DE19623127C1

DE19623127C1 - Sound absorber for reduction of target mass of underwater objects, especially submarines

Info

Publication number: DE19623127C1
Application number: DE1996123127
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Busch
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1997-06-19
Anticipated expiration: 2016-06-11

Abstract

The absorber comprises an arrangement of hollow tiles (11) made of low sound reflecting material which are fitted on the outer face of the underwater object (10). The narrow sides (111) face each other in the arrangement. Each tile is filled with an electro or magneto-rheological fluid and is subject to a high voltage or magnetic field. The tiles lie directly next to each other by their narrow sides. The broader sides (112) of the tiles lying at right angles to the narrow sides are square or rectangular in shape.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber zur Verringerung des Zielmaßes von Unterwasserobjekten, insbesondere von U-Booten oder Teilen davon, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.The invention relates to a sound absorber Reducing the target size of underwater objects, especially of submarines or parts thereof, which in the Preamble of claim 1 defined genus.

Ein bekanntes Unterwasserschiff (DE 33 32 754 C2) ist zur Verringerung seines Zielmaßes gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen am Bug des Schiffes und an dem dem Bug zugekehrten Turmbereich des Einstiegsturms mit als breitbandige Keilabsorber ausgebildeten Schallabsorbern verkleidet. Diese Schallabsorber sind jeweils von einem der Kontur von Schiffskörper bzw. Einstiegsturm angepaßten Müllkörper aus Kunststoff mit im wesentlichen gleichen akustischen Eigenschaften wie Wasser (z. B. Polyurethan) abgedeckt. Wegen des fertigungstechnischen Aufwands beschränkt man sich darauf, nur diejenigen Teile des Unterwasserschiffs (Bug- und Vorderseite des Einstiegsturms) zu verkleiden, die bei Angriffsfahrt des Unterwasserschiffs sich der Ortungsanlage darbieten. Werden dagegen Manöverfahrten erforderlich, so sind die Schallabsorber weitgehend unwirksam.A known underwater ship (DE 33 32 754 C2) is for Reduction of his target size compared Low frequency location systems on the bow of the ship and on the tower area of the entry tower facing the bow with as broadband wedge absorbers trained sound absorbers disguised. These sound absorbers are each from one of the Adapted contour of the hull or entry tower Plastic waste body with essentially the same acoustic properties such as water (e.g. polyurethane) covered. Because of the manufacturing effort you limit yourself to only those parts of the Underwater ships (bow and front of the Entrance tower) to disguise the attack Underwater ships present themselves to the location system. Will on the other hand, maneuvers are required Sound absorber largely ineffective.

Zur Zielmaßreduktion ist es auch bekannt, den Schiffskörper von U-Booten mit Materialien aus Gummi oder verwandten Kunststoffen zu beschichten. Solche Beschichtungen sind jedoch nur in einem kleinen Frequenzbereich bei hohen Sendefrequenzen der Ortungsanlage wirksam. Zur Zielmaßreduktion gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen, die in einem Frequenzbereich zwischen 1 bis 10 kMz senden, können solche Beschichtungen nicht eingesetzt werden, da ihre Schichtdicke sehr groß gemacht werden müßte, z. B. 1,5 m.It is also known to reduce the target size, the hull of submarines with rubber or related materials To coat plastics. Such coatings are however only in a small frequency range at high ones Transmission frequencies of the location system effective. For Target reduction compared to low-frequency location systems, the transmit in a frequency range between 1 and 10 kMz, such coatings cannot be used because their layer thickness would have to be made very large, e.g. B. 1.5 m.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallabsorber zur Zielmaßreduktion von Unterwasserobjekten zu schaffen, der in einem großen Frequenzbereich wirksam ist und sowohl gegenüber Ortungsanlagen mit hoher Sendefrequenz als auch gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen eine wirksame Tarnung des Unterwasserobjekts ermöglicht, sowie diese Zielmaßreduktion weitgehend unabhängig von der Schalleinfallsrichtung gewährleistet.The invention has for its object a Sound absorber for target size reduction of underwater objects to create effective in a wide frequency range is and both compared to location systems with high Transmit frequency as well as opposite Low-frequency location systems an effective camouflage of the Underwater object enables, as well as this target size reduction largely independent of the direction of sound guaranteed.

Die Aufgabe ist bei einem Schallabsorber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.The task for a sound absorber is that in the preamble of claim 1 specified genus according to the invention the features in the characterizing part of claim 1 solved.

Der erfindungsgemäße Schallabsorber hat den Vorteil, daß die Kacheln der Anordnung eine nur relativ geringe Dicke aufzuweisen brauchen, so daß die Beschichtung der Oberfläche des Unterwasserobjekts nicht zu voluminösen Abmessungen führt. Durch entsprechende Größenwahl der Kacheln ist eine Verkleidung beliebig geformter Oberflächen der Unterwasserobjekte möglich.The sound absorber according to the invention has the advantage that the tiles of the arrangement have a relatively small thickness need to have, so that the coating of the Surface of the underwater object not too voluminous Dimensions leads. By choosing the appropriate size Tiling is a covering of surfaces of any shape of underwater objects possible.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schallabsorbers beruht auf der Eigenschaft der elektro- bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten, mit der Größe eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes, dem sie ausgesetzt werden, ihre Viskosität zu ändern. Damit kann die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit von ca. 1500 m/s bei fehlendem Hochspannungs- bzw. Magnetfeld durch Anlegen entsprechender Felder bis auf ca. 3200 m/s gesteigert werden. Da die Dichte der rheologischen Flüssigkeit keiner Schwankung unterworfen ist, ist ihre akustische Impedanz p·c ausschließlich von der Schallgeschwindigkeit c abhängig, d. h. die mit rheologischer Flüssigkeit gefüllten Kacheln sind je nach Größe des angelegten Feldes akustisch transparent, absorbierend oder reflektierend, wobei die gewünschte Eigenschaft für jede Frequenz des einfallenden Schalls durch Anpassung des elektrischen oder magnetischen Feldes herbeigeführt werden kann.The mode of operation of the sound absorber according to the invention is based on the property of the electrical or magnetorheological fluids, the size of a electrical or magnetic field to which they are exposed are going to change their viscosity. So that Sound propagation speed in the liquid of approx. 1500 m / s in the absence of a high voltage or magnetic field by creating appropriate fields up to approx. 3200 m / s be increased. Because the density of the rheological Liquid is not subject to fluctuation is hers acoustic impedance p · c exclusively from the Speed of sound c dependent, d. H. with Tiles filled with rheological fluid are depending on Size of the field created acoustically transparent, absorbent or reflective, with the desired Property for each frequency of the incident sound by adapting the electric or magnetic field can be brought about.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schallabsorbers mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.Advantageous embodiments of the invention Sound absorbers with practical designs and Improvements of the invention result from the others Claims.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kachelanordnung so getroffen, daß die Kacheln mit ihren Schmalseiten weitgehend spaltlos aneinanderliegen und so die gesamte Oberfläche des Unterwasserobjekts oder, je nach Anwendungsfall, auch nur den erforderlichen Teil davon abdecken. Die Kachelform kann dabei quadratisch oder rechteckförmig sein.According to a preferred embodiment of the invention made the tile arrangement so that the tiles with their Narrow sides lie largely without gaps and such the entire surface of the underwater object or, depending on Use case, even the required part of it cover. The tile shape can be square or be rectangular.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Größe der zu den Schmalseiten rechtwinklig ausgerichteten Breitseiten von Kacheln, die in der Anordnung benachbart sind, unterschiedlich groß gemacht. Durch die unterschiedliche Kachelgröße überdeckt die Anordnung bei fest eingestelltem Hochspannungs- oder Magnetfeld einen breiteren Frequenzbereich im Bereich der Sendefrequenz des einfallenden Schalls. Zusätzlich lassen sich wegen der schnellen Reaktionszeit der rheologischen Flüssigkeit gegenüber der Pulsdauer von Aktiv-Ortungsanlagen unterschiedliche Reflexions- oder Absorptionsmuster schalten, die zu einer ständig wechselnden Verzerrung der am Unterwasserkörper reflektierten Schallwellen führen.According to an advantageous embodiment of the invention the size of the rectangular to the narrow sides aligned broadsides of tiles that are in the Arrangement are adjacent, made different sizes. Due to the different tile size, the Arrangement with fixed high voltage or Magnetic field has a wider frequency range in the range Frequency of the incident sound. Leave in addition themselves because of the fast response time of the rheological Fluid versus the pulse duration of Active location systems different reflection or Absorption patterns switch to one all the time changing distortion of the underwater body reflected sound waves.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Größe der Breitseiten der einzelnen Kacheln in der Anordnung und die Größe der an den einzelnen Kacheln liegenden Hochspannungs- oder Magnetfelder so gewählt, daß der Reflexionskoeffizient der Oberfläche der Anordnung einem Barkercode oder einer binären Maximalfolge gehorcht. Bei dieser Ausbildung der Anordnung wird eine einfallende Schallwelle gleichzeitig in alle Richtungen zurückgestreut, wodurch eine sehr große Zielmaßreduktion erzielt wird und sog. Glanzwinkel des Unterwasserobjekts vermieden werden.According to a preferred embodiment of the invention the size of the broad sides of the individual tiles in the Arrangement and size of the individual tiles lying high voltage or magnetic fields chosen so that the reflection coefficient of the surface of the device obeys a bar code or a binary maximum order. With this configuration the arrangement becomes an incidental one Sound wave scattered back in all directions at the same time, whereby a very large reduction in target size is achieved and so-called gloss angle of the underwater object can be avoided.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment in the following described. Show it:

Fig. 1 ausschnittsweise eine perspektivische Darstellung eines mit einem Schallabsorber verkleideten Unterwasserobjekts, Fig. 1 a detail of a perspective view of a sound absorber with a clad underwater object,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Kachel im Schallabsorber in Fig. 1, teilweise aufgeschnitten. Fig. 2 is a perspective view of a tile in the sound absorber in Fig. 1, partially cut away.

Der in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Schallabsorber dient zur Verringerung des Zielmaßes von Unterwasserobjekten. In Fig. 1 ist als Unterwasserobjekt 10 ein Wandausschnitt des Einstiegturms eines U-Bootes dargestellt. Der Schallabsorber besteht aus einer Anordnung von hohlen Kacheln 11, die auf der Oberfläche 101 des Unterwasserobjekts 10 angebracht ist. Die Anordnung der Kacheln 11 folgt dabei der Kontur der Oberfläche 101 des Unterwasserobjekts 10 und deckt diese vollständig ab. Eine Kachel 11 der Anordnung ist in Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Die hohle Kachel 11 besteht aus einem schallreflexionsarmen Material, das annähernd die gleiche akustische Impedanz aufweist wie Wasser. Beispielsweise wird als Kachelmaterial Gummi oder ein gummiähnlicher Kunststoff verwendet. Die Schmalseiten 111 der Kacheln 11 sind in der Anordnung einander zugekehrt und die rechtwinklig zu den Schmalseiten 111 ausgerichteten, einander gegenüberliegenden Breitseiten 112 der Kacheln 11 haben eine quadratische oder rechteckige Form. Zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten 111 von den insgesamt vier Schmalseiten 111 sind mit einer Elektrode 12 bzw. 13 belegt, die jeweils auf der Innenfläche der beiden Schmalseiten 111 angebracht ist. Die beiden Elektroden 12, 13 sind über Anschlußleitungen 14, 15 mit einer Hochspannungsquelle verbunden. Die hohle Kachel 11 ist vollständig mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt.The sound absorber shown in detail in FIG. 1 serves to reduce the target size of underwater objects. In Fig. 1, a wall section of the entry tower is of a submarine shown an underwater object 10. The sound absorber consists of an arrangement of hollow tiles 11 which is attached to the surface 101 of the underwater object 10 . The arrangement of the tiles 11 follows the contour of the surface 101 of the underwater object 10 and covers it completely. A tile 11 of the arrangement is shown in perspective in FIG. 2. The hollow tile 11 is made of a sound-reflecting material that has approximately the same acoustic impedance as water. For example, rubber or a rubber-like plastic is used as the tile material. The narrow sides 111 of the tiles 11 face each other in the arrangement and the opposite broad sides 112 of the tiles 11 , which are aligned at right angles to the narrow sides 111 , have a square or rectangular shape. Two opposite narrow sides 111 of the total of four narrow sides 111 are covered with an electrode 12 or 13 , which is in each case attached to the inner surface of the two narrow sides 111 . The two electrodes 12 , 13 are connected to a high voltage source via connecting lines 14 , 15 . The hollow tile 11 is completely filled with an electrorheological fluid.

Elektrorheologische Flüssigkeiten sind bekannt und beispielsweise in Technischer Einsatz neuer Aktoren′, D.J. Jenddritza et al., Expert Verlag, 1995, Seite 64 ff. beschrieben. Sie sind Suspensionen aus einer nicht polaren Trägerflüssigkeit mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und niedriger Permittivitätszahl (z. B. leichte Öle, wie Transformatorenöle, Silikonöle, Paraphine, Kohlenwasserstoffverbindungen u. a.), in die polarisierbare Feststoffteilchen mit vergleichsweise hoher Permittivitätszahl dispergiert sind. Ohne elektrisches Steuerfeld zwischen den Elektroden 12, 13 liegt die typische Viskosität dieser elektrorheologischen Suspensionen im Bereich von 100 bis einigen 100 mPas. Unter Feldeinfluß zeigen sie eine Zunahme des Fließwiderstandes, die von der Stärke des angelegten Feldes abhängt.Electrorheological fluids are known and are described, for example, in the technical use of new actuators', DJ Jenddritza et al., Expert Verlag, 1995, page 64 ff. They are suspensions of a non-polar carrier liquid with low electrical conductivity and low permittivity number (e.g. light oils, such as transformer oils, silicone oils, paraphines, hydrocarbon compounds, etc.), in which polarizable solid particles with a comparatively high permittivity number are dispersed. Without an electrical control field between the electrodes 12 , 13 , the typical viscosity of these electrorheological suspensions is in the range from 100 to a few 100 mPas. Under the influence of the field, they show an increase in the flow resistance, which depends on the strength of the applied field.

Wie in Fig. 1 skizziert ist, liegen die Kacheln 11 in ihrer Anordnung auf der Oberfläche 101 des Unterwasserkörpers 10 mit ihren Schmalseiten 111 spaltlos unmittelbar aneinander, so daß die Anordnung eine geschlossene Außenfläche zeigt. Die Breitseiten 112 in der Anordnung benachbarter Kacheln 11 sind unterschiedlich groß bemessen. Wird nun an jede Kachel 11 eine Hochspannung gelegt, so nimmt die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit mit anwachsender Stärke des Hochspannungsfeldes zu, als deren Folge auch die Schallgeschwindigkeit in der elektrorheologischen Flüssigkeit ansteigt. Im Übergangsbereich von dem flüssigen in den festen Zustand durchläuft dabei der Verlustfaktor ein Maximum. Je nach Größe der angelegten Hochspannung kann dabei die akustische Impedanz der einzelnen Kachel 11 so eingestellt werden, daß die Kachel 11 entweder akustisch transparent oder akustisch absorbierend oder akustisch reflektierend ist, und zwar abgestimmt auf unterschiedliche Schallfrequenzen der an der Anordnung einfallenden Schallwelle. Dabei kann die einfallende Schallwelle entweder weitgehend absorbiert oder gleichmäßig in alle Richtungen zurückgestreut werden, so daß die Anordnung für eine die Schallwelle aussendende Unterwasser-Ortungsanlage ein nur geringes Zielmaß aufweist, und damit sehr schlecht zu lokalisieren ist.As sketched in FIG. 1, the tiles 11 are directly adjacent to one another with their narrow sides 111 in their arrangement on the surface 101 of the underwater body 10 , so that the arrangement shows a closed outer surface. The broad sides 112 in the arrangement of adjacent tiles 11 are of different sizes. If a high voltage is now applied to each tile 11 , the viscosity of the electrorheological fluid increases with increasing strength of the high voltage field, as a result of which the speed of sound in the electrorheological fluid also increases. In the transition area from the liquid to the solid state, the loss factor runs through a maximum. Depending on the size of the high voltage applied, the acoustic impedance of the individual tile 11 can be set so that the tile 11 is either acoustically transparent or acoustically absorbent or acoustically reflective, specifically to different sound frequencies of the sound wave incident on the arrangement. The incident sound wave can either be largely absorbed or evenly scattered back in all directions, so that the arrangement for an underwater location system emitting the sound wave has only a small target size and is therefore very difficult to localize.

Bevorzugt werden dabei die einzelnen an den Kacheln 11 liegenden Hochspannungsfelder unter Berücksichtigung der unterschiedlich großen Breitseiten 112 der Kacheln 11 so gewählt, daß der Reflexionskoeffizient der Oberfläche der Anordnung einer binären Maximalfolge genügt. Ein Beispiel für eine solche aus der pseudostatistischen Rauschtheorie bekannte, binäre Maximalfolge ist die nachstehend wiedergegebene Maximalfolge der Länge 15:The individual high-voltage fields lying on the tiles 11 are preferably selected taking into account the different sized broad sides 112 of the tiles 11 such that the reflection coefficient of the surface satisfies the arrangement of a binary maximum sequence. An example of such a binary maximum sequence known from pseudo-statistical noise theory is the maximum sequence of length 15 shown below:

++------+-+--++-+++ ------ + - + - ++ - +

Dieser der Maximalfolge gehorchende Reflexionsfaktorverlauf der Anordnung wird durch Wechsel zwischen schallharter und schallweicher Reflexion an den einzelnen Kacheln 11 erreicht, wobei die schallharte Kachel 11 eine große Impedanz und den Reflexionsfaktor +1 und die schallweiche Kachel 11 eine kleine Impedanz und den Reflexionsfaktor -1 aufweist. In dem ersten Fall hat der Schalldruck der reflektierten Welle bei gleichem Betrag das gleiche Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Schallwelle, während im zweiten Fall der Schalldruck der reflektierten Schallwelle bei gleichem Betrag das entgegengesetzte Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Schallwelle aufweist. Durch die unterschiedliche Größe der Breitseiten 112 der Kacheln 11 wird ein größerer Frequenzbereich um die Schallfrequenz der einfallenden Schallwelle abgedeckt. Anstelle der binären Maximal folge kann auch der ebenfalls aus der pseudostatistischen Rauschtheorie bekannte Barkercode verwendet werden.This reflection factor course of the arrangement, which obeys the maximum sequence, is achieved by alternating between reverberant and reverberant reflection on the individual tiles 11 , the reverberant tile 11 having a large impedance and the reflection factor +1 and the reverberant tile 11 having a small impedance and the reflection factor -1. In the first case, the sound pressure of the reflected wave has the same sign as the sound pressure of the incident sound wave for the same amount, while in the second case the sound pressure of the reflected sound wave has the opposite sign as the sound pressure of the incident sound wave for the same amount. The different sizes of the broad sides 112 of the tiles 11 cover a larger frequency range around the sound frequency of the incident sound wave. Instead of the binary maximum sequence, the Barker code, which is also known from pseudo-statistical noise theory, can also be used.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstelle der elektrorheologischen Flüssigkeit auch eine magnetorheologische Flüssigkeit zur Füllung der hohlen Kacheln 11 verwendet werden. In diesem Fall ist an jeder Kachel 11 ein entsprechendes Magnetfeld in gleicher Richtung anzulegen wie das beschriebene Hochspannungsfeld.The invention is not restricted to the exemplary embodiment described above. Thus, instead of the electrorheological fluid, a magnetorheological fluid can also be used to fill the hollow tiles 11 . In this case, a corresponding magnetic field is to be applied to each tile 11 in the same direction as the high-voltage field described.

Claims

1. Sound absorber for reducing the target size of underwater objects ( 10 ), in particular submarines or parts thereof, characterized by an arrangement of hollow tiles ( 11 ) made of a low-sound reflection material for attachment to the surface ( 101 ) of the underwater object ( 10 ) , whose narrow sides ( 111 ) face each other in the arrangement, and in that each tile ( 11 ) is filled with an electro- or magnetorheological liquid and is exposed to a high voltage or magnetic field.

2. Sound absorber according to claim 1, characterized in that the tiles ( 11 ) with their narrow sides ( 111 ) lie directly against one another.

3. Sound absorber according to claim 1 or 2, characterized in that the mutually opposite broad sides ( 112 ) of the tiles ( 11 ) which are oriented at right angles to the narrow sides ( 111 ) are square or rectangular.

4. Sound absorber according to one of claims 1 to 3, characterized in that the size of the wide sides ( 112 ) oriented at right angles to the narrow sides ( 111 ) of tiles ( 11 ) adjacent in the arrangement is different.

5. Sound absorber according to one of claims 1 to 4, characterized in that each tile ( 11 ) in the arrangement of an individually adjustable high voltage or magnetic field can be exposed separately.

6. Sound absorber according to claim 5, characterized in that the size of the broad sides ( 112 ) of the individual tiles ( 11 ) in the arrangement and the size of the high-voltage or magnetic fields lying on the individual tiles ( 11 ) are chosen such that the reflection coefficient the surface of the arrangement follows a bar code or a binary maximum according to the pseudo-statistical noise theory.

7. Sound absorber according to one of claims 1 to 6, characterized in that the tile material a acoustic impedance that is approximately equal to that of Is water.

8. Sound absorber according to claim 7, characterized characterized in that the tile material rubber or a is rubber-like plastic.

9. Sound absorber according to one of claims 1 to 8, characterized in that for generating a high voltage field on the individual tiles ( 11 ) two opposite narrow sides ( 111 ) of the tiles ( 11 ) each with an electrode attached to the inner surface ( 12 , 13th ) are occupied.

10. Sound absorber according to one of claims 1 to 9, characterized in that the arrangement of the tiles ( 11 ) follows the contour of the surface ( 101 ) of the underwater object ( 10 ) and completely covers it.