СИСТЕМА И СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ВВЕДЕННЫМИ АКУСТИЧЕСКИМИ ВОЛНАМИ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ПОИСКОВО-РАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ Российский патент 2011 года по МПК G01V1/00 

Перекрестная ссылка на родственные заявки.

Эта заявка испрашивает приоритет более ранней первоначальной заявки США 60/792,420, зарегистрированной 17 апреля, 2006, и первоначальной заявки США 60/850,683, зарегистрированной 10 октября, 2006, которые обе включены здесь сноской. Эта заявка также относится к Предварительной Патентной Заявке США, зарегистрированной одновременно 10 октября 2006 г., озаглавленной: "Система и способ образования и управления очень громкими звуками".

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу для генерации и управления волной избыточного давления. В частном случае, данное изобретение относится к управлению детонацией топливно-окислительной смеси, текущей внутри трубчатой конструкции, чтобы генерировать, управлять и фокусировать волну избыточного давления. Настоящее изобретение также относится к системе и способу связывания силы отдачи, а именно обратной или реактивной силы, созданной генерацией волны избыточного давления, с целевой средой, для того чтобы создать введенную акустическую волну, которая может использоваться для зондирования или иного охарактеризования области интереса в пределах целевой среды. Настоящее изобретение также касается управления силой отдачи, вызванной детонацией смеси с топливным окислителем, текущей в пределах одной или более трубчатых устройств, для генерирования и управления введенными акустическими волнами в целях геофизических исследовательских работ.

Уровень техники

Волна избыточного давления является кратковременным воздушным давлением, таким как взрывная волна, которая значительно больше окружающего атмосферного давления. Такие волны избыточного давления возникают в точке взрыва и обычно распространяются во внешнюю область от точки взрыва по всем направлениям. При таких взрывах также может создаваться интенсивный нагрев.

Используют различные методы, чтобы направить волну избыточного давления в нужную сторону. Например, методы направленного взрыва могли бы включать размещение взрывчатого вещества рядом с объектом, способным выдержать взрывную волну (например, толстая железобетонная конструкция), так что энергия взрыва будет направлена во внешнюю сторону от объекта. Точно так же используются различные методы "кумулятивных зарядов", чтобы большая часть энергии взрыва была направлена в нужном направлении. Аналогичным образом, преграды для взрывной волны, такие как бетонные стены или глиняные обочины, часто используются для того, чтобы перенаправить энергию потенциальных взрывов подальше от ценных активов типа зданий. Патент Великобритании 1,269,123 описывает детонацию этилена и кислорода в трубах горения и использование волны детонации для создания покрытий, привода газотурбинного двигателя для ракетного двигателя. Патенты США 4,662,844 и 4,664,631 описывают горение смеси топлива и окислителя внутри камер сгорания, чтобы создать детонационную взрывную волну для моделирования оружейных эффектов. Патент США 5,864,517 описывает импульсный генератор акустической взрывной волны для создания акустических волн, которые могут использоваться для несмертельного поражения, повреждения или иммобилизации толпы или самообороны; рудничной детонации; контроля живой природы; акустической очистки; и запуска лавин. Эти методы подобны в том, что они заставляют волну избыточного давления направляться наружу из открытого конца трубы детонации. Также существуют различные методы для управления волнами избыточного давления.

Однако желательно иметь улучшенную систему и метод для генерации и управления волнами избыточного давления в полезных целях.

Сейсмические ударные волны, направленные в землю, часто используются в геофизических исследовательских системах. Такие сейсмические ударные волны обычно вводятся или направляются в землю с помощью взрывчатых веществ или вибрационных источников. Использование взрывчатых веществ для таких целей опасно, дорого, и получающейся взрывной волной трудно точно управлять. Транспортировка вибрационного источника обычно требует 5- или 10-тонного грузовика и отнимает много времени для его установки.

Патент Великобритании 934,749 раскрывает сущность акустического генератора и сейсмической исследовательской системы, в которой используется камера сгорания с открытыми концами для генерации импульсов акустической энергии, которые направляются в воду или в землю, а сейсмограф используется для записи отраженных импульсов в целях сейсмической съемки.

Патенты США 3,235,026 и 4,043,420 описывают закрытые детонационные камеры, связанные с землей через плиты основания, в которых детонация смеси кислород-окислитель топлива создает ударную волну, которая импульсно воздействует на каждую плиту основания и поверхность земли, на которой плита покоится, таким образом направляя сейсмическую волну в низлежащие слои. Патенты раскрывают альтернативные формы поглотителей удара, которые вызывают открытие детонационных камер, чтобы дать выход отработанным газам.

Патент США 5,864,517 утверждает, что путем "ввода в землю звуковых волн и записи их отражений, ученые могут определять состав земных подслоев " и что импульсный генератор акустической взрывной волны может генерировать прецизионнные звуковые волны с точными интервалами, чтобы увеличить количество информации, которая могла быть получена "от геофизических поисково-разведочных работ". Этот предшествующий способ, однако, не раскрывает, как такие прецизионные звуковые волны с точными интервалами могут быть сгенерированы.

Альтернативный представленному в настоящем изобретении геофизический исследовательский подход, описанный в Патенте США 6,360,173, использует трубу детонации как импульсный сейсмический источник, чтобы генерировать последовательность кодированных по времени моноциклических волновых форм, которые распространяются в геофизические структуры и/или свойства для создания в них отраженного эха, а также сенсорные средства для распознавания данных, отображающих это эхо.

Желательно иметь улучшенную систему и способ для введения энергии в толщу пород или иную среду для исследовательских целей.

Сущность изобретения

Кратко, настоящее изобретение представляет собой улучшенную систему и способ для генерации волн избыточного давления, имеющих желательные размеры. Смесь топлива и окислителя, имеющая желаемые взрывные характеристики, вводится с необходимой скоростью течения в трубчатую конструкцию. В одном варианте изобретения трубчатая конструкция включает в себя трубу детонации, имеющую заданные длину и диаметр. Текущая смесь топливо-окислитель детонирует на одном конце трубы с помощью искры, созданной внутри текущей смеси топлива и окислителя. Получающийся импульс детонации перемещается по трубе, поскольку он поджигает текущую по трубе смесь с топливным окислителем. Характеристики горения и скорость течения смеси топливо-окислитель могут быть подобраны так, чтобы управлять энергией импульса детонации. Одна или более дополнительные трубы детонации, имеющие постепенно увеличивающиеся (то есть, больше и больше) диаметры, могут быть произвольно скомпонованы с начальной трубой детонации, чтобы сделать комбинацию располагаемых по порядку труб детонации для создания импульса детонации, который будет усилен, когда он перемещается сквозь каждую последующую трубу детонации, имеющую больший диаметр.

В первом варианте изобретения труба детонации (или комбинация калиброванных труб детонации) имеет открытый конец, из которого волна избыточного давления распространяется в нужном направлении. В другом устройстве множество труб детонации (или комбинации труб детонации) совмещено и сгруппировано в одной из различных возможных конфигураций, заставляющих созданные волны избыточного давления объединяться. Интенсивность комбинированных созданных волн избыточного давления равна числу труб детонации, N раз избыточного давления одной трубы детонации. Суммарная мощность в дальнем поле созданных объединенных волн избыточного давления равна N² раз мощности волны одной трубы детонации. Альтернативным устройством являются многократные индивидуальные трубы детонации (или комбинации располагаемых по порядку труб детонации), которые расположены в виде разреженного массива, позволяющего осуществить синхронизацию детонаций в пределах различных труб детонации, управляемых так, чтобы создаваемые волны избыточного давления имели желательную мощность и направление. Точно так же, одна или более труб детонации могут использоваться для фокусирования и управления волнами избыточного давления, чтобы создать желаемую мощность и направление. Приложения первого преимущественного варианта изобретения включают, но не ограничены: конкуренцией взрывчатых веществ для целей обучения, испытаний преграды, защищающей от взрыва, разрушения шахт/зданий, контроля толпы, защиты границы, контроля над животными/птицами/насекомыми, контроля над заключенными, испытания прочности/целостности конструкции, придания вращения ветряку или турбине, использования как источника тяги для ракетного двигателя, удаления пыли/песка/снега/льда с дорог/железнодорожных путей/самолетов и т.д., фруктов/овощей/зерна и т.д., сбора урожая с деревьев/кустов/полей и в других областях сельского хозяйства, для промышленной очистки (например, в дымовых трубах/осадителях), формования объекта (например, в процессах прессования и плавления), прекращения горения и, в общем, в наибольшей степени в приложении к любой области отказа/защиты.

Во втором преимущественном варианте изобретения сила отдачи, вызванная каждой из сгенерированных с временной последовательностью волн избыточного давления, прикладывается к исследуемой среде типа земли, льда, или воды, чтобы создать последовательность введенных акустических волн, которые могут использоваться для исследования области, представляющей интерес в пределах целевой среды, например включений нефти в толще пород. В одном образце устройства сила отдачи сгенерированных волн избыточного давления прикладывается к целевой среде посредством соединительного устройства. В этом варианте конструкции сила отдачи равна производной обратного момента количества движения, являющегося следствием сгенерированных волн избыточного давления. Альтернативным образцом устройства является генератор волн избыточного давления для соединения силы отдачи сгенерированных волн избыточного давления напрямую с целевой средой. Последовательность введенных акустических волн перемещается сквозь целевую среду, отражается от области, представляющей интерес; соответствующие отражения получаются каждой множественностью приемных устройств, соединенных в массив. Полученные отражения могут быть обработаны, чтобы получить трехмерный набор данных, характеризующий область, представляющую интерес. В этом варианте волна избыточного давления может быть по выбору введена в шумоглушитель, который приглушает звук, вызванный волной избыточного давления, а также демпфирует волну избыточного давления до ее выпуска в окружающую среду. Соединительный элемент этого варианта включает в себя пружиноподобный механизм, который имеет регулятор затухания с выбираемыми формой и материалом соединительного элемента так, чтобы достичь подходящего баланса между преобразованием энергии и обратным ударом на части системы (то есть, износом). Соединительный элемент включает импедансную пластину, имеющую заданный профиль, или посадочное место, которое находится в прямой связи с поверхностью целевой среды. Импедансная пластина передает силу отдачи к целевой среде, создавая введенную акустическую волну. В первом варианте изобретения в одном устройстве множественные трубы детонации (или комбинации калиброванных труб детонации) совмещены и сгруппированы в одной из различных возможных конфигураций, заставляя созданные ими волны избыточного давления соединяться, как было описано выше, обеспечивая соответствующее увеличение располагаемой силы отдачи для воздействия на целевую среду. В альтернативном образце устройства множественные индивидуальные трубы детонации (или комбинации располагаемых по порядку труб детонации) расположены в виде разреженного массива, позволяющего осуществлять синхронизацию детонаций внутри различных труб детонации, которые должны управляться. В этом подходе управление синхронизацией введенных акустических волн производится для того, чтобы фокусировать и управлять ими так, чтобы объединить и расположить волны желательным образом в пределах целевой среды. Приложения второго варианта изобретения включают, но не ограничены: снабжением энергией двигателя или насоса, забиванием столбов ограждения/свай в землю, использованием как устройства набивания (например, для уплотнения грунта), использованием как форсированного ввода (подобно тарану), отображением профиля водного дна, и использованием для измельчения/деформации объектов/металлических штампов и т.д.

В третьем варианте изобретения генератор волны избыточного давления настоящего изобретения используется для генерации поперечной волны. В одном устройстве генератор волн избыточного давления ориентируется параллельно целевой среде и используется для создания волн избыточного давления. Его сила отдачи используется для генерации плоской поперечной волны. В альтернативном устройстве два или больше генератора волн избыточного давления ориентируются параллельно целевой среде и устроены таким образом, что они направляют волны избыточного давления во встречных направлениях так, что их сила отдачи может быть использована для генерации сферической поперечной волны.

Настоящее изобретение обеспечивает способ генерации введенной акустической волны, включающий в себя шаги порождения, по меньшей мере, одной детонацией внутри, по меньшей мере, одной трубы детонации, имеющей открытый конец, генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления и связывания силы отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой, чтобы генерировать, по меньшей мере, одну указанную введенную акустическую волну. В одном устройстве открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить волну избыточного давления перпендикулярно к целевой среде и в обратную сторону из целевой среды. В другом устройстве открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить волны избыточного давления параллельно целевой среде, заставляя силу отдачи создать либо плоскую поперечную волну, либо поперечную сферическую волну, зависящие от того, как устроен, по меньшей мере, один генератор волн избыточного давления.

Целевая среда может быть любой: землей, льдом или водой. Волны избыточного давления могут быть сгенерированы с помощью управления детонацией смеси топливо-окислитель, текущей внутри каждой из указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации. Волны избыточного давления могут быть сгенерированы в соответствии с параметром детонации, которым может быть код синхронизации типа кода Баркера (Barker). Звук, по меньшей мере, одной волны избыточного давления может быть заглушен.

Акустические волны могут также быть направлены к заданной области в пределах целевой среды посредством управления соответствующей синхронизацией генерации волн избыточного давления.

Настоящее изобретение обеспечивает систему генерации введенной акустической волны, включая, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец, для генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления и соединительное устройство для связи указанной силы отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой, чтобы генерировать, по меньшей мере, одну указанную введенную акустическую волну. Система может дополнительно включать стабилизирующий механизм, который обеспечивает стабилизацию движения, по меньшей мере, одной трубы детонации.

В одном подходе открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить, по меньшей мере, одну волну избыточного давления перпендикулярно к целевой среде и в обратную сторону от целевой среды, и причем стабилизирующий механизм допускает только движение вверх и вниз. Альтернативно, открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить, по меньшей мере, одну волну избыточного давления параллельно целевой среде, и где стабилизационный механизм допускает движение только из стороны в сторону.

Каждая из волн избыточного давления генерируется посредством управления детонацией смеси топлива и окислителя, текущей внутри каждой из указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации. Волны избыточного давления могут генерироваться в соответствии с параметрами детонации, которыми мог бы быть код синхронизации типа кода Баркера (Barker).

Глушитель может быть связан, по меньшей мере, с одной трубой детонации.

Изобретение обеспечивает систему для генерации и направления введенных акустических волн, включающую множество генераторов волн избыточного давления, расположенных в виде разреженного массива, каждый из множества генераторов волн избыточного давления, включающий, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец и используемую для генерирования множества волн избыточного давления, каждую из множества волн избыточного давления, имеющую силу отдачи; множество соединительных устройств для передачи сил отдачи указанного множества волн избыточного давления к целевой среде, чтобы генерировать указанные введенные акустические волны, введенные акустические волны, будучи направленными к заданной области в пределах целевой среды, базирующиеся на соответствующей синхронизации генерации множественности волн избыточного давления.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение описывается в соответствии с прилагаемыми чертежами. На чертежах одинаковые номера показывают идентичные или функционально подобные элементы. Дополнительно, крайняя левая цифра(ы) номера ссылки идентифицирует чертеж, на котором номер ссылки появляется впервые.

На фиг.1A показан пример трубы детонации предшествующего уровня техники, имеющей отдельные устройства подачи топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая поджигает смесь топливо-окислитель около закрытого конца трубы после того, как труба была заполнена.

Фиг.1B иллюстрирует вторую трубу детонации предшествующего уровня техники, имеющую устройство подачи смеси топлива и окислителя, и свечу зажигания, которая поджигает смесь топлива и окислителя в закрытой трубе после того, как труба была заполнена.

Фиг.2A иллюстрирует экземпляр трубы детонации настоящего изобретения, имеющей детонатор, который получает смесь топлива и окислителя от устройства подачи топлива и окислителя и поджигает смесь топлива и окислителя, как только она течет внутри трубы.

На фиг.2B изображен первый вариант детонатора настоящего изобретения, который функционирует путем создания электрической дуги внутри потока газовой смеси.

Фиг.2C изображает второй вариант детонатора настоящего изобретения, подобный изображенному на рис.2B, за исключением того, что он включает два проводника, которые расходятся в главной трубе, приводя к увеличению длины искры, когда она распространяется внутри основной трубы детонации.

Фиг.3А изображает вид снизу другого варианта детонатора настоящего изобретения.

На фиг.3B показан вид сбоку детонатора фиг.3А.

Фиг.4 изображает вариант располагаемых в определенном порядке труб детонации, где все большие и большие диаметры труб используются совместно, чтобы усилить волну детонации.

Фиг.5 изображает вариант трубы детонации, имеющей диаметр, который увеличивается по длине трубы, что приводит к усилению волны детонации.

Фиг.6 иллюстрирует трубу, имеющую постепенное сужение, а затем постепенное расширение трубы.

Фиг.7А изображает первую трубу детонации, расположенную вдоль второй трубы детонации.

Фиг.7B изображает комбинации из четырех труб детонации, устроенные таким образом, что большие трубы детонации комбинаций труб детонации находятся в контакте друг с другом.

Фиг.7C изображает три трубы детонации увеличивающегося диаметра.

Фиг.7D изображает семь труб детонации, соединенные так, чтобы походить на шестигранную конструкцию.

Фиг.7E изображает двенадцать труб детонации, соединенные круговым способом.

Фиг.8 изображает вид сбоку трех труб детонации, имеющих первый диаметр и соединенных с большей трубой детонации, имеющей второй, больший диаметр для того, чтобы усилить объединенный импульс, генерируемый меньшими трубами.

Фиг.9 иллюстрирует, как синхронизация горения единичной трубы детонации фокусирует мощность в отдельной точке дальнего поля.

Фиг.10 изображает разреженный массив из 4 труб детонации, детонирующих так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они объединялись в нужном месте.

Фиг.11 изображает разреженный массив из 4 групп труб детонации, которые детонируют так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они объединялись в нужном месте.

Фиг.12 иллюстрирует пример эффективной упаковки шестиугольных субмассивов из 7 труб детонации в общий массив из 224 труб детонации.

Фиг.13 изображает систему, которая использует силу отдачи генератора волны избыточного давления настоящего изобретения для сейсмических поисково-разведочных работ.

Фиг.14 изображает логическую блок-схему для сейсмических поисково-разведочных работ.

Фиг.15 изображает массив сейсмических систем поисково-разведочных работ настоящего изобретения.

Фиг.16 изображает вид снизу в масштабе образца кольцевого массива сейсмических систем поисково-разведочных работ настоящего изобретения.

На фиг.17А показан вид сбоку генератора плоской поперечной волны в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

На фиг.17B показана плоская поперечная волна.

На фиг.18A показан вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения.

На фиг.18В показана сферическая поперечная волна; фиг.18C изображает вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения.

Фиг.18D изображает вид сверху генератора сферической поперечной волны в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения.

Детальное описание изобретения

Настоящее изобретение будет теперь описано более полно и подробно со ссылками на сопутствующие чертежи, на которых показаны образцы вариантов изобретения. Это изобретение не должно быть, однако, истолковано как ограниченное вариантами, представленными здесь; скорее, они даются так, чтобы описание изобретения было полным и завершенным и полностью передавало область уровня техники, к которой оно относится. Повсюду одинаковые цифры обозначают одинаковые элементы.

Настоящее изобретение представляет собой улучшенную систему и способ генерации и управления волной избыточного давления, которая также упоминается здесь как звуковая волна или звуковой импульс. Образцы волн избыточного давления могут быть охарактеризованы их частотой в диапазоне от 0,1 Гц до 30 кГц. Основой системы является зажигание высокоэнергетических, детонирующих газообразных или дисперсных смесей топлива с воздухом или топлива с кислородом внутри трубы, открытой с одного конца, в которой может быть использовано любое из перечисленных воспламеняющихся топлив, включая этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, МАРР газ, бензин и авиационное топливо. Газообразная смесь детонирует вблизи закрытого конца трубы, заставляя волну детонации распространяться по всей длине трубы до ее конца, где детонация заканчивается и детонационная волна выходит из открытого конца трубы как волна избыточного давления.

Труба, упомянутая здесь, - это труба детонации, а волна детонации, упомянутая здесь, - это детонационный импульс или импульс.

Один вариант осуществления настоящего изобретения включает, по меньшей мере, один прибор с трубой детонации и механизм управления синхронизацией для управления синхронизацией детонаций. Устройство с трубой детонации включает, по меньшей мере, одну трубу детонации, по меньшей мере, один детонатор, и подсистему питания смесью топлива и окислителя. С данной трубой детонации могут быть использованы один или большее количество детонаторов, а детонатор может использоваться с множеством труб детонации. С одним или большим количеством детонаторов связан один или большее количество инициаторов искры, где единичный искровой инициатор может инициировать искры в множестве детонаторов, которые могут быть параллельными или последовательными, а множество искровых инициаторов могут инициировать искры в единственном детонаторе. Механизм управления синхронизации управляет синхронизацией одного или большего количества инициаторов искры.

Инициатором искры может быть источник импульса высокого напряжения. Как альтернатива источнику импульса высокого напряжения в качестве инициатора искры может использоваться пусковой искровой разрядник. Другими альтернативами для инициатора искры являются лазер и детонирующий шнур.

Механизмом управления синхронизацией может быть простой пусковой механизм с фиксированной логикой или более сложный управляющий процессор. Управляющий процессор может также использоваться для управления переменными параметрами подсистемы снабжения смесью топлива и окислителя, или такие параметры могут быть фиксированными.

Подсистема питания смесью топлива и окислителя устанавливает желательное отношение массы топлива к массе окислителя топливно-окислительной смеси и необходимый расход смеси топлива и окислителя. Могут быть выбраны желательное соотношение топлива и окислителя и расход для того, чтобы достичь желательных детонационных характеристик, которые зависят от длины и диаметра детонатора. Например, в одном варианте используется смесь пропана, воздуха, топлива и окислителя; при этом массовое отношение, равное 5,5, а расход, равный 50 л/мин, имеют место для детонатора с длиной в 1" и диаметром в 1/4", сделанного из тефлона, первой трубы детонации, сделанной из нержавеющей стали, имеющей длину в 9" и диаметр, плавно уменьшающийся от 0,8" на конце, где присоединен детонатор, до 0,65" на конце, подсоединенном ко второй трубе детонации, сделанной из титана и имеющей длину 32" и диаметр, равный 3". Альтернативно, первая труба детонации может иметь постоянный диаметр, равный 0,8".

Имеющаяся в продаже технология регулирующего клапана массового расхода может использоваться для управления отношением масс топлива и окислителя смеси топливо-окислитель и расхода смеси топлива и окислителя. Альтернативно, имеющаяся в продаже технология может использоваться для измерения массового расхода окислителя в устройстве смешения топлива и окислителя, а точное измерение массового расхода окислителя может использоваться для управления клапаном массового расхода, чтобы регулировать массовый расход топлива, необходимого для достижения желательного отношения масс топлива и окислителя смеси топлива с окислителем.

Детонация внутри текущей смеси топлива и окислителя

Предшествующие системы газовой детонации либо требуют длинных труб, либо сильно детонирующих газовых смесей, таких как кислород и водород, чтобы создать детонацию. Или же они будут только "быстро гореть", что является медленным и почти тихим процессом. Напротив, один подход настоящего изобретения дает возможность создать короткие импульсы звука высокой интенсивности внутри трубы длиной в один фут и диаметром 2 дюйма, используя только умеренно взрывчатые газообразные смеси, такие как пропан и воздух. В отличие от предшествующих систем этот подход настоящего изобретения воплощен в варианте системы, которая пропускает дуговой разряд сквозь текущий (или перемещающийся) поток смеси газа и окислителя, заполняющей трубу, внутри которой будет происходить детонация. Когда труба в основном заполнена, внутри текущего газа около питающей точки в трубе инициируется быстрая искра, искра вызывает последовательную детонацию всего газа внутри трубы. Альтернативно, текущий газ может сдетонировать от лазера или любым другим подходящим зажиганием и способом детонации согласно настоящему изобретению. Это зажигание внутри аппаратуры с текущим газом поразительно укорачивает длину трубы, требуемую для создания детонации, по сравнению с предшествующими системами, в которых поджигались нетекущие или же неподвижные газовые смеси. Кроме того, согласно этому подходу настоящего изобретения детонация требует порядка 1 джоуля энергии, чтобы смесь топлива и окислителя сдетонировала, в то время как предшествующие системы могут требовать от 100 до 1000 джоулей энергии, чтобы достичь детонации. Далее, желательными результатами этого способа являются сокращение неопределенности времени между запуском дугового разряда и последовательным излучением звукового импульса из трубы и повторяемость величины импульса детонации. Также согласно этому подходу настоящего изобретения детонатор способен обеспечить точную синхронизацию и управление величиной волны избыточного давления.

На фиг.1A показан вид сбоку предшествующей детонационной системы. Труба 100 детонации имеет отдельное устройство 102 подачи топлива, устройство 104 подачи окислителя, которые открыты в течение периода наполнения, чтобы заполнить трубу 100 детонации смесью 106 топлива и окислителя. После наполнения устройство 102 подачи топлива и устройство 104 подачи окислителя закрываются, и в нужное время с помощью провода 108 высокого напряжения создается разряд свечой 110 зажигания, которая поджигает смесь 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться по трубе детонации 100 и выходить через ее открытый конец 112. Точно так же на фиг.1B показан вид сбоку другой предшествующей системы детонации, в которой труба 100 детонации имеет устройство подачи смеси топлива и окислителя, открытое в течение периода наполнения, чтобы заполнить трубу 100 детонации смесью 106 топлива и окислителя. После наполнения устройство 105 подачи смеси топлива и окислителя закрывается и в нужное время с помощью высоковольтного провода 108 подается ток к свече 110 зажигания, которая поджигает смесь 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться вдоль трубы 100 детонации и выходить через ее открытый конец 112.

Фиг.2А изображает трубу 100 детонации генератора волн избыточного давления 11 настоящего изобретения, оснащенную устройством 105 подачи смеси топлива и окислителя через детонатор 114, где загорается искра в смеси 106 топлива и окислителя, в то время как труба 100 детонации заполняется смесью 106 топлива и окислителя, заставляя волну детонации распространяться вниз вдоль трубы 100 детонации и выходить через ее открытый конец 112. В этом варианте подходящий расход смеси топлива и окислителя устанавливается в течение зажигания внутри текущей смеси топлива и окислителя. Было найдено, что чем выше реальный диапазон течений, чем выше расход, тем более быстро происходит эволюция детонационной волны. Следовательно, один предпочтительный вариант осуществления использует высокую скорость потока. Для данной энергии искры некоторый расход определяет практический верхний предел расхода. В одном варианте осуществления трубка, питающая трубу детонации, имеет радиус ниже критического, чтобы предотвратить детонацию, распространяющуюся назад к устройству снабжения топливом. Например, в одном варианте осуществления используется трубка с диаметром в 1/4", чтобы предотвратить такой проскок пламени, и все же она имеет низкое сопротивление течению газа. Например, детонатор с длиной 1" и диаметром высверленного отверстия, равным 1/4", может достигать детонации, используя искру с энергией в 1 джоуль в MAPP газовоздушной смеси, текущей с расходом 50 л/мин.

На фиг.2А также показано необязательное вторичное устройство 105' подачи смеси топлива и окислителя. Одно из вторичных устройств 105' подачи смеси топлива и окислителя может быть использовано для ускорения наполнения большой трубы детонации (или комбинации труб). В одном из подходов одно или более вторичных устройств 105' подачи смеси топлива и окислителя используется для ускорения наполнения трубы 100 детонации параллельно с (первичным) устройством 105 подачи смеси топлива и окислителя так, что детонатор 114 может поджигать текущую смесь топлива и окислителя с требуемым расходом. В другом подходе устройство 105 подачи смеси топлива и окислителя может снабжать трубу детонации сначала с большей скоростью, а затем переходить ко второй скорости, при которой текущая смесь топлива и окислителя зажигается. Еще в одном подходе вторичное устройство 105' подачи смеси топлива и окислителя подает различную смесь 106' топлива и окислителя (не показано на фиг.2А) в трубу 100 детонации, а затем смесь 106 топлива и окислителя подается с помощью устройства 105 подачи смеси и окислителя в детонатор 114.

Для некоторых видов топлива может быть необходимо нагреть смесь топлива и окислителя для того, чтобы достичь детонации. В зависимости от скорости, при которой труба детонации зажигается, может быть необходимо охладить трубу детонации. В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения устройство 105 подачи топлива (и/или 105") включает, по меньшей мере, один теплообменник (не показан) в контакте с трубой детонации, который служит для передачи тепла от трубы детонации к смеси топлива и окислителя. Теплообменник может иметь любые различные хорошо известные формы, такие как трубки малого диаметра, которые скручены в спираль вокруг трубы детонации от одного ее конца до другого и где плотность спирали может быть постоянной или может изменяться по длине трубы детонации. Другой вариант теплообменника предназначен для трубы детонации, окруженной защитной оболочкой так, что смесь топлива и окислителя внутри оболочки находится в контакте с трубой детонации и поглощает тепло от нее. Альтернативно, теплообменник может быть использован так, что он является независимым от устройства 105 подачи топлива, в котором находится другое вещество, а не смесь топлива и окислителя, например жидкость, такая как вода или силикон, может быть использована для поглощения тепла от трубы детонации. Альтернативно, другой источник тепла может быть использован для нагрева смеси топлива и окислителя. В общем, различные хорошо известные способы могут быть использованы для охлаждения трубы детонации и/или для нагрева смеси топлива и окислителя, включая способы передачи тепла от трубы детонации к смеси топлива и окислителя.

На фиг.2В показан первый вариант детонатора настоящего изобретения, который функционирует путем создания электрической дуги в потоке детонирующей газовой смеси. Как показано на фиг.2В, газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном отношении, входит в трубу 100 детонации через питающую точку 208 детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускает высоковольтный триггерный вход 214, чтобы заставить искру 212 пробежать между неизолированными проводами 210 и пройти через газовую смесь 106, текущую по трубе 100 детонации, чтобы инициировать детонацию газа в трубе 100 детонации. Пуск триггера высокого напряжения управляется механизмом 216 управления синхронизацией.

Фиг.2С изображает второй вариант детонатора настоящего изобретения, который также функционирует посредством создания электрической дуги в потоке детонирующей газовой смеси. Как показано на фиг.2С, газовая смесь 106, состоящая из горючего газа и окислителя в правильном детонационном отношении, проходит в трубу 100 детонации через питающую точку 208 детонатора 114. Когда труба в основном заполнена, высоковольтный провод 108 запускает при высоком напряжении триггерный вход 214, чтобы заставить искру 212 пробегать между неизолированных проводов 210 и проходить через газовую смесь 106, текущую в трубу 100 детонации, чтобы инициировать детонацию газа в трубу 100 детонации. В этом варианте искра инициируется внутри детонатора 114, а затем быстро перемещается вдоль двух расходящихся проводников в трубу 100 детонации посредством текущего газа, длина искры растет, пока она перемещается в трубе 100 детонации. Когда искра инициируется в малом зазоре, она создает стабильную зону низкого сопротивления, которая способна проводить то же самое электрическое напряжение поперек намного большего зазора. Альтернативно, провода 210 могут быть параллельными, но слегка изогнутыми ближе друг к другу для того, чтобы гарантировать, что искра возникнет внутри детонатора 114. Фиг.3А и 3В дают вид сбоку и вид сзади варианта генератора 11 волны избыточного давления настоящего изобретения. Как показано на фиг.3А и 3В, детонатор 114 включает изолирующий цилиндр 302, окружающий трубу 304 детонатора. Электроды 306 вставляются со сторон изолирующего цилиндра 302 и соединяются с проводом 108 высокого напряжения. Труба 304 детонатора подсоединяется к устройству 105 питания смесью топлива и окислителя (показано на фиг.3В) в питающей точке 208 и к трубе 100 детонации на ее противоположном конце. Как показано на фиг 3В, газовая смесь 106 входит в трубу 304 детонатора, а затем в трубу 100 детонации через питающую точку 208 детонатора 114. Когда труба 100 детонации в основном заполнена, запускается высоковольтный провод 108, чтобы заставить искру 212 распространяться между электродами 306 и проходить через газовую смесь 106, втекающую в трубу 304 детонатора, чтобы инициировать детонацию газа в трубу 100 детонации. На фиг.3В показана также спираль 308 Щелкина внутри закрытого конца трубы 100 детонации. Спираль 308 Щелкина хорошо известна из предшествующего уровня техники как устройство повышения перехода "от дефлограции к детонации" (ДДТ). В одном варианте изобретения спираль 308 Щелкина имеет 10 витков 7" длины и сделана из #4 медной проволоки, которая плотно намотана на внутреннюю часть трубы 100 детонации на ее основании (закрытом конце).

Управление размером волны избыточного давления

В общем, длина и внутренний диаметр трубы детонации могут быть выбраны так, чтобы достичь желаемого максимума размера генерируемой волны избыточного давления при максимуме выбранного расхода избранной текущей смеси топлива и окислителя. Расход может быть уменьшен, чтобы снизить размер генерируемой волны избыточного давления. Если требуется, все большие и большие трубы могут быть использованы, чтобы усилить детонационный импульс, первоначально созданный в маленькой трубе детонации. Каждая труба или одна труба из множества труб может быть сделана из одного или комбинации материалов и сплавов, включая поливинилхлорид (PVC), или ряд различных составов металлов или даже бетона, чтобы достичь желаемого результата. В одном варианте изобретения труба детонации сделана из титана. В этом варианте детонатор, внутри которого создается искра, имеет малый диаметр, т.е. диаметр, равный примерно одной четверти дюйма. Эта сборка поставлена в ряд к основанию второй большей трубы детонации так, что газ, содержащийся внутри нее, детонирует. Эта вторая труба детонации может быть поставлена в ряд к основанию трубы существенно большего диаметра, чтобы инициировать детонацию внутри нее газовой смеси. Таким образом, трубы детонации очень большого диаметра могут быть инициированы с высокой точностью синхронизации. Использование труб, имеющих все большие и большие диаметры, показано на фиг.4, которая иллюстрирует комбинацию располагаемых в определенном порядке труб 400 детонации, включающую все большие и большие трубы детонации, усиливающие детонационный импульс. Детонационный импульс, создаваемый в начальной трубе 100А детонации, проходит через трубы 100В и 100С детонации, имеющие большие диаметры. В общем, т.к. детонация газовой смеси переходит от трубы детонации, имеющей малый диаметр, к трубе детонации, имеющей большой диаметр, величина импульса усиливается. Согласно изобретению одна или более труб детонации, имеющих различные диаметры, может быть объединена в комбинацию располагаемых в определенном порядке труб 400 детонации. В примере, описанном выше, предполагается, что труба детонации (и труба детонатора) является трубой, имеющей периметр, не изменяющийся по длине трубы. Как альтернатива, труба детонации (или труба детонатора) может начинаться с малого диаметра и постепенно увеличиваться в размере, чтобы иметь подобный эффект усиления импульса тому, который описан для фиг.4. Один из подходов показан на фиг.5, где изображен вид сбоку трубы 100 детонации, имеющий постепенно увеличивающийся диаметр. Диаметр трубы детонации, становящейся все больше и больше, заставляет импульс усиливаться по мере его перемещения по длине трубы подобно способу увеличивающейся в диаметре трубы фиг.4. Как показано, труба 100 детонации имеет первый диаметр 502 одного конца, который меньше, чем второй диаметр 504 второго конца. Множество труб, имеющих увеличивающиеся диаметры, могут также объединяться. Другой вариацией трубы детонации является использование техники компрессора-расширителя, где в суживающейся трубе газ сжимается, а в расширяющейся - расширяется. Этот подход показан на фиг.6, где изображен вид сбоку трубы 100 детонации, основанной на приемах сжатия-расширения и имеющей диаметр 602 одного конца, второй диаметр 603 другого конца и третий диаметр 604 между двумя концами трубы 100 детонации. Первый диаметр 602 может быть равен или неравен второму диаметру 603 в зависимости от желаемых характеристик сжатия-расширения.

Системы труб детонации

Трубы детонации могут быть сгруппированы в массивы различным образом для того, чтобы создать комбинированный импульс, когда трубы запускаются одновременно. Фиг.7А-7D иллюстрируют примеры того, как могут быть скомбинированы трубы детонации. Фиг.7А изображает массив 702 труб детонации, включающих первую трубу детонации, расположенную вдоль второй трубы детонации. Фиг.7В изображает массив 704 труб детонации, включающих комбинации 4-х труб детонации, соединенных так, что большие трубы детонации комбинаций находятся в контакте друг с другом. Фиг.7С изображает массив 706 труб детонации, содержащий три трубы детонации увеличивающегося диаметра. На фиг.7D представлен массив 708 труб детонации, содержащих 7 труб детонации, соединенных так, что он похож на шестиугольную конструкцию. На фиг.7Е представлен массив 710 труб детонации, содержащих 12 труб детонации, соединенных круговым способом.

Альтернативно, трубы детонации, которые образуют такие группы или массивы, могут также запускаться в разное время. В одном устройстве трубы детонации зажигаются, используя последовательность синхронизации, которая заставляет их детонировать последовательно так, что данная труба детонации заполняется смесью топлива и окислителя, в то время как другие трубы детонации находятся в различных стадиях генерации волны избыточного давления. В этом подходе поджиг и заполнение труб детонации может быть установлен по времени так, что волны избыточного давления будут генерироваться устройством с более высокой скоростью, чем это было бы возможно при непрерывной детонации.

Как показано на фиг.8, группа малых труб может быть присоединена к большой трубе так, что их объединенные импульсы создают большой импульс, который продолжает детонировать в большой трубе. На фиг.8 представлен вид сбоку трех малых труб 100А детонации, имеющих первый диаметр и связанных с большой трубой 100В детонации, имеющей больший диаметр, чтобы усиливать объединенный импульс.

В общем, любая из различных возможных комбинаций располагаемых в определенном порядке труб, труб с постепенно увеличивающимися периметрами, массивов труб, групп малых труб, присоединенных к большим трубам, и труб, в которых используется принцип компрессоров-расширителей, могут быть использованы в соответствии с этим подходом изобретением, чтобы генерировать волны избыточного давления, которые имеют специфические требования для использования. Все такие комбинации требуют балансировки энергетического потенциала, созданного благодаря расширению периметра трубы, с охлаждением, вызванным расширением газа, т.к. периметр трубы растет.

Когерентная фокусировка и управление волнами избыточного давления

Как описано выше, детонатор этого подхода настоящего изобретения имеет низкую неопределенность времени между дуговым разрядом и последовательным излучением звукового импульса из трубы. Детонатор также обеспечивает воспроизводимое прецизионное управление размером сгенерированных звуковых импульсов. Эта низкая неопределенность, или пульсация и прецизионное управление размером дает возможность когерентной фокусировки и управления волнами избыточного давления, сгенерированными посредством массивов труб детонации. Также детонатор может быть использован для того, чтобы сгенерировать управляемые, фокусируемые, с высокой пиковой импульсной мощностью волны избыточного давления.

Фиг.9 иллюстрирует, как синхронизация поджига отдельных труб фокусирует мощность генерируемых волн избыточного давления в отдельной точке дальнего поля. Трубы, расположенные дальше, запускаются раньше для того, чтобы компенсировать большее количество времени, требуемого для прохода большего расстояния, что заставляет все импульсы придти в одну и ту же точку пространства в одно и то же время. На фиг.9 представлен массив 900 труб 100А-100Е детонации, которые зажигаются (или зажжены) с управляемой синхронизацией, т.к. управляются механизмом 216 управления синхронизации так, что звуковые импульсы, которые они генерируют, приходят в точку 902 пространства в одно и то же время. Звуковые импульсы 906, созданные трубами 100А-100Е детонации, проходят прямыми путями 904А-904Е, соответственно. Также, они зажигаются в последовательности 100Е-100А с соответствующими задержками между запусками для того, чтобы отсчитывать различное время перехода, требуемое для прохода различных прямых путей так, чтобы звуковые импульсы 906 приходили в точку 902 пространства в одно и то же время, чтобы создавать объединенный звуковой импульс 908.

Отдельные трубы детонации или группы труб могут быть собраны в разреженный массив. На фиг.10 показан массив отдельных труб детонации, выстроенных в разреженный массив, где управление синхронизацией детонаций в различных трубах осуществляется так, чтобы управлять волнами избыточного давления таким образом, чтобы они объединялись в заданном месте. Аналогично, на фиг.11 показан массив групп труб, собранных в разреженный массив, в котором трубы данной группы детонируют в одно и то же время, но синхронизация детонации различных групп изменяется таким образом, чтобы управлять волнами избыточного давления так, чтобы они объединялись в заданном месте.

Согласно фиг.10 трубы 100А-100D детонации поджигаются в обратной последовательности с точной синхронизацией, т.к. управляются механизмом 216 управления синхронизацией так, что звуковые импульсы проходят прямые пути 904А-904D и соединяются в точке 902 пространства. Согласно фиг.11 группы труб 1000А-1000D детонации поджигаются в обратной последовательности, и также управляются механизмом 216 управления синхронизацией так, что звуковые импульсы проходят прямые пути 904А-904D и соединяются в точке 902 пространства.

Механизм 216 управления синхронизацией, использованный в примерах разреженных массивов, может включать единственный механизм управления синхронизацией, связанный с каждым из генераторов волн избыточного давления, приводя в действие массив с помощью проволочной или беспроволочной сети. Альтернативно, каждый из генераторов волны избыточного давления может иметь свой собственный механизм управления синхронизацией, при помощи чего механизмы управления синхронизацией могут быть синхронизированы теми же способами.

Теория работы массивов труб детонации

В общем, когда массив труб детонации запущен с точной синхронизацией, создается волна давления, которая распространяется как узкий пучок в направлении, назначенном синхронизацией. Таким образом, его работа является аналогичной работе антенны фазированной решетки, обычно используемой в радиолокационных системах. Так как синхронизация определяется электрически, направление луча может быть переназначено от одного импульса к другому. Системы могут быть разработаны так, чтобы работать на разных частотах, например, с 10, 20, 50 или 100 имп/сек, а каждый импульс может быть нацелен в единственным направлении. Единственным ограничением по частоте повторения является скорость, с которой трубы могут быть заполнены снова. При звуковой частоте нового заполнения может потребоваться 5 миллисекунд, чтобы снова заполнить трубу длиной 5 футов. Так как требуется импульс в 5 миллисекунд, чтобы сдетонировавшая смесь вышла наружу, ограничение по частоте повторения составляет 100 Гц.

Так как каждый элемент массива испускает свою собственную когерентную энергию, в дальнем поле амплитуда волны стремится к квадрату интенсивности каждой отдельной трубы. Мгновенные избыточные давления, которые могут быть направлены по этому пути, следовательно, могут достигать высоких уровней. Также система обладает большим динамическим диапазоном, который может быть использован для достижения большой дальности или распространения через малые апертуры в структурах типа высокозащищенных целей.

Структура позади малой апертуры может быть приведена в резонанс с помощью применения импульсов только с точными временными интервалами, как это определяется лазерным датчиком, используемым для измерения доплеровского смещения частиц. Собственная частота структуры может таким образом быть определена, а после этого лазер используется в режиме закрытой петли для управления синхронизацией системы для создания максимального эффекта. Мгновенные давления внутри такой высокозащищенной цели могут быть очень большими, т.к. акустическая Q мощность высока. Например, для Q, равного 10, пиковое давление может достигать 1000 psi.

Группы труб детонации могут рассматриваться как субмассивы труб внутри большого массива. Фиг.12 иллюстрирует вариант из 32 шестиугольных субмассивов 1202, состоящих каждый из 7 труб детонации, эффективно скомпонованных в массив 1200, имеющий в целом 224 трубы детонации диаметром 3" и размер 6,2'×2,5'. Интенсивность дальнего поля этой системы может в 50000 раз быть выше интенсивности одной такой 3"-й трубы детонации.

Синхронизация поджига элементов системы этого варианта прямая. Форма волны имеет длительность около одной миллисекунды, стеснение для когерентности около 1/4 длины ее волны или менее. Подсистема синхронизации, поэтому, будет нуждаться в разрешающей способности и точности в 200 микросекунд или менее. Этот уровень точности синхронизации может быть выполнен с помощью программируемых счетчиков-таймеров, таких как Intel' C 8254 PC, которые обеспечивают работу трех каналов отсчета времени на чип при разрешающей способности в 0,1 микросекунды.

В одном из вариантов осуществления каждый элемент в управляемом массиве должен иметь разброс энергии по всей области возможного управления, например, с апертурой, которая ниже 1/2 длины волны. Для формы волны в 1 миллисекунду апертура составляет около 6 дюймов. В варианте, показанном на фиг.12, связки шестиугольных субмассивов имеют в поперечнике 9 дюймов, так что ими нельзя управлять свыше полной половины полусферы, но группируя трубы в шестиугольные связки, которые поджигаются как группа, можно уменьшить необходимые требования, позволяющие 32 программируемым каналам синхронизации быть использованными для фокусировки и управления массивом. Также вся синхронизация может быть осуществлена с помощью одиннадцати Intel' C 8254 PCA. Пульт PCI, сделанный SuperLogics, содержит четыре 8254's, давая 12 программируемых счетчиков-таймеров, так, что будет достаточно 3-х модулей. В другом варианте трубы каждой связки на фиг.12 могут быть достаточно разнесены, чтобы быть способными слушаться управления по полной половине полусферы, и поджиг всех труб может быть независимым без группирования.

Фокусное пятно массива является функцией длины волны и размера массива. Около лицевой стороны массива фокусное пятно является приблизительно кругом одной длины волны, т.е. одного фута в диаметре. На больших расстояниях пятно постоянно расширяется и становится овалом с его большим размером в направлении малого размера массива, т.е. овал становится вертикальным в случае горизонтального массива, изображенного на фиг.12. Форма фокусного пятна может быть легко смоделирована с использованием волнового уравнения, которое может быть линеаризовано в случае, когда мгновенное давление не превышает половины атмосферы или 7 PCI. Однако, когда мгновенное давление волновой формы достигает атмосферы, уравнение становится нелинейным и вычисления становятся другими.

Измерения выходного давления массива могут быть сделаны с помощью широкого набора акустических датчиков. Они обычно имеют ширину полосы 10-20000 Гц и точность в 1 дБ или около этого. Измерения, сделанные на расстоянии 30 футов и более в дальнем поле массива, дают точности, достаточные для экстраполяции характеристик на любой диапазон. Калиброванным выходным сигналом такого прибора является уровень звукового давления, которое напрямую связано с давлением, т.е. . Например, 180 dBSPL эквивалентно давлению в 20000 Па или около 3 psi. Мгновенная сила звука, связанная с этим уровнем, составляет 1000000 Вт/м².

Следствием общего волнового уравнения для линейной среды является то, что когда волны накладываются, их амплитуды складываются. Для электромагнитных волн это означает, что если две одинаковые волны приходят в точку пространства в одно и то же время и с той же фазой, они будут создавать двойной потенциал или вольтаж единственной волны.

Подобный результат имеет место в случае акустических волн, но при этом потенциалом является давление, а не вольтаж.

Заметим, что т.к. фазы равны, косинус равен единице, и давление равно двойному давлению одного источника. Это соотношение применяется и при наложении N источников, тогда имеем N*p.

Удвоение давления акустической волновой формы учетверяет ее мощность, т.к. мощность пропорциональна квадрату ее давления, а именно, когда две идентичных акустических волновых формы приходят в одну и ту же точку пространства в одно и то же время и с одинаковой фазой, их мощности учетверяются.

По аналогии с электромагнитными волнами мощность или акустическая интенсивность волновой формы пропорциональна квадрату ее давления

где знаменатель - это величина акустического импеданса среды, в данном случае воздуха.

Поэтому вообще мощность в основном выступе волновой формы избыточного давления в дальнем поле свободного пространства может быть вычислена как N² давления одной трубы детонации. Однако когда она эксплуатируется вблизи земли, может быть также получено преимущество дополнительного эффекта волны земли. Когда волна из земли и волновые формы свободного пространства сходятся на цели, давления обоих волновых форм снова складываются, а мощность учетверяется.

Управление лучом выполняется посредством синхронизации отдельных элементов так, что ближайшие задерживаются настолько, чтобы захватить волны дальней части массива. Следовательно, в данном управляемом направлении все волны будут прибывать в одно и то же время и удовлетворять критерию мощности N². Это аналогично антенне фазированной решетки, но т.к. акустические волновые формы являются скорее кратковременными, чем непрерывными, временная задержка замещается по фазе.

Применение генератора волны избыточного давления настоящего изобретения

Применения генератора волны избыточного давления настоящего изобретения включают, но не ограничены: конкурентным использованием взрывчатых веществ для целей обучения, испытаний защиты от взрывчатых веществ, разрушения шахт/зданий, управления толпой, защиты границы, управления животными/птицами/насекомыми, управления заключенными, испытаний конструкций на прочность и целостность, придания вращения ветряку или турбине, использования в качестве источника тяги в случае ракетного двигателя, удаления пыли/песка/снега/льда с дорог/железнодорожных путей/самолетов/ и т.д., фруктов/овощей/зерна/ и т.д., сбора урожая с деревьев/кустов/полей и сопоставимых сельскохозяйственных приложений, промышленной очистки (включая дымовые трубы, осадители), прессование объектов (включая совместное прессование/формование), подавление огня, и, в общем, в любом из приложений, связанных с областью защиты или отказа.

Использование силы отдачи волны избыточного давления для сейсмических поисково-разведочных работ

Генератор волны избыточного давления настоящего изобретения, описанный выше, может быть увеличен так, чтобы использовать его силу отдачи для целей сейсмических поисково-разведочных работ. Сила отдачи является ударом назад или силой, созданной при детонации волнами избыточного давления. Эта сила равна производной от направленного назад количества движения, являющегося результатом волн повышенного давления при детонации. В одном варианте сейсмической системы поисково-разведочных работ настоящего изобретения, как показано на фиг.13, сейсмическая система 1300 поисково-разведочных работ включает генератор 11 волны избыточного давления, соединительный элемент 1312, стабилизирующий механизм 1313 для управления движением генератора волны избыточного давления, контроллер 1314 для управления работой генератора 11 волны избыточного давления, детектор 1316 эха, устройство 1318 записи данных, процессор 1320 для обработки изображения, устройство 1322 отображения. Нужно понимать, что несмотря на то, что указанные элементы системы 1300 идентифицируются раздельно, эти элементы не обязательно должны быть физически разделены. Некоторые элементы могут быть сконфигурированы так, чтобы принадлежать в целом одному аппарату, например, контроллер 1314 устройства 1318 записи данных, процессор 1320 для обработки изображения, - все могут быть частями одного компьютера. Система 1300 может по выбору включать глушитель 1324, который имеет отверстие 1328, используемое для снабжения разбавляющим газом (воздух), который используется для предотвращения проникновения детонации в глушитель 1324. Альтернативно, сейсмическая система поисково-разведочных работ может эксплуатироваться без использования соединительного элемента 1312. В этом случае генератор 11 волны избыточного давления будет контактировать прямо с землей 1330.

Вариант генератора 11 волны избыточного давления системы 1300 может включать в себя любой из вариантов, описанных выше. Он включает электрический (или лазерный) источник для создания искры, трубу детонации, источник газовой смеси, который поставляет текущий газ в трубу детонации и детонатор. Для ниже указанных целей генератор волны избыточного давления может альтернативно быть группой труб детонации, которые детонирует одновременно так, чтобы создать объединенную волну избыточного давления.

Генератор волны избыточного давления детонирует, чтобы генерировать волну повышенного давления, которая по выбору может заглушаться глушителем 1324. Генерация волны избыточного давления заставляет соответствующую силу отдачи, которую связующий элемент 1312 связывает с целевой средой, такой как земля, лед или вода, создать введенную акустическую волну. Стабилизирующий механизм 1313 обеспечивает устойчивость движения генератора 11 волны избыточного давления, по существу разрешая движение только вверх и вниз. Соединительный элемент 1312 может включать пружину, или резину, или некоторый сопоставимый состав, имеющий желаемые пружинно-подобные и демпфирующие характеристики, такие как у магнитов противоположной полярности. Соединительный элемент также содержит устройство 1326 перехода импеданса, имеющего необходимый профиль, которое напрямую контактирует с землей 1330, чтобы сообщать движение введенной акустической волне. Устройство 1326 перехода импеданса может иметь любую из различных типов форм, включая заострение с одной точкой, заострение с множеством точек, профиль типа плоской пластины, который может быть квадратным, прямоугольным, круглым или любой другой желаемой формы. В представленном варианте устройство 1326 перехода импеданса имеет плоскую круглую форму. Если целевой средой является вода, соединительный элемент может включать диафрагму, которая контактирует с водой. Если целевой средой является твердое тело, такое как земля или лед, генератор волны избыточного давления альтернативно может прямо контактировать с целевой средой так, что его сила отдачи будет напрямую связана с целевой средой.

В одном из вариантов настоящего изобретения множественные введенные акустические волны передаются к земле в последовательности, синхронизированной в соответствии с кодом синхронизации, который имеет желаемые корреляционные свойства. Кодирование импульсов позволяет импульсам быть имитированными с более высокой частотой, чем могло бы быть достигнуто посредством ожидания всех эхо, затухающих прежде, чем новые импульсы будут сгенерированы. Такое кодирование, таким образом, увеличивает мощность испускаемого сигнала и уменьшает время, необходимое для достижения заданного соотношения сигнала и шума. Например, код Баркера является желательным для автокорреляционных свойств. Могут быть использованы любые другие способы кодирования, дающие желаемые корреляционные свойства, которые хорошо известны из уровня техники радиолокации и связи.

Как было упомянуто выше, волна избыточного давления генерируется посредством управляемого и направленного взрыва детонирующей газообразной или дисперсной смеси топлива и воздуха или смеси топлива и кислорода. Любой вид воспламеняющихся топлив может быть использован, включая этан, метан, пропан, водород, бутан, этиловый спирт, ацетилен, MAPP-газ, бензин, и авиационное топливо. Использование таких легковоспламеняющихся топлив имеет существенное преимущество перед твердыми и/или жидкими взрывчатыми веществами, т.к. они легко доступны из различных источников и имеют относительно низкую стоимость. Волна избыточного давления генерируется в соответствии с параметрами детонации, такими как отношение масс топлива и окислителя смеси, кода синхронизации и т.д.

Кроме того, взрыв воспламеняющегося топлива дает более точные результаты. Максимальная энергия, передаваемая земле в единицу времени, дает более ясную картину. Повышенная четкость объясняется уменьшением нелинейных эффектов. Нелинейные эффекты существенно снижаются из-за того, что соединительный элемент 1312 не давит на землю, создавая тем самым главным образом линейные сигналы. Кроме того, за данный период времени может быть создана серия малых взрывов, а получаемые результаты могут быть объединены для достижения любой желаемой степени разрешения, и любая желательная глубина может быть достигнута путем расширения периода детекции.

Контроллер 1314 используется для управления работой генератора 11 волны избыточного давления. Контроллер 1314 может быть портативным компьютером или рабочей станцией, которая программируется так, чтобы генерировать желаемую кодированную по времени синхронизационную последовательность, которая используется при запуске генератора 11 волны избыточного давления.

Эхо-детектор 1316 может быть сделан в виде массива датчиков или геофонов. Этот массив геофонов составляет синтетический апертурный массив, который является аналогичным синтетическому апертурному матричному радару. Этот синтетический апертурный массив позволяет принимать высокосфокусированные чистые видеоданные от подслоев в многократных фокусных расстояниях и в реальном времени без перемещения или изменения конфигурации массива. Это позволяет данные, полученные от массива ненаправленных датчиков, сфокусировать в любой точке в земле посредством последующей обработки. Такая обработка является геофизической аналогией обработки данных синтетического апертурного массива, подразумевая, что данные отдельных геофонов могут быть когерентно объединены, чтобы получить эквивалент значительно большего сфокусированного геофона. С использованием этого синтетического массива сбор данных выполняется меньшим количеством геофонов, чем взрывчатыми веществами, либо вибрационными разветвителями. Кроме того, массив геофонов может быть распределен случайным образом, и его не требуется устраивать в виде общепринятого сеточного массива.

Данные или эхо, полученные эхо-детектором 1316, хранятся в устройстве 1318 записи данных для последующей обработки. В качестве устройства 1318 записи данных могут быть использованы различные типы запоминающих устройств, общеизвестные из уровня техники. Точно так же устройства обычного типа, хорошо известные из уровня техники, могут использоваться в качестве процессора 1320 для обработки изображений и устройства 1322 отображения.

На фиг.14 показаны логические этапы во время работы системы 1300 в соответствии с настоящим изобретением. На этапе 1400 генератор 11 волны избыточного давления и соединительный элемент 1312 направляют последовательность синхронизированных введенных акустических волн в подслой, где они отражаются и рассеиваются подповерхностными изменениями в физических свойствах.

На этапе 1420 эхо или волны, возвращающиеся к поверхности, регистрируются эхо-детектором 1316, т.е. геофонами. Геофоны делают запись хронологии времени колебаний почвы за несколько секунд. Амплитуды, частоты и фазы этих записей следов зависят от различных физических свойств подслоя, таких как константы упругости, геометрии, размеров, неэластичности и анизотропности.

На этапе 1440 устройство 1318 записи данных сохраняет отклик земли, обнаруженный геофонами. Устройство 1318 записи данных связывается с геофонами через аналого-цифровой преобразователь и мультиплексор, записывает и сохраняет данные в одном из нескольких по выбору запоминающих устройствах для последующей обработки и отображения.

На этапе 1460 зарегистрированные данные могут быть обработаны процессором 1320 для обработки изображения в соответствии с различными хорошо известными алгоритмами отображения, а результаты могут быть затем отображены посредством устройства 1322 отображения.

Обычным представлением сейсмических данных является вычерчивание рядов амплитуд волновых форм в функции времени по вертикальной оси (график формы волны). "Всплески" являются отражениями, обусловленными неоднородностями физических свойств. Настройка массива геофонов и последующая обработка данных для формирования изображения от синтетического апертурного массива аналогична тем, которые имеют место для синтетической апертурной радарной матрицы. По аналогии с системами оптических линз антенная решетка фиксированного фокусного расстояния не осталась бы в фокусе на всей глубине требуемого поля, если система должна отображать область, близкую к поверхности, и до сотен футов ниже поверхности. Таким образом, антенна должна была бы быть и большой, чтобы покрыть приемлемую область земли, и фокусируемой в реальном масштабе времени.

Так как не осевые отражения получаются при существенно больших задержках в антенне, они создают "точки рассеивания", которые дают кривую в результирующем изображении. Эта кривая является вычисляемой и может быть удалена при последующей обработке. Это позволяет данные, взятые от массива ненаправленных антенн, сфокусировать в любой точке в земле через последующую обработку. Такая обработка синтетического апертурного массива позволяет когерентно объединить данные, полученные от отдельных антенн, так чтобы получить эквивалент большой фокусируемой антенны.

Кривые первичных данных волнового фронта генерируются виртуально в реальном масштабе времени и могут быть интерпретированы опытным геофизиком. Пространственные размещения и трехмерные изображения могут генерироваться посредством использования стандартной томографической обработки изображения. Более высокая разрешающая подповерхностная проницательность может быть достигнута через комбинацию достоверных во времени кривых волнового фронта.

Система 1300 дает возможность быстро оценивать данные в поле в реальном масштабе времени. Это может быть полезно для направления усилий по отображению подслоя, основанных на обнаруженных в поле данных, и дает уверенность в том, что данные, взятые для анализа, имеют достаточную точность и отношение сигнала к шуму для максимальной пользы.

Альтернативно, множественные системы 1300 могут быть устроены в виде разбросанного массива, а способы управления синхронизацией могут использоваться для управления их введенными акустическими волнами так, что волны объединяются в заданном месте внутри земли. Такое управление, по существу, выполняется тем же самым образом, что и управление волнами избыточного давления, как описывается в отношении фиг.9-11, за исключением их выполнения с многократными синхронизированными во времени введенными акустическими волнами. На фиг.15 показаны множественные системы 1300А-1300С, управляемые так, что введенные акустические волны проходят через землю по прямым путям 904А-904С так, что они соединяются в точке 1502 под землей. Способность к фокусированию и управлению введенными акустическими волнами настоящего изобретения дает возможность точного отображения особенностей в глубине земли, таких как нефтяной формации 1504. Если целевой средой является вода, управление лучом может быть использовано для составления карты водного дна.

На фиг.16 представлен вариант образца кольцевого массива, который может быть использован в целях управления лучом. Такие образцы могут располагаться внутри больших массивов, чтобы создать масштабируемую архитектуру, используемую для исследования больших областей. На фиг.16 сейсмические системы 1300 организованы в круговые субмассивы 1602, которые могут самостоятельно стать частью большого кругового субмассива 1604 и т.д., чтобы покрыть очень большие площади. В целом, сейсмические системы 1300 настоящего изобретения могут быть расположены в любом желаемом или практическом устройстве известных расположений и использоваться в соответствии с настоящим изобретением.

Другие приложения, способные использовать силу отдачи волны избыточного давления

Другие приложения, способные использовать силу отдачи волны избыточного давления настоящего изобретения, включают, но не ограничены: снабжением энергией двигателя или насоса, забиванием столбов ограждения/свай в землю, использованием как устройства набивания (например, чтобы уплотнить пыль), использованием как устройство форсированного ввода (такого как таран), для отображения профиля водного дна и использования для измельчения и/или деформации объектов/металлических штампов и т.д.

Использование генератора волны избыточного давления как генератора поперечной волны для сейсмических поисково-разведовательных работ

В третьем варианте изобретения генератор 11 волны избыточного давления используется как генератор поперечной волны для целей поисково-разведочных работ. Поперечная волна, известная так же как C-волна, вторичная волна или упругая С-волна, является одной из двух основных типов упругих волн тела, не названная потому, что в отличие от поверхностных волн поперечные волны движутся через тело объекта. Сейсмическая исследовательская система 1700 в соответствии с настоящим изобретением показана на фиг.17А. Сейсмическая система 1700 поисково-разведочных работ включает генератор 11 волны избыточного давления, механизм 1702 определения плоскости, соединительный элемент 1312, стабилизирующий механизм 1313 для управления движением генератора волны избыточного давления, контроллер 1314 для управления работой генератора 11 волны избыточного давления, эхо-детектор 1316, устройство 1318 записи данных, процессор 1320 для обработки изображений и устройство 1322 отображения. Должно быть понятно, что в то время как указанные элементы системы 1300 определялись по отдельности, эти элементы не обязательно должны быть физически разделены. Некоторые элементы могут быть сконфигурированы так, что они будут принадлежать одному и тому же аппарату. Например, контроллер 1314, устройство 1318 записи данных, процессор 1320 для обработки изображений - все могут быть частью одного компьютера. В систему 1700 может быть по выбору включен глушитель 1324, который имеет отверстие 1328, используемое для ввода газа-разбавителя (т.е. воздуха), используемого для предотвращения проникновения детонации в глушитель 1324. Альтернативно, сейсмическая система 1700 поисково-разведочных работ может эксплуатироваться без соединительного элемента 1312, в этом случае генератор 11 волны избыточного давления и механизм 1311 определения плоскости могут непосредственно контактировать с землей.

Генератор 11 волны избыточного давления системы 1700 может включать любой из вариантов, описанных выше. Он включает электрический (или лазерный) источник для создания искры, трубу детонации, источник газовой смеси, который поставляет текущий газ в трубу детонации, и детонатор. Для ниже указанных целей генератор волны избыточного давления альтернативно может быть группой труб детонации, которые детонируют одновременно так, что создают комбинированную волну избыточного давления.

Генератор 11 волны избыточного давления детонирует, чтобы создать волну избыточного давления. Генерация волны избыточного давления вызывает соответствующую силу отдачи, параллельную земле, заставляя механизм 1311 определения плоскости двигаться поперек соединительного элемента 1312. Механизм 1311 определения плоскости находится в контакте с 1312, чтобы определить плоскость поперек него, перпендикулярную направлению движения генератора 11 волны избыточного давления. Соединительный элемент 1312 связывает поперечную волну с целевой средой, чтобы создать введенную акустическую волну. Стабилизирующий механизм 1313 обеспечивает стабильность движения генератора 11 волны избыточного давления, по существу разрешая движение только из стороны в сторону. Соединительный элемент 1312 может включать пружину или резину или некоторый сопоставимый состав, имеющий желаемые пружиноподобные и демпфирующие характеристики.

На фиг.17B изображена плоская поперечная волна, распространяющаяся справа налево, так как она создана данной ориентацией системы 1700. Вообще, плоская поперечная волна, созданная системой 1700, имеет ту же самую направленность, как и сила отдачи генератора 11 волны избыточного давления.

На фиг.18A показан вид сверху генератора 1800 сферической поперечной волны в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Как видно, две системы плоской поперечной волны 1700A и 1700B ориентируются так, что плоские поперечные волны, создаваемые ими, имеют встречные направления, заставляя их создать сферическую поперечную волну.

На фиг.18B показана сферическая поперечная волна, движущаяся против часовой стрелки. Вообще, сферическая поперечная волна, созданная системой 1800, движется или по часовой стрелке, или против часовой стрелки в зависимости от ориентации систем 1700A и 1700B по отношению друг к другу.

На фиг.18C приведен вид сверху сферического генератора 1800 сферической поперечной волны в соответствии с другим вариантом настоящего изобретения. Как видно, четыре системы 1700A-1700D плоских поперечных волн ориентируются таким образом, чтобы плоские поперечные волны, которые они создают, имели встречные направления, заставляя их создать сферическую поперечную волну.

На фиг.18D показан вид сверху генератора 1800 сферической поперечной волны в соответствии с еще одним вариантом настоящего изобретения. Показано, что шесть 1700A-1700F систем плоских поперечных волн ориентируются так, что плоские поперечные волны, которые они создают, имеют встречные направления, заставляя их создать сферическую поперечную волну.

Различные способы массивов, способы кодирования и т.д., описанные в соответствии со вторым вариантом изобретения, также могут использоваться с этим третьим вариантом. Также этот вариант имеет способность фокусировать и управлять введенными акустическими волнами, которые способны точно отображать особенности в глубине земли, такие как включения нефти 1504. Аналогичным образом, этот вариант способен отображать поверхность водного дна.

Улучшенные сейсмические исследовательские системы, описанные здесь, были представлены как примеры типов приложений, которые могут быть осуществлены с помощью настоящего изобретения. Варианты и представленные некоторые примеры выполнения изобретения поясняют, но не ограничивают возможности модификации их специалистами с учетом предшествующего уровня техники. Прилагаемая формула представляет возможность попытки защитить любые модификации, особенности или усовершенствования, которые воплощают смысл и объем сущности изобретения.

Изобретение относится к генерации и управлению введенными акустическими волнами для геофизических поисково-разведочных работ. Множество волн избыточного давления генерируется посредством, по меньшей мере, одного генератора волны избыточного давления, включающего, по меньшей мере, одну трубу детонации с открытым концом. По меньшей мере, один генератор волны избыточного давления ориентируется так, что множество волн избыточного давления направляется прямо в целевую среду. Сила отдачи, по меньшей мере, одной волны избыточного давления генератора, существующая в период генерации множества волн избыточного давления, связывается с целевой средой для генерации проводимых акустических волн. Синхронизация генерации множества волн избыточного давления может быть осуществлена в соответствии с кодом синхронизации. Технический результат - направление введенных акустических волн к заданному месту в целевой среде. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 30 ил.

1. Способ генерации введенной акустической волны, содержащий этапы на которых:
создают, по меньшей мере, одну детонацию внутри, по меньшей мере, одной трубы детонации, имеющей открытый конец, для генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления,
связывают силу отдачи указанной, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой для создания, по меньшей мере, одной введенной акустической волны.

2. Способ по п.1, в котором указанный открытый конец, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируют так, чтобы направлять указанную, по меньшей мере, одну волну избыточного давления перпендикулярно к указанной целевой среде и обратно.

3. Способ по п.1, в котором указанный открытый конец указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируют так, чтобы направлять указанную, по меньшей мере, одну волну избыточного давления параллельно указанной целевой среде.

4. Способ по п.3, в котором указанная сила отдачи соответствует одной плоской поперечной волне или сферической поперечной волне.

5. Способ по п.1, в котором указанная целевая среда является, по меньшей мере, одной, выбранной из земли, льда или воды.

6. Способ по п.1, в котором каждую из указанной, по меньшей мере, одной волны избыточного давления генерируют посредством управления в соответствии с детонационными параметрами детонации смеси топлива и окислителя, текущей внутри каждой из указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации.

7. Способ по п.6, в котором указанные детонационные параметры включают код синхронизации.

8. Способ по п.7, в котором код синхронизации является кодом Баркера (Barker).

9. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап глушения звука указанной, по меньшей мере, одной волны избыточного давления.

10. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором управляют множеством связанных акустических волн из указанной, по меньшей мере, одной акустической волны, связанной с заданным местоположением внутри указанной целевой среды посредством управления соответствующей синхронизацией генерации множества волн избыточного давления из указанной, по меньшей мере, одной волны избыточного давления.

11. Система для генерации введенной акустической волны, включающая, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец, для генерации, по меньшей мере, одной волны избыточного давления и соединительный элемент для соединения силы отдачи указанной, по меньшей мере, одной волны избыточного давления с целевой средой для генерирования, по меньшей мере, одной указанной введенной акустической волны.

12. Система по п.11, дополнительно содержащая стабилизирующий механизм, обеспечивающий стабильность движения, по меньшей мере, одной трубы детонации.

13. Система по п.12, в которой указанный открытый конец указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить указанную, по меньшей мере, одну волну избыточного давления перпендикулярно к указанной целевой среде и обратно, а указанный стабилизирующий механизм допускает движение только вниз и вверх.

14. Система по п.12, в которой указанный открытый конец указанной, по меньшей мере, одной трубы детонации ориентируется так, чтобы направить указанную, по меньшей мере, одну волну избыточного давления параллельно указанной целевой среде, а указанный стабилизирующий механизм допускает движение только из стороны в сторону.

15. Система по п.11, в которой указанная целевая среда является, по меньшей мере, одной из земли, льда или воды.

16. Система по п.11, в которой каждая из указанных, по меньшей мере, одна волна избыточного давления генерируется посредством управления в соответствии с параметрами детонации, детонацией смеси топлива и окислителя, текущей внутри каждой из указанных, по меньшей мере, одной трубы детонации.

17. Система по п.16, в которой указанные детонационные параметры содержат код синхронизации.

18. Система по п.17, в которой указанный код синхронизации является кодом Баркера (Barker).

19. Система по п.11, дополнительно включающая глушитель, связанный с указанной, по меньшей мере, одной трубой детонации.

20. Система для генерации и управления введенными акустическими волнами, включающая:
множество генераторов волны избыточного давления, размещенных в виде разреженного массива, каждый из указанного множества генераторов волны избыточного давления, включающий, по меньшей мере, одну трубу детонации, имеющую открытый конец и используемую для генерации множества волн избыточного давления, каждую из указанного множества волн избыточного давления, имеющую силу отдачи,
и множество соединительных элементов для связывания указанных сил отдачи указанного множества волн избыточного давления с целевой средой для генерирования указанных введенных акустических волн, а указанные введенные акустические волны, будучи направлены к заданному месту внутри указанной целевой среды, базируются на соответствующей синхронизации генерирования указанного множества волн избыточного давления.