Brevet FR2594559A1 — publié le 19870821

CONTEXTE DE L'INVENTION 1. Domaine de l'invention Cette invention concerne d'une façon générale le domaine de l'exploration sismique et plus particulièrement un appareil perfectionné, destiné à communiquer de l'énergie vibratoire au sol, dans lequel des combinaisons sélec- tionnées d'énergie d'ondes de compression et de cisaillement peuvent être générées simultanément. 2. Description de l'art antérieur Dans la demande de brevet des Etats-Unis déposée par l'inventeur le 20 janvier 1987 et intitulée: "Source sismique vibratoire pour la génération d'ondes combinées de compression et de cisaillement", il est décrit un appa- reil destiné à communiquer une énergie vibratoire au sol er. une position donnée par rapport à la surface du sol. Comme expliqué dans la susdite demande, un vibreur hydrau- lique destiné à communiquer des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire est supporté au-dessus de et indépendamment d'un socle plat en contact avec le sol. Le vibreur est de préférence d'un type classique dans lequel une masse à réaction est montée par l'intermé- diaire d'un dispositif coulissant sur un piston d'extrémité à double tige. L'introduction d'une pression hydraulique à l'intérieur de ce vibreur entraîne un mouvement alternatif important du piston. Des moyens sont prévus pour orienter le vibreur de manière variable afin que cet axe vibratoire soit directement disposé le long d'une trajectoire en pente prédéterminée. D'autres moyens sont prévus pour abaisser le vibreur dans la direction de cet axe vibratoire afin qu'une extrémité de tige vienne en contact avec le socle plat. La mise en marche du vibreur dans une telle position de contact transfère alors de l'énergie vibratoire au socle plat par lequel cette énergie est couplée au sol. Comme expliqué dans cette demande, le vibreur est de préférence monté sur une platine tournante qui peut, par exemple, être supportée horizontalement par le plateau d'un véhicule de transport. La platine tournante comporte une ouverture centrale au travers de laquelle le vibreur peut être manoeuvré afin de venir en contact avec le socle plat. Des vérins hydrauliques montés de manière réglable entre la platine tournante et le vibreur font varier l'inclinaison de l'axe vibratoire en faisant tourner le vibreur autour d'un axe parallèle au plan de la platine tournante. La rotation de la platine tournante autour de son propre axe vertical fait varier la direction d'azimut de cet axe du vibreur. RESUME DE L'INVENTION La présente invention envisage d'autres mcyens perfec- tionnés pour coupler l'énergie d'un vibreur au sol afin que le vibreur crée des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire dont on peut faire varier l'orien- tation. Un bâti de montage du vibreur du type à "la cardan" est supportéau-dessus d'un socle plat couplé au sol de telle façon que le bâti soit pivotant autour d'un premier axe de rotation parallèle au plan du socle plat. Le vibreur est supporté par un dispositif pivotant à l'intérieur du bâti de manière à permettre une rotation limitée du vibreur autour d'un second axe de rotation perpendiculaire au premier axe de rotation. Un mouvement pivotant combiné du bâti et du vibreur autour de ces axes de rotation aligne l'axe de vibration avec une direction désirée quelconque. Selon un aspect plus limité de l'invention, le bâti de montage est supporté par un camion ou autre véhicule de transport. Le mouvement pivotant du bâti autour du premier axe de rotation est effectué grâce à des moyens à vérins hydrauliques fixés de manière réglable entre le véhicule et le bâti. Un mouvement pivotant du vibreur lui-même autour du second axe de rotation est effectué grâce à d'autres moyens à vérins hydrauliques fixés de manière réglable entre le bâti et le vibreur. Le vibreur peut être équipé de moyens coopérant avec son support de bâti et grâce auxquels la position du vibreur peut être décalée le long de son axe vibratoire afin de venir en contact avec le socle plat pour permettre le transfert de l'énergie vibratoire. Un but général de cette invention est donc de proposer un vibreur perfectionné à énergie sismique capable de générer des ondes combinées de compression et de cisail- lement. Un but plus particulier de cette invention est de proposer des moyens facilement contrôlables pour faire varier l'orientation angulaire de la trajectoire des vibra- tions le long de. laquelle l'énergie est couplée au sol par ce vibreur. D'autres buts et avantages de cette invention ressor- tiront de la description détaillée qui va suivre faite en se référant aux dessins annexés. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue latérale en élévation selon le mode de réalisation préféré de cette invention illustrant un vibreur hydraulique disposé de manière réglable au-dessus d'un socle plat lui-même disposé à la surface du sol; la figure 2 est une vue en plan de l'appareil illustré sur la figure 1, représentant un vibreur supporté dans un bâti intérieur monté sur un camion ainsi que leurs axes de pivotement perpendiculaires entre eux; la figure 3 est une vue latérale détaillée de l'appa- reil de la figure 1 représentant une paire de vérins hydrau- liques d'inclinaison du vibreur; la figure 4 est une coupe verticale détaillée le long de la ligne 4-4 de la figure 3 représentant les équerres de montage destinées à supporter les arbres de pivotement du vibreur et les axes d'inclinaison du vibreur; la figure 5 est une vue arrière détaillée de l'appareil de la figure 1 illustrant un ensemble de vérins hydrauliques servant à faire pivoter le bâti intérieur autour d'un bâti extérieur fixé au véhicule; la figure 6 est une vue en élévation détaillée du vibreur de la figure 1 sur laquelle le boîtier support extérieur est présenté en coupe partielle; et la figure 7 est une vue en plan le long de la ligne 7-7 de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DU MODE DE REALISATION PREFERE En se référant maintenant à la figure 1, on peut voir un appareil permettant de mettre en pratique l'inven- tion et utilisant une seule masse vibrante. Le vibreur cylindrique 10 peut être du type utilisant une masse à réaction installée de manière à subir un mouvement alter- natif sur un piston à double extrémité de tige sous une commrande hydraulique, le tout étant bien connu de l'art antérieur. Un exemple d'un tel dispositif est complètement décrit et présenté dans le brevet US n: 3. 159.233 délivré au nom de F. Clynch, et coll., déposé le ler décembre 1964 et intitulé: "Construction d'un transducteur sis- mique". Le vibreur 10 est supporté à l'intérieur d'un boîtier extérieur cylindrique creux 12 et orienté de telle façon que l'axe vibratoire 13 du vibreur 10 coincide avec l'axe longitudinal du boîtier 12. Le vibreur 10 et le boîtier 12 forment en combinaison un ensemble vibratoire 14 qui est supporté de manière réglable au-dessus de et indépendamment du socle plat 16 pour tourner autour de deux axes perpendiculaires entre eux, en déterminant ainsi l'orientation directionnelle de l'axe vibratoire 13. Quand l'axe vibratoire 13 est ajusté de manière à coincider avec la direction désirée, le vibreur 10 peut être entraïné vers le bas par rapport au bottier 12 afin que l'extrémité inférieure du vibreur 10 vienne en contact avec le socle plat 16. Dans cette position de contact, le vibreur 10 est alors mis en service afin de transférer l'énergie vibratoire au socle plat 16 dans la direction désirée pour l'injecter dans le sol. La figure 2 représente une monture de type "à la cardan" grâce à laquelle on peut faire varier la trajec- toire de l'axe vibratoire 13. L'ensemble vibratoire 14 est suspendu à l'intérieur d'un bâti intérieur rectan- gulaire inclinable 20 afin de tourner sur une paire d'arbres 22 et 24 orientés vers l'intérieur. Le bâti intérieur est encore équipé d'une autre paire d'arbres 28 et qui sont orientés à angle droit par rapport aux arbres 22 et 24 et qui sont montés dans le châssis 34 du véhicule. Comme l'indiquent les figures 1 et 2, le châssis 34 est rigidement fixé aux éléments longitudinaux 36 du châssis d'urn é-.zule de transport (non représenté), et dont le pcids est transféré au moins en partie au socle plat 16 au m dxen e supports verticaux réglables 40 équipés d'amor- tisseurs. !1 apparaît que les éléments coopérants décrits ci-dessus donnent à l'ensemble vibratoire 14 deux degrés de liberté en rotation. Autrement dit l'ensemble 14 peut être incliné en avant et en arrière par rapport au véhicule de transport grâce à une rotation autour des arbres 22 et 24 et d'un côté à l'autre par rotation du bâti intérieur sur les arbres 28 et 30. L'inclinaison admissible dans l'une quelconque de ces quatre directions dépend de la construction de l'ensemble vibratoire 14 et de celle du véhicule de transport lui-même, un maximum de trente (30) degrés d'écart par rapport à la verticale dans une direction quelconque étant jugé suffisant pour beaucoup de travaux géophysiques importants. La figure 2 représente encore les moyens grâce auxquels sont effectués les mouvements d'inclinaison de l'ensemble vibratoire 14 et du bâti intérieur 20. Le long des côtés opposés de l'ensemble 14 et montés sur le bâti intérieur , il y a deux paires de vérins hydrauliques opposés ou orientés en opposition. L'une de ces paires comprend les vérins 42 et 44 disposés d'un côté de l'ensemble 14, l'autre paire comprenant les vérins 46 et 48 disposés du côté opposé de l'ensemble 14. La construction et le fonctionnement des vérins 42 et 44 sont exactement les mêmes que ceux des vérins 46 et 48 et donc seuls les pre- miers seront décrits en détail. Le vérin 42 est fixé par un montage pivotant à l'intérieur de l'équerre 49 de manière à tourner autour de l'axe pivot 50. De même, le vérin 44 peut tourner autour de l'axe pivot 51 situé dans l'équerre 52 disposée face à l'équerre 49. L'extrémité supérieure de la tige de piston 54 du vérin 42 se termine dans une manille de tige 56 qui entoure l'axe d'inclinaison 58, lequel est à son tour rigidement fixé à et dépasse vers l'extérieur du bâti de poussée 60 monté sur la surface extérieure du boitier 12. De même, la tige de piston 62 du vérin 44 se termine dans une manille de tige 64 qui entoure aussi l'axe d'inclinaison 58 et s'assemble à queue d'aronde avec l'extrémité de la manille 56. Comme on le voit mieux sur les figures 3 et 4, l'axe d'inclinaison 58 est décalé verticalement au-dessus de l'arbre 24 si bien que les tiges de piston 54 et 62 sont inclinées vers le haut dans des directions opposées par rapport au bâti intérieur 20 afin de venir toucher l'axe d'inclinaison 58. Par des moyens bien connus de l'art antérieur, des signaux de commande appropriés peuvent être fournis pour permettre le fonctionnement des vérins 42 et 44 selon un mouvement "symétrique" dans l'une ou l'autre direction, en faisant ainsi incliner ou tourner l'ensemble vibratoire 14 sur les arbres 22 et 24 dans un sens ou dans l'autre, par exemple d'un angle a. Dans le but d'égaliser les forces de rotation générées de la manière décrite sur les deux côtés de l'ensemble 14 et d'éliminer ainsi des forces de torsion indésirables, les vérins 42 et 44 sont actionnés en tandem avec les vérins 46 et 48 du côté opposé de l'ensemble 14. Ainsi, l'axe d'inclinaison 66 fixé au bâti de poussée 68 (fig. 2) est engagé par les vérins 46 et 48 de manière à permettre l'application d'un couple à l'ensemble 14 en complément de la force d'inclinaison décrite ci-dessus. La facon dont le bâti intérieur 20 peut être incliné ou tourné sur les arbres 28 et 30 d'un côté à l'autre se comprendra mieux en se référant de nouveau à la figure 2 et aux détails de la figure 5. Comme l'indique la figure 5, deux vérins hydrauliques 70 et 72 sont montés respectivement en rotation autour d'axes parallèles sur les axes de pivote- ment 74 et 76 supportés par des supports 78 et 80 faisant saillie au bas du bâti fixe 34. Deux autres vérins hydrau- iiques Directement opposés de ce type, 82 et 83 (comme indiqué en traits interrompus sur la fig. 2) sont disposés sur le côté opposé ou avant du bâti intérieur 20. Ils sont construits et manoeuvrés de manière identique aux vérins 70 et 72 et ne seront donc pas décrits très en détail. La tige de piston 84 du vérin 70 se termine dans une articulation 86 qui peut tourner autour d'un axe de pivotement 88 fixé au support 90 faisant saillie au bas du bâti intérieur 20. De même, la tige de piston 92 du vérin 72 se termine dans une articulation 94 tournant autour d'un axe de pivotement 96 fixé au support correspon- dant 98. D'une manière semblable à ce qui a été décrit pour obtenir l'inclinaison de l'ensemble vibratoire 14, un fonctionnement opposé ou symétrique des vérins hydrau- liques 70 et 72 en tandem avec les deux vérins hydrauliques parallèles 82 et 83 produit une inclinaison ou une rotation du bâti intérieur 20 dans l'un ou l'autre sens sur les arbres 28 et 30, par exemple d'un angle 1. Puisque la distance entre les axes d'inclinaison 58 et 66 et leurs arbres pivots respectifs 24 et 22 est faible par rapport à la longueur axiale totale de l'ensemble vibratoire 14, la longueur de la "course" nécessaire des vérins hydrauliques 42, 44, 46 et 48 est faible. Ceci permet à ces vérins hydrauliques de fonctionner de manière plus efficace et diminue le temps nécessaire pour incliner l'ensemble 14. Des avantages semblables viennent de la localisation des points auxquels les forces d'inclinaison sont appliquées au bâti 20 à proximité des arbres 28 et 30. En se référant maintenant à la figure 6, on peut voir représentés des moyens permettant d'amener le vibreur en contact avec le socle plat 16. Comme indiqué précé- demment, le vibreur 10 peut être d'une construction clas- sique employant une masse à réaction 102 fixée par un montage coulissant sur un piston à tige à double extré- mité (non représenté) ayant des extrémités de tige dépassant vers l'extérieur 104 et 106. Le vibreur 10 est supporté de manière coulissante à l'intérieur d'un alésage à extré- mité ouverte 108 du boîtier 12 de sorte qu'il peut subir un mouvement axial limité à l'intérieur de ce boîtier. Plusieurs vérins hydrauliques 110 espacés les uns des autres sont fixés à l'intérieur du boîtier 12 de façon que les tiges 112 de leurs pistons respectifs s'étendent vers le haut pour venir en contact avec une plaque transver- sale 114 fixée en haut de l'extrémité de tige 104. Le retrait des tiges de piston 112 tire le vibreur 10 vers le bas jusqu'à ce que le bouchon 116 du bas de l'extrémité inférieure de tige 106 vienne en contact avec le socle plat 16. Comme on peut mieux le voir sur les figures 1 et 7, le bouchon 116 est adapté à venir en contact avec la surface supérieure hémisphérique concave 118 d'une surélévation cylindrique 119 du socle plat 16. La surface 118 a de préférence un contour tel qu'elle constitue une portion de sphère dont le centre se place sur l'axe de vibration 13 quelle que soit son orientation. Cet effet est obtenu si les arbres 22, 24, 38 et 30 sont sensiblement coplanaires. De cette façon, il est possible de s'assurer que la trajectoire de l'axe vibratoire 13 est perpendicu- laire à la surface 118 en permanence de manière à obtenir un transfert très efficace de l'énergie vibratoire au socle plat 16 dans la direction désirée. La commande de la fréquence et de la vitesse de bala- yage de l'appareil de cette invention peut être obtenue par des moyens bien connus des spécialistes de cette tech- nique en utilisant une source hydraulique 121 et des vannes de commande 122. Des vannes asservies 123 peuvent être ensuite actionnées par des signaux provenant de la commande de balayage 124 afin de provoquer le vaet-vient de la masse à réaction 102 et de produire un mouvement de vibra- tion correspondant du socle plat 16 afin d'assurer le couplage avec le sol. il faut remarquer qu'avec l'appareil de l'invention, il est possible de générer et d'enregistrer simultanément à distance des ondes sismiques de compression et des ondes sismiques de cisaillement des deux types SH et SV grâce à l'emploi de géophones classiques à trois éléments ortho- gonaux. Les amplitudes relatives des ondes de compres- sion et de cisaillement ainsi générées peuvent être modi- fiées en sélectionnant une combinaison quelconque des angles d'inclinaison a et B comme indiqué ci-dessus. Il faut noter que la forme particulière du vibreur décrit ici ainsi que la construction des bâtis de montage et les moyens permettant d'amener le vibreur 10 en contact avec le socle plat 16 sont présentés uniquement à titre d'illustration et qu'ils ne doivent pas être considérés comme des limitations de la portée de l'appareil de l'inven- tion. REVENDICATIONS 1. Appareil pour appliquer des vibrations sismiques, combinant des ondes de compression et des ondes de cisaille- ment, au sol comprenant: (a) un socle plat pour appliquer l'énergie vibratoire au sol; (b) un bâti du type "à la cardan"; (c) des moyens pour supporter en pivotement ledit bâti au-dessus dudit socle plat à une certaine distance l'un de l'autre afin de permettre une rotation limitée dudit bâti autour d'un premier axe de rotation orienté parallèlement au plan dudit socle plat; (d) un vibreur créant des vibrations alternatives le long d'un axe vibratoire; (e) des moyens pour supporter en pivotement ledit vibreur à l'intérieur dudit bâti de manière à permettre une rotation limitée dudit vibreur autour d'un second axe de rotation perpendiculaire audit premier axe de rota- tion; (f) des moyens pour incliner ledit bâti et ledit vibreur respectivement autour desdits premier et second axes de rotation, jusqu'à ce que ledit axe vibratoire coincide avec une direction prédéterminée; (g) des moyens fixés de manière réglable entre ledit bâti et ledit vibreur afin de décaler la position dudit vibreur dans la direction dudit axe vibratoire de façon que ledit vibreur vienne en contact avec ledit socle plat; et (h) des moyens pour actionner ledit vibreur dans ladite position de contact afin d'assurer ainsi un transfert vers ledit socle plat. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second axes sont coplanaires. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit vibreur est un vibreur hydraulique.