CN105830147B - 使用开放端共振器组件的水下噪声减小系统和部署装置 - Google Patents

Abstract

一种新颖的水下噪声消减和部署系统被描述。所述系统使用翻转的开放端的共振器(例如，赫姆霍兹共振器)来吸收水下噪声。所述系统包括可堆叠的共振器腔实施方案，所述可堆叠的共振器腔实施方案被布置来围绕噪声环境或在噪声环境附近运作。所述系统可以部署自船只或驳船或类似结构，并且当不使用时可以被储存。

Description

使用开放端共振器组件的水下噪声减小系统和部署装置

技术领域

本公开涉及在包括航海船舶、石油钻机以及其他工业和军事应用的噪声水下环境中的噪声的减小。

相关申请

本申请衍生自2013年12月17日递交的具有本题目的美国临时申请No.61917,343并且要求其优先权。

背景

一些人类活动引起从水下噪声源传播到周围环境(有时是许多英里以外)的水下噪声。由油气钻井平台、船只和其他人类活动和机械所生成的水下噪声通常被认为是不期望的。一些研究推断水下噪声污染可以不利地影响海生生物，并且其对其他人类活动(比如科学、气象和军事活动)可以是破坏性的。对于导致以人类和海洋生物敏感的频率的大振幅噪音发射(大的声音)和传播的噪声生成活动而言，这是特别真实的。

由于由船只所生成的噪声，在环境敏感的或高度管控的地区中运行的船只在它们可以运行的方式和时间上可以是被限制的。这发生在油气田中，其中由于噪声对北极地区的迁徙的弓头鲸可以具有的影响，来自移动钻井船只的噪声限制钻井时间。当弓头鲸被观测到时，运行可能被停止直到弓头鲸已经安全地通过，并且这种过程可以花费许多个小时。

如以上所提及的，存在对于行船和其他人造噪声对海生哺乳动物所具有的影响的一些担忧。一些研究显示人造噪声对鲸的应激激素水平可以具有显著影响，这可能影响它们的繁殖率等。

减小来自表面船只的噪声发射的已知尝试包括所谓的气泡幕噪音抑制(PrairieMasker)的使用，气泡幕噪音抑制使用产生小的自由上升气泡的多束软管来减轻船只的噪声。然而，小的自由上升气泡通常太小而不能有效减弱低频率噪声。此外，气泡幕噪音抑制系统要求通过系统对空气的连续泵送，该过程本身产生有害噪声，而且还消耗能量并且需要昂贵和对于船只的其他操作而言笨重的复杂气体循环系统。最后，由于液压力和反压力，这样的系统不能在给定深度之下运行。

7对逼近或理解液体中气体窝(例如，水中的空气窝或气泡或封闭体)的声音效果有用的一个原则是液体中球形气体泡的行为。气体泡的物理特征是相对众所周知的并且已经理论性地被研究。

图1图示说明液体15(例如，水)中的气体(例如，空气)泡10的模型。用于研究气体泡的响应的一个模型是将半径“a”的气泡模拟为弹簧系统上的质量。质量是“m”，并且弹簧被模拟为具有有效弹簧常量“k”。气泡10的半径将随着在其壁上所感知的压力而变化，引起气泡10随着其中的气体被压缩和膨胀而改变尺寸。在一些情况中，气泡10可以以某些共振频率振动或共振，类同于弹簧系统上的质量如何可以以由所述质量、弹簧常量和气泡尺寸所确定的自然频率共振。

减弱水下噪声影响的持续努力在继续。在一些方案可以实际地减小由声源所生成的噪声数量时，其他方案试图通过用某物围绕或部分围绕噪声制造源来减小噪声的影响，所述某物吸收或以其他方式减弱所传播的噪声。

概述

本公开是针对于来自噪声生成物体或活动附近的噪声发射的严重度的减小。本观念可以被应用于人造噪声，但也更一般地应用于生成自水下(例如，在海洋、海岸区域、钻井场、湖床等等中)的源的任何噪声。

水中物体之下或周围的窝中所捕获的气体可以用作自由气泡和/或赫姆霍兹一类的共振器，并且因此工作来以与共振气泡大致相同的方式消减噪声。为了给出这将如何在船只上工作的实施例，具有半球形、圆柱形、圆锥形(或类似形状)的腔的板可以被附接于船只的外壳，并且在被浸没时，窝可以经由外部机械装置或内部歧管系统被填充以气体。这些窝的特性将被选择，以致被捕获在每个窝之内的气体以我们希望减弱的频率或接近的频率共振(例如，在约30Hz到约200Hz之间，包括约110Hz)，因此将其功效最大化。针对打桩的实施例，包含多个这种共振器的片或板可以被部署来充分地围绕桩的磨砺部分。如同在之前的实施例中，窝的特性将被选择以将系统的功效最大化。

所述系统是可定制的并且可以将噪声减弱所期望的量(例如，10dB或更多)。所述系统还可以针对特别大声的具体目标频率被生产。在其他方面，本发明通过共振器开放端之上可渗透网的选择性应用来提供声音的附加热声吸收。

在一方面，所述系统包括具有分节连接的(articulated)侧壁的共振器，分节连接的侧壁减小在储存配置中共振器的长度。在另一方面，所述系统包括在储存配置中可堆叠的共振器，以在例如打桩船舶的船上输送、储存和装载期间减小空间。在又另一个方面，所述系统包括通过导管与第二共振器流体连通的第一共振器。第一共振器可以通过入口接收气体，其中所述气体可以通过导管填充第一共振器和第二共振器的内部体积。

这种系统可以允许操作者工作更长的时间段并且可以在以前由于噪声管控不可到达的区域工作。因为每个气体腔被建立以致内部所捕获的气体将最大化地减小目标水下噪声，这种系统在减小噪声方面也比当前技术有效率得多。此外，它不要求能源或昂贵的支撑设施。

附图简要说明

为了对于本概念的性质和优势的更充分的理解，对以下优选的实施方案的详细说明并且结合附图作出参照，其中：

图1图示说明根据现有技术的液体中气体泡的模型；

图2A和2B图示说明根据实施方案的可叠合(collapsible)共振器的截面；

图3A和3B图示说明根据实施方案的可叠合共振器的截面；

图4A和B图示说明噪声消减系统；

图5A图示说明部署的配置中的示例性共振器系统；

图5B图示说明堆叠的配置中的示例性共振器系统；

图6图示说明根据实施方案的共振器的板；

图7A-7C图示说明根据实施方案的气体填充共振器的机械细节；

图8A和8B图示说明根据实施方案的布置在可堆叠条中的噪声消减装置；以及

图9图示说明用于水下噪声消减系统的示例性部署系统。

详细说明

水中物体之下或周围的窝中所捕获的气体可以用作自由气泡和/或像赫姆霍兹(或类似的)共振器(例如，米纳尔特(Minnaert)共振器和/或丘奇(Church)共振器)，并且因此工作来以与共振气泡大致相同的方式消减噪声。

所述腔的内部体积的高度及其体积是可配置的以适合考虑中的目的。共振器周围的静水压随着表面以下的深度变化，所述腔的尺寸和/或形状可以根据它们关于板的面上的水线的位置而变化。因此，如同(在图1的类推中)它们的弹簧常量可以根据其周围的水的密度和深度而改变，所述腔可以被设计来调节由于其所浸没到的深度而在腔的颈部处所感知的水压上的改变。

在一些实施方案中，网或者比如金属网屏(例如铜网屏)的其他固体屏可以被放置在所述板的面之上。这可以作用来稳定腔中的空气。这还可以用作散热器来散逸被所述腔的共振体积所吸收的热能并且潜在地改进其性能。

在一些实施方案中，半球形或球形截面或类球形截面的腔适合于抑制使用频率范围中的噪声。

图2A和2B图示说明可叠合共振器20的实施方案的截面。当不被部署在水25中时，由于共振器20将被储存和输送，图2A中的共振器20以叠合的形式被示出。共振器20具有中空本体200，中空本体200包括连接于节段侧壁230的可选择的圆周部分220。中空本体200具有封闭端240和开放端250。封闭端240通常相当于节段侧壁230和可选择的圆周部分220。

如所图示说明的，节段侧壁230在第一方向260被折叠(例如，类似于手风琴)来减小节段侧壁230在第二方向270的长度。第二方向270正交于第一方向260。然而，被注意的是，第一方向260和第二方向270的其他相对定向落在本发明的范围之内并且是设计选择的事情。节段侧壁230包括第一侧壁232和第二侧壁234。第一侧壁232短于第二侧壁234，以减小节段侧壁230沿第一方向260的长度。当共振器20在叠合或储存配置中时，第一方向260可以平行于第一侧壁232。在一些实施方案中，第一侧壁232可以具有等于或大于第二侧壁234的长度。节段侧壁230可以由刚性材料形成，或者可以具有刚性框架(例如，铝)，在由所述框架所限定的壁上具有柔性材料(例如，氯丁橡胶)。可替换地，分段侧壁230可以是柔性材料。

如同当被部署在水25中时那样，图2B中的共振器20以伸展的形式被示出。随着共振器20被浸没在水25中，共振器20将空气或上浮流体捕获在中空本体200的内部290中。此外或可替换地，气体可以从比如气体罐的气体源(未示出)引入到中空本体200中。中空本体200的内部290中的空气(或上浮流体)的浮力在节段侧壁230上创建力，引起节段侧壁230在第二方向270上展开，因此增加节段侧壁230在第二方向270上的长度。随着节段侧壁230在第二方向270上的长度上增加，就像降落伞，中空本体200的体积也增加。由于中空本体200的减小的体积，所述体积被填充以空气但是所述空气处于减小的压强。可替换地，所述体积被填充以具有高于水25的浮力的流体。

如所图示说明的，图2B中的共振器20看起来像翻转的杯子，所述杯子具有在水25和杯子中的空气(或上浮流体)之间的界面295。界面295靠近中空本体200的开放端250。共振器20可以像赫姆霍兹共振器(或其他共振器，比如米纳尔特共振器和/或丘奇共振器)那样作用并且可以具有如同以上所讨论的共振频率。共振器20的内部290可以具有大约(即，在10％之内)2670立方厘米的体积。

图3A和3B图示说明类似于以上关于图2A和2B所描述的实施方案的本发明共振器的另一个示例性实施方案。然而，对流体流基本上可渗透的网310已经被附加于共振器30的开放端350。如同以上所提及的，网310可以由具有热传导性能的网屏构成。

图4A和B图示说明包括多个可叠合的翻转的杯状共振器体400的噪声消减系统40，每个共振器体400具有向下朝向的开放端410。因此，共振器400中的每个可以被设计为如同以上关于图2和3所示出的。当系统40被储存、输送或在水以上的空气中时(例如，如图4A中所图示说明的)，所述共振器在其叠合状态。之后，一旦部署在水25中(例如，如图4B中所图示说明的)，随着共振器400填充以上浮空气，多个共振器400伸展到其运行尺寸和形状。多个共振器400可以以类似于软百叶帘的方式被形成在板420上或在板420中(例如，作为共振器400的阵列)，以便简化部署。共振器400可以由刚性材料形成，或者可以具有刚性框架(例如，铝)，在由所述框架所限定的壁上具有柔性材料(例如，氯丁橡胶)。可替换地，共振器400可以由柔性材料形成。

图5A图示说明以所部署的配置的示例性共振器系统50。共振器系统50具有以锥体形式的多个堆叠的或可堆叠的共振器本体500A、500B、500N(一般地被称为共振器本体500)。注意的是，共振器本体500A、500B、500N可以是其他形状(例如，金字塔形、半球形等)，并且图5A和5B中所图示说明的锥体形状仅是说明性的。至少一个耦接装置510连接邻近的共振器本体(例如，500A和500B)。耦接装置510被分节连接来将一个共振器本体(例如，500A)柔性地连接于另一个(例如，500B)。在一些实施方案中，耦接装置510是柔性的、可伸缩的和/或节段的。可替换地，耦接装置510可以是刚性的。

共振器本体500具有开放端520和封闭端530。共振器本体500是中空的并且通常是从开放端520向封闭端530逐渐减小的。开放端520具有第一宽度(例如，直径)525并且封闭端530具有第二宽度(例如，直径)535。由于共振器本体500是形如锥体的，第一宽度525大于第二宽度535。然而，在一些实施方案中，第一宽度525小于第二宽度535。因此，通常地，第一宽度525不等于第二宽度535。共振器本体500可以由刚性材料形成，或者可以具有刚性框架(例如，铝)，在由所述框架所限定的壁上具有柔性材料(例如，氯丁橡胶)。可替换地，共振器本体500可以由柔性材料形成。共振器500可以具有约(即，在10％之内)220立方厘米的内部体积。

图5B图示说明以堆叠或叠合配置的共振器系统50。以这种配置，第一共振器本体500A的开放端520被堆叠和/或套在第二共振器本体500B的封闭端530的顶部上，而耦接装置510是以折叠/弯曲配置。第一共振器本体500A部分地覆盖第二共振器本体500B。由于该共振器系统50沿中心轴590比以部署配置的共振器系统50(图5A)更紧凑，这种配置对储存是有益的。中心轴590通过共振器本体500的开放端520和封闭端530并且与共振器本体500的锥形侧壁580形成角570(即，除了180度外)。

如以上所讨论的，第一共振器500A和第二共振器5000B具有各自的共振频率。在一些实施方案中，第一共振器500A具有不同于第二共振器500B的第二共振频率的第一共振频率。可替换地，第一共振器500A和第二共振器5000B可以具有相同或基本上相同的(即，在10％之内)的共振频率。共振频率可以在约30Hz和约200Hz之间，包括约110Hz。

在一些实施方案中，一个或更多个导管540A、540B、540N(一般地被称为导管540)分别被限定在可堆叠的共振器本体500A、500B、500N上或在其中。导管540(例如，泄孔)的下开放端502被设置在共振器本体的开放端520处或在其附近。导管540的上开放端504被设置在共振器本体500的封闭端530处或在其附近并且在邻近的共振器500之下。在运行中，气体(例如，空气)冒泡进入到中空共振器本体500N的开放端520中。所述气体可以被供应自气体源(例如，压缩气体罐)。气体泡向中空共振器本体500N的封闭端520上升并且随后自中空共振器本体500N的封闭端530向开放端520填充中空共振器本体500N。当中空共振器本体500N被填充以气体时，所述空气在中空共振器本体500N的开放端520处或在其附近。所述气体随后自导管540N的下开放端502向上开放端504流动到共振器本体500N上的导管540N中。所述气体随后立刻冒泡进入到共振器本体500N之上的下一个共振器本体500B中。相同的过程可以重复，直到沿垂直轴的全部共振器本体500被填充以气体。

图6以实施方案图示说明的共振器600的板60。共振器600被配置在水平的X个共振器600和垂直的Y个共振器(例如，在纵列中)的阵列中。在一些实施方案中，所述阵列包括沿正交于水平和垂直方向的方向的Z个共振器600的额外维度。每个共振器600具有第一端610和第二端620并且具有如以上所讨论的中空本体。共振器600一般地是以翻转的球茎(例如，灯泡)的形状，但是其可以是以适合捕获和保留气体的任何形状。第一端610可以是对周围的水25环境开放的或部分开放的。共振器600可以由刚性材料形成，或者可以具有刚性框架(例如，铝)，在由所述框架所限定的壁上具有柔性材料(例如，氯丁橡胶)。可替换地，共振器600可以是柔性材料。

如图6所图示说明的，沿垂直方向，导管630连接邻近的共振器600(通过各自的第一端610)。通过导管630，第一共振器600A是与第二共振器600B流体连通的，其中第二共振器600B被设置在第一共振器600A之下。气体可以通过入口被引入到第一共振器600A的第一端610中。所述入口被连接于歧管650，所述歧管650又被连接于气体源660。可替换地，入口640直接被连接于气体源660，所述气体源660可以是压缩气体的源。

如以上所讨论的，第一共振器600A和第二共振器600B具有各自的共振频率。在一些实施方案中，第一共振器600A具有不同于第二共振器600B的第二共振频率的第一共振频率。可替换地，第一共振器600A和第二共振器6000B可以具有相同或基本上相同的(即，在10％之内)的共振频率。跨阵列的共振器600可以是相同的、基本上相同的或不同于彼此的。

在运行中，气体(例如，空气)通过歧管650被泵入或以其他方式引入到第一共振器600A的入口中。所述气体填充第一共振器600A的中空本体并且置换中空本体中的流体(例如，水)。所述流体通过导管630向第二共振器600B流动。可替换地，所述流体流动通过第一共振器600A的第一端610中的排放口或阀。在所述气体在第一共振器600A中创建阈值压强后，所述气体置换导管630中和第二共振器600B中的流体，因此以所述气体填充第二共振器600B。针对垂直方向上的Y导管600这种过程继续(例如，通过共振器600C、600D和600E)。以这种定向，所述气体将由于气体的浮力而自然地朝向水25的表面35垂直流动。共振器600A、600B等中被气体所置换的流体可以通过阀或类似方式清除到水25中。

图7A-7C图示说明板710中的气体填充的共振器700的机械细节，所述板710适合于支撑多个共振器来消除水下噪声，例如如同关于图6所描述的。图7A示出共振器700的中空本体770的剖开的截面。入口740和出口/导管730可选择地连接于另一个这样的共振器(未示出)。图7B图示说明支撑板780中的共振器700的第一立体视图，而图7C图示说明共振器700的又另一个立体视图。

在一些实施方案中，共振器700的壁720是软的和/或柔性的，而板710是刚性的。软的和/或柔性的壁720允许共振器700在储存期间是可叠合的。例如，通过在彼此的顶部上堆叠多个板710或通过绕筒卷绕板710，板710(其可以包括共振器700的阵列)可以被储存。在二者之一的情况下，如果共振器700的壁720是可叠合的，板710可以更有效和/或紧凑地被储存。

这一发明不限于在表面或次表面船只和船舶中使用，但可以在大洋中(例如，在钻井设备和驳船上)钻井的油气公司、近海发电活动(例如，来自风电场的安装的打桩活动)以及在桥梁和码头建设或任何其他人造噪声生成结构中被使用。

至于当前系统的应用，人们可以准备板，所述板类似于以上针对浸没结构或船舶的附接所描述的那些。所述板可以包括多个气体(例如，空气)腔，其中水环境中空气的浮力引起空气留存在所述腔之内。所述腔可以通过所述板或结构的翻转浸没(例如，共振器的开放侧朝着洋底向下定向)的作用而被填充。可替换地，所述腔可以使用设置在所述腔下面的空气源被主动地填充，以致来自所述源的空气可以上升到所述腔中并且随后留存在其中。所述腔可能需要不时地补充气体。

在一些实施方案中，除空气之外的气体可以被用来填充所述腔。腔中气体的温度还可能影响其性能和共振频率，并且因此在一些实施方案中这还可以被修改。

图8A和8B分别图示说明噪声消减装置80的示例性侧视图和俯视图截面，噪声消减装置80以可堆叠的条被布置，所述可堆叠的条可以从远海平台通过部署系统被部署。噪声消减装置80包括圆锥形共振器800，圆锥形共振器800通过气体管线810以可堆叠的方式被耦接于彼此。每个共振器800具有柔性的共振器和不锈钢延伸环820。所述堆叠还可以被配备以空气、电源、通信以及其他流体和电子信号管线840。平滑的外部护套850包覆共振器的堆叠。加强筋830(例如，像管或可充气结构的消防软管)可以对系统提供机械刚度。如所示出的，如果有必要，拉升线缆860可以被包括来提供配重。

图9图示说明用于水噪声消减系统900的示例性部署系统90。系统90可以被部署自支撑以带和辊930引导的共振器条920的驳船吊杆910。共振器被储存和部署自滚轮940，在示例性实施方案中，所述共振器可以被叠合至约8英尺×16英尺。如果有必要帮助噪声消减共振器系统900降到水中，压舱950可以被使用。可操纵的配重基座、空气供应器、摄像机、推力部件以及用于移动和定位所述系统的其他组件(共同称为960)被包括和耦接于平台塔结构。

许多其他设计可以被开发用于噪声消减和抑制的目的。在其他实施方案中，共振腔可以被填充以液体流体代替气体流体。例如，如同将被本领域技术人员所领会的，如果所述系统将要在海洋中的极端深度处运行，除水之外具有不同于海水的压缩率的液体也可以被使用。

一旦阅读本公开，本领域技术人员将领会本文所提出的理念可以被推广或特殊化至当下的给定应用。如此，本公开并非意图被限定于所描述的被给出用于图示说明目的的示例性实施方案。对这些理念的许多其他类似和等同的实施方案和扩展也可以被包含于此。权利要求书意图覆盖这样的修改。

Claims (6)

1.一种可堆叠的共振器系统，所述共振器系统用于抑制来自液体中的源的声能，所述共振器系统包括：

第一共振器和第二共振器，所述第一共振器和所述第二共振器每个具有中空本体，所述中空本体包括开放端、封闭端以及侧壁，其中所述开放端在截面上具有第一宽度，并且所述封闭端在截面上具有第二宽度，所述第一宽度不同于所述第二宽度，所述侧壁将所述开放端一体地连接到所述封闭端；以及

耦接装置，所述耦接装置连接所述第一共振器和所述第二共振器；

其中所述第一共振器的所述开放端在储存位置是可堆叠在所述第二共振器的所述封闭端上的。

2.如权利要求1所述的可堆叠的共振器系统，其中所述侧壁关于通过所述开放端和所述封闭端的中心轴以一角度将所述开放端连接到所述封闭端。

3.如权利要求1所述的可堆叠的共振器系统，其中所述耦接装置是分节连接的。

4.如权利要求1所述的可堆叠的共振器系统，其中所述第一共振器具有第一共振频率并且所述第二共振器具有第二共振频率。

5.如权利要求4所述的可堆叠的共振器系统，其中所述第一共振频率不同于所述第二共振频率。

6.如权利要求5所述的可堆叠的共振器系统，进一步包括限定在所述第一共振器的所述侧壁中的导管，所述导管适合于将气体从所述第一共振器的所述开放端输送到所述封闭端。