RU2136019C1 - Шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к технике морских гибких протяженных буксируемых антенн, служащих для измерения акустического поля в воде и применяемых в геофизике и гидроакустике. Гидрофоны помещены в герметичную шланговую оболочку с заполнителем, заключенную во внешнюю оболочку, заполненную гелем. Внутренняя шланговая оболочка свободно расположена в геле и механически не связана с силовыми элементами стримера. Конструкция секции стримера позволяет повысить помехоустойчивость антенны к низкочастотным структурным вибрационным и гидродинамическим помехам, обусловленным буксировкой стримера в потоке, повышает эксплуатационную надежность и экологическую безопасность эксплуатации стримера, исключает искажение диаграмм направленности стримера за счет неизменности расстояний между гидрофонами при изменении усилия натяжения стримера при буксировке. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относится к технике гибких протяженных буксируемых антенн, служащих для регистрации акустического давления или скорости звука в окружающей морской среде и применяемых в гидроакустике и морской сейсмике. Буксируемые антенны в морской геофизике называют стримерами (буксируемые в потоке). Такие устройства обычно содержат кабель-буксир, относящий стример от судна-буксировщика на необходимое расстояние, амортизирующие модули, снижающие уровень вибраций, возникающих на кабеле при буксировке устройства, и собственно антенну, собираемую, как правило, из ряда самостоятельных секций, общая длина которой достигает нескольких километров.

Наибольшее распространение получила шланговая технология изготовления стримеров, когда секции выполняются в виде протяженного шланга с герметичными силовыми электрическими разъемами по концам. Внутри шланговой оболочки расположены грузонесущие канаты, закрепленные в концевых разъемах и обеспечивающие механическую прочность стримера к осевым растягивающим усилиям, которые могут достигать нескольких тонн, группы гидрофонов, образующих эквидистантную антенную решетку, электронные устройства предварительной обработки акустических сигналов и электрические линии коммуникации антенны. Внутренний объем шланговой оболочки заполнен электроизоляционной жидкостью с плотностью, обеспечивающей нейтральную плавучесть секции в морской воде.

Наряду с этой технологией в последнее время получила применение и кабельная технология изготовления стримеров, в которой гидрофоны встраиваются в электрические грузонесущие кабели. Однако такая технология не имеет широкого применения и используется в основном для систем с позиционированием стримера на морском дне или в районах предельного мелководья "суша-море", где не требуется нейтральная плавучесть стримера и предъявляются особые требования к его механической прочности.

Предлагаемая гидрофонная секция стримера относится к наиболее распространенному типу шланговых антенн.

Гидрофоны стримера принимают все внешние акустические сигналы, в том числе и полезные, а также все виды собственных акустических шумов, возникающих во внутреннем объеме антенны при буксировке ее в потоке. Главной задачей проектирования стримеров является создание конструкций с минимальным уровнем собственных шумов, основной составляющей которого являются акустические поля внутри антенны, возникающие вследствие ее вибрационного и гидродинамического возбуждения в потоке. Снижение уровня собственных помех позволяет увеличивать скорость буксировки антенны, т.е. повышать производительность геофизических работ и, соответственно, минимизировать стоимость исследований.

Были попытки, направленные на минимизацию гидродинамической помехи на гидрофонах антенны за счет дополнительной толстой оболочки вокруг антенны, отдаляющей турбулентный пограничный слой от шланговой оболочки антенны. В патенте США N 3893065 предлагается антенна с дополнительной оболочкой из пенопласта, диаметр которой в 3 раза больше, чем внутренний гибкий шланг антенны. В другом патенте США N 4984218 подобная оболочка выполнена с негладкой поверхностью, которая, по мнению авторов, должна разрушать турбулентные вихри при буксировке.

Турбулентный пограничный слой удален от гидрофонов и в буксируемом стримере с коаксиальнми шланговыми оболочками по патенту США N 4160229. За счет удаления турбулентного пограничного слоя от гидрофонов удается несколько снизить гидродинамическую помеху от буксировки. Авторы размещают гидрофоны в центрирующих втулках внутри негерметичной шланговой оболочки, которая в свою очередь размещена внутри основной шланговой оболочки секции стримера. Электрические провода от гидрофонов через сквозные отверстия во внутренней оболочке выведены в пространство между ней и внешней оболочкой секции. Внутренний шланг с гидрофонами связан с наружной оболочкой через центрирующие элементы-втулки из упругого материала (внутренний диаметр втулок равен наружному диаметру внутреннего шланга, а их наружный диаметр равен внутреннему диаметру наружной шланговой оболочки). Центрирующие втулки зафиксированы на силовых тросах. Концы внутреннего шланга также негерметичны и через жесткую кольцевую прокладку жестко связаны с силовыми тросами и наружной оболочкой стримера. Весь внутренний объем стримера благодаря сквозным отверстиям во внутреннем шланге заполняется маслом. Однако уменьшения вибрационной составляющей помехи достичь в предложенной конструкции невозможно, т.к. вибрационные колебания внешней и внутренней оболочек стримера, жестко связанных между собой силовыми канатами и общим заполнителем, синфазны.

Поскольку растяжение силовых канатов секции при рабочих скоростях буксировки может достигать нескольких метров, то за счет жесткой связи канатов с внутренней оболочкой происходит ее удлинение на величину такого же порядка и, как следствие, изменение расстояния между гидрофонами и фазовыми центрами акустической решетки. Последнее является причиной искажения диаграмм направленности антенны, особенно заметному на верхних частотах рабочего диапазона стриммера (50 - 100 Гц).

Эксплуатационная надежность шланговой секции по патенту США N 4160229 определяется целостностью внешней оболочки. При ее сквозном повреждении происходит разгерметизация внутреннего объема - морская вода попадает во внутренний объем секции, а жидкий заполнитель - в морскую акваторию, при этом стример выходит из строя и происходит экологическое загрязнение окружающей среды.

Очевидно, что проектирование современных стримеров должно обеспечить:
- большую помехоустойчивость к низкочастотным структурным помехам, обусловленным буксировкой стримера в потоке,
- неизменность расстояния между гидрофонами при изменении усилия натяжения секции при буксировке,
- повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности при повреждениях внешней оболочки.

Этот желаемый технический результат реализуется конструкцией гидрофонной секции стримера путем выполнения внутренней оболочки с гидрофонами герметичной и заполненной электроизоляционным заполнителем и ее взвешивания в гелеобразном заполнителе внутри внешней шланговой оболочки, исключающем прямую механическую связь внутренней оболочки с силовыми канатами и наружной оболочкой стримера. Здесь следует отметить, что применение гелей с торговыми марками OPTFILL или INSJELL указано в патенте США N 5521885 на "буксируемый кабель-стример", т.е. стример, выполненный по кабельной технологии. Без какой-либо детализации в описании к патенту высказывается идея помещения гидрофона в гель, который заполняет центральный элемент, похожий на внутреннюю шланговую оболочку в предлагаемом изобретении. Все дальнейшее описание посвящено описанию конструкции, выполненной по кабельной технологии, при которой на этот центральный элемент навивается композиционная оболочка, состоящая из слоя жгутов, оплетки силовых элементов и бумажной оплетки. Имеющиеся в этом наборе пустоты пропитаны гелем. Выполненный таким образом сердечник кабеля "одет" в резиновую оболочку с желобами для пропуска силовых канатов, и, наконец, во внешнюю герметизирующую оболочку-чехол. Такое выполнение внешней твердой оболочки, имеющей жесткий механический контакт с центральным элементом по всей его наружной поверхности, обуславливает передачу на центральный элемент кабеля всех видов структурной помехи без потерь, что является принципиальным недостатком стримеров кабельного типа и не позволяет достичь указанных задач настоящего изобретения.

Наиболее близким аналогом изобретения является известная буксируемая антенна шлангового типа по патенту США N 4160229.

Предлагаемая шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера содержит, как и известная, наружную шланговую оболочку, герметично соединенную с концевыми герметичными разъемами для электрического и механического соединения с соседними секциями, внутреннюю шланговую оболочку с расположенными в ней гидрофонами, размещенными на определенном расстоянии друг от друга при помощи гибких монтажных устройств, силовые тросы, расположенные вдоль всей секции между оболочками и закрепленные на концевых разъемах секции, центрирующие кольца, закрепленные от продольного перемещения на силовых тросах, внутри которых проходит внутренняя шланговая оболочка, линии электрических коммуникаций расположенные между шланговыми оболочками, жидкостноподобный заполнитель внутреннего объема наружной и внутренней оболочек секции стримера.

Для достижении указанных технических результатов внутренний диаметр центрирующих колец выполнен больше внешнего диаметра внутренней шланговой оболочки, эта оболочка снабжена по торцам герметизирующими элементами с электрическими выводами для соединения гидрофонов с линиями коммуникаций и штуцерами для заполнения внутреннего шланга заполнителем. В качестве заполнителя наружной шланговой оболочки применен гель. Провода, соединяющие электрические линии коммуникации с концевыми разъемами, выполнены с возможностью свободных колебании торцов внутренней шланговой оболочки, которые свободно расположены в геле и не связаны механически с силовыми элементами стримера. Для реализации возможности увеличения потерь гидродинамической помехи на границе "гель - внутренняя оболочка" и подбора требуемой плавучести секции заполнитель внутренней шланговой оболочки может быть отличен по своим физико-химическим параметрам от параметров геля, заполняющего внешнюю оболочку.

Опыт эксплуатации шланговых стримеров показал, что использование в конструкции двух, расположенных в одной диаметральной плоскости, симметричных относительно оси стримера силовых тросов дает лучшие результаты с точки зрения распределения растягивающих усилий и намотки на барабан лебедки.

На фиг. 1 изображено продольное сечение фрагмента предлагаемой гидрофонной секции стримера.

На фиг. 2 - поперечное сечение по А-А предлагаемой гидрофоннной секции стримера.

Фиг. 3 иллюстрирует механизм возникновения псевдоакустического давления в заполнителе секции прототипа при возбуждении ускорения на концевых разъемах секции.

Фиг. 4 иллюстрирует механизм возникновения псевдоакустического давления в заполнителе во внешней и внутренней оболочках предлагаемого стримера при возбуждении ускорения на концевых разъемах секции.

Предлагаемая шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера, изображенная на фиг. 1 и 2, содержит наружную шланговую оболочку 1 из термопластичного полиуретана или другого эластичного полимера, устойчивого к перепаду внешних температур и агрессивным средам. Концы оболочки герметично соединены с концевыми герметичными разъемами 2, которые содержат механический замок и электрический разъем 3 для соединения с соседними секциями. В разъем 2 заделаны концы двух силовых тросов 4, а также штуцеры для заполнения внутреннего объема. Тросы могут быть стальными или синтетическими из материала типа KEVLAR. Тросы расположены в одной диаметральной плоскости. На тросах 4 на определенном расстоянии друг от друга закреплены от продольного перемещения центрирующие кольца 5 с помощью ограничителей 6. Кольца выполнены из полиамида или другого полимера, обеспечивающего требуемую прочность, плотность и химическую стойкость в электроизоляционном заполнителе, и содержат отверстия для свободного пропуска силовых тросов. Внутренний диаметр колец 5 больше внешнего диаметра внутренней шланговой оболочки 7, которая может быть выполнена из того же материала, что и внешняя оболочка. Внутренняя шланговая оболочка 7 по торцам загерметизирована элементами 8 с электрическими выводами 9, к которым присоединены провода 10 от гидрофонов 11. Герметизирующие элементы 8 содержат штуцер 12 для заполнения объема внутренней шланговой оболочки жидким или жидкостноподобным заполнителем 13, например маслом, керосином или другим заполнителем с высокими электроизоляционными свойствами. Гидрофоны 11 закреплены во внутренней шланговой оболочке с помощью гибких монтажных устройств 14, в качестве которых могут быть использованы специальные литые из упругого полимера обоймы или просто полиуретан с открытыми порами. Расстояние между гидрофонами в группе определяется необходимой пространственной фильтрацией структурных помех, а между группами - требуемой диаграммой направленности антенны. Гибкие монтажные устройства 14 в любом исполнении содержат отверстия для прохода жидкости - заполнителя внутреннего объема шланговой оболочки 7, которая и является собственно герметичным гидрофонным модулем. Внутренняя шланговая оболочка 7 с гидрофонами 11 взвешена внутри внешней оболочки 1 с помощью геля 15, заполняющего весь свободный от деталей внутренний объем внешней оболочки 1. Для того, чтобы внутренняя шланговая оболочка 7 была соосна с наружной оболочкой, ее перед заполнением гелеобразующей жидкостью вывешивают с помощью гибких технологических нитей, закрепленных на центрирующих кольцах 5. Внутренняя шланговая оболочка 7 с гидрофонами 11 взвешена в геле 15 и имеет акустическую связь с внешней оболочкой только через гель. Провода 16, соединяющие электрические выводы 9 от гидрофонов 11 с электрическими выводами в концевом разъеме стримера выполнены со "слабиной" без натяга и не ограничивают колебаний торцов 8 внутренней шланговой оболочки 7. В геле 15 в пространстве между двумя оболочками расположены транзитные провода 17 от последующих секций стримера.

При буксировке в потоке вокруг оболочки стримера возникает пограничный слой турбулентностей, который воздействует на оболочку в виде множества случайных пульсирующих источников силы, переизлучаемых во внутренний объем антенны и воздействующих на гидрофоны стримера как псевдозвуковые источники шума. Неравномерность движения судна-буксировщика, отличие плавучести стримера от нулевой и гидродинамическое возбуждение системы приводит к возникновению и распространению по системе продольных и поперечных вибрационных колебаний. Необходимо отметить, что продольные колебания могут распространяться по кабелю-буксиру и силовым тросам стримера практически без затухания на многие сотни метров. Вибрационные колебания вызывают колебания элементов конструкции стримера - концевых разъемов, фиксирующих втулок и т.п. и приводят к возникновению в заполнителе секции еще одного типа псевдоакустических колебаний от вибрационной акустической помехи. Термин "псевдоакустические" используется для процессов, скорость распространения и затухания которых существенно отличается от распространения акустических колебаний в свободной среде.

Использование в предлагаемом изобретении герметичной внутренней оболочки, представляющей для пульсаций гидродинамической помехи сплошную акустическую преграду, приводит, с одной стороны, к дополнительному осреднению (и дополнительному поглощению энергии) этого вида помехи на внутренней оболочке, а заполнение внутренней оболочки электроизоляционным заполнителем с плотностью, отличной от плотности геля во внешней оболочке - к дополнительным потерям дважды осредненной гидродинамической помехе в "слое скачка" на границе двух сред. Экспериментальные исследования показали, что предложенное решение позволяет снизить уровень гидродинамической помехи на одиночных гидрофонах стримера на 4 - 6 дБ.

На фиг. 3 и 4 показан механизм возбуждения псевдоакустических колебаний в заполнителе при вибрационном возбуждении торца стримера ускорением F_w. При этом в случае жесткой связи внешней 1 и внутренней 7 оболочек стримера в заполнителе внешней и внутренней оболочек антенны всегда возникают синфазные продольные dPa и радиальные dPr колебания и в конструкции прототипа (фиг. 3) на гидрофоны воздействует суммарное вибрационное давление, пропорциональное массе заполнителя во внешней и внутренней оболочках стримера. В предлагаемой конструкции (фиг. 4) вибрационное возбуждение торцов секции стримера ускорением F_w всегда вызывает реактивные колебания заполнителя внешней оболочки и внутренней гидрофонной секции как целого, а переменное давление заполнителя во внутренней оболочке при этом всегда противоположно по знаку аналогичным составляющим давления во внешней оболочке стримера. Т.е. псевдоакустическое давление на гидрофонах стримера есть разница давлений во внешней и внутренней оболочках антенны и всегда существенно меньше, чем на гидрофонах антенны прототипа такого же внешнего диаметра. Особенностью предлагаемой конструкции является также и частотная зависимость распространения продольных колебаний. Благодаря реактивному поведению внутренней герметичной оболочки происходит увеличение сопротивления распространению колебаний в слое гелеобразного заполнителя между внешней и внутренней оболочками тем большее, чем выше частота колебаний. Экспериментальные исследования показали, что при возбуждении ускорения на одном конце секции стримера длиной 30 м, на другом его конце (силовом разъеме) на частоте 50 Гц происходит затухание продольных колебаний на величину 26 дБ, а на частоте 100 Гц уровень продольной составляющей ускорений снижается уже на 40 дБ. Таким образом, секция стримера такой конструкции является мощным фильтром низкочастотных вибраций и позволяет отказаться от использования в системе стримера дорогостоящих виброизолирующих секций. Механическая система предлагаемого стримера обеспечивает неизменность расстояний между фазовыми центрами гидрофонных групп, т.к. при изменении линейных размеров силовых канатов и внешней оболочки стримера при растяжении, линейные размеры внутренней герметичной оболочки с гидрофонами не изменяются из-за отсутствия механической связи с силовыми элементами секции стримера.

Использование во внешней оболочке геля при повреждении внешней оболочки не приводит к вытеканию заполнителя из оболочки (гель представляет собой псевдожидкий заполнитель с фиксированной формой после полимеризации, запоминающей свою пространственную ориентацию). При этом гель препятствует проникновению морской воды во внутренний объем антенны благодаря своим гидрофобным свойствам.

Claims (3)

1. Шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера, содержащая наружную шланговую оболочку, концы которой заделаны в концевые герметичные разъемы для механического и электрического соединения с соседними секциями, внутреннюю шланговую оболочку с размещенными в ней гидрофонами, закрепленными на определенном расстоянии друг от друга при помощи гибких монтажных устройств, силовые тросы, расположенные вдоль всей секции между оболочками и закрепленные на концевых разъемах секции, центрирующие кольца, закрепленные на силовых тросах от продольного перемещения, через которые проходит внутренняя шланговая оболочка, транзитные провода электрических линий коммуникаций, расположенные между внутренней и внешней оболочками, жидкостноподобный заполнитель внешней и внутренних оболочек секции стримера, отличающаяся тем, что внутренний диаметр центрирующих колец больше внешнего диаметра внутренней шланговой оболочки, внутренняя оболочка герметична и снабжена по торцам герметизирующими элементами с электрическими выводами от гидрофонов и штуцерами для введения заполнителя, в качестве заполнителя объема внутри наружной шланговой оболочки применен нетекучий гель с гидрофобными свойствами, при этом провода электрических коммуникаций в местах
соединения с электрическими выводами концевых разъемов выполнены с возможностью свободных колебаний торцов внутренней шланговой оболочки, а внутренняя шланговая оболочка свободно расположена в геле и механически не связана с силовыми элементами стримера.

2. Шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера по п.1, отличающаяся тем, что заполнителем внутренней шланговой оболочки является диэлектрическое жидкостноподобное вещество с плотностью, отличной от геля во внешней оболочке.

3. Шланговая гидрофонная секция буксируемого стримера по п.1, отличающаяся тем, что силовых тросов установлено два и они расположены в одной диаметральной плоскости симметрично относительно оси стримера.

Images