NO319097B1

NO319097B1 - Acoustic source especially for use in offshore seismic surveys

Info

Publication number: NO319097B1
Application number: NO19984585A
Authority: NO
Inventors: Rune Tenghamn
Original assignee: Pgs Geophysical As
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2005-06-20
Also published as: NO984585D0; NO984585L

Description

Denne oppfinnelse angår generelt akustiske sendere for frembringelse av lydbølger i vann, særlig lavfrekvente lyd-bølger til bruk f.eks. ved seismiske undersøkelser til havs. This invention generally relates to acoustic transmitters for producing sound waves in water, in particular low-frequency sound waves for use e.g. in seismic surveys at sea.

Slike sendere, som anvendes for generering av lydbølger i vann, går under forskjellige betegnelser, så som seismiske sendere, flekstensjonalsendere eller akustiske svingere, jfr. også Sonar. Such transmitters, which are used for the generation of sound waves in water, go by different names, such as seismic transmitters, flexible tension transmitters or acoustic transducers, cf. also Sonar.

Den akustiske sender ifølge oppfinnelsen kan med fordel finne anvendelse i forbindelse med slike lyd- eller tone-sendere, idet de lydbølger som utsendes i vann kan reflek-teres fra havbunnen og underliggende geologiske formasjoner, med påfølgende avlytting eller deteksjon ved hjelp av hydro-foner eller geofoner av forskjellige typer. The acoustic transmitter according to the invention can advantageously be used in connection with such sound or tone transmitters, as the sound waves emitted in water can be reflected from the seabed and underlying geological formations, with subsequent listening or detection using hydrophones or geophones of various types.

Oppfinnelsen er særlig rettet mot en spesiell utformning av lydavgivende mantelflater eller skall i akustiske sendere, og den her angitte utformning kan nærmest ansees beslektet med visse former for flekstensjonalsendere. The invention is particularly aimed at a special design of sound-emitting mantle surfaces or shells in acoustic transmitters, and the design specified here can almost be considered related to certain forms of flex tension transmitters.

Flekstensjonalsendere er beskrevet i mange publika-sjoner, og ett eksempel er i L.H. Royster: "The flextensional concept. A new approach to the design of underwater acoustisc transducers", Appl.Acoust. 3 (1970), s. 117-226. Andre eksempler er G. Bromfield: "Class IV flextensional transducers", Proceedings Second International Workshop on Power Transducers, Toulon, (Frankrike) juni 1990 og i G. Brigham og B. Glass: "Present status in flextensional transducer techno-logy", J. Acoust. Soc. A., 68(1980), s. 1046-1052. Flex extension transmitters are described in many publications, and one example is in L.H. Royster: "The flextensional concept. A new approach to the design of underwater acoustic transducers", Appl.Acoust. 3 (1970), pp. 117-226. Other examples are G. Bromfield: "Class IV flextensional transducers", Proceedings Second International Workshop on Power Transducers, Toulon, (France) June 1990 and in G. Brigham and B. Glass: "Present status in flextensional transducer techno-logy", J. Acoust. Soc. A., 68(1980), pp. 1046-1052.

Prinsippet for de kjente flekstensjonalskall er basert på volumforandringer i et vibrerende ellipsoidisk skall. Når den lange akse i en ellipsoide settes i vibrasjon, vil også lengden av de korte akser i denne vibrere, men med meget større amplitude. Dette gjør at ellipsoideformen fører til en effektiv generator av akustisk energi ved lave frekvenser. Generelt er den grunnleggende resonansfrekvens for det ellipsoidiske skall så lav at dettes lengde er liten, sammen-lignet med bølgelengden i vann. The principle of the known flextensional shells is based on volume changes in a vibrating ellipsoidal shell. When the long axis of an ellipsoid is set in vibration, the length of the short axes in this will also vibrate, but with a much greater amplitude. This means that the ellipsoid shape leads to an efficient generator of acoustic energy at low frequencies. In general, the fundamental resonance frequency of the ellipsoidal shell is so low that its length is small, compared to the wavelength in water.

En begrensende faktor for denne type skall er de mekan-iske spenninger som skallet utsettes for når det tilstrebes store vibrasjonsamplituder. Normalt anvendes aluminium eller glassfiberarmert plast som skallmateriale. Anvendelse av slike skall er også begrenset som følge av de kompliserte former som disse skall har, hvilket fører til kompliserte fremstillingsmetoder. A limiting factor for this type of shell is the mechanical stresses to which the shell is exposed when large vibration amplitudes are sought. Aluminum or glass fiber reinforced plastic is normally used as shell material. The use of such shells is also limited due to the complicated shapes these shells have, which leads to complicated manufacturing methods.

Et spesielt eksempel på en kompleks form, som utseende-messig og funksjonelt avviker temmelig sterkt fra de foran omtalte elliptiske, runde skall (eggformet), er hyperbolske, runde skall. Fordelen med denne spesielle form er at kort-aksene vil vibrere i fase med langaksene. En utførelse basert på dette prinsipp er beskrevet av D.F. Jones og C.G. Reithmeier: "Low frequency barrel-stave projectors" (Proceedings UDT 93, Nice, Frankrike, Microwave Exh. & Pub. Ltd. 1993, pp 251-253). A special example of a complex shape, which deviates quite strongly in terms of appearance and function from the elliptical, round shells (egg-shaped) discussed above, are hyperbolic, round shells. The advantage of this special shape is that the short axes will vibrate in phase with the long axes. An embodiment based on this principle is described by D.F. Jones and C.G. Reithmeier: "Low frequency barrel-stave projectors" (Proceedings UDT 93, Nice, France, Microwave Exh. & Pub. Ltd. 1993, pp 251-253).

Sistnevnte utførelse omfatter i korthet to oktogonale endeplater sammenføyet med åtte stavformede elementer som har konkav krumning og befinner seg i et i prinsippet sirkulært eller mangekantet arrangement omkring en symmetriakse. Et betydelig problem ved denne konstruksjon er de mange spalter mellom stavelementene, knyttet til spørsmålet om tetning og eventuell berøring mellom disse elementer. The latter embodiment briefly comprises two octagonal end plates joined by eight rod-shaped elements which have a concave curvature and are located in a basically circular or polygonal arrangement around an axis of symmetry. A significant problem with this construction is the many gaps between the rod elements, linked to the issue of sealing and possible contact between these elements.

I norsk patentsøknad nr. 94.1708 er det beskrevet en akustisk sender med lydavgivende flater som har en i prinsippet konkav utformning og er innrettet til å settes i vibrasjonsbevegelse ved hjelp av en drivenhet som påvirker de lydavgivende flater gjennom i det minste ett trykkelement og to platelignende endestykker som er forbundet med de lydavgivende flater. Denne søknadens nyhet består i første rekke i at de lydavgivende flater dannes av to krumme, membranlign-ende plateorganer som har bredde- og høydedimensjoner av sammenlignbar størrelsesorden og er anordnet rygg mot rygg, at de platelignende endestykker har en stort sett rektangulær form med et første par motstående sidekanter forbundet med endepartier av plateorganene, og at et annet par sidekanter på hvert endestykke samt sidekanter på plateorganene slutter seg til to sideplater som på hver sin side lukker den akustiske sender, fortrinnsvis på tettsluttende måte. In Norwegian patent application no. 94.1708, an acoustic transmitter with sound-emitting surfaces is described, which in principle has a concave design and is arranged to be set into vibrational motion by means of a drive unit that affects the sound-emitting surfaces through at least one pressure element and two plate-like end pieces which is connected to the sound-emitting surfaces. The novelty of this application consists primarily in the fact that the sound-emitting surfaces are formed by two curved, membrane-like plate members which have width and height dimensions of comparable magnitude and are arranged back to back, that the plate-like end pieces have a largely rectangular shape with a first pair of opposite side edges connected to end parts of the plate members, and that another pair of side edges on each end piece as well as side edges of the plate members join two side plates which on each side close the acoustic transmitter, preferably in a tight-fitting manner.

Fra US patentskrift nr. 4,932,008 er det kjent en hengslet flekstensjonstransduser som gir lav resonansfrekvens ved atdens skalldeler er koplet til dens ender ved hjelp av en pinne- eller rotasjonstype hvorved bevegelse av trans-dusernes ender, forårsaket av energiseringen av transduser-driveren, overføres til skalldelene gjennom hengslene. From US Patent No. 4,932,008, a hinged flextension transducer is known which provides a low resonant frequency in that its shell parts are connected to its ends by means of a pin or rotary type, whereby movement of the ends of the transducers, caused by the energization of the transducer driver, is transferred to the shell parts through the hinges.

Denne oppfinnelse har til formål å tilveiebringe en forbedret akustisk sender, som gjennom en enkel og hensikts-messig utformning gir en driftssikker og pålitelig sender-enhet, som samtidig har høy akustisk virkningsgrad. The purpose of this invention is to provide an improved acoustic transmitter, which through a simple and appropriate design provides a reliable and reliable transmitter unit, which at the same time has a high degree of acoustic efficiency.

På bakgrunn av den omtalte kjente teknikk tar således oppfinnelsen utgangspunkt i akustisk sender særlig for bruk ved seismiske undersøkelser til havs, med lydavgivende flater innrettet til å settes i lydavgivende bevegelse mot og fra hverandre ved hjelp av en drivenhet på en i og for seg kjent måte. On the basis of the known technology mentioned, the invention thus takes as its starting point an acoustic transmitter particularly for use in seismic surveys at sea, with sound-emitting surfaces arranged to be set in sound-emitting movement towards and apart from each other by means of a drive unit in a manner known per se .

Det nye og særegne ved den akustiske sender ifølge oppfinnelsen at de lydavgivende flatene utgjøres av to buede plateelementer i det vesentlige symmetrisk plassert om senderens akse dannende et konvekst tverrsnitt med øvre og nedre kanter konvergerende mot hverandre, The new and distinctive feature of the acoustic transmitter according to the invention is that the sound-emitting surfaces are made up of two curved plate elements essentially symmetrically placed around the axis of the transmitter forming a convex cross-section with upper and lower edges converging towards each other,

at senderen omfatter en stiv ramme, fortrinnsvis for støtte av drivenheten, omfattende minst to stive glidestenger som er løst festet til sidedelene med glidelagre eller tilsvarende for å gi sidedelene en mulighet for bevegelse mot og fra hverandre, that the transmitter comprises a rigid frame, preferably for supporting the drive unit, comprising at least two rigid sliding rods which are loosely attached to the side parts with slide bearings or similar to give the side parts a possibility of movement towards and apart,

og at de lydavgivende flatenes henholdsvis øvre og nedre kanter er fleksibelt forbundet med hverandre med to sidedeler, hvilke sidedeler hver omfatter minst et hengsel, eller en tilsvarende fleksibel kobling, som strekker seg langs i det minste en del av senderens lengde. and that the respective upper and lower edges of the sound-emitting surfaces are flexibly connected to each other with two side parts, which side parts each comprise at least one hinge, or a corresponding flexible connection, which extends along at least part of the length of the transmitter.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser et snitt av en utførelse av en akustisk sen der ifølge oppfinnelsen. Figur 2 viser et snitt av en alternativ utførelse ifølge oppfinnelsen. Figur 1 viser en utførelse av oppfinnelsen med et til-nærmet rundt tverrsnitt omfattende lydavgivende flater 2 som i sine øvre 4 og nedre 5 kanter er fleksibelt forbundet med sidedeler 6. Sidedelene omfatter hengsler 6. Når sidedelene 6 trekkes mot og fra hverandre ved hjelp av driverdelen 3,12,13 blir de lydavgivende flatene skjøvet henholdsvis fra og mot hverandre, og danner dermed en trykkbølge som kan forplante seg i vann. Normalt vil sidedelene 6 i en elliptisk formet akustisk kilde med den formen som er vist i figur 1 gi akustiske bølger med motsatt fase i forhold til de akustiske bølgene fra de lydavgivende flatene 2. For å forhindre dette, og samtidig oppnå en kompakt form, er sidedelenes overflate gjort så liten som mulig ved at sidedelene 6 er utført som et eller flere hengsler som forbinder henholdsvis de øvre 4 og de nedre 5 kantene av de lydavgivende flatene 2. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawings, where: Figure 1 shows a section of an embodiment of an acoustic sensor there according to the invention. Figure 2 shows a section of an alternative embodiment according to the invention. Figure 1 shows an embodiment of the invention with an approximately round cross-section comprising sound-emitting surfaces 2 which are flexibly connected at their upper 4 and lower 5 edges to side parts 6. The side parts comprise hinges 6. When the side parts 6 are pulled towards and apart by means of driver part 3,12,13, the sound-emitting surfaces are pushed respectively away from and towards each other, thus forming a pressure wave that can propagate in water. Normally, the side parts 6 in an elliptically shaped acoustic source with the shape shown in Figure 1 will produce acoustic waves with the opposite phase in relation to the acoustic waves from the sound emitting surfaces 2. To prevent this, and at the same time achieve a compact shape, the surface of the side parts is made as small as possible by the fact that the side parts 6 are designed as one or more hinges which connect the upper 4 and the lower 5 edges of the sound-emitting surfaces 2 respectively.

Fortrinnsvis utgjør hengslene i sidedelene 6 en direkte kobling mellom de lydavgivende flatenes kanter 4,5 slik at den ytre dimensjonen av sidedelene 6 blir så liten som mulig. Det er også mulig å utforme sidedelene 6 slik at de omfatter to parallelle hengsler eller rekker med hengsler som hver danner en kobling mellom en sidedel 6 og den øvre 4 eller nedre 5 kanten av hver av de lydavgivende flatene 2. Preferably, the hinges in the side parts 6 constitute a direct connection between the edges 4,5 of the sound-emitting surfaces so that the outer dimension of the side parts 6 is as small as possible. It is also possible to design the side parts 6 so that they comprise two parallel hinges or rows of hinges which each form a connection between a side part 6 and the upper 4 or lower 5 edge of each of the sound-emitting surfaces 2.

Den akustiske senderen omfatter en drivenhet 3,12,13 som genererer senderens vibrasjonsbevegelse. Denne drivenheten 3,12,13 er montert i en ramme 7. Rammen 7 blir holdt i posisjon inne i senderen ved hjelp av glidestengene 8. Fortrinnsvis vil senderen dessuten omfatte ytterligere glidestenger 11 for å låse rammens posisjon i høyderetningen. Disse kan for eksempel monteres med glidelagre til de ytre driverdelene 3. Dersom andre typer drivenheter anvendes kan disse andre glidestengene 11 monteres i egne opphengnings-punkter eller i tilknytning til, men normalt ikke gjennom, de lydavgivende flatene. The acoustic transmitter comprises a drive unit 3,12,13 which generates the vibration movement of the transmitter. This drive unit 3,12,13 is mounted in a frame 7. The frame 7 is held in position inside the transmitter by means of the slide bars 8. Preferably, the transmitter will also include further slide bars 11 to lock the position of the frame in the height direction. These can, for example, be mounted with sliding bearings for the outer driver parts 3. If other types of drive units are used, these other sliding rods 11 can be mounted in separate suspension points or adjacent to, but normally not through, the sound-emitting surfaces.

I figur 2 er det vist en alternativ utførelse av sendere der den akustiske senderen er forsynt med deksler 10 som dekker sidedelene 6 og som holder en fast avstand fra hverandre ved hjelp av glidestengene 8 og rammen 7. Glidestengene 8 har en glidende, og eventuelt tett tilknytning til, og strekker seg gjennom sidedelene 6 ved hjelp av glidelagre. Figure 2 shows an alternative version of transmitters where the acoustic transmitter is provided with covers 10 which cover the side parts 6 and which keep a fixed distance from each other by means of the sliding rods 8 and the frame 7. The sliding rods 8 have a sliding, and possibly tight connection to, and extends through the side parts 6 by means of sliding bearings.

Dekslene 10 er fortrinnvis tett montert på senderen med tettende lister 9 eller lignende, slik at sidedelenes be-vegelser ikke forplanter seg ut i det omkringliggende vannet. Dermed vil signalet fra de lydavgivende flatene 2 ikke bli forstyrret av signalene fra sidedelene 6. Hvis rommet mellom dekslene og sidedelene er inneholder luft vil friksjonen sidedelenes bevegelse ikke ha stor innvirkning på senderens utgangseffekt. I dette tilfellet vil ikke glidelagrene rundt glidestengene 8 behøve å være tette. The covers 10 are preferably tightly fitted to the transmitter with sealing strips 9 or the like, so that the movements of the side parts do not propagate into the surrounding water. Thus, the signal from the sound-emitting surfaces 2 will not be disturbed by the signals from the side parts 6. If the space between the covers and the side parts contains air, the friction and movement of the side parts will not have a major impact on the transmitter's output power. In this case, the sliding bearings around the sliding rods 8 will not need to be tight.

De akustiske senderne som er vist i figurene er utstyrt med elektrodynamiske drivenheter. Disse er nærmere beskrevet i norsk patentsøknad 95.2605. I korte trekk omfatter driven-hetene par av elektromagnetiske og magnetiske elementer 3,12 som gis en relativ bevegelse i forhold til hverandre ved på-trykking av en varierende elektrisk strøm. Den ene av disse delene 12 er fast montert i tilknytning til en ramme 7, og den andre 3 er montert på en utvekslingsinnretning 13. Be-vegelsen av den andre delen 3 gir utvekslingsinnretningen 13 en bevegelse som forplanter seg til sidedelene 6, som igjen gir en bevegelse av de lydavgivende flatene 2. Andre typer kjente drivenheter, for eksempel basert på elektriske om-dreiningsmotorer slik som beskrevet i norsk patentsøknad 95.194 9 eller norsk patent 176.457, kan selvsagt også brukes. The acoustic transmitters shown in the figures are equipped with electrodynamic drive units. These are described in more detail in Norwegian patent application 95.2605. Briefly, the drive units comprise pairs of electromagnetic and magnetic elements 3, 12 which are given a relative movement in relation to each other by application of a varying electric current. One of these parts 12 is fixedly mounted in connection with a frame 7, and the other 3 is mounted on an exchange device 13. The movement of the other part 3 gives the exchange device 13 a movement which propagates to the side parts 6, which in turn gives a movement of the sound-emitting surfaces 2. Other types of known drive units, for example based on electric rotary motors as described in Norwegian patent application 95,194 9 or Norwegian patent 176,457, can of course also be used.

Den akustiske senderens dimensjon i lengderetningen (ikke vist i figurene) vil variere med forskjellige anvend-elsen og er ikke viktig for oppfinnelsen. Antallet glidestenger 8,11, driverdeler 3,12,13 og lignende vil være av-hengig av senderens lengde. The acoustic transmitter's longitudinal dimension (not shown in the figures) will vary with different applications and is not important for the invention. The number of sliding rods 8,11, driver parts 3,12,13 and the like will depend on the length of the transmitter.

Claims

1. Acoustic transmitter particularly for use in seismic surveys at sea, with sound-emitting surfaces (2) designed to be set in sound-emitting movement towards and apart by means of a drive unit (3) in a manner known per se, where the sound-emitting surfaces (2) are made up of two curved plate elements essentially symmetrically placed about the axis of the transmitter forming a convex cross-section with upper (4) and lower (5) edges converging towards each other, the transmitter comprises a rigid frame (7), preferably for supporting the drive unit (3), comprising at least two rigid sliding rods (8) which are loosely attached to the side parts (6) with slide bearings or equivalent to give the side parts (6) a possibility of movement towards and apart, and the respective upper (4) and lower (5) edges of the sound-emitting surfaces are flexibly connected to each other with two side parts (6), which side parts each comprise at least one hinge, or a corresponding flexible connection, which extends along at least one part of the length of the transmitter, characterized in that the hinges in the side parts (6) form a direct connection between the upper and lower edges of the sound-emitting surfaces (4,5).

2. Acoustic transmitter according to claim 1, characterized in that the sliding rods (8) extend through the side parts (6), and that covers (10) are mounted on the sliding rods which cover essentially the entire side parts (6) and possibly parts of the sound-emitting the surfaces to thereby form rigid, covering surfaces (10) arranged at a fixed mutual distance.

3. Acoustic transmitter according to claim 2, characterized in that the edges of the covers (10) are sealed in a manner known per se to form a watertight contact between the covers and the rest of the transmitter.

4. Acoustic transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the side parts comprise a flexible material, for example rubber.

5. Acoustic transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the side parts comprise side plates, preferably braced with beams.

6. Acoustic transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the drive unit is an electromagnetic drive unit.

7. Acoustic transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding rods (8) are attached to the side parts (6) by means of sliding bearings.

8. Acoustic transmitter according to one of the preceding claims, characterized in that the frame also comprises a further at least two other sliding rods (11) directed essentially normally to the main direction of the transmitter and the direction of the sliding rods (8), and fixed adjacent to the sound-emitting surfaces ( 2), or to the drive unit (3), with sliding bearings.