專利名稱：聲反射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種聲反射器，更具體地涉及用作導(dǎo)航設(shè)備并用于定位 和重定位的水下反射目標(biāo)。
背景技術(shù)：
水下反射目標(biāo)通常為聲反射器，其通常用在聲納系統(tǒng)中，例如用于 標(biāo)記水下結(jié)構(gòu)。重定位裝置例如用于識(shí)別管道、線纜和水雷，以及用于 漁業(yè)中以利用聲學(xué)標(biāo)記漁網(wǎng)。為了有效應(yīng)用，聲反射器需要能夠容易地從背景特征和周圍雜波中 辨別出來，因此需要這樣的反射目標(biāo)(a)能夠產(chǎn)生相對(duì)于從背景特征 和周圍雜波反射回的聲波強(qiáng)度來說比較強(qiáng)的反射聲輸出響應(yīng)(即，高目標(biāo)強(qiáng)度)；(b)具有使其能夠與其它(錯(cuò)誤)目標(biāo)區(qū)別開的聲學(xué)特性。目前通過以下方式實(shí)現(xiàn)聲波的增強(qiáng)反射，即使入射在球形殼體一 側(cè)上的輸入聲波折射，從而使其沿輸入路徑聚焦到相對(duì)側(cè)上，輸入聲波 從該相對(duì)側(cè)反射并作為輸出反射響應(yīng)出射?？蛇x的是，可使輸入聲波在 作為輸出反射波出射之前從相對(duì)側(cè)不止一次地反射。公知的水下反射目標(biāo)包括充有流體的球形殼體。這種充有流體的球 形殼體在所選流體的聲速約為840 ms"時(shí)具有高目標(biāo)強(qiáng)度。目前利用氯氟 烴(CFC)作為殼體內(nèi)的流體來實(shí)現(xiàn)上述高目標(biāo)強(qiáng)度。這樣的流體是通 常不受歡迎的有機(jī)溶劑，這種有機(jī)溶劑是有毒且消耗臭氧的化學(xué)制劑。 由于這樣的材料會(huì)因?yàn)榱黧w泄漏到周圍環(huán)境而對(duì)周圍環(huán)境造成污染的風(fēng) 險(xiǎn)而可能危害環(huán)境，因而其使用受到限制，因此充有流體的球形殼體反 射目標(biāo)是有缺陷的。此外，充有流體的殼體反射目標(biāo)制造起來相對(duì)較難 而且較昂貴。另一公知的聲反射器是三面反射器，其通常包括三個(gè)在公共原點(diǎn)處 相交的正交反射面。然而，這樣的反射器可能會(huì)需要涂層，以便使該反 射器能以所需的頻率進(jìn)行聲學(xué)反射并用于海洋環(huán)境中，而且盡管該反射 器具有高目標(biāo)強(qiáng)度，但是涂層材料的反射特性易于隨著在水下深度的壓 力而變化。而且，三面反射器的不利之處在于其反射率取決并受限于其方位(aspect),其中在不同角度下會(huì)產(chǎn)生超過6dB的目標(biāo)強(qiáng)度變化。還期望存在適用于附著到海洋哺乳動(dòng)物(例如，海豹、海豚和鯨) 上的聲反射標(biāo)志，以便為了研究目的而定位、跟蹤和監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物。 期望這樣的標(biāo)志重量輕且尺寸小，從而在任何情況下都不會(huì)妨礙動(dòng)物。 然而，上文所述的公知反射器并不適用于這樣的用途。如上文所述，充 有液體的球形反射器依賴于有毒材料，因而被認(rèn)為對(duì)其所附著的動(dòng)物和 該動(dòng)物生存的周圍環(huán)境具有潛在的危害。三面反射器并不是全向的，而 是取決并受限于其方位，因此也不是理想的。因此，期望存在一種聲反射器，其耐用、無毒、尺寸小并且制造起 來相對(duì)容易且廉價(jià)。發(fā)明內(nèi)容根據(jù)本發(fā)明，提供了一種聲反射器，該聲反射器包括一殼體，所述 殼體具有布置成圍繞芯部的壁，所述殼體能夠使入射在該殼體上的聲波透射到所述芯部中以進(jìn)行聚焦，并從所述殼體的與該聲波入射的區(qū)域相 對(duì)的區(qū)域反射，從而從該反射器提供反射聲信號(hào)輸出，該聲反射器的特 征在于所述芯部呈球體或正圓柱體形式，并由一層或更多層的波速為 840至1500ms'1的固體材料的同心層形成；并且相對(duì)于所述芯部來確定所 述殼體的尺寸，以使得入射到該殼體上的聲波的一部分耦合到該殼體的 壁內(nèi)并在所述壁內(nèi)繞該殼體的周邊被引導(dǎo)，然后重新發(fā)射以與所述反射 聲信號(hào)輸出相長(zhǎng)地合成，從而提供增強(qiáng)的反射聲信號(hào)輸出。所述反射器可以是球形或圓形截面垂直于母線的圓柱形。在為圓柱 形的情況下，該反射器可以是縱向延伸的系統(tǒng)(即，繩索)，其具有來自 鏡反射(specularglint)的高聲納回波，該鏡反射發(fā)生在該繩索的布置成 與聲信號(hào)的傳播方向成直角的那些部分。
優(yōu)選的是，所述芯部由波速介于840ms—'和1300ms—1之間的單一固體 材料形成?？蛇x的是，所述芯部包括兩層或更多層的不同材料，對(duì)于具 體選定的聲波頻率，這些材料會(huì)使入射波更有效地聚焦并且/或者降低在 該材料內(nèi)的衰減，從而總體上產(chǎn)生更強(qiáng)的輸出信號(hào)。然而，在芯部分層 的情況下，預(yù)計(jì)制造復(fù)雜性和成本自然會(huì)更大。在芯部由兩層以上的不 同材料形成的情況下，其中一種材料或兩種材料可具有高達(dá)1500ms'1的 波速。為了適用于在本發(fā)明的反射器裝置中使用，所述芯部材料必須具有 在所需范圍內(nèi)的波速而使聲能不會(huì)被高度地吸收。所述芯部可由彈性體 材料形成，所述彈性體材料例如是硅酮，特別是來自Bayer公司的RTV12 或RTV655硅橡膠，或者是Alsil 14401過氧化物硫化硅橡膠。所述殼體可以由剛性材料形成，所述剛性材料例如是鋼或玻璃增強(qiáng) 塑料(GRP)材料，特別是添有玻璃的尼龍，例如填有500%玻璃的尼龍 66或者填有40%玻璃的半芳香聚酰胺，并且所述殼體的尺寸可設(shè)定成使 其厚度大約為所述芯部半徑的十分之一。不過，與芯部和殼體所用材料 的特性有關(guān)的這些參數(shù)之間的適當(dāng)關(guān)系的推導(dǎo)會(huì)是本領(lǐng)域技術(shù)人員很容 易了解的。可將透射過反射器殼體的波與內(nèi)部聚焦的波合成的原理應(yīng)用在所述 裝置的設(shè)計(jì)中，從而可使來自該裝置的增強(qiáng)的反射聲信號(hào)輸出具有一個(gè) 或多個(gè)高度可識(shí)別的特征。例如，可將信號(hào)輸出設(shè)置成具有特征性的時(shí) 間標(biāo)志或者特征性的頻譜內(nèi)容。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整用于檢測(cè)聲信號(hào)輸出的聲納使其識(shí)別輸出中的特征 性特征，則可更容易地將來自本發(fā)明反射器的信號(hào)與背景雜波和來自所 采用的聲納檢測(cè)器的視野內(nèi)的其它(錯(cuò)誤)目標(biāo)的回波區(qū)別開。


以下參照附圖以實(shí)施例的方式描述本發(fā)明，在附圖中.-圖l是根據(jù)本發(fā)明的聲反射器的截面的示意圖；和圖2是表示對(duì)于聲反射器的殼體和芯部材料的不同組合，頻率與目
標(biāo)強(qiáng)度的曲線圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1，聲反射器IO包括球形殼體12，該球形殼體12具有壁14。 該壁14圍繞芯部16。殼體12由諸如玻璃增強(qiáng)塑料(GRP)材料或鋼的剛性材料制成。芯 部16由諸如彈性體的固體材料制成。聲反射器適用的頻率或頻率范圍取 決于形成殼體和芯部的材料的預(yù)定組合以及殼體和芯部的相對(duì)尺寸。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，可使用其它材料的組合，只要根據(jù) 所用材料的聲波傳播特性來確定殼體和芯部的相對(duì)尺寸即可。從聲源(未示出)發(fā)射的入射聲波18入射在殼體12上。在入射角 較大的情況下，大部分聲波18穿過殼體的壁14而透射到芯部16中。當(dāng) 聲波18穿過芯部16傳播時(shí)，其被折射從而聚焦到殼體的相對(duì)側(cè)20上， 聲波18從該相對(duì)側(cè)20沿相同路徑作為反射聲信號(hào)輸出22反射回來。然 而，在入射角較小的情況下，在殼體的耦合區(qū)域24 (即，在相對(duì)于殼體 的充分小的角度處)，入射波18的一部分耦合到壁14內(nèi)而形成在壁14 內(nèi)繞殼體12的周邊被引導(dǎo)的殼波26。將形成殼體12和芯部16的材料以及殼體和芯部的相對(duì)尺寸預(yù)先設(shè) 定成使得殼波26的傳播時(shí)間與幾何聚焦后的內(nèi)部回波(即，反射聲信號(hào) 輸出22)的傳播時(shí)間相同。因此，重新發(fā)射到流體中的殼波成分和反射 聲信號(hào)輸出成分彼此同相，因此在所需的頻率下相長(zhǎng)地合成，從而提供 增強(qiáng)的反射聲信號(hào)輸出(即，高目標(biāo)強(qiáng)度)。也就是說，對(duì)于球形聲反射 器來說，殼體的周長(zhǎng)即為波程長(zhǎng)度，因此必須根據(jù)殼體和芯部的相應(yīng)傳 播速度特性來設(shè)定殼體周長(zhǎng)的尺寸，使得在殼體中形成諧振駐波，該諧 振駐波與反射聲信號(hào)輸出同相從而與其相長(zhǎng)地合成。圖2提供了通過數(shù)值模型獲得的數(shù)據(jù)，包括對(duì)根據(jù)本發(fā)明的具有硅 酮芯部(半徑為100mm) /GRP殼體(11.7mm厚的殼體)的球形聲反射 器的目標(biāo)強(qiáng)度(TS)繪制的入射聲波的頻率(F)，該數(shù)據(jù)在曲線圖以菱 形表示。
類似獲得的根據(jù)本發(fā)明的具有硅酮芯部(半徑為100mm) /鋼殼體 (11.7mm厚的殼體)的球形聲反射器的數(shù)據(jù)在同一曲線圖上以圓形表 示。在圖2的曲線圖中，可以將上述結(jié)果與從具有液態(tài)氯氟烴(CFC) / 鋼殼體(1.3mm厚的殼體)的公知組合的球形聲反射器的數(shù)值模型獲得 的數(shù)據(jù)(在該曲線圖上以星號(hào)表示)、以及從空氣芯部/鋼殼體的參考組合 的球形聲反射器的數(shù)值模型獲得的數(shù)據(jù)(在該曲線圖上以十字表示)進(jìn) 行對(duì)比。從曲線圖上可看出，硅酮芯部和GRP殼體的聲反射器(菱形圖案) 在大約120kHz和150kHz之間以及大約185kHz和200kHz之間的頻率范 圍內(nèi)具有目標(biāo)強(qiáng)度相對(duì)較高的峰值。硅酮芯部/鋼殼體的聲反射器(圓形圖案)在大約160kHz和180kHz 之間以及大約185kHz和200kHz之間的頻率下具有目標(biāo)強(qiáng)度相對(duì)較高的 峰值。還應(yīng)注意到，在所提到的這些頻率處，公知的液態(tài)CFC芯部/鋼殼體 的聲反射器(星形圖案)的目標(biāo)強(qiáng)度明顯較小，并且傾向于隨頻率的增 大而減小。除了由被認(rèn)為對(duì)環(huán)境沒有危害的容許材料形成并且制造起來相對(duì)容 易且廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)之外，本發(fā)明還有利地提供了一種聲反射器，其相對(duì)于 公知聲反射器來說，在100kHz以下具有相當(dāng)?shù)哪繕?biāo)強(qiáng)度，而在100kHz 以上具有增強(qiáng)的目標(biāo)強(qiáng)度。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清楚，可使用固體芯部和剛性殼體材料的不同組 合，只要它們的尺寸設(shè)定成能夠提供與反射聲信號(hào)輸出同相進(jìn)而與該反 射聲信號(hào)輸出相長(zhǎng)地合成的殼波即可。
權(quán)利要求
1、一種聲反射器，該聲反射器包括殼體，所述殼體具有壁，所述壁布置成圍繞芯部，所述殼體能夠使入射在該殼體上的聲波透射到所述芯部中以進(jìn)行聚焦，并從所述殼體的與該聲波入射的區(qū)域相對(duì)的區(qū)域反射所述聲波，從而從該反射器提供反射聲信號(hào)輸出，該聲反射器的特征在于所述芯部呈球體或正圓柱體形式，并由一層或更多層的波速為840至1500ms-1的固體材料的同心層形成；并且相對(duì)于所述芯部來確定所述殼體的尺寸，以使得入射到該殼體上的聲波的一部分耦合到該殼體的壁內(nèi)并在該壁內(nèi)繞該殼體的周邊被引導(dǎo)，然后重新發(fā)射以與所述反射聲信號(hào)輸出相長(zhǎng)地合成，從而提供增強(qiáng)的反射聲信號(hào)輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲反射器，其中，所述芯部由波速介于 850ms"和1300ms"之間的單一固體材料形成。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的聲反射器，其中，所述芯部由彈性體 材料形成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲反射器，其中，所述彈性體材料為硅酮。
5、 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲反射器，其中，所述殼體由 剛性材料形成。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲反射器，其中，所述剛性材料為玻璃增 強(qiáng)塑料(GRP)材料。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的聲反射器，其中，所述剛性材料為鋼。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲反射器，其中，所述剛性材料是填有玻 璃的尼龍。
9，根據(jù)權(quán)利要求2至8中任一項(xiàng)所述的聲反射器，其中，所述芯部 包括適于增強(qiáng)透射到所述芯部?jī)?nèi)的聲波聚焦的一種或多種其它材料。
10、 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的聲反射器，其中，所述增強(qiáng) 的反射聲信號(hào)輸出的特性足以提供與相同聲波的其它反射器的區(qū)別。
11、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲反射器，其中，所述信號(hào)輸出的特征 在于特定的時(shí)間標(biāo)記。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的聲反射器，其中，所述信號(hào)輸出的特征 在于其頻譜內(nèi)容。
13、 一種聲反射器，該聲反射器包括限定了外殼的殼體部件以及充 滿所述外殼的芯部部件，其中所述殼體部件適合使入射到該殼體部件上 的聲波透射到所述芯部中以進(jìn)行聚焦，并從所述殼體的與該聲波入射的 區(qū)域相對(duì)的區(qū)域反射，從而從該反射器提供反射聲信號(hào)輸出，該聲反射器的特征在于所述芯部呈球體或正圓柱體形式，并由一層或更多層的波速為840至1500ms"的固體材料的同心層形成；并且相對(duì)于所述芯部來確定所述殼體部件的尺寸，以使得入射到該殼體部件上 的聲波的一部分耦合到該殼體部件內(nèi)并繞該殼體部件的周邊傳送，然后 重新發(fā)射以與所述反射聲信號(hào)輸出相長(zhǎng)地合成，從而提供增強(qiáng)的反射聲 信號(hào)輸出。
14、 一種大致如本文參照附圖所述且如附圖所示的聲反射器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種聲反射器(10)。該聲反射器適于用作導(dǎo)航設(shè)備的反射目標(biāo)，并用于定位和重定位用途。該聲反射器包括殼體(12)，該殼體布置成圍繞固體芯部(16)。該殼體適于使入射在其上的聲波(18)透射到芯部(16)內(nèi)。在該芯部?jī)?nèi)，聲波在從殼體(20)的相對(duì)側(cè)反射從而提供反射聲波之前聚焦。入射在殼體上的聲波的一部分(26)耦合到殼體的壁內(nèi)，并在該壁內(nèi)且繞其周邊被引導(dǎo)，之后重新發(fā)射并與所述反射聲波相長(zhǎng)地合成，從而提供增強(qiáng)的反射聲波。
文檔編號(hào)G10K11/28GK101103392SQ200680002343
公開日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2006年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月14日
發(fā)明者大衛(wèi)·埃默里, 約翰·達(dá)恩·史密斯, 鄧肯·保羅·威廉姆斯 申請(qǐng)人:英國(guó)國(guó)防部