(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同心の軸を有する、細長い円筒ハウジングであって、
複数の円筒チャンバを有する前記細長い円筒ハウジングと、
前記円筒チャンバのそれぞれの中にある、軸方向の往復運動が可能な中空の円錐形状ピストンと、中空の、固定の円錐形状バルクヘッドであって
前記細長い円筒ハウジングに取り付けられた前記固定バルクヘッドと、
前記円錐形状ピストンに接続され、前記軸に沿って延びる、細長いピストンシャフトと、
前記細長いピストンシャフトと接続された第１及び第２のアクチュエータピストンと、
前記細長い円筒ハウジングの前方端部に取り付けられた流線形の牽引ヘッドと、
前記細長い円筒ハウジングの反対側の端部に取り付けられた流線形の船尾ヘッドであって、
前記細長い円筒ハウジングは、前記円筒チャンバのそれぞれにおいて、前記円筒ハウジングの中に複数のポートを有する、前記船尾ヘッドと、
第１及び第２の水圧アクチュエータピストンに二者択一的に出力伝達流体を供給し、同時に、前記第１及び第２の水圧アクチュエータピストンのうちの他方から出力伝達流体を除去して、前記第１及び第２のアクチュエータピストンを、軸方向の前方位置及び後方位置まで動かし、前記ピストンシャフト及び前記円錐形状ピストンを振動させ、前記ポートを通じて水を振動的に動かして出入りさせて、振動音を伝搬させる、コンピュータ制御可能な水圧流体循環路とを備え、
前記円筒チャンバは、前記中空の円錐形状固定バルクヘッドと、隣接する円筒チャンバの中空の円錐形状ピストンとの間に形成されて、前記中空の円錐形状固定バルクヘッド及び前記隣接する円筒チャンバの中空の円錐形状ピストンの内部区画を含む、圧力制御された低圧空気キャビティを、前記円錐形状ピストンに対する圧力を調節する為に有し、
前記アクチュエータピストンに対する力の中立を維持する為に、前記低圧空気キャビティの圧力制御が自動的に調節される、
海中振動音源。
【請求項２】
前記第１及び第２のアクチュエータピストンは、それぞれが水圧チャンバを有し、
前記第１及び第２のアクチュエータピストン水圧チャンバは、前記コンピュータ制御可能な水圧流体循環路の中で、マニホールド及びサーボ弁と直接連通している伝達ボアを有し、
前記伝達ボアは、アクチュエータハウジングバルクヘッドの中点から均等に間隔を置いて配置されており、前記第１及び第２のアクチュエータピストンのうちの一方の径より長さが短く、
前記アクチュエータピストンは、前方及び後方に均等な力を提供し、
前記サーボ弁は、２〜２００Ｈｚの周波数の制御信号を変調波形として受信し、前記コンピュータ制御可能な水圧流体循環路の中での流体の流れを制御して音波を発生させ、前記波形の変調は、前記ピストンシャフト上の位置センサから受信されたフィードバック信号によって検証され、
前記コンピュータ制御可能な水圧流体循環路の前記出力伝達流体は、水体からの水であり、流体は前記水圧流体循環路から前記水体に排出されるよう、船からの流体伝達ホースは１つあればよく、
コンピュータ制御可能な水圧流体循環路が、前記振動音源内で水モータによって駆動され、
前記水は、前記水体からのものであり、単一の流体伝達ホースを通じて船から供給され、
水は前記水モータから前記水体に排出される、
請求項１に記載の海中振動音源。
【請求項３】
弾性ホースジャンパを有する、角度が付いた支持管を有する補助ハッチを更に備え、
前記管の内径は、水圧導管を通しても、前記水圧流体循環路の動作中のずれや振動に対して十分な余裕があるように、十分大きい、
請求項１に記載の海中振動音源。
【請求項４】
深度制御フィンを更に備える、請求項１に記載の海中振動音源。
【請求項５】
前記細長い円筒ハウジングを丸く囲み、前記細長い円筒ハウジングから半径方向外側に間隔を置いて配置された、細長い円形円筒エラストマダイヤフラムを更に備え、
前記ダイヤフラムは、その前方端部及び後方端部において前記牽引ヘッド及び前記船尾ヘッドと接続されており、前記エラストマダイヤフラムと前記細長い円筒ハウジングとの間を長手方向に延びる細長い環状ダイヤフラムチャンバを提供しており、
前記ダイヤフラムチャンバは、水で満たされており、
前記ポートは、前記細長い環状ダイヤフラムチャンバに対して開いており、前記円筒チャンバのそれぞれの中の水と、前記ダイヤフラムを振動させる前記細長い環状ダイヤフラムチャンバの中の水との間の連通を提供している、
請求項１に記載の海中振動音源。
【請求項６】
動作中に前記円筒ダイヤフラムの前記環状ダイヤフラムチャンバの空間に水を加えたり、その空間から水を差し引いたりする為の、コンピュータ又は手動で制御可能な、少なくとも１つの給水管、
を更に備える、請求項５に記載の海中振動音源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年８月２４日に出願された米国特許仮出願第６１／５７６，６０５号、並びに２０１２年３月３０日に出願された米国特許仮出願第６１／６８６，１９９号の利益を主張するものであり、これらの出願は、いずれも発明の名称が「改良された水底地震探査用海中振動音源（Ｉｍｐｒｏｖｅｄ  Ｍａｒｉｎｅ  Ｖｉｂｒａｔｏｒｙ  Ｓｏｕｎｄ  Ｓｏｕｒｃｅ  ｆｏｒ  Ｂｅｎｅａｔｈ  Ｗａｔｅｒ  Ｓｅｉｓｍｉｃ  Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ）」であり、これらの全内容が参照によって本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、主に水底下の地層の地震探査の為に、水体中で、又は水体下の地質構造中で掃引信号又はパルス符号化信号を発生させる海中振動音源に関する。より具体的には、本発明は、水中で牽引されること、水底表面に沿って牽引されること、又は水底表面上の固定位置で使用されることが容易に可能な高出力サーボ制御水圧式音源に関する。本発明の例示的実施形態は、滑らかな管状構成を有する海中振動音源であり、これは、本装置を水体内で指定深度に保つことを支援する任意選択の制御フィンを有する。
【背景技術】
【０００３】
先行技術の振動式海中音源は存在するが、それらの機器は、重く、かさばり、不体裁であり、無骨であった為、航洋船の背後に配備されていた。先行技術の水圧作動式海中振動音源の幾つかは、航洋船の船尾への直接取り付けが試みられた。しかしながら、そのような、船尾に取り付けられた水圧駆動式振動音響機器が発生させる作用／反作用の力が、船自体の船尾部分を巻き込む、厄介な、騒がしい、望ましくない振動を発生させた。そのような振動は、船尾に取り付けられた、大きな高出力水圧駆動式振動音源が発生させる基本周波数及び／又は高調波（倍音）周波数の振動と共振することになった構造部材、パネル、ブレースなどにおいて深刻なものになった。
【０００４】
先行技術の振動音源を船自体から分離し、船の背後の水体内で牽引して使用する試みは、著しい困難に直面した。それらは重く、かさばる為、それらを船上から船尾に持ち上げてから水中に下ろして配備することが困難であった。同様に、それらを水中から取り出して船上に戻すことも困難であった。
【０００５】
更に、先行技術の海中地震振動装置の断面積（即ち、それらの前面面積）が大きいことにより、容認しがたいほどの大きな牽引力が水中で発生し、牽引船の前方への動きに対抗する後方への強い引きが発生した。大きな牽引力という望ましからぬ結果は、牽引ギアにおける過大なストレスとなり、牽引船の推進に使用される燃料の無駄な消費が大きくなる。
【０００６】
参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第６，４６４，０３５号明細書には、本願発明者が、発生する牽引力を最小化した滑らかな、魚のような構成について記載している。そこで開示されている装置は、上述の課題の多くを是正したが、この装置は、システムを指定深度に位置決めする為の制御能力が最低限であり、圧力バランスについては瑕疵があった。そこで、深度位置決め制御能力が向上し、周波数応答が向上し、不要な加速を減らすことによってエネルギ効率及び信頼性が向上し、探査対象水体の汚染リスクを減らす海中音源システムが必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、水底下の地質構造の探査のために、強力な、掃引周波数の、パルス符号化された音エネルギ信号を発生させ、水体内に伝搬させる、牽引可能な海中振動エネルギ源が開示されている。
【０００８】
本発明の例示的実施形態によって与えられる数多くの利点は、その流線形の形状と、装置を水体内の指定深度において牽引又は配置して維持する為の制御とによって得られるものである。この海中振動源の滑らかな外形は、システムが、過剰な前進抵抗を引き起こしたり、海洋、海、湖、又は他の水体の底面にある突き出た岩石層や他の物体にはさまったり、ひっかかったりすることなく、底面上の地質構造の地形の上を移動させることを可能にする。この、突起のない、滑らかな形状は又、システムの、探査船への上げ下ろしを支援する。任意選択で、海中振動源を、探査船から低速及び高速で牽引しながら、所望の深度に位置決めすることを支援する深度制御フィンが、システムに取り付けられてよい。システムは更に、水体底面上の固定位置で動作してよい。
【０００９】
本発明の斬新な一態様によれば、振動源は、長い円筒形のステンレス鋼ハウジングとして形成された中間部に、半球形の牽引ヘッドと、流線形の船尾ヘッドとが取り付けられている。牽引ヘッドの上面には、空気管、送水管、水圧制御線、及び電気制御線の接続の為の一連の取り付けポートを有する補助ハッチが取り付けられている。この一連の取り付けポートは、海中振動源が引っ張られている方向とは逆の方向に向かって鋭角に延びている。この逆向きの角度によって、高圧の水圧管、空気管、及び電気ケーブル束の中の応力が軽減される。水圧入力管及び水圧出力管は、それぞれが、主流体伝達アセンブリの入力導管及び出力導管に取り付けられており、各導管は、補助ハッチ内の別々の大きめのサイズの開口を通って延びている。これらの開口は、主配管導管より径が大きくなっており、これは、海中振動源の動作中に、高圧の水圧流体が（例えば、２Ｈｚから２００Ｈｚの範囲の周波数で）サーボ弁を出入りする際に、主流体伝達アセンブリが、これらの、より大径の開口の中で振動してもよいようにする為である。補助ハッチに溶接されたステンレス鋼の配管は、各入出力導管を、伸縮性であり弾性であるゴムホースジャンパで取り囲んでおり、ホースジャンパによって、ハッチ配管が、入出力水圧管の着脱自在フィッティングに取り付けられている。牽引ヘッドハウジング内では、高圧水圧流体は更に、主流体伝達アセンブリと一直線上にある脈動抑制器を通っており、これによって、高圧水圧流体の流れ方向の変化によって引き起こされる脈動が除去される。低周波及び高周波の脈動が脈動抑制器に吸収され、これによって、管内の流体圧力が（例えば）３０００Ｐｓｉに達する場合に、サーボ弁又は他のシステム構成要素に対する損傷が防がれ、スプリアスノイズや振動が除去される。
【００１０】
海中振動源の別の重要な態様が、幾つかのピストンチャンバアセンブリの端部同士が結合された中間部が形成された、モジュール式の円筒ハウジングである。ピストンチャンバアセンブリのそれぞれは、軸方向に互いに並んで取り付けられており、前方アセンブリは、牽引ヘッドの外殻に取り付けられており、後方アセンブリは、船尾ヘッドの外殻に取り付けられている。この取り付けには、３つの部品からなるフランジクランプリングが使用されており、これによって、第１のピストンチャンバアセンブリの円筒ハウジングが、チャンバ内の固定バルクヘッドの外径に固定されている。第２のピストンチャンバアセンブリの円筒ハウジングも、クランプリング内で固定バルクヘッドに固定されており、更なる各チャンバが同様に取り付けられて、中間部を形成している。このモジュール式構造によって、必要な数だけチャンバを取り付けることが可能であり、これによって、システムは、特定の水体及び探査に応じた振動出力要件を満たすことに好適な長さ及び寸法に構成されることが可能になる。
【００１１】
これらのモジュール式ピストンチャンバのそれぞれの中では、各ピストンチャンバアセンブリの固定バルクヘッドの開口を貫通して挿入されているしかるべき長さのピストンシャフトに、軸方向に振動可能なピストンが取り付けられている。このピストンシャフトは、固定バルクヘッドの中央穴の中で前後に動く。ピストン及び固定バルクヘッドは、それぞれが、互いに対向して配置された円錐形状面を有しており、これらの円錐形状面が、砂時計形の圧縮チャンバを形成している。ピストンがシャフトとともに前後に動くと、ピストン及びバルクヘッドの円錐形状面間で水が脈動して円錐形状面から押し出され、波が外に伝搬し、海中振動システムの周囲に伝搬する。ピストン及びバルクヘッドの円錐形状面は、円筒ハウジング内で水が押し出されてポートを通る動きを誘導することにより、振動信号の特性を、平坦面ピストンの場合に比べて向上させている。これらの円錐形状面は更に、圧縮チャンバ容積を小さくすることによって、システム全体の出力要件を小さくしている。これは、同等サイズの平坦面ピストンに比べて、動かさなければならない水の量が小さくなる為である。チャンバ内では、シャフト及びピストンが前後に振動して音波を発生させており、この音波を使用して、水体の底面下の地質構造が識別される。
【００１２】
これらの円錐形状ピストンは、例えば、チタンで作られており、内部ガセット及びリブが構造を支持する中空構造である為、システムの全体重量がより軽くなって、出力要件が更に低減されている。これらの円錐形状ピストンは、チタン製スリーブスペーサを使用してチタン製シャフトに沿って配置されており、これらのスリーブスペーサは、円錐形状固定バルクヘッドのそれぞれの開口を貫通して延びている別のスペーサとともに、ピストンを各バルクヘッドの間に位置決めしている。固定バルクヘッドは、ステンレス鋼又はステンレス鋼合金（１７−４ｐｈなど）などの非腐食性材料で作られている。バルクヘッドも、中空の薄い円環として形成されていて、円錐形状面及び平坦な背面を有しており、この平坦な背面は、隣のピストンアセンブリチャンバ内の円錐形状ピストンの平坦な背面と隣接して配置されている。ピストン及びバルクヘッドの各背面は、一連の穴を有しており、これらの穴は、ピストン及び固定バルクヘッドの内部と共通の空気キャビティを形成している。空気は、探査船上で圧縮機から圧力調整器を通って、チタン製ピストンシャフトの中心にある軸方向通路に強制注入され、ピストン及びバルクヘッドの空気キャビティ及び内部空間に入る。この圧力は、動作中にピストンにかかる力をバランスさせる為に、周囲水圧又はその近辺に維持される。この、バランスがとれた気圧は、牽引ヘッド及び船尾ヘッドの内部区画も満たす。牽引ヘッドの外部外殻に取り付けられたデュアル圧力センサを使用して、内部圧力及び外部圧力が測定され、探査船上の制御システムに中継される。これらの圧力の読みに基づいて、振動信号の特性を変更する為の、システムの気圧の調節が行われてよい。更に、システム圧力を監視することにより、空気漏れ又は他のシステム異常を検出することが可能である。
【００１３】
ピストンシャフトは、牽引ヘッド内で、アクチュエータ円筒ハウジングの中まで延びている。ハウジング内のタンデムアクチュエータピストンアセンブリがピストンシャフトに取り付けられており、アクチュエータピストンの動きは、閉ループ水圧出力伝達循環路によって制御される。アクチュエータ円筒ハウジングの平坦な上面にマニホールドが直接取り付けられており、マニホールドの上部にサーボ弁が直接取り付けられて、マニホールドを直接貫通して各アクチュエータピストンの水圧チャンバまで延びている垂直流体伝達ボアを形成している。伝達ボアは、長さが最小限であって、アクチュエータピストンの径より短く、これによって、流体をシステムに伝達する効率が向上する。動作時には、高圧水圧流体を、前方伝達ボアを通って流れて前方アクチュエータピストン水圧チャンバを満たすように誘導する、変調された掃引（又はパルス）電気信号が、探査船上の制御装置からサーボ弁に送信される。同時に、流体の流れが、後方アクチュエータ水圧チャンバから出て後方アクチュエータピストンから流体を空にするように誘導され、これによって、アクチュエータ及びシャフトが、円錐形状ピストンとともに、シャフトに沿って前方に動く。流体の流れの方向を変更して、水圧流体を、後方アクチュエータピストン水圧チャンバを満たすように誘導し、同時に、前方アクチュエータピストン水圧チャンバから流体を空にするように流れを誘導して、全てのピストンをシャフトに沿って後方に動かすように、サーボ弁を制御する信号が、選択された周波数で送信される。掃引される正弦波状信号及びパルス化正弦波状信号は、２ＨＺから２００ＨＺの範囲にあってよく、変調されて、正弦状信号、のこぎり歯状信号、方形波信号、三角波信号、又は他の形状の信号を形成してよく、これによって、各モジュール式チャンバ内でピストンを振動させて、圧縮チャンバ内で水を振動させ、選択された周波数で振動波を伝搬させてよい。周波数及び波形は、キャビテーションを減らして振動波の全体特性を向上させるように調節されてよい。又、ピストンシャフトの端部に取り付けられた測位センサが、電子信号の周波数を、所望の波形、又は一定期間にわたって所望される事前設定周波数範囲に調節する為のフィードバックを、探査船上のコンピュータ制御システムに提供しており、これによって、流体の流れが調節されて、振動源から出て伝搬する音波の周波数が調節される。サーボ弁は、周波数の微細な同調調節を受け入れて速やかに流体の流れを調節することにより、所望の波形又は周波数範囲と合致する真の高度に再現可能な波形を発生させ、且つ、これを維持して、コンピュータ制御システムソフトウェアが水体の底面の何マイルも下の地質構造の構造組成を確実に決定すべく振幅のフィルタリング及び結合を行うことを可能にする。
【００１４】
別の実施形態では、細長い円筒エラストマダイヤフラムが、中間部の円筒ハウジングを丸く囲むように、牽引ヘッド後部及び船尾ヘッド前部に取り付けられてよい。このダイヤフラムは、牽引ヘッド及び船尾ヘッドでのみ固定されている為、クランプリング上に乗って、ダイヤフラムと円筒ハウジングとの間に調節可能な空間又はチャンバを形成している。ピストン圧縮チャンバは、真水、又は凍結防止の為に真水とプロピレングリコールを混合したもので満たされており、一連のポートがエラストマダイヤフラムと連通している。各ピストンチャンバアセンブリは、複数のポートを有しており、これらのポートの断面積の合計は円錐形状ピストンの断面積より大きく、これによって、各圧縮チャンバに出入りする水の振動流量が最大化されている。ピストンが振動すると、水がダイヤフラム内の調節可能空間を満たして、電気信号の周波数と一致する周波数での、ダイヤフラムの膨張及び収縮を引き起こす。ダイヤフラムの表面領域全体が、水との振動結合となり、波形をポートから大きな均一面にわたって広げる。
【００１５】
本発明のこの態様では、ダイヤフラムは、音伝達部材となり、水中に浸漬された際に、制御システムからの所望の信号又は事前設定周波数範囲をより正確に複製する動きを有する。振動信号サイクルの第１の部分（例えば、正弦波の立ち上がり）では、可動水結合部材は、圧力下で水を押しのける。振動信号サイクルの正弦波の立ち下がり時にピストンが後退して圧縮チャンバ内の空間が膨張すると、結合部材が反転し、外向きに動いている水は、結合部材に追従する為に方向を反転しなければならない。その時点では、界面を挟んだ結合部材と水との間で圧力が希薄化する。海中振動源が水中の浅い深度で動作している場合、特に、圧縮チャンバ内の水が張力下且つ低圧下にある場合の温かい水の中で、結合部材と水との間の界面において、部分的な真空及び水蒸気からなるキャビテーションが発生する可能性がある。キャビテーションは、伝達される音信号において望ましくないスパイクを発生させる。この問題に対する１つの解決策は、振動源をより深い深度で動作させることである。深い深度であれば、水圧がより高く、ピストン又は他の振動伝達部材が後方ストローク時に後方に動いてもキャビテーションが発生しにくい。
【００１６】
本発明の別の実施形態では、音伝達円筒ダイヤフラムの範囲内の調節可能空間に水を加える為の給水管が設けられている。この水は、振動源の動作時に、加えられたり、差し引かれたりしてよい。ダイヤフラムは、強度及び弾性がある為、伸ばされることに対して抵抗力があり、従って、追加の水が加えられるにつれて、ダイヤフラム内の圧力が増加して、圧縮チャンバ内で水と面する円錐形状ピストン面においてキャビテーションが発生する可能性が下がる。これは、振動源を浅い水中で（例えば、沼地や水体の岸辺付近で）動作させる場合には、重要な利点である。円筒ダイヤフラムの、周囲の水に面している表面積が、ピストンの、チャンバ内の水に面している表面積より大きい為、ダイヤフラムの外側表面は、動きが比較的小さく、従って、キャビテーションが発生しにくい。給水管は、補助カバー内に形成されて、空間を満たす為に水を探査船から環状導管を通じて誘導したり、ダイヤフラムの下から空気を放出して、ピストンの高い周波数の動きによって引き起こされるキャビテーションを減らしたりして、振動源の全体的な周波数応答を向上させる。ベントとしての供給導管は更に、動作中にベントから空気が漏れている場合にシステム内の封止材の破損や漏れを検出することにも備えられている。更に、信号処理に使用される基準としての、振動源からの信号を監視して制御システムに中継する水中マイクが、補助ハッチの後面に配置されている。本例示的実施形態では、このシステムは、ピストン及びバルクヘッドの対向する円錐形状から振動パルスが形成されて放出される為に、円筒ダイヤフラムがなくても動作する（これについては本明細書で詳述する）。
【００１７】
本発明の別の態様では、デュアルサーボ弁システムを構築することにより、振動加速が除去され、スプリアスノイズが低減されており、各サーボ弁は、別々のアクチュエータ及び振動源アセンブリに取り付けられており、前方アセンブリ及び後方アセンブリが軸方向に並び端部同士を突き合わせて配置されている。この構成では、各サーボ弁が、各タンデムアクチュエータピストンアセンブリ及び各振動源アセンブリの動きを制御することにより、別々の振動アセンブリが同期して反対の方向に動くことを可能にしている。単一の振動源を使用する場合は、円筒ハウジングの動きとピストンアセンブリの動きの方向が反対であることにより、スプリアスノイズ及び非調和振動が引き起こされる。これらの反対向きの力により、ピストンが、例えば、後方に動くと、ピストンアセンブリに取り付けられていない円筒ハウジングは前方に動き、この、円筒ハウジングの動きが、望ましくないノイズを引き起こす。
【００１８】
２つの振動源アセンブリを、端部同士を突き合わせて配置することにより、各システムの円筒ハウジングの動きが除去されて、倍音及び非調和振動が低減される。前方振動アセンブリと後方振動アセンブリの動作が同期するように、各サーボ制御システムの周波数を調節することによってマニホールドの入力弁及び出力弁への水圧流体の流れを調節する為のフィードバックを、アセンブリの各ピストンシャフトに取り付けられた測位センサがシステム制御装置に提供することにより、音信号の出力の振幅及び分解能が向上する。音源のモジュール式構造は、様々な海中地震探査及び調査用途に有用となる、しかるべき数の円錐形状ピストンチャンバ及びしかるべきピストンシャフト長さを用いて前方及び後方の振動源アセンブリを作成することを容易にしている。
【００１９】
更に別の実施形態では、水圧ポンプを直接駆動する水モータを牽引ヘッド区画内に配置することにより、海中振動源内に閉ループ水圧出力システムを形成してよい。牽引船上の水ポンプが、例えば最大４０００ｐｓｉの圧力で水モータに水を注入する。水モータは、水圧ポンプを回転させる軸と結合されており、水圧ポンプは、マニホールド、サーボ弁、及びアクチュエータに流体を供給する。この水は、システムから外の水体に排出されるので、外部水圧システムで使用される、船への戻り管を追加することが不要になる。水圧流体がアクチュエータピストンチャンバ間で前後に誘導されて振動源アセンブリを振動させる際にシステムの水圧出力管を冷却する為に、水出力管に沿って、熱交換器が取り付けられている。この設計を用いると、水圧流体が水体中に漏れるリスクが大幅に低減される。
【００２０】
更に別の実施形態では、水圧流体の代わりに海水を使用して、振動源アセンブリを駆動してよい。海水は、探査船から直接マニホールド、サーボ弁、及びアクチュエータに注入されて、アクチュエータを駆動し、所定の掃引周波数又はパルス周波数で振動源を振動させる。このシステムからの排出も、水体に誘導されるので、探査船への戻り管を追加するコスト及び必要性が排除されている。より大きな地質構造をカバーする場合は、１つ以上の海中振動源システムを使用して、第１の振動源を、より大きな水体中で牽引されているか配置されている随伴振動源と同期させてよい。
【００２１】
本発明の別の重要な態様は、チタン製中空ピストン、チタン製ピストンシャフト、及びステンレス鋼製中空バルクヘッドを使用して、海中振動源装置の重量を低減することである。ピストン及びバルクヘッドの中空円筒を強化及び支持する為に、内部ガセット及びリブが使用されている。重量の低減により、全体的な出力要件が低減され、中空ピストンをアクチュエートし、動かすことに必要な出力が低減される。
【００２２】
このシステムは更に、装置を所定深度で移動させる為の深度制御フィンを有してよい。制御フィンに取り付けられたモータが、周囲水圧及び事前設定基準圧力に基づいて、フィンのピッチ角度を自動的に調節してよい。海中振動源は、周囲水圧を基準圧力と比較することにより、特定深度に保持されてよい。周囲水圧が基準圧力より高い場合、モータは、制御フィンを時計回りに回転させて、海中振動源に対して上昇力を発生させ、これによって、設定された基準圧力に達するまで、海中振動源は牽引されながら上昇する。所望の深度では、フィンは中立姿勢に位置決めされる。測定された水圧が基準より低い場合は、制御フィンを反時計回りに回転させて、海中振動源を、より深い深度まで移動させる。或いは、装置の深度の調節の為に、装置の前部及び後部に浮きを取り付けてもよい。
【００２３】
本明細書に記載の新規な海中振動音源の使用法によれば、本振動音源は、複数種類の海中環境で地震探査を実施する場合に有利であろう。例えば、音源を牽引することが困難な、岸辺近くや浅い水中の海中環境である（例えば、深度が、例えば、７．６２ｍ（２５フィート）未満である場合）。一般的な調査での牽引作業は、７．６２ｍ（２５フィート）から１２．１９ｍ（４０フィート）の深度で実施される為、調査を実施するには水が浅すぎる場合には、この種の海中環境での調査に、音源が水体の底面上を牽引されてよい本発明の振動音源を使用することが有利である。水底地形に刺さったり引っかかったりする可能性がある突起を有しない滑らかなデザインと、牽引ヘッド、船尾ヘッドのチャンバを満たしている空気と、バランスしている空気キャビティの中の空気と、によって、音源の水中重量を、例えば、約２２６．８ｋｇ（５００ポンド）から３１７．５ｋｇ（７００ポンド）の範囲にすることによって音源を非常に軽量にして浅い深度でも操縦可能にするのに十分な浮力が得られる。
【００２４】
本発明の音源は又、発生させる信号の特性を変えることなく、水中の様々な深度で動作可能である。これは、バランスしている空気チャンバの中の低圧空気を、その動作深度での水の静水圧と合致するように調節することが可能な為である。例えば、大波が存在する悪天候によって引き起こされうる問題を回避する為には、標準的な深度より深い深度まで振動源を牽引することが有利であろう。本発明の振動源は、そのような深度に配備されてよく、必要であれば、何百フィートもの水の中の海洋底上に配備されてもよく、動作は正常であろう。これは、空気をバランスさせている圧力が、動作深度の水圧の１ｐｓｉ以内に合致するように、手動又は自動で変化する為である。従って、本発明の音源は、広い範囲の様々な深度及び海流環境で動作可能である。
【００２５】
本発明による、以上及び他の特徴、利点、及び改良点は、以下の詳細説明及び添付図面を参照することにより、よりよく理解されるであろう。
【００２６】
以下では、添付図面を参照しながら、本発明の幾つかの実施形態を、例示としてのみ説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の海中振動源の一実施形態と探査船とを示す図である。
【図２Ａ】本発明の海中振動源の一実施形態の側面図である。
【図２Ｂ】本発明の海中振動源の一実施形態の上面図である。
【図２Ｃ】本発明の海中振動源の一実施形態の深度制御システムの第１の実施形態である。
【図３】本発明の海中振動源の実施形態への電気線、空気管、及び水圧管、並びに取り付け部の第１の実施形態の側面図である。
【図４Ａ】乃至
【図４Ｄ】本発明の海中振動源の実施形態の為のマニホールドの第１の実施形態である。
【図５】本発明の海中振動源の実施形態のアクチュエータシステムの第１の実施形態の側面図である。
【図６Ａ】乃至
【図６Ｂ】本発明の海中振動源の実施形態の為の主バルクヘッド及びアクチュエータハウジングの一実施形態である。
【図７】本発明の海中振動源の実施形態のピストンシャフトアセンブリの第１の実施形態の側面図である。
【図８Ａ】本発明の海中振動源の実施形態の振動源アセンブリの第１の実施形態の側面図である。
【図８Ｂ】本発明の海中振動源の別の実施形態における、音伝達結合部材を有する振動源の側面図である。
【図９Ａ】乃至
【図９Ｂ】本発明の海中振動源の実施形態の、クランプリングを有する固定バルクヘッド及びピストンの第１の実施形態の側面図である。
【図１０Ａ】乃至
【図１０Ｄ】本発明の海中振動源の実施形態の為のクランプリングの第１の実施形態である。
【図１１Ａ】乃至
【図１１Ｃ】本発明の海中振動源の実施形態の円錐形状固定バルクヘッドの第１の実施形態である。
【図１２Ａ】乃至
【図１２Ｃ】本発明の海中振動源の実施形態の円錐形状ピストンの第１の実施形態である。
【図１３Ａ】本発明の海中振動源の実施形態のアクチュエータピストンアセンブリと振動源アセンブリの一部との第１の実施形態の上面図である。
【図１３Ｂ】本発明の海中振動源の実施形態のアクチュエータピストンアセンブリと振動源アセンブリの一部との第１の実施形態の側面図である。
【図１４】ピストンチャンバアセンブリを満たす為のアクセスポートを有する、本発明の海中振動源の別の実施形態である。
【図１５】本発明の海中振動源の為の調節可能な給水導管の更に別の実施形態である。
【図１６】デュアルサーボ弁システムを有する、本発明の海中振動源の別の実施形態の部分側面図である。
【図１７】デュアルサーボ弁システムを有する、本発明の海中振動源の別の実施形態の部分側面図である。
【図１８】水圧システムを駆動する水モータを有する、本発明の海中振動源の別の実施形態である。
【図１９Ａ】探査船からの単一ホースで海水を出力伝達流体として使用する、海中振動源の更に別の実施形態の上面図である。
【図１９Ｂ】探査船からの単一ホースで海水を出力伝達流体として使用する、海中振動源の更に別の実施形態の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１に示されるように、海中振動エネルギ源１０が、地震探査船１によって牽引されてよい。振動源１０は、チェーン又はケーブル３につながれており、地震探査が必要な水体４内に配置されている。牽引チェーン３に加えて、電気制御線、水圧ホース、及び空気管を有するケーブル束５が、船１から海中振動源１０までつながれている。更に、海中振動源１０の深度を制御及び調節する為に、海中振動源１０の船首部及び船尾部にある牽引箇所ブラケット８に、浮きチェーン７を有する１つ以上の浮き６をつないでよい。振動源１０は、細長く、大まかには全体的に円柱状のデザインであり、流体力学的牽引ヘッド１２及び船尾部１４を有する。これらの船首部１２及び船尾部１４は、長い円筒管状ハウジングとして形成されてよい中間部１５の前端部及び後端部に適切且つ着脱自在に取り付けられている。海中振動源１０の流線形のボディは、特にシステム１０の下部には突起も肩部もない。これは、システム１０の、探査船１への上げ下ろしをより容易にする為であり、且つ、システムに対して余計な摩擦又は前進抵抗を引き起こすことなく、システム１０を探査対象水体の底面に沿って引きずることを可能にする為である。この滑らかな流体力学的形状は又、システム１０が、海、湖、池、又は他の水体の底面にある岩石層や他の物体にひっかかることを抑止する。中間部１５は、図２Ａに示されるように、中間部１５内を同軸に延びる長手軸ＸＣを有する。中間部１５は、様々な探査条件に必要な出力振幅に対応すべく任意の必要な長さまで延びてよく、例えば、３ｍ（１０フィート）から５．５ｍ（１８フィート）の寸法まで延びてよく、より具体的には、約４．６ｍ（１５フィート）まで延びてよく、その結果、牽引ヘッド１２及び船尾部１４を含めて、装置の、長手軸ＸＣ方向の全体長さが６ｍ（２０フィート）を超える場合がある。船尾部１４には、先細円筒又は円錐の形状の区画１７が形成されており、システム１０の前進抵抗を減らし、移動性を高めている。船尾部外殻１６は、先細形状から滑らかで丸みを帯びた獅子鼻状端部１８に至り、ステンレス鋼又は他の非腐食性合金でできた滑らかな表面１９を有し、凹凸を除去することにより、海中振動源１０が動作しているときの前進抵抗又は振動干渉を更に減らしている。
【００２９】
海中振動源１０の前部にある牽引部１２のノーズ２０も、先細円錐又は半球形前部キャップ２１として形成されている。その滑らかな表面２２も、同様にステンレス鋼合金で作られており、凹凸を除去することにより、流体力学特性を向上させ、水中を牽引されているときの前進抵抗を減らしている。牽引部１２の上面２３では、補助ハッチ２４が、水圧システム及び制御システムの部品を覆っており、牽引ヘッド区画２５へのアクセスを提供している。ケーブル束５の水圧管、空気ホース、及び電気線の接続の為の、１つ以上の水圧管取り付けポート２７が、補助ハッチ２４を貫通して延びている。
【００３０】
振動源１０を操縦して指定深度に向けて上昇又は下降させる為に、船首部１２及び船尾部１４にある牽引箇所ブラケット８に、浮き６及びチェーン７を取り付けてよい。牽引箇所ブラケット８は、牽引時の移動性を高める為に、スイベルコネクタで作られてよい。代替として、又は追加で、特にシステム１０が浮氷の下で牽引される場合のシステム１０の移動の為に、深度制御フィン２９を牽引部１２に取り付けてよい。制御フィン２９は、牽引部１２の両側から水平方向に延びている。各フィン２９は、アクスル３０に取り付けられており、アクスル３０は、システム１０の牽引ヘッド外殻２６を貫通して延び、モータ３１と接続されている。電動（又はバッテリ駆動）モータ３１は、ケーブル束５からの電子ケーブル２８に取り付けられており、探査船１上の電子システム制御装置３２によって水面から制御される。
【００３１】
羽根姿勢センサ３３が、深度制御フィン２９がＸＣ軸と一直線に並んでいる姿勢をフィンの基準姿勢として、フィンの姿勢を測定する。牽引ヘッドの外殻２６を貫通して取り付けられたデュアル圧力センサ３４が、牽引ヘッド区画２５及び船尾区画１７、並びに一連の空気腔２１１を含むシステム１０の周囲圧力Ｐａと、システム１０の外側の水圧Ｐｗとを測定する。これらの圧力Ｐａ、Ｐｗは、電子システム制御装置３２に送信され、水体４内のシステムの深度によって決まる外部水圧Ｒｗと一致する気圧を維持する為に、探査船１からの空気流の調節が行われる。
【００３２】
制御フィン２９を使用して海中振動システム１０の深度を調節する為に、所望深度に対応する基準圧力Ｐｒが選択され、制御フィン２９を回転させるようにモータ３１を制御する信号が、電子制御装置３２から送信される。制御フィン２９の回転は、周囲システム圧力Ｐａ、外部水圧Ｐｗ、及び事前設定された基準圧力Ｐｒの比較に基づいて、時計回り又は反時計回りに行われる。モータ３１は、外部水圧Ｐｗが基準圧力Ｐｒより高い場合には、外部水圧Ｐｗが基準圧力Ｐｒに達するまで、制御フィン２９を時計回り方向に回転させて、海中振動源１０に対して上向きの力を引き起こし、牽引されるにつれて海中振動源１０を上昇させる。その後、モータ３１は、フィン２９をＸＣ軸方向の中立姿勢に調節して、システム１０を、基準圧力Ｐｒによって設定される深度に維持する。水圧Ｐｗが基準圧力Ｐｒより低い場合には、モータ３１は、制御フィン２９を反時計回り方向に回転させて、海中振動源１０をより低い深度へと動かす。重要なこととして、振動源を、より大規模な地質探査の為に配備された１つ以上の他のシステム１０と同期させる為にシステムを指定深度に維持することが肝要である場合には、制御フィン２９は、システム１０の深度を微調節することが可能である。海中振動源１０は、制御フィン２９又は牽引チェーン７により、水中を牽引されてよく、或いは、水体底部の地表又は底面上の固定位置に保持されてよい。一般に、システムは６ｍ（２０フィート）から１０ｍ（３２フィート）の深度で牽引され、深度要件は、実施されている地質探査と、制御ケーブル及び水圧管の長さと、システム１０を所望深度に維持する為に必要な出力要件と、によって決まる。これらの要件に基づいて、海中振動源１０は、本明細書に記載のように、任意の深度で動作可能である。
【００３３】
内部区画の周囲気圧は、船１上の空気圧縮機４６及び調整器によって制御される。内部区画圧力及び外部周囲水圧は、牽引ヘッドの外殻２６上に取り付けられているデュアル圧力センサ３４により監視される。ケーブル束５内にあって補助ハッチ２４上の密封管継手４８に接続された空気管４７を通して、圧縮空気が供給される。図２Ｂのシステムの上面図に示されるように、電気及び制御信号を内部システム構成要素に送る為の１つ以上の電気用コネクタ５０が、空気管コネクタ４８に隣接して、補助ハッチ２４の表面を貫通して分散されている。図３に示されるように、入力水圧管６０が、取り付けポート２７の着脱自在管継手６４に取り付けられて、水圧管を補助ハッチ２４に固定している。入力水圧管６０は、高圧水圧流体をシステムに供給し、水圧戻り管６２は、システムに入ってシステムを通り抜けた流体を追い出し、閉ループ水圧システム内の探査船１に流体を戻す。探査船１上にある水圧ポンプ４５が、例えば、１００ＧＰＭから２５０ＧＰＭの流量で、且つ最大３０００ｐｓｉの圧力で、流体を水圧システムに注入する。
【００３４】
補助ハッチ２４は、ボルト締めフランジ３９により、牽引ヘッド外殻２６の表面２３に固定されており、一連のボルト４１及びガスケット（図示せず）によって牽引ヘッド１２に対するハッチ２４の気密封止が形成されている。取り付けポート２７は、互いにオフセットしていてよく、これにより、水圧管６０、６２を取り付ける為の追加空間が各ポート２７の周囲に与えられる。水圧入力管及び出力管の為の各取り付けポート２７は、角度が付いたステンレス鋼製管状支持物６１で形成されており、管状支持物６１は、補助ハッチ２４の覆いの中で、各管を囲み、各管用の別々の開口から延びている。主流体伝達アセンブリが、主入力導管３６及び主出力導管３８を有しており、これらは、それぞれが外に延びて、各ハッチ開口を通り、角度が付いた支持管６１を通り、着脱自在水圧管継手６４と接続されている。各ハッチ開口は、主導管３６、３８より径が大きく、これによって、高圧水圧流体がサーボ弁８５を出入りする際に主流体伝達アセンブリが、より径が大きい開口の中で振動することが可能である為、高圧水圧流体がシステム１０内を行ったり来たりする際のサーボ弁及び他の構成要素の損傷が防がれる。鋼製スペーサ６５が各着脱自在管継手６４を囲み、管継手６４の径を拡張して、角度が付いた支持管６１の径と一致させることにより、ゴム製の、又は弾性のホースジャンパ６３を、各取り付けポート２７の支持管６１及びスペーサ６５の両方の上に滑り込ませることが可能になるようにしている。ホースジャンパ６３は、振動を吸収し、ホース接続部における制動を与え、海中振動源１０の動作中に高圧流体がシステム内を流れる際に、各構成要素のずれ及び公差累積を補正する。支持管６１は、鋭角に延びて、取り付けポート２７を、探査船１から牽引される方向とは逆の方向に向けている。この角度は、例えば、ＸＣ軸に対して２０°と６０°の間の範囲にあり、より好ましくは４５°であって、ケーブル束５に逆向きの曲線を形成することによって、海中振動源１０が水体４中を牽引されている際に高圧水圧管にかかる応力を解放している。補助ハッチ２４内の着脱自在管継手４４及びマルチピン電気コネクタにより、ハッチカバーを取り外す為に主入力導管３６及び主出力導管３８を内部配管から切り離すことが可能である。補助ハッチ２４を取り外すと、ハッチ区画４２内にある水圧接続及びサーボ弁８５へのアクセスが可能になる。
【００３５】
内部管継手４４が曲線状鋼製入力導管５８及び出力導管５９のそれぞれに取り付けられて、各水圧管６０、６２とマニホールド７０との間で水圧流体を行き来させている。各導管５８、５９の流体経路内に、脈動抑制器６７が配置されている。脈動抑制器６７は、大量の高圧水圧流体が水圧管内を通される際に、脈動を平滑化してシステム構成要素を保護するように動作する。曲線状導管５８、５９は、取り付けフランジ６８によりマニホールド７０に取り付けられており、取り付けフランジ６８は、各導管５８、５９と溶接され、マニホールド７０と嵌合している。図４Ａ乃至図４Ｄに示されるように、取り付けフランジ６８は、ボルト６６によってマニホールド７０に固定されており、ボルト６６は、図４Ｃに示されるマニホールドブロックのねじ山付き穴７２に挿入されている。曲線状導管５８、５９は、径が、マニホールド７０の入力伝達ボア８４及び出力戻りボア８６の径より大きくてよい為、半径６９が、流体を、より小さい径のボア８４、８６に向けるように形成されてよい。各半径６９内では、マニホールド７０に対して取り付けフランジ６８を密封するＯリング（図示せず）が配置される。
【００３６】
マニホールド７０は、上面７４と、下面７６と、流体接続の為の第１の端部７８と、反対側の端部８０と、第１の側端部８２と、第２の側端部８３と、を有するステンレス鋼のブロックで構築されている。流体接続端部７８は、閉ループ水圧システムにおいて水圧流体が水圧ポンプ４５から入ってきたり、水圧ポンプ４５に戻ったりする為の入力伝達ボア８４及び戻りボア８６の為の２つの通路がドリルで形成されている。ボア通路８４、８６は、角度が付けられて、マニホールド７０の各側端部８２、８３から中央部分に向かっており、これによって、取り付けフランジ６８及び各曲線状導管５８、５９の取り付けの為の十分な場所が与えられている。通路８４、８６に角度が付いていることにより、更に、サーボ弁８５内での水圧流体の移動距離が少なくなって、システムの周波数応答が向上する。
【００３７】
マニホールドブロック７０の上面７４には、サーボ弁８５をマニホールド７０に直接取り付ける為の一連のねじ山付き穴９２が設けられている。サーボ弁８５をマニホールドに直接接続することにより、水圧流体通路が短くなり、漏出のリスクが減り、システム内の、且つシステムを通る流体の伝達の遅延がなくなる。図４Ａに示されるように、サーボ弁８５を取り付ける為のボルト９３（簡潔さの為に１個だけが図示されている）は、穴９２にねじ込まれ、一部がマニホールドブロック７０を貫通して延びる。マニホールドブロック７０の外側端部８２、８３に沿って、マニホールド７０をピストンアクチュエータアセンブリ９７に直接取り付ける為の一連のボルト穴９４が設けられている。ボルト９８が締め付けられて、マニホールド７０のほぼ平坦な表面７４と面一になるように、各穴９４内に凹部９６が形成されてよい。１つ以上の位置決めピン９９が、上面７４から延びて、開口と嵌合し、サーボ弁８５を水圧通路と位置合わせしてよい。中央部分においては、垂直前方伝達ボア８８が、マニホールドブロック７０を貫通して形成されて、アクチュエータピストンアセンブリ９７の前方アクチュエータピストン１００の前方水圧チャンバ１０６と連通している。長手軸ＸＣ方向に、第２の垂直後方伝達ボア９０が形成されて、後方アクチュエータピストン１０２の水圧チャンバ１０８と連通している。前方及び後方水圧チャンバ１０６、１０８及びアクチュエータピストン１００、１０２は、同様の寸法を有しており、前方及び後方にほぼ同等の力を与える。
【００３８】
図５に示された例示的実施形態では、海中振動源１０は、ピストンシャフト１１０に取り付けられてマニホールド７０のすぐ隣に位置する２つの別々のアクチュエータピストン１００、１０２を使用する。２つの別々のアクチュエータピストンの配列と、サーボ弁８５及びマニホールド７０の、アクチュエータピストンアセンブリ９７への直接取り付けとにより、水圧管を１つのピストンアセンブリの反対側に延ばすことが不要な場合には、水圧管の長さ及び複雑さが大幅に低減される。アクチュエータピストン１００、１０２のそれぞれは、マニホールド７０まで最小限の長さの伝達導管１０３、１０５を有しており、これによってアクチュエーションごとのオーバフローが追い出される。重要なこととして、垂直伝達ボア８８、９０及び伝達導管１０３、１０５の全体長さは、アクチュエータピストンの１つの径より短い。
【００３９】
水圧流体が前方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０６に供給され、同時に、後方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０８から流体が追い出されると、アクチュエータピストン１００及び１０２は、ピストンシャフト１１０を、振動源アセンブリ１７５のピストン１７０とともに前方に動かす。一方、流体が後方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０８に供給され、同時に、前方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０６から流体が追い出されると、アクチュエータピストン１００、１０２及びピストンシャフト１１０は、前方に動く。アクチュエータピストン１００、１０２は、アクチュエータピストンアセンブリ９７の正方形ハウジング１１２内で、ピストンシャフト１１０に沿って取り付けられている。ステンレス鋼ハウジング１１２は、主バルクヘッド１２０から前部キャップ１１４まで延びており、牽引ヘッド区画２５内でアクチュエータピストン１００、１０２及びピストンシャフト１１０を取り囲んでいる。マニホールド７０は、ハウジング１１２の平坦な上面１１３に設置されており、ピストン導管１０３、１０５は、アクチュエータハウジング１１２のアクチュエータピストンバルクヘッド１１６内の中央に位置し、マニホールド７０と直接連通する通路として形成されている。ピストン導管１０３、１０５のそれぞれは、アクチュエータハウジングバルクヘッド１１６の中点から対称的に間隔を置いて配置されており、これによって、伝達ボア８８及び９０並びにサーボ弁８５と位置合わせされている。
【００４０】
図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、アクチュエータピストンアセンブリハウジング１１２は、主バルクヘッド１２０内の中央開口Ｏの周囲に位置する一連のボルト１１８によって、バルクヘッド１２０に取り付けられている。バルクヘッド１２０内のボルト穴１１９は、バルクヘッドを正方形アクチュエータハウジング１１２の面１１７に対して位置合わせすることにより、主牽引ヘッド区画２５内でハウジング１１２を支持している。主バルクヘッド１２０は、中空構造であり、リブ支持物１２２が内側円筒１２４から外側円筒１２６まで延びて、中空部１２８を形成している。第１の円板１２７が、前方壁を形成し、牽引ヘッド区画２５を封鎖しており、その一部分がアクチュエータハウジング１１２の前面１１７と当たっている。アクチュエータハウジング１１２は、ＸＣ軸方向に取り付けられて、マニホールド７０を取り付ける為の平坦な面を提供している。図６Ａに示されるように、アクチュエータハウジング用のボルト穴１１９は、長手軸ＸＣに垂直な軸ＹＣに対して４５°の角度βで延びている。この方向では、ねじ山付きボルト穴１１９は、アクチュエータハウジング１１２の正方形の面１１７の各隅にあるが、図６Ｂの平面的な側面図では、主バルクヘッド１２０を貫通する様子が完全には示されていない。第２の円板１２９が、主バルクヘッド１２０の中空部１２８を封鎖しており、各円筒１２７、１２９は、主バルクヘッド１２０の内側円筒１２４及び外側円筒１２６に溶接されている。リブ１２２及び中空部１２８を有する、主バルクヘッドの構造は、システム１０全体の重量を更に低減する。主バルクヘッドの外側円筒１２６には、クランプリング１７９を使用してバルクヘッド１２０をピストンアセンブリチャンバ１７７の円筒ハウジング１７４に取り付ける為の中央フランジ１３０が形成されている（これについては本明細書で詳述する）。
【００４１】
ピストンシャフト１１０は、主バルクヘッド１２０の中央開口Ｏ内を通り、アクチュエータハウジングバルクヘッド１１６内のボアＯａを通って、アクチュエータハウジング１１２の前部キャップ１１４まで延びている。図７に示されるように、ピストンシャフト１１０は、前方端部１４２及び後方端部１４４のそれぞれにおいて、ねじ山付き延長部分１４０を有する。アセンブリでは、アクチュエータハウジングバルクヘッド１１６のボアＯａ内に封止材１４９が設置されており、ボアＯａ内には、アクチュエータピストンスペーサ１４８ａが設置され、中央に配置されている。アクチュエータピストン１００、１０２の外側円筒には封止材１４９及びライダリングベアリング１５１が設置され、前方アクチュエータピストン１００は、アクチュエータハウジング１１２内を通るように配置され、ハウジングバルクヘッド１１６の前方端部に当たる。後方アクチュエータピストン１０２は、主バルクヘッドＯ内の開口及びアクチュエータハウジング１１２のボアＯａを通るように配置され、バルクヘッド１１６の後方端部に当たる。ピストンシャフト１１０は、水平方向スタンドで支持されて、後方アクチュエータピストン１０２から、アクチュエータハウジングボアＯａ内のアクチュエータピストンスペーサ１４８ａを通って、前方アクチュエータピストン１００を貫通して延びる点まで、挿入されている。シャフトの前方端部１４２に端部ナット１４６が取り付けられ、締め付けられてピストンシャフト１１０と面一になっている。アクチュエータハウジング１１２に、前部キャップ１１４が設置されている。アクチュエータピストン１００、１０２の内径ｄａ及びスペーサ１４８の径ｄｓは、ピストンシャフト１１０の外径Ｄｓとほぼ同じ寸法であり、これによって、ピストンシャフト１１０の金属面が各円筒及びスペーサ１４８の内面と嵌合する。スペーサスリーブ１４８ａの壁厚ｔｓは、例えば、１／２”である。バルクヘッド１１６のボアＯａは、内径Ｄａが、ピストンシャフトの径Ｄｓとスペーサスリーブ１４８ａの壁厚の２倍である２ｔｓとの合計よりわずかに大きい。封止材１４９及びライダリングベアリング１５１は、アクチュエータ水圧チャンバ１０６及び１０８をアクチュエータ圧縮チャンバ１０９及び１１１に対して封止し、アクチュエータ１００、１０２がアクチュエータハウジング１１２内を動く際のアクチュエータとハウジングとの間の摩擦を低減する。主バルクヘッド１２０は、シャフト１１０に沿ってスライドし、アクチュエータハウジング１１２に取り付けられている。
【００４２】
第２のスペーサスリーブ１４８ｂが、シャフト１１０に沿ってスライドし、主バルクヘッド１２０内の開口Ｏを通って延び、後方アクチュエータ１０２に隣接して位置する。第１の円錐形状ピストン１７０ａの外径ＯＤに、封止材１４９及びライダリング１５１が設置され、Ｏリング封止材１４７が、シャフト１１０に沿って、第２のスペーサスリーブ１４８ｂまでスライドする。第１のピストン１７０ａは、シャフト１１０に沿ってスライドして、Ｏリング１４７及びスペーサ１４８ｂに当たる。第１のピストンチャンバアセンブリ１７７ａの、図８Ａに示された、第１の円筒ハウジング１７４ａが、ライダリング１５１及び封止材１４９を越えて、主バルクヘッド１２０のパイロット径まで押される。ハウジング１７４ａは、主バルクヘッド中央フランジ１３０に対して上にスライドする延長リム２０５を有する。フランジに対してハウジングを所定位置に保持する為に、一時的クランプリングを使用してよい。第３のスペーサスリーブ１４８ｃ及びＯリング封止材１４７が、ピストンシャフト１１０に沿って、且つ、第１の円錐形状ピストン１７０ａの内側ハブ２４３に対して所定位置に設置されている。図９Ａに示されるように、第１の固定バルクヘッド１７２ａの外径に沿って、封止材２０６が設置されており、固定バルクヘッドの内側円筒２２９によって形成された溝２１３の中に、Ｏリング２１５が設置されている。第１の固定バルクヘッド１７２ａは、スペーサスリーブ１４８ｃの上をスライドし、円筒ハウジング１７４ａの延長リム２０５は、バルクヘッド１７２ａの前部パイロット径２０１の上をスライドして、固定バルクヘッド中央フランジ１９９に対してスライドする。第２の円錐形状ピストン１７０ｂには封止材１４９及びライダリング１５１が設置されており、ピストン１７０ｂは、ピストンシャフト１１０に沿ってスペーサスリーブ１４８ｃまでスライドする。スペーサスリーブ１４８ｃが固定円筒１７２ａの端部を越えて延びて、第２のピストンシャフト１７０ｂと当たると、空気キャビティ２１１が形成される。固定円筒の外径２０６及び内径２１５に沿って設置された封止材と、封止材１４９及びＯリング１４７とにより、空気キャビティ２１１への水の浸入が阻止される。空気導管２１７が、空気キャビティ２１１を満たす為に、ピストンシャフト１１０及びスペーサ１４８を貫通して形成されている。第２の円筒ハウジング１７４ｂの延長リム２０５は、第１の固定バルクヘッド１７２ａの後部パイロット径２０３の上をスライドする。第２の固定バルクヘッド１７２ｂが設置されており、これらの設置プロセスは、必要に応じて、適切な数のピストンチャンバアセンブリ１７７の分だけ繰り返される。ピストンシャフト１１０の端部に端部ナット１４０が設置されて、各円錐形状ピストン１７０及びスペーサ１４８がシャフトに沿って所定位置に配置され、各バルクヘッド１７２の開口を通って一斉に動く単一ユニットとしての複合ピストンが形成される。船尾部外殻１６は、最終ピストンチャンバアセンブリ１７７の固定バルクヘッド１７２のパイロット径の周囲をスライドし、同様にクランプリングによって固定されている。
【００４３】
主バルクヘッド１２０、各ピストンチャンバアセンブリ１７７、及び船尾部外殻１６は、それぞれが、３つの部品からなるフランジクランプリング１７９によって、互いの端部同士で固定されている。クランプリング１７９は、図１０Ａ乃至図１０Ｄに示されるように、半円又は他の部分円の径として形成された剛直なステンレス鋼で作られており、バルクヘッドのパイロット径の周囲に延びている。クランプリング１７９は、外側表面半円径１８１及び内側表面半円径１８３を有しており、内側表面径１８１は、内径１８３に垂直な、２つの対向フランジ１８５を有している。各対向フランジ１８５は、図１０Ｄに示されるように、クランプリング１７９の各外側端部に沿って、且つ、内側半円円周１８３全体に沿って延びている。図９Ａに最もよく示されているように、円筒ハウジング１７４の延長リム２０５を、主バルクヘッド１３０の中央フランジ及び固定バルクヘッド１９９に対して圧縮する際の応力を低減する為に、各フランジ１８５に沿って、内側コーナー１８７に丸みが付けられている。ハウジングのステンレス鋼リム２０５と、中央フランジ１３０又は１９９とがクランプリング１７９内でくさび固定されている為、フランジ１８５内で密着嵌合が形成されている。第１及び第２のクランプリング１７０ａ、１７９ｂが、クランプリング１７９の第１の端部１９１からのねじ山付きコネクタ１８９により嵌合されており、捕捉ねじ１９３又は他の取り付け固定具（ナット及びボルトなど）がクランプリング１７９の対向端部１９５に取り付けられて、図１０Ａに示されるように、バルクヘッドの外径の周囲に円環が形成されている。図１０Ｃに示されるように、ねじ山付きコネクタ１８９及び取り付けねじ１９３は、外側表面１８１と面一であり、リング１７９の外側表面１８１は、バリ取りがなされ、丸みが付けられて、突起及び凹凸が除去されている為、滑らかな表面が維持されて、システム１０に対する前進抵抗が低減され、船１へのシステム１０の上げ下ろしが支援される。丸みが付けられた端部は又、エラストマダイヤフラム１９７が振動源アセンブリ１７５を取り囲み、振動源アセンブリ１７５上に乗っている為の滑らかな表面を提供している。
【００４４】
図１１Ａに示されるように、固定バルクヘッド１７２には、中央開口Ｏｂが形成されており、その径Ｄｂは、図１２Ａに示される円錐形状ピストン１７０の径Ｄｐより大きい。固定バルクヘッドの径Ｄｂは、ピストンシャフト１１０の径と、ピストンシャフト１１０を取り囲むスペーサスリーブ１４８の厚さの２倍である２ｔｓとの合計であり、ピストン１７０をシャフト１１０に沿って配置させている。固定バルクヘッド１７２は、ピストンシャフト１１０又はスペーサ１４８に取り付けられておらず、これによって、シャフト１１０及びピストン１７０は、固定バルクヘッドの開口Ｏｂの中で前後に動くことが可能である。円錐形状ピストン１７０は、円筒ハウジングに取り付けられておらず、チャンバハウジング１７４内に乗っており、一連のライダリングベアリング１５１が、円錐形状ピストンを取り囲むことにより、ピストン１７０とハウジング１７４との間の摩擦を低減している。図１１Ａ乃至図１１Ｃに示されるように、固定バルクヘッド１７２は、円錐形状面２２７を有しており、円錐形状面２２７は、バルクヘッド円筒２００から中央開口Ｏｂまで、円筒２００の軸Ａｂから角度α３で延びている。角度α３は、２０度から７０度の間であり、より好ましくは、例えば、６０度の角度である。開口Ｏｂは、内部円筒２２９によって形成されており、内部円筒２２９は、図１１Ｃに示されるように、バルクヘッド１７２をスペーサ円筒１４８の周囲で封止する為に、Ｏリング２１５を有する溝２１３を含む。Ｏリング２１５は、剛弾性材料で形成されており、例えば、デュロメータ定格が約７０から約９０の範囲にあるポリウレタンなどで形成されている。バルクヘッド１７２の中空内部２３１は、半径方向に位置する一連のリブ２３３によって支持されており、これらのリブは、バルクヘッド１７２の面２２７を貫通して延びて面２２７に溶接されている１つ以上の舌状物２３５又はタブを有する。固定バルクヘッド１７２は、非腐食性金属材料（例えば、１７−４ＰＨステンレス鋼合金）で作られてよく、これらの中空構造により、海中振動源１０のシステム全体の重量が更に低減される。バルクヘッド１７２の背面２３７は、図１１Ａに示されるように、ほぼ平坦であり、一連の開口Ｏｃを有しており、これらの開口は、圧縮空気がバルクヘッドの中空内部２３１に供給されることを可能にしている。
【００４５】
図１２Ａ乃至図１２Ｃに示されるように、円錐形状ピストン１７０は、固定バルクヘッド１７２と同様に形成されており、円錐形状面２３９が、外側円筒２４１から中央開口Ｏｐまで、円筒２４１の軸Ａｐから角度α４で延びている。角度α４は、２０度から７０度の間であり、より好ましくは、大まかに６０度の角度である。開口Ｏｐは、内部円筒２４３によって形成されており、内部円筒２４３は、円錐形状ピストン１７０とスペーサスリーブ１４８との間にＯリング１４７を配置する為の切り欠き２４５を含む。中空内部区画２５１を形成している円錐形状面２３９を支持する為に、半径方向に位置する一連のリブ２４７が、円錐形状ピストン１７０の平坦な背面２４９に溶接されて、背面２４９から延びている。リブ２４９のそれぞれは、ピストン１７０の面２３９を貫通して延びて面２３９に溶接されている１つ以上の舌状物２５３又はタブを有する。ピストン１７０の背面２４９は、図１２Ａに示されるように、一連の開口Ｏｃを有しており、開口Ｏｃは、中空ピストンチャンバ２５１が圧縮空気で満たされることを可能にする。ピストン径Ｄｐは、１５．２４ｃｍ（６インチ）から１５２．４０ｃｍ（６０インチ）を潜在的な範囲とする任意の好適な寸法であってよいが、例えば、ずっと大きな寸法やずっと小さな寸法も、本発明の範囲内で想定されている。中央開口Ｏｐの径は、選択されたピストン径Ｄｐに応じたピストンシャフト径Ｄｓによって決まる。固定バルクヘッド１７２は、表面積がピストン面２３９の円錐表面積と一致するか、同様となるように、ピストン１７０と同様の寸法を有しており、これによって、振動結合領域の振幅を最適化している。各ピストンチャンバアセンブリ１７７内では、ピストンの円錐形状面２３９は、固定バルクヘッド１７２の円錐形状面２２７と対向するように配置されており、これによって、図１３Ｂに示されるように、ピストンシャフト１１０の周囲に、体積が低減された砂時計形状の圧縮チャンバ２５４が形成されている。本発明の、この重要な特徴により、チャンバ２５４内で振動する水の体積が減り、システム１０の全体的な出力要件が下がる。
【００４６】
ピストン１７０及び固定バルクヘッド１７２の背面同士の間の空気キャビティ２１１は、ピストンシャフト１１０内の小開口２１７につながっている、スペーサスリーブ１４８内の溝２１９及びドリル穿孔通路２２０を通じて、低い圧力が供給されている。これらの開口２１７は、ピストンシャフト１１０内の主空気導管１３８につながっている。主空気導管１３８は、ピストンシャフト１１０の長さ全体にわたって延びており、空気キャビティ２１１に空気を供給し、船尾区画１７に空気を供給する。主空気導管１３８は、小空気通路１３６から空気を供給されており、小空気通路１３６は、主空気導管１３８を、アクチュエータハウジング１１２の前部キャップ１１４内の空気チャンバ１３４につないでいる。キャップ１１４内には一連の開口Ｏｅが形成されており、開口Ｏｅは、空気が船首区画２５から空気チャンバ１３４に流れることを可能にしている。空気チャンバ１３４は、前方ピストンアクチュエータチャンバ１０９とも連通し、アクチュエータハウジング１１２内でアクチュエータが前後に動く際に、ピストン１００のクッションとして動作する。後方アクチュエータ１０２用の第２のアクチュエータチャンバ１１１も同様に、シャフト空気通路２１７及び主バルクヘッド１２０の開口Ｏからの圧縮空気で満たされる。前部キャップ空気チャンバ１３４は、アクチュエータ１００、１０２、及びシャフト１１０が動作時に前後に動いて、圧縮空気が自由に押されてチャンバ１３４に出入りする際に、ピストンシャフト１１０の端部１４２で圧力が高まらないようにしている。
【００４７】
システム１０は、空気キャビティ２１１内の内部低圧空気を、周囲水圧±１ｐｓｉ以内になるように自動制御しており、その為、ピストン動作に対する内部システム圧力の影響は最小限に抑えられる。これらの調節は、振動源アセンブリ１７５を振動させるアクチュエータピストン１００、１０２の動作前又は動作中に行われてよい。圧力が適正に調節されていれば、起動前及び動作中の中立位置において、それらのアクチュエータに同じ力がかかる。デュアル圧力センサ３４によって、内部圧力及び外部圧力が常時監視され、探査船１の制御システム３２から空気圧を調整することにより、圧力変化を最小限にすることが自動的に行われる。動作中の圧力変化を最小限に保つ能力は、例えば１０ｐｓｉの小さな圧力変化があってもピストンにかかる力のバランスが崩れる場合には、非常に重要な機能である。一例として、海中振動システムは、７個のピストンチャンバアセンブリを有してよく、従って、７組の振動伝達ピストンを有してよく、各ピストンは、前面の断面積が２６０平方インチであってよく、全ピストンを組み合わせた合計が１８１９平方インチであってよい。水圧アクチュエータピストンは、断面積が４１平方インチである。組み合わされた７個のピストンの、空気圧がバランスしている空間においての１平方インチ当たりの圧力が１ポンドであれば、作用する力は１８１９ポンドである。作動圧力として、アクチュエータ内の水圧が１０００ｐｓｉであるとすると、作動力は４１平方インチ×１０００ｐｓｉとなり、４１０００ポンドの力がアクチュエータによって発生することになる。
【００４８】
空気圧がバランスしているキャビティにおいての空気圧である１ｐｓｉでシステムが動作している場合、この１ｐｓｉによって作用する１８１９ポンドの力が４１０００ポンドの力に追加され、ピストンアセンブリが後方に動いたときに、合計４２８１９ポンドの力で水がポートから押し出される。ピストンアセンブリが前方に動くと、４１０００ポンドの力から１８１９ポンドの力が差し引きされて、ポートから水を引き込むのに利用可能な力が３９１８１ポンドになり、ピストンアセンブリの前方への動きと後方への動きとの間に３６３８ポンドの力の差ができるが、これは容認できる差である。一方、空気圧がバランスしているキャビティにおいて、バランスしている圧力として１０ｐｓｉが印加されるとすると、アクチュエータ及びピストンアセンブリによって後方に作用する力は、４１０００＋１８１９０＝５９１９０ポンドとなる。前方への移動の場合は、バランスしている空間における１０ｐｓｉによって作用する１８１９０ポンドが４１０００ポンドから差し引きされ、ピストンアセンブリを前方に動かすのに利用可能な力は、４１０００−１８１９０＝２２８１０ポンドとなる。この、５９１９０−２２８１０＝３６３８０という差は、容認できない差である。この、ピストンアセンブリの後方への動きと前方への動きとの大きな差は、振動源の所望の信号と比較して、正弦状波形の容認できない歪みを引き起こすであろう。従って、例えば、米国特許出願第６４６４０３５号明細書における、空気圧がバランスしているキャビティ内での圧力範囲は３５ｐｓｉから１１０ｐｓｉであり、この場合、その先行技術で開示されているシステムは動作しないことになる。自動空気調整器によって、システム１０が周囲の水に対して±１ｐｓｉに維持されるように内部空気圧の調節が管理され、システム内での圧力バランスが崩れたことによって歪みが引き起こされないようにする。
【００４９】
前部キャップ１１４にはデジタル位置センサ１５２が取り付けられており、デジタル位置センサ１５２は、ピストンシャフト１１０が振動源アセンブリ１７５とともに振動する際のピストンシャフト１１０の位置を監視する。ピストンが前後に動く際のピストンの位置及び速度を識別する為の光学的、電気的、又は機械的インジケータ１５６が、センサに取り付けられている。船１上の電子システム制御装置３２が、送信された速度及び位置を比較し、電子周波数を微調節し、従って、サーボ弁８５への流体の流れを微調節する。システム制御装置３２を使用し、フィードバック調節を行うことにより、海中振動システム１０の振動出力を、他のそのような、船１又は他の船に牽引されている振動音源と同期させて、音の出力振幅を大きくすることが可能である。掃引周波数信号が、１５秒以上の周期で、低い周波数から始まって、一連の高い周波数に段階的に移行してよい場合に、再現性が向上するように、掃引周波数信号を調節することが可能である。掃引周波数の段階的増加又はパルス信号の使用により、制御装置システム３２の一部であるデコンストラクションソフトウェアが振動波パターンをプロットして評価し、水体底面下の様々な地質学的形成を示しうる異常を検出することが可能になる。放射のデコンストラクションを適正に行う為には、波形の再現性及び分解能が動作に不可欠である。位置センサ１５２からのフィードバックを使用して、制御装置３２から信号調節を行うことにより、デュアルサーボ弁及びアクチュエータシステム内で第２の振動源を同期させることも可能である（これについては本明細書で詳述する）。
【００５０】
動作時には、サーボ弁８５は、ケーブル束５の電気ケーブル５３から延びる制御ケーブル１０４を通じて、電子周波数信号を受信する。この信号は、水圧入力管６０から、マニホールド入力通路８４を通り、サーボ弁８５を通り、マニホールドの前方伝達ボア８８に入り、前方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０６を満たす流れを誘導するように、サーボ弁８５を作動させる。同時に、サーボ弁８５は、後方ピストン水圧チャンバ１０８から、後方マニホールドボア９０を通り、サーボ弁８５を通り、出力通路８６から、出力水圧管６２に出て、後方アクチュエータ水圧チャンバ１０８を空にする流れを誘導する。前方水圧チャンバ１０６が流体で一杯になり、後方水圧チャンバ１０８の流体が空になると、前方アクチュエータピストン１００及び後方アクチュエータピストン１０２は、前方、即ち、第１の方向に動いて、ピストンシャフト１１０及び円錐形状ピストン１７０が前方に動く。第２の電子周波数信号がサーボ弁８５に送信されると、入力管６０からの流れの方向が後方マニホールド伝達ボア９０向けに切り替わって、後方アクチュエータピストン水圧チャンバ１０８が満たされ、同時に、前方アクチュエータ水圧チャンバ１０６からマニホールドボア８８及びサーボ弁８５を通る流れの出力が出力水圧管６２向けに切り替わって、シャフト及び円錐形状ピストンが後方、即ち、逆方向に動く。
【００５１】
電子制御装置３２からの信号は、任意の変調波形の掃引周波数又はパルス周波数であってよく、例えば、２Ｈｚから２００Ｈｚの範囲であってよい。サーボ弁８５は、その動作時には、これらの信号に対する応答として、前方アクチュエータピストン１００及び後方アクチュエータピストン１０２への高圧水圧流体の流れを調整して、アクチュエータが、ピストンシャフト１１０を、ピストン１７０とともに、前後に振動させるようにする。振動源アセンブリ１７５内のピストン１７０は、これによって、軸方向に前後に振動し、これによって、圧縮チャンバ２５４内の水が円筒ハウジング１７４の複数のポート２５６を通って内外に振動し、これによって発生する振動波が、周囲の水体の中に伝搬していき、水体下の地質構造に伝搬していく。１つが設置されていると、その音によってエラストマダイヤフラム２６０が膨張したり収縮したりする（これについては本明細書で詳述する）。大きなポート２５６によって円筒ハウジング１７４から水が強制排出される場合には、ダイヤフラム２６０がなくても、本システムは完全に機能を果たす。
【００５２】
この別の実施形態では、図８Ｂに示されるように、音伝達ダイヤフラム２６０は、中間部１５の振動源アセンブリ１７５を取り囲んでおり、ピストン１７０の振動放射をモデル化することにより、水体と接触する振動結合表面積が大きくなるようにしている。ダイヤフラム２６０は、システム１０を取り囲むシームレスシート又は円筒として形成されたエラストマ材料からなり、その径は、円筒ハウジング１７４のクランプリング１７９より若干大きい。流体がポンプによってシステムを出入りすると、ダイヤフラム２６０は、それ全体の脈動として、制御システムからサーボ弁８５に送信された掃引周波数又はパルス周波数と一致する周波数で振動し、これらの周波数でシャフト１１０及びピストン１７０を軸方向に動かす。ダイヤフラム２６０は、牽引ヘッド１２の後部においてのみ固定されており、船尾ヘッド１４の前部においては、環状ホースクランプ２６２によって固定されており、ダイヤフラムの振動面は、若干の隙間を置いてクランプリング１７９の周囲に乗っており、前方外殻２６及び後方外殻１６のそれぞれの肩部２５８に取り付けられている。ダイヤフラム２６０は、振動源アセンブリ１７５を封止しており、真水、又は凍結防止の為に真水とプロピレングリコールを混合したもので満たされてよい。ダイヤフラム２６０の内側表面と円筒ハウジング１７４の外側表面との間に、長い環状空間２６５が形成されており、これによって、水がピストンチャンバポート２５６を通って流れて、ハウジング１７４の周囲のこの空間２６５を満たすことによって、ダイヤフラムを膨張させたり収縮させたりして、ダイヤフラムを振動させることが可能になる。アクセスポート２６４が、図１４に示されるように、牽引部又は船尾部の肩部２５８を貫通して延びており、アクセスポート２６４は、システム１０を水体４内に配備する前に振動源アセンブリ１７５を真水で満たすことを可能にする。第２のポート２６６を、システム１０が満たされたときに空気を除去する為のベントとして使用してよい。最大表面積にわたって振動結合を提供する為には、ピストンチャンバ２５４及び空間２６５が完全に水で満たされることが好ましい。
【００５３】
図１５に示される別の実施形態では、水ホース２８２に給水するリザーバ２８３が探査船１上に配置されており、水ホース２８２は、ケーブル束５内に含まれており、着脱自在コネクタ２８４によって補助ハッチ２４に取り付けられている。内部給水管２８８が、コネクタ２８４から、補助ハッチ区画４２及び前方区画２５を通って、牽引ヘッド１２の後部にある主バルクヘッド１２０の近くの肩部２５８まで延びている。内部給水管２８８は、前部の肩部２５８を貫通して延びている伝達ボア２８９に取り付けられている。動作時には、振動源アセンブリ１７５は、真水で満たされてから、水中に沈められる。補助ハッチ２４に取り付けられた水中マイク２６７からの信号を用いて周波数応答及び放射品質を調べ、ダイヤフラム空間２６５に水を追加したり、そこから水を差し引いたり、或いは、キャビテーションによって引き起こされる望ましくないスパイクが、伝達された音信号内に見られる場合には空気システムをベントしたりする為の調節を行ってよい。大量の空気が排出されている場合は、システム内の空気漏れの兆候である可能性もある。システム空気圧及び振動分解能品質を監視することにより、水成分を調整して、高い周波数で急速に動くピストン１７０の面でのキャビテーションを低減又は除去することが可能である。
【００５４】
各端部ナット１４０を締め付け、スペーサスリーブ１４８を使用して各ピストン１７０を定位置にロックしたことによる、ピストンシャフト１１０及び円錐形状ピストン１７０の複合構造は、ナット、ボルト、フィッティング、又は他の取り付け具を不要にしている。シャフト１１０及びピストン１７０は、完全に同時に動いて、再現可能な周波数応答をもたらし、圧縮チャンバ２５４内で水蒸気又はキャビテーションを発生させる可能性のある、フィッティングからの突起物又は障害物がない。ピストン１７０が前後に動くと、水がピストンチャンバ２５４から押し出され、ダイヤフラム２６０が膨張したり収縮したりする。これは、ピストン２３９の円錐形状面が固定バルクヘッド１７２の円錐形状面２２７に向かって水を圧縮する為である。対向する円錐形状２３９、２２７は、ピストン１７０及びシャフト１１０を動かすのに必要なサイズ及びエネルギ量を低減している。これは、平坦面ピストンの場合と比べて、チャンバ２５４を出入りする水の量が少なくなる為である。
【００５５】
振動源の周波数応答及び再現性は、図１６に示されるような、２つのサーボ弁システムと第１及び第２の振動源とを有するデュアル海中振動源２９０の構造により、更なる向上が可能である。この構造では、第１のサーボ弁８５ａが、長手軸ＸＣに沿って、第２のサーボ弁８５ｂと同軸に配置されている。各サーボ弁は、マニホールド７０ａ、７０ｂ上、且つ、完全に別々のアクチュエータアセンブリ９７ａ、９７ｂ上に配置されており、アクチュエータアセンブリ９７ａ、９７ｂは、互いに反対の方向に延びる別々の振動源アセンブリ１７５ａ、１７５ｂに取り付けられている。第１のアセンブリ１７５ａは、船首側の牽引ヘッド１２に向かって延びており、第２のアセンブリ１７５ｂは、船尾部１４に向かって延びている。各システムの構成要素は、前述のものと同一であり、水圧入力管６０及び水圧出力管６２に沿って配置されたＴ字形フィッティング２７０、２７２が追加されている。補助ハッチ２４内では、入力管６０がＴ字形フィッティング２７０において分割され、配管２７４を通って前方マニホールド７０ａに向かう流れと、配管２７６を通って後方マニホールド７０ｂに向かう流れとが誘導されている。水圧出力管６２は、前方マニホールド７０ａから前方出力導管２７８を通ってくる流れと、後方マニホールド７０ｂから後方出力導管２８０を通ってくる流れとを受ける。
【００５６】
動作時には、各サーボ弁８５ａ、８５ｂは、電気信号を同時に受信し、これによって、第１の弁８５ａは、水圧アクチュエータチャンバ１０８ａが満たされ、水圧アクチュエータチャンバ１０６ａが空になって、アクチュエータピストン１００ａ、１０２ａが前方に動くように、流体の流れを誘導するように作動する。一方、反対側のアクチュエータアセンブリ９７ｂでは、第２のサーボ弁８５ｂは、水圧アクチュエータチャンバ１０８ｂが満たされ、水圧アクチュエータチャンバ１０６ｂが空になって、アクチュエータピストン１００ｂ、１０２ｂが反対側である後方に動くように、流体の流れを誘導する。振動源アセンブリ１７５ａ、１７５ｂが互いに反対の方向に動作することで、単一の振動源アセンブリ１７５のみを有するシステム１０において、円筒ハウジング１７４の逆方向の動きによって引き起こされる非調和運動及びスプリアスノイズが補正される。各振動源アセンブリを、同期させて、互いに反対の方向に動かすことにより、円筒ハウジングの動きが妨げられ、円筒ハウジングの動きによって引き起こされるノイズが抑えられて、単一振動源１７５を有するシステム１０に比べて発生音の質が向上する。
【００５７】
この構成では、アクチュエータアセンブリ９７ａ及び９７ｂが互いに反対の方向に延びている為、第１のアクチュエータアセンブリ９７ａと第２のアクチュエータアセンブリ９７ｂとを比べると、水圧チャンバ１０６及び１０８は、互いに逆の位置にある。振動源アセンブリ１７５ａ及び１７５ｂを互いに向けて近づけ、最小延伸点まで動かした場合、流体は、最も内側の水圧チャンバ１０６ａ及び１０６ｂに誘導される。振動源アセンブリ１７５ａ及び１７５ｂを互いから離れるように遠ざけ、最も外側まで延ばした場合、流体は、外側の水圧チャンバ１０８ａ及び１０８ｂに誘導され、第１の振動源アセンブリ１７５ａは、その更に前方に延び、アセンブリ１７５ｂは、その更に後方に延びる。
【００５８】
位置センサ１５２ａ及び１５２ｂは、各ピストンシャフト１１０ａ及び１１０ｂの速度及び位置についてのフィードバックを提供し、これによって、電子制御装置３２は、各振動源アセンブリ１７５ａ及び１７５ｂの動きが同期するように、周波数を調節することが可能になり、従って、アクチュエータアセンブリ９７ａ及び９７ｂへの流体の流れを調節することが可能になり、これによって、出力振幅を大きくすることが可能になる。２つのアセンブリ１７５ａ及び１７５ｂを使用して掃引（パルス）周波数が増幅されて振動エネルギが放射される為、周波数応答が向上する。図１７に示されるように、補助ハッチ２４は、海中振動源２９０の中央に位置しており、任意の長さ又は寸法であってよく、探査要件及び地質学的要件に応じて、所望のモジュール式ピストン部１７７が選択される。海中振動デュアルサーボ弁システム２９０は、タンデム又はより大きな数で使用されてよく、それぞれは地質探査領域内に配置されて、出力振幅を大きくし、より広い面積をカバーする。
【００５９】
別の実施形態では、水圧流体に起因する水体の漏れ及び汚染のリスクを低減する為に、海中振動システムは、内部閉ループ水圧システム３１０を有するように構成されてよい。図１８に概略的に示されるように、海水又は真水のポンプ３１２が探査船１上に配置され、単一の伝達管３１４を提供している。牽引ヘッド区画２５内では、海水が（例えば、２００ＧＰＭの流量で）水モータ３２４に注入されると、脈動抑制器３１６が、振動を低減し、システム構成要素を損傷から保護するように動作する。水モータ３２４は、水圧ポンプ３３６を駆動する軸３３４に直結されている。
【００６０】
水圧ポンプ３３６は、水圧流体をシステム３１０に供給するリザーバ３４２を有する閉ループシステム内にある。上述のように、電子制御装置３２は、サーボ弁８５に信号を送信し、サーボ弁８５は、水圧流体をマニホールド７０に誘導してピストンアクチュエータ１００、１０２を前方又は後方に動かし、これによって、振動源アセンブリ１７５が前後に振動して、音波を海中振動源システム１０の外部及び周囲に伝搬させる。水圧流体は、水圧入力管３３８を通ってマニホールド７０及びサーボ弁８５まで誘導されて、ピストンアクチュエータアセンブリ９７内で、第１のアクチュエータ水圧チャンバ１００を満たし、同時に、第２のアクチュエータ水圧チャンバ１０２を空にする。閉ループシステム３１０では、空になったチャンバからの流体は、水圧出力管３５２を通って脈動抑制器３４０まで誘導されて、システム内を通る高圧の水圧流体の動きによって引き起こされるシステム振動を低減する。そして、流体は、水モータ３２４から、水出口管３５４に沿って配置された熱交換器３５０に誘導される。加熱された水圧管３５２は、冷たい水出口管３５４と隣接して、熱交換器３５０内を延びており、これは、システム３１０内で水圧流体を冷却する為である。冷却後、水圧管３５８は、水圧流体をリザーバ３４２に戻して、水圧ポンプ３３６に供給する。この、閉ループ水圧システムの実施形態３１０は、汚染の低減、コスト及び複雑さの低減など、多くの利点を有する。これは、海水又は真水を水モータに供給することには単一の伝達管があればよく、その水は排出されて水体に戻される為である。更に、水圧システム内の管が短くなるため、水圧管が長い場合に高圧によって引き起こされるシステム構成要素の摩耗や裂けが低減される。利用可能な水は又、水圧ポンプを駆動する為の無限の源を提供している。
【００６１】
図１９Ａ及び図１９Ｂに示される、更に別の実施形態では、探査船上の水圧ポンプ４５を駆動する出力伝達流体が、海水又は真水のポンプ３１２に置き換えられており、水を用いてアクチュエータピストンアセンブリ９７を駆動する。このシステムの動作は、既述のものと同じであるが、排出管３５４が水体に戻るように仕向けられている為に、伝達管３１４は１つだけあればよいという利点がある。サーボ弁及びアクチュエータの構成要素の幾つかは、海水中で動作していてもロバストであるセラミックやプラスチックなどの材料で構築されている。
【００６２】
本発明を、本発明の特定の好ましい実施形態を特に参照して詳細に説明してきたが、本発明の趣旨及び範囲に収まる変形及び修正であれば実施可能であることを理解されたい。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ−１２Ｃ】
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【図１３Ａ−１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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