DE10119867A1 - Underwater antenna - Google Patents

Underwater antenna

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Abstract

An underwater aerial comprising a housing (10) containing an integral transducer unit (13) made of numerous electro-acoustic transducers (131), and transducer operating components (17). The latter are fixed in place by holders (15), and are located in a receiving area (16) filled with a filler material whose acoustic impedance is close to that of water. The filler material is polyurethane.

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.The invention relates to an underwater antenna in Preamble of claim 1 defined genus.

Solche Unterwasserantennen sind bei bestimmten Anwendungen, z. B. in Verbindung mit einem Minensuch- oder -schutzsonar oder einem Sedimentsonar für seismische Untersuchungen im Meeresboden, erheblichen Schockbelastungen durch Druckwellen ausgesetzt, die von Detonationen erzeugt werden. Im Antennengehäuse solcher Unterwasserantennen sind neben den elektroakustischen Wandlern zum Schallempfang oder zum Schallsenden noch weitere Bauteile und Baugruppen enthalten, so z. B. Elektronikkomponenten, wie Vorverstärker, Übertragungstransformatoren, Drosseln etc. Diese Bauteile sind in einem im Gehäuse ausgebildeten Aufnahmeraum untergebracht und auf einem Halter befestigt, der seinerseits im Gehäuse festgelegt ist.Such underwater antennas are for certain applications, z. B. in connection with a mine detection or protection sonar or a sediment sonar for seismic surveys in the Seabed, considerable shock loads from pressure waves exposed to detonations. in the Antenna housings of such underwater antennas are next to the electroacoustic transducers for sound reception or for Sound transmissions contain other components and assemblies, so z. B. electronic components, such as preamplifiers, Transmission transformers, chokes, etc. These components are in a receiving space formed in the housing housed and attached to a holder, which in turn is fixed in the housing.

Bei solchen Schockbelastungen treten an diesen Bauteilen der Unterwasserantennen erhebliche Kräfte auf, so daß die Bauteile daher besonders schockfest ausgelegt werden müssen. Aber auch die Befestigung der Bauteile an dem Halter und des Halters im Gehäuse müssen extrem hohe Kräfte auffangen können und entsprechend ausgelegt werden. Beides führt zu einer erheblichen Steigerung der Herstellungskosten einer solchen Unterwasserantenne.With such shock loads occur on these components Underwater antennas considerable forces, so that the Components must therefore be designed to be particularly shockproof. But also the attachment of the components to the holder and the Holders in the housing must be able to absorb extremely high forces and be interpreted accordingly. Both lead to one  significant increase in the cost of manufacturing such Underwater antenna.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Unterwasserantenne der vorstehend beschriebenen Art die Kräfte, die bei Auftreffen von durch Explosionen im Wasser ausgelösten Druckwellen auf das Gehäuse der Unterwasserantenne an den Bauteilen angreifen, zu reduzieren.The invention has for its object in a Underwater antenna of the type described above Forces caused by explosions in the water triggered pressure waves on the housing of the Attack underwater antenna on the components to reduce.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.The object is according to the features in Claim 1 solved.

Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne hat den Vorteil, daß durch die Ausfüllung des Aufnahmeraums mit an Wasser impedanzangepaßtem Füllstoff die auf die Unterwasserantenne auftreffende Druckwelle nicht an der Grenzschicht zum hohlen Aufnahmeraum reflektiert wird, sondern das gesamte Gehäuse der Unterwasserantenne ohne wesentliche Reflexionen durchläuft. Da keine Reflexionswelle entsteht, die sich der einlaufenden Druckwelle überlagert, werden die Bauteile durch die Druckwelle weit weniger stark beschleunigt als bei einem nur luftgefüllten Aufnahmeraum, und zwar um etwa die Hälfte. Zudem übt die Füllung einerseits eine mechanische Stützfunktion für die Bauteile aus und verhindert andererseits durch das vollständige Umschließen der Bauteile, daß diese in Resonanz geraten und es zu einer weiteren Erhöhung der an den Bauteilen angreifenden oszillierenden Kraft, der sog. Resonanzüberhöhung, kommt, die nochmals eine Verdopplung des Beschleunigungswerts hervorrufen würde. Insgesamt treten damit durch die Füllung des Aufnahmeraums an den Bauteilen geringere Kräfte auf, was geringere Anforderungen an die Schockfestigkeit der Bauteile und geringere Anforderungen an die Lagerkräfte für die Befestigungen der Bauteile stellt. Beides läßt die Fertigungskosten der Unterwasserantenne sinken.The underwater antenna according to the invention has the advantage that by filling the recording room with water impedance-matched filler on the underwater antenna impacting pressure wave not at the boundary layer to the hollow Recording room is reflected, but the entire housing the underwater antenna without significant reflections passes. Since there is no reflection wave, which is the incoming pressure wave superimposed, the components through the pressure wave accelerates far less than one only air-filled recording space, by about half. In addition, the filling exercises a mechanical one Support function for the components and prevents on the other hand, by completely enclosing the components, that they resonate and there is another Increase the oscillating attack on the components Force, the so-called resonance exaggeration, comes again Doubling the acceleration value would cause. Overall, this is due to the filling of the recording space the components have lower forces, which is lower Requirements for the shock resistance of the components and lower demands on the bearing forces for the  Fastening the components. Both leaves the Manufacturing costs of the underwater antenna decrease.

Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.Appropriate embodiments of the invention Underwater antenna with advantageous developments and Refinements of the invention result from the others Claims.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Füllstoff eine Flüssigkeit oder ein Gel. Eine Flüssigkeitsfüllung erleichtert den Austausch oder die Reparatur von Bauteilen. Dies gilt auch für Füllungen mit einem Gel, wenn das Gel die Eigenschaft besitzt, bei Erwärmung fließfähig zu werden.According to an advantageous embodiment of the invention the filler is a liquid or a gel. A Liquid filling facilitates the exchange or the Repair of components. This also applies to fillings with a gel if the gel has the property at Warming to become fluid.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben, Es zeigen:The invention is based on one shown in the drawing Embodiment described in more detail below, Es demonstrate:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Unterwasserantenne, nur schematisch dargestellt, Fig. 1 is a longitudinal section of an underwater antenna, shown only schematically,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer konstruktiven Ausführung der Unterwasserantenne mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse, Fig. 2 is a perspective view of a constructive embodiment of the underwater antenna with a partially cutaway housing,

Fig. 3 und 4 jeweils ein beispielhaftes Diagramm der bei Schockbelastung der Unterwasserantenne im Knoten A in Fig. 1 auftretenden Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit bei ungefülltem (Fig. 3) und gefülltem (Fig. 4) Aufnahmeraum. FIGS. 3 and 4 are an exemplary diagram of the acceleration occurring during shock loading of the underwater antenna in node A in Fig. 1 as a function of time in unfilled (Fig. 3) and filled (Fig. 4) receiving space.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt und nur schematisch und in Fig. 2 als ein konstruktives Ausführungsbeispiel dargestellte Unterwasserantenne dient vorzugsweise zur Minendetektion und ist ein wesentlicher Sensor einer Minenmeideanlage. Die Antenne weist ein mit einem Deckel 11 verschlossenes steifes Gehäuse 10 auf, das am freien Ende eines Trägers 12 befestigt ist. Der Träger 12 ist im Rumpf eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines U-Boots, axial verschiebbar gehalten, so daß die Antenne durch eine Öffnung im Rumpfboden ein- und ausgefahren werden kann. Ggf. ist der Träger 12 auch um seine Längsachse drehbar ausgebildet.The underwater antenna shown in FIG. 1 in longitudinal section and only schematically and in FIG. 2 as a constructive exemplary embodiment is preferably used for mine detection and is an essential sensor of a mine avoidance system. The antenna has a rigid housing 10 which is closed by a cover 11 and which is fastened to the free end of a carrier 12 . The carrier 12 is held axially displaceably in the hull of a watercraft, in particular a submarine, so that the antenna can be moved in and out through an opening in the hull bottom. Possibly. the carrier 12 is also designed to be rotatable about its longitudinal axis.

Wie in der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 angedeutet ist, weist die Unterwasserantenne eine ein sog. Flächenarray bildende Wandleranordnung 13 aus einer Vielzahl von einzelnen, voneinander horizontal und vertikal beabstandet angeordneten Wandlern 131 auf, die in einen Umguß 14 aus Kunststoff, z. B. Polyurethan, eingebettet sind. Die Wandleranordnung 13 ist im vorderen Bereich des Gehäuses 10 aufgenommen und an einer im Gehäuse 10 sich quer erstreckenden Montageplatte 15 befestigt. Auf der von der Wandleranordnung 13 abgekehrten Rückseite der Montageplatte 15 ist im Gehäuse 10 ein Aufnahmeraum 16 für weitere Bauteile 17 der Antenne vorgesehen. Diese Bauteile 17 sind beispielsweise Vorverstärker, Übertragertransformatoren, Drosseln oder andere Elektronikkomponenten. Diese Bauteile 17 sind über geeignete Befestigungsstifte 18 an der Montageplatte 15 befestigt. Die in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Bauteile 17 sind in einer konstruktiven Ausführung in Fig. 2 zu sehen. Sie weisen jeweils eine doppellagige Leiterplatte 19 auf, auf welcher die Elektronikkomponenten befestigt und miteinander elektrisch verbunden sind. Jede Leiterplatte 19 ist über die bereits erwähnten Befestigungsstifte 18 an der Montageplatte 15 festgelegt. An der Montageplatte 15 befestigte Steckverbinder 20 stellen die elektrische Verbindung zwischen den Elektronikkomponenten und den Wandlern 131 der Wandleranordnung 13 her.As indicated in the schematic sectional view of FIG. 1, the underwater antenna has a transducer arrangement 13 which forms what is known as a surface array and comprises a large number of individual transducers 131 which are arranged horizontally and vertically at a distance from one another and which are encased in a casting 14 made of plastic, e.g. B. polyurethane are embedded. The transducer arrangement 13 is received in the front region of the housing 10 and fastened to a mounting plate 15 which extends transversely in the housing 10 . On the rear side of the mounting plate 15 facing away from the transducer arrangement 13, a receiving space 16 for further components 17 of the antenna is provided in the housing 10 . These components 17 are, for example, preamplifiers, transformer transformers, chokes or other electronic components. These components 17 are fastened to the mounting plate 15 via suitable fastening pins 18 . The components 17 shown only schematically in FIG. 1 can be seen in a constructive embodiment in FIG. 2. They each have a double-layer printed circuit board 19 on which the electronic components are fastened and electrically connected to one another. Each printed circuit board 19 is fixed to the mounting plate 15 via the fastening pins 18 already mentioned. Connectors 20 attached to the mounting plate 15 establish the electrical connection between the electronic components and the transducers 131 of the transducer arrangement 13 .

Nach Einsetzen der Bauteile 17 wird der gesamte Aufnahmeraum 16 mit einem Füllstoff 21 ausgefüllt, dessen akustische Impedanz an der des Wasser angenähert ist. Trifft eine Druckwelle, die beispielsweise von der Explosion einer Mine ausgelöst wird, mit einer Druckamplitude p0 auf die Wandleranordnung 13 auf, so bleibt die Druckamplitude p0 beim Durchgang durch den Umguß 14, der eine zum Wasser vergleichbare akustische Impedanz aufweist, angenähert erhalten und trifft auf die Grenzfläche zwischen Umguß 14 und Füllstoff 21. Diese Druckwelle erzeugt an der Montageplatte 15 eine Oszillation, wobei die Montageplatte 15 eine gemittelte Beschleunigung erfährt von
After insertion of the components 17 , the entire receiving space 16 is filled with a filler 21 , the acoustic impedance of which approximates that of the water. If a pressure wave, which is triggered, for example, by the explosion of a mine, impinges on the transducer arrangement 13 with a pressure amplitude p 0 , the pressure amplitude p 0 remains approximately when passing through the encapsulation 14 , which has an acoustic impedance comparable to that of water meets the interface between casting 14 and filler 21 . This pressure wave generates an oscillation on the mounting plate 15 , the mounting plate 15 experiencing an average acceleration of

wobei ρ die Massendichte, c die Schallgeschwindigkeit und θ die 1/e-Breite ist. Die 1/e-Breite ist diejenige Zeitspanne, in welcher die auf die Druckamplitude p0 normierte Druckamplitude p(t) der Druckwelle auf den Wert 1/e abgeklungen ist. Bei z. B. einer Druckwelle von 200 bar, einer 1/e-Breite von θ = 1.10-3 sec und einer Schallgeschwindigkeit c = 1500 m/sec ergibt sich eine mittlere Beschleunigung a0 = 1,3.104 m/sec2. Besitzen die Bauteile 17 die Masse m, so müssen die Lagerungskräfte, mit denen die Bauteile 17 an der Montageplatte 15 gehalten werden, größer als F = 2ma0 sein. Wäre der impedanzangepaßte Füllstoff 21 im Aufnahmeraum 16 nicht vorhanden, sondern dieser nur luftgefüllt, so würde die Druckwelle an der Grenzfläche zwischen Umguß 14 und Aufnahmeraum 16 reflektiert und die Reflexionswelle sich der Druckwelle überlagern. Die auf die Montageplatte 15 wirkende Druckamplitude würde sich verdoppeln, so daß doppelt so hohe Lagerkräfte erforderlich wären, um ein Ablösen der Bauteile 17 von der Montageplatte 15 zu verhindern.where ρ is the mass density, c the speed of sound and θ the 1 / e width. The 1 / e width is the time period in which the pressure amplitude p (t) of the pressure wave normalized to the pressure amplitude p 0 has decayed to the value 1 / e. At z. B. a pressure wave of 200 bar, a 1 / e width of θ = 1.10 -3 sec and a speed of sound c = 1500 m / sec results in an average acceleration a 0 = 1.3.10 4 m / sec 2 . If the components 17 have the mass m, the bearing forces with which the components 17 are held on the mounting plate 15 must be greater than F = 2ma 0 . If the impedance-adapted filler 21 were not present in the receiving space 16 , but rather only filled with air, the pressure wave would be reflected at the interface between the encapsulation 14 and the receiving space 16 and the reflection wave would overlap the pressure wave. The pressure amplitude acting on the mounting plate 15 would double, so that twice as high bearing forces would be required to prevent the components 17 from detaching from the mounting plate 15 .

In den beiden Diagrammen der Fig. 3 und 4 sind die vorstehend beschriebenen Beschleunigungsverhältnisse bei luftgefülltem Aufnahmeraum 16 (Fig. 3) und bei mit impedanzangepaßtem Füllstoff 21 gefülltem Aufnahmeraum 16 illustriert. Dabei ist die Beschleunigung des Knotens A auf der Montageplatte 15 in Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei im Zeitpunkt t = 0 die Druckwelle mit einer Druckamplitude von z. B. 190 bar auf die Wandleranordnung 13 auftrifft. Deutlich ist zu sehen, daß die Beschleunigung des Knotens A durch den Füllstoff 21 erheblich reduziert wird. Eine solche Reduzierung wird noch größer, wenn man berücksichtigt, daß bei luftgefülltem Aufnahmeraum 16 an der Montageplatte 15 eine Resonanzüberhöhung auftreten kann, wenn 1/θ der Resonanzfrequenz der Lagerung der Bauteile 17 entspricht.In the two diagrams of FIGS. 3 and 4, the acceleration conditions described above are illustrated with the air-filled receiving space 16 ( FIG. 3) and with the receiving space 16 filled with impedance-adapted filler 21 . The acceleration of the node A on the mounting plate 15 is shown in FIG. 1 as a function of time, with the pressure wave having a pressure amplitude of z. B. 190 bar hits the transducer assembly 13 . It can clearly be seen that the acceleration of the node A is significantly reduced by the filler 21 . Such a reduction is even greater if one takes into account that in the case of an air-filled receiving space 16 on the mounting plate 15 a resonance increase can occur if 1 / θ corresponds to the resonance frequency of the mounting of the components 17 .

Als Füllstoff 21 wird vorzugsweise eine Flüssigkeit, z. B. Öl oder ein Gel verwendet, daß durch Erwärmen fließfähig wird. Bei einem solchen Füllstoff 21 kann der Aufnahmeraum 16 zwecks Reparatur oder Austausch der Bauteile 17 entleert werden. Als Füllstoff 21 kann aber auch ein flüssiges Vergußmaterial, z. B. Polyurethan, verwendet werden, das aushärtet.A filler 21 is preferably a liquid, e.g. B. oil or a gel that becomes fluid by heating. With such a filler 21 , the receiving space 16 can be emptied for the purpose of repairing or replacing the components 17 . As a filler 21 can also be a liquid potting material, for. As polyurethane can be used, which hardens.

Claims (12)

1. Unterwasserantenne mit einem Gehäuse (10), mit einem im Gehäuse (10) ausgebildeten Aufnahmeraum (16) und mit im Aufnahmeraum (16) aufgenommenen Bauteilen (17), die an einem im Gehäuse (10) festgelegten Halter (15) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (16) vollständig mit einem Füllstoff (21) ausgefüllt ist, dessen akustische Impedanz an die des Wassers angenähert ist.1. Underwater antenna with a housing ( 10 ), with a receiving space ( 16 ) formed in the housing ( 10 ) and with components ( 17 ) accommodated in the receiving space ( 16 ), which are fastened to a holder ( 15 ) fixed in the housing ( 10 ) , characterized in that the receiving space ( 16 ) is completely filled with a filler ( 21 ) whose acoustic impedance approximates that of the water. 2. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) ein Gel ist.2. Underwater antenna according to claim 1, characterized in that the filler ( 21 ) is a gel. 3. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) eine Flüssigkeit ist.3. Underwater antenna according to claim 1, characterized in that the filler ( 21 ) is a liquid. 4. Unterwasserantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Öl ist.4. Underwater antenna according to claim 3, characterized characterized that the liquid is oil. 5. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) ein aushärtendes Vergußmaterial ist.5. Underwater antenna according to claim 1, characterized in that the filler ( 21 ) is a hardening potting material. 6. Unterwasserantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergußmaterial aus Polyurethan besteht. 6. Underwater antenna according to claim 5, characterized characterized in that the potting material made of polyurethane consists.   7. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (17) Elektronikkomponenten sind.7. Underwater antenna according to one of claims 1-6, characterized in that the components ( 17 ) are electronic components. 8. Unterwasserantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikkomponenten auf Leiterplatten (19) angeordnet sind, die am Halter (15) befestigt sind.8. Underwater antenna according to claim 7, characterized in that the electronic components are arranged on printed circuit boards ( 19 ) which are attached to the holder ( 15 ). 9. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter eine Montageplatte (15) ist.9. Underwater antenna according to one of claims 1-8, characterized in that the holder is a mounting plate ( 15 ). 10. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) eine Wandleranordnung (13) mit einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern (131) aufweist, die in einem Umguß (14) mit dem Wasser angepaßter akustischer Impedanz eingebettet sind, und daß der Aufnahmeraum (16) auf der Rückseite des Umgusses (14) angeordnet ist.10. Underwater antenna according to one of claims 1-9, characterized in that the housing ( 10 ) has a transducer arrangement ( 13 ) with a plurality of electroacoustic transducers ( 131 ) embedded in a casting ( 14 ) with the water adapted acoustic impedance are, and that the receiving space ( 16 ) is arranged on the back of the casting ( 14 ). 11. Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (15) am Umguß (14) anliegt.11. Underwater antenna according to claim 9 and 10, characterized in that the mounting plate ( 15 ) abuts the casting ( 14 ). 12. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) an einen um seine Längsachse schwenkbaren Träger (12) befestigt ist, der aus dem Rumpf eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs, ausschiebbar und in den Rumpf einziehbar ausgebildet ist.12. Underwater antenna according to one of claims 1-11, characterized in that the housing ( 10 ) is attached to a pivotable about its longitudinal axis support ( 12 ) which can be pushed out and retracted into the hull of the hull of a watercraft, in particular an underwater vehicle is trained.
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