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Schallerzeugeranordnung zur Abstrahlung von Druckwellenenergie Die
Erfindung bezieht sich auf Schallerzeugeranordnungen zur Abstrahlung von Druckwellenenergie
durch massive Wandungen, beispielsweise den Rumpf eines Schiffes hindurch.
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Es sind bereits Unterwasserschallübertragungssysteme bekannt, bei
welchen Druckwellenenergie, die in einem Übertrager erzeugt wird, durch die Außenhaut
eines Schiffes hindurch mittels eines Systems paralleler Platten abgestrahlt wird,
welches geeignet ist, als im wesentlichen auf halbe Wellenlänge ansprechender Resonator
in Resonanz zu kommen, wobei eine dieser Platten von der Schiffsaußenhaut gebildet
wird. Im Rahmen der für die Beschreibung gültigen Definition bedeutet das Wort »Übertrager«
jede Einrichtung, die zur Abstrahlung von elektrischer Energie oder von Schallenergie
für den vorgenannten Zweck dient.
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Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Echolotung auf Schiffen durch
die Schiffswand hindurch, bei welchem die Betriebsschallfrequenz der Echolotanlage
in Anpassung an die Dicke der Schiffswandplatten derart gewählt wird, daß die zu
durchstrahlende Schiffswandplatte als Platte arbeitet und damit maximale Schalldurchlässigkeit
aufweist. Dadurch ist es möglich, eine Frequenzunabhängigkeit von der Wandstärke
der Außenwand zu erhalten.
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Weiterhin ist es bekannt, zur Anpassung eines Unterwasserschallübertragers
an das jeweilige Außenmedium zwischen die schwingende Membran und die Außenhaut
des Schiffes ein vorzugsweise elastisches, flüssiges Zwischenmedium mit einem konstanten
Druck einzufüllen. Zur Verbesserung der Abstrahlung kann man im Abstand einer halben
Wellenlänge um den Strahler herum Behälter anbringen, die mit kompressiblen Medien
gefüllt sind und im Vergleich zu ihrem Volumen große Oberflächen darbieten.
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Ein allen diesen bekannten Anordnungen und Verfahren gemeinsamer
Nachteil besteht darin, daß die Abstrahlung der Schallenergie in einer gewünschten
Richtung dann nicht mehr möglich ist oder nur in sehr geringem Maße erreicht werden
kann, wenn der Schallerzeuger gegenüber der Schiffs außenhaut geneigt wird. Zweck
der Erfindung ist die Behebung dieses Nachteils.
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Demgemäß betrifft die Erfindung eine Anordnung für die Anbringung
eines Schallerzeugers zur Abstrahlung von Druckwellenenergie in ein Medium durch
eine massive Wandung, etwa den Boden oder die Außenwand eines Schiffskörpers hindurch
mittels einer aus einem festen Werkstoff bestehenden Platte, die mit der Energie
abgebenden Oberfläche des Schall-
erzeugers fest verbunden ist oder mit dieser zusammen
aus einem Stück besteht, und einem zwischen dem Schallerzeuger und der Wandung angeordneten,
nicht formfesten Medium. Erfindungsgemäß besteht diese Anordnung darin, daß einstellbare
Befestigungselemente vorgesehen sind, mittels deren die Platte zusammen mit dem
Schallerzeuger gegenüber der Parallellage zur Wandung verstellt werden kann.
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Dies kann gemäß einer zweckmäßigen Ausführungsform durch die Anordnung
höheneinstellbarer, den Abstand zwischen der Platte und der Wandung verändernder,
den Schallerzeuger mit der Platte tragender Stützen geschehen.
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Mit besonderem Vorteil ist die Erfindung dann anwendbar, wenn das
zwischen dem Schallerzeuger und der Wandung angeordnete, nicht formfeste Medium
für die Schallenergie einen Weg bildet, der für die Druckwellen bei der verwendeten
Frequenz des Schallerzeugers im wesentlichen eine halbe Wellenlänge lang ist, wobei
die Phasenlage der aus der Wandung austretenden Energie gegenüber der in die Platte
des Schallerzeugers eintretenden Energie um 1800 verschoben ist. Dadurch erreicht
man, daß der Wellenwiderstand des Übertragers an den Wellenwiderstand des den Körper
umgebenden Mediums angepaßt wird. Das Nachschwingen bzw. der Nachhall im Abstrahlungssystem
wird möglichst klein gehalten, so daß sich günstige Verhältnisse insbesondere bei
Messungen in flachem Wasser ergeben.
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Der Zwischenraum zwischen der Metallplatte und der Schiffsaußenhaut
ist mit einem geeigneten, Druckwellenenergie übertragenden Medium, beispielsweise
mit Öl ausgefüllt. Das Öl kann gerade die Platte innerhalb der Schiffsaußenhaut
bedecken, wobei die Platte um einen geringen Betrag über die Kanten des Ubertragers
vorsteht. Der Zwischenraum zwischen den Platten wird sorgfältig so eingestellt,
daß er im wesentlichen der halben Resonanz-Wellenlänge der Platte und der Schiffsaußenhaut
entspricht, wodurch ein Optimum an Impedanzanpassung zwischen dem Übertrager und
dem unterhalb des Schiffes befindlichen Wasser erzielt wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung,
in welcher beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung dargelegt ist, wobei
auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen Fig. 1 eine Aufsicht auf einen
erfindungsgemäß ausgeführten und angebrachten Übertrager zeigt, Fig. 2 einen Längsschnitt
der in Fig. 1 gezeigten Anordnung längs der Linien 2-2 der Fig. 1 zeigt, Fig. 3
einen Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Anordnung längs der Linie 3-3 der Fig.
1 und Fig. 4 eine schematische Ansicht einer in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Übertragerbauart
zeigt, die an dem geneigten Teil eines Schiffsbodens angebracht ist, wobei die Platte,
an welche der Übertrager angebaut ist, mit Bezug auf die Schiffsaußenhaut geneigt
ist, um deren Neigung auszugleichen.
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Es wird nunmehr Bezug auf die Fig. 1 bis 3 genommen. Ein Übertrager
10 kann beispielsweise einer heute allgemein benutzten Bauart angehören, bei welcher
ein Hartgummigehäuse eine Vielzahl von Kristallen, welche Schwingungen ausführen
können, oder von Spulen aufweist, welche um darin befestigte Maguetostriktionselemente
herum angeordnet sind, wobei die elektrischen Verbindungen vermittels eines Kabels
11 hergestellt sind. An dem Übertrager 10 ist an der Unterseite eine Metallplatte
12 (Fig. 2) vermittels Schraubbolzen 13 befestigt, die durch die Platte 12 hindurchragen
und mit ihren Gewinden in dem Gehäuse des Übertragers 10 befestigt sind. Die Platte
12 ragt über die Außenbegrenzung des Übertragers 10 hinaus und wird durch drei Schraubbolzen
14 gehalten, die mit ihren Gewinden in der Platte 12 befestigt sind. Die Schraubbolzen
14 ragen durch Konsolen 15 hindurch, wobei die Köpfe der Schrauben 14 auf den Konsolen
15 aufliegen. Die Konsolen 15 sind ihrerseits, beispielsweise durch Schweißung,
an den Seitenwänden eines Kastens 16 befestigt, welcher den Übertrager 10 und die
Platte 12 umgibt und seinerseits, beispielsweise durch Schweißung, starr mit der
Metallaußenhaut 17 eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Schiffes, an welchem der
Ubertrager angebracht ist, verbunden sind.
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Durch Drehung der Bolzen 14 kann der Abstand zwischen der Platte
12 und der Schiffsaußenhaut eingestellt werden, und zwar so, daß die Lage von der
parallelen Einstellung abweicht. Nach entsprechender Einstellung wird eine unerwünschte
Drehung der Schraubbolzen 14 dadurch verhindert, daß Pratzen 18, welche von Winkeleisen
gebildet sein können, mit den Konsolen 15 durch Schrauben 19 fest verbunden werden.
Ein Anziehen der Schraubbolzen 19 bewirkt ein Anpressen der Schraubenköpfe der Bolzen
14 gegen die Konsolen 15, so daß eine Bewegung derselben verhindert wird. Die Oberseite
des Kastens
16 ist mittels eines Deckels 20 verschlossen, welcher auf einer Dichtung
21 am oberen Ende des Kastens 16 aufliegt und mit diesem vermittels Schraubbolzen
22 starr verbunden ist, die durch den Deckel 20 hindurch und durch Winkeleisenkonsolen
23 hindurchragen, die ihrerseits an der Außenseite des Kastens 16 fest angebracht
sind. Das Innere des Kastens 16 ist mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Öl. gefüllt,
deren Spiegel etwas oberhalb der Oberkante der Platte 12 liegt. Damit die Anordnung
einwandfrei arbeitet, ist es nur erforderlich, daß der Zwischenraum zwischen der
Platte 12 und der Schiffsaußenhaut 17 mit Öl gefüllt ist. Es wird jedoch meistens
etwas mehr Öl zugefügt, um sicherzugehen, daß der erwähnte Zwischenraum bei den
Rollbewegungen und Schlingerbewegungen des Schiffes stets mit Öl gefüllt bleibt.
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Der Abstand zwischen der Platte 12 und der Schiffsaußenhaut 17 wird
durch Drehung der Schraubbolzen 14 so eingestellt, daß die Gesamtdicke der Platte
12, der Schiffsaußenhaut 17 und des dazwischen befindlichen Öles im wesentlichen
gleich einer halben Wellenlänge der durch diese Glieder bei der Betriebsfrequenz
des Übertragers 10 geleiteten Druckwellenenergie ist. Der Übertrager 10, der normalerweise
so konstruiert ist, daß er außen an einem Schiffskörper angebracht werden kann und
der infolgedessen hinsichtlich seiner Impedanz an die für Wasser kennzeichnende
Impedanz angepaßt ist, überträgt die für Wasser kennzeichnende Impedanz wirkungsgemäß
dadurch, daß eine der halben Wellenlänge entsprechende Resonanzkammer vorgesehen
ist, welche von der Platte 12, der Schiffsaußenhaut 17 und einer dazwischen angeordneten
Ölschicht gebildet wird.
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Der untere Deckel des Übertragers 10, der in der Zeichnung beispielsweise
als dünne Platte 24 dargestellt ist, kann in der Praxis aus einem Stück mit der
Platte 12 ausgeführt sein. Die Stärke der Impedanz-Umformungsanordnung erhöht sich
in diesem Fall um diese Dicke. Die innerhalb des Kastens angeordneten Übertragerelemente
selbst, z. B. Kristalle, liegen unmittelbar anschließend an die untere Deckelplatte
24. Sie können, falls gewünscht, auch unmittelbar an derselben angebracht sein,
wie dies bereits bekannt ist, oder sie können innerhalb des Kastens des Übertragers
10 in geringem Abstand davon liegen, was ebenfalls bereits bekannt ist. Der Kasten
des Übertragers 10 ist gewöhnlich mit Öl gefüllt, um sicherzustellen, daß zwischen
den Übertragerelementen und der unteren Deckelplatte 25 des Übertragers stets eine
ausreichende Koppelung vorhanden ist. Es ist jedoch klar, daß auch jede andere Übertragerbauform
ebenfalls benutzt werden kann, beispielsweise ein Übertrager mit Magnetostriktivelementen,
und daß der Übertrager selbst bezüglich seiner Impedanz nicht an diejenige des Wassers
angepaßt zu sein braucht. In diesen Fällen wird die Gesamtdicke der Impedanz-Anpassungselemente,
d. h. der Platte 12, der Schiffsaußenhaut 17 und des dazwischen befindlichen Ölfilms
so bemessen, daß ihre Impedanz im wesentlichen der Impedanz des Wassers bei der
gewünschten Übertragerfrequenz angepaßt ist.
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Es wird nunmehr Bezug auf Fig. 4 genommen.
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Dieselbe zeigt in schematischer Darstellung die Anbringung eines in
den Fig. 1 bis 3 gezeigten Gerätes an dem geneigten Boden eines Schiffes. Der geneigte
Boden des Schiffes ist bei 25 als Teil der Schiffsaußenhaut
dargestellt,
welche sich an den Kiel 25 anschließt. Es ist dies die allgemein übliche Art einer
Schiffskonstruktion, bei welcher der Kielteil des Schiffes im wesentlichen stärker
als der übrige Teil des Schiffsbodens ausgeführt ist. Derselbe ist infolgedessen
nicht geneigt, die von einem Übertrager, der innerhalb des Schiffes angebracht ist,
ausgesandte Energie durch die Schiffswandung in das Wasser hinaus zu übertragen.
Der Kasten 16 ist ebenfalls derart unter einem Winkel angeordnet, daß er zu dem
Teil 25 des Schiffsbodens parallel liegt. Der Über trager 10 ist jedoch geneigt,
d. h. sowohl mit Bezug auf die Vertikale als auch auf den Bodenteil 25 des Schiffes,
wobei die Schräge der jeweiligen Neigung durch entsprechende Einstellung der Schraubbolzen
14 vorgenommen wird. Dadurch wird wiederum der Abstand zwischen der Platte 12 und
dem Schiffsaußenhautteil 17 unmittelbar unterhalb der Platte 12 eingestellt, derart,
daß die dem Kiel 26 am nächsten liegende Kante der Platte 12 weiter von der Schiffsaußenhaut
17 abliegt als die von dem Kiel 26 weiter entfernt liegende Kante der Platte 12.
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Es hat sich herausgestellt, daß, wenn der durchschnittliche Abstand
der Platte von der Schiffsaußenhaut 17 für den Resonanzfall der auf eine halbe Wellenlänge
abgestimmten Impedanzübertragungsanordnung eingestellt ist, die Einstellung des
an einer Kante geringeren Abstandes um eine wenige hundertstel Millimeter den Ausfall
des in der Nähe dieser Kante befindlichen Bereiches der Resonanz bewirkt, wodurch
eine Phasenvoreilung der hier austretenden Wellenfront hervorgerufen wird. Diese
Voreilung wird beispielsweise im wesentlichen 450 betragen, wenn der Abstand auf
einen Wert verringert wird, wo die durch diesen Bereich geleitete Energie um drei
Dezibel kleiner ist als die bei Spitzenresonanz durchgeleitete Energie. In gleicher
Weise wird die Wellenfront an derjenigen Kante, an welcher der Abstand größer als
der durchschnittliche Abstand ist, um denjenigen Betrag vergrößert werden, der erforderlich
ist, um eine Abnahme der ausgestrahlten Energie um drei Dezibel der hindurchgeleiteten
Energie zu erzielen, was einer Nacheilung von etwa 45' gleichkommt. Der Betrag,
der dies bewirkt und um den eine Strahlneigung um die Normale zur Schiffsaußenhaut
erfolgt, kann nach folgender Formel bestimmt werden: a sin-l 4 W worin a den Winkel
zwischen der Strahlenachse und der Normalen zur Schiffsaußenhaut an der Stelle des
Übertragers bedeutet, iX die Wellenlänge des Schalles im Wasser und W die Abmessung
der Stirnfläche des Übertragers senkrecht zu derjenigen Achse der Platte 12 darstellt,
um welche die Platte 12 gedreht wurde, um den großen und den kleinen Abstand mit
Bezug auf die Schiffsaußenhaut zu erzielen.
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Wenn Beispielsweise der Übertrager mit einer Frequenz von 21 Kilohertz
betrieben wird, dann ist 84 = 84 mm, und infolgedessen wird, wenn die Breite W =
127 mm beträgt, der Winkel * von der Größenordnung 100 sein.
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Der Übertrager 10 wird, wie hier dargestellt, von einem Erregeroszillator
27 erregt, der von einem Empfänger mit Anzeigeeinrichtung 28, jeweils ausgehend
von einem Ausgangsimpuls, periodisch ge-
tastet wird, wodurch die Erregung des Oszillators
27 jeweils für kurze Zeit etwa in der Größenordnung von wenigen Millisekunden hervorgerufen
wird und wodurch bewirkt wird, daß der Übertrager 10 seine Druckwellenenergie durch
den Rumpf in das Wasser aussendet. Reflektierte Echosignale werden dann durch den
Rumpf zurückübertragen und von dem Übertrager 10 aufgenommen, welcher sie in elektrische
Signale verwandelt, die ihrerseits dem Empfänger und der Anzeigevorrichtung 28 zugeführt
werden, wie dies allgemein üblich ist. Es dürfte klar sein, daß sowohl der Empfänger
mit Anzeigevorrichtung 28 als auch der Erregeroszillator 27 jeweils bekannten Bauarten
angehören können. Der Empfänger mit Anzeigevorrichtung 28 kann beispielsweise mit
einer rotierenden Neonlichtanzeige arbeiten, welche sowohl durch die Ausgangsenergie
des Erregeroszillators 27 als auch durch die zurückkehrenden Echosignale erregt
wird, wobei die Entfernung der die Echosignale hervorrufenden Objekte jeweils durch
den Abstand längs des Umlaufweges des Rotlichtes zwischen den Erregungspunkten angezeigt
wird, oder der Empfänger mit Anzeigevorrichtung 28 kann einer schreibenden Bauart
angehören, bei welcher ein Schreibstift über einen sensibilierten Papierstreifen
gezogen wird, wobei der Schreibstift sowohl von der ausgehenden Energie als auch
von dem empfangenen Echo erregt wird und wodurch im Papierstreifen nach bekannter
Praxis Markierungen erzielt werden.
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Damit ist die Beschreibung der besonderen, hier dargestellten Ausführungsform
der Erfindung abgeschlossen. Dem Fachmann ergeben sich jedoch aus vorliegenden Darlegungen
zahlreiche Abwandlungen der Erfindung, ohne daß der Gegenstand und der Schutzumfang
der Erfindung verlassen werden. So kann beispielsweise die Anordnung nicht auf Unterwasserschallgeräte
beschränkt sein, sondern auch für alle anderen Zwecke benutzt werden, wo ein Durchgeben
von Signalen durch die Rümpfe von Fahrzeugen erforderlich ist, beispielsweise in
der Luftfahrt. Das erfindungsgemäße Übertragungssystem braucht auch nicht notwendigerweise
auf Echo-Entfernungsmeßanlagen beschränkt zu sein, sondern kann auch in Verbindung
mit derartigen Nachrichtenanlagen bzw. Unterwassernavigationsanlagen Verwendung
finden. Die besondere, hier gezeigte Ausführungsform der Haltevorrichtung kann auch
durch andere Bauarten von Haltevorrichtungen ersetzt werden. So könnte beispielsweise
der Übertrager 10 unmittelbar auf den Konsolen 15 ruhen, anstatt mittels der Platte
12 an diesen befestigt zu sein.
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Während die Dreipunktaufhängung vorzuziehen ist, da sie am stabilsten
und am leichtesten einzustellen ist, können auch Zwei- oder Vierpunkteinstellungen
der Platte 12 angewandt werden. Außerdem können auch an Stelle des Öles in dem Kasten
16 andere Mittel verwendet werden, beispielsweise kann eine Schicht aus zusammendrückbarem
Gummi oder Kunststoff verwendet werden, wobei die relative Dicke der Platten 12
und 17, welche im allgemeinen gleich dick sind, irgendein gewünschtes gegenseitiges
Dickenverhältnis annehmen kann.