DE2656857A1

DE2656857A1 - Wandler fuer schiffs-ultraschall- dopplernavigationssysteme

Info

Publication number: DE2656857A1
Application number: DE19762656857
Authority: DE
Inventors: Jacob Abraham Kritz
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1977-07-07
Also published as: IT1202978B; SE7614044L; NO144813B; ES454232A1; US4063214A; FR2336019B1; GB1558088A; CA1051542A; DE2656857C2; NO764243L; FR2336019A1; JPS5273763A; SE420540B; NL7613919A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. C U rfWai lacfl Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp * τ¹ ·

D-8(XX) K^inchen 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

\ Datum: 15. Dezember 1976

j Unser Zeichen: 15 γ₂6 - Fk/Ne

Sperry Rand Corporation New York, USA

Wandler für Schiffs-Ultraschall-Dopplernavigationssysteme

Die Erfindung bezieht sich auf Wandler für Schiffs-Ultraschall-Dopplernavigationssysterae mit elektro-akustischen Energietransformationseinrichtungen mit einem Strahlungsmuster, das eine Hauptkeule entlang einer bevorzugten Achse und Sekundär-Keulen entlang divergierender Aohsen aufweist.

Ultraschall-Dopplergeräte zur Messung voh Geschwindigkeit und Weg an Bord von Schiffen sind in der Technik gut bekannt. Es werden elektro-akustische Wandler zur Erzeugung und zum Empfang von Schallwellen im Wasser verwendet. Die Schallenergie wird unter einem von 90° bezüglich der Richtung der VorwÄrtsgeschwindigkeit des Schiffes abweichenden Winkel in das Wasser abgestrahlt, so daß eine Komponente der Geschwindigkeit mit der Strahlrichtung zusammenfällt. Ein Beispiel für eine derartige Strahlausrichtung, die in einem "Janus-System" verwendet wird, bei dem zwei Schallstrahlen für eine zusätzliche Genauigkeit verwendet werden, ist in der britischen Patentschrift 1 392 005 beschrieben.

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-z-

Unter manchen Bedingungen des Schiffsbetriebes werden Luftblasen unter dem Rumpf mitgerissen und naoh hinten geleitet. Die Luftblasen benachbart zum Rumpf befinden sich in einer Grenzschicht der Strömung, die sich an dem Schiff vorbeibewegt. Die Geschwindigkeit dieser Grenzschicht ist beträchtlich kleiner als die freie Strömungsgeschwindigkeit in einer Entfernung von dem Schiffsrumpf und diese freie Strömungsgeschwindigkeit soll gemessen werden. Die Luftblasen stellen ausgezeichnete Reflektoren für Schallenergie dar. Bei bekannten Wandlern wird die Energie nicht nur entlang der gewünschten Hauptkeule abgestrahlt und empfangen sondern auch entlang verschiedener kleinerer Seitenkeulen, die nahe am Schiffsrumpf angeordnet sind. Die Energie in diesen Seitenkeulen wird in vielen Fällen von den Luftblasen, die sich in der Nähe der Rumpfoberfläche befinden, reflektiert, so daß sieh ein reflektiertes Störsignal ergibt, das mit dem von dem gewünschten Bereich in der Hauptkeule empfangenen Signal vergleichbar ist. Diese Störsignale rufen nicht nur einen ungenauen Betrieb hervor, sondern führen auch zu einem hohen Ausmaß von Unstabilität in der Instrumentenablesung auf Grund der sich kontinuierlich ändernden Blasendichte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler für Schiffs-Ultraschall-Dopplernavigationssysteme zu schaffen, bei dem in einem Bereich in der Nähe des Schiffsrumpfes reflektierte Schallenergie am Erreichen des elektroakustischen Wandlerelementes gehindert ist, so daß eine genauere Betriebsweise und eine höhere Stabilität der Messungen erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Qfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Wandlers wird die Schallenergie eines elektroakustischen Wandlerele-

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mentes durch eine Brechungslinse geleitet, die so aufgebaut ist, daß die in einem Bereich in derNähe des Schiffsrumpfes entstehende reflektierte Schallenergie nicht das elektroakustische Wandlerelement erreichen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines typischen Strahlungsdiagramms eines elektroakustischen Wandlers;

Fig. 2 eine Darstellung einer typischen bekannten WandIeranordnungj

Fig. 3 eine Darstellung einer Ausführungsform der

erfindungsgemäßen Wand leranordnung;

Fig. ¹I- eine Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.

Doppler-Ultraschall-Geräte der betrachteten Art verwenden elektroakustische Energie-Transformationselemente, die typischerweise die Form von piezoelektrischen Kolben aufweisen, die sich in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Signal verformen, so daß ein akustisches oder Schallsignal erzeugt wird, das dem angelegten elektrischen Signal entspricht. Umgekehrt erzeugen derartige Elemente ein elektrisches Signal, renn sie durch ein auftreffendes Schallsignal verformt werden. Ein typisches Strahlungsdiagramm derartiger Elemente ist in Fig. 1 dargestellt und diese Figur zeigt die Verteilung der Schallenergie, die von der Oberfläche des elektroakustischen Wandlers abgestrahlt wird, wenn dieser durch ein elektrisches Signal erregt wird. Der größte Teil der Energie wird in einem schmalen Winkel abgestrahlt, der um eine Achse senkrecht zur Stirnfläche des Energietransformationselementes

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zentriert ist, wie dies durch die Haupt- oder Primär-Keule 11 dargestellt ist. Beträchtliche Strahlungsmengen werden jedoch entlang divergierender Sekundär- oder Seitenkeulen 15 und 15 abgestrahlt. Bei Ultraschall-Doppler-Geräten wird die gewünschte Schallenergie in der Hauptkeule abgestrahlt und empfangen während entlang der Seitenkeulen abgestrahlte und empfangene Energie ein Störsignal darstellt, das mit ein Grund für ungenaue und unstabile Ablesungen ist. Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, diese Seitenkeulen wirksam zu beseitigen.

Die Art des Problems wird weiter an Fig. 2 verstandl±h, die die übliche Art der Befestigung von elektroakustischen Energie-Wandlerelementen für ein Janus-System zeigt. Piezoelektrische Energie-Wandlerelernente 17 und I9 sind in einem wasserdichten Wandlergehäuse 21 befestigt, das in eine Öffnung in dem Schiffsrumpf 25 eingesetzt ist. Entsprechend der gut bekannten Janus-Betriebsprinzipien erzeugen die Elemente I9 und 17 vorwärts gerichtete bzw. rückwärts gerichtete Strahlen. Weil diese Strahlen eine Komponente parallel zur Schiffsgeschwindigkeit aufweisen müssen, damit sie eine Doppler-Verschiebung erfahren, müssen die Elemente 17 und I9 unter einem Winkel gegenüber dem Boden des Schiffsrumpfes angeordnet sein. Um dies zu erreichen, sind die Elemente I7 und I9 typischerweise auf einer abgewinkelten Oberfläche 25 befestigt, die den Boden des Wandlergehäuses 21 bildet. Die fiach vorn und nach hinten gerichteten Strahlen stellen die Hauptkeulen dar, die den elektroakustischen Energie -Wand lere leinent' zugeordnet sind und sie sind daher um eine Achse zentriert, die senkrecht zu den Stirnflächen der jeweiligen Wandlerelemente 17 und I9 steht.

Zusätzlich zu der Energie in den gewünschten Strahlen wird weiterhin Energie entlang der Achsen der verschiedenen Seitenkeulen abgestrahlt und empfangen, wie sie beispielsweise durch die Strahlen 27 und 29 dargestellt sind, die nahe an der Außen·

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oberfläche des Schiffsrumpfes verlaufen, wo ein hohes Ausmaß von Turbulenz gegeben sein kann. Obwohl die Elemente I7 und beträchtlich weniger empfindlich für die Energie in den Seitenkeulen als für die Energie in der Hauptkeule sind, kann der hohe Wert der Reflexionswirkung der Luftblasen in der turbulenten Schicht und die Nähe dieser Blasen zu den Elementen und 19 Störsignale hervorrufen, die mit denen vergleichbar sind, die von dem gewünschten Bereich im Hauptstrahl empfangen werden. Diese Störsignale erzeugen eine ungenaue Betriebsweise und eine Unstabilität der Instrumentenablesung auf Grund der sich ändernden Blasendichte und -geschwindigkeit.

Eine erfindungsgemäße Ausfuhrungsform des Wandlers ist in Flg. dargestellt. Die elektroakustischen Energie-Wandlerelemente und 33 sind auf einem Linsenelement 35 in einem Wandlergehäuse 37 angeordnet. Das Linsenelement 35, das noch ausführlicher beschrieben wird, weist eine Außenoberfläche 39 auf, die im wesentlichen mit der Außenoberflache des Schiffsrumpfes abschließt und es weist weiterhin Innenoberflächen 4l und 43 auf, die jeweils unter einem Winkel gegenüber der Außenoberfläche 39 angeordnet sind. Für ein Janus-System kann das Linsenelement 35 die Form eines Körpers annehmen, der in Seitenansicht allgemein dreieckig (vorzugsweise gleichschenklig dreieokig) und in Draufsicht rechtwinklig ist, wobei die beiden benachbarten Seiten 41 und 43 auf eine ebene Form bearbeitet sind, um die scheibenförmigen elektroakustischen Wandlerelemente 33 bzw. 31 aufzunehmen. Von den Elementen 31 und 33 werden nach vorne gerichtete bzw. nach hinten gerichtete Strahlen 45 bzw. 47 erzeugt.

Alternativ können zwei nach vorne gerichtete Strahlen und zwei nach hinten gerichtete Strahlen durch zwei Paare von elektroakustischen Wandlerelementen erzeugt werden, wobei ein Element auf jeder Seite einer Linse in der Form einer vierseitigen Pyramide angeordnet ist, die in geeigneter Weise in dem Rumpf des Schiffes angeordnet ist.

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Der Aufbau und die Betriebsprinzipien der Vorrichtung nach Fig. 3 werden weiter unter Bezugnahme auf die Darstellung nach Fig. 4 verständlich, die wiederum die Energie-Wandlerelemente 31 und 33 zeigt, die auf dem Linsenelement 35 befestigt sind.

Das Linsenelement 35 ist aus einem Material hergestellt, in dem die Schallgeschwindigkeit C etwas größer als die Schallgeschwindigkeit C in Wasser ist. Geeignete Linsen wurden beispielsweise aus Polystyrol hergestellt, in dem die Schallgeschwindigkeit 2317 m/sec im Gegensatz zur Schallgeschwindigkeit in Seewasser ist, die typischerweise einen V/ert von 1507 m/sec aufweist, so daß sich ein Verhältnis von C /C_w von ungefähr 1,5 ergibt.

In der Darstellung nach Fig. 4 ist 0 der Einfallswinkel gegenüber der Senkrechten durch die Linse und 0_Ή ist der gebrochene Winkel in dem Wassermedium.

Auf Grund des Snell'sehen Gesetzes ergibt sich die folgende Beziehung:

*w _ ^Cw

T " c"

Weil das Linsenmaterial so ausgewählt ist, daß es eine größere Geschwindigkeit der Schallausbreitung aufweist als Wasser, ist das Verhältnis von C_w zu C nach Gleichung (l) kleiner als 1. Dies bewirkt eine derartige Brechung oder Beugung, daß der Win kel 0^ kleiner als 0 ist, so daß der Strahl im Wasser in Rich tung auf die senkrechte Achse der Linse 35 gebeugt wird. Weil sin 0 nicht 1 überschreiten kann und das Verhältnis von C zu C kleiner als 1 ist, muß sin 0 immer kleiner als 1 sein oder 0 muß kleiner als 90° sein. Daher kann sich der gebeugte Strahl nicht der Rumpfoberfläche nähern.

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In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, einen kritischen Winkel zu definieren, der aus der Gleichung (l) berechnet werden kann, wenn 0 = 90° ist, wobei daran erinnert wird, daß das Verhältnis C_w zu C kleiner als 1 ist. Dieser kritische Winkel ist durch die folgende Gleichung gegeben:

#_w (kritisch) = arc sin ^- (2)·

Der Begriff dieses kritischen Winkels schließt ein, daß ankommende Strahlen, die diesen Wert überschreiten, (wie z.B. Strahlen, die aus der Nähe der Rumpfoberfläche ankommen) niemals das Wandlerelement erreichen können. Umgekehrt können keine von dem Wandlerelement abgestrahlten Strahlen möglicherweise den Bereich außerhalb des kritischen Winkels anstrahlen.

Als Beispiel ergibt eine Linse aus Polystyrol mit den oben erwähnten Eigenschaften einen kritischen Winkel von 40,57°. Die gesamte Ausstrahlung und der gesamte Empfang unter Verwendung dieses Linsenmaterials ist daher auf einen konischen Bereich unter der Linse beschränkt, der eine Abmessung von weniger als 40,57° gegenüber der Vertikalen aufweist. Dies heißt mit anderen Worten, daß der gesamte Bereich von der Horizontalen (Lage des Rumpfes) um 49,43° nach untenteinen Beitrag zur Schallenergie bei der Dopplermessung liefern kann.

Der erfindungsgemäß ausgestaltete Linsen-Wandler trägt weiterhin zur Genauigkeit der Ultraschall-Dopplermessungen bei, weil er Geschwindigkeitsanzeigen liefert, die unabhängig vom Salzgehalt des Wassers sind. Bei bekannten Systemen dieser Art müssen Korrekturen für die Änderung des Salzgehaltes des Wassers durchgeführt werden, wenn der Weg des Schiffes von Salzwasser in Süßwasser über Meeresarme führt, um genaue Anzeigen und Messungen zu erzielen. Dieser Vorteil der beschriebenen Ausführungsform des Wandlers läßt sich unter Bezugnahme auf die gut bekannte Gleichung erkennen, die die

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Dopplerverschiebung auf die Geschwindigkeit eines Schiffes bezieht:

Af = ξ οο₃θ_Μ f_o O)

Af die Doppler-Differenzfrequenz eines einzelnen Strahls, ν die Schiffsgeschwindigkeit,

C die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser in der Nähe des Wandlers,

ö der Winkel zwischen dem Vektor der Schiffsgeschwindigkeit und dem Wandlerstrahl und

f die ausgesandte Frequenz ist.

Durch die Verwendung des Linsenelementes ist Θ.. nicht mehr nur durch die Geometrie festgelegt sondern auch eine Funktion der Brechungswirkungen, die durch Änderungen der Schallgeschwindigkeit hervorgerufen werden. Durch Erkennen der Identität von cos θ = sin $ und durch Einsetzen der Gleichung (1) in die Gleichung (3) kann die Gleichung (5) umgeschrieben werden als:

Af- ψ- sin ff . f (4)

Daher ist die Eichkonstante nunmehr von der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Linsenmaterial abhängig jedoch unabhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser.

Weil :die Linse eine glatte Rumpf-/Wasser-Grenzschicht bildet und den Hohlraum bekannter Vorrichtungen beseitigt, kann ein Betrieb bei höheren Geschwindigkeiten erzielt werden, ohne daß Turbulenzen und Kavitationen am Wandler hervorgerufen werden.

Weiterhin verringert die Verwendung der akustischen Linse 55 die Amplitude von Strömungsgeräuschen, die durch das Auftref-

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fen der Wasserströmung auf die Wandlerstirnflächen bei bekannten Vorrichtungen hervorgerufen werden. Dieser Effekt zeigt sich als elektrische Störung am Ausgang der piezoelektrischen Kristalle und steht daher im Wettbewerb mit dem Empfang des gewünschten Signals. Weil die Amplitude empfangener Signale dem gut bekannten quadratischen Gesetz folgt, verringert die Bewegung des Strömungsaufpralls von den piezoelektrischen Elementen auf die Linsenoberfläche sehr stark die Amplitude der durch die Strömung erzeugten Störungen.

Obwohl Polystyrol als geeignetes Material für die Linse 35 erwähnt wurde, ist es verständlich, daß eine große Vielzahl von Materialien für dieses Element verwendet werden kann. Die Wahl des Materials des Linsenelementes wird durch eine Anzahl von Erwägungen bestimmt, die der Entscheidung des Konstrukteurs unterworfen sind. Obwohl eine Ausbreitungsgeschwindigkeit benötigt wird, die höher als die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Wasser ist, sollte die spezifische akustische Impedanz, d.h. das Produkt aus Dichte und Geschwindigkeit, vorzugsweise nahe an dem Wert des Wassers gehalten werden, um eine optimale Energieübertragung mit minimalen Reflexionen an der Linsen-/Wasser-Grenzschicht zu ermöglichen. Aus diesem Grunde sind viele eine geringe Dichte aufweisende Kunststoffmaterialien sowie Gummimaterialien geeignete Materialien. Eine geringe akustische Absorption ist weiterhin erwünscht, um die Energieverluste in der Linse so weit wie möglich zu verringern, Massive Kunststoffmaterialien, wie z.B. Polystyrol und Acrylmaterialien zeigen beispielsweise viele der gewünschten Eigenschaften.

Die Erfindung wurde im vorstehenden zur Verwendung in einem Janus-System beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, daß die Grundgedanken der Erfindung auch auf andere Systemsanwend- . bar sind, wie z.B. auf Systeme, die lediglich einei einzigen Schallstrahl verwenden.

Patentansprüche: 709827/0624

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Wandler für Schiffs-Ultraschall-DopplernavIgationssysteme mit elektro-akustischen Energie-Wandlereinrichtungen mit einem Strahlungsmuster, das eine Hauptkeule entlang einer bevorzugten Achse und Sekundärkeulen entlang divergierender Achsen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler weiterhin ein akustisches Linsenelement (35) mit einer Außenfläche (39), die in einer Öffnung in dem Rumpf des Schiffes befestigbar ist unaytnnenflächen (41, 43) aufweist, die unter einem Winkel bezüglich der Außenfläche.(39) angeordnet sind, daß die Wandlereinrichtungen (33, 3l)yauf den Innenflächen (41, 43) angeordnet sind, daß eine bevorzugte Achse im wesentlichen senkrecht zu der zugehörigen Innenfläche (4l, 43) steht, und daß das Linsenelement (35) aus einem Material hergestellt ist, in dem die Schallgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist, so daß der Weg der Schallenergie beim Durchlaufen unter einem Winkel durch die Linsen-/ Wasser-Grenzfläche gebeugt wird.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t , daß die Außenfläche (39) des akustischen Linsenelementes (35) im wesentlichen eben ist und mit der Außenfläche des Rumpfes des Schiffes glatt abschließend befestigbar ist.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Linsenelement (35) aus einem Material hergestellt ist, in dem die Schallgeschwindigkeit zumindest gleich dem 1,5-fachen der Schallgeschwindigkeit in Wasser ist.

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4. Wandler nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Linsenelement (35) aus Polystyrol besteht«
5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze lehne t, daß das Ultraschall-Dopplersystem ein Janus-System ist und daß die elektroakustischen Energie-Wandlereinrichtungen erste und zweite Energiewandlerelemente (31, 33) zur Erzeugung von vorwärts- bzw. rückwärts gerichteten Schallstrahlen einschließen.
6. Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennze ichn e t , daß das akustische Linsenelement (35) in der Seitenansicht allgemein dreieckig ist und daß die Grundfläche die Außenfläche (39) bildet, während die anderen beiden Seiten die Innenflächen (43, 41) bilden, an denen jeweilige erste und zweite Energie-Wandlerelemente (31, 33) befestigt sind.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichne t , daß das Linsenelement (35) in Seitenansicht ein gleichschenkliges Dreieck ist.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Dopplersystem ein Janus-System ist und daß die elektroakustischen Energie-Wandlereinrichtungen erste und zweite Wandlerelemente zur Erzeugung vorwärts- bzw. rückwärts gerichteter Strahlen einschließen.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Linsenelement (35) die Form einer vierseitigen Pyramide aufweist, deren Grundfläche die Außenfläche bildet, während die vier Seiten die Innenflächen bilden, an denen erste und zweite Paare von Energie

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Wandlerelementen befestigt sind, so daß ein Wandlerelement an jeder Fläche der Pyramide befestigt ist.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Wandlerelemente (31* 33) piezoelektrische Elemente sind.
11. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen des akustischen Linsenelementes (4j5, 4l) unter einem derartigen Winkel angeordnetesind., daß die Energie-Wand lere lernen te wirksam von den reflektierten Schallsignalen abgeschirmt sind, die in einem Winkel von zumindest 49° bezüglich des Rumpfes des Schiffes ankommen.

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