АКУСТИЧЕСКИЕ РЕФЛЕКТОРЫ
ACOUSTIC REFLECTORS

Это изобретение относится к пассивным акустическим рефлекторам и маркерам, используемым под водой. Такие рефлекторы могут быть использованы, например, для маркировки объектов и положений, представляющих интерес под водой, в каналах подводной навигации и т.п.
Пассивные акустические рефлекторы для подводного использования известны, например, из публикации WO 2006/075167 А (Министр обороны) от 20/07/2006 и публикации WO 2009/122184 А (Министр обороны) от 08/10/2009. В этих публикациях пассивный акустический рефлектор для подводного применения имеет оболочку, окружающую сердечник, при этом упомянутая оболочка позволяет передавать акустические волны, падающие на оболочку, в сердечник для фокусировки и отражения от области оболочки, находящейся напротив области падения, создавая тем самым выходящий из рефлектора отраженный акустический сигнал. Акустический рефлектор отличается тем, что сердечник имеет форму сферы или правильного цилиндра и образован из одного или более концентрических слоев материала, имеющего волновую скорость от 840 м/с до 1500 м/с, а также тем, что оболочка имеет такие размеры по отношению к сердечнику, что часть акустических волн, падающих на оболочку, объединяется на стенке оболочки и направляется внутри вокруг периферийной поверхности оболочки, а затем повторно излучается и структурно комбинируется с упомянутым выходным отраженным акустическим сигналом, образуя тем самым на выходе усиленный отраженный акустический сигнал. Акустические волны, падающие на оболочку, могут, например, поступать от гидроакустической системы.
Однако эти рефлекторы известного уровня техники при использовании в коммерческих условиях эксплуатации имеют ряд проблем. В частности, различные значения коэффициента расширения как у сердечника, так и у оболочки, могут приводить к избыточным механическим напряжениям, действующим на оболочку, как результат теплового расширения оболочки, если рефлектор подвергается нагреву, как, например, это происходит в тропическом климате, или когда рефлектор остается на солнце на пристани или на борту корабля. Тепловое расширение сердечника может приводить к разрушению оболочки. Кроме того, возникают и другие проблемы:
заполнение акустического рефлектора надлежащим материалом сердечника не может быть надежно достигнуто без коробления базового материала сердечника, приводящего к трещинам и/или пустотам в сердечнике, это создает несогласованные характеристики между, как предполагается, идентичными рефлекторами;
акустическая связь между сердечником и оболочкой является изменяемой и в некоторых случаях является недостаточной;
правила по охране труда и технике безопасности могут ограничивать глубину развертывания таких рефлекторов в воде из-за опасения, что инфильтрация воды внутрь рефлектора могла бы привести к не подавляемому взрывчатому разрушению, когда рефлектор поднимался бы на поверхность; хотя решение этой проблемы предложено, оно трудоемко в производстве и потому относительно дорого.
В соответствии с настоящим изобретением акустический рефлектор для подводного применения и содержащий оболочку, окружающую сердечник, характеризуется тем, что оболочка имеет одно или более отверстий, обеспечивающих свободное поступление воды во внутреннюю область оболочки и ее удаление из внутренней области оболочки, когда рефлектор развертывается в воде.
В этой конструкции часть падающей акустической волны, которая может входить в оболочку, проходит через нее к сердечнику и отражается от стенки оболочки напротив точки прохода к сердечнику, а часть может быть направлена внутри самой оболочки вокруг сердечника и структурно объединиться с акустической волной, проходящей через сердечник, и повторно излучиться из оболочки.
В одном примере осуществления изобретения сердечник имеет объем, несколько меньший, чем внутренний объем оболочки; при погружении в воду вода поступает внутрь оболочки между сердечником и внутренней поверхностью стенки оболочки. В этой конструкции существует достаточный диапазон, обеспечивающий возможность теплового расширения сердечника при транспортировке или при хранении в горячем климате, но позволяющее морской воде покидать пространство, образованное сжатием материала сердечника, когда рефлектор погружается в морскую воду. Более того, когда рефлектор вытаскивается на поверхность, любое повышенное давление внутри оболочки просто уменьшается за счет воды, вытекающей через отверстие (отверстия), устраняя любой риск взрывчатого разрушения оболочки.
Неожиданно было установлено, что наличие воды внутри оболочки между оболочкой и сердечником существенно улучшает акустическую связь между оболочкой и сердечником, а также надежность акустической связи.
Таким образом, в первом примере осуществления изобретения сердечник имеет поперечное сечение, несколько меньшее, чем соответствующее поперечное сечение внутренней области оболочки, образуя промежуток между сердечником и внутренней областью оболочки, при этом упомянутый промежуток заполнен водой, когда рефлектор погружен в воду.
В рефлекторе, в соответствии с этой первой реализацией изобретения, сердечник может далее характеризоваться наличием нескольких выступающих частей на его поверхности, при этом упомянутые выступающие части контактируют с внутренней поверхностью оболочки, фиксируя положение сердечника относительно оболочки.
В таком примере осуществления выступающие части могут предпочтительно быть в форме небольших выпуклостей, при этом кончики небольших выпуклостей контактируют с внутренней поверхностью оболочки, когда рефлектор имеет расчетную рабочую температуру.
Выступающие части являются деформируемыми, и поглощают расширение и сжатие сердечника, не передавая при этом существенных механических напряжений на оболочку.
Предпочтительно, чтобы сам сердечник являлся деформируемым материалом, таким как эластомер.
Как альтернатива конфигурации в предшествующих параграфах, внутренняя поверхность оболочки может иметь несколько направленных внутрь выступов, контактирующих с поверхностью сердечника, когда рефлектор имеет расчетную рабочую температуру.
Число точек контакта между сердечником и внутренней поверхностью оболочки должно составлять по меньшей мере пять, что обеспечивает устойчивое позиционирование сердечника относительно оболочки, но на практике лучше десять.
Отверстия позволяют воде свободно заполнять и покидать объем между оболочкой и сердечником, а когда рефлектор погружается в воду, то вода, поступающая между оболочкой и сердечником, вытесняет воздух, который имелся перед погружением. На практике было установлено, что более эффективно большое число небольших отверстий, распределенных вокруг оболочки, чем одно или небольшое число отверстий. Хорошо действуют 24 отверстия, но 48 отверстий будут снижать также любую тенденцию захвата воздуха между оболочкой и сердечником при погружении рефлектора.
В типичном случае, отверстия имеют диаметр 1 мм, а выступающие части или небольшие выпуклости, рассчитаны так, чтобы обеспечивать заполненный промежуток в 1.3 мм между телом сердечника и внутренней стенкой оболочки, когда оболочка имеет расчетную рабочую температуру. Промежуток будет заполнен водой, когда рефлектор погружается в воду.
Для некоторых применений было бы желательно, чтобы рефлектор оставался относительно невидимым некоторое время после погружения в воду. Для достижения этого, используя рефлектор описанного здесь типа, воздух должен быть сохранен между оболочкой и сердечником до того момента времени, когда предполагается возможность обнаружения рефлектора. Образованием одного отверстия большего размера, скажем, диаметром в 10 мм, и обеспечением того, что оно является наибольшим, когда рефлектор помещается в воду, воздух быстро выталкивается, когда в нем разрушается заглушка.
В качестве альтернативы или, предпочтительно, дополнительно к образованию промежутка между оболочкой и сердечником, как описано в приведенном выше параграфе, эластомерный сердечник может при отливке быть выполнен с отверстием в его центре и проходом, ведущим от центра к внешней поверхности оболочки, что также обеспечивает свободный проход воды в отверстие. Это создает эффект, аналогичный тому, что достигается конструкциями в предыдущих параграфах, когда обеспечивается возможность свободного расширения в отверстие эластомерного или другого деформируемого материала при его нагревании. Когда эластомерный или другой деформируемый материал охлаждается после погружения в воду, вода заполняет отверстие, включая пространство, высвобождаемое при сжатии сердечника. При изменении размеров отверстий в сердечниках различных рефлекторов будут также изменяться и отражающие характеристики рефлекторов, обеспечивая возможность различения одного рефлектора от другого. Диаметр центрального отверстия не следует делать более 10% от проходящего через отверстие диаметра рефлектора, в противном случае свойства рефлектора будут ухудшаться. Сам проход должен составлять в диаметре приблизительно 10 мм, что позволяет выбрасывать воздух при погружении рефлектора в воду. Центральное отверстие может быть успешно использовано для установки небольших нагрузок, таких как устройства мониторинга.
В последующем примере осуществления в качестве альтернативы или, предпочтительно, дополнительно к образованию промежутка между оболочкой и сердечником, как описано в приведенных выше параграфах, рефлектор может иметь отверстия на противоположных сторонах оболочки, сообщающиеся с проходом через центр оболочки, обеспечивая свободный доступ воды в проход и выход из прохода. Использование прохода имеет также то потенциальное преимущество, что позволяет связывать вместе несколько рефлекторов, или же привязывать рефлектор к подводному объекту без необходимости в сетях или каркасах, как описано в публикации WO 2011/012877 или WO 2011/012878.
В каждом из приведенных случаев будет получено наилучшее качество, если материалы оболочки и сердечника выбираются так, что отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находится в диапазоне от 2.5 до 3.4 или в диапазоне кратных им чисел. Реализация, когда кратное значение этого отношения также дает отличные результаты, будет обеспечиваться тогда, когда оболочка из алюминия или оболочка из алюминиевого сплава будет использоваться с материалами сердечника из относительно сжимаемого эластомера, такого как RTV12. Несжимаемые сердечники усложняют проблемы, возникающие из различия в расширении.
Предпочтительно, чтобы отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находилось в диапазоне от 2.74 до 3.4, включительно или в диапазоне кратных им чисел.
Сама морская вода имеет акустическую скорость от 1433 м/с до 1500 м/с, что зависит от ее солености. При комбинировании с материалом из эластомера на базе кремния, например, с эластомером RTV12, который имеет акустическую скорость 1018 м/с, отношение акустической скорости в оболочке из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, к акустической скорости сердечника уменьшается очень незначительно и весьма близко к идеальному отношению. Действительно, морская вода между внутренней поверхностью оболочки и сердечником существенно улучшает акустическую связь между оболочкой и сердечником, приводя даже к лучшему качеству, чем это ожидается.

Изобретатели установили, что оболочка, изготовленная из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, с сердечником из кремниевого эластомера RTV12 создает отличное отражение падающих акустических волн на определенных частотах. Полифталамид, армированный на 25% стекловолокном, продается компанией E.I. du Pont de Nemours and Company под торговым названием Zytel HTN51G25HSL. Можно приобрести и аналогичный полифталамид, армированный стекловолокном, известный под торговой маркой Amadel компании Solvey SA. Polyphthalamides, с более высоким содержанием стекловолокна и предоставляющий более жесткие оболочки, но по мере увеличения содержания стекловолокна увеличивается также хрупкость результирующей оболочки и скорость акустической передачи в оболочке. Для оптимального качества последняя должна быть согласована посредством использования сердечника, имеющего более высокую волновую скорость, чем у самого RTV12.

К другим подходящим неметаллам для образования оболочки относится углеродное волокно, пропитанное эпоксидной смолой, волокно Kevlar (арамид), волокно Zylon [поли(р-фенилен-2,6-бензбисоксазол) или РВО], пропитанное эпоксидной смолой, и полиэтиленовое волокно, пропитанное эпоксидной смолой, (например, Dyneema). Изменением количества волокна в композите может быть отрегулирована в соответствии с применением продольная акустическая скорость в материале. При использовании представленной здесь информации, касающейся наилучшего отношения акустических скоростей оболочки к сердечнику, материал сердечника может быть выбран таким, чтобы обеспечивать наилучшие характеристики.
Оболочка может быть также металлом. Из потенциальных металлических оболочек особенно хороши алюминий и его сплавы, поскольку алюминий отражает около 50% падающих акустических сигналов, при этом остальные сигналы проходят внутрь в сердечник и вокруг внутренней поверхности оболочки. Волны, проходящие по внутренней поверхности оболочки, структурно объединяются с волнами, входящими внутрь сердечника и которые отражаются от задней поверхности сердечника, при этом акустические волны повторно излучаются по направлению к источнику излучения. Алюминиевый сплав 6061Е6 в комбинации с RTV12 имеет продольную акустическую скорость 6299 м/с, морская вода снижает отношение акустических скоростей оболочки к сердечнику и приближает к шести, и оставляет внутри предложенного отношения. В случае сердечника из алюминия или алюминиевого сплава наличие воды между оболочкой и сердечником также существенно улучшает акустическую связь между оболочкой и сердечником, и даже в большей степени, чем в случае оболочки из полифталамида.
При реализации соотношения между продольной скоростью в оболочке и скоростью в сердечнике такого, как здесь было описано, материал сердечника является идеальным материалом, имеющим акустическую скорость как раз выше 1000 м/с; силиконовый каучук PTV12 в полной мере соответствует этому критерию. Таким образом, нет необходимости в добавлении в эластомеры карбоната кальция для подстройки скорости в сердечнике. Эластомеры с добавленным карбонатом кальция являются по своей сущности менее гибкими и могут деформироваться при тепловом расширении.
Ранее также было необходимо для формирования сферической оболочки соединять между собой две полусферические части оболочки круговой сваркой или же склеиванием растворителем и предоставлять средства стравливания давления, предотвращая тем самым декомпрессию с взрывчатым расширением. В рефлекторе настоящего изобретения любое возникновение давления в рефлекторе, вызванное захваченной водой, автоматически предотвращается, поскольку вода может уходить из рефлектора через отверстия. Таким образом, нет необходимости в круговой сварке или в использовании сложных клеев для соединения между собой частей оболочки.
Поэтому дополнительно пример осуществления акустического рефлектора, в котором имеется оболочка, окружающая сердечник, и в котором упомянутая оболочка содержит две полусферы, характеризуется тем, что кромка одной полусферы имеет гребень, а кромка другой полусферы имеет канавку, при этом гребень при соединении двух полусфер входит в зацепление с канавкой. Один из гребней или одна из канавок имеет фиксирующую часть, проходящую в сторону от него (нее), а другой из гребней или другая из канавок имеет стопор, в который входит фиксирующая часть. Когда гребень входит в зацепление с канавкой, фиксирующая часть будет входить в зацепление со стопором и удерживать вместе обе части оболочки. Такая неметаллическая оболочка является намного легче и дешевле в изготовлении, чем неметаллическая оболочка, которая склеивается или сваривается.

2
Если для безопасной работы требуется продемонстрировать способность разрушения при повышенном внутреннем давлении, то фиксирующая конструкция, описанная в предыдущем параграфе, может быть рассчитана так, чтобы разделяться на части, если давление внутри оболочки будет превышать заранее заданное значение. Для полифталамида, армированного стекловолокном, такого как Zytel HTN51G25HSL, это может составлять величину приблизительно от 70 до 100 фунт/дюйм.
В условиях эксплуатации с малыми рисками две части оболочки вместо стопора и фиксатора могут удерживаться между собой просто помещением в сеть.

Металлические оболочки, такие как оболочки из алюминия и алюминиевых сплавов, предпочтительно изготавливаются использованием простого соединения гребня и канавки между двумя половинками оболочки и склеиванием двух половинок между собой, используя традиционный дешевый двухкомпонентный эпоксидный клей, такой как Aradite.
Рефлекторы, в большинстве случаев, являются сферическими, однако они могут быть выполнены в виде трубчатых, яйцевидных, цилиндрических и тороидальных рефлекторов; единственным ограничением на альтернативную форму является то, что поверхность рефлекторов, на которую падает приходящая акустическая волна, должна быть гладкой и не рассеивать приходящую акустическую волну.
Непредвиденно отказалось, что акустические рефлекторы, в соответствии с изобретением, будут передавать и отражать падающие акустические волны на много более низких частотах (ниже 80 кГц и вплоть до 4 кГц), чем, скажем, известные рефлекторы.
-2
В частности, на этих более низких частотах лучшие характеристики достигаются у акустического рефлектора, имеющего материал оболочки с высоким модулем упругости, например, более 15×105 кг-см.
-2
Для оболочки диаметром 300 мм из алюминиевого сплава 6061Т6 толщиной 8.8 мм, который имеет модуль упругости 15×105 кг-см, и с сердечником из RTV12 полный отклик в - 3 дБ был получен на частоте 62 кГц, что лучше, чем любой другой отклик, зарегистрированный для подводного пассивного акустического рефлектора. Из потенциальных металлических оболочек особенно хороши алюминий и его сплавы. Сталь является проблематичным материалом из-за своей тенденции к коррозии в морской воде, и из-за того, что большая часть падающего акустического излучения отражается от передней поверхности оболочки. Сферы большего диаметра работали бы даже лучше, однако они более дороги в изготовлении. Сферы, которые имеют диаметр менее 200 мм, работают менее хорошо при низких частотах, а диаметр 100 мм является, вероятно, нижней границей для подводных работ, поскольку частота, на которой рефлектор будет давать отклик, заметно возрастает ниже этого значения диаметра.
На более высоких частотах, свыше 100 кГц, следует использовать оболочки с меньшим значением модуля упругости, такие как полифталамиды, армированные стекловолокном. Полный отклик в - 4 дБ был достигнут на частоте 160 кГц при использовании оболочки диаметром 200 мм из полифталамида, армированного стекловолокном, с сердечником из RTV12 и промежутком в 1.3 мм между внутренней стенкой оболочки и сердечником, при этом пиковые отклики возникали также на более высоких частотах.

Изобретение работает при использовании оболочки из алюминия или алюминиевого сплава толщиной между 6 мм и 30 мм, несмотря на то, что при толщине свыше 15 мм вес и стоимость повышаются настолько, что более толстые оболочки не являются разумными. При толщине ниже 6 мм оболочки из алюминия или его сплавов становятся излишне гибкими. Для оболочек из Zytel, армированного на 25% стекловолокном, разумные толщины оболочек находятся в диапазоне от 4 мм до 15 мм. Для каждой конструкции необходима определенная степень оптимизации. Однако для оболочек из алюминия и его сплавов или из Zytel, армированного на 25% стекловолокном, хорошим компромиссом является, по-видимому, 8.8 мм. Оптимизация достигается тестированием разнообразных рефлекторов с различным диаметром и толщиной оболочки в зависимости от частоты интересующих акустических волн.
Сердечник может быть из кремниевого эластомера RTV12, хотя могут быть использованы и другие эластомеры.
Ранее для установки акустических рефлекторов на своих местах были предложены сетки или каркасы. Однако в последующем примере осуществления изобретения вставляется стержень в отверстие в оболочке акустического рефлектора того типа, который был описан выше. Стержень может быть конусообразным с одного конца, который приклеен или приварен трением на своем месте. В альтернативном варианте, и предпочтительно, снаружи на одном конце стержня нарезана резьба, и упомянутый конец ввинчивается в отверстие, имеющее внутреннюю резьбу, в акустическом рефлекторе типа, описанного в этом изобретении. Эта конструкция имеет специфическое преимущество из-за того, что поскольку давление внутри оболочки является таким же самым, что и давление окружающей морской воды, то стержень не требует уплотнения с оболочкой. Конусообразное отверстие следует делать больше, чем любые другие отверстия в оболочке. Стержень может быть использован как часть средства, которое удерживает рефлектор на своем месте, как описано ниже.
В каждом из примеров осуществления, упомянутом в предыдущем параграфе, другой конец стержня должен быть выполнен так, чтобы он вставлялся в маркируемый объект, или располагался в некотором определенном положении. Обычно этот конец стержня следует делать с внешней резьбой, с тем, чтобы его можно было бы ввинтить в установочную позицию на объекте или в базу на морском дне.
В идеале, стержень выполняется из того же самого материала, что и оболочка, для минимизации разрыва акустической волны, бегущей вокруг стенки оболочки. Однако если оболочка выполнена из металла, такого как алюминиевый сплав, а стержень был выполнен из того же самого металла, то для предотвращения электролитической коррозии следует позаботиться о том, чтобы устанавливать его на маркируемом объекте из другого материала.
Некоторые гидролокационные системы излучают отдельные акустические импульсы, которые имеют большую длительность; импульсы с большой длительностью применяются, в частности, в гидролокаторах, которые используют отраженный сигнал для сбора аналитической информации об отражающем объекте. Когда такие гидролокаторы используются совместно с известными рефлекторами, то эхо-сигнал, непосредственно отраженный от передней поверхности оболочки рефлектора, может маскировать акустический сигнал, полученный в результате отражения акустических волн, которые вошли в оболочку, что приводит к потере полезной информации идентификации о самом рефлекторе.
Поэтому акустический рефлектор предоставляется совместно с импульсным подводным акустическим источником, где длительность импульсов и интервал между импульсами является меньше, чем удвоенное расстояние от точки входа акустической эмиссии в сердечник рефлектора, деленное на акустическую скорость в сердечнике. В случае сферического акустического рефлектора длительность импульсов и интервал между импульсами составляет, таким образом, удвоенный диаметр сферы, деленный на акустическую скорость. В этом случае акустическая волна, отраженная от внутренней поверхности рефлектора, будет "слышима" и не будет подавляться отражениями от передней поверхности оболочки. Более короткие импульсы этого типа могут быть скомбинированы с более длинными импульсами при условии, что короткие импульсы возникают достаточно часто, обеспечивая возможность идентификации рассматриваемого рефлектора.
Было установлено, что в некоторых применениях с акустическими рефлекторами могут перед погружением в воду очень грубо обращаться, что приводит к повреждению оболочки. Такое повреждение может привести к ухудшенным характеристикам рефлектора при его использовании или к раскалыванию всей оболочки целиком. Это особенно справедливо для неметаллических оболочек. Соответственно, в последующем развитии изобретения акустический рефлектор характеризуется тем, что имеет покрытие, содержащее один или более слоев полиуретана по внешней поверхности оболочки.
Другие особенности изобретения устанавливаются в формуле изобретения.
Фиг.1А, Фиг.1B и Фиг.1C показывают компоненты акустического рефлектора, выполненного из алюминиевого сплава 6061Т6, в соответствии с изобретением;
Фиг.2 является поперечным сечением акустического рефлектора, выполненного с использованием компонентов, показанных на Фиг.1А-Фиг.1C;
Фиг.3 иллюстрирует компоненты алюминиевого сплава 6061Т6;
Фиг.4 показывает компоненты альтернативного примера осуществления изобретения, в котором материал оболочки акустического рефлектора выполнен из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном;
Фиг.5 показывает сечение акустического рефлектора, описанного на Фиг.1 и Фиг.2, с вставленным установочным стержнем;
Фиг.6 показывает использование установочных стержней, при котором акустические рефлекторы, в соответствии с изобретением, предоставляют простую информацию положения под водой;
Фиг.7 показывает использование стержня совместно с настоящим изобретением для создания акустического отклика в форме буквы;
Фиг.8 является поперечным сечением сферического акустического рефлектора, имеющего центральное отверстие, с оболочкой из алюминиевого сплава;
Фиг.9 является поперечным сечением акустического рефлектора, имеющего центральное отверстие, в котором материал оболочки акустического рефлектора представляет собой полифталамид, армированный на 25% стекловолокном;
Фиг.10 является поперечным сечением акустического рефлектора, в соответствии с изобретением, с центральным проходом;
Фиг.11А и Фиг.11B показывает использование трубчатого маркера настоящего изобретения, помечающего трубопровод, при этом Фиг.11B является сечением по линии С-С' Фиг.11А;
Фиг.11С и Фиг.11D показывает использование трубчатого маркера настоящего изобретения для маркировки газового трубопровода, при этом Фиг.11D показывает более детально сечение части трубчатого маркера;
Фиг.12А и Фиг.12B показывает тороидальный маркер, в соответствии с настоящим изобретением; при этом Фиг 12А является сечением по линии А-А Фиг.12B;
Фиг.13 показывает использование тороидального маркера для мониторинга размывания;
Фиг.14 иллюстрирует использование коротких импульсов передачи от акустического источника в комбинации с более длительными импульсами для возможности идентификации акустического рефлектора;
Фиг.15 иллюстрирует частотную характеристику подводного акустического рефлектора с оболочкой из алюминиевого сплава (6061Т6) и сердечником из RTV12, в соответствии с этим изобретением, построенного в соответствии с Фиг.1 и Фиг.2;
Фиг.16 сравнивает эхо-сигналы на низких частотах от передней и задней поверхности рефлектора, пример которого представлен на Фиг.15;
Фиг.17 сравнивает эхо-сигналы от передней и задней поверхности рефлектора, пример которого представлен на Фиг.4С, на различных низких частотах;
Фиг.18 сравнивает эхо-сигналы на различных частотах от передней и задней поверхности рефлектора, пример которого представлен на Фиг.4С, на более высоких частотах, и сравнивает результаты с данными моделирования; и
Фиг.19 аналогична Фиг.18, но показывает полную частотную характеристику рефлектора и сравнивает ее с данными моделирования.
На Фиг.1А-Фиг.1C показаны компоненты акустического рефлектора (10 на Фиг.2) для использования под водой, в соответствии с этим изобретением. Две полусферы 13 и 14 образуют оболочку 12 сферического акустического рефлектора. Полусферы выполнены из алюминиевого сплава 6061Т6. Сердечник 16 рефлектора отлит из RTV12 и показан на Фиг.1C. Диаметр сердечника 16 является таким, что он при окружающей температуре весьма незначительно меньше, чем внутренний диаметр оболочки, когда две полусферы 13 и 14 собираются вместе. Сердечник 16 имеет несколько выступающих вверх небольших выпуклостей 18, равномерно распределенных вокруг наружной поверхности сердечника. На практике, необходимо минимум пять небольших выпуклостей, но в производстве успешно использовались от восьми до десяти выпуклостей. Эти небольшие выпуклости имеют высоту приблизительно 1.3 мм.
В полусферах 13 и 14 образовано одно или более отверстий 20. Предпочтительно, чтобы было образовано большое число небольших отверстий, каждое диаметром от 1 до 2 мм, для обеспечения того, что весь внутренний воздух выйдет наружу из рефлектора, когда рефлектор погружается в воду, и того, что вода заполнит любой промежуток между внутренней поверхностью оболочки и сердечником. Можно было бы использовать два отверстия большего диаметра, приблизительно в 10 мм, однако возникает опасность того, что одно из отверстий будет перекрыто, когда рефлектор будет опущен на морское дно. В этом примере всего образовано двадцать четыре отверстия, но удовлетворительно будут работать и сферы, имеющие более десяти отверстий, хотя большее число обеспечивает улучшенный доступ воды и продувку воздуха при погружении рефлектора в воду.
По кромке 24 одной из полусфер 13 имеется гребень 22. По кромке 28 другой полусферы 14 образована канавка 26, в которую входит гребень 22, когда полусферы 13 и 14 собираются в одно целое.
RTV12 для сердечника 16 является смесью из двух частей и первоначально заливается в профилированную литейную форму для образования сердечника с небольшими выпуклостями и отверждается традиционным путем. Литейная форма переполняется, покидая литник, что снижает возможность образования трещин. Литник затем обрезается, как только сердечник отвердеет. После этого сердечник 16 из RTV12 помещается в одну из полусфер, например, 14. Затем другая полусфера, например, 13, устанавливается над сердечником 16, при этом гребень 22 полусферы 13 входит в зацепление с канавкой 26, имеющееся на полусфере 14. Более подробно это можно увидеть на Фиг.2. Небольшие выпуклости 18 удерживают сердечник 16 в центральном положении внутри оболочки 12, при этом между внутренней поверхностью оболочки 12 и сердечником 16 имеется промежуток 19.
Когда собранный рефлектор погружается в воду, вода проникает через отверстия 20, заполняя промежуток 19. Следует заметить для ясности, что рисунки представлены не в масштабе, а на Фиг.2 промежуток 19 в действительности является более тонким, чем это кажется на рисунках, и обычно составляет приблизительно 1.3 мм.
Хотя сердечник 16 в этом примере выполнен из RTV12, могут быть использованы сердечники и из других эластомеров, хотя их специфические характеристики будут отличаться от тех, которые показаны в этой спецификации.
Сфера, когда она изготовлена клейкой с использованием стандартного клея из эпоксидной смолы, удобна для соединения алюминиевых компонентов: подходит Araldite 2000 Plus™. Существенно то, что весь воздух будет удален из соединения.
Было установлено, что полезно покрыть сердечник 16 анти-загрязняющим соединением для предотвращения накопления вещества в промежутке 19. В настоящее время существует десять анти-загрязняющих соединений, которые допускается использовать в морских условиях эксплуатации.
В теории, сталь потенциально также применима для образования оболочки, показанной на Фиг.1 и Фиг.2, но это было отвергнуто, во-первых, потому, что очень большая часть любой падающей акустической волны отражается от передней поверхности, образуя относительно слабый эхо-сигнал от задней поверхности, из-за чего этот рефлектор плохо распознается гидролокатором. И, во-вторых, из-за проблем коррозии под водой. Более подходящей представляется латунь, но она намного дороже и слишком обременительна в использовании.
Как было указано ранее, для получения наилучшей комбинации толщины оболочки и диаметра оболочки необходима оптимизация для любой конкретной прикладной задачи. Но, как видно из Фиг.15 и Фиг.16, сферическая оболочка диаметром 300 мм из 6061Т6 с толщиной стенки 8.8 мм хорошо работает на частотах ниже 80 кГц.
На Фиг.3 показываются компоненты алюминиевого сплава 6061Т6. Ряд компонентов, например, кремний и цинк, имеют акустические скорости существенно более низкие, чем в алюминии. Повышением содержания этих материалов в сплаве может быть понижена акустическая скорость в оболочке, выполненной из алюминиевого сплава. С другой стороны, бериллий (не используемый в алюминиевом сплаве 6061) имеет значительно более высокую акустическую скорость, и мог бы быть добавлен для повышения акустической скорости, если бы это было необходимо, однако это не является желательной альтернативой из-за очень высокой стоимости алюминий - бериллиевых сплавов.
Комбинация оболочки из алюминиевого сплава 6061Т6 и сердечника из RTV12 имеет отношение акустической скорости в оболочке к акустической скорости в сердечнике 6.11:1. Наличие воды в промежутке 19 (см. Фиг.2) будет понижать это отношение приблизительно до 6.0, что зависит от соответствующей солености воды. Наилучшая характеристика получается в случае, когда материалы оболочки и сердечника выбираются так, что отношение скорости передачи звуковой волны в оболочке к средней скорости передачи волны в сердечнике находится в диапазоне от 2.5 до 3.4. Установлено, что кратное значение отношения также обеспечивает хорошую работу, устраняя необходимость использования материала сердечника, отличного от не модифицированного RTV12, в комбинации с алюминием или алюминиевым сплавом, или необходимость регулировать содержимое алюминиевого сплава, отходя от одного из стандартных, имеющихся в продаже сплавов. Характеристика этого рефлектора, как обсуждается далее со ссылками на Фиг.15 и Фиг.16, ясно демонстрирует, что существует определенное отношение, являющееся кратной величиной предпочтительного отношения в диапазоне от 2.74 до 3.4, которое предоставляет отличную, поистине неожидаемую, характеристику при запросе падающими акустическими волнами с частотой ниже 100 кГц.

2
На Фиг.4А - Фиг.4С иллюстрируются компоненты акустического рефлектора, оболочка которого выполнена из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, продаваемого под торговой маркой Zytel HTN51G25HSL компанией E.I. du Pont de Nemours; эти компоненты идентичны компонентам, показанным на Фиг.1А - Фиг.1C, за исключением различия в материалах оболочки и наличия периферической выступающей части или фиксатора 30 по одной лицевой поверхности гребня 22 и соответствующего стопора 32 на лицевой поверхности соответствующей стенки канавки 26, куда входит фиксатор 30. Когда две полусферы 13 и 14 собираются в одно целое вокруг сердечника, периферический фиксатор 30 входит в зацепление со стопором 32, как можно видеть на Фиг.4С.Фиксатор 30 может быть выполнен таким, что он будет ломаться, если давление внутри оболочки превысит заранее заданный минимум, например, между 70 и 100 фунт/дюйм, обеспечивая отделение двух полусфер 13 и 14 одна от другой, если это требуется для подтверждения и сертификации безопасности. Однако поломка рефлектора, в соответствии с этим изобретением, возникающая в результате увеличения давления внутри самого рефлектора, не была известна. Тот же самый эффект сброса давления, если это необходимо, достигается конструкцией из алюминиевого сплава, как на Фиг.1 и Фиг.2, разрушением эпоксидного склеивания, если давление внутри рефлектора превысит тот же самый заранее заданный минимум.

Изобретатели установили, что оболочка, выполненная из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, как показано на Фиг.4, с сердечником из кремниевого эластомера RTV12 обеспечивает превосходное отражение падающих акустических волн на определенных частотах. Полифталамид, армированный на 25% стекловолокном, продается под торговой маркой Zytel HTN51G25HSL компанией E.I. du Pont de Nemours. Доступен и обеспечивает более жесткие оболочки аналогичный полифталамид, армированный стекловолокном, известный под торговой маркой Amadel компании Solvey SA. Polyphtalamides, с более высоким содержанием стекловолокна, однако при увеличении содержания стекловолокна повышаются также хрупкость изготовленной оболочки и скорость акустической передачи в оболочке. Для оптимального качества эта скорость должна быть подобрана использованием сердечника, имеющего более высокую волновую скорость, чем в самом RTV12.

Другие подходящие неметаллы для образования оболочки по Фиг.4 включают углеродное волокно, пропитанное эпоксидной смолой, волокно Kevlar (арамид), волокно Zylon [поли(р-фенилен-2,6-бензбисоксазол), или РВО], пропитанное эпоксидной смолой, и полиэтиленовое волокно, пропитанное эпоксидной смолой (например, Dyneema). Изменением содержимого волокна в композите скорость звука может быть настроена в соответствии с применением. При использовании изложенной здесь информации, касающейся наилучших отношений акустической скорости в оболочке к акустической скорости в сердечнике, можно выбрать материал сердечника так, что он будет обеспечивать наилучшую характеристику. Возможны также дешевые оболочки с низким ожидаемым сроком службы, использующие Nylon 6.
Как было указано ранее, для любой определенной прикладной задачи необходима некоторая степень оптимизации для достижения наилучшей комбинации толщины оболочки и диаметра оболочки. Но сферическая оболочка диаметром 300 мм и толщиной 8 мм из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, опрашиваемая с использованием относительно низких акустических частот, создает эхо-сигналы от передней и задней поверхности, как показано на Фиг.17. Эти эхо-сигналы меньше, чем те, что получаются при использовании оболочки из алюминиевого сплава на Фиг.1 и Фиг.2, но все еще существенно лучше, чем у любых конкурирующих изделий.
Рефлектор по Фиг.4 работал лучше, чем оболочка из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, из публикации WO 2011/012877, что является результатом лучшей связи между оболочкой и сердечником, полученной в этом изобретении, по сравнению со связью в структуре из публикации WO 2011/012877. На частотах свыше 100 кГц он также работал лучше, чем рефлекторы по Фиг.1 и Фиг.2, но менее хорошо - на частотах ниже 100 кГц.
Повреждение неметаллической оболочки происходит тогда, когда оболочка хранится на берегу или на палубе корабля. Это повреждение может быть уменьшено покрытием оболочки полиуретаном, который акустически хорошо согласуется с морской водой, хотя необходимо уделять внимание тому, чтобы не были перекрыты отверстия.
На Фиг.5 показаны две полусферические половинки 13 и 14 оболочки рефлектора 12 сферического акустического рефлектора, в соответствии с изобретением, описанным на Фиг.1 и Фиг.2. Другие идентичные особенности подробно не описаны, однако они могут быть определены при ссылке к Фиг.1 и Фиг.2. Одна полусферическая половинка 13 оболочки 12 содержит отверстие 34 с внутренней резьбой. Внутренняя резьба 36 отверстия свинчивается с внешней резьбой 42 на одном конце стержня 40. Другой конец стержня 40 с внешней винтовой резьбой может быть ввинчен в надлежащее гнездо с внутренней резьбой для установки акустического рефлектора по месту. В идеале, стержень 40 выполняется из того же самого материала, что и оболочка 12 акустического рефлектора.
Тепловое расширение на Фиг.1 - Фиг.4 может быть дополнительно обеспечено распределением многих небольших пузырьков газа в сердечнике, при этом пузырьки сжимаются и поглощают тепловое расширение сердечника.
Вместо небольших выступов 18 и промежутка 19, показанных на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.4, на внешней поверхности сердечника 16 могут быть образованы несколько щелей или выемок. Каждая из этих щелей или выемок совмещена с одним или несколькими отверстиями 20 в оболочке, через которые воздух может входить в щели и выходить из щелей, по мере того как сердечник термически расширяется или сжимается. Стоит лишь попасть в воду, как вода поступает в щели, и воздух выталкивается из щелей через отверстия в оболочке.
На Фиг.5 показаны две полусферические половинки 13 и 14 оболочки 12 сферического акустического рефлектора, который представлен на Фиг.1 и Фиг.2. Различные идентичные особенности подробно не описываются, но могут быть поняты со ссылками на Фиг.1 и Фиг.2. Одна из полусферических половинок 13 оболочки 12 содержит отверстие 34 с внутренней резьбой. Внутренняя резьба 36 отверстия свинчивается с внешней резьбой 42 на одном из концов стержня 40. Другой конец стержня 40 с нарезанной наружной резьбой может быть ввинчен в соответствующее гнездо с внутренней резьбой для установки акустический рефлектор по месту.
Стержень 40 выполнен из того же самого материала, что и оболочка 12 акустического рефлектора. Таким образом, стержень 40, показанный на Фиг.5, должен бы быть из алюминиевого сплава 6061Т6; если оболочка будет того типа, что показан на Фиг.4, то стержень должен бы быть из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном.
Фиг.6 иллюстрирует пример использования стержня по Фиг.5. Два одинаковых акустических рефлектора 50 того типа, что изображен на Фиг.5, установлены под водой завинчиванием стержней 40 такого же типа, что показан на Фиг.5, в отверстие с внутренней резьбой в оболочке этих рефлекторов. Другие концы ввинчиваются в гнезда 44 на каждом конце поперечного плеча 46 монтажного устройства 48 в форме трезубца, закрепленного на морском дне 52, например, между опорами платформы нефтяной вышки (не показано). Кроме того, акустический рефлектор 51 большего размера и того же самого типа смонтирован дополнительно на вертикальном стержне 40, установленном в дополнительном гнезде 44 на поперечном плече 46 трезубца 48 посредине между двумя акустическими рефлекторами 50 меньшего размера. Рефлектор 51 установлен в воде несколько выше, чем рефлекторы 50. Рефлекторы 50 и 51 являются рефлекторами того же типа, что показан на Фиг.1 и Фиг.2, с отверстиями в оболочке, обеспечивающими свободный доступ воды внутрь промежутка между сердечником и оболочкой.
Гидролокационная антенна 54, прикрепленная к погружаемому аппарату, обращается к акустическим рефлекторам 50 и 51 передачей широкополосных гидролокационных сигналов 56. Частотная составляющая отраженных от акустических рефлекторов сигналов изменяется в соответствии с диаметром рефлекторов, при этом меньшие рефлекторы дают отраженную акустическую волну 58, имеющую в общем случае более высокие частоты, чем отраженные акустические волны 59 от большего рефлектора 51. Эти сигналы при приеме их погружаемым аппаратом могут быть проанализированы обычным образом, когда мощность отраженных акустических волн и углы падения предоставляют информацию, относящуюся к расстоянию до рефлекторов 50 и 51. Данные о размерах трезубца 48 и длинах поперечных плеч 46 и стержней 40 могут быть использованы для очень точного вычисления положения погружаемого аппарата относительно трезубца 48.
Эта конфигурация имеет одно другое интересное преимущество. Хорошо известно, что гидроакустические сигналы с короткой длиной волны затухают более быстро, чем гидроакустические сигналы с более длинными волнами. Из этого ясно, что отраженный сигнал 59 от рефлектора 51 может быть "услышан" погружаемым аппаратом на много большем расстоянии, чем отраженные от рефлекторов 50 сигналы 58 с короткой длиной волны. Таким образом, начальное наведение погружаемого аппарата на целевой объект, помеченный трезубцем 48, может быть сделано на базе отраженного от рефлектора 51 акустического сигнала 59. По мере приближения погружаемого аппарата к трезубцу 48 будут приниматься отражения от двух меньших рефлекторов 50 и в результате будет обеспечено точное управление направлением движения погружаемого аппарата к цели своего назначения.
В другой конфигурации несколько акустических рефлекторов того типа, что были описаны здесь, могут быть одинаковыми по размеру и установлены так, что будут образовывать очертание буквы и/или чисел. Таким способом под водой может быть помечен определенный объект, например, отражением идентификационного кода в форме комбинации буква/число. Если для идентификации буквенно-числовой комбинации используется гидролокатор бокового обзора, то раму для монтажа рефлекторной установки в случае буквы/числа необходимо устанавливать под углом к вертикали. Большинство систем гидролокаторов бокового обзора устанавливаются так, чтобы сканировать приблизительно в диапазоне 45° к горизонтали; поэтому для наилучшей идентификации при таком использовании гидролокатора рама должна быть установлена таким образом, чтобы очертание буквы/числа отражалось рефлекторами также под углом 45° к горизонтали.
На Фиг.7 показана рама 60 с очертанием А-образной формы, которая установлена на морском дне 52 перед частью буровой установки 62 так, что плоскость буквы А находится по углом 45° к горизонтали. Рама 60 и вертикальные элементы 62, которые удерживают ее на морском дне, выполнены из пластмассы. Действительная характеристика пластмассы не является определяющей, лишь только бы она являлась жесткой, устойчивой к воздействию морской воды и имела низкую акустическую отражательную способность;
подходящим материалом является полиуретан, поскольку он почти прозрачен для подводных акустических волн.
На верхней части рамы в точках, очерчивающих основную форму буквы А, установлены серии гнезд 44 с внутренней резьбой. В гнезда входит конец стержня 40 с внешней резьбой, тип которого представлен на Фиг.5.
Стержни перпендикулярны к А-раме 60. Другие концы стержней 40 ввинчены в отверстия с внутренней резьбой сферических акустических рефлекторов 64 того типа, который описан на Фиг.5. Другие аналогичные рефлекторы 66 (которые могут иметь отличные от рефлекторов 64 диаметры) помечают маршрут по направлению к А-раме 60, по которому должен следовать погружаемый аппарат 70. Сам погружаемый аппарат имеет гидролокатор бокового обзора под углом 45°, испускающий широкополосные гидроакустические сигналы 68. Переданные сигналы будут отражаться акустическими рефлекторами 64, при этом отраженная акустическая волна будет направлена обратно к погружаемому аппарату под углом 45° к горизонтали, в результате чего каждый из акустических рефлекторов создает отраженные сигналы, которые на приемнике погружаемого аппарата представляются одинаково сильными.
Если используемые гидроакустические системы являются гидролокаторами нижнего обзора, то раму следует устанавливать не под углом, а горизонтально.
На Фиг.8 показывается пример осуществления изобретения, в котором акустический рефлектор 10 имеет центральное отверстие. Общая структура рефлектора является такой же, как и на Фиг.1 и Фиг.2, однако в этом случае от промежутка 19 к центральному отверстию 23 в сердечнике 16 ведет проход 21 диаметром приблизительно 10 мм. Другие части являются такими же, как это обсуждалось применительно к Фиг.1 и Фиг.2.
Когда рефлектор погружается в воду, вода проникает в промежуток 19, проход 21 и заполняет отверстие 23. При условии, что диаметр отверстия 23 не превышает 10% диаметра рефлектора, наличие воды в полости 23 создает небольшое различие по общей характеристике рефлектора, но будет изменять частоту, на которой возникает пиковый отклик, обеспечивая возможность настройки рефлектора.
Изображение на Фиг.9 почти идентично изображению на Фиг.8, за исключением того, что оболочка акустического рефлектора выполнена из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном. Компоненты этого рефлектора, в общем, идентичны компонентам, показанным на Фиг.4С, однако здесь имеется проход 21 диаметром приблизительно 10 мм, ведущий от промежутка 19 к центральному отверстию 23 в сердечнике 16. Другие части являются такими же, как и на Фиг.4А-4С. На Фиг.10 показывается дальнейшее изменение рефлектора, который представлен на Фиг.1 и Фиг.2. Здесь рефлектор 10 имеет проход 25 диаметром приблизительно 100 мм, проходящий в диаметральном направлении через сердечник 16. Оболочка 12 имеет два отверстия 24, каждое из которых расположено напротив точек входа в проход 25. Эти отверстия 24 несколько шире, приблизительно на 10 мм, чем другие отверстия 20 в оболочке. Через отверстия 24 и проход 25 может проходить шнур (не показан), например, из нейлона, который может быть использован для помощи в укладке, размещении или удержании положения рефлекторов 10, или для привязи рефлекторов один к другому.
На Фиг.8 - Фиг.10 небольшие выпуклости 18 и промежутки 19 могут быть исключены, так что внешняя сторона сердечника будет соприкасаться с внутренней поверхностью оболочки. Хотя эта конфигурация все еще будет обеспечивать тепловое расширение сердечника, акустическая связь сердечника с оболочкой будет менее хорошей, чем акустическая связь в показанной конфигурации, и поэтому не является предпочтительным направлением реализации изобретения.
На Фиг.11 - Фиг.13 иллюстрируется конструкция и применение несферических рефлекторов. В каждом случае рефлектор имеет круглое поперечное сечение и устанавливается и ориентируется так, что гидролокатор может запрашивать ту часть оболочки, которая образует периферическую поверхность круглого поперечного сечения.
На Фиг.11А показывается схематичное изображение части трубопровода 150, оснащенной рядом удлиненных трубчатых рефлекторов, или маркеров, 152, каждый из которых соответствует изобретению, при этом каждый имеет открытую на концах трубчатую оболочку 153. Фиг.11B является поперечным сечением рефлектора 152. Сердечник 154 маркеров 152 представляет собой удлиненную твердую трубчатую секцию из кремниевого эластомера, но вместо небольших выпуклостей, как показано на Фиг.1, сердечник 154 был получен штамповкой с ребрами, проходящими вдоль его наружной поверхности, для фиксации его по месту внутри трубчатой оболочки. Вода может входить в образованные таким образом промежутки 157 между сердечником 154 и оболочкой 153, аналогично тому, как было описано выше на Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.4.

Открытые концы 156 маркеров 152 позволяют воде свободно входить в промежутки 157 и выходить из них. Если маркеры 152 имеют металлические оболочки, то их следует изолировать от секций трубопровода 150 обычными, электрически изолирующими кронштейнами 158, но это не будет необходимо в более традиционном случае, когда цилиндрические оболочки 153 выполнены из Zytel или другого непроводящего материала. Секция трубопровода 150 имеет обычные концевые фланцы 160 с отверстиями, обеспечивающими возможность болтового соединения с другой секцией трубопровода. Секция трубопровода с маркерами может быть предварительно изготовлена на поверхности и подсоединена посредством болтовых отверстий во фланцах 160 к другому аналогично оснащенному трубопроводу. Подобным образом, линия трубопроводов, оснащенных акустическими маркерами, может быть смонтирована, как часть обычного процесса укладки подводного трубопровода. В качестве альтернативы или в дополнение к этому сердечник 153 может быть выполнен с центральным проходом, в который может свободно поступать вода. Однако наличие промежутка 157, заполненного водой, обеспечивает намного лучшую акустическую связь между оболочкой 153 и сердечником 154, чем было бы в противном случае.
Хотя трубчатые маркеры на Фиг.11А и Фиг.11B были описаны применительно к секции трубопровода, эти маркеры могут быть применены к другим объектам, таким как платформы нефтяных вышек, платформы для проживания рабочих на море и другим объектам, размещаемым под водой. Для использования совместно с гидроакустическими системами, которые применяются в нефтяной или газовой промышленности, рефлекторы должны в типичном случае иметь в диаметре приблизительно 100 мм и быть с оболочкой из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, поскольку оболочки из алюминия или алюминиевых сплавов работают не столь хорошо на используемых частотах. Оболочка могла бы быть выполнена из двух продольных половинок с сердечником, установленным в одной половинке, а две половинки соединены таким же самым образом, что обсуждался применительно к сферической оболочке на Фиг.4.
На Фиг.11С представлено схематичное изображение пластикового газового трубопровода 161, оснащенного несколькими удлиненными трубчатыми рефлекторами, или маркерами, 162, каждый из которых соответствует изобретению. На Фиг.11D представлено поперечное сечение рефлектора 162. Каждый рефлектор, или маркер, 162 имеет открытую на концах трубчатую оболочку 163. Сердечник 164 маркеров 162 является удлиненной твердой трубчатой секцией кремниевого эластомера, полученный штамповкой с ребрами, проходящими по длине его наружной поверхности, для фиксации сердечника по месту внутри трубчатой оболочки. При этом вода может входить в промежутки 167, образованные таким образом между сердечником и оболочкой, аналогично тому, как было описано ранее.
Трубчатые рефлекторы, или маркеры, 162 устанавливаются поблизости, но отдельно от газового трубопровода 161, на обычных опорах 168. В качестве альтернативы или в дополнение к этому сердечник 164 может быть выполнен с центральным проходом, в который может свободно поступать вода. Однако из-за наличия промежутка 167, заполненного водой, обеспечивается намного лучшая акустическая связь между цилиндрической оболочкой 163 и сердечником 164, чем было бы в противном случае.
При работе маркеры по Фиг.11А-Фиг.11D действуют точно таким же образом, как и другие описанные здесь маркеры. Акустические волны, переданные от акустического источника, падают на трубчатый маркер 152 или 162. Часть волны проходит через оболочку 153 или 163 в сердечник 154 или 164, где она проходит через сердечник и отражается от стенки оболочки напротив входа обратно через сердечник. Часть волны проходит вокруг стенки оболочки и структурно объединяется с частью волны, которая была передана через сердечник, повторно излучаясь наружу по направлению к источнику исходной акустической волны.
Хотя трубчатые маркеры на Фиг.11А - Фиг.11D были описаны применительно к секции трубопровода, эти маркеры могут быть применены к другим объектам, таким как платформы нефтяных вышек, платформы для проживания рабочих на море и другим объектам, размещаемым под водой. Для использования совместно с гидроакустическими системами, которые применяются в нефтяной или газовой промышленности, рефлекторы должны в типичном случае иметь в диаметре приблизительно 100 мм и быть с оболочкой из полифталамида, армированного на 25% стекловолокном, поскольку оболочки из алюминия или алюминиевых сплавов работают не столь хорошо на используемых частотах. Оболочки 153 или 163 могли бы быть выполнены из двух продольных половинок с сердечником, установленным в одной половинке, а две половинки соединены таким же самым образом, что обсуждался применительно к сферической оболочке на Фиг.4.
Реализация, при которой пластиковый газопровод или другие не ферромагнитные трубопроводы могут быть помечены подобным образом, является особенно важным достижением, поскольку неизвестен другой эффективный по стоимости путь удовлетворительной их пометки, как только трубопроводы будут уложены под водой, с тем чтобы их можно было в дальнейшем отслеживать. Ферромагнитные трубопроводы можно отслеживать с использованием их магнитных сигнатур.
Другой пример осуществления изобретения показан на Фиг.12А и Фиг.12B. Тороидальный маркер 170 построен в соответствии с принципами, описанными ранее. Этот маркер имеет оболочку 174, состоящую из двух секционированных половинок 172 и 173 с полукруглым поперечным сечением, соединенных клеевым соединением гребня 177 и канавки 178. Тороидальный сердечник 176 образован из сформованного эластомера и имеет небольшие выпуклости 180 на его внешней поверхности для контакта с внутренней поверхностью оболочки и образования промежутка 182 между внутренней стенкой оболочки и сердечником; обычно этот промежуток составляет приблизительно 1.3 мм. Оболочка 174 имеет несколько отверстий 175, которые при погружении маркера в воду обеспечивают свободный проход воды с внешней стороны оболочки 174 в сердечник 176. Промежуток 182 образует объем, внутри которого сердечник может расширяться при нагревании, и внутрь которого вода и воздух могут свободно поступать и из которого -могут свободно удаляться.
Оболочка в этом примере является алюминием или алюминиевым сплавом, хотя могут использоваться любые альтернативы, упомянутые применительно к предыдущим примерам.
Акустические волны, переданные от акустического источника, падают на внешнюю поверхность маркера 170. Эти волны частично отражаются и частично повторно излучаются из маркера.
В этом случае небольшие выпуклости могут быть заменены сформованными ребрами, такими же, как ребра 157, 167 на Фиг.11А и Фиг.11D.
На Фиг.13 показана нижняя часть 190 опоры, такой как бык моста, проходящая в морском дне 192 ниже поверхности 191. Вокруг опоры 190 ниже морской поверхности установлены серии тороидальных акустических маркеров 194А, 194B, 194С и 194D, как описано со ссылками на Фиг.12А и Фиг.12B. Эти маркеры 194А и 194B над морским дном могут быть использованы для индикации опоры 190. Течения будут размывать морское дно преимущественно вокруг опоры 190, понижая со временем уровень морского дна до 196, обнажая маркер 194С, который первоначально находился ниже морского дна. Обнаружение этого маркера 194С при запросе гидролокатором будет предоставлять ранее предупреждение о размывании и о необходимости возможного осмотра.
Размывание продолжается, и морское дно понижается далее, как показано линией 198, обнажается следующий маркер 194D, который может указывать на то, что развилась потенциально опасная ситуация и может стать необходим срочный осмотр.
Тороидальный маркер 170 может быть установлен на опоре с использованием одного или нескольких стержней того же типа, что был описан на Фиг.5, и выполненных из того же самого материала, что и оболочка.
Для некоторых секретных и военных применений может быть будет желательно, чтобы рефлектор оставался сравнительно невидимым в течение некоторого времени после установки в воде. Для достижения этого, используя рефлектор того типа, что здесь описан, между оболочкой и сердечником должен оставаться воздух до того момента, когда предполагается возможность обнаружения рефлектора. Образованием одного большого отверстия в оболочке, например, диаметром 10 мм, и обеспечением того, что оно будет самым верхним при установке рефлектора в воду, воздух будет быстро выбрасываться, когда заглушка будет растворена.
Подходящими материалами заглушки являются поваренная соль (хлорид натрия), окислы щелочноземельных элементов, кальций и бор, или магний (включая сплавы магния, которые будут реагировать с соленой водой и образовывать растворимые соединения).
Другим применением изобретения является мониторинг акустической проницаемости водной массы. Расположением нескольких акустических рефлекторов, в соответствии с изобретением, на возрастающих расстояниях от гидроакустического источника, может отслеживаться акустическая проницаемость этой водной массы мониторингом отраженных от рефлекторов акустических волн. По мере того, как проницаемость уменьшается, например, в более жесткой воде, рефлекторы, наиболее удаленные от гидроакустического источника, не будут более видимы. Это может быть полезно при слежении за водолазами или стаями рыб, поскольку будет обеспечиваться возможность различения между отсутствием отклика из-за того, что водолаз или рыба не видны, и ситуацией, когда турбулентная или мутная вода просто уменьшает диапазон гидроакустического детектора.
Иногда при использовании подводных акустических рефлекторов типа, описанного в публикации WO 2006/075167, возникала проблема, состоящая в том, что акустические волны, отраженные от внутренней поверхности сердечника, и волны, проходящие вокруг оболочки, могут иногда быть полностью замаскированы акустическими волнами, отраженными от передней поверхности оболочки. Это особенно справедливо, если запрашивающий гидролокатор имеет большую длину импульсов и расположен очень близко от акустического рефлектора. В результате, хотя рефлектор и может быть 'увиден', информация об идентичности не может быть сгенерирована. Эту проблему можно устранить запросом рефлектора источником акустического излучения, в котором длина передачи (по времени) запрашивающего импульса будет меньше, чем удвоенный диаметр оболочки акустического рефлектора, деленного на среднюю акустическую скорость через сердечник. Например, как иллюстрируется в этом описании, если сердечник состоит из RTV12 с водой, свободно заполняющей и покидающий объем между оболочкой и сердечником, то средняя скорость акустических волн внутри рефлектора после прохождения через оболочку будет скоростью комбинации RTV12 и воды.
В некоторых гидроакустических системах используется передача длинных импульсов, что предоставляет гидроакустической системе возможность собирать реальную информацию об окружающей среде. Для использования с акустическим рефлектором типа, являющегося предметом изобретения, желательно вставлять короткий импульс между более длительными импульсами. Более короткий импульс имеет длительность, которая меньше удвоенного диаметра оболочки акустического рефлектора, деленного на среднюю скорость акустической волны через объем, заполненный водой, и через сердечник. Короткие импульсы такого типа регулярно вставляются между более длительными импульсами (например, один импульс на четыре). Такая передаваемая последовательность показана на Фиг.14.
-5
На Фиг.14 от гидролокатора (не показан) по направлению к пассивному акустическому рефлектору типа, представленного на Фиг.1, Фиг.2 или Фиг.4, передается последовательность подводных акустических волн 73. Импульсы 72 более короткой длительности передаются после каждых четырех более длительных импульсов 71. Принимая, что внутренний диаметр рефлектора через любой объем воды и сердечник составляет 280 мм (в сферическом рефлекторе диаметром 300 мм), а средняя акустическая скорость через объем воды и сердечник составляет 1100 м/с, то максимальная длительность короткого импульса 72, если акустический сигнал, повторно излученный от сердечника должен быть 'виден' запрашивающим гидролокатором, составляет 5×10секунды.
Фиг.15 иллюстрирует частотную характеристику подводного рефлектора с оболочкой из алюминиевого сплава, в соответствии с изобретением, и с сердечником из RTV12 (как представлено на Фиг.1 и Фиг.2). Оболочка имеет толщину 8.8 мм и диаметр 200 мм. На частотах падающих акустических волн между 4 кГц и 80 кГц существует отличный отклик, лучше - 10 дБ, а оптимальная характеристика силы цели при эхолокации (TS) составляет - 3 дБ на частоте 62 кГц. Эта характеристика лучше, чем любая полученная ранее для подводного пассивного акустического рефлектора характеристика. Однако на более высоких частотах, свыше 100 кГц, кривая отклика относительно плоская и низкая, и при более высоких частотах существенно лучше акустический рефлектор того типа, что описан со ссылкой на Фиг.4. Следует заметить, что в области, помеченной X, частотная характеристика не может быть измерена датчиками, которые используются для получения данных измерений, поскольку датчики не могут работать на таких низких частотах. Кривая, представленная здесь, базируется на данных моделирования, которые показывают характеристики вторичных пиков на частоте 30 кГц и 20 кГц, каждый из которых безусловно ниже максимального отклика на частоте около 62 кГц. В области между 160 кГц и 230 кГц, помеченной Y, существует дополнительная неопределенность из-за разрыва между низкочастотными датчиками и высокочастотным датчиком; кривая в этой области представляет сглаживание полученных откликов; неопределенность пика на частоте 200 кГц согласуется с данными моделирования.
На Фиг.16 представлены отклики, полученные от задней и передней стороны рефлектора, при тех же самых результатах, касающихся частей кривых, помеченных как Х и Y.
Из Фиг.16 видно, что на частотах ниже 80 кГц эхо-сигнал от задней стороны рефлектора является по меньшей мере таким же сильным, что и сигнал от передней стороны. Это означает, что в этом диапазоне рефлектор будет предоставлять достоверную информацию о размере рефлектора. Было установлено, что отличный акустический отклик от рефлекторов, в соответствии с изобретением, достигается при толщине стенок оболочки между 6 мм и 15 мм. Хотя точный механизм отклика полностью не понятен, предполагается, что он является комбинацией отклика от волн, проходящих через оболочку и внутрь сердечника, при этом фокусирующихся и отражающихся от задней поверхности оболочки и структурно взаимодействующих с акустическими волнами, которые проходят вокруг стенки оболочки, совместно с резонансным режимом отклика в самой оболочке. Было также установлено, что по мере того, как толщина оболочки возрастает, частота, на которой возникает отклик, имеет тенденцию к уменьшению, и по мере уменьшения толщины оболочки наилучший отклик возникает на возрастающей частоте. Хотя рефлекторы с оболочками из алюминия и алюминиевого сплава не показали такого же изменения отклика при изменениях толщины стенки, как рефлекторы с неметаллическими оболочками, что обсуждается со ссылками на Фиг.17 и Фиг.18.
В рефлекторах с диаметром менее 200 мм и оболочкой из алюминия или алюминиевого сплава характеристика на низких частотах (ниже 100 кГц) уменьшается. При диаметре свыше 400 мм рефлектор становится слишком большим для практического развертывания, хотя его характеристика является очень хорошей. Таким образом, для рефлекторов, работающих в условиях низкой частоты, идеальный диаметр рефлектора находится в диапазоне приблизительно между 200 мм и 400 мм.
Рефлекторы с оболочками из алюминия или алюминиевого сплава являются прочными. Помимо установки для объектов и каналов в подводной отрасли, практические применения включают использование в рыболовстве для маркировки сетей и подводных ловушек и трапов, и особенно в авиационной отрасли для маркировки черных ящиков и других ключевых компонентов самолета. В этом последнем случае сила и легкость рефлекторов означает, что они выступают как практичное устройство, размещаемое на борту самолета и прикрепляемое к черному ящику или другому чувствительному компоненту. Стоит самолету совершить вынужденную посадку на воду, как, теоретически в любое время, станет возможна идентификация и обнаружение компонента, быстрое улучшение настоящей ситуации, когда поиск черных ящиков и других компонентов становится очень трудным после относительно быстрой разрядки аккумуляторов приемопередатчиков после вынужденной посадки. В этом последнем контексте заметим, что акустическая скорость титана очень близка к акустической скорости алюминия и рефлектор из титана будет работать аналогично рефлектору из алюминия или алюминиевого сплава.
Отличие алюминиевого сплава от сплава 6061Т6 будет влиять на числовые показатели определенных характеристик, включая точные характеристики пиков и их амплитуду, но это не должно умалять принципы, заложенные в изобретение. Суффикс Т6 указывает на ускоренный процесс упрочнения при старении, применяемый в производстве используемого сплава, и даже изменение упрочнения при старении будет влиять на качество.
Рефлектор, показанный на Фиг.4А - Фиг.4С, работает на низких частотах аналогично рефлектору из алюминиевого сплава, характеристика которого показывается на Фиг.17, за исключением того, что характеристика пика составляет - 4 дБ несколько ниже 50 кГц. Левая часть кривой, помеченная как X, снова базируется на данных моделирования из-за неспособности тестового датчика работать на этих частотах.
Из Фиг.18 и Фиг.19, в отличие от того, что было установлено для рефлектора с оболочкой из алюминиевого сплава, видно, что рефлектор по Фиг.4С также имел хорошую характеристику в диапазоне от 100 кГц до 130 кГц, снова около - 4 дБ на частоте 115 кГц, и между 360 кГц и 400 кГц, с пиком на частоте 385 кГц. Дальнейшее тестирование (не представленное) свидетельствует о хорошей характеристике на частоте между 650 кГц и 690 кГц с пиком на частоте 675 кГц, при этом появление еще одного пика происходит на частоте 970 кГц. Эти результаты особенно интересны, поскольку частоты наилучших характеристик приходятся на частоты, на которых регулярно работают гидроакустические системы в промышленности разведки нефти и газа, что делает рефлекторы, показанные на Фиг.4А - Фиг.4С, особенно привлекательными для использования в этой отрасли.
Полезно сравнить результаты, показанные на Фиг.15 - Фиг.19 с результатами, опубликованными в США 5822272А (REAM) 13 октября 1998 г., откуда видно, что первые значительно лучше.
Было проведено сравнение изменения частот, на которых возникали пиковые отклики, при различной толщине стенки в рефлекторе диаметром 200 мм, имеющем конструкцию как на Фиг.4С. Первичный отклик является откликом, полученным в виде пика А на Фиг.18 и Фиг.19, вторичный отклик является откликом в виде пика В:
Толщина оболочки 6.9 мм: медиана первичного отклика 124 кГц, медиана вторичного отклика 438 кГц
Толщина оболочки 7.0 мм: медиана первичного отклика 119 кГц, медиана вторичного отклика 425 кГц
Толщина оболочки 8.0 мм: медиана первичного отклика 111 кГц, медиана вторичного отклика 398 кГц
Толщина оболочки 8.1 мм: медиана первичного отклика 111 кГц, медиана вторичного отклика 380 кГц
Толщина оболочки 8.8 мм: медиана первичного отклика 113.5 кГц, медиана вторичного отклика 379 кГц
Толщина оболочки 9.1 мм: медиана первичного отклика 101 кГц, медиана вторичного отклика 360 кГц
Толщина оболочки 10.0 мм: медиана первичного отклика 99 кГц, медиана вторичного отклика 375 кГц
Толщина оболочки 10.9 мм: медиана первичного отклика 115 кГц, медиана вторичного отклика 330 кГц
Для толщин оболочки свыше 9 мм последующий пик будет наблюдаться между двумя измеренными первичными и вторичными пиками.
Можно увидеть, что повышение толщины оболочки приводит к уменьшению частот, на которых возникают пиковые отклики, хотя это и не является полностью однозначным.
В каждом описанном примере осуществления физическая передача акустических волн в рефлекторе является такой, как она была описана выше. Следует предполагать, что на низких частотах этот механизм может быть дополнен реверберацией стенки оболочки, хотя это не доказано; этим может объясняться более высокое качество металлических оболочек на более низких частотах.