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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der
pyrotechnischen Vorrichtungen, die gewaltige Freisetzungen von Energien
erzeugen können, welche zum Schaffen von Impulskräften bestimmt sind.
Diese Kräfte, auf Strukturen angewandt, erlauben es, diese zum
Analysieren ihres Ansprechspektrums zu belasten und anhand dessen bereits
im voraus ihr Verhalten im Falle eines heftigen Stoßes oder eines
Erdbebens vorherzusehen.
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Die Erfindung findet besonders interessante Anwendungen auf dem
Gebiet der Impulsbelastung von Metallmasten, wie z.B. die
Stromleitungsmasten, sowie im Studium des Verhaltens eines Gebäudes oder
eines Bauwerks, das der Wirkung einer sich im Boden ausbreitenden
seismischen Oberflächenwelle unterliegt.
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Die Verwendung bisher bekannter pyrotechnischer Vorrichtungen zu den
voranstehenden Zwecken, bekannt unter dem Namen Explosionsbolzen
oder -schäkel (französisch: "boulons ou manilles explosives") weisen
eine gewisse Zahl an Problemen auf. Diese bestehen einerseits in der
Existenz einer auf die Explosion folgenden Schockwelle, die ihr
Funktionieren mit besonderen Auswurfrisiken behaftet, und andererseits in ihrer
Leistung, die nicht über die Krafterzeugung von einigen Tonnen
(höchstens 3 bis 5) hinausgeht, wenn man nicht eine ernstliche
Arbeitsplatzgefahr durch das Auswurfrisiko metallischer Absplitterungen schaffen will.
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Die Druckschrift US-A-4 553 480 offenbart einen pyrotechnischen
Impulskraftgenerator umfassend, in einem Gehäuse, eine zylindrische
Aufnahme zur Aufnahme eines Explosionspulvers, die an einem Ende auf
der äußeren Oberfläche des mit einem Schlagbolzen versehenen
Gehäuses und am anderen Ende in eine Expansionskammer mündet, deren
Boden durch die Oberfläche einer als Projektil dienenden Masse
verschlossen ist, welches in geführter Weise in einer zylindrischen Bohrung
des Gehäuses angebracht ist. Die Zylinderbohrungsdurchlaufzeit des
Projektils, an dessen Ende von dem Pulver nach der Zündung eine
gewaltige Verbrennungsgasexplosion erzeugt wird, verleiht dem Projektil
eine Geschwindigkeit, die geringer als die Schallgeschwindigkeit ist, und
gestattet seinen Ausstoß in Form eines reinen Impulsstoßes ohne
Schockwelle.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere einen pyrotechnischen
Impulskraftgenerator, der es gestattet, Impulse zu schaffen, die frei von
allen Schockwellen sind, mit einer möglicherweise beträchtlichen Kraft
und ohne Risiko für den Benutzer.
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Der pyrotechnische Impulskraftgenerator gemäß der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Masse durch eine Rückhalteeinrichtung
fixiert ist, so daß Bunde oder Stifte, die ab einer bestimmten Schwelle
des Drucks, der durch die Zündgase des Pulvers auf die Oberfläche der
als Projektil dienenden Masse ausgeübt wird, durchtrennbar sind, wobei
das Pulvervolumen, die Projektilmasse, das Kammervolumen und die
Länge der zylindrischen Bohrung so gewählt sind, daß die
Durchtrennungsarbeit der Rückhalteeinrichtung dem Projektil die besagte
Geschwindigkeit verleiht und den besagten Ausstoß ermöglicht.
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Wie aus dem voranstehenden verständlich wird, gestattet die Wahl, die
der Fachmann aus verschiedenen Parametern zu treffen weiß, welche die
Pulverrnasse, das Expansionskammervolumen, die mechanische
Festigkeitsschwelle der zu durchtrennenden Telle zur Freisetzung der
Projektilmasse, sowie die von dem Projektil zu durchlaufende
Zylinderbohrungslänge sind, die Bildung einer Schockwelle zu verhindern, welche
zum Teil durch die Durchtrennungsarbeit aufgenommen und durch die
gewaltige und schnelle Gasexpansion gehemmt wird, die entsteht, sobald
die Projektilmasse die Bohrung geringer Länge verlassen hat. Diese
schnelle und augenblickliche Verbrennungsgasexpansion des Pulvers
verhindert daher, daß eine richtige Explosion eintritt. Es resultiert
daraus nur, daß der erzeugte energetische Schock eine augenblickliche und
von allen Begleiterscheinungen freie Impulskraft hervorruft.
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Gemäß der Erfindung kann der pyrotechnische Impulskraftgenerator
entweder für die direkte Wirkung des Projektils verwendet werden, das
auf eine zu erschütternde Struktur geschickt wird, oder, nach
Abfederung
desselben Projektils mit Hilfe einer auf dem Boden des Gehäuses
angeordneten speziellen Struktur, für die Reaktionskraft, die der
Geschwindigkeit des Projektils entgegengerichtet ist und die man nach der
Zündung leicht an der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses
aufnehmen kann.
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Eine erste Anwendung des pyrotechnischen Generators zur Belastung
von Metallmasten entspricht genau jener Reaktionsnutzung nach Austritt
des Projektils und ist dadurch charakterisiert, daß der dem Schlagbolzen
benachbarte Teil des Gehäuses an einem Element der metallischen
Struktur fixiert ist, und dadurch, daß das gegenüberliegende Ende des
Gehäuses durch einen Boden begrenzt wird, der zur Aufnahme der als
Projektil dienenden Masse in einer Dämpfungszone dient, wobei die auf
den Masten ausgeübte Impulskraft die Stoßreaktion des
Projektilaustriebs ist.
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In dieser Ausführungsform des pyrotechnischen Generators stellt sich ein
weiterer wichtiger Vorteil ein, der in der Möglichkeit besteht, das
Gehäuse des Generators direkt in Kontakt mit einer metallischen Struktur
des Masten zu befestigen, meistens ein Winkelprofil desselben, welches
man an allen wünschenswerten Stellen der metallischen Struktur für
denjenigen Untersuchungstyp auswählt, den man zu realisieren wünscht.
Die Masse des Projektils liegt im Bereich zwischen 1 und 10 kg und die
Gehäuselänge zwischen 20 und 30 cm. Der Generator ist sehr einfach
transportierbar und kann manuell an dem Ort befestigt werden, der zur
Experimentierung erforderlich ist. Der Impulsstoß wird dann direkt auf
den Metallmasten aufgebracht, versetzt diesen in Schwingungen, und es
ist das Studium der Ausbreitung und der Intensität jener Schwingungen,
das es erlaubt, Forschungsergebnisse über das generelle Verhalten der
Struktur zu erhalten.
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In einer zweiten Anwendung des erfindungsgemäßen pyrotechnischen
Generators wird dieser für die Impulskraft verwendet, die der Stoß der
Projektilmasse auf eine Struktur erzeugt.
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Diese Anwendung des pyrotechnischen Generators auf die Erzeugung
von zwei aufeinanderfolgenden und nahen Volumenwellen im Boden zur
Simulation einer seismischen Welle zeichnet sich dadurch aus, daß der
pyrotechnische Generator einerseits über die Spitze des Gehäuses an
einer Verankerung im Boden und andererseits über das Projektil und
eine einstellbare Vorspannungsschraube mit einer flexiblen, im Boden
fixierten Metallplatte verbunden ist, wobei die auf die Metallplatte durch
Zündung des Pulvers aufgebrachte Impulskraft aus zwei sehr nahen
Impulsen zusammengesetzt ist, von denen der erste der Entspannung der
Platte durch den Projektilstart und der zweite der direkten Stoßwirkung
des Projektils auf diese Platte entspricht. Bei dieser Anwendung sucht
man im wesentlichen die Simulation einer sich im Boden fortpflanzenden
Erschütterung künstlich nachzubilden. Meistens bildet die Ankünft einer
solchen Erschütterung zwei sehr nahe Druckwellen, und die vorstehende
Anwendung des pyrotechnischen Generators gestattet genau diese
Simulation mit sehr einfachen Mitteln.
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Tatsächlich wird eine teilweise in den Boden gerammte, relativ dicke
Metallplatte oder -wand mit Hilfe einer Stellschraube vorgespannt, die
auf einer mit der Projektilmasse verbundenen Schraubenspindel
festgeschraubt wird. Die für diese Vorspannung erforderliche Kraft wird durch
eine Verankerung aufgenommen, die in einigen Metern Entfernung
angeordnet ist und den Generator vom oberen Abschnitt seines Gehäuses
ab unter Spannung hält. Bei dieser gegebenen Struktur ergibt sich bei
Zündung des Pulvers der Reihe nach die mechanische Freisetzung der
auf die Platte ausgeübten Spannung, sobald die Rückhalteeinrichtung der
Projektilmasse der Durchtrennung nachgibt, was dem ersten Impuls
entspricht, dann augenblicklich der Abschuß des Projektils, das, nach
Überwindung der es von der Platte trennenden Distanz von 4 bis 5 m
erforderlichen Zeit, auf dieser aufschlägt und dabei den Impulsstoß
erzeugt, der einer zweiten simulierten Druckwelle entspricht. Eine
korrekte Einstellung der den Generator von der Platte trennenden
Distanz erlaubt es, nach Belieben einen zeitlichen Abstand von 2 bis 4
Mikrosekunden zwischen den beiden Druckwellen einzustellen, wodurch
eine perfekte Simulation einer seismischen Welle im Boden erzeugt
wird. Konstruktionsstrukturen, die sich in direkter Nachbarschaft zur
Platte befinden, geraten in Schwingung genauso wie sie es bei Ankünft
einer seismischen Welle tun würden, und man kann auf diese Weise ihr
Verhalten studieren.
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Die Erfindung wird durch Bezugnahme auf die anhängenden Figuren 1
bis 5 besser verständlich werden, welche den pyrotechnischen Generator
und zwei Anwendungsbeispiele dieses Generators zeigen, wobei die
Beschreibung lediglich beispielhaft und nicht beschränkend sein soll,
wenn sie sich auf die voranstehenden Figuren bezieht, in denen:
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des Prinzips des
erfindungsgemaßen pyrotechnischen Generators zeigt;
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Fig. 2 eine allgemeine Ansicht der Vorrichtung zeigt, die für die
Anwendung des pyrotechnischen Generators zur Belastung
von Strommasten bestimmt ist;
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Fig. 3 im Detail ein Beispiel der möglichen Realisierung des
Schlagbolzens zeigt, der zur Zündung der
Explosionsladung bestimmt ist;
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Fig. 4 einen Schnitt gemäß A-A der Fig. 2 zeigt, wobei es der
Bajonettverschluß gestattet, die beiden Teile des Gehäuses
zu verbinden;
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Fig. 5 ein Ausführungsschema der Anwendung des
pyrotechnischen Generators zur Simulation einer aus zwei nahen
Volumenwellen bestehenden seismischen Welle zeigt.
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In Fig. 1 besitzt der Generator hauptsächlich ein Gehäuse 2, eine
Aufnahme 4 für das Explosionspulver, eine Expansionskammer 6 für die
Verbrennungsgase dieses Pulvers nach seiner Zündung und die
Projektilmasse 8, die in geführter Weise in einer Bohrung 10 des Gehäuses 2
angeordnet ist. Diese Projektilmasse 8 ist erfmdungsgemäß an der Masse
des Gehäuses mittels einer Rückhalteeinrichtung temporär Fixiert, von
denen zwei mögliche Beispiele in Fig. 1 dargestellt sind, nämlich Bunde
12 oder Stifte 14. Es ist selbstverständlich, daß in jedem besonderen
Fall meist nur einer dieser beiden Einrichtungen verwendet wird, die
hier zur Vereinfachung der Beispiele in Kombination gezeichnet sind.
Diese Stifte 14 und/oder diese Krägen 12 sind so berechnet, daß sie
einen bestimmten Durchtrennungswiderstand aufweisen und die
Projektilmasse 8 in ihrer Bohrung 10 bis zur Zündung des Pulvers in der
Kammer 4 zurückhalten, bis durch den Einfluß des sichelförmigen
Drucks der Verbrennungsgase in der Expansionskammer 6 die auf die
Spitze der Projektilmasse 8 ausgeübte Kraft ausreichend ist, um die zur
Brechung der Fixierungseinrichtung 12 oder 14 erforderliche Arbeit zu
erzeugen, wodurch dann die Freisetzung des Projektils 8 hervorgerufen
wird, welches geschoßartig ausgestoßen wird. Sobald die Projektilmasse
8 vollständig aus der Bohrung 10 ausgetreten ist, wird eine schnelle
Verbrennungsgasexpansion ohne Schockwelle unterstützt, und diese
Expansion genügt, um auf diese Art die Verbrennungsflamme, die sich
ausbreitet, auszublasen. Da die Höhe der Bohrung 10 gering ist (im
Bereich von einigen Zentimetern), tritt diese Expansion sehr schnell nach
dem Bruch der Rückhalteeinrichtungen ein, und es ist die Kombination
aus der Energieabsorption durch die mechanische Durchtrennungsarbeit
der Rückhalteeinrichtungen 12 und 14 und dieser augenblicklichen
Expansion, die schnell nach dem Bruch der Rückhalteeinrichtungen eintritt,
die es ermöglicht, das Erreichen einer Explosion und das Auftreten einer
Schockwelle zu verhindern.
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Gemäß der Erfindung und wie anhand des folgenden vorliegenden
Textes zu sehen sein wird, kann der pyrotechnische Generator aus Fig. 1
auf zwei unterschiedliche Weisen verwendet werden, wonach die direkte
Einwirkung der Projektilmasse 8, welche in der Figur durch den Pfeil A
schematisiert ist, oder im Gegenteil die Reaktion auf diesen Ausstoß des
Projektils 8 genutzt wird, die auf der oberen Seite des pyrotechnischen
Generators durch den Pfeil R in entgegengesetzter Richtung dargestellt
ist. Die Wirkungen A und R sind die klassischen, in der Pyrotechnik
wohlbekannten Wirkungen, die einerseits dem Projektilabschuß und
andererseits dem Rückstoß, der den letzteren in jeder Feuerwaffe
begleitet, entsprechen.
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In Fig. 1 ist der Schlagbolzen 16, der die Zündung des Pulvers in der
Aufnahme 4 ermöglicht, in rein schematischer Weise dargestellt, aber es
ist vorteilhaft, ihn gemäß gewissen besonderen Vorschriften
auszuführen, die genauer im Zusammenhang mit der ersten Anwendung dieses
Generators beschrieben werden.
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Es ist klar, daß der Fachmann die Parameter berechnen kann, als da
sind die Pulvermenge, das Volumen der Expansionskammer 6, die
Masse und die Dimensionen des Projektils 8 und die Bruchschwelle der
Rückhalteeinrichtung, um zur Erzeugung von Impulskräften ohne
Schockwelle zu gelangen, die den gesuchten Charakteristiken entspricht.
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Die Fig. 2 betrifft die Anwendung des pyrotechnischen Generators zur
Erzeugung von Stößen um elastische Metallstrukturen zu belasten, wie
z.B. Strommasten, und sie zeigt eine mögliche Ausführungsform dieses
Generators für diesen Anwendungstyp. Allgemein besitzen die
gemeinsamen Elemente der Vorrichtung aus Fig. 1 und derjenigen aus Fig. 2
dieselben Bezugsziffern und werden hier nicht erneut beschrieben
werden.
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Die Fig. 2 zeigt die besondere Gestaltung des Gehäuses für diese
Anwendung. Dieses Gehäuse besitzt einen Verschluß 16, der mit dem Teil
2 verbunden ist, welches mit den Streben 20 und 22 die festen Teile des
Gehäuses bilden. Im Inneren dieser Struktur befindet sich eine weitere
Struktur 24, welche mit der vorangehenden mittels einem
zwischengeschalteten Bajonettrampensystem 6, das im weiteren Detail in Fig. 4 im
Schnitt dargestellt ist, verriegelt ist, und das mit Hilfe des
Verriegelungsgriffs 18 bedient werden kann. Am Grund 28 dieser Struktur 24 ist
die Dämpfungsvorrichtung der Masse 8 befestigt angeordnet, die in
klassisch bekannter Weise einen Stapel aus Bleistrukturen 32, Kautschuk
30 und eine runde Stahlscheibe 34, sowie eine federnde Unterlegscheibe
36 enthält. Diese Vorrichtung ist so berechnet, daß sie, wenn das
Projektil 8 dort einschlägt, fähig ist, die von diesem Projektil erzeugte
kinetische Energie durch Verformung zu absorbieren.
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In der dargestellten Ausführungsform ist das Projektil 8 mittels einer
Schraube 38 an der Durchtrennungsscheibe 12 fixiert, welche sich über
ihren äußeren peripheren Teil auf einer Verstärkung 40 gegen die innere
Struktur 24 abstützt. Eine Dichtungsscheibe 42 gestattet es, den Austritt
von Gasen aus der Expansionskammer 6 nach der Zündung des Pulvers
zu verhindern.
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Der Schlagbolzen 16 zur Zündung des Pulvers ist vom
elektromagnetischen Typ und wird weiter im Detail in Fig. 3 beschrieben werden.
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Die oberen Strukturen des Impulsgenerators weisen auf allgemeine
Weise die Stücke 44 auf, die an der Spitze des Behälters fixiert sind und
über die als Zwischenstück der Generator selbst an ein Winkelprofil 46
des Metallmastens fixiert ist, den man den durch den Generator
erzeugten Impulsstößen aussetzen will.
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In Fig. 3 ist weiter im Detail der Schlagbolzen 16 dargestellt, der hier
vom elektromagnetischen Typ ist. Er besitzt einen Hammer 48, der
durch eine nicht-dargestellte elektrische Spule in Bewegung gesetzt wird.
Zwischen der Aufnahme 4 des Explosionsstoffes und dem Hammer 48
liegen zwei runde Scheiben 50 und 52, die, solange der Hammer 48
nicht aufschlägt, durch eine Feder 54 auf Abstand gehalten werden. Die
erste Scheibe 50, oder Aufschlagscheibe, besitzt einen Sporn 56, der
dazu bestimmt ist, das Pulver durch eine in der Kalibrierscheibe 52
vorgesehene Öffnung hindurch anzuschlagen, was die exakte Steuerung
der Translation des Schlagbolzensporns 56 und die korrekte
Zündauslösung des Pulvers ohne Zerstörung der Aufnahme 4 gestattet.
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In Fig. 4 ist wieder der Griff der Verriegelung 18 dargestellt, der es
gestattet, durch Rotation die Bajonettrampen 58 und 60 miteinander in
Eingriff zu bringen oder zu lösen und die das Gehäuse 2 des Generators
bildenden Strukturen 16 und 24 zu verbinden oder zu lösen.
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Bezugnehmend auf Fig. 5 wird eine mögliche Anwendungsform des
pyrotechnischen Generators zur Simulation einer aus zwei
aufeinanderfolgenden und nahen Volumenwellen bestehenden seismischen
Welle im Boden beschrieben. In diesem Beispiel ist der pyrotechnische
Generator 100 in folgender Weise montiert. An dem Teil des Gehäuses,
das der beweglichen Masse 8 gegenüberliegt, befindet sich eine
mechanische Verbindung 102, die mit einer in der Erde vergrabenen
Verankerungsvorrichtung 104 verbunden ist. Diese Vorrichtung 102 kann eine
dynamometrische Vorrichtung 106 umfassen, die es gestattet, die
Spannung der Vorrichtung 102, die meistens ein Metallkabel ist, zu
jedem Zeitpunkt zu kennen.
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Außerdem befindet sich an der Stelle 108 des Erdbodens, wo man die
seismische Welle erzeugen will, weit darin eingerammt eine große und
dicke elastische Metallplatte 110. Mit Hilfe geeigneter und dem
Fachmann bekannter Vorrichtungen wird diese Platte mit Spannern 112 an
einer Schraubenspindel 114 befestigt, welche an dem beweglichen
Projektil 8 des pyrotechnischen Generators 100 fixiert ist. Diese
Verbindung wird über eine Zwischenstückvorrichtung 116 hergestellt, welches
eine durchgehende Schraubenmutter ist, die es gestattet, eine einstellbare
Spannungseinbringung in die Platte 110 an dem Ende zu erzeugen, an
dem man zieht, wobei die Platte gebogen wird und wobei eine
Kompression des am Fuß der Platte 110 gelegenen Teils 118 der Erde
erzeugt wird. Dieses Unter-Spannung-Setzen der Platte 110 gestattet es,
die elastische Energie zu speichern, die für die Erzeugung der ersten
Druckwelle der seismischen Welle im Boden genutzt wird. Die durch
die Spanner 112 zwischen der Schraubenmutter 116 und der Platte 110
definierte Entfernung liegt im Bereich von 4 bis 5 m zum Beispiel.
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Die Funktionsweise des Systems ist wie folgt. Durch die Zündung des
Pulvers im Generator 100 wird das Projektil 8 dem sichelförmigen
Gasdruck in der Expansionskammer (Bezugsziffer 6, Fig. 1 und 2)
ausgesetzt. In dem Moment, in dem die Rückhalteeinrichtung 12, 14 die
vorgesehene Durchtrennung erfährt, hört das Unter-Spannung-Setzen der
Platte 110 augenblicklich auf und sie bewegt sich in ihre
Gleichgewichtsposition zurück, wobei sie eine erste Druckwelle im Boden hervorruft.
Daraufhin verfolgt das Projektil 8 seine Flugbahn weiter und schlägt auf
den aus der Erde herausstehenden Teil der Platte 110 auf, wobei es
durch seine Impulskraft die zweite Volumenwelle im Boden in der Zone
108 erzeugt. Diese zweite Druckwelle ist ebenso ein augenblicklicher
Impuls und frei von jeglicher Schockwelle. Der zeitliche Abstand
zwischen den beiden vorgenannten Druckwellen wird durch die
Durchgangszeit des Projektils 8 zwischen seinem Ausgangspunkt auf Höhe des
pyrotechnischen Generators 100 und seiner Ankunft auf der Platte 110
bestimmt. Man kann also gleichfalls über die Wahl der Länge der
Spanner 112 den Zeitabstand mit genauer Präzision einstellen. Es ist
daher offensichtlich, daß für ein in einiger Entfernung der Zone 108
gelegenes Gebäude oder Bauwerk 120 die beiden erzeugten
Volumenwellen an die Ankunft einer seismischen Welle anpaßbar sind und das
Studium des Verhaltens dieses Bauwerks 120 entsprechend durchgeführt
werden kann.