RU2562919C2 - Акустические рефлекторы - Google Patents

Abstract

Использование: гидроакустика. Сущность: акустический рефлектор содержит оболочку, окружающую сердечник, при этом упомянутая оболочка позволяет передавать акустические волны, падающие на поверхность оболочки, в сердечник для фокусировки и отражения от области оболочки, расположенной напротив области падения, так что отраженный акустический сигнал выходит из рефлектора, имеющего сердечник, в котором оболочка имеет такие размеры относительно сердечника, что часть акустических волн, падающих на стенку оболочки, объединяется внутри оболочки и направляется в ней вокруг периферийной поверхности оболочки, а затем переизлучается и конструктивно комбинируется с упомянутым выходным отраженным акустическим сигналом, образуя тем самым на выходе усиленный отраженный акустический сигнал. Отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике предпочтительно находится в диапазоне от 2.74 до 3.4, при наилучших результатах исключительно в диапазоне от 2.74 до 2.86. Описывается применение к подводным трубопроводам, измерению водного размывания, и описываются также решетки рефлекторов наряду с новыми способами построения таких рефлекторов. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 31 ил.

Description

Известны акустические рефлекторы, например, из Патента Великобритании GB 2437016 А (Министерство обороны) 10/10/2007 (введен здесь ссылкой). В Патенте Великобритании 2437016 пассивный акустический рефлектор имеет оболочку, окружающую сердечник, при этом упомянутая оболочка обеспечивает передачу акустических волн, которые падают на оболочку, в сердечник, где они фокусируются и отражаются от области оболочки, расположенной напротив области падения, создавая тем самым на выходе рефлектора отраженный акустический сигнал, и характеризующийся тем, что сердечник выполнен в форме сферы или правильного цилиндра и образован из одного или нескольких концентрических слоев материала, имеющего волновую скорость от 840 до 1500 м/с, и тем, что оболочка имеет по отношению к сердечнику такие размеры, что часть акустических волн, которые падают на оболочку, объединяется на стенке оболочки и направляется отсюда по периферийной поверхности оболочки, а затем переизлучается и структурно комбинируется с упомянутым выходным отраженным акустическим сигналом, образуя тем самым усиленный отраженный выходной акустический сигнал.

На практике было установлено, что качество таких рефлекторов не всегда предсказуемо, и, более того, в рефлекторах, выполненных в соответствии с описанной конструкцией, имеется риск искажения или поломки в некоторых ситуациях, когда рефлекторы погружаются в глубоководье или когда они поднимаются из таких глубин.

Позднее появились другие потенциальные применения акустических рефлекторов для отметки уровня под землей, газовых труб и прочих объектов, которые, в отличие от других подземных объектов, таких как электрические кабели, очень трудно обнаруживать, используя традиционные системы обнаружения на базе электромагнитных принципов.

В соответствии с настоящим изобретением, акустический рефлектор содержит оболочку, которая окружает сердечник, при этом упомянутая оболочка имеет одно или несколько акустических окон, через которые акустические волны, падающие па поверхность, передаются в сердечник, фокальную точку для отражения акустических волн, входящих в сердечник, обратно на одно из акустических окон, характеризующийся тем, что отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находится в диапазоне от 2.5 до 3.4.

Предпочтительно, чтобы отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находилось исключительно в диапазоне от 2.74 до 3.4.

Более предпочтительно, чтобы упомянутое отношение находилось исключительно в диапазоне от 2.74 до 2.86.

Совершенно неожиданно изобретатели обнаружили, что пиковая интенсивность эхо-сигнала от объекта возникает при отношении около 2.82, с интенсивностью -4 дБ, но внутри этого диапазона является, в общем случае, лучше чем -15 дБ, а в диапазоне от 2.5 до 3.4 - лучше, чем -10 дБ. Вне этого диапазона рефлекторы являются менее пригодными для коммерческого применения, поскольку диаметр рефлектора должен быть существенно увеличен, чтобы компенсировать пониженную интенсивность сигнала от объекта. Например, если отношение составляет 2.48, то интенсивность эхо-сигнала от объекта упадет до -27 дБ. Работа акустических рефлекторов с диаметром в диапазоне 300 мм или менее является вполне допустимой, хотя по другим причинам, которые будут объяснены ниже, практической нижней границей для коммерческих рефлекторов, работающих в подводной среде, является, по всей вероятности, 100 мм, поскольку существенно возрастают частоты, на которых рефлектор будет давать заметно увеличенные эхо-сигналы (см. параграф [0083]).

Реализация, при которой критический параметр имеет отношение к средней акустической скорости через сердечник, означает, что сердечники должны быть выполнены из смешанных материалов, например, выполнены из воды и эластомера, и это повышает возможности акустических рефлекторов противостоять транспортировке и хранению при высокой температуре, см. параграф [0133] и следующие.

Оболочки могут быть образованы неметаллами, углеродным волокном, пропитанным эпоксидным полимером, волокном из Кевлара® (арамида), волокном из Зилона® [(поли(р-фенилен-2,6-бензобисоксазол), или РВО], пропитанным эпоксидным полимером, или из полиэтиленового волокна (например, из Dyneema®). Варьированием количества волокна в таком композите скорость звука может быть настроена в соответствии с прикладной задачей.

Из потенциальных материалов металлических оболочек особенно хорошо подходят алюминий и его сплавы, поскольку оболочка из такого материала, как алюминий, отражает около 50% падающих акустических сигналов, при этом остальная часть поглощается и проходит через сердечник или оболочку. Это сравнимо, например, со сталью, где в материал проходит только относительно малый процент падающего акустического излучения, а оставшаяся часть отражается. Когда в качестве оболочки используется алюминий или один из его сплавов, сердечник предпочтительно выполнять из материала, который имеет волновую скорость порядка 1620 м/с; этому критерию отвечают и пригодны к использованию бутилкаучуки NASL-H862A и В252 (ссылка: Lastinger в меморандуме AD733978 "Speed of Sound in Four Elastomers" ("Скорость звука в четырех эластомерах"), также как удобен и пригоден RTV11, заполненный карбонатом кальция.

Однако изобретатели установили, что оболочка, выполненная из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, с сердечником из кремниевого эластомера RTV12, обеспечивает превосходное отражение падающих акустических волн на определенных частотах. Полифталамид, армированный на 25% стекловолокном, продается E.I. du Font de Nemours and Company под торговой маркой Zytel® HTN51G25HSL. Аналогичный полифталамид, армированный стекловолокном, продается Solvey SA под торговой маркой Amadel. Оболочки на базе полифталамида обладают особенными преимуществами в контексте этого изобретения, поскольку они являются жесткими и имеют быстрый переход из твердой фазы в жидкую фазу при температуре порядка 310°С без существенного размягчения ниже этой температуры. Такая характеристика означает, что оболочка может быть заполнена жидкими материалами сердечника ниже этой температуры, а материал сердечника будет отвердевать без риска деформации. Реализация акустических рефлекторов в соответствии с этим изобретением открывает возможность разработки отражающих устройств для всех типов прикладных задач. Можно получить полифталамиды с более высоким содержанием стекловолокна - в 35%, 45% и 60%, это предоставляет даже более жесткие оболочки, однако по мере повышения содержания стекловолокна увеличивается также хрупкость конечного изделия и скорость акустической передачи в оболочке.

Одно из особенно преимущественных применений акустического рефлектора характеризуется тем, что он содержит удлиненную, в основном, цилиндрическую структуру с центральным стержнем, действующим как сердечник, который окружен удлиненной оболочкой с трубчатым поперечным сечением.

Такой рефлектор может быть прикреплен, например, к секции трубы для отметки уровня трубы ниже поверхности воды или земли. Если несколько таких рефлекторов, например, четыре, предварительно будут прикреплены к секции трубы перед тем, как эта секция трубы будет погружаться в воду, то это предоставляет простую и экономичную систему для отметки уровня секции трубы; если все секции трубы в трубопроводе имеют такие прикрепленные к ним маркеры, то может быть размечен в целом весь трубопровод.

В другом примере осуществления изобретения акустический рефлектор, в соответствии с этим изобретением, является тороидальным.

Еще в одном примере осуществления изобретения акустический рефлектор, в соответствии с изобретением, устанавливается на подводном объекте для мониторинга размывания дна толщи воды, в которую объект должен быть помещен. Рефлектор может быть установлен на таком объекте, как часть конструкции этого объекта, до того, как объект будет помещен в воду.

Изобретение предоставляет способ мониторинга подводного размывания вокруг объекта, содержащего прикрепленный к нему по меньшей мере один акустический рефлектор в соответствии с этим изобретением, и определения местоположения упомянутого акустического рефлектора ниже естественного уровня дна толщи воды, проводимого так, что размывание может обнажать рефлектор, предоставляя возможность его обнаружения при запросе акустическим лучом. Преимущественно акустический рефлектор, в соответствии с этим изобретением, содержит подсоединяющее средство для подсоединения акустического рефлектора к тросу, кабелю или пр., которое является просто проушиной. Если рефлектор имеет сердечник из эластомера или другого неметалла, то в оболочке может быть образовано отверстие для заполнения оболочки сердечником. Это отверстие затыкается, и проушина просто прикрепляется к затычке. В качестве альтернативы рефлектор может быть установлен в сетке.

В другом примере осуществления изобретения предлагается способ мониторинга отметки уровня подводного объект или области, при этом на объекте или в области интереса расположен по меньшей мере один акустический рефлектор, в соответствии с изобретением, обеспечивая возможность обнаружения рефлектора по запросу акустическим лучом. Это может быть выполнено, например, подсоединением рефлектора к объекту или контейнеру, имеющих большую ценность и для которых существует риск потери, или к черному ящику самолета. Другой аспект изобретения состоит в присоединении такого гидролокационного рефлектора к дайверу или оснащению дайвера, и в запросе рефлектора сонаром для идентификации положений дайвера.

Другим применением рефлектора, в соответствии с изобретением, является индикация подводных млекопитающих, когда используются системы эхолокации для определения местоположения млекопитающих в определенных областях маркировкой такой области или объекта одним или несколькими гидролокационными рефлекторами, в соответствии с изобретением. При дальнейшем развитии такого применения станет возможным использование подводных млекопитающих в экономических целях, таких как идентификация, поиск или снабжение этими объектами, путем обучения таких млекопитающих распознаванию наличия акустического рефлектора, в соответствии с изобретением.

Акустические рефлекторы, в соответствии с изобретением, могут быть установлены ниже уровня моря, прикреплением рефлекторов к канату, кабелю, сетке или подобному средству, сматывая канат, кабель или сетку с барабана. Положение рефлекторов в точке их залегания может быть определено использованием буксируемой гидролокационной антенной решетки, буксируемой кораблем, на котором установлен барабан, устраняя необходимость использования для этой цели отдельных, установленных под водой гидролокационных систем.

Реализация акустических рефлекторов в соответствии с этим изобретением открывает возможность построения отражающих устройств для всех типов прикладных задач.

Дальнейшим потенциальным применением рефлекторов этого изобретения было бы предоставление возможности пеленгации относительно известного положения одного или более рефлекторов. Это могло бы быть особенно полезным для автономных подводных транспортных средств (AUVs), которые при определении местоположения базируются на инерциальных навигационных системах (INS). Хорошо известно, что для INS таких транспортных средств требуется повторная калибровка, следующая за спуском транспортного средства на глубину, и это могло бы быть достигнуто запросом рефлекторов, имеющих известные спектральные характеристики и известные положения. Для поддержки идентификации определенных рефлекторов с целью получения позиционных данных было бы удобно выставлять группу рефлекторов в определенную конфигурацию, и это могла бы быть конфигурация в форме предварительно определенной комбинации, например, на плоскости или поддоне. Тот же самый тип конфигурации может также быть полезным для определения местоположения интересующего объекта на морском дне, такого как устье скважины или клапан трубы с различными номерами, и/или для конфигураций рефлекторов, указывающих на определенный объект, подлежащий маркировке. Гидролокационный источник может быть установлен на любом традиционном носителе, таком как подводная лодка или другое обслуживаемое подводное средство, на стационарно установленном подводном сонаре, погружаемом сонаре, установленном на судне, самолете или вертолете, или на AUV.

Еще одним применением изобретения является система идентификации и нахождения подводных объектов, которая содержит пассивный гидролокационный рефлектор, присоединенный к объекту, гидролокационный передатчик и средство приема гидролокационных сигналов, отраженных от пассивного гидролокационного рефлектора. Средство приема может быть расположено вместе с передатчиком или же в некоторой другой позиции. Возможны системы триангуляции, в которых приемники расположены на трех различных позициях, а определенное положение объекта идентифицируется традиционными способами триангуляции.

Возможны многие другие применения изобретения. Эти применения включают:

- отметка уровня определенного географического местоположения подводного объекта или применение к объекту, подготавливаемому к последующему погружению одного или в комбинации с другими подобными гидролокационными рефлекторами/устройствами активной пеленгации для помощи в определении местоположения (например, красный + зеленый/красный + голубой), то есть, трубопроводов, силовых кабелей, телефонных кабелей, стационарного оборудования на морском дне;

- применение к погруженному в воду устройству или применение к устройству при его подготовке к последующему погружению, при котором будет помечаться текущее местоположение устройства внутри или на дне водяной колонны или на морском дне, то есть маркировка кабелей или других устройств, которые перемещаются или свободно, или внутри определенных границ, таких как некоторые кабели, которые перемещаются приливом и/или течением, или других перемещаемых средств;

- отметка уровня подводных частей нефтяных или газовых платформ или других частей, которые могли бы содержать такие платформы, используя по-разному настроенные рефлекторы в качестве средства идентификации владельца, функции или типа и прочих определенных категорий подводных средств;

- маркировка позиций, которые имеют подводную/навигационную важность, но когда нет необходимости прикреплять гидролокационный рефлектор к определенному оборудованию, например, как в случае морских путей, как помощь в определении положения в порту, аварийных или других навигационных опасностей, таких как коралловые рифы, подводные скалы и пр.;

- маркировка или индикация зон экономического или коммерческого интереса, например, национальных морских границ для обозначения прав добычи минералов;

- идентификация потери за борт кораблей особо ценных контейнеров или потери при крушениях самолетов, или определение местоположения и извлечение черных ящиков самолетов;

- мониторинг геофизической структуры, такой как маркировка и мониторинг движения разломов посреди океана;

- маркировка опасных объектов на морском дне для последующего их устранения, таких, например, как мины;

- слежение за дайверами.

Интересным применением изобретения является маркировка проходов или объектов при наблюдении за дельфинами и морскими свиньями, а также другими подводными млекопитающими, которые используют эхолокацию. Частота звуковых сигналов, испускаемых, например, дельфинами рода Tursiops, находится в диапазоне от 0.25 до 150 кГц. В эхолокации используются, главным образом, импульсы более высокой частоты (от 40 до 150 кГц). Пиковая частота типичных импульсов эхолокации составляет около 100 кГц, однако частота существенно изменяется в зависимости от определенной задачи эхолокации. Изготовлением гидролокационных рефлекторов для отражения на этой частоте и подсоединением таких рефлекторов к подводным объектам эти объекты могут быть маркированы для управления такими млекопитающими. В частности, можно обучать дельфинов и, по всей вероятности, распознавать определенные гидролокационные рефлекторы и использовать их для того, чтобы определять нахождение объектов в области рефлектора и уход объектов из области рефлектора.

Проблема, которая была выявлена при изготовлении акустических рефлекторов в соответствии с патентом Великобритании 2437016, когда использовался сердечник из эластомера, состоит в том, что эластомер иногда растрескивается при отверждении, что приводит к возникновению трещин внутри рефлектора, влияющих на его характеристики. Одно из предложенных решений состоит в образовании отверстия в оболочке, через это отверстие в оболочку первоначально заливается эластомер, отверждается, заливается сверху до переполнения, эластомер снова отверждается, избыточный эластомер удаляется и отверстие затыкается.

Другая потенциальная проблема состоит в существовании статистического риска того, что в рефлекторы описанного в предыдущем параграфе типа, имеющие неметаллические оболочки и развертываемые в глубоководье (больше 5000 м), может проникнуть вода. Когда этот рефлектор поднимается на поверхность, то давление некоторого количества проникшей в него воды может быть существенно больше, чем давление окружающей воды или воздуха, с риском неожиданного и катастрофического повреждения оболочки этого рефлектора.

Существующие способы изготовления могут быть в некоторых случаях обременительны и не могут быть использованы для сердечников, которые выполнены из материала, являющегося твердым, такого как металл или керамика, или которые уже отвердели или не могут свободно растекаться в неотвержденном состоянии. Хотя существуют и другие способы изготовления описанных здесь рефлекторов, желательно отыскать дешевый и универсальный способ изготовления акустических рефлекторов, который может быть адаптирован к управлению любым риском от быстрой декомпрессии захваченной ими воды.

Соответственно, акустический рефлектор, в соответствии с настоящим изобретением, характеризуется тем, что содержит оболочку, образованную из двух равных половинок, которые соединены между собой, и окружающую ядро. В сферическом рефлекторе оболочка состоит из двух полусфер, которые могут быть соединены лазерной сваркой или сваркой кручением.

Когда оболочка выполнена из материала, который может разрушаться под действием внутреннего давления, возникающего в результате декомпрессии рефлектора при его подъеме на поверхность, то половинки этой оболочки могут иметь область по их соединению с пониженным сопротивлением к внутреннему давлению.

В случае полусфер со швом сварки кручением между ними периферийная поверхность области, сваренной кручением, может иметь пониженную толщину или пониженную прочность.

Первоначально одна из двух половинок может иметь отдушину для выпуска воздушного пузыря, когда эти две половинки соединяются между собой вокруг сердечника. Эта отдушина герметизируется, когда изготовление будет завершено. Герметизация может быть адекватна материалу оболочки, включая сварку кручением небольшой затычки, заполнение пластиком и прочие.

В случае, когда оболочка выполнена из двух полусфер, открытый край одной из полусфер может иметь выступающий вверх язычок для зацепления с канавкой, образованной в соответствующем открытом крае другой полусферы. Если полусферы должны быть соединены между собой сваркой кручением, то край этого язычка и внутренняя сторона канавки могут быть поджаты одним или несколькими выступающими вверх небольшими лапками, которые расплавляются и образуют сварной шов, когда одна из полусфер быстро поворачивается относительно другой полусферы.

Если полусферы являются неметаллическим материалом, который статистически подвержен риску разрушения от внутреннего давления, то язычок первоначально может занимать около половины канавки, так что сварной материал не будет заполнять всю целиком канавку после сварки кручением, ослабляя тем самым периферийную поверхность оболочки из полифталамида, армированного стекловолокном, которая обычно могла бы разрушиться при давлении 170 МР, причем соединение полусфер могло бы быть рассчитано на разрушение в диапазоне давлений от 50 до 100 МР, позволяя безопасно понижать любое внутреннее давление.

В другом аспекте изобретения способ изготовления акустического рефлектора, в соответствии с изобретением, состоит из этапа соединения оболочки вокруг сердечника в одно целое из двух полусфер.

В сферическом акустическом рефлекторе способ изготовления стоит из соединения вместе двух полусфер вокруг сферического сердечника.

Способ изготовления может дополнительно содержать этап сварки кручением упомянутых двух полусфер между собой.

Сварка кручением может содержать этап вращения язычка, образованного на выступающем крае одной из полусфер, внутри канавки, образованной на выступающем краю другой полусферы. Дополнительно этот этап может включать в себя этап сплавления между собой выступающих вверх лапок на язычке и канавки для образования сварного шва.

Далее, что важно, способ изготовления может содержать этапы подготовки сердечника по форме и размеру, которые он должен бы иметь при использовании в рефлекторе, при этом упомянутый сердечник помещается в место, где температура ниже, чем температура, при которой сердечник должен использовался, и обеспечивается возможность всему, в основном, сердечнику достичь упомянутой температуры, далее сердечник удаляется из упомянутого места и размещается между двумя половинками оболочки, и две половинки оболочки плотно соединяются между собой.

Предпочтительно, чтобы любой воздушный пузырь имел бы возможность выбрасываться через отдушину в одной из двух половинок перед герметизацией этой отдушины.

Процесс изготовления, описанный в двух предыдущих параграфах, устраняет риск скоплений проникших воздушных пузырей и образования трещин в сердечниках, изготовленных другими способами. Единственным путем двойного контроля целостности рефлекторов, изготовленных другим способом, является неразрушающее тестирование, такое как проверка рентгеновскими лучами, после того, как рефлектор будет изготовлен. Списываемые на этой стадии затраты после завершения процесса изготовления рефлектора, который не отвечает требованиям спецификации, являются сравнительно высокими. При использовании технологии, описанной в предыдущих параграфах, целостность сердечников может быть проверена перед тем, как они будут использоваться в оболочках, когда затраты на списание являются еще низкими.

В типичном рефлекторе с кремниевым эластомером RTV 12 в качестве сердечника эластомер RTV 12 переливается в сферическую форму в том объеме, который требуется для его использования, отверждается, удаляется и обрубается вертикальный литник. Создаваемый сердечник может быть проверен на целостность и, если он является удовлетворительным в этом отношении, сердечник помещается в бытовой холодильник. Полусферы полифталамида, армированного стекловолокном, с язычком на одной полусфере и канавкой па другой полусфере, создаются традиционным путем. Сердечник из RTV 12 вынимается из холодильника и помещается в одну из полусфер. Затем другая полусфера помещается на сердечник, при этом язычок на первой полусфере зацепляется с канавкой в другой полусфере. Эти две полусферы свариваются между собой кручением, как было описано. Как только температура сердечника возвращается к температуре окружающей среды, он расширяется, нагнетая воздушный пузырь между сердечником и полусферой из небольшой отдушины в одной из полусфер. После того, как сердечник полностью примет температуру окружающей среды, например, через 24 часа, отдушина герметизируется полимером. Подобным же образом могут быть изготовлены металлические сердечники, керамические сердечники и другие сердечники из эластомеров, хотя более подходящим способом изготовления сердечников во многих обстоятельствах было бы скорее литье, чем штамповка.

Примеры осуществления изобретения будут описаны только на примерах, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1А показывает схематичное сечение сферического акустического рефлектора, в соответствии с изобретением;

Фиг.1В показывает другой вид рефлектора, изображенного с направления падающего акустического сигнала, который представлен в направлении А-А на Фиг.1А;

Фиг.2А показывает схематичное сечение сферического акустического рефлектора в соответствии с изобретением, где оболочка выполнена из материала, который имеет два акустических окна;

Фиг.2В показывает другой вид рефлектора, изображенного с направления падающего акустического сигнала, который представлен в направлении А-А на Фиг.2А;

Фиг.3 показывает подобное частичное сечение неметаллического акустического рефлектора, который имеет затычку со средством присоединения кольца;

Фиг.4 иллюстрирует применение рефлектора, установленного па вертикальном кабеле для отметки уровня объекта интереса;

Фиг.5 иллюстрирует альтернативный тому, что показан на Фиг.4, способ монтажа, использующий сеточное крепление;

Фиг.6 показывает более устойчивую защитную конструкцию;

Фиг.7 показывает защитную конструкцию, альтернативную той, что проиллюстрирована па Фиг.6;

Фиг.8 иллюстрирует прокладку линии рефлекторов из корабля;

Фиг.9 показывает секцию трубы с прикрепленными к ней удлиненными твердыми металлическими акустическими рефлекторами;

Фиг.10 - схематичное поперечное сечение акустического рефлектора по линии В-В на Фиг.9;

Фиг.11 и Фиг.12 показывают тороидальный акустический рефлектор, в соответствии с изобретением, при этом Фиг.11 - является поперечным сечением по линии А-А на Фиг.12;

Фиг.13 показывает применение акустических рефлекторов для идентификации размывания грунта вокруг объекта в воде, такого как опора моста;

Фиг.14 иллюстрирует применение акустических рефлекторов, в соответствии с изобретением, для получения под водой простой позиционной информации;

Фиг.15 - схематический чертеж более сложной системы позиционной информации, показывающий подводный аппарат, оснащенный сонаром, запрашивающим поле семи рефлекторов, в соответствии с изобретением;

Фиг.16 иллюстрирует применение широкодиапазонного передатчика и сигналов отражения, возвращаемых на одной или более трех определенных частотах, от поля того типа, что показано на Фиг.14, содержащем семь рефлекторов;

Фиг.17 иллюстрирует применение передатчика, передающего только на трех интересующих частотах, в поле на Фиг.14;

Фиг.18 иллюстрирует конфигурацию, альтернативную той, что обсуждалась со ссылкой на Фиг.16, использующую передачу сигналом широкополосного сонара, который запрашивает поле рефлекторов, при этом каждый рефлектор имеет в этом поле отличную от других характеристику отражения;

Фиг.19 показывает частотную характеристику рефлектора диаметром 200 мм и сердечником RTV12 с оболочкой из полифталамида, армированной на 25% стекловолокном;

Фиг.20А, Фиг.20В и Фиг.20С показывают различные компоненты, которые должны использоваться в процессе производства для изготовления сферического рефлектора, в соответствии с изобретением;

Фиг.21А показывает собранный акустический рефлектор, изготовленный из компонентов, которые показаны на Фиг.20А, Фиг.20В и Фиг.20С;

Фиг.21В показывает детали компоновки язычка и канавки акустического рефлектора по Фиг, 21А перед фрикционной сваркой;

Фиг.21C показывает детали компоновки язычка и канавки рефлектора по Фиг.21А после фрикционной сварки;

Фиг.22А и Фиг.22В показывают полусферическую компоновку, альтернативную компоновке по Фиг.20 и Фиг.21; и

Фиг.23А и Фиг.23В показывают полусферический рефлектор, собранный с использованием полусфер по Фиг.22А и Фиг.22В.

Из Фиг.1А и Фиг.1В следует, что акустический рефлектор 10 содержит сферическую оболочку 12, которая окружает сердечник 16. Оболочка 12 образована из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном. Сердечник 16 выполнен из RTV 12.

Акустические волны 18, переданные от акустического источника (не показан), попадают, как показано, на внешнюю стенку 14 оболочки 12. Эта оболочка имеет окно акустической передачи 20, причем его точный диаметр зависит от диаметра оболочки, акустические волны, падающие на это окно 20, передаются через оболочку 12 и в сердечник 16.

Падающая акустическая волна, ограничиваемая окнами 20, проходит через оболочку 12 в сердечник 16 и фокусируется в фокальной точке 26 на внутренней стороне оболочки 12 напротив окна 20, отражаясь тем самым обратно в окно.

Часть падающих волн 18 соединяется в оболочке 12 и генерирует как упругую, так и поперечную волны 30, которые направляются внутри оболочки 12 вокруг ее периферийной поверхности. Самыми мощными волнами являются упругие волны. В рефлекторах, в соответствии с этим изобретением, упругие волны определенных частот, проходящие вокруг стенки оболочки 12, и отраженная акустическая волна, приходящая в фокальную точку 26 через сердечник, находятся в фазе между собой и структурно комбинируются, образуя на выходе еще более мощный отраженный акустический сигнал из фокальной точки вдоль оси рефлектора, что обеспечивает мощный эхо-сигнал 32.

Полифталамид, армированный на 25% стекловолокном, который погружен в морскую воду, имеет единственное очень широкое акустическое окно, с другой стороны, алюминий и алюминиевые сплавы имеют относительно узкое акустическое окно на каждой стороне ортогональной оси, проходящей через оболочку, в направлении входящей акустической волны. Если касательная к поверхности оболочки образует угол менее чем 65° с ортогональю, то падающие волны будут отражаться и не будут поглощаться. Однако если касательная образует угол менее чем 65°, то существует второе довольно широкое акустическое окно, концентричное с первым окном, через которое акустическая волна может входить в оболочку. Это показано на Фиг.2, где акустический рефлектор 10 содержит сферическую оболочку 12 из алюминия или алюминиевого сплава, окружающую сердечник 16. Оболочка 12 образована из алюминия. Сердечник 16 выполнен из бутилкаучука NASL-H862A или В252 (в альтернативном варианте может использоваться эластомер RTV 11 на базе кремния, насыщенный на 60% карбонатом кальция).

Акустические волны 18, переданные от акустического источника (не показан), падают, как показано, на внешнюю стенку 14 оболочки 12. Эта оболочка имеет кольцеобразное передающее окно 20, при этом его точный диаметр зависит от диаметра оболочки, акустические волны, падающие на это окно 20, передаются через оболочку 12 и в сердечник 16.

Алюминий имеет широкоугольное окно передачи приблизительно от 40° до 50°, это означает, что 50% энергии любой акустической волны, падающей на поверхность под углом приблизительно от 25° (соответствующим касательной под углом 65°) до 70°, будет проходить в алюминиевую оболочку. Эта область показана на Фиг.2А и Фиг.2В как кольцеобразное окно 20. 50% энергии волн, падающих на алюминиевую поверхность под 90° в области 22, которая является центральным круглым окном, будет также проходить в алюминий. Оставшаяся энергия отражается от поверхности рефлектора.

Падающая акустическая волна, падающая в окна 20 и 22, проходит через оболочку 12 в сердечник 16 так, что пройдя через окно 20, она следует по пути 24 с кольцеобразным поперечным сечением и фокусируется в фокальной точке 26 на внутренней стороне оболочки 12 напротив окна 22. Акустические волны, которые падают на центральное окно 22, проходят по центральному пути 28 к фокальной точке 26. Акустические волны, которые прошли через окна 20 и 22, отражаются обратно вдоль центрального пути 28.

Часть падающих волн 18 соединяется в оболочке 12 и генерирует как упругую, так и поперечную акустическую волну 30, которые направляются внутри оболочки 12 вокруг ее периферийной поверхности. Самыми сильными волнами являются упругие волны. Когда материалы, которые образуют оболочку 12 и сердечник 16, выполнены из материалов в соответствии с этим изобретением, то упругие волны определенных частот, проходящие вокруг стенки оболочки 12, и отраженная акустическая волна, приходящая в фокальную точку 26 через сердечник, находятся в фазе между собой и структурно комбинируются, образуя на выходе еще более мощный отраженный акустический сигнал из фокальной точки вдоль оси рефлектора, что обеспечивает мощный эхо-сигнал 32.

На Фиг.3 акустический рефлектор, в соответствии с этим изобретением, содержит оболочку 42 и отверстие 48, которое проходит через оболочку 42. Сердечник 46 оболочки 42 заполнен материалом эластомера RTV 12 на базе кремния. Оболочка является полифталамидом, армированным на 25% стекловолокном.

Внутренняя сторона 52 отверстия 48, соответствующая внутренней стенке 44 оболочки 42, имеет диаметр меньшей величины, чем диаметр внешней стороны 54, соответствующей внешней стенке 45 оболочки 42.

Отверстие 48 заполнено плотно посаженной в нее затычкой 50. Затычка 50 уменьшается в диаметре в направлении от внешней стороны отверстия 50 к его внутренней стороне 52. Отверстие 48 не сходится равномерно на конус, а имеет уступы 64, которые образованы на его стенке 58. Затычка 50 имеет соответствующие уступы 62 на ее боковой стенке. Ступенчатые части 64 и 62 имеют небольшие взаимодействующие лепестки, которые при быстром вращении затычки расплавляются и образуют шов фрикционной сварки 65 между ступенчатыми частями 64 и 62. В этом примере на внешней поверхности затычки имеется крепежная проушина 66, которая обеспечивает прикрепление акустического рефлектора к опоре, колонне или другому подводному объекту.

Сердечник 46 первоначально начерно заполняется материалом сердечника через отверстие 48. Как только материал сердечника будет отверждаться, то появятся какие-нибудь усадочные трещины. Затем сердечник еще более заливается материалом сердечника - слегка переполняя сердечник - и снова проводится отверждение. Излишний материал сердечника удаляется и вставляется затычка 50. В этом примере затычка 50 выполняется из алюминия, как выполнена и оболочка 42, что исключает какое-либо взаимодействие с акустическим сигналом, передаваемым вокруг оболочки. Возможна фрикционная сварка затычки 50 в отверстии 48, эта сварка проводится быстрым вращением затычки 50, расплавляющим лепестки на ступенчатых частях 64 и 62, что приводит к образованию шва фрикционной сварки 65 между ступенчатыми частями 64 и 62. Если затычка и оболочка будут выполнены из различных материалов, то лепестки можно было бы исключить, а затычка могла бы быть образована таким образом, чтобы она забивалась и склеивалась по месту. При нахождении в воде давление воды будет стремиться удерживать затычку на своем месте.

Рефлекторы этого типа имеют различные частотные характеристики для различной падающей акустической волны, и эта частотная характеристика зависит от толщины оболочки.

Для рефлектора 100 мм с сердечником RTV 12 и оболочкой из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, наилучшая частотная характеристика получается на 450 кГц при толщине оболочки в 7 мм, а в рефлекторе с диаметром 100 мм с оболочкой в 4 мм минимальная практическая рабочая частота составляет 250 кГц. При оболочке в 2 мм наилучшая рабочая частота составляет 690 кГц. Для рефлектора с диаметром 200 мм наилучшая частотная характеристика получается на 120 кГц при толщине оболочки в 8.8 мм. Другими заслуживающими внимания показателями являются 100 кГц при оболочке в 4.4 мм, 150 кГц - при 6.1 мм, 180 кГц - при 8.1 мм, 210 кГц - при 8.3 мм, 250 кГц - при 13.7 мм, 300 кГц - при 14.0 мм. Минимальная практическая рабочая частота для рефлектора в 200 мм составляет около 90 кГц. Для рефлектора в 300 мм минимальная рабочая частота составляет 50 кГц с рефлектором 9.8 мм (здесь должно быть "при толщине оболочки 9.8 мм"), другими примерами вариантов являются 100 кГц при толщине 9.4 мм, 150 кГц - при 7 мм, 200 кГц - при 5.5 мм и 250 кГц - при 13.7 мм. При каждой толщине стенки образуется несколько гармонических эхо-сигналов на более высоких частотах, это можно увидеть более подробно на Фиг.19 применительно к рефлектору диаметром 200 мм с толщиной стенки 8.8 мм.

На Фиг.4 схематично показан рефлектор 10, в соответствии с изобретением, установленный на море на вертикальном кабеле 140 подводного бакена 144. Рефлектор подсоединен к вертикальному кабелю 140, который соединяет противовес 142 с бакеном 144. Канат 146, проходящий через проушину 136, которая установлена на рефлекторе 10, или на затычке, как показано на Фиг.3, или непосредственно на поверхности рефлектора (если это возможно), подсоединяет рефлектор 10 к вертикальному кабелю 140. Эта система может затем быть использована для пометки уровня водных объектов или интересующих предметов.

При некоторых обстоятельствах, особенно когда объект, уровень которого должен быть помечен, находится в приливно-отливном районе или области, подверженной сильным течениям, на проушину, установленную на затычке, могут воздействовать чрезмерные усилия из-за взаимодействий рефлектора с приливно-отливными перемещениями и течениями, так что в экстремальных ситуациях проушина 136 будет сбита. Для предотвращения этого рефлектор на Фиг.5 не крепится канатом через проушину, а помещается в сетку 148, которая подвешена между бакеном 144 и противовесом 142.

Подобные же конфигурации могут быть разработаны для рефлектора, который должен быть установлен напротив вертикального объекта, такого как колонна или бык моста, опора бурильной платформы.

На Фиг.6 сферический акустический рефлектор 10 описанного здесь типа помещен в клетку 81. Эта клетка содержит пару колес 82 и 92 со спицами 84, соединяющими обод каждого колеса с его ступицей 86. Отверстие 88 в центре этой ступицы позволяет пропускать через нее кабель 90 и прикреплять его к колесу. К кабелю 90 прикреплено средство обеспечения плавучести 94. Колеса 82 и 92 разделены между собой стяжками 96, имеющими концевые части (не показаны), которые проходят через колеса 82 и 92. Концевые крышки или гайки 98, соединенные с внешней резьбой на упомянутых концевых частях, удерживают стяжки на своем месте, но позволяют также легко демонтировать клетку 81. Комбинация колес 82 и 92 и стяжек 96 является такой, что клетка по внешнему виду похожа на катушку.

Колеса 82 и 92 и стяжки 96 сформованы из надлежащего пластического материала, такого как полиэтилен. Для большинства применений клетка 81 будет не слишком сильно влиять на работу акустического рефлектора 80, но на некоторых частотах (зависящих от реальных размеров стяжек и спиц) может быть выявлено, что клетка поглощает некоторую часть передаваемых акустических сигналов свыше той, что можно рассматривать как допустимую.

В конструкции на Фиг.7, в качестве альтернативы, стяжки 96 заменены несколькими нейлоновыми мононитями 100, проходящими между колесами 82 и 92. Было установлено, что под водой такая конструкция ведет себя вполне допустимо, хотя она и является менее жесткой, чем конструкция на Фиг.6. Для этого применения достаточно прочна нейлоновая мононить такого типа, который обычно используется в рыболовных лесках.

Как на Фиг.6, так и на Фиг.7 кабели 90 связывают одну защитную конструкцию с другой, где каждая клетка 81 содержит акустический рефлектор 80. Для поддержания акустических рефлекторов на приемлемой глубине могут быть использованы, если это потребуется, средства обеспечения плавучести 94. Очевидно, что если акустические рефлекторы должны быть установлены на дне моря, средства обеспечения плавучести будут отсутствовать.

На Фиг.8 несколько акустических рефлекторов 10 должны быть уложены на дне моря 150. Эти рефлекторы связаны кабелем 152 на барабане 154, установленном на корме корабля 160, прокладывающего кабель, который буксирует буксируемую антенную решетку сонара 156. Обычно кабель может быть длиной 100 м или более. Построением такой системы, в которой рефлекторы 10 будут лежать над кабелем 152, когда они достигают морского дна 150, подсоединением их, например, к средству обеспечения плавучести, создается возможность отражения гидролокационного сигнала от буксируемой антенной решетки 156 некоторым определенным рефлектором 10' и предоставления буксируемой антенной решетке сонара точной информации о положении этого рефлектора 10'. Если это будет делаться для каждого рефлектора, когда он достигает морского дна, то можно будет вычертить положение каждого рефлектора. Ранее это проводилось на практике только с использованием отдельного подводного аппарата. Хотя здесь был описан случай, когда используется кабель, соединяющий отдельные рефлекторы, могут, в зависимости от обстоятельств, быть использованы канат, цепь или сетка.

На Фиг.9 показано схематичное изображение секции трубы 930, смонтированной с несколькими удлиненными цилиндрическими стержневыми акустическими рефлекторами, каждый в соответствии с изобретением. Каждый рефлектор содержит кремниевый эластомер 934, наполненный бутилом или карбонатом кальция, помещенный внутрь алюминиевой трубки 936; такие материалы обеспечивают скорость акустической волны в 1640 м/с, и совместно с алюминием имеют отношение скорости акустической волны в оболочке к скорости акустической волны в сердечнике 2.95, а внутри диапазона, требуемого изобретением, это отношение может быть снижено до оптимального использованием сплавов алюминий/медь, которые имеют более низкую скорость акустической волны, чем только у одного алюминия. Каждый из удлиненных цилиндрических концов 938 рефлекторов 932 закрыт крышкой и замкнут обычным электрически изолирующим материалом, который, в частности, изолирует алюминиевые трубки 936 от секции трубы и предотвращает любую электрическую проводимость между ними. Рефлекторы 932 подсоединены к секции трубы 930 посредством выступающих вверх ножек 942, прикрепленных к трубам. Рефлекторы электрически изолированы от секций трубы изолирующими вкладышами, установленными традиционным образом на концах ножек. Секция трубы 930 имеет обычные концевые фланцы 931 с отверстиями в них, позволяющими соединять секцию трубы болтами с другой секцией трубы. Секция трубы с акустическими рефлекторами может быть предварительно изготовлена на суше и подсоединена посредством болтовых отверстий во фланцах 931 к другой аналогично смонтированной трубе. Таким образом, линия труб с установленными на них акустическими рефлекторами может быть смонтирована как часть обычного процесса прокладки подводного трубопровода.

При работе удлиненные акустические рефлекторы на Фиг.9 действуют точно таким же образом, что и сферические рефлекторы, показанные на Фиг.2А и Фиг.2В. Это представлено на Фиг.10. Акустические волны 940, переданные от акустического источника (не показан), падают, как это показано, на алюминиевую трубку 936, образующую оболочку стержня 932. Трубка 936 имеет две области, расположенные в оболочке, которые действуют как передающие "окна", то есть так, что падающие акустические волны в этих областях эффективно передаются через трубку 936 и в сердечник стержня 938. Одна область 942 будет находиться в центре входящего луча, а другая область 944 будет образовывать область эллиптической формы на поверхности цилиндра. Падающие акустические волны через окно 942 проходят по одному пути 950 через центр трубки, а по другому пути 952 с эллиптическим поперечным сечением проходит от эллиптического входного окна 944 через сердечник 938, отражаются и фокусируются в фокусной точке 954 внутри цилиндрической оболочки 936, расположенной напротив окна 942. Волны на путях 950 и 952 отражаются затем обратно вдоль соответствующих путей. Некоторые из падающих волн передаются также вокруг и внутри трубки 936, как показано направленными стрелками в трубке 956, и они структурно комбинируются в фокусной точке 954 с волнами на путях 950 и 952, образуя на выходе рефлектора усиленный отраженный акустический сигнал 958.

Хотя удлиненный рефлектор на Фиг.9 и Фиг.10 был описан применительно к секции трубы, эти рефлекторы могут быть применены и к другим объектам, таким как платформы нефтяных вышек, жилые платформы для рабочих на море и другим объектам, которые располагаются под водой. Эти принципы могут быть также применены к наземным объектам, таким как газопроводы, как это обсуждалось выше.

Тороидальный рефлектор 640, показанный на Фиг.11 и Фиг.12, может быть выполнен из полифталамида, армированного стекловолокном, алюминия или алюминиевого сплава в качестве стенки 644, и RTV 12 в качестве сердечника из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, или эластомера на бутилкаучуке Н862А или В252, с сердечником 646 из алюминия или с упрочнением стекловолокном более высокой плотности. RTV 11, наполненный карбонатом кальция, является другим возможным материалом сердечника, используемым с алюминием или алюминиевым сплавом.

Акустические волны, переданные от акустического источника, попадают на внешнюю поверхность 642 рефлектора 640. Распространение акустических сигналов через сердечник 646 и вокруг стенки 644, а также конструктивное взаимодействие в точке, противоположной области падения, было уже описано ранее. Материалы выбираются так, чтобы отношение волновой скорости вокруг сердечника 646 в стенке 644 к волновой скорости через сердечник 646 находилось бы в соответствии с этим изобретением.

Тороидальные рефлекторы имеют преимущества для некоторых применений, в которых могут быть получены более мощные отражения при запросе сбоку, чем при запросе сверху или снизу.

На Фиг.13 показана нижняя часть 660 колонны, такой как опора моста, проходящая ниже поверхности дна моря 666. Ниже поверхности моря вокруг опоры 660 установлена совокупность акустических рефлекторов 661, 662, 663 и 664, как было описано со ссылкой на Фиг.5 и Фиг.6. Эти рефлекторы могут быть любой конструкции в соответствии с изобретением - сферическими, удлиненными цилиндрами, описанными на Фиг.9 и Фиг.10, или тороидальными, описанными на Фиг.11 и Фиг.12. Тороидальные рефлекторы этого типа иллюстрируются на Фиг.11 и Фиг.12. Эти рефлекторы 661 и 662 могут использоваться постоянно выше дна моря для отметки уровня подводной опоры 660. Течения будут размывать морское дно вокруг опорного объекта 660, приводя, в основном, к снижению со временем уровня морского дна до уровня 667, обнажая акустический рефлектор 663, который первоначально находился ниже уровня дна моря. Обнаружение этого рефлектора 663 запросом гидролокационным сигналом будет обеспечивать раннее предупреждение обнажения рефлектора и возможно свидетельствовать о необходимости осмотра.

По мере того, как размывание грунта будет продолжаться и уровень дна моря будет падать далее, как показано линией 668, будет обнажаться второй рефлектор, который может сигнализировать о развитии потенциально опасной ситуации, что может потребовать срочного осмотра подводной установки опорного объекта 660.

Хотя здесь были показаны четыре акустических рефлектора, может использоваться большее или меньшее их число, в соответствии с требованиями релевантного критерия сооружения.

На Фиг.14 описано простое устройство индикации местоположения. Два идентичных акустических рефлектора 214 того типа, что был здесь описан, установлены под водой по концам поперечины 213 монтажного устройства 210 в виде трезубца, прикрепленного к морскому дну 212, например, между опорами платформы нефтяной вышки (не показана). Далее, на направленном вверх плече 217, посредине трезубца 210, между двумя акустическими рефлекторами 214 меньшего размера смонтирован акустический рефлектор большего размера того же самого типа. Каждый из этих рефлекторов является сферическим, при этом два меньших рефлектора 214 имеют диаметр меньше, чем диаметр большего рефлектора 216.

Антенная решетка сонара 202, прикрепленная к подводному аппарату, передает на акустический рефлектор гидролокационный сигнал относительно широкого диапазона. Этот переданный сигнал будет отражен, как описано выше. Однако частотный состав отраженного сигнала будет изменяться в соответствии с диаметром рефлекторов, при этом рефлекторы меньшего диаметра образуют отраженную акустическую волну 220, которая имеет относительно более высокие частоты, чем отраженные акустические волны 222 от рефлектора 216 большего размера. Эти сигналы, принятые подводным аппаратом, могут быть проанализированы традиционным способом, при этом мощность отраженных акустических волн и углы их падения дают информацию о расстоянии рефлекторов 214 и 216 от подводного аппарата. Данные о размерах трезубца 210, длине плеча 213 и длине направленного вверх плеча 217 могут быть использованы для очень точного вычисления местоположения подводного аппарата относительно трезубца 210.

Эта конфигурация имеет одно интересное преимущество. Хорошо известно, что гидролокационные сигналы с короткой длиной волны затухают существенно быстрее, чем гидролокационные сигналы с большей длиной волны. Отсюда ясно, что отраженный сигнал 222 от рефлектора 216 может быть "услышан" подводным аппаратом на много большем расстоянии, чем сигналы 220 с короткой длиной волны, отраженные от рефлекторов 214. Таким образом, начальное наведение подводного аппарата на целевой объект, помеченный трезубцем 210, может проводиться на базе отраженного от рефлектора 216 акустического сигнала 222. Когда подводный аппарат приближается к трезубцу 210, будут получены отраженные сигналы от двух рефлекторов 214 меньшего размера и в конечном результате достигается точное управление подводного аппарата по направлению к цели.

Со ссылками на Фиг.15-Фиг.18 будет обсуждаться более сложная система индикации местоположения, использующая настоящее изобретение. На Фиг.15 на дне моря в поле интереса 312 расположена совокупность из семи описанных выше акустических рефлекторов (001…007). Каждый из этих рефлекторов рассчитан на отражение падающего акустического излучения на одной или более пиковых частотах 316, 318, 320, как показано на Фиг.16. Выбором из трех определенных частот тех, на которые дает отклик каждый рефлектор, возможно кодирование каждого рефлектора. Так, рефлектор 001 дает отклик только на частоту 320 и номинально имеет двоичный номер 001. Рефлектор 006 дает отклик на частоты 316 и 318 и имеет двоичный номер 110, и так далее для других рефлекторов совокупности.

Если теперь к полю 312 приближается подводный аппарат 322 с сонаром 324, излучающим сигнал 314 в широком диапазоне, то каждый из рефлекторов (001, 002, 003, … 007) будет давать отклик с соответствующим ему двоичным номером (001, 010, 011, … 111), характеризуемым откликами на каждую из трех частот.

Анализ эхо-сигналов будет идентифицировать местоположение подводного аппарата 322 относительно каждого из акустических рефлекторов 001…007.

Понятно, что передача сигнала широкого диапазона подобным образом, как это показано на Фиг.16, является неэкономичной, поскольку будет отражаться только лишь небольшая часть энергии сигнала. На Фиг.17 передаваемый сигнал 314 организован теперь так, что он тоже имеет те же самые частоты 316', 318', 320', что и частоты 316, 318, 320, на которые дают отклики рефлекторы совокупности. При таком решении от подводного аппарата потребуется много меньше мощности. В альтернативном варианте, если передается такая же полная мощность, как в широкополосной передаче на Фиг.16, то сигнал будет проходить дальше, обеспечивая возможность "видеть" поле 312 с большего расстояния.

При использовании четырех или более частот могут быть построены более многочисленные совокупности рефлекторов для отметки полей большего размера, до пятнадцати рефлекторов - при использовании четырех частот, до тридцати одного - при использовании пяти и так далее.

В ситуации, показанной на Фиг.18, совокупность акустических рефлекторов положена на морское дно, как представлено на Фиг.15. Однако в этом случае акустические рефлекторы имеют различные диаметры, при этом рефлектор 001, например, имеет 15 см в диаметре, рефлектор 002 - 17.5 см в диаметре и до рефлектора 007 диаметры ступенчато увеличиваются на 2.5 см. Помимо своих диаметров рефлекторы являются идентичными. Если теперь эта совокупность рефлекторов запрашивается широкополосным звуковым сигналом, вроде показанного как сигнал 314 на Фиг.16, то эхо-сигнал от рефлектора 001 будет иметь вид, как это показано верхним колебанием на Фиг.18. Отражение слева представляет собой отражение от поверхности рефлектора без передачи гидролокационной волны вокруг и через рефлектор, как было здесь описано. Правая отраженная волна, более мощный эхо-сигнал, является отраженным гидролокационным сигналом, который был передан через и вокруг рефлектора сонара, как было описано выше.

Глядя теперь на структуру второго сигнала, видно, что здесь обе структуры идентичны в том, что промежуток времени до большего второго отражения является более длинным, как прямое следствие того, что рефлектор 002 имеет больший диаметр, чем диаметр рефлектора 001. Из структуры третьего сигнала видно, что расхождение по времени между двумя сигналами отражения будет даже больше, что является результатом большего диаметра рефлектора 003. Поэтому этот промежуток времени между первым сигналом отражения и основным сигналом отражения является характеристикой каждого из рефлекторов в совокупности и предоставляет возможность однозначно идентифицировать каждый рефлектор этой совокупности. Такое решение, когда используются рефлекторы различных диаметров, представляется более простым для практического использования, чем решение, проиллюстрированное на Фиг.16 и Фиг.17, поскольку шум, который имеется в отраженных сигналах, может в некоторых случаях образовывать узкие импульсы, показанные на Фиг.16 и Фиг.17, менее легко различимые один от другого, без последующей обработки.

Заявители установили, что применение акустических рефлекторов того типа, что был здесь описан, может предоставлять акустический подводный эквивалент противорадиолокационных дипольных отражателей воздушного базирования, которые широко используются для отклонения ракет или создания помех ракетам с тепловым наведением и других задач, когда определяется положение горячих точек, таких как двигатели самолетов, использованием инфракрасного наведения. Под водой обычным механизмом подводных аппаратов для поиска целей является сонар.

Система, использующая изобретение для маскировки или защиты корабля в воде, состоит из нескольких пассивных акустических рефлекторов, в соответствии с изобретением, развертываемых в воде вокруг корабля, при этом акустические рефлекторы настраиваются на отражение гидролокационных сигналов на определенных акустических частотах, воспринимаемых как угроза. Акустические частоты, на которые настраиваются эти акустические рефлекторы, могут быть частотами, используемыми подводными аппаратами, ведущими поиск целей с использованием сонара, или частотой звуковых волн, излучаемых самим кораблем при его движении по воде.

Расчетная частота рефлекторов описанного здесь типа является функцией диаметра рефлектора и толщины его оболочки. Поэтому при соответствующем расчете этих параметров может быть спроектирована система с развертыванием большого числа рефлекторов для отражения гидролокационных сигналов на определенной заданной частоте. Включением в систему рефлекторов, которые работают на нескольких различных частотах, может быть создана система, покрывающая широкий спектр частот для противодействия ряду угроз кораблю.

Системы такого типа могут быть использованы для защиты кораблей от угроз, например, от торпеды с поиском цели, которая идентифицирует потенциальные цели гидролокационным зондированием, для рендеринга корабля, невидимого сонару подводных аппаратов или судов, или для так называемых систем "окунающих сонаров". Эта система может также быть использована для маскирования акустического сигнала, излученного самим кораблем, рассеянием излученного звука, предоставляя возможность кораблю покинуть, например, порт без обнаружения его аппаратурой акустического прослушивания.

Системы этого типа могут быть очень простыми. Для случая надводного корабля несколько акустических рефлекторов могут храниться в сетке и освобождаться, когда это необходимо. Развернутые рефлекторы могут быть связаны между собой кабелями или канатами или находится в сетке, как сказано выше, и снова туда помещаться, когда будет устранена угроза, которая привела к развертыванию. В подводных лодках пассивные гидролокационные рефлекторы, в соответствии с этим изобретением, можно было бы развертывать через трубы.

В некоторых ситуациях может возникнуть проблема сохранения плавучести, когда рефлекторы пытаются погрузить или поднять на поверхность воды. Если рефлектор имеет затычку с проушиной, как было описано ранее, то к проушине могут быть прикреплены средства обеспечения плавучести, что помогает противодействовать любой тенденции рефлектора к погружению, и подобным же образом могут быть прикреплены грузы для противодействия любой тенденции к всплытию на поверхность, поддерживая рефлектор на требуемом уровне, для маскирования корабля от нежелательного гидролокационного обнаружения.

Было также установлено, что такие гидролокационные рефлекторы, в соответствии с изобретением, могут предоставлять простой способ измерения рабочих характеристик сонара на базе последовательной посылки ультразвуковых импульсов и предоставлять реалистичные имитаторы целей для обучения и тренировки операторов. Такие гидролокационные рефлекторы могут быть изготовлены по заказу, имея различные импульсные характеристики, и имитировать различные типы целей для задач обучения.

Идеальные водные условия обеспечивают гидролокационное обнаружение объекта (которым мог бы быть, например, подводный пловец) в диапазоне от 800 м до 1000 м. Однако изменения температуры, солености и взвешенных частиц могут значительно влиять на этот диапазон, а эти условия могут существенно изменяться за очень короткое время.

Такие гидролокационные рефлекторы предоставляют непротиворечивые данные о мощности сигнала от цели, которая изменяется только тогда, когда изменяются условия воды, и не требуют для своей работы берегового источника питания или аккумуляторных батарей, что делает их установку и обслуживание значительно более простыми. Развертыванием такого гидролокационного рефлектора в надлежащей точке при отметке уровня в желаемом диапазоне, например, за бортом небольшого корабля, оснащенного противовесом и другим фиксирующим оборудованием, можно организовать способ обучения операторов гидролокационных обнаружителей. В другом варианте, проложив ряд таких рефлекторов на морском дне на регулярных интервалах относительно максимального диапазона развернутого сонара, становится возможным прокалибровать реальный диапазон, в котором сонар может в действительности обнаруживать объект в таком специальном случае. Последнее может быть важно в охраняемой среде, где, например, проводится мониторинг входа в гавань, когда обнаружение объекта возможно при максимальном диапазоне действия сонара, плывущий объект будет обнаружен по меньшей мере за 25 минут до вхождения в гавань, и если диапазон подводного обнаружения уменьшается, то плывущий объект будет много ближе, например, вдали за 6 минут перед обнаружением. Это изменение в диапазоне обнаружения создает всю разницу между получением группы эхо-сигналов на угрозу на территории порта или в воде.

Особенно полезным применением рефлекторов того типа, что описан в изобретении, является применение в прокладке подземных пластмассовых или других неметаллических трубопроводов, особенно таких, которые используются для перекачки газа, где в настоящее время отсутствует способ отметки их уровня и который может быть определен только методом практических экспериментов. Когда такой трубопровод прокладывается или как только прокладка завершена, вблизи этого трубопровода могут быть вкопаны рефлекторы, в соответствии с этим изобретением. От этих рефлекторов будет отражаться низкочастотная акустическая волна, проникающая через покрытие, и детектироваться на поверхности акустическим микрофоном, указывая на наличие рефлектора и тем самым - на наличие трубопровода.

В качестве одной интересной особенности следует отметить, что скорость акустической волны в бутилкаучуке и кремниевых эластомерах является более зависимой от температуры, чем в менее эластичных материалах, таких как металлы и керамика. Поэтому можно настраивать сердечник, выполненный из одного из этих материалов, точно в соответствии с применением, при котором он будет использоваться. В рефлекторе, который будет устанавливаться в глубоком океане, где вода является более холодной, чем вода вблизи океанской поверхности, может использоваться менее плотный эластомер, чем эластомер, который будет использоваться на мелководье. Во всех этих примерах, использующих в сердечнике эластомеры на базе бутилкаучука или кремния, можно повысить скорости волны в эластомере добавлением карбоната кальция к эластомеру перед его отверждением. Таким образом, в практических задачах конкретный эластомер может быть оптимизирован для использования в сердечнике изменением содержания карбоната кальция. Изобретатели обнаружили, что правильный практический максимум объемного содержания карбоната кальция в эластомере составляет около 30%, а при более высоких значениях объемного содержания карбонат кальция будет ослаблять акустическую волну и существенно ухудшать выходной сигнал.

Фиг.19 иллюстрирует частотную характеристику сферического акустического рефлектора диаметром 200 мм с оболочкой толщиной 8.8 мм. Отсюда будет понятно, что максимум характеристики находится на частоте 120 кГц, но на частотах около 230, 385, 470, 520, 570 и 625 кГц возникают значительные вторичные эхо-сигналы. Эта информация может использоваться для идентификации рефлектора в системе, как было описано в предыдущих параграфах. Изменением толщины стенки или диаметра может быть получена совершено другая совокупность эхо-сигналов, и эта информация может быть использована для однозначной идентификации интересующего рефлектора.

На Фиг.20 и Фиг.21 показаны альтернативные средства изготовления сферического акустического рефлектора.

На Фиг.20А и Фиг.20В показаны соответственно две полусферические половинки 702 и 704 оболочки 12 сферического рефлектора 10. Эти полусферы выполнены из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном. На Фиг.20С показан сердечник 16 рефлектора для случая сферы из RTV12. Диаметр сердечника является таким, что он становится несколько больше при окружающей температуре, чем внутренний диаметр двух полусфер 702 и 704, когда они собраны в одно целое. На одной из полусфер образована небольшая отдушина 712, при этом не критично - на какой именно. Вокруг ребра 708 одной из полусфер 702 образован язычок 706. Направленные вверх края язычка 708 и ребро 706 имеют несколько лепестков 710, распределенных вокруг их краев. На ребре 716 другой полусферы 704 имеется канавка 714, при этом края канавки 714 и ребро 716 имеют несколько лепестков 718.

RTV12 сердечника 16 первоначально наливается во внутреннюю сферическую форму с надлежащими для предназначенного применения размерами и отверждается. Форма переполняется, оставляя вертикальный литник, для снижения возможности образования трещин. Вертикальный литник обрубается, а сформованная отвержденная сфера из RTV12 проверяется на наличие дефектов и помещается в холодильник, оставаясь там до того, как она достигнет однородной температуры, ниже той, при которой рефлектор предполагается использовать.

После этого сердечник из RTV12 вынимается из холодильника и помещается в одну из полусфер, например, 704. Другая полусфера, например, 702, помещается затем над сердечником 16, при этом язычок 706 полусферы 702 зацепляется с канавкой 714 в другой полусфере 704. Это более подробно может быть видно из Фиг.21В. В этом примере размеры язычка и канавки являются такими, что между одной стороной на язычке и стенкой канавки 714 на этой стороне остается зазор 722. Если полусферы будут поворачиваться, то лепестки 710 и 718 будут взаимодействовать между собой. Одна полусфера скручивается относительно другой, это приводит к расплавлению лепестков 710 и 718 и слиянию их между собой, образуя швы фрикционной сварки 720 между язычком 708 и канавкой 714. Объем 722 между язычком и канавкой будет от этого плавления неплотно заполнен расплавом 724, образуя более слабую область по диаметру рефлектора.

Поскольку температура сердечника будет возвращаться к окружающей температуре, то сердечник будет расширяться, выдавливая через небольшую отдушину 712 воздух, захваченный между сердечником и полусферами. Как только сердечник полностью достигнет температуры окружающей среды, например, после 24 часов, отдушина 712 герметизируется полимером. Поскольку в этом случае сердечник является эластомером, то его расширение будет обеспечивать то, что он будет простираться по внутренней стенке оболочки, по всей ее поверхности, без зазоров.

Тот же самый принцип может быть применен к другим комбинациям материалов. Практически полезной комбинацией является комбинация из алюминиевой оболочки и сердечника из эластомера, выполненного из бутилкаучука, такого, например, как NASL-Н862А и В252 (ссылка: Lastinger в меморандуме NRL AD733978 "Speed of Sound in Four Elastomers" "Скорость звука в четырех эластомерах"). Процесс производства будет идентичен описанному процессу, включая то, что отдушина 712 затыкается сваркой при вращении по месту алюминиевого штыря.

Охлаждение сердечника и возврат его температуры к температуре окружающей среды не является существенным этапом в этом процессе производства, однако изобретатели установили, что желательна минимизация объема воздуха, захваченного между оболочкой и сердечником, для обеспечения наилучшей акустической связи между оболочкой и сердечником, и введение такого этапа делает получаемые в результате рефлекторы менее чувствительными к изменению в характеристике из-за небольших изменений размеров сердечника и оболочки в пределах их нормальных производственных допусков.

На Фиг.22А и В и Фиг.23А и В показана альтернативная полусферическая конструкция. Здесь рефлектор 10 имеет оболочку 12, образованную из двух полусфер 752 и 754. Края этих полусфер имеют вырезанные уступы 756 и 758, уступ 756 направлен к внешней стороне ребра 760 полусферы 752, а уступ 758 - внутрь крайнего ребра 762 полусферы 754. Когда эти две половинки соединяются, то глубина уступа 756 будет больше, чем глубина уступа 758, так что когда полусферы будут сведены вместе, уступ 758 с большей глубиной образует периферийную часть 766 уменьшенной толщины ближе к экватору оболочки. Две полусферы 752 и 754 соединяются трением или лазерной сваркой. Для облегчения фрикционной сварки на внешних краях уступов 756 и 758 и на вырезанных частях ребер 760 и 762 могут быть образованы направленные вверх лепестки. В одну из полусфер включается отдушина764. Сердечники выполняются так, как было описано в параграфах от [00124] до [00128], а оболочка собирается вокруг сердечника, и две полусферы соединяются между собой, как было описано, сваркой кручением. Если вода проникнет через оболочку внутрь рефлектора и возникнет существенный перепад давления между внутренней частью рефлектора и наружной частью рефлектора, то этот перепад будет подавлен безопасным образом, а не взрывчато, в основном, на внутренней периферийной части с уменьшенной толщиной.

Если должна быть использована конструкция по Фиг.3, то отдушину 712 и 764 на Фиг.20 и Фиг.23 следует заменить заливочным отверстием большего диаметра, сердечник заполняется и рефлектор закупоривается, как было описано в абзацах от [0078] до [0082].

Возникает одна проблема, которую помогают решить конструкции, показанные на Фиг.20-Фиг.23. Обычно акустические рефлекторы этого изобретения хранятся и транспортируются в относительно умеренных условиях. Однако существуют части мира, где рефлекторы могут быть подвергнуты чрезмерному нагреву или при транспортировке, или при хранении перед развертыванием на море (или ниже уровня земли). Типичные материалы сердечника, необходимые для этого изобретения, имеют много больший коэффициент расширения, чем типичные материалы оболочки, чем может создаваться существенное механическое напряжение на оболочку и что может приводить к разрушению оболочки или, в случае примера осуществления по Фиг.3, затычка будет выталкиваться.

Реализация, при которой критическим параметром является средняя скорость волны через сердечник, а не абсолютная скорость в любой точке, обеспечивает построение альтернативных сердечников для устранения этой проблемы. В одном примере осуществления в оболочке не размещается материал сердечника, а предпочтительнее, когда отдушины 712 и 764 на Фиг.20 и Фиг.21 и соответственно на Фиг.22 и Фиг.23 остаются открытыми, так что при развертывании морская вода может свободно попадать внутрь оболочки. Для морской воды скорость акустических волн составляет около 1433-1500 м/с, что зависит от солености воды. Если оболочка выполнена из меди или другого мягкого материала, такого как свинец, то рефлектор, построенный в соответствии с требованиями изобретения, будет робастен в работе и не будет чувствителен к проблемам, которые создаются попаданием в него воды или повышением температуры.

Особенно хорошие результаты были получены при использовании акустического рефлектора, имеющего предварительно отлитый сердечник RTV12 слегка меньшего диаметра, чем внутренний диаметр оболочки, которая выполнена из Zytel® HTN51G25HSL, и использующего полусферическую оболочку, как показано на Фиг.20А и Фиг.20В. Этот сердечник устанавливается в полусферические элементы оболочки 702 и 704, как было описано в абзацах от [00124] до [00127], но где вместо герметизации отдушины 712 отдушина 712 оставляется открытой. Такой сердечник может свободно расширяться внутри оболочки, когда устройство транспортируется при высоких температурах, тем самым устраняются поломки, вызываемые механическими напряжениями. Когда этот рефлектор погружается в воду, то вода может поступать через отдушину 712 между сердечником и внутренностью оболочки. Тем самым сердечник немного сожмется и оставит небольшие зазоры между ним и стенкой оболочки, которые заполнятся водой. Было установлено, что наличие воды между сердечником и внутренней частью стенки оболочки действительно улучшает акустическую связь и качество устройства, количество имеющейся воды приводит к очень небольшому различию со средней волновой скоростью сердечника (вода и RTV12).

В конструкции, описанной в предыдущем параграфе, просачивание воды через оболочку не создает проблемы, поскольку при подъеме рефлектора па поверхность не может из-за наличия отдушины возникнуть избыточное давление. Это в свою очередь означает, что могут быть устранены ослабленные периферийные области, представленные как 722 и 766 на Фиг.21 и Фиг.23. В результате, получается даже более прочная конструкция.

В число других альтернатив входит отливка сердечника с центральным отверстием, с каналом для отдушины 712 и 764, и возможность прохождения воды к центру сердечника, а не по периферии. Другие альтернативы включают образование небольших пузырьков не воздуха, а другого газа в материале сердечника для поглощения расширения материала сердечника, когда он подвергается повышенным температурам.

Claims (19)

1. Акустический рефлектор, содержащий оболочку, которая окружает сердечник, при этом упомянутая оболочка имеет одно или несколько акустических окон, через которые акустические волны, падающие на поверхность оболочки, передаются в сердечник, и в которой акустические волны, входящие в сердечник, отражаются от внутренней поверхности оболочки напротив окна или окон обратно через окно или окна, и в котором сердечник является твердым телом без соединений, и в котором отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи акустической волны в сердечнике находится в диапазоне от 2.5 до 3.4 или в его кратном значении.

2. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что отношение скорости передачи акустической волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находится исключительно в диапазоне от 2.74 до 2.86 или в его кратном значении.

3. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что сердечник является кремниевым или бутиловым эластомером, отлитым как единая отливка.

4. Акустический рефлектор по п. 3, отличающийся тем, что сердечник содержит до 30% по объему карбонат кальция.

5. Акустический рефлектор по п. 3, отличающийся тем, что материал оболочки выбирается из группы, состоящей из полифталамида, армированного стекловолокном, полипропилена, алюминия или его сплава, волокна, насыщенного полимером, в котором само волокно выбирается из группы, состоящей из углеродного волокна, арамидного волокна, поли(p-фенилен-2.6-бензобисоксазол) (РВО) волокна, нейлона 6 и полиэтиленового волокна.

6. Акустический рефлектор по п. 5, отличающийся тем, что он содержит оболочку, выполненную из полифталамида, армированную на 25% стекловолокном, и сердечник из кремниевого эластомера.

7. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что оболочка содержит две половинки, имеющие ребра по их краям, при этом ребро каждой половинки имеет выступающие верх части, заходящие одна за другую и образующие соединение между ними.

8. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что оболочка содержит две половинки, имеющие ребра по их краям, при этом ребро каждой половинки имеет одну или более выступающих вверх частей, которые образуют язычок или язычки, и одну или более канавок, и в котором язычки одной половинки сцепляются с канавками другой половинки.

9. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что он является цилиндрическим и содержит центральный стержень (938), действующий как сердечник, окруженный удлиненной трубчатой оболочкой (936).

10. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что он является тороидальным.

11. Акустический рефлектор по п. 1, отличающийся тем, что он установлен на подводном объекте в качестве монитора размывания грунта.

12. Акустический рефлектор по п. 9, отличающийся тем, что он присоединен к подводной секции трубы (930).

13. Система акустической отметки уровня, характеризующаяся тем, что она содержит совокупность пассивных подводных акустических рефлекторов, в которой, по меньшей мере, два рефлектора совокупности имеют различающиеся друг от друга характеристики отражения.

14. Система акустической отметки уровня по п. 13, отличающаяся тем, что пассивные подводные акустические рефлекторы содержат оболочку, окружающую сердечник, при этом упомянутая оболочка имеет одно или несколько акустических окон, через которые акустические волны, падающие на поверхность оболочки, передаются в сердечник, фокальную точку для отражения акустических волн, входящих в сердечник, и обратно на одно из акустических окон.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что она содержит три сферических рефлектора, расположенных вблизи друг от друга, и в которой два рефлектора (214) имеют одинаковый диаметр, а третий рефлектор (216) имеет другой диаметр.

16. Система акустической отметки уровня по п. 13, отличающаяся тем, что каждый рефлектор (001…007) совокупности отражает на одной или более характеристических частотах (316, 318, 320), а наличие одной или более характеристических частот однозначно различает один рефлектор совокупности от других рефлекторов совокупности.

17. Система акустической отметки уровня по п. 16, отличающаяся тем, что совокупность связана с запросным оборудованием, которое передает акустическое излучение на всех характеристических частотах.

18. Система акустической отметки уровня по п. 16, отличающаяся тем, что совокупность связана с запросным оборудованием, избирательно передающим акустическое излучение на частотах, на которые будет давать отклик один или более рефлекторов совокупности.

19. Система подводного мониторинга размывания грунта, характеризующаяся тем, что система мониторинга размывания грунта содержит, по меньшей мере, один акустический рефлектор, содержащий сердечник окруженный оболочкой, и в которой может быть обнаружено обнажение рефлектора.

Images