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Die Erfindung bezieht sich auf ein Hydrophon aus einem Rohr bzw. Hohlzylinder, welches geteilte Innenelektroden aufweist.
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Hydrophone werden unter Wasser eingesetzt, um Sonarsignale vorzugsweise zu empfangen oder selbige auszusenden. Insbesondere bei Schleppantennen besteht jedoch die Problematik, dass Signale von auftreffenden Schallwellen, die beispielsweise als Daten auf einem Bussystem geleitet werden, die Hydrophone stören. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist insoweit beeinträchtigt. Insbesondere können die Elektroden, mit denen die Hydrophone kontaktiert werden, als Antennen wirken und so Störsignale aus der Datenübertragung empfangen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Hydrophone, insbesondere in Schleppantennen, die mit einer Vielzahl von Hydrophonen bestückt sind, zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen ein Hydrophon aus einem Rohr mit einem ersten Teilbereich und einem zweiten Teilbereich. Die Teilbereiche können halbzylinderschalen-, d.h. halbröhrenförmig sein. Das Rohr weist insbesondere ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Keramik, z.B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), auf. Der erste und der zweite Teilbereich weisen eine gemeinsame außenliegende Elektrode auf. Ein solches Hydrophon kann auch als Invershydrophon bezeichnet werden. Der erste und der zweite Teilbereich weisen ferner jeweils eine innenliegende Elektrode auf. Die (innen- bzw. außenliegenden) Elektroden der Teilbereiche sind beispielsweise leitfähige Schichten auf den Innen- bzw. Außenflächen des Rohrs. Die beiden Teilbereiche unterscheiden sich durch die Richtung der piezoelektrischen Polarisierung. Der zweite Teilbereich weist eine entgegengesetzte Polarisation zu dem ersten Teilbereich auf. Somit können die beiden Teilbereiche als ein gemeinsames mechanisches Bauteil, ein (beispielsweise einstückiges) Rohr, ausgebildet sein. In Ausführungsbeispielen kann die Bildung des Rohrs mittels zweier zusammengesetzter Halbröhren erfolgen.
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Die innenliegenden Elektroden, insbesondere die leitfähigen Schichten, die die innenliegenden Elektroden bilden, sind durch einen Isolationsbereich voneinander getrennt, d.h. elektrisch gegeneinander isoliert. Die Trennung der innenliegenden Elektroden kann durch Aussparen des Isolationsbereichs bei dem Aufbringen der Elektroden erfolgen.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es, ein gekapseltes Hydrophon zu formen um die Kontaktierung des Hydrophons in das Innere des Hydrophons legen zu können. Außen kann dann ein mittleres Potential (z.B. Masse) angelegt werden, während im Inneren des Hydrophons eine Elektrode für den Anschluss eines Positiven und eine Elektrode für den Anschluss eines negativen Potentials ausgebildet ist. Die Trennung beider Anschlüsse wird durch den Isolationsbereich ermöglicht. So entsteht eine Reihenschaltung von zwei Teilhydrophonen, jeweils ein Teilbereich bildet ein Teilhydrophon. Da beide Teilbereiche ein inverses Signal ausgeben ergibt sich ferner eine doppelt so große Spannungs-Empfindlichkeit als bei einem Hydrophon mit jeweils einem innen- und einem außenliegenden Kontakt.
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Im Vergleich zu entsprechenden Hohlkugeln haben die Hohlröhren den Vorteil, dass deren Kapazität durch eine Verlängerung der Röhre erhöht werden kann, während die Röhre in ihrem Durchmesser unverändert bleibt. Durch die erhöhte Kapazität wird das Signal-Rausch Verhältnis des Hydrophons verbessert. Insbesondere beim Einsatz in Schleppantennen ist die laterale Ausdehnung der Hydrophone begrenzt, weshalb die Kugelhydrophone in ihrer Kapazität begrenzt sind während die erfindungsgemäßen Hydrophone größere Kapazitäten erreichen können ohne dass die laterale Ausdehnung vergrößert wird.
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In Ausführungsbeispielen ist die gemeinsame außenliegende Elektrode ausgebildet, Massepotential zu führen. Die innenliegende Elektrode des ersten Teilbereichs ist ausgebildet, ein negatives Potential gegenüber dem Massepotential zu führen und die innenliegende Elektrode des zweiten Teilbereichs ist ausgebildet, ein positives Potential gegenüber dem Massepotential zu führen. Das Massepotential bildet somit eine elektrisch neutrale Schirmung des Hydrophons. Somit kann die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert werden.
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In Ausführungsbeispielen ist Elektronik zum Betrieb des Hydrophons im Inneren des Hohlraums angeordnet. Bei der Elektronik kann es sich um Steuer- und/oder Auswerteelektronik für das Hydrophon handeln. Steuerelektronik kann das Hydrophon zum Aussenden von Sonarsignalen ansteuern. Auswerteelektronik kann eine Vorverarbeitung, beispielsweise Vorverstärkung und/oder Digitalisierung, von durch Schallwellen erzeugten Hydrophonsignalen vornehmen.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Enden der Hohlröhre jeweils ein Abschlusselement aufweisen, wobei die Abschlusselemente ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen und mit der außenliegenden Elektrode elektrisch verbunden sind, so dass eine Oberfläche des Hydrophons eine Äquipotentialfläche bildet. Somit entsteht ein nach außen vollständig von elektrischen Feldern gekapselter Hohlraum in dem Hydrophon. Allerdings können Leitungen in das Innere des Hydrophons geführt werden, um die dort angeordnete Elektronik bzw. die Kontakte zu kontaktieren und eine entsprechende Datenübertragung zu bzw. von dem Hydrophon zu ermöglichen. Die Abschlusselemente können z.B. Kappen sein, die ein elektrisch leitfähiges Material, beispielsweise Silber und/oder Kupfer und/oder Gold aufweisen, also z.B. elektrisch leitfähig beschichtet sind oder aus leitfähigem Material bestehen. Durch die Äquipotentialfläche entsteht ein Faradayscher Käfig.
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In Ausführungsbeispielen ist die Hohlröhre aus einer ersten Halbröhre, die den ersten Teilbereich ausbildet und einer mit der ersten Halbröhre, insbesondere mechanisch, verbundenen zweiten Halbröhre, die den zweiten Teilbereich ausbildet, geformt. Dies erleichtert die Herstellung der Hohlröhre mit den beiden entgegengesetzten Polarisationen. Ferner kann so ein durch den Polarisationswechsel begünstigter Stress in einem Übergangsbereich einer einstückigen Hohlröhre reduziert werden.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Schleppantenne mit einer Vielzahl von der vorgenannten Hydrophon, die typischerweise hintereinander, d.h. räumlich in Reihe, angeordnet und vorteilhafterweise mechanisch, beispielsweise mittels eines die Hydrophone umgebende Schlauchs, miteinander verbunden sind. Die Schleppantenne weist ferner eine Datenleitung, insbesondere ein Bussystem, auf, wobei die Datenleitung ausgebildet ist, eine Datenübertragung zu der Vielzahl von Hydrophonen zu ermöglichen. Bei Schleppantennen mit kleinen Durchmessern können vorteilhafterweise röhrenförmigen Hydrophone eingesetzt werden. Diese können eine größere Kapazität im Vergleich beispielsweise zu kugelförmigen Hydrophonen gleichen Durchmessers aufweisen.
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Offenbart ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Hydrophons mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Rohrs mit einem ersten Teilbereich und einem zweiten Teilbereich; Aufbringen jeweils einer innenliegenden Elektrode auf den erste Teilbereich und den zweite Teilbereich, wobei die Elektroden des ersten und des zweiten Teilbereichs mittels eines Isolationsbereichs elektrisch gegeneinander isoliert sind; Aufbringen einer gemeinsamen außenliegenden Elektrode auf den ersten und den zweiten Teilbereich; Polarisieren des zweiten Teilbereichs mit einer entgegengesetzten Polarisation zu dem ersten Teilbereich.
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Ausführungsbeispiele zeigen ferner analog ein Verfahren zur Herstellung einer Schleppantenne mit Herstellen einer Vielzahl von Hydrophonen gemäß dem vorigen Verfahren und Verbinden der Hydrophone mittels einer Datenleitung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1a: ein Hydrophon in einer schematischen Darstellung im Schnittbild und als Blick frontal auf die Stirnfläche (auch Kopfseite genannt) sowie in einer perspektivischen Seitenansicht;
- 1 b: die Frontaldarstellung aus 1a mit flächigem Abschlusselement;
- 1c: die Frontaldarstellung aus 1a mit partiellem Abschlusselement;
- 2: eine schematische Darstellung zweier Teilbereiche, aus denen das Hydrophon aus 1 gebildet wird;
- 3: eine schematische Darstellung einer Schleppantenne in einer Seitenansicht.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1a zeigt ein Hydrophon 20 in einer schematischen Darstellung in einer Schnittansicht oben links, als Blick frontal auf eine Kopfseite unten links sowie in einer perspektivischen Seitenansicht unten rechts. Senkrecht zum Endpunkt des Pfeils 21a verläuft die Schnittebene für die Schnittansicht. Pfeil 21b zeigt die Blickrichtung für die Frontalansicht auf das Hydrophon 20 an.
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Das Hydrophon 20 weist einen ersten Teilbereich 22a und einen zweiten Teilbereich 22b auf. Der erste Teilbereich 22a weist eine innenliegende Elektrode 28a auf, der zweite Teilbereich 22b weist eine innenliegende Elektrode 28b auf. Die innenliegende Elektrode 28a kann einen Kontakt für einen negativen Pol des ersten Teilbereichs 22a bereitstellen während die innenliegende Elektrode 28b einen Kontakt für einen positiven Pol des zweiten Teilbereichs 28b bereitstellen kann. Insoweit weist der erste Teilbereich 28a eine Polarisation derart auf, dass der negative Pol an der Innenseite ausgebildet ist während der zweite Teilbereich 28b eine Polarisation derart aufweist, dass der positive Pol an der Innenseite ausgebildet ist. In anderen Worten weist der zweite Teilbereich 28b eine entgegengesetzte Polarisation zu dem ersten Teilbereich 28a auf. Ein Isolationsbereich 24 trennt die beiden innenliegenden Elektroden 28a, 28b elektrisch voneinander.
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Der erste und der zweite Teilbereich 22a, 22b sind entgegengesetzt polarisiert. Die außenliegenden Elektroden 26 der Teilbereiche 22a, 22b sind elektrisch miteinander verbunden, um, insbesondere funktional, eine gemeinsame außenliegende Elektrode 26 zu bilden. Dies kann durch nachträgliches Verbinden der auf die einzelnen Teilbereiche 22a, 22b aufgebrachten Elektroden oder durch Aufbringen der gemeinsamen Elektrode auf das Rohr 22 erfolgen.
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Aus fertigungstechnischer Sicht kann es einfacher sein, die Teilbereiche 22a, 22b in Form von Halbröhren separat herzustellen und nachträglich (mechanisch) zu verbinden. Dies ist möglich, da das Hydrophon vorteilhafterweise einen symmetrischer Körper aufweist, der insbesondere rotationssymmetrisch (um eine Zentralachse) geformt ist.
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Die Linien 23 zeigen einen Übergangsbereich an, in dem die Polarisation wechselt. Dieser kann auch deutlich größer ausfallen als dies schematisch in 1a gezeigt ist. Wird die Hohlröhre 22 aus zwei Halbröhren gebildet zeigen die Linien 23 die Verbindungsstelle zwischen den Halbröhren an.
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In der Frontalansicht unten links ist ferner gezeigt, dass die innenliegende Elektrode 28a des ersten Teilbereichs 22a an der Kopfseite des ersten Teilbereichs 22a zur Kontaktierung nach außen geführt ist. Ferner ist optional die innenliegende Elektrode 28b des zweiten Teilbereichs 22b an einer Kopfseite des zweiten Teilbereichs 22b zur Kontaktierung nach außen geführt. Ebenso ist gezeigt, dass ebenfalls optional die gemeinsame außenliegende Elektrode 26, elektrisch von den innenliegenden Elektroden (mittels des isolierenden Bereiches 24) getrennt, an der Kopfseite des ersten und/oder des zweiten Teilbereichs 22a, 22b nach außen geführt ist. Somit wird neben einer Kontaktierung im Inneren des Hydrophons auch eine Kontaktierung von außen vereinfacht.
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1b zeigt ein Ausführungsbeispiel des röhren- bzw. hohlzylinderförmigen Hydrophons mit einem Abschlusselement, beispielsweise einer Abdeckkappe, das das Hydrophon an beiden Enden (erste und zweite Kopfseite) der Röhre abschließt. Das Abschlusselement 29 schließt das Hydrophon (ganz-) flächig ab. Das Abschlusselement weißt vorteilhafterweise ein elektrisch leitfähiges Material auf, um durch Kontaktierung mit der außenliegenden Elektrode eine Äquipotentialfläche zu bilden. Wird die außenliegende Elektrode mit einem konstanten Potential, beispielsweise Masse, verbunden, entsteht so ein Faradayscher Käfig. Insbesondere die Elektroden 28a, 28b sind dann gegen äußere elektromagnetische Felder geschützt, wodurch dessen EMV Verträglichkeit verbessert wird.
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1c zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel von 1b mit einem partiellen Abschlusselement. Hier wird nur der Hohlraum des Hohlzylinders mit dem Abschlusselement verschlossen so dass die an die Kopfseite geführten innenliegenden Elektroden 28a, 28b weiterhin kontaktiert werden können. Das Abschlusselement deckt jedoch den Hohlraum im Inneren der Hohlröhre ab. Zur Bildung eines vollständigen Faradayschen Käfigs können die nach außen geführten Elektroden mittels einer zweiten Schirmungsebene vor elektromagnetischen Einflüssen geschützt werden. Das Abschlusselement aus 1c kann demnach beispielsweise an der ersten Kopfseite verwendet werden, an der die innenliegenden Elektroden nach außen geführt sind und das Abschlusselement aus 1b kann an der zweiten (gegenüberliegenden) Kopfseite verwendet werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ersatzschaltbilds 30, in dem die beiden dargestellten Kapazitäten 31a, 31b das Äquivalent zu den (darüber dargestellten) Teilbereichen 22a, 22b bilden. Die beiden außenliegenden Kontakte der Kapazitäten sind miteinander verbunden, die innenliegenden Kontakte können beschaltet werden. Hier ist ersichtlich, dass die beiden Teilbereiche, bzw. die Kapazitäten, eine Reihenschaltung bilden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schleppantenne 32 in einer Seitenschnittansicht. Die Schleppantenne weist eine Vielzahl, hier drei, der oben beschriebenen Hydrophone 20 auf. Punkte 38 zeigen an, dass eine beliebige weitere Anzahl von Hydrophonen in der Schleppantenne 32 angeordnet sein können. Die Hydrophone 20 sind mittels einer Datenleitung 34 miteinander verbunden. Die Datenleitung 34 ist beispielsweise ein Bussystem. Über die Datenleitung 34 sind die Hydrophone einzeln ansteuerbar, d.h. sie können beispielsweise im Sendebetrieb zeitlich versetzt oder mit unterschiedlicher Intensität Schallwellen aussenden. Die entsprechenden Informationen können über die Datenleitung 34 bereitgestellt werden. Ferner können auch die Ausgangssignale der Hydrophone im Empfangsbetrieb über die Datenleitung 34 an ein Wasserfahrzeug, beispielsweise ein Schiff oder U-Boot, übermittelt werden.
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Die Hydrophone 20 sind beispielsweise in einem Mantel 36 fixiert, d.h. relativ zu den benachbarten Hydrophonen im Wesentlichen ortsfest angeordnet. Ergänzend oder alternativ zu dem Mantel 36 können aber auch andere Verbindungsmittel, beispielsweise Ketten oder Stangen, verwendet werden um die Hydrophone 36 zu fixieren. Die Schleppantenne kann dann hinter einem Wasserfahrzeug, beispielsweise einem Schiff oder U-Boot, als Sonarsender und/oder Sonarempfänger, hinterhergezogen werden.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Hydrophon
- 21
- Pfeil
- 22
- Rohr
- 22a/b
- erster/zweiterTeilbereich
- 23
- Übergangsbereich
- 24
- Isolationsbereich
- 26
- außenliegende Elektrode
- 28
- innenliegende Elektrode
- 29
- Abschlusselement
- 30
- Ersatzschaltbild
- 31
- Kapazitäten im Ersatzschaltbild
- 32
- Schleppantenne
- 34
- Datenleitung
- 36
- Mantel
- 38
- Punkte, die weitere Hydrophone anzeigen
