Способ глушения подводного звука, судно, снабженное устройством для глушения звука

 

Способ глушения подводного звука от судна, приводимого в движение одним или несколькими винтами, заключающийся во вдувании воздуха и/или другого газа в струю (и) от винта так, что турбулентность струи (й) от винта вызывает перемешивание воздуха и/или другого газа и воды и дробление пузырьков газа. Большинство пузырьков газа в воде имеет диаметр от 1 до 20 мм, крупные пузырьки - порядка 100 мм. Резонансный размер наиболее крупных глушащих звук пузырьков примерно соответствует нижнему пределу нужной частоты глушения. Соотношение объема газа, подаваемого в воду и объема струи воды, созданной винтовым устройством, составляет 0,05 - 1,5%. Газ вдувают в воду таким образом, что зона газовых пузырьков почти полностью окружает подводную часть корпуса судна. Мощность, затрачиваемая на образование пузырьков газа, составляет 1 - 7% тяговой мощности судна. Позади судна значительное количество пузырьков газа существует на расстоянии 80 м от судна. Изобретение относится также к судну, которое снабжено оборудованием для глушения подводного звука посредством вдувания пузырьков воздуха и/или другого газа в струю от винта. В результате можно получить пузырьковую зону подходящей формы, не нуждаясь в сложных приспособлениях. 2 с. и 7 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к способу, предназначенному для глушения подводного звука, производимого судном, а также к судну, оборудованному устройством для глушения подводного звука.

При выполнении в море сейсмических измерений плавучие акустические измерительные устройства буксируют судном.

Однако шум, производимый судном, может серьезно нарушить работу измерительных устройств. Для того чтобы избежать этого, необходимо принять меры или для того чтобы заглушить звук, производимый судном, тянущим измерительные устройства на буксире, или направить звук в стороны, так чтобы он не мог нарушить хода измерительных операций.

Из патента US-A-3084651 известно использование пузырьковой зоны в воде для глушения распространения звука в воде и/или изменения направления его распространения. В описании к этому аналогу указано, что более ранние попытки использования воздушно-пузырьковой зоны для указанных выше целей были неудачными из-за того, что образуемые воздушные пузырьки были слишком большими, а сливаясь вместе, образовывали пузырьки еще больших размеров, которые слишком быстро поднимались к поверхности воды. Согласно указаниям US-A-3084651, воздух следует смешивать с потоком жидкости в трубе, так чтобы получить водно-воздушную смесь, которую можно было бы вдувать в воду, окружающую судно. Однако этот способ трудно применим, поскольку требует наружного размещения на судне труб для смешивания воды и воздуха.

Целью настоящего изобретения является решение более простым образом проблем, связанных с образованием зоны воздушных или газовых пузырьков, так чтобы можно было получить пузырьки подходящих размеров, а также пузырьковую зону подходящей формы, не нуждаясь для этого в сложных приспособлениях.

Согласно настоящему изобретению этой цели достигают способом, заявленным в приведенном ниже пункте 1.

Путем вдувания воздуха или другого газа в воду в струе от винта судна, турбулентность, скорость и величина расхода которой для различных условий работы точно известны, причем турбулентность струи от винта используется для дробления образованных газовых пузырьков на мелкие пузырьки и для их эффективного перемешивания с водой. Таким образом количество и размеры пузырьков можно легко отрегулировать в соответствии с требованиями.

Для того, чтобы добиться эффективного глушения звука, нужно, чтобы большое количество пузырьков, образованных в воде, имели диаметр от 1 до 20 мм. Такие мелкие пузырьки не поднимаются быстро к поверхности воды, но остаются подвешенными в воде в пределах относительно большей зоны, обычно распространяющейся на расстоянии 100 м и более от судна. С точки зрения эффективного глушения звука пузырьковая зона должна предпочтительно включать достаточное количество значительно более крупных пузырьков диаметром около 100 мм. Такие большие пузырьки получаются путем вдувания газа (воздуха и/или другого газа) в воду через большие сопла или в граничной зоне струя от винта или в районе вне пределов струи от винта.

Регулирование количества газа или воздуха, вдуваемого в воду до получения подходящего значения, осуществляется путем соотношения его с расходом воды в струе от винта. Поскольку характеристики винта, такие как его диаметр, шаг и количество оборотов при различных ситуациях, известны, расход воды в струе за винтом можно легко рассчитать. В предпочтительном варианте реализации изобретения воздух или иной газ вдувают в воду таким образом, что количество газа составляет от 0.05 до 1.5%, предпочтительно от 0,1 до 1% от расхода воды в винте. Объем воздуха или газа в этом контексте рассчитывают при стандартных температуре и давлении, то есть при нормальном атмосферном давлении и температуре 0^oC.

Большинство шумов, создаваемых морскими суднами, имеет частоту порядка 100 Гц. Пузырек глушит звук в воде, если частота звука близка к резонансной частоте пузырька. Резонансная частота газовых пузырьков, образованных в воде, зависит от размеров пузырьков. Более крупные пузырьки имеют меньшую резонансную частоту по сравнению с мелкими пузырьками. Для глушения шума с частотой порядка 100 Гц требуются газовые пузырьки с диаметром по меньшей мере около 100 мм. Поэтому размеры образованных больших пузырьков должны регулироваться таким образом, чтобы их так называемый резонансный размер приблизительно соответствовал нужной частоте глушения. Необходим определенный диапазон размеров пузырьков для обеспечения эффективного глушения определенного диапазона частот шумового спектра типичного морского судна. Резонансный размер пузырьков газа на различных глубинах можно рассчитывать с помощью известных методов. Поскольку спектр частот звука, создаваемого судном, может варьироваться в широких пределах от судна к судну, нужная частота глушения может различаться в различных случаях. Более мелкие пузырьки создают препятствие распространению звука иным путем. Скорость распространения звука в воде будет значительно меняться при присутствии в воде большого количества мелких пузырьков. Направление распространения звука меняется и единая звуковая волна дробится в зоне пузырьков.

Наиболее эффективное глушение звука достигается путем размещения ходового винта или винтов судна ближе к носовой части судна и путем вдувания газа в воду непосредственно за каждым винтом. Это создает зону газовых пузырьков, окружающую по существу всю подводную часть корпуса судна, образуя таким образом пузырьковую зону глушения звука вокруг всех подводных источников звука на судне.

Способ, являющийся предметом настоящего изобретения, на практике наиболее часто применяется на судах с тяговой мощностью от приблизительно 1000 кВт до приблизительно 10000 кВт, но может быть применен и на гораздо больших судах, например, на ледоколах с тяговой мощностью более 10000 кВт. Мощность, требующаяся для образования пузырьковой зоны, обычно составляет всего около 1 - 7%, обычно от 2 до 5% тяговой мощности судна.

Мелкие пузырьки остаются в воде гораздо дольше чем большие пузырьки. Поэтому при применении изобретения важно, чтобы в воде образовалось достаточное количество таких мелких пузырьков, остающихся взвешенными в воде в течение относительно длительного времени. Значительное количество этих пузырьков должно присутствовать в воде на расстоянии 80 м от судна. При сейсмических измерениях измерительное устройство обычно находится от буксирующего судна на расстоянии порядка 300 м или более.

Размеры отверстия и давление, под которым газ вдувают в воду, зависит от требующегося объема воздуха, глубины расположения отверстия, распределения частот звука, который требуется глушить, и других факторов. Давление газа должно превышать гидростатическое давление вне отверстия, а разница между давлением газа и гидростатическим давлением определяет объемный расход при вдувании газа в воду. Очень высоких скоростей продувки следует избегать, так как они вызывают шум.

Другие аспекты изобретения относятся к судну, в особенности к буксирному исследовательскому судну, имеющему оборудование для применения способа согласно изобретению.

Варианты реализации изобретения представлены в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых: на фиг. 1 схематически проиллюстрировано применение способа, являющегося предметом настоящего изобретения, на исследовательском судне, буксирующем сейсмические измерительные устройства; на фиг. 2 схематически показан вид спереди судна на фиг. 1; на фиг. 3 - то же, вид сбоку судна на фиг. 1; на фиг. 4 схематически показан вид сбоку носовой части буксирного судна согласно предпочтительному варианту реализации изобретения.

На чертежах позицией 1 обозначено буксирующее исследовательское судно, тянущее несколько сейсмических измерительных устройств 3. Длина устройств 3 может превышать 1000 м и они могут включать акустический измерительный прибор, который должен быть защищен от звука, производимого судном 1 при перемещении по воде. Для достижения этой цели позади судна образуется зона воздушных пузырьков 2, которая частично глушит звук, производимый судном 1, и частично дробит звук, распространяющийся в воде. На фиг. 1 и 3 звуковые волны схематически показаны дуговыми линиями 4.

Судно имеет один или несколько винтов 5, привод которых осуществляется от двигателя(лей) судна (не показаны). Вращение винта(ов) образут струи за винтом, т. е. потоки воды, направленные в основном горизонтально и в направлении назад от судна и служащие для перемещения судна вперед. Струи за винтом сильно турбулентны.

Звуковая волна распространяется в воде со скоростью около 1500 м/с. В пузырьковой зоне при доле газа в смеси с водой около 0,03% скорость звука в воде падает до величины приблизительно 500 м/с. Если доля газа выше, например около 0,1%, скорость составляет всего около 300 м/сек. Снижение скорости распространения звука в зоне газовых пузырьков вызывает изменение направления распространения звука, причем направление распространения меняется тем больше, чем выше или больше эффект замедления. Кроме того, зона пузырьков неоднородна, и участки с высокой долей газа в смеси с водой перемежаются с участками с более низкой долей газа. Поэтому направление распространения звука постоянно меняется беспорядочным образом. Таким образом звук рассеивается и позади пузырьковой зоны образуется "теневая зона" звука.

В случае, показанном на чертежах, пузырьковая зона 2 образуется путем вдувания воздуха в воду в струе или струях от винта судна 1 (т.е. в перемещение воды, вызванное вращением каждого винта), так что турбулентность струи от каждого винта дробит и разделяет пузырьки воздуха и образует водно-воздушную смесь, включающую большое количество мелких пузырьков воздуха диаметром от 1 до 20 мм. Эти мелкие пузырьки вызывают преломление направления распространения звуковых волн, производимых судном. В пузырьковой зоне 2 предпочтительно должно также быть значительное количество относительно крупных пузырьков воздуха диаметром приблизительно 100 мм или более. Поскольку эти более крупные пузырьки довольно быстро поднимаются к поверхности воды, они появляются главным образом на участке 2a пузырьковой зоны, наиболее близком к судну 1.

На фиг. 1 и 3 показан вертикальный разрез 2b пузырьковой зоны 2 на расстоянии L в 80 м от винта(ов) 5 буксирующего судна 1. В обозначенной плоскости 2b вода должна все еще включать значительное количество пузырьков газа. Поскольку звук, производимый судном, не может проходить сквозь зону газовых пузырьков или по крайней мере в значительной степени не пропускается через эту зону, позади пузырьковой зоны образуется "теневая зона" для звука. Из-за значительных вертикальных и горизонтальных размеров пузырьковой зоны теневая зона звука увеличивается по глубине и ширине в направлении от буксирующего судна.

На фиг.4 показан предпочтительный вариант реализации настоящего изобретения, при котором источник тяги буксирующего судна 1 имеет форму двух винтов 5 в носовой части судна. Виден только один винт 5, а другой занимает аналогичное положение с противоположной стороны судна. В кожухе подшипника 6 вала винта, а также непосредственно выше и ниже кожуха подшипника расположен ряд отверстий 7 для продувки воздуха. Через эти отверстия 7 воздух, вдуваемый в воду, поступает в струи от винтов 5, в которых пузырьки перемешиваются с водой и относятся назад, образуя пузырьковую зону 2c, окружающую почти полностью подводную часть корпуса судна 1. Таким образом достигается наилучшее глушение звука. Диаметр каждого из отверстий для продувки воздуха 7 составляет около 100 мм. Поскольку некоторые из отверстий 7 расположены в граничной области водяных струй от винтов 5, довольно большие пузырьки, выходящие из них, не легко дробятся струей от винта. Это означает, что в струях от винтов остается довольно значительное количество более крупных пузырьков.

На проиллюстрированном варианте реализации изобретения воздух подают в воду в количестве приблизительно 0,5% от расхода воды в струях от винтов 5. Мощность, затрачиваемая на образование пузырьков, составляет всего около 3% от тяговой мощности судна 1. Вместо образования воздушных пузырьков для создания пузырьковой зоны можно использовать другой газ или смесь воздуха с другим газом или газами.

В случае, показанном на фиг. 1 - 3, воздух может вдуваться в воду, например, через руль 8 судна 1 или через его вал, или через опорную конструкцию 9 для нижней части руля под винтом 5.

Изобретение не ограничивается описанным вариантами реализации, но возможны несколько вариантов, включая варианты, имеющие особенности, эквивалентные, но необязательно точно совпадающие с особенностями, приведенными в любом из пунктов формулы изобретения. Например, хотя изобретение в особенности применимо к суднам с гребным винтом, подразумевается, что термины "винт" и "винтовое устройство", применяемые в настоящем описании и формуле изобретения, охватывают также другие типы винтов, такие, например, как крыльчатый двигатель Фойта-Шнейдера.

Формула изобретения

1. Способ глушения подводного звука, производимого судном (1), движимым винтовым устройством (5), которое создает струю или струи от винта в воде, отличающийся тем, что воздух и/или другой газ вдувают в струи или по меньшей мере одну из струй от винтовых устройств (5) в непосредственной близости и/или позади от винтового устройства (5), так что турбулентность струи от винта вызывает сильное перемешивание воздуха и/или другого газа и воды и дробление пузырьков газа так, что большая часть пузырьков газа в смеси газа и воды (2) позади судна (1) имеет диаметр 1 - 20 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что воздух и/или другой газ вдувают в воду также или в граничной области, или вне пределов струи от винта, так что в смеси газа и воды образуются более крупные пузырьки газа (2а) диаметром более 20мм, которые не дробятся струей от винта на менее крупные пузырьки диаметром менее 20мм.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что более крупные пузырьки газа имеют диаметр порядка 100 мм.

4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что размер большинства крупных пузырьков газа (2а), образованных в воде, регулируют под нужный диапазон частот глушения, так что резонансный размер наиболее крупных глушащих звук пузырьков примерно соответствует нижнему пределу нужной частоты глушения.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что воздух и/или другой газ вдувают в воду таким образом, что соотношение объема воздуха и/или другого газа, подаваемого в воду, и объема струи воды, созданной винтовым устройством (5), составляет 0,05 - 1,5% и предпочтительно 0,1 - 1%.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что судно является буксирным судном, в котором указанное винтовое устройство представлено винтом или винтами в носовой части судна, а воздух и/или другой газ вдувают в воду таким образом, что зона газовых пузырьков почти полностью окружает подводную часть корпуса судна.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что мощность, затрачиваемая на образование пузырьков газа, составляет 1 - 7%, предпочтительно 2 - 5% тяговой мощности судна (1).

8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что размеры пузырьков газа регулируют таким образом, что позади судна (1) значительное количество пузырьков газа существует даже на расстоянии 80 м от судна.

9. Судно, в особенности буксирное исследовательское судно, отличающееся тем, что оно включает оборудование, реализующее способ согласно любому из предыдущих пунктов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4