DE10327757B4

DE10327757B4 - Transportable shear wave vibrator

Info

Publication number: DE10327757B4
Application number: DE2003127757
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Polom; Günter Druivenga; Eckhardt Großmann; Sigfried Grüneberg; Walter Rode
Original assignee: Institut fur Geowissenschaftliche Gemeinschaftsaufgaben
Current assignee: Leibniz-Institut fur Angewandte Geophysik De
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2023-06-19
Also published as: DE10327757A1

Abstract

Transportabler Scherwellenvibrator, bestehend aus einem Transversalwellen-Schwingungserreger mit elektrischem Antrieb, einem Akkumulator und einem Steuergerät, von denen der Schwingungserreger unter und der Akkumulator auf dem Fahrgestell einer Schubkarre angebracht sind, das aus zwei Rohren besteht, die an einem Ende das Schubkarrenrad und am anderen Ende einen Handgriff tragen und die zweifach so abgewinkelt sind, dass bei abgestelltem Scherwellenvibrator das Schubkarrenrad den Boden nicht berührt.Transportable shear wave vibrator consisting of a transverse shaft vibration exciter with electric drive, an accumulator and a control unit, of which the vibration generator are mounted under and the accumulator on the chassis of a wheelbarrow, which consists of two tubes, which at one end the wheelbarrow wheel and the other Carry the end of a handle and are twice as angled that when the shear wave vibrator the wheelbarrow wheel does not touch the ground.

Description

Die Erfindung betrifft einen transportablen Scherwellenvibrator.The invention relates to a portable shear wave vibrator.

In der Rohstoffexploration werden seismische Vibrationsverfahren (sogen. Vibroseis-Methode) zur geophysikalischen Erkundung von tiefen Untergrundstrukturen und Materialeigenschaften eingesetzt. Bei der Anwendung dieses Verfahrens werden üblicherweise künstliche Schwingungsanregungen an der Erdoberfläche ausgeführt, deren Wellen sich dann im Untergrund ausbreiten. Dabei werden Longitudinal- und Transversalwellen verwendet. Die wesentlichen Vorteile dieses Verfahrens liegen im steuerbaren Signal, der hochgradigen Reproduzierbarkeit, der exakten Bestimmung der Signallaufzeiten und den im Vergleich zu Impulsquellen (z. B. Sprengstoff) geringen Schäden und Umweltgefährdungen bei der Anwendung. Die gleiche Methodik eignet sich auch für die Erkundung des oberflächennahen Untergrundes bis einige hundert Meter Tiefe für ingenieurgeophysikalische Aufgabenstellungen.In raw material exploration seismic vibration methods (so-called Vibroseis method) are used for the geophysical exploration of deep underground structures and material properties. When applying this method usually artificial vibration excitations are carried out on the earth's surface, the waves then propagate in the underground. It uses longitudinal and transverse waves. The main advantages of this method are the controllable signal, the high degree of reproducibility, the exact determination of the signal propagation times and the low damage compared to pulse sources (eg explosives) and environmental hazards in the application. The same methodology is also suitable for exploring the near-surface subsurface up to several hundred meters depth for engineering geophysical tasks.

Zur Durchführung dieser geophysikalischen Erkundungen benutzt die Technik bisher schweres Gerät, nämlich schwere Lastkraftwagen, die unter ihrem Fahrgestell ( US 5 005 665 A ) oder am Heck ihres Fahrgestells ( US 3 280 935 A ) einen auf den Boden absenkbaren Schwingungserreger oder einen von der Ladefläche herunterschwenkbaren und sich durch die Fahrzeugbewegung selbsttätig ins Erdreich eingrabenden Vibrator ( US 4 605 089 A ) tragen. Solch schweres Gerät beschädigt land- und forstwirtschaftlich genutzte Flächen erheblich und kann nur mit Einwilligung der Eigentümer eingesetzt werden.To carry out these geophysical surveys, the technology has been using heavy equipment, namely heavy goods vehicles, under its chassis ( US 5 005 665 A ) or at the rear of their chassis ( US 3 280 935 A ) a lowerable to the ground vibration exciter or down from the loading surface and by the vehicle movement automatically burrowing into the ground vibrator ( US 4,605,089 A ) wear. Such heavy equipment will significantly damage agricultural and forest land and can only be used with the owner's consent.

Hingegen sind tragbare Vibratoren der DE 102 35 126 C1 meist nicht ausreichend in ihrer Leistung, so dass mehrere Vibratoren zusammengeschaltet und synchron betrieben werden müssen. Das erfordert einen erhöhten Personalaufwand.On the other hand portable vibrators are the DE 102 35 126 C1 usually not sufficient in their performance, so that several vibrators must be interconnected and operated synchronously. This requires an increased personnel costs.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Standes der Technik.The invention avoids the disadvantages of the prior art.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein mobiles, kompaktes und für den Zeitraum einer Tagesproduktion energieautarkes Gerät zur Anregung von Transversalwellen nach dem Vibroseis-Verfahren mit elektrischem Antrieb, das im Gelände von einer Person bewegt werden kann, zu schaffen. Dabei soll die Betriebsenergie im Form von Gleichstrom aus einer mitgeführten aufladbaren Batterie geliefert werden, um induktive Einstreuungen in das Empfängersystem und Bodenunruhe auszuschließen. Die Masse der Batterie und des Transportgerätes soll weitestgehend auch als Auflastmasse zur Verfügung stehen, um die koppelnden Reibungskräfte zu erhöhen.It is the object of the invention to provide a mobile, compact and for the period of a daily production energy self-sufficient device for excitation of transverse waves according to the Vibroseis method with electric drive that can be moved in the field by a person. In this case, the operating energy in the form of direct current from an accompanying rechargeable battery to be supplied in order to exclude inductive interference in the receiver system and ground turbulence. The mass of the battery and the transport device should largely be available as Aufaufmasse to increase the coupling friction forces.

Der erfindungsgemäße transportable Scherwellenvibrator besteht aus einem Transversalwellen-Schwingungserreger mit elektrischem Antrieb, einem Akkumulator und einem Steuergerät, von denen der Schwingungserreger unter und der Akkumulator auf dem Fahrgestell einer Schubkarre angebracht sind, das aus zwei Rohren besteht, die an einem Ende das Schubkarrenrad und am anderen Ende einen Handgriff tragen und die zweifach so abgewinkelt sind, dass bei abgestelltem Scherwellenvibrator das Schubkarrenrad den Boden nicht berührt.The transportable shear wave vibrator according to the invention consists of a transverse wave vibration exciter with electric drive, an accumulator and a control unit, of which the vibration are mounted under and the accumulator on the chassis of a wheelbarrow, which consists of two tubes having at one end the wheelbarrow wheel and on handle the other end and are two times angled so that when the shear wave vibrator is switched off the wheelbarrow wheel does not touch the ground.

Im Unterschied zu vergleichbaren Geräten wird das Energiereservoir im Gerät mitgeführt und dient dabei gleichzeitig als Auflastmasse, die mittels Airbags schwingungsmechanisch gegen den Schwingungsgenerator isoliert ist. Durch die Verwendung einer Gleichstrom-Batterie anstelle eines Stromgenerators werden Motorlärm, unerwünschte induktive Einstreuungen in das Empfängersystem und gefährliche Betriebsspannungen vermieden. Aufgrund der durch die Kaskadierung erhöhten Leistung und der damit und durch die Verlängerung der Produktionskapazität notwendigen Vergrößerung des Energiereservoirs ist das Gerät gegenüber DE 102 36 126 C1 nicht mehr von einer Person tragbar. Es stellt demgegenüber eine etwa dreifach höhere Schwingungsleistung zur Verfügung, mit der sich erheblich größere Eindringtiefen erzielen lassen. Die Mobilität von Schwingungserreger und Energiereservoir im Gelände wird durch die Integration in ein von einer Person zu bedienendes, geländegeeignetes Fahrgestell erzielt, das zusätzlich eine optimale Anordnung von Schwingungserreger und Auflastmasse gewährleistet. Daraus ergibt sich eine für den Zeitraum einer Tagesproduktion energieautarke Einheit für die Anregung seismischer Wellen, die von einer Person transportiert werden kann.In contrast to comparable devices, the energy reservoir is carried along in the device and serves at the same time as ballast mass, which is isolated from the vibration generator by means of airbags in terms of vibration mechanics. The use of a DC battery instead of a power generator avoids engine noise, unwanted inductive interference with the receiver system, and hazardous operating voltages. Due to the increase in power due to the cascading and the enlargement of the energy reservoir which is necessary thereby and due to the extension of the production capacity, the device is opposite DE 102 36 126 C1 no longer portable by one person. In contrast, it provides about three times higher vibration power, which can be achieved with significantly greater penetration depths. The mobility of vibration exciter and energy reservoir in the field is achieved by the integration into a person-to-use, terrain suitable chassis, which also ensures an optimal arrangement of vibration exciter and Aufaufmasse. This results in an energy self-sufficient unit for the excitation of seismic waves for the period of a daily production, which can be transported by a person.

Das spezielle Einsatzgebiet dieses Schwingungserregers ist die oberflächennahe seismische Erkundung mit künstlichen Signalquellen bis vorzugsweise 150 m Eindringtiefe. Der Schwingungserreger kann aber auch in der Materialprüfung verwendet werden. Der Schwingungserreger erzeugt eine von einem elektrischen Steuersignal vorgegebene frequenzmodulierte mechanische Transversalschwingung mit definierter Länge und Modulation (sogen. Sweep) vorzugsweise im Frequenzbereich von 1 Hz bis 300 Hz. Der so erzeugte Wellenzug breitet sich als elastische Welle (Scherwelle) mit materialtypischer Geschwindigkeit (Scherwellengeschwindigkeit) im Untersuchungsobjekt aus, wird gebrochen bzw. reflektiert und von geeigneten, am Untersuchungsobjekt angebrachten Sensoren (Geophonen bzw. Beschleunigungsaufnehmern) registriert und in digitaler Form gespeichert. Anschließend erfolgt eine Kreuzkorrelation dieser registrierten Signale mit einem identisch modulierten Korrelationsoperator, der zur Vermeidung von Oberwellen in der Regel sinusförmig ausgebildet ist. Das Ergebnis dieser Operation ist ein impulsförmiges Signal, über dessen Laufzeitverzögerung gegenüber dem Initialsignal mittels des Wellenweges die Materialgeschwindigkeit und Materialstruktur ermittelt werden kann.The special field of application of this vibration exciter is the near-surface seismic exploration with artificial signal sources up to a depth of penetration of preferably 150 m. The vibration exciter can also be used in material testing. The oscillation exciter generates a frequency-modulated mechanical transversal oscillation with a defined length and modulation (so-called sweep) predetermined by an electrical control signal, preferably in the frequency range from 1 Hz to 300 Hz. The wave train thus generated propagates as an elastic wave (shear wave) with material-typical velocity (shear wave velocity) in the examination subject, is refracted or reflected and registered by suitable, attached to the object to be examined sensors (geophones or accelerometers) and stored in digital form. Subsequently, a cross-correlation of these registered signals with an identically modulated correlation operator, which is designed to avoid harmonics usually sinusoidal. The result of this operation is a pulse-shaped signal over the propagation delay relative to the initial signal by means of the wave path, the material velocity and material structure can be determined.

Bedingt durch die elektrische Steuerung und elektromechanische Wandlung ist das Initialsignal hochgradig reproduzierbar, so dass ein Stapeln beliebig vieler Signalanregungen ohne Qualitätsverlust möglich ist. Durch das Korrelationsverfahren wird ein exakter zeitlicher Abgleich mit dem Steuersignal und dem mittels Beschleunigungsaufnehmern abgegriffenen Bewegungsverhalten des Schwingens erzielt, so dass eine gegenüber Impulsverfahren erheblich genauere Geschwindigkeitsermittlung möglich ist. Durch die zeitliche Dehnung des Signals treten bei der Anregung nur geringe Momentankräfte auf, die eine praktisch zerstörungsfreie Objektuntersuchung ermöglichen.Due to the electrical control and electromechanical conversion, the initial signal is highly reproducible, so that a stack of any number of signal excitations without loss of quality is possible. The correlation method achieves an exact time alignment with the control signal and the movement behavior of the swing tapped by means of acceleration pickups, so that a speed determination which is considerably more accurate than pulse methods is possible. Due to the temporal expansion of the signal occur in the excitation only small moment forces, allowing a virtually non-destructive object investigation.

Es ist zweckmäßig, wenn bei dem transportablen Scherwellenvibrator zwischen dem Scherwellenerzeuger und dem Akkumulator Federn, insbesondere Luftfederbälge, angeordnet sind, die der Entkopplung des Scherwellenerzeugers von der Auflast dienen.It is expedient if in the transportable shear wave vibrator between the shear wave generator and the accumulator springs, in particular bellows, are arranged, which serve to decouple the Scherwellenerzeugers of the ballast.

Bei diesem transportablen Scherwellenvibrator ist es zweckmäßig, dass der Akkumulator in einem Gehäuse untergebracht ist, das auch das Steuergerät aufnehmen kann.In this portable shear wave vibrator, it is expedient that the accumulator is housed in a housing which can also accommodate the control unit.

Von Vorteil kann es sein, dass auf oder in dem Gehäuse Zusatzmassen untergebracht sind.It may be advantageous that additional masses are accommodated on or in the housing.

Bei diesem transportablen Scherwellenvibrator ist es weiterhin von Vorteil, wenn der Vibrator aus mindestens einem elektromechanischen Schwinger besteht, der auf einer Bodenplatte montiert ist, die an ihrer Unterseite mit Bodenkoppelelementen versehen ist.In this portable shear wave vibrator, it is also advantageous if the vibrator consists of at least one electromechanical oscillator, which is mounted on a bottom plate, which is provided on its underside with floor coupling elements.

Zur Vergrößerung der Auflast ist es bei diesem transportablen Scherwellenvibrator von Vorteil, wenn auf dem Gehäuse eine Sitzmöglichkeit für eine die Auflast vergrößernde Person angebracht ist.To increase the ballast, it is advantageous in this portable shear wave vibrator, if on the housing a seat for a person who increases the load is attached.

Weiterhin ist es bei diesem transportablen Scherwellenvibrator zweckmäßig, dass an der im Gehäuse untergebrachten Masse und an der Bodenplatte je ein Schwingungsaufnehmer angebracht ist, der der Steuerungskontrolle des Vibrators dient.Furthermore, it is expedient in this transportable shear wave vibrator that a vibration sensor is attached to the housed in the housing mass and the bottom plate, which serves to control the control of the vibrator.

Das Wesen der Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:The essence of the invention is explained below with reference to an embodiment schematically illustrated in the drawing. Show it:

1 den transportablen Scherwellenvibrator in Arbeitsstellung, 1 the portable shear wave vibrator in working position,

2 den transportablen Scherwellenvibrator in Transportstellung. 2 the transportable shear wave vibrator in transport position.

Der transportable Scherwellenvibrator besteht aus einer Bodenplatte, auf die ein Scherwellenvibrator 1 montiert ist und unter der Bodenkoppelelemente angebracht sind. Oberhalb dieses Scherwellenvibrators ist unter Zwischenschaltung von Luftfederbälgen 2 ein Gehäuse 4 montiert, in welchem ein Akkumulator 3 untergebracht ist. Seitlich an diesem Gehäuse 4 sind zwei gewinkelte Rohre 7 angebracht, die an ihrem einen Ende das Schubkarrenrad 6 und an ihrem anderen Ende je einen Handgriff 5 tragen.The portable shear wave vibrator consists of a bottom plate on which a shear wave vibrator 1 is mounted and mounted under the floor coupling elements. Above this shear wave vibrator is the interposition of air bellows 2 a housing 4 mounted, in which an accumulator 3 is housed. Laterally on this case 4 are two angled tubes 7 attached, which at one end the wheelbarrow wheel 6 and at the other end one handle each 5 wear.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: ScherwellenvibratorShear wave vibrator
22: Luftfederbalgsuspension bellows
33: Akkumulatoraccumulator
44: Gehäusecasing
55: Handgriffhandle
66: SchubkarrenradSchubkarrenrad
77: gewinkeltes Rohrangled pipe

Claims

Transportable shear wave vibrator consisting of a transverse shaft vibration exciter with electric drive, an accumulator and a control unit, of which the vibration generator are mounted under and the accumulator on the chassis of a wheelbarrow, which consists of two tubes, which at one end the wheelbarrow wheel and the other Carry the end of a handle and are twice as angled that when the shear wave vibrator the wheelbarrow wheel does not touch the ground.

A portable shear wave vibrator according to claim 1, wherein springs are disposed between said transverse wave vibrator and said accumulator.

A portable shear wave vibrator according to claim 3, wherein the springs are air springs.

A portable shear wave vibrator according to claim 1, wherein the accumulator is housed in a housing which also accommodates the controller.

Transportable shear wave vibrator according to claim 4, in which additional masses are mounted on or in the housing.

A portable shear wave vibrator according to claim 4, wherein on the housing a Sitting is appropriate for a load-increasing person.

Transportable shear wave vibrator in which the transverse wave vibration exciter consists of at least one electromechanical oscillator mounted on a bottom plate provided with bottom coupling elements on its underside.