DK167261B1 - Piezoelektrisk hydrofon og fremgangsmaade til fremstilling af denne - Google Patents

Description

DK 167261 B1

Opfindelsen vedrører en piezoelektrisk hydrofon og mere specielt et hydrofonhus med overbelastningssikring. Opfindelsen angår endvidere en fremgangsmåde til fremstilling af hydrofonen.

5 Hydrof oner med trykfølsomme membraner, der påvirker piezo-elektriske elementer, kendes fra tidligere, og konstruktioner af denne type findes beskrevet fx i USA patentskrift nr. 3.255.431, i USA patentskrift nr. 3.970.878 og i norsk patentansøgning nr. 3743 fra 1984 (NO patentskrift nr.

10 155.599). I førstnævnte patentskrift er beskrevet en udform ning af en hydrofon og en montering af de piezoelektriske elementer, som er i alt væsentligt repræsentativ for den i dag i forbindelse med hydrofoner normalt benyttede konstruktion. En svaghed ved denne udformning er, at hydrofonen ikke 15 giver nogen god beskyttelse af det piezoelektriske element mod det miljø, som omgiver hydrof onen, hvad enten denne er placeret i et væskefyldt hydrofonkabel eller er i direkte kontakt med havvand. Et af de store problemer i forbindelse med hydrofoner er ledningsgennemføringer, ved hvilke der let 20 kan opstå lækager, specielt ved trykpåvirkning på hydrofonen.

I USA patentskrift nr. 3.970.878 er der beskrevet en anden udformning af en hydrofon, som principielt er baseret på samme udformning som i det førstnævnte patentskrift, men hvor der er lagt stor vægt på at udforme selve hydrofonhuset tæt, 25 så at der ikke kan trænge væsker ind i og komme i kontakt med de piezoelektriske elementer. Der er i dette patentskrift taget specielt hensyn til sikring af ledningsgennemføringerne mod lækage. I samme patentskrift er der endvidere beskrevet muligheden for at udforme hydrofonen sikret mod overtryk, 30 idet der er beskrevet et plastelement, som indsættes i hydro-fonhuset mellem membranerne for at optage ydre trykpåvirkninger og forhindre en ødelæggende deformation af membranerne og de til disse fastgjorte piezoelektriske elementer.

2 DK 167261 B1

En forbedret og simplificeret udformning af en hydrofon findes beskrevet i norsk patentansøgning nr. 3743 fra 1984. Denne konstruktion er generelt baseret på velkendte principper for konstruktion af hydrofoner og tager hensyn til 5 ønsket om driftssikkerhed og miniaturisering ved hydrofonens konstruktionsmæssige udformning. Hydrofonen er endvidere udformet på en sådan måde, at den er tilpasset udviklingen inden for signalbehandlingsteknikken, som foregår i forbindelse med seismiske undersøgelser til vands. Hydrofoneme har 10 endvidere en overbelastningssikring, idet der i hydrofonhuset er indsat trykoptagende elementer til at beskytte membranerne mod overtryk.

Hvad angår de øvrige generelle aspekter i forbindelse med hydrofoner til brug ved seismiske undersøgelser, kan der 15 generelt henvises til de tre ovenfor angivne referencer.

De kendte hydrofonudformninger har endvidere visse svagheder i forbindelse med brugen af hydrofonerne. For det første er hydrofonhuset udformet af flere dele, og selv om de dele, som kommer i kontakt med det omgivende medium, er udformet af 20 korrosionsbestandige og havvandsbestandige materialer, vil de kendte sammenføjnings- og monteringsprocesser alligevel resultere i svage punkter i konstruktionerne. De benyttede svejse- eller loddeprocesser vil således fx kunne påvirke materialerne på en uheldig måde, så at der opstår termiske 25 belastninger eller korrosionsbelastninger på materialerne i hydrofonhuset, hvilket efter længere tids brug vil kunne ødelægge hydrofonen. Fremstillingsprocessen kan følgelig gøre det vanskeligt at fremstille hydrofoner med en ensartet, kontrollerbar kvalitet.

30 Tætheden i forbindelse med en ledningsgennemføring afhænger ikke blot af de benyttede materialer, men også af de metoder, som benyttes i forbindelse med tætningen, fx en lodning, som er behæftet med det samme problem, som er nævnt ovenfor. Endvidere kan trinenes rækkefølge under fremstillingspro-35 cessen have betydning for kvaliteten af den færdige hydrofon.

3 DK 167261 B1

Det er endvidere som nævnt kendt at beskytte membranerne og de piezoelektriske elementer i hydrofonen mod overtryk. Dette medfører, at de ikke kan beskadiges ved deformation, hvis fx hydrofonkablet af én eller anden grund ender på en større 5 havdybde end den, som i dag udgør en normal arbejdsdybde for seismiske kabler, dvs. maksimalt 50-100 m. De kendte overbelastningssikringer medfører imidlertid, at hydrofonerne ikke kan fungere på større dybder, da membranerne ikke vil kunne svinge frit.

10 Ved fremtidige seismiske undersøgelser, specielt på store havdybder, vil det være ønskeligt at kunne operere på store havdybder, dvs. helt ned til 1000 m. Det bliver følgelig nødvendigt at tilpasse hydrofonen til sådanne omgivelser ved fx at konstruere hydrofonen på en sådan måde, at det bliver 15 muligt at benytte den fx på havdybder fra 200 til ca. 270 m.

Alt efter hydrofonens konstruktionsmæssige udformning vil der herefter kunne tilvejebringes hydrofoner tilpasset forskellige havdybder og tilsvarende hydrofonkabler egnet til operationer inden for givne dybdeområder.

20 Formålet med den foreliggende opfindelse er at tilvejebringe en hydrofon, der med udgangspunkt i de generelt kendte principper for virkemåde og udformning af piezoelektriske hydrofoner, er konstrueret på en sådan måde, at den har en simpel udformning og består af færrest mulige enkeltdele og materia-25 letyper og er sammenføjet på en sådan måde, at de til sammenføjningerne benyttede processer ikke forringer hydrofonens kvalitet og anvendelsesegenskaber. Det er endvidere ønskeligt at benytte materialer, som er korrosionssikre og hawandsbe-standige, og at ledningsgennemføringerne er sikret mod læka-30 ge. Det er endvidere ønskeligt, at hydrofonen skal kunne gives en sådan udformning og fremstilles under sådanne forhold, at den er sikret mod overbelastning inden for et trykområde, der kan variere fra vakuum og op til principielt ca.

100 bar, og at den ud fra en specielt tilpasset udformnings-35 procedure kan gøres anvendelig inden for definerede dybdeintervaller, fx ca. 50-100 m osv. helt ned til ca. 1000 m 4 DK 167261 B1 dybde. Disse formål opnås med en hydrofon og med en fremgangsmåde til fremstilling af en hydrofon, hvilken hydrofon er ejendommelig ved de træk, som er angivet i krav 1, og hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved de træk, som er 5 angivet i krav 4.

Opfindelsen vil i det følgende blive nærmere forklaret under henvisning til tegningen, der viser en udførelsesform for en hydrofon ifølge opfindelsen, og på hvilken tegning fig. 1 viser et radialsnit gennem en hydrofon ifølge opfin-10 delsen, og fig. 2 et grundrids af den i fig. 1 viste hydrofon.

En hydrofon ifølge opfindelsen har et hydrofonhus, som på tegningen er angivet med henvisningsbetegnelsen 1 (fig. 2). Dette hydrofonhus, der som udgangspunkt kan være skivef ormet, 15 udformes under fremstillingsprocessen på en sådan måde, at et midterparti la af skiven forsænkes i forhold til randen. I en i fig. 1 vist foretrukken udførelsesform kan fx den oprindelige skive have cylindrisk form. Endvidere kan en sammenhængende del af midterpartiet fjernes ved fræsning eller 20 drejning på en sådan måde, at der i den ene side af midterpartiet opstår et sammenhængende spor 2 ved randen af skiven. Derved kan vægten af hydrofonhuset 1 reduceres. Midterpartiet la har endvidere et gennemgående hul 3 mellem skivens, dvs. hydrofonhusets, centrum og skivens rand. Randen af hydrofon-25 huset er forsynet med et radialt placeret hul, der fører ind til hullet 3 i midterpartiet la. Hele hydrofonhuset 1 og midterpartiet la er udført i ét sammenhængende stykke. Det benyttede materiale er fortrinsvis en korrosionsbestandig og havvandsbestandig legering, såsom rustfrit stål eller kendte 30 titanlegeringer. Hydrofonhuset 1 er på hver side lukket af membraner 4a og 4b, til hvilke der ved hjælp af en elektrisk ledende lim er fastgjort piezoelektriske elementer henholdsvis 5a og 5b. Til de piezoelektriske elementer 5a og 5b er der fastgjort elektriske ledninger eller forbindelsestråde 6, 35 der er ført gennem det ovenfor nævnte radialt placerede hul eller et gennemføringshul i et i det nævnte hul monteret rør 5 DK 167261 B1 8, som er indsmeltet i en glasmasse 7. Glasmassen 7 og røret 8 er monteret i et kappeformet element 9a, der er loddet til hydrofonhuset på kendt måde. Røret 8 kan fx være udformet af "kovar". Til huset 1 kan der være fastgjort et loddeøje 9b.

5 Dette loddeøje er monteret for at lette tilslutningen af kabler, fx et jordingskabel, til hydrofonhuset. Loddeøjet 9b kan fx være udformet i ét stykke med kappeelementet 9a, men kan også være en separat komponent og have andre former end den på tegningen viste.

10 Mellem midterpartiet la, som udgør en første overbelastnings-sikring, og membranerne 4a og 4b er der anbragt respektive isolerende elementer i form af plastfolier henholdsvis 10a og 10b, for at hindre kortslutning i det tilfælde, at membranerne 4a og 4b og de respektive på membranerne monterede piezoe-15 lektriske elementer henholdsvis 5a og 5b deformeres på grund af et ydre overtryk og derved bringes i kontakt med center-elementet eller midterpartiet la, som udgør en første overbelastningssikring. Et stykke uden for membranerne 4a og 4b er der monteret andre overbelastningssikringer henholdsvis 11a 20 og 11b, så at disse er placeret i en vis afstand fra membranen og er fastgjort til hydrofonhuset 1 ved randen af dette. De andre overbelastningssikringer 11a og 11b har form af perforerede plader for at etablere tilnærmelsesvis uhindret passage af de akustiske trykbølger gennem pladernes 25 perforeringer. Membranerne 4a og 4b og de andre overbelastningssikringer 11a og 11b er fastgjort til hydrofonhuset 1 i svejseforbindelser, der er angivet med henvisningsbetegnelsen 12. En mulig placering af perforeringerne 13 i de udvendige overbelastnings sikringer 11a og 11b fremgår tydeligst af fig.

30 2, hvor perforeringerne fremtræder som en række koncentriske langs randen placerede huller.

Ved fremstilling af hydrofonen ifølge opfindelsen sammenføjes de enkelte komponenter ved fremgangsmåder, som vil blive nærmere beskrevet i det følgende. Som ovenfor nævnt fast-35 loddes et ringformet metalelement, som bærer glaslukningen 7 og ledningsrøret 8, til hydrofonhuset 1. Da hydrofonhuset 1 6 DK 167261 B1 endnu ikke er lukket af membranerne 4a og 4b, kan de ved loddeprocessen eventuelt dannede rester af loddeflussmiddel eller loddemateriale let fjernes, så at der undgås korrosionsskader forårsaget af sådanne midler eller materialer.

5 Derefter svejses membranerne 4a og 4b med de på membranerne monterede piezoelektriske elementer 5a og 5b til hydrofon-huset 1 ved laserstrålesvejsning. Ved laserstrålesvejsning sker der en sammensmeltning af materialerne, idet der ved svejseprocessen ikke benyttes ekstra svejsematerialer eller 10 andre svejsemidler til frembringelse af svejseforbindelsen. Brugen af laserstråler til svejsning muliggør udnyttelsen af en kortvarig svejseimpuls med stor energitæthed i forbindelse med svejseforbindelsen, så at sammensvejsningen sker, uden at der sker væsentlig varmetransport til det omgivende materia-15 le, og så at den zone, som udsættes for varmepåvirkning, i alt væsentligt begrænses til selve svejseforbindelsen. Herved undgås videretransmission af varme til hydrofonhuset, til membranerne og de piezoelektriske elementer, så at der ikke opstår skader på grund af termiske spændinger eller andre 20 termiske påvirkninger. I realiteten vil svejsepunkterne umiddelbart efter, at sammensmeltningen af delene har fundet sted, have en temperatur, som ikke er højere, end at svejsezonen kan berøres. Da det ved laserstrålesvejsning ikke er nødvendigt at benytte tilsætningsmaterialer, vil der heller 25 ikke dannes rester af sådanne med mulighed for korrosions-skader på de svejsede dele. Også de andre overbelastnings-sikringer 11a og 11b svejses til hydrofonhuset 1 ved laserstrålesvejsning. På dette tidspunkt er hydrofonhuset endnu ikke forseglet, idet røret 8 i gennemføringsrøret 7 endnu 30 ikke er lukket. Den endelige forsegling sker derfor ved, at røret 8 lukkes ved tilsmeltning, fx med tin.

Ved brug af laserstrålesvejsning foretrækkes det, at samtlige svejsede dele er udformet af samme materiale. Det er imidlertid et krav, at dette materiale kan laserstrålesvejses.

35 Der kendes flere højbestandige legeringer af denne type, og der kan fordelagtigt benyttes rustfrit stål, titanlegeringer eller andre højbestandige, korrosionsbestandige og havvands- 7 DK 167261 B1 bestandige legeringer, der kan laserstrålesvejses, i både hydrofonhuset 1, membranerne 4a og 4b og i de andre overbelastningssikringer 11a og 11b.

Laserstrålesvejsning kan med fordel ske i et trykkammer.

5 Hydrofonen og dens enkelte komponenter er da anbragt i og manipuleres inde i et trykkammer, medens laserstrålen til svejsning kan indføres i trykkammeret udefra gennem et i trykkammeret monteret vindue. I trykkammeret kan svejsningen og forseglingen foregå i en kontrolleret atmosfære og under 10 tryk. Finder den sluttelige forsegling af hydrofonen sted fx ved brug af en laserstråle under tryk i trykkammeret, vil hydrofonen efter forsegling have samme indre ...tryk. Man kan derfor på denne måde fremstille en hydrofon med et indre overtryk, som gør, at den kan benyttes på større vanddybder 15 end det tidligere har været muligt. Ved at regulere trykket i trykkammeret vil det således være muligt at fremstille hydro-foner, der kan benyttes på vanddybder på ned til ca. 1000 m, mod tidligere maksimalt 50-100 m. Den frie bevægelsesafstand for membranerne 4a og 4b mellem overbelastningssikringerne la 20 og 11a og 11b bestemmer det operative dybdeinterval for hydrofonen. Ved passende overtryk og udformning af membraner og overbelastningssikringer kan der opnås operative dybdeintervaller på ca. 50-100 m fra havoverfladen og ned til 1000 m dybde. 0 25 Man vil se, at den første overbelastningssikring la beskytter hydrofonen mod et ydre overtryk, når vanddybden er større end hydrofonens operative dybde, idet denne overbelastningssikring forhindrer en ødelæggende deformation af membranerne 4a og 4b og de på disse fastgjorte piezoelektriske elementer 5a 30 og 5b. Tilsvarende beskytter de andre overbelastningssikringer 11a og llb membranerne og de piezoelektriske elementer mod ødelæggende deformation på grund af det i trykkammeret frembragte indre overtryk i hydrofonhuset på vanddybder, der er mindre end hydrofonens operative dybde. De vil naturligvis 35 desuden også beskytte hydrofonen mod det indre overtryk ved

Claims (6)

8 DK 167261 B1 håndteringen udenfor trykkammeret og ved normalt atmosfæretryk. Hullet 3 i overbelastningssikringen la eller midterpartiet af hydrofonhuset kan ud over anbringelsen af tilslutningsled-5 ningerne fra de piezoelektriske elementer også benyttes til anbringelse af mikrominiaturiserede elektroniske komponenter til frembringelse af forstærkning af eller behandling af de registrerede signaler.

1. Piezoelektrisk hydrofon med et hydrofonhus (1), trykføl- somme membraner (4a, 4b) med på disse monterede piezoelektriske elementer (5a, 5b), en åbning med gennemføring for elektriske forbindelser til de piezoelektriske elementer (5a, 5b) samt en første overbelastningssikring (la), 15 kendetegnet ved, at hydrofonhuset (1) og den første overbelastningssikring (la) er udformet i ét stykke, og at der over membranerne (4a, 4b) udvendigt på hver side af hydrofonhuset (1) desuden er monteret en anden overbelastningssikring (11a, 11b), idet den første overbelastnings-20 sikring (la) er indrettet til at beskytte membranerne (4a, 4b) og de piezoelektriske elementer (5a, 5b) mod et ydre overtryk, og idet den anden overbelastningssikring (11a, 11b) er indrettet til at beskytte membranerne (4a, 4b) og de piezoelektriske elementer (5a, 5b) mod et indre overtryk.

2. Hydrofon ifølge krav 1, kendetegnet ved, at hydrofonhuset (1) og membranerne (4a, 4b) samt den anden overbelastningssikring (11a, 11b) er udført af samme materiale, fortrinsvis en korrosions-bestandig og havvandsbestandig stål- eller titanlegering, som 30 kan svejses ved hjælp af laserstråler. 9 DK 167261 B1

3. Hydrofon ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet ved, at gennemføringen for de elektriske ledninger omfatter et rør (8), fortrinsvis af "kovar", som er indsmeltet i glas (7), og indrettet til at danne en 5 tætning af gennemføringsåbningen.

4. Fremgangsmåde til fremstilling af en hydrofon ifølge et hvilket som helst af de foregående krav, kendetegnet ved, at hydrofonhuset (1) og den første overbelastningssikring (la) udformes i ét stykke, at 10 membranerne (4a, 4b) med påmonterede piezoelektriske elementer (5a, 5b) svejses på hydrofonhuset (1) ved...hjælp af smeltesvejsning med laserstråler og uden brug af tilsætnings-materialer, at den anden overbelastningssikring (11a, 11b) også svejses til huset (1) med laserstrålesvejsning, og at 15 den endelige forsegling af hydrofonhuset (1) gennemføres ved, at røret (8) i gennemføringen tilsmeltes, idet den endelige forsegling finder sted under tryk svarende til den vanddybde, ved hvilken hydrofonen skal benyttes.

5. Fremgangsmåde til fremstilling af en hydrofon ifølge krav 20 4, kendetegnet ved, at laserstrålesvejsningen og den sluttelige forsegling af hydrofonhuset (1), fx ved brug af laserstråler, finder sted i et trykkammer.

6. Fremgangsmåde til fremstilling af en hydrofon ifølge krav 25 5, kendetegnet ved, at der i trykkammeret benyttes et trykmedium, fortrinsvis i form af en inert eller ikke-reaktiv gas eller gasblanding.