專利名稱：聲反射器的制作方法
聲反射器
本發(fā)明涉及一種在水下使用的被動(dòng)聲反射器和標(biāo)記器。這種反射器可以用于例如標(biāo)記所關(guān)注的水下、水下航道等的目標(biāo)和位置。
例如從2006 年 7 月 20 日的 W02006/075167A (THE SECRETARY OF STATE FOR DEFENCE)以及 2009 年 10 月 8 日的 TO2009/122194A (THE SECRETARY OF STATE FOR DEFENCE)已知用于水下的被動(dòng)聲反射器。在這些公報(bào)中，用于水下的被動(dòng)聲反應(yīng)器具有圍繞芯部的殼體，所述殼體能夠?qū)⑷肷湓跉んw上的聲波傳輸?shù)叫静恐幸员痪劢共⑶覐臍んw的與入射區(qū)域相反定位的區(qū)域被反射，從而提供從反射器輸出的反射的聲信號(hào)，其特征在于， 芯部呈球體或直柱的形式并且由具有從840m/s至1500m/s的波速的材料的一個(gè)或更多個(gè)同心層形成，并且所述殼體相對(duì)于所述芯部確定尺寸，使得入射在該殼體上的聲波的一部分耦合到殼體壁中并且在其中繞該殼體的周向被引導(dǎo)并且然后被再輻射，以與所述反射的聲信號(hào)輸出相長地結(jié)合從而提供增強(qiáng)的反射聲信號(hào)輸出。入射在殼體上的聲波可以例如來自水聲系統(tǒng)。
然而，這些現(xiàn)有技術(shù)反射器在應(yīng)用于商業(yè)環(huán)境時(shí)存在問題，具體地，芯部和殼體之間的不同膨脹系數(shù)能導(dǎo)致在殼體上被施加過量應(yīng)變，這是因?yàn)槿绻狗瓷淦鞅┞队跓?例如，如在熱帶氣候中發(fā)生的)或者當(dāng)使反射器在碼頭區(qū)或在船上置于太陽下時(shí)芯部熱膨脹。 芯部的熱膨脹導(dǎo)致殼體的故障。另外引起其他問題
·在芯部材料沒有收縮的情況下不能可靠地實(shí)現(xiàn)使聲反射器填充合適的芯材料， 從而導(dǎo)致在芯部中產(chǎn)生裂縫和/或空隙，這引起表面上相同的反射器之間不一致的性能；
·芯部和殼體之間的聲耦合是可變的并且在一些情況下是差的；
健康和安全規(guī)程能限制這樣的反射器在水中的配置深度以防進(jìn)入反射器的內(nèi)部中的滲水將導(dǎo)致當(dāng)反射器被升到水面時(shí)的無法控制的爆炸故障；盡管對(duì)該問題提出了解決方案，但是其制造是勞動(dòng)密集的并且因此相當(dāng)昂貴；
根據(jù)本發(fā)明，用于在水下使用并且包括圍繞芯部的殼體的聲反射器的特征在于， 所述殼體中具有一個(gè)或更多個(gè)孔，從而在所述聲反射器配置在水中時(shí)允許水自由地進(jìn)出所述殼體的內(nèi)部。
在該結(jié)構(gòu)中，能進(jìn)入所述殼體的入射聲波的一部分穿過而進(jìn)入所述芯部中并從進(jìn)入該芯部中的入口對(duì)置的殼體壁被反射回來，并且入射聲波的一部分能在繞所述芯部的所述殼體本身內(nèi)被引導(dǎo)而與穿過該芯部的聲波相長地結(jié)合并且從該殼體被再福射。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式中，所述芯部的體積略小于所述殼體的內(nèi)部容積；在進(jìn)入水中時(shí)，水進(jìn)入所述殼體的在所述芯部和所述殼體壁的內(nèi)部之間的內(nèi)部。在該構(gòu)造中，存在足夠的余地以使所述芯部當(dāng)在熱帶氣候中被運(yùn)輸或存儲(chǔ)時(shí)能夠熱膨脹，但是對(duì)于海水使得在所述反射器浸于海水中時(shí)能夠占據(jù)由芯材料的收縮造成的空間。此外，當(dāng)將所述反射器帶回至水面時(shí)，所述殼體內(nèi)的任何積聚壓力都通過流出所述孔的水被簡單地解除，從而避免所述殼體發(fā)生爆炸故障的任何風(fēng)險(xiǎn)。
令人驚訝地，已發(fā)現(xiàn)，在所述殼體和所述芯部之間的該殼體內(nèi)部的水的存在顯著地提高了該殼體和該芯部之間的聲耦合以及該聲耦合的可靠性。
因此在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，所述芯部的橫截面略小于所述殼體的內(nèi)部的相 應(yīng)的橫截面，從而在所述芯部和所述殼體內(nèi)部之間形成有間隙，所述間隙在所述反射器浸 于水中時(shí)填充有水。
在根據(jù)本發(fā)明的該第一實(shí)施方式的反射器中，所述芯部的特征還在于，在其表面 上具有多個(gè)凸起部，所述凸起部接觸所述殼體的內(nèi)部，從而相對(duì)于所述殼體將所述芯部保 持就位。
在這樣的實(shí)施方式中，所述凸起部能優(yōu)選地呈小突起的形式,這些小突起的頂點(diǎn) 在所述反射器處于其設(shè)計(jì)操作溫度時(shí)接觸所述殼體的內(nèi)部。所述凸起部能變形，并且吸收 所述芯部的膨脹和收縮而不會(huì)對(duì)所述殼體施加相當(dāng)大的應(yīng)力。
優(yōu)選地所述芯部本身是能變形的材料，諸如彈性體材料。
作為緊前面段落中的構(gòu)造的另選方案，所述殼體的內(nèi)部能具有多個(gè)向內(nèi)突起，這 些突起在所述反射器處于其設(shè)計(jì)操作溫度時(shí)接觸所述芯部的表面。
所述芯部和所述殼體的內(nèi)部之間的接觸點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)該至少是五個(gè)，以確保該芯部 相對(duì)于該殼體的穩(wěn)定定位，但是十個(gè)實(shí)際上更好。
所述孔允許水自由地進(jìn)出所述殼體和所述芯部之間的容積，并且當(dāng)所述反射器浸 于水中時(shí)，進(jìn)入所述殼體和所述芯部之間的水逐出在浸入前存在的空氣。實(shí)際上，已經(jīng)發(fā)現(xiàn) 繞所述殼體分布的大量小孔比一個(gè)或數(shù)個(gè)孔更有效。24個(gè)孔良好地工作，但是48個(gè)孔將進(jìn) 一步減小在浸入所述反射器時(shí)空氣變得被捕獲在所述殼體和所述芯部之間的任何趨勢(shì)。
通常，所述孔的直徑為1mm，并且所述凸起部或小突起設(shè)計(jì)成在所述殼體處于其設(shè) 計(jì)操作溫度時(shí)維持所述芯部的主體和內(nèi)殼體壁之間的1. 3mm的填充間隙。當(dāng)所述反射器浸 于水中時(shí)所述間隙將被填充有水。
對(duì)于一些應(yīng)用，能期望的是，所述反射器在放置在水中之后保持暫時(shí)相對(duì)不可見。 為了實(shí)現(xiàn)此不可見，使用本文所述種類的反射器，空氣必須被保留在所述殼體和所述芯部 之間直到所述反射器旨在可探測(cè)時(shí)。通過提供一個(gè)較大的孔(例如直徑為IOmm)并且通過 確保它在所述反射器被放在水中時(shí)位于最上部；當(dāng)其中的塞子溶解時(shí)快速消除空氣。
作為在段落
中如上所述在殼體和芯部之間設(shè)置間隙的另選方案，或優(yōu)選 地，除設(shè)置該間隙之外，彈性體芯部能在其中心鑄有孔，具有從所述中心引導(dǎo)到所述殼體外 的導(dǎo)管，從而也允許水自由進(jìn)入孔。這具有類似于前面段落中的布置的效果，從而允許彈性 體材料或其他可變形材料在熱時(shí)安全膨脹到所述孔中。當(dāng)所述彈性體材料或其他可變形 材料在浸入水中之后冷卻時(shí)，水填充所述孔，所述孔包括通過收縮所述芯部而騰空的空間。 通過改變不同反射器彼此之間的所述芯部中的所述孔的尺寸，也改變所述反射器的反射特 征，從而使一個(gè)反射器不同于另一反射器。中心孔的直徑應(yīng)該不超過穿過所述孔的所述反 射器的直徑的10%，否則所述反射器的性質(zhì)將惡化。所述導(dǎo)管本身的直徑應(yīng)該是大約10mm， 以允許在所述反射器浸入水中時(shí)空氣逸出。所述中心孔能有用地用來承載小的有效載荷， 諸如監(jiān)控裝置。
在另一實(shí)施方式中，作為如段落
中在上描述的在殼體和芯部之間設(shè)置間 隙的另選方案，或優(yōu)選地除了設(shè)置間隙之外，所述反射器能在所述殼體的相對(duì)兩側(cè)具有孔， 所述孔通過所述殼體的中心與導(dǎo)管連通，從而允許水自由進(jìn)出所述導(dǎo)管。導(dǎo)管的使用具有 另一潛在優(yōu)勢(shì)，即使得多個(gè)反射器能夠綁在一起，或使得反射器能被系至水下目標(biāo)，而不需要如W02011/012877或W02011/012878所述的網(wǎng)或籠。
在上述情況的每一情況下，如果選擇所述殼體和所述芯部材料使得在殼體中的聲波傳輸速度與在芯部中的平均聲波傳輸速度之比在2. 5至3. 4或其倍數(shù)的范圍內(nèi)，則獲得最佳性能。該比的倍數(shù)還將提供優(yōu)良結(jié)果的實(shí)現(xiàn)將使鋁殼體或鋁合金殼體能夠結(jié)合相對(duì)可壓縮的彈性體芯部材料(諸如RTV12)使用。不可壓縮的芯部使起因于不均勻膨脹的問題加重。
優(yōu)選地，殼體中的聲波傳輸速度與芯部中的平均聲波傳輸速度之比在2. 74至3. 4 或其倍數(shù)的范圍內(nèi)。
海水本身具有1433m/s至1500m/s的聲速，這取決于其鹽度。當(dāng)與硅基彈性體材料結(jié)合時(shí)(該硅基彈性材料例如是RTV12，其具有1018m/s的聲速)，25%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺殼體中的聲速與芯部中的聲速的比非常微小地減小并且非常接近于理想比。實(shí)際上所述殼體內(nèi)部和所述芯部之間的海水顯著提高該殼體和該芯部之間的聲耦合，從而導(dǎo)致甚至比預(yù)期的更好的性能。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)具有由RTV12制造的硅彈性體芯部的、用25%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺制造的殼體在特定頻率下產(chǎn)生入射聲波的優(yōu)良反射。25%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酸胺由 E.1.du Pont de Nemours and Company 以商品名 Zytel HTN51G25HSL 出售。類似的玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺由Solvey SA以商品名Amadel銷售。具有較高玻璃纖維含量的聚鄰苯二甲酰胺能獲得并且提供較硬殼體，但是隨著玻璃纖維含量增加，最終殼體的脆性以及殼體中聲傳輸?shù)乃俣纫苍黾印榱俗罴鸦阅?，殼體必須通過使用具有比RTV12 本身高的波速的芯部來匹配。
形成殼體的其他合適的非金屬包括環(huán)氧樹脂浸潰的碳纖維，Kevlar · (芳香族聚酰胺)纖維、浸 潰有環(huán)氧樹脂的Zylon [聚對(duì)苯撐-2，6-苯并二噁唑或ΡΒ0]纖維、以及環(huán)氧樹脂浸潰的聚乙烯纖維(例如，Dyneema )0通過改變復(fù)合材料中纖維的量，材料內(nèi)的縱向聲速能被調(diào)節(jié)以匹配應(yīng)用。通過利用關(guān)于殼體與芯部聲速比的最佳比的本文的信息，能選擇芯部材料以產(chǎn)生最佳性能。
殼體還能是金屬的。在潛在金屬殼體中，鋁和其合金特別好，因?yàn)殇X反射入射聲信號(hào)的大約50%，剩余的聲信號(hào)穿入芯部中并且圍繞殼體的內(nèi)部。繞殼體的內(nèi)部穿過的波與穿入芯部的那些波相長地結(jié)合，這些波從芯部的后部反射，聲波朝向輻射源被再輻射回。鋁合金6061Τ6在與RTV12結(jié)合時(shí)具有6299m/s的縱向聲速，海水將殼體與芯部的聲速的比減小到接近6并且在所建議的比內(nèi)。在鋁或鋁合金芯部的情況下，殼體和芯部之間水的存在還顯著提高該殼體和該芯部之間的聲耦合，甚至比聚鄰苯二甲酰胺的情況更甚。
實(shí)現(xiàn)本文所述的殼體中的縱向速度與芯部的縱向速度之間的關(guān)系，芯部材料理想地是具有稍稍超過1000m/S的聲速的材料；RTV12硅橡膠完美地符合該標(biāo)準(zhǔn)。因此不需要使彈性體加載碳酸鈣以調(diào)節(jié)芯部的速度。加載碳酸鈣的彈性體天然地不太柔韌并且能借助熱膨脹而變形。
以前，必需通過旋轉(zhuǎn)焊接或溶劑粘合將兩個(gè)半殼體部熔合在一起以形成球狀殼體并且以提供卸壓裝置，由此避免爆炸膨脹減壓。在本發(fā)明的反射器中，由所捕獲的水引起的該反射器中的任何壓力積累都被自動(dòng)避免，這是因?yàn)樗芡ㄟ^孔離開反射器。因此不需要旋轉(zhuǎn)焊接或使用高級(jí)膠來將殼體的部分接合在一起。
因此,在另一實(shí)施方式中，聲反射器具有圍繞芯部的殼體并且在所述殼體中包括 兩個(gè)半球，所述聲反射器的特征在于，一個(gè)半球的邊緣具有舌部，并且另一半球的邊緣具有 凹槽，當(dāng)兩個(gè)半球被接合時(shí)，所述舌部接合在所述凹槽中。所述舌部或所述凹槽中的一方具 有從其橫向延伸的閂鎖部，并且所述舌部或所述凹槽中的另一方具有接收所述閂鎖部的棘 爪(detent)。當(dāng)所述舌部與所述凹槽接合時(shí)，所述閂鎖部將接合所述棘爪以將所述殼體的 兩個(gè)部分保持在一起。這種非金屬殼體的制造比被粘合或焊接的非金屬殼體容易且便宜得 多。
如果為安全起見需要示范具有在增加的內(nèi)壓下失效的能力，在先前段落中所述的 閂鎖裝置能設(shè)計(jì)成在殼體內(nèi)的壓力增加到預(yù)設(shè)數(shù)值的情況下剪切。對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)的聚 鄰苯二甲酰胺殼體，諸如Zytel HTN51G25HSL，這可以設(shè)定在大約70psi至IOOpsi。
代替閂鎖和棘爪，對(duì)于低風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境，殼體的兩個(gè)部分能通過網(wǎng)簡單地保持在一起。
金屬殼體(諸如那些鋁殼體和鋁合金殼體)優(yōu)選地通過在該殼體的兩個(gè)半部之 間使用簡單的舌部和凹槽接合并且利用常規(guī)的低成本的兩部分環(huán)氧樹脂粘合劑(諸如 Aradite )將兩個(gè)半部粘合在一起制成。
反射器最普通地是球形的，然而能制造管狀、卵形、筒形和環(huán)面反射器；對(duì)另選形 狀的唯一限制在于反射器的接收入射聲波的表面應(yīng)該是光滑的并且不會(huì)分散入射波。
出乎意料地，根據(jù)本發(fā)明的聲反射器將以比例如已知的反射器低得多頻率(SOKHz 以下以及低到4KHz)傳輸和反射入射聲波。
具體地，在這些低頻率下，借助具有這樣的殼體材料的聲反射器實(shí)現(xiàn)更好的性能， 所述殼體材料具有高彈性模量，例如大于15X 105Kg-cm_2。
在300mm直徑、8. 8mm厚的6061T6鋁合金殼體(該鋁合金殼體具有15 X 105Kg-cnT2 的彈性模量)和RTV12芯部的情況下，在62KHz下獲得-3dB的總響應(yīng)，該總響應(yīng)好于借助水 下被動(dòng)聲反射器記錄的任何其他響應(yīng)。在潛在的金屬殼體中，鋁和其合金是特別好的。鋼 由于其在海水中生銹的趨勢(shì)是有問題的，并且入射聲輻射的大部分從其正面被反射。直徑 越大球?qū)?zhí)行得更加好，但是制造更昂貴。直徑小于200mm的球在低頻下執(zhí)行得不太好，并 且IOOmm直徑對(duì)于海下操作大概是下限，因?yàn)榉瓷淦鲗⑦M(jìn)行響應(yīng)的頻率在該直徑之下顯著 增大。
在較高頻率下(在IOOKHz以上)，應(yīng)該使用具有較低彈性模量的殼體，諸如玻璃增 強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺。在160KHZ下利用200mm直徑的玻璃增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺殼體獲得-4dB 的總響應(yīng)，該殼體具有RTV12芯部并且在殼體的內(nèi)壁和芯部之間具有1. 3mm的間隙，其中峰 值響應(yīng)也出現(xiàn)在較高頻率下。
本發(fā)明利用在6mm和30mm之間的鋁或鋁合金殼體厚度工作，但在15mm以上，重量 和成本惡化使得較厚殼體不切合實(shí)際。在6mm以下，鋁和其合金制成的殼體變得太柔軟。 對(duì)于25%玻璃增強(qiáng)Zytel 殼體,切合實(shí)際的殼體厚度在4mm至15mm內(nèi)。一定程度的最優(yōu) 化對(duì)于每個(gè)設(shè)計(jì)都是必需的。然而，對(duì)于鋁和其合金或25%玻璃增強(qiáng)Zytel 制成的殼體， 8. 8mm仿佛是良好的折衷。對(duì)照所關(guān)注的聲波的頻率通過測(cè)試不同直徑和殼體厚度的各種 反射器來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。
芯部可以是硅彈性體RTV12，但也可以使用其他彈性體。
先前已提出網(wǎng)和籠以將聲反射器固定就位。然而，在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中，桿裝配到上述種類的聲反射器的殼體中的孔內(nèi)。該桿可以在一端漸縮并且被粘合或摩擦焊接 就位。另選地，并且優(yōu)選地，該桿在一端形成有外螺紋并且所述端裝配到本發(fā)明中所述種類 的聲反射器的殼體中的內(nèi)螺紋孔中。該布置具有特別的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)闅んw內(nèi)的壓力與周 圍海水的相同，所述桿不會(huì)需要密封至所述殼體。所述螺紋孔將大于所述殼體中的任何其 他孔。所述桿可以用作如下所述的將所述反射器保持就位的裝置的一部分。
在前述段落中提及的實(shí)施方式中的每個(gè)中，所述桿的另一端將設(shè)計(jì)成裝配到被標(biāo) 記的物體，或者裝配到一些特定位置。典型地所述桿的該端將形成外螺紋并且能旋擰到物 體上的安裝點(diǎn)中，或旋擰到海床上的柱基。
理想地，所述桿由與所述殼體相同的材料制成以使繞所述殼體壁行進(jìn)的聲波的破 壞最小化。然而，如果所述殼體由諸如鋁合金之類的金屬制成，并且所述桿由相同金屬制 成，則需要注意將其安裝在待標(biāo)記的另一金屬物體上以避免電解腐蝕。
一些聲納系統(tǒng)持續(xù)長時(shí)間發(fā)射單獨(dú)的聲脈沖；在聲納中具體地使用長脈沖，該聲 納使用反射信號(hào)以收集關(guān)于反射目標(biāo)的分析信息。當(dāng)這種聲納與已知的反射器一起使用 時(shí)，直接從所述反射器的前殼體反射的返回信號(hào)能掩蓋從已進(jìn)入殼體的聲波返回的聲信 號(hào)，從而導(dǎo)致涉及反射器本身的有用識(shí)別信息的損失。
因此,聲反射器與脈沖水下聲源一起設(shè)置，其中，脈沖時(shí)間和間隔小于從聲傳輸?shù)?進(jìn)入點(diǎn)到反射器的芯部的距離除以該芯部中的聲速的兩倍。在球形聲反射器的情況下，脈 沖時(shí)間和間隔因此是球形的直徑除以聲速的兩倍。這樣從反射器的內(nèi)部反射的聲波將被 “聽到”，并且不受來自殼體的正面的反射的控制。假設(shè)短脈沖常常足夠地發(fā)生以使所涉及 的反射器能被識(shí)別，則這種較短脈沖可以與較長脈沖結(jié)合。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在一些應(yīng)用中，聲反射器能在浸入水中之前被非常粗糙地操縱，從而導(dǎo) 致對(duì)殼體的破壞。這種破壞可能導(dǎo)致使用中反射器的下降的性能，或?qū)е職んw完全分裂。這 對(duì)非金屬殼體來說是尤其如此。因此，在本發(fā)明的另一改進(jìn)中，聲反射器的特征在于，具有 包括繞所述殼體的外側(cè)的一層或更多層聚亞安酯的涂層。
本發(fā)明的其它特征在權(quán)利要求中得以闡述。


圖1A、1B和IC示出了根據(jù)本發(fā)明的由鋁合金6061T6制成的聲反射器的部件；
圖2是利用圖1A至圖1C中所示的部件制成的聲反射器的剖面圖3示出了 6061T6鋁合金的組分；
圖4示出了本發(fā)明的另選實(shí)施方式的部件，其中，聲反射器的殼體的材料包括25% 玻璃增強(qiáng)的聚鄰苯二甲酰胺；
圖5示出了裝配有安裝桿的如圖1和圖2所示的聲反射器的截面；
圖6示出了安裝桿的使用，其中根據(jù)本發(fā)明的聲反射器提供簡單的水下位置信
圖7示出了與本發(fā)明結(jié)合的桿的使用以形成作為字母形式的聲響應(yīng)；
圖8是帶鋁合金殼體的、具有中心孔的球形聲反射器的剖面圖9是具有中心孔的聲反射器的剖面圖，其中聲反射器的殼體的材料包括25%玻 璃增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺；
圖10是具有中心導(dǎo)管的根據(jù)本發(fā)明的聲反射器的剖面圖1lA和圖1lB示出了標(biāo)記管道的本發(fā)明的管狀標(biāo)記器的使用，圖1lB是沿圖1lA的線C-C’的截面；
圖1lC和IlD示出了本發(fā)明的管狀標(biāo)記器的使用以標(biāo)記氣管，圖1lD更詳細(xì)地示 出了管狀標(biāo)記器截面的截面；
圖12A和圖12B示出了根據(jù)本發(fā)明的環(huán)形標(biāo)記器；圖12A是沿圖12B的線A-A’的 截面；
圖13示出了監(jiān)控沖刷的環(huán)形標(biāo)記器的使用；
圖14示出了來自聲源的與較長脈沖結(jié)合的短傳輸脈沖的使用以使得能夠識(shí)別聲 反射器；
圖15示出了根據(jù)圖1和圖2構(gòu)造成的根據(jù)本發(fā)明的具有鋁合金(6061T6)殼體和 RTV12芯部的水下聲反射器的響應(yīng)；
圖16比較來自圖15所例示的反射器的正面的低頻下的回波與該反射器的背面的 低頻下的回波；
圖17在低頻下比較來自圖4C所例示的反射器的正面的各種頻率下的回波與該反 射器的背面的各種頻率下的回波；
圖18在較高頻率下比較來自圖4C所例示的反射器的正面的各種頻率下的回波與 該反射器的背面的各種頻率下的回波，并且比較結(jié)果與模型數(shù)據(jù)；以及
圖19類似于圖18，但示出了反射器的總響應(yīng)并且比較其與模型數(shù)據(jù)。
在圖1A至圖1C中，示出了根據(jù)本發(fā)明的用于在水下使用的聲反射器(圖2中的 10)的部件。兩個(gè)半球13和14包括球形聲反射器的殼體12。這些半球由鋁合金6061T6 制成。反射器的芯部16是鑄造RTV12并且在圖1C中示出。芯部16的直徑使得其在環(huán)境 溫度下比當(dāng)兩個(gè)半球13和14被組裝在一起時(shí)殼體的內(nèi)徑略小。芯部16具有繞其外面均 勻分布的多個(gè)直立小突起18。實(shí)際上，需要最少五個(gè)小突起，但是對(duì)于制造來說已成功使用 八個(gè)到十個(gè)小突起。小突起大約1. 3mm高。
在半球13和14中設(shè)置一個(gè)或更多個(gè)孔20。優(yōu)選的是，設(shè)置直徑均為Imm至2mm的 多個(gè)小孔，以確保所有的內(nèi)部空氣都在反射器浸入水中時(shí)從該反射器的內(nèi)部被排出并且用 于使水填充殼體內(nèi)部和芯部之間的任何間隙。能使用直徑大約為IOmm的兩個(gè)較大孔，但是 僅一個(gè)孔會(huì)具有當(dāng)反射器在海床上停下來時(shí)被阻塞的風(fēng)險(xiǎn)。在該示例中，提供總共二十四 個(gè)孔，但是制造成具有十個(gè)以上孔的球操作令人滿意，但較大量的孔確保在反射器浸入水 中時(shí)改善的水進(jìn)入和空氣排出。
繞半球13中的一個(gè)的邊緣24設(shè)置有舌部22。在另一半球14的邊緣28上設(shè)置凹 槽26，以在半球13和14被組裝在一起時(shí)接納舌部22。
用于芯部16的RTV12來自兩個(gè)部分混合物并且最初被注入成型模具以形成具有 小突起的芯部并且以常規(guī)方法被固化。模具被過充滿從而留下澆口以減少形成裂縫的機(jī) 會(huì)。一旦芯部被固化則該澆口因而被切斷。隨后將RTV12芯部16放在其中一個(gè)半球(例如 14)中。于是另一半球(例如13)被放置在芯部16上，使得半球13的舌部22接合在和半球 14相關(guān)聯(lián)的凹槽26內(nèi)。這在圖2中能更詳細(xì)地看到。小突起18將芯部16對(duì)中地保持在 殼體12內(nèi)，在殼體12內(nèi)部和芯部16之間具有間隙19。
當(dāng)將所組裝的反射器浸入水中時(shí)，水通過孔20進(jìn)入從而填充間隙19。應(yīng)該注意 的是，為了清楚，圖未按比例，并且圖2中間隙19實(shí)際上比在圖中出現(xiàn)的通常大約1. 3mm更細(xì)。
雖然芯部16在本示例中是RTV12，但是也能使用其他彈性體芯部，雖然它們的特 定性能將不同于本說明書中所示的那些性能。
球當(dāng)被組裝時(shí)利用適于接合鋁部件的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)氧樹脂膠來膠粘=Araldite 2000 PlusTM是合適的。必要的是，所有空氣都被從接合部排出。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有益的是利用防污劑涂覆芯部16，以防止材料在間隙19中積累。當(dāng)前存 在十種經(jīng)批準(zhǔn)在海洋環(huán)境中使用的防污劑。
理論上，鋼也具有形成圖1和圖2的殼體的潛力，但是這已首先被否決，這是因?yàn)?非常高比例的任何入射聲波都將從正面被反射，從而留下來自背面的相對(duì)弱的回波，從而 難以用聲納觀看反射器，并且其次是因?yàn)樗碌母g問題。黃銅看來更適合但是它昂貴得 多并且使用中太重。
如先前指出的，優(yōu)化程度對(duì)于實(shí)現(xiàn)針對(duì)任何具體應(yīng)用的殼體厚度和殼體直徑的最 佳組合來說是必需的。但是具有8. 8mm壁厚的300mm球形6061T6殼體在低于80KHz的頻 率下良好地工作，如圖15和圖16所見。
圖3示出了鋁合金6061T6的組分。許多組分(例如硅和鋅)具有大體上低于鋁的 聲速。通過增加合金中那些材料的含量，能降低由鋁合金制成的殼體的聲速。另一方面鈹 (未用于鋁合金6061中)具有高得多的聲速并且如果需要?jiǎng)t能被添加以增大聲速，然而，它 不是所希望的選擇，這是因?yàn)殇X-鈹合金的成本非常高。
鋁合金6061T6殼體和RTV12芯部的組合具有殼體與芯部中的6. 11 I的聲速比。 間隙19中水的存在(參見圖2)將該比降低到大約6. 0，這取決于水的精確鹽度。如果選擇 殼體和芯部材料使得殼體中的聲波傳輸速度與芯部中波傳輸?shù)钠骄俣鹊谋仍?. 5至3. 4 的范圍內(nèi)，則能獲得最佳性能。已發(fā)現(xiàn)，比的倍數(shù)也工作良好，從而無需使用與鋁或鋁合金 結(jié)合的、除了未修改的RTV12以外的芯部材料，或者無需將鋁合金的合金含量調(diào)節(jié)得遠(yuǎn)離 其中一種標(biāo)準(zhǔn)市場(chǎng)出售的合金。如在下面參照?qǐng)D15和圖16所討論的，該反射器的性能清 楚地表明那是特定比，該比是優(yōu)選比2. 74至3. 4的倍數(shù)，從而當(dāng)由低于IOOKHz的入射聲波 詢問時(shí)提供優(yōu)良的、實(shí)際上想不到的性能。
移到圖4A至圖4C，這些圖示出了聲反射器的部件，該聲反射器的殼體包括由 E.1. du Pont de Nemours以商品名Zytel 出售的25%玻璃增強(qiáng)的聚鄰苯二甲酰胺，除不 同的殼體材料之外，部件與圖1A至圖1C的那些部件相同，并且繞舌部22的一個(gè)表面設(shè)置 周向凸起部或閂鎖30并且在凹槽26的相應(yīng)的壁的表面上設(shè)置相應(yīng)的棘爪32以接納閂鎖 30。當(dāng)兩個(gè)半球13和14繞芯部被組裝在一起時(shí)，周向閂鎖30接合在棘爪32中，如圖4C 所見。如果出于安全批準(zhǔn)和確認(rèn)需要，則閂鎖30能構(gòu)造成使得如果殼體內(nèi)的壓力超過預(yù)設(shè) 最小值(例如在70psi至IOOpsi之間)則該閂鎖將失效，從而允許兩個(gè)半球13和14彼此分 開。然而由于反射器本身內(nèi)壓力的增大而根據(jù)本發(fā)明的反射器的故障還不是已知的。如果 需要，通過在反射器內(nèi)的壓力超過相同的預(yù)設(shè)最小值時(shí)環(huán)氧樹脂膠失效，借助圖1和圖2的 鋁合金構(gòu)造實(shí)現(xiàn)相同的減壓效果。
發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，具有RTV12的硅彈性體芯部的、借助如圖4所示的25%玻璃纖維增 強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺制成的殼體在特定頻率下產(chǎn)生入射聲波的優(yōu)良反射。25%玻璃纖維增強(qiáng) 聚鄰苯二甲酸胺由 E.1. du Pont de Nemours and Company 以商品名 Zytel HTN51G25HSL出售。相似的玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺由Solvey SA以商標(biāo)Amadel銷售。具有較高玻璃纖維含量的聚鄰苯二甲酰胺能夠獲得并且提供較硬殼體，但是隨著玻璃纖維含量增加， 最終殼體的脆性以及殼體中聲傳輸速度也增大。為了最優(yōu)性能，殼體必須通過利用具有高于RTV12本身的波速的芯部來匹配。
形成圖4的殼體的其他合適非金屬包括環(huán)氧樹脂浸潰的碳纖維、Kevlar (芳香族聚酰胺)纖維、浸潰有環(huán)氧樹脂的Zylon [聚對(duì)苯撐-2，6-苯并二噁唑或ΡΒ0]纖維、以及環(huán)氧樹脂浸潰的聚乙烯纖維(例如，Dyneema )0通過改變復(fù)合材料中纖維的量，能調(diào)節(jié)聲速以匹配應(yīng)用。通過利用涉及殼體與芯部聲速比的最佳比值的本文的信息，能選擇芯材料以產(chǎn)生最佳性能。利用尼龍6的低成本低預(yù)期壽命殼體也是可行的。
如先前所指出的，優(yōu)化程度對(duì)于獲得針對(duì)任何具體應(yīng)用的殼體厚度和殼體直徑的最佳組合來說是必需的。但是利用相對(duì)低的聲頻詢問的、8. 8mm厚的、300mm直徑的球形25% 玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺殼體具有如圖17所示的前回波和后回波。這些小于利用圖1和圖2的鋁合金殼體獲得的但是仍顯著好于任何競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。
圖4的反射器執(zhí)行得好于W02011/012877的25%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺， 這是由于與W02011/012877的結(jié)構(gòu)相比本發(fā)明中獲得殼體和芯部之間的較好的耦合。在 IOOKHz以上的頻率下，也執(zhí)行得好于圖 1和圖2的反射器，但是在低于IOOKHz的頻率下執(zhí)行得不太好。
在非金屬殼體的情況下，當(dāng)殼體被存儲(chǔ)在岸上或船的甲板上時(shí)已發(fā)生殼體的損壞。該損壞通過用聚亞安酯涂覆殼體能被減小，聚亞安酯在聲學(xué)上精密地匹配海水，但必須注意避免阻塞孔。
在圖5中，根據(jù)本發(fā)明的球形聲反射器的反射器殼體12的兩個(gè)半球13和14如圖1和圖2所繪。其他相同的特征未詳細(xì)地描述但是參照?qǐng)D1和圖2能被識(shí)別。殼體12的一個(gè)半球13設(shè)置有內(nèi)螺紋孔34。該孔的內(nèi)螺紋36與桿40的一端的外螺紋42協(xié)作。桿40 的另一外螺紋端可以被旋擰到合適的內(nèi)螺紋插口中以將聲反射器安裝就位。理想地桿40 由與聲反射器的殼體12相同的材料制成。
在圖1至圖4中，熱膨脹可以由芯部中分布的多個(gè)小氣泡進(jìn)一步調(diào)節(jié)，氣泡壓縮以吸收芯部的熱膨脹。
代替圖1、圖2和圖4中的小突起18和間隙19，在芯部16的外表面中能設(shè)置多個(gè)裂縫或凹痕。這些裂縫或凹痕中的每個(gè)均與殼體中的一個(gè)或更多個(gè)孔20相關(guān)聯(lián)，通過所述孔空氣能隨著芯部的熱膨脹和收縮而進(jìn)入和離開裂縫。一旦在水中，則水通過殼體中的孔進(jìn)入裂縫并且空氣被從裂縫壓出。
在圖5中，球形聲反射器的反射器殼體12的兩個(gè)半球13和14如圖1和圖2所繪。 其他相同的特征未詳細(xì)地描述但是能參照?qǐng)D1和圖2被識(shí)別。殼體12的一個(gè)半球13設(shè)置有內(nèi)螺紋孔34?？椎膬?nèi)螺紋與桿40的一端的外螺紋42協(xié)作。桿40的另一外螺紋端能旋擰到合適的內(nèi)螺紋插口中以將聲反射器安裝就位。
桿40由與聲反射器的殼體12相同的材料制成。因此圖5所示的桿40將是鋁合金6061T6，如果殼體是圖4所示的類型的殼體，則桿將是25%玻璃增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺。
圖6不出了圖5的桿的不例使用。圖5中所述的類型的兩個(gè)相同的聲反射器50 通過將圖5所示的類型的桿40也旋擰到這些反射器的殼體中的內(nèi)螺紋孔而被安裝在水下。另一端被旋擰到插口 44中，所述插口位于固定到海床52的三叉戟狀安裝裝置48的橫臂的 每一端，例如，在石油鉆塔平臺(tái)(未示出)的腿部之間。相同類型的另一較大聲反射器51安 裝在另一直立桿40上,該直立桿40安裝在位于兩個(gè)較小聲反射器50之間的中間位置的三 叉戟48的橫臂46上的另一插口 44中。反射器51設(shè)置得在水中略高于反射器50。反射 器50和51是圖1和圖2所示類型的反射器，在殼體中具有孔以允許水自由進(jìn)入芯部和殼 體之間的間隙中。
附接到潛水器的聲納陣列54利用寬帶聲納傳輸56訪問聲反射器50和51。由來 自聲反射器的反射信號(hào)構(gòu)成的頻率根據(jù)反射器的直徑而改變，較小的反射器提供由大致高 于來自較大聲反射器51的反射聲波59的頻率構(gòu)成的反射聲波58。當(dāng)由潛水器接收時(shí)按照 慣例借助反射聲波的功率以及入射的角度來分析這些信號(hào)，從而給予關(guān)于反射器50和51 的距離信息。三叉戟48的尺寸以及橫臂46和桿40的長度的知識(shí)能用來非常精確地計(jì)算 潛水器相對(duì)于三叉戟48的位置。
該布置具有一個(gè)其他令人感興趣的優(yōu)勢(shì)。眾所周知，短波長聲納信號(hào)比較長波長 聲納信號(hào)迅速得多地衰減。因此清楚的是，來自反射器51的反射信號(hào)59能在比來自反射 器50的短波長反射信號(hào)58大得多的距離處由潛水器“聽到”。因此潛水器的朝向由三叉戟 48標(biāo)記的目標(biāo)物體的最初引導(dǎo)能基于來自反射器51的反射聲信號(hào)59。當(dāng)潛水器靠近三叉 戟48時(shí)，將獲得來自兩個(gè)較小反射器50的反射并且能實(shí)現(xiàn)潛水器的朝向其目標(biāo)的最后的 精確轉(zhuǎn)向。
在另一布置中，本文所述的類型的多個(gè)聲反射器能是相同尺寸的聲反射器并且被 安裝以形成字母和/或數(shù)字的輪廓。因此能例如通過反射呈字母/數(shù)字組合形式的識(shí)別碼 來在水下標(biāo)記具體資產(chǎn)(assert)。如果側(cè)掃描聲納用于識(shí)別字母數(shù)字組合，則針對(duì)所涉及 的字母/數(shù)字的安裝反射器裝置的框架將需要被與豎向成一定角度安裝。大部分側(cè)描掃聲 納系統(tǒng)被設(shè)定成以相對(duì)于水平大約45°掃描；如此為了在使用中借助這樣的聲納最佳地 識(shí)別，框架將被安裝成使得由反射器反射的字母/數(shù)字輪廓也與水平成45°。
在圖7中，A形輪廓框架60被示出安裝在鉆探裝置的一部分的前面的海底52上， 使得字母A的平面與水平成45°?？蚣?0以及將其在海底上保持就位的直立構(gòu)件62由塑 料材料構(gòu)成(其實(shí)際特征不是關(guān)鍵，如果它是剛性的，耐海水中的降解并且它具有低聲反射 率)；聚亞安酯是合適的，因?yàn)檫@對(duì)水下聲波幾乎透明。
一系列內(nèi)螺紋插口 44安裝在框架的頂部上，在描繪字母A的主要性狀的輪廓的點(diǎn) 處。這些插口接收?qǐng)D5所繪的類型的桿40的外螺紋端。
這些桿垂直于A形框架60。桿40的另一端被旋擰到圖5所繪的類型的球形聲反 射器64的內(nèi)螺紋孔中。其他類似反射器66 (它們可以是不同于反射器64的直徑的反射 器)標(biāo)記朝向A形框架60的路線，后面是潛水器70。潛水器本身具有45°側(cè)掃描聲納，從 而發(fā)射寬帶聲納傳輸68。該傳輸將由聲反射器64反射,其中反射的聲波朝向潛水器與水平 成45°被引回，從而導(dǎo)致聲反射器中的每個(gè)均產(chǎn)生反射信號(hào)，該反射信號(hào)看起來與潛水器 上的接收器彼此一樣強(qiáng)。
如果使用中的聲納系統(tǒng)是底部掃描聲納，則框架將被水平而不是成一定角度安裝。
圖8示出了其中聲反射器10具有中心孔的本發(fā)明的實(shí)施方式。反射器的總體結(jié)構(gòu)與圖1和圖2中的相同，但是在該情況下，直徑大約為IOmm的導(dǎo)管21從間隙19引到芯 部16中的中心孔23。其他部分如圖1和圖2所討論的。
當(dāng)反射器浸入水中時(shí)，水進(jìn)入間隙19、導(dǎo)管21并且填充孔23。假如孔23的直徑 不超過反射器的直徑的10%，則空隙23中水的存在使得與反射器的一般性能稍微不同，但 是它將改變峰值響應(yīng)出現(xiàn)的頻率，從而使得能夠調(diào)諧反射器。
除聲反射器的殼體包括25%玻璃增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺以外，圖9幾乎與圖8相同。 除直徑大約IOmm的導(dǎo)管21從間隙19引到芯部16中的中心孔23以外，反射器的部件大致 與圖4C所示的那些部件相同。其他部件入圖4A至圖4C所討論的。圖10中示出圖1和圖 2所示反射器的另一變型。這里反射器10具有導(dǎo)管25，該導(dǎo)管的直徑大約10mm，在直徑上 橫跨芯部16延伸。殼體12具有貫穿其的兩個(gè)孔24，每個(gè)孔均使入口點(diǎn)與導(dǎo)管25對(duì)置。這 些孔24比殼體中的其他孔20稍微更寬，大約為10mm?？?4和導(dǎo)管25能接收例如尼龍制 成的繩索(未示出)，該繩索能用于幫助將反射器10布置、放置或保持就位，或使反射器相互 束縛。
在圖8至圖10中，小突起18和間隙19能被省除，使得芯部的外部接觸殼體的內(nèi) 部。雖然該布置將仍適于芯部的熱膨脹，但是芯部與殼體的聲耦合不如所示布置中的好，并 且因此不是實(shí)施本發(fā)明的優(yōu)選方式。
圖11至圖13示出了非球形反射器的構(gòu)造和使用。在各種情況下，反射器均具有 圓形截面并且布置且定位成使得聲納可以詢問殼體的形成圓形截面的圓周的部分。
圖1lA示出了裝配有多個(gè)分別根據(jù)本發(fā)明的長形管狀反射器或標(biāo)記器152的管道 150的示意圖，每個(gè)反射器或標(biāo)記器均具有端部打開的管狀殼體153。圖1lB是反射器152 的剖面圖。標(biāo)記器152的芯部154是由硅彈性體制成的長形實(shí)心管狀段，而不是具有如圖1所繪的小突起，芯部154已被擠出有脊部，這些脊部沿著芯部的外表面延伸以將該芯部在 管狀殼體內(nèi)保持就位。水能夠以與圖1、圖2和圖4在上所述的相似的方式進(jìn)入由此形成在 芯部154和殼體153之間的間隙157。
標(biāo)記器152的開口端156允許水自由地進(jìn)入和離開間隙157。如果標(biāo)記器152具 有金屬殼體，則它們將需要借助常規(guī)的電絕緣凸耳158與管道150隔離，在圓筒形殼體153 由Zytel 或其他非導(dǎo)體材料制成的更常見的情況下這將不是必需的。管道150具有常規(guī) 的終端凸緣160，該終端凸緣中具有孔從而允許其用螺栓固定到另一管道。具有標(biāo)記器的該 管道能在陸地上預(yù)制并且借助于凸緣160中的螺栓孔被接合到另一相似裝配的管。這樣， 裝配有聲標(biāo)記器的管線能作為正常過程的一部分被組裝用于鋪設(shè)水下管線。作為另選方案 或除此之外，芯部153可以形成有中央導(dǎo)管，水能自由進(jìn)入該中央導(dǎo)管。然而，填充有水的 間隙157的存在使得殼體153和芯部154之間能進(jìn)行比其他情況好得多的聲耦合。
雖然圖1lA和圖1lB中的管狀標(biāo)記器已針對(duì)管道被描述，但是標(biāo)記器能應(yīng)用于其 他對(duì)象，諸如石油鉆塔平臺(tái)、海上用于工人的生活平臺(tái)、以及被放置在水下的其他對(duì)象。為 了和用于油氣工業(yè)的聲納系統(tǒng)一起使用，典型地反射器的直徑將大約是IOOmm并且殼體是 25%玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺殼體、鋁或鋁合金殼體，所述殼體在所使用的頻率下執(zhí)行 得不太好。殼體能構(gòu)造成兩個(gè)縱向半殼，芯部放置在一個(gè)半殼中，并且兩個(gè)半殼以和關(guān)于圖 4的球形殼體所討論的相同的方式接合。
圖1lC是裝配有多個(gè)均根據(jù)本發(fā)明的長形管狀反射器或標(biāo)記器162的塑料氣管161的示意圖。圖1lD是反射器162的剖面圖。每個(gè)反射器或標(biāo)記器162均具有端部打開 的管狀殼體162。由娃彈性體制成的標(biāo)記器162的芯部164 (長形實(shí)心管狀段)已被擠出有 脊部，這些脊部沿著芯部的外表面的長度延伸以在管狀殼體內(nèi)將芯部保持就位，其中水能 夠以類似于在前所述的方式進(jìn)入由此形成在芯部和殼體之間的間隙167。
管狀反射器或標(biāo)記器162接近于氣管161但是與該氣管隔開地安裝在共用支撐件 168中。作為另選方案或除此之外，芯部164可以形成有中央導(dǎo)管，水能自由地進(jìn)入該中央 導(dǎo)管。然而，如前所述，填充有水的間隙167的存在使得在圓筒形殼體163和芯部164之間 能進(jìn)行比其他情況好得多的聲耦合。
操作中，圖1lA至圖1lD的標(biāo)記器以與本文所述的其他標(biāo)記器完全相同的方式工 作。從聲源傳輸?shù)穆暡ㄈ肷湓诠軤顦?biāo)記器152或162上。波的一部分穿過殼體153或163 進(jìn)入芯部154或164中，其中波橫跨芯部行進(jìn)以從與入口對(duì)置的殼體壁橫跨殼體反射回。波 的一部分繞殼體壁行進(jìn)并且與波的穿過芯部被傳輸?shù)牟糠窒嚅L地結(jié)合以朝向原始聲波源 向外再輻射回。
雖然已經(jīng)針對(duì)管道描述了圖1lA至圖1lD中的管狀標(biāo)記器，但是標(biāo)記器能應(yīng)用于 其他對(duì)象，諸如石油鉆塔平臺(tái)、海上工人的生活平臺(tái)、以及待放置在水下的其他對(duì)象。為了 和用于油氣工業(yè)的聲納系統(tǒng)一起使用，典型地，反射器的直徑大約是IOOmm并且殼體是25% 玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺殼體、鋁或鋁合金殼體，這些殼體在所采用的低頻下執(zhí)行得 不太好。殼體153或163能構(gòu)造成兩個(gè)縱向半殼,芯部放置在一個(gè)半殼中并且兩個(gè)半殼以 與關(guān)于圖4的球形殼體所討論的相同的方式接合。
塑料氣管或其他非鐵磁性管能這樣標(biāo)記的實(shí)現(xiàn)是特別重要的改進(jìn)，因?yàn)闆]有其他 已知的成本有效的方式來令人滿意地標(biāo)記這些塑料氣管或其他非鐵磁性管，一旦它們已被 放置在水下，使得它們隨后被追蹤。鐵磁性管能利用它們的磁場(chǎng)特征被追蹤。
圖12A和圖12B示出了本發(fā)明的另一實(shí)施方式。所構(gòu)造的環(huán)形標(biāo)記器170遵循先 前描述的原則。該標(biāo)記器具有殼體174，該殼體包括兩個(gè)半圓形截面殼體172和173，這兩 個(gè)半圓形截面殼體通過膠粘舌部177和凹槽178接合而接合。環(huán)形芯176由模制彈性體形 成，該彈性體的外表面上具有小突起180以接觸殼體的內(nèi)表面并且在殼體的內(nèi)壁和芯部之 間形成間隙182，典型地該間隙大約為1. 3_。殼體174具有多個(gè)孔175，當(dāng)標(biāo)記器浸入水中 時(shí)，這些孔允許水自由地從其殼體174的外面流入芯部176。間隙182形成這樣的容積，當(dāng) 其被加熱時(shí)芯部可以膨脹到其中，并且水和空氣可以自由地進(jìn)入并離開該間隙。
在該示例中殼體是鋁或鋁合金，但也可以使用關(guān)于較早示例提及的另選方案中的 任一方案。
從聲源傳輸?shù)穆暡ㄈ肷湓跇?biāo)記器170的外表面上。波被部分反射并且部分從標(biāo)記 器被再輻射。
在該情況下，小突起可以由類似于圖1lA至圖1lD中的脊部157、167的模制脊部代替。
在圖13中，支柱的下部190 (諸如橋墩)被示出在表面191下面延伸到海床192 中。如參照?qǐng)D12A和圖12B所述的一系列環(huán)形聲標(biāo)記器194A、194B、194C和194D繞支柱190 安裝在海面下。那些在海床上方的標(biāo)記器194A和194B能用來標(biāo)記支柱190。水流將沖刷 優(yōu)先繞支柱190的海床，最后將海床水平面降低到196，從而使標(biāo)記器194C暴露，該標(biāo)記器194C最初位于海床下面。借助聲納詢問進(jìn)行該標(biāo)記器194C的探測(cè)將提供沖刷的預(yù)警，并且 需要可能的注意。
當(dāng)沖刷繼續(xù)并且海床如由線198所示進(jìn)一步下降時(shí)，另一標(biāo)記器194D被暴露，這 可能指示已形成潛在危險(xiǎn)情況并且可能需要緊急注意支柱190的水下安裝。
能利用一個(gè)或多個(gè)由與殼體相同的材料制成的圖5所繪的類型的桿將環(huán)形標(biāo)記 器170安裝在支柱上。
對(duì)于一些安全和軍事應(yīng)用，可以期望的是，反射器在放入水中之后保持暫時(shí)不可 見。為了利用本文所述的類型的反射器實(shí)現(xiàn)此暫時(shí)不可見，空氣必須被保持在殼體和芯部 之間直到反射器旨在可探測(cè)時(shí)。通過在殼體中設(shè)置一個(gè)較大孔(例如直徑為IOmm)并且確 保當(dāng)反射器被放在水中時(shí)該孔處于最上部；當(dāng)其中的塞子溶解時(shí)空氣被迅速排出。
合適的塞子材料包括食鹽(氯化鈉)、堿土的氧化物、鈣和硼、或鎂(包括將與鹽水 反應(yīng)以形成可溶化合物的鎂的合金)。
本發(fā)明的另一應(yīng)用包括監(jiān)控水體的聲傳輸率。通過以距聲納源漸增的距離鋪設(shè)多 個(gè)根據(jù)本發(fā)明的聲反射器，水體的聲傳輸率能通過監(jiān)控來自反射器的反射聲波來監(jiān)控。當(dāng) 傳輸率減小時(shí)(例如在較洶涌的水中)，距聲納源最遠(yuǎn)的反射器將不再被看見。當(dāng)監(jiān)控潛水 員或魚群時(shí)這能是有用的，這是因?yàn)樗鼘⑹沟媚軌蛟谝驗(yàn)椴淮嬖诒豢吹降臐撍畣T或魚而缺 少響應(yīng)以及當(dāng)湍流或渾水僅減小聲納探測(cè)器的范圍時(shí)的情況之間進(jìn)行區(qū)別。
有時(shí)確認(rèn)這樣的問題，如果W02006/075167中所述類型的水下聲反射器，即，來自 芯部內(nèi)以及來自繞殼體行進(jìn)的波的反射聲波有時(shí)能由從殼體的正面反射的聲波完全掩蓋。 如果詢問聲納具有長脈沖寬度并且非常接近聲反射器，則這是特別正確的。結(jié)果，雖然反射 器能被“看見”，但不會(huì)產(chǎn)生識(shí)別信息。該問題能通過用聲輻射源詢問反射器而克服，在聲輻 射源中詢問脈沖的傳輸長度(時(shí)間單位)小于聲反射器的殼體的直徑除以橫跨芯部的平均 聲速的兩倍。例如，如該說明書所說明的，如果芯部包括RTV12，其中水自由地進(jìn)入和離開殼 體和芯部之間的容積，則聲波在穿過殼體之后在反射器的內(nèi)部內(nèi)的平均聲速將是RTV12和 水結(jié)合的聲速。
在一些聲納系統(tǒng)中，具有長脈沖的傳輸用來使得聲納系統(tǒng)能夠搜集關(guān)于周圍環(huán)境 的基本信息。為了和本發(fā)明的主題的該類型的聲反射器一起使用，希望在較長脈沖之中散 布短脈沖。較短脈沖具有小于聲反射器的殼體的直徑除以橫跨填充有水的容積和芯部的平 均聲波速度的兩倍的脈沖時(shí)間。該類型的短脈沖有規(guī)律地散布于較長脈沖之中(例如四個(gè) 長脈沖中一個(gè)短脈沖)。圖14不出了這種傳輸模式。
圖14中，水下聲波波型73從聲納(未示出)朝向圖1、圖2或圖4所示的類型的被 動(dòng)聲反射器傳輸。較短長度的脈沖72在每四個(gè)較長脈沖71之后被傳輸。假定反射器的橫 跨任何水容積和芯部的內(nèi)徑是280mm (在300mm直徑的球形反射器中)，并且橫跨水容積和 芯部的平均聲速是1100m/s，則短脈沖72的最大脈沖長度是5 X 10_5秒，如果從芯部再輻射 的聲信號(hào)待由詢問聲納“看見”的話。
圖15示出了鋁合金殼體的頻率響應(yīng)，具有RTV12芯部的根據(jù)本發(fā)明的水下反射 器被示出(如圖1和圖2所繪)。殼體的厚度為8. 8mm，直徑為200mm。在4KHz至80KHz之 間的入射聲波的頻率下，存在好于-1Odb的優(yōu)良響應(yīng)，其中在62KHz下具有-3db的目標(biāo)強(qiáng) 度(TS)最佳響應(yīng)。該響應(yīng)好于針對(duì)被動(dòng)水下聲反射器在前記錄的任何響應(yīng)。然而，在較高頻率下(高于ΙΟΟΚΗζ)，響應(yīng)曲線相對(duì)平坦且低，并且在較高頻率下，參照?qǐng)D4所述的類型的聲反射器顯著更好。應(yīng)該注意的是，在標(biāo)記X的區(qū)域中，不能利用換能器測(cè)量響應(yīng)，該換能器用來當(dāng)聲反射器在這些低頻下不能操作時(shí)獲得測(cè)量。所示曲線因此基于來自模型的數(shù)據(jù)，該曲線分別示出了在30KHz和20KHz下的第二峰值響應(yīng)，其中峰值響應(yīng)剛好低于在大約 62KHz下的最大響應(yīng)。在160KHz至230KHz之間的區(qū)域中(標(biāo)記Y)，存在進(jìn)一步的不確定性， 這是因?yàn)榈皖l換能器和較高頻換能器之間的不連續(xù)；該區(qū)域中的曲線表示所獲得的響應(yīng)的平滑，然而在200KHZ處的峰值與模型數(shù)據(jù)一致。
轉(zhuǎn)到圖16，示出了從反射器背面和正面獲得的響應(yīng)，其中相同的觀察涉及曲線的標(biāo)記X和Y的部分。
在圖16中，將看到，在80KHz以下，來自反射器背面的回波至少和來自正面的回波一樣強(qiáng)，也就是，在該范圍內(nèi)反射器將產(chǎn)生關(guān)于反射器的尺寸的重要信息。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，從具有在6_至15_之間的厚的殼體壁的根據(jù)本發(fā)明的反射器獲得優(yōu)秀的聲響應(yīng)。雖然正確的響應(yīng)機(jī)制未被完全理解，但是想到的是，連同殼體本身中的共振響應(yīng)模式一起，該響應(yīng)是來自穿過殼體且進(jìn)入芯部中的波的響應(yīng)的組合，該組合從殼體的背面被聚焦和反射以與繞殼體壁行進(jìn)的聲波相長地干涉。還已發(fā)現(xiàn)，隨著殼體厚度增大，出現(xiàn)最佳響應(yīng)的頻率傾向于減小，隨著殼體厚度減小，最佳響應(yīng)在漸增的頻率下出現(xiàn)；但具有鋁和鋁合金殼體的反射器不會(huì)顯示出響應(yīng)于壁厚的變化與關(guān)于圖17和圖18所討論的非金屬帶殼反射器同樣多的變化。
對(duì)于具有鋁或鋁合金殼體的直徑200mm以下的反射器，在低頻(低于IOOKHz)下的響應(yīng)減小。在直徑400mm以上，雖然響應(yīng)非常好，但是反射器變得對(duì)于實(shí)際配置來說太大。 因此對(duì)于在低頻環(huán)境中操作的反射器，理想的反射器直徑在大約200mm至400mm之間。
具有鋁或鋁合金殼體的反射器是堅(jiān)固的。除標(biāo)記用于水下工業(yè)的物體和通道之外，實(shí)際應(yīng)用還包括在捕魚工業(yè)中使用，以標(biāo)記漁網(wǎng)、水下的桶和捕捉器，并且尤其是使用于航空工業(yè)中，以標(biāo)記黑匣子和飛機(jī)的其他關(guān)鍵部件。在航空工業(yè)的情況下，反射器的強(qiáng)度和輕質(zhì)意味著它實(shí)際上用于待放置在飛機(jī)上的、附接至黑匣子或其他敏感部件的裝置。如果飛機(jī)在海上迫降，則部件的識(shí)別和回收應(yīng)該任何時(shí)候在理論上是可能的，因此對(duì)于在水上迫降之后發(fā)射機(jī)應(yīng)答器電池相對(duì)快速地到期后找到黑匣子和其他部件變得非常困難的當(dāng)前情況是巨大的改進(jìn)。在航空的環(huán)境下，要注意的是，鈦的聲速非常接近于鋁的聲速，并且鈦反射器將類似于鋁或鋁合金反射器執(zhí)行。
改變來自6061T6的鋁合金將影響特定性能圖測(cè)量，包括精確的峰值響應(yīng)和它們的大小，但是這將不會(huì)有損于本發(fā)明隱含的原理。后綴T6指示在所用合金的制造中所用的加速時(shí)效硬化過程，甚至改變時(shí)效硬化將影響性能。
圖4A至圖4C所示的反射器在低頻下類似于鋁合金反射器執(zhí)行，除峰值響應(yīng)在剛好50KHz以下為_4db，該鋁合金反射器的性能在圖17中示出。曲線的標(biāo)記X的左手部分再次基于模型數(shù)據(jù)，這是因?yàn)闇y(cè)試換能器在這些頻率下操作的無能。
移到圖18和圖19，并且和借助鋁合金殼體反射器發(fā)現(xiàn)的形成對(duì)比，圖4C的反射器還具有在IOOKHz至130KHz的范圍內(nèi)的良好響應(yīng)，在115KHz下再次大約_4db，并且在 360KHz至400KHz之間具有良好響應(yīng)，在385KHz下具有峰值。進(jìn)一步的測(cè)試(未示出)示出了在650KHz至690KHz之間的良好響應(yīng)，在675KHz下具有峰值，另一個(gè)峰值看來像是在970KHZ下出現(xiàn)。這些結(jié)果尤其令人感興趣，因?yàn)樽罴秧憫?yīng)的頻率出現(xiàn)在油氣勘探工業(yè)中聲 納系統(tǒng)的規(guī)則操作頻率下，從而形成尤其良好地使用用于該工業(yè)中的圖4A至圖4C所示的 反射器。
有用的是比較圖15至圖19所示的結(jié)果與1998年10月13日US5822272ACREAM) 中所公布的那些結(jié)果，將看到圖15至圖19所示的結(jié)果顯著更好。比較針對(duì)如圖4C所構(gòu)造的200mm直徑反射器中各種壁厚峰值響應(yīng)出現(xiàn)的頻率的 第一響應(yīng)在圖18和圖19中的峰值A(chǔ)處獲得，第二響應(yīng)處于峰值B :第一中值124KHz第: 第一中值119KHz第: 第一中值IllKHz第: 第一中值IllKHz第:.中值 438KHz。 .中值 425KHz。 .中值 398KHz。 .中值 380KHz。第第
變化。
值。
致的。
在所述的實(shí)施方式中的每個(gè)實(shí)施方式中，聲波在反射器中的物理傳輸如上所述。 在低頻下，相信該機(jī)制可以通過殼體壁的混響來提高，盡管這未被證明；這可以解釋低頻下 金屬殼體的更好的性能。殼體厚度6. 9mm 殼體厚度7. Omm 殼體厚度8. Omm 殼體厚度8.1mm 殼體厚度8. 8mm 殼體厚度9.1mm 殼體厚度10. Omm :第 殼體厚度10. 9mm :第 對(duì)于9mm以上的殼體厚度，在兩個(gè)測(cè)量的第一峰值和第二峰值之間觀察到另一峰將看到的是，增加殼體厚度傾向于減小出現(xiàn)峰值響應(yīng)的頻率，盡管這不是完全一中值 113. 5KHz 第二中值 379KHzt 中值IOlKHz第二中值360KHz。 -中值99KHz第二中值345KHz。 中值115KHz第二中值330KHz。
權(quán)利要求
1.一種聲反射器，該聲反射器在水下使用并且包括圍繞芯部的殼體，所述聲反射器的特征在于，所述殼體中具有一個(gè)或更多個(gè)孔，從而在所述聲反射器配置在水中時(shí)允許水自由地進(jìn)出所述殼體的內(nèi)部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲反射器，其特征在于，所述聲反射器具有圓形截面并且包括圍繞芯部的殼體，所述殼體允許一種或更多種頻率的聲波至少部分地穿過所述殼體而進(jìn)入所述芯部中以從所述殼體的與所述聲波的入口對(duì)置的部分被反射回來，并且部分地在所述殼體內(nèi)環(huán)行而與所反射的波結(jié)合并且從所述聲反射器被再輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部的體積略小于所述殼體的內(nèi)部容積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部的表面上具有多個(gè)可變形的凸起部，所述凸起部接觸所述殼體的內(nèi)部并且相對(duì)于該殼體將所述芯部保持就位，其中在所述殼體的內(nèi)部和所述芯部之間形成有間隙。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體的內(nèi)部能具有多個(gè)向內(nèi)突起，這些突起接觸所述芯部的表面，并且在所述殼體的內(nèi)部和所述芯部之間設(shè)置有間隙。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的聲反射器，其特征在于，在所述殼體和所述芯部之間至少具有五個(gè)接觸點(diǎn)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4至6中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體的內(nèi)部和所述芯部之間的所述間隙大約為1. 3_。
8.根據(jù)權(quán)利要求4至7中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述間隙包含有防污劑。根據(jù)任一前述權(quán)利要求的聲反射器，其特征在于，所述孔中具有水溶塞子，所述塞子在所述聲反射器浸入水中時(shí)溶解。
9.根據(jù)權(quán)利8所述的聲反射器，其特征在于，所述一個(gè)或更多個(gè)孔的直徑大約為10_。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，在所述殼體中具有十個(gè)或更多個(gè)孔。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的聲反射器，其特征在于，所述孔的直徑大約為Imm至2mm。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部包括彈性體材料和導(dǎo)管，所述彈性體材料在其中心具有至少一個(gè)孔，所述導(dǎo)管從該孔引到所述殼體的外部。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部包括彈性體材料，該彈性材料具有直徑導(dǎo)管，該直徑導(dǎo)管從所述殼體中的一個(gè)孔通到該殼體中的第二孔。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部在其表面中具有裂縫或凹痕，所述裂縫或凹痕均允許與所述殼體中的一個(gè)或更多個(gè)孔相關(guān)聯(lián)。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，由可變形材料制成的所述芯部中分布有多個(gè)泡，這些泡可壓縮以吸收所述芯部的膨脹。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體中的聲波傳輸速度與所述芯部中的平均聲波傳輸速度之比在2. 5 I至3. 4 I的范圍內(nèi)或者為其倍數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的聲反射器,其特征在于,所述殼體中的聲波傳輸速度與所述芯部中的平均聲波傳輸速度之比在2. 74 I至3. 4 I的范圍內(nèi)或者為其倍數(shù)。
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部包括硅基彈性體材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體是選自包括如下的組的非金屬玻璃纖維增強(qiáng)聚鄰苯二甲酰胺、環(huán)氧樹脂浸潰的碳纖維、環(huán)氧樹脂浸潰的芳族聚酰胺纖維、環(huán)氧樹脂浸潰的聚(對(duì)苯撐-2，6-苯并二噁唑)纖維、或環(huán)氧樹脂浸潰的聚乙烯纖維。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體包括25%玻璃纖維增強(qiáng)的聚鄰苯二甲酰胺殼體。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體的厚度在4_至15_之間。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至18中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體是鋁或鋁I=1-Wl O
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的聲反射器,該聲反射器與聲傳輸系統(tǒng)結(jié)合，該聲傳輸系統(tǒng)以4KHz至80KHz的頻率發(fā)射聲輻射。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體的壁的厚度在6_ 至15mm之間。
25.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述芯部是預(yù)制的。
26.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體包括接合在一起的兩個(gè)半球，半球的邊緣具有舌部，該舌部接合在形成于另一半球的邊緣中的凹槽中。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的聲反射器，其特征在于，所述舌部或所述凹槽中的一方具有閂鎖，該閂鎖與形成在所述凹槽或所述舌部中的另一方中的棘爪接合，所述閂鎖將所述兩個(gè)半球保持在一起。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的聲反射器，其特征在于，如果所述殼體內(nèi)的壓力超過預(yù)定最大值，則所述閂鎖失效。
29.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述聲反射器繞所述殼體的外部涂覆有一層或更多層聚亞安酯。
30.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體具有至少一個(gè)另外的孔或凹部，所述另外的孔或凹部接收外部桿。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的聲反射器，其特征在于，所述桿由與所述殼體相同的材料制成。
32.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的聲反射器，其特征在于，彼此緊鄰地安裝的至少兩個(gè)聲反射器中的一個(gè)向掃描聲納系統(tǒng)提供距離信息。
33.根據(jù)權(quán)利要求30或31所述的聲反射器，該聲反射器安裝在框架上以向掃描聲納系統(tǒng)反射位置識(shí)別信息，所述位置識(shí)別信息例如是字母和/或數(shù)字。
34.根據(jù)權(quán)利要求35所述的聲反射器，其特征在于，所述框架安裝成使得該框架的平面正交于預(yù)期的掃描聲納。
35.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器,該聲反射器與聲福射源結(jié)合，其特征在于，所述聲福射源以一定時(shí)段發(fā)射聲福射的單獨(dú)脈沖，所述時(shí)段小于從聲傳輸?shù)倪M(jìn)入點(diǎn)到所述聲反射器的所述芯部中的距離除以該芯部中的聲速的兩倍。
36.根據(jù)權(quán)利要求35所述的聲反射器，其特征在于，所述單獨(dú)脈沖在其他較長脈沖的模式中有規(guī)律地出現(xiàn)。
37.根據(jù)權(quán)利要求1至29中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，該聲反射器最初與飛機(jī)的部件一起配置。
38.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的聲反射器，其特征在于，該聲反射器是球形的。
39.根據(jù)權(quán)利要求1至35中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，該聲反射器是管狀的。
40.根據(jù)權(quán)利要求39所述的聲反射器，其特征在于，該聲反射器附接至管道。
41.根據(jù)權(quán)利要求39所述的聲反射器，其特征在于，該聲反射器附接到非鐵磁性管。
42.根據(jù)權(quán)利要求39至41中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述殼體包括端部打開的管，所述端部打開的管圍繞所述芯部，所述芯部在其外表面上具有接觸管狀的該殼體的脊部，并且在所述芯部和所述殼體之間形成有間隙，該間隙形成所述容積，并且水能自由地進(jìn)出該間隙。
43.根據(jù)權(quán)利要求1至35中的任一項(xiàng)所述的聲反射器，其特征在于，所述聲反射器大致呈環(huán)形的形式。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的聲反射器，其特征在于，所述聲反射器繞水下物體安裝。
45.—種用于聲反射器的桿安裝件,其特征在于，所述聲反射器包括圍繞芯部的殼體， 所述桿安裝件包括與所述殼體相同的材料。
46.一種方法，該方法通過將多個(gè)根據(jù)本發(fā)明的聲反射器放置在聲納范圍內(nèi)并且監(jiān)控從這種聲反射器反射的聲波來監(jiān)控聲納探測(cè)系統(tǒng)的有效范圍。
全文摘要
一種用于在水下使用的聲反射器包括圍繞芯部的殼體，在殼體中設(shè)置孔以在反射器浸入水中時(shí)允許空氣和水自由地進(jìn)出該殼體的內(nèi)部。描述了的各種實(shí)施方式包括使用配合至水芯部的金屬殼體，使用安裝桿，設(shè)置框架以聲學(xué)反射字母數(shù)字字符，設(shè)置可溶塞子以延遲反射器的操作，且反射器涂覆有聚亞安酯以限制破壞。還提出一種脈沖模式以改進(jìn)聲反射器在一些情況下的識(shí)別。描述了特別適于和在捕魚工業(yè)中建立的相對(duì)低頻聲納一起使用的反射器的設(shè)計(jì)，該反射器具有鋁或鋁合金殼體，如具有非金屬殼體的適于和水下勘探工業(yè)中的較高頻聲納一起使用的反射器那樣。反射器能是球形、環(huán)形、卵形或筒形的，只要它們具有至少一個(gè)圓形截面。當(dāng)前方面的特別重要的改進(jìn)是標(biāo)記和追蹤水下非鐵磁性管的能力。
文檔編號(hào)G10K11/20GK103003873SQ201180034872
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者卡爾·彼得·泰特曼, 安德魯·馬爾科姆·塔爾洛奇 申請(qǐng)人:海底定位技術(shù)有限公司