NO20120153A1

NO20120153A1 - Akustisk linse

Info

Publication number: NO20120153A1
Application number: NO20120153A
Authority: NO
Inventors: Abdolghaffar Barzegar
Original assignee: Kongsberg Maritime As
Priority date: 2012-02-15
Filing date: 2012-02-15
Publication date: 2013-08-16
Also published as: GB2500091A; US8879360B2; CA2803490A1; CA2803490C; GB2500091B; GB201301320D0; NO335183B1; US20130208570A1

Abstract

Denne oppfinnelsen gjelder en undervanns sonarenhet som omfatter en akustisk transduser. Den akustiske transduseren sender en akustisk stråle som definerer en akustisk forplantningsbane for akustiske signaler til eller fra transduseren, og enheten innbefatter dessuten et hus, hvorav minst en del er oljefylt og er plassert i forplantningsbanen for nevnte stråle. Huset er akustisk transparent i retning av den akustiske strålen og har en ytre overflate med en kjent form i nevnte forplantningsbane. Enheten omfatter også en korrigerende linse, nevnte korrigerende linse er montert i nevnte forplantningsbane mellom nevnte transduser og nevnte husparti der grenseflaten i mellom definerer en første overflate som har en form i forhold til tverrsnittet av nevnte akustiske stråle i forplantningsbanen, som i hovedsak er i samsvar med formen på overflaten til huset i forhold til nevnte tverrsnitt for strålen ved nevnte overflate til huset i nevnte forplantningsbane.

Description

Denne oppfinnelsen gjelder en undervanns sonarenhet som omfatter en akustisk transduser senket ned i en beskyttende olje hvor den akustisk transduseren definerer en akustisk forplantningsbane for akustiske signaler til eller fra transduseren, hvori oljen vil bli holdt i et hus, og huset har en akustisk transparent overflate med en form som er kjent. Mer spesifikt, den innbefatter en korrigerende linse for undervanns transdusere med en beskyttende oljekuppel for å gi bedre ytelser ved ekstreme forhold og med forskjellige oljetyper.

Forskjellige akustiske linser er godt kjent for anvendelse i medisinske ultralyds sonder for å få fokus og kontroll på strålens vinkel og brennpunkt, for det meste for høye frekvenser. Forskjellige typer akustiske linser for anvendelse i sonarer er kjent, slik som beskrevet i US 39900035, US 44168482 og US 6377514. Imidlertid har det ikke blitt foreslått noen tilfredsstillende linser for anvendelse i sonarer ved ekstreme forhold og lavere frekvenser.

De fleste skannings sonarer for offshore og fiske har en beskyttende oljefylt kuppel på transduseren. Den sendte bølgen fra transduseren går gjennom oljen og gjennom det konkave grensesjiktet for olje - kuppel vegg - vann. De valgte materialene for kuppel og den valgte oljen har vanligvis en lydhastighet tett opp til den for vann ved romtemperatur og atmosfærisk trykk, slik at ultralydbølgen ikke bøyes av ved grensesjiktet for olje - vann. Men ved høyere - lavere temperaturer og trykk vil lydhastigheten forandre seg ulikt for olje og vann, som forårsaker avbøyning for strålen og følgelig vil gi en dårligere ytelse for sonaren.

Målet med den foreliggende oppfinnelsen vil dermed være å få tilveiebragt et middel for å kunne unngå en forringelse av sonaren, som vil oppstå ved variasjoner i temperatur og dybde. Dette oppnås ved å anvende en sonarenhet som er gjort rede for ovenfor, og som vil være særpreget slik som definert i vedføyde selvstendige krav.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer således en løsning hvor sonarenheten omfatter en korrigerende linse. Ettersom den korrigerende linsen i forplantningsbanen for lydbølgene har en overflateform som i hovedsak tilsvarer det ytre partiet av linsen i den akustiske forplantningsbanen vil virkningen av variasjoner i temperatur og dybde bli mindre, siden de samme endringene vil oppstå på begge sider av linsen og kuppelen.

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nedenfor med henvisning til de vedføyde tegningene som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Fig. 1 viser variasjon i lydhastighet som en funksjon av temperaturen for vann og

olje Naturelle.

Fig. 2 viser variasjon i lydhastighet versus trykk olje Naturelle og sjøvann ved 3

°C.

Fig. 3 er et riss av tverrsnittet for linsens konfigurasjon inne i kuppelen. Den akustiske linsen 2 montert på en transduser 3, som har blitt fylt opp med vann, og som har blitt installert inne i den fylte oljekuppel en 1. Fig. 4 viser linsens konfigurasjon inne i kuppelen hvor ultralydsbølgen går gjennom to grensesjikt med vann / olje og olje / vann, der divergensen i lydbølgen ved første grensesjikt blir modifisert av det andre grensesjiktet. Fig. 5 viser strålens mønster for sonaren ved høy temperatur (lik 40 °C) uten

linse.

Fig. 6 viser strålens mønster for sonaren ved høy temperatur (lik 40 °C) med

linse.

Figur 1 viser variasjon av lydhastigheten som funksjon av temperatur for vann og Naturelle olje. Temperaturens innvirkning på lydhastigheten er nøyaktig det motsatte som for olje og vann. Mens lydhastigheten for olje ved romtemperatur vil være tett opp til den for vann, vil forskjellen være på mer enn 100 m/s ved høyere temperaturer, så som ved 35 °C. Figur 2 viser at lydhastigheten øket raskere som en funksjon av trykk i

olje sammenlignet med vannet ved 3 °C. Ved stor dybde, så som 4000 m, vil forskjellen i lydhastighet nå opp til 100 m/s. Følgelig vil forskjellen i lydhastighet føre til at strålen blir defokusert (vider seg ut) under trykk eller i kalde / varme vann. Når en bølge møter et annet medium hvor bølgehastigheten er forskjellig, vil bølgen endre retning. Snells

lov gir sammenhengen for bølgens retning før og etter at den krysser grensen mellom de to mediene. Snells lov hevder at forholdet mellom sinusverdiene på innfallsvinkelen og

brytningsvinkelen er ekvivalente med forholdet mellom hastighetene for de to mediene. Avbøyningen vil være avhengig av hastighetsforskjell for lydhastigheten og av innfallsvinkelen.

For å kunne løse dette problemet har det blitt gjort mye forskning for å finne en riktig olje, eller væsker, som vil kunne brukes ved forskjellige miljøforhold. Dessverre ville ingen olje akustisk kunne oppføre seg tilsvarende vann ved forskjellige temperaturer og trykk. Idéen med denne oppfinnelsen er å sette en «vannfylt linse» foran transduserelementet før man setter alt sammen inn i den oljefylte kuppelen. Dette vil oppheve effekten fra lydhastighetsvariasjonen.

Et tverrsnitt av linsekonfigurasjonen inne i kuppelen er vist i figur 3, som viser en oljefylt kuppel eller et hus 4 som har en kurvet utvendig flate 1. En vannfylt korrigerende linse 5 har blitt plassert inne i huset og har en grenseflate 2 mot det oljefylte huset og vil være koplet direkte til transduseren 6 på den motsatte siden 3.

Med henvisning til figur 4 vil denne oppfinnelsen i hovedsak gjelde en korrigerende linse 5 for undervannstransdusere 6 innelukket i en beskyttende oljekuppel 4 for å forbedre deres ytelser ved ekstreme forhold og med forskjellige typer olje, hvor oljekuppel en 4 består av et hus, hvor en del av huset la utgjør en flate 1 mellom omgivelsene, dvs. sjøvann, og formen på husets flate 1 har en kurvatur som utgjør en linse. Den korrigerende linsen 5 vil være fylt opp med vann eller tilsvarende væske som har karakteristikker, så som lydhastighet, og som vil være sammenlignbar med det omgivende sjøvannet. Den motsatte siden 3, i forhold til den korrigerende linsen 5, er fra grenseflaten satt fast til fronten på transduserelementet 6, slik at den akustiske strålen forplanter seg fra transduseren 6 gjennom den korrigerende linen 5 og videre gjennom huset 4 til omgivelsene. Transduserelementet vil kunne være en hvilket som helst tilgjengelig transduser som vil være egnet for applikasjonen, og den delen av huset som ikke består av en linse vil kunne være laget av andre materialer som er transparente for den akustiske strålen.

Den korrigerende linsen vil fortrinnsvis være laget av polyuretan (PU) med tilsvarende kurvatur og tykkelse på kuppelen på huspartiet. Lydhastigheten for en PU - familie av polymere vil være tett opp til vannets ved romtemperatur, som gjør den til et godt valg for kuppel og linse.

Hvilket vil kunne ses av figur 4, vil ultralydbølgen 7 gå gjennom to grenseflater 1, 2, først med vann / olje og deretter olje / vann. Eventuell konvergens og divergens i akustisk stråle ved første grenseflate vil dermed kunne bli kansellert ut eller bli redusert ved andre grenseflate, som er vist i figur 4. Dermed vil en variasjon av lydhastigheten ved forskjellige omgjvelsesforhold ikke kunne gi en dårligere sonarytelse.

For å kunne kansellere ut virkningene fra lydvariasj onene, vil formen på grenseflatens overflate måtte være tilsvarende i forhold til strålens baner. Således, som man vil kunne se fra tegningen, vil strålen ved en bestemt avstand fra senteraksen nå frem til den første grenseflaten ved en vinkel og deretter bli avbøyd tilsvarende. Når den når frem til den andre overflaten på grenseflaten, vil vinkelen ved dette punktet på andre overflaten på grenseflaten være tilsvarende det første grenseflatepunktet. Således vil strålens retning bli etablert på nytt. I det illustrerte eksemplet vil dette føre til en bredere stråle, men vil ha den samme spredningen og retningen som den opprinnelige strålen. Formen til den andre overflaten på grenseflaten vil dermed måtte beregnes for således å være hovedsakelig den samme over strålens tverrsnitt, men relatert til en stråle som har et mindre tverrsnitt.

Figur 5 og 6 viser strålens mønster for sonaren ved høy temperatur (lik 40 °C) med og uten linse. Ved disse forholdene vil forskjellen i lydhastighet være omtrent 150 m/s for olje og vann. Linsen bringer strålemønsteret tilbake til den normale tilstanden som kunne ha blitt oppnådd ved romtemperatur (omtrent 20 °C).

Den akustiske linsen ifølge oppfinnelsen vil dermed fortrinnsvis være laget av polyuretan eller tilsvarende materialer med en lydhastighet tett opp til vannets ved romtemperatur. Materialet støpes til en form som har én side konkavt formet med tilsvarende kurvatur som kuppelen. Kantene på den andre ble limt til transduserholderen. Den støpte formen tilveiebringes fortrinnsvis med en ordentlig bredde i henhold til strålebredden på transduseren, som gir omtrentlig like innfallsvinkler på linsens forside.

Således, for å oppsummere, den foreliggende oppfinnelsen gjelder en undervanns sonarenhet som omfatter en akustisk transduser, som definerer en akustisk forplantningsbane for akustiske signaler til eller fra transduseren. I sonare applikasjoner vil transduseren kunne være en sender og / eller en mottaker. Enheten innbefatter også et hus som vil være fylt opp med olje, eller en hvilken som helst væske, hvor minst en del av dette vil være plassert i forplantningsbanen for nevnte stråle, huset har en akustisk transparent overflate med kjent form i nevnte forplantningsbane. I den foretrukne utførelsesformen er selve transduseren inneholdt innenfor nevnte hus som er nedsenket i en beskyttende olje.

Enheten omfatter også en korrigerende linse, der nevnte korrigerende linse er montert i nevnte forplantningsbane mellom nevnte transduser. Den korrigerende linsen blir plassert mellom transduseren og huset, og forplantningsbanen vil dermed være definert fra transduseren til en første overflate som definerer en grenseflate mellom den korrigerende linsen og huset. Formen på den den første overflaten blir valgt slik at den svarer til den andre overflaten på den motsatte siden av huspartiet. Formen på den første overflaten og husets overflate velges derfor slik at den har innvirkning på strålen i motsatte måter for dermed å kansellere eventuelle variasjoner i lydhastigheten som vil føre hovedsakelig tilsvarende former, men i andre målestokker.

Dermed vil den grenseflaten som definerer den første overflaten mellom den korrigerende linsen og huspartiet ha en form i forhold til tverrsnittet på nevnte akustiske stråle i forplantningsbanen, som i hovedsak vil være i samsvar med formen på nevnte overflate på huset i forhold til nevnte tverrsnitt for strålen ved nevnte overflate på huset i forhold til nevnte forplantningsbane.

I den foretrukne utførelsesformen av oppfinnelsen er transduseren senket ned i en beskyttende olje, og plassert i et husparti hvorav det ovenfor nevnte huspartiet utgjør en del.

Den korrigerende linsen består av et vannlegeme innkapslet i et polyuretanlegeme av en valgt form, eller alternativt vil vannlegemet kunne byttes med andre materialer, muligens støpte, som har en lydhastighet tett opp til vannets ved romtemperatur. Fortrinnsvis bør materialet være fritt for bobler som ikke vil kunne krasje eller deformere ved høyt trykk, og hvis det er væske, vil et frostmiddel kunne bli tilsatt vannet i tilfelle sonaren skal anvendes eller lagres ved en temperatur som kan forårsake frost.

Den korrigerende linsen har en form som har én side konkavt formet med tilsvarende kurvatur som huspartiets kurvatur, mens den andre kanten på nevnte linse fortrinnsvis limes til transduserholderen. Den korrigerende linsen vil kunne gis en form med riktig bredde i henhold til strålens bredde til transduseren, for således å gi omtrentlig like innfallsvinkler ved frontsiden av linsen tett opp til transduseren. Den korrigerende linsen burde fortrinnsvis være gjort klar, muligens fylt med vann og limt til transduseren før alt sammen blir satt sammen med transduseren inn i den oljefylte kuppelen.

Claims

1. Undervanns sonarenhet som omfatter en akustisk transduser, der den akustiske transduseren sender en akustisk stråle som definerer en akustisk forplantningsbane for akustiske signaler til eller fra transduseren, enheten innbefatter også et hus, hvorav minst en del vil være oljefylt og plassert i forplantningsbanen for nevnte stråle, huset er akustisk transparent og har en ytre overflate med en kjent form i nevnte forplantningsbane, enheten omfatter også en korrigerende linse, der nevnte korrigerende linse er montert i nevnte forplantningsbane mellom nevnte transduser og nevnte husparti der grenseflaten i mellom definerer en første overflate som har en form i forhold til tverrsnittet av nevnte akustiske stråle i forplantningsbanen, som i hovedsak er i samsvar med formen på overflaten til huset i forhold til nevnte tverrsnitt for strålen ved nevnte overflate til huset i nevnte forplantningsbane.

2. Enhet i henhold til krav 1, hvor den korrigerende linsen består av et vannlegeme innkapslet i et polyuretanlegeme av en valgt form.

3. Enhet i henhold til krav 2, hvor nevnte akustiske linse er laget av polyuretan med en lydhastighet tett opp til vannets ved romtemperatur.

4. Enhet i henhold til krav 2, hvor nevnte materiale er støpt til en form som har en ende-side konkavt formet med tilsvarende kurvatur som husets kurvatur.

5. Enhet i henhold til krav 4, hvor den andre kanten av nevnte linse er limt til transduserholderen.

6. Enhet i henhold til krav 4, hvor nevnte linse er støpt til form med riktig bredde i henhold til strålens bredde i transduseren, som gir omtrentlig like innfallsvinkler ved frontsiden av linse.

7. Enhet i henhold til krav 2, hvor nevnte linse er laget av materialer som har lydhastighet tett opp til vannets og er fri for luftbobler som ikke vil kunne krasje eller deformere ved høy trykk.

8. Enhet i henhold til krav 2, hvor nevnte linse er fylt med vann før alt settes sammen med transduseren inn i den oljefylte kuppelen.

9. Enhet i henhold til krav 8, hvor nevnte vann har inkludert et frostmiddel som kan settes til vannet i tilfelle en anvendelse eller lagring av sonaren ved en temperatur som kan forårsake frost.