NO127523B - - Google Patents

Description

Akustisk pulsgenerator.

Akustiske pulsgeneratorer til frembringelse av akus-

tiske pulser som kan anvendes ved seismiske undersøkelser i en væske, f.eks. sjøvann, er kjent. U.S. patent nr. 3.369-627 viser en slik generator med to sirkelformede plater plasert nær hverandre på slep i sjøvann. Drivinnretninger på den nederste av de to plater utfører nedadrettede drivslag i løpet av forholdsvis korte tidsintervaller slik at det oppstår et hulrom mellom platene. Den voldsomme sammen-klapping av dette hulrom 'ved at det omgivende vann raser inn i det tomme rom som således er dannet som resultat av en såkalt kavitasjon, frembringer en akustisk puls som forplanter seg gjennom vannet. Etter.

dannelsen av den akustiske puls får drivinnretningen den nedre plate til å utføre et relativt langsomt tilbakeslag.

I en slik generator er den kraft som er nødvendig for

å bevege den ene plate meget hurtig mot trykket av det omliggende vann meget stor. Slike generatorer trenger derfor store, meget kraftige drivinnretninger og dessuten utsettes begge plater for utmatnings-påkjenninger fordi bunnplaten som er den bevegelige del, er fullstendig ubeskyttet overfor det omgivende vann på det tidspunkt da vannet strømmer inn for å fylle hulrommet.

U.S. patent nr. 3-277.^37 viser en annen type akustisk generator neddykket i vann, der generatoren omfatter et lukket kammer med et forflyttbart stempel. Under påvirkning av drivkraft fra en fluidum-trykk- og -vakuumkilde utfører stemplet først et slag fremover. Stemplet tillates å utføre et tilbakeslag, hvorved potensiell energi som er lagret i vannet under fremslaget, omvandles til kinetisk energi for dannelse av en akustisk sjokkbølge når stemplet stopper. I denne type generator er stemplets akselerasjon i tilbakeslaget relativt begrenset. Dette er tilfellet fordi stemplets tilbakeslag utelukkende er forårsaket av trykkdifferansen over stemplet bortsett fra de dempende krefter som er en uunngåelig del av en slik konstruksjon. Stemplet drives således av det trykk som utøves av det vann som følger stemplet slik at ingen kavitasjon finner sted.

Ved foreliggende oppfinnelse har man kommet frem til en

■akustisk pulsgenerator til frembringelse av seismiske signaler i en vannmasse, omfattende en oppblåsbar anordning for neddykning i vannmassen, og innretninger for inndrivning av et fluidum i den oppblåsbare anordning for derved å øke dennes volum og fortrenge tilsvarende mengder vann, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved innretninger for å fjerne fluidet så hurtig at anordningen faller sammen med en hastighet som er større enn den hastighet hvormed fortrengt vann kan komme tilbake for derved å frembringe en implosjon på grunn av kavitasjonsvirkning.

En hensiktsmessig utførelsesform for en akustisk pulsgenerator er kjennetegnet ved et utvidbart kammer, fluidumdrevne anordninger for med bevegelse forover å øke og med bevegelse bakover å redusere det innvendige volum av det utvidbare kammer, anordninger for utøvelse av en trykkraft på det utvidbare kammer for å øke reduksjonshastigheten på kammerets innvendige volum under returbevegelsen til en verdi over den hastighet som vann kan følge etter med, kombinert med anordninger som er beregnet på'å sørge for at det innvendige volum av det utvidbare kammer blir så godt som null ved endene av returbevegelsen, for derved å frembringe implosjon på grunn av kavitasjonsvirkning.

Videre er det fordelaktig at det utvidbare kammer er utformet med et membran som langs sin omkrets er forseglet til en del av stivt materiale, hvilket membran danner en utvidbar veggdel av det utvidbare kammer.

Man kan også ha-anordninger for påtrykning av en kraft på membranet' for å øke membranets forskyvningshastighet under returbevegelsen til en verdi som ligger høyere enn den hastighet hvormed vann kan følge etter, og denne kraft kan være et resultat av membranens elastisitet.

Dessuten kan det utvidbare kammer være dannet av en i det vesentlige plateformet ambolt som.utgjør delen av stivt materiale og til hvis omkrets en plate av ettergivende materiale som danner membranet er forseglet,således at omtrent hele membranflaten kan komme i anlegg mot den amboltflate som vender mot membranen. Andre trekk og detaljer ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskriv-else under henvisning til tegningene der: Fig. 1 er en isometrisk skisse av en foretrukken utførel-sesform for den akustiske pulsgenerator ifølge foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 er et snitt etter linjen 2-2 på fig, 1,

fig. 3 er et forstørret tverrsnitt av en detalj og viser en måte å feste membranen til ambolten på,

fig. A er et snitt i likhet med fig. 3, og viser en annen måte å feste membranen til ambolten på,

fig. 5 er et grunnriss av en annen utførelsesform for en akustisk pulsgenerator ifølge oppfinnelsen,

fig. 6 er et tverrsnitt etter,linjen 6-6 på fig. 5-Kraftige, relativt lavfrekvente akustiske pulsgeneratorer som virker som utstrålingsinnretninger til generering av akustiske

-pulser i en væske, slik som i: sjøvann, er særlig nyttige til seismisk prospektering. Når det gjelder - seismisk utforskning under havbunnen, er de nyttigste av de akustiske pulser som danner signaler, de hvis frekvens ligger i området 5 til 50 Hz, eller hvis bølgelengde i vann

ligger mellom 30 og 300 meter. Derfor er de fleste generatorer for seismiske pulser av. logiske grunner, små i forhold til en bølgelengde.

Det har vist seg ved teoretisk analyse at de fysiske lover for-akustisk utstråling at virkningsgraden for akustiske generatorer som er små i forhold til en bølgelengde, er proporsjonal med kvadratet på deres overflateareal. Det vil si at så lengde de lineære dimensjoner for en akustisk pulsgenerator er små sammenliknet med bølgelengden for den genererte energi, vil den akustiske energi som utstråles til fjernfeltet (hvorved menes det akustiske energifelt på et hvilket som helst sted som ligger i en avstand av minst en halv bølgelengde fra generatoren) være omtrent proporsjonal med kvadratet på generatorens utstrålende overflateareal).

Por en gitt inngangseffekt er det derfor mer effektivt

å bevege en stor utstrålende flate et lite stykke enn å bevege et lite areal en relativt lengre avstand. Den utstrålte akustiske effekt vil være proporsjonal med produktet av arealet og den distanse som den utstrålende flate beveger seg.

Som et numerisk eksempel kan man se at hvis dimensjonene på den utstrålende overflate er 4 x 4 meter og hvis slaglengden eller det utstrålende areals bevegelse er 1 cm, så vil generatoren frembringe omtrent seksten ganger så meget akustisk fjernfeltsenergi som en generator hvis utstrålende overflates dimensjoner er 1 x 1 m, og hvis slaglengde er 16 cm. Begge disse generatorer ville kreve den samme inngangseffekt.

På tegningene, og særlig på fig. 1-3, er det vist en akustisk pulsgenerator med utvidet areal, det vil si at den illustrer-te og beskrevne generator i tillegg til andre nye prinsipper, har en relativt stor utstrålende overflate sammenliknet med kjente kon-struksjoner. Generatoren er vist .fullstendig neddykket til en viss dybde i en væske som sjøvann. Den dybde under grenseflaten mellom luft og vann hvor generatoren er plasert kalles av og til og her, arbeidsdybden, og til en hvilken som helst slik arbeidsdybde er det tilknyttet et omgivende hydrostatisk arbeidstrykk.

Generatoren kan anta forskjellige geometriske fasonger.

I den utførelsesform som er vist på fig. 1-3, omfatter generatoren

et ekspanderbart kammer 14 med en fleksibel vegg, i praksis en membran 16, med fordel laget av et elastisk materiale., og på en tettende måte

festet til elementet av stivt materiale, ovenfor kalt ambolten, i form av en stiv amboltplate 18, som ved hjelp av bolter 20 som sam-virker med en klemring 22, se fig. 3. Amboltplaten 18 er fortrinnsvis laget av metall, og dens lineære dimensjoner bestemmes ut fra de konstruksjonskriteria som er drøftet ovenfor."Kantene på amboltplaten 18 har en relativt større tykkelse enn den midtre del for å øke generatorkonstruksjonens stivhet og for å muliggjøre større forflyt-ning eller lengre slag for membranen 16. Membranen kan være laget av et hvilket som helst egnet elastisk materiale, hvilket kan være et forsterket plastmateriale eller et naturlig materiale, slik som gummi. Dette materiale kan være elastisk eller uelastisk avhengig av den akselerasjon som ønskes for membranen 16 under tilbakeslaget.

Pulsgeneratoren, som vist, er koplet til en egnet kilde, ikke vist, til fluidtrykk og vakuum for å utøve fluidtrykk på og å fjerne fluidtrykk fra det ekspanderbare kammer 14 som er dannet mellom membranen 16 og amboltplaten 18. Fluidtrykk tilføres et innløp 24 som er koplet til en trykkledning 26. Tilførselen av fluidtrykk gjennom innløpet 24 til kammeret 14 reguleres av en egnet ventil 28 som kan styres av en fluidtrykkledning 30. Det fluid som mates til kammeret 14'under trykk kan være trykkluft. Man vil legge merke til at trykkilden kan være plasert på en farkost, slik som et seismisk skip, og at den kan være en kompressor som drives ved hjelp av diesel-olje til å komprimere luft som er fritt tilgjengelig.

Til å tømme kammeret 14 er det tilveiebrakt en eller flere nærliggende fluidmottakere eller beholdere som virker som vakuumreservoar. Tre slike mottakere 32, 34 og 36 er vist idet de står i forbindelse med kammeret 14 henholdsvis gjennom utløpene 38, 40 og 42. Som det fremgår av fig. 1 sammen med fig. 2, står vakuum-reservoaret 36 i forbindelse med kammeret 14 gjennom tre utløp 42, vakuumreservoar 34 står i forbindelse med kammeret 14 gjennom tre utløp 40 og vakuumreservoar 32 står i forbindelse med kammeret 14 gjennom tre utløp 38. Utløpene 38, 40 og 42 styres ved hjelp av styre-ventiler, henholdsvis 46, 48 og 50.

For å betjene ventilene 46, 48 og 50 nærmest samtidig

er det tilveiebrakt en fluidtrykkledning 52 som kan kontrolleres ved hjelp av en elektromagnetisk ventil (ikke vist) og koplet til fluidkilden. Ledningen 52 forgrener seg til omtrent like lange grener 54, 56 og 58. Volumet av reservoarene 32, 34 og 36 er valgt for å gi

en meget hurtig uttømning av fluid fra kammeret 14. Reservoarene 32, 34 dg 36 holdes kontinuerlig under vakuum ved hjelp av en vakuum-styrt ledning 60 (se fig. 1) med tre grenledninger 62, 64 og 66 koplet til passende innløp, henholdsvis 68, 70 og 72. Pumpeutstyret som fører fluid med trykk til kammeret 14 kan også benyttes til å suge kammeret 14 tomt ved hjelp av en passende tilkopling til' ledningen 60. Kilden til fluidtrykk og vakuum utgjør ingen del av denne oppfinnelse. Generatoren, som vist på fig. 1, er vanligvis festet til en farkost, slik som et seismisk skip (ikke vist) for å bli tauet av denne, f.eks. ved hjelp av et par kabler 74.

Virkemåten for en komplett syklus for generatoren vil bli beskrevet ved at det startes med membranen 16 i sin hvilestil-ling eller sammentrukne stilling, som vist med tykke linjer på

fig. 3- På det tidspunkt er kammeret 14 suget tomt, slik at membranen 16 av de omgivende vanntrykk presses mot amboltplaten 18. Ventilen 28 er lukket og ventilene 46, 48 og 50 er åpne.

I den første fase av arbeidsoperasjonen vil membranen

16 utføre sitt slag fremover ved at kammeret 14 blåses opp ved at ventilene 46, 48 og 50 lukkes og ventilen 28 åpnes. Fluid kan da slippe inn i kammeret 14 gjennom innløpet 24, med fordel fra en trykkluftkilde. Oppblåsingen av kammeret 14 kan finne sted over et tidsrom som er relativt langt sammenliknet med varigheten av den påfølgende tømming av kammeret 14. Membranens 16 bevegelse for-flytter en vannmengde som tilsvarer økningen i kammerets 14 volum, slik at potensiell energi lagres i det forskjøvne vann. Denne potensiell energi er proporsjonal med produktet av det omgivende trykk og volumet av det fortrengte vann.

Hvis membranen er uelastisk vil den ikke strekke seg vesentlig og ingen potensiell energi vil bli lagret i selve membranen. Hvis den derimot er elastisk, vil den strekke seg ved at det tilføres tilstrekkelig fluidtrykk gjennom ledningen 26. Hvis den er laget av elastisk materiale, vil strekkingen av membranen 16 medføre at potensiell energi lagres i selve membranen. Når kammeret 14 er oppblåst, som vist på fig. 2, er membranen 16 i "spent" stilling.

For å tømme kammeret 14 meget hurtig lukkes ventilen 28 samtidig som ventilene 46, 48 og 50 åpnes, hvorved henholdsvis åpningene 38, 40 og 42 åpnes. Fluidet i kammeret 14, som, som nevnt, kan være luft, suges hurtig inn i de nærliggende vakuumreservoarer 32, 34 og 36 og suges av vakuumkilden ut gjennom ledningen 60. Et vakuumreservoar med relativt stort volum plasert på dekk på det seismiske skip, kan benyttes i forbindelse med, det vil si utgjøre en del av vakuumkilden.

Når det gjelder en fleksibel, men uelastisk membran 16, forblir det omgivende vann i kontakt med membranen under tilbakeslaget og frembringer en akustisk puls når membranen bråstopper mot amboltplaten 18. Membranens 16 akselerasjon bestemmes da primært av den potensielle energi som er lagret i det fortrengte vanns volum.

Hvis derimot den fleksible membran også er elastisk slik at den'strekkes i løpet av slaget fremover, vil også potensiell energi bli lagret i selve membranen. Denne potensielle energi som er lagret i membranen 16, vil akselerere membranen mer i tilbakeslaget enn den akselerasjon som frembringes av vannet. Derfor flyttes membranen 16 vekk fra det omgivende vann med en hastighet som er større enn den det omgivende vann kan følge. Det dannes således et hulrom mellom den utvendige flate på membranen 16 og det omgivende vann. Innstrømningen av omgivende vann for å fylle dette hulrom vil generere en relativt kraftig akustisk puls som forplantes gjennom vannet.

I den modifiserte sammenføyningskonstruksjon som er vist på fig. 4, er den elastiske membran 16 festet til amboltplatens 18 øvre flate ved hjelp av et flertall fastholdende klemmer 80.

På dette stadium av beskrivelsen av generatoren og dens virkemåte vil man forstå at membranen 16, kombinert med amboltplaten 18, utgjør et oppblåsbart kammer. Det innvendige volum i dette kammer utgjør den lukkede sone hvis volum først økes for å fortrenge omgivende vann fra sonen uten å frembringe noe signal. Det vil være klart at hvis man ser bort fra drivfluidets sammentrykkbarhet, så vil mengden fortrengt vann essensielt tilsvare den på forhånd be-stemte mengde fluid, fortrinnsvis trykkluft som tilføres kammeret.' Ved tilkopling til vakuumsystemet fjernes fluidet fra sonen, hvis volum hurtig reduseres til volumet av sonen praktisk talt er redusert til null, som vist på fig. 3, der membranen 16 kommer i kontakt med amboltplaten 18, overflate mot overflate, hvorved signalet frembringes .

I samsvar med det spesielle trekk ved oppfinnelsen slik som det ofte har vært understreket ovenfor, bidrar membranens 16 elastisitet til frembringelse av kavitåsjon. I praksis vil det si at membranen da vil bevege seg fra den stilling som er vist med stiplede linjer på fig. 3, oppover og mot amboltflaten 18 og ikke bare til sin vanlige, det vil si flate fasong, men forbi denne og til kontakt med ambolten, overflate mot overflate, som en følge av trykkdifferansen .

Fra et teoretisk synspunkt kan det nevnes at den fore-gående forklaring gis ut fra antagelsen at amboltens treghet er mange ganger større enn membranens treghet. Man vil imidlertid forstå at fra et teoretisk synspunkt vil ambolten foreta en neglisjerbar liten bevegelse mot membranen, hvilken bevegelse kan med-

føre neglisjerbar kavitåsjon i en sone når den ytre overflate, som er den oppadvendte overflate på ambolten på fig. 3- I alle tilfelle vil den hovedsakelig flate, plateformede fasong på generatoren ifølge foreliggende oppfinnelse resultere i at de imploderende krefter rettes hovedsakelig rettvinklet mot amboltflaten, teoretisk fra begge sider, slik at den implosjon som kavitasjonen frembringer vil stoppe meget raskt og vil være forbundet med et minimum av tilfeldig turbu-lens .

I den utførelsesform for oppfinnelsen som er vist på

fig. 5 og 6, har amboltplaten 82 et buet tverrsnitt som kan være halvelliptisk eller halvkuleformet. En høytrykk fluidledning 84 står i forbindelse med innløpet 86 gjennom en elektromagnetisk ventil 88. Høytrykksledningen 84 vil blåse opp kammeret 14 som beskrevet ovenfor. Til å tømme kammeret 14 er det anordnet et smultringformet nærliggende vakuumreservoar 90 som står i forbindelse med kammeret 14 gjennom flere utløpsporter 92, alle styrt av en ventil 92 som kan styres av en pilotventil eller elektromagnet. Vakuumet i det nærliggende reservoar 90 tilveiebringes ved tilkopling til vakuumkilden ombord i det seismiske skip, gjennom en vakuumledning 96.

Virkemåten for utførelsen ifølge fig. 5 og 6 er på alle måter lik den virkemåte som er beskrevet i forbindelse med utførelses-formene på fig. 1-4.

Skjønt oppblåsingen av kammeret 14 er blitt beskrevet ut fra at et enkelt trykknivå tilføres gjennom ledningen 26 eller ledningen 84, vil det være klart for fagfolk at en rekke trykkpulser med forskjellige nivåer kan bli tilført fra en på egnet måte pro-grammert fluidtrykkilde (ikke vist) for å blåse opp kammeret <1>4.

Claims (8)

1. Akustisk pulsgenerator til frembringelse av seismiske signaler i en vannmasse, omfattende en oppblåsbar anordning for neddykning i vannmassen og innretninger for inndrivning av et fluidum i den oppblåsbare anordning for derved å øke dennes volum og fortrenge tilsvarende mengde vann, karakterisert ved innretninger for å fjerne fluidet så hurtig at anordningen faller sammen med en hastighet som er større enn den hastighet hvormed fortrengt vann kan komme tilbake for derved å frembringe en implosjon på grunn av kavitasjonsvirkning.

2. Akustisk pulsgenerator som angitt i krav 1, karakterisert ved et utvidbart kammer (14), fluidumdrevne anordninger for med bevegelse forover å øke^og med en bevegelse bakover å redusere det innvendige volum av det utvidbare kammer (14), anordninger for utøvelse av en trykkraft på det utvidbare kammer (14) for å øke reduksjonshastigheten for kammerets (14) innvendige volum under returbevegelsen til en verdi over den hastighet som vann kan følge etter med, kombinert med anordninger som er beregnet på å sørge for at det innvendige volum av det utvidbare kammer (14) blir så godt som null ved endene av returbevegelsen, for derved å frembringe implosjon på grunn av kavitasjonsvirkning.

3. Akustisk pulsgenerator som angitt i krav 2, karakterisert ved at det utvidbare kammer (14) er utformet med et membran (16) som langs sin omkrets er forseglet til en del (18) av stivt materiale, hvilket membran danner en utvidbar veggdel av det utvidbare kammer.

4. Pulsgenerator som angitt i krav 3, karakterisert ved anordninger for påtrykning av en kraft på membranet (16) for å øke membranets (16) forskyvningshastighet under returbevegelsen til en verdi som ligger høyere enn den hastighet hvormed vann kan følge etter.

5. Pulsgenerator som angitt i krav 4,karakterisert ved at kraften er et resultat av membranens (16) elastisitet .

6. Pulsgenerator som angitt i krav 3, 4 eller 5, k a r a k - terisert ved at det utvidbare kammer (14) er dannet av en i det vesentlige plateformet ambolt (18) som danner delen av stivt materiale, og til hvis omkrets en plate av ettergivende materiale som danner membranen (16) er forseglet således at omtrent hele membranflaten (16) kan komme i anlegg mot den amboltflate som vender mot membranen.

7- Pulsgenerator som angitt i et hvilket som helst av kravene 2-6, karakterisert ved at fluidumanordningen innbefatter en ventilstyrt innretning (fig. 2) for oppblåsing og evakuering av det utvidbare kammer (14).

8. Pulsgenerator som angitt i krav 6 og 7, karakterisert ved minst ett vakuumreservoar (32, 3^, 36) festet til utsiden av ambolten (18).