Brevet FR2479480A1 — publié le 19811002

RESSORT DE GEOPHONE AMELIORE. La présente invention concerne un ressort de suspension pour géophones ou sismomètres. Les géophones sont des appareils pour détecter les mouve- ments au moyen de la suspension d'une structure massique d'iner- tie par rapport à une structure support rigide fixe de référen- ce. De manière classique, la masse est un solénoïde suspendu dans un champ magnétique par des ressorts, avec un ressort at- taché à chaque extrémité du solénoïde. Les ressorts ont pour effet de positionner le solénoïde dans le champ magnétique et de donner au "systiÄme de suspension" une fréquence de résonan- ce prédéterminée. Les ressorfs les plus couramment utilisés dans les géopho- nes actuels sont du type ressort-araignée qui comprend un an- neau intérieur et un anneau extérieur avec des rayons ou bras reliant les deux anneaux. Généralement, on utilise trois bras car ils constituent la disposition considérée comme la plus stable. Le rôle du géophone est de détecter le mouvement par rap- port à une seule direction et il est donc souhaitable d'élimi- ner ou de minimiser les effets de chaque mouvement par rapport à une direction non parallèle à l'axe du mouvement du solénoï- de suspendu à l'intérieur du géophone. Cependant, la nature du système de suspension à ressort a pour effet résultant une composante de vibration le long de l'axe du mouvement du solé- noïde suspendu, lorsque le géophone est déplacé latéralement. Ceci produit un signal indérisable ou faux que, dans la techni- que, on appelle "résonance parasite". Tant que la géométrie et la masse (solénoïde) sont, pour un modèle de géophone donné, constants dans les limites de fa- brication, la résonance parasite est également constante. En conséquence, la fréquence de cette résonance parasite peut être augmentée ou diminuée en modifiant la géométrie des ressorts de suspension. Cette caractéristique est à l'origine des moyens utilisés pour séparer ou éliminer les signaux parasites engen- drés par un mouvement latéral du géophone. Habituellement, ce problème est résolu en augmentant la fréquence de la résonance parasite à un niveau très supérieur au spectre de fréquence intéressant le géoohone. Dans l'état actuel de la technique, -2- on a recours à un rapport d'environ 30 pour 1 de la résonance parasite à la fréquence naturelle du géophone. Le procédé le plus connu pour obtenir le rapport souhaité de la résonance parasite à la fréquence naturelle est de rac- courcir les bras-des ressorts, ce qui augmente la fréquence de la résonance parasite. Bien que ce procédé soit efficace, il présente des effets secondaires indésirables. Dans les ressorts des géophones de la technique antérieu- re, les bras ont une section transversale rectangulaire et sont incurvés sur leur longueur entre leurs points de jonction avec les anneaux intérieur et extérieur du ressort. Le ressort est "préformé", c'est-à-dire que l'anneau intérieur est déca- lé ou déplacé par rapport à l'anneau extérieur, de sorte que, quand la masse (solénoïde) est suspendue entre deux tels res- - sorts, l'anneau intérieur, les bras et l'anneau extérieur de chaque ressort se trouvent dans le même plan. Le préformage crée une force latérale de courbure, qui s'exerce sur chaque bras de ressort. En raison des caractéristiques des rayons courbes, que sont les bras des ressorts, les forces agissant dessus vont provoquer un allongement plus important des fibres internes que des fibres externes. En conséquence, dans le cas des bras de ressort, la limite de résistance est d'abord at- teinte pour les fibres internes qui sont ainsi étirées irré- versiblement ou déformées. Cela peut rendre le ressort non- linéaire et provoquer l'émission, par le géophone, d'un sig- nal déformé. Cet effet est augmenté, lorsque les bras sont re- lativement courts et que le "préformage" ou décalage est grand, comme cela se produit généralement dans les géophones à basse; fréquence présentant une résistance parasite élevée. En conséquence, avant la mise au point de la présente in- vention, les ressorts de géophones comprenant un anneau inté- rieur et un anneau extérieur ainsi que des bras reliant les anneaux étaient caractérisés par une non-linéarité et l'exis- tence d'une force de courbure déformant le mouvement harmo- nique du système à ressorts ainsi que le signal résultant émis par le géophone. C'est pourquoi la technique a ressenti le besoin de trouver un ressort de géophone efficace, simple, qui minimise le problème de la déformation harmonique. Selon l'invention, les avantages ci-dessus sont oht'inUS -3- par le ressort de géophone amélioré. Celui-ci est destiné à être utilisé dans des géophones pour la suspension de struc- tures massiques d'inertie par rapport à une structure support rigide fixe de référence, notamment la suspension d'un solé- noide dans un ensemble créant un champ magnétique. Les oscil- lations sismiques agissant sur le géophone déclenchent le mou- vement du solénoïde suspendu aux ressorts dans le c-hamp magné- tique, ce qui produit un signal électrique, indicateur des os- cillations sismiques. Le ressort est dessiné de manière à com- prendre un élément annulaire extérieur, un élément annulaire intérieur et des éléments servant de bras reliant les éléments annulaires intérieur et extérieur. Chaque élément servant de bras a une section transversale rectangulaire et comprend un segment essentiellement droit. Cette configuration droite des bras du ressort évite ou minimise l'inégalité des tensions, qui se produit dans les rayons courbes, et améliore, d'après ce que l'on croit, la linéarité du ressort. Selon une caractéristique de cette invention, on utilise un ressort à trois bras qui peuvent être suffisamment raccour- cis pour obtenir un rapport de la résonance parasite du res- sort à la fréquence naturelle de 30 à 1; le ressort restant essentiellement linéaire et son mouvement essentiellement har- monique. En conséquence, on pense que des signaux électriques plus précis seront émis par un géophone utilisant le ressort selon l'invention. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, les éléments servant de bras peuvent être dessinés de manière à comprendre trois segments, un segment central essentielle- ment droit relié aux anneaux intérieur et extérieur par des segments de bras, à chacune des extrémités du segment-central. Du fait de cette disposition, le mouvement axial de l'anneau intérieur va provoquer le pivotement des segments centraux essentiellement droits autour des segments de bras "de liai- son" et leur déplacement latéral, de manière à réduire les forces de courbure latérales sur les bras, dès que l'anneau intérieur s'écarte axialement du plan de l'anneau extérieur. Comparé aux ressorts utilisés habituellement, le ressort de géophone selon l'invention présente l'avantage de réduire la tension non uniforme des bras de ressort, ce qui améliore la linéarité du ressort, et de réduire également les forces de courbure latérales s'exerçant sur les bras de ressort de sorte que la déformation des signaux émis par le géophone soit amortie. Dans les dessins - la figure 1 est une vue en plan d'un ressort de géopho- ne classique de la technique antérieure, - là figure 2 est une vue en plan d'un ressort de géopho- ne selon la présente invention, ,- la figure 3 est une vue en plan d'une portion de bras du ressort de géophone représenté à la figure 2, - la figure 4 est une vue, en perspective, d'un ressort de la présente invention à l'état "préformé". L'invention sera décrite en se référant au mode de réali- sation préféré sans que cela ait pour but de limiter l'inven- tion à ce mode de réalisation. Au contraire, il est entendu que toutes les variantes, modifications et équivalents ne sor- tent pas du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications. A la figure 1, est représenté un ressort 10 de géophone- de la technique antérieure. Le ressort comprend un anneau exté- rieur 12 et un anneau intérieur 14 reliés par trois bras 16. Les bras 16 du ressort 10 sont incurvés autour du centre du ressort et s'étendent depuis le point de liaison 18 avec l'an- neau intérieur au point de liaison 20 avec l'anneau extérieur. Les ressorts utilisés dans les géophones sont généralement préformés, c'est-à-dire que l'anneau intérieur est décalé ou déplacé axialement par rapport au plan de l'anneau extérieur. Lorsque, dans un ressort à trois bras, généralement considéré comme donnant la disposition de suspension la plus stable,l'an- neau intérieur est décalé, il est maintenu concentrique par rapport à l'anneau extérieur. Dans la vue en plan du ressort , le point B, à la jonction 18 est translaté au point B', quand l'anneau intérieur 14 est déplacé axialement d'une cer- taine distance au dessus ou en dessous du plan de l'anneau ex- térieur 12. Cela produit un mouvement latéral du point de jonc- tion 18 par rapport au point de jonction 20, en créant une force de courbure latérale agissant sur le bras du ressort. Quand un rayon incurvé est soumis à une force, les fibres -5- internes et externes de ce rayon sont tendues différemment, selon un phénomène connu des techniciens de ce domaine. Le rayon incurvé est soumis à l'action.de couples égaux et oppo- sés par rapport à l'axe neutre du rayon. Tant que l'axe neutre d'un rayon incurvé ne coïncidera pas avec l'axe de gravité mais se situera entre l'axe de gravité et le rayon intérieur du rayon, la force agissant sur les fibres internes du rayon sera plus grande que la force agissant sur les fibres externes. En conséquence, la fibre interne d'un rayon incurvé est plus ten- due qu'une fibre externe. Une analyse plus détaillée de la phy- sique de cette disposition est décrite dans STRENGTH OF MATE- RIALS par Alfred P. Poorman, 1945, pages 295 à 297. C'est pourquoi, quand le ressort 10 est préformé et l'an- neau intérieur 14 plié par rapport à l'anneau extérieur 12 axialement pendant le fonctionnement du géophone, les bras 16 sont soumis à une force de courbure latérale F et les fibres internes des bras 16 sont plus tendues que les fibres externes. Cette tension inégale dans les bras a pour conséquence que les fibres internes peuvent atteindre les premières la limite de résistance de la matière du ressort, de sorte qu'elles seront étirées ou déformées irréversiblement. C'est en particulier le cas, lorsque les bras du ressort ont été raccourcis pour augmenter la fréquence de la résonance parasite.. Le ressort peut devenir non linéaire et faire émettre au géophone un sig- nal déformé. Dans un mode de réalisation préféré de ressort de géopho- ne selon l'invention, en se référant à la figure 2, l'anneau extérieur 24 et l'anneau intérieur 26 sont reliés par des bras 28 comprenant un segment essentiellement droit. Les ressorts selon l'invention peuvent être formés à partir d'un matériau pour ressort tel que, par exemple, un al- liage béryllium-cuivre par un procédé de découpage à la pres- se de la configuration du ressort ou par rongeage à l'acide de fentes entre les bras et les anneaux dans des disques fins en matériau approprié. Des rebords 23 et 25 peuvent être prévus sur l'anneau extérieur 24 pour fixer le ressort 22 à l'ensemble solénoïde du géophone. De tels rebords peuvent être soudés à l'ensemble solénoïde et v être introduits de manière à limiter le -6- mouvement rotationnel du ressort 22 par rapport à l'ensemble solénoïde. L'anneau intérieur 26 peut être maintenu dans le géophone à l'aide d'un dispositif annulaire à glissière, qui permet un mouvement rotationnel du ressort par rapport à l'en- semble champ magnétique de référence fixe mais fixe le mouve- ment de l'anneau intérieur le long de l'axe du géophone. Lorsque le ressort 22 est préformé.'comme représenté à la figure 4'ou, lorsqu'un mouvement axial de l'anneau extérieur 24 par rapport à l'anneau intérieur 26 est induit par un mou- vement agissant contre le géophone, parallèlement à l'axe du ressort, la linéarité du ressort-22 est bien améliorée car les fibres internes et externes des segments droits des bras 28 sont également tendues. Ceci vient du fait que l'axe neutre du segment de rayon droit coïncide avec l'axe de gravité, ce qui produit des tensions égales, en des points de la section transversale du bras, équidistants de l'axe neutre. La linéa- rité améliorée du ressort 22 permet l'émission d'un signal électrique moins déformé, lors du mouvement du solénoïde, mon- té sur ressorts, dans le champ magnétique. A la figure 3, est représenté un bras de ressort pour un mode de réalisation préféré de l'invention. Le segment central du-bras de ressort 28 est essentiellement droit et est re- lié respectivement à l'anneau extérieur 24 et l'anneau inté- rieur 26 par un segment extérieur recourbé 32 et un segment intérieur recourbé 34. De plus, pour augmenter la linéarité du ressort en maintenant une tension uniforme dans le bras 28 entre les points C et D, la configuration du bras de la figure 3 réduit ou élimine également les forces de courbure latérales agissant sur le bras, lorsque le ressort est préfor- mé ou que l'anneau extérieur 24 est déplacé axialement par rapport à l'anneau interne 26 pendant le fonctionnement du géophone. Ceci est réalisé par la géométrie du bras de res- sort 28 comme illustré à la figure 3 et expliqué ci-après. Lorsque l'anneau interne 26 est décalé ou déplacé sur une distance donnée par rapport à l'anneau extérieur 24 le long de l'axe allant de manière concentrique de l'anneau inté- rieur à l'anneau extérieur, les points B et C sur le bras 28, vont se déplacer latéralement par rapport au point A sur l'an- neau extérieur 24 jusqu'en des positions appelées respectivement -7- B' et C'. Cependant, lorsque l'anneau intérieur 26 est dépla- cé axialement hors du plan de l'anneau extérieur 24, la partie centrale 30 du bras, entre les points C et D, est amenée à pi- voter autour d'une ligne tracée entre les points A et D sur le segment extérieur 32 du bras. De même, la partie centrale 30 du bras est également amenée à pivoter autour d'une ligne tra- cée entre les points B et C sur le segment intérieur 34 du bras. Le&pivotement de la ligne CD autour de la ligne AD ac- célère un mouvement latéral du point C sur le bras 28, par rap- port au point A, vers la position C'. Si la portion centrale du bras était incurvée, le point C aurait été contraint de sorte qu'il n'aurait pas effectué le même mouvement latéral et qu'une force de courbure aurait agi sur le bras. Tant que la géométrie du bras de ressort 28 produit un mouvement laté- ral du segment de bras CD dans la direction, dans laquelle la force de courbure latérale agirait, la force de courbure laté- rale produite sur le bras 28 est réduite ou éliminée. La ré- duction de cette force de courbure agissant sur les bras du ressort améliore la réponse harmonique du ressort de géophone et par conséquent diminue la déformation du signal. La description précédente de l'invention a été axée sur un mode de réalisation particulier et préféré, selon les exi- gences de rédaction et à fin d'explication et d'illustration. Il est clair cependant, pour le spécialiste en ce domaine, que de nombreuses modifications et variantes dans ce disposi- tif particulier peuvent être faites sans sortir du cadre et de l'esprit de l'invention. Par exemple, les bras de ressort peuvent être constitués de trois segments droits distincts plutôt qu'un segment central droit lié à des segments inté- rieur et extérieur, comme illustré ci-dessus. Les revendications qui suivent ont précisément pour but de couvrir les modifications et variantes qui rentrent dans le cadre de l'invention. -8-- REVENDICATIONS 1/ Ressort (22), utilisable dans des géophones pour la suspension d'une structure massique d'inertie par rapport à. une structure support rigide fixe de référence,. ce ressort (22) comprenant - un élément annulaire extérieur (24), - un élément annulaire intérieur (26) et, - un-ensemble de bras (28) reliant les éléments annulai- res extérieur (24) et intérieur (26), caractérisé en ce que chaque bras (28) comprend un segment essentiellement droit (30) de section transversale rectangu- laire. 2/ Ressort selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois bras reliant les éléments annulaires ex- térieur (24) et intérieur (26). 3/ Ressort selon l'une des revendications 1 et 2, carac- térisé en ce que les bras (28> sont raccourcis pour obtenir un rapport d'environ 30 pour 1 de la résonance'parasite du ressort (22) à la fréquence naturelle du ressort. 4/ Ressort selon l'une des revendications 1 à 3, carac- térisé en ce que chaque bras (28) comprend - un segment central essentiellement droit (30), - un segment extérieur (32) reliant le segment central essentiellement droit (30) à l'élément annulaire extérieur (24), - un segment intérieur (34) reliant le segment central essentiellement droit (30) à l'élément annulaire intérieur (26), de sorte que le mouvement de l'élément annulaire inté- rieur (26), par rapport à l'élément annulaire extérieur (24), verticalement le long de l'axe passant par le centre de l'é- lément annulaire intérieur (26), fait essentiellement pivoter le segment central essentiellement droit (30) des bras (28) autour du segment extérieur (32) des bras (28) et ainsi faire déplacer les segments centraux essentiellement droits (30) des bras (28) et ainsi faire déplacer les segments centraux essentiellement droits (30) des bras (28) de manière à rédui- re les forces de courbure latérales agissant sur les bras (28). / Ressort selon l'une des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce que le ressort (22) est utilisé dans un géophone - 9 - pour la suspension d'une masse d'inertie, en forme d'un solé- noïde, par rapport à une structure support rigide fixe de ré- férence constitué d'un ensemble magnétique. DEPOSANT: GEOSOURCE INC. MANDATAIRE: Cabinet Michel LAURENT