DE2521449C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Empfängereinrichtung großer Länge zur seismischen Prospektion, insbesondere zur seeseismischen Prospektion, mit wenigstens einer empfindlichen Anordnung zur Umformung der seismischen Signale in elektrische Signale, die zwei Elektroden variablen Abstands aufweist, zwischen denen eine kompressible Schicht aus einem nachgiebigen elektrisch isolierenden Material angeordnet ist.

Eine solche Empfängereinrichtung ist bekannt aus der US-PS 26 49 579, bei der es um einen seismischen Empfänger bzw. ein Geophon von kapazitiven Typ zur seismischen Exploration geht. Die dort vorgesehene geschlossene Hülle ist an beiden Seiten fest mit zwei nachgiebigen Elektroden verbunden, die durch Luft unter Abstand voneinander gehalten werden. Dies kann auch durch ein elastisches Material mit Potential­ differenz geschehen. Die seismischen Bewegungen, die der Oberfläche, auf der dieser Detektor ruht, erteilt werden, modifizieren den Abstand der beiden Elektroden und erzeugen somit eine elektrische Spannungsänderung zwischen sich. Eine solche Vorrichtung ist in ihrer Anwendung beschränkt und für die Seeseismik überhaupt nicht geeignet. Werden an die dort vorgesehene Schicht, die weitgehend inkompressibel ist, iso­ trope Drücke, beispielsweise in einer flüssigen Umgebung, gelegt, so werden die seitlichen Flächen diesen Beanspruchun­ gen ebenfalls ausgesetzt, was zu einem schlechten Ansprech­ verhalten des Empfängers führt. Bei der Verwendung von kompri­ mierter Luft ist eine wasserbeständige dichte Hülle notwendig. Da beim Arbeiten auf großen Tiefen die Abhängigkeit vom Anfangs­ druck gegeben ist, können sich, wenn dieser Druck nicht aus­ reicht, zwischen en Elektroden Kurzschlüsse einstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Empfän­ geranordnung so weiterzubilden, daß sie indifferent für die Seeseismik oder die terrestrische Seismik verwendbar ist und auch Empfänger großer Länge möglich werden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß überraschend ein­ fach dadurch, daß die kompressible Schicht mit über ihre gesamte Oberfläche verteilten Ausnehmungen versehen und zwischen einer der Elektroden und einem verformbaren Elektret­ element angeordnet ist.

Die Nachgiebigkeit des Materials ermöglicht den Aufbau solcher Empfänger großer Länge, die sich auch auf einen Speicherkopf wickeln lassen; das in den Hohlräumen oder Zellen dieser Schicht enthaltene Gas verleiht ihr eine ausreichende Kom­ pressibilität für Anwendungen im oder auf dem Meer.

Bekannt ist allerdings (DE-OS 22 33 579) einen Empfänger vorzusehen, der nach einem anderen Prinzip arbeitet:
d. h. die elektrischen abgeleiteten Spannungen sind auf die Verformung eines nachgiebigen Bandes zurückzuführen, welches piezoelektrische Eigenschaften hat. Das einzige Band ist hierbei zwischen zwei Elektroden angeordnet. Werden dort nach­ giebige Schichten bei Stapelung verwendet, so haben diese nicht die Funktion, elektrische nachgiebige Elemente zu trennen oder zu isolieren. Der Einsatz bei einem Verfahren, bei dem elek­ trische Spannungen abhängig von Beanspruchungen erzeugt werden, ist dort nicht vorgesehen.

Weiterhin ist ein Empfänger (US-PS 37 36 436) allerdings nicht auf dem Gebiet der seismischen Prospektion, und schon gar nicht der seismischen Prospektion im Meer, sondern hauptsäch­ lich auf dem Gebiet der Luftfahrt bekannt, um aerodynamische Tests an Flugzeugmodellen durchzuführen, die in Strömungska­ nälen angeordnet sind. Die dort vorgesehenen festen homogenen und elastischen Bänder sind praktisch inkompressibel, was dort wegen der Messung von Beanspruchungen in nur einer einzigen Richtung nicht stört.

Die Maßnahme nach der Erfindung zeigt gegenüber den bekannten Maßnahmen beachtliche technologische Vorteile, da Dicke und Textur des das kompressible Element bildenden Bandes leicht bei seiner Herstellung gesteuert werden können und darum eine Konstruktion einer empfindlichen Anordnung konstanter Dicke und gleichförmiger Struktur und Sensibilität leicht erhalten wird (das Volumen variiert, wenn es Beanspruchungen ausgesetzt ist).

Vorzugsweise kann ein solches isolierendes Element in Gitter­ form, beispielsweise als perforiertes Band, das aber auch durch Weben hergestellt sein kann, gebildet werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sollen nun mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert werden, in denen zeigt

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Ein­ richtung von flacher Gestalt;

Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform der Ein­ richtung von flacher Gestalt;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Einrichtung der Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine dritte Ausführungsform der Einrichtung in Form von Stapelanordnungen gleicher Polarität;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine vierte Ausführungsform der Einrichtung in Form einer Stapelung von Elementen entgegengesetzter Polarität;

Fig. 6 schematisch eine Variante der Einrichtung mit zwei empfindlichen ihren Bewehrungen zugeordneten Anord­ nungen gleicher Polarität, die zu beiden Seiten eines isolierenden Bandes befestigt und in Reihe geschaltet sind;

Fig. 7 eine Ausführungsvariante, wonach die empfindli­ chen Anordnungen den gleichen Aufbau wie nach Fig. 6 aufweisen, die Bewehrungen jedoch parallel geschaltet sind;

Fig. 8 einen Schnitt durch eine fünfte Ausführungsform, wobei die verschiedenen Elemente zylindrische Gestalt aufweisen;

Fig. 9 einen Schnitt durch eine sechste Ausführungs­ form, wobei eine der Bewehrungen sowie die beiden Anord­ nungen auf eine zylindrische Bewehrung gewickelt sind;

Fig. 10 schematisch eine siebte Ausführungsform der Ein­ richtung mit Anordnungen des in den Fig. 1 oder 2 ge­ zeigten Typs, die spiralförmig mit entgegengesetzter Steigung gewickelt sind;

Fig. 11 schematisch eine Variante zu der in den Fig. 1 oder 2 gezeigten Ausführungsform, die besonders für eine Verwendung zu Lande ausgelegt ist;

Fig. 12 schematisch eine Ausführungsvariante der in den Fig. 1 oder 2 gezeigten Einrichtung von variabler Brei­ te; und

Fig. 13 schematisch eine Einrichtung der in Fig. 9 dar­ gestellten Art, wobei die beiden Anordnungen und eine der Bewehrungen spiralförmig mit variabler Steigung ge­ wickelt sind.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung umfaßt eine An­ ordnung 1 aus drei flachen länglichen Elementen, deren Länge sehr viel größer als ihre Breite ist. Sie umfaßt eine erste Elektrode in Form einer Bewehrung, bestehend aus einem Band oder einem metallischen Stromband bzw. Beflechtung 2, mit der fest ein erstes Element 3 aus einem elektrisch isolierenden Material verbunden ist. Der Aufbau dieses Elementes (oder des es bildenden Ma­ terials) ist derart gewählt, daß es kompressibel ist, d. h. daß sein Volumen variiert, wenn es Beanspruchungen ausgesetzt ist. Beispielsweise kann man ein isolierendes Element in Gitterform, beispielsweise ein perforiertes Band, das aber auch durch Weben hergestellt sein kann, wählen.

Das isolierende Element ist von einem verformbaren zwei­ ten Element 4 überdeckt, welches eine permanente elek­ trische Vorspannung oder Polarisation aufweist und somit ein Elektretelement bildet. Das Elektretmaterial erhält man beispielsweise, indem man Bänder mit einer Dicke zwischen 8 und 25 Mikron vorspannt bzw. vormagnetisiert, die aus einem Kunststoffmaterial vom Typ Polypropylen, P.T.F.E., Polyäthylen-Terephthalat etc. hergestellt sind. Diese Vorspannung oder Polarisation erhält man durch Elektronenbeschuß durch Anlagen eines elektrischen Feldes, wobei das Material bis in die Nähe des Erwei­ chungspunktes durch Coronaeffekt, durch Ultraviolett­ bestrahlung etc. erwärmt wird.

Das als Elektret-Band ausgebildete Elektretelement selbst ist von einer metallisierten Schicht 5, die eine zweite Elektrode in Form einer Bewehrung bildet, ab­ deckt.

Wenn mechanische Beanspruchungen auf die Stapelanordnung aus den drei Elementen 1, 2 und 3 ausgeübt werden, ver­ schiebt sich das Elektret-Band bezüglich der Bewehrun­ gen, und das innere elektrische Feld, welches es vor­ spannt oder polarisiert, induziert hierin elektrische Ladungen. Man beobachtet also Veränderungen in der elektrischen Spannung zwischen zwei Bewehrungen.

Elektrisch nicht dargestellte Halter verbinden die Bewehrungen mit den Aufzeichnungsvorrichtungen für die Spannungsänderungen, die über einen Transformator oder einen Vorverstärkeradapter, ebenfalls nicht dargestellt, ermittelt werden.

Nach der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausfüh­ rungsform umfaßt die Einrichtung 1 einen Stapel, be­ stehend aus einem Elektret-Band 4, von dem jede der Oberflächen von zwei metallischen flachen Bändern 2, 6, die die Rolle einer Bewehrung spielen, durch zwei Bänder 3 a und 3 b analog dem in Fig. 1 dargestellten Band getrennt ist. Die Stapelung kann mit einer isolierenden Hülle 17 aus nachgiebigem Material abgedeckt sein.

Nach der dritten in Fig. 4 dargestellten Ausführungs­ form, kann man vorteilhaft drei Anordnungen 1 A, 1 B, 1 C, die gleich der in Fig. 3 dargestellten Anordnung 1 sind, stapeln und, allgemeiner eine beliebige Anzahl dieser Anordnungen stapeln und sie in Reihe schalten. die Empfindlichkeit der Einrichtung wird gesteigert, während ihre Kapazität vermindert wird.

Andere Ausführungsformen der Einrichtung sind dazu bestimmt, die Nachteile aufgrund von Durchbiegung zu beheben. Wird eine nachgiebige Einrichtung durchbogen, so erleiden gewisse Zonen Dehnungen und andere Zusam­ mendrückungen. Elektrische Ladungen werden in diesen Zonen erzeugt und stören die seismische Information.

Nach der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zwei Anordnungen des in den Fig. 2 oder 3 darge­ stellten Typs einander zugeordnet und zu beiden Seiten eines Bandes 18 aus nachgiebigem isolierenden Material angeordnet. Für den Fall, daß die zu beiden Seiten des isolierenden Bandes 18 vorgesehenen Anordnungen mit diesem nicht starr verbunden sind, erleiden sie im wesentlichen die gleiche Durchbiegung und liefern Ladungen gleichen Vorzeichens, wenn ihre Vorspannung oder Polarität in der gleichen Richtung orientiert ist. Um diese Störladungen zu annullieren, ist es also zweckmäßig, diese Polarität umzukehren, wie in Fig. 5 dargestellt.

Zwei fest miteinander verbundene Anordnungen erleiden, wenn sie einer Durchbiegung ausgesetzt sind, der eine eine Kompression, der andere eine Dehnung bzw. Längung und liefern elektrische Störladungen entgegengesetzten Vorzeichens. Die Polarität oder Vorspannung der beiden Anordnungen muß also in diesem Fall die gleiche Orien­ tierung aufweisen, damit die Störladungen sich annul­ lieren. Dieser Fall ist in Fig. 6 dargestellt, wo die Bewehrungen in Reihe geschaltet sind und in Fig. 7, wo die Bewehrungen parallel geschaltet sind.

Nach der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform hat die Einrichtung zylindrische Gestalt. Beispielsweise weist sie die gleiche Stapelungsart von Elementen, wie in Fig. 1 oder 2 beschrieben, auf. Von der Mitte zum Umfang hin umfaßt sie nacheinander einen mittigen Kern 14 aus plastischem isolierendem nachgiebigem Material, der von außen von einer nachgiebigen Bewehrung 7 abge­ deckt ist, die aus einer Metallisierung der Außenfläche des mittigen Kerns 6 gebildet sein kann; dann ein erstes isolierendes Gitter 8, ein empfindliches Elektretelement 9, ein zweites isolierendes Gitter 10, eine zweite lei­ tende Bewehrung 11 und eine isolierende und nachgiebige Außenhülle 12.

Nach der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform wird die aus der Stapelung des isolierenden Gitters 2, des Elektret-Bandes 3 und der metallisierten Schicht 4 (siehe Fig. 1) gebildete Anordnung entsprechend einer Spirale mit konstanter Steigung auf einem mittigen Kern 13 zylindrischer Gestalt aus leitfähigem Material ge­ wickelt.

Die in Fig. 10 dargestellte Einrichtung umfaßt im wesentlichen einen zylindrischen isolierenden Kern 14, um den eine Anordnung 15 von dem in den Fig. 1 oder 2 dargestellten Typ gewickelt ist. Diese Einrichtung ist von einem isolierenden Element, beispielsweise einem Band 16 isolierenden Materials, umgeben, welches durch Wicklung der Anordnung 15 überlagert ist. Eine zweite Anordnung 17, gleich der Anordnung 15 ist spiralförmig mit umgekehrtem Wicklungssinn zur vorhergehenden Anord­ nung auf das isolierende Band 15 gewickelt. Die Beweh­ rungen der beiden Anordnungen 15 und 17 sind über Ringe 19 a, 19 b, 20 a, 20 b parallel geschaltet und mit einem nicht dargestellten Meßkreis verbunden.

Der Aufbau nach dieser Ausführungsform hat den Vorteil, daß sich eine doppelte Kompensation der Effekte aufgrund von Durchbiegung einstellt: einerseits entsprechend dem in Fig. 5 dargestellten Prinzip durch Bewehrungen mit entgegengesetzter Polarität und andererseits aufgrund der Tatsache, daß für eine gegebene Länge der Einrich­ tung in Biegebewegung ein und die gleiche Anzahl von Windungsbruchteilen auf Zug wie auf Kompression arbei­ tet. Die Anzahl der Windungen ist selbstverständlich nicht als begrenzend anzusehen. Allgemein können ein oder mehrere Anordnungen um den Kern 14 gewickelt sein und in der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Art verbunden werden.

Die vorher beschriebenen Ausführungsformen der Einrich­ tung sind besonders für Messungen im Wasser geeignet.

Die Einrichtung kontinuierlichen Aufbaus nach der Erfindung kann jedoch einer Anwendung zu Lande, wie dies Fig. 11 erkennen läßt, angepaßt werden.

In diesem Fall verwendet man eine Anordnung flacher Gestalt von dem in den Fig. 1, 2, 4 oder 5 darge­ stellten Typ. Man ordnet auf einer ihrer Oberflächen kleine Massen 21, beispielsweise aus Blei, an, die dazu bestimmt sind, eine Reaktionskraft zu bilden, die es ermöglicht, die übertragenen Geschwindigkeitsänderungen des Erdbodens in Kraftänderungen und somit Druckände­ rungen umzuformen, mit denen dann die Anordnung beauf­ schlagt wird. Darüber hinaus erleichtern diese Massen den Kontakt der Einrichtung mit dem Erdboden. Diese kleinen Massen können beispielsweise unter der nachgie­ bigen Hülle 17, welche sie hält, angeordnet sein.

Man kann auch die Anordnung derart ausgestalten, daß ihre Empfindlichkeit, an ihren unterschiedlichen Zonen als Funktion der Entfernung dieser Zonen von der Mitte der Einrichtung gewichtet oder ausgeglichen wird, um ihre Richtcharakteristik zu verbessern. Beispielsweise läßt man im Falle einer Anordnung in Bandform die Breite dieses Bandes variieren, welches beispielsweise gegen die Mitte breiter ist als an seinen Enden (siehe bei­ spielsweise Fig. 12).

Im Falle einer Einrichtung zylindrischer Gestalt kann man den Wicklungsschritt bzw. die Wicklungssteigung der Anordnung variieren lassen. Der Wicklungsschritt ist dann an den Enden der Anordnung größer als gegen die Mitte, wo man eine stärkere Konzentration der Windungen (Fig. 13) erhält.

Claims (12)

1. Empfängereinrichtung großer Länge zur seismischen Prospektion, insbesondere zur seeseismischen Prospektion, mit wenigstens einer empfindlichen Anordnung zur Umformung der seismischen Signale in elektrische Signale, die zwei Elektroden variablen Abstands aufweist, zwischen denen eine kompressible Schicht aus einem nachgiebigen, elektrisch isolierenden Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressible Schicht mit über ihre gesamte Oberfläche verteilten Ausnehmungen versetzt und zwischen einer der Elektroden und einem verformbaren Elektretelement ange­ ordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kompressible Schicht aus einem gewebten Material besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch wenigstens ein Paar empfindlicher, durch ein isolierendes Element getrennter Anordnungen.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch wenigstens ein Paar empfindlicher Anord­ nungen, die steif mit einem nachgiebigen Träger ver­ bunden sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung zylindrische Ge­ stalt aufweist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens eine Anordnung spiral­ förmig um einen mittigen Kern großer Länge aus nach­ giebigem und elektrisch isolierenden Material gewickelt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Elektroden die Form eines zylindrischen Kerns aufweist und daß die kompressible Schicht, das Elektretelement und die andere Elektrode spiralförmig um diesen Kern gewickelt sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch ein Paar Anordnungen, die jeweils spiral­ förmig in entgegengesetztem Sinn um einen mittigen isolierenden Kern gewickelt sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anordnung eine geringere Breite an ihren Enden als in ihrer Mitte aufweist.

10. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wicklungsschritt oder die Wicklungssteigung der Anordnung in der Mitte geringer als an ihren Enden ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Anordnung bildenden Elemente von einer Hülle aus einem nachgiebigen und elektrisch isolierenden Material umgeben sind.

12. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die die Anordnung bildenden Elemente Massen aus einem schweren Material zugeordnet sind, welche auf einer Seite der Anordnung angeordnet sind.