Настраиваемый акустический рефлектор



Настраиваемый акустический рефлектор
Настраиваемый акустический рефлектор
Настраиваемый акустический рефлектор
Настраиваемый акустический рефлектор
Настраиваемый акустический рефлектор
Настраиваемый акустический рефлектор

 


Владельцы патента RU 2495501:

Государственный Секретарь По Обороне (GB)

Использование: предлагается акустический рефлектор, который может быть использован в качестве отражательной мишени для навигационного оборудования, а также в областях локации и релокации. Сущность: акустический рефлектор содержит оболочку, размещенную вокруг твердого сердечника. Оболочка адаптирована к пропусканию акустических волн, падающих на нее, в сердечник. Внутри сердечника акустические волны фокусируются и в результате последующего отражения от противоположной боковой поверхности оболочки образуют отраженную акустическую волну. Оболочка имеет, по меньшей мере, два отдельных окна пропускания, при падении на которые акустические волны проходят по отдельным каналам внутри сердечника с последующим повторным излучением, и в результате конструктивного объединения соответствующих отраженных выходных акустических сигналов формируется усиленный выходной акустический сигнал на одной или более определенных частотах. Технический результат: усиление отраженного выходного акустического сигнала. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к акустическим рефлекторам и, в частности, к подводным отражательным мишеням, используемым в качестве навигационного оборудования, а также в локации и релокации.

Подводные отражательные мишени, как правило, представляют собой акустические рефлекторы, обычно используемые в гидроакустических системах, таких как, например, для идентификации подводных структур. Устройства релокации используются, например, для идентификации трубопроводов, кабелей и мин, а также в рыбной промышленности для акустической маркировки сетей.

Для обеспечения эффективности акустический рефлектор должен обладать высокой распознаваемостью на фоне особенностей фона и помех окружающей среды, и поэтому желательно, чтобы такие отражательные мишени (а) были выполнены с возможностью формирования интенсивного отражательного акустического отклика на выходе (т.е. обеспечивали высокую отражательную способность мишени) относительно способности особенностей окружающей среды к отражению акустических волн и помех окружающей среды и (б) имели акустические характеристики, позволяющие выделять эти мишени из других (ложных) мишеней.

В настоящее время усиление отражения акустических волн от мишени достигается за счет преломления акустических волн на входе, падающих на боковую поверхность сферической оболочки таким образом, что происходит их фокусировка вдоль входного канала на противоположной боковой поверхности оболочки с последующим отражением и испусканием рефлектором в виде выходного отражательного отклика. В варианте изобретения возможно более, чем однократное отражение входных акустических волн от противоположной поверхности оболочки рефлектора с последующим испусканием в виде выходной отраженной волны.

Известные подводные отражательные мишени содержат сферическую оболочку, заполненную жидкостью. Такие мишени в виде оболочки, заполненной жидкостью, имеют высокую отражательную способность в случае, когда звуковая скорость выбранной жидкости составляет приблизительно 840 мс-1. В настоящее время это достигается за счет использования хлорфторуглеродов в качестве жидкости внутри оболочки. Такие жидкости, как правило, представляют собой нежелательные органические растворители, являющиеся токсичными и разрушающими озоновый слой химическими реактивами. Поэтому использование таких материалов ограничивается вследствие возможного нанесения вреда окружающей среде в результате вероятности утечки жидкости в окружающую среду и загрязнения окружающей среды и является недостатком отражательных мишеней в виде сферической оболочки, заполненной жидкостью. Кроме того, процесс изготовления отражательных мишеней в виде сферической оболочки, заполненной жидкостью, является довольно затруднительным и дорогостоящим.

Другой известный акустический рефлектор представляет собой трехплоскостной рефлектор, который, как правило, содержит три взаимно перпендикулярные отражательные плоскости, пересекающиеся в общей исходной точке. Однако для обеспечения отражения акустических волн на требуемых частотах и использования таких рефлекторов в морской среде может потребоваться нанесение покрытий, которые могут иметь более высокую отражательную способность, но свойства материалов которых могут меняться под действием давления на глубине под водой. Кроме того, недостатком трехплоскостных рефлекторов является зависимость и ограничение их отражательной способности положением в пространстве, причем при различных углах положения изменение отражательной способности мишени может превышать 6 дБ.

Требуются также идентификаторы в виде акустических рефлекторов, которые могут быть использованы для крепления к морским млекопитающим, таким как тюлени, дельфины и киты с целью определения их местонахождения, слежения и мониторинга в научно-исследовательских целях, но такие идентификаторы должны иметь малую массу и малые размеры, чтобы никоим образом не препятствовать перемещению животного. Указанные выше известные рефлекторы не удовлетворяют необходимым требованиям для таких областей применения. Как было указано выше, рефлекторы в виде сферы, заполненной жидкостью, изготавливаются с использованием токсичных материалов и поэтому считаются потенциально опасными для животного, к которому они крепятся, и для окружающей среды, в которой животное обитает. Трехплоскостной рефлектор является невсенаправленным, а зависимость его отражательной способности от положения в пространстве и, как следствие, ограничение отражательной способности этого рефлектора являются нежелательными факторами.

В патенте Великобритании №2347016 заявитель раскрывает и заявляет акустический рефлектор, содержащий оболочку, имеющую стенку, размещенную вокруг сердечника, где указанная оболочка выполнена с возможностью пропускания акустических волн, падающих на оболочку, в сердечник для фокусировки и отражения от участка оболочки, расположенного напротив участка падения акустических волн, с целью обеспечения выхода отраженного акустического сигнала из рефлектора, причем сердечник имеет форму сферы или прямого цилиндра и образован одним или более концентрическими слоями твердого материала, имеющего скорость распространения волны в диапазоне 840~1500 мс-1, а размер оболочки относительно сердечника выбран таким образом, что часть акустических волн, падающих на оболочку, проникает в стенку оболочки и проходит в ней по окружности с последующим повторным излучением для конструктивного объединения с выходными акустическими сигналами, получаемыми за счет отражения, с целью формирования усиленного отраженного выходного акустического сигнала.

Этот рефлектор обладает большим сроком службы, является нетоксичным и имеет небольшие размеры, а процесс его изготовления является сравнительно простым и недорогим.

При этом рефлектор может иметь форму сферы или цилиндра с круговым поперечным сечением, перпендикулярным источнику энергии. В последнем случае рефлектор имеет вид длинной непрерывной системы, т.е. ленточного отражателя для создания помех с высоким уровнем эхосигналов гидроакустической станции от зеркальных блесток на участках их размещения на ленточном отражателе под прямым углом к направлению распространения акустического сигнала.

Сердечник может быть выполнен из одного твердого материала. В варианте изобретения сердечник может содержать два или более слоя различных материалов, способных обеспечивать для конкретной выбранной частоты акустических волн более эффективную фокусировку приходящих волн и/или более низкое затухание внутри материала, что, в целом, приводит к усилению выходного сигнала. При этом высокого поглощения акустической энергии в рабочем диапазоне у материалов, которые могут быть использованы в качестве материалов для сердечника, происходить не должно.

Оболочка может быть выполнена из жесткого материала, такого как, например, стеклопластик (GRP), в частности, из стеклонаполненного Nylon 66, стеклонаполнение которого составляет 50%, или стеклоналлненного полуароматического полиамида, стеклонаполнение которого составляет 40%, или стали, и ее толщина должна составлять приблизительно одну десятую радиуса сердечника. Методика выведения правильного соотношения между этими параметрами в зависимости от характеристик материалов, используемых для сердечника и оболочке, должна быть очевидна специалистам в данной области техники.

Для создания признака или признаков с высокой распознаваемостью в усиленном отраженном выходном акустическом сигнале от устройства в конструкции этого устройства может быть использована концепция объединения волн, пропускаемых через оболочку рефлектора, с волнами, получаемыми за счет внутренней фокусировки, в результате которого, выходной сигнал может приобретать, например, специфическую временную характеристику или специфический спектральный состав.

Соответствующая адаптация гидроакустической станции, используемой для детектирования выходного акустического сигнала с целью распознавания характерных признаков выходных сигналов, обеспечивает возможность более точного распознавания сигнала от рефлектора согласно изобретению на фоне помех окружающей среды и эхосигналов от других (ложных) мишеней, находящихся в поле зрения детектора используемой гидроакустической станции.

При этом соответствующее фазирование двух эхосигналов, то есть сигнала от оболочки, формируемого в результате геометрической фокусировки, и эхосигнала от внешней оболочки, формируемого упругими волнами, обеспечивает возможность возникновения в устройстве специфического частотного резонанса, способного "окрашивать" эхосигнал, что позволяет осуществлять распознавание эхосигнала от конкретного рефлектора на фоне других (ложных) мишеней в окружающей среде с высоким уровнем помех.

Заявителем было установлено, что соответствующий выбор размеров и материалов акустического рефлектора, имеющего, в целом, описываемую выше конструкцию, позволяет создавать на отдельных участках оболочки двух или более отдельных окон пропускания, обеспечивающих возможность получения двух или более отдельных каналов для прохождения сфокусированных акустических волн через сердечник рефлектора. За счет интерференции акустических волн, проходящих через различные окна пропускания в оболочке по различным акустическим каналам, такое устройство позволяет формировать усиленный отраженный выходной акустический сигнал.

Предлагаемый акустический рефлектор содержит сердечник и оболочку, окружающую указанный сердечник, где указанная оболочка имеет два отдельных акустических окна в стенке оболочки, при этом оболочка пропускает акустические волны, падающие на стенку оболочки в сердечник для фокусировки и отражения от участка стенки оболочки, расположенного напротив участка падения акустических волн, с целью обеспечения выхода отраженного акустического сигнала из рефлектора, а сердечник имеет круговое поперечное сечение и образован одним или более концентрическими слоями твердого материала, имеющего скорость распространения волны в диапазоне 840-1500 мс-1, причем падающие акустические волны проходят сквозь стенку оболочки через два отдельных акустических окна в стенке оболочки в сердечник по двум отдельным каналам, и в результате конструктивного объединения соответствующих отраженных выходных акустических сигналов формируется усиленный выходной акустический сигнал на одной или более заранее заданных частотах.

В предпочтительном варианте рефлектор имеет форму сферы или цилиндра с круговым поперечным сечением, перпендикулярным источнику энергии. В последнем случае рефлектор имеет вид длинной непрерывной системы, т.е. ленточного отражателя для создания помех с высоким уровнем эхосигналов гидроакустической станции от зеркальных блесток на участках их размещения на ленточном отражателе под прямым углом к направлению распространения акустического сигнала. В другом варианте была установлена эффективность рефлекторов указанного выше вида в случае овальной формы (в виде мяча для регби) сердечника при круговом поперечном сечении.

Рефлектор согласно изобретению может быть настроен на заданную частоту путем соответствующего выбора основного диаметра и толщины оболочки и свойств соответствующих материалов каждого компонента. В частности, важно, чтобы акустическая скорость распространения волны внутри материала сердечника была такой, чтобы обеспечить возможность конструктивной интерференции между двумя сфоркусированными эхосигналами, проходящими по акустическим каналам разной длины.

В предпочтительном варианте сердечник выполнен из одного твердого материала, имеющего скорость распространения волны диапазоне 840~1300 мс-1. В другом варианте сердечник может содержать два или более слоев различных материалов, способных обеспечивать для конкретной выбранной частоты акустических волн более эффективную фокусировку приходящих волн и/или более низкое затухание внутри материала, что, в целом, приводит к усилению выходного сигнала. Однако естественно ожидать, что сложность и стоимость процесс изготовления в случае слоистого сердечника будут выше. При формировании сердечника из двух или более слоев различных материалов скорость распространения волны в одном или обоих материалах может достигать до 1500 мс-1.

Для обеспечения возможности использования в рефлекторе согласно изобретению материал сердечника должен иметь скорость распространения волны в требуемом диапазоне при отсутствии высокого поглощения акустической энергии. Сердечник может быть выполнен из эластомерного материала, такого как, например, силикон, в частности, из силиконового каучука RTV12 или RTV655 фирмы Bayer или пероксидного вулканизата силиконового каучука Alsil 14401.

Оболочка может быть выполнена из жесткого материала, такого как, например, стеклопластик (GRP), в частности, из стеклонаполненного Nylon 66, стеклонаполнение которого составляет 50%, или стеклонаплненного полуароматического полиамида, стеклоналолнение которого составляет 40%, или стали, и ее толщина должна составлять приблизительно одну десятую радиуса сердечника.

Для обеспечения дополнительного влияния на спектральный отклик рефлектора в случае необходимости может быть использовано объединение волн, получаемых за счет внутренней фокусировки, с (упругими) волнами, пропускаемыми через оболочку рефлектора, что, как описывает заявитель в патенте Великобритании №2437016, приводит к созданию признака или признаков с высокой распознаваемостью в усиленном отраженном выходном акустическом сигнале от устройства.

При этом выходной сигнал от рефлектора согласно настоящему изобретению может приобретать, например, специфическую временную характеристику и, таким образом, обеспечивать возможность однозначной идентификации. В целом, возможность беспрепятственного распознавания мишеней в форме сферы на фоне большого числа ложных мишеней обеспечивается за счет создания этими мишенями в форме сферы "хвостов" эхосигналов с высокой распознаваемостью. Формирование этой эхоструктуры обусловлено большим числом акустических каналов внутри рефлектора и наличием четкой специфической периодической структуры, не копируемой большинством подводных мишеней.

Возможность формирования заданного частотного состава эхосигнала позволяет получать, если использовать оптическую аналогию, окрашенный, а не до некоторой степени монохроматический спектральный отклик рефлектора согласно изобретению, как это имеет место быть для большинства подводных мишеней на частотах, используемых, как правило, гидроакустическими системами. Следовательно, появляется возможность совершенно беспрепятственного распознавания эхосигналов от рефлектора согласно изобретению на фоне помех окружающей среды и эхосигналов от других (ложных) мишеней, находящихся в поле зрения детектора используемой гидроакустической станции.

При этом в результате возможности настройки отдельных рефлекторов для получения различных спектральных выходных сигналов становится очевидным ряд чрезвычайно полезных областей применения устройств согласно изобретению. Например, при использовании гидроакустической системы, работающей в двухчастотном режиме с возможностью настройки рефлекторов на две различные частоты, соответствующие рефлекторы могут действовать как "светофоры" или их можно использовать при определении охранной зоны для автономных или полуавтономных систем или при создании навигационных коридоров для подводных транспортных средств в виде путей прохода между двумя рядами рефлекторов с разной настройкой.

Кроме того, абсолютная независимость эхосигнала от рефлектора согласно настоящему изобретению от расположения относительно опрашивающей гидроакустической станции обеспечивает возможность развертывания устройств с учетом только местонахождения, а не положения на морском дне. В результате размещение рефлекторов под водой становится более простым, более эффективным и более дешевым, чем в случае других более направленных устройств.

Вариантом возможного использования гидроакустической станции, работающей в двухчастотном режиме, является гидроакустическая станция, работающая в широкополосном режиме с использованием различного частотного состава и обеспечением соответствия между двумя различными цветами и соответствующими рефлекторами. При этом несмотря на возможное возникновение необходимости соответствующей адаптации традиционной гидроакустической системы с целью обеспечения достаточной ширины полосы для облучения и соответствующей возможности обработки сигналов для обеспечения детектирования различных выходных акустических сигналов (и, следовательно, повышенной способности к распознаванию), можно предположить, что фактически потребуется только последнее (т.е. некоторое усовершенствование программного обеспечения для обработки).

Дополнительное возможное применение рефлекторов согласно этому изобретению предполагает обеспечение возможности определения местонахождения относительно известного местонахождения одного или более рефлекторов. В частности, это может быть использовано для автономных подводных транспортных средств (AUV), оснащенных инерционными навигационными системами (INS). Известно, что после погружения транспортного средства на глубине возникает необходимость повторной калибровке INS таких транспортных средств, которая может быть осуществлена путем опроса рефлекторов с известными спектральными характеристиками и известным местонахождением. Для проведения идентификации конкретных рефлекторов в целях получения данных о местонахождении целесообразным может быть размещение группы рефлекторов по заданной схеме, возможно в виде предварительно заданной комбинации, например, на плите или донной подушке. Такой же тип конструкции с различным числом рефлекторов и/или с рефлекторами разной конструкции может быть использован и для определения местонахождения целевого объекта, например устья скважины или задвижки трубопровода, на морском дне.

При этом источник гидроакустических сигналов может быть размещен на любом традиционном транспортном судне, например, на субмарине или другом подводном аппарате, управляемом человеком, на стационарной подводной гидроакустической станции, на погружной гидроакустической станции, установленной на подводной лодке, самолете или вертолете, или на AUV.

В этом изобретении система идентификации и спасения для подводных объектов включает в себя пассивный гидроакустический рефлектор, прикрепленный к объекту, гидроакустический передатчик и средство приема гидроакустических сигналов, отражаемых от пассивного гидроакустического рефлектора. Средство приема может быть совмещено с передатчиком или размещено в каком-либо другом положении. Возможно также использование триангуляционных систем, которые содержат три отдельно размещенных приемника, обеспечивающих возможность точного определения местонахождения объекта с помощью традиционного триангуляционного средства.

При этом различные новые области использования таких систем включают в себя:

- маркировку точки определенного географического положения объекта, находящегося в подводном положении, или использование при подготовке объекта к последующему его погружению одного или в комбинации с другими подобными гидроакустическими рефлекторами/активными устройствами локации для определения местонахождения (красный + зеленый против красного + синего, например), т.е. трубопроводов, силовых кабелей, телефонных кабелей и стационарного оборудования на морском дне;

- использование применительно к устройству, находящемуся в подводном положении, или использование при подготовки объекта к последующему его погружению с целью маркировки точки текущего положения устройства внутри или у основания водной колонки или на морском дне, т.е. маркировку кабелей или других устройств, перемещающихся вокруг некоторой точки, свободно или в пределах некоторых границ, таких как некоторые кабели, перемещающиеся вместе с морскими приливами и отливами и/или с течением или другими подвижными объектами;

- маркировку подводных участков нефтяных или газовых платформ или остатков таких платформ, что может включать в себя использование рефлекторов с разной настройкой в качестве средства для идентификации объектов собственности, а также функций или типов и пр. особых групп подводных объектов;

- маркировку точек положения, имеющих значение для подводного судоходства/навигационное значение, но не требующих крепления гидроакустического рефлектора к определенному оборудованию, например, для участков морских путей, например, в морских гаванях, для предотвращения аварий или других навигационных опасностей, таких как коралловые рифы, подводные скалы и т.д.;

- маркировку или установление границ зон экономического или коммерческого интереса, например национальных морских границ для защиты прав на разработку минеральных полезных ископаемых;

- идентификацию ценных контейнеров, упавших за борт судна или потерянных в авиационных авариях, или определение местонахождение и извлечение черных ящиков самолетов;

- непрерывное слежение за геофизическими структурами, например, маркировку и непрерывное слежение за продвижением разломов в открытом океане;

- маркировку опасных объектов на морском дне для последующего их уничтожения, таких как, например, обломки судов или самолетов и мины.

Дополнительной возможной областью применения является создание средства слежения за местонахождением водолаза с надводного судна, обеспечивающего в случае необходимости возможность оказания помощи водолазу. В существующих в настоящее время системах слежения за водолазами, как правило, используются активные преобразователи с силовым приводом, которые являются относительно дорогими и громоздкими по сравнению с пассивным акустическим рефлектором согласно изобретению и, кроме того, требуют периодической повторной калибровки и технического обслуживания для поддержания надежности и точности работы устройства, в то время как пассивный рефлектор не требует никакой повторной калибровки или технического обслуживания. При этом возможность настройки отдельных рефлекторов в случае работы нескольких водолазов с надводного транспортного средства позволяет осуществлять индивидуальную "маркировку" каждого водолаза. Настройка рефлекторов может производиться на получение отклика со стандартной глубины или от гидроакустических станций рыбопромысловой разведки, имеющих широкое распространение и являющихся относительно недорогими.

При этом размер акустического рефлектора согласно этому изобретению может варьироваться в соответствии с предъявляемыми требованиями. Устройство больших размеров позволяет получать эхосигнал большей интенсивности, однако в случае, например, крепления на водолазе или морском животном, предпочтительным является рефлектор относительно небольших размеров (например, диаметром порядка 50~100 мм).

Ниже приводится описание примера осуществления настоящего изобретения, сопровождаемое ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фигура 1 - схематическое изображение поперечного сечения акустического рефлектора согласно настоящему изобретению, на котором показаны некоторые акустические каналы через сердечник рефлектора;

Фигура 2 - график отражательной способности мишени в зависимости от частоты для конкретной комбинации материалов оболочки и сердечника и размеров акустического рефлектора согласно настоящему изобретению;

Фигура 3 - графики отражательной способности мишени в зависимости от частоты для двух различных рефлекторов, демонстрирующие влияние различной толщины стенки оболочки на частотный отклик;

Фигура 4 - результаты испытаний серийно выпускаемого устройства рыбопромысловой разведки с рядом рефлекторов согласно изобретению, установленных в направлении морского дна;

Фигура 5 - фотография выходного сигнала от многолучевой гидроакустической станции, сканирующей участок морского дна с помощью двух рефлекторов согласно изобретению, размещенных между поверхностью и морским дном; и

Фигура 6 - фотография выходного сигнала от многолучевой гидроакустической станции, сканирующей участок морского дна с помощью группы из пяти рефлекторов согласно изобретению, размещенных вблизи морского дна.

Представленный на фигуре 1 акустический рефлектор 10 содержит сферическую оболочку 12, имеющую стенку 14. Стенка 14 размещена вокруг сердечника 16. Оболочка 12 выполнена из жесткого материала, такого как стеклопластик (GRP) или сталь. Сердечник 16 выполнен из твердого материала, такого как эластомер.

Акустические волны 18, проникающие от источника акустических волн (не показанного), падают, как показано, на оболочку 12. Свойства оболочки выбраны таким образом, чтобы, как было описано ранее, в ней можно было получить две области вдоль линий, проходящих по ширине оболочки, образующие "окна" пропускания, т.е. таким образом, чтобы обеспечить эффективное пропускание акустических волн, падающих на эти области, через стенку 14 оболочки в сердечник 16. На пути в сердечник 16 падающие акустические волны проходят по двум каналам (19, 19') и преломляются, а затем фокусируются на участке 20 противоположной боковой поверхности оболочки по отношению к боковой поверхности оболочки, являющейся поверхностью падения акустических волн 18. После этого происходит отражение волн назад по тем же самым соответствующим каналам и объединение отраженных волн, в результате которого формируется усиленный отраженный выходной акустический сигнал.

Как показано заявителем в патенте Великобритании №2437016, на участках оболочки с малым углом падения приходящих акустических волн часть акустических волн, падающих на оболочку, проникает в стенку 14 оболочки и проходит в этой стенке 14 в виде упругих волн 26 по окружности оболочки 12. При этом материалы оболочки 12 и сердечника 16 и их относительные размеры выбраны таким образом, чтобы время прохождения оболочечной волны 26 совпадало со временем прохождения отраженных волн (19, 19'), формируемых в результате внутренней геометрической фокусировки, и чтобы соблюдалась синфазность между упругой волной, проходящей через стенку оболочки, и отраженным акустическим выходным сигналом, и обеспечивалось, следовательно, их конструктивное объединение на целевой частоте, позволяющее сформировать усиленный отраженный выходной акустический сигнал (т.е. обеспечить интенсивный отклик от мишени).

На фигуре 2 представлен график отражательной способности (TS) мишени для сферического акустического рефлектора согласно настоящему изобретению в зависимости от частоты (F) падающих акустических волн. Рефлектор в этом случае содержит сердечник из силиконового каучука с плотностью 1,0 г/см3 и скоростью распространения акустической волны 1040 мс-1, а также оболочку из стеклополиамида, имеющего скорость распространения продольной волны 2877 мс-1, скорость распространения поперечной упругой волны 1610 мс-1 и плотность 1,38 г/см3. Внешний радиус рефлектора составляет 210 мм, а соотношение между внутренним и внешним диаметрами рефлектора - 0,942:1.

При этом, как показывает представленный график, рефлектор обеспечивает получение эхосигнала высокой интенсивности, т.е. проявляет относительно высокую отражательную способность мишени на частотах, лежащих в диапазоне приблизительно между 20 кГц и 120 кГц, в частности, в диапазонах частот 25 кГц, 40 кГц, 80 кГц и 110 кГц.

Графики на фигуре 3, полученные тем же самым способом, что и на фигуре 2, демонстрируют спектральный отклик для двух различных рефлектором, имеющих такой же сердечник и те же свойства оболочки, что и в случае рефлектора, график отражательной способности которого представлен на фигуре 2, и внешний радиус 210 мм. Отличие рефлекторов состоит в том, что у одного из них соотношение между внутренним и внешним диаметрами составляет 0,942 (жирная линия), а у другого - 0,838 (тонкая линия), а соответствующая толщина оболочек - 12 мм и 34 мм. Как показано на фигуре 3, варьирование одного параметра конструкции рефлектора, т.е. толщины оболочки, приводит к заметному изменению спектральных откликов рефлекторов согласно настоящему изобретению. Дополнительные изменения, как должно быть очевидно специалистам в данной области техники, могут быть вызваны варьированием свойств материалов внутреннего сердечника и/или внешней оболочки рефлектора.

Акустические рефлекторы, использованные для получения результатов, представленных на фигурах 4-6, содержали сердечник из силиконового каучука RTV12, имеющих скорость распространения акустической волны 1040 мс-1, и оболочку из стеклополиамида.

На фигуре 4 представлены результаты ходовых испытаний ряда рефлекторов согласно изобретению и серийно выпускаемого устройства рыбопромысловой разведки с частотой 50 кГц на глубине 30 м при очень мягком морском дне, иллюстрирующие зависимость глубины от времени и демонстрирующие положения 5 рефлекторов, установленных в направлении морского дна.

На фигуре 5 представлена фотография выходного сигнала от многолучевой гидроакустической системы RESON 8111 Seabat. Гидроакустическая станция была установлена на носу судна, а ее антенный блок - на глубине 2 м от поверхности воды, причем судно курсировало по участку морского дна на глубине 150 м при двух рефлекторах согласно изобретению, размещенных на глубине 70 и 80 м над этим участком. Рефлекторы продемонстрировали высокоинтенсивный отклик и возможность его беспрепятственного распознавания на фоне помех окружающей среды и отклика морского дна. Полученные результаты позволяют составить карту морского дна, демонстрирующую топологию морского дна и местонахождение установленных рефлекторов.

На фигуре 6 представлена фотография выходного сигнала от многолучевой батиметрической гидроакустической системы, сканирующей участок морского дна с помощью группы из пяти рефлекторов согласно изобретению, размещенных на высоте 1 м от морского дна. На участке направо от рефлекторов представлен участок скальных пород, отличающийся от очень мягкого морского дна.

Практика ходовых испытаний, описываемых в данном документе, подтверждает возможность детектирования акустических рефлекторов, описываемых в данном документе (работающих при максимальной частоте отклика, составляющей 120 кГц), с помощью коммерческих гидроакустических систем в диапазоне, по меньшей мере, 800 м. Следовательно, рефлекторы согласно изобретению позволяют создавать чрезвычайно эффективные и дешевые средства для маркировки объектов на морском дне или вблизи морского дну.

Была установлена целесообразность изготовления акустических рефлекторов согласно изобретению путем выполнения каждого рефлектора из двух половин и склеивания этих половин одну с другой. Для сферических и овальных рефлекторов эти две половины являются одинаковыми. При этом типовая последовательность действий следующая. Сначала изготавливают половины оболочек по методу инжекционного формования с использованием материала Zytel (Zytel 151L NC010) производства фирмы ДюПон (DuPont), представляющего собой полиамид, который может быть использован для формования. Формованные оболочки выдерживают в течение 24 часов и затем подвергают обезжириванию со стороны внутренней поверхности, после чего на внутреннюю поверхность каждой половины оболочки наносят грунтовочное покрытие для улучшения адгезии с материалом сердечника (как правило, с силиконовым каучуком RTV), который затем заливают в половину оболочки до заполнения. Материалы для грунтовочного покрытия, которые могут быть использованы в сочетании с этими видами силиконового каучука, включают в себя грунты SS4004P, SS4044P, SS4120 или SS4155, поставляемые фирмой Байер, Германия (GE Bayer). Для каучука RTV12 рекомендуется использование грунтов SS4004P и SS4044P или, в качестве другого грунта, SS4155.

Отверждение материала силиконового сердечника в каждой заполненной половине оболочки обеспечивают путем выдержки течение 2-14 дней при комнатной температуре. Для ускорения процесса отверждения и минимизации количества образующихся в процессе отверждения побочных продуктов обычно используют катализатор; этому способствует и увеличение длительности процесса отверждения. В качестве катализаторов, которые могут быть использованы в этом процессе, включают в себя продукты RTV12C01P фирмы Байер (Bayer) и TSE3663B фирмы Моментив Перфоманс Материале ГмбХ, Леверкузен, Германия (Momentive Performance Materials GmbH, Leverkusen).

Добавление дополнительного исходного материала и последующее его отверждение позволяет компенсировать любую небольшую усадку, возникающую в результате отверждения силиконового каучука на данном этапе. После получения полностью заполненных половин оболочек, как описывается выше, на парные поверхности половин оболочки наносят клей (такой как Loctite 3425), приводят их в контакт и выдерживают эти половины оболочек в прижатом одна к другой состоянии в течение 14 дней при комнатной температуре для полного отверждения клея.

По истечении периода отверждения каждый рефлектор подвергают сканированию (например, с помощью рентгеновской сканирующей установки с высокой разрешающей способностью) для проверки на пустоты или трещины в рефлекторе. В случае отсутствия каких-либо пустот или трещин сканированные рефлекторы подвергают калибровке в воде в диапазоне частот 50~900 кГц. Калибровку выполняют путем опроса каждого рефлектора с помощью импульсов от гидроакустической станции, вырабатываемых один за другим по всей ширине целевой полосы частот. Отраженный отклик измеряют, и вычерчивают график его зависимости от частоты. Эти измерения повторяют для каждого угла поворота рефлектора относительно положения гидроакустической станции с интервалом 10°, то есть в общей сложности проводят 36 измерений. Затем рефлектор поворачивают на 90° в другую плоскость, и повторяют эти 36 измерений, после чего на каждый рефлектор может быть составлен сертификат калибровки, удостоверяющий рабочие характеристики соответствующего рефлектора.

1. Акустический рефлектор, содержащий сердечник и оболочку, окружающую указанный сердечник, где указанная оболочка имеет два отдельных окна пропускания в стенке оболочки, при этом оболочка пропускает акустические волны, падающие на стенку оболочки, в сердечник для фокусировки и отражения от участка стенки оболочки, расположенного напротив участка падения акустических волн, с целью обеспечения выхода отраженного акустического сигнала из рефлектора, а сердечник имеет круговое поперечное сечение и образован одним или более концентрическими слоями твердого материала, имеющего скорость распространения волны в диапазоне 840-1500 мс-1, причем падающие акустические волны проходят сквозь стенку оболочки через два отдельных окна пропускания в стенке оболочки по двум отдельным каналам в сердечник, и в результате конструктивного объединения соответствующих отраженных выходных акустических сигналов формируется усиленный выходной акустический сигнал на одной или более заранее заданных частотах.

2. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что сердечник имеет одну из форм - сфера или прямой цилиндр.

3. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из одного твердого материала, имеющего скорость распространения волны в диапазоне 850-1300 мс-1.

4. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из эластомерного материала.

5. Акустический рефлектор по п.4, отличающийся тем, что эластомерный материал представляет собой силиконовый каучук.

6. Акустический рефлектор по п.5, отличающийся тем, что эластомер является одним из силиконового каучука RTV12 или силиконового каучука RTV655.

7. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из жесткого материала, такого как сталь или стеклопластик (GRP).

8. Акустический рефлектор по п.7, отличающийся тем, что жесткий материал представляет собой стеклопластик (GRP), содержащий одно из стеклонаполненного полиамида или стеклонаполненного нейлона.

9. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что размер оболочки относительно сердечника выбран таким образом, что часть акустических волн, падающих на оболочку, проникает в стенку оболочки и проходит в ней по окружности с последующим повторным излучением для конструктивного объединения с выходными акустическими сигналами, получаемыми за счет внутреннего отражения.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу рассеяния звука с помощью рупорного или отражающего волновода. .

Использование: гидроакустика. Сущность: акустический рефлектор содержит оболочку, окружающую сердечник, при этом упомянутая оболочка позволяет передавать акустические волны, падающие на поверхность оболочки, в сердечник для фокусировки и отражения от области оболочки, расположенной напротив области падения, так что отраженный акустический сигнал выходит из рефлектора, имеющего сердечник, в котором оболочка имеет такие размеры относительно сердечника, что часть акустических волн, падающих на стенку оболочки, объединяется внутри оболочки и направляется в ней вокруг периферийной поверхности оболочки, а затем переизлучается и конструктивно комбинируется с упомянутым выходным отраженным акустическим сигналом, образуя тем самым на выходе усиленный отраженный акустический сигнал. Отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике предпочтительно находится в диапазоне от 2.74 до 3.4, при наилучших результатах исключительно в диапазоне от 2.74 до 2.86. Описывается применение к подводным трубопроводам, измерению водного размывания, и описываются также решетки рефлекторов наряду с новыми способами построения таких рефлекторов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 31 ил.
Наверх