BRPI0710282A2

BRPI0710282A2 - sistema e método para gerar e controlar ondas acústicas conduzidas para exploração geofìsica

Info

Publication number: BRPI0710282A2
Application number: BRPI0710282-8A
Authority: BR
Inventors: Larry W Fullerton
Original assignee: Soundblast Technologies Llc
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2007-04-17
Publication date: 2011-08-09
Also published as: MX2008013323A; BRPI0710274A2; WO2008051296A2; WO2008051298A2; EP2008054A2; EP2008054A4; WO2008051297A3; PL2008026T3; RU2442075C2; US20110005420A1; US20110192307A1; CA2649316A1; JP2009533649A; CA2648871A1; US8292022B2; US7886866B2; JP5095724B2; EP2008026B1; US8136624B2; PL2008054T3

Abstract

<B>SISTEMA E MéTODO PARA GERAR E CONTROLAR ONDAS ACúSTICAS CONDUZIDAS PARA EXPLORAçãO GEOFìSICA<D> Um sistema e método aperfeiçoado para gerar e controlar ondas acústicas conduzidas para exploração geofísica são fornecidos. Uma pluralidade de ondas de sobrepressão é gerada por pelo menos um gerador de onda de sobrepressão compreendendo pelo menos um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta. O pelo menos um gerador de onda de sobrepressão é orientado, assim a pluralidade de ondas de sobrepressão não é direcionada diretamente na direção de um meio alvo. A força de recuo do pelo menos um gerador de onda de sobrepressão ocorrendo durante geração da pluralidade de ondas de sobre-pressão é acoplada ao meio alvo para gerar ondas acústicas conduzidas. A sincronização da geração da pluralidade de ondas de sobrepressão pode ser de acordo com um código de sincronização e pode ser usada para direcionar as ondas acústicas conduzidas para uma localização de interesse no meio alvo.

Description

"SISTEMA E MÉTODO PARA GERAR E CONTROLAR ONDAS ACÚSTICASCONDUZIDAS PARA EXPLORAÇÃO GEOFÍSICA"

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica prioridade para o pedido de patente provisório US60/792.420 depositado em 17 de abril de 2006, e para o pedido de patente provisório US60/850.683 depositado em 10 de outubro de 2006, os quais estão incorporados neste do-cumento por meio desta referência. Este pedido também é relacionado a um pedido de pa-tente provisório US depositado concorrentemente em 10 de outubro de 2006, intitulado "ASystem and Method for Generating and Directing Very Loud Sounds".

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito, de uma maneira geral a um sistema e método pa-ra gerar e controlar uma onda de sobrepressão. Mais particularmente, a presente invençãodiz respeito a controlar a detonação de uma mistura combustível-oxidante fluindo dentro deuma estrutura tubular para gerar, direcionar e focalizar uma onda de sobrepressão. A pre-sente invenção também diz respeito a um sistema e método para acoplar a força de recuo,isto é, a força para trás ou reativa produzida pela geração da onda de sobrepressão, a ummeio alvo a fim de produzir uma onda acústica conduzida que possa ser usada para explo-rar ou de outro modo caracterizar uma região de interesse dentro do meio alvo. Mais particu-larmente, a presente invenção também diz respeito a controlar a força de recuo causadapela detonação de uma mistura combustível-oxidante fluindo dentro de uma ou mais estrutu-ras tubulares para gerar e controlar ondas acústicas conduzidas para propósitos de explora-ção geofísica.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Uma onda de sobrepressão é uma pressão de ar transitória, tal como a onda desopro proveniente de uma explosão, a qual é maior do que a pressão atmosférica circundan-te. Tais ondas de sobrepressão se originam no ponto de detonação da explosão e tipicamen-te se propagam para fora do ponto de detonação em todas as direções. Tais explosões tam-bém podem envolver a liberação de calor intenso.

Vários métodos são freqüentemente empregados para fazer com que uma onda desobrepressão seja conduzida em uma direção desejada. Por exemplo, métodos de cargadirecionada podem envolver colocação de um explosivo contra um objeto capaz de susten-tar o sopro (por exemplo, uma grossa estrutura de concreto), de maneira que a energia daexplosão será direcionada para fora do objeto. De forma similar, vários métodos para 'cargasmodeladas' são usados para fazer com que a maior parte da energia de uma explosão sejadirecionada em uma direção desejada. De forma similar, barreiras de sopro tais como pare-des de concreto ou sapatas feitas de terra são freqüentemente usadas para redirecionar aenergia de potenciais explosões para longe de propriedades valiosas tais como edifícios. Apatente Grã-Bretanha GB 1.269.123 descreve detonação de etileno e oxigênio em tubos decombustão e uso da onda de detonação para revestimento, acionamento de um motor aturbina e para propulsão de foguete. As patentes Estados Unidos 4.662.844 e 4.664.631descrevem inflamar misturas de combustível e oxidante dentro de câmaras de combustãopara produzir uma onda de combustão detonante para simular efeitos de armas de fogo. Apatente Estados Unidos 5.864.517 descreve um gerador de onda acústica de combustãopulsada para produzir ondas acústicas que podem ser usadas para incapacitação não letal,dano, ou !mobilização para controlar multidão ou autodefesa; detonação de mina; controlede animais selvagens; limpeza acústica; e disparar avalanches. Estes métodos são similaresem que eles fazem com que uma onda de sobrepressão seja direcionada para fora da ex-tremidade aberta de um tubo de detonação. Como tal, vários métodos existem para direcio-nar ondas de sobrepressão.

É desejável, entretanto, ter um sistema e método aperfeiçoado para gerar e contro-lar ondas de sobrepressão para propósitos úteis.

Ondas de choque sísmico introduzidas no solo são freqüentemente usadas em sis-temas de exploração geofísica. Tais ondas de choque sísmico são tipicamente introduzidas,ou conduzidas, no solo usando explosivos ou um acoplador de vibração. O uso de explosi-vos para tais propósitos é perigoso, caro, e o sopro resultante é difícil de controlar precisa-mente. O transporte de um acoplador de vibração tipicamente exige um caminhão de 5 a 10te ele é demorado para configurar.

A patente Grã-Bretanha 934.749 revela um sistema de gerador acústico e explora-ção sísmica onde uma câmara de combustão de extremidade aberta é usada para gerarpulsos de energia acústica que são direcionados para baixo dentro da água ou do solo e umdetector sísmico é usado para detectar reflexões dos pulsos para avaliação sísmica.

As patentes Estados Unidos 3.235.026 e 4.043.420 descrevem câmaras de detona-ção fechadas fixadas ao solo por meio de placas de fundo onde uma detonação de umamistura oxigênio-combustível-oxidante produz uma onda de choque que aplica um impulsocompressivo contra cada placa de fundo e a superfície da terra na qual ela se apóia inician-do assim uma onda sísmica para a subsuperfície. As patentes revelam formas alternativasde absorvedores de choque que causam uma abertura nas câmaras de detonação para ven-tilar fumaça de exaustão.

A patente Estados Unidos 5.864.517 declara que "pela introdução de ondas de somno solo e gravação das suas reflexões, cientistas podem determinar a composição das sub-camadas da terra" e que um gerador de onda acústica de combustão pulsada "pode gerarondas de som precisas em intervalos exatos para aumentar a quantidade de informação quepode ser ganha" de estudos de exploração geofísica. Esta técnica anterior, entretanto, nãomostra como tais ondas de som precisas em intervalos exatos podem ser geradas.Uma abordagem de exploração geofísica alternativa inventada pelo presente inven-tor e descrita na Patente Estados Unidos 6.360.173 usa um tubo de detonação como umafonte sísmica impulsiva para gerar uma seqüência de formas de ondas monocíclicas detempo codificado que se propagam pelas estruturas e/ou propriedades geofísicas fazendocom que as estruturas e/ou propriedades geofísicas retornem ecos, e um dispositivo de sen-soriamento para detectar dados que são representativos dos ecos.

É desejável ter um sistema e método aperfeiçoado para introduzir energia no soloou em um outro meio para propósitos de exploração.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Resumidamente, a presente invenção é um sistema e método aperfeiçoado paragerar ondas de sobrepressão tendo uma magnitude desejada. Uma mistura combustível-oxidante tendo características de combustão desejadas é introduzida em uma taxa de fluxodesejado em uma estrutura tubular. Em uma modalidade exemplar, a estrutura tubular com-preende um tubo de detonação tendo um comprimento e um diâmetro especificados. A mis-tura combustível-oxidante fluindo é detonada em uma extremidade do tubo de detonaçãopela introdução de uma centelha dentro da mistura combustível-oxidante fluindo. Um impul-so de detonação resultante percorre o comprimento do tubo de detonação à medida que eleinflama a mistura combustível-oxidante fluindo remanescente dentro dele. As característicasde combustão e a taxa de fluxo da mistura combustível-oxidante podem ser selecionadaspara controlar a energia do impulso de detonação. Um ou mais tubos de detonação adicio-nais tendo diâmetros graduados (isto é, maiores e de modo crescente) podem ser combina-dos opcionalmente com o tubo de detonação inicial para criar uma combinação de tubos dedetonação graduados fazendo com que o impulso de detonação seja amplificado à medidaque ele se desloca através de cada tubo de detonação sucessivo tendo um maior diâmetro.

De acordo com uma primeira modalidade exemplar da invenção, o tubo de detona-ção (ou combinação de tubos de detonação graduados) tem uma extremidade aberta daqual uma onda de sobrepressão é projetada em uma direção desejada. De acordo com umarranjo, múltiplos tubos de detonação (ou combinações de tubos de detonação graduados)são co-localizados e agrupados em uma das várias configurações possíveis fazendo comque as suas ondas de sobrepressão projetadas sejam combinadas. O valor das ondas desobrepressão projetadas combinadas é igual ao número de tubos de detonação, N, vezes asobrepressão projetada por um único tubo de detonação. A energia combinada de campodistante das ondas de sobrepressão projetadas combinadas é N2 vezes a energia projetadade um único tubo de detonação. De acordo com um arranjo alternativo, múltiplos tubos dedetonação individuais (ou combinações de tubos de detonação graduados) são localizadosem um arranjo esparso permitindo que a sincronização das detonações dentro dos váriostubos de detonação seja controlada de tal maneira que as ondas de sobrepressão projeta-das são direcionadas e assim suas energias se juntam em uma(s) localização(s) deseja-da(s). Como tal, o um ou mais tubos de detonação podem ser usados para focalizar e dire-cionar as ondas de sobrepressão para produzir uma energia desejada em uma localizaçãodesejada. Aplicações da primeira modalidade exemplar da invenção incluem, mas não se limitando a estas, emulação de explosivos para propósitos de treinamento, testes de barreirade explosivos, demolição de minas/edifícios, controle de multidão, defesa de fronteira, con-trole de animal/pássaro/inseto, controle de prisioneiro, teste de resistência/integridade estru-tural, fornecimento de movimento giratório para um moinho de vento ou uma turbina, usocomo uma fonte de impulso para propulsão semelhante à de foguete, remoção de li- xo/areia/neve/gelo de estradas/pistas de pouso e decolagem/aviões, etc., colheita de fru-ta/vegetal/grão, etc., de árvores/arbustos/plantas e aplicações de agricultura comparáveis,limpeza industrial (por exemplo, expurgar chaminés/precipitadores), formação de objeto (porexemplo, um pressionamento complacente/processo de moldagem), supressão de fogo e,em geral, a maior parte de qualquer aplicação de área de negação/segurança.

De acordo com uma segunda modalidade exemplar da invenção, a força de recuocausada por cada onda de uma seqüência sincronizada de ondas de sobrepressão geradasé acoplada a um meio alvo tal como o solo, gelo, ou água a fim de produzir uma seqüênciade ondas acústicas conduzidas que pode ser usada para explorar uma região de interessedentro do meio alvo, por exemplo, um depósito de óleo dentro do solo. De acordo com um arranjo exemplar, a força de recuo das ondas de sobrepressão geradas é acoplada ao meioalvo por um componente de acoplamento. Em uma modalidade, a força dé recuo é igual aoderivativo da energia para trás resultante das ondas de sobrepressão geradas. De acordocom um arranjo exemplar alternativo, o gerador de onda de sobrepressão acopla a força derecuo das ondas de sobrepressão geradas diretamente ao meio alvo. A seqüência de ondas acústicas conduzidas se desloca através do meio alvo, reflete na região de interesse, e asreflexões correspondentes são recebidas por cada dispositivo de uma pluralidade de dispo-sitivos de recebimento dispostos em um arranjo. As reflexões recebidas podem ser proces-sadas a fim de produzir um conjunto de dados tridimensional caracterizando a região deinteresse. Com esta modalidade, a onda de sobrepressão opcionalmente pode ser acoplada a um aparelho de amortecimento de som que amortece o som associado com a onda desobrepressão e também amortece a onda de sobrepressão antes da sua liberação para oambiente circundante. O componente de acoplamento desta modalidade compreende ummecanismo semelhante a mola que tem controle de amortecimento onde a forma e o mate-rial do componente de acoplamento são selecionados para alcançar um balanço apropriado entre transformação de energia e impacto adverso ao sistema (isto é, desgaste). O compo-nente de acoplamento inclui uma placa de impedância tendo uma forma desejada, ou áreaocupada, a qual fica em contato direto com a superfície do meio alvo. A placa de impedânciaacopla a força de recuo ao meio alvo produzindo uma onda acústica conduzida. Tal comocom na primeira modalidade exemplar, de acordo com um arranjo, múltiplos tubos de deto-nação (ou combinações de tubos de detonação graduados) são co-localizados e agrupadosem uma das várias configurações possíveis fazendo com que suas ondas de sobrepressãoprojetadas sejam combinadas tal como descrito anteriormente, o que permite um aumentocorrespondente na força de recuo disponível a ser acoplada ao meio alvo. De acordo comum arranjo exemplar alternativo, múltiplos tubos de detonação individuais (ou combinaçõesde tubos de detonação graduados) são localizados em um arranjo esparso permitindo a sin-cronização das detonações dentro dos vários tubos de detonação a ser controlados. Comesta abordagem, a sincronização de ondas acústicas conduzidas é controlada para focalizare direcioná-las a fim de juntá-las em uma localização desejada dentro do meio alvo. Aplica-ções da segunda modalidade da invenção incluem, mas não se limitando a estas, aciona-mento de um motor ou uma bomba, impulsão de postes/estacas de proteção para dentro dosolo, uso como um dispositivo de socadura (por exemplo, para compactar lixo), uso comoum dispositivo de entrada forçada (como um aríete de ataque), imageamento de um fundode corpo de água, e uso para esmagar/deformar objetos/estampar metal, etc.

De acordo com uma terceira modalidade exemplar da invenção, o gerador de ondade sobrepressão da presente invenção é usado para gerar uma onda de cisalhamento. Deacordo com um arranjo, um gerador de onda de sobrepressão é orientado paralelo ao meioalvo e usado para produzir ondas de sobrepressão. Sua força de recuo é usada para geraruma onda de cisalhamento plana. De acordo com um arranjo alternativo, dois ou mais gera-dores de onda de sobrepressão são orientados paralelos a um meio alvo e arranjados de talmaneira que eles dirigem ondas de sobrepressão em direções opostas de maneira que suaforça de recuo pode ser usada para gerar uma onda de cisalhamento esférica.

A presente invenção fornece um método para gerar uma onda acústica conduzida,compreendendo as etapas de causar pelo menos uma detonação dentro de pelo menos umtubo de detonação tendo uma extremidade aberta para gerar pelo menos uma onda de so-brepressão e acoplar uma força de recuo da pelo menos uma onda de sobrepressão a ummeio alvo para gerar pelo menos uma dita onda acústica conduzida. De acordo com um ar-ranjo, a extremidade aberta do pelo menos um tubo de detonação é orientada para direcio-nar as ondas de sobrepressão perpendiculares ao meio alvo e para longe dele. De acordocom um outro arranjo, a extremidade aberta do pelo menos um tubo de detonação é orien-tada para direcionar as ondas de sobrepressão paralelas ao meio alvo fazendo com que aforça de recuo produza uma onda de cisalhamento plana ou uma onda de cisalhamento es-férica dependendo de como o pelo menos um gerador de onda de sobrepressão é arranja-do.

O meio alvo pode ser qualquer um de solo, gelo ou água. As ondas de sobrepres-são podem ser geradas pelo controle da detonação de uma mistura combustível-oxidantefluindo dentro de cada um de os ditos pelo menos um tubo de detonação. As ondas de so-brepressão podem ser geradas de acordo com um parâmetro de detonação, o qual pode serum código de sincronização tal como um código Barker. O som da pelo menos uma onda desobrepressão pode ser amortecido.

As ondas acústicas também podem ser direcionadas para uma localização de inte-resse dentro do meio alvo pelo controle da sincronização relativa da geração das ondas desobrepressão.

A presente invenção fornece um sistema para gerar uma onda acústica conduzida,compreendendo pelo menos um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta paragerar pelo menos uma onda de sobrepressão e um componente de acoplamento para aco-plar uma força de recuo da dita pelo menos uma onda de sobrepressão a um meio alvo paragerar pelo menos uma dita onda acústica conduzida. O sistema pode compreender adicio-nalmente um mecanismo de estabilização que fornece estabilidade para o movimento dopelo menos um tubo de detonação.

Como uma abordagem, a extremidade aberta do pelo menos um tubo de detonaçãoé orientada para direcionar a pelo menos uma onda de sobrepressão perpendicular ao meioalvo e para longe dele, onde o mecanismo de estabilização somente permite movimentopara cima e para baixo. Alternativamente, a extremidade aberta do pelo menos um tubo dedetonação é orientada para direcionar a pelo menos uma onda de sobrepressão paralela aomeio alvo onde o mecanismo de estabilização permite somente movimento de lado paralado.

Cada uma das ondas de sobrepressão é gerada pelo controle da detonação deuma mistura combustível-oxidante fluindo dentro de cada um de os ditos pelo menos umtubo de detonação. As ondas de sobrepressão podem ser geradas de acordo com parâme-tros de detonação, os quais podem ser um código de sincronização tal como um código Bar-ker.

Um silenciador pode ser associado com pelo menos um tubo de detonação.

A invenção fornece um sistema para gerar e direcionar ondas acústicas conduzidas,compreendendo uma pluralidade de geradores de onda de sobrepressão posicionados emum arranjo esparso, cada um da pluralidade de geradores de onda de sobrepressão com-preendendo pelo menos um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta e sendo usa-do para gerar uma pluralidade de ondas de sobrepressão, cada uma da pluralidade de on-das de sobrepressão tendo uma força de recuo; e uma pluralidade de componentes de aco-plamento para acoplar as forças de recuo da dita pluralidade de ondas de sobrepressão aum meio alvo para gerar as ditas ondas acústicas conduzidas, as ondas acústicas conduzi-das sendo direcionadas para uma localização de interesse dentro do meio alvo com base nasincronização relativa da geração da pluralidade de ondas de sobrepressão.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A presente invenção está descrita com referência aos desenhos anexos. Nos dese-nhos, números de referência iguais indicam elementos idênticos ou funcionalmente simila-res. Adicionalmente, o(s) dígito(s) mais à esquerda de um número de referência identifica(m)o desenho no qual o número de referência aparece primeiro.

Afigura 1A ilustra um tubo de detonação exemplar de técnica anterior tendo forne-cimentos de combustível e oxidante separados e uma vela de ignição que inflama a misturacombustível-oxidante na extremidade fechada do tubo depois de o tubo ter sido enchido;

A figura 1B ilustra um segundo tubo de detonação exemplar de técnica anterior ten-do um fornecimento de mistura combustível-oxidante e uma vela de ignição que inflama amistura combustível-oxidante na extremidade fechada do tubo depois de o tubo ter sido en-chido;

A figura 2A ilustra um tubo de detonação exemplar da presente invenção tendo umdetonador que recebe uma mistura combustível-oxidante de um fornecimento de misturacombustível-oxidante e inflama a mistura combustível-oxidante à medida que ela está fluin-do para dentro do tubo;

A figura 2B representa uma primeira modalidade do detonador da presente inven-ção que funciona pela criação de um arco elétrico dentro de um fluxo de uma mistura degás;

A figura 2C representa uma segunda modalidade do detonador da presente inven-ção que é similar àquele representado na figura 2B exceto que ele inclui dois condutoresque divergem para dentro do tubo principal fazendo com que o comprimento da centelhaaumente à medida que ela se desloca dentro do tubo de detonação principal;

A figura 3A representa uma vista de extremidade de uma outra modalidade do de-tonador da presente invenção;

A figura 3B representa uma vista lateral do detonador da figura 3A;

A figura 4 representa uma combinação de tubos de detonação de graduação exem-plar pela qual tubos de maiores diâmetros de modo crescente são usados em combinaçãopara amplificar uma onda de detonação;

A figura 5 representa um tubo de detonação exemplar tendo um diâmetro que au-menta por todo o comprimento do tubo que amplifica uma onda de detonação;

Afigura 6 ilustra um tubo tendo uma circunferência de tubo diminuindo gradualmen-te e então ampliando gradualmente;

A figura 7A representa um primeiro tubo de detonação ao lado de um segundo tubode detonação;

A figura 7B representa combinações de quatro tubos de detonação arranjados detal maneira que os maiores tubos de detonações das combinações de tubo de detonaçãoestão em contato uns com os outros;

A figura 7C representa três tubos de detonação de diâmetro ampliando;

A figura 7D representa sete tubos de detonação arranjados para ficarem parecidoscom uma estrutura hexagonal;

A figura 7E representa doze tubos de detonação arranjados em uma maneira circu-lar;

A figura 8 representa uma vista lateral de três tubos de detonação, tendo um primei-ro diâmetro, conectados a um tubo de detonação maior tendo um segundo diâmetro maiorpara amplificar o pulso combinado gerado pelos tubos menores;

A figura 9 fornece uma ilustração de como a sincronização do disparo dos tubos dedetonação individuais focaliza a energia em um único ponto no campo distante;

A figura 10 representa um arranjo esparso de 4 tubos de detonação sendo detona-dos a fim de direcionar as ondas de sobrepressão de tal maneira que elas se juntam emuma localização desejada;

A figura 11 representa um arranjo esparso de 4 grupos de tubos de detonação sen-do detonados a fim de direcionar as ondas de sobrepressão de tal maneira que elas se jun-tam em uma localização desejada;

A figura 12 ilustra um exemplo de agrupamento eficiente de subarranjos hexagonaisde 7 tubos de detonação em um arranjo combinado totalizando 224 tubos de detonação;

A figura 13 representa um sistema que aproveita a força de recuo do gerador deonda de sobrepressão da presente invenção para exploração sísmica;

Afigura 14 representa o fluxograma lógico para processo de exploração sísmica;

A figura 15 representa um arranjo de sistemas de exploração sísmica da presenteinvenção;

A figura 16 representa uma vista de topo de um padrão de arranjo circular escalávelde sistemas de exploração sísmica da presente invenção;

A figura 17A representa uma vista lateral de um gerador de onda de cisalhamentoplana de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 17B representa uma onda de cisalhamento plana; A figura 18A representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica de acordo com uma modalidade da presente invenção;

A figura 18B representa uma onda de cisalhamento esférica;

A figura 18C representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica de acordo com uma outra modalidade da presente invenção; e

A figura 18D representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica de acordo com ainda uma outra modalidade da presente invenção.DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

A presente invenção será agora inteiramente descrita de forma mais detalhada comreferência aos desenhos anexos, nos quais as modalidades exemplares da invenção estãomostradas. Esta invenção, entretanto, não deve ser interpretada como limitada às modalida-des expostas neste documento; em vez disto elas são fornecidas de maneira que esta reve-lação fique completa e que transporte inteiramente o escopo da invenção para os versadosna técnica. Números iguais se referem a elementos iguais por todos os desenhos.

A presente invenção fornece um sistema e método aperfeiçoado para gerar e con-trolar uma onda de sobrepressão, a qual também é referida neste documento como umaonda de som ou pulso de som. Ondas de sobrepressão exemplares podem ser caracteriza-das por sua freqüência na faixa de 0,1 Hz a 30 kHz. A base do sistema é a ignição de umamistura de combustível-ar ou combustível-oxigênio gasosa ou dispersada detonável de altaenergia dentro de um tubo que é aberto em uma extremidade, onde qualquer um dos diver-sos combustíveis inflamáveis pode ser usado incluindo etano, metano, propano, hidrogênio,butano, álcool, acetileno, gás MAPP, gasolina e combustível de aviação. A mistura de gás édetonada na extremidade fechada do tubo fazendo com que uma onda de detonação sepropague pelo comprimento do tubo onde a detonação termina e a onda de detonação saipela extremidade aberta do tubo como uma onda de sobrepressão. O tubo é referido nestedocumento como um tubo de detonação e a onda de detonação é referida neste documentocomo um pulso ou impulso de detonação.

Uma modalidade da presente invenção compreende pelo menos um aparelho detubo de detonação e um mecanismo de controle de sincronização para controlar a sincroni-zação das detonações. O aparelho de tubo de detonação compreende pelo menos um tubode detonação, pelo menos um detonador e um subsistema de fornecimento de mistura com-bustível-oxidante. Um ou mais detonadores podem ser usados com um dado tubo de deto-nação e um detonador pode ser usado com múltiplos tubos de detonação. Associado comum ou mais detonadores está um ou mais iniciadores de centelha onde um único iniciadorde centelha pode iniciar centelhas em múltiplos detonadores, os quais podem estar em para-lelo ou em série, e múltiplos iniciadores de centelha podem iniciar centelhas em um únicodetonador. O mecanismo de controle de sincronização controla a sincronização do um oumais iniciadores de centelha.

O iniciador de centelha pode ser uma fonte de pulso de alta tensão. Como uma al-ternativa para a fonte de pulso de alta tensão uma abordagem de centelhador de disparopode ser usada como um iniciador de centelha. Outras alternativas para um iniciador de cen-telha incluem um laser e um fio de detonação.

O mecanismo de controle de sincronização pode ser um simples mecanismo dedisparo, lógica fixada, ou ser um processador de controle mais complexo. Um processadorde controle também pode ser usado para controlar parâmetros variáveis do subsistema defornecimento de mistura combustível-oxidante ou tais parâmetros podem ser fixos.

O subsistema de fornecimento de mistura combustível-oxidante mantém uma razãode massa desejada de combustível versus oxidante da mistura combustível-oxidante e umataxa de fluxo desejada da mistura combustível-oxidante. Combustível desejado versus razãode oxidante e taxa de fluxo podem ser selecionados para alcançar características de deto-nação desejadas que dependem das características de comprimento e diâmetro do detona-dor. Por exemplo, uma modalidade usa uma mistura combustível-oxidante de propano-ar,uma razão de massa de 5,5 e uma taxa de fluxo de 50 litros/minuto para um detonador ten-do um comprimento de 1" (2,54 cm) e um diâmetro de 1/4" (0,63 cm) e feito de Teflon, umprimeiro tubo de detonação feito de aço inoxidável tendo um comprimento de 9" (22,86 cm)e um diâmetro que afunila de 0,8" (2,03 cm), na extremidade conectada ao detonador, para0,65" (1,65 cm) na extremidade conectada a um segundo tubo de detonação feito de titâniotendo um comprimento de 32" (81,28 cm) e um diâmetro de 3" (7,62 cm). Alternativamente,o primeiro tubo de detonação pode ter um diâmetro constante de 0,8" (2,03 cm).

Tecnologia de válvula de controle de fluxo de massa comercialmente disponível po-de ser usada para controlar a razão de massa de combustível versus oxidante da misturacombustível-oxidante e a taxa de fluxo da mistura combustível-oxidante. Alternativamente,tecnologia comercialmente disponível pode ser usada para medir o fluxo de massa de oxi-dante em um aparelho de misturar mistura de combustível-oxidante e a medição precisa defluxo de massa de oxidante pode ser usada para controlar uma válvula de fluxo de massapara regular o fluxo de massa do combustível necessário para alcançar uma razão de mas-sa desejada de combustível versus oxidante da mistura combustível-oxidante.

Detonação Dentro da Mistura Combustivel-Oxidante Fluindo

Sistemas de detonação de gás de técnica anterior exigiam tubos longos ou misturasde gás altamente detonáveis tais como oxigênio e hidrogênio a fim de produzir uma detona-ção. De outro modo eles somente "deflagrarão" o que é um processo lento e quase silencio-so. Em contraste, um aspecto da presente invenção fornece a capacidade para produzirpulsos de som pequenos de alta intensidade dentro de um tubo tão pequeno quanto um pé(30,48 centímetros) de comprimento e 2 polegadas (5,08 centímetros) de diâmetro, usandosomente misturas de gás moderadamente explosivas tais como propano e ar. Ao contráriodos sistemas de técnica anterior, este aspecto da presente invenção está incorporado emum sistema exemplar que passa um arco elétrico através de um fluxo (ou deslocamento) demistura de gás e oxidante que está enchendo o tubo dentro do qual a detonação acontece-rá. Quando o tubo está substancialmente cheio, uma rápida centelha é iniciada dentro dogás fluindo no ponto de enchimento no tubo, a qual dispara a detonação subseqüente detodo o gás dentro do tubo. Alternativamente, o gás fluindo pode ser detonado por um laserou por qualquer outro método de ignição e detonação adequado de acordo com a presenteinvenção. Esta ignição dentro da técnica de gás fluindo diminui consideravelmente o com-primento de tubo exigido para produzir uma detonação quando comparado a sistemas detécnica anterior que inflamam misturas de gás não fluindo ou ainda de outro modo. Alémdisso, detonação de acordo com este aspecto da presente invenção exige na ordem de 1joule de energia para detonar a mistura combustível-oxidante enquanto que sistemas detécnica anterior podem exigir de 100 a 1.000 joules de energia para alcançar detonação.Resultados desejáveis adicionais deste método são a redução da incerteza de tempo entreo disparo de arco elétrico e a subseqüente emissão do pulso de som pelo tubo e a repetitivi-dade da magnitude de pulso de detonação. Como tal, o detonador de acordo com este as-pecto da presente invenção capacita sincronização e controle de magnitude precisos deuma onda de sobrepressão.

Afigura 1A representa uma vista lateral de um sistema de detonação de técnica an-terior. Um tubo de detonação 100 tem o fornecimento de combustível separado 102 e o for-necimento de oxidante 104 que são abertos durante um período de enchimento para enchero tubo de detonação 100 com a mistura combustível-oxidante 106. Depois do período deenchimento, o fornecimento de combustível 102 e o fornecimento de oxidante 104 são fe-chados e em um tempo desejado uma carga é aplicada através do fio de alta tensão 108para a vela de ignição 110 a qual inflama a mistura combustível-oxidante 106 fazendo comque uma onda de detonação se propague pelo comprimento do tubo de detonação 100 esaia pela sua extremidade aberta 112. De forma similar, a figura 1B representa uma vistalateral de um outro sistema de detonação de técnica anterior onde o tubo de detonação 100tem um fornecimento de mistura combustível-oxidante 105 que é aberto durante um períodode enchimento para encher o tubo de detonação 100 com a mistura combustível-oxidante106. Depois do período de enchimento, o fornecimento de mistura combustível-oxidante 105é fechado e em um tempo desejado uma carga é aplicada através do fio de alta tensão 108para a vela de ignição 110, a qual inflama a mistura combustível-oxidante 106 fazendo comque uma onda de detonação se propague pelo comprimento do tubo de detonação 100 esaia pela sua extremidade aberta 112.

Afigura 2A representa o tubo de detonação 100 do gerador de onda de sobrepres-são 11 da presente invenção sendo provido com o fornecimento de mistura combustível-oxidante 105 através do detonador 114, onde uma centelha inflama dentro da mistura com-bustível-oxidante 106 enquanto o tubo de detonação 100 está sendo enchido com a misturacombustível-oxidante 106, fazendo com que uma onda de detonação se propague pelocomprimento do tubo de detonação 100 e saia pela sua extremidade aberta 112. Em umamodalidade, uma taxa de fluxo de mistura combustível-oxidante apropriada é mantida duran-te a ignição dentro da mistura combustível-oxidante fluindo. Constatou-se que sobre umasubstancial faixa de fluxos quanto mais alta a taxa de fluxo mais rápida é a evolução da on-da de detonação. Conseqüentemente, uma modalidade exemplar usa uma alta taxa de flu-xo. Para uma dada energia de centelha, uma certa taxa de fluxo define o limite superior prá-tico da taxa de fluxo. Em uma modalidade, a tubulação que alimenta o tubo de detonaçãoestá abaixo de um raio crítico para impedir a progressão de detonação de volta para o for-necimento de combustível. Por exemplo, uma modalidade usa tubulação de diâmetro de 1/4"(0,63 cm) para impedir tal retrocesso e também apresentar uma baixa resistência ao fluxo degás. Por exemplo, um detonador de 1" (2,54 cm) de comprimento tendo um 1/4" (0,63 cm)de diâmetro de furo pode alcançar detonação usando uma centelha de 1 joule dentro deuma mistura gás MAPP-ar fluindo em 50 litros/minuto.

Também está mostrado na figura 2A um fornecimento de mistura combustível-oxidante opcional secundário 105'. Um ou mais fornecimentos de mistura combustível-oxidante secundários 105' podem ser usados para acelerar o enchimento de um tubo dedetonação grande (ou combinação de tubos). Como uma abordagem, um ou mais forneci-mentos de mistura combustível-oxidante secundários 105' são usados para acelerar enchi-mento de um tubo de detonação 100 em paralelo com o fornecimento de mistura combustí-vel-oxidante (primário) 105 de tal maneira que o detonador 114 pode inflamar a misturacombustível-oxidante fluindo em uma taxa de fluxo desejada. Como uma outra abordagem,o fornecimento de mistura combustível-oxidante 105 pode abastecer o tubo de detonaçãoem uma primeira taxa mais alta e então mudar para uma segunda taxa antes de a misturacombustível-oxidante fluindo ser inflamada. Ainda em uma outra abordagem, o fornecimentode mistura combustível-oxidante secundário 105'fornece uma mistura combustível-oxidante106' (não mostrada na figura 2A) para o tubo de detonação 100 diferente daquela misturacombustível-oxidante 106 fornecida pelo fornecimento de mistura combustível-oxidante 105para o detonador 114.

Para certos combustíveis pode ser necessário aquecer a mistura combustível-oxidante a fim de alcançar detonação. Dependendo da taxa na qual o tubo de detonação édisparado, pode ser necessário resfriar o tubo de detonação. De acordo com uma modalida-de preferida da invenção, o fornecimento de combustível 105 (e/ou 105') compreende pelomenos um aparelho de troca de calor (não mostrado) em contato com o tubo de detonaçãoque serve para transferir calor do tubo de detonação para a mistura combustível-oxidante.Um aparelho de troca de calor pode tomar qualquer uma das várias formas bem conhecidastais como uma pequena tubulação que espirala em volta do tubo de detonação de uma ex-tremidade para a outra, onde a tensão da espiral pode ser constante ou pode variar ao longodo comprimento do tubo de detonação. Uma outra abordagem de trocador de calor exem-plar é o tubo de detonação ser circundado por um vaso de contenção de tal maneira que amistura combustível-oxidante dentro do vaso de contenção que fica em contato com o tubode detonação absorve calor do tubo de detonação. Alternativamente, um aparelho de troca-dor de calor pode ser usado que seja independente do fornecimento de combustível 105, emcujo caso alguma substância a não ser a mistura combustível-oxidante, por exemplo, umlíquido tal como água ou silicone, pode ser usado para absorver calor do tubo de detonação.

Alternativamente, uma outra fonte de calor pode ser usada para aquecer a mistura combus-tível-oxidante. De uma maneira geral, várias técnicas bem conhecidas podem ser usadaspara resfriar o tubo de detonação e/ou para aquecer a mistura combustível-oxidante, incluin-do métodos que transferem calor do tubo de detonação para a mistura combustível-oxidante.

Afigura 2B representa uma primeira modalidade do detonador da presente inven-ção que funciona pela criação de um arco elétrico dentro de um fluxo de uma mistura de gásdetonável. Tal como mostrado na figura 2B, uma mistura de gás 106 de um gás e oxidantecombustíveis na correta razão detonável é passada para dentro de um tubo de detonação100 através do ponto de enchimento 208 do detonador 114. Quando o tubo está substanci-almente cheio, o fio de alta tensão 108 é disparado na entrada de disparo de alta tensão 214para fazer com que uma centelha 212 ocorra através dos fios desencapados 210 e passeatravés da mistura de gás 106 fluindo para dentro do tubo de detonação 100 para iniciardetonação do gás no tubo de detonação 100. O disparo do disparador de alta tensão é con-trolado pelo mecanismo de controle de sincronização 216.

A figura 2C representa uma segunda modalidade do detonador da presente inven-ção que também funciona pela criação de um arco elétrico dentro de um fluxo de uma mistu-ra de gás detonável. Tal como mostrado na figura 2C, uma mistura de gás 106 de um gás eoxidante combustíveis na correta razão detonável é passado para dentro de um tubo de de-tonação 100 por meio de ponto de enchimento 208 do detonador 114. Quando o tubo estásubstancialmente cheio, o fio de alta tensão 108 é disparado na entrada de disparo de altatensão 214 para fazer com que uma centelha 212 ocorra através dos fios desencapados 210e passe através da mistura de gás 106 fluindo para dentro do tubo de detonação 100 parainiciar detonação do gás no tubo de detonação 100. Nesta variação a centelha é iniciadadentro do detonador 114 e então ela é rapidamente arrastada ao longo dos dois condutoresdivergindo para dentro do tubo de detonação 100 pelo gás fluindo, o comprimento da cente-lha aumentando à medida que ela se desloca para dentro do tubo de detonação 100. Quan-do uma centelha é iniciada em uma pequena folga ela cria uma baixa zona de impedânciaestável que é capaz de conduzir a mesma tensão de eletricidade através de uma folga muitomaior. Alternativamente, os fios 210 podem ser paralelos, mas ligeiramente dobrados maispróximos conjuntamente para assegurar que a centelha inicia dentro do detonador 114. Asfiguras 3A e 3B fornecem vistas de extremidade e lateral de uma modalidade exemplar dogerador de onda de sobrepressão 11 da presente invenção. Tal como mostrado nas figuras3Α e 3Β, o detonador 114 compreende ο cilindro de isolamento 302 circundando o tubo dedetonador 304. Os eletrodos 306 são inseridos pelos lados do cilindro de isolamento 302 esão conectados ao fio de alta tensão 108. O tubo de detonador 304 é conectado ao forneci-mento de mistura combustível-oxidante 105 (mostrado na figura 3B) no ponto de enchimento208 e ao tubo de detonação 100 na sua extremidade oposta. Tal como mostrado na figura3B, uma mistura de gás 106 é passada para dentro do tubo de detonação 304 e então paradentro do tubo de detonação 100 através do ponto de enchimento 208 do detonador 114.Quando o tubo de detonação 100 está substancialmente cheio, o fio de alta tensão 108 édisparado para fazer com que uma centelha 212 ocorra através dos eletrodos 306 e passeatravés da mistura de gás 106 fluindo para dentro do tubo de detonador 304 para iniciar de-tonação do gás no tubo de detonação 100. Também está mostrada na figura 3B uma espiralde Shchelkin 308 exatamente dentro da extremidade fechada do tubo de detonação 100. Aespiral de Shchelkin 308 é bem conhecida na técnica como um dispositivo de aprimoramen-to da transição deflagração para detonação (DDT). Em uma modalidade exemplar da inven-ção a espiral de Shchelkin 308 tem 10 voltas, é de 7" (17,78 cm) de comprimento, e é cons-truída usando arame de cobre de #4 que é firmemente enrolado junto ao lado de dentro dotubo de detonação 100 na sua base (extremidade fechada).

Controle de Magnitude de Onda de Sobrepressão

De uma maneira geral, o comprimento e o diâmetro interno de um tubo de detona-ção podem ser selecionados para alcançar uma magnitude de onda de sobrepressão gera-da máxima desejada em uma taxa de fluxo máxima selecionada de uma mistura combustí-vel-oxidante fluindo selecionada, e a taxa de fluxo pode ser reduzida para diminuir a magni-tude da onda de sobrepressão gerada. Se exigido, tubos maiores de modo crescente podemser usados para amplificar o pulso de detonação produzido inicialmente em um tubo de de-tonação menor. Cada um ou uma pluralidade dos tubos pode ser feita de um ou de umacombinação de materiais e permite, incluindo PVC ou uma variedade de compostos diferen-tes, metais, ou mesmo concreto para alcançar um resultado desejado. Em uma modalidadeexemplar o tubo de detonação é feito de titânio. Em uma modalidade exemplar, o detonadordentro do qual a centelha é introduzida tem um pequeno diâmetro, por exemplo, de aproxi-madamente 1/4" (0,63 cm) de diâmetro. Esta montagem é alinhada à base de um segundotubo de detonação maior de maneira que o gás contido dentro dele é detonado. Este segun-do tubo de detonação pode então ser alinhado à base de um tubo de diâmetro sucessiva-mente maior para iniciar detonação da mistura de gás dentro dele. Deste modo, muitas de-tonações de tubo de detonação de grande diâmetro podem ser iniciadas com perfeita preci-são de sincronização. O uso de tubos tendo maiores diâmetros de modo crescente estámostrado na figura 4, a qual ilustra uma combinação de tubos de detonação de graduação400 compreendendo maiores tubos de detonação de modo crescente que amplificam umpulso de detonação. Um pulso de detonação produzido em um tubo de detonação inicial100Ase desloca através dos tubos de detonação 100B e 100C tendo maiores diâmetros. Deuma maneira geral, à medida que a detonação da mistura de gás faz a transição de um tubode detonação tendo um menor diâmetro para um tubo de detonação tendo um maior diâme-tro o tamanho do pulso é amplificado. De acordo com a invenção, um ou mais tubos de de-tonação tendo diâmetros diferentes podem ser combinados em uma combinação de tubosde detonação de graduação 400. Na modalidade exemplar descrita anteriormente, o tubo dedetonação (e o tubo de detonador) foi assumido para ser um tubo tendo uma circunferênciaque não varia ao longo do comprimento do tubo. Como uma alternativa, um tubo de detona-ção (ou tubo de detonador) pode começar com um pequeno diâmetro e crescer gradualmen-te a fim de ter um efeito similar de amplificação de pulso tal como descrito para a figura 4.Uma abordagem exemplar está mostrada na figura 5, a qual representa uma vista lateral deum tubo de detonação 100 tendo um diâmetro crescendo gradualmente. O diâmetro de umtubo de detonação se tornando maior e de modo crescente faz com que o pulso seja ampli-ficado à medida que ele percorre o comprimento do tubo em um modo similar ao da técnicade tubo graduado da figura 4. Tal como mostrado, o tubo de detonação 100 tem um primeirodiâmetro 502 em uma extremidade que é menor do que o segundo diâmetro 504 na outraextremidade. Múltiplos tubos tendo diâmetros crescentes também podem ser combinados.Uma outra variação do tubo de detonação é usar uma técnica compressora/expansora ondea circunferência do tubo afunila para uma menor circunferência para comprimir o gás e en-tão expande para uma maior circunferência para expandir o gás. Esta abordagem está mos-trada na figura 6, a qual representa uma vista lateral do tubo de detonação 100 com base natécnica compressora/expansora que tem um primeiro diâmetro 602 em uma extremidade,um segundo diâmetro 603 na outra extremidade e um terceiro diâmetro 604 entre as duasextremidades do tubo de detonação 100. O primeiro diâmetro 602 pode ou não se igualar aosegundo diâmetro 603 dependendo das características de compressão/expansão deseja-das.

Arranjos de Tubos de Detonação

Tubos de detonação podem ser agrupados em arranjos de vários modos para pro-duzir um pulso combinado quando disparados simultaneamente. As figuras 7A - 7D repre-sentam exemplos de como tubos de detonação podem ser combinados. A figura 7A repre-senta um arranjo de tubos de detonação 702 compreendendo um primeiro tubo de detona-ção ao lado de um segundo tubo de detonação. A figura 7B representa um arranjo de tubosde detonação 704 compreendendo combinações de quatro tubos de detonação arranjadasde tal maneira que os maiores tubos de detonação das combinações de tubos de detonaçãoestão em contato uns com os outros. A figura 7C representa o arranjo de tubos de detona-ção 706 compreendendo três tubos de detonação de diâmetro crescente. A figura 7D repre-senta o arranjo de tubos de detonação 708 compreendendo sete tubos de detonação arran-jados para ficarem parecidos com uma estrutura hexagonal. Afigura 7E representa o arranjode tubos de detonação 710 compreendendo doze tubos de detonação arranjados em umamaneira circular.

Alternativamente, os tubos de detonação que compõem tais grupos ou arranjos detubos de detonação também podem ser disparados em momentos diferentes. De acordocom um arranjo, tubos de detonação são inflamados usando uma seqüência de sincroniza-ção que faz com que eles detonem em sucessão de tal maneira que um dado tubo de deto-nação está sendo enchido com a sua mistura combustível-oxidante enquanto que outros tubos de detonação estão em vários estados de geração de uma onda de sobrepressão.Com esta abordagem, a inflamação e o enchimento dos tubos de detonação podem ser sin-cronizados de tal maneira que ondas de sobrepressão estariam sendo geradas pelo apare-lho em uma alta taxa como esta que pareceria ser detonação contínua.

Tal como mostrado na figura 8, um grupo de tubos menores pode ser conectado a um tubo maior de tal maneira que seus pulsos combinados produzem um pulso grande quecontinua a detonar no tubo maior. A figura 8 representa uma vista lateral de 3 tubos de deto-nação menores 100A, tendo um primeiro diâmetro, conectados a um tubo de detonaçãomaior 100B tendo um segundo diâmetro maior para amplificar um pulso combinado.

De uma maneira geral, qualquer uma das várias combinações possíveis de tubosgraduados, tubos de circunferências aumentando gradualmente, arranjos de tubos, gruposde tubos menores conectados a tubos maiores e tubos empregando a técnica compresso-ra/expansora pode ser usada de acordo com este aspecto da invenção para gerar ondas desobrepressão que atendam a exigências específicas de aplicação. Todas as tais combina-ções exigem balancear a energia potencial criada por causa de uma expansão de uma cir- cunferência de tubo com o resfriamento causado pela expansão dos gases à medida que acircunferência de tubo aumenta.

Focalização e Direcionamento Coerentes de Ondas de Sobrepressão

Tal como descrito anteriormente, o detonador deste aspecto da presente invençãotem baixa incerteza do tempo entre o disparador de arco elétrico e a subseqüente emissão do pulso de som pelo tubo. O detonador também permite controle de precisão repetível damagnitude dos pulsos de som gerados. Esta baixa incerteza, ou instabilidade, e a precisãode controle de magnitude capacitam a focalização e o direcionamento coerentes das ondasde sobrepressão geradas por um arranjo de tubos de detonação. Como tal, o detonador po-de ser usado para gerar ondas de sobrepressão de altos picos de energia de pulso dirigíveise focalizáveis.

A figura 9 ilustra como a sincronização do disparo de tubos individuais focaliza aenergia das ondas de sobrepressão geradas em um único ponto no campo distante. Tubosmais distantes são disparados mais cedo para compensar a maior quantidade de tempo exi-gida para percorrer uma maior distância que faça com que todos os pulsos cheguem aomesmo ponto no espaço ao mesmo tempo. A figura 9 representa um arranjo 900 dos tubosde detonação 100A-100E que são inflamados (ou disparados) com sincronização controla-da, tal como controlada pelo mecanismo de controle de sincronização 216, de tal maneiraque os pulsos de som que eles geram chegam ao ponto no espaço 902 ao mesmo tempo.Os pulsos de som 906 produzidos pelos tubos de detonação 100A-100E se deslocam aolongo dos caminhos diretos 904A-904E, respectivamente. Como tal, eles são disparados naseqüência 100E-100A com atrasos apropriados entre disparos para considerar os diferentestempos de deslocamento exigidos para percorrer os diferentes caminhos diretos, de maneiraque os pulsos de som 906 chegam ao ponto no espaço 902 ao mesmo tempo para produziro pulso de som combinado 908.

Tubos de detonação individuais ou grupos de tubos podem ser dispostos em um ar-ranjo esparso. Afigura 10 representa um arranjo de tubos de detonação individuais dispos-tos em um arranjo esparso onde a sincronização das detonações nos vários tubos é contro-lada a fim de direcionar as ondas de sobrepressão de tal maneira que elas se juntem emuma localização desejada. Afigura 11 representa de forma similar um arranjo de grupos detubos dispostos em um arranjo esparso onde os tubos de um dado grupo são detonados aomesmo tempo, mas a sincronização de detonação dos vários grupos é variada a fim de dire-cionar as ondas de sobrepressão de modo que eles se juntem em uma localização deseja-da.

Referindo-se à figura 10, os tubos de detonação 100A-100D são disparados em se-qüência de sentido contrário com sincronização precisa, tal como controlada pelo mecanis-mo de controle de sincronização 216, de tal maneira que os pulsos de som percorrem oscaminhos diretos 904A-904D e se juntam no ponto no espaço 902. Referindo-se à figura 11,os grupos de tubos de detonação 1100A-1100D são disparados em seqüência de sentidocontrário, tal como controlada pelo mecanismo de controle de sincronização 216, de tal ma-neira que os pulsos de som percorrem os caminhos diretos 904A-904D e se juntam no pontono espaço 902.

O mecanismo de controle de sincronização 216 usado em modalidades de arranjoesparso pode compreender um único mecanismo de controle de sincronização em comuni-cação com cada um dos geradores de onda de sobrepressão compondo o arranjo atravésde uma rede com fio ou sem fio. Alternativamente, cada um dos geradores de onda de so-brepressão pode ter o seu próprio mecanismo de controle de sincronização pelo que os me-canismos de controle de sincronização são sincronizados por algum dispositivo.

Teoria de Operação de Arranjo de Tubos de Detonação

De uma maneira geral, quando um arranjo de tubos de detonação é disparado comsincronização precisa uma onda de pressão é criada que se propaga como um feixe estreitoem uma direção mandada pela sincronização. Deste modo a sua operação é análoga a deuma antena de arranjo com fase comumente usada em sistemas de radar. Uma vez que asincronização é determinada eletricamente a direção de feixe pode ser redirecionada de umpulso para o próximo. Sistemas podem ser projetados operando em diferentes taxas, porexemplo, 10, 20, 50 ou 100 pulsos por segundo, e cada pulso pode ser planejado em umadireção exclusiva. A única limitação para a taxa de repetição é a velocidade com que os tu-bos podem ser reenchidos. Em uma taxa de reenchimento sônico ela gastaria cerca de cin-co milisegundos para reencher um tubo de cinco pés (1,52 metros) de comprimento. Umavez que ela também gasta um pulso de cinco milisegundos para sair uma vez que detonada,a taxa de repetição de limitação é de 100 Hz.

Uma vez que cada elemento do arranjo emite a sua própria energia coerente, nocampo distante a amplitude da onda se aproxima do quadrado da intensidade de cada tuboindividual. O instantâneo sobre pressões que pode ser direcionado deste modo, portanto,pode se aproximar de altos níveis. Como tal, o sistema possui uma grande faixa dinâmicaacima que pode ser usada para alcançar uma maior faixa ou se propagar através de peque-nas aberturas em estruturas tais como alvos rígidos.

A estrutura atrás da pequena abertura pode ser ressoada pela aplicação dos pulsosexatamente nos intervalos de tempo certos, tal como determinado por uma sonda a laserusada para medir o efeito Doppler de partículas na abertura. A freqüência natural da estrutu-ra pode ser assim determinada e em seguida o laser é usado em modo de laço fechado pa-ra controlar a sincronização do sistema para produzir o efeito máximo. As pressões instantâ-neas dentro de um alvo rígido como este podem ser completamente grandes uma vez que oQ acústico é alto. Por exemplo, para um Q de somente 10 a pressão de pico pode alcançar1.000 psi (6.894,7 kPa).

Grupos de tubos de detonação podem ser tratados como subarranjos dentro de umarranjo maior. Afigura 12 ilustra uma modalidade exemplar de 32 subarranjos hexagonais1202 de 7 tubos de detonação cada um, agrupados de forma eficiente em um arranjo 1200tendo um total de 224 tubos de detonação de diâmetro de 3" (7,62 cm) em um formato de6,2' χ 2,5' (188,9 cm χ 76,2 cm). A intensidade de campo distante deste sistema pode seracima de 50.000 vezes a intensidade de um tubo de detonação de 3" (7,62 cm) como este.

A sincronização do disparo dos elementos de arranjo desta modalidade é direta. Aforma de onda é em torno de um milisegundo longa e a restrição para coerência é 1/4 doseu comprimento de onda ou menos. O subsistema de sincronização, portanto, necessitaráde uma resolução e precisão de 200 microsegundos ou menos. Este nível de precisão desincronização pode ser realizado com contadores-temporizadores programáveis tais como o8254 PCA da Intel que fornece três canais de sincronização por microplaqueta, em uma re-solução de 0,1 microsegundo.

Em uma modalidade, cada elemento em um arranjo dirigível necessita ter a sua e-nergia difundida sobre a área total de direcionamento, por exemplo, com uma abertura quetenha abaixo de 1/2 comprimento de onda. Para uma forma de onda de um milisegundo aabertura é em torno de seis polegadas (15,24 centímetros). Na modalidade exemplar mos-trada na figura 12, os feixes de subarranjos hexagonais são de nove polegadas (22,86 cen-tímetros) transversalmente, assim eles não permitirão direcionamento sobre uma metade dehemisfério cheio, mas agrupar os tubos nos feixes hexagonais que são disparados como umgrupo reduz as exigências de hardware, permitindo que trinta e dois canais de sincronizaçãoprogramáveis sejam usados para focalizar e direcionar o arranjo. Como tal, toda a necessi-dade de sincronização pode ser satisfeita com somente onze contadores-temporizadores8254. Uma placa PCI fabricada pela SuperLogics contém quatro contadores-temporizadores8254 dando doze contadores-temporizadores programáveis, assim três módulos atenderiam.Em uma outra modalidade, os tubos de cada feixe na figura 12 podem ser suficientementeespaçados lado a lado para capacitar direcionamento sobre uma metade de hemisfériocheio e o disparo de todos os tubos pode ser independente, sem agrupamento.

O ponto focai do arranjo é uma função do comprimento de onda e do tamanho doarranjo. Perto da face de arranjo o ponto focai compreende um círculo aproximado de umcomprimento de onda, isto é, de um pé (2,54 centímetros) em diâmetro. Em maiores distân-cias o ponto se espalhará gradualmente em uma forma oval com o seu diâmetro grande nadireção do diâmetro pequeno do arranjo. Isto é, o oval se torna de vertical para o arranjohorizontal representado na figura 12. Aforma do ponto focai pode ser facilmente modeladausando a equação de onda quando ela é operada no regime linear até cerca de metade deuma atmosfera ou 7 psi (117,2 kPa). Entretanto, quando a pressão instantânea na forma deonda alcança uma atmosfera ela será não linear e o cálculo diferirá.

Medições da saída de pressão do arranjo podem ser feitas com um sensor acústicode banda larga. Eles tipicamente têm uma largura de banda de 10-20.000 Hz e uma preci-são de 1 dB ou algo assim. Medições feitas em uma distância de trinta pés (9,14 metros) oumais no campo distante do arranjo dão precisões suficientes para extrapolar característicasem qualquer faixa. A saída calibrada de um instrumento como este é nível de pressão desom acústico que tem uma relação direta com a pressão, isto é, <formula>formula see original document page 20</formula>Por exemplo, 180 dBSPL é equivalente a uma pressão de 20.000 Pa ou em torno de 3 psi. Aintensidade de som instantâneo associada com este nível é 1.000.000 W/m2.

Uma conseqüência da equação de onda geral para meio linear é que quando ondasse sobrepõe suas amplitudes se somam. Para ondas eletromagnéticas este meio em que seduas ondas idênticas chegarem a um ponto no espaço ao mesmo tempo e fase elas produ-zirão o dobro do potencial, ou tensão, de uma única onda.

O resultado é similar no caso de ondas acústicas, mas neste caso o potencial épressão em vez de tensão, ρ = ^Jpf + ρ] +2pxp2 cos[θχ -θ2) N/m2

Deve-se notar que uma vez que as fases são iguais o coseno é igual a 1 e o valorda pressão é igual a duas vezes a pressão de uma única fonte. Esta relação se aplica para aadição de N fontes = N*p.

Dobrar a pressão de uma forma de onda acústica quadruplica a sua energia umavez que a energia é proporcional ao quadrado da sua pressão, isto é, quando duas formasde onda acústica idênticas chegam ao mesmo ponto no espaço ao mesmo tempo e fase asua energia quadruplicará.

Em analogia com as ondas eletromagnéticas a energia, ou intensidade acústica, deuma forma de onda é proporcional ao quadrado da sua pressão.

<formula>formula see original document page 21</formula>

Onde o denominador é o valor da impedância acústica do meio, neste caso o ar.

Portanto, de uma maneira geral o espaço livre, a energia de campo distante no ló-bulo principal da forma de onda de sobrepressão pode ser calculada como N2 da pressão deum único tubo de detonação. Entretanto, quando ele é operado perto do solo, vantagemtambém pode ser obtida do efeito aditivo da onda de solo. Quando a onda do solo e as for-mas de onda de espaço livre convergem em um alvo as pressões de ambas as formas deonda de novo se somam e de novo quadruplicam a energia.

Direcionamento de feixe é realizado pelo ajuste da sincronização dos elementos in-dividuais de tal maneira que uns quanto mais próximos são atrasados exatamente o sufici-ente para que as ondas da parte adicional do arranjo se alcancem. Em uma dada direção,portanto, todas as ondas chegarão ao mesmo tempo e satisfarão o critério de energia N2.Isto é análogo a uma antena de arranjo com fase, mas uma vez que a forma de onda acústi-ca é transitória em vez de onda contínua, tempo de atraso é substituído por fase.

Aplicações do Gerador de Onda de Sobrepressão da Presente Invenção

Aplicações do gerador de onda de sobrepressão da presente invenção incluem,mas não se limitando a estas, emulação de explosivos para propósitos de treinamento, testede barreira de explosivos, demolição de minas/edifícios, controle de multidão, defesa defronteira, controle de animal/pássaro/inseto, controle de prisioneiro, teste de resistên-cia/integridade estrutural, fornecimento de movimento giratório para um moinho de vento ouuma turbina, uso como uma fonte de impulso para propulsão semelhante a de foguete, re-moção de lixo/areia/neve/gelo de estradas/pistas de pouso e decolagem/aviões, etc., colhei-ta de fruta/vegetal/grão, etc. de árvores/arbustos/plantas e aplicações de agricultura compa-ráveis, limpeza industrial (por exemplo, expurgar chaminés/precipitadores), formação deobjeto (por exemplo, um pressionamento complacente/processo de moldagem), supressãode fogo e, em geral, a maior parte de qualquer aplicação de área de negação/segurança.

Uso da Força de Recuo de uma Onda de Sobrepressão para Exploração SísmicaO gerador de onda de sobrepressão da presente invenção descrito anteriormentepode ser aumentado a fim de aproveitar a sua força de recuo para propósitos de exploraçãosísmica. Força de recuo é o recuo ou força para trás produzida pela detonação de ondas desobrepressão. Esta força é igual ao derivativo da energia para trás resultante da detonaçãode ondas de sobrepressão. Em uma modalidade do sistema de exploração sísmica de acor-do com a presente invenção, tal como mostrado na figura 13, o sistema de exploração sís-mica 1300 inclui um gerador de onda de sobrepressão 11, um componente de acoplamento1312, um mecanismo de estabilização 1313 para controlar o movimento do gerador de ondade sobrepressão, um controlador 1314 para controlar a operação do gerador de onda desobrepressão 11, um detector de eco 1316, um gravador de dados 1318, um processador deimagem 1320 e um dispositivo de exibição 1322. Deve ser entendido que embora os ele-mentos mencionados anteriormente do sistema 1300 estejam identificados separadamente,estes elementos necessariamente não têm que ser separados fisicamente. Alguns elemen-tos podem ser configurados para residir na mesma máquina, por exemplo, o controlador1314, o gravador de dados 1318 e o processador de imagem 1320 podem todos ser partesde um único computador. O sistema 1300 pode incluir opcionalmente um aparelho de amor-tecimento de som 1324 que inclui o respiradouro 1328 usado para fornecer gás de diluição(por exemplo, ar) usado para impedir que detonação continue para dentro do aparelho deamortecimento de som 1324. Alternativamente, o sistema de exploração sísmica pode seroperado sem usar o componente de acoplamento 1312, em cujo caso o gerador de onda desobrepressão 11 ficará diretamente em contato com o solo 1330.

O gerador de onda de sobrepressão exemplar 11 do sistema 1300 pode incluirqualquer uma das variações descritas anteriormente. Ele inclui uma fonte elétrica (ou delaser) para produzir uma centelha, um tubo de detonação, uma fonte de mistura de gás quefornece o gás fluindo para dentro do tubo de detonação e um detonador. Para os propósitosda descrição a seguir, o gerador de onda de sobrepressão pode ser alternativamente umgrupo de tubos de detonação que são detonados simultaneamente a fim de produzir umaonda de sobrepressão combinada.

O gerador de onda de sobrepressão é detonado para gerar uma onda de sobre-pressão, a qual é opcionalmente amortecida pelo silenciador 1324. A geração da onda desobrepressão causa uma força de recuo correspondente que o componente de acoplamento1312 acopla a um meio alvo tal como o solo, gelo ou água para produzir uma onda acústicaconduzida. O mecanismo de estabilização 1313 fornece estabilidade para o movimento dogerador de onda de sobrepressão 11 permitindo substancialmente somente movimento paracima e para baixo. O componente de acoplamento 1312 pode compreender uma mola oupode compreender borracha ou algum composto comparável tendo características de mola eamortecimento desejadas, tal como ímãs de polaridades opostas. O componente de aco-plamento também compreende o dispositivo de transição de impedância 1326 tendo umaforma desejada que entra em contato diretamente com o solo 1330 para transmitir a ondaacústica conduzida. O dispositivo de transição de impedância 1326 pode ter qualquer umdos vários tipos de formas incluindo ter um único ponto aguçado, múltiplos pontos aguça-dos, uma forma de placa plana que pode ser quadrada, retangular, circular, ou qualquer ou-tra forma desejada. Em uma modalidade exemplar, o dispositivo de transição de impedância1326 tem uma forma plana redonda. Se o meio alvo for água, o componente de acoplamen-to pode compreender um diafragma que fica em contato com a água. Se o meio alvo for só-lido tal como o solo ou gelo, o gerador de onda de sobrepressão alternativamente pode sercolocado diretamente em contato com meio alvo de tal maneira que a sua força de recuoserá acoplada diretamente ao meio alvo.

De acordo com uma modalidade da presente invenção, múltiplas ondas acústicasconduzidas são entregues para o solo em uma seqüência sincronizada de acordo com umcódigo de sincronização que tem propriedades de correlação desejáveis. A codificação dospulsos permite que pulsos sejam emitidos em uma taxa mais alta do que a que pode serrealizada ao esperar todos os ecos cessarem antes de novos pulsos serem gerados. Talcodificação aumenta assim a energia do sinal emitido e reduz o tempo necessário para con-seguir uma imagem de uma dada razão sinal para ruído. Por exemplo, um código Barkertem propriedades de autocorrelação desejáveis. Qualquer uma das várias técnicas de codi-ficação que forneçam propriedades de correlação desejáveis que são bem conhecidas natécnica de radar e comunicações pode ser usada.

Tal como mencionado anteriormente, a onda de sobrepressão é gerada pela explo-são controlada e direcionada de uma mistura combustível-ar ou combustível-oxigênio gaso-sa ou dispersada detonável. Qualquer um dos diversos combustíveis inflamáveis pode serusado incluindo etano, metano, propano, hidrogênio, butano, álcool, acetileno, gás MAPP,gasolina e combustível de aviação. O uso de tais combustíveis inflamáveis têm vantagens30 significativas em relação a explosivos sólidos e/ou líquidos, uma vez que eles são facilmenteobteníveis a partir de várias fontes e são de custo relativamente baixo. A onda de sobre-pressão é gerada de acordo com parâmetros de detonação tais como a razão de massa damistura combustível-oxidante, um código de sincronização, etc.

Além disso, a explosão de um combustível inflamável produz resultados mais preci-sos. Energia máxima é transmitida para o solo por unidade de tempo resultando em umaimagem mais clara. A maior clareza é atribuída à redução dos efeitos de não linearidade. Osefeitos de não linearidade são substancialmente reduzidos por causa de o componente deacoplamento 1312 não comprimir a terra produzindo assim sinais geralmente lineares. Alémdo mais, uma série de explosões menores pode ser estabelecida durante um período detempo, e os sinais recebidos resultantes podem ser integrados para obter qualquer graudesejado de resolução e qualquer profundidade desejada pode ser alcançada pela extensãodo período de detecção.

O controlador 1314 é usado para controlar a operação do gerador de onda de so-brepressão 11. O controlador 1314 pode ser um computador portátil ou estação de trabalhoque seja programada para gerar a seqüência de sincronização codificada em tempo deseja-da mediante o que o gerador de onda de sobrepressão 11 é disparado.

O detector de eco 1316 pode ser elaborado de um arranjo de sensores ou geofo-nes. Este arranjo de geofones constitui um arranjo de abertura sintética que é análogo aoradar de arranjo de abertura sintética. Este arranjo de abertura sintética leva em conta acaptura de dados de imagem limpos e altamente focalizados da subsuperfície em múltiploscomprimentos focais e em tempo real sem deslocar ou modificar a configuração de arranjo.Isto permite que dados obtidos de um arranjo de sensores não direcionais sejam focalizadosem qualquer ponto no solo por meio de pós-processamento. Tal processamento é a analogiageofísica ao processamento de arranjo de abertura sintética, significando que os dados pro-venientes dos geofones individuais podem ser combinados coerentemente para ser o equi-valente de um geofone focalizável muito maior. Usando este arranjo de abertura sintética,coleta de dados é feita com geofones menores do que com explosivos ou acopladores devibração. Além disso, o arranjo de geofones pode ser distribuído aleatoriamente e não sãoexigidos que sejam dispostos em um arranjo de grade convencional.

Os dados ou ecos capturados pelo detector de eco 1316 são armazenados no gra-vador de dados 1318 para processamento subseqüente. Vários tipos de dispositivos de ar-mazenamento comumente conhecidos na técnica podem ser usados como o gravador dedados 1318: De forma similar, dispositivos convencionais comumente conhecidos na técnicapodem ser usados como o processador de imagem 1320 e o dispositivo de exibição 1322.

A figura 14 ilustra as etapas lógicas executadas durante a operação do sistema1300 de acordo com a presente invenção. Na etapa 1400, o gerador de onda de sobrepres-são 11 e o componente de acoplamento 1312 dirigem uma seqüência de ondas acústicasconduzidas codificadas em tempo para a subsuperfície, onde elas são refletidas e espalha-das pelas variações de subsuperfície nas propriedades físicas.

Na etapa 1420, os ecos ou ondas retornando para a superfície são detectados pelodetector de eco 1316, isto é, os geofones. Os geofones registram as histórias de tempo demovimento de solo durante alguns segundos. As amplitudes, freqüências e fases destasgravações de marcas são afetadas por várias propriedades físicas da subsuperfície tais co-mo constantes elásticas, geometria, dimensões, inelasticidade e anisotropia.Na etapa 1440, o gravador de dados 1318 armazena a resposta da terra tal comodetectada pelos geofones. O gravador de dados 1318 se comunica com os geofones pormeio de um conversor analógico para digital e um multiplexador, e registra e armazena osdados em um dos diversos dispositivos de armazenamento opcionais para processamento eexibição subseqüentes.

Na etapa 1460, os dados gravados podem ser processados pelo processador deimagem 1320 de acordo com vários algoritmos de imageamento bem conhecidos e os resul-tados podem então ser exibidos por meio do dispositivo de exibição 1322.

A apresentação convencional de dados sísmicos é plotar uma série de amplitudesde retorno versus formas de onda de tempo no eixo geométrico vertical (uma plotagem deforma de onda). Os "balanços" são reflexões por causa da falta de homogeneidade das pro-priedades físicas. O esquema do arranjo de geofone e o subseqüente processamento dedados para formar uma imagem a partir de um arranjo de abertura sintética é análogo ao deum arranjo de radar de abertura sintética. Em analogia com sistemas de lentes óticas, umarranjo de antena de comprimento focai fixado não permaneceria em foco através da pro-fundidade total exigida de campo se o sistema tiver que desenhar imagem de perto da su-perfície para centenas de pés (metros) abaixo da superfície. Assim, a antena necessitariaser tanto grande para cobrir uma razoável área de solo como também focalizável em temporeal.

Uma vez que reflexões fora de eixo são recebidas sucessivamente em maioresdemoras na antena, elas criam um "dispersador de ponto" que traça uma curva na imagemresultante. Esta curva é calculável, e pode ser removida em pós-processamento. Isto permi-te que dados obtidos de um arranjo de antenas não direcionais sejam focalizados em qual-quer ponto no solo por meio de pós-processamento. Tal processamento de arranjo de aber-tura sintética capacita os dados provenientes das antenas individuais para serem combina-dos coerentemente a fim de serem o equivalente de uma antena focalizável muito maior.

As curvas de frente de onda de dados primários são geradas virtualmente em tem-po real e podem ser interpretadas por um geofísico experimentado. Localizações espaciais eimagens 3-D podem ser geradas pelo uso de processamento de imagem tomográfico pa-drão. Discriminação de subsuperfície de maior resolução pode ser alcançada por meio dacombinação de sucessivas curvas de frente de onda ao longo do tempo.

O sistema 1300 tem a capacidade para fornecer uma rápida visão nos dados nocampo em tempo real. Esta capacidade pode ser útil para guiar a direção de esforços deimageamento de subsuperfície com base no que é descoberto no campo e para assegurarque os dados obtidos para serem analisados são de fidelidade suficiente e de razão de sinalpara ruído para máxima utilidade.

Alternativamente, múltiplos sistemas 1300 podem ser dispostos em um arranjo es-parso e métodos de controle de sincronização podem ser usados para direcionar as suasondas acústicas conduzidas de tal maneira que elas se juntam em uma localização desejadadentro do solo. Tal direcionamento é feito substancialmente da mesma maneira que as on-das de sobrepressão são direcionadas, tal como descrito em relação às figuras 9-11, excetoque ele é realizado com múltiplas ondas acústicas conduzidas controladas em tempo. Afigu-ra 15 ilustra os múltiplos sistemas 1300A-1300C sendo controlados de tal maneira que asondas acústicas conduzidas se deslocam através do solo, por meio dos caminhos diretos904A-904C, de tal maneira que elas se juntam em um ponto sob o solo 1502. A capacidadepara focalizar e direcionar as ondas acústicas conduzidas da presente invenção capacitaimageamento de precisão de recursos situados profundamente dentro do solo tal como aformação de óleo 1504. Se o meio alvo for água, o direcionamento de feixe pode ser usadopara fazer mapa do fundo de um corpo água.

Afigura 16 representa um padrão de arranjo circular exemplar que pode ser usadopara propósitos de direcionamento de feixe. Tais padrões podem ser colocados com maioresarranjos para fornecer uma arquitetura escalável usada para explorar grandes áreas. Nafigura 16, os sistemas sísmicos 1300 são arranjados nos subarranjos círculares 1602 quepodem por si mesmos se tornar parte de um subarranjo circular maior 1604, e assim pordiante, para cobrir áreas muito grandes. De uma maneira geral, os sistemas sísmicos 1300da presente invenção podem ser colocados em qualquer arranjo desejável e prático de Ioca-lizações conhecidas e usados de acordo com a presente invenção.

Outras Aplicações Capacitadas Usando a Forca de Recuo de Uma Onda de Sobre-pressão

Outras aplicações capacitadas usando a força de recuo da onda de sobrepressãoda presente invenção incluem, mas não se limitando a estas, acionamento de um motor ouuma bomba, impulsão de postes/estacas de proteção para dentro do solo, uso como umdispositivo de socadura (por exemplo, para compactar lixo), uso como um dispositivo de en-trada forçada (como um aríete de ataque), imageamento de um fundo de corpo de água euso para esmagar/deformar objetos/estampar metal, etc.

Uso do Gerador de Onda de Sobrepressão como um Gerador de Onda de Cisa-lhamento para Exploração Sísmica

Em uma terceira modalidade da invenção, o gerador de onda de sobrepressão 11 éusado como um gerador de onda de cisalhamento para propósitos de exploração sísmica.Uma onda de cisalhamento, também conhecida como onda S, onda secundária ou uma on-da S elástica, é um dos dois principais tipos de ondas de corpo elásticas, não citados por-que, ao contrário das ondas de superfície, as ondas de cisalhamento se deslocam atravésdo corpo de um objeto. O sistema de exploração sísmica 1700 de acordo com a presenteinvenção está mostrado na figura 17A. O sistema de exploração sísmica 1700 inclui um ge-rador de onda de sobrepressão 11, um mecanismo de definição de plano 1702, um compo-nente de acoplamento 1312, um mecanismo de estabilização 1313 para controlar o movi-mento do gerador de onda de sobrepressão, um controlador 1314 para controlar a operaçãodo gerador de onda de sobrepressão 11, um detector de eco 1316, um gravador de dados1318, um processador de imagem 1320 e um dispositivo de exibição 1322. Deve ser enten-dido que embora os elementos mencionados anteriormente do sistema 1300 estejam identi-ficados separadamente, estes elementos necessariamente não têm que ser separados fisi-camente. Alguns elementos podem ser configurados para residir na mesma máquina, porexemplo, o controlador 1314, o gravador de dados 1318 e o processador de imagem 1320podem todos ser partes de um único computador. O sistema 1700 pode incluir opcionalmen-te um aparelho de amortecimento de som 1324 que inclui o respiradouro 1328 usado parafornecer gás de diluição (por exemplo, ar) usado para impedir que detonação continue paradentro do aparelho de amortecimento de som 1324. Alternativamente, o sistema de explora-ção sísmica 1700 pode ser operado sem usar o componente de acoplamento 1312, em cujocaso o gerador de onda de sobrepressão 11 e o mecanismo de definição de plano 1311 fica-rão diretamente em contato com o solo 1330.

O gerador de onda de sobrepressão 11 do sistema 1700 pode incluir qualquer umadas variações descritas anteriormente. Ele inclui uma fonte elétrica (ou de laser) para produ-zir uma centelha, um tubo de detonação, uma fonte de mistura de gás que fornece o gásfluindo para dentro do tubo de detonação e um detonador. Para os propósitos da descrição aseguir, o gerador de onda de sobrepressão pode ser alternativamente um grupo de tubos dedetonação que são detonados simultaneamente a fim de produzir uma onda de sobrepres-são combinada.

O gerador de onda de sobrepressão 11 é detonado para gerar uma onda de sobre-pressão. A geração da onda de sobrepressão causa uma força de recuo correspondenteparalela ao solo fazendo com que o mecanismo de definição de plano 1311 se desloqueatravés do componente de acoplamento 1312. O mecanismo de definição de plano 1311está em contato com o 1312 para definir um plano através dele perpendicular ao movimentodo gerador de onda de sobrepressão 11. O componente de acoplamento 1312 acopla a on-da de cisalhamento ao meio alvo para produzir uma onda acústica conduzida. O mecanismode estabilização 1313 fornece estabilidade para o movimento do gerador de onda de sobre-pressão 11 permitindo somente movimento substancialmente de lado para lado. O compo-nente de acoplamento 1312 pode compreender uma mola ou pode compreender borrachaou algum composto comparável tendo características de mola e amortecimento desejadas.

A figura 17B representa uma onda de cisalhamento plana se propagando da direitapara a esquerda tal como é produzida dada a orientação do sistema 1700. De uma maneirageral, a onda de cisalhamento plana produzida pelo sistema 1700 tem a mesma direcionali-dade que a força de recuo do gerador de onda de sobrepressão 11.

A figura 18A representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica 1800 de acordo com uma modalidade da presente invenção. Tal como mostrado,dois sistemas de onda de cisalhamento plana 1700Ae 1700B são orientados de tal maneiraque as ondas de cisalhamento planas que eles produzem são em direções opostas, fazendocom que eles produzam uma onda de cisalhamento esférica.

A figura 18B representa uma onda de cisalhamento esférica se deslocando em umsentido contrário ao dos ponteiros do relógio. De uma maneira geral, a onda de cisalhamen-to esférica produzida pelo sistema 1800 é no sentido dos ponteiros do relógio ou sentidocontrário ao dos ponteiros do relógio dependendo da orientação dos sistemas 1700A e1700B de um em relação ao outro.

A figura 18C representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica 1800 de acordo com uma outra modalidade da presente invenção. Tal como mos-trado, quatro sistemas de onda de cisalhamento plana 1700A-1700D são orientados de talmaneira que as ondas de cisalhamento planas que eles produzem são em direções opostas,fazendo com que eles produzam uma onda de cisalhamento esférica.

A figura 18D representa uma vista plana de um gerador de onda de cisalhamentoesférica 1800 de acordo com ainda uma outra modalidade da presente invenção. Tal comomostrado, seis sistemas de onda de cisalhamento plana 1700A-1700F são orientados de talmaneira que as ondas de cisalhamento planas que eles produzem são em direções opostas,fazendo com que eles produzam uma onda de cisalhamento esférica.

As várias técnicas de arranjo, técnicas de codificação, etc. descritas de acordo coma segunda modalidade da invenção também são aplicáveis com esta terceira modalidade.Como tal, esta modalidade também tem a capacidade para focalizar e direcionar as ondasacústicas conduzidas, o que capacita imageamento de precisão de recursos situados pro-fundamente dentro do solo tais como a formação de óleo 1504. De forma similar, esta moda-lidade tem a capacidade para desenhar mapa de um fundo de corpo de água.

O sistema aperfeiçoado de exploração sísmica descrito neste documento foi forne-cido como um exemplo dos tipos de aplicações que são capacitadas pela presente inven-ção. Embora modalidades particulares e diversas aplicações exemplares (ou implementa-ções) da invenção tenham sido descritas, será entendido, entretanto, que a invenção nãoestá limitada a isto, uma vez que modificações podem ser feitas pelos versados na técnica,particularmente considerando os preceitos anteriores. Portanto, é considerado que as reivin-dicações anexas cobrem quaisquer tais modificações que incorporam esses recursos ouesses aperfeiçoamentos que incorporam o espírito e escopo da presente invenção.

Claims

1. Método para gerar uma onda acústica conduzida, CARACTERIZADO pelo fatode que compreende as etapas de:causar pelo menos uma detonação dentro de pelo menos um tubo de detonaçãotendo uma extremidade aberta para gerar pelo menos uma onda de sobrepressão;acoplar uma força de recuo da dita pelo menos uma onda de sobrepressão a ummeio alvo para gerar pelo menos uma dita onda acústica conduzida.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adita extremidade aberta do dito pelo menos um tubo de detonação é orientada para direcio-nar a dita pelo menos uma onda de sobrepressão perpendicular ao dito meio alvo e paralonge dele.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adita extremidade aberta do dito pelo menos um tubo de detonação é orientada para direcio-nar a dita pelo menos uma onda de sobrepressão paralela ao dito meio alvo.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que adita força de recuo corresponde a uma de uma onda de cisalhamento plana ou uma onda decisalhamento esférica.

5. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que odito meio alvo é pelo menos um de solo, gelo ou água.

6. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de quecada uma de a dita pelo menos uma onda de sobrepressão é gerada por controlar, de acor-do com parâmetros de detonação, a detonação de uma mistura combustível-oxidante fluindodentro de cada um de o dito pelo menos um tubo de detonação.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, CARACTERIZADO pelo fato de queos ditos parâmetros de detonação compreendem um código de sincronização.

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que odito código de sincronização é um código Barker.

9. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de quecompreende adicionalmente a etapa de:amortecer o som da dita pelo menos uma onda de sobrepressão.

10. Método, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de quecompreende adicionalmente a etapa de:direcionar uma pluralidade de ondas acústicas acopladas da dita pelo menos umaonda acústica acoplada para uma localização de interesse dentro do dito meio alvo pelocontrole da sincronização relativa da geração de uma pluralidade de ondas de sobrepressãoda dita pelo menos uma onda de sobrepressão.

11. Sistema para gerar uma onda acústica conduzida, CARACTERIZADO pelo fatode que compreende:pelo menos um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta para gerar pelomenos uma onda de sobrepressão; eum componente de acoplamento para acoplar uma força de recuo da dita pelo me-nos uma onda de sobrepressão a um meio alvo para gerar pelo menos uma dita onda acús-tica conduzida.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato deque compreende adicionalmente um mecanismo de estabilização que fornece estabilidadepara o movimento do pelo menos um tubo de detonação.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita extremidade aberta do dito pelo menos um tubo de detonação é orientada paradirecionar a dita pelo menos uma onda de sobrepressão perpendicular ao dito meio alvo epara longe dele e o dito mecanismo de estabilização permite somente movimento para cimae para baixo.

14. Sistema, de acordo com a reivindicação 12, CARACTERIZADO pelo fato deque a dita extremidade aberta do dito pelo menos um tubo de detonação é orientada paradirecionar a dita pelo menos uma onda de sobrepressão paralela ao dito meio alvo e o ditomecanismo de estabilização permite somente movimento de lado para lado.

15. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato deque o dito meio alvo é pelo menos um de solo, gelo ou água.

16. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato deque cada uma de a dita pelo menos uma onda de sobrepressão é gerada por controlar, deacordo com parâmetros de detonação, a detonação de uma mistura combustível-oxidantefluindo dentro de cada um de o dito pelo menos um tubo de detonação.

17. Sistema, de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADO pelo fato deque os ditos parâmetros de detonação compreendem um código de sincronização.

18. Sistema, de acordo com a reivindicação 17, CARACTERIZADO pelo fato deque o dito código de sincronização é um código Barker.

19. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, CARACTERIZADO pelo fato deque compreende adicionalmente:um silenciador associado com o dito pelo menos um tubo de detonação.

20. Sistema para gerar e direcionar ondas acústicas conduzidas,CARACTERIZADO pelo fato de que compreende:uma pluralidade de geradores de onda de sobrepressão posicionados em um arran-jo esparso, cada um da dita pluralidade de geradores de onda de sobrepressão compreen-dendo pelo menos um tubo de detonação tendo uma extremidade aberta e sendo usadopara gerar uma pluralidade de ondas de sobrepressão, cada uma da dita pluralidade de on-das de sobrepressão tendo uma força de recuo; euma pluralidade de componentes de acoplamento para acoplar as ditas forças derecuo da dita pluralidade de ondas de sobrepressão a um meio alvo para gerar as ditas on-das acústicas conduzidas, as ditas ondas acústicas conduzidas sendo direcionadas parauma localização de interesse dentro do dito meio alvo com base na sincronização relativa dageração da dita pluralidade de ondas de sobrepressão.