NO155599B - Anordning ved hydrofon. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en anordning ved piezoelektrisk hydrofon med et ytre beskyttende hylster, i hvilket er anordnet et vanntett, lukket hus med to innbyrdes motstående, parallelle membranplater, på hvis innside er festet respektiv, på ytterflatene metallbelagte peizoelektriske krystaller og hvor forbindelsesledninger er ført ut av huset gjennom dets sentrale, hule del.

Oppbygging av hydrofoner ut fra ovenstående konstruk-sjonsprinsipp er tidligere kjent og konstruksjoner av denne type er f.eks. beskrevet i US patent 3.255.431 og US patent 3.970.878. I det førstnevnte US patent er det beskrevet en utforming hvor det benyttes en støttering på hvilken det leg-ges et membranplateelement og et piezoelektrisk element på hver side. I prinsippet kan det piezoelektrisk element plasseres både på innsiden og utsiden av membranplaten. For disse elementer er det ført ut elektriske ledere og det hele er innsatt i et hus.

I US patent 3.970.878 er det beskrevet en annen utfø-relse for en hydrofon, hvor det i prinsippet er benyttet den samme oppbygging. Hovedvekten i dette US patent er lagt på

å gjøre selve hydrofonelementet tett slik at væske/vann på utsiden ikke kan trenge inn i elementet og således heller ikke kommer i kontakt med de piezoelektriske krystaller. Hoved-utførelsen i denne forbindelse omfatter en konstruksjon hvor huset er dannet av to metallhalvdeler som er loddet sammen rundt en flens og hvor de elektriske ledninger er ført ut gjennom glass-isolasjonselementer. En spesiell utførelse i denne forbindelse omfatter at husets midtparti er helt fremstilt av glass som er sammenlimt eller på annen måte forbundet med membranplatene som utgjør husets sidevegger. Ved en slik utførelse kan det oppstå tetningsproblemer i fugekantene.

Hydrofoner av denne type benyttes i stor utstrekning

som mottageranordning ved seismiske undersøkelser, hvorved de ved bruk til målinger til sjøs plasseres i en såkalt "streamer", hvor de er plassert inne i en kabel som kan være fylt med en spesiell væske, såsom kerosin, eller hvor de også kan være utsatt direkte for sjøvannet. Det er derfor av stor

betydning at det piezoelektriske krystallelement ikke utsettes for påvirkning av den omgivende væske. Hydrofonen i henhold til US patent 3.255.431 vil ikke tilfredsstille disse krav, da det blant annet vil oppstå lekkasjeproblemer i lednings-gjennomføringene. I US patent 3.970.878 er det tatt spesiell hensyn til dette punkt. Det er også i dette US patent beskrevet muligheten av å gjøre hydrofonen sikker mot overtrykk, idet det er beskrevet muligheten for innsettelse av et av-standselement eller trykkavstivende element inne i hydrofon-huset.

Den senere tids utvikling har imidlertid ført til at det stadig stilles større krav til hydrofonenes kvalitet,

noe som også er forsterket ved utviklingen av digitale kabel-systemer for bruk ved de seismiske undersøkelser til sjøs.

Slike hydrofoner bør ha en nøyaktighet på rundt 2% med hensyn til spennings- og ladningsfølsomhet mot tidligere 5%. Dette er for å oppnå best mulig datakvalitet før den, datareduksjon som finner sted i forbindelse med summasjon av enkelthydrofoner i en hydrofongruppe.

Videre gjelder at slike hydrofoner benyttes i et meget stort antall ved seismiske undersøkelser, slik at det er ve-sentlig at prisen for slike produkter holdes lavest mulig. Det er dessuten viktig at de er pålitelige og driftssikre.

Det er derfor en hensikt med foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe en hydrofonkonstruksjon som er enkel og rime-lig i fremstilling, som er driftssikker, har et hus som er tett relativ omgivelsene som gir en så god følsomhet som mulig. Hydrofonen skal dessuten kunne tåle store statiske trykk.

Disse hensikter oppnås ved en hydrofon som er kjenne-tegnet ved det som fremgår av kravene.

Ved utviklingen av hydrofonen ifølge oppfinnelsen er det også tatt hensyn til den videre utvikling av digitaltek-nikken og den miniatyrisering av komponenter som finner sted i dag, slik at hydrofonen ifølge oppfinnelsen er utformet med sikte på å gi mulighet til å anordne elektriske komponenter med signalforsterkende eller signalbehandlende funksjoner inne i hydrofonen. På denne måten vil det være mulig å bygge sammen flere elementer som er avstemt på hverandre, eller foreta en justering og fininnstilling av enkelthydrofonene slik at disse kan samstemmes til hverandre i en streamer rekke.

Ved utformingen av hydrofonen ifølge oppfinnelsen er

det også gitt mulighet for utprøvning før den endelige fer-digstilling, slik at man oppnår en kontroll med hensyn til driftssikkerheten.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, som viser: Fig. 1 et snitt gjennom en hydrofon ifølge oppfinnelsen, hvor det ytre beskyttende hylster er fjernet, og

fig. 2 et oppriss av en hydrofon ifølge oppfinnelsen

med det beskyttende hylster.

Hydrofonen ifølge oppfinnelsen omfatter et ytre hylster som på fig. 2 er betegnet med 1 og som fordelaktig kan være fremstilt av messing. Dette ytre hylster har til oppgave å beskytte hydrofonen mot ytre mekaniske påvirkninger og å for-enkle plasseringen av denne, samtidig som den gir en fiksering av tilkoblingen, dvs. ledningsføringen slik det vil bli nærmere forklart nedenfor. Det aktive hydrofonelement er utformet som et væsketettforseglet hus som generelt er betegnet med henvisningstallet 2 på fig. 1 og 2. I den viste utførelse er dette gitt en sirkelsylindrisk form. Dette hus 2 er innsatt i hydrofonhylsen 1, som til dette formål er gitt en elliptisk tversnittsform og en sylinderlengde slik at hele huset 2 plasseres inne i hylsteret 1. Huset 2 klemmes ganske enkelt fast i hylsteret 1, idet det bringes til anlegg mot fleksible plast-pakninger 15 som er limt fast i hylsteret 1. Dette fasthol-dende plastelement kan f.eks. være fremstilt av "hytrel" med en tykkelse på 1 mm hvorved hydrofonen fastholdes ved hjelp av friksjonskreftene. Dette gir en meget enkel plassering og fastholding av husdelen 2.

Huset 2 består av to ytre membranplater som i det viste eksempel er sylinderformet og som fordelaktig er fremstilt av et berylliumkobber. Bruken av dette materialet er velkjent på området. Mellom disse to membranplater som på tegningene er betegnet med 3 er det anordnet et keramisk, isolerende materiale i form av et ringelement, hvis nærmere konstruksjon er beskrevet nedenfor. Den sentrale del 6 er fremstilt av aluminiumoksid, Al20.j, med stor renhetsgrad. Materialet er fortrinnsvis et aluminiumoksid som er brent ved 1800°C slik at det er oppnådd en renhet på mer enn 85% og særlig fordelaktig 96%. Materialet har såkalt tykkfilmkvalitet og gir muligheten for en god metallisering av overflaten.

På innsiden av membranplatene 3 er det ved hjelp av

et elektrisk ledende lim festet piezoelektrisk ledende krystallelement, som er utstyr med sølvelektroder eller polflater mot membranplaten og den motsatte side.

Inne i den sentrale ringdels 6 hulrom er det anordnet to avstivningselementer 8 som blant annet utgjør en trykksik-ring for hydronfonen.

Hydrofonen fremstilles på følgende måte:

Det foretas først en produksjon av enkeltelementene

som skal benyttes ved oppbygging av hydrofonen ifølge oppfinnelsen. De piezoelektriske krystaller utstyres med elektroder eller poler på begge sider ved påføring av et sølvbelegg.

Det fremstilles videre membranplater med sylindrisk form av berylliumkobber (BeCu).

Den sentrale del 6 av huset fremstilles i to deler,

idet det først fremstilles to ringelementer som på fig. 1

er betegnet med 7 med den der viste tverrsnittsform av aluminiumoksid (Al-jO-j) med en renhetsgrad på 96%. Det fremstilles videre to avstandsstykker 8 med den form som er vist på fig. 1. I disse avstandsstykker er det utformet et gjennomgående hull som på tegningen er betegnet med 14.

Disse avstandsstykker fremstilles av det samme materiale som de sentrale ringdeler 7, dvs. av ren aluminiumoksid. De-lene 7 og 8 metalliseres i de områder som er vist med en rug-let strek på fig. 1.

Videre fremstilles hydrofonhylsen av messing med frik-sjonsfesteplater for huset 2, slik som forklart ovenfor.

Hver membranplate 3 blir nu loddet fast til en aluminium-oksidring 7 over metalliseringen 11, ved sammenpresning under temperaturøkning. Etter at disse to deler er sammensatt, limes det piezoelektriske krystallelement til membranplaten 3 i den sentrale del ved bruk av et ledende sølvlim. Det er her nødvendig med en nøyaktig plassering, slik at den samme inn-retting kan oppnås for alle krystaller. Deretter fastlimes avstands-avstivningselementet 8 i et fremspring 13 på den sentrale ring 7 slik som vist på figuren. Avstanden til krystallet 4 blir herved nøyaktig innstilt.

Det neste fremstillingstrinn består i tilveiebringelse av en forbindelse fra det piezoelektriske krystall 4 til metalliseringen på avstivningselementet henholdsvis metalliseringen 11 på den sentrale ringdel. Det benyttes her en gulltråd som føres ned gjennom hullet 14 i avstivningsdelen 8 og som festes til krystallet f.eks. ved ultralyd-festeteknikk. Den andre del av gulltråden loddes på vanlig måte til en av de to metal-liseringsområder. Deretter settes to slike "halve" hydrofoner sammen til en enhet, dvs. til en husdel. Dette gjøres ved å legge de to metalliseringsflater 11 mot hverandre hvoretter det foretas en lodding i fugen på utsiden, med oppvarming slik at metalliseringen smelter sammen. Det festes deretter ledningstråder til de to membranplater og til den sentrale lodding, hvilke tråder føres sammen til en ledning, hvoretter huset 2 anbringes med friksjonsfeste i hylsteret 1. Før sammensettingen av de to halvdeler kan hvert enkelt hydrofonelement testes for å kontrollere dets kvalitet. En slik utprøvning av hver enkelt halvdel kan også gjennomføres etter sammenfest-ningen til den ferdige hydrofon. Herved vil ledningsføringen fra piezokrystallenes indre poler være ført sammen via metalliseringen 11 i midtpartiet og ut til loddingen 5 i sentrum av den keramiske ring, mens de to membranplater kan forbindes med hverandre ved hjelp av en ytre ledning slik som antydet på fig. 1. Alternativt kan ledningene fra de to membranplater og fra midtkontaktringen føres som separate ledere sammen i ledningen som fører bort fra hydrofonen, hvoretter de to ledninger fra membranplåtene etter kontroll av funksjonen kan sammenloddes til en leder utenfor hylsteret 1. En slik løsning er antydet på fig. 2.

Som det fremgår av fig. 1 vil det være et mellomrom mellom de to avstivningsplater 8. I dette mellomrom kan det anbringes signalforsterkende eller signalbehandlende elektroniske elementer. Ved anbringelsen av slike elektroniske for-sterkningselementer o.l. i hydrofonens midtparti vil man kunne tilveiebringe den nødvendige elektriske kontaktføring til disse elementer ved utforming av den sentrale del 6 ikke bare av to ringelementer 7, men ved å bygge opp den sentrale del av tre eller enda flere slike elementer, som alle i kontakt-flaten mot hverandre er utstyrt med et metalliseringsskikt og som er loddet sammen på utsiden.

Mange modifikasjoner er således mulig innenfor oppfin-nelsens ramme.

Claims (11)

1. Anordning ved piezoelektrisk hydrofon med et ytre, beskyttende hylster (1), i hvilket er anordnet et vanntett lukket hus (2) med to innbyrdes motstående, parallelle membranplater (3) på hvis innside er festet respektive, på ytter-flåtene belagte, piezoelektriske krystaller (4) og hvor forbindelsesledninger er ført ut av huset gjennom dets sentrale, hule del (6), karakterisert ved a) at husets sentrale del (6) er utformet av minst to, langs et til membranplatene parallelt plan, sammensatte keramiske elementer (7), som i forbindelsesområdene (9,10) mot hverandre er utstyrt med en metallisering (11), b) at det i respektive hulrom (12) i de to elementer (7) er innsatt en avstivende keramisk skive (8), som er festet til elementene (7) ved sammenpassende fremspring (13), og c) at de piezoelektriske krystallers (4) innovervendte poler er ledende forbundet med metalliseringen i elementenes (7) forbindelsesplan med en videre ledningsforbindelse (5) fra metalliseringen (11) på utsiden, mens krystallenes (4) utovervendte poler via membranplatene (3) er sammenkoblet på utsiden av huset (2).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det som keramisk materiale er benyttet A^O-^ med renhetsgrad over 85%, fortrinnsvis ca. 96%.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at de keramiske elementer (7) ved sammensetningspla-net har en avrunding på begge sider og at metalliseringen (11) er påført langs avrundingen.

4. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den av avrundingen til de to elementer (7) på utsiden dannede fuge er fylt med et sammenloddende materiale, særlig loddetinn.

5. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at avstivningsskivene (8) hver har et gjennomgående hull nær periferien og på sin bort fra krystallet vendte side er utstyrt med en metallisering som ved hjelp av et sammen loddende materiale er elektrisk forbundet med en tilstøtende metallisering på det keramiske elementet (7).

6. Anordning ifølge krav 1 og/eller krav 5, karakterisert ved at innerflaten på hvert krystall (4) over en leder (5), fortrinnsvis en gulltråd, er forbundet med metalliseringen (11) enten på skive (8) eller element (7) via det gjennomgående hull (14).

7. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at det på nevnte avstivningsskiver (8) er anordnet elektroniske komponenter med signalforsterkende eller signalbehandlende funksjoner.

8. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at keramiske element (7), skive (8) og membranplate (3) er sirkelformet.

9. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at hylsteret (1) er en ellipseformet sylinder, som fastholder huset over en foring (15).

10. Fremgangsmåte til fremstilling av en piezoelektrisk hydrofon i henhold til et eller flere av de foranstående krav, karakterisert ved at et metallbelagt piezo-krystall ved hjelp av et elektrisk ledende lim påsettes på en side av en membranplate, at et keramisk ringelement som er blitt belagt med en metallisering på sin utadvendte side loddes fast til membranplatens periferi, hvoretter en keramisk skive med et gjennomgående hull innfestes i fremspring i ring-elementet gjennom hvilket hull en leder festes til krystallets metallbelegg og som videre danner elektrisk kontakt med metalliseringen på den bort fra membranplaten vendte side av ring-elementet, og at to slike elementer sammenfestes etter separat utprøvning til et forseglet hus, som etter tilkobling av de nødvendige videreføringsledninger festes i en hydrofonhylse.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at sammensettingen av metalliserte flater, lodding etc. foretas ved oppvarming og avkjøling på i og for seg kjent måte.