АКУСТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОР Российский патент 2009 года по МПК G10K11/28 

Настоящее изобретение относится к акустическим рефлекторам, в частности к подводным отражательным мишеням, используемым в качестве навигационных средств для локации и ре-локации.

Подводные отражательные мишени чаще всего являются акустическими рефлекторами, обычно используемыми в гидролокационных системах, таких как, например, системы слежения за подводными структурами. Устройства для ре-локации (повторного обнаружения) используются, например, для идентификации трубопроводов, кабелей и мин, а также в рыбной промышленности для акустической маркировки сетей.

Для того чтобы быть эффективным, акустический рефлектор должен быть легко распознаваемым от фоновых элементов и окружающих помех, и поэтому желательно, чтобы подобные отражательные мишени были бы (а) способны производить сильную отраженную акустическую реакцию на выходе (т.е. высокую отражающую способность мишени) относительно отражающей способности акустических волн, отраженных от фоновых элементов и окружающего шума и (б) иметь акустические характеристики, которые позволяют выделить ее из других (ложных) мишеней.

Усиленное отражение акустических волн от мишени в настоящее время достигается преломлением входных акустических волн, ниспадающих на сторону сферического корпуса таким образом, чтобы они фокусировались вдоль входной траектории на противоположную сторону от той, от которой они отражались, и распространялись в качестве выходного отраженного ответного сигнала. Альтернативно, входные акустические волны могут быть отражены более одного раза от противоположной стороны, перед тем как распространяться в качестве выходной отраженной волны.

Известные подводные отражающие мишени содержат заполненный жидкостью сферический корпус. Подобные заполненные жидкостью сферические корпуса мишени создают высокую отражающую способность мишени, когда выбранная жидкость имеет скорость распространения звука около 840 мс^-1. В настоящее время это достигается использованием хлорофтороуглеродов (ХФУ) в качестве жидкости, заполняющей корпус. Подобные жидкости обычно являются нежелательными органическими растворителями, которые токсичны и истощают озоновый слой. Поэтому отражающие мишени с заполненным жидкостью сферическим корпусом являются невыгодными потому, что использование подобных материалов ограничено из-за потенциальной опасности нанесения вреда окружающей среде в результате угрозы вытекания жидкости и загрязнения окружающей среды. Более того, производство отражающих мишеней с заполненным жидкостью корпусом довольно затруднительно и дорого.

Другим известным акустическим рефлектором является трехплоскостной рефлектор, который обычно включает три взаимно перпендикулярные отражательные плоскости, пересекающиеся в общей исходной точке. Однако для подобных рефлекторов может потребоваться нанесение покрытия для придания им звукоотражательных свойств при представляющих интерес частотах и для использования в морской среде, и хотя для них возможна большая отражающая способность мишени, отражательные свойства материала покрытия подвержены изменениям, связанным с давлением, вызываемым глубиной под водой. Более того, недостаток трехплоскостных рефлекторов состоит в том, что их отражательная способность зависит и ограничивается их положением, в то время как при различных углах могут происходить изменения отражающей способности мишени, превышающие 6 дБ.

Кроме того, желательно иметь акустические отражающие метки, которые можно было бы прикрепить к морским животным, таким как тюлени, дельфины и киты для определения их местонахождения, слежения и мониторинга для исследовательских целей. Желательно, чтобы эти метки имели небольшой вес и были бы маленького размера, чтобы никаким образом не мешать животному. Однако вышеупомянутые известные рефлекторы не пригодны для подобных применений. Как упоминалось выше, заполненные жидкостью сферические рефлекторы производятся с использованием токсичных материалов и поэтому считаются потенциально вредными для животного, к которому они прикрепляются и для окружающей среды, в которой животное обитает. Трехплоскостной рефлектор не является всенаправленным, но вместо этого зависит и ограничивается его положением, что является нежелательным.

Поэтому желательно создать акустический рефлектор, который является надежным, нетоксичным, небольшим по размеру и относительно простым и недорогим в производстве.

В соответствии с настоящим изобретением получен акустический рефлектор, содержащий корпус, имеющий стенку, окружающую сердечник, при этом данный корпус способен пропускать акустические волны, попадающие на корпус, в сердечник, чтобы они фокусировались и отражались от зоны корпуса, расположенной напротив зоны падения волн, чтобы обеспечить выход отраженного акустического сигнала из рефлектора, при этом сердечник имеет форму сферы или прямого цилиндра и образован одним или более концентрических слоев твердого материала, имеющего скорость распространения волны от 840 до 1500 мс^-1, при этом корпус имеет такой размер относительно сердечника, что часть акустических волн, попадающих на корпус, проникают в стенку корпуса и распространяются в ней по окружности корпуса и затем повторно излучаются таким образом, чтобы объединиться с вышеупомянутым отраженным выходом акустического сигнала, чтобы обеспечить выход усиленного отраженного акустического сигнала.

Рефлектор может иметь либо форму сферы, либо цилиндра с круговым сечением, перпендикулярным источнику энергии. В последнем случае рефлектор был бы в форме длинной непрерывной системы, т.е. ленточного отражателя с высоким гидролокационным отражением от отражаемых вспышек, поступающих от тех частей ленточного отражателя, расположенных под прямыми углами к направлению распространения акустического сигнала.

Предпочтительно, чтобы сердечник был образован из одного твердого материала, имеющего скорость распространения волны между 840 мс^-1 и 1300 мс^-1. Альтернативно, сердечник может содержать два или более слоя различных материалов, в которых для определенной частоты акустических волн они обеспечат или более эффективную фокусировку поступающих волн и/или более низкое затухание внутри материала, так что в целом это приведет к усилению выходного сигнала. Однако, естественно, сложность и стоимость производства в случае многослойного сердечника будет больше. В случаях, когда сердечник образован из двух или более слоев различных материалов, либо один из них, либо оба материала могут иметь скорость распространения до 1500 мс^-1.

Для того чтобы быть пригодным для использования в рефлекторном устройстве по данном изобретению, материал сердечника должен быть таким, чтобы он демонстрировал скорость распространения волны в требуемом диапазоне, не подвергаясь высокой абсорбции акустической энергии. Сердечник может быть образован из эластомерного материала, подобного, например, силикону, в частности силиконового каучука RTV12 или RTV655 фирмы Байер (Вауеr) и пероксидного вулканизата силиконового каучука Алсил 14401 (Alsil 14401).

Корпус может быть образован из твердого материала, такого как, например, материал стеклопластик, в частности стеклонаполненный нейлон, подобный 50% стеклонаполненному Нейлону 66 или 40% стеклонаполненному полуароматическому полиамиду, или сталь, и может иметь такой размер, чтобы его толщина составляла приблизительно одну десятую радиуса сердечника. Однако выведение правильного соотношения между этими параметрами относительно характеристик материалов, используемых в сердечнике и корпусе, будет легко понятно специалистам в данной области.

В конструкции устройства может быть использована концепция комбинирования волн, пропускаемых через корпус рефлектора, с внутренне сфокусированными волнами для получения исключительно распознаваемого признака или признаков в усиленном отраженном выходе акустического сигнала от устройства. Например, выход сигнала может быть упорядочен таким образом, чтобы обладать характерной временной характеристикой или спектральным содержанием.

Соответствующим образом адаптировав гидролокатор, используемый для детектирования акустического сигнала, чтобы распознавать характерный признак в выходе, становится возможным распознать между сигналом от рефлектора по изобретению и фоновым шумом и помехами от других (ложных) мишеней, находящихся в поле зрения детектора используемого гидролокатора.

Теперь настоящее изобретение будет описано в виде примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:

Фиг.1 является схематическим представлением разреза акустического рефлектора по данному изобретению; и

Фиг.2 является графиком, показывающим частоту относительно отражающей способности мишени для различных комбинаций материалов корпуса и сердечника акустических рефлекторов.

Обратимся к фиг.1, на которой акустический рефлектор 10 включает корпус 12, имеющий стенку 14. Стенка 14 окружает сердечник 16.

Корпус 12 образован из твердого материала, подобного стеклопластику или стали. Сердечник 16 образован из плотного материала, подобного эластомеру. Частота или диапазон частот, при которой может быть использован акустический рефлектор, зависит от заранее заданной комбинации материалов, используемых для формирования корпуса и сердечника, и их относительных размеров.

Однако читатель должен понимать, что могут использоваться и другие комбинации материалов при условии, что размеры корпуса и сердечника относительно друг друга выбраны в соответствии со свойствами распространения волны используемых материалов.

Исходные акустические волны 18 от акустического источника (не показано) падают на корпус 12. Когда угол падения высокий, большинство акустических волн 18 пропускаются через стенку корпуса 14 в сердечник 16. Акустические волны 18 проходят через сердечник 16 и отражаются и тем самым фокусируются на противоположной стороне 20 корпуса, от которой акустические волны 18 отражаются обратно по той же траектории в качестве отраженного выхода акустического сигнала 22. Однако, когда угол падения меньше, в зоне захвата 24 корпуса, т.е. при достаточно малом угле относительно корпуса, часть падающих волн 18 проникает в стенку 14 и образует волны корпуса 26, которые направляются внутри стенки 14 вокруг окружности корпуса 12.

Материалы, образующие корпус 12 и сердечник 16, и относительные размеры корпуса и сердечника заранее заданы таким образом, чтобы время передачи волны корпуса 26 было таким же, как и время прохождения внутренней геометрически сфокусированной волны (т.е. выхода отраженного акустического сигнала 22). Следовательно, вклад волны корпуса, обратно излучаемой в жидкость, и выхода отраженного акустического сигнала совпадают по фазе друг с другом и, следовательно, конструктивно объединяются при представляющей интерес частоте и обеспечивают усиленный выход отраженного акустического сигнала (т.е. высокую отражающую способность мишени). Можно сказать, что для сферического акустического рефлектора окружность корпуса является длиной траектории и, следовательно, ее размер должен быть подогнан в соответствии с приемлемыми свойствами скорости пропускания волн корпуса и сердечника, чтобы в корпусе образовывались резонирующие стационарные волны, совпадающие по фазе с выходом отраженного акустического сигнала, чтобы быть конструктивно объединенными с ним.

На фиг.2 представлены данные, полученные цифровым моделированием, включающие частоту (F) исходных акустических волн, построенную относительно отражающей способности мишени (TS) для сферического акустического рефлектора в соответствии с настоящим изобретением, имеющего силиконовый сердечник (радиус 100 мм)/корпус из стеклопластика (корпус толщиной 11,7 мм), показанные в виде ромбов на графике.

Полученные подобным же образом данные для сферического акустического рефлектора по настоящему изобретению, имеющего силиконовый сердечник (радиус 100 мм)/стальной корпус (толщина корпуса 1,7 мм) показаны на том же графике в виде кружочков.

Эти результаты могут быть сравнены на графике фиг.2 с данными, полученными цифровым моделированием для сферических акустических рефлекторов, имеющих известную комбинацию сердечника из жидких хлорофтороуглеродов (ХФУ)/стального корпуса (толщина корпуса 1,3 мм), показанных на графике в виде звездочек, и для эталонной комбинации воздушного сердечника/стального корпуса, показанной на графике в виде крестиков.

Как можно увидеть из графика, акустический рефлектор с силиконовым сердечником/корпусом из стеклонаполненного металлопластика (ромбы) имеет пики относительно высокой отражающей способности мишени при частотах между приблизительно 120 кГц и 150 кГц и между приблизительно 185 кГц и 200 кГц.

Акустической рефлектор с силиконовым сердечником/стальным корпусом (кружочки) имеет пики относительно высокой отражающей способности мишени при частотах между приблизительно 160 кГц и 180 кГц и между приблизительно 185 кГц и 200 кГц.

Следует также отметить, что отражающая способность мишени известного акустического рефлектора с жидким сердечником с хлорофтороуглеродами/стальным корпусом (звездочки) значительно ниже при представляющих интерес частотах и имеет тенденцию к уменьшению по мере возрастания частоты.

В дополнение к преимуществу образования из приемлемых материалов, которые не считаются вредными для окружающей среды и которые относительно легко и недорого производить, настоящее изобретение обеспечивает дальнейшие преимущества в том, что обеспечивает акустический рефлектор с сопоставимой отражающей способностью мишени до 100 кГц и усиленной отражающей способностью при частотах более 100 кГц относительно известных акустических рефлекторов.

Следует понимать, что различные комбинации твердого сердечника и плотных материалов корпуса могут использоваться при условии, что их размеры будут подобраны для обеспечения корпусных волн, совпадающих по фазе с отраженным выходом акустического сигнала таким образом, чтобы они конструктивно объединились с ними.

Акустический рефлектор (10), пригодный для использования в качестве отражательной мишени для навигационных средств и применимый для локации и ре-локации. Акустический рефлектор включает корпус (12), подобранный так, чтобы окружать твердый сердечник (16). Корпус адаптирован для передачи падающих на него акустических волн (18), проникающих в сердечник (16). Внутри сердечника акустические волны фокусируются перед тем, как быть отраженными от противоположной стороны корпуса (20) для получения отраженной акустической волны. Часть акустических волн, ниспадающих на корпус, проникает в стенку корпуса и направляется внутри нее по ее окружности (26) перед тем, как быть повторно излученной и объединенной с отраженной акустической волной для обеспечения усиленной отраженной акустической волны. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Акустический рефлектор (10), включающий корпус (12), имеющий стенку (14), устроенную таким образом, чтобы окружать сердечник (16), указанный корпус способен пропускать акустические волны (18), падающие на корпус, в сердечник, чтобы быть сфокусированными и отраженными от участка (20) корпуса, расположенного напротив участка падения акустических волн, чтобы обеспечить выход (22) отраженного акустического сигнала из рефлектора, при этом сердечник (16) имеет форму сферы или прямого цилиндра и образован одним или более концентрическими слоями твердого материала, имеющего скорость распространения продольной волны от 840 до 1500 мс^-1, при этом размер корпуса (12) относительно сердечника выбран таким образом, чтобы часть акустических волн (18), падающих на корпус, проникала в стенку корпуса и направлялась в ней по окружности корпуса, а затем повторно излучалась для конструктивного объединения с вышеупомянутым выходом отраженного акустического сигнала для получения усиленного выхода (22) отраженного акустического сигнала.

2. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что сердечник (16) образован из отдельного твердого материала, имеющего скорость распространения продольной волны между 850 и 1300 мс^-1.

3. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что сердечник (16) образован из эластомерного материала.

4. Акустический рефлектор по п.3, отличающийся тем, что эластомерный материал является силиконом.

5. Акустический рефлектор по п.1, отличающийся тем, что корпус (12) образован из жесткого материала.

6. Акустический рефлектор по п.5, отличающийся тем, что жесткий материал является стеклопластиком.

7. Акустический рефлектор по п.5, отличающийся тем, что жесткий материал является сталью.

8. Акустический рефлектор по п.5, отличающийся тем, что жесткий материал является стеклонаполненным нейлоном.

9. Акустический рефлектор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что сердечник (16) содержит один или более дополнительных материалов, адаптированных для усиления фокусировки акустических волн, пропускаемых в сердечник.

10. Акустический рефлектор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что выход (22) усиленного отраженного акустического сигнала достаточно характерный, чтобы обеспечить его отличие от других отражателей тех же самых акустических волн.

11. Акустический рефлектор по п.9, отличающийся тем, что выход (22) усиленного отраженного акустического сигнала достаточно характерный, чтобы обеспечить его отличие от других отражателей тех же самых акустических волн.

12. Акустический рефлектор по п.10, отличающийся тем, что выход сигнала характеризуется специфической временной характеристикой.

13. Акустический рефлектор по п.10, отличающийся тем, что выход сигнала характеризуется его спектральным содержанием.

14. Акустический рефлектор (10), включающий корпус (12), определяющий замкнутое пространство, и сердечник (16), занимающий вышеупомянутое замкнутое пространство, отличающийся тем, что указанный корпус адаптирован для пропускания акустических волн (18), падающих на корпус, в сердечник с тем, чтобы они были сфокусированы и отражены от участка (20) корпуса, расположенного напротив зоны падения акустических волн, чтобы обеспечить выход (22) акустического сигнала из рефлектора, при этом сердечник (16) имеет форму сферы или прямого цилиндра и образован одним или более концентрическими слоями твердого материала, имеющего скорость распространения продольной волны от 840 до 1500
мс^-1, и тем, что размер корпуса (12) относительно сердечника выбран таким образом, чтобы часть акустических волн (18), падающих на корпус, проникала в стенку корпуса и направлялась в ней по окружности корпуса, а затем повторно излучалась для конструктивного объединения с вышеупомянутым выходом отраженного акустического сигнала для получения усиленного выхода (22) отраженного акустического сигнала.