DE102017120379A1

DE102017120379A1 - Gegenschallplatte und wasserfahrzeug

Info

Publication number: DE102017120379A1
Application number: DE102017120379.6A
Authority: DE
Inventors: Christoph Hoffmann; Jan-Philip Schwarz
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gegenschallplatte zum Erzeugen eines Unterwassergegenschallsignals, welches eine Reflexion eines externen Schallsignals abschwächt, wobei die Gegenschallplatte wenigstens teilweise als Unterwasserschallmembran ausgebildet ist und einen Unterwasserschallsensor aufweist und der Gegenschallplatte ein erster Schallantrieb zugeordnet ist, sodass mittels des ersten Schallantriebs und der Unterwasserschallmembran das Unterwassergegenschallsignal emittierbar ist, wobei die Gegenschallplatte derart eingerichtet ist, dass mittels einer zugeordneten Auswerte- und Ansteuerungseinrichtung das Unterwassergegenschallsignal mittels des Unterwasserschallsensors ermittelten externen Schallsignals erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gegenschallplatte zum Erzeugen eines Unterwassergegenschallsignals, welches eine Reflektion eines externen Schallsignals abschwächt, wobei die Gegenschallplatte wenigstens teilweise als Unterwasserschallmembran ausgebildet ist und einen Unterwasserschallsensor aufweist und der Gegenschallplatte ein erster Schallantrieb zugeordnet ist, sodass mittels des ersten Schallantriebs und der Unterwasserschallmembran das Unterwasserschallsignal emittierbar ist sowie ein Wasserfahrzeug, insbesondere U-Boot.
U-Boote möchten für Sonarsignale aus bestimmten Quellen möglichst „unsichtbar“ sein. Dazu kann beispielsweise dem U-Boot eine besondere Form aufgeprägt werden, welche die Sonarsignale in möglichst viele Richtungen streut, sodass das bei einem aktiven Sonar ankommende Signal möglichst gering ist. Der Nachteil bei einer derartigen Lösung ist der, dass die Hydrodynamik des U-Boots nicht optimal ist, sodass lediglich geringere Spitzengeschwindigkeiten und ein erhöhter Energiebedarf zum fortbewegen benötigt wird.
Auch kann die Außenhülle des U-Boots ein spezielles Material aufweisen, welches den Schall absorbiert. Jedoch ist dies lediglich für einen kleinen Schallwellenlängenbereich optimierbar. In anderen Bereichen sind die Dämpfungseigenschaften der Materialien suboptimal.
Weiterhin können bestehende U-Boote nur schwer in ihrer Form abgeändert werden oder das Aufbringen schallabsorbierender Materialien stellt eine erhebliche technische Anforderung dar, da bestimmte Messgeräte des U-Boots entsprechend anders angeordnet und umgerüstet werden müssten.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Gegenschallplatte zum Erzeugen eines Unterwassergegenschallsignals, welches eine Reflektion eines externen Schallsignals abschwächt, wobei die Gegenschallplatte wenigstens teilweise als Unterwasserschallmembran ausgebildet ist und einen Unterwasserschallsensor aufweist und der Gegenschallplatte ein erster Schallantrieb zugeordnet ist, sodass mittels des ersten Schallantriebs und der Unterwasserschallmembran das Unterwassergegenschallsignal emittierbar ist, wobei die Gegenschallplatte derart eingerichtet ist, dass mittels einer zugeordneten Auswerte-und Ansteuerungseinrichtung das Unterwassergegenschallsignal mittels des Unterwasserschallsensors ermittelten externen Signals erzeugt wird.
Somit kann aktiv ein Gegenschallsignal erzeugt werden, welches am Empfangsort (zumeist entspricht dies dem Ort, an dem das externe Schallsignal erzeugt wurde) keine wesentlichen Schallpegel erzeugt, sodass gegebenenfalls ein U-Boot nicht detektiert wird. Mithin erfolgt somit ein „Abschwächen“ des externen Schallsignals.
Zudem kann mit der vorliegenden Gegenschallplatte ein Wasserfahrzeug oder ein Schiff oder ein U-Boot entsprechend nachgerüstet werden. Insbesondere, wenn die Gegenschallplatte nur vereinzelt an dem Wasserfahrzeug angeordnet wird, stellt dies eine kostengünstige und technisch einfache Möglichkeit dar, um für fremde Sonare unentdeckt zu bleiben.
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Eine „Gegenschallplatte“ ist eine Vorrichtung, welche sowohl Schallsignale messen, als auch ein entsprechendes Gegenschallsignal erzeugen kann. Die Gegenschallplatte kann Beispielsweise aus einer Keramik bestehen und entsprechend selbst als Schallgeber fungieren. Auch kann die Gegenschallplatte gebeugt/gebogen sein, sodass diese beispielsweise an abgerundeten Bereichen der Hülle eines U-Boots angeordnet werden kann. Die Form kann sowohl quadratisch als auch rechteckig, polygonal oder auch kreisrund oder elliptisch oder Kombination aus diesen Formen sein. Idealerweise ist die Ausdehnung, zum Beispiel Breite und Länge bei einer quadratischen Gegenschallplatte kleiner 1/8 der Wellenlänge des externen Schallsignals, bevorzugt kleiner 1/10 der Wellenlänge des externen Schallsignals, wobei die Wellenlänge des Schallsignals eine intensitätsmäßig gemittelte Wellenlänge ist.
Ein „Unterwassergegenschallsignal“ ist insbesondere ein Schallsignal, welches in Kombination mit dem reflektierten Anteil des externen Schallsignals derart superponiert, dass möglichst am Empfangsort (beispielsweise der Sendeort des ausgesandten externen Signals) kleine Amplitudenänderungen erzeugt werden, welche dort als übliches Rauschen identifiziert wird. Somit erfolgt ein „Abschwächen“ des externen Schallsignals.
Das „externe Schallsignal“ ist insbesondere ein mittels eines aktiven Sonars ausgestrahltes Unterwasserschallsignal, welches das Orten von bestimmten Unterwasserstrukturen ermöglicht. Dabei wird das externe Schallsignal ausgesandt und die Reflektion analysiert. Anhand des Reflektionssignals kann üblicherweise ein Gegenstand oder eine Unterwasserstruktur bestimmt werden.
Die „Reflektion des externen Schallsignals“ ist insbesondere das durch die Gegenschallplatte und die umgebende Struktur (Beispielsweise die Hülle des U-Boots) erzeugte Signal, welches rückgestreut wird.
Eine „Unterwasserschallmembran“ ist insbesondere ein in oder an der Gegenschallplatte angeordneter Bereich, welcher durch Anregung dem umgebenden Wasser ein Schallsignal aufprägt. Auch kann im Wesentlichen eine Oberfläche der Gegenschallplatte selbst als Unterwasserschallmembran wirken. In diesem Fall ist die Fläche der Gegenschallplatte als Keramik ausgebildet, beziehungsweise wird im Wesentlichen durch Keramikfilamente gebildet.
Der „Unterwasserschallsensor“ ist insbesondere ein Hydrophon, welches das externe Schallsignal in Amplitude und Phase messtechnisch bestimmen kann. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Kugelhydrophon, welches beispielsweise mittig in der Gegenschallplatte angeordnet ist. In dieser Ausführung hat beispielsweise die Gegenschallplatte mittig eine Öffnung, in welcher das Kugelhydrophon angeordnet ist.
Ein „Schallantrieb“ ist insbesondere ein Aktuator, welcher beispielsweise der Keramik oder den Keramikfilamenten, ein piezoelektrisches Signal aufprägt, sodass durch Vibration dem umgebenden Wassermedium ein Unterwasserschallsignal aufgeprägt wird. Dieser Antrieb kann beispielsweise durch Elektroden realisiert sein.
Die der Gegenschallplatte zugeordnete „Auswerte- und Ansteuerungseinrichtung“ ist insbesondere eine Elektronik, welche beispielsweise Signale des Kugelhydrophons messtechnisch auswertet und entsprechend an den Schallantrieb ein Signal sendet, welches adaptiv das Unterwassergegenschallsignal erzeugt.
Somit wird ein System zur Verfügung gestellt, welches auf externe Unterwasserschallsignale adaptiv Unterwassergegenschallsignale erzeugt.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Gegenschallplatte einen zweiten Schallantrieb, einen dritten Schallantriebe, einen vierten Schallantrieb, und/oder weitere Schallantriebe auf, welcher oder welche der Gegenschallplatte zugeordnet ist oder sind, sodass mittels des zweiten Schallantriebs, des dritten Schallantriebs, des vierten Schallantriebs und/oder der weiteren Schallantriebe einzeln oder ergänzend und mittels der Unterwasserschallmembran das Unterwassergegenschallsignal emittierbar ist.
Insbesondere in der Ausführungsform mit vier Schallantrieben sind diese bei einer quadratischen oder rechteckigen Platte jeweils in mittig in den einzelnen Quadranten angeordnet.
Um unterschiedliche Formen der Gegenschallplatte zur Verfügung zu stellen, kann die Gegenschallplatte kreisförmig, dreieckig, quadratisch, rechteckig oder polygonförmig ausgestaltet sein. Auch kreisrunde oder elliptische Formen sowie Kombinationen der einzelnen Formen sind realisierbar.
Um ein optimales Unterwassergegenschallsignal zu erzeugen, können die Schallantriebe in einem Außenbereich der Gegenschallplatte angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterwasserschallsensor im Wesentlichen mittig in der Gegenschallplatte angeordnet.
Eine derart zentrale Anordnung ermöglicht es, in Kombination mit der Unterwasserschallmembran optimiert das externe Schallsignal zu detektieren und das Unterwassergegenschallsignal zu erzeugen.
Damit das Erzeugen des Unterwassergegenschallsignals den Unterwasserschallsensor und insbesondere das Hydrophon schalltechnisch möglichst gering beeinflusst, kann der Unterwasserschallsensor mittels eines Schalldämpfers im Wesentlichen schallentkoppelt an und/oder in der Gegenschallplatte angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterwasserschallsensor ein Kugelhydrophon. Kugelhydrophone zeichnen sich durch hohe Sensitivität und schnelle messtechnische Ermittlung eines Unterwasserschallsignals aus.
Um eine möglichst einfache technische Realisierung der Unterwasserschallmembran bereitstellen zu können, kann die Unterwasserschallmembran eine Keramik oder Keramikfilamente aufweisen. Diese können beispielsweise durch piezoelektrisches Ansteuern dem umgebenden Medium ein Schallsignal aufprägen.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere U-Boot, wobei an einem wasserzugänglichen Außenbereich eine zuvor beschriebene Gegenschallplatte angeordnet ist.
Somit kann eine derartige Gegenschallplatte direkt bei der Herstellung des Wasserfahrzeugs, insbesondere U-Boot, vorgesehen sein, oder es können auch existierende Wasserfahrzeuge, insbesondere U-Boote, mit derartigen Gegenschallplatten nachgerüstet werden.
In einem diesbezüglichen Aspekt des Wasserfahrzeugs ist die Gegenschallplatte an einem Glanzpunkt des Wasserfahrzeuges angeordnet.
Ein „Glanzpunkt“ ist insbesondere der Bereich eines Unterwasserfahrzeuges, welcher starke Rückstrahleigenschaften für Unterwasserschall aufweist. Dies kann beispielsweise bei einem U-Boot der Turm oder auch der Bereich der Schraube sein.
Insbesondere hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass das Anordnen der Gegenschallplatte an den Glanzpunkten, trotz etwaiger Rückstrahleigenschaften des übrigen Körpers eines U-Bootes, ausreicht, um ein U-Boot ausreichend gut zu tarnen.
Im weitern wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die

1: eine stark schematische Darstellung einer Gegenschallplatte mit 4 Hydrophonantrieben und einem mittigen Kugelsensor sowie
2: eine stark schematische Darstellung eines U-Boots mit mehreren angeordneten Gegenschallplatten.

Eine Gegenschallplatte 101 weist mittig ein Loch 107 auf. Die Gegenschallplatte 101 weist eine quadratische Form auf, wobei jeweils an den Ecken Elektroden 105 angeordnet sind, welche als Schallantriebe dienen. Die Länge und Breite beträgt jeweils 1/10 der zu erwartenden Abfragewellenlänge eines fremden aktiven Sonars.
Die Gegenschallplatte besteht aus einer Keramik, sodass über die Elektroden 105 eine Vibration in die Bildebene hinein realisierbar ist.
Zentrisch zum Loch 107 ist ein Kugelhydrophon 103 angeordnet.
Sowohl die Elektroden 105 als auch das Kugelhydrophon 103 sind energieversorgend und signalaustauschend mit einer Elektronik (nicht dargestellt) verbunden. Die Elektronik weist ein FPGA auf, welches den Regelalgorithmus zum Bestimmen des Unterwassergegenschallsignals und dem Ansteuern der Keramikplatte und somit der Elektroden realisiert.
In einer Alternativ befindet sich die Elektronik im Innern eines Unterwasserfahrzeuges und ist Bestandteil eines Rechners.
Vorliegende Gegenschallplatte 101 sei mehrfach an der Außenhülle eines U-Bootes 201 angeordnet.
Möchte nun ein fremdes Schiff das U-Boot 201 orten, da es beispielsweise vermutet, dass es sich in seinen Gewässern aufhält, sendet dieses fremde Schiff aktive Sonarsignale aus. Sofern diese Signale auf die Gegenschallplatten 101 des U-Bootes 201 gelangen, werden diese messtechnisch durch die Kugelhydrophone 103 gemessen und das Messergebnis entsprechend durch die Elektronik ausgewertet. Innerhalb kürzester Zeit werden die Elektroden 105 elektrisch angesteuert, sodass die aus Keramik bestehende Gegenschallplatte 101 dem umgebenden Wasser ein Unterwassergegenschallsignal aufprägt.
Bezugszeichenliste

101: Gegenschallplatte
103: Kugelhydrophon
105: Schallantrieb
107: Loch
201: U-Boot

Claims

Gegenschallplatte zum Erzeugen eines Unterwassergegenschallsignals, welches eine Reflexion eines externen Schallsignals abschwächt, wobei die Gegenschallplatte wenigstens teilweise als Unterwasserschallmembran ausgebildet ist und einen Unterwasserschallsensor aufweist und der Gegenschallplatte ein erster Schallantrieb zugeordnet ist, sodass mittels des ersten Schallantriebs und der Unterwasserschallmembran das Unterwassergegenschallsignal emittierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschallplatte derart eingerichtet ist, dass mittels einer zugeordneten Auswerte- und Ansteuerungseinrichtung das Unterwassergegenschallsignal mittels des Unterwasserschallsensors ermittelten externen Schallsignals erzeugt wird.
Gegenschallplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Schallantrieb, einen dritten Schallantrieb, einen vierten Schallantrieb und/oder durch weitere Schallantriebe, welcher oder welche der Gegenschallplatte zugeordnet ist oder sind, sodass mittels des zweiten Schallantriebs, des dritten Schallantriebs, des vierten Schallantriebs und/oder der weiteren Schallantriebe einzeln oder ergänzend und der Unterwasserschallmembran das Unterwasserschallsignal emittierbar ist.
Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschallplatte kreisförmig, dreieckig, quadratisch, rechteckig oder polygonförmig ausgestaltet ist.
Gegenschallplatte nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallantriebe in einem Außenbereich der Gegenschallplatte angeordnet sind.
Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwasserschallsensor im Wesentlichen mittig angeordnet ist.
Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwasserschallsensor mittels eines Schalldämpfers im Wesentlichen schallentkoppelt an der Gegenschallplatte angeordnet ist.
Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwasserschalsensor ein Kugelhydrophon ist.
Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterwasserschallmembran eine Keramik oder Keramikfilamente aufweist.
Wasserfahrzeug, insbesondere U-Boot, dadurch gekennzeichnet, dass an einem wasserzugänglichen Außenbereich eine Gegenschallplatte nach einem der vorherigen Ansprüche angeordnet ist.
Wasserfahrzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschallplatte an einem Glanzpunkt des Wasserfahrzeugs angeordnet ist.