DE19516727C1 - Unterwasser-Schallsender - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterwasser-Schallsender für ein bistatisches Sonar-Schleppsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bistatische Sonar-Schleppsysteme, die aus einem geschleppten Unterwasser-Sender und einer hydrophonbestückten schlauchförmigen Schleppantenne (Towed Array) als Empfänger bestehen, werden für Aufgaben der Unterwasserortung verwendet. Da die Sendewandler eine Rundumcharakteristik aufweisen, das Sendesignal also in beide Querrichtungen zur Schlepprichtung ausgesendet wird, kann der Empfänger allein aus den empfangenen Echosignalen zwar die Peilrichtung und die Entfernung zu einem Ziel bestimmen, jedoch ohne zusätzliche Maßnahmen keine Aussage darüber treffen, ob das Ziel backbord- oder steuerbordseitig liegt.

Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, die Sendeantenne des Unterwasser-Schallsenders so auszubilden und anzusteuern, daß sie abwechselnd einen Sendeimpuls ausschließlich nach rechts (steuerbord) und nachfolgend einen Sendeimpuls ausschließlich nach links (backbord) aussendet, wobei die Sendefrequenz der nach steuer- und backbord abgestrahlten Sendeimpulse noch unterschiedlich sein kann. Der Empfänger ist dann aufgrund der Amplitude und ggf. der Frequenz der empfangenen Echosignale in der rage zu differenzieren, ob das die Echosignale auslösende Ziel auf der Steuer- oder Backbordseite liegt.

Eine hierzu verwendete Sendeantenne weist zwei elektroakustische Wandler auf, die im Querabstand von λ/4 symmetrisch zur Längsachse des Schleppkörpers angeordnet sind (λ = Wellenlänge des Sendesignals). Zum Aussenden eines Schallimpulses nach steuer- oder backbord werden beide Sendewandler mit einem elektrischen Sendesignal belegt, wobei bei Senderichtung "Steuerbord" der steuerbordseitige Wandler mit einem um phasenverschobenen Sendesignal und bei Senderichtung "Backbord" der backbordseitige elektroakustische Wandler mit einem um λ/4 phasenverschobenen Sendesignal angesteuert wird. Zur Erzielung einer vertikalen Bündelung können noch zu jedem Wandler weitere gleichartige Wandler vertikal übereinander angeordnet werden. Da immer zwei weitere Wandler erforderlich sind, enthält eine Sendeantenne mit ausreichend guter Vertikalrichtwirkung eine Vielzahl von Wandlern und von für die Ansteuerung der Wandler erforderlichen elektronischen Bauelementen, was die Herstellungskosten des Unterwasser-Schallsenders schnell anwachsen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Unterwasser-Schallsender der eingangs genannten Art mit getrennter Rechts-/Links-Senderichtung und ausreichend guter Vertikalrichtwirkung der Sendeantenne zu schaffen, der mit einer minimalen Anzahl von elektroakustischen Wandlern auskommt und damit relativ geringe Fertigungskosten erfordert und ein niedriges Schleppgewicht besitzt.

Die Aufgabe ist bei einem Unterwasser-Schallsender der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Unterwasser-Schallsender hat den Vorteil, daß jeweils die Hälfte der Wandler zu der einen und die andere Hälfte der Wandler zu der anderen Seite, bezogen auf die Schlepprichtung der Unterwasser-Schallsender, sendet. Bedingt durch die Schallreflektoren wird aber in jede Senderichtung ein Schalldruck abgestrahlt, als ob alle Sendewandler am Sendevorgang beteiligt wären. Gegenüber dem eingangs beschriebenen, bekannten Schallsender mit Rechts- /Links-Senderichtung ist bei gleicher Schalldruckabstrahlung und gleicher Vertikalcharakteristik nur noch die Hälfte der elektroakustischen Wandler erforderlich. Dies bedeutet eine erhebliche Einsparung an Fertigungskosten und trägt durch die mit der Wandlerreduzierung einhergehende Verminderung der für die Ansteuerung der Wandler erforderlichen Bauelemente zu einer nicht unbeträchtlichen Gewichtseinsparung bei.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Unterwasser-Schallsenders mit vorteilhaften Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den nachfolgenden Ansprüchen angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Radialabstand des Schallreflektors von der Mitte des zugeordneten elektroakustischen Wandlers bei schallhart reflektierender Ausbildung des Schallreflektors ungefähr λ/2 und bei schallweich reflektierender Ausbildung des Schallreflektors ungefähr λ/4, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals ist. Da bei einer schallhart reflektierenden Wand der Schalldruck der reflektierenden Welle den gleichen Betrag und das gleiche Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Welle und bei einer schallweich reflektierenden Wand der Schalldruck der reflektierenden Welle den gleichen Betrag aber das entgegengesetzte Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Wellen hat, tritt in beiden Fällen eine gleichphasige Überlagerung des vom Wandler ausgehenden Schallsignals und des vom Schallreflektor reflektierten Schallsignals auf, so daß sich die vom Wandler in Senderichtung abgestrahlte Schallamplitude verdoppelt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Vertikalabstand der übereinander angeordneten Wandler ungefähr λ/4 bis λ/2, wobei λ wiederum die Wellenlänge des Sendesignals ist. Bei einem solchen Abstand erzeugen die jeweils einer Senderichtung zugeordneten Wandler eine gute Vertikalrichtwirkung der Sendeantenne, die etwa der Vertikalrichtwirkung einer gleichmäßig mit Wandlern besetzten Sendeantenne entspricht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden bei entsprechender Formgebung des Schleppkörpers die Schallreflektoren unmittelbar an der Innenwand der Hülle des Schleppkörpers ausgebildet oder von der Hülle des Schleppkörpers selbst gebildet, wenn deren Wandaufbau entsprechend gestaltet wird. Die den Schallreflektoren jeweils gegenüberliegenden Flächenabschnitte der Hülle des Schallkörpers sind akustisch transparent, d. h. sie weisen eine Wandimpedanz auf, die dem Wellenwiderstand des Mediums Wasser entspricht.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Unterwasser-Schallsenders,

Fig. 2 einen vereinfacht dargestellten Längsschnitt des Unterwasser-Schallsenders in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III/III in Fig. 2.

Der in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht schematisch skizzierte Unterwasser-Schallsender weist in bekannter Weise einen hohlen Schleppkörper 10 mit einer formsteifen Hülle 101 auf, der strömungsgünstig geformt ist und über einen gabelförmigen Schlepphaken 11 an einem Zugkabel 12 befestigt ist. Das Zugkabel 12 ist an Bord eines hier nicht dargestellten Schiffes an einer Winde befestigt, mit deren Hilfe der Unterwasser-Schallsender an Bord gezogen und wieder ausgebracht werden kann. Im Sendebetrieb wird der Schallsender von dem Zugkabel 12 hinter dem Schiff hergezogen, wobei die Schlepprichtung in Fig. 1 und 3 mit Pfeil 13 gekennzeichnet ist. Zur Beibehaltung der in Fig. 1 skizzierten aufrechten Lage des Schallsenders im Schleppbetrieb greift einerseits der Schlepphaken 11 auf beiden Seiten des Schleppkörpers 10 gelenkig an, wobei die Gelenkachsen quer zur Schlepprichtung 13 ausgerichtet sind, und ist andererseits der Schleppkörper 10 mit Stabilisierungselementen 14, 15 versehen. Die Stabilisierungselemente 14, 15 können auch als Tiefensteuereinheit ausgebildet sein, wodurch die Schlepptiefe des Schallsenders in Grenzen eingestellt werden kann. Die Längsachse des Schleppkörpers 10 ist mit 19 bezeichnet und fällt mit der Schlepprichtung 13 des Schleppkörpers 10 zusammen.

In dem hohlen, wassergefüllten Schleppkörper 10 ist eine Sendeantenne 16 integriert, die aus mehreren, hier vier, in Abstand übereinander vertikal angeordneten elektroakustischen Wandlern 17 besteht. Jeder Wandler 17, besitzt eine Rundumcharakteristik. Die mit 18 angedeuteten Wandlerachsen der übereinanderliegenden Wandler 17 fluchten miteinander. Die Stromversorgung der Sendeantenne 16 und die Signalleitung zum Schiff erfolgt über ein elektrisches Unterwasserkabel 23, das im Schleppkabel 12 verläuft. Jedem Wandler 17 ist ein Schallreflektor 20 zugeordnet, der im Radialabstand seitlich im Schleppkörper 10 angeordnet ist. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die aufeinanderfolgenden Wandlern 17 zugeordneten Schallreflektoren 20 abwechselnd links und rechts der Längsachse 19 des Schleppkörpers 10 liegen. Jeder Schallreflektor 20 ist entweder schallhart reflektierend oder schallweich reflektierend ausgebildet. Eine schallharte Reflexion wird durch einen Schichtaufbau des Schallreflektors 20 erreicht, bei welchem zwischen zwei Metallblechen eine Schaumstoffschicht angeordnet ist. Das Metallblech sollte dabei eine solche Masse pro Flächeneinheit (M) besitzen, das ω·M gleich dem Wellenwiderstand ρ·c des Mediums Wasser ist. Eine schallweiche Reflexion erhält man bei einem Schichtaufbau des Reflektors 20, der aus einem dem Wandler 17 zugekehrten Schaumstoff und einem Stahl- oder Metallblech besteht. Der Abstand des Schallreflektors 20 von dem Mittelpunkt des Wandlers 17 wird bei einem schallhart reflektierenden Schallreflektor 20 λ/2 und bei einem schallweich reflektierenden Schallreflektor 20 λ/4 gewählt, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals ist, die mit der Sendefrequenz f und der Schallgeschwindigkeit c in Wasser durch die Gleichung λ = c/f verknüpft ist. Der Vertikalabstand der Wandler 17 voneinander liegt zwischen λ/4 und λ/2.

Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet und in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, ist zwischen den im Vertikalabstand übereinander angeordneten Wandlern 17 jeweils eine schallhart reflektierende Trennschicht 21 angeordnet. Die Stirnseiten der beiden äußeren Wandler 17, also des obersten und untersten Wandlers 17, sind jeweils mit einer gleichen schallhart reflektierenden Schicht 22 überdeckt. Der Abstand dieser Schichten 22 von der Stirnseite der äußersten Wandler 17 ist gleich dem Abstand der Trennschichten 21 von jedem der benachbarten Wandler 17 bemessen.

Die Schallreflektoren 20 sind an der Hülle 101 des Schleppkörpers 10 befestigt (Fig. 1). Wie in Fig. 3 skizziert ist, werden sie bei entsprechender Formgebung des Schleppkörpers 10 bevorzugt unmittelbar auf der Innenwand der Hülle 101 des Schleppkörpers 10 ausgebildet. Durch entsprechenden Schichtaufbau der Hülle 101 des Schleppkörpers 10 im Reflektorbereich kann der Schallreflektor 20 aber auch von Bereichen der Hülle 101 des Schleppkörpers 10 selbst gebildet werden. Ist die Hülle 101 des Schleppkörpers 10 nicht insgesamt akustisch transparent ausgebildet, so müssen die Wandbereiche der Hülle 101, die den Schallreflektoren 20, bezogen auf die Längsachse 19 des Schleppkörpers 10, gegenüberliegen, so ausgeführt werden, daß deren Wandimpedanz gleich dem Wellenwiderstand des Mediums Wasser ist. Diese sog. Sendefenster 102 sind in Fig. 3 durch Strichlinierung markiert.

Als elektroakustische Wandler 17 werden bevorzugt breitbandige Ringwandler verwendet. Die elektrische Ansteuerung der Wandler 17 erfolgt derart, daß jeweils die Wandler 17, deren Schallreflektoren 20 auf der gleichen Seite der Längsachse 19 des Schleppkörpers 10 liegen, gleichzeitig mit einem elektrischen Sendesignal belegt werden. Die bevorzugt im tieffrequenten Bereich arbeitende Sendeantenne 16 sendet damit akustische Sendesignale nur in einer Richtung quer zur Längsachse 19 aus. Im nachfolgenden Sendeintervall werden die anderen Wandler 17, deren zugeordnete Schallreflektoren 20 auf der anderen Seite der Längsachse 19 des Schleppkörpers 10 angeordnet sind, zur Aussendung von akustischen Sendesignalen veranlaßt. Die Sendeantenne 16 sendet dann in die entgegengesetzte Richtung quer zur Längsachse 19 des Schleppkörpers 10 bzw. zur Schlepprichtung 13.

Claims (7)

1. Unterwasser-Schallsender für ein bistatisches Sonar-Schleppsystem, mit einem an einem Schleppkabel (12) befestigten, vorzugsweise Stabilisierungselemente (14, 15) aufweisenden, hohlen Schleppkörper (10) und mit einer im Schleppkörper (10) integrierten Sendeantenne (16) aus mehreren, im Abstand voneinander angeordneten elektroakustischen Wandlern (17) mit Rundumcharakteristik, die so ausgebildet und angesteuert ist, daß sie akustische Sendesignale getrennt zu beiden Seiten der mit der Schlepprichtung (13) zusammenfallenden Längsachse (19) des Schleppkörpers (10) aussendet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (17) ausschließlich vertikal übereinander angeordnet sind, daß jedem Wandler (17) ein Schallreflektor (20) zugeordnet ist und daß die Schallreflektoren (20) im Radialabstand von dem zugeordneten Wandler (17) seitlich im Schleppkörper (10) so angeordnet sind, daß aufeinanderfolgenden Wandlern (17) zugeordnete Schallreflektoren (20) abwechselnd links und rechts der Längsachse (19) des Schleppkörpers (10) liegen.

2. Unterwasser-Schallsender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialabstand des Schallreflektors (20) von dem zugeordneten Wandler (17) bei schallhart reflektierender Ausbildung des Schallreflektors (20) ungefähr λ/2 und bei schallweich reflektierender Ausbildung des Schallreflektors (20) ungefähr λ/4 beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals ist.

3. Unterwasser-Schallsender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vertikalabstand der Wandler (17) ungefähr λ/4 bis λ/2 beträgt, wobei λ die Wellenlänge des Sendesignals ist.

4. Unterwasser-Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den im Vertikalabstand übereinander angeordneten Wandlern (17) jeweils eine schallhart reflektierende Trennschicht (21) angeordnet ist.

5. Unterwasser-Schallsender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten der beiden äußeren Wandler (17) in der Sendeantenne (16) jeweils mit einer gleichen, schallhart reflektierenden Schicht (22) überdeckt sind, die im gleichen Abstand zu der zugeordneten Wandler-Stirnfläche liegt, wie die Trennschichten (21).

6. Unterwasser-Schallsender nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallreflektoren (20) an der Innenwand der Hülle (101) des Schleppkörpers (10) oder in der Hülle (101) selbst ausgebildet sind.

7. Unterwasser-Schallsender nach einem der Ansprüche 18 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (17) als breitbandige Ringwandler ausgebildet sind.