DE2064588B2 - Schaltanordnung zum abstrahlen von sendeenergie in einen vorgegebenen sektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung für eine Ortungsanlage zum Abstrahlen von Schallenergie in einen vorgegebenen räumlichen Sektor mit einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern (Schailschwinger), die auf einer Fläche angeordnet sind, und die über phasenverzögernde Netzwerke mit einem Sendegenerator verbunden sind.

Bei derartigen Anlagen soll ein möglichst breiter Sektor mit Schallenergie überdeckt werden. Im allgemeinen ist es üblich, eine Vielzahl von einzelnen Schallschwingern derart anzuordnen, daß die Gesamtheit ihrer Außenflächen, die Basis, angenähert einer Zylinderwandung entspricht. Aus konstruktiven Gründen ist jedoch ein Aufbau einer Sonaranlage mit einer im wesentlichen ebenen Basis einer zylinderförmigen Basis vorzuziehen, weil eine ebene Basis durch Einbau der Schallschwinger in die Außenwandung eines Schiffes gebildet werden kann. Ein Einbau von Schallwandlern in eine Bordwand eines Schiffes ist schon in der DT-AS 10 77 379 beschrieben. Diese Schallwandler sind jedoch nicht zum gleichmäßigen Beschallen eines Sektors vorgesehen, sondern jeder der Schallwandler ist zur Abgabe eines eigenen gesonderten Schallstrahls zur Bestimmung des Abstandes einzelner Reflexionspunkte im Wasser zur Wasserstraßenvermessung vorgesehen. Dem gleichen Zweck, nämlich der Wasserstraßenvermessung, dient auch die in der DT-AS 11 53 302 beschriebene Anordnung von Schallwandlern, die in einer Ebene parallel zur Wasseroberfläche auf Auslegern eines Vermessungsschiffes angeordnet sind. Auch hierbei werden einzelne Schallstrahlen ausgesendet, die einen größeren Sektor nicht lückenlos überdecken.

Eine im wesentlichen ebene Anordnung von Schallschwingern wird oft für raumfeste Stabilisierungsaufgaben herangezogen, da eine Basis mit ebener Außenfläche sich leichter dreiachsig raumstabilisieren läßt.
Bei der Schallortung mittels einer ebenen Basis ist

ίο eine Überdeckung eines etwa 100°-Sektors erwünscht. Um einen breiten Sektor auch noch bei großer Reichweite überdecken zu können, ist es aus der DT-PS 9 77 807 bekannt, beim Senden die auf einen schmalen Sektor scharf gebündelte Schallenergie durch Phasensteuerung über den gesamten Sektor zu schwenken und danach die Sonaranlage auf Empfang umzuschalten. Zum Empfangen der Schallenergie wird eine Vielzahl von schmalen und einander dicht benachbarten oder einander überlappenden Empfangscharakteristiken durch entsprechende Zusammenfassung von einzelnen Schallschwingern über ein phasenverschiebendes Netzwerk gebildet.

Der Nachteil dieser bekannten Verfahren liegt darin, daß zum Beschallen des breiten Sektors eine relativ lange Sendezeit benötigt wird, was zu Verzerrungen bei der Darstellung reflektierter Schallenergie führt Andererseits ist die Zeit, die zwischen dem Beginn des Sendens und dem Beginn des Empfangs liegt, so groß, daß reflektierte Anteile der Schallenergie, die aus der

Μ näheren Umgebung der Basis stammen, in diese Zeit fallen und nicht empfangen werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltanordnung zum Abstrahlen von Sendeenergie für eine Ortungsanlage zu schaffen, die einen vorgegebenen

J5 breiten Sektor von einer ebenen Basis aus mit einem kurzen Sendevorgang gleichmäßig beschallt und damit einen Ausfall an Empfangsmöglichkeiten reflektierter Anteile der Schallenergie vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jede einem Schallschwinger bzw. einer Gruppe von SchaMschwingern (Linienstrahler) zugeordnete Laufzeit des jeweiligen Netzwerkes von einem Betrag gewählt ist, der sich aus jeweils der Radialentfernung zwischen einem konzentrisch zur Scheitellinie des Sektors und um den Scheitelpunkt oder um eine Achse durch den Scheitelpunkt des Sektors als Hilfsvorstellung vorgegebenen Kegelschnitt oder Rotationskörper eines Kegelschnitts einerseits und der Fläche am Ort des jeweiligen Schallschwingers bzw. der jeweiligen Gruppe von

so Schallschwingern andererseits, dividiert durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie im Medium vor der Fläche, ergibt, wenn dieser Kegelschnitt oder Rotationskörper des Kegelschnitts die Fläche nicht schneidet.

Die Anwendung von phasenverzögernden Netzwerken ist schon vielfältig beschrieben worden. So beschreibt das DT-Patent 9 77 807 eine Anordnung zum Bilden einer schmalen Richtcharakteristik mit Hilfe eines solchen Netzwerkes und auch zum Schwenken der

bü Richtcharakteristik durch Umschaltungen im Netzwerk. Aus der DT-AS 12 72 780 und der DT-AS 12 75 917 sind Anordnungen bekannt, die Richtcharakteristik eines Echolotschwingers mit Hilfe eines phasenverzögernden Netzwerkes raumfest zu stabilisieren, d. h., in

h·) Abhängigkeit von der Rollbewegung des Schiffes entgegengesetzt zu dieser Rollbewegung so zu schwenken, daß die Richtcharakteristik stets in eine vorgegebene Richtung zeigt.

Im Gegensatz zu diesen bekannten Anordnungen wird ein phasenverzögerndes Netzwerk gemäß vorliegender Erfindung nicht zum Bilden und Schwenken einer schmalen Richtcharakteristik verwendet, .;ondern zum Erzeugen einer kugelförmigen bzw. zyünderförmigen Schallwelle in einem vorgegegebenen Sektor von eine/ im wesentlichen ebenen Anordnung von Wandlern.

Auch unabhängig von einer etwaigen Änderung der Frequenz der Schallenergie wird stets der breite Sektor zeitlich gleichmäßig erfaßt. Die verbleibende Zeit zwischen dem Beginn des Sendevorgangs und dem Umschalten vom Sendebetrieb auf den Empfangsbetrieb ist auf ein Minimum zusammengeschrumpft, da nicht mehr einzelne Richtungen nacheinander durch Schwenken einer Richtcharakteristik beschallt werden müssen, sondern der gesamte breite Sektor kurzzeitig und gleichmäßig beschallt wird.

Diese erfindungsgemäße Schaltanordnung eig..et sich insbesondere auch zum nachträglichen Einbau in bestehende Rückstrahlortungsanlagen mit geschwenkter Richtcharakteristik nach der DTPS 9 77 807, indem die dort vorhandenen Schallschwinger wahlweise entweder auf den vorhandenen Kompensator zum Ausbilden einer scharf gebündelten und zu schwenkenden Senderichtcharakteristik oder auf die in Anordnung und Dimensionierung gemäß dieser Erfindung vorgesehenen phasenverzögernden Netzwerke geschaltet werden, um wahlweise entweder mit möglichst großer Reichweite entfernte Objekte zu erfassen oder bei reduzierter Reichweite auch den Nahbereich eines breiten Beobachtungssektors zu überdecken. Die phasenverzögernden Netzwerke können bei analoger Schaltungstechnik als einzelne Laufzeitglieder oder als Glieder einer gemeinsamen Laufzeitkette bzw. bei digitaler Schaltungstechnik als Schieberegister oder andere Digitalspeicher ausgebildet sein.

Durch diese Erfindung ist somit die Möglichkeit geschaffen, mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln bei optimaler Leitstungsausbeute einen breiten Sektor mit etwa kreisbogenförmiger Außenbegrenzung gleichzeitig zu erfassen, indem schon im Nahfeld vor der Basis Phasenfronten der Schallenergie erzeugt oder erfaßt werden, die die Form von Kreiszylinderschalen bzw. Kugelkalotten aufweisen, deren Zentriwinkel dem horizontalen öffnungswinkel bzw. dem horizontalen und vertikalen öffnungswinkel des vorgegebenen Sektors entsprechen. Die Beträge der Verzögerungszeiten für die einzelnen Schallschwinger oder Gruppen von Schallschwingern ergeben sich dafür aus einer geometrischen Betrachtung, nämlich im ebenen Fall der Schallausbreitung aus der Radialentfernung zwischen einem um den Scheitelpunkt des Sektors in dieser ELtne konzentrisch gedachten und die Linie der Anordnung der Schallschwinger nicht schneidenden Kegelschnittes unter Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit. In diesem Falle, bei Betrachtung eines ebenen Sektors, wird als Hilfsvorstellung z. B. ein Kreisbogen um den Scheitelpunkt des Sektors geschlagen. Die sich ergebenden Radialentfernungen zwischen dem Kreis- to bogen einerseits und der Linie der Anordnung der Schallschwinger (d. h. Außenfläche der Basis) andererseits, dividiert durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie im Medium vor der Basis (Wasser), ergibt direkt die dem jeweiligen Schallschwinger (auf t,j dem die Radialentfernung endet) zuzuordnende Verzögerungszeit.

Vorteilhafter ist es, anstelle des einfachen Kreisbogens eine geometrische Konstruktion nach Art einer Ellipse, nämlich im praktischen Anwendungsfall einen Kreisbogen mit zu den seitlichen Grenzen des Sektors hin sich in engen Grenzen zunehmend verkürzendem Radius, für die Bestimmung der Verzögerungszeiten zugrunde zu legen, um möglicherweise störende Randeffekte an den beiden seitlichen Grenzen des Sektors zu mindern.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher veranschaulicht Es zeigt

F i g. 1 eine Prinzipdarstellung einer Schaltanordnung nach dieser Erfindung in Kombination mit einer Rückstrahlortungsanlage zum Bilden und Schwenken einer Richtcharakteristik.

F i g. 2 eine Prinzipskizze zum Ermitteln der Verzögerungszeiten.

Als Ausführungsbeispiel einer Rückstrahlortungsanlage zum Bilden und Schwenken einer Richtcharakteristik ist eine Anordnung aus sechs Linienstrahlern 10,20, 30,40,50 und 60 gewählt, die jeder für sich aus in Serie oder parallelgeschalteten einzelnen Schallschwingern

U, 12,..., 16, 21 26 usw. bis 61,..., 66 bestehen.

Diese Anordnung insgesamt wird fortan als Basis 70 bezeichnet, deren Außenfläche gewölbt sei, z. B. in Anpassung an die Wölbung der Außenpartie eines Schiffsrumpfes, wie es in F i g. 1 durch die gewölbte flächenhafte Gestaltung der Basis 70 angedeutet ist. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung sind je ein Sendekanal 71 und ein Empfangskanal 71' als einpolige Blockschaltbilder und getrennt voneinander dargestellt. Ein Umschalten zwischen der Betriebsart für Senden und der Betriebsart für Empfangen von Schallenergie erfolgt durch einen Sende/Empfangs-Umschalter 72. Entsprechend dem einpoligen Blockschaltbild sind auch je ein sendeseitiger und empfangsseitiger Signalverstärker 73 und 73' nur einpolig dargestellt.

Die Rückstrahlortungsanlage enthält ein Richtkeulenschwenkgerät 75. Als Beispiel einer Ausführungsform ist hierfür in F i g. 1 ein herkömmlicher Kompensator mit Streifenkollektor 76 und angezapfter Laufzeitkette 77 gezeichnet. Beliebige andere bekannte und für diesen Zweck schon eingesetzte Vorrichtungen sind an dieser Stelle gleicherweise verwendbar. In bekannter Weise läßt sich dann mittels des Kompensator die momentane gegen das Lot 70.1 auf die Basis 70 gemessene Richtung einer scharf gebündelten Richtcharakteristik 78 (siehe F i g. 2) einstellen bzw. verändern. Der Grad der vertikalen und horizontalen Bündelung dieser Richtcharakteristik 78 ist dabei bekanntlich proportional den horizontalen und vertikalen Abmessungen der Basis 70 in Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Richtcharakteristik 78.

Eine erfindungsgemäße Anordnung zum Aussenden von Schallenergie in einem Sektor 79 gemäß F i g. 2 enthält ein phasenverzögerndes Netzwerk 80, das im dargestellten Beispielsfalle wieder als eine Laufzeitkette 77.1 aufgebaut ist. Nach Umschalten des Signalverstärkers 73 über einen Charakteristikumschalter 74 an das Netzwerk 80 wird jeder Linienstrahler 10, 20, ..., 60 (bzw. bei kugelförmigem Sektor jeder einzelne Schallschwinger 11 bis 66) über eine vorgegebene Verzögerungszeit von einem gemeinsamen Generator 81 angesteuert. Querstriche bei den einzelnen Anschlußleitungen kennzeichnen die Zuordnung der Linienstrahler 10,20,.. .,60 zu den Anschlüssen der Laufzeitkette 77.1.

Die einzelnen Verzögerungszeiten sind nun gemäß dieser Erfindung gerade so zu wählen, daß sich im Falle

der Fig. 1 eine zylindermantelförmige Wellenfront im Nahfeld der Basis 70 oder im Falle gleich großen horizontalen wie vertikalen öffnungswinkels eine kugelkalottenförmige Wellenfront der abgestrahlten Schallenergie einstellt.

Die Dimensionierung der Verzögerungszeiten wird anhand der Prinzipskizze F i g. 2 näher erläutert, die die Gegebenheiten für den Fall gemäß F i g. 1 für die Annahme angibt, daß nur eine breite kreissektorförmige horizontale Charakteristik zum Überdecken des gesamten breiten Sektors 79 erzielt werden soll, während die sogenannte, durch die Höhe der Basis 70 bedingte »natürliche« Vertikalcharakteristik beibehalten wird.

Zum Ermitteln der erforderlichen individuellen Verzögerungszeiten wird eine Hilfskonstruktion benutzt, die in diesem Falle aus einem Kreisbogen 83 um den Scheitelpunkt O des interessierenden Sektors 79 gelegt wird, wobei der Sektor 79 durch die Strahlen vom Scheitelpunkt O durch die beiden äußeren Schallschwinger 61 und 11 seine seitliche Begrenzung 79.1, 79.2 erfährt. Diese kreisförmige Hilfskonstruktion wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie die Linie der Anordnung der Schallschwinger 61 ... 11 der Basis 70 innen tangiert.

Die einzelnen Verzögerungszeiten müssen den in F i g. 2 eingetragenen Radialentfernungen 84.1 bis 84.6 entsprechen, wobei diese Radialentfernungen 84.1 bis 84.6 gemessen werden als die jeweiligen radialen Abstände zwischen dem Kreisbogen 83 einerseits und dem jeweiligen Schallschwinger 11 ... 61 andererseits. Insbesondere ergeben sich die einzelnen Beträge der individuellen Verzögerungszeiten aus einer Division dieser Radialentfernungen 84.1 ... 84.6 durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schailenergie im Medium (Wasser) vor der Basis 70. Die in F i g. 2 eingetragene Linie der Basis 70 ist ein horizontaler Schnitt durch die Basis 70 in Höhe der Schallschwinger 11,21,31,...,61 gemäß F ig. i.

Als weitere Modifikation der bisher beschriebenen Grundschaltung kann die Wellenfront der abgestrahltei Schallenergie die Gestalt der Außenfläche eine Kugelkalotte aufweisen, wozu die einzelnen individuel len Verzögerungszeiten abhängig von den Radialentfer nungen 84 zwischen den einzelnen Schallschwingen U...66 und einer durch Rotation des Kreisbogens 8: gewonnenen Kugelkalotte zu wählen sind.

Um Randeffekte an den beiden seitlichen Begrenzun gen 79.1, 79.2 des interessierenden Sektors 79 zi

ίο vermeiden, ist es zweckmäßig, den für die Dimensionie rung der Verzögerungszeiten zugrunde gelegten Kreis bogen 83 zu modifizieren, indem er zu diesel Begrenzungen 79.1, 79.2 hin mit zunehmend siel verkürzendem Radius ausgelegt wird, so daß sich al:

Hilfskonstruktion nun eine ellipsenähnliche Kurve 83.: ergibt, wie es in F i g. 2 strichpunktiert angedeutet ist, fü: das Aussenden von im Nahfeld kreiszylinderbogenför miger Wellenfronten der Schallenergie, bzw. eine Ar Ellipsoid als Rotationskörper der ellipsenähnlicher Kurve für zylindermantelförmige Wellenfronten dei Schallenergie.

Die beispielshafte schaltungstechnische Darstellung in Fig. 1 soll nur der besseren Verständlichkeit diesel Erfindung dienen; in der praktischen Realisierung diesel Erfindung wird man zweckmäßigerweise zum Einspa ren von Schaltungsaufwand durch entsprechende Umschaltung insbesondere hinsichtlich der phasenver zögernden Netzwerke diese sowohl im Sende- als auch im Empfangsfalle gleichermaßen benutzen. Schließlicl kann für beide Funktionsweisen, sowohl für den Fall dei schmalen Richtchrakteristik 78 als auch für den Fall de: breiten Richtcharakteristik (Sektor 79), eine Zusammen fassung beider Laufzeitketten 77 und 77.1 erfolgen indem eine einzige davon aus hinreichend feir gestaffelten einzelnen Laufzeitkettengliedern zusam mengesetzt ist, so daß sowohl der Bedingung fü Anschluß des Streifenkollektors 76 als auch derjenigei zu unmittelbarem Anschluß der Schallschwinger 11.. 66 zum Überdecken des breiten Sektors 79 genügt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung für eine Ortungsanlage zum Abstrahlen von Schallenergie in einen vorgegebenen räumlichen Sektor mit einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern (Schallschwinger), die auf einer Fläche angeordnet sind und über phasenverzögernde Netzwerke mit einem Sendegenerator verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede einem Schallschwinger (11... 66) bzw. einer Gruppe von Schallschwingern (Linienstrahler 10, 20,.... 60) zugeordnete Laufzeit des jeweiligen Netzwerkes (80) von einem Betrag gewählt ist, der sich aus jeweils der Radialentfernung (84) zwischen einem konzentrisch zur Scheitellinie (Lot 70.1) des Sektors (79) und um den Scheitelpunkt (O) um eine Achse durch den Scheitelpunkt (O) des Sektors (79) als Hilfsvorstellung vorgegebenen Kegelschnitt oder Rotationskörper eines Kegelschnitts (Kreisbogen 83 oder Kugelkalotte) einerseits und der Fläche (Basis 70) am Ort des jeweiligen Schallschwingers (11 ... 66) bzw. der jeweiligen Gruppe von Schallschwingern (Linienstrahler 10,20, ~, 60) andererseits, dividiert durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie im Medium von der Fläche (Basis 70), ergibt, wenn dieser Kegelschnitt oder Rotationskörper des Kegelschnitts die Fläche (Basis 70) nicht schneidet.

2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelschnitt ein Kreisbogen ist, dessen Radius in der Nähe der seitlichen Begrenzungen (79.1, 79.2) des Sektors (79) zunehmend, nach Art einer ellipsenähnlichen Kurve, geringfügig von der Kreisform abweichend verkürzt ist.