DE2521463C3

DE2521463C3 - Einrichtung zur Abstrahlung von Schallenergie

Info

Publication number: DE2521463C3
Application number: DE2521463A
Authority: DE
Inventors: John Louis Marshfield Butler; William Michael North Easton Pozzo
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1974-05-15
Filing date: 1975-05-14
Publication date: 1980-03-27
Also published as: DE2521463A1; US3924259A; DE2521463B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Abstrahlung von Schallenergie mit mehreren Frequenzen, welche eine Anordnung von Wandlerelemenien enthält.

r> Wandleranordnungen, welche zur Erzeugung eines gerichteten Strahls von Schallenergie verwendet werden, besitzen vorzugsweise Wandlerelemente, welche einen gegenseitigen Abstand, gemessen von Mitte zu Mitte der Wandlerelemente, von weniger als der

4i) Hälfte d~r Wellenlänge haben, um ein Abstrahlungsmuster bzw. eine Richtcharakteristik zu erhalten, welche frei von Interferenzgittern oder Gittermustern ist. Eine derartige Anordnung von Wandlerelementen kann in einfacher Weise über Phasenschieber oder Verzöge-

4^r> rungsleitungen gespeist werden, um eine elektronische Strahlsteuerung zu ermöglichen. Die Wandleranordnungen werden zur Abstrahlung von Schallenergie in ein Gewässer bzw. das Meer hinein mit einer verhältnismäßig niedrigen Frequenz in der Größenord-

w nung von 3 kHz benötigt, da die Wellenlänge dieser Strahlung wesentlich größer als der Durchmesser oder die Diagonale eines Wandlerelementes ist, das charakteristischerweise größenordnungsmäßig mehrere Zentimeter mißt.

Es ergeben sich Schwierigkeiten, wenn Wandleranordnungen für die Abstrahlung von Schallenergie mit verhältnismäßig hohen Frequenzen gebaut werden sollen, beispielsweise für Frequenzen von 200 kHz, und insbesondere dann, wenn eine Anzahl von Schallstrah-

w) len unterschiedlicher Frequenzen aus einer gemeinsamen, abstrahlenden öffnung abgegeben werden sollen. Bei diesen Frequenzen sind die Wellenlängen zu klein, um ohne Schwierigkeiten Wandlerelemente herstellen zu können, welche ihrerseits ausreichend geringe

h" Abmessungen besitzen, um sie in einem gegenseitigen Abstand anordnen zu können, welcher nicht größer als etwa die Hälfte der Wellenlänge ist. Selbst dann, wenn so kleine Wandlerelemente gebaut werden können, so

müssen doch mehrere dieser sehr klein ausgeführten Wandlerelemente verwendet werden, um eine abstrahlende Öffnung mit der Wandleranordnung zu verwirklichen, welche in der Größe der abstrahlenden Öffnung einer Anordnung für den Betrieb mit der oben erwähnten niedrigen Frequenz etwa gleich ist Soll etwa gleiche Schalleistung abgestrahlt werden, so müssen die Gesamtabmessungen der Wandleranordnungen für niedrige Frequenz und der Wandleranordnungen für hohe Frequenz etwa gleich sein. Selbst dann, wenn man die Anzahl der Wandlerelemente in einer Wandleranordnung für hohe Frequenzen stark vergrößert, ergibt sich eine vergleichsweise geringere Leistung wegen Leistungsverlusten aufgrund der Erzeugung von Wärme durch Reibung zwischen den Wandlerelementen und dem schallisolierenden Werkstoff, beispielsweise gepreßtem Papier oder Kork, welches häufig als Druckentlastungsmaterial bezeichnet wird und welches im allgemeinen zwischen den Wandhrelementen vorgesehen ist, um die WandJerelemente jeweils unabhängig voneinander schwingen zu lassen.

Durch die Erfindung soll d:e Aufgabe gelöst werden, eine Einrichtung zur Abstrahlung von Schallenergie mit mehreren Frequenzen, welche eine Anordnung von Wandlerelementen enthält, derart auszubilden, daß mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand eine gewünschte Abstrahlungscharakteristik auch dann erreicht werden kann, wenn die Frequenz der die Wandlerelemente erregenden Signale hoch ist. Die Verluste sollen hierbei klein gehalten werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Wandlerelement im wesentlichen dreieckige Gestalt seiner abstrahlenden Fläche besitzt, wobei zwei begrenzende Seiten der abstrahlenden Fläche sich an einer Spitze treffen und die Spitzen mehrerer, jeweils eine Untergruppe innerhalb der Anordnung bildender, in derselben Richtung orientierter Wandlerelemente zusammenfallen und wobei ferner innerhalb der Anordnung die Untergruppen von Wandlerelementen jeweils aneinander anschließen, daß ferner innerhalb einer Untergruppe einander gegenüberliegende Wandlerelemente von einer mit jeder Untergruppe gekoppelten Signalquelle mit einer ersten Frequenz erregbar sind und daß andere bzw. die verbleibenden Wandlerelemente von einer weiteren, ebenfalls mit jeder Untergruppe gekoppelten Signalquelle mit einer zweiten Frequenz erregbar sind.

Die erfindung-igemäße Wandleranordnung besteht also aus jeweils Untergruppen bildenden, dreieckigen Strahlerelementen oder Wandlerelementen, welche mit ihren Spitzen auf einem gemeinsamen Punkt liegen, so daß jede Untergruppe die Gestalt eines aus mehreren Zellen aufgebauten Wandlers aufweist, dessen Außenumfang die Form eines regelmäßigen Vielecks hat. Wenn Schallenergie gleichzeitig mit zwei verschiedenen Frequenzen abgestrahlt werden soll, so besitzt das regelmäßige Vieleck eine gerade Anzahl von Seiten, wobei jeder Frequenz jeweils eine gleiche Anzahl dreieckiger Wandlerelemente zugeordnet ist. Soll Schallenergie gleichzeitig mit mehr als zwei Frequenzen t abgestrahlt werden, so hat das regelmäßige Vieleck eine Seitenzahl gleich einem Vielfachen der Anzahl von Frequenzen, beispielsweise also einem Vielfachen von drei, wenn drei Frequenzen abzustrahlen sind oder gleich einem Vielfachen von fünf, wenn beispielsweise t fünf Frequenzen vorhanden sind. Leichte Abweichungen von der regelmäßigen Polygongestalt sind zulässig, so daß gemäß anderen Ausführungsformen die Gesamt-

gestalt des aus vielen Zellen aufgebauten Wandlers kreisförmig oder beispielsweise quadratisch oder rechteckig sein kann, wobei etwa das Quadrat oder Rechteck, in acht oder zwölf dreieckige Bereiche unterteilt ist welche symmetrisch um den Mittelpunkt des Quadrates herum angeordnet sind. Im Falle von acht dreieckigen Bereichen oder Sektoren bilden die Diagonalen und die senkrecht zu je einsm Seitenpaar verlaufenden Halbierungslinien des Quadrates oder Rechtecks jeweils die Grenzlinien zwischen den sektorartigen Wandlerzellen oder Wandlerelementen.

Eine Eigenschaft eines mehrzelligen Wandlers mit einer geraden Anzahl von Wandleielementen oder sektorartigen Zellen ist es, daß eine Strahlungscharakteristik, welche in einer Ebene gemessen wird, welche die Achse des Wandlers und eine Diagonale der abstrahlenden Stirnfläche des Wandlers enthält, gleich der Strahlungscharakteristik ist, weiche in einer die Achse des Wandlers und eine andere, als Grenzlinie zwischen den sektorförmigen Wandlerelementen dienende Diagonale gleicher Länge der abstrahlenden Stirnfläche enthaltenden Ebene gemessen wird. Dies trifft unabhängig von der Wellenlänge der von der Stirnfläche des vielzelligen Wandlers abgestrahlten Energie zu. Zusätzlich ist die Gestalt der Strahlungscharakteristik dieselbe wie diejenige, welche von einem einzigen Wandlerelement erzeugt wird, welches einen gleichen äußeren Umriß aufweist wie der aus mehreren, dreieckigen Wandlerelementen aufgebaute, vielzellige Wandler. Wenn beispielsweise der vielzellige Wandler dazu verwendet wird, Schallenergie mit zwei verschiedenen Frequenzen abzustrahlen, wobei jeweils jedes zweite Wandlerelement innerhalb einer Reihenfolge bei einem Umlauf mit der einen Frequenz abstrahlt, während die übrigen Sektoren oder Wandlerelemente mit der anderen Frequenz strahlen, so ist die Strahlungscharakteristik, welche für eine der beiden Frequenzen gemessen werden kann, dieselbe, welche erhalten würde, wenn sämtliche Sektoren der Untergruppe oder des vielzelligen Wandlers mit dieser Frequenz strahlten. Es ergibt sich jedoch eine Verringerung der Amplitude der Strahlung bei der einen Frequenz, wenn nur die Hälfte der sektorförmigen Wandlerelemente mit dieser Frequenz erregt werden.

Eine Anordnung von vielzelligen Wandlern oder eine Anordnung von aus sektorförmigen Wandlerelementen aufgebauten Wandleruntergruppen ist besonders vorteilhaft bei der Abstrahlung von Schallenergie mit zwei verhältnismäßig hohen Frequenzen zur Ausnützung des Effektes der endlichen Amplitudenübertragung im Wasser zur Erzeugung einer Schallstrahlung verhältnismäßig niederer Frequenz mit einer Richtcharakteristik, bei der die Bündelung oder das Richtvermögen annährend gleich dem Richtvermögen der Strahlung hoher Frequenz ist. Ein System zur Erzeugung eines elektronisch steuerbaren Schallstrahles verhältnismäßig niederer Frequenz, der unter Ausnützung des Effektes endlicher Amplitudenübertragung in Wasser gebildet ist, kann beispielsweise der deutschen Offenlegungsschrift 24 OI 791 entnommen werden. In diesem System ist eine Anordnung von Wandlern, welche mit einer Frequenz strahlt, einer weiteren Anordnung von Wandlern zwischengelagert, welche mit einer zweiten Frequenz strahlt, wobei die einzelnen Wandler über Verzögerungsschaltungen gespeist werden, die ausgewählte Verzögerungswerte erzeugen, um eine Strahlsteuerung der Schallstrahlen mit der ersten und mit der zweiten Frequenz vorzunehmen.

Durch die hier vorgeschlagene, vielzellige Wandleranordnung wird eine wesentliche Verbesserung der Strahlungscharakteristik eines elektronisch gesteuerten Schallstrahls unter Ausnützung des Effektes endlicher Amplitudenübertragung erzielt, da die Gestalt der sektorförmigen Wandlerelemente der vielzelligen Wandler die Erzeugung von querverlaufenden Oberflächenwellen längs der Oberfläche der abstrahlenden Fläche des Wandlers verhindert, obwohl die Länge eines sektorförmigen Wandlerelementes, gemessen längs der Diagonale des vielzelligen Wandlers, ein Vielfaches der Wellenlänge der abgestrahlten Energie ist. Außerdem ist die Gestalt des resultierenden Strahls der Differenzfrequenz im wesentlichen unabhängig von der Richtung, in welcher der Strahl abgelenkt wird, also beispielsweise im Falle einer an einem Schiffsrumpf befestigten Wandleranordnung unabhängig von einer Ablenkung in einer querverlaufenden und einer längsverlaufenden Vertikalebene bzw. in der Rollebene und Stampfebene. Dies ist sehr vorteilhaft, wenn eine den Effekt endlicher Amplitudenübertragung ausnützende Echolotanlage bei der Untersuchung des Meeresbodens verwendet wird, weil Gierbewegungen des Schiffes, welches mit einer solchen Echolotanlage ausgerüstet ist, nur wenig Einfluß auf die eingesammelten Daten haben, nachdem der Schallstrahl zur Achse der Strahlungscharakteristik Symmetrie besitzt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Ansprüche, auf welche hier zur Vereinfachung und Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich hingewiesen wird. Nachfolgend werden einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

F i g. 1 eine perspektivische Abbildung eines aus mehreren Zellen oder Wandlerelementen aufgebauten Wandlers, teilweise auseinandergenommen, wobei die abstrahlende Stirnfläche jedes Wandlerelementes oder jeder Zelle die Gestalt eines Kreisquadranten hat,

Fig.2 eine Anordnung aus jeweils sechseckigen, vielzelligen Wandlern, wobei jeder der vielzelligen Wandler in gleicher Richtung ausgerichtet ist und die Darstellung einen Schnitt entsprechend der in Fig.3 angedeuteten Schnittlinie 2-2 darstellt, um die Stirnflächen der Wandler freizulegen,

Fig.3 eine Schnittdarstellung der Wandleranordnung gemäß F i g. 2 entsprechend der in dieser Zeichnung angedeuteten Schnittlinie 3-3,

F i g. 4 eine Aufsicht auf einen einzelnen, vielzelligen Wandler oder eine Wandlerelement-Untergruppe gemäß F i g. 2 mit sechs sektorförmigen Wandlerelementen, die durch schallisolierendes Material voneinander getrennt sind,

F i g. 5 eine Aufsicht auf eine insgesamt sechseckige Wandlerelement-Untergruppe, welche in zwölf dreiekkige Wandlerelemente aufgeteilt ist,

Fig.6 eine Anordnung von jeweils quadratischen, vielzelligen Wandlern, wobei die abstrahlende Fläche in zwei Richtungen gekrümmt ist,

F i g. 7 eine Anordnung mit rechteckigen, vielzelligen Wandlern,

Fig.8 ein Blockschaltbild eines Systems mit zwei Signalgeneratoren zur Erregung einer Wandleranordnung aus vielzelligen Wandlern, wobei einige der Wandlerelemente mit Energie der einen Frequenz beaufschlagt werden, während die anderen Wandlerelemente mit Energie einer zweiten Frequenz beaufschlagt werden, um ein elektronisch steuerbares Schallstrahlungsbündel zu erzeugen, bei welchem der Effekt endlicher Amplitudenübertragung ausgenützt wird, und F i g. 9 eine Diagrammdarstellung eines quadrat

sehen, vielzelligen Wandlers, welcher in acht dreieckig Wandlerelemente aufgeteilt ist.

^r> In F i g. 1 ist ein vielzelliger Wandler 20 gezeigt, de aus einer Gruppe von Wandlerelementen 22 gebildet is welche die zusätzlichen Bezugsbuchstaben A, B, C un D tragen, um jeweils ein besonderes der Wandlerde mente 22 zu bezeichnen, wobei die Darstellung teilwe:is

ίο auseinandergezogen ist und eines der Wandlerelement 22 von den übrigen Wandlerelementen getrennt ist, se daß das Schallisolierungsmaterial 24 erkennbar ist, da sich zwischen den Wandlerelementen 22 befindet un diesen gestattet, unabhängig voneinander zu schwinger Eir. Teil der Schallisolierung 24 äst aufgeschnitten, s daß eine Seitenfläche 26 des Wandlerelements 22A un< eine weitere Seitenfläche 28 des Wandlerelementes 22( freiliegen. Jedes der Wandlerelemente 22 besitzt gleich Größe und Gestalt, so daß die jeweils ersten Seiten 2i und die jeweils zweiten Seiten 28 der einzelnei Wandlerelemente im Mittelpunkt oder Scheitel 30 unte rechtem Winkel aufeinandertreffen. Bei weiteren nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen hat de Scheitelwinkel einen von 90° verschiedenen Wert wobei erkennbar wird, daß nur zueinander symmetrise!

liegende Scheitelwinkel jeweils gleiche Werte besitzei müssen.

Um die Beschreibung der Wandlerelement-Unter gruppe nach F i g. 1 zu erleichtern, erscheint e zweckmäßig, die Schallisolierung 24 als unendlich düni zu betrachten. Dann treffen sich die vier Scheitel 30 au der Mittelachse X-X des vielzelligen Wandlers 20 un< die jeweils ersten und zweiten Seitenflächen 26 bzw. 21 eines Wandlerelementes 22 liegen in derselben Eben« J5 wie die jeweils ersten und zweiten Seitenflächen 26 unt 28 des diametral gegenüberliegenden Wandlerelemen tes 22. Beispielsweise liegen die jeweils erster Seitenflächen 26 der Wandlerelemente 22A und 22Cir der Ebene B, welche von der X-A'-Achse und der Durchmesserlinie B-B aufgespannt wird, während di< jeweils zweiten Seitenflächen 28 der Wandlerelementc 22A und 22C in der Ebene A gelegen sind, welche die X-X-Kzhsz und Durchmesserlinie A-A enthält

Man erkennt also, daß es eine Eigenschaft der hier vorgeschlagenen Strahleranordnung ist, daß die jew
ersten Seitenflächen 28 einander diametral gegenüberliegender Wandlerelemente 22 in derselben Ebene liegen. Die Wandlerelemente 22 strahlen in Richtung der X-X-Achse und besitzen, jeweils in Richtung der so X-X-Achse gemessen, eine Tiefe von beispielsweise einem Viertel der Wellenlänge, wenn eine rückwärtige Stützplatte verwendet wird, oder eine Tiefe von einer halben Wellenlänge, wenn keine Stützplatte vorhanden ist Werden nur die Wandlerelemente 22A und 22C erregt so ist die erzeugte Strahlungscharakteristik gemessen in der /4-Ebene, gleich der Strahlungscharakteristik, welche in der B-Ebene gemessen werden kann, wobei diese Charakteristik dieselbe Form, jedoch nur die halbe Amplitude mit Bezug auf eine Strahlungscharakteristik besitzt, die man erhielte, wenn sämtliche vier Wandlerelemente 22 erregt würden. Werden also die Wandlerelemente 22 derart angeordnet, daß die sich am Scheitelpunkt 30 schneidenden Seitenflächen eines Wandlerelementes in derselben Ebene liegen wie die entsprechenden Seitenflächen des gegenüberliegenden Wandlerelementes 22, so erhält man eine größere Gleichförmigkeit der Richtcharakteristik. Wenn jede Untergruppe von Wandlerelementen 22 beispielsweise

acht oder sechzehn Wandlerelemente enthält, die jeweils abstrahlende Flächen in der Gestalt von gleichen Sektoren eines Kreises haben, so erhält man vier bzw. acht Symmetrieebenen der Strahlungscharakteristik.

Der aus vielen Zellen aufgebaute Wandler 20 kann Schallenergie mit einer Wellenlänge abstrahlen, welche vielfach kleiner als der Durchmesser der vielzelligen Wandlerelement-Untergruppe 20 ist, ohne daß eine unzulässige Erzeugung von transversalen Schwingungsformen über die abstrahlende Oberfläche auftritt, wie sie bei bisher gebräuchlichen Wandlern zu beobachten war, bei welchen die abstrahlende Oberfläche viel größer als die Wellenlänge der Strahlung ist. Der Unterbindung von quergerichteten Schwingungsformen über die abstrahlende Oberfläche hin wird durch das Schallisolierungsmaterial 24 erreicht, welches die abstrahlende Öffnung oder Fläche des vielzelligen Wandlers 20 in eine Vielzahl von im wesentlichen dreieckigen Zellen unterteilt, die bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 von den die vier Quadranten des kreisförmigen Umrisses ausfüllenden Wandlerelementen 22 gebildet werden. Es ist zu vermuten, daß die Abschwächung von transversalen Wellen auf der Tatsache beruht, daß die Zellen keine zueinander parallel verlaufende, gegenüberliegende, flache Begrenzungswände besitzen, wie sie bei nicht dreieckiger Gestalt, beispielsweise bei einer quadratischen oder sechseckigen Gestalt vorhanden sind, wo die Wellen hin- und herreflektiert werden können.

Was die Herstellung des vielzelligen Wandlers 20 betrifft, berteht die Schallisolation 24 beispielsweise aus gepreßtem Papier, etwa Kraftpapier oder einem Werkstoff, der im Handel unter der Bezeichnung Corprene erhältlich ist und eine Mischung aus Kork und Gummi darstellt. Die Wandlerelemente 22 enthalten ein piezoelektrisches, keramisches Material, beispielsweise Blei-Zirkon-Titanat. Das keramische Material der Wandlerelemente 22 ist unmittelbar mit dem Schallisolierungsmaterial 24 fest verbunden. Obere und untere metallische Elektroden 32 bzw. 34, werden auf die Oberseite und die Unterseite der Wandlerelemente 22 aufgeklebt oder aufgestrichen, so daß Anschlußdrähte 36 an den Elektroden 32 und 34 befestigt werden können, über die den Wandlerelementen 22 elektrische Energie zugeführt wird, um die Schallstrahlung anzuregen.

In den Fig. 2 bis 4 ist eine Wandleranordnung 38 gezeigt, welche aus sieben vielzelligen Wandlern 40 aufgebaut ist, die bienenwabenartig nebeneinandergesetzt sind, wie aus der Aufsicht nach Fig. 2 ersichtlich ist. Eine Schnittdarstellung entsprechend der in F i g. 2 angedeuteten Schnittlinie 3-3 ist in F i g. 3 gezeigt. Ein einzelner, vielzelliger Wandler ist in einer Aufsicht in F i g. 4 herausgezeichnet, während in F i g. 2 schematisch zwei dieser Wandler eingezeichnet sind. Aus F i g. 4 ist zu erkennen, daß jeder der vielzelligen Wandler oder Wandlerelement-Untergruppen 40 sechs Wandlerelemente 42 enthält, deren abstrahlende Flächen die Gestalt gleichseitiger Dreiecke besitzen und die durch schallisolierendes Material 24 voneinander getrennt sind. Das schallisolierende Material 24 ist längs der drei einander schneidenden Ebenen in sternförmiger Anordnung vorgesehen, so daß das schallisolierende Material die sechs Wandlerelemente 42 voneinander trennt und außerdem ist schallisolierendes Material längs des Außenumrisses des vielzelligen Wandlers 40 vorgesehen. Wie aus Fig.2 zu erkennen ist, hat jeder der

vielzelligen Wandler 40 dieselbe Ausrichtung, so daß die Ebenen der sternförmigen Schallisolationen 24 innerhalb eines vielzelligen Wandlers 40 parallel zu den entsprechenden Ebenen in jedem anderen der vielzelligen Wandler 40 ist. Jeder Wandler 40 wird von einer Schallisolationsschicht 24 im Abstand gehalten, welche dieselbe Dicke wie die Schallisolationsschichten aufweist, die längs der Ebenen der sternförmigen Schallisolation vorhanden ist.

Aus Fig. 3 ist zu entnehmen, daß an einem Schwingungsknoten der Schallschwingungen ein Stützkörper 44 angeordnet ist, welcher ausreichende Masse besitzt, um im wesentlichen sämtliche Schallstrahlungsenergie über die Stirnfläche der Anordnung 38 austreten zu lassen. Die Stirnfläche der Wandleranordnung 38 wiederum ist durch eine Schicht 46 aus wasserdichtem, schalldurchlässigem Material, beispielsweise Polyurethan, abgedeckt oder befindet sich hinter einer Gummimembran, wobei eine ölschicht zwischen der Gummimembran und der Stirnfläche der Wandleranordnung 38 vorgesehen ist. Die Aufsicht nach F i g. 2 entspricht dem Aufbau in der in Fig. 3 angedeuteten Schnittebene 2-2, welche in der Stirnfläche der Wandleranordnung 38 gelegen ist, um diese Anordnung sichtbar zu machen, welche anderenfalls von der Schicht 46 überdeckt wäre. Der Stützkörper 44 wird von der Rückseite der Wandleranordnung 38 durch eine Schallisolierungsschicht 24 getrennt gehalten, an welcher der Stützkörper festgekittet oder festgeklebt ist und welche ausreichend nachgiebig ist, um die Anschlußdrähte 36 zu den rückwärtigen Elektroden der Wandlerelemente 42 in das Schallisolierungsmaterial 24 einbetten zu können, wobei der Elektrodenanschluß in derselben Weise erfolgt, wie anhand von F i g. 1 ausgeführt wurde. Die an den stirnseitigen Elektroden der Wandlerelemente 42 befestigten Anschlußdrähte 36 sind in dem Material der abdeckenden Schicht 46 eingebettet. Der Stützkörper 44 ist ausreichend starr ausgeführt, um als Halterung für die Wandleranordnung 38 zu dienen.

Es sei bemerkt, daß die Stärke der Schichten des schallisolierenden Materials 24 wesentlich geringer als die Wellenlänge der von der Wandleranordnung 38 abgestrahlten Schallenergie ist. Demgemäß finden sich an keiner Stelle innerhalb der Wandleranordnung 38 Bereiche, in denen der Abstand der Schallquellen mehr als nur ein Bruchteil einer halben Wellenlänge der Schallenergie ist. Die Wandleranordnung 38 erzeugt daher eine Strahlungscharakteristik, welche frei von Überlagerungsgittern oder gitterartigen Nebenmaxima ist. Nachdem fernerhin die einander entsprechenden Ebenen der sternförmigen Anordnung von Isolationsmaterial 24 in der gesamten Wandleranordnung 38 zueinander parallel sind, gilt die vorstehend im Zusammenhang mit F i g. 1 getroffene Feststellung bezüglich der Gleichförmigkeit der Strahlungscharakteristiken über die gesamte Wandleranordnung 38 hin. Folglich hat die Wandleranordnung 38 drei Symmetrieebenen der Strahlungscharakteristiken.

Die Wandleranordnung 38 eignet sich zur Abstrahlung von Schallenergie, welche gleichzeitig drei Frequenzen enthält, wobei die Wandlerelemente 42 in je einem der vielzelligen Wandler 40 mit den Frequenzen Fl, F2 und F3 strahlen, und zwar nach einem Plan, welcher aus Fig.4 zu entnehmen ist, worin die einzelnen Wandlerelemente 42 entsprechend der von ihnen jeweils abgegebenen Frequenz beschriftet sind. Es können auch andere Regeln der Abstrahlung verwendet

werden. Beispielsweise können die Frequenzen Fl und Fl gleichgesetzt werden. In diesem Falle werden nur zwei verschiedene Frequenzen der Schallenergie abgestrahlt, wobei die Strahlung mit der Frequenz Fl die zweifache Leistung derjenigen Strahlung hat, welche -■, mit der Frequenz F3 abgegeben wird. Die Anordnung liefert einen gemeinsamen akustischen Mittelpunkt für die Strahlungen der drei Frequenzen, doch sind die Richtcharakteristiken in ihrer Gestalt etwas von derjenigen Form verschieden, welche sich ergäbe, wenn κι sämtliche Wandlerelemente mit derselben Frequenz strahlten. Im Falle von zwei Frequenzen Fl und F2, welche in der in F i g. 2 angedeuteten Weise verteilt sind, wobei jeder zweite dreieckige Wandlerelementsektor mit der Frequenz Fl strahlt, während die übrigen r, Wandlersektoren mit der Frequenz F3 strahlen, kann jedoch die Gestalt der Richtcharakteristiken aufrechterhalten werden, wie sich durch Untersuchen der Symmetrie der geometrischen Anordnung feststellen läßt, in welcher der vielzellige Wandler 40 um eine _>o Diagonale zusammengefaltet werden kann, wobei sich ergibt, daß jeweils eine Wandlerhälfte äquivalent mit einer Frequenz strahlt.

F i g. 5 zeigt einen im Umriß sechseckigen, vielzelligen Wandler 48, dessen Aufbau im wesentlichen r> demjenigen nach Fig.4 entspricht, jedoch mit der Ausnahme, daß in dem Wandler 48 zusätzliche Schichten schallisolierenden Materials 24 längs der Ebenen vorgesehen sind, welche auf den Sechseckseiten senkrecht stehen und diese halbieren. Auf diese Weise κι ergeben sich zwölf Wandlerelemente 50.

Fig. 6 zeigt in schematischer Darstellungsweise eine Anordnung von im Umriß rechteckigen, vielzelligen Wandlern 52, welche beispielsweise so gehaltert sind, daß sich eine strahlende Fläche ergibt, die in zwei r, Richtungen gekrümmt ist, was zweckmäßig sein kann, wenn die Wandleranordnung in den Rumpf eines Schiffes eingebaut werden soll oder wenn ein größerer Abtastungswinkel des Schallstrahls erreicht werden soll, als er bei einer flachen abstrahlenden Fläche der w Wandleranordnung erzielbar ist. Die Diagonallinien in Fig.6 bezeichnen Schichten aus schallisolierendem Werkstoff, welche zwischen den Wandlerelementen innerhalb jeder Untergruppe oder innerhalb jedes vielzelligen Wandlers 52 vorgesehen sind. Man erkennt 4-, also, daß die Gesamtanordnung sich aus dreieckigen Wandlerelementen zusammensetzt, welche b~i den hohen Frequenzen der Schallstrahlung, wie sie bei Echolotsystemen unter Ausnützung des Effektes endlicher Amplitudenübertragungen verwendet werden, ,0 Abmessungen besitzen, die viel größer als eine Wellenlänge der von den Wandlerelementen erzeugten Strahlung ist. Tro'zdem wird aufgrund der Dreiecksgestalt der Wandlerelemente die Erzeugung von Schallwellen, welche sich in Querrichtung längs und innerhalb der strahlenden Öffnung der Wandleranordnung nach F i g. 6 ausbreiten, in ausreichendem Maße verhindert, so daß die gewünschten Eigenschaften der Strahlungscharakteristik erhalten werden, so als ob Wandlerelemente verwendet würden, deren Abmessungen kleiner <,o als die Wellenlänge der Schallstrahlung ist.

In Fig.7 ist eine Anordnung von zwei vielzelligen Wandlern 54 gezeigt, welche jeweils rechteckigen Umriß besitzen und jeweils zwei Langseiten und zwei kurze Seiten aufweisen. Jeder der vielzelligen Wandler 54 ist durch schallisolierendes Material, das längs der Diagonalebenen angeordnet ist, in Wandlerelemente unterteilt, so daß sich jeweils zwei Paare dreieckiger Wandlerelemente ergeben und die Wandlerelemente eines Paares die Gestalt stumpfwinkliger Dreiecke besitzen, während die Wandlerelemente des anderen Paares die Gestalt spitzwinkliger Dreiecke aufweisen. In diesem Falle ergeben sich zwei Symmetrieebenen der Strahlungscharakteristik, welche den zwei Diagonalen in jedem Rechteck entsprechen. Dabei schließen die beiden Symmetrieebenen zueinander einen spitzen Winkel ein.

Betrachtet man nun F i g. 8, so erkennt man ein Blockschaltbild eines Echolotsystems unter Ausnützung des Effektes der endlichen Am^litudenübertragung zur Erzeugung eines stark gebündelten oder gerichteten Schallstrahls niedriger Frequenz unter Verwendung einer Wandleranordnung nach den Fig. 2 oder 6. Zwei Signalgeneratoren 56 und 58 dienen zur Erzeugung elektrischer Signale mit den Frequenzen Fl bzw. F2, welche beispielsweise 200 kHz und 21OkHz betragen, um im Fernfeld oder in größerer Entfernung von der Anordnung der Wandlerelemente 40 bzw. 52 einen Schallstrahl zu erzeugen, welcher eine Frequenz entsprechend der Differenz von F2 und Fl. im vorliegenden Falle also eine Frequenz von 1OkHz aufweist. Das System nach F i g. 8 enthält weiter Tasteinrichtungen 60 und 62, Verzögerungseinrichtungen 64 und 66, eine Strahlsteuereinheit 68, einen Rechner 70, elektronische Schalter 72 und 74. Bandpaßfilter 76 und 78. Verstärker 80 und Wandlerelemente, welche beispielsweise von den Wandlerelenienten 50 nach F i g. 5 oder den Wandlerelementen 42 nach Fig. 4gebildet sind.

Im Betrieb des Systems nach Fig. 8 werden von den Signalgeneratoren 56 und 58 Rechteckwellen mit einer Wiederholungsfrequenz Fl bzw. F2 erzeugt, welche vorzugsweise eine Phasenmodulation besitzen, um eine resultierende Modulation zu erhalten, welche für ein Korrelieren eines mit der Differenzfrequenz empfangenen Signals geeignet ist, wie der US-Patentschrift 37 86 405 entnommen werden kann. In F i g. 8 sind Empfangsmittel nicht gezeigt. Die Rechteckwellensignale der Signalgeneratoren 56 und 58 werden mit einer Taktfrequenz getastet, welche bedeutend höher als die Frequenzen Fl und F2 ist, so daß Gruppen von Signalimpulsen erhalten werden, wie in Fig. 8 bei 82 angedeutet, die jeweils aus einer Folge von Signalimpulsen entsprechend einer logischen 1 gefolgt von einer Reihe von Signalen entsprechend einer logischen 0 gebildet sind, wobei etwa 64 Signalimpulse für jede Periode der Rechteckwelle des Signalgenerators 56 vorgesehen sind. Die Taktgeber für die Betätigung der Taster 60 und 62 und zur Erzeugung weiterer Zeitsignale sind in Fig. 8 nicht dargestellt, da sie allgemein bekannt und der oben erwähnten US-Patentsc'.irift entnehmbar sind. Der Ausgang des Tasters 60 wird durch die Verzögerungseinrichtung 64 geleitet, während der Ausgang des Tasters 62 der Verzögerungseinrichtung 66 zugeführt wird. Beide Verzögerungseinrichtungen 64 und 66 können akustische Verzögerungsleitungen oder Schieberegister sein, welche eine Anzahl von Anzapfungen aufweisen, die durch die Leitungen 84 angedeutet sind, die jeweils zu den Schaltern 72 und 74 führen, welche dazu dienen, von einer bestimmten der Leitungen 84 ein Signal der Verzögerungseinrichtung 64 zu dem Filter 76 bzw. von der Verzögerungseinrichtung 66 zu dem Filter 78 durchzuschaiten. Der Filter 76 besitzt ein Durchlaßband, dessen Mittenfrequenz bei Fl liegt und der Filter 78 weist ein Durchlaßband auf, dessen Mittenfrequenz bei F2 gelegen ist Jeder der

Schalter 72 wählt in Abhängigkeit von durch den Rechner 70 bereitgestellten Signalen eine der Leitungen 84 aus, um dem vom Taster 60 abgeleiteten Signal eine gewünschte Verzögerung aufzuprägen und in ähnlicher Weise wählen die Schalter 74 ein in geeigneter Weise verzögertes Signal des Tasters 62 zur Weitergabe aus. Die Filter 76 und 78 dämpfen harmonische Frequenzen der Rechteckwellen ab, so daß im wesentlichen sinusförmige Signale zu den Verstärkern 80 gelangen, welche dann die Signale auf einen geeigneten Leistungspegel verstärken, um die Wandlerelemente 42 damit betreiben zu können.

1st das System nach F i g. 8 an Bord eines Schiffes installiert, so bewirkt die Strahlsteuereinrichtung 68, daß die hochfrequenten Schallstrahlen der Frequenzen Fl und F2 in eine gemeinsame Richtung gelenkt werden, so daß ein gemeinsamer Gewässerbereich von diesen Schallstrahlen beschallt wird, wobei dieser gemeinsame Gewässerbereich Abmessungen besitzt, die bedeutend größer als eine Diagonale der Wandleranordnung nach den F i g. 2 oder 6 ist. Auf diese Weise sind die Schallquellen innerhalb des Wassers, welche aufgrund der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen den beiden Schallstrahlen hoher Frequenz mit der Differenzfrequenz strahlen, nach Art einer Endeinrichtung oder eines Endstrahlungssystems angeordnet und liefern einen in hohem Maße gerichteten Strahl mit der Differenzfrequenz. Die Richtung der Strahlung der Differenzfrequenz ist dieselbe wie diejenige der beiden Strahlen hoher Frequenz und demgemäß bewirkt die Strahlsteuereinrichtung 68 eine Steuerung des Schallstrahles der Differenzfrequenz in der gewünschten Weise, beispielsweise, um den Gewässerboden oder Meeresboden zu untersuchen. In Abhängigkeit von Azimutwinkel und vom Höhenwinkel des Strahles, der durch die Strahlsteuereinrichtung 68 erzeugt wird, errechnet der Rechner 70 die Verzögerungen, die dem Signal für jedes Wandlerelement 42 aufgeprägt werden müssen, um die beiden Schallstrahlen der Frequenzen Fl und F2 in die gewünschten Richtungen auszusenden.

Die Gleichwertigkeit der Strahlungscharakteristiken, welche von der gesamten abstrahlenden öffnung oder Fläche eines vielzelligen Wandlers erzeugt werden, im Verhältnis zu den Strahlungscharakteristiken, welche längs einer Diagonalebene gemessen werden und durch Erregung jeweils jeder zweiten Zelle des Wandlers entstehen, sei nun mathematisch genauer betrachtet. In Fig. 9 ist ein Diagramm eines mehrzelligen Wandlers von quadratischem Umriß gezeigt, wobei jeweils jeder zweite Sektor oder jedes zweite Wandlerelement schattiert ist und insgesamt acht Sektoren gebildet sind, die durch die beiden Diagonalen und die beiden lotrechten Seitenhalbierenden der Quadratseiten abgeteilt sind. Die Stirnfläche des Wandlers sei die VZ-Ebene und die X-Achse stehe hierauf senkrecht. Der Winkel θ wird gegenüber der X-Achse gemessen. Der Winkel Φ wird gegenüber der V-Achse in der V'X-Ebene gemessen. Eine Seite des Quadrates betrage 2a. Das Diagramm nach F i g. 9 erweist sich bei der Erklärung der Symmetrie der Strahlungscharakteristiken mit Bezug auf die X-Achse und zur Erläuterung der . Tatsache a's nützlich, daß die Charakteristiken, welche längs einer Diagonale oder längs einer lotrechten Seitenhalbierenden zu messen sind, gleiche Gestalt besitzen, unabhängig davon, ob das gesamte Quadrat Schallenergie abstrahlt oder ob nur die schraffierten in Bereiche strahlen. Die Strahlungsintensität F(Q, Φ) für das normalisierte Fernfeld ergibt sich durch Integration über die schattierten Bereiche folgendermaßen:

sin ka.4 sinkaB siir ((ka 2)(.4 + ß)) kii'Ä" kuBΓ ⁺ k² tr B(A + ß)

sin- (yku I)(A - B)) k² a- B(A - B)

2 sin (2A-ti.4 2)eos(2fc</ B 2) k² a¹ A B

worin

und

A = (sin W)(sin </>]

B = (sin M)(cos</>)

(2 h)

Schließlich bedeutet k die Wellenanzahl. Hs kann Γι weiter unter Vorwendung dieser Gleichung gezeigt werden, daß

F(HA)) = ^sin^'^sin"> ₍₃₎

Α,ί/ sin H

sin (ka sin H)

KH. 90 ) = ,· . (4)

Kt/ sin H

■r, und

Γ sin ((Ki(I 2) sin H) T

/■(«. 4.Y) = I "·. 4,--■ ,.. ■ I-"¹) L (Ai/ 2) sin <-))

Die Gleichungen 3, 4 und 5 sind identisch mit der Funktion für die Strahlcharakteristik bei quadratischer Wandleranordnung abgesehen von einem Malistabstaktor(die letzten drei Ausdrücke in Gleichung 1 fallen für die drei speziellen Fälle heraus). Eine Anordnung entsprechend diesen Gleichungen führt zu denselben Charakteristiken wie eine Strahleranordnung quadratischer Strahlerelemente.

Hierzu 3 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Abstrahlung von Schal'energie mit mehreren Frequenzen, welche eine Anordnung von Wandlerelementen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wandlerelement (22 bzw. 42 bzw. 50 bzw. 52 bzw. 54) im wesentlichen dreieckige Gestalt seiner abstrahlenden Fläche besitzt, wobei zwei begrenzende Seiten (26, 28) der abstrahlenden Fläche sich an einer Spitze (30) treffen und die Spitzen mehrerer, jeweils eine Untergruppe (20 bzw. 40 bzw. 48) innerhalb der Anordnung bildender, in derselben Richtung orientierter Wandlerelemente zusammenfallen und wobei ferner innerhalb der Anordnung die Untergruppen von Wandlerelementen jeweils aneinander anschließen, daß ferner innerhalb einer Untergruppe einander gegenüberliegende Wandlerelemente von einer mit je einer Untergruppe gekoppelten Signalquelle (56, 60) mit einer ersten Frequenz erregbar sind und daß andere bzw. die verbleibenden Wandlerelemente von einer weiteren, ebenfalls mit jeder Untergruppe gekoppelten Signalquelle (58,62) mit einer zweiten Frequenz erregbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängen der genannten Signale bei der ersten und der zweiten Frequenz kleiner als eine Seitenlänge der im wesentlichen dreieckigen Wandlerelemente (22 bzw. 42 bzw. 50 bzw. 52 bzw. 54) sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Signalquellen (56, 60, 58, 62) Verzögerungseinrichiungen (64, 66) gekoppelt sind, mittels welchen die dan Wandlerelementen zugeführten Signale jeweils in bestimmter Weise verzögerbar sind und daß einzelne der verzögerten Signale jeweils an bestimmte der Wandlerelemente (42) ankoppelbar (72,74) sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils einer Untergruppe (20 bzw. 40 bzw. 48) angehörenden Wandlerelemente (22 bzw. 42 bzw. 50 bzw. 52 bzw. 54) jeweils aneinander anschließen.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Umriß der Wandlerelement-Untergruppen quadratisch ist, wobei jede Seite die Basis für mehrere, dreieckige Wandlerelemente bildet und einander gegenüberliegende Quadratseiten der Wandlerelement-Untergruppen die Grundlinien für eine gleiche Anzahl von Wandlerelementen bilden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement-Untergruppen (40 bzw. 48) sechseckigen Umriß aufweisen, wobei jeweils eine Sechsecksseite jeweils als Grundlinie für mehrere, dreieckige Wandlerelemente dient und einander gegenüberliegende Sechsecksseiten die Grundlinien für eine gleiche Anzahl von Wandlerelementen enthalten.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (52) mit ihren abstrahlenden Flächen an eine gekrümmte Fläche angrenzen.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement-Untergruppen (52, 54) jeweils rechteckigen Umriß besitzen.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement Untergruppen (20) jeweils kreisförmigen Umriß aufweisen.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelement-Untergruppen im Umriß die Gestalt eines regelmäßigen Vielecks haben.

11. Einrichtung zur Abstrahlung von Schallener-ο gie, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den im wesentlichen dreieckige Gestalt besitzenden, bezüglich der Strahlungsrichtung in gleicher Weise orientierten, in bestimmten Abstand voneinander angeordneten Wandlerelementen (22) schallisolierender Werkstoff (24) angeordnet ist, wobei der durch den schallisoiierenden Werkstoff ausgefüllte Zwischenraum weniger als ein Viertel der Wellenlänge der von den Wand!?^relementen erzeugten Strahlung ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß den einzelnen Wandlerelementen (2?) Signale zur Erregung der Wandlerelemente zuführbar sind, welche vielfach kürzere Wellenlänge

2^r> besitzen als die Seitenlänge der dreieckigen Wandlerelemente beträgt.