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Die Erfindung bezieht sich auf eine Wasserschallempfangsanordnung mit einem Wasserschallempfänger und einer hinter dem Wasserschallempfänger angeordneten Dämpfungsschicht zur Reduzierung des Einflusses von Störschall auf von dem Wasserschallempfänger empfangenen (Gesamt-) Wasserschall, der Störschall und Nutzschall umfasst.
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Wasserschallempfangsanordnungen umfassen typischerweise einen Wasserschallwandler, einen schallharten Reflektor und eine schallweiche Dämpfungsschicht. In dieser Reihenfolge sind diese gestapelt und typischerweise direkt mechanisch miteinander verbunden. So ist es möglich, mit geringem Bauraum der Wasserschallempfangsanordnung ein gutes Signal-Rausch Verhältnis zu erhalten. Der schallharte Reflektor verstärkt das von vorne auf den Wasserschallwandler auftreffende Nutzsignal im Vergleich zu einer Freifeldanordnung des Wasserschallwandlers. Die Dämpfungsschicht dämpft etwaige Störsignale, die von hinten auf den Wasserschallwandler auftreffen.
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Dieses Prinzip funktioniert jedoch nicht über den gesamten Frequenzbereich. So hat sich gezeigt, dass bei niedrigen Frequenzen nicht nur keine Verstärkung durch den schallharten Reflektor auftritt, sondern das Nutzsignal sogar gedämpft wird. D.h. der Wasserschallwandler empfängt signifikant weniger Schallenergie des Wasserschalls im Vergleich zu einem Einsatz im Freifeld.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für eine Wasserschallempfangsanordnung 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 eine Wasserschallempfangsanordnung mit einem Wasserschallempfänger und einem Wasserschalldämpfer. Der Wasserschallempfänger wandelt auftreffenden Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal um. Der Wasserschalldämpfer weist eine Schalldämpfungsschicht auf, die ein schallweiches Material umfasst oder daraus besteht, um auftreffenden Wasserschall gedämpft zu reflektieren. D.h. der auftreffende Wasserschall verliert signifikant an Energie bevor dieser wieder reflektiert wird. Der Energieverlust kann mehr als 10%, mehr als 20% oder mehr als 30% der Energie des Wasserschalls beim Auftreffen auf den Wasserschalldämpfer betragen. Der Wasserschalldämpfer ist typischerweise überwiegend, insbesondere aus Hauptschalleinfallsrichtung betrachtet, hinter dem Wasserschallempfänger angeordnet. So reduziert dieser eine Reflexion von auftreffendem Nutzschall. Ferner kann so Störschall aus Richtung des Wasserschalldämpfers nicht oder nur gedämpft zu dem Wasserschallempfänger gelangen.
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Als Hauptschalleinfallsrichtung wird die Richtung bezeichnet, für deren Empfang des Nutzsignals die Wasserschallempfangsanordnung optimiert ist. Dies ist typischerweise die Horizontale, wenn der Wasserschallwandler in seiner bestimmungsgemäßen Orientierung verwendet wird, d.h. insbesondere in einer Trägerplattform, beispielsweise einem Wasserfahrzeug, eingebaut ist. Als schallweiches Material wird beispielsweise ein Schaumstoff eingesetzt. Der Schaumstoff kann ein, insbesondere geschlossenzelliges, Polyurethan (PUR) Elastomer umfassen oder daraus bestehen. Bevorzugt weist der Schaumstoff eine beliebige Auswahl (oder auch alle) der folgenden Eigenschaften auf: eine geringere Schallgeschwindigkeit als die Schallgeschwindigkeit in Wasser, eine geringere Dichte als die Dichte von Wasser, einem Absorptionsgrad (definiert als Verhältnis, d.h. Quotient, der absorbierten Schallintensität zur gesamten einfallenden Schallintensität) bei 1000Hz von größer als 0,8, bevorzugt größer als 0.85, besonders bevorzugt größer als 0.9. Der Wasserschalldämpfer weist eine Wölbung auf, um einen Hohlraum zwischen Wasserschallempfänger und Wasserschalldämpfer zu schaffen.
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Es hat sich gezeigt, dass durch den Hohlraum zwischen Wasserschallempfänger und Wasserschalldämpfer der Abfall des Wasserschallpegels bei tiefen Frequenzen ausbleibt oder zumindest minimiert wird. Als tiefe Frequenz wird abhängig von der Bauform der Wasserschallempfangsanordnung eine Frequenz von kleiner als 2kHz oder eine Frequenz von kleiner als 1kHz angesehen. Dennoch erfüllt der Wasserschalldämpfer die Anforderungen, Störschall zu reduzieren. Für auftreffenden Nutzschall wird die Dämpfungswirkung dadurch verstärkt, dass der Nutzschall durch die Wölbung typischerweise mehrfach schallweich reflektiert wird, bis dieser auf den Wasserschallempfänger zurückreflektiert wird.
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In Ausführungsbeispielen weist der Wasserschalldämpfer ein Schallwellenbrechelement auf, das ausgehend von der Wölbung in den Hohlraum hineinreicht. Das Schallwellenbrechelement kann als Spitze oder schmale Kante ausgebildet sein, an der der auftreffende Wasserschall nicht oder nur minimal reflektiert wird. Das Schallwellenbrechelement weist vorteilhafterweise ebenfalls die Schalldämpfungsschicht auf. Das Schallwellenbrechelement wird kurz auch als Schallwellenbrecher bezeichnet. Mittels des Schallwellenbrechelements wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass auftreffender Nutzschall mehrfach reflektiert wird, bevor dieser wieder auf den Wasserschallempfänger auftrifft. Dabei treten auch Beugungseffekte an den Kanten auf. Diese sind frequenzabhängig, d.h. wellenlängenabhängig, und können in der Geometrie und der Positionierung des Schallwellenbrechelements berücksichtigt werden. Beispielsweise wird ein Abstand zwischen zwei Schallwellenbrechelementen derart gewählt, dass dieser kleiner ist als die halbe Designfrequenz der Wasserschallempfangsanordnung.
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Ausführungsbeispiele zeigen die Wasserschallempfangsanordnung, wobei die Schalldämpfungsschicht den Wasserschalldämpfer derart auskleidet, dass die Schalldämpfungsschicht den Hohlraum begrenzt. In diesem Fall kann der Wasserschalldämpfer auf einer von dem Hohlraum abgewandten Seite eine im Wesentlichen schalltransparente Trägerschicht aufweisen, auf dem die Schalldämpfungsschicht angeordnet ist. Im Wesentlichen schalltransparent bedeutet, dass beispielsweise der Schalldurchgangsverlust der Trägerschicht kleiner 1 dB ist. Als Trägerschicht kann eine GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) Platte eingesetzt werden. Demnach kann die Wölbung der Trägerschicht innen, d.h. in Richtung des Wasserschallempfängers, mit der Schalldämpfungsschicht (insbesondere vollständig) ausgekleidet sein. Im Gegensatz dazu kann die Schalldämpfungsschicht einen Schalldurchgangsverlust von mehr als -40dB, d.h. einen Wert <-40dB, aufweisen. Dies gilt für Schallwellen bevorzugt nahezu unabhängig von ihrer Einfallsrichtung.
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In einem Ausführungsbeispiel mit dem Schallwellenbrechelement kann das Schallwellenbrechelement vorzugsweise ebenfalls mit der Schalldämpfungsschicht verkleidet sein. Die im Wesentlichen schalltransparente Trägerschicht erlaubt es, Störschall, der aus Richtung des Wasserschalldämpfers auf die Wasserschallempfangsanordnung einfällt, nicht übermäßig schallhart durch die Trägerschicht reflektiert. Vielmehr tritt der Störschall überwiegend durch die Trägerschicht hindurch und wird durch die Schalldämpfungsschicht absorbiert und schallweich reflektiert. Dadurch baut sich, aus Sicht des Wasserschallempfängers, hinter dem Wasserschalldämpfer auch kein übermäßiger Lärmpegel aus Störschall auf. Durch diese Kombination aus Trägerschicht und Schalldämpfungsschicht kann kaum Störschall auf den Wasserschallempfänger auftreffen.
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In Ausführungsbeispielen weist der Wasserschalldämpfer entweder die Abwesenheit einer mechanischen Verbindung zwischen dem Wasserschallempfänger und dem Wasserschalldämpfer auf oder eine mechanische Verbindung zwischen Wasserschalldämpfer und Wasserschallempfänger weist eine akustische Entkopplung auf. Somit kann sich eine etwaige Anregung des Wasserschalldämpfers nicht auf den Wasserschallempfänger übertragen.
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In Ausführungsbeispielen ist der Wasserschallempfänger ein Wasserschallempfänger einer Vielzahl von Wasserschallempfängern. D.h., die Vielzahl von Wasserschallempfängern bilden eine Antenne. Mit der Antenne ist es beispielsweise möglich, eine Richtungsbildung von Geräuschen in auftreffendem Wasserschall zu ermöglichen. D.h. die Richtung aus der ein Geräusch auf die Wasserschallempfänger auftrifft, kann rechnerisch ermittelt werden. Die Wasserschallempfänger der Vielzahl von Wasserschallempfängern sind linear oder flächig angeordnet. Mit einer Linearantenne kann eine Richtungsbildung ein einer Ebene, typischerweise der Horizontalen, durchgeführt werden. Mittels einer Flächenantenne kann eine Richtungsbildung in beiden relevanten Ebenen (Horizontale und Vertikale) durchgeführt werden. Auch eine Linearantenne kann optisch flächig aussehen, beispielsweise wenn als Wasserschallempfänger ein stabförmiges sensorisches Material verwendet wird oder wenn verschiedene sensorische Materialien zu einem sogenannten Stave z.B. in Stabform verbunden sind, von dem nur ein Summensignal und keine Einzelsignale von den sensorischen Materialien des Staves abgegriffen werden können. Der Hohlraum des Wasserschalldämpfers ist hinter den Wasserschallempfängern der Vielzahl von Wasserschallempfängern angeordnet. D.h. es wird von dem Wasserschalldämpfer ein gemeinsamer Hohlraum für mehrere Wasserschallempfänger, optional für die gesamte Antenne, bereitgestellt. Dies reduziert beispielsweise den Materialeinsatz und somit das Gewicht der Wasserschallempfangsanordnung. Weiterhin wird dadurch ein uniformer akustischer „Hintergrund“ für die gesamte Antenne erzeugt - unabhängig von den weiteren Einbauten um und hinter der Wasserschallempfangsanordnung. Durch den uniformen akustischen Hintergrund kann beispielsweise eine einheitliche Störsignalreduzierung für die Wasserschallwandler durchgeführt werden, ohne eine individuelle Störsignalreduzierung für jeden Wasserschallwandler durchführen zu müssen.
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In Ausführungsbeispielen weist der Hohlraum ausgehend von dem Wasserschallempfänger eine maximale Tiefe auf, die mindestens der halben Wellenlänge einer unteren Grenzfrequenz der Wasserschallempfangsanordnung entspricht. D.h., bei einer unteren Grenzfrequenz von 1000Hz, was einer Wellenlänge von ca. 1500mm in Wasser entspricht, kann der Hohlraum eine maximale Tiefe von mindestens 750mm aufweisen. Bei dieser Mindesttiefe treten die oben beschriebenen, frequenzabhängigen, negativen Auswirkungen eines Stapels aus Wasserschallwandler, schallhartem Reflektor und schallweicher Dämpfungsschicht nicht mehr auf. Die untere Grenzfrequenz kann z.B. dem Datenblatt der Wasserschallempfangsanordnung entnommen werden. Als untere Grenzfrequenz kann die Frequenz definiert sein, die gegenüber einer Designfrequenz der Wasserschallempfangsanordnung eine Dämpfung von -3dB erfährt. Die maximale Tiefe kann als Senkrechte (d.h. Normale) auf dem Schalldämpfungselement bis zu dem Wasserschallwandler (oder einem Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern) gemessen werden. Dies ist insbesondere möglich, wenn die Wasserschallempfänger auf einer senkrechten Ebene vor der Schalldämpfungsschicht angeordnet sind. Alternativ, beispielsweise wenn die Wasserschallempfangsanordnung geneigt vor der Schalldämpfungsschicht angeordnet ist, kann als Abstandsmaß auch die Entfernung in (Haupt-) Schalleinfallrichtung verwendet werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen weist die Wasserschallempfangsanordnung die Abwesenheit eines Wasserschallreflektors auf. Eine solche Anordnung ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Wasserschallempfindlichkeit der Wasserschallempfangsanordnung ein geringes Eigenrauschen aufweist. Ferner ist diese Anordnung vorteilhaft, wenn eine Trägerplattform der Wasserschallempfangsanordnung, beispielsweise ein Wasserfahrzeug, an dem die Wasserschallempfangsanordnung angeordnet ist, keine übermäßigen Eigenstörgeräusche aufweist. Der Einfluss der Eigenstörgeräusche auf die Wasserschallempfänger kann dann mittels der beschriebenen Wasserschallempfangsanordnung zuverlässig reduziert werden. Sind die Störgeräusche so weit reduziert, dass Nutzsignale auch ohne Wasserschallreflektor zuverlässig detektiert werden können, hat der Verzicht auf den Wasserschallreflektor keine negativen Auswirkungen.
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Negative Auswirkungen würden nur dann auftreten, wenn das Wasserfahrzeug übermäßige Eigenstörgeräusche aufweist, die selbst von der Wasserschallempfangsanordnung nicht ausreichend reduziert werden können. Insbesondere bei einem Unterwasserfahrzeug ist dann jedoch die gesamte Konstruktion infrage zu stellen, da durch hohe Eigenstörgeräusche auch die Ortungswahrscheinlichkeit durch Dritte mittels Passivsonar erhöht ist. Positiv wirkt sich ferner das geringere Gewicht der Wasserschallempfangsanordnung sowie ein geringeres Reflexionsvermögen von Wasserschall aus. Das geringere Reflexionsvermögen von Wasserschall wirkt sich insbesondere positiv auf die eigene Signatur (bzw. die Signatur der Trägerplattform) aus. Je geringer die Signatur, desto geringer ist auch die Ortungswahrscheinlichkeit durch Dritte mittels Aktivsonar.
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In Ausführungsbeispielen ist ferner gezeigt, dass angrenzend an den Wasserschallempfänger ein Wasserschallreflektor angeordnet ist, der ausgebildet ist, die auf den Wasserschallwandler auftreffenden Schallwellen zu verstärken. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn Störsignale zu groß werden und somit ein gewünschtes bzw. vorgegebenes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) nicht mehr eingehalten werden kann. Mittels des Wasserschallreflektors kann dann ein Nutzsignal verstärkt und somit das SNR verbessert werden. Aufmerksamkeit ist jedoch geboten, wenn es wahrscheinlich ist, dass die Wasserschallempfangsanordnung einem Schock, beispielsweise einer (Unterwasser-) Explosion, z.B. durch eine Mine, ausgesetzt werden kann. In diesem Fall bringt ein, seinem Wesen nach schallharter, Wasserschallreflektor eine erhebliche Schockbelastung durch die Druckwelle auf das Gesamtsystem mit.
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Um die resultierende Energie, die auf die Trägerplattform wirkt, gegenüber der Energie der Schockwelle abzuschwächen, kann in Ausführungsbeispielen der Wasserschallreflektor mechanisch mit dem Wasserschalldämpfer verbunden sein, wobei die mechanische Verbindung eine Schocklagerung des Wasserschallreflektors umfasst. Als Schocklagerung kann eine mechanische Befestigung angesehen werden, die die Energie der Schockwelle aufnimmt aber nur einen kleinen Teil davon an den Wasserschallreflektor und somit an die Trägerplattform überträgt. Dies wird beispielsweise durch eine Feder oder einen robusten Schaum erreicht. Beispielsweise ist der Wasserschallreflektor mittels eines Momentengelenks mit dem Wasserschalldämpfer verbunden, um die Schocklagerung des Wasserschallreflektors zu ermöglichen. Ein Momentengelenk zeichnet sich dadurch aus, dass es eine definierte Eigenschwingungsform des Systems hervorruft, in der das System in der Hauptsache antwortet (Biegeeigenform). Dieser Eigenschwingungsform kann durch Dämpfung Energie entzogen werden, wodurch die Schockantwort reduziert wird.
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Ergänzend oder alternativ zu dem Momentengelenk kann der Wasserschalldämpfer ein Federelement ausbilden, mit dem der Wasserschallreflektor mechanisch verbunden ist, wobei das Federelement die Schocklagerung des Wasserschallreflektors ermöglicht. Das Federelement kann als flexible Zunge ausgebildet sein, die ausgehend von dem Wasserschalldämpfer in den Hohlraum hineinragt. Die Zunge weist typischerweise einen anderen Winkel zu dem Wasserschallempfänger und/oder dem Wasserschallreflektor auf als das/die Schallwellenbrechelement(e). Ausgehend von dem Federelement kann ein weiteres Schallwellenbrechelement in den Hohlraum hineinragen. Das weitere Schallwellenbrechelement ist bevorzugt parallel zu einem der vorbeschriebenen Schallwellenbrechelemente angeordnet, das ausgehend von dem Wasserschalldämpfer in den Hohlraum hineinragt.
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In weiteren Ausführungsbeispielen weist der Schallempfänger der Wasserschallempfangsanordnung eine lineare Ausdehnung oder eine Ausdehnung in einer Ebene auf. Der Wasserschallempfänger weist eine Neigung gegenüber dem Schallwellenbrechelement. Das Schallwellenbrechelement ist typischerweise parallel zu einer Hauptschalleinfallsrichtung angeordnet. So ist dann sichergestellt, dass auftreffender Wasserschall von den Wasserschallempfängern oder einem parallel dazu angeordneten Wasserschallreflektor in Richtung des Senders reflektiert wird.
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Ferner ist ein Unterwasserfahrzeug mit der Wasserschallempfangsanordnung offenbart. Das Unterwasserfahrzeug umfasst eine erste Hülle, die einen Druckkörper begrenzt, und eine zweite Hülle, die die erste Hülle umschließt. Die zweite Hülle ist beabstandet von der ersten Hülle angeordnet, so dass ein Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Hülle ausgebildet ist. Ein solches Unterwasserfahrzeug wird auch als Zweihüllenunterwasserfahrzeug oder Zweihüllenboot bezeichnet. Typischerweise bildet auch der Zwischenraum zwischen der ersten und der zweiten Hülle einen Raum aus, der frei durchflutet ist oder als Druckkörper ausgebildet sein kann. Vorteilhafterweise ist der Zwischenraum mit dem das Unterwasserfahrzeug umgebenden Meerwasser gefüllt.
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Die Wasserschallempfangsanordnung ist in dem Zwischenraum zwischen der ersten Hülle und der zweiten Hülle angeordnet. So ergibt sich als weiterer Vorteil, dass der Wasserschall nicht in ein anderes Medium überzugehen braucht, um auf die Wasserschallempfänger aufzutreffen. Er braucht nur durch die zweite Hülle hindurchzutreten. Somit wird weder die Einfallsrichtung geändert noch kommt es zu einer signifikanten Dämpfung des Wasserschalls. Durch den Zwischenraum zwischen den beiden Hüllen wird es überhaupt erst möglich, die Wasserschallempfangsanordnung mit dem gewölbten Wasserschalldämpfer in das Unterwasserfahrzeug zu integrieren. Bisher wurde die Wasserschallempfangsanordnung von außen an dem Unterwasserfahrzeug verschraubt. Die vorgestellte Wasserschallempfangsanordnung würde hier jedoch zu viel Platz einnehmen, so dass in diesem Fall die bekannte Sandwich- bzw. Stapelanordnung aus Wasserschallempfänger, Wasserschallreflektor und Wasserschalldämpfer (ohne Wölbung) zu bevorzugen ist.
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In Ausführungsbeispielen umfasst die zweite Hülle eine Vielzahl miteinander verbundene, flächige Hüllenelemente, so dass eine Sonarquerschnittsfläche des Unterwasserfahrzeugs minimiert ist. Die Sonarquerschnittsfläche wird auch als Signatur bezeichnet. Ein solches Unterwasserfahrzeug wird auch als „Stealth-“, oder „Tarnkappen-“ Unterwasserfahrzeug bezeichnet. Die flächigen Hüllenelemente sind bevorzugt ausgestaltet, Schallwellen möglichst wenig zu reflektieren. D.h., die flächigen Hüllenelemente sind möglichst schallweich konzipiert. Ferner sind die flächigen Hüllenelemente derart angeordnet, dass auftreffender Wasserschall überwiegend in eine andere Richtung als der Einfallsrichtung reflektiert wird, so dass die Ortung mittels Aktivsonar erschwert wird. Beispielsweise kann der Wasserschall überwiegend in Richtung des Meeresbodens reflektiert werden. So kann auftreffender Wasserschall gedämpft werden, wodurch der Empfang des reflektierten Wasserschalls schwieriger wird und zusätzlich kann die Richtung, aus der die Reflexion kommt aus Sicht ortenden Passivsonars kaum bestimmt werden. Bevorzugt weist in diesem Ausführungsbeispiel die Wasserschallempfangsanordnung die Abwesenheit eines Wasserschallreflektors auf.
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Der Wasserschallempfänger oder Wasserschallempfänger der Mehrzahl von Wasserschallempfängern sind bevorzugt parallel zu einem flächigen Hüllenelement der Vielzahl von flächigen Hüllenelementen angeordnet. D.h., der Wasserschallempfänger weist bevorzugt eine lineare oder flächige Ausdehnung auf bzw. die Wasserschallempfänger bilden eine Linear- oder Flächenantenne. Bevorzugt ist der bzw. sind die Wasserschallempfänger hinter dem parallelen flächigen Hüllenelement angeordnet. D.h. durch das parallele flächige Hüllenelement tritt der überwiegende Wasserschall in den Zwischenraum ein, der von der Wasserschallempfangsanordnung belegt wird. Vorteilhafterweise weist das parallele flächige Hüllenelement die Abwesenheit einer schallweichen Schalldämpfungsschicht auf. Vielmehr ist es vorteilhaft, dass das flächige Hüllenelement eine ähnliche Wasserschallimpedanz aufweist wie das umgebende Wasser.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: in 1a, 1 b und 1c drei verschiedene Ausführungsformen einer Wasserschallempfangsanordnung in einer schematischen Schnittdarstellung;
- 2: eine schematische perspektivische Darstellung der Ausführungsform gemäß 1b;
- 3: eine schematische Querschnittsdarstellung eines Unterwasserfahrzeugs mit zwei Hüllen, wobei zwischen den beiden Hüllen die Wasserschallempfangsanordnung angeordnet ist
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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 eine Schnittdarstellung einer Wasserschallempfangsanordnung 20. Die Wasserschallempfangsanordnung 20 umfasst einen Wasserschallempfänger 22 und einen Wasserschalldämpfer 24 mit einer Schalldämpfungsschicht 26. Der Wasserschallempfänger 22 wandelt auftreffenden Wasserschall in ein dem Schalldruck entsprechendes elektrisches Signal um. Der Wasserschalldämpfer 24 reflektiert auftreffenden Wasserschall durch die Schalldämpfungsschicht 26 gedämpft. Ferner weist der Wasserschalldämpfer eine Wölbung auf, um einen Hohlraum 28 zwischen Wasserschallempfänger 22 und Wasserschalldämpfer 24 zu schaffen. Optional weist der Wasserschalldämpfer eine Trägerschicht 30 auf. Auf der Trägerschicht 30 ist die Schalldämpfungsschicht 26 aufgebracht, insbesondere wenn die Schalldämpfungsschicht andernfalls nicht formstabil ist. Die gewölbte Form des Wasserschalldämpfers und der Hohlraum 28 ermöglichen es, dass Wasserschall, der durch den Wasserschallempfänger 22 hindurch (oder an diesem vorbei) in den Hohlraum eintritt typischerweise mehrfach an der Schalldämpfungsschicht 26 schallweich reflektiert wird und so an Energie verliert bevor der Wasserschall eventuell nochmals auf den Wasserschallempfänger 22 auftrifft. Hierdurch wird das Signal-Rausch-Verhältnis spürbar verbessert.
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1b zeigt eine Schnittdarstellung der Wasserschallempfangsanordnung 20 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Ergänzend sind hier drei Schallwellenbrechelemente 32 dargestellt. Diese werden aus der Schalldämpfungsschicht 26 gebildet, die optional auf der Trägerschicht 30 aufgebracht ist. Die Schallwellenbrechelemente 32 sorgen für eine weitere Reduzierung der Schallenergie des Wasserschalls in dem Hohlraum, bevor der Wasserschall wieder auf den Wasserschallempfänger 22 auftrifft.
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1c zeigt eine Schnittdarstellung der Wasserschallempfangsanordnung 20 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Hier weist der Wasserschalldämpfer zwei Federelemente 34, 34` auf. An den Federelementen kann der/die Wasserschallempfänger 22 befestigt sein, was in der Figur nicht gezeigt ist. Vielmehr ist in der Figur ein optionaler Wasserschallreflektor 36 gezeigt, der hinter dem/den Wasserschallempfänger(n) 22 angeordnet ist. Vorteilhafterweise kann der Wasserschallreflektor 36 mit den Federelementen (mechanisch) verbunden sein. Die Federelemente können dann eine Schocklagerung für den Wasserschallreflektor bilden oder zumindest einen Baustein einer Schocklagerung bilden.
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Ferner ist in 1c offenbart, dass neben dem Schallwellenbrechelement 32, das von der Wölbung des Wasserschalldämpfers 24 ausgeht, insbesondere symmetrisch, zwei weitere Schallwellenbrechelemente 32` ausgehend von den Federelementen vorgesehen sind. So bildet beispielsweise das Federelement 34' zusammen mit dem Schallwellenbrechelement 32' einen nahezu geschlossenen Raum 40 aus, durch den Wasserschall nur durch eine kleine Öffnung 38 ein- und austreten kann. Einmal in diesen Raum 40 eingetreten, verliert der Wasserschall mit großer Wahrscheinlichkeit einen Großteil seiner Energie und wird nicht wieder auf den Wasserschallempfänger 22 oder den Wasserschallreflektor 36 auftreffen. Das Schallwellenbrechelement 32 fördert ferner, dass sich der Wasserschall in dem Raum 40 sammelt.
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2 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 1b in einer schematischen perspektivischen Darstellung. Hier sind die Ausdehnungen der einzelnen Elemente sichtbar. Insbesondere ist eine Flächenantenne 22 schematisch dargestellt. Diese ist stark vereinfacht dargestellt und umfasst beispielsweise eine Vielzahl von stabförmigen Wasserschallempfängern.
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3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Unterwasserfahrzeugs 42, insbesondere eines U-Boots. Das Unterwasserfahrzeug 42 weist eine erste Hülle 44 und eine zweite Hülle 46 auf. Die erste Hülle 44 begrenzt einen Druckkörper 48 des Unterwasserfahrzeugs 42. Die zweite Hülle 46 umschließt die erste Hülle 44. Ferner ist die zweite Hülle 46 beabstandet von der ersten Hülle 44 angeordnet, so dass ein Zwischenraum 50 zwischen der ersten und der zweiten Hülle 44, 46 ausgebildet ist. Der Zwischenraum 50 kann ebenfalls als Druckkörper ausgeführt sein. Der Zwischenraum 50 kann mit Wasser, bevorzugt dem das Unterwasserfahrzeug umgebenden Meerwasser, geflutet sein. Es ist ferner gezeigt, dass die zweite Hülle 46 des Unterwasserfahrzeugs 42 optional eine Vielzahl miteinander verbundener, flächiger Hüllenelemente 52a, 52b, 52c umfasst.
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In dem Zwischenraum 48 ist die Wasserschallempfangsanordnung 20 angeordnet. Eine optionale zweite Wasserschallempfangsanordnung 20' ist ebenfalls gezeigt. Der Wasserschallempfänger 22 der Wasserschallempfangsanordnung 20 ist parallel zu dem flächigen Hüllenelement 52b angeordnet. Ein (nicht gezeigter) Wasserschallreflektor wäre hier ebenfalls parallel zu dem flächigen Hüllenelement 52b angeordnet. Dennoch sind die Schallwellenbrechelemente 32 in Haupteinfallsrichtung des Wasserschalls ausgerichtet. Das heißt, die Schallwellenbrechelemente zeigen nicht senkrecht auf den/die Wasserschallempfänger bzw. den Wasserschallreflektor, sondern weisen einen Winkel ungleich 90° hierzu auf. D.h. der Wasserschallempfänger 22 weist gegenüber dem Schallwellenbrechelement 32 eine Neigung auf. Die Wasserschallempfangsanordnung ist dann nicht mehr spiegelsymmetrisch in einer Ebene, die von der Zeichenebene abweicht. D.h. alle Ebenen, die den Druckkörper 48 nicht senkrecht schneiden, können keine Spiegelebene für die Wasserschallempfangsanordnung 20 bilden. Optional ist das Unterwasserfahrzeug jedoch eine Spiegelsymmetrieebene auf. Diese verläuft von vorne nach hinten und von oben nach unten jeweils mittig durch das Unterwasserfahrzeug 42. D.h. bezogen auf 3 ragt eine Dimension der Ebene in die Bildebene hinein und eine zweite Dimension der Ebene verläuft von oben nach unten.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt.
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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 (z.B. Herstellungs-) 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
- Wasserschallempfangsanordnung
- 22
- Wasserschallempfänger
- 24
- Wasserschalldämpfer
- 26
- Schalldämpfungsschicht
- 28
- Hohlraum
- 30
- Trägerschicht
- 32
- Schallwellenbrechelement
- 34
- Federelement
- 36
- Schallreflektor
- 38
- Öffnung
- 40
- Raum
- 42
- Unterwasserfahrzeug
- 44
- erste Hülle
- 46
- zweite Hülle
- 48
- Druckkörper
- 50
- Zwischenraum
- 52
- flächige Hüllenelemente
