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Dokumentenidentifikation DE69017220T2 07.09.1995
EP-Veröffentlichungsnummer 0491775
Titel VORRICHTUNG BASIEREND AUF EINER GRUPPE VON ABGESTIMMTEN PARABOLOIDFÖRMIGEN ELEKTROAKUSTISCHEN WANDLERN ZUR TIEFSEEBODENPROSPEKTION.
Anmelder Consiglio Nazionale delle Ricerche, Rom/Roma, IT
Erfinder Cannelli, Giovanni, Bosco, I-00152 Roma, IT;
d'Ottavi, Enrico, I-00068 Rignano Flaminio, IT
Vertreter K. Westphal und Kollegen, 78048 Villingen-Schwenningen
DE-Aktenzeichen 69017220
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FR, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 14.09.1990
EP-Aktenzeichen 909135311
WO-Anmeldetag 14.09.1990
PCT-Aktenzeichen IT9000075
WO-Veröffentlichungsnummer 9104501
WO-Veröffentlichungsdatum 04.04.1991
EP-Offenlegungsdatum 01.07.1992
EP date of grant 22.02.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.09.1995
IPC-Hauptklasse G01V 1/157
IPC-Nebenklasse G01V 1/02   G01V 1/38   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Seebodenerforschung auf der Basis einer abgestimmten Anordnung von paraboloidförmigen elektroakustischen Wandlern durch die Erzeugung von unterseeischen akustischen Impulsen, die eine für eine Erforschung mit hoher Auflösung geeignete Zeitcharakteristik und ein ebensolches Spektrum besitzen.

Die beschriebene Vorrichtung kann vorteilhaft auf das Erforschen der Seebodenstruktur und des unter der Oberfläche gelegenen Bereichs des Seebodens sowohl für die Bautechnik als auch für die archäologische Forschung sowie bei geophysikalischen Anwendungen verwendet werden. Ferner kann sie für die Erforschung von Seen oder in irgendeiner natürlichen Wasserschicht angewendet werden. Allgemein kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung bei allen Anwendungen unterseeischer Akustik vorteilhaft verwendet werden, bei welchen eine hohe akustische Leistung mit hoher Auflösung im niedrigen und mittleren Frequenzbereich (0,1 bis 15 kHz) erforderlich ist, welche durch die herkömmlichen akustischen Vorrichtungen, wie SONAR, nicht abgedeckt werden.

Die meisten der herkömmlichen Quellen für die Meereserforschung erfüllen nur einige der notwendigen Anforderungen zur Erzeugung von Prospektierimpulsen hoher Auflösung, da das Frequenzband derselben ziemlich begrenzt und der Gehalt an Harmonischen hoher Frequenz gering ist. Darüber hinaus verringert auch der mit dem Hauptimpuls verbundene Kavitationsimpuls die Möglichkeit einer guten Leistung der Quellen (sources). Die Kriterien zur Beurteilung der Qualität einer seismischen Unterseequelle beruhen im wesentlichen auf der Dauer des akustischen Impulses, des Frequenzgehalts und der Wiederholbarkeit desselben, sowie auf dem Verhältnis von Hauptimpuls zum Kavitationsimpuls (siehe G.Parkes und L.Hatton, The Marine Seismic Source, D.Reidel edition 1986, Dordrecht, Holland).

Was die beiden ersten Charakteristiken betrifft, d.h. die Dauer des akustischen Impulses und den Frequenzgehalt, so wäre das ideale Signal ein sogenannter "spike" oder ein Impulssignal, das durch eine Diracsche Deltafunktion dargestellt wird, d.h. ein sehr kurzer Impuls, in welchem alle Frequenzen enthalten sind (siehe M.B.Dobrin, Introduction to Geophysical Prospecting, McGraw-Hill, 1960, New York). Der Kavitationsimpuls (siehe A.Prosperetti, Physics of Acoustic Cavitation, Rendiconti Societä Italiana Fisica, 1984, Varenna), ist ein Nachteil, der stets bei der seismischen Unterwasserforschung oder -prospektierung vorhanden ist, welcher jedoch in einer digitalen Signalverarbeitung eliminiert werden kann, z.B. durch Entfaltungsverfahren (deconvolution techniques) (siehe E.A.Robinson und S.Treitel, Geophysical Signal Analysis, Prentice-Hall, Inc., 1980, Englewood Cliffs). Nichtsdestoweniger ist ein Prospektierimpuls erwünscht, welcher soweit wie möglich dem idealen Signal vor irgendeiner digitalen Verarbeitung des seismischen Signals ähnlich ist. Dies ist die notwendige Bedingung, um "akustische Bilder's hoher Auflösung zu erhalten und dadurch Kosten und Zeitaufwand während der Signalverarbeitungen möglichst niedrig zu halten.

Alle vorhandenen Quellen auf der Basis einer einzigen oder mehrerer Elektrodenfunken haben diesen Nachteil, da sie kein Mittel haben, die Kavitationsblasenimpulse möglichst gering zu machen (siehe S.T.Knott et al, Multiple Electrode Spark Source, USA Patent Nr.3,245,032 vom 5.April 1966).

Obwohl die Idee der Verwendung von geeigneten Quellen, um die Wirkung des Blasenimpulses möglichst gering zu machen und das akustische Signal zu verbessern, bekannt ist (siehe US-A-3 245 032, 1966), beruht diese im allgemeinen auf der teilweise zufälligen Natur des Blasenphänomens und ermöglicht nicht, die optimalen Bedingungen für ein Prospektieren hoher Auflösung zu erzielen, wie es weiter unten näher erläutert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einige wichtige Merkmale auf, welche einen guten Lösungsweg für das oben erwähnte Problem ermöglichen. Sie beruht auf einigen experimentellen Untersuchungen, die von den Erfindern in akustischen Unterwassertests durchgeführt wurden, wobei ein bereits bekannter paraboloidförmiger elektroakustischer Wandler verwendet wurde, welcher der Gegenstand eines früheren Patents der gleichen Erfinder ist (siehe G.B.Cannelli, E.D'Ottavi und S.Santoboni, Electroacoustic Pulse Source For High Resolution Seismic Prospecting, Italienisches Patent Nr. 49127-A/84, eingereicht am 23.10.84).

Die Erfinder haben diese Art von Wandler mit geeigneten Abänderungen als Hauptbestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung bevorzugt, da er sehr vielseitig ist und die Ausführung verschiedener Experimente unter unterschiedlichen Bedingungen gestattet. Daher können die elektrischen und mechanischen Parameter in einem solchen Wandler leicht abgeändert werden, um akustische Wellen mit verschiedenen Charakteristiken zu erzeugen, die nicht durch eine andere bekannte Vorrichtung zur Seebodenprospektierung erzeugt werden können (siehe G.B.Cannelli, D.D'Ottavi, M.Gasperini, First Results of Sea Bottom Prospecting With Paraboloidal Acoustic Sources, VI National Meeting About Earth Geophysics, 1988, CNR Rom).

In dem oben erwähnten paraboloidförmigen Wandler wird die akustische Welle durch eine elektrische Hochenergieentladung erzeugt, welche zwischen zwei Elektroden hervorgerufen wird, die nahe dem Brennpuntk des mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllten Paraboloidreflektors angeordnet und mit einer die elektrostatische Energie lieferenden Kondensatorbank verbunden sind. Wenn die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden festgelegt ist, ermöglicht eine geeignete Vorrichtung die Änderung der Kapazitanzwerte, wodurch die elektrostatische Energie für die elektrische Entladung geliefert und entsprechend die Energie der ausgesandten akustischen Energie sowie die Charakteristik des entsprechenden Frequenzspektrums bestimmt wird. Trotz seiner vielseitigen Anwendbarkeit ergibt der oben erwähnte paraboloidförmige Wandler einige Probleme, die allen Unterwasserschallquellen gemeinsam sind, d.h. den Kavitationsimpuls und ein begrenztes Frequenzspektrum.

Um die oben erwähnten Probleme zu vermeiden, haben die Erfinder eine Vorrichtung geschaffen, welche das Ziel der vorliegenden Erfindung ist und den obigen paraboloidförmigen Wandler verwendet, der jedoch mit einer geeigneten Schaltung verbunden und auf verschiedene Werte der elektrischen Kapazitanz abgestimmt ist, wie weiter unten erläutert.

Die Vorrichtung wurde auf der Basis von Forschungen der Erfinder entwickelt, welche folgendes ergeben haben:

a) Die Verzögerungszeit zwischen dem Haupt- und dem Kavitationsimpuls ist eine Funktion der elektrostatischen Energie. D.h., wenn man einmal die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des paraboloidförmigen Wandlers bestimmt hat, dann steigt die Verzögerungszeit mit der Erhöhung der Kapazitanz gemäß einer Funktion τ = f(C), wobei τ die Verzögerungszeit und C die elektrische Kapazitanz ist; τb) Die Grundfrequenz des Spektrums des Schallimpulses (d.h. die harmonische Komponente mit der höchsten Amplitude) ist ebenfalls eine Funktion der Kapazitanz gemäß einer Funktion von der Art ν m = f(C), wobei ν m die Grundfrequenz und C die elektrische Kapazitanz ist. Insbesondere steigt die Grundfrequenz, wenn die elektrische Kapazitanz sinkt.

Indem ein Vorteil aus der synergetischen Wirkung der zwei elektroakustischen Effekte gezogen wird, haben die Erfinder ein System von zehn miteinander und entsprechend mit einer geeigneten elektrischen Schaltung verbundenen paraboloidförmigen Wandlern entwickelt und geschaffen, die auf verschiedene Werte von ausgewählten elektrischen Kapazitanzen abgestimmt werden können. So werden die Hauptschallimpulse, die mit großer Genauigkeit synchronisiert werden können, konstruktiv summiert zum Nachteil des Kavitationsimpulses, der in geeigneter Weise verschoben wird, wenn die elektrische Kapazitanz sich ändert. Ferner tragen die Hauptimpulse zum Frequenzspektrum mit verschiedener Grundfrequenz bei und erzeugen so ein weiteres Spektrum, als es einem einzigen Wandler entsprechen würde.

Die bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sich ergebenden Vorteile sind beträchtlich. Tatsächlich wirkt bei jedem "Schuß" die Vorrichtung so, daß der erhaltene Schallimpuls bezüglich des Impulses eines einzelnen Wandlers beträchtlich verbessert wird, vor allem soweit die folgenden Merkmale betroffen sind:

- Verstärkung des Hauptimpulses;

- Verbreiterung des Frequenzbandes;

- Erhöhung des Verhältnises Haupt-/Kavitationssignal.

So sind die wichtigsten Anforderungen erfüllt, um bei einer Unterwasserschallquelle eine optimal hohe Auflösung zu erzielen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Abfolge der Kavitationserscheinung, wenn sich die für die Erzeugung der akustischen Prospektierwelle mittels eines einzelnen paraboloidförmigen Wandlers verwendete elektrische Kapazitanz ändert;

Figur 2 quantitativ das elektroakustische Phänomen der Fig.1 durch ein Diagramm, in welchem die Verzögerungszeit zwischen dem Hauptimpuls und dem Kavitationsimpuls als Ordinate und die elektrische Kapazitanz als Abszisse aufgetragen ist;

Figur 3 ein Diagramm der Grundfrequenz des Prospektierimpulses als Funktion der elektrischen Kapazitanz;

Figur 4 das Prinzipschaltbild der Versorgungsschaltung der zehn paraboloidförmigen Wandler gemäß der Erfindung;

Figur 5 ein elektrisches Schaltbild, welches die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt; und

Figuren 6a und 6b einen Vergleich bezüglich der Zeit und Frequenz zwischen dem von einer herkömmlichen Funkenanordnung (Fig.6a) und der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Fig.6b) unter den gleichen Versuchsbedingungen (in 5 m Entfernung von der Quelle und einer elektrostatischen Energie E = 1000 Joule) erzeugten Signal.

Das Prinzip, auf welchem die vorliegende Erfindung beruht, ist in den Figuren 1 bis 3 dargestellt, welche die Diagramme wiedergeben, die sich aus den von den Erfindern in einer Reihe von Tests durchgeführten Versuchsforschungen ergeben, wobei als Ausgangspunkt der für die Unterwasserprospektierung zweckmäßig abgeänderte paraboloidförmige Wandler verwendet wurde. Die Abänderung des vorausgehenden Prototyps bezieht sich auf das Auslösen der elektrischen Entladung im Wandler. Erfindungsgemäß wird die elektrische Entladung direkt im Seewasser erzeugt, in das der paraboloidförmige Wandler eingetaucht ist, und wird durch einen Luftfunkenerzeuger geschaltet, der als Schalter wirkt, wie mit Bezugnahme auf Fig.5 besser erläutert wird. Bei dem oben erwähnten Vorläufertyp wurde das Zünden durch eine dritte Elektrode zwischen den Hauptelektroden bewirkt, um die im paraboloidförmigen Wandler enthaltene isolierende Flüssigkeit zu ionisieren, wobei die Elektrode von einer den Boden verschließenden Neoprenmembran gehalten wurde.

Der einzelne paraboloidförmige Wandler, der in der oben erwähnten Weise geeignet abgeändert war, hat die in Fig.1 als Funktion der Zeit dargestellten Schallimpulse erzeugt. Jedes Signal entspricht einem einzelnen "Schuß", der mit dem paraboloidförmigen Wandler bei einem vorbestimmten Kapazitanzwert durchgeführt wurde. In Fig.1 sind vier "Schüsse" in einer Folge beispielhaft dargestellt, wobei die Schüsse den Kapazitanzwerten 40 uF, 120 uF, 200 uF und 280 uF entsprechen. Die Verzögerungszeit zwischen dem Hauptimpuls und dem Kavitationsimpuls ist eine Funktion der Energie oder nur von der Kapazitanz, nachdem die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden bestimmt worden ist. Diese Erscheinung ist in einer quantitativen Weise besser im Diagramm der Fig.2 dargestellt, welche zeigt, daß sich die Verzögerungszeit erhöht, wenn die Kapazitanz steigt. Dieses Diagramm ist verwendet worden, um die am meisten geeigneten Kapazitanzwerte auszuwählen, die den einzelnen Komponenten der Vorrichtung zugeteilt werden müssen, was das Ziel der Erfindung ist, damit die Kavitationsimpulse in geeigneter Weise derart verschoben werden, daß ihr Beitrag in Beziehung zu dem erhaltenen Hauptsignal vernachlässigbar wird, wobei das Hauptsignal vielmehr durch den konstruktiven Beitrag der einzelnen Hauptimpulse erzeugt wird, die synchronisiert werden können.

Fig.3 zeigt eine elektroakustische Wirkung gleichzeitig mit den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Die Grundfrequenz des Spektrums des Hauptimpulses, d.h. die harmonische Komponente mit dem höchsten Amplitudenwert ist ebenfalls eine Funktion der Kapazitanz und vergrößert sich, wenn die Kapazitanz absinkt. Dies bedeutet, daß der aus dem gleichzeitigen "Schuß" der zehn paraboloidförmigen Wandler, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung bilden, erhaltene akustische Impuls ein viel breiteres Frequenzspektrum besitzt als dasjenige, welches den einzelnen Wandlern entspricht.

Die Verwendung beider elektroakustischer Effekte zur Erzielung eines optimalen akustischen Impulses für die Unterwasserprospektierung ist im Schaltbild der Fig.4 dargestellt, welches die Anordnung von zehn paraboloidförmigen Wandlern zeigt, welche mit P&sub1; bis P&sub1;&sub0; bezeichnet sind und zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören. Der Generator G liefert eine Wechselspannung von 1,77 KVeff (Vrms), welche ermöglicht, daß alle Kondensatoren C&sub1; - C&sub1;&sub0; über die Diode D und die Widerstände R&sub1; - R&sub1;&sub0; auf die Spitzenspannung von 2,5 kV aufgeladen werden. Die gespeicherte elektrostatische Energie und die elektrischen Kapazitanzen C&sub1; - C&sub1;&sub0; sind so ausgewählt worden, daß die Kavitationsimpulse gegeneinander nach der Charakteristik des Diagramms der Fig.2 geeignet verschoben werden. Die Hochspannungswiderstände R&sub1; - R&sub1;&sub0; sind so berechnet, daß die gleiche Zeitkonstante (τ 200 ms) für alle Rc-Paare erzeugt wird, um einen perfekten Synchronismus zwischen den zehn paraboloidförmigen Teilen der Vorrichtung sicherzustellen, welche gleichzeitig arbeiten, wenn der Schalter I geschlossen wird. Die erlaubte Wiederholungsfrequenz der "Schüsse" hat einen Maximalwert von einem Impuls je Sekunde, wenn eine Potentialdifferenz von 2,5 kV angelegt wird. Diese Frequenz kann durch Anwendung einer niedrigeren Potentialdifferenz erhöht werden. In einem solchen Fall ist die Zeitverschiebung zwischen dem Hauptimpuls und dem Kavitationsimpuls entsprechend verkürzt, auch wenn sie für jeden paraboloidförmigen Wandler unterschiedlich bleibt. Wenn der Schalter I geschlossen wird, beginnt ein Luftfunkengenerator S zu arbeiten, und dies schaltet wiederum die elektrische Entladung zwischen den Elektroden der einzelnen paraboloidförmigen Wandler P&sub1; - P&sub1;&sub0; ab.

In Fig.5 ist die ausführliche elektrische Schaltung wiedergegeben, welche die elektrischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. Der an seinen Eingangsklemmen mit der Betriebsspannung versorgte Transformator T1 liefert an seinem Ausgang zwei Spannungen.

Die erste, an der Ausgangswicklung U&sub1; abgegebene Spannung von 1,77 kVeff wird durch eine Diodenbrücke D&sub1; gleichgerichtet, die beispielsweise aus zwanzig Elementen 40HF160 gebildet ist, und wird sodann zur Ladung der zehn Kondensatoren C&sub1; - C&sub1;&sub0; verwendet, die jeweils mit jedem paraboloidförmigen Wandler P&sub1; - P&sub1;&sub0; verbunden sind. Die Wandler P&sub1; - P&sub1;&sub0; sind jeweils durch einen paraboloidförmigen Hohlkörper mit einer offenen Grundfläche gebildet, in dessen Brennpunkt jeweils zwei Elektroden E&sub1; - E&sub1;&sub0; eingesetzt sind, wobei die erste mit den jeweils zugehörigen Kondensatoren C&sub1; - C&sub1;&sub0; verbunden ist, während die zweite mit irgendeiner zweiten Elektrode verbunden ist, und alle letzteren mit dem Luftfunkengenerator S verbunden sind.

Die zweite, an der Ausgangswicklung U&sub2; abgegebene Spannung von 10 Veff wird über eine zweite Diodenbrücke D&sub2; und einen Spannungsregler M auf die Steuerlogik L für die elektrische Entladung gegeben. Zwischen die Diodenbrücke D&sub2; und den Regler M sind ein elektrolytischer Kondensator CE zum Zerhacken der niederfrequenten Komponente und ein Kondensator CC parallel eingeschaltet zum Kompensieren der verteilten Induktanz des elektrolytischen Kondensators CE. Die Steuerung kann von Hand durch Öffnen und Schliessen des Schalters I oder automatisch durch eine programmierte äußere Impulsquelle ES bewirkt werden.

Wenn der Schalter I von Hand geschlossen oder ein elektrischer Impuls von der äußeren Quelle ES aufgegeben wird, gibt die Steuerlogik L ihr Ausgangssignal ab, um den Verstärker TR&sub1; an Spannung zu legen und den Verstärker TR&sub2; durchzuschalten, dessen Ausgang auf die SCR-Diode D&sub3; über den Entkopplungstransformator T&sub3; gegeben wird. So wird die SCR-Diode D&sub3; leitend und bewirkt, daß der mit ihrem Ausgang verbundene Kondensator C&sub1;&sub1; sich über die Hauptwicklung des Transformators T&sub2; entlädt, was in der Sekundärwicklung eine hohe Spannung erzeugt, welche den parallel zu den Elektroden E&sub1;&sub1; und E&sub1;&sub2; des Luftfunkengenerators S geschalteten Ausgangskondensator C&sub1;&sub2; auflädt, der, wie oben erwähnt, mit den zweiten Elektroden der zehn paraboloidförmigen Wandler P&sub1; - P&sub1;&sub0; verbunden ist. Im Luftfunkengenerator S wird jedesmal, wenn die Spannung zwischen den mit der Sekundärwicklung des Transformators T&sub2; verbundenen Elektroden E&sub1;&sub1; und E&sub1;&sub2; einen vorbestimmten Wert übersteigt, ein Funken erzeugt, welcher das Medium ionisiert und dem Generator S ermöglicht, als ein geschlossener Schalter zu arbeiten, wodurch eine elektrische Hochenergieentladung gleichzeitig in den zehn paraboloidförmigen Wandlern P&sub1; - P&sub1;&sub0; erzeugt wird. Der Kondensator C&sub1;&sub2; hat die Funktion, die Leistung der Funken zu vergrößern, während der aus den Widerständen R&sub1;&sub1; und R&sub1;&sub2; gebildete Spannungsteiler die Funktion hat, die Spannung zwischen dem Ausgang der Diodenbrücke D&sub1; und dem Ausgang des Funkengenerators S zu teilen.

Elektrische Kondensatoren C&sub1; - C&sub1;&sub0;, deren Werte zweckmäßigerweise z.B. in Abständen von 40 uF, beginnend von 20 uF bis zu 380 uF, gewählt sind, sind mit den zehn paraboloidförmigen Wandlern P&sub1; - P&sub1;&sub0; verbunden. Die Auswahl der Kondensatoren wird so getroffen, daß gegenseitig die Kavitationsimpulse verschoben und gleichzeitig zehn verschiedene Werte von Grundfrequenzen gemäß den Diagrammen der Figuren 2 bzw. 3 geliefert werden. Die entsprechenden Widerstände R&sub1; - R&sub1;&sub0; sind so berechnet worden, daß sie die gleiche Zeitkonstante (z.B. τ = 200 ms) für jedes RC-Paar ergeben, um einen perfekten Synchronismus zwischen den zehn paraboloidförmigen Teilen P&sub1; - P&sub1;&sub0; der Vorrichtung zu gewährleisten, die jeweils gleichzeitig einen Impuls erzeugen, wenn der Schalter I geschlossen wird. Der erhaltene akustische Impuls ist beträchtlich verbessert in Bezug auf den von einem einzelnen paraboloidförmigen Wandler erzeugten Impuls infolge einer Verstärkung des Hauptimpulses, einer Verbreiterung des Frequenzbandes und einer Vergrößerung des Verhältnisses Haupt/Kavitationssignal.

Die vielseitige Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist derart, daß sie verschiedene Prospektiererfordernisse durch leichte Abänderungen ihrer elektrischen Parameter erfüllt. Beispielsweise können für tiefe Untersuchungen niedrigere Frequenzen und größere akustische Leistungen angewendet werden. Dies erfordert die Verwendung von geeigneten höheren Kapazitanzen. Im Gegensatz dazu können für flache Untersuchungen höhere Frequenzen und schwächere Leistungen mittels niedrigerer Kapazitanzen angewendet werden.

Um die Güte dieser Erfindung zu illustrieren, sind in den Figuren 6a bzw. 6b zwei Experimente dargestellt, welche mit Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer handelsüblichen Vorrichtung durchgeführt wurden, welche die gleichen pysikalischen Prinzipien wie das Patent US-A-3245032 anwendet.

Es wird bemerkt, daß das von der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzeugte Signal (Fig.6b) hinsichtlich der Zeit (linkes Diagramm) einen viel höheren Hauptimpuls liefert als den auf der Kavitation beruhenden. Im Gegensatz dazu hat das entsprechende Signal der handelsüblichen Funkenanordnung (Fig.6a) einen breiteren Kavitationsimpuls als denjenigen des Hauptimpulses. Auch der Vergleich hinsichtlich der Frequenz (rechte Diagramme) zeigt einen bemerkenswerten Unterschied zwischen den beiden Vorrichtungen. Nur die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt geeignet intensive Hochfrequenzkomponenten, um ein Prospektieren mit hoher Auflösung zu ermöglichen.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung können folgendermaßen zusammengefaßt werden. Die bekannten Verfahren, welche Mehrfachfunken-Wandler anwenden, führen nicht den Gedanken aus, eine Unterwasserschallquelle mit optimal hoher Auflösung zu erzielen, wie es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fall ist. Die Merkmale der Erfindung beruhen auf zwei elektroakustischen Effekten, die von den Erfindern während ihrer experimentellen Untersuchungen an paraboloidförmigen Wandlern auf Funkenbasis aufgefunden und bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewendet wurden. Gemäß diesen Experimenten kann die Grundfrequenz des erzeugten Schallimpulses als Funktion der elektrischen Kapazitanz aufgetragen werden (Fig.3), um ein experimentelles physikalisches Gesetz zu erhalten. Darüber hinaus kann der auf der Kavitation beruhende Sekundärimpuls (Blasenimpuls) ebenfalls als Funktion der Kapazitanz zeitlich verschoben werden, da er nicht ein vollständig zufälliges Verhalten zeigt, wenigstens soweit paraboloidförmige Wandler auf Funkenbasis betroffen sind. Tatsächlich kann die Verzögerungszeit zwischen dem Blasenimpuls und dem Hauptimpuls für einen bestimmen Wert der Kapazitanz mittels des experimentellen Diagramms der Fig.2 genau vorhergesehen werden, welches einen integrierenden Bestandteil der vorgeschlagenen Vorrichtung darstellt. Dies ermöglicht eine leichte Steuerung des Blasenimpulses, und es können große Werte des Verhältnisses von Haupt- zu Blasenimpulssignal erhalten werden, wenn erforderlich.

Im Gegensatz dazu beruht das oben erwähnte Patent US-A-3,245,032 lediglich auf der teilweise zufälligen Natur des Blasenphänomens, wie aus Spalte 6, Zeilen 9 - 13, hervorgeht. Dies reicht aber nicht aus, um ein wiederholbares und vernachläßigbares Verhältnis von Blasen- zu Hauptimpulssignal unter allen Versuchsbedingungen zu gewährleisten, wie besser gezeigt ist durch den experimentellen Vergleich, welcher von den Erfindern durchgeführt wurde und in den Diagrammen der Figuren 6(a) und 6(b) dargestellt ist.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zum Senden und Empfangen von unterseeischen akustischen Signalen in einem Fortpflanzungsmedium, welche aufweist:

- ein Traggestell,

- eine Anzahl von elektroakustischen Sendewandlern , die am Traggestell befestigt sind, deren jeder einen Paraboloidreflektor aufweist, welcher nahe seinem Brennpunkt ein Paar von Elektroden besitzt,

- einen elektroakustischen Empfangswandler,

- elektroakustische Energiezuführeinrichtungen, die mit den Paaren von Elektroden der Paraboloidreflektoren der Sendewandler elektrisch verbunden und in der Lage sind, gleichzeitig jedem Paar von Elektroden eine vorbestimmte Menge an elektrostatischer Energie zuzuführen, um dadurch eine elektrische Entladung zwischen den Elektroden zu verursachen und auf diese Weise einen akustischen Impuls im Fortpflanzungsmedium zu erzeugen, wobei die Intensität des akustischen Impulses für jeden Sendewandler unterschiedlich ist, und

- elektrische Empfangsschaltungen, welche mit den elektroakustischen Empfangswandlern elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- die Sendewandler mit den Achsen der jeweiligen Paraboloidreflektoren im wesentlichen zueinander parallel angeordnet sind, wobei die Öffnungen der Reflektoren in der gleichen Ebene im wesentlichen senkrecht zur Achse der Reflektoren liegen, und wobei die Mitten der Öffnungen an den Scheitelpunkten eines Polygons angeordnet sind, und

- der Empfangswandler einen Paraboloidreflektor aufweist, welcher einen piezoelektrischen Detektor nahe seinem Brennpunkt aufweist, der in einer festen Stellung bezüglich der Reflektoren der Sendewandler angeordnet ist, wobei die Achsen seines Reflektors im wesentlichen parallel zu den Achsen der Sendereflektoren liegen, seine Öffnung im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Sendereflektoröffnungen angeordnet ist, und die Mitte seiner Öffnung innerhalb des Polygons liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Sendewandler im wesentlichen einander gleich sind, das Polygon ein regelmäßiges Polygon ist und die Achse des Empfangsreflektors durch die Mitte des Polygons verläuft, wobei die elektroakustische Energiemenge, die den Sendewandlern von der Zuführeinrichtung zugeführt wird, für jeden Wandler unterschiedlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher die Anzahl von Sendewandlern derart ist, daß das Verhältnis zwischen dem gesamten Hauptsignal, das durch den konstruktiven Beitrag der Hauptsignale der einzelnen Wandler gegeben wird und dem Kavitationssignal mindestens 2:1 beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Anzahl von Sendewandlern derart ist, daß das Verhältnis zwischen dem gesamten Signal und dem Kavitationssignal 6:1 beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Öffnung des Empfangsparaboloidreflektors mindestens gleich derjenigen des größten unter den Sendeparaboloidreflektoren ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Abstand zwischen benachbarten Sendereflektoren kleiner ist als die Entfernung, in der die Wirkungen von seitlich emittierten Falschsignalen, bekannt als "Nebenzipfel" (grating lobes), mit dem von benachbarten Wandlern emittierten akustischen Hauptsignal merklich interferieren.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Empfangsschaltungen elektronische Schaltungen für die Analog-Digital-Umwandlung der empfangenen Signale sowie Einrichtungen zur Verarbeitung der Digitalsignale aufweisen, die zur Darstellung der Informationen bezüglich der empfangenen Signale in der Form von "akustischen Bildern" geeignet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher der Empfangsparaboloidwandler am Traggestell mittels akustischer Koppeleinrichtungen befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher von den Elektroden jedes Paraboloidwandlers eine oberhalb und die andere längs der Achse des Paraboloidwandlers angeordnet und in ihrer Lage durch eine Elektrodenhalteanordnung gehalten sind, deren unterer Teil ein dünner U-förmiger elektrischer Leiter ist, wodurch der Zwischenraum zwischen dem Punkt des Auftretens der elektrischen Entladung und den Innenwänden des Paraboloidwandlers möglichst groß gemacht wird.







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