DE19743096C1 - Sendeantenne für eine Sonaranlage - Google Patents

Sendeantenne für eine Sonaranlage

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sendeantenne für eine Sonaranlage zum Nachschleppen von einem Wasserfahrzeug, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Zum Bestimmen von Peilung, Entfernung, Geschwindigkeit und Kurs eines Ziels werden von der Sendeantenne der Sonaranlage breitbandig Schallimpulse ausgesendet, die am Ziel reflektiert und von einer Schleppantenne winkelselektiv empfangen werden. Die Sendeantenne ist auf einem separaten Schleppkörper installiert. Zum Erzielen hoher Reichweiten liegt der Frequenzbereich der Schallwellen im Kilohertz-Bereich.
In "Underwater Updates" aus "Navy International" Mai/Juni 1993, Seite 140, 141 ist ein Schleppkörper für eine Sendeantenne beschrieben, der einen Hohlzylinder mit elliptischem oder tropfenförmigem Querschnitt aufweist und an der Rückseite in Schlepplage am oberen Ende zwei seitlich wegstrebende Flügel zur Stabilisierung seiner Schlepplage trägt. Über eine Gabel ist der Schleppkörper mit Schlepp- und Zugkabel zum Wasserfahrzeug verbunden. Der Schleppkörper hat ein relativ großes Gewicht, um die geforderte Schlepptiefe zu erreichen. Zum Ausbringen und Einholen des Schleppkörpers und der Schleppantenne vom Wasserfahrzeug aus ist an Bord eine Verbringeinrichtung vorhanden, die eine Winde mit einer Windentrommel für das Zugkabel, eine weitere Windentrommel für die Schleppantenne und eine Versatzvorrichtung für Schleppkörper und Schleppantenne aufweist. Das Ausbringen und Einholen von Schleppantenne und Schleppkörper erfolgt getrennt. Der Schleppkörper weist auch bei strömungsgünstiger Form einen relativ großen Wasserwiderstand auf und benötigt an Deck des Wasserfahrzeugs zusammen mit der Verbringeinrichtung Raum zum Unterbringen, der insbesondere bei kleineren Schiffen, wie Korvetten zu erheblichen Platzproblemen führt.
In der australischen Patentanmeldung AU 9540518 A ist eine Schleppantenne beschrieben, deren elektroakustische Wandler einen Hohlzylinder aus polarisierter Piezokeramik mit konkaver Innenschalung und konvexer Außenschalung enthalten. Die Innenschalung ist auf die innere Oberfläche und die Außenschalung auf die äußere Oberfläche des Hohlzylinders geklebt. Diese Wandler sind besonders für den Empfang von Schallwellen geeignet. Beim Einsatz als Sendewandler insbesondere hoher Schallpegel besteht jedoch die Gefahr, daß die Klebeverbindung durch die großen Hübe der Innen- und Außenschalung reißt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sendeantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Platzbedarf gering ist, die ein einfaches Aus- und Einbringen ermöglicht und durch ihren robusten Aufbau für Ortungen über große Entfernungen eingesetzt werden kann. Diese Aufgabe ist bei einer Sendeantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.
Jeder Sendewandler der Sendeantenne weist einen Hohlzylinder aus Piezokeramik mit einer konvexen Außenschalung und einer konkaven Innenschalung zwischen zwei Abdeckungen auf, der in seiner Höhe über die Abdeckungen mechanisch vorgespannt ist. Der Hohlzylinder ist auch aus piezokeramischen Scheiben aufzubauen oder aus Therphenol herzustellen. Außenschalung, Innenschalung und Abdeckungen bilden einen geschlossenen Hohlring, der den Hohlzylinder umgibt. In radialer Richtung sind zwischen Hohlzylinder und Außenschalung sowie zwischen Hohlzylinder und Innenschalung Hohlräume. Beim Senden von Schallwellen werden radiale und/oder axiale Schwingungen des Hohlzylinders auf den ihn umgebenden Hohlring übertragen und im Verhältnis von Hohlringdicke zu seiner Höhe übersetzt. Die Hohlringdicke wird durch die Differenz zwischen den Durchmessern der Außenschalung und der Innenschalung bestimmt. Durch diesen Aufbau des Sendewandlers wird eine Bewegungstransformation durchgeführt, die eine Hubvergrößerung des Sendewandlers in radialer Richtung bei gleicher Abstrahlleistung gestattet und somit den Frequenzbereich zu niedrigen Frequenzen hin im gleichen Verhältnis vergrößert.
Der Vorteil der Sendeantenne gemäß Anspruch 1 besteht darin, daß ihr Strömungswiderstand und Strömungsgeräusche längs der Sendeantenne gering sind, da ihr Durchmesser den Schleppantennen, sogenannten Thin-Line Streamer, die für den Empfang von tieffrequenten Schallwellen benutzt werden, angepaßt ist. Der besondere Vorteil der Sendeantenne gemäß Anspruch 1 besteht darin, daß die Sendewandler in einem Schlauch untergebracht sind, daß der Schlauch mit den Sendewandlern und die Schleppantenne mit der gleichen Verbringeinrichtung ausgebracht und eingezogen werden können und eine Schleppeinheit bilden, wobei ihr Sendeteil in Schleppschiffnähe und ihr Empfangsteil in großem Abstand dazu hinterhergeschleppt wird. Ein spezieller Schleppkörper für die Sendeantenne ist somit überflüssig geworden, ebenso eine getrennte mechanische Anbindung an das schleppende Wasserfahrzeug, und der Raumbedarf an Bord gering.
Aus der EP 0 251 797 ist bereits ein zylindrischer Sendewandler bekannt, der bei 15 kHz sendet. Er weist eine Außenschalung und Abdeckung auf, die innig mit dem Hohlzylinder aus Piezokeramik verbunden sind. Mit diesem Sendewandler wird eine relative Bandbreite von 40% erreicht. Schallwellen von 1,5 kHz sind nicht abzustrahlen, da der Keramikzylinder nicht einen 10fachen Hub ausführen kann, der für die gleiche Abstrahlleistung wie bei 15 kHz erforderlich wäre.
Die vorteilhafte Weiterbildung der Sendeantenne nach Anspruch 2, bei der die Höhe ein 10faches der Hohlringdicke beträgt, gibt die Dimensionierung eines Sendewandlers an, dessen Leistung über einen breiten Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 kHz konstant ist und beispielsweise 104 N/m2 beträgt.
Die vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sendeantenne nach Anspruch 3 gestattet eine dünnwandige Ausführung des Hohlrings mit der durch elliptische Formgebung seines Querschnitts auch bei großen Schwingamplituden ein Knicken ausgeschlossen ist. Die vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sendeantenne nach Anspruch 4 gestattet eine einfache Montage des Sendewandlers, dessen Vorspannung durch die Schraubverbindung einstellbar ist.
Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sendeantenne nach Anspruch 5 besteht der Hohlring aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, um das Gewicht jedes Sendewandlers klein zu halten.
Durch die Füllung der Hohlräume des Hohlrings mit Schaumstoff oder Metallschaum gemäß den vorteilhaften Weiterbildungen der Sendeantenne nach den Ansprüchen 6 und 7 wird die Impedanz des Sendewandlers, die abhängig vom Verhältnis seines Durchmessers zur Wellenlänge ist, an den Wellenwiderstand des Wassers angepaßt und Auftrieb erzeugt. Bei einer zusätzlichen Füllung des Schlauchs der Sendeantenne mit einer Flüssigkeit, wie es auch im Zusammenhang mit Schleppantennen zur weiteren Erhöhung des Auftriebs bekannt ist, weist der Hohlring eine Ausgleichsöffnung zum Flüssigkeitsaustausch auf, wenn die Sendeantenne in unterschiedlichen Schlepphöhen geschleppt wird.
Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sendeantenne nach Anspruch 9 wird ein Gel in den Schlauch gefüllt, das beim Einfüllen flüssig ist und danach durch Abbinden in seinen geleeförmigen Zustand überführt wird. Der Vorteil der Verwendung von Gel anstelle von Öl besteht darin, daß bei Beschädigung des Schlauches keine Umweltverschmutzung durch auslaufendes Öl verursacht wird und das Gel selbstheilend wirkt.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Sendeantenne einer Sonaranlage zum Nachschleppen von einem Wasserfahrzeug näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Sonaranlage mit Sendeantenne und Schleppantenne zum Empfangen,
Fig. 2 einen Sendewandler und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Sendewandlers.
Auf einem Wasserfahrzeug 1 ist eine Sonaranlage 2 zum Bestimmen von Zieldaten eines Schiffs oder U-Boots installiert. Schallimpulse werden mit einer Sendeantenne 3 ausgesendet und reflektierte Anteile mit einer Schleppantenne 4 empfangen. Sendeantenne 3 und Schleppantenne 4 sind mit der Sonaranlage 2 verbunden. Von der Sonaranlage 2 mit ihren Antennen werden breitbandig Schallwellen in einem Frequenzbereich von 1-10 kHz gesendet und reflektierte Anteile empfangen und ausgewertet.
Die Sendeantenne 3 enthält in einem Schlauch mehrere zylindrische Sendewandler, deren Durchmesser wesentlich kleiner als ihre Länge ist. Der Durchmesser beträgt beispielsweise 7 cm, seine Länge ist ca. zehn mal so groß. Ein solcher Sendewandler ist in Fig. 2 dargestellt. Die äußere Kontur des Sendewandlers ist tonnenförmig. Der akustisch aktive Teil ist ein Hohlzylinder 11 aus Piezokeramik oder einem Stapel von Scheiben aus Piezokeramik. Der Hohlzylinder 11 weist zum Aufbringen einer mechanischen Vorspannung ringförmige Abdeckungen 12, 13 auf. Eine nach außen gewölbte Außenschalung 14 umgibt den Hohlzylinder 11. Eine Innenschalung 15 mit konkav gekrümmter Wandung befindet sich im Innenraum des Hohlzylinders 11. Die Außenschalung 14 und die Innenschalung 15 sind über die Abdeckungen 12, 13 verbunden und bilden einen Hohlring mit im wesentlichen elliptischen Querschnitt. Über eine Schraubverbindung 16, 17 wird die Vorspannung auf den Hohlzylinder 11 aufgebracht. Hohlräume 19, 20 des Hohlrings zwischen Außenschalung 16 und Hohlzylinder 11 sowie zwischen Innenschalung 15 und Hohlzylinder 11 sind mit Schaumstoff gefüllt, der auf den Hohlzylinder 11 galvanisiert wird, und dienen der Impendanzanpassung des Sendewandlers an den Wellenwiderstand Z des Wassers. Der Schlauch, der mehrere solcher Sendewandler aufnimmt, wird mit einem Gel gefüllt, das beim Einfließen dünnflüssig ist und nach einer gewissen Zeit nach dem Einfüllen abbindet. Ein solches Gel ist selbstheilend, wenn der Schlauch der Sendeantenne beschädigt wird.
Zum Senden von Schallwellen wird über Elektroden am Außen- und Innenmantel des Hohlzylinders 11 eine sinusförmige Wechselspannung angelegt, die den Hohlzylinder 11 schwingen läßt und auch eine sinusförmige axiale Bewegung X ausführen läßt. Die axiale Bewegung X führt zu einer radialen Bewegung der Außenschalung 14 und Innenschalung 15 des Hohlringes, die im Verhältnis a zu b größer ist, wobei a die Höhe des Sendewandlers und b die Differenz der Durchmesser von Außenschalung und Innenschalung sind. Durch diese Bewegungstransformation ist es möglich, Schallwellen in einem breiten Frequenzbereich mit einem Hohlzylinder 11 aus Piezokeramik zu erzeugen, dessen Durchmesser wesentlich kleiner als die Wellenlänge der Schallwellen ist.
Bei einer abzustrahlenden Leistung N = 10 KW/m2 beträgt die Amplitude des Schalldrucks im Wasser Po = (Z.N)1/2 = 1,2.105 Pa. Die Schallschnelle V ist über den Wellenwiderstand Z = 1,5.106 kg/m2s des Wassers mit dem Schalldruck verknüpft und bestimmt sich aus der zeitlichen Ableitung der sinusförmigen Bewegung X. Ihre Amplitude ist von der Amplitude Xo der Bewegung und der Frequenz ω abhängig. Um einen Schalldruck mit einer Amplitude Po = 1,2.105 Pa in Wasser zu erzeugen, beträgt die Amplitude der Bewegung im Wasser
Bei einer Frequenz von f = 10 kHz beträgt die Amplitude Xo = 1,2 µm, bei einer Frequenz von 1 kHz beträgt die Amplitude Xo = 12 µm. Die Außenschalung 16 des Sendewandlers muß also frequenzabhängig eine Bewegung von 1 µm bis 10 µm ausführen, um breitbandig eine Leistung von 10 KW/m2 abzustrahlen. Bei einem Verhältnis a:b = 10 : 1 wird eine Bewegungstransformation von 1 : 10 erreicht, d. h. eine axiale Bewegung X des Hohlzylinders 11 wird in eine radiale Bewegung r = 10.X des Hohlringes transformiert.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Sendewandler mit seiner Außenschalung 14, dem Hohlzylinder 11 und seiner Innenschalung 15 im Bereich des größten Durchmessers des Sendewandlers.

Claims (9)

1. Sendeantenne für eine Sonaranlage zum Nachschleppen von einem Wasserfahrzeug, mit mindestens einem zylindrischen Sendewandler, dessen Durchmesser (d) kleiner als die Wellenlänge (λ) des abzustrahlenden Schalls und dessen Höhe (a) größer als der Durchmesser (d) ist, wobei der Sendewandler einen Hohlzylinder (11) aus Piezokeramik oder Piezokeramikscheiben oder Therphenol enthält und eine konvexe Außenschalung (14) mit einer nach außen gewölbten Wandung und eine konkave Innenschalung (15) mit einer in den Innenraum des Hohlzylinders (11) gewölbten Wandung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (11) in Richtung seiner Höhe (a) durch beidseitige Abdeckungen (12, 13) aus Metall mechanisch vorgespannt ist, daß Abdeckungen (12, 13), Außenschalung (14) und Innenschalung (15) einen geschlossenen, den Hohlzylinder (11) in radialer Richtung mit Abstand umgebenden Hohlring aus Metall bilden, daß die halbe Differenz (b) aus äußerem und innerem Durchmesser des Hohlrings wesentlich kleiner als die Höhe (a) des Hohlzylinders (11) ist und daß mehrere Sendewandler in einem Schlauch hintereinander, in ihrer Höhe in axialer Längsrichtung des Schlauchs fluchtend aufgereiht sind.
2. Sendeantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (a) ein 10faches der halben Differenz (b) beträgt.
3. Sendeantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckungen (12, 13) ringförmig sind und der Hohlring einen elliptischen Querschnitt aufweist.
4. Sendeantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlring teilbar ist und eine Schraubverbindung (16, 17) aufweist.
5. Sendeantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlring aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.
6. Sendeantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume (19, 20) des Hohlrings zwischen seinen Wandungen und dem Hohlzylinder (11) mit einem elastischen Material gefüllt sind.
7. Sendeantenne nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß Hohlräume (19, 20) des Hohlrings zwischen seinen Wandungen und dem Hohlzylinder (11) mit geschlossenporigem Metallschaum gefüllt sind.
8. Sendeantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch mit einer Flüssigkeit gefüllt ist und der Hohlring eine Ausgleichsöffnung zum Flüssigkeitsaustausch aufweist.
9. Sendeantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein nach dem Einfüllen in den Schlauch abbindbares Gel ist.
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