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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrich-
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tung zur Durchführung von seismischen Prospektierungen und insbesondere
auf die Ermittlung von seismischen Signalen.
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Bei der Anwendung der Reflektionsseismik zum Prospektieren werden
an "Schußpunkten" in einem elastischen Medium, etwa Land oder Wasser, seismische
Wellen erzeugt, und die reflektierten seismischen Signale werden mittels Geophonen
und/oder Hydrophonen ermittelt. Ein Geophon ist im wesentlichen ein geschwindigkeitsempfindlicher
Detektor und muß im Gebrauch gut mit dem Erdboden gekoppelt sein. Ein Hydrophon
ist ein druckempfindlicher Detektor, der im Gebrauch vollständig in Wasser eingetaucht
wird.
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Zunächst wurden seismische Vermessungen hauptsächlich unter Verwendung
von Geophonen an Land durchgeführt. Dann erfolgte die Suche nach Kohlenwasserstoffen
im Offshore-Bereich mittels Hydrophonen. Während Geophone gut für seismische Prospektierungen
an Land und Hydrophone gut für seismische Prospektierungen im Meeresbereich geeignet
sind, ergeben sich auch Grenzbereiche, wie Sümpfe, Marschgebiete, Flüsse, Buchten,
u.ä., in denen es erwünscht ist, seismische Wellen entweder gleichzeitig oder nacheinander
sowohl mittels Hydrophonen als auch mittels Geophonen festzustellen bzw. zu messen.
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Bei der Prospektierung eines Bereiches sowohl mit Geophonen als auch
mit Hydrophonen besteht ein Hauptproblem darin, daß häufig die aufgezeichneten seismischen
Signale einerseits den geschwindigkeitsempfindlichen Geophonen und andererseits
den druckempfindlichen Hydrophonen zugeordnet werden müssen. Da jedoch die Ausgangssignale
der
geschwindigkeitsempfindlichen Geophone und der druckempfindlichen Hydrophone etwa
900 gegeneinander phasenverschoben sind, können sie nicht ohne weiteres zusammengefaßt
werden bzw. sind einander nicht zugeordnet.
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Da beispielsweise eine nach oben gerichtete Druckwelle an einer Wasseroberfläche
mit einer Phasenverschiebung von 1800 reflektiert wird, gibt es die Möglichkeit,
die Ausgangssignale eines Bewegungsdetektors und eines Druckdetektors zu kombinieren,
um ein herzförmiges seismisches Richtungssignal zu erhalten, so daß die ermittelten
Spannungen addiert werden, wenn sich die seismischen Wellen aufwärts bewegen, während
diese Spannungen subtrahiert werden, wenn sich die ermittelten seismischen Wellen
abwärts bewegen.
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Es ist bereits bekannt, eine kombinierte Vorrichtung mit einem Hydrophon
und einem Geophon zu verwenden (US-PS 2 740 945, US-PS 2 846 662, US-PS 3 332 057),
mit denen eine Korrelation, Kombination, Addition und/oder Subtraktion der Ausgangssignale
der Druck- und Geschwindigkeitsdetektoren herbeigeführt wird.
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Da jedoch die Ausgangsspannungen dieser Detektoren Wechselspannungssignale
sind, können sie algebraisch nur dann addiert oder subtrahiert werden, wenn die
Signale in Phase oder 1800 phasenverschoben sind. Bei der Verwendung der vorbekannten
zusammengesetzten Sensoren wird deshalb angenommen, daß die einzelnen Signale'vom
Geophon und vom Hydrophon in Phase oder um 1800 phasenverschoben sind.
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Es wurde jedoch festgestellt, daß diese Annahme falsch ist, was eine
Erklärung dafür darstellt, daß die vorbekannten Anordnungen bisher nur für den Einsatz
im Labor geeignet waren.
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Um diese bei den vorbekannten Anordnungen bzw. bei den vorbekannten
Verfahren auftretenden Schwierigkeiten und Probleme zu vermeiden, wird erfindungsgemäß
die Verwendung eines beschleunigungsempfindlichen seismischen Detektors anstelle
eines geschwindigkeitsempfindlichen seismischen Detektors vorgeschlagen, wodurch
die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen sich auch zum seismischen Prospektieren
in der Praxis eignen, insbesondere in Grenz- oder Ubergangsbereichen wie Flüssen,
Marschlandschaften, Buchten o.ä.
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Die vorteilhafte Wirkung der Erfindung beruht darauf, daß die Ausgangssignale
eines Paares von druckempfindlichen und beschleunigungsempfindlichen Detektoren
in Phase oder um 1800 phasenverschoben sind, während die Ausgangssignale eines vorbekannten
Paares von druckempfindlichen und geschwindigkeitsempfindlichen Detektoren um 900
phasenverschoben sind.
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Infolge der Phasenübereinstimmung oder der Phasenverschiebung von
1800 können die ermittelten seismischen Signale korreliert, addiert, subtrahiert
oder auf andere Weise kombiniert werden.
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Insbesondere ist es möglich, zunächst eine seismische Vermessung mit
in Wasser befindlichen druckempfindlichen Einrichtungen durchzuführen, worauf dann
eine benachbarte oder gleiche
seismische Vermessung mittels beschleunigungsempfindlicher
seismischer Detektoren erfolgt, die beispielsweise in den Flußgrund, den Sumpf oder
das Marschland eingelassen werden.
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Schließlich werden alle aufgezeichneten Daten korreliert.
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Die Erfindung ermöglicht somit den Aufbau eines zusammengesetzten
Sensors, der ein Paar Detektoren enthält, von denen einer druckempfindlich und der
andere beschleunigungsempfindlich ist, sowie das elektrische Kombinieren der Meßergebnisse,
etwa durch Zusammenschalten der Detektorausgänge in Reihe oder parallel.
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Die Erfindung beruht also darauf, daß ein beschleunigungsempfindlicher
seismischer Detektor und ein Hydrophon Signale erzeugen, die im wesentlichen in
Phase sind, und daß die aufgezeichneten seismischen Signale der beiden miteinander
korrelieren bzw. einander zugeordnet sind. Dadurch werden die bei Verwendung von
Hydrophonen und geschwindigkeitsempfindlichen Geophonen infolge der Phasendifferenz
von 900 bei seismischen Explorationen auftretenden Schwierigkeiten vermieden.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum seismischen Prospektieren,
das sich dadurch auszeichnet, daß ein druökempfindlicher seismischer Detektor benachbart
zu oder in einem Nachbarbereich zu einem beschleunigungsempfindlichen seismischen
Detektor in einem elastischen Medium angeordnet wird. Die Ausgangssignale der Detektoren
werden zum Analysieren der Struktur des elastischen Mediums verwendet.
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Ein zusammengesetzter seismischer Sensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann ein Gehäuse aufweisen, das ein Paar Detektoren enthält, von denen
der eine beschleunigungsempfindlich und der andere druckempfindlich ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Sensor außerdem
einen Neigungsschalter und einen Transformator auf, dessen Primärwicklung mit dem
Ausgang der Detektoren verbunden ist.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
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Figur 1 zeigt in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt einen
zusammengesetzten Sensor gemäß der Erfindung.
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Figur 2 zeigt in einer Ansicht und teilweise im Schnitt den Beschleunigungsmesser
des Sensors gemäß Figur 1.
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Figur 3 zeigt in einer Seitenansicht und teilsweise im Schnitt das
Hydrophon des Sensors gemäß Figur 1.
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Figur 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 4-4 aus Figur 3.
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Figur 5 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung für den Sensor
gemäß Figur 1.
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Figur 6 zeigt schematisch und vereinfacht ein seismisches Kabel, an
dem im Abstand eine Anzahl zusammengesetzter Sensoren vonqiUaSde,r~hänqent
Figur
7 zeigt teilweise im Schnitt einen kardanisch aufgehängten, zusammengesetzten Sensor
zur Verwendung in einem seismischen Kabel.
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Figur 8 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 8-8 aus Figur 7.
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Figuren zeigen Schnitte entlang der Linien 9-9 und 10-10 aus 9 und
10 Figur 8.
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Figur 11 zeigt schematisch und vereinfacht die kardanisch befestigten
zusammengesetzten Detektoren in einem seismischen Kabel.
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Figur 12 zeigt ein Schiff zur Durchführung der seismischen Untersuchungen,
das ein Kabel gemäß Figur 11 schleppt.
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Figur 13 zeigt zum Verständnis der Funktionsweise des zusammengesetzten
Sensors gemäß der Erfindung dienende Kurvenformen.
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Der in den Figuren 1 bis 5 dargestellte zusammengesetzte Sensor 10
hat ein längliches, rohrförmiges Gehäuse 11 mit einer Anzahl von Perforationen oder
"Druckfenster" 12 in der Zylinderwandung.
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Das untere Ende des Gehäuses 11 (Figur 1) ist vorzugsweise kegelstumpfförmig
ausgebildet, um das Eindringen des Gehäuses in Schlamm u.ä. zu erleichtern. In einem
zylindrischen Hohlraum 14 oberhalb des kegelstumpfförmigen Bereiches 13 ist ein
Beschleunigungsmesser 15 mit einem Paar elektrischer Anschlußklemmen 16, 17 stramm
eingepaßt. Oberhalb des Beschleunigungsmessers
15 ist ein Hydrophon
aufgehängt, das Anschlußklemmen 32, 23 aufweist. Am oberen Ende des Gehäuses 11
befindet sich ein Transformator 20. Für einige Anwendungsfälle kann außerdem ein
Neigungsschalter 21 vorgesehen sein. Der Transformator 20 hat eine Primärwicklung
20a, eine Sekundärwicklung 20b, ein Paar Eingangsklemmen 24, 25 für die Primärwicklung
und ein Paar Ausgangsklemmen 24', 25' für die Sekundärwicklung.
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Der Neigungsschalter 21 ist vorzugsweise ein Quecksilberschalter mit
einem Paar Eingangsklemmen 26, 27, und er ist bei aufgerichtetem Gehäuse normalerweise
geöffnet.
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Das hohle Gehäuse 11 ist mit einem Druck übertragenden, elastischen
Material, etwa weichem Kunststoff oder Kautschuk, gefüllt, wie dies beispielsweise
in der US-PS 3 932 834 beschrieben ist. Die Anschlußklemmen 24', 25' der Sekundärwicklung
sind mit Leitungen 28, 29 eines Kabels 30 verbunden, das am oberen Ende des Gehäuses
11 von einer Fassung 31 gehalten wird.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist der Beschleunigungsmesser
15 (Figur 2) ein zylindrisches Gehäuse 40 mit einem Boden 41 und einem Deckel 42
auf, die den zylindrischen Innenraum 43 hermetisch abdichten. Ein auf dem Boden
41 ruhender Ring 44 dient als Halterung für einen flachen, kreisförmigen Kristall
45 mit einer oberen Elektrode 45a und einer unteren Elektrode 45b, von denen jeweils
Leitungen 45'a und 45'b ausgehen, die mit den Ausgangsklemmen 16 und 17 des Beschleunigungsmessers
verbunden sind.
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Im Inneren eines konzentrisch im Gehäuse 40 angeordneten Zylinders
48 befindet sich eine Massenanordnung 36 mit einem oberen Bereich 39a, einer schweren
Mittelmasse 49, etwa aus Stahl, und einem Bodenbereich 39b, von dessen Mitte sich
ein zylindrischer Hammer 47 nach unten erstreckt, der infolge Schwerkraft mit der
oberen Elektrode 45a gekoppelt ist. Die Massenanordnung 36 ist mittels eines Paares
von O-Ringen 38a und 38b parallel zu den Wänden des Zylinders 48 zentriert.
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Die Aufwärtsbewegung der Masse 36 wird durch einen sich vom Dekkel
42 nach unten erstreckenden Ansatz 42a begrenzt, während Auslenkungen des Kristalls
45 nach unten durch einen nach oben gerichteten Vorsprung 46 begrenzt werden. Dadurch
wird ein Brechen des Kristalls 45 bei zu großen Beschleunigungen verhindert.
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Der druckempfindliche seismische Detektor 19 ist von üblicher Bauart
und enthält ein Paar flacher, kreisförmiger Kristalle 50, 51. Der Detektor 19 ist
in elastisches Material 52 eingebettet, das in Richtung der Pfeile P verlaufende
Quer-Druckwellen überträgt. In einem Hohlraum 53 werden die Bewegungen der Kristalle
durch eine innere Trennwand 54 begrenzt, die ein Paar einander gegenüberliegender
konkaver Wände aufweist. Die Kristalle sind zwischen den Ausgangsklemmen 22, 23
des Hydrophons parallel geschaltet.
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Die Kristalle 50, 51 des Hydrophons 19 und der Kristall 45 des Beschleunigungsmessers
15 sind vorzugsweise aus dem gleichen piezoelektrischen Material hergestellt.
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Um ein herzförmiges, seismisches Richtungssignal zu erhalten, müssen
die im Gehäuse 11 befindlichen elektrischen Bauelemente miteinander verbunden sein,
wie dies etwa in Figur 5 dargestellt ist, in der auch die Polaritäten angedeutet
sind. Dabei sind das Hydrophon gemäß Figur 5 und der Beschleunigungsmesser gemäß
Figur 2 über die Klemmen 24, 25 der Primärwicklung 20a des Transformators 20 in
Reihe geschaltet.
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In einem Anwendungsfall der Erfindung sind die abgehenden Kabel 30
mehrere; zusammengesetzter Sensoren 10 mit einem Paar Drähte in einem schwimmenden,
mehradrigen Kabel 30' (Figur 6) verbunden. Im Gebrauch kann der zusammengesetzte
Sensor 10 in im allgemeinen senkrechter Richtung in Schlamm, Erdboden u.ä. eingebracht
werden, wie dies für die Sensoren 10a bis 10c dargestellt ist, deren Neigungsschalter
21 geöffnet sind. Falls ein Sensor, etwa der Sensor 10d versehentlich flach liegt,
bewirkt das Quecksilber im Neigungsschalter 21 einen Kurzschluß über die Klemmen
26, 27, wodurch die Ausgangssignale des Beschleunigungsmessers 15 kurzgeschlossen
werden, so daß lediglich das Hydrophon 19 ein seismisches Ausgangssignal an die
Primärwicklung 20a des Transformators 20 gibt. Der Neigungsschalter 21 kann so aufgebaut
sein, daß seine Anschlüsse nur dann kurzgeschlossen werden, wenn die Neigung des
Gehäuses 11 einen vorbestimmten Winkel bezüglich der Senkrechten überschreitet.
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In den Figuren 7 bis 10 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines
zusammengesetzten Sensors 10' dargestellt, der einen Zylinderkörper 60 mit einem
Ausschnitt 59 aufweist. Der Zylinderkörper
60 hat Endhohlräume
60a, 60b sowie einen Mittelhohlraum 60c. In den Endhohlräumen 60a, 60b ist ein Paar
Beschleunigungsmesser 15a und 15b befestigt, während im Mittelhohlraum 60c ein Hydrophon
19 gehaltert ist. Der Zylinderkörper 60 weist ein Paar axialer, sich nach außen
erstreckender Achsen 60d und 60e auf, die drehbar in Lagern 60f, 60g gehaltert sind.
Durch die Mitte der Achse 60e verläuft eine Leitung 60'e und durch die Mitte der
Achse 60d eine Leitung 60'd. Zwei blattförmige Kontakte 69, 69' sind jeweils mittels
einer Schraube 63a, 63b an einer Buchse 63, 63' befestigt, und die Schrauben 63a,
63b dienen als Anschlüsse für Leitungen 61, 61'. Die freien Endeh der Kontakte 69,
69' weisen Kontaktelemente 69a, 69'a auf, die in Eingriff mit Kontaktelementen 69a'
und 69'a' stehen. Wie am deutlichsten in Figur 8 zu erkennen ist, sind die Beschleunigungsmesser
15a und 15b zwischen den Ausgangsklemmen 63a und 63b in Reihe mit dem Hydrophon
19 geschaltet.
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Man erkennt, daß der Zylinderkörper 16 kardanartig gehaltert ist,
so daß die Beschleunigungsmesser immer eine senkrechte Stellung beibehalten, wenn
sich der Sensor 10' in einer im allgemeinen horizontalen Lage befindet. Die Buchsen
63, 63' haben eine Anzahl in Umfangsrichtung versetzter, axial fluchtender Öffnungen
64, durch die sich in Umfangsrichtung abwechselnd Spannkabel 65 und Leiterkabel
65' erstrecken.
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Im Einsatz werden zusammengesetzte Sensoren 10' in gewünschten Abständen
an einem seismischen Kabel 66 (Figuren 11, 12) befestigt, das mit einer Flüssigkeit
gefüllt ist, die durch die
Öffnungen 67 in der Umhüllung 68 in
den Mittelhohlraum 60c eintritt (Figuren 7 bis 10). Das seismische Kabel 66 wird
von einem Schiff 70 durch das Wasser 71 oberhalb des Meeresbodens 72 geschleppt.
Entlang des seismischen Kabels ist eine Anzahl im Abstand voneinander angeordneter,
üblicher Tiefenregler angeordnet, die das seismische Kabel in vorbestimmter Tiefe
oberhalb des Meeresbodens 72 halten.
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Zur Erläuterung der Funktionsweise des zusammengesetzten Sensors gemäß
der Erfindung sei auf Figur 13 verwiesen, in der typische Ausgangssignale des Detektors
dargestellt sind. Die Kurve A zeigt ein typisches Ausgangssignal eines Beschleunigungsmessers
15 und die Kurve B ein typisches Ausgangssignal eines Hydrophons 19. Obwohl in dem
zusammengesetzten Sensor gemäß der Erfindung kein Geophon verwendet wird, ist zum
besseren Verständnis der Erfindung auch ein typisches Ausgangssignal C eines üblichen
Geophons dargestellt.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, wurde bei den vorbekannten zusammengesetzten
Sensoren, die ein mit einem Hydrophon gekoppeltes Geophon enthielten, davon ausgegangen,
daß das Ausgangssignal C des Geophons und das Ausgangssignal B des Hydrophons in
Phase sind, obwohl es sich gezeigt hat, daß sie im wesentlichen um 900 gegeneinander
phasenverschoben sind. Da die Signale B und C phasenverschoben sind, lassen sich
ihre Amplituden weder algebraisch addieren noch subtrahieren. Daher müssen die beispielsweise
in Figur 7 der US-PS 2 740 945 dargestellten Additionen
und Subtraktionen
als fehlerhaft angesehen werden, und dies erklärt auch, warum die vorbekannten zusammengesetzten
Sensoren der erwähnten Art sich in der Praxis nicht durchsetzen konnten.
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Wenn die Signale B und C in Phase wären und wenn ihre Amplituden gleich
groß wären, müßte die Kurve F = (B-C) eine gerade horizontale Linie sein, und die
Kurve E = (B+C) müßte eine Amplitudenspitze aufweisen, die gleich der Summe der
Spitzen der Signale B und C ist. Wie die Figur zeigt, ist weder die Kurve F eine
gerade Linie noch hat die Kurve E eine Spitze entsprechend der Summe der Spitzen
der Kurven B und C.
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Da der zusammengesetzte Sensor gemäß der Erfindung ein Hydrophon (Signal
B) in Zusammenhang mit einem Beschleunigungsmesser (Signal A) verwendet, sind ihre
jeweiligen Ausgangssignale im wesentlichen in Phase, und daher ist die Spitze der
Kurve H =(A+B) die Summe der Spitzen der Signale A und B, und die Spitze des Signals
G = (A-B) ist die Differenz zwischen den Spitzen der Signale A und B. Ist LAJ=CBJ,
so ist G in gewünschter Weise eine im wesentlichen horizontale Linie.
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Obwohl die Erfindung im wesentlichen in Zusammenhang mit einem zusammengesetzten
Sensor beschrieben wurde, läßt sie sich selbstverständlich auch dann ausführen,
wenn der Beschleunigungsmesser und das Hydrophon voneinander getrennt sind.
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L e e r s e i t e