DE2656857C2

DE2656857C2 - Wandler für Schiffs-Ultraschall- Dopplernavigationssysteme

Info

Publication number: DE2656857C2
Application number: DE2656857A
Authority: DE
Inventors: Jacob Abraham Westbury N.Y. Kritz
Original assignee: Sperry Corp New York NY; Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1975-12-15
Filing date: 1976-12-15
Publication date: 1985-06-20
Also published as: SE7614044L; ES454232A1; NO144813B; GB1558088A; SE420540B; DE2656857A1; JPS5273763A; CA1051542A; NO764243L; US4063214A; FR2336019B1; FR2336019A1; NL7613919A; IT1202978B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wandler für Schlffs-Ultraschall-Dopplernavlgatlonssysteme der Im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Uitraschall-Dopplernavlgatlonssysteme zur Messu von Geschwindigkeiten und zurückgelegten Wegstn ken an Bord von Schiffen sind In der Technik bekan '-> Es werden elektro-akustlsche Wandler zur Frzeugu und zum Empfang von Schallwellen Im Wasser verwi det. Die Schallenergie wird hierbei unter einem von bezüglich der Richtung der Vorwärtsgeschwlndigk des Schiffes abweichenden Winkel In das Wasser ab.

ίο strahlt, so daß eine Komponente der Geschwlndlgki mit der Strahlrichtung zusammenfällt. Ein Beispiel eine derartige Strahlausrichtung, die in einem »Janu System« verwendet wird, bei dem zwei Schallstrahk für eine zusätzliche Genauigkeit verwendet werden, in der GB-PS 13 92 005 beschrieben.

Aus der US-PS 38 18 425 Ist weiterhin ein Wandl der eingangs genannten Art bekannt, der ein linsenari ges Bauteil aufweist, und bei dem die einzelnen elekti akustischen Wandler in Flüssigkeiten eingetaucht sin deren Temperaturen steuerbar sind, um die Schallg schwlndigkeit in der Flüssigkeit einzustellen und dam die Auswirkung von Änderungen der Schallgeschwli \ digkeit In Meereswasser zu kompensieren. Die Send | Wandler sind In eine Flüssigkeit eingetaucht, dere j Schallgeschwindigkeit der von Wasser sehr nahekomm ^s während die Empfangs-Wandler In eine Flüsslgke eingetaucht sind, in der die Schallgeschwindigkeit kle ner als die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist. D sphärische Linsensystem, das die die niedrige Schallgi |

schwindlgkeit aufweisende Flüssigkeit enthält, dlei C zum Auffangen der empfangenen Schallschwlngunge derart, daß sie auf die Empfangswandler konzentrle werden. Auf diese Welse können Änderungen d( Schallgeschwindigkeit Im Meereswasser kompensiei werden.

Bei allen bekannten Systemen besteht jedoch dal Problem, daß unter manchen Bedingungen des Schiffs betrlebes Luftblasen unter dem Rumpf mitgerissen un nach hinten geleitet werden. Die Luftblasen benachbai

zum Rumpf befinden sich in einer Grenzschicht de| Strömung, die sich an dem Schiff vorbei bewegt Dl s Geschwindigkeit dieser Grenzschicht Ist beträchtlich kleiner als die freie Strömungsgeschwindigkeit in eine \ gewissen Entfernung von dem Schiffsrumpf und dies ).

freie Strömungsgeschwindigkeit soll zur Erzielung genauer Meßwerte gemessen werden. Die Luftblase! | stellen ausgezeichnete Reflektoren für Schallenergle dai | Bei bekannten elektro-akustischen Wandlern wird dlil Energie nicht nur entlang der gewünschten Hauptkeuli abgestrahlt und empfangen, sondern auch entlanj verschiedener kleiner Seltenkeulen, die nahe art Schiffsrumpf angeordnet sind. Die Energie In dieser Seitenkeulen wird In vielen Fällen von den Luftblasen die sich in der Nähe der Rumpfoberfiäche befinden

iS reflektiert, so daß sich ein reflektiertes Störsignal ergibt das mit dem von dem gewünschten Bereich In dei Hauptkeule empfangenen Signal vergleichbar Ist. Diese Störsignale rufen nicht nur Ungenaulgkelten hervor sondern sie führen auch zu einem hohen Ausmaß von Unstabilität In der Instrumentenablesung aufgrund de: sich kontinuierlich ändernden Blasendichte.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, be dem Störungen und Ungenaulgkelten vermieden werden, die aufgrund der Bewegung von mit Luft angereichertem Wasser an dem Rumpf vorbei hervorgerufen werden.
Diese Aufgabe wird durch die Im kennzeichnenden

pTTell des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale ■j

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen 1er Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Wandler werden die !Strahlen über einen kritischen V/lnkel hl raus gebrojchen, so daß verhindert wird, daß Reflektionen an der limit Luft versetzten Grenzschicht die Empfangswandler !!erreichen. Dies wird durch die Anordnung der Innenflächen des Materi^ikörpers unter einem entsprechenden Winkel erreicht, so daß dieser Materialkörper eine 1 Brechungslinse bildet, und die Genauigkeit des I Dopplernavlgationssystems wird auf diese Welse '!wesentlich verbessert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im [folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Darstellung eines typischen Stranlungs-Idiagramms eines elektro-akustischen Wandlers,

F i g. 2 eine Darstellung eines typischen bekannten

Wandlers,

Flg. 3 eine Darstellung einer Ausführungsform des Wandlers,

Fig. 4 eine geometrische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungswelse des Wandlers nach Fig. 3.

Ultraschall-Dopplemavlgationssysteme verwenden elektro-akustische 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, wenn sie durch ein auftreffendes Schallsignal verformt werden. Ein typisches Strahlungsdiagramm derartiger Elemente ist In Flg. 1 dargestellt und diese Figur zeigt die Verteilung der Strahlenergie, die von der Oberfläche des I 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 zentriert Ist, i wie dies durch die Haupt- oder Prlmär-Keule 11 dargestellt Ist. Beträchtliche Strahlungsmengen werden jedoch entlang divergierender Sekundär- oder Seltenkeulen 13 und 15 abgestrahlt. Bei Ultraschall-Doppler-Geräten wird die gewünschte Schallenergie In der i Hauptkeule abgestrahlt und empfangen während entlang der Seltenkeulen abgestrahlte und empfangene Energie ein Störsignal darstellt, das mit ein Grund für ungenaue und unstabile Ablesungen Ist. Diese Seltenkeulen sollen bei der noch zu beschreibenden Ausführungsform des Wandlers beseitigt werden.

Die Art des Problems wird welter an Flg. 2 verständlich, die die übliche Art der Befestigung von elektroakustischen Energle-Wandlerelementen für ein Janus-System zeigt. Piezoelektrische Energle-Wandlerelemente 17 und 19 sind In einem wasserdichten Wandlergehäuse 21 befestigt, das In eine Öffnung in dem Schiffsrumpf 23 eingesetzt ist. Entsprechend der gut bekannten Janus-Betriebsprlnzlpien erzeugen die Elemente 19 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 19 unter einem Winkel gegenüber dem Boden des Schiffsrumpfes angeordnet sein. Um dies zu erreichen, sind die Elemente 17 und 19 typischerweise auf einer abgewinkelten Oberfläche 25 befestigt, die den Boden des Wandlergehäuses 21 bildet. Die nach vorn und nach hinten gerichteten Strahlen stellen die Hauptkeulen dar, die den elektroakustischen Energie-Wandlerelementen zugeordnet sind und sie sind daher um eine Achse zentriert, die senkrecht zu den Stirnflächen der jeweiligen Wandlerelemente 17 und 19 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 Außenoberfläche des Schlffsrumpfes verlaufen, wo ein hohes Ausmaß von Turbulenz gegeben sein kann. Obwohl die Elemente 17 und 19 beträchtlich weniger empfindlich für die Energie in den Seitenkeulen als für die Energie in der Hauptkeule sind, kann der hohe Wert der Reflexions-M wirkung der Luftblasen in der turbulenten Schicht und die Nähe dieser Blasen zu den Elementen 17 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 Unstabilltät der Instrumentenablesung auf Grund der sich ändernden Blasendichte und -geschwindigkeit.

Eine Ausführungsform des Wandlers ist in Fig. 3 dargestellt. Die elektro-akustischen Energle-Wandlerelemente 31 und 33 sind auf einem ein Linsenelement 35 bildenden Materialkörper in einem Wandlergehäuse 37 angeordnet. Das Linsenelement 35, das noch ausführlicher beschrieben wird, weist eine Außenoberfläche 39 auf, die im wesentlichen mit der Außenoberfläche des Schlffsrumpfes abschließt und es weist weiterhin Innenoberflächen 41 und 43 auf, die jeweils unter einem Winkel gegenüber der Außenoberfläche 39 angeordnet sind. Für ein Janus-System kann das Llnsenelemer.t 35 die Form eines Körpers annehmen, der In Seitenansicht allgemein dreieckig (vorzugsweise gleichschenklig dreieckig) und in Draufsicht rechtwinklig 1st, wobei die beiden benachbarten Seiten 41 und 43 auf eine ebene Form bearbeitet sind, um die scheibenförmigen elektroakustischen Wandlerelemente 33 b/w. 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 elektro-akustischen Wandlerelementen erzeugt werden, wobei ein Element auf jeder Seite einer Linse in der Form einer vierseitigen Pyramide angeordnet Ist, die in geeigneter Welse In dem Rumpf des Schilfes angeordnet Ist.

Der Aufbau und die Betriebsprinzipien der Ausführungsform des Wandlers nach Flg. 3 werden wtiter unter Bezugnahme auf die Darstellung nach Flg. 4 verständlich, die wiederum die Energle-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 C₁₁. 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 Wert von 1507 m/sec aufweist, so daß sich ein Verhältnis von C_p/C„ von

ungefähr 1,5 ergibt.

In der Darstellung nach Fig. 4 ist η der Einfallswinke! gegenüber der Senkrechten durch die Linse und n„ ist der gebrochene Winkel In dem Wassermedium.

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

sin Φ»· _ G-sin Φ_π C„

(D

in

Weil das Linsenmaterial so ausgewählt ist, daß es eine größere Geschwindigkeit der Schallausbreitung aufweist als Wasser, Ist das Verhältnis von C₁₁ zu C₁, nach Gleichung (1) kleiner als 1. Dies bewirkt eine derartige Brechung oder Beugung, daß der Winkel π,, kleiner als π_ρ ist, so daß der Strahl im Wasser in Richtung auf die senkrechte Achse der Linse 35 gebeugt wird. Weil sin π_ρ nicht 1 überschreiten kann und das Verhältnis von C₁₁ zu C₁, kleiner als 1 ist, muß 2n sin π, immer kleiner als 1 sein oder π_κ muß kleiner als 90" sein. Daher kann sich der gebeugte Strahl nicht der Rumpfcberfiäche nähern.

In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, einen kritischen Winkel zu definieren, der aus der Gleichung (1) berechnet werden kann, wenn ^ = 90° ist, wobei daran erinnert wird, daß das Verhältnis C₁₁ zu C₁, kleiner als 1 ist. Dieser kritische Winkel Ist durch die folgende Gleichung gegeben:

30

(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) das Wandlerelement nicht erreichen können. Umgekehrt können keine von dem Wandlerelement abgestrahlten Strahlen möglicherweise au den Bereich außerhalb des kritischen Winkeis 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 1st 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 Horizontaten (Lage des Rumpfes) um 4*5,43° nach unten keinen Beitrag zur Schallenergie bei der Dopplermessung liefern kann.

Die beschriebene Ausführungsform des Linsen-Wandlers 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 Meeresanne führt, um genaue Anzeigen und Messungen zu erzielen. Dieser Vorteil der beschriebenen Ausführungsform des Wandlers läßt sich unter Bezugnahme auf die Gleichung erkennen, die die Doppierverschiebung auf die Geschwindigkeit eines Schiffes bezieht:

2v
Δ/=~ cos Φ«,/;,

worin

Af die Doppler-Differenzfrequenz eines einzelnen] Strahls,

ν die Schiffsgeschwindigkeit,

C„. die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser in der Nähe des Wandlers,

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

/„ die ausgesandte Frequenz ist. '

Durch die Verwendung des LInsenelenientes ist <9„ 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 O₁₁=SInIp,, und durch Einsetzen der Gleichung (I) in die Gleichung (3) kann die Gleichung (3) umgeschrieben werden als:

2v
Af = —sin Φ_ρ ·/„

Daher 1st die Eichkonstante nunmehr von der Ausbreitungsgeschwindigkeit In dem Linsenmaterial ι abhängig jedoch unabhängig von der Ausbreitung?-, geschwindigkeit In Wasser.

Weil die Linse eine glatte Rumpf-ZWasser-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.

Wellerhin verringert die Verwendung der akustischen Linse 35 die Amplitude von Strömungsgerüuschen, die durch das Auftreffen der Wasserströmung auf die Wandlerstirnfiächen 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 Ausbreitungsgescnwindigkeit 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 ,
Kunststoffmatcriallcn, wie z. B. Polystyrol und Acrylmaterlallcn zeigen beispielsweise viele der gewünschten
Eigenschaften. 5

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

4 5

■to

45

50

Claims

Patentansprüche:

1. Wandler für Schiffs-Ultraschall-Dopplernavlgationssysteme mit einem Materialkörper, der eine Außenfläche zur Befestigung in einer öffnung im Rumpf des Schiffes und eine Innenfläche aufweist, die unter einem spitzen Winkel zur Außenfläche angeordnet 1st und auf der ein elektroakustischer Wandler mit einem Strahlungsmuster angeordnet ist, das eine Hauptkeule entlang einer Achse im wesentlichen senkrecht zur Innenfläche und Sekundärkeulen entlang divergierender Achsen aufweist, wobei die Schallgeschwindigkeit in dem Materialkörper größer als die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenflächen des Materialkörpers (35) so angeordnet sind, daß die elektro-akustischen Wandler (31, 33) wirksam gegenüber akustischen Signalen abgeschirmt sind, die auf die Außenfläche (39) innerhalb eines Winkels von zwischen 0° und 49° bezüglich der Ebene der Außenfläche (39) auftreffen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (39) des Materialkörpers (35) angenähert eben ist und mit der Außenfläche des Rumpfes des Schiffes glatt abschließend befestigbar ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallgeschwindigkeit In dem Materialkörper (35) zumindest gleich dem Eineinhalbfachen der Schallgeschwindigkeit In Wasser ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialkörper (35) aus Polysterol besteht.

5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ultraschall-Dopplersystem ein Janus-System 1st und daß der Materialkörper (35) zwei Innenflächen (41, 43) aufweist, auf denen elektro-akustlsche Wandler (33, 31) befestigt sind.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialkörper (35) In der Seltenansicht dreieckig Ist und daß die Grundfläche die Außenfläche (39) bildet, während die beiden anderen Selten die Innenflächen (41, 43) bilden.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialkörper (35) In Seitenansicht ein gleichschenkliges Dreieck Ist.

8. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Materlalkörper (35) die Form einer Pyramide mit einer Grundfläche und vier Seltenflächen aufweist, wobei del Grundlfäche die Außenfläche und die vier Selten vier Innenflächen bilden, an denen erste und zweite Paare von elektro-akustlschen Wandlern (31, 33) befestigt sind, wobei ein Wandler an jeder Innenfläche der Pyramide befestigt ist.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektro-akustischen Wandler (31, 33) piezoelektrische Elemente sind.