DE19910037C2 - Elektroakustisches Unterwasser-Ortungsgerät - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektroakustisches Unterwasser- Ortungsgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein bekanntes Unterwasser-Ortungsgerät dieser Art (EP 0 639 779 B1), dort Peilgerät genannt, wird in Verbindung mit Effektoren zur Bekämpfung von Unterwasserfahrzeugen verwendet, die nach dem Abwurf aus einem Flugzeug beim Absinken zum Gewässerboden durch Rundumpeilung die Richtung zu einem Ziel ermitteln und nach Zielerkennung durch Einschalten ihres Antriebs eine durch einen Sonarsuchkopf gesteuerte Fahrt in Richtung Ziel einleiten. Zur Rundumortung verfügt das Peilgerät über vier am Umfang des Trägers gleichmäßig verteilt angeordnete Sendewandlergruppen, die jeweils eine in ihrer vertikalen Ausdehnung flache Schallkeule aussenden, wobei sich die Schallkeulen benachbarter Sendewandlergruppen in Umlaufrichtung einander überlappen, und über vier in Umfangsrichtung des Trägers um gleiche Azimutwinkel versetzte Empfangswandlergruppen, deren Empfangscharakteristik als in ihrer vertikalen Ausdehnung flache Empfangskeulen ausgebildet sind, wobei sich die Empfangskeulen benachbarter Empfangswandlergruppen in Umfangsrichtung einander überlappen. Um eine gute Rundumbedeckung des die Sinkbahn des Peilgeräts umgebenden Gewässers zu gewährleisten, ohne den Träger rotieren lassen zu müssen, sind die Sendewandlergruppen in Umfangsrichtung im Winkel derart versetzt angeordnet, daß der Winkelversatz der Empfangswandlergruppen gegenüber den Sendewandlergruppen gleich dem halben Winkelabstand zwischen benachbarten Sendewandlergruppen ist. Dadurch sind die Hauptachsen der Empfangskeulen gegenüber den Hauptachsen der Sendekeulen um jeweils 45° versetzt, wodurch sich angenähert eine Quasi-Rundumcharakteristik des Produkts Sendediagramm × Empfangsdiagramm ergibt.

Bei einem bekannten Unterwasser-Ortungsgerät (US 3 444 508) ist eine aktive, ins Wasser eingetauchte Detektionssonde über ein Verbindungskabel an einer Schwimmboje gehalten, die die von der Detektionssonde über das Verbindungskabel übertragenen Detektionsdaten per UHF an eine entfernte Empfangsstation sendet. Die Detektionssonde weist eine zylinderförmige Hülse auf, in der eine Vielzahl von in Achsrichtung hintereinander aufgereihten, konstruktiv gleichgestalteten Ringwandlern aufgenommen sind. Jeder Ringwandler weist einen radial polarisierten Keramikring auf, der an seiner inneren und äußeren Ringfläche mit jeweils vier Elektroden belegt ist, die sich nahezu über 90° Umfangswinkel erstrecken und einen geringen Spaltabstand voneinander einhalten. Je nachdem, wie die Elektroden angeschlossen werden, können die Ringwandler im Sende- oder Empfangsbetrieb arbeiten, wobei von insgesamt elf übereinander liegenden Ringwandlern die ungeradzahligen Ringwandler durch gleiche Belegung ihrer inneren und äußeren Elektroden im omnidirektionalen Sendebetrieb und omnidirektionalen Empfangsbetrieb und die dazwischen angeordneten, geradzahligen Ringwandler durch Abgriff unterschiedlicher Elektroden an der inneren und äußeren Ringfläche im direktionalen Empfangsbetrieb arbeiten, wobei jeweils zwei um 90° gegeneinander verdrehte Dipol-Charakteristiken, eine sog. Sinus-Dipol-Richtcharakteristik und eine sog. Kosinus-Dipol- Richtcharakteristik, gebildet werden. Im Empfangsbetrieb werden die ankommenden Schallwellen auf drei verschiedenen Wegen sensiert, und zwar einmal mit der Sinus-Dipol- Richtcharakteristik und einmal mit der Konsinus-Dipol- Richtcharakteristik der im Empfangsbetrieb arbeitenden geradzahligen Ringwandler und einmal mit der Rundumcharakteristik der zuvor im Sendebetrieb betriebenen und nunmehr auf Empfangsbetrieb umgeschalteten ungeradzahligen Ringwandler. Da die beiden Dipol- Richtcharakteristiken räumlich orthogonal angeordnet sind, kann aus den drei Informationen über die einfallende Schallwelle ihr Einfallswinkel im Azimut bestimmt werden.

Ein bekannter Ultraschallwandler für Sonargeräte, der zum Aussenden oder Empfangen von Ultraschall einsetzbar ist (US 5 099 460) weist einen Ring aus piezoelektrischer Keramik auf, der im Sendebetrieb durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen seiner inneren und äußeren Ringfläche "atmet" d. h. seinen Durchmesser variiert, und so Ultraschallwellen ringsum radial abstrahlt.

Ein bekannter Ultraschallwandler für Sonargeräte, der zum Aussenden oder Empfangen von Ultraschallwellen einsetzbar ist (DE 195 28 881 C1) weist einen aus Aluminiumrohr gefertigten Ringkörper mit einer Mehrzahl um gleiche Drehwinkelabstände zueinander versetzte Axialschlitze auf, in der Keramikplatten mit entgegengesetzer Polarisation paarweise so eingesetzt sind, daß sie durch den Ringkörper aneinandergepreßt werden. Der mit den Keramikplatten bestückte Ringkörper ist außen von einem Schutzmantel umschlossen, der vorzugsweise umgossen wird und aus einem akustisch transparenten Material, wie Polyurethan oder Gummi, besteht. Bei diesem sog. Ringwandler bildet jedes Plattenpaar ein eigenständiges Wandlerelement mit einer Richtcharakteristik, die sich mit denen der benachbarten Wandlerelemente überlagert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Rundumcharakteristik eines Unterwasser-Ortungsgerät der eingangs genannten Art mit geringem technischen Aufwand bei insgesamt kleinem Bauvolumen zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Unterwasser-Ortungsgerät hat den Vorteil, daß der ringsum radial abstrahlende Keramikring das die Sinkbahn umgebende Wasservolumen absolut gleichmäßig, ohne jegliche Lücke oder Reduzierung der akustischen Sendeenergie in bestimmten Senderichtungen im Azimut über 360° beschallt. Durch die in Achsrichtung des Trägers sich erstreckende, vertikale Höhe oder Breite des Keramikrings kann dabei der vertikale Öffnungswinkel der Sendekeule oder Sendecharakteristik beeinflußt werden. Durch mehrere in Achsrichtung des Trägers nebeneinander angeordnete Senderingwandler läßt sich zudem eine in Vertikalrichtung extrem flache Sendekeule realisieren. Ein solcher Senderingwandler kann bei ausreichend hoher Sendeleistung relativ bauklein ausgeführt werden, was das Bauvolumen und das Gewicht des Geräts vorteilhaft reduziert. Durch die paarweise Aufteilung der Empfangswandler auf zwei im Axialabstand voneinander liegende Ebenen und die Anordnung des mindestens einen Sendewandlers zwischen den beiden mit den Empfangswandlern bestückten Ebenen, die damit in der Sinkphase des Trägers oberhalb und unterhalb des Sendewandlers liegen, erzielt man einerseits eine für eine sehr gute vertikale Bündelung des Richtdiagramms des Empfängers vorteilhafte große vertikale Ausdehnung des Empfängers und damit in der Sinkphase des Trägers eine sehr gute vertikale Auflösung in der Ortung, und nutzt andererseits den gleichen Bauraum innerhalb des Trägers noch zur Unterbringung des mindestens einen Sendewandlers aus, so daß die akustische Sende- und Empfangseinrichtung sehr kompakt ist und eine kleine Bauform des Trägers ermöglicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen elektroakustischen Unterwasser-Ortungsgeräts mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Patentansprüchen.

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

Fig. 1 ausschnittweise eine Seitenansicht eines in der Sinkphase sich befindlichen Unterwasser-Ortungsgeräts, teilweise im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1.

Das in Fig. 1 ausschnittweise in Seitenansicht und teilweise aufgeschnitten dargestellte Unterwasser-Ortungsgerät weist einen zylindrischen Träger 10 auf, der mit einem akustischen Sender 11 und einem akustischen Empfänger 12 ausgestattet ist. Üblicherweise sind in den Träger 10 noch ein Antrieb und eine akustisch gesteuerte Lenkvorrichtung eingerüstet, die hier nicht von Belang und daher nicht dargestellt sind. Im Einsatzfall wird das Ortungsgerät von einem Luftfahrzeug aus abgeworfen oder von einem Oberflächenschiff mittels sog. Launcher verschossen und taucht am Ende seines Luftweges in die Gewässeroberfläche ein, um dann mit vertikal ausgerichteter Längsachse 101 zum Gewässerboden hin abzusinken. In der Sinkphase wird von dem Sender 11 das die Sinkbahn umgebende Wasservolumen mit akustischen Ortungssignalen abgetastet, wobei die Ortungssignale radial zur Sinkachse und dabei im wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche ausgesendet werden. Der Empfänger 12 empfängt die im Gewässer rückgestreuten Ortungssignale, die sog. Echos, und bestimmt deren Einfallsrichtung im Azimut. Aufgrund der zu jedem Zeitpunkt bekannten Tauchtiefe des Trägers 10 kann von einem mittels der Ortungssignale detektierten Ziel im Gewässer die Peilrichtung zum Ziel sowie dessen Tauchtiefe hochgenau bestimmt werden.

Der Sender 10 weist zwei zur Trägerachse 101 koaxial angeordnete Senderingwandler 13 auf, die in Achsrichtung des Trägers 10 gesehen unmittelbar nebeneinander angeordnet sind. Jeder Senderingwandler 13 besteht aus einem Keramikring 14 mit jeweils einer auf seiner äußeren und inneren Ringfläche aufgebrachten Elektrode 15 bzw. 16. Jeder Senderingwandler 13 erzeugt ein ringsum über 360° im Azimut lückenlos radial abstrahlendes Sendefeld, dessen Sendecharakteristik oder Sendekeule bezüglich ihres vertikalen Öffnungswinkels durch die Höhe oder Breite des Keramikrings 14 (in Richtung der Trägerachse 101 gesehen) beeinflußt werden kann. Durch die Anordnung von zwei in der Sinkphase des Trägers 10 vertikal übereinanderliegenden Senderingwandlern 13 kann die Sendekeule in Vertikalrichtung recht flach ausgebildet werden.

Der Empfänger 12 besteht aus einer Vielzahl von Empfangswandlern 17, die auf zwei senkrecht zur Trägerachse 101 verlaufenden parallelen Ebenen aufgeteilt sind und in jeder Ebene in Umfangsrichtung des Trägers 10 um einen gleichen Winkelabstand voneinander verteilt angeordnet sind. Jeweils eine solche mit im Ausführungsbeispiel acht Empfangswandlern 17 besetzte Ebene, die in der Sinkphase des Ortungsgeräts etwa horizontal ausgerichtet ist, ist vor bzw. unter und hinter bzw. über dem Sender 11 mit seinen beiden Senderingwandlern 13 angeordnet. Die jeweils in einer Ebene angeordneten Empfangswandler 17 bilden eine Baueinheit, die in der DE 195 28 881 C1 beispielhaft beschrieben und dort als Ringwandler bezeichnet ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, bestehen die Empfangswandler aus paarweise zusammengefaßten Keramikplatten 18, 19, die zueinander entgegengesetzt polarisiert sind und in einem Ringkörper 20, der beispielsweise ein Aluminiumrohr ist, mit radialer Ausrichtung eingespannt sind. Der Ringkörper 20 mit den darin eingesetzten Keramikplatten 18, 19 ist auf seiner Innen- und Außenseite mit einem Schutzmantel 21 aus akustisch transparentem Material versehen.

Zur Unterbringung von Sender 11 und Empfänger 12 im Träger 10 weist der Träger 10 zwei mehrfach abgestufte, koaxiale Trägerhülsen 22, 23 auf, die nach erfolgter Montage von Sender 11 und Empfänger 12 miteinander verschraubt werden. Wie Fig. 1 zeigt, ist dabei jeweils ein Ringkörper 20 mit acht Empfangswandlern 17 auf einem gegenüber dem Außendurchmesser im Durchmesser reduzierten Hülsenabschnitt 221 bzw. 222 aufgenommen, während jeweils ein Senderingwandler 13 des Senders 11 auf einem noch stärker im Durchmesser reduzierten weiteren Hülsenabschnitt 222 bzw. 232 aufgeschoben ist. An dem Hülsenabschnitt 232 der Trägerhülsen 23 schließt sich noch ein weiterer im Durchmesser verringerter Hülsenabschnitt 233 an, der ein Außengewinde trägt, der in einem entsprechenden, im Innern des Hülsenabschnittes 222 der Trägerhülse 22 ausgebildeten Innengewindes verschraubbar ist. Nach dem Verschrauben der beiden Trägerhülsen 22, 23 werden die beiden Senderingwandler 13 mit einem akustisch transparenten Kunststoffmaterial umgossen, wobei der Umgußmantel 24 bündig mit den Außenkonturen des Trägers 10 ist. In gleicher Weise ist der äußere Schutzmantel 21 über den Empfangswandlern 17 auf den beiden Trägerhülsen 22, 23 bündig mit den Außenkonturen des Trägers 10. Im Ausführungsbeispiel ist der äußere Schutzmantel 21 ein Teil des Umgußmantels 24 und wird zusammen mit diesem durch Umgießen des fertig montierten Trägers 10 erzeugt.

Claims (5)

1. Elektroakustisches Unterwasser-Ortungsgerät mit einem im Gewässer absinkenden, vorzugsweise zylindrischen Träger (10) für einen Sender (11), der in der Sinkphase Ortungssignale ringsum radial zur Sinkachse und dabei im wesentlichen parallel zur Gewässeroberfläche aussendet, und für einen Empfänger (12), der im Gewässer rückgestreute Ortungssignale (Echos) mittels in Umfangsrichtung des Trägers (10) voneinander beabstandet angeordneter Empfangswandler (17) empfängt und dessen Empfangsdiagramm als in ihrer vertikalen Ausdehnung flache Empfangskeulen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (11) mindestens einen zur Trägerachse (101) koaxial angeordneten Senderingwandler (13) aufweist, der aus einem Keramikring (14) mit jeweils einer auf seiner äußeren und inneren Ringfläche aufgebrachten Elektrode (15, 16) besteht und ein ringsum lückenlos radial abstrahlendes Sendefeld erzeugt, daß die Empfangswandler (17) des Empfängers (12) auf zwei rechtwinklig zur Trägerachse (101) sich erstreckende, voneinander axial beabstandete, parallele Ebenen aufgeteilt und in jeder Ebene in Umfangsrichtung des Trägers (10) um gleiche Winkel zueinander versetzt sind und daß zwischen den Ebenen der mindestens eine Senderingwandler (13) angeordnet ist.

2. Ortungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangswandler (17) aus paarweise zusammengefaßten Keramikplatten (18, 19) bestehen, die in jeder Ebene in einem auf dem Träger (10) festgelegten Ringkörper (20) mit radialer Ausrichtung festgespannt sind.

3. Ortungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Senderingwandler (13) in Richtung der Trägerachse (101) des Trägers (10) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.

4. Ortungsgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Senderingwandler (13) mit einem akustisch transparenten Material umgossen sind und daß der Umgußmantel (24) bündig mit den Außenkonturen des Trägers (10) ist.

5. Ortungsgerät nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig der Senderingwandler (13) angeordneten Ringkörper (20) mit darin festgespannten Keramikplatten (18, 19) mit in den Umgußmantel (24) einbezogen sind.