DE2401791C3

DE2401791C3 - Verfahren bzw. Einrichtung zur Erzeugung einer Schallstrahlung vorgegebener Richtcharakteristik und veränderbarer Richtung

Info

Publication number: DE2401791C3
Application number: DE2401791A
Authority: DE
Inventors: George Maxwell Portsmouth R.I. Walsh (V.St.A.)
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1973-01-15
Filing date: 1974-01-15
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US3824531A; AU6359073A; JPS49105567A; AU473587B2; DE2401791B2; DE2401791A1; FR2214132A1; NL163326C; BE809731A; NL163326B; NL7400246A; GB1418614A; CA997051A; IT1002623B; FR2214132B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung einer Schallstrahlung vorgegebener Richtcharakteristik in einem Medium, das mindestens gegenüber vorbestimmten Schallfreqüenzen nichtlineare akustische Überlragungseigenschaften besitzt, wobei von einer Sendewandleranordnung gerichtete Strahlungsfelder einer ersten und einer zweiten Frequenz ausgesendet werden, aus denen in einem Wechselwirkungsbereich des Mediums ein gerichteter Strahl von Wellenenergie in einer gewünschten dritten, aus der Differenz der beiden genannten Frequenzen gebildet wird. Ein Verfahren dieser Art ist der deutschen Offenlegungsschrift 22 04 028 zu entnehmen.

Man hat bereits zahlreiche Experimente zur Untersuchung einer parametrischen Wechselwirkung zwischen zwei Schallstrahlen durchgeführt, welche mit unterschiedlichen Frequenzen durch ein nichtlineare Übertragungseigenschaften besitzendes Medium geschickt wurden, wobei durch die Wechselwirkung ein Strahl einer Schallenergie mit anderen Frequenzen gebildet wurde, die jeweils einer arithmetischen Kombination der beiden zuerst genannten Frequenzen gleich sind. Die anderen Frequenzen, welche meistens untersucht wurden, sind die Summenfrequenz und die Differenzfre-

quenz. Hierbei gilt der Differenzfrequenzstrahlung besonderes Interesse, da Wellenenergie in einem schmalen Strahlenbündel mit geringer Frequenz übertragen werden kann, wobei nur ein verhältnismäßig kleiner Sendewandler erforderlich ist und bestimmte Stoffe durchdrungen werden können, beispielsweise ein Gewässerboden oder der Meeresboden, von wo höhere Frequenzen im allgemeinen reflektiert würden. Außerdem ist es bekannt, daß die Dämpfung der Schallwellen in einem fluidischen Medium, beispielsweise in Wasser, von der Frequenz der Strahlung abhängig ist, derart, daß niedrigere Frequenzen eine geringere Dämpfung erfahren als höhere Frequenzen. In größeren Abständen von einer Schallquelle, wo sowohl die hohen Frequenzen als auch die niedrigeren Frequenzen aufgrund der Dämpfungswirkung des Mediums bereits verhältnismäßig geringe Intensität besitzen, kann die Intensität der Strahlung niedrigerer Frequenz aufgrund der selektiven, unterschiedlichen Dämpfung durchaus größer sein, als die Intensität der Strahlung höherer Frequenz, obwohl ursprünglich die Intensitäten der Strahlungsanteile höherer Frequenz bedeutend größer als die Intensität der Strahlungsanteile niedrigerer Frequenz gewesen sind, welche durch die parametrische Wechselwirkung der Schallstrahlungen höherer Frequenz gebildet wurden. Praktisch ist die Intensität der Schallstrahlung niedriger Frequenz, beispielsweise nach Reflexion am Sandboden oder Schlammboden in einem Hafenbecken so gering, daß die Erfassung der Strahlung mit der geringen Frequenz durch Korrelationstechniken erfolgen muß, wobei die reflektierten Signale mit einem künstlich erzeugten Vergleichssignal verglichen werden.

Die optimale Ausnützung der Differenzfrequenzstrahlung erfordert die Möglichkeit einer Steuerung eines Strahlenbündels oder einer Richtcharakteristik dieser Strahlung, so daß der Boden, beispielsweise eines Hafenbeckens, abgetastet werden kann oder die Richtcharakteristik oder das Strahlungsbündel während eines Hin- und Herschaukelnr des mit der Sendeeinrichtung ausgerüsteten Schiffes oder Bootes stabilisiert werden kann.

Es entstehen Schwierigkeiten dadurch, daß der Strahlungsstrahl oder die Richtcharakteristik mit der Differenzfrequenz durch nichtlineare Wechselwirkung zweier Strahlungsstrahlen mit höherer Frequenz gebildet wird und daher jede der Richtcharakteristiken oder Strahlungsstrahlen höherer Frequenz so gesteuert oder gelenkt werden muß, daß der resultierende Strahlungsstrahl mit der gewünschten Diflerenzfrequenz in die jeweils gewünschte Richtung gelenkt wird. Weiterhin ist bekannt, daß ein Sendewandler oder eine Sendeantenne für Schallenergie nicht eine Richtcharakteristik mit einer einzigen Strahlungskeule, sondern vielmehr eine Strahlung mit einer Richtcharakteristik erzeugt, die eine Hauptstrahlungskeule und mehrere Nebenstrahlungskeulen oder Seitenstrahlungskeulen aufweist, deren relative Amplituden von verschiedenen Faktoren abhängig sind, beispielsweise der Größe des Sendewandlers und, falls die Sendeantenneneinrichtung aus einer Anordnung von Wandlerelementen besteht, auch vom Abstand dieser Wandlern r piite.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß das Strahlungsdiagramm der im Wechselwirkungsbereich gebildeten, resultierenden Schallenergie in solchem Maße frei von Nebenstrahlungskeulen gehalten wird, daß Störungen bei der Signalverarbeitung sicher vermieden werden, insbesondere auch dann, wenn eine Abtastbewegung durchzuführen ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Vermeidung von Nebenstrahlungskeulen der Strahlungsenergie mil der dritten Frequenz die bei der Abstrahlung der Hauptstrahiungskeule der ersten Schallfrequenz entstehenden Nebenstrahlungskeulen sich nicht mit den bei der Abstrahlung der Hauptstrahlungskeule der zweiten Schallfrequenz entstehenden

ίο Nebenstrahlungskeulen decken, gleichgültig, auf welchen gemeinsamen Bereich des Mediums die Hauptstrahlungskeulen gerade gerichtet sind.

Durch die Erfindung wird auch eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens vorgeschlagen, welche gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Wandlerelementen, von denen mittels einer ersten Speiseschaltung eine bestimmte Zahl mit Signalen der ersten Frequenz und von denen mit einer zweiten Speiseschaltung eine bestimmte Zahl mit Signalen der zweiten Frequenz mit solcher Energie anregbar ist, daß die genannte dritte Frequenz in den gemeinsamen Bereichen entsteht und daß die Speiseschaltungen jeweils mit den zugehörigen Wandlern verbundene Steuermittel zur Veränderung der Richtungen der genannten Hauptstrahlungskeulen enthalten.

Besondere Ausgestaltungen bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Patentansprüche, auf welche hier zur Verkürzung und Vereinfachung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird.

jo Ein Schallenergie-Übertragungssystem der hier vorgeschlagenen Art enthält also eine Anordnung von Wandlerelementen, die Schallenergie mit einer ersten Frequenz und mit einer zweiten Frequenz abstrahlen und so angeordnet sind, daß Strahlungsstrahlen bestimmter Form gebildet werden, welche in ein nichtlineare Übertragungseigenschaften besitzendes Medium ausgeschickt werden, beispielsweise in das Meerwasser, so daß es zu einer parametrischen Wechselwirkung zwischen den Strahlungssirahlen

•to kommt. Diese Wechselwirkung, welche auf den Wellenübertragungseigenschaften des Mediums beruht und oft als endliche Amplitudenübertragung bezeichnet wird, führt zur Erzeugung eines resultierenden Schallstrahlungsbündels, das von einem Bereich des Mediums ausgeht, der gleichzeitig von der Schallstrahlung der ersten Frequenz und der zweiten Frequenz durchsetzt ist, wobei die resultierende Schallstrahlung Frequenzen aufweist, die arithmetischen Kombinationen der ersten und der zweiten Frequenz gleich sind. Besonders

so interessiert hier das resultierende Strahlungsbündel mit einer Frequenz entsprechend der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Frequenz. Bei den hier angegebenen Systemen sind weiter Einrichtungen zur Erzeugung von Signalen mit der ersten und der zweiten Frequenz und mit der gewünschten Modulation vorgesehen, welche über entsprechende Kopplungseinrichtungen mit bestimmter, jeweils eingestellter Verzögerung den einzelnen Wandlerelementen zugeführt werden. Bei einem Ausführungsbeispiel werden die

fao jeweils selektiv verzögerten Signale der ersten Frequenz an die eine Hälfte der Wandlerelemente angekoppelt, während die selektiv verzögerten Signale mit der zweiten Frequenz an die andere Hälfte von Wai.dlerelementen angekoppelt werden, wobei die mit

b5 der ersten Frequenz gespeisten Wandlerelemente jeweils zwischen den Wandlerelementen gelegen sind, die mit der zweiten Frequenz gespeist werden, derart, daß sich ein gemeinsames Phasenzentrum für die

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Strahlungsstrahlen ergibt, die jeweils von den Wandlergruppen erzeugt werden, die mit der ersten bzw. der zweiten Frequenz betrieben werden. In einem hier vorgeschlagenen Empfangssystem sind Mittel vorgesehen, um ein künstliches Vergleichssignal mit der Differenzfrequenz zu bilden, um dieses mit dem aus dem genannten Medium empfangenen Signal der Differenzfrequenz korrelieren zu können.

Gemäß einer anderen Ausführungsform werden die verzögerten Signale der einen Frequenz mit den entsprechenden, verzögerten Signalen der zweiten Frequenz zuerst addiert und dann den Wandlerelementen zugeführt, so daß jedes Wandlerelement sowohl ein Signal der ersten Frequenz als auch ein Signal der zweiten Frequenz aussendet. Bei beiden Ausführungsformen wird die zeitliche Beziehung zwischen einer Modulation des Signals mit der ersten Frequenz und dem Signal der zweiten Frequenz an allen Punkten längs der Wandleranordnung aufgrund der veränderlichen Verzögerungswerte aufrecht erhalten, wobei diese Verzögerungswerte durch eine Rechenanlage entsprechend den für eine Überlagerung geltenden Gesetzmäßigkeiten gerechnet werden.

Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezug-' nähme auf die Zeichnung. Es stellt dar

F i g. 1 eine Abbildung eines Schiffes, welches mit einer Einrichtung der hier vorgeschlagenen Art zur Abtastung des Meeresbodens mit Schallwellen ausgerüstet ist,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Schall-Abtasteinrichtung gemäß Fig. 1,

F i g. 3 eine schematische Abbildung einer Antenneneinrichtung mit einer Wandleranordnung zur Verwendung in der Einrichtung gemäß F i g. 2,

F i g. 4 eine schematische Abbildung einer gegenüber Fig. 3 abgewandelten Form eines Antennensystems und

F i g. 5 und 6 schematische Abbildungen von Richtcharakteristiken der von einer Sendewandleranordnung geradlinig bzw. unter einem bestimmten Winkel ausgehenden Schallstrahlung, wobei jeweils zwei Richtcharakteristiken entsprechend einer ersten Frequenz und einer zweiten Frequenz der Schallstrahlung übereinander gezeichnet sind.

In Fig. 1 ist ein System 20 dargestellt, welches eine Sendewandleranordnung oder eine Antennenanordnung 22 enthält, die am Boden eines Schiffes 24 angeordnet ist und zur Erzeugung eines Schallstrahlungsbündels 26 dient, das auf ein Objekt gerichtet werden kann, beispielsweise auf ein Treibholzstück 28. das in dem Gewässer oder im Meer 30 schwebt, oder auf ein anderes Objekt, beispielsweise eine Rohrleitung oder ein Rohr 32, das in dem sandigen Meeresboden 34 unter dem Wasser 30 eingegraben ist. Das System 20 enthält weiter eine Strahlbildungseinrichtung 36, eine Empfangseinrichtung 38 und ein Unterwassermikrofon oder Hydrophon 40, wobei die Sendewandleranordnung 22 mit der Strahlbildungseinrichtung 36 über elektrische Leitungen verbunden ist, welche mit 42 bezeichnet sind und zur Unterscheidung die Bezugsbuchstaben A\ bis An und B\ Bn tragen, wie genauer im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben wird. Taktsignale werden von der Strahlbildungseinrichtung 36 über die Leitung 44 an die Empfangseinrichtung 38 geliefert und die von dem Unterwassermikrophon oder Hydrophon 40 empfangenen Signale werden über die Leitung 46 in die Empfangseinrichtung 38 eingegeben.

Wie weiter unten genauer beschrieben, enthält das Sendeanlennensystem 22 eine Wandleranordnung 48, welche zwei zusammentreffende Schallstrahlungsbündel erzeugt, deren Frequenzen etwas verschieden sind. Die Amplituden der Schallstrahlungen sind groß genug, um das zuvor erwähnte Strahlungsbündel 26 zu erzeugen, das eine Frequenz besitzt, die der Differenz zwischen den beiden Frequenzen der von der Sendewandleranordnung 48 ausgehenden Schallstrahlungsbündel ist, wobei die Entstehung des Strahlungsbündels 26 auf einer nichtlinearen Wechselwirkung bzw. der endlichen Amplitudenübertragungseigenschaft des Meerwassers 30 gegenüber den beiden von der Sendewandleranordnung 48 ausgehenden Schallslrahlungsbündeln beruht. Die Breiten der Strahlungsstrahlen der von der Sendewandleranordnung 48 ausgehenden Schallenergie sind leicht unterschiedlich aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen, doch sind die etwa gleich der Breite des Schallstrahlungsbündels 26 der niedrigen Frequenz. Die Schallenergie der niedrigen Frequenz ist durch die Wellenlinien 50 und 52 bezeichnet, welche auf das Treibholzstück 28 und auf das Rohr 32 auftreffen bzw. von dort wieder reflektiert werden. Das die niedrige Frequenz aufweisende Schallstrahlungsbündel 26 wird zur Abtastbewegungen gegenüber dem Sanduntergrund 34 des Gewässerbodens 30 in der hier vorgeschlagenen Weise veranlaßt, was mittels der Strahlbildungseinrichtung 36 und der Antenneneinrichtung 22 geschieht, so daß über das Echo

jo entsprechend den Wellen 52 und das Unterwassermikrophon oder Hydrophon 40 Daten bezüglich der unter Wasser befindlichen Objekte gesammelt werden können.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild des Systems 20 gezeigt, welches die Antenneneinrichtung 22, das Hydrophon 40, die Strahlbildungseinrichtung 36 und die Empfangseinrichtung 38 enthält, wie zuvor in F i g. 1 gezeigt wurde. Die Strahlbildungseinrichtung 36 sorgt für die für akustische Untersuchungen geeignete Signalmodulation und liefert zwei Signale hoher Frequenz, die von der Sendewandleranordnung 48 ausgesendet werden können, und enthält schließlich Einrichtungen zur Ankopplung der Signale an die einzelnen Elemente der Sendewandleranordnung 48 zur

ti Bildung des Schallslrahlungsbündels 26. Die Strahlbildungseinrichtung 36 enthält einen Signalgenerator 54. einen Oszillator 56. einen Mischer 58. eine Taktgebereinheit 60, einen Taktimpulsgenerator 62. zwei Signalformer oder Signalbegrenzer 64 und 66, zwei UND- Schaltelemente 68 und 70, zwei Schieberegister 72 und 74 sowie eine Recheneinrichtung 76. welche auf die über eine Leitung 78 herbeigeführten Taktimpuissignaie des Taktimpulsgenerators 62 sowie auf Schiffpositionssignale anspricht, die über eine Leitung 80 von dem bei 82 angedeuteten Kreiselkompaß des Schiffes zugeführt werden. Weiter enthält die Strahlbildungseinrichtung 36 eine Gruppe von Schaltern 84, welche über Filter 86 mit der Antenneneinrichtung 22 gekoppelt sind, sowie eine weitere Gruppe von Schaltern 88. cüe mit der

bo Antenneneinrichtung 22 über Filter 90 gekoppelt sind. Die Schalter der Schaltergruppen 84 und 88 sind digitale Multiplexschalter, welche in Abhängigkeit von einem vierteiligen Befehlssignal der Recheneinrichtung 76 bestimmte, ausgewählte Ausgänge der jeweils zugehöri-

b5 gen Schieberegister 72 bzw. 74 über die Filter 86 bzw. 90 an die Antenneneinrichtung 22 ankoppeln. Die Ausgänge der Schieberegister 72 und 74 sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, über Leitungsstränge oder Kabel 92 bzw.

94 mit den Schallern 88 bzw. 84 verbunden. Die Kabel oder Leitungsstränge, welche die vielsteiligen Befehlssignale von der Recheneinrichtung 76 an die Schalter 84 bzw. 88 liefern, enthalten jeweils eine Anzahl paralleler Leitungen, die in Fig.2 durch eine einzige, stark ausgezogene Linie angedeutet sind und die Bezugszahl 96 tragen, wobei es sich versteht, daß die Kabelstränge oder Kabel 96 im allgemeinen unterschiedliche Befehlssignale an die jeweiligen Schalter 84 und 88 liefern. Der Signalgenerator 54 kann beispielsweise an sich bekannter Bauart sein und die für die akustischen Untersuchungen notwendige Signalmodulation erzeugen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Oszillator gezeigt, welcher eine Frequenzmodulation mit Überstreichung eines bestimmten Frequenzbereiches erzeugt. Eine graphische Darstellung des erzeugten Signales ist in dem Blocksymbol des Signalgenerators 54 eingezeichnet. Der Signalgenerator 54 liefert ein impulsweise abgegebenes Sinuswellensignal, dessen Frequenz während jedes Impulses sich entsprechend der gezeigten Kenn!^:nie ändert, wobei sich diese Kennlinie von Impuls zu Impuls wiederholt. Die Frequenz des Signales ist mit F] bezeichnet, wobei diese Kennzeichnung auch zur Identifizierung der Leitung dient, über weiche das Signal von dem Signalgenerator 54 an den Mischer 58 angekoppelt wird.

Der Oszillator 56 liefert eine kontinuierliche Sinuswelle an den Mischer 58 und den Signalformer 66, wobei dieses Signal die Bezeichnung F₂ trägt, wobei die Frequenz F2 bedeutend größer als die Frequenz Fi ist. Der Mischer 58 kombiniert die beiden eingegebenen Signale mit den Frequenzen F und F; zur Bildung eines Ausgangssignales auf der Leitung 98, welches die Frequenz F, + F₂ hat, wobei der Mischer 58 beispielsweise an sich bekannter Bauart sein kann und ein geeignetes Bandpaßfilter enthält, um sicherzustellen, daß nur das Signal mit der Frequenz F₁ + F₂ zu dem Impulsformer 64 durchgelassen wird.

Der Impulsformer 64 setzt das auf der Leitung 98 erscheinende, sinuswellenförmige Signal in eine Signalschwingung um. welche im wesentlichen Rechteckwellenform besitzt und auf der Leitung 100 auftritt, wobei die Rechteckwelle eine Wiederholungsfrequenz von F] + F₂ besitzt. In gleicher Weise formt der Impulsformer 66 das auf der Leitung 102 anstehende Signal in eine auf der Leitung 104 auftretende Rechteckwelle um. Die auf den Leitungen 100 und 104 auftretende Signale werden jeweils UND-Schaltelementen 68 bzw. 70 zugeführt.

Die UND-Schaltelemente 68 und 70 werden als Tastungsschaltungen verwendet, um eine Folge von Tastungen während jeder Periode der Rechteckweiie auf der Leitung 100 und der Rechteckwelle auf der Leitung 104 zu erhalten. Der Taktimpulsgenerator 62 liefert Taktimpulse über die Leitung 106 an die UND-Schaltelemente 68 und 70. Das UND-Schallelement 68 liefert beim gleichzeitigen Auftreten eines Taktimpulses auf der Leitung 106 und eines positiven Teiles der Rechteckwelle auf der Leitung 100 entsprechend dem logischen Zustand Eins einem Impuls der logischen Bedeutung Eins an die Leitung 108. In entsprechender Weise liefert das UND-Schaltelement 70 einen Impuls an die Leitung 110, wenn ein gleichzeitiges Auftreten des Taktimpulses der Leitung 106 und der positiven Halbwelle der Rechteckwelle auf der Leitung 104 festzustellen ist. Nachdem die Wiederholungsfrequenz der Taktimpulse auf der Leitung 106 bedeutend größer als die Frequenz sowohl der Rechteckwelle auf der Leitung 100 als auch der Rechteckwelle auf der Leitung 104 ist und beispielsweise etwa 512 Taktimpulse je Periode der Rechteckwelle auf der Leitung 100 beträgt, hat die Folge der auf der Leitung 108 auftretenden Impulse die in der Darstellung 112 gezeigte Gestalt, wobei eine Folge von 256 Impulsen während eines Zeitintervalls auftritt, das einer halben Periode der Rechteckwelle der Leitung 100 gleich ist, worauf ein Zeitintervall, ebenfalls gleich einer

ίο halben Periode der Rechteckwelle, folgt, in welchem auf der Leitung 108 keine Impulse auftreten. Diese Form der Impulsfolgen wiederholt sich danach. Die Taktimpulse des Taktimpulsgenerators 62 gelangen auch zu der Taklgebereinheit 60, welche geeignete Zählerschaltungen enthält, um Synchronisalionsimpulse auf die Leitungen 114, 115 und 116 liefern zu können, weiche den Betrieb des Signalgeneralors 54 mit der Tastung durch die UND-Schaltelemente 68 und 70 ferner mit dem Betrieb der Recheneinrichtung 76 und der Betätigung einer Wiedergabeeinrichtung 118 und eines Korrelators 120 synchronisieren, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.

Die Schieberegister 72 und 74 werden durch Taktimpulse der Leitung 106 weitergeschaltet, um aufeinanderfolgende Impulse der auf den Leitungen 108 und 110 auftretenden Impulsleisten oder Impulsfolgen zuzuführen. Nachdem die Wiederholungsfrequenzen der Impulse auf den Leitungen 100 und 104 ungleich sind, sind auch die Wiederholungsfrequenzen der auf den Leitungen 108 und 110 auftretenden Impulse nicht gleich. Weiter ist darauf hinzuweisen, daß die Frequenz der auf der Leitung 108 auftretenden Impulse sich entsprechend der Modulation ändert, welche durch den Signalgenerator 54 eingeführt wird und daß diese Impulse vollständig in den Intervallen zwischen den Impulsen der Fi-Sinuswelle verschwinden, welche am Ausgang des Signalgenerators 54 abgegeben wird. Aufgrund des Fehlens des Synchronismus zwischen den Taktimpulsen auf der Leitung 106 und der Rechteckwel-Ie auf der Leitung 100 verändert sich die Anzahl der auf der Leitung 108 während jeder Halbwelle der Rechteckschwingung erscheinenden Impulse geringfügig von Periode zu Periode dieser Rechteckwelle. Gleiches gilt für die Beziehung zwischen den Impulsen auf der Leitung 110 und den Impulsen auf der Leitung 104. Die Impulse auf der Leitung 108 rücken durch das Schieberegister 72 vor und werden abgegeben, wenn sie das Ende des Schieberegisters 72 erreicht haben. In gleicher Weise rücken die Impulse der Leitung 110 durch das Schieberegister 74 vor und werden abgegeben, wenn sie das Ende dieses Schieberegisters erreicht haben.

Es versteht sich, daß die Wellenform, welche in irgend einer Zelle des Schieberegisters 72 auftritt, identisch mit der Wellenform ist, die auf der Leitung 108 festzustellen ist, jedoch mit der Ausnahme, daß sie zeitlich verzögert ist, wobei in jeder Zelle des Schieberegisters unterschiedliche Verzögerungswerte gelten. In entsprechender Weise erscheinen verzögerte Wiederholungen der Impulsfolge auf der Leitung 110 in den einzelnen, aufeinanderfolgenden Zellen des Schieberegisters 74.

Betrachtet man nun zunächst Fi g. 3, so erkennt man eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Antenneneinrichtung 22, bei welcher eine Anordnung 48 aus Wandlerelementen 122 aufgebaut ist. Die Antenneneinrichtung 22 enthält außerdem eine Gruppe von Leistungsverstärkern 124, über welche jeweils bestimmte der Leistungen 42 mit bestimmten der

Wandlerelemente 122 gekoppelt sind. Die Wandlerelemente 122 sind, wie bereits erwähnt, weiterhin mit den Bezugsbuchstaben A\ bis An und B\ bis Bn bezeichnet, wobei diese Bezeichnungen mit den Zusatzbezeichnungen der Leitungen 42 übereinstimmen, über die die Strahlbildungseinrichtung 36 mit der Antenneneinrichtung 22 verbunden ist, wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich ist, Es sei bemerkt, daß die Wandlerelemente 122 mit den Bezeichnungen A\ bis An in statistischer Verteilung zwischen den Wandlerelementen 122 mit der Bezeichnung B\ bis Bn gelegen sind, wie nachfolgend genauer beschrieben wird. Aus den Fig.2 und 3 ist zu ersehen, daß die Ausgänge der Schalter 84 über Fiter 86 und jeweils zugehörige Leitungen 42 A\ bis An sowie über zugehörige Leistungsverstärker 124 an die Wandlerelerp.ep.te !22 A\ bis !22 /.λ, angekoppelt sind, !n entsprechender Weise sind die Ausgänge der Schalter 88 über Filter 90 und über jeweils zugehörige Leitungen 42ßi bis Bn sowie über entsprechende Leistungsverstärker 124 mit den Wandlerelementen 122 B₁ bis 122Bn verbunden. Abhängig von Signalen auf den jeweils zugehörigen der Leitungen 96 leitet jeder der Schalter 84 eine Wiederholung des Signales der Leitung 110 zu dem jeweils zugehörigen Filter 86, wobei die Größe der Verzögerung der Wiederholung des Signales der Leitung 110 durch die betreffende Zelle oder Stufe des Schieberegisters 74 festgelegt wird, welche durch den Schalter 84 ausgewählt worden ist. In entsprechender Weise wählen die Schalter 88 in bestimmter Weise verzögerte Wiederholungen des Signales auf der Leitung 108 aus und leiten sie den Filtern 90 zu. Die Filter 86 haben jeweils eine Durchlaßcharakteristik, welche eine Ausfilterung der Frequenzen gestattet, die den Tastungsfrequen7en entsprechen oder, was dasselbe bedeutet, der Wiederholungsfrequenz der Taktimpulse auf der Leitung 106 entsprechen. Beispielsweise kann jedes Filter 86 ein Bandpaßfilter sein, dessen Mittenfrequenz bei etwa F₂ liegt, wobei die obere Grenzfrequenz ausreichend unterhalb einer Harmonischen der Rechteckwelle auf der Leitung 104 gelegen ist und außerdem ausreichend unterhalb der Frequenz der Taktimpulse auf der Leitung 106 gelegen ist In dieser Weise erreicht man, daß die auf den Leitungen 42 Ax bis 42 An auftretenden Signale Sinuswellen mit einer Frequenz F₂ sind, welche jedoch gegenüber dem auf der Leitung 110 auftretenden Signal verzögert sind.

In entsprechender Weise besitzen die Filter 90 eine Durchlaßcharakteristik, aufgrund welcher die Frequenz Fi + F₂ durchgelassen wird, wobei aber Frequenzen entsprechend einer Harmonischen der Rechteckwelle der Leitung 100 ebenso wie die Wiederholungsfrequenz der Taktimpulse auf der Leitung 106 ausgeschlossen werden. Die au^f den Leitungen 42 Si bis 42 Bn erscheinenden Signale sind also Sinusschwingungen mit der Frequenz Fi + F₂ und sind gegenüber dem auf der Leitung 108 auftretenden Signal verzögert Die Wandlerelemente 122 A₁ bis 122 A_n werden also mit Sinussignalen der Frequenz F₂ gespeist, während die Wandlerelemente 122 B₁ bis 122 B_n mit Sinussignalen der Frequenz Fi + F₂ gespeist werden. Gegebenenfalls können die Filter 86 und 90 in solchen Fällen weggelassen werden, in denen eine schmalbandige Filter-Durchlaßcharakteristik der Wandlerelemente 122 selbst für die Ausfilterung der Hochfrequenzkomponenten der an den Ausgängen der Schalter S4 und 88 auftretenden Signale sorgt. Beispielsweise haben Wandlerelemente der bekannten piezoelektrischen Bauart, etwa Wandlerelemente aus Barriumtitanat, eine schmalbandige Filter-Durchlaßcharakteristik, welche anstelle der Filter 86 und 90 ausgenützt werden kann. Vorzugsweise wird man jedoch die Filter 86 und 90 vorsehen, da sie die Möglichkeit einer Zwischenmodulationsverzerrung in den Leistungsverstärkern 124 beseitigen.

Die Wandlerelemente 122 At bis 122/^können einen gegenseitigen Abstand von einer halben Wellenlänge bei der Frequenz F2 aufweisen und liegen zwischen den Wandlerelementen 122 B\ bis 122 Bn, welche ebenfalls einen Abstand entsprechend einer halben Wellenlänge bei der Frequenz Fi + F₂ haben. Die Anordnung der Wandlerelemente der einen Gruppe und der anderen Gruppe jeweils ineinanderliegend ist unregelmäßig, um die Amplituden der Seitenstrahlungskeulen in den Richtcharakteristiken entsprechend den Frequenzen F> und Fi + F₂ minimal zu halten. Auch der Abstand von jeweils einer halben Wellenlänge bewirkt eine Verminderung der Größe der Seitenstrahlungskeulen. Wie aus der Antennentheorie bekannt, können diese Abstände noch kleiner gemacht werden, so daß die Amplituden der Seitenstrahlungskeulen weiter vermindert werden. Es ist jedoch interessant festzustellen, daß durch die Ausnutzung der endlichen Amplitudenübertragungseigenschaft des Überiragungsmediums der Abstand zwischen den Wandlerelementen 122 At bis 122 A\ und der Abstand zwischen den Wandlerelementen 122 ßi bis 122 Bn durchaus auch bis auf eine volle Wellenlänge und sogar darüber vergrößert werden kann, wobei bereits Richtcharakteristiken mit vielen Abstrahlungsmaximen entstehen, wobei die Intensitäten der Seitenstrahlungskeulen bereits verhältnismäßig groß im Vergleich zu derjenigen der Hauptstrahlungskeule sind, wie weiter unten im Zusammenhang mit den F i g. 5 und b beschrieben werden wird. Richtcharakteristiken mit Seitenstrahlungskeulen minimaler Amplitude sind jedoch vorzuziehen, da sie eine Konzentration der Leistung auf die Hauptstrahlungskeule ermöglichen, wo eine wirtschaftliche Ausnützung erfolgt.

Die von der Sendewandleranordnung 48 mit der Frequenz F₂ ausgehende Schallstrahlung breitet sich in einer Richtung senkrecht zur Außenfläche der Sendewandleranordnung 48 aus, wenn die Schalter 84 gleiche Verzögerungswerte für sämtliche Signale auf den Leitungen 42 A\ bis An ausgewählt haben. Sind diese Verzögerungswerte so ausgewählt worden, daß die von den Wandlerelementen 122 nahe einem "inde der Sendewandleranordnung 48 ausgehenden Signale eine größere Verzögerung als diejenigen Signale aufweisen, welche von den Wandlerelementen am gegenüberliegenden Ende der Sendewandleranordnung abgegeben werden, wobei angenommen wird, daß ein gleichförmiger Abfall der Verzögerungswerte längs der Fläche der Sendewandleranordnung 48 gewählt ist und daß der dem Ausgangssignal irgend eines Wandlerelementes 122 aufgeprägte Verzögerungswert proportional dem Abstand dieses Wandlerelementes von dem Ende der Sendewandleranordnung mit der minimalen Verzögerung ist, so wird die mit der Frequenz F₂ abgegebene Schallstrahlung unter einem Winkel gegenüber der Normalen zur Basislinie der Sendewandleranordnung abgestrahlt Durch entsprechende Auswahl der Verzögerungswerte für jedes Wandlerelement 122 A\ bis An kann der Strahlungsstrahl der akustischen Energie, welche die Frequenz F₂ aufweist, gegenüber zwei Achsen gelenkt werden, nämlich bezüglich der Längsachse und der Querachse des in F i g. 1 gezeigten Schiffes 24. Entsprechendes gilt für die Schallenergie,

welche milder Frequenz Fi + F2abgegeben wird.

Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß das Empfangssystem 38 einen Vorverstärker 126, den Korrelator 120 und ein Wiedergabegerät 118 enthält. Die von der Sendewandleranordnung 48 abgestrahlte Schallenergie, welche an dem Treibholzstück 28 und an dem Rohr 32 reflektiert worden ist, wird von dem Hydrophon 40 empfangen, welches beispielsweise bekannter Bauart sein kann, und wird in dem Vorverstärker 126 verstärkt. Die Recheneinrichtung 76 liefert gleichzeitig Strahl-Steuerungssignale sowohl für den Strahl der akustischen Energie der Frequenze F2 als auch für den Strahl mit der akustischen Energie der Frequenz Fi + F], so daß die Hauptstrahlungskeulen der jeweiligen Richtcharakteristik in die gleiche Richtung weisen. Die akustische Energien der beiden Frequenzen durchsetzen das Wasser 30 des Meeres mit ausreichender Intensität, um in dem betreffenden Bereich eine nichtlineare Wechselwirkung aufgrund der endlichen Ampliiudenübertragung hervorzubringen, welche zur Erzeugung von akustischer Energie mit einer Anzahl von Frequenzen führt, die jeweils eine arithmetische Kombination der Frequenzen Fj und F] + F] darstellen. Die auf diese Weise erzeugte Schallstrahlungsenergie mit der Differenzfrequenz aus den beiden Frequenzen, nämlich mit der Frequenz Fi, ist besonders gut verwertbar, da diese Frequenz bedeutend langsamer gedämpft wird als die Strahlungen höherer Frequenz, so daß die relative Amplitude mit wachsendem Abstand von der Sendewandleranordnung 48 wächst. Besonders wertvoll ist die Tatsache, daß die Strahlung dieser niedrigen Frequenz den Sandboden 34 durchdringen kann und darin eingegrabene Gegenstände, beispielsweise das Rohr 32 leichter zu entdecken hilft als dies mit Strahlungen höherer Frequenz möglich ist, welche von der Oberfläche des Bodens des betreffenden Gewässers 30 reflektiert werden. Das Unterwassermikrophon oder Hydrophon 40 besitzt eine Bandpaßcharakteristik, welche besonders auf den Empfang von Schallenergie der Frequenz F_t abgestimmt ist und auch der ^4Ü Vorverstärker 126 hat eine Bandpaßcharakteristik zur Verstärkung gerade dieser Signale. Das Wiedergabegerät 118 kann eine Kathodenstrahlröhre enthalten und die Ausgangssignale des Vorverstärkers 126, welche auf der Leitung 128 erscheinen, können, was in den Zeichnungen allerdings nicht gezeigt ist, unmittelbar in das Wiedergabegerät 118 eingespeist werden, um dort zur Darstellung zu gelangen. Da die Frequenz F₁ sich im Tonfrequenzbereich befindet, kann das Wiedergabegerät il8 mit einer Kopfhöreranordnung zusammenarbeiten, um ein unmittelbares Abhören der von dem Treibholzstück 28 oder dem Rohr 32 beispielsweise reflektierten Signale zu gestatten, wobei eine Frequenzmodulation der Signale ein Identifizieren erleichtert Bei den normalerweise in Hafenbecken anzutreffenden Tiefen und in größeren Tiefen sind jedoch die Signale, welche mit der Differenzfrequenz Fi empfangen werden, möglicherweise im Vergleich zu dem Störhintergrund außerordentlich schwach, so daß eine unmittelbare Darstellung dieser Signale in dem ^b0 Wiedergabegerät 118 ausgeschlossen ist. In diesem Falle wird der Korrelator 120 eingesetzt und eine Wiederholung des Ausgangssignales des Signalgenerators 54 wird über die Leitung 130 zugeführt, um einen Vergleich mit dem auf der Leitung 128 auftretenden ^b5 Signal durchzuführen. Insbesondere werden digitale Korrelationsschaltungen verwendet, wobei Taktimpulse der Leitung 116 zur Steuerung des Korrelator 120 verwendet werden. Der Ausgang des Korrelators 120 wird dann dem Wiedergabegerät 118 zugeführt.

In Fig.4 ist eine andere Ausführungsform der Antenneneinrichtung 22 gemäß Fig. 2 dargestellt, welche hier mit 22A bezeichnet ist. Zur Ankopplung der gemäß F i g. 2 auf den Leitungen 42 anstehenden Signale an die einzelnen Wandlerelernente 134, welche zusammen eine Sendewandleranordnung 136 bilden, dienen Verstärker 132. Jeder dieser Verstärker addiert die Signale der Leitungen 42 in solcher Weise, daß das Signal der Leitung 42 A\ mit dem Signal der Leitung 42 B] addiert wird, daß ferner das Signal der Leitung 42 A2 mit dem Signal der Leitung 42 Bl addiert wird usw. für alle Leitungen bis zu dem Leitungspaar 42 As und 42 Bn-Auf diese Weise wird erreicht, daß die Sendewandlereiernentc J34 jeweils Schallcncrgic mit den beiden Frequenzen F₂ und Fi + F2 abstrahlen. Der Rechner 76 liefert eine Gruppe von Strahlsteuersignalen, welche verschieden von den Strahlsteuersignalen sind, die für die Sendewandleranordnung 48 gemäß Fig.3 erzeugt wurden, da die Schallenergie im Falle der Sendewandleranordnung 136 nun vun jeweils anderen Punkten abgestrahlt wird.

In den Fig.5 und 6 sind Richtcharakteristiken der Schallenergie aufgezeichnet, welche von der Sendewandleranordnung 48 gemäß Fig.2 abgestrahlt wird, wobei die Hauptstrahlungskeule gemäß Fig. 5 in einer Richtung senkrecht zur Sendewandleranordnung weist und gemäß Fig. 6 in einem bestimmten Winkel gegenüber der Achse oder dem Lot zur Sendewandleranordnung 48 ausgerichtet ist. Die Richtcharakteristik entsprechend der ausgezogenen Linie mit der Bezeichnung 138/4 in F i g. 5 und 138S in F i g. 6 entspricht der Strahlung mit der Frequenz Fj, während die durch unterbrochene Linien dargestellten Richtcharakteristiken mit der Bezeichnung 140Λ in Fig. 5 und 140S in Fig. 6 die Schallenergie deutlich machen, welche mit der Frequenz Fi + F2 abgestrahlt wird. Die Richtcharakteristiken wurden ferner für den Fall eingezeichnet, daß der Abstand zwischen den Strahlerelementen größer als die Wellenlänge ist, um die Seitenstrahlungskeulen deutlicher zu machen. Bemerkenswert ist hier die Tatsache, daß sich zwar die Hauptstrahlungskeulen in den beiden Darstellungen nach F i g. 5 und nach F i g. 6 überdecken, während sich die Seitenstrahlungskeulen nicht überdecken, da die Richtcharakteristiken aufgrund der unterschiedlichen Wellenlängen der beiden Schallstrahlungen unterschiedlich sind. Der Effekt endlicher Amplitudenübertragung ist für die Seitenstrahlungskeulen beträchtlich vermindert, da ihre Intensität geringer als diejenige der Hauptstrahlungskeulen ist. Eine weitere Verminderung des Effektes endlicher Ampütudenübertragung ergibt sich durch das Fehlen einer räumlichen Oberdeckung der Seitenstrahlungskeulen der einen Frequenz und der Seitenstrahlungskeulen der anderen Frequenz, so daß bezüglich der Seitenstrahlungskeulen die akustische Wechselwirkung zwischen den Strahlungsenergien in nur geringem Maße zustande kommt Es ergibt sich also, daß die hier nicht eingezeichnete Richtcharakteristik für die Differenzfrequenz Fi ein starkes Übergewicht der Hauptstrahlungskeule über die Seitenstrahlungskeulen selbst dann aufweist, wenn die Richtcharakteristiken der höherer Schallstrahlungsfrequenzen, welche die Differenzfrequenzstrahlung erzeugen, Seitenstrahlungskeulen bemerkenswerter Amplitude aufweisen. Aus diesem Grunde kann ein gut gebündelter Schallstrahlungsstrahl der Differenzfrequenz mit dem System 20 nach den

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F i g. 1 und 2 leicht gesteuert und abgelenkt werden, wobei die Bündelung auch im abgelenkten Zustand beibehalten werden kanu, ohne daß die Richtcharakteristiken der üblichen Auffächerung entstehen, wie sie von phasengesteuerten Antennensystemen sowohl bei akustischen Einrichtungen als auch bei Radaranlagen bekannt sind. Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, daß diese Betrachtung des Effektes endlicher Amplitudenübertragung und die Anwendung der hier vorgetragenen Gedanken in entsprechender Weise auch für nichtlineare Vorgänge bei der Strahlungsausbreitung in anderen Medien als Wasser, beispielsweise in fluidisehen Medien wie etwa Luft oder auch in Feststoffen gültig ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche: 24 Ol 791

1. Verfahren zur Erzeugung einer Schallstrahlung vorgegebener Richtcharakteristik in einem Medium, das mindestens gegenüber vorbestimmten Schallfrequenzen nichtlineare akustische Übertragungseigenschaflen besitzt, wobei von einer Sendewandleranordnung gerichtete Strahlungsfelder einer ersten und einer zweiten Frequenz ausgesendet werden, aus denen in einem Wechselwirkungsbereich des Mediums ein gerichteter Strahl von Wellenenergie in einer gewünschten dritten, aus der Differenz der beiden genannten Frequenzen gebildet wir«.!, d a durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Nebenstrahlungskeulen der Strahlungsenergie in der dritten Frequenz die bei der Abstrahlung der Hauptstrahlungskeule der ersten Schallfrequenz entstehenden Nebenstrahlungskeulen sich nicht mit den bei der Abstrahlung der Hauptstrahlungskeule der zweiten Schallfrequenz entstehenden Nebenstrahlungskeulen decken, gleichgültig, auf welchen gemeinsamen Bereich des Mediums die Hauptstrahlungskeulen gerade gerichtet sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Richtung der Hauptstrahlungskeulen durch selektive Verzögerung der zur Speisung der Wandler der Sendewandleranordnung dienenden Signale erfolgt.

3. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Wandlerelementen (122 bzw. 134), von denen mittels einer ersten Speiseschaltung (74, 84, 86) eine bestimmte Zahl mit Signalen der ersten Frequenz und von denen mittels einer zweiten Speiseschaltung (72, 88, 90) eine bestimmte Zahl mit Signalen der zweiten Frequenz mit solcher Energie anregbar ist, daß die genannte dritte Frequenz in den gemeinsamen Bereichen entsteht und daß die Sptiseschallungcn jeweils mit den zugehörigen Wandlern verbundene Steuermittel (76, 72,84, 86) zur Veränderung der Richtung der genannten Hauptstrahlungskeulen enthalten.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der ersten Speiseschaltung verbundenen Wandler (\22A) zwischen den mit der zweiten Speiseschaltung verbundenen Wandlern (122ö;sind(Fig.3).

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (134) jeweils mit beiden Speiseschaltungen verbunden (132) sind (F i g. 4).

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuermittel (72, 74, 76,84, 86, 88, 90) zur Veränderung der Richtung der genannten Hauptstrahlungskeulen Verzögerungseinrichtungen (62, 72, 74) zur Verzögerung der von einem Teil der Sendewandleranordnung (48 bzw. 136) gegenüber den von einem anderen Teil der Sendewandleranordr.jng abgestrahlten Signale enthalten.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinrichtung Verzögerungsschaltungen (72,74) mit einer Vielzahl von Ausgängen enthalten und daß eine Anzahl von Schaltern (84, 88) vorgesehen ist, über welche bestimmte Ausgänge der Verzögerungsmittel mit entsprechenden Teilen der Sendewandleranordnung (48 bzw. 136) verbindbar sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungsmittel zwei Schieberegister (72, 74) enthalten.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Steuermittel eine Signalerzeugungsschaltung (54, 56, 58, 64, 66) zur Erzeugung einer Rechteckwelle der genannten ersten Frequenz und zur Erzeugung einer Rechteckwelle der genannten zweiten Frequenz sowie Tasteinrichtungen (60, 62, 68, 70) zur Tastung der Rechteckwelle der ersten Frequenz und der Rechteckwelle der zweiten Frequenz mit einer Tastfrequenz, die bedeutend größer als die erste und die zweite Frequenz ist, enthalten, wobei die Tastschaltung auch an die Schieberegister (72, 74) angeschlossen ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalerzeugungsschaltung einen Oszillator (56) zur Erzeugung einer Schwingung mit der ersten Frequenz sowie einen Signalgenerator (54) enthält und daß ein Mischer (58) zur Kombination des Ausgangs des Signalgeneraton mit dem Ausgang des Oszillators zur Bildung einer Schwingung der zweiten Frequenz vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Speiseschaltungen Schaltmittel (60, 116, 54, 130) zur Ableitung einer Tastung eines Signales mit der genannten dritten Frequenz enthält, mittels welcher eine Korrelation mit einem empfangenen, die genannte dritte Frequenz aufweisenden, aus den Schallslrahlungen der beiden erstgenannten Frequenzen gebildeten Signal durchgeführt wird.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Sende-Wandlerelementen der Sendewandleranordnung bestimmte Wandlerelemente gelegen sind, die zum Empfang von Schallsignalen der genannten dritten Frequenz aus dem genannten Medium dienen.