DE2150897C3

DE2150897C3 - Elektroakustische Wandler-Anordnung

Info

Publication number: DE2150897C3
Application number: DE2150897A
Authority: DE
Inventors: John A. Crofton Dorr, Md.
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-10-15
Filing date: 1971-10-13
Publication date: 1981-04-30
Also published as: DE2150897A1; AU3249671A; FR2110445B1; CA950104A; AU449298B2; DE2150897B2; FR2110445A1; US3949348A; JPS5547513B1; ZA715457B; GB1306769A

Description

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Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Wandler-Anordnung, insbesondere für Unterwasser-Echolotuntersuchungen mit einer aktiven Oberfläche zur Aussendung und/oder Empfang von akustischer Energie längs einer akustischen Achse, bei der akustisch absorbierendes Material vorgesehen ist, dessen akustische Impedanz gleich der des Mediums ist, in dem die Wandler-Anordnung arbeilet.

Aus der US-PS 33 33 236 ist es bereits bekannt, einen ⁶^ Wandler innerhalb einer Wandler-Anordnung in einem Material einzubetten, das die gleiche akustische Impedanz aufweist, wie das Medium, in dem die Wandler-Anordnung arbeitet.

Aus der US-PS 33 72 370 ist bereits eine elektroakustische Wandler-Anordnung, insbesondere für Unterwasser-Echolotuntersuchungen bekannt, bei der zur Vermeidung von Beschädigungen des Wandlers durch Druck oder sonstige Einflüsse ein Zwischenkörper aus akustisch absorbierendem Material vorgesehen irt

Bei beiden Druckschriften sind Einflüsse des akustisch absorbierenden Materials auf das Strahlungsdiagramm des Wandlers nicht beabsichtigt und infolge der radial-symmetrischen Anordnung auch nicht vorhanden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer elektroakustischen Wandler-Anordnung der eingangs genannten Art, bei der durch die besondere Anordnung des akustisch absorbierenden Materials bezüglich des Wandlers das Strahlungsdiagramm der Wandler-Anordnung so verändert wird, daß in bestimmten gewünschten Bereichen, nämlich insbesondere in den Bereichen, wo ungewünschte Echos auftreten können, die Ansprechempfindlichkeit (bzw. Abstrahlstärke) verri'igert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkma'e des Hauptanspruchs gelöst. Die Modifikation des Stri.hlungsdiagramms insbesondere vor der aktiven Fläche Jes Wandlers ist von besonderer Bedeutung, weil in diese Richtung üblicherweise Schallwellen abgestrahlt und aus diesen Richtungen auch wieder aufgenommen werden, während die hinter dieser Fläche liegenden Richtungen der Schallabstrahlung meist durch die Trägeranordnung ohnehin unterdrückt werden.

Die Beeinflussung des Strahlungsdiagramms durch das akustisch absorbierende Material hat gegenüber anderen, bisher angewendeten Verfahren zur Beeinflussung des Strahlungsdiagramms hoher Schallfrequenzen, bei denen entweder die Form der aktiven Oberfläche der Wandler in Zusammenarbeit mit Reflektoranordnungen oder Steuerungseinrichtungen für die Amplituden- und Phasenbegrenzung deshalb Vorteile, weil der Aufbau wesentlich einfacher ist und auch bei höheren Frequenzen keine Komplikationen durch Interferenzeinflüsse und dergleichen auftreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler-Anordnung finden sich in den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 schematisch die der Erfindung zugrunde liegende Meßwertwandleranordnung beim Einsatz im Unterwasserbetrieb;

F i g. 2 eine Vorderansicht des in F i g. 1 dargestellten Unterwasserfahrzeugs zur Veranschaulichung der bei Unterwasser-Schallortung auftretenden Probleme;

F i g. 3 eine polare Darstellung des Strahlungsdiagramms des Meßwertwandlers nach F i g. 1 oder 2;

Fig.4 perspektivisch eine Teilansicht einer Ausführungsform einer Meßwertwandleranordnung nach der Erfindung; und

Fig. 5 eine polare Darstellung des Strahlungsdiagramms der Meßwertwandleranordnung der F i g. 4.

Seitlich ausgerichtete Schallwandler haben einen langgestreckten Wandlereinsatz, der in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal akustische Energie beispielsweise auf den Meeresgrund richtet, wo die akustische Energie in einem äußerst engen Gebiet auftrifft. Akustische Reflexionen aus diesem engen Gebiet werden von demselben oder einem gleichartigen

Wandlereinsatz empfangen, der das akustische Signal in ein elektrisches Signal zurückwandelt Das den Schallwandler tragende Unterwasserfahrzeug bewegt sich längs eines bestimmten Kurses, wobei aufeinanderfolgende Übertragungen vorgenommen werden. Auf die elektrischen Signale des Schallwandlers ansprechende elektrische Geräte liefern eine Wiedergabe, die in Übereinstimmung mit dem eingehaltenen Kurs und entsprechend den einzelnen reflektierten übertragenen Signalen ein Bild des Meeresgrundes zeichnet. Die resultierende Wiedergabe oder Abbildung gleicht einem Bild auf dem Bildschirm eines Fernsehgeräts, da die gesamte Abbildung sich aus einer Mehrzahl paralleler Abtastungen aufbaut, wobei jede Abtastung die Aufzeichnung eines von einem äußerst engen Gebiet auf dem Meeresgrund reflektierten, übertragenen Signals ist

F i g. 1 zeigt ein Unterwasserfahrzeug 10, das sich über den Grund 12 einer Wassermenge bewegt An dem Kommandoturm 14 des Unterwasserfahrzeugs IO ist ein seitlich ausgerichteter Schallwandler 16 angebracht, der seitlich des Unterwasserfahrzeugs 10 akustische Energie aufstrahlt und anschließend von dem Grund 12 reflektierte akustische Signale empfängt. Für sehr niedrige Arbeitsgeschwindigkeiten kann der Schallwandler 16 einen Wandlereinsatz haben, der sowohl als Sender als auch als Empfänger arbeitet, während statt dessen für höhere Arbeitsgeschwindigkeiten ein gesonderter Sende- und Empfänger-Wandlereinsatz vorgesehen sein könnte.

F i g. 2 zeigt ein typisches Problem, das in Verbindung mit einem solchen Aufbau auftreten kann. Zur Erläuterung ist nur ein seitlich ausgerichteter Schallwandler 16 in F i g. 2 gezeigt, obwohl auf der Backbord-Seite des Kommandoturms 14 eine weitere gleichartige Anordnung vorgesehen sein könnte.

Die Linie H verläuft horizontal und dient als Bezugslinie, während eine Linie A die akustische Achse des Schallwandlers 16 wiedergibt Längs der akustischen Achse A wird ein Maximum an akustischer Energie ausgestrahlt oder empfangen, und das akustische Ansprechvermögen des Schallwandlers 16 nimmt in bezug auf die Linie A bzw. die akustische Achse entsprechend einem bestimmten Strahlungsdiagramm ab.

Bei geeigneter Erregung des Schallwandlers 16 wird ein akustisches Signal ausgestrahlt. Ein durch einen akustischen Strahl 20 angedeuteter Anteil dieses akustischen Signals trifft auf das Deck des Uriterwasserfahrzeugs 10 auf, so daß ein akustischer Strahl 20' reflektiert wird, der seinerseits von der Wasseroberfläche 22 als akustischer Strahl 20" zurückgeworfen wird, der dann auf einen bestimmten Bereich des Grundes 12 auftrifft Ein weiterer, mit einem akustischen Strahl 24 wiedergegebener Anteil des akustischen Signals streift an dem Deck des Unterwasserfahrzeugs 10 vorbei, so daß er den Grund 12 in Form eines akustischen Strahls 24' erreicht. Wie ersichtlich, durchläuft ein Teil des akustischen Signals infolge unerwünschter Reflexionen einen längeren Weg als der Teil des akustischen Signals, der das Auftreffgebiet unmit'Mhar erreicht. Wenn das reflektierte Signal beim \.^fl'.rfen auf ein Gebiet genügend Energie enthält, so kann eine fehlerhafte Wiedergabe entstehen, die bestimmte Gegenstände auf dem Bildschirm in einer Entfernung erscheinen läßt, die weiter als die tatsächliche Entfernung ist

Für eine bestimmte Tiefe durchläuft die von der Wasseroberfläche 22 reflektierte akustische Energie einen verhältnismäßig langen Weg im Wasser, so daß die akustische Energie beim Auftreffen auf den Grund 12 weitgehend vernichtet worden ist In diesem Fall fängt der Schallwandler die von dem Auftreffgebiet reflektierte Energie mit einem Niveau auf, das zur Wiedsrgabe nicht mehr ausreicht Reflexionen vom Deck, wie sie mit dem akustischen Strahl 24' angedeutet sind, können jedoch immer noch zu fehlerhaften Ablesungen führen. Die Intensität des akustischen

ι ο Strahls 20 oder 24 in bezug auf die längs der akustischen Achse A projizierte akustische Energie ist mit F i g. 3 in Polarkoordinaten als typisches Strahlungsdiagramm eines seitlich ausgerichteten Schallwandlers wiedergegeben (wenngleich die hier untersuchten Prinzipien sich auch auf andere Wandler-Ausführungen anwenden lassen).

In F i g. 3 entsprechen die konzentrischen Kreise um den Ausgangspunkt dem relativen Druck, die jeweiligen Radien der Winkellage. Der äußerste Kreis entspricht dem normierten akustischen Schalldruck. Dieses maximale Ansprechen ist mit 0 db (Dezibel) bezeichnet. Der nächste Kreis entspricht einer Amplitude geringeren Schalldrucks, die mit —10 db bezeichnet ist bzw. 10 db niedriger liegt Weiter folgende konzentrische Kreise von abnehmendem Radius entsprechen proportional niedriger liegenden Schallintensitäten. Das Strahlungsdiagramm ?8 für den bestimmten Schallwandler hat längs der akustischen Achse A ein Maximum (0 db) und nimmt in seiner Intensität mit wachsender Winkelab· weichung von der akustischen Achse A progressiv ab. Beispielsweise liegt das akustische Ansprechen bei einer Abweichung von ±20° von der akustischen Achse A ungefähr 2 db, bei einer Winkelabweichung von ±70° ungefähr 10 db niedriger. Der obere und untere rechte Quadrant ist nicht eingetragen worden, da in diesen Richtungen im wesentlichen keine akustische Energie ausgesandt oder empfangen wird.

Die akustische Intensität oder der Schalldruck der akustischen Strahlen 20 und 24 in bezug auf die akustische Achse A kann in Verbindung mit dem Strahlungsdiagramm 28 der F i g. 3 ermittelt werden. Neigt man das Strahlungsdiagramm 28 so, daß die akustische Achse A mit der akustischen Achse A der F i g. 2 zusammenfällt und dabei in der Zeichnungsebene liegt, so sieht man, daß der akustische Strahl 20 sich unter einem Winkel von ungefähr —60° und der akustische Strahl 24 sich unter einem Winkel von ungefähr —50° erstreckt. Entsprechend dem Strahlungsdiagramm 28 fällt die Intensität bei einem Winkel von —60° ungefähr 6 db ab. Obwohl die Intensität kein Maximum aufweist, bleibt sie doch immer noch relativ nahe am Maximalwert, so daß längs dieser Winkel genügend akustische Energie ausgesandt (oder empfangen) werden kann, die dann möglicherweise zu einer falschen Wiedergabe oder Anzeige führt.

Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Beseitigung oder zumindest eine weitgehende Ausschaltung dieses unerwünschten Verhaltens, indem das Strahlungsdiagramm so umgeformt wird, daß das Ansprechen außerhalb der Achse in einer vorgegebenen Zone geschwächt wird, wie das nachstehend anhand von F ί g. 4 erläutert wird.

Fig.4 zeigt eine Wandlereinheit 30 mit einem Flansch 32 für die Festlegung der Wandlereinheit 30 an einem Träger wie dem in Fig. 1 gezeigten Unterwasserfahrzeug 10. Zapfen 35 passen in entsprechende Löcher an dem Träger, so daß für eine einwandfreie Ausrichtung der Wandlereinheit gesorgt ist. Die

Befestigung der Wandlereinheit erfolgt mittels geeigneter Befestigungselemente, die in dem Flansch 32 vorgesehene Öffnungen 37 durchsetzen.

Die Wandlereinheit 30 weist einen Wandlereinsatz 40 mit einer aktiven Oberfläche 42 für die Aussendung und/oder den Empfang akustischer Energie auf. Aus Gründen der besseren Übersicht sind die allgemein für derartige Wandlereinsätze erforderlichen Elektrodenanschlüsse etc. nicht gezeigt, jedoch sind diese dem Fachmann geläufig. In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Wandlereinheit 30 als seitlich ausgerichteter Schallwandler ausgebildet, dessen aktive Oberfläche eine Länge von mehr als 100 Lambda hat. worin Lambda die Wellenlänge der Arbeitsfrequenz des Mediums ist, in dem die Wandlereinheit arbeitet. Ein Beispiel für einen verwendbaren Wandlereinsatz ist Bariumtitanat, das verhältnismäßig spröde ist. Daher wird der Wandlereinsalz in der Regel aus einer Mehrzahl Wandlerelemente 44 zusammengesetzt, die miteinander zugekehrten Stirnflächen längs einer geraden oder gekrümmten Linie angeordnet sind.

Bei Beaufschlagung mit geeigneter elektrischer Energie strahlt nicht nur die aktive Oberfläche 42 akustische Energie aus, sondern auch die Rückfläche 46 sucht akustische Energie abzustrahlen. Um diese in rückwärtiger Richtung abgestrahlte akustische Energie zu absorbieren, ist ein Zwischenkörper 50 aus akustisch absorbierendem Material vorgesehen, dessen akustische Impedanz im wesentlichen gleich derjenigen des umgebenden Mediums ist, in dem das Gerät arbeitet. Ein mit derartigem absorbierendem Material ausgestatteter, seitlich ausgerichteter Schallwandler wird in der US-Patentschrift 33 59 537 vom 19.12.1967 beschrieben. Entsprechend dieser Patentschrift umgibt das schallabsorbierende Material die Rückseite und erstreckt sich auf den Seitenflächen des aktiven Elements bis zu einer kurz vor der vorderen aktiven Fläche liegenden Stelle. Gemäß der Erfindung ist akustisch absorbierendes Material der beschriebenen Art relativ zu der aktiven Oberfläche 42 so angeordnet, daß ein Teil in Vorwärtsrichtung abgestrahlter (oder empfangener) akustischer Energie absorbiert und damit das Wandler-Strahlungsdiagramm so beeinflußt wird, daß die Ansprechempfindlichkeit außerhalb der Achse in einer vorgegebenen Zone vor der aktiven Oberfläche eine Verminderung erfährt. In Fig.4 erstreckt sich ein Bereich 52 des akustisch absorbierenden Materials 50 über die aktive Oberfläche 42 hinaus.

Der Bereich 52 des Zwischenkörpers 50 bewirkt eine Verringerung der akustischen Ansprechempfindlichkeit entsprechend F i g. 5, in der ein Strahlungsdiagramm 55 ^it einer durchgehenden Linie ais Strahlungsdiagramm der Wandlereinheit 30 der Fig.4 wiedergegeben ist. Zum Vergleich ist das zuvor beschriebene Strahlungsdiagramm der Fig.3 mit einer gestrichelten Linie eingetragen. Man erkennt, daß nur der untere linke Quadrant des Strahlungsdiagramms eine Änderung erfahren hat. Ebenso ließe sich auch eine Änderung des Strahlungsdiagramms in dem oberen linken Quadranten durch Anordnung akustisch absorbierenden Materials herbeiführen, das über die aktive Oberfläche 42 an deren Oberseite hinausragt.

Für die mit F i g. 2 gezeigte Situation fiel die unter einem Winkel von —60° — entsprechend der Wiedergabe durch den akustischen Strahl 20 — abgegebene akustische Energie ungefähr um 8 db ab. Wie das Strahlungsdiagramm 55 der Fig.5 zeigt, liegt die Ansprechempfindlichkeit der mit Fig.4 wiedergegebenen Anordnung für den gleichen Winkel ungefähr um 32 db niedriger, so daß sie demnach eine bedeutende Schwächung erfahren hat. Bei einem Winkel von —50°, wie ihn der akustische Strahl 24 der F i g. 2 zeigt, lag die akustische Ansprechempfindlichkeit ungefähr 6 db niedriger. Entsprechend dem Strahlungsdiagramm der F i g. 5 liegt die Ansprechempfindlichkeit dagegen etwa 28 db niedriger. Diese erheblichen Schwächungen der Ansprechempfindlichkeit gewährleisten, daß akustische Energie, die unter negativen Winkeln größer als der durch den akustischen Strahl 24 gegebene abgestrahlt wird, so weit verringert wird, daß die Energie sich beim Auftreffen auf das Zielgebiet entweder ganz oder zumindest so weit verbraucht hat, daß sie beim Empfang nicht mehr erfaßbar ist In gleicher Weise übt entsprechend dem Strahlungsdiagramm 55 von dem Zielgebiet reflektierte akustische Energie auf die Arbeitsweise gar keinen oder jedenfalls nur einen geringen Einfluß aus, wenn sie aus dieser gleichen Zone relativ zu der akustischen Achse empfangen wird.

Je nach der Arbeitsfrequenz können verschiedene akustisch absorbierende Materialien verwendet werden. Für einen typischen seitlich ausgerichteten Schallwandler kann das akustisch absorbierende Material des Zwischenkörpers 50 Butylkautschuk sein, und um die Absorbtion der akustischen Energie weiter zu unterstützen, können in dem Butylkautschuk Aluminiumpartikel verteilt sein. Die Wandlereinheit 30 ist durch eine Einbettung 60 abgeschlossen, die an das akustisch absorbierende Material sowie freiliegende Teile der Wandlerelemente 44 angrenzt und abkleidet, um den gesamten Aufbau gegen die Einwirkung von Meerwasser zu schützen. Um eine Diskontinuitäten erzeugende Brechung auszuschließen, soll das Material der Einbettung 60 die gleiche akustische Impedanz wie das rvicdiuiii haben, in dem das Gerät arbeitet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektroakustische Wandler-Anordnung, insbesondere für Unterwasser-Echolotuntersuchungen mit einer aktiven Oberfläche zur Aussendung und/oder Empfang von akustischer Energie längs einer akustischen Achse, bei der akustisch absorbierendes Material vorgesehen ist, dessen akustische Impedanz gleich der des Mediums ist, in dem die Wandler-Anordnung arbeitet, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der längs der akustischen Achse langgestreckt angeordnete Wandler (40) von dem akustisch absorbierendem Material (50) radial so umfaßt ist, daß durch Schallabsorption eine Modifikation des senkrecht zur akustischen Achse (A) gemessenen Strahlungsdiagramms (28) derart erfolgt, daß die Ansprechempfindlichkeit inv Bereich bestimmter außerhalb der nrbeitsrichtung, aber noch vor der aktiven Oberfläche des Wandlers (40) liegender Richtungen verringert ist

2. Wandler-Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Wandler außer durch die aktive Oberfläche durch eine Rückenfläche sowie Seitenflächen begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das akustisch absorbierende Material (50) sich längs der Rückenfläche (46) sowie der Seitenflächen erstreckt und von mindestens einer der beiden Seitenflächen aus nach vorne über die aktive Oberfläche (42) hinausragt.

3. Wandler-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (40) aus einer Mehrzahl aktiver Wandlerelemente (44) zusammengesetzt ist, die längs der akustischen Achse mit ihren Endflächen aneinander angrenzen.

4. Wandler-Anordnung nach Anspruch 1,2 oder 3, mit einer den Wandler schützenden Einbettung, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Einbettung (60) das akustisch absorbierende Material (50) und die freiliegenden Teile des Wandlers (40) oder der Wandlerclemente (44) unmittelbar angrenzend abdeckt.

5. Wandler-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß sie an einem Träger (10) in einer Lage angebracht ist, in welchen von der Wandler-Anordnung (16) ausgesandte und/oder empfangene akustische Energie normalerweise einen Teil des Trägers (10) trifft und davon reflektiert wird, und daß das akustisch absorbierende Material (50) so angeordnet ist, daß normalerweise auf den genannten Teil des Trägers (10) auftreffende akustische Energie eine Abschwächung auf ein Minimum erfährt.