 OBS에서 하이드로폰에 미치는 힘의 변화는 압력과 속도, 이 2종류이다. OBS에 관해서 수중에서의 대표적인 압력의 변화는 압력파(P파)이며, 수중에서의 대표적인 속도의 변화(속도 변화는 가속도에 해당함)도 역시 P파에 동반해서 나타나는 물리적인 진동이다.3 is a diagram showing the main pressure direction applied to the piezoelectric cylinder and the resulting output voltage polarity, with respect to the characteristics of a piezoelectric cylinder used in a hydrophone. The outer portion 32 and the inner portion 33 of the piezoelectric cylinder 31 are covered with metal electrodes, and these electrodes have polarities of + and -, respectively. A hydrophone is an acoustic sensor that utilizes the phenomenon that a voltage is output in response to a change in force applied to a piezoelectric cylinder. The change in pressure, speed, and temperature has the greatest influence on the force. The temperature here is not considered because the change is very slow. Therefore, there are two types of pressure and speed changes in the force applied to the hydrophone in OBS. As for OBS, a typical change in pressure in water is a pressure wave (P wave), and a change in a representative velocity in water (a velocity change corresponds to an acceleration) is also a physical vibration accompanied by a P wave.

본 발명에서의 가장 중요한 아이디어는 압전실린더에 작용하는 2종류 힘의 변화를 분리해내는 것이다. 그 분리하는 기준은 압전실린더의 변위(displacement)이며, 보다 더 정확하게 표현하면 압전실린더 중심의 변위이다.The most important idea in the present invention is to separate the two kinds of force changes acting on the piezoelectric cylinder. The separation criterion is the displacement of the piezoelectric cylinder, and more precisely, the displacement of the center of the piezoelectric cylinder.

P파에 따른 압력의 변화에 대한 압전실린더의 전극에 나타나는 전압은 (34)처럼 팽창할 때와 (35)처럼 수축할 때에 그 극성이 반대이다. 도 3에서는 이해를 돕기 위하여 압전실린더가 크게 휘는 것처럼 도시하였지만 실제 휘는 정도는 눈에 보이지 않는다. 압력만이 작용하는 경우에는 좌우 대칭으로 미세한 변위가 발생하지만 그 변위가 대칭이어서 압전실린더 중심의 변위는 없음을 알 수 있다. The voltage appearing on the electrode of the piezoelectric cylinder with respect to the change in pressure along the P wave is opposite when polarized as in (34) and shrinking as in (35). In Fig. 3, although the piezoelectric cylinder is shown as being greatly curved in order to facilitate understanding, the actual degree of curvature is invisible. When only the pressure acts, a slight displacement occurs symmetrically, but the displacement is symmetric, indicating that there is no displacement of the center of the piezoelectric cylinder.

P파에 따른 물리적인 진동은 P파의 진행방향에 따라 다르게 나타난다. P파가 상하로 진행할 경우에는 상하방향의 변위가 나타나며, 수평으로 진행할 경우에는 좌우방향으로 변위가 나타난다. OBS에서는 지오폰이든 하이드로폰이든 한 몸체에 붙어있으므로 그 진동하는 방향이나 변위 또한 동일하다. 도 3에는 압전실린더가 좌우로 진동하는 경우의 예(36, 37)를 도시한다. 이 경우에는 압전실린더 중심이 좌나 우로 이동하는 변위가 발생하는데, 이 경우에도 압력 변화, 즉, 팽창(34) 및 수축(35)에 비하여서는 크지 않지만 실제로 상당한 전압이 출력된다. 그 극성은 예측이 어렵고(단자에 ?로 표시) 압전실린더에서 발생하는 잡음에 해당하는 것이다. 만일 압전실린더 1개를 그 중심이 움직이지 않도록 견고하게 고정할 경우에는 압전실린더 중심이 움직이는 일이 없으므로 이러한 잡음이 발생하지 않겠지만, 실제 해저바닥에 견고하게 고정시키는 것은 어렵다. 또한 하이드로폰은 견고하게 고정할 경우 진동모드가 변하므로 견고하게 고정하면 오히려 더 큰 문제가 발생한다.
The physical vibration due to the P wave varies depending on the direction of the P wave. When the P wave propagates up and down, the vertical displacement appears. When the P wave propagates horizontally, the displacement appears in the horizontal direction. In an OBS, either a geophone or a hydrophone is attached to one body, so the direction and displacement of vibration are the same. Fig. 3 shows examples (36, 37) in which the piezoelectric cylinder vibrates from side to side. In this case, a displacement occurs in which the center of the piezoelectric cylinder moves to the left or right. In this case, a considerable voltage is actually outputted although it is not large compared with the pressure change, that is, the expansion 34 and the contraction 35. The polarity is hard to predict and corresponds to the noise generated in the piezoelectric cylinder (indicated by? On the terminal). If the piezoelectric cylinder is rigidly fixed so that its center does not move, the center of the piezoelectric cylinder will not move, so that noises will not occur. However, it is difficult to securely fix the piezoelectric cylinder to the bottom of the seabed. In addition, when the hydrophone is fixed firmly, the vibration mode changes.

도 4는 상기 잡음을 제거하는 원리를 설명하는 도면이다. 예를 들어, 전압이 동일한 2개의 전지를 극성이 반대가 되도록 직렬로 연결하면(즉, 같은 극끼리 연결하면) 출력되는 전압은 0이다(41). 물론 전지 2개의 전압이 다르다면 출력되는 전압은 그 차이로 나타난다. 압전세라믹도 극성이 있으므로 전지와 마찬가지로 제 1 압전실린더(42)와 제 2 압전실린더(43) 2개의 극성을 반대로 연결할 경우(즉, 같은 극성을 갖는 극끼리 연결하면) 2개의 조건이 동일하다면 출력도 0이 된다. 4 is a view for explaining the principle of removing the noise. For example, if two batteries with the same voltage are connected in series with opposite polarities (ie, connected with the same poles), the output voltage is zero (41). Of course, if the voltage of two cells is different, the output voltage appears as the difference. Since the piezoelectric ceramics are also polarized, if the two polarities of the first and second piezoelectric cylinders 42 and 43 are reversed (that is, when the poles having the same polarity are connected to each other) 0 ".

여기서, 제 2 압전실린더(43)를 P파의 압력이 걸리지 않도록 압력차단 하우징(44)속에 설치한다면, 물리적인 진동에 의한 변위는 제 1 압전 실린더(42) 및 제 2 압전 실린더(43)에 모두 작용하지만, P파의 압력 변화는 제 1 압전실린더(42)에만 수신되고 제 2 압전실린더(43)에는 수신되지 않는다. 따라서, A단자와 B단자 사이에는 2개 압전실린더 각각의 출력 차이에 해당하는 신호만 출력되는데, 동일한 물리적 진동에 의해서 발생된 신호는, 크기가 동일하고 극성이 반대이므로(같은 극끼리 연결되어 있으므로) 서로 상쇄되어 출력되지 않으므로, A단자와 B단자 사이 출력은 순수하게 P파의 압력 변화에 의해서 발생한 전압에 해당된다.
Here, if the second piezoelectric cylinder 43 is installed in the pressure cutoff housing 44 so as to prevent the pressure of the P wave from being applied, the displacement due to the physical vibration is transmitted to the first and second piezoelectric cylinders 42 and 43 However, the pressure change of the P wave is received only in the first piezoelectric cylinder 42 and not in the second piezoelectric cylinder 43. Therefore, only the signal corresponding to the output difference of each of the two piezoelectric cylinders is outputted between the terminal A and the terminal B. Since the signals generated by the same physical vibration have the same size and the opposite polarity ), The output between the A terminal and the B terminal corresponds to a voltage generated by a pure P wave pressure change.

도 5 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OBS 수신기의 구성을 도시하는 도면이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 OBS 수신기(500)는 제 1 하이드로폰(510), 제 2 하이드로폰(520), 지오폰(540) 및 신호기록부(530)가 일체로 형성된다.5 is a diagram illustrating a configuration of an OBS receiver according to a preferred embodiment of the present invention. 5, a first hydrophone 510, a second hydrophone 520, a geophone 540, and a signal recording unit 530 are integrally formed in the OBS receiver 500 according to the present invention.

도 3 및 도 4에 도시된 2개의 압전 실린더는 제 1 하이드로폰(510) 및 제 2 하이드로폰(520)에 각각 설치된다.The two piezoelectric cylinders shown in Figs. 3 and 4 are installed in the first hydrophone 510 and the second hydrophone 520, respectively.

제 1 하이드로폰(510)의 제 1 압전실린더(517)는 제 2 하이드로폰(520)의 제 2 압전실린더(524)와 동일한 제작사에서 동일한 시점에 생산된, 즉 lot번호가 같은 것을 사용하며, 비록 도시되지는 않았지만, 제 1 압전실린더(517) 및 제 2 압전실린더(524)는 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 극이 서로 연결되도록(즉, 극성이 반대가 되도록) 상호 연결되고, 다른 극은 신호기록부 내부의 전자장치(531)로 연결된다.The first piezoelectric cylinder 517 of the first hydrophone 510 uses the same lot number produced at the same time in the same manufacturer as the second piezoelectric cylinder 524 of the second hydrophone 520, Although not shown, the first piezoelectric cylinder 517 and the second piezoelectric cylinder 524 are interconnected such that the same poles are connected to each other (that is, the polarities are opposite), as shown in Fig. 4, The pole is connected to the electronic device 531 inside the signal recording section.

아울러, 압전실린더 상하를 막는 디스크(519,527) 및 폴리우레탄으로 형성될 수 있는 방수층(518,525)도 제 1 압전실린더(517) 및 제 2압전실린더(524)가 서로 동일한 재질로 사용되며, 방수층의 몰딩작업도 동일한 조건으로 수행되어 제 1 압전실린더(517) 및 제 2 압전실린더(524)의 내부(516,523)공간은 공기로 충진된다. The first piezoelectric cylinder 517 and the second piezoelectric cylinder 524 are also made of the same material as the disks 519 and 527 blocking the upper and lower portions of the piezoelectric cylinder and the waterproof layers 518 and 525 formed of polyurethane, The operation is also performed under the same conditions, so that the spaces of the first piezoelectric cylinder 517 and the spaces 516 and 523 of the second piezoelectric cylinder 524 are filled with air.

한편, 제 1 하이드로폰(510)의 방수층(518)은 해수에 노출되어 해수를 통해서 전달되는 압력 변화 및 물리적 진동을 제 1 압전 실린더(517)에 전달하는 반면, 제 2 하이드로폰(520)의 제 2 압전 실린더(524)는 금속재 또는 견고한 플라스틱재 하우징(526) 내부에 배치되므로, 해수를 통해서 전달되는 물리적인 진동은 하우징(526)을 통해서 제 2 압전 실린더(524)에 전달되지만, 해수를 통해서 전달되는 압력 변화는 하우징(526)에 의해서 차단되어 제 2 압전 실린더(524)에 전달되지 않는다.On the other hand, the waterproof layer 518 of the first hydrophone 510 transmits the pressure change and physical vibration transmitted through the sea water to the first piezoelectric cylinder 517 while exposed to the sea water, Since the second piezoelectric cylinder 524 is disposed within the metal material or the rigid plastic housing 526, the physical vibration transmitted through the seawater is transmitted to the second piezoelectric cylinder 524 through the housing 526, Is not blocked by the housing 526 and is not transmitted to the second piezoelectric cylinder 524.

지오폰 소자(540)는 OBS 수신기(500)의 신호기록부 하우징(532)의 바닥에 접착하여도 상관없다. 지오폰 소자(540)의 상부에는 공기층을 만들어서 신호기록부 전자장치(531)의 진동이 직접 지오폰 소자(540)에 영향을 미치지 않도록 중간막(538)이 형성되어 있다.The geophone element 540 may adhere to the bottom of the signal recording housing 532 of the OBS receiver 500. [ An intermediate layer 538 is formed on the upper part of the geophone element 540 so that the vibration of the signal recording part electronic device 531 does not directly affect the geophone element 540.

도 5에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OBS 수신기(500)의 동작을 살펴보면, 지오폰(540) 및 하이드로폰(5101,520)은 OBS 수신기(500)에 일체로 형성되어 있으므로, P파에 의한 외부 압력이 모두 동일하게 작용하고, 외부에서 인가되는 진동 방향이나 변위 또한 동일하게 작용한다.5, since the geophone 540 and the hydrophones 5101 and 520 are integrally formed in the OBS receiver 500, the PBS 540 and the hydrophones 5101 and 520 are integrated into the OBS receiver 500, The external pressure due to the wave acts all the same, and the vibration direction and the displacement applied from the outside also act the same.

지오폰(540)은 하우징(532) 내부에 수용되므로, 외부의 압력에는 반응하지 않고, 오직 수직 방향 변위에만 반응하여 수직 방향 변위에 대응되는 전기적 신호를 신호기록부(530) 내부의 전자장치(531)로 출력한다.Since the geophone 540 is accommodated in the housing 532, the electrical signal corresponding to the vertical displacement is responded only to the vertical displacement, without responding to the external pressure, to the electronic device 531 .

제 1 하이드로폰(510)은 해수에 노출되어 있으므로, 하우징(526) 내부에 제 2 압전 실린더(524)가 수용된 제 2 하이드로폰(520)과는 달리, P파에 의한 압력 변화와 모든 방향성분의 변위를 수신하여 이에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.Unlike the second hydrophone 520 in which the second piezoelectric cylinder 524 is accommodated in the housing 526 because the first hydrophone 510 is exposed to seawater, And outputs an electrical signal corresponding thereto.

이에 반해, 하우징(526) 내부에 제 2 압전 실린더(524)가 수용된 제 2 하이드로폰(520)은 P파에 의한 압력 변화는 하우징(526)에 의해서 차단되어 제 2 압전 실린더(524)에 전달되지 않고, 압력 변화를 제외한 모든 변위의 영향은 제 1 하이드로폰(510)과 동일하게 하우징(526)을 통해서 제 2 압전 실린더(524)에 전달되어 압력 변화를 제외한 모든 방향 성분의 변위에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.The second hydrophone 520 in which the second piezoelectric cylinder 524 is housed in the housing 526 is blocked by the housing 526 and transmitted to the second piezoelectric cylinder 524 And the influence of all the displacements except the pressure change is transmitted to the second piezoelectric cylinder 524 through the housing 526 in the same manner as the first hydrophone 510 so as to correspond to the displacements of all directional components except the pressure change And outputs an electrical signal.

제 1 하이드로폰(510)과 제 2 하이드로폰(520)에서 각각 발생하는 변위에 의한 잡음은 동일하고, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 하이드로폰(510,520)에 포함된 압전실린더(517,524)의 극성은 역으로 연결되어 있어서(즉, 동일한 극이 서로 연결되어 있음), 동일한 크기의 잡음은 서로 상쇄되어 자동적으로 제거된다. The noise due to the displacement generated in the first hydrophone 510 and the second hydrophone 520 is the same and as shown in Fig. 4, the vibration of the piezoelectric cylinders 517 and 524 included in the respective hydrophones 510 and 520 The polarities are connected in reverse (i.e., the same poles are connected to one another) so that equal-sized noise is canceled out of each other and automatically removed.

그러나, P파에 의한 압력 변화는 외부 압력이므로 제 1 하이드로폰(510)의 압전실린더(517)만 이에 반응하여 전기적 신호를 발생시키고, 제 2 하이드로폰의 압전실린더(524)는 대응되는 전기적 신호를 발생하지 않으므로, 2개의 압전실린더의 조합으로 구성된 하이드로폰은 순수한 압력 변화에 의한 전기적 신호만을 신호기록부(530) 내의 전자장치(531)로 출력한다.
However, since the pressure change due to the P wave is an external pressure, only the piezoelectric cylinder 517 of the first hydrophone 510 reacts to generate an electrical signal, and the piezoelectric cylinder 524 of the second hydrophone generates a corresponding electrical signal The hydrophone configured by the combination of the two piezoelectric cylinders outputs only the electrical signal due to the pure pressure change to the electronic device 531 in the signal recording unit 530. [

OBS 수신기는 서로 독립적인 2가지 신호를 기록하는 것이 가장 이상적인데, 그 2종류 신호는 변위와 압력이다. 지오폰은 원래 변위에만 영향을 받으므로 문제가 없지만, 하이드로폰은 압력과 변위 모두 영향을 받는다. OBS receivers are ideal for recording two independent signals, the two signals being displacement and pressure. Geophones are not affected by displacement, but hydrophones are affected by both pressure and displacement.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2개의 압전세라믹 실린더로 조합된 하이드로폰은 변위에 의한 잡음이 서로 제거되어 압력 변화에 의한 신호만을 출력할 수 있으므로, 이를 이용하면 OBS 수신기에서 적은 비용으로 개선된 신호처리를 할 수 있다.The hydrophone combined with the two piezoelectric ceramic cylinders according to the preferred embodiment of the present invention can output only the signal due to the pressure change by eliminating the noise due to the displacement, Processing can be performed.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to the preferred embodiments. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.

500 OBS 수신기 510 제 1 하이드로폰
517 제 1 압전 실린더 518 방수층
519 디스크 520 제 2 하이드로폰
524 제 2 압전 실린더 525 방수층
526 하우징 527 디스크
530 신호기록부 531 전자장치
532 신호기록부 하우징 538 중간막
540 지오폰500 OBS receiver 510 First hydrophone
517 First piezoelectric cylinder 518 Waterproof layer
519 disk 520 second hydrophone
524 second piezoelectric cylinder 525 waterproof layer
526 housing 527 disk
530 Signal recording section 531 Electronic device
532 Signal recording housing 538 Middle membrane
540 geophones

Claims (3)

외부로부터 인가되는 압력 및 진동 변화가 전달되도록 설치되어, 압력 및 진동 변화에 대응되는 전기 신호를 출력하는 제 1 압전 세라믹 실린더;
외부의 압력이 내부에 수용된 제 2 압전 세라믹 실린더에 인가되는 것을 차단하고, 외부의 진동 변화만을 상기 제 2 압전 세라믹 실린더에 전달하는 하우징; 및
상기 하우징 내부에 수용되어 진동 변화에 따른 전기 신호를 출력하는 상기 제 2 압전 세라믹 실린더를 포함하고,
상기 제 1 압전 세라믹 실린더 및 상기 제 2 압전 세라믹 실린더는 서로 같은 극끼리 연결되어, 상기 제 1 압전 세라믹 실린더에 인가된 압력 변화에 대응되는 전기 신호만을 출력하는 것을 특징으로 하는 하이드로폰.
A first piezoelectric ceramic cylinder installed to transmit pressure and vibration changes externally applied thereto and outputting an electric signal corresponding to pressure and vibration changes;
A housing for blocking external pressure from being applied to the second piezoelectric ceramic cylinder housed therein and transmitting only an external vibration change to the second piezoelectric ceramic cylinder; And
And a second piezoelectric ceramic cylinder accommodated in the housing and outputting an electric signal corresponding to a change in vibration,
Wherein the first piezoelectric ceramic cylinder and the second piezoelectric ceramic cylinder are connected to each other with the same polarity to output only an electrical signal corresponding to a pressure change applied to the first piezoelectric ceramic cylinder.
제 1 항의 하이드로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 해저 탄성파 탐사용 수신기.
A receiver for seabed seawater navigation, comprising the hydrophone of claim 1.
제 2 항에 있어서,
수직 방향의 진동에 대응되는 전기 신호를 출력하는 지오폰을 더 포함하고,
상기 하이드로폰과 상기 지오폰은 동일한 진동 변화가 인가되도록 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 해저 탄성파 탐사용 수신기.3. The method of claim 2,
Further comprising a geophone for outputting an electric signal corresponding to the vibration in the vertical direction,
Wherein the hydrophone and the geophone are integrally formed to apply the same vibration change.
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