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Diese Erfindung betrifft passive akustische Reflektoren und Marker zum Markieren von Objekten und anderen Artikeln von Interesse unter Wasser. In der vorliegenden Beschreibung wird der Begriff Reflektor allgemein verwendet, um all diese Vorrichtungen zu umfassen.
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Seit kurzem werden eine Anzahl akustischer Reflektoren vorgeschlagen, die der Markierung von Anlagen unter Wasser und als Führung für Anlagen unter Wasser dienen, beispielsweise für Erdöl-Quellen, für Stützen, für Brückenpfeiler, Kabel und dergleichen. Allgemein umfassen diese akustischen Reflektoren einen Kern, der von einer Schale umgeben ist. Akustische Wellen, die auf die Schale auftreffen, werden teilweise in den Kern übertragen und werden von der Seitenwand der Schale, die der Eintrittsstelle gegenüberliegt, reflektiert. Teilweise werden die akustischen Wellen um die Schale herum geleitet. Die reflektierten Wellen und die Wellen, die um die Wand der Schale geleitet werden, verbinden sich in konstruktiver Weise, so dass der Reflektor eine starke akustische Welle von dem Reflektor aus zurück zur Quelle der ursprünglichen akustischen Welle reflektiert. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung kann in der Offenlegungsschrift
WO 2006/075167 A (Staatssekretär für Verteidigung) vom 20.07.2006 gefunden werden. In der
WO 2006/075167 A wird ein passiver akustischer Reflektor für die Verwendung unter Wasser beschrieben. Dieser umfasst eine Schale, die einen Kern umgibt. Die Schale weist ein oder eine Mehrzahl akustischer Fenster bei mehr oder mehreren Frequenzen auf, durch welche akustische Wellen der genannten Frequenzen zumindest teilweise durchtreten können. Die akustischen Wellen treten durch die Schale in den Kern ein, werden dort fokussiert und vom Inneren der Seite der Schale gegenüberliegend zu dem Fenster bzw. den Fenstern zurück reflektiert. Ein Teil der Welle wird im Innenraum der Schale umhergeleitet und verbindet sich in konstruktiver Weise mit der reflektierten Welle, wodurch ein starkes Ausgangssignal erzeugt wird. Obwohl das Konzept solcher Reflektoren sehr einfach ist, ist ihre Anwendung ziemlich anspruchsvoll.
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In der vorliegenden Anmeldung wird ein neuer einfacher akustischer Reflektor vorgeschlagen. Dieser kann insbesondere dann angewendet werden, wenn eine große Anzahl von kostengünstigen Vorrichtungen für eine einfache und direkte Anwendung benötigt werden, beispielsweise um Fischernetze zu markieren. Obwohl es sich um eine verhältnismäßig einfache Vorrichtung handelt, ist der hier vorgeschlagene Reflektor in seiner Anwendung nicht auf solche einfachen Aufgaben beschränkt.
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Gemäß vorliegender Erfindung ist ein akustischer Reflektor für die Verwendung unter Wasser dadurch gekennzeichnet, dass er eine Schale umfasst mit wenigstens einem kreisförmigen Querschnitt, die einen Kern umgibt, wobei der Kern aus Wasser besteht, wenn der Reflektor unter Wasser getaucht ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Schale ein Loch oder eine Mehrzahl von Löchern auf, durch welches das Wasser frei in den Innenraum des Körpers eindringen kann oder diesen verlassen kann, wenn sich der Reflektor unter Wasser befindet.
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Vorzugsweise ist der Reflektor dadurch gekennzeichnet, dass die Schale ein kugelförmiger, zylindrischer (inklusive röhrenförmiger), ringförmiger, eiförmiger oder konischer hohler Körper mit einem Loch oder einer Mehrzahl von Löchern ist, durch welche das Wasser frei in den Innenraum des Körpers eindringen kann oder diesen verlassen kann, wenn sich der Reflektor unter Wasser befindet.
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Die besten Ergebnisse erhält man, wenn der Körper aus Metall besteht, obwohl auch nicht metallische Körper, beispielsweise aus Glasfaser verstärktem Polyphthalamid, ebenfalls effektiv sind.
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Die besten Ergebnisse erhält man, wenn die Schalenwand eine Dicke zwischen 6 mm und 30 mm aufweist, der kreisförmige Querschnitt einen Durchmesser zwischen 200 mm und 400 mm aufweist und der Reflektor in Kombination mit einem abfragenden akustischen Sender verwendet wird, der zwischen 4 KHz und 80 KHz arbeitet und eine Spitzenleistung bei ungefähr 62 KHz aufweist. Vor allem Aluminium und seine Legierungen sind als Reflektoren gut geeignet. Idealerweise sollte der kreisförmige Bereich der Schale relativ klein sein – nicht mehr als 400 mm, da größere Kugeln zu viel Platz einnehmen. Um den Einsatz zu vereinfachen und die Kosten zu minimieren, sollten die Wände der Schale nicht mehr als 15 mm dick sein. Metallschalen mit einer Dicke von weniger als 6 mm sind für diese Anwendung nicht ausreichend starr genug.
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Ein gewisses Maß an Optimierung der abfragenden Frequenz kann notwendig sein, um die besten Ergebnisse für gegebene Schalengrößen und Wandstärken zu erzielen.
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Damit die Erfindung vollständig verstanden werden kann, werden erfindungsgemäße Reflektoren beispielhaft beschrieben, wobei auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
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1 stellt einen Querschnitt eines Reflektor gemäß vorliegender Erfindung mit einer Schale aus einer Aluminium-Legierung dar; und
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2 zeigt einen Querschnitt eines Reflektors gemäß 1.
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3 zeigt die Verwendung einer Schienenmontage mit vorliegender Erfindung;
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4 zeigt einen röhrenförmigen Marker gemäß vorliegender Erfindung, der eine Pipeline markiert;
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5A und 5B zeigen einen ringförmigen Reflektor gemäß vorliegender Erfindung, wobei 5A einen Bereich der Schnittlinie A-A' der 5B darstellt und
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6 zeigt die Verwendung eines ringförmigen Reflektors um eine Ausspülung bzw. Unterspülung zu überwachen.
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In den 1 und 2 umfasst die Schale 12 eines akustischen Reflektors 10 gemäß vorliegender Erfindung zwei Halbkugeln 13 und 14. Die kugelförmige Gestalt der Schale 12 stellt natürlicherweise den notwendigen kreisförmigen Querschnitt bereit, der für die Erfindung benötigt wird. Die Halbkugeln bestehen aus der Aluminium-Legierung 6061T6. Die Schale ist hohl. In den Halbkugeln 13 und 14 ist jeweils eine Anzahl an Löchern 20 angeordnet und ermöglicht die Kommunikation mit dem hohlen Innenraum 16 der Schale. Der Durchmesser der Löcher ist nicht entscheidend, typischerweise beträgt er zwischen 1 mm bis 2 mm. Die Größe des Loch-Durchmesser muss entsprechend gewählt werden, so dass Luft frei aus dem hohlen Innenraum 16 der Schale 12 austreten und Wasser von außerhalb in die Schale 12 eintreten kann.
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Um den Rand 24 einer der Halbkugeln 13 ist eine Zunge 22 vorgesehen. Am Rand 28 der anderen Halbkugel 14 ist eine Rille 26 vorgesehen. Die Rille 26 dient der Aufnahme der Zunge 22 beim Zusammenfügen der Halbkugeln 13 und 14. Die Zunge 22 wird innerhalb der Rille 26 ortsfest verklebt.
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Anstelle von Aluminium oder einer Aluminium-Legierung wird eine Schale aus mit 25% Glas verstärktem Polyphthalamid verwendet, das unter dem Markennamen Zytel®HTN51G25HSL durch E. I. de Pont de Nemours verkauft wird. Die Bestandteile sind identisch zu den in den 1 und 2 dargestellten Bestandteilen. Unterschiede entstehen durch die Verwendung von unterschiedlichem Material für die Schale und durch die Bereitstellung eines umlaufenden erhöhten Anteils oder eines Riegels um eine der Seiten der Zunge 22 und durch eine korrespondierende Raste auf der Wandseite der Rille 26, die zur Aufnahme des Riegels vorgesehen ist. Wie in den Figuren sichtbar ist, rastet der umlaufende Riegel in die Raste, wenn die beiden Halbkugeln 13 und 14 um den Kern herum zusammengefügt werden. Ein mit 25% Glasfasern verstärktes Polyphthalamid wird unter dem Markennamen Zytel®HTN51G25HSL durch E. I. de Pont de Nemours und Co verkauft. Ein vergleichbares Glasfaser verstärktes Polyphthalamid wird unter dem Markennamen Amadel durch Solvey SA. vertrieben. Polyphthalamide mit einem höheren Anteil an Glasfasern sind ebenfalls erhältlich und bieten härtere Schalen. Allerdings steigt mit steigendem Anteil an Glasfasern auch die Sprödigkeit der Schale.
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Andere geeignete Nicht-Metalle können die Schale bilden; diese beinhalten mit Epoxid imprägnierte Karbonfasern, Kevlar®(Aramid-)Fasern, Zylon®[Poly-(p-Phenylen-2,6-benzobisoxazol) oder PBO]-Fasern imprägniert mit Epoxidharz, Nylon 6 oder mit Epoxid imprägnierte Fasern (beispielsweise Dyneema®).
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Bei Verwendung nicht metallischer Materialien können Beschädigungen der Schale auftreten, wenn diese auf dem Festland oder an Deck eines Schiffes gelagert werden. Die Beschädigungen können durch eine Beschichtung der Schalen mit Polyurethan vermieden werden. Die akustischen Eigenschaften von Polyurethan ähneln denen von Meerwasser. Vorsicht ist jedoch geboten, damit durch die Beschichtung keine Löcher blockiert werden.
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In 3 werden zwei Halbkugel-Hälften 13 und 14 einer kugeligen Reflektor-Schale 12 eines Reflektors gemäß vorliegender Erfindung entsprechend den 1 und 2 beschrieben. Andere identische Merkmale werden nicht detailliert beschrieben, können aber unter Bezugnahme auf die 1 und 2 identifiziert werden. Eine der Halbkugel-Hälften 13 der Schale 12 umfasst ein Loch 34, das als Innengewindeöffnung ausgebildet ist. Das Innengewinde 36 des Lochs korrespondiert mit dem Außengewinde 42 eines der Enden einer Stange 40. Das andere externe Schraubgewinde der Stange 40 kann in eine geeignete Buchse mit Innengewinde verschraubt werden, um den Reflektor an einer gewünschten Stelle zu befestigen. Idealerweise besteht die Stange 40 aus demselben Material wie die Schale 12 des Reflektors.
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Die Anordnung in 3 erlaubt es, den Reflektor gemäß vorliegender Erfindung über dem Boden oder an einem zu markierenden Objekt zu befestigen.
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Ringförmige Reflektoren sind entsprechend aus zwei Hälften eines Ringes aufgebaut, wobei jede der Hälften einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und wobei die Hälften zusammengefügt werden, um die endgültige Ringform zu bilden.
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Zylindrische oder röhrenförmige Reflektoren aus Aluminium oder seinen Legierungen können einfach durch Extrusion hergestellt werden. Wenn der Reflektor aus einem nicht extrudierbaren Material hergestellt wird, beispielsweise aus mit Glas verstärktem Polyphthalamid, ist der Herstellungsprozess der gleiche, wie er bereits in Absatz [00018] beschrieben wurde, wobei zwei verlängerte Hälften eines Zylinders oder einer Röhre zusammengesetzt werden. Für lange Röhren mag Letzteres nicht ganz praktikabel sein. In diesem Fall wäre eine Schale aus extrudierbaren Material, beispielsweise aus Aluminium oder seinen Legierungen, vorteilhaft.
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Sowohl ringförmige als auch zylindrische Schalen weisen den notwendigen Querschnitt gemäß vorliegender Erfindung auf.
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Beispielhafte Bedingungen und Ergebnisse werden im Folgenden dargestellt:
- • Beispiel 1 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus Stahl, Außendurchmesser der Schale 300 mm
– Dicke der Schale 10,25 mm
– Frequenz 38,0 KHz
– Stärke des Zielechos = –10,1 dB
- • Beispiel 2 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus Stahl, Außendurchmesser der Schale 400 mm
– Dicke der Schale 14,0 mm
– Frequenz 27,9 KHz
– Stärke des Zielechos = –7,6 dB
- • Beispiel 3 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus mit 25% Glas verstärktem Polyphthalamid, Außendurchmesser der Schale 300 mm
– Dicke der Schale 13,5 mm
– Frequenz 12,0 KHz
– Stärke des Zielechos = –14,0 dB
- • Beispiel 4 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus mit 25% Glas verstärktem Polyphthalamid, Außendurchmesser der Schale 400 mm
– Dicke der Schale 15,5 mm
– Frequenz 9,0 KHz
– Stärke des Zielechos = –11,5 dB
- • Beispiel 5 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6, Außendurchmesser der Schale 200 mm
– Dicke der Schale 12,75 mm
– Frequenz 37,4 KHz
– Stärke des Zielechos = –16,7 dB
- • Beispiel 6 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6, Außendurchmesser der Schale 300 mm
– Dicke der Schale 18,75 mm
– Frequenz 25,2 KHz
– Stärke des Zielechos = –13,11 dB
- • Beispiel 7 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6, Außendurchmesser der Schale 400 mm
– Dicke der Schale 24,5 mm
– Frequenz 19,1 KHz
– Stärke des Zielechos = –10,6 dB
- • Eine mit Beispiel 7 vergleichbare Antwort wurde durch eine kugelförmige Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6 mit einer Dicke der Schale von 19 mm weitgehend über einen Frequenzbereich zwischen 28 KHz und 35 KHz erzielt.
- • Beispiel 8 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus Aluminium, Außendurchmesser der Schale 300 mm
– Dicke der Schale 14 mm
– Frequenz 38 KHz bis 80 KHz
– Stärke des Zielechos besser als –15 dB über den Frequenzbereich
- • Beispiel 9 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6, Außendurchmesser der Schale 400 mm
– Dicke der Schale 11 mm
– Frequenz 38 KHz bis 80 KHz
– Stärke des Zielechos besser als –15 dB über den Frequenzbereich
- • Beispiel 10 Wasser in einer kugelförmigen Schale aus einer Aluminium-Legierung 6061T6, Außendurchmesser der Schale 200 mm
– Dicke der Schale 13 mm
– Frequenz 38 KHz bis 80 KHz
– Stärke des Zielechos besser als –15dB über den Frequenzbereich
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Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn die Schalenwand eine Dicke zwischen 6 mm und 30 mm aufwies, die Schale einen Durchmesser zwischen 200 mm und 400 mm hatte und wenn, im Falle von Aluminium oder seinen Legierungen, der Reflektor mit einem abfragenden akustischen Sender kombiniert wurde, der in einem Bereich zwischen 35 KHz und 80 KHZ bei ca. 60 KHz arbeitet. Aluminium und seine Legierungen arbeiten gut für Kugeln mit kleinerem Durchmesser. Für die angestrebte Anwendung sollte die Kugel relativ klein sein, da größere Kugeln zu viel Platz einnehmen. Obwohl Schalenreflektoren aus Stahl gut funktionieren, stellt Stahl nicht das bevorzugte Material für eine Anwendung unter Wasser gemäß vorliegender Erfindung dar. Stahl neigt dazu zu korrodieren. Auch wenn es entsprechend behandelt ist, verschlechtert es sich wahrscheinlich viel schneller als die Alternativen.
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Obwohl die Ergebnisse für Kugeln dargestellt sind, wurden entsprechende Ergebnisse mit Ringen, Zylindern und Röhren erzielt, wenn die akustische Quelle die akustischen Wellen normalerweise auf eine äußere Oberfläche der Schale um den kreisförmigen Querschnitt leitet.
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Im Gegensatz zu dem in der
WO 2006/075167 A beschriebenen Reflektor erfolgt wenig oder keine Fokussierung der akustischen Wellen innerhalb der Schale gemäß der vorliegenden Erfindung. Die reflektierten akustischen Wellen scheinen größtenteils durch eine Reflektion von der vorderen Oberfläche des Reflektors und der akustischen Resonanz der Schale selbst generiert zu werden. Im Ergebnis wird nur wenig Information an den Detektor weitergeleitet, der die Konfiguration des Reflektors betrifft. Dementsprechend sind akustische Reflektoren gemäß vorliegender Erfindung für kostengünstige Anwendungen geeignet, wobei Objekte wie beispielsweise Fischernetze markiert werden sollen. Aber die Reflektoren können für kompliziertere Anwendungen unter Wasser weniger geeignet sein, beispielsweise die Markierung von Öl- oder Gasinstallationen, bei denen für die Orientierung häufig Informationen zum Reflektor selbst benötigt werden. Insbesondere kann ein Reflektor in Gestalt eines Rings um das Äußere einer Unterwasser-Stütze oder eines anderen Unterwasser-Objektes platziert werden, um dieses zu markieren.
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In jedem der Beispiele gibt die angegebene Ziel-Echostärke die jeweils am besten erzielte Echostärke für das gegebene Schalenmaterial und den Durchmesser an. Im Falle der Kugel aus Stahl und der Kugel aus mit 25% Glas verstärktem Polyphthalamid war das Ergebnis der Kugel mit dem Schalen-Durchmesser von 200 mm für die praktische Anwendung nicht ausreichend. Wie es anhand der Ergebnisse gesehen werden kann, fällt die Antwort stärker aus, wenn sich der Querschnitt vergrößert. Gleichzeitig nimmt allerdings die beste abfragende Frequenz ab.
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Andere Schalen, die aus Epoxid imprägnierten Fasern bestehen, beispielsweise aus Karbonfasern, Kevlar®(Aramid-)Fasern, Zylon®[Poly-(p-Phenylen-2,6-benzobisoxazol) oder PBO]-Fasern oder Polythen-Fasern (beispielsweise Dyneema®), zeigen eine akustisches Resonanzverhalten, das dem Resonanzverhalten von mit Glas verstärktem Polyphthalamid entspricht. Allerdings variieren die optimalen Frequenzen und Dicken der Schalen. Aluminium oder seine Legierungen können auch durch Messing ersetzt werden.
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Allgemein funktionieren bei den Frequenzen, bei denen die Erfindung am besten arbeitet (4 KHz bis 80 KHz), metallische Schalen besser als nichtmetallische Schalen.
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4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Leitungsabschnittes 50, der mit einer Anzahl von erfindungsgemäßen röhrenförmigen Reflektoren 52 aus Aluminium ausgestattet ist. Jeder der Reflektoren umfasst einen hohlen Innenraum 54 mit offenen Enden 56. Diese erlauben dem Wasser unter Wasser den freien Zutritt in den Innenraum 54 und den Austritt aus dem Innenraum 54. Die Röhren werden von den Leitungsabschnitten 50 durch herkömmliche elektrisch isolierende Ansätze 58 isoliert. Die Leitungsabschnitte 50 umfassen herkömmliche End-Flanschverbindungen mit darin angeordneten Löchern, die eine Befestigung an einem anderen Leitungsabschnitt erlauben. Die Leitungsabschnitte mit den Reflektoren können an Land vorgefertigt werden und über die Bolzenlöcher der Flanschverbindungen 60 an anderen entsprechend ausgestatteten Leitungsabschnitten befestigt werden. Auf diese Art und Weise kann, im Rahmen des normalen Verlegens einer Unterwasser-Pipeline, eine mit akustischen Markern ausgestattete Pipeline zusammengesetzt werden.
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Im Betrieb arbeiten die Reflektoren gemäß 4 genau auf dieselbe Weise wie die kugelförmigen Reflektoren gemäß den 1 und 2. Akustische Wellen von ungefähr 60 KHz werden von einer akustischen Quelle erzeugt und treffen auf die röhrenförmigen Reflektoren 52. Die Röhre 52 erfährt bei dieser Frequenz eine Vibration des gesamten Körpers, die als akustische Welle umgewandelt wird und von der Quelle der ursprünglichen akustischen Übertragung detektiert wird.
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Obwohl der röhrenförmige Reflektor in 4 im Zusammenhang mit einem Rohrabschnitt beschrieben worden ist, können die Reflektoren auch an anderen Objekten angewendet werden, beispielsweise an Öl-Plattformen, Unterkunfts-Plattformen für die Arbeiter auf dem Meer und anderen Objekten, die unter Wasser angeordnet werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den 5A und 5B dargestellt. Ein hohler ringförmiger Reflektor 70 ist entsprechend der bereits beschriebenen Prinzipien aufgebaut. Der Reflektor weist eine Schale 74 auf, die zwei Hälften 72 und 73 mit jeweils einem halbkreisförmigen Querschnitt umfasst, welche durch eine Zunge 77 und eine Rille 78 verklebt verbunden sind. Die Schale 74 hat eine Mehrzahl von Löchern 75. Wenn der Reflektor im Wasser eingetaucht ist, erlauben diese es dem Wasser frei von außerhalb der Schale 74 in den hohlen Innenraum 76 einzutreten. In diesem Beispiel besteht die Schale aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, obwohl auch die in den früheren Beispielen genannten Alternativen verwendet werden können.
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Akustische Wellen von ca. 60 KHz werden von einer akustischen Quelle übertragen und treffen auf eine äußere Oberfläche des Reflektors 70. Dieser erfährt eine Resonanz des gesamten Körpers. Die Resonanz generiert akustische Wellen, die detektiert werden können. Dadurch kann mittels eines um ein Objekt herum angeordneten Reflektors ein beliebiges Objekt akustisch markiert werden.
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In 6 wird der untere Bereich 90 einer Stütze gezeigt, beispielsweise eines Brückenpfeilers, der sich unter der Oberfläche 91 des Meeres in den Meeresboden 92 erstreckt. Eine Reihe von ringförmigen akustischen Reflektoren 94A, 94B, 94C und 94D, wie bereits unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben, sind unterhalb der Meeresoberfläche um den Pfeiler 90 herum angeordnet. Diese Reflektoren 94A und 94B befinden sich oberhalb des Meeresbodens 92 und markieren die Stütze 90. Strömungen umspülen den Meeresboden vorzugsweise um die Stütze 90, so dass letztendlich der Meeresboden auf einen niedrigeren Level 96 absinkt. Dabei wird der Reflektor 94C freigesetzt, der ursprünglich unterhalb des Meeresbodens angeordnet war. Die Detektion des Reflektors 94C als Ergebnis einer Resonanz beim Abfragen von Niedrig-Frequenz Sonarsignalen stellen ein Früh-Warn-System zur Warnung vor Ausspülungen bzw. Unterspülungen dar und weisen auf eine möglicherweise notwendige Überprüfung hin.
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Wenn das Ausspülen bzw. Unterspülen weiter fortschreitet und der Meeresboden unter die mit 98 bezeichnete Linie fällt, wird ein weiterer Reflektor 94D freigesetzt. Dieser kann anzeigen, dass eine potentiell gefährliche Situation entstanden ist und dass die Befestigung der Stütze unter Wasser dringend überprüft werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/075167 A [0002, 0002, 0030]
