DE2615684A1

DE2615684A1 - Unterwasserschallempfaenger mit schallreflektor

Info

Publication number: DE2615684A1
Application number: DE19762615684
Authority: DE
Inventors: Francois Lefaudeux; Michel Georges Quivy
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1976-10-21
Also published as: FR2307276A1; US4031502A; FR2307276B1; GB1521592A

Description

L'Etat Fran^ais represents par Ie Delegue Ministeriel pour l'Artnement

14, rue Saint-Dominique

75997 PARIS / Frankreich

Unser Zeichen: E 866

Unterwasserschallempfänger mit Schallreflektor

Die Erfindung betrifft Unterwasserschallempfänger (Hydrophone) mit Schallreflektor.

Das technische Gebiet der Erfindung ist die Konstruktion von Unterwasserschallgeräten und insbesondere von Sonarantennen.

Die Sonarantennen enthalten Unterwasserschallempfänger, hinter denen Reflektoren angeordnet werden können, um den Empfang der Schallwellen zu verbessern.

Es sei daran erinnert, daß man, wenn ein ebenes Schallwellenbündel an einer ebenen Fläche reflektiert wird, vor dem Reflektor

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ein System von stehenden Wellen erhält, welches Druck- und Geschwindigkeitsfelder verursacht, deren Knoten einen Abstand von λ/2 haben, wobei λ die Wellenlänge der Schallschwingung ist.

Bekanntlich ist die Geschwindigkeit proportional zu dem Gradienten des Druckes und das Geschwindigkeitsfeld ist somit um λ/4 gegenüber den Druckfeldern verschoben. Die stehenden Druckwellen weisen einen Knoten an der Oberfläche des Reflektors auf, während die stehenden Geschwind igkeits well en auf der Oberfläche des Reflektors einen Bauch aufweisen. Die bislang in Verbindung mit einem Reflektor benutzten Unterwasserschallempfänger sind Unterwasserschallempfänger, welche Stapel von druckempfindlichen piezoelektrischen Elementen aufweisen.

Zur Erzielung eines Empflindlichkeitsmaximums muß man somit diese Unterwasserschallempfänger vor dem Reflektor in der Entfernung λ/4 von demselben anordnen, wo sich der erste Bauch des Druckfeldes befindet. Da sich diese Entfernung mit der Wellenlänge ändert, folgt daraus, daß die Empfindlichkeit des Unterwasserschallempfängers ein ausgeprägtes Maximum bei einer bestimmten Frequenz aufweist und beiderseits dieser Frequenz sehr schnell abnimmt. Dieser Empfindlichkeitsverlust ist nicht sehr störend bei schmalbandigen Unterwasserschallempfängern, wie denjenigen, mit denen die Empfangsantennen von Sonargeräten mit aktiver Erfassung ausgerüstet sind,welche das von einem Ziel zurückgeworfene Echo einer von ihnen selbst ausgesandten Welle auffangen.

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Dagegen verringert er beträchtlich die Wirksamkeit der Empfangsantennen von passiven Sonargeräten, welche versuchen, jedes Geräusch zu erfassen, das von einem eventuellen Ziel kommt und somit in einem sehr breiten Frequenzband und insbesondere bei niedrigen Frequenzen liegen kann.

Es sind außerdem Unterwasserschallempfänger mit Biegeplatte bekannt, welche aus einer dünnen flexiblen Platte bestehen, die an ihrem Umfang auf einem ringförmigen Träger befestigt ist und auf einer Fläche oder auf beiden Flächen ein piezoelektrisches Plättchen trägt. Die Empfindlichkeitskurven solcher Unterwasserschallempfänger zeigen, daß diese eine Richtcharakteristik haben und somit für Geschwindigkeitsänderungen empfindlicher als für Druckänderungen sind.

Die Erfindung schafft Unterwasserschallempfänger, deren Empfindlichkeit durch das Vorhandensein eines hinter ihnen angeordneten Reflektors verbessert ist und in einem großen Frequenzband, insbesondere hei niedrigen Frequenzen, im wesentlichen konstant bleibt.

Weiter schafft die Erfindung mit einem Reflektor ausgerüstete Unterwasserschallempfänger, die hohe hydrostatische Drücke aushalten und somit in großen Eintauchtiefen benutzt werden können.

Ferner schafft die Erfindung Unterwasserschallempfänger, die ein System mit einem Schallreflektor bilden.

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Diese Merkmale der Erfindung werden mit Hilfe eines UnterwasserschaUempfängers mit Schallreflektor erreicht, welcher aus einer Kombination aus einem Schallreflektor mit wenigstens einem piezoelektrischen Biegeschichtwandler besteht, der eine flexible dünne Platte aufweist, die mit ihrem Umfang an einem starren ringförmigen Träger befestigt ist und sich in geringem Abstand vor dem Reflektor so nahe wie möglich an demselben befindet.

Ein Unterwasserschallempfänger nach der Erfindung, der insbesondere großen Eintauchtiefen angepaßt ist, enthält einen Schallreflektor, welcher aus einer dichten Umhüllung aus einem biegsamen und verformbaren Material besteht, welche zwei parallele starre Platten enthält, die durch Gitterflächen aus verflochtenen Drähten getrennt sind.

Ein Unterwasserschallempfänger mit eingebautem Reflektor nach der Erfindung besteht aus einem Schallreflektor und aus wenigstens einem piezoelektrischen Wandler mit einer dünnen Biegeplatte, die von ein und derselben Kunstharzschicht mit einer Dicke in der Größenordnung von einigen Millimetern umhüllt sind, die sie fest miteinander verbindet und den Wandler'in der Nähe der Vorderfläche des Schallreflektors hält.

Das Ergebnis der Erfindung ist ein neuer Unterwasserschallempfänger mit Schallreflektor.

Ein Vorteil dieses Unterwasserschallempfänger ist eine gute

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Empfindlichkeit, die in einem sich bis zu den niedrigen Frequenzen erstreckenden großen Frequenzband konstant und maximal bleibt und diesen Unterwasserschallempfänger für den Bau von Empfangsantennen passiver Sonargeräte besonders geeignet macht.

Ein weiterer Vorteil dieses Unterwasserschallempfängers in der Ausführungsform, bei welcher der Schallreflektor aus einer dichten, biegsamen und verformbaren Umhüllung besteht, die zwei durch Gitterflächen aus gekreuzten Drähten voreinander getrennte starre ebene Platten enthält, besteht darin, daß er unter einem starken hydrostatischen Druck eine gute Empfindlichkeit bewahrt, was diesen Unterwasserschallempfänger für den Bau von passiven Horchbojen, die in große Tiefe eingetaucht sind, besonders geeignet macht.

Noch ein weiterer Vorteil besteht darin, daß er den Bau von Antennen mit Reflektor vereinfacht, weil die Unterwasserschallempfänger ihren Reflektor eingebaut haben und es genügt, sie nebeneinander anzuordnen, um eine Antenne herzustellen, ohne daß spezielle Träger zum Festhalten der Unterwasserschallempfänger vor dem Reflektor gebaut werden müssen.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Druck- und Geschwindigkeits

felder in einem Feld von stehenden Schallwellen vor einem Schallreflektor,

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die Fig. 2 und 3 in Draufsicht bzw. im Schnitt

ein Ausfuhrungsbeispiel eines Unterwasserschallempfängers nach der Erfindung,

Fig. 4 in Draufsicht ein weiteres Aus

fuhrungsbeispiel eines Unterwasserschallempfängers nach der E»— findung ,

Fig. 5 in größerem Maßstab eine Ansicht

des Mittelteils von Fig. 3, und

Fig. 6 ein Diagramm der Empfindlichkei

ten im Vergleich zwischen einem bekannten und einem erfindungsgemäßen Unterwasserschallempfänger«

Fig. 1 zeigt die Vorderfläche 1 eines Schallreflektors, auf welcher ein ebenes Bündel von Schallwellen der Wellenlänge λ reflektiert wird. Dieses Schallwellenbündel besteht aus Druckwellen mit der Intensität Po und aus Geschwindigkeitswellen mit der Intensität Vo. Es verursacht vor dem Reflektor 1 stehende Wellen, die sich durch Druck— und Geschwindigkeitsfelder ausdrücken.

Auf der Abszisse sind die Abstände von dem Reflektor dargestellt. Die stehenden Geschwindigkeitswellen, die mit ausgezogenen Linien dargestellt sind, weisen einen Bauch auf der Oberfläche des Reflektors

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mit der Intensität 2Vo auf und die Knoten liegen in Abständen λ/4, 3 λ/4, 5 λ/4 usw. von dem Reflektor.

Die stehenden Druckwellen weisen einen Knoten auf der Oberfläche des Reflektors sowie in den Abständen λ/2, λ , 3 χ/2, usw. von dem Reflektor auf.

Die pfezoelektrischen Wandler, die gewöhnlich zum Bau von vor einem Reflektor angeordneten Unterwasserschallempfängern benutzt werden, sind Wandler, die für Druckänderungen empfindlich sind und deshalb in einem Abstand angeordnet werden, der im wesent— liehen gleich λ/4 ist, wo sich der erste Druckwellenbauch mit der Intensität 2Po befindet und wo die Druckänderungen somit am größten sind. Beispielsweise wird ein Unterwasserschallempfänger, der zum Auffangen eines Frequenzbandes um 10 kHz herum bestimmt ist, in einem Abstand von ungefähr fünfzehn Zentimetern von der Vorderfläche eines ebenen Reflektors angeordnet, was erforderlich macht, Träger vorzusehen, welche die Säulen von Unterwasserschallempfängern einer Antenne in einem bestimmten Abstand von dem Reflektor halten. Der Abstand λ/4 ändert sich offenbar mit der Wellenlänge, d.h. mit der Frequenz, aber auch mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die von der Temperatur und von dem Salzgehalt des Meerwassers abhängig ist.

Gemäß der Erfindung werden piezoelektrische Biegeschichtwandler benutzt, die eine sehr große Richtwirkung haben und somit für Geschwindigkeitsänderungen empfindlicher sind als für Druckänderungen, und diese Wandler werden in unmittelbarer Nähe der Vorderfläche

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des Reflektors angeordnet, d.h. an der Stelle, wo die Geschwindigkeitsänderungen am stärksten sind, ohne daß die flexible Platte der Zweischichtanordnung mit dem Reflektor in Berührung kommt, so· daß sie eine freie Biegeverformung ausführen kann.

Fig. 2 zeigt in Draufsicht einen Unterwasserschallempfänger 2 nach der "Erfindung und Fig. 3 eine Schnittansicht auf der Linie III—III von Fig. 2.

Der Unterwasserschallempfänger 2 enthält einen Schallreflektor 3, dessen Fläche 4 die reflektierende Fläche ist, welche in die Richtung gedreht ist, aus welcher eine ebene Schallwelle kommt. Der Reflektor 3 hat beispielsweise die Form eine Quadrates mit einer Seitenlänge von 170 mm.

Er besteht in bekannter Weise aus einer biegsamen und verformbaren dichten Hülle 5, beispielsweise aus einer Hülle aus Kautschuk oder aus einem elastomeren Material, die zwei starre, ebene, zueinander parallele Platten 6a, 6b, beispielsweise zwei Metallplatten, enthält, welche durch einen Stapel von Gitterschichten 7, beispielsweise Gitter aus verflochtenen Metalldrähten, voneinander getrennt sind. Solche Schallreflektoren sind bereits bekannt, und es ist auch bekannt, daß sie ein gutes Reflexionsvermögen selbst unter starken hydrostatischen Drücken und selbst bei niedrigen Frequenzen haben.

Die dichte Hülle 5 schließt ein gewisses Luftvolumen ein, während sie die Schallwellen überträgt, und die Trennfläche zwischen dem

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Wasser und der Luft, welche sehr unterschiedliche Schallimpedanzen haben, bildet eine gute Refl-exionsflache. Die verformbare Hülle 5 überträgt die Drücke, und die in der Hülle eingeschlossene Luft ist mit dem Äußeren in Gleichdruck. Der Stapel von Gitterschichten aus gekreuzten Drähten, der zwischen den beiden starren Platten angeordnet ist, verhindert das Zusammendrücken der Hülle, wenn diese starken Drücken ausgesetzt ist, und, aufgrund der Tatsache, daß die Berührungen zwischen den Gitterschichten punktförmig sind, werden die Schallwellen durch diese Struktur hindurch schwach übertragen. Solche Schallreflektoren haben eine gute Wirksamkeit, die praktisch in dem gesamten Frequenzband, das einschließlich der niedrigen Frequenzen gewöhnlich in der Unterwasserakustik benutzt wird, von dem Druck praktisch unabhängig ist.

Vor der reflektierenden Fläche 4 ist ein piezoelektrischer Biegeplattenwandler 8 des Zwei- oder Dreischichttyps angeordnet.

Solche Wandler sind bekannt. Sie bestehen aus einer dünnen flexiblen Membran 9, die mit ihrem Umfang auf einem starren ringförmigen Träger 11 angeordnet ist, bei welchem es sich beispielsweise um einen Ring aus Messing mit einem Durchmesser von 25 mm und mit einer Dicke von 4 mm handelt. Auf eine Fläche oder auf beide Flächen dieser Membran sind piezoelektrische Scheiben 10 geklebt, beispielsweise Scheiben aus Keramik, wie etwa Titanzirconat, die zwischen zwei Elektroden eingefügt sind.

Die Empfindtichkeitskurven eines solchen Wandlers entsprechend der Richtung der Schallquelle in bezug auf die Achse des Wandlers

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zeigen, daß diese Wandler eine gute Richtwirkung in einem großen Schallfrequenzband haben und daß sie somit für die Geschwindigkeitsänderungen empfindlicher sind als für die Druckänderungen aufgrund der Schallwellen.

Ein Unterwasserschallempfänger nach der Erfindung nutzt diese Eigenschaft aus.

Die Originalität der Erfindung Hegt in der Kombination eines Biegeschichtwandlers mit einem Schallreflektor, welcher irgendeiner sein kann, welcher aber vorzugsweise ein Schallreflektor des oben beschriebenen Typs ist. In dieser Kombination sind die gegenseitigen Beziehungen der Positionierung und der Oberflächenverhältnisse zwischen dem Wandler und dem Reflektor festgelegt.

Hinsichtlich der Positionierung ist die flexible Platte 9 auf der Seite des Ringes angeordnet, die sich gegenüber der Vorderfläche 4 des Reflektors befindet, und sehr nahe bei dieser Vordei— fläche, ohne mit ihr in Berührung zu sein, so daß sie unter der-Einwirkung der Schallwellen eine freie Biegeverformung erfahren kann, ohne den Reflektor zu berühren. Beispielsweise hat die Platte 9 einen Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 1 mm und der Abstand zwischen dem Zweischichtwandler und der Fläche 4 des Reflektors Hegt in der Größenordnung von 2 mm.

Hinsichtlich des Verhältnisses der Oberflächen darf die Oberfläche des Wandlers nicht zu groß in bezug auf die des Reflektors sein.

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In dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten Beispiel ist die Oberfläche des Reflektors beispielsweise größenordnungsmäßig fünfundfünfzigmal so groß wie die des Wandlers.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine weitere Ausführungsform eines Unterwasserschallempfängers' 2a, welcher· die Form eines Quadrates mit einer Seitenlänge von 250 mm hat und aus einem einzigen Schallreflektor 3a und fünf Biegeschichtwandlern 8a besteht, die den gleichen Aufbau haben wie der Wandler 8, 2 mm von der Vorderfläche 4a des Reflektors entfernt und in Reihe geschaltet sind. In diesem Beispiel liegt das Verhältnis zwischen dem Flächeninhalt des Reflektors und dem der fünf Wandler in der Größenordnung von 25. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis zwischen dem Flächeninhalt des Schallreflektor und dem Gesamtflächeninhalt" der vor demselben angeordneten Wandler wenigstens gleich 20.

Das zu lösende Problem besteht darin, die Wandler in der gewünschten Entfernung von der Vorderfläche des Reflektors zu halten, ohne weder die Wirksamkeit des Reflektors noch die des Wandlers zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem gelöst, indem der Reflektor und der oder die Wandler mit Hilfe einer Kunstharzschicht 12 fest miteinander verbunden werden, beispielsweise mittels einer Schicht aus Polyurethanharz, die gleichzeitig die Wandler und den Reflektor umhüllt und den Vorteil bietet, eine absolut

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meerwasserdichte Schutzhülle zu bilden.

Die Dicke dieser Harzschicht liegt zwar in der Größenordnung von mehreren Millimetern, sie weist aber gegenüber jedem der Wandler eine Verdünnung 13 auf, wo sie bei Wandlern mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 25 mm auf ungefähr 1 mm verringert ist, um eine ausreichende Biegsamkeit zu haben, damit die Biegeverformungen der dünnen Platte des Wandlers nicht übermäßig gedämpft werden.

Fig. 5 zeigt in größerem Maßstab einen Wandler 8 des Zweischichttyps mit einer dünnen Biegeplatte 9, der vor der reflektierendenFläche 4 eines Schallreflektors 5 angeordnet ist. Fig. 5 zeigt die Harzschicht 12, die den Wandler und den Reflektor umhüllt, und die Verdünnung 1 3 dieser Schicht, die gegenüber dem Wandler eine Mulde bildet.

Wandler mit einer Biegeplat^e, die einzeln von einer Kunstharzschicht umhüllt sind, sind bereits bekannt. Ein Unterwasserschallempfänger nach der Erfindung stellt eine neue Verwendung dieses Wandlertyps dar.

Fig. 6 zeigt auf der Abszisse die Frequenzen und auf der Ordinate die Empfindlichkeit Sh, ausgedrückt in Dezibel.

Die Kurve C1 zeigt für einen Unterwasserschallempfänger mit dünner Biegeplatte ohne Reflektor die Empfindlichkeitsänderungen in Abhängigkeit von der Frequenz. Die Empfindlichkeit geht bei einer

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Frequenz fo durch ein Maximum und nimmt beiderseits schnell ab, so daß das Frequenzband, in welchem der Unterwasserschallempfänger benutzbar ist, ein relativ schmales Band ist.

Die Kurve C2 zeigt die Empfindlichkeit eines Unterwasser schal I-empfängers nach der Erfindung.

Diese Kurve zeigt., daß die Empfindlichkeit bei den niedrigen Frequenzen, beispielsweise bei allen Frequenzen unterhalb von 5 kHz, sehr gut ist.

Dieses Ergebnis ist sehr interessant, denn die bislang bekannten Unterwasserschallempfänger, die aus einem druckempfindlichen Wandler bestehen, der in einer Entfernung λ/4 vor einem Reflektor angeordnet ist, sind für Frequenzen in der Größenordnung von einigen Kilohertz unbenutzbar.

Bei solchen Frequenzen wird nämlich die Länge λ/4 zu groß, größenordnungsmäßig mehrere Dezimeter, und der Platzbedarf der Empfangsantennen überschreitet die für untergetauchte Antennen zulässigen Grenzen.

Im Rahmen der Erfindung können die Bestandteile der Unterwasserschallempfänger, die oben als Beispiel beschrieben worden sind, selbstverständlich durch äquivalente Bestandteile ersetzt werden.

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Claims

261R684

Patentansprüche :

1 J Unterwasserschallempfänger mit Schallreflektor, gekennzeichnet durch einen an sich bekannten Schallreflektor, der aus einer biegsamen und verformbaren dichten Hülle besteht, die zwei parallele starre Platten enthält, welche durch Gitterschichten aus verflochtenen Drähten voneinander getrennt sind, und durch wenigstens einen an sich bekannten piezoelektrischen Wandler mit einer dünnen flexiblen Platte, die mit ihrem Umfang auf einem starren ringförmigen Träger befestigt ist, wobei der Reflektor und der Wandler in ein und dieselbe Kunstharzschicht eingebettet sind, welche eine Dicke von einigen Millimetern hat, sie fest miteinander verbindet und den Wandler in der Nähe der Vorderfläche des Schallreflektors festhält.
2. Unterwasserschallempfänger nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Harzschicht gegenüber jedem Wandler eine verringerte Dicke in der Größenordnung von einem Millimeter aufweist.
3. Unterwasserschallempfänger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flexible dünne Platte auf der Seite des starren ringförmigen Trägers befestigt ist, die dem Reflektor gegenüberliegt.
4. Unterwasserschallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Biegeplattenwandlern und der Vorderfläche des Schallreflektors bei Wandlern

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mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 25 mm in der Größenordnung von 2 mm liegt.
5. Unterwasserschallempfänger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen dem Flächeninhalt des Schallreflektors und der Summe der Flächeninhalte der vor ihm angeordneten Biegeplattenwandler zumindest gleich 20 ist.

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