CN101103392A - 声反射器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种声反射器(10)。该声反射器适于用作导航设备的反射目标，并用于定位和重定位用途。该声反射器包括壳体(12)，该壳体布置成围绕固体芯部(16)。该壳体适于使入射在其上的声波(18)透射到芯部(16)内。在该芯部内，声波在从壳体(20)的相对侧反射从而提供反射声波之前聚焦。入射在壳体上的声波的一部分(26)耦合到壳体的壁内，并在该壁内且绕其周边被引导，之后重新发射并与所述反射声波相长地合成，从而提供增强的反射声波。
Description
技术领域
本发明涉及一种声反射器，更具体地涉及用作导航设备并用于定位和重定位的水下反射目标。
背景技术
水下反射目标通常为声反射器，其通常用在声纳系统中，例如用于标记水下结构。重定位装置例如用于识别管道、线缆和水雷，以及用于渔业中以利用声学标记渔网。
为了有效应用，声反射器需要能够容易地从背景特征和周围杂波中辨别出来，因此需要这样的反射目标：(a)能够产生相对于从背景特征和周围杂波反射回的声波强度来说比较强的反射声输出响应(即，高目标强度)；(b)具有使其能够与其它(错误)目标区别开的声学特性。
目前通过以下方式实现声波的增强反射，即：使入射在球形壳体一侧上的输入声波折射，从而使其沿输入路径聚焦到相对侧上，输入声波从该相对侧反射并作为输出反射响应出射。可选的是，可使输入声波在作为输出反射波出射之前从相对侧不止一次地反射。
公知的水下反射目标包括充有流体的球形壳体。这种充有流体的球形壳体在所选流体的声速约为840ms-1时具有高目标强度。目前利用氯氟烃(CFC)作为壳体内的流体来实现上述高目标强度。这样的流体是通常不受欢迎的有机溶剂，这种有机溶剂是有毒且消耗臭氧的化学制剂。由于这样的材料会因为流体泄漏到周围环境而对周围环境造成污染的风险而可能危害环境，因而其使用受到限制，因此充有流体的球形壳体反射目标是有缺陷的。此外，充有流体的壳体反射目标制造起来相对较难而且较昂贵。
另一公知的声反射器是三面反射器，其通常包括三个在公共原点处相交的正交反射面。然而，这样的反射器可能会需要涂层，以便使该反射器能以所需的频率进行声学反射并用于海洋环境中，而且尽管该反射器具有高目标强度，但是涂层材料的反射特性易于随着在水下深度的压力而变化。而且，三面反射器的不利之处在于其反射率取决并受限于其方位(aspect)，其中在不同角度下会产生超过6dB的目标强度变化。
还期望存在适用于附着到海洋哺乳动物(例如，海豹、海豚和鲸)上的声反射标志，以便为了研究目的而定位、跟踪和监测海洋哺乳动物。期望这样的标志重量轻且尺寸小，从而在任何情况下都不会妨碍动物。然而，上文所述的公知反射器并不适用于这样的用途。如上文所述，充有液体的球形反射器依赖于有毒材料，因而被认为对其所附着的动物和该动物生存的周围环境具有潜在的危害。三面反射器并不是全向的，而是取决并受限于其方位，因此也不是理想的。
因此，期望存在一种声反射器，其耐用、无毒、尺寸小并且制造起来相对容易且廉价。
发明内容
根据本发明，提供了一种声反射器，该声反射器包括一壳体，所述壳体具有布置成围绕芯部的壁，所述壳体能够使入射在该壳体上的声波透射到所述芯部中以进行聚焦，并从所述壳体的与该声波入射的区域相对的区域反射，从而从该反射器提供反射声信号输出，该声反射器的特征在于：所述芯部呈球体或正圆柱体形式，并由一层或更多层的波速为840至1500ms-1的固体材料的同心层形成；并且相对于所述芯部来确定所述壳体的尺寸，以使得入射到该壳体上的声波的一部分耦合到该壳体的壁内并在所述壁内绕该壳体的周边被引导，然后重新发射以与所述反射声信号输出相长地合成，从而提供增强的反射声信号输出。
所述反射器可以是球形或圆形截面垂直于母线的圆柱形。在为圆柱形的情况下，该反射器可以是纵向延伸的系统(即，绳索)，其具有来自镜反射(specular glint)的高声纳回波，该镜反射发生在该绳索的布置成与声信号的传播方向成直角的那些部分。
优选的是，所述芯部由波速介于840ms-1和1300ms-1之间的单一固体材料形成。可选的是，所述芯部包括两层或更多层的不同材料，对于具体选定的声波频率，这些材料会使入射波更有效地聚焦并且/或者降低在该材料内的衰减，从而总体上产生更强的输出信号。然而，在芯部分层的情况下，预计制造复杂性和成本自然会更大。在芯部由两层以上的不同材料形成的情况下，其中一种材料或两种材料可具有高达1500ms-1的波速。
为了适用于在本发明的反射器装置中使用，所述芯部材料必须具有在所需范围内的波速而使声能不会被高度地吸收。所述芯部可由弹性体材料形成，所述弹性体材料例如是硅酮，特别是来自Bayer公司的RTV12或RTV655硅橡胶，或者是Alsil 14401过氧化物硫化硅橡胶。
所述壳体可以由刚性材料形成，所述刚性材料例如是钢或玻璃增强塑料(GRP)材料，特别是添有玻璃的尼龙，例如填有50％玻璃的尼龙66或者填有40％玻璃的半芳香聚酰胺，并且所述壳体的尺寸可设定成使其厚度大约为所述芯部半径的十分之一。不过，与芯部和壳体所用材料的特性有关的这些参数之间的适当关系的推导会是本领域技术人员很容易了解的。
可将透射过反射器壳体的波与内部聚焦的波合成的原理应用在所述装置的设计中，从而可使来自该装置的增强的反射声信号输出具有一个或多个高度可识别的特征。例如，可将信号输出设置成具有特征性的时间标志或者特征性的频谱内容。
通过适当地调整用于检测声信号输出的声纳使其识别输出中的特征性特征，则可更容易地将来自本发明反射器的信号与背景杂波和来自所采用的声纳检测器的视野内的其它(错误)目标的回波区别开。
附图说明
以下参照附图以实施例的方式描述本发明，在附图中：
图1是根据本发明的声反射器的截面的示意图；和
图2是表示对于声反射器的壳体和芯部材料的不同组合，频率与目标强度的曲线图。
具体实施方式
参照图1，声反射器10包括球形壳体12，该球形壳体12具有壁14。该壁14围绕芯部16。
壳体12由诸如玻璃增强塑料(GRP)材料或钢的刚性材料制成。芯部16由诸如弹性体的固体材料制成。声反射器适用的频率或频率范围取决于形成壳体和芯部的材料的预定组合以及壳体和芯部的相对尺寸。
然而，如本领域技术人员所知，可使用其它材料的组合，只要根据所用材料的声波传播特性来确定壳体和芯部的相对尺寸即可。
从声源(未示出)发射的入射声波18入射在壳体12上。在入射角较大的情况下，大部分声波18穿过壳体的壁14而透射到芯部16中。当声波18穿过芯部16传播时，其被折射从而聚焦到壳体的相对侧20上，声波18从该相对侧20沿相同路径作为反射声信号输出22反射回来。然而，在入射角较小的情况下，在壳体的耦合区域24(即，在相对于壳体的充分小的角度处)，入射波18的一部分耦合到壁14内而形成在壁14内绕壳体12的周边被引导的壳波26。
将形成壳体12和芯部16的材料以及壳体和芯部的相对尺寸预先设定成使得壳波26的传播时间与几何聚焦后的内部回波(即，反射声信号输出22)的传播时间相同。因此，重新发射到流体中的壳波成分和反射声信号输出成分彼此同相，因此在所需的频率下相长地合成，从而提供增强的反射声信号输出(即，高目标强度)。也就是说，对于球形声反射器来说，壳体的周长即为波程长度，因此必须根据壳体和芯部的相应传播速度特性来设定壳体周长的尺寸，使得在壳体中形成谐振驻波，该谐振驻波与反射声信号输出同相从而与其相长地合成。
图2提供了通过数值模型获得的数据，包括对根据本发明的具有硅酮芯部(半径为100mm)/GRP壳体(11.7mm厚的壳体)的球形声反射器的目标强度(TS)绘制的入射声波的频率(F)，该数据在曲线图以菱形表示。
类似获得的根据本发明的具有硅酮芯部(半径为100mm)/钢壳体(11.7mm厚的壳体)的球形声反射器的数据在同一曲线图上以圆形表不。
在图2的曲线图中，可以将上述结果与从具有液态氯氟烃(CFC)/钢壳体(1.3mm厚的壳体)的公知组合的球形声反射器的数值模型获得的数据(在该曲线图上以星号表示)、以及从空气芯部/钢壳体的参考组合的球形声反射器的数值模型获得的数据(在该曲线图上以十字表示)进行对比。
从曲线图上可看出，硅酮芯部和GRP壳体的声反射器(菱形图案)在大约120kHz和150kHz之间以及大约185kHz和200kHz之间的频率范围内具有目标强度相对较高的峰值。
硅酮芯部/钢壳体的声反射器(圆形图案)在大约160kHz和180kHz之间以及大约185kHz和200kHz之间的频率下具有目标强度相对较高的峰值。
还应注意到，在所提到的这些频率处，公知的液态CFC芯部/钢壳体的声反射器(星形图案)的目标强度明显较小，并且倾向于随频率的增大而减小。
除了由被认为对环境没有危害的容许材料形成并且制造起来相对容易且廉价的优点之外，本发明还有利地提供了一种声反射器，其相对于公知声反射器来说，在100kHz以下具有相当的目标强度，而在100kHz以上具有增强的目标强度。
本领域技术人员应清楚，可使用固体芯部和刚性壳体材料的不同组合，只要它们的尺寸设定成能够提供与反射声信号输出同相进而与该反射声信号输出相长地合成的壳波即可。
Claims (14)
1、一种声反射器，该声反射器包括壳体，所述壳体具有壁，所述壁布置成围绕芯部，所述壳体能够使入射在该壳体上的声波透射到所述芯部中以进行聚焦，并从所述壳体的与该声波入射的区域相对的区域反射所述声波，从而从该反射器提供反射声信号输出，
该声反射器的特征在于：所述芯部呈球体或正圆柱体形式，并由一层或更多层的波速为840至1500ms-1的固体材料的同心层形成；并且相对于所述芯部来确定所述壳体的尺寸，以使得入射到该壳体上的声波的一部分耦合到该壳体的壁内并在该壁内绕该壳体的周边被引导，然后重新发射以与所述反射声信号输出相长地合成，从而提供增强的反射声信号输出。
2、根据权利要求1所述的声反射器，其中，所述芯部由波速介于850ms-1和1300ms-1之间的单一固体材料形成。
3、根据权利要求1或2所述的声反射器，其中，所述芯部由弹性体材料形成。
4、根据权利要求3所述的声反射器，其中，所述弹性体材料为硅酮。
5、根据上述权利要求中任一项所述的声反射器，其中，所述壳体由刚性材料形成。
6、根据权利要求5所述的声反射器，其中，所述刚性材料为玻璃增强塑料(GRP)材料。
7、根据权利要求5所述的声反射器，其中，所述刚性材料为钢。
8、根据权利要求6所述的声反射器，其中，所述刚性材料是填有玻璃的尼龙。
9，根据权利要求2至8中任一项所述的声反射器，其中，所述芯部包括适于增强透射到所述芯部内的声波聚焦的一种或多种其它材料。
10、根据上述权利要求中任一项所述的声反射器，其中，所述增强的反射声信号输出的特性足以提供与相同声波的其它反射器的区别。
11、根据权利要求9所述的声反射器，其中，所述信号输出的特征在于特定的时间标记。
12、根据权利要求9所述的声反射器，其中，所述信号输出的特征在于其频谱内容。
13、一种声反射器，该声反射器包括限定了外壳的壳体部件以及充满所述外壳的芯部部件，其中所述壳体部件适合使入射到该壳体部件上的声波透射到所述芯部中以进行聚焦，并从所述壳体的与该声波入射的区域相对的区域反射，从而从该反射器提供反射声信号输出，
该声反射器的特征在于：所述芯部呈球体或正圆柱体形式，并由一层或更多层的波速为840至1500ms-1的固体材料的同心层形成；并且相对于所述芯部来确定所述壳体部件的尺寸，以使得入射到该壳体部件上的声波的一部分耦合到该壳体部件内并绕该壳体部件的周边传送，然后重新发射以与所述反射声信号输出相长地合成，从而提供增强的反射声信号输出。
14、一种大致如本文参照附图所述且如附图所示的声反射器。
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