本公開涉及使用具有其中包含共振氣體體積的腔的浸沒板對由航海船舶和其他自然或人造的水中的聲源所生成的噪聲的消減。

相關申請

本申請要求在2013年9月24日遞交的標題為“使用被捕獲在浸沒物體上的窩(pocket)中的氣體來減小水下噪聲”的美國臨時申請61/881,740的權益和優先權，該美國臨時申請61/881,740通過引用被并入本文。

背景

由于由船只所生成的噪聲，在環境敏感的或高度管控的地區中運行的船只在它們可以運行的方式和時間上是被限制的。這發生在油田和氣田中，其中由于噪聲對北極地區的遷徙的弓頭鯨可以具有的影響，來自移動鉆井船只的噪聲限制鉆井時間。當弓頭鯨被觀測到時，運行可能被停止直到弓頭鯨已經安全地通過，并且這種過程可以花費許多個小時。

此外，對于行船噪聲對海生哺乳動物所具有的影響存在增長的關注。一些研究顯示行船噪聲對鯨的應激激素水平會有顯著影響，這可能影響它們的繁殖率等。

減小來自表面船只的噪聲發射的已知嘗試包括所謂的氣泡幕噪音抑制(Prairie Masker)的使用，氣泡幕噪音抑制使用產生小的自由上升氣泡的多束軟管來減輕船只的噪聲。然而，小的自由上升氣泡通常太小而不能有效減弱低頻率噪聲。此外，氣泡幕噪音抑制系統要求通過系統的空氣的連續泵送，該過程本身就產生有害噪聲的，而且還消耗能量并且需要昂貴和對于船只的其他操作而言笨重的復雜氣體循環系統。最后，由于遞送(例如，泵送)足夠量的空氣到足夠的深度的挑戰，這樣的系統不能在大深度處有效率地運行。

對逼近或理解液體中氣體窩(例如，水中的空氣窩或氣泡或封閉體)的聲音效果有用的一個原則是液體中球形氣體泡的行為。氣體泡的物理特征是相對眾所周知的并且已經理論性地、實驗性地以及數字性地被研究。

圖1圖示說明液體(例如，水)中的氣體(例如，空氣)泡。由圖1呈現的用于研究氣體泡的響應的一個模型10是將半徑“a”的氣泡模擬為彈簧系統上的質量。有效質量是“m”，并且彈簧被模擬為具有有效彈簧常量“k”。氣泡的半徑將隨著在其壁上所感知的壓力而變化，引起氣泡隨著其中的氣體被壓縮和膨脹而改變尺寸。在一些情況中，氣泡可以以某些共振頻率振動或共振，類同于彈簧系統上的質量如何可以根據廣義的胡克定律以由所述質量、彈簧常量和氣泡尺寸所確定的自然頻率共振。

由液體所封閉的氣體體積的移動一般可以吸收外界的水下聲音或環境中的聲音。這些現象已經被其他人和本發明人研究并且為各種目的而被利用。例如，美國專利8,636,101和類似的工作是針對于通過綁縛于水下索具的密封空氣囊系統的聲能散射和衰減。美國專利7,905,323和類似的工作是針對于研究用于氣體填充腔中的聲能吸收的機械裝置，一般是為了影響一空間的聲音。美國專利7,126,875和美國專利6,571,906以及類似的工作是針對于從浸沒在水下的氣泡產生裝置生成聲音衰減氣泡云。而美國專利6,567,341是針對于關于氣體注入系統的興起，所述氣體注入系統形成放置在水生噪聲源周圍的氣體泡來減小來自噪聲源的噪聲的傳遞。

以上系統類型中的每個均意圖引起聲阻抗不匹配或引起氣體泡或氣泡云或氣體填充球上的共振，以便吸收和/或散射存在在氣泡或氣球附近的聲音噪聲能量。這些系統的機械機構一般依靠泡對水的界面來提供如以上所描述的共振器，以便減弱聲能。以上系統中的每個具有給定的有效性和實用性，這可以是適合于一些應用的并且可以保留對于該領域中系統設計者可獲得的選項。

技術實現要素：

在水中的物體之下或周圍的窩中被捕獲的氣體將用作赫姆霍茲共振器并且因此工作來以與共振泡大致相同的方式消減噪聲。為了給出這將如何在船只上工作的實施例，具有半球形或圓筒形的腔的板可以被附接于船只的外殼，并且在被浸沒時，窩可以經由外部機械裝置或內部歧管系統被氣體填充，或者空氣可以自其在水之外時起被捕獲。這些窩的特性將被選擇，以致被捕獲在每個窩之內的氣體以我們希望減弱的頻率或接近的頻率共振，因此將其功效最大化。

所述系統是可定制的并且可以將噪聲減弱到所期望的量。所述系統還可以針對特別響的具體目標頻率被生產。

本系統可以允許操作者工作更長的時間段并且可以在以前由于噪聲管控不可到達的區域工作。因為每個氣體腔被建立以致內部所捕獲的氣體將最大化地減小目標水下噪聲，本系統還在減小噪聲方面比現有技術更加有效率得多。此外，本系統也不需要能源或昂貴的支撐設施。

實施方案是針對于用于減小水下噪聲的系統，所述系統包括固體板，所述固體板在所述板上的任何給定部位具有厚度并且具有所述板的兩個一般地相對的面；多個共振器腔，所述多個共振器腔被限定在所述板之內；每個共振器腔具有封閉端和開放端，所述封閉端在所述板之內，所述共振器腔的內部通過所述開放端與所述板的周圍流體連通；每個共振器腔進一步限定由所述板之內的所述共振器腔的幾何結構所描述的體積；并且每個共振器腔被配置和布置在所述板之內，以便使得所述共振器腔的所述體積的至少一部分高于所述開放端被設置，以便能夠將一些氣體捕獲在所述共振器腔之內。

另一個實施方案是針對于用于減小水下噪聲的方法，所述方法包括用第一流體基本上填充赫姆霍茲共振器的腔室；以及將所述共振器浸沒在不同于所述第一流體的第二流體中，以便在鄰近于所述共振器的開口的所述第一流體和第二流體之間創建二流體界面。創建二流體界面的共振器可以被復制來作出多共振器布置，并且鄰近于我們希望在其位置處減小噪聲的感興趣的目標(比如噪聲生成物體或噪聲敏感物體)布置所述被浸沒的共振器中的一個或更多個。

附圖簡要說明

為了對于本發明的性質和優勢的更充分的理解，對圖示說明本發明的示例性方面和實施方案的附圖作出參照，其中：

圖1示出根據現有技術的液體中的共振氣體泡的基本模型；

圖2圖示說明共振器的米納爾特響應和赫姆霍茲響應的示例性示圖；

圖3圖示說明鐘形共振器腔室的示例性立體圖；

圖4-6圖示說明具有形成在其中的多個共振器腔的噪聲消減板的各種實施方案；

圖7圖示說明針對作為噪聲減少板系統中共振器腔的垂直定位的函數的聲壓減小的模擬性能曲線。

圖8圖示說明被牽引的噪聲減小板；

圖9圖示說明具有各種形狀的共振器腔的噪聲減小板的橫截面；

圖10圖示說明具有共振器腔并且示出覆蓋層的噪聲減小板的橫截面，所述共振器腔具有減小尺寸的頸部，所述覆蓋層具有在共振器的開放端處覆蓋共振器的開口處的部分可滲透的格柵；以及

圖11圖示說明用于在本文中使用的赫姆霍茲共振器(赫姆霍茲共振器一般存留第一流體并且被浸入第二流體中)。

詳細說明

被捕獲在水中物體之下或周圍的窩中的氣體將用作赫姆霍茲共振器，并且因此工作來以與共振泡大致相同的方式消減噪聲。

為在腔中引起共振來吸收聲能的目的，空氣腔可以以若干方式被實現。圖2圖示說明了由本發明人模擬的結果20，借此，水中空氣腔的共振頻率200被繪示為所述腔中空氣210的體積的函數。在水下的、空氣填充的赫姆霍茲共振器的理想化共振頻率220由以下給出：

${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{{\mathrm{\γP}}_0}{\mathrm{\ρ}l}\frac{S}{{\mathrm{VL}}^{\′}}$

其中γ是共振器內空氣的比熱比，ρ_l是共振器外液體的密度，P₀是在共振器的部位處的流體靜壓，S是共振器的開口的橫截面面積。V是共振器內的空氣的體積，并且L′是共振器的有效頸部長度。所述頻率在此以弧度每秒的單位被給出。水中空氣泡的理想化共振頻率230(或米納爾特頻率)由以下給出：

${\mathrm{\ω}}_0^2=\frac{3{\mathrm{\γP}}_0}{{\mathrm{\ρla}}^2}$

其中a是球形氣體泡的半徑。所述頻率在此以弧度每秒的單位被給出。

圖3圖示說明具有開放端的示例性實驗不銹鋼圓筒共振器30以及浸沒在水下的裝置，空氣可以被捕獲進入開放端。圖3(A)圖示說明開放端部的鋼或黃銅共振器30的立體圖。共振器具有一般形成鈴形本體的基本上圓筒形的本體或殼300以及封閉端302和開放端304。本體300具有如在具有壁厚度305的端部視圖圖3(B)中所示出的厚度。吊架或柄、鉤或吊孔310可以被使用來支撐共振器的重量，比如通過將共振器30懸掛在水下。整體的共振器30由比它要被使用在其中的液體(例如，海水)更重的材料(例如，比如黃銅、鋅或鋼的金屬材料)構成。甚至當一體積的氣體(例如，空氣)被捕獲在共振器本體300的內部體積內提供一些浮力時，由于重力對金屬本體300的重結構向下的牽拉，整體的物體仍將下沉或保持浸沒，這也將作用來穩定物體并且保持其直立，以致共振器的軸(a-a)一般與作用在物體上的重力矢量對準。因此在使用期間，被捕獲在共振器30的本體300中的空氣將不逃逸出面向下的開放端304。反之，空氣-水界面將被限定在鈴形殼體300的開放端304處或在其附近。這一空氣-水界面將用作經受在共振器30附近的任何聲力的區域，并且可以用作赫姆霍茲共振器來吸收、衰減、減輕或一般地減小一些或許多聲能頻率部件的影響，所述聲能頻率部件在圍繞被浸沒的共振器30的液體中。

現在我們轉向浸沒在周圍的液體(例如海水，但不限于此)中的包含氣體(例如空氣，但不限于空氣)的赫姆霍茲共振器。此外，我們將檢測聲音減弱系統，所述聲音減弱系統在適應于給定應用的形狀的板中包括多個這樣的共振器。

接下來的圖圖示說明其中所采取的具有多個間隔的凹陷、窩或其他容積腔的示例性板。容積腔可以是適合給定應用的幾乎任何尺寸或形狀。所述板可以發揮其他功能。例如，所述板可以是本質上結構性的并且是引起或鄰近于感興趣的聲音噪聲源的船舶、平臺或其他工業、軍事或娛樂設備的設計的一部分。

圖4圖示說明聲音減小板40的示例性實施方案。所述板包括基本上固態、剛性或接近剛性的具有有限厚度的板壁400。板壁包括或者被成形或形成來包括多個在其中的共振器腔410。取決于應用，板40可以有簡單的構造并且不具有移動的部分，并且板40可以是非常耐用和容易使用的。使用者將通過將板40放置在開放空氣中或通過將空氣泵送或注入到腔410中二者之一來允許氣體(例如，空氣)填充共振器腔410。然后，所述設備可以通過將設備降低，或將該設備作為其一部分或所附接于的船舶降低而被放置進入液體環境(例如，自然或人工的水體、大洋、大海、湖泊、海港、河流、水庫、水塘等)。空氣將保持被捕獲在腔中，所述腔用作共振器(例如，赫姆霍茲共振器)并且消除或減小板40附近的水下噪聲的水平。

圖5圖示說明包括其中具有多個圓筒腔510的固體板材500的類似板50，板50類似于以上所描述的圖4運行。

圖6圖示說明另一個板，所述板具有多個反向的底部的圓形長頸瓶形狀的腔610。長頸瓶形狀的腔610可以各自具有由本體612限定的主腔以及與腔的本體612的主要部分流體連通的收窄的“頸部”614。

注意在本設計和實施方案中，板(40，50，60)可以是適合于給定應用的幾乎任何形狀。所述板在形狀上也不必需要是平坦的，或者在形狀上是正方形或矩形的，而是說，它們可以在其面上具有一些整體輪廓或三維曲率。此外，在給定板中的共振器腔(410，510，610)不必全部具有相同的形狀或尺寸。板上獨立的共振器腔的尺寸、形狀和部位可以被選擇來適合于給定的應用。所述腔在其對于網格或整齊間距的放置不被限制。例如，兩個不同形狀或尺寸的共振器可以被包括在相同的板設計中來滿足(address)兩個具體的預期噪聲部件。對于實驗性的目的(設計的測試和優化)，球形加速度源可以被放置在具有反向的板的測試罐中，其中腔各自包含被允許響應于聲音激勵的空氣的捕獲體積。

圖7圖示說明針對以上所描述的各自板中的腔的類型的示例性響應，其中所述腔是空氣填充的，并且之后具有捕獲空氣腔的反向的板被浸沒在水測試罐中。圖7將聲壓水平(指示聲音阻尼)示出為描述所述腔深度關于測試罐的中心線深度的“z”的函數。因為流體靜壓隨著增加的深度而增加，除去其他設計因素，共振器的物理特征將通過其深度(z)變化。

圖8圖示說明被牽引的聲音噪聲消減系統80，聲音噪聲消減系統80包括一個或更多個類似于本文所描述的那些板的板800，并且包括在板800中用作捕獲其中的空氣的聲音共振器810，以便在每個共振器或腔810中保有空氣的共振體積并且減小系統80的周邊的及其之外的噪聲發射。獨立共振器腔810可以根據適合于應用的任何設計被構造，包括如在本示例性實施方案中所描述的。支撐線820可以允許在牽引或系鏈配置中對板800的牽引。繩結連接點830可以被耦合于沿方向840施加力的牽引線。因此，系統80可以被使用在水下的移動配置以及固定配置上，或者使用在二者的組合上。如以下將進一步描述的，在實施方案中，系統80的板800可以被連接以便在使用期間是基本上垂直的，并且空氣填充的共振器810可以具有向上轉折的內部腔以便將空氣捕捉于其中。應當注意的是，因為空氣密度小于水，先前所描述的類型的板可以被配置和布置，以致在使用期間，被捕獲在其共振器腔中的空氣由于重力(或浮力)而在腔中保持穩定。

圖9以橫截面圖示說明這樣的共振器的板90中的示例性噪聲消減共振器結構。圖不必被畫成任何規格，但為了澄清系統的配置和操作的目的而被提出。

如在其他實施方案中所提及的，系統90包括固體板結構900，固體板結構900可以是某些厚度和構造密度的板材。一方面，板結構900的板材密度大于板材所要浸沒入的流體(例如，水)的密度。另一方面，板900在一個或更多個部分中使用模具通過澆注或注入可成型的。另一個方面，共振器腔910、920、930、940可以通過機械加工、化學蝕刻等等被形成。

至于共振器腔910、920、930、940，這些共振器腔是相適應的以致在使用期間，當板900被浸沒在液體(例如海水)中時，它們在共振器腔中捕獲一定體積的氣體(例如空氣)。腔910、920、930、940可以在板900在水的表面之上時被預先填充，或者所述腔可以使用比如空氣泵的氣體注入系統被填充，一旦板900在水下，空氣注入系統迫使空氣進入腔910、920、930、940中。所述腔中空氣的體積可以不時地被更新(例如，使用壓力注入或滲透)，以防所述腔中所捕獲空氣中的一些溢出或被溶解在周圍的液體中。

除所述板之內的抬高的體積外，一些共振器腔可以具有自板面的入口，以便當板900如圖9中所示出的被垂直取向(或具有對其定位的垂直提升)時，將一體積的空氣捕獲在其中。腔910、920、930、940被圖示說明為具有各種各樣的橫截面形狀。它們可以是L形的(910)或J形的或鉤狀的，以致它們具有允許在所述腔和圍繞所述板的水體之間聲音連通的頸部。圓筒形或球莖長頸瓶形的腔(920，930)僅為圖示說明而通過實施例的方式被示出，但其他的形狀也是可能的。此外，可以存在通過導管933與周圍的液體流體連通的主空氣填充體積(932)，板900被浸沒在所述周圍液體中。在另一個實施例中，共振器腔可以包括關于所述板的面或關于重力限定的水平平面942以向上傾斜的角度切削的孔或槽940。

所述腔的內部體積的相對高度及其體積是可配置的以適合當下的目的。所述腔可以被認為由其中所捕獲的氣體體積所限定的，所述氣體體積可以變化，并且有時一些液體可以推動其自身進入所述腔的至少一部分。考慮到所述板所在的海洋或海灣或河流中的靜水壓隨著表面以下的深度變化，所述腔的尺寸和/或形狀可以根據它們關于板的面上的水線的位置而變化。這意味著，正如彈簧常量可以根據其周圍的水的密度和深度而改變，所述腔可以被設計來調節由于其所浸沒到的深度而在腔的頸部處所感知的水壓上的改變。

在一些實施方案中，網套或比如金屬屏(例如，銅屏)的其他固體屏可以被放置在所述板的面之上。這可以作用來穩定所述腔中的空氣。這還可以用作散熱器來消除被所述腔的共振體積所吸收的熱能并且改進其性能。圖10以橫截面圖示說明噪聲消減板1000。所述板具有以金屬層1020覆蓋的一個面(具有腔1010的暴露端的面)，金屬層1020包括網狀的或格柵的或穿孔的或流體可滲透的開口1030，開口1030覆蓋共振器腔的開放端1041。在實施方案中，一些共振器腔1010可以被設計來具有相對收縮的通道1012，通道1012可以將共振器腔的開口端1014與所述共振器腔內部氣體填充體積連接。因此圖10圖示說明具有共振器腔并且示出具有部分可滲透的格柵的覆蓋層的噪聲減小板的橫截面，所述共振器腔具有減小尺寸的頸部，所述覆蓋層在所述共振器的開放端處覆蓋其開口。在又一方面，共振器腔的開放端1014可以被設計來具有折邊的末端，共振器腔在所述折邊處對接板1000的面。

本發明不限于在表面或次表面船只和船舶上使用，而是可以被在海洋中鉆井(例如，在鉆井設備或駁船上)的油氣公司、離岸能源生產平臺(例如，渦輪和風力發電機)以及橋梁和碼頭構造或任何其他人造噪聲產生結構和比如疏浚的其他活動使用。

就當前系統的應用而言，技術人員可以制備類似于以上所描述的用于附接到浸沒的結構或船舶的那些板的板。所述板可以包括多個氣體(例如，空氣)腔，其中水環境中的空氣的浮力致使空氣保持在所述腔之內。所述腔可以通過所述板或結構的反向浸沒行為而被填充。可替換地，所述腔可以使用設置在所述腔之下的空氣源主動地被填充，以致來自所述源的空氣可以上升進入所述腔中并且保持在所述腔之內。所述腔可能需要不時地被主動補充。

在一些實施方案中，除空氣外的氣體可以被使用來填充所述腔。腔中氣體的溫度還可以影響其性能和共振頻率，并且因此這也可以在實施方案中被修改。

各種外殼的設計可以容納像本文所描述的那些的分離的板，或者所述外殼可以被制造有預制在其側部的腔。可以被領會的是，本設計對這樣的環境是可應用的，一般比如石油鉆井設備、水下爆破、沖擊測試、離岸風力發電機或來自其他自然或人造的水下聲源的噪聲。

出于噪聲消減和衰減的目的，許多其他設計可以被開發。在其他實施方案中，共振腔可以以液體流體取代氣體流體來填充。例如，如同將要被本領域技術人員所領會的，如果所述系統要在海洋中的極端深度處運行，除水之外具有不同于海水的壓縮性的液體也可以被使用。

圖11圖示說明應用于二流體環境的聲音共振器1100，其中第一流體在圖中由A表征并且第二流體由B表征。僅為圖示說明的目的，二流體環境可以是液體-氣體環境。在更特別的圖示說明的實施例中，所述液體可以是水并且所述氣體可以是空氣。在再更特別的圖示說明的實施例中，所述液體可以是海水(或其他自然水體)并且所述氣體可以是大氣空氣。

共振器1100的環境具有外本體或殼1110，外本體或殼1110具有其中包含流體B的主體積1115。本體1110可以是基本上球形的、圓柱形的或球莖形的。靠近一端的錐形區1112使得本體1110的壁降低到收窄的頸部區段1114。頸部區段1114具有提供開口的嘴部1116，所述開口使得流體A和流體B在頸部區段1114中或其附近的二流體界面1120處與彼此流體連通。在運行中，存在于流體A中的共振器1100外的壓力振動(聲音噪聲)將在共振器的頸部區1114中或其附近被感知。膨脹、收縮、壓力變化和其他流體動力學變量可以引起流體界面如同由虛線1122所圖示說明的在頸部1114的區域之內來回移動。

圖11的共振器因此被配置來允許共振器1100附近的聲能通過赫姆霍茲共振器振動的減小，這取決于若干因素，比如流體A、流體B的成分和第二流體B關于頸部區1114中的流體B和/或流體A的體積、開口1116的橫截面面積以及其他因素。

多個共振器1100可以被設置在水下噪聲源(比如船只或石油鉆機或其他天然或人造的噪聲源)處或其附近。而且，多個共振器1100也可以被設置在將被與外部噪聲源屏蔽的部位(例如，水下)。也就是說，共振器110可以在適合的任何位置以便減輕水下噪聲的影響，包括在靠近噪聲源處和/或靠近將要被與這樣的噪聲屏蔽的區域的噪聲減小裝置中。

一旦閱讀本公開，本領域技術人員將領會本文所提出的理念可以被推廣或特殊化至當下的給定應用。如此，本公開并非意圖被限定于所描述的被給出用于圖示說明目的的示例性實施方案。對這些理念的許多其他類似和等同的實施方案和擴展也可以被包含于此。