Wesentliche Eigenschaften und ihre Überprüfung

Ein Bericht in zwei Teilen von G. Braun

Bereits früher einmal - in der PRAKLA -SElSMOS-Rundschau, Heft 41, 1970 - war das Geophon der Gegenstand eines Berichtes. In humoristischer Form erzählten die damals "gängigen" Geophonarten in Form einer Glosse aus ihrem Leben, wobei auch einige dürftige technische Erläuterungen abfielen. Diesmal wird nun ausführlich (und deshalb aus Platzgründen in zwei Teilen) rein technisch über dieses in der Seismik so wichtige Instrument berichtet. Wir kommen damit einem Wunsch unserer Leser nach, der schon öfters an uns herangetragen wurde.
Red.

Bedeutung des Geophons
Unsere seismischen Trupps sind mit durchschnittlich 3000 Geophonen ausgerüstet. Diese große Zahl könnte dazu verleiten, das Einzelgeophon gering zu schätzen oder gar zu übersehen. Der rauhe Feldbetrieb begünstigt zweifellos ein solches Verhalten, aber einige wesentliche Punkte sollten immer beachtet werden:

• Das Geophon ist in der Kette der Datenerfassungsgeräte das erste Glied. Falls hier Informationen verlorengehen, kann kein Verarbeitungsprozeß sie zurückgewinnen, soweit sie hier verfälscht werden, ist zusätzlicher Bearbeitungsaufwand erforderlich.

• Fehlerhaftes Arbeiten eines Geophons ist nur einer von vielen möglichen instrumentellen Fehlern bei der Messurg seismischer Daten. Solange jedoch keine quantitativen Angaben über deren Einfluß auf das Endergebnis gemacht werden kann, muß jeder einzelne Fehler so klein wie möglich gehalten werden. Kleine Fehler, z. B. durch schadhafte Geophone hervorgerufen, sollten nicht deshalb vernachlässigt werden, weil die seismische Meßmethode der Laufzeitbestimmungen möglicherweise andere - wesentlich größere - Fehlerquellen enthält.

Wirkungsweise
An den Enden eines im Magnetfeld bewegten Leiters entsteht eine elektrische Spannung. Dieser Effekt wird beim Geophon ausgenutzt (siehe Prinzipdarstellung Fig. 1).

Die Masse kann beim Messen im Bereich seismischer Frequenzen als ruhend angenommen werden. Jede Bewegung des Erdbodens und des damit (hoffentlich immer) fest aufgesetzten Gehäuses hat daher eine Relativ-Bewegung zwischen Leiter und Gehäuse zur Folge. Der Magnet ist mit dem Gehäuse starr verbunden, so daß diese Bewegung auch gleichzeitig die Relativbewegung zwischen Leiter und Magnetfeld darstellt.

THE GEOPHONE

Its essential features and the related test procedures

A Report in two parts given by G. Braun

The geophone has already been a subject of an earlier article in the former "PRAKLA-SElSMOS-Rundschau", N o. 41, 1970. The geopohne types in use at that time had reported in a humoraus way on their life with a seismic crew, but only same brief technical notes were given. This time we present a comprehensive technical account on this instrument which is so fundamental to seismics. Because of the length of this article we have divided it into two parts (the second of which will appear in the Report 4/76). By doing so, we are complying with the wishes expressed several times by many of our readers.

Significance of the geophone

'PRAKLA-SEISMOS' seismic reflection parties are equipped with about 3000 geophones each. This large number could be the reason for an undervaluation of this small but very important seismic instrument. Harsh field operations undoubtedly may explain such an attitude; but some essentials should always be taken into consideration:

• The geophone is the first member in a chain of data collecting devices. Information lost at this point cannot be regained by any subsequent processing procedure. As far as information is adulterated here, additional expenditure is necessary .

• The failure of a geophone is in fact one of several possible instrument faults in collecting seismic data. However, as long as there is no quantitative information relative to its own error influence on the final result, every single instrument failure of the whole seismic chain must be kept as small as possible. Above all, the possible presence of more important failures in the time-measuring chain - on which the seismic method is based - should not lead to disregarding or forgetting smaller failures, as they may be caused by damaged geophones.

Function of the geophone
An electrical conductor being moved through a magnetic field develops a voltage across its ends. This effect is utilized by the electrodynamic geophone, see sketch figure 1.

The mass of the geophone can be regarded as being in a resting position when measuring seismic events. Every motion of the ground and of the geophone case coupled firmly with it results in a relative motion between conductor and case. As the magnet is rigidly attached to the case, this motion produces a relative motion between conductor and magnetic field

Die Spannung an den Enden des Leiters ist proportional der Geschwindigkeit der Bewegung. Prinzipiell kann die Spannung auch proportional zur Beschleunigung oder zum Ablenkungsbetrag der bewegten Spule sein; dies hängt davon ab, wie sich die Erregungs-zur Resonanzfrequenz verhält. Im Bereich seismischer Frequenzen ist das elektrodynamische Geophon ein Geschwindigkeitsempfänger. Moderne, höherfrequente Geophone nutzen den Piezoeffekt aus. Ihre Ausgangsspannung ist der Beschleunigung proportional, da die Eigenresonanz des Geophons an der oberen Grenze des zu übertragenden Frequenzbereichs liegt.

Verlegt man - z. B. durch starke Bedämpfung - die Resonanzfrequenz eines elektrodynamischen Geophons an die obere Grenze des übertragungsbereichs, so arbeitet es ebenfalls als Beschleunigungsaufnehmer. In der Vibroseistechnik wird dies seit Jahren angewendet.

Mechanische Eigenschaften
Ein Geophon besteht aus dem Geophonsystem und dem Geophongehäuse. Das Geophonsystem umfaßt alle in der Prinzipdarstellung in Fig. 1 erkennbaren Einheiten : Feder, Masse, Magnet und einen zylindrischen Behälter (Fig. 2, al), in dem diese untergebracht sind. Das Geophonsystem wird - je nachdem ob das Geophon auf Land, im Sumpf oder untertage eingesetzt werden soll - in verschiedenen Gehäusen untergebracht. Das Material des Gehäuses besteht meistens aus Kunststoff, aber auch Metall wird verwendet. Das Gehäuse muß hohen mechanischen und TemperaturBeanspruchungen gewachsen sein.

Figur 2 zeigt verschiedene Gehäuseformen und Spitzen, mit denen das Geophon in die Erde gesteckt und damit an diese angekoppelt wird. Bei sehr hartem Boden werden für die Ankoppelung auch verschieden geformte Platten (z. b. flach, konisch, Dreifuß-) verwendet.

Figur 2 zeigt auch die beiden Möglichkeiten für die Verbindung des Kabels mit dem Gehäuse. Der Fußabgriff (Geophon b,) hat den Vorteil, daß das Kabel flach auf dem Boden entlang geführt werden kann.

The voltage accross the ends of the conductor is proportional to the velocity of the motion. In principle, the voltage mayaiso be proportional to the acceleration or to the displacement of the moving coil. This depends on the exciting frequency relative to the resonant frequency. In the seismic frequency band the electrodynamic geophone is a velocity transducer.

Modern geophones are capable of transducing higher frequencies and they make use of the piezoelectric effect. Their output voltage is proportional to the acceleration because the resonant frequency is at the upper limit of the frequency band to be transduced.

The resonant frequency of an electrodynamic geophone mayaiso be moved to the upper threshold of the frequency band, for example by strong damping. In this case, the geophone behaves as an acceleration transducer. The Vibroseis technique has used this effect for several years.

Das Geophon kann jedoch nicht tiefer als bis zum Kabel in die Erde versenkt werden. Der Kopfabgriff (Geophon b₃) vermeidet diesen Nachteil. Wenn aber nur die Spitze in der Erde steckt, bietet das Geophon dem Wind eine größere Angriffsfläche.

Einen möglichen mechanischen Aufbau eines modernen Geophonsystems zeigt Fig. 3. Die Doppelspule bildet mit dem Spulenkörper die bewegliche Masse, die oben und unten durch je eine Feder gehalten wird. Die Federn sind an der Verbindungsstelle des Magneten mit den Deckeln fest eingespannt. Die Spule kann sich in Richtung der Geophonachse soweit bewegen, wie es die verlängerten Polschuhe des Magneten gestatten. Dies ist die normale Betriebsart.

Grundsätzlich hat das Geophon als räumliches Gebilde jedoch drei Freiheitsgrade, es kann sich also auch in der zur Achse senkrechten Richtung bewegen - soweit der Luftspalt dazu Platz läßt -, und es kann Drehschwingungen ausführen. Bei Messungen in mehr als einer Ebene (z. B. mit Longitudinal- und Scherwellen) und bei hoher Frequenz können sich diese Schwingungsarten jedoch u. U. störend bemerkbar machen.

Elektrische Eigenschaften
Bei Geophonen mit Doppelspulen werden die Störeinstreuungen durch externe magnetische Felder gering gehalten. Beide Hälften sind elektrisch in Serie geschaltet. Durch äußere Felder induzierte Spannungen heben sich auf, die Nutzspannungen addieren sich.Bei dem Vergleich von Geophonen ist zu bedenken, daß mit ihren äußeren Abmessungen auch die elektrische Leistungsfähigkeit bis auf geringe Unterschiede festliegt.

Mechanical features

A geophone consists of the geophone system (basic unit) and the geophone case. The geophone system comprises all units shown in the sketch of figure 1: spring, mass, magnet, and a cylindrical container (Fig. 2, a)) in which they are housed. The geophone case differs according to whether it is to operate on land, marsh or underground. The material of the case is normally synthetic but metal is also used. The case must be matched for straining by high mechanical forces and temperatures.

Figure 2 shows different types of cases and spikes by which the geophone is planted and thus coupled to the ground. For coupling to very hard ground, differently formed base plates (flat, conical or tripod e. g.) are used

Figure 2 also shows two ways of connecting the cable to the case. The bottom takeout (geophone b,) has the advantage that the cable can be led close to the ground. However, the geophone can only be put into the ground up to the takeout. The top takeout (geophone b₃) avoids this disadvantage. But, even when correctly planted, it is more vulnerable to wind noise.

A possible mechanical construction of a modern geophone system is shown in figure 3. The dual coil together with the coil-form are the moving mass which is held by springs at its top and bottom. The springs are rigidly clamped at the connections of the magnet with both lids. The coil can move in the direction of the geophone axis as far as the pole pieces of the magnet allow. This is the normal mode of operation.

However, the geophone - as a threedimensional body - has three degrees of freedom, that means it can also move perpendicular to its axis - as far as the air gaps allow - and it is capable of torsional vibrations. When measuring in more than one plane, say in case of longitudinal and shear waves as weil, and at higher frequencies, these types of oscillation can be disturbing.

Electrical features
Noise pickup by external magnetic fields is kept small by use of dual coil geophones. Both halves are electrically connected in series. Voltages induced by external fields are cancelled, signal voltages enforce each other.

When comparing geophones it must be borne in mind that the electrical output depends -neglecting small scatterings -on their size. The coil space given by the geophone size, can be filled with a large number of turns with wire of small diameter or with only a few turns of a large diameter. Sensitivity and coil resistance respectively are both either high or low.

Essential features for the kind of operation and for quality criteria are:
• Sensitivity
• Coil resistance
• Resonant frequency
• Damping
• Distortion
• Spurious resonances

Man kann in dem durch die Gehäuseabmessung vorgegebenen Wickelraum entweder viele Windungen mit kleinem Querschnitt oder aber wenige Windungen mit großem Querschnitt unterbringen. Im ersten Fall sind Empfindlichkeit und Spulenwiderstand groß, im letzteren sind beide klein.

Wichtige Kriterien zur Beurteilung der Geophon-Leistung und der Geophon-Qualität sind folgende:
• Empfindlichkeit
• Spulenwiderstand
• Resonanzfrequenz
• Dämpfung
• Verzerrungen
• Nebenresonanzen

Diese Begriffe sollen nun erläutert werden:
Die Empfindlichkeit ist die Spannungsamplitude an den Geophonklemmen dividiert durch die Geschwindigkeitsamplitude. Sie wird daher in Volt pro Zentimeter in der Sekunde angegeben. Die Abhängigkeit der Empfindlichkeit von der Frequenz ist in Fig. 4 dargestellt.

Der Spulenwiderstand ist der mit einem Ohm-Meter an den Klemmen meßbare Widerstand.

Wird das Geophon durch einen kurzen Stoß erregt, so führt es eine Schwingung mit abklingender Amplitude aus (Figur 5). Die Frequenz dieser Schwingung ist die Resonanzfrequenz des Geophons. Das Verhältnis, mit dem die Amplitude der Schwingung abnimmt, ist ein Maß für die Dämpfung.

Die Resonanzfrequenz (Figur 6) hängt von der Federkonstanten, der Größe der beweglichen Masse und der inneren und äußeren Dämpfung ab. Sie muß sehr genau eingehalten werden, weil von ihr die Filtereigenschaften des Geophons und somit letztlich auch die Genauigkeit der Laufzeiten abhängt. Dämpfung ist deshalb notwendig.

Fig.5
Messung der Dämpfung

Measurement of damping

These terms should now be explained: Sensitivity is the amplitude quotient of the geophone output voltage and the ground velocity. It is measured in volts per inch (or centimeter) per second. The relation between sensitivity and frequency is described by figure 4. The coil resistance is the resistance measured by an ohmmeter across the geophone terminals. The geophone when excited by a short impulse oscillates with decaying amplitudes (Fig. 5). The frequency of oscillation is the Resonant frequency of the geophon. The rate of decay is a measure for the D'amping.

Die innere Dämpfung entsteht teils durch unvermeidbare mechanische, teils durch vom Hersteller bewußt erzeugte Energieverluste infolge des Wirbelstroms im Spulenkörper oder des Fließwiderstandes (Reibung) im Öl, in dem die beweglichen Teile eingebettet sein können.

Die äußere Dämpfung entsteht durch den Strom, den das Geophonsystem über den Kabel-und Apparatureingangswiderstand treiben muß. Das Geophon ist nämlich ein elektrischer Generator und es unterscheidet sich von anderen Generatoren nur dadurch, daß die Bewegung, aus der die elektrische Energie gewonnen wird, linear (auf und ab) und nicht rotierend ist.

Da der Polschuh meist kürzer als die jeweilige Spulenhälfte ist (siehe Fig. 3), bewegt sich diese zum Teil im inhomogenen Teil des magnetischen Feldes. Bei großen Amplituden schwingt die Spule daher zu einem größeren Teil im inhomogenen Bereich des Feldes. Der lineare Zusammenhang zwischen .Bewegung und Spannung ist dadurch nicht mehr in demselben Maße wie bei kleinen Amplituden gegeben. Die Folge hiervon sind Verzerrungen, d. h. das Geophon liefert außer der Spannung, deren Frequenz mit der Anregungsfrequenz identisch ist, auch harmonische Oberschwingungen dieser Frequenz.

Der in Figur 4 gezeigte Geophon-Aufbau ist lediglich eine von mehreren möglichen Varianten. So kann z. B. die Länge der Spulenhälfte auch klein gegen die des Polschuhs sein. An dem Auftreten von Verzerrungen würde dies allerdings nichts ändern.

Es wurde bereits erwähnt, daß das Geophon besonders bei Anregungen, deren Richtung nicht mit der Achse des Geophons zusammenfällt (schräg stehendes Geophon) außer der gewünschten Auf-Ab-Bewegung auch RechtsLinks-und Drehbewegungen ausführen kann. Das Geophonsystem hat senkrecht zu seiner Achse eine bestimmte Federsteifheit und um die Achse ein rückdrehendes Moment, die in Verbindung mit der Masse bzw. deren polarem Trägheitsmoment zu diesen unerwünschten Bewegungsarten führen. Die dabei auftretenden Resonanzen wollen wir als Nebenresonanzen bezeichnen. Diese liegen bei den bisher gebräuchlichen Geophonen bei etwa 170 Hz.

Der Frequenzbereich bei "normalen" reflexionsseismischen Aufnahmen endet bei etwa 124 Hz, so daß die Nebenresonanzen nicht stören. Bei "High-Resolution-Geophonen" liegen die Nebenresonanzen über 170 Hz. Der Amplitudenunterschied der Spannungen bei gleicher Längs-und Queranregung kann bis zu 50 dB betragen.

Von den beiden Anschlüssen eines Geophons ist einer durch eine besondere Kennzeichnung (z. B. einem Kreuz) von dem andern unterschieden. Damit wird die Polarität festgelegt. Das Geophon gibt eine gegen diesen besonders gekennzeichneten Kontakt positive Spannung ab wenn es in Gebrauchslage durch einen Stoß von unten in Achsrichtung angeregt wird. Die Kennzeichnung soll gewährleisten, daß die Geophone elektrisch so geschaltet werden können, daß alle Geophone einer Kette bei gleicher Anregung gleichgerichtete, d. h. sich addierende Spannungen abgeben.

Eine Rückschau auf die historische Entwicklung des Einsatzes und Einbaus von Geophonen bei PRAKLA und SEISMOS bzw. bei PRAKLA-SEISMOS wird im zweiten Teil dieses Artikels gebracht, der im Report 4/76 erscheinen wird.

The resonant frequency (Fig. 6) depends on the spring constant, the size of the moving mass and the internal and external damping. It must be kept within elose tolerances because it determines the filter characteristic of the geophone which in turn influences the reliability of the measured travel times. Therefore, damping is necessary.

The internal damping is partially due to unavoidable mechanical dissipation. Another part is intentionally produced by the manufacturer. This kind of darnping is caused by eddy currents in the coil form or by the resistance of a viscous fluid (e. g. oil) by which the moving parts can be surrounded.

The external damping is caused by the current, flowing from the geophone through the cable and the input resistance of the field system. The geophone can be regarded as an electrical generator, differing from others only in the kind of movement by which the electrical energy is produced. This movement is linear (up and down) instead of rotational.

The pole piece is mostly shorter than the half-coil (see fig. 3) and, therefore, the coil moves partially within the inhomogeneous part of the magnetic field. In the case of large amplitudes, the coil moves to a greater extent in this inhomogenious region. The result of this is that the linear relationship between motion and voltage is less weil obeyed than with small amplitudes. The consequence is distortion, that means the geophone generates harmonics in addition to the voltage at the exciting frequency.

The geophone construction in figure 3 is only one of several possible variations. For instance, the length of a half-coil can also be smaller than the pole piece. Of course, this would not change the situation as to distortion, in principle.

It has already been mentioned that in addition to its primary motional mode the geophone is capable of horizontal and torsional oscillations relative to its axis of symmetry, especially if planted in the ground with a tilt. The horizontal compliance and the torsional stiffness of the springs together with the mass and its polar moment of inertia, respectively, determine these unwanted motional modes. The resonances of these modes are called Spurious resonances. Their frequencies are near to 170 Hz for geophones in use today.

The frequency band of "normal" reflection-seismic records ends at 124 Hz so that spurious resonances don't matter. The spurious resonances of "high-resolution geophones" lie above 170 Hz. The same excitation in vertical as in horizontal direction produces voltages with amplitudes differing by 50 dB.

One of the geophone terminals is distinguished from the other by a special mark, such as a small cross, thus enabling determination of the polarity. Normally, the geophone generates a voltage positive with respect to this marked terminal if exited by a mechanical impulse from below in the direction of the geophone's axis of symmetry. Marking one geophone terminal thus should guarantee the right electric connection within the geophone strings to produce signal voltages reinforcing each other.

A historical review on the evolution of geophones with PRAKLA-SEISMOS will be given in the second part of this artiele published in the Report 4/76.