Bei einer bekannten Unterwasserantenne (
EP 0 654 953 B1 )
sind mehrere Wandler zusammen mit jeweils einem in Schalleinfallsrichtung
dahinterliegenden akustischen Reflektor vertikal übereinander an
dem Träger
angeordnet und in einem akustisch transparenten Hartumguss aus einem
im Gießverfahren
verarbeitbaren Elastomer, z.B. Polyurethan, eingebettet, so dass
durch den ebenen, blockartigen Hartumguss ein stabförmiges Element
mit z.B. drei einzelnen Wandlern entsteht, das einen sog. Stave bildet.
Der ebene Hartumguss dient der Herstellung eines stabilen, widerstandsfähigen Bauteils,
in dem alle Wandler im fest vorgegebenen Abstand platziert und gegenüber dem
aggressiven Meerwasser geschützt
sind. Eine Mehrzahl von gleichartig ausgebildeten Staves sind an
einer ebenen Platte oder an der Außenwand eines Hohlzylinders
horizontal nebeneinander, aneinanderliegend angeordnet.
Eine Bündelung der abgestrahlten bzw.
empfangenen Schallenergie und damit eine Erhöhung der Reichweite der Unterwasserantenne
wird durch eine Gruppierung benachbarter Staves bzw. deren Wandler,
erreicht, die gemeinsam betrieben werden. Mit der Bündelung
wird aber der Sektor maximaler Schallenergieabstrahlung bzw.maximalen
Schallenergieempfangs, der sog. Öffnungswinkel
2ϑ–3dB der Richtcharakteristik
der Unterwasserantenne, kleiner, wobei mit zunehmender Anzahl der
gemeinsam betriebenen Staves bzw. Wandler der Öffnungswinkel abnimmt und die
Reichweite zunimmt.
Um mit der Unterwasserantenne ein
größeres Seegebiet
akustisch auszuleuchten und akustisch zu überwachen, wird die Sende-
und Empfangsrichtung der Unterwasserantenne geschwenkt. Dabei wird
das sog. elektronische Schwenken der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
gegenüber
einem mechanischen Schwenken der Unterwasserantenne bevorzugt. Zum
Schwenken der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne werden die
Staves- bzw. Wandlersignale um einen aus der gewünschten Sende- bzw. Empfangsrichtung
abgeleiteten Betrag laufzeit- und/oder phasenverzögert. Der
maximale elektronische Schwenkbereich hängt aber auch von dem Öffnungswinkel
der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne ab und nimmt mit diesem
ebenfalls ab.
Um im Sendefall einen angestrebten
breiten Sektor auch noch bei möglichst
großer
Reichweite mit Schallenergie überdecken
zu können,
ist es bekannt, die Staves mit einem Sendegenerator über phasenverzögernde Netzwerke
anzusteuern (
DE 20 64
588 A1 ), wobei die Phasenverzögerungswerte der Netzwerke
nach einem vorbestimmten Schema berechnet werden, das sich aus einer
von der Antennengeometrie abgeleiteten Hilfsgeometrie ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei
einer Unterwasserantenne der eingangs genannten Art den Öffnungswinkel
und den maximalen Schwenkbereich der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
bei unveränderter
Zahl gemeinsam betriebener Wandler und ohne zusätzliche elektronische Signalverarbeitung
zu vergrößern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne hat den
Vorteil, dass durch die Anpassung der Oberfläche des Vergusses an die Geometrie
der Wandler die einfallenden bzw, abgestrahlten Schallwellen unabhängig von
ihrer Einfalls- oder Abstrahlrichtung im Verguss senkrecht die Oberfläche des
den gleichen Wellenwiderstand wie das Wasser aufweisenden Vergusses
an der Grenzfläche
zum Wasser als Longitudinalwellen durchtreten und richtungsunabhängig gleich
gedämpft
werden, wobei durch die Bemessung der Dicke des Vergusses die Dämpfung gering gehalten
werden kann. Anders als bei dem eingangs beschriebenen, ebenen,
blockartigen Hartumguss bilden sich in dem erfindungsgemäß gestalteten
Verguss auch in extremen Schwenkbereichen der Richtcharakteristik
keine Transversal- oder Scherwellen aus, so dass im Sendefall die
gesamte Schallenergie mit hohem Wirkungsgrad in das Wasser ohne
Phasenverzerrungen als geschlossene Wellenfront abgestrahlt wird
und im Empfangfall die Schallenergie phasenrichtig empfangen wird.
Besonders vorteilhaft erweist sich
der erfindungsgemäß gestaltete
Verguss bei einem Aufbau der Wandler auf einem ebenen Träger, z.B.
auf einem Ausleger, in der seitlichen Außenwandung eines Wasserfahrzeugs,
am Boden eines Schiffes oder an einem Ausfahrgerät. Da keine elektronische Signalverarbeitung
in Form von Laufzeitketten oder Phasendrehgliedern zur Verbreiterung
des Öffnungswinkel
der Richtcharakteristik benötigt
wird, ist ein breitbandiger Sende- und Empfangsbetrieb problemlos möglich und
eine elektronische Raumstabilisierung bei Seegang einfach zu gestalten.
Zur Seegangskompensation ist ebenso eine kardanische Aufhängung z.B.
des Ausfahrgeräts
möglich,
da konstruktive Veränderungen
am ebenen Träger
für die
Wandler, z.B. durch einen gewölbten
Aufbau zwecks Vergrößerung des Öffnungswinkels
der Richtcharakteristik, nicht erforderlich sind.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne
mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben ich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung wird bei der Anpassung des Vergusses an die Oberflächen der
Wandler die Dicke des Vergusses zumindest in dem von dem Träger abgekehrten
Bereich annähernd
konstant gehalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Wandler in Reihen und Spalten angeordnet, die
zueinander rechtwinklig verlaufen. Eine solche geometrische Anordnung
ist einfach zu fertigen und zu prüfen. Die in einer Reihe angeordneten
Wandler einerseits und die in einer Spalte angeordneten Wandler
andererseits weisen vorzugsweise einen Abstand voneinander auf,
der innerhalb einer jeden Reihe und jeden Spalte konstant ist und
zwischen Spalten und Reihen unterschiedlich sein kann. Eine statistische
Verteilung der Wandler in den Reihen und Spalten ist ebenso möglich.
Bei einer solchen Unterwasserantenne
ist gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung die vom Träger abgekehrte
Oberfläche
des Vergusses so gestaltet, dass die Profillinie des sich längs der
Wandlerreihen erstreckenden Längsprofils des
Vergusses der Oberflächenkontur
der Wandler in jeder Reihe folgt und die Profillinie des sich längs der Wandlerspalten
erstreckenden Querprofils des Vergusses eine parallel zum Träger verlaufende
Linie ist. Sind die Wandler beispielsweise als Hohlkugeln ausgebildet,
so weist die Oberfläche
des Vergusses kreisbogenförmige
Auswölbungen
auf, die sich rippenartig in Richtung der Wandlerreihen aneinander anschließen und
sich jeweils über
die dazu quer verlaufende Abmessung des Trägers parallel zueinander erstrecken.
Eine solche Unterwasserantenne mit einem vorzugsweise ebenen, plattenförmigen Träger wird
bevorzugt an autonomen oder ferngesteuerten unbemannten Unterwasserfahrzeugen
zur Meeresbodenerkundung eingesetzt. Die Unterwasserantenne wird
dabei so an der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs befestigt, dass
die Schwenkrichtung der Antenne, die in einer zu den Wandlerreihen
parallelen Ebene liegt, quer zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs
ausgerichtet ist. Damit erstrecken sich die Längsachsen der Auswölbungen
in der Oberfläche
des Vergusses in Fahrtrichtung, und die Antenne besitzt damit ein
strömungsgünstiges
Profil, so dass es keines die Unterwasserantenne abdeckenden Hüllkörpers bedarf.
Gemäß alternativen Ausführungsformen
der Erfindung können
die Wandler Kugelform, Halbkugelform oder Plattenform aufweisen.
Sind die Wandler als hohle Halbkugeln ausgebildet, so sind sie so
angeordnet, dass ihre ebenen Ringflächen dem Träger zugekehrt sind. Sind die
Wandler als rechteckige oder quadratische Platten ausgebildet, so
sind jeweils zwei benachbarte Wandler gegeneinander geneigt auf
den Träger
aufgesetzt, wobei jeweils zwei plattenförmige Wandler die Schenkel
eines vorzugsweise gleichschenkligen Daches bilden, dessen First vom
Träger
abgekehrt ist. In Schwenkrichtung der Antenne sind mehrere langgestreckte
Dächer
unmittelbar nebeneinander angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung weist jeder plattenförmige
Wandler eine Vielzahl von in Kunststoff eingebetteten, stabförmigen Keramikstäbchen aus
piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik auf, die senkrecht
zur Dachfläche
ausgerichtet sind. Solche sog. Composite-Wandler sind beispielsweise
in der
DE 100 52 636 A1 beschrieben.
Die Erfindung ist anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
1 eine
perspektivische Ansicht einer als sog. Flachbasis ausgebildeten
Unterwasserantenne,
2 einen
Schnitt längs
der Linie II – II
in 1
3 einen
Schnitt längs
der Linie III – III
in 1,
4 eine
perspektivische Darstellung einer stirnseitig aufgeschnittenen Unterwasserantenne,
5 einen
Schnitt längs
der Linie V – V
in 4,
6 einen
Längsschnitt
einer als sog. Linearantenne ausgebildeten Unterwasserantenne,
7 eine
perspektivische Darstellung einer Unterwasserantenne gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel,
in der Ebene der elektronischen Schwenkrichtung geschnitten,
8 einen
Längsschnitt
eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer Unterwasserantenne.
Die in 1 perspektivisch
und in 2 und 3 in zwei zueinander rechtwinklig
verlaufenden Schnitten dargestellte Unterwasserantenne ist eine sog.
Flachbasis, die einen ebenen, plattenförmigen Träger 11 aufweist, der
mit einer Mehrzahl von elektroakustischen Wandlern 12 bestückt ist.
Der Träger 11 kann
ein separates Bauteil sein, das an einem Wasserfahrzeug oder einem
Ausleger befestigt wird, kann aber auch von einer Wand- oder Bodenfläche eines
Wasserfahrzeugs gebildet werden. Die Wandler 12 sind in
Reihen 121 und Spalten 122, die rechtwinklig zueinander
ausgerichtet sind, unter Zwischenlage eines Abstandshalters 17 aus
einem Elastomer auf der ebenen Oberfläche des Trägers 11 angeordnet
und in einem akustisch transparenten Verguss 13 aus einem
im Gießverfahren
verarbeitbaren Elastomer, vorzugsweise aus Polyurethan, eingebettet.
Der Abstand der Wandler 12 voneinander innerhalb der Reihen 121 und
Spalten 122 ist vorzugsweise konstant. Eine statistische
Verteilung der Wandler ist aber ebenso möglich. Der Verguss 13,
der mindestens auch die Schmalseiten des plattenförmigen Trägers 11 umschließt, ist
bezüglich
seiner vom Träger 11 abgekehrten
Oberfläche 131 der
vom Träger 11 abgekehrten
Oberfläche
der Wandler 12 unmittelbar angepasst. Im Ausführungsbeispiel
der 1 bis 3 sind die Wandler 12 als
Hohlkugeln 14 ausgebildet, so dass die durch die Anpassung
der Oberfläche 131 des
Vergusses 13 sich ergebende Profillinie des sich längs der
Reihen 121 erstreckenden Längsprofils des Vergusses 13 der
Oberflächenkontur
der Wandler 12 in jeder Reihe 121 im konstanten Abstand
folgt und die sich ergebende Profillinie des sich längs der Spalten 122 erstreckenden
Querprofils des Vergusses 13 der Oberflächenkontur der Wandler 12 in
jeder Spalte 122 im konstanten Abstand folgt. Damit ergibt sich
eine etwa konstante Wanddicke des Vergusses 13 über sämtliche
Wandler 12 hinweg. Eine solche Antenne kann sowohl elektronisch
in Richtung der Wandlerreihen 121 als auch in Richtung
der Wandlerspalten 122 geschwenkt werden und wird bevorzugt stationär eingesetzt,
um ein Raumgebiet zu überwachen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Unterwasserantenne ist in 4 und 5 dargestellt. Auch hier
weist die als Flachbasis konzipierte Unterwasserantenne einen ebenen,
plattenförmigen
Träger 11 auf,
auf dem die Wandler 12 in Reihen 121 und Spalten 122 angeordnet
und in einem Verguss 13 eingebettet sind, der die schmalen
Seitenfläche
des Trägers 11 übergreift.
Die Wandler 12 besitzen wiederum Kugelform, sind also wiederum
Hohlkugeln 14. Eine solche Flachbasis wird bevorzugt an
autonomen oder ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen befestigt und
zwar derart, dass die elektronische Schwenkrichtung quer zur Fahrtrichtung
des Fahrzeugs, also quer zu dessen Längsachse ausgerichtet ist.
In Richtung der Längsachse
des Unterwasserfahrzeugs besitzt die Unterwasserantenne einen festen Öffnungswinkel,
der durch die Anzahl der in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten
Wandler 12 festgelegt ist. Im Ausführungsbeispiel der 4 und 5 entspricht diese
Anzahl der Zahl der in einer Spalte 122 hintereinander
angeordneten Wandler 12, also die in 5 zu sehenden drei Wandler 12.
Zur Erreichung des eingangs beschriebenen Ziels
der Vergrößerung des Öffnungswinkels
und des Schwenkbereichs der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
durch eine geeignete Gestaltung des Vergusses 13, ist es
hier ausreichend, die vom Träger 11 abgekehrte
Oberfläche 131 des
Vergusses 13 lediglich in Richtung der Schwenkebene der Richtcharakteristik
der Unterwasserantenne an den Konturenverlauf der vom Träger 11 abgekehrte
Oberfläche
der Wandler 12 anzupassen. Daher ist die vom Träger 11 abgekehrte
Oberfläche 131 des
Vergusses 13 hier so gestaltet, dass die Profillinie des
sich längs der
Wandlerreihen 121 erstreckenden Längsprofils des Vergusses 13 der
Oberflächenkontur
der Wandler 12 in jeder Reihe 121 folgt, während die
Profillinie des sich längs
der Wandlerspalten 122 erstreckenden Querprofils des Vergusses 13 eine
parallel zum Träger 11 verlaufende
Linie ist. Demzufolge besitzt der Verguss 13 kreisbogenförmige Rippen,
die in Richtung der Wandlerreihen 121 unmittelbar aneinanderliegen
und sich in Richtung der Wandlerspalten 122 zueinander
parallel über
den gesamten Träger 11 erstrecken.
In 6 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel für eine Unterwasserantenne
eine Linearantenne im Längsschnitt
dargestellt. Auf dem Träger 11 sind
insgesamt fünf
Wandler 12 äquidistant
nebeneinander aufgereiht. Jeder Wandler 12 ist von einer
hohlen Halbkugel 15 gebildet, die mit ihrer Kreisringfläche auf
einen auf der Oberfläche
des Trägers 11 angeordneten
Abstandshalter 17' aufgesetzt
ist. Die Wandler 12 sind in einem Verguss 13 eingebettet,
der die schmalen Seitenflächen
des Trägers 11 übergreift.
Die vom Träger 11 abgekehrte
Oberfläche 131 des
Vergusses 13 ist wiederum dem Konturenverlauf der vom Träger 11 abgekehrten
Oberfläche
der Wandler 12 angepasst, so dass die Oberflächenkontur
der Vergussmasse 13 dem halbkreisförmigen Verlauf der Wandler 12 in
konstantem Abstand folgt. Da die Wandler 12 Halbkugeln 15 sind,
kann auch der Oberflächenverlauf
quer zu der Schnittfläche
der 6 dem Verlauf der
Halbkugeln mit konstantem Abstand zu diesem entsprechen. Es ergibt
sich somit eine Oberflächengestaltung
der Vergussmasse 13, wie sie in 1 für
eine Reihe 121 von Wandlern 12 zu sehen ist. Es
ist jedoch auch möglich,
die Profillinie des sich quer zur Schnittfläche in 6 erstreckenden Querprofils des Vergusses 13 als
eine parallel zur Trägeroberfläche verlaufende
Linie auszuführen,
so dass im Verguss 13 kurze, schalenförmige Segmente entstehen, die
sich parallel zueinander, quer zur Schnittfläche der 6 erstrecken und deren Erstreckungslänge wenig
größer ist
als der Durchmesser der Halbkugeln 15.
In 8 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
Linearantenne im Längsschnitt
dargestellt. Im Unterschied zu der Linearantenne gemäß 6 sind hier die elektroakustischen
Wandler 12 als Hohlkugeln 14 ausgebildet, und
der Träger 11 ist
kreisbogenförmig
gekrümmt.
Durch die bogenförmige
Krümmung
des Trägers 11 wird
der Öffnungswinkel
und der Schwenkbereich der Richtcharakteristik der Linearantenne
gegenüber
der Linearantenne gemäß 6 zusätzlich vergrößert. Selbstverständlich kann die
in 4 und 5 als Flachbasis konzipierte Unterwasserantenne
ebenfalls mit einem kreisbogenförmig
gekrümmten
Träger 11 wie
in 8 ausgeführt werden.
Auch bei dieser Unterwasserantenne ergibt sich dann durch die Krümmung des
Trägers 11 ein zusätzlich vergrößerter Öffnungswinkel
der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne und damit ein vergrößerter Schwenkbereich
der Richtcharakteristik gegenüber
der Unterwasserantenne gemäß 4.
Die in
7 perspektivisch
mit einer Schnittebene dargestellte Unterwasserantenne entspricht im
Aufbau der Unterwasserantenne gemäß
4 und
5 mit
dem Unterschied, dass die Wandler
12 nicht Kugelform sondern
Plattenform aufweisen. Jeder Wandler
12 wird von einem
langgestreckten Quader
16 gebildet, der aus einer Vielzahl
von Keramikstäbchen
aus piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik besteht, die
mit Kunststoff ummantelt sind. Die Stirnseiten der Keramikstäbchen sind
mit je einer auf der Ober- und Unterseite des Quaders
16 angeordneten
Elektrode verbunden. Ein solcher sog. Verbund- oder Composite-Wandler
ist in der
DE 100
52 636 A1 ausführlich
beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel der 7 sind in jeder Wandlerreihe 121 jeweils
zwei solcher plattenförmiger
Wandler 12 bzw. Quader 16 gegeneinander geneigt
auf dem Träger 11 befestigt,
wobei jeweils zwei Quader 16 die Dachflächen eines gleichschenkligen
Daches bilden, dessen First vom Träger 11 abgekehrt ist.
In Schwenkrichtung der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne
sind mehrere, im Ausführungsbeispiel
drei, solche aus jeweils zwei Quadern 16 zusammengesetzte
Dächer
vorhanden, die mit ihren Dachlängskanten
unmittelbar aneinanderstoßen.
Die von dem Träger 11 abgekehrte
Oberfläche 131 des
Vergusses 13 ist wiederum an die vom Träger 11 abgekehrte
Oberfläche
der Wandler 12, also an den Dachflächenverlauf der Quader 16 angepasst.
Das Dickenmaß des
Vergusses 13 längs
der Dachflächen
ist dabei konstant. Der von den Dachflächen und dem Träger 11 eingeschlossene
Raum ist ebenfalls mit Vergussmasse ausgefüllt. Quer zu der Schnittfläche der 7 erstrecken sich die zu
Dächern
zusammengesetzten Quader 16 über die gesamte Abmessung des
Trägers 11.
Um in dieser Querrichtung eine stärkere Bündelung der Richtcharakteristik
der Unterwasserantenne zu erzielen, sind die auf der Ober- und Unterseite
der Quader 16 vorhandenen Elektroden abschnittsweise unterbrochen ,so
dass hintereinander in den Wandlerspalten 122 angeordnete
kurze Dächer
aus jeweils zwei kurzen Quadern entstehen. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
die quer zur Schnittfläche
der 7 sich erstreckenden
Dächer
aus einzelnen, in den Wandlerspalten 122 hintereinander äquidistant
angeordneten, quaderförmigen,
zueinander geneigten Wandlern 12 zusammenzusetzen.