DE2708396C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Schallantenne mit großer Bandbreite zur Verwendung unter Wasser mit einem Träger, an dem mehrere in einer Fläche angeordnete Reihen von piezoelektrischen Wandlern befestigt sind.

In der britischen Patentschrift 12 81 945 ist ein Unterwasser- Schallsender beschrieben, der auch als Schallempfänger eingesetzt werden kann. An einem zylindrischen Träger sind mehrere Reihen von piezoelektrischen Wandlern konzentrisch zum Träger an Schallstrahlern befestigt. Der Schallsender arbeitet über etwa 2 Oktaven im Bereich von 100 Hz bis 10 000 Hz. Für eine Verwendung als Schallempfänger ist die Empfindlichkeit jedoch nur relativ gering.

Ein anderer Unterwasser-Schallsender ist in der britischen Patentschrift 14 04 727 beschrieben, bei dem an einem zylindrischen Trägerrohr mehrere Ringe aus piezoelektrischen Wandlern axial übereinander angeordnet sind. Soweit dieser Sender auch als Sonarempfänger einsetzbar ist, besitzt er den Nachteil einer recht geringen Ansprechempfindlichkeit für Unterwasserschall.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schallantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sich die von einer passiven Schallquelle, beispielsweise einem Schiff, ausgehenden Geräusche zuverlässig erfassen lassen, wobei zweckmäßig über eine möglichst große Bandbreite eine verhältnismäßig konstante Empfindlichkeit vorhanden sein soll.

Man weiß, daß sich bei der Reflexion eines ebenen Schallwellenbündels der Wellenlänge λ an einem weichen Reflektor vor dem Reflektor ein System von stationären Wellen bildet, deren Wellenknoten in gleichen Abständen von λ/2 liegen. Dieses System von stationären Wellen weist Druckwellen auf, die einen Knoten an der Reflektorfläche und einen ersten Wellenbauch im Abstand λ/4 von dieser Fläche haben.

Wenn die Antenne druckempfindliche Unterwassermikrophone aufweist, wie es allgemein der Fall ist, und wenn diese in einem Abstand d vor dem Reflektor angeordnet sind, erhält man ein Empfindlichkeitsmaximum für eine Wellenlänge λ 0 = 4d und ein Durchtrittsband, dessen Bandbreite im wesentlichen gleich einer Oktave ist, die um g 0 zentriert ist.

Man weiß auch, daß bei der Reflexion eines ebenen Schallwellenbündels der Wellenlänge λ an einem harten Reflektor ein System von stationären Wellen entsteht, deren Knoten in gleichen Abständen von λ/2 angeordnet sind, und daß es sich in diesem Fall um Geschwindigkeitswellen handelt, die einen Bauch in einem Abstand von λ/4 vor dem Reflektor haben.

Wenn man Unterwassermikrophone der Bauart mit Biegemembranen verwendet, die für die Geschwindigkeit empfindlich sind, und wenn diese in einer einzigen Fläche angeordnet sind, die sich in einem Abstand d vor der harten Reflektorfläche befinden, erhält man ebenfalls ein Durchtrittsband mit einer Breite in der Größenordnung von einer Oktave, das um λ 0 = 4d zentriert ist.

Die gestellte Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß bei einer Schallantenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 parallel zu einem Reflektor mehrere Flächen in verschiedenen Abständen di vom Reflektor angeordnet sind und jeweils mehrere Reihen von Wandlern enthalten, wobei die in verschiedenen Flächen liegenden Reihen in sich senkrecht zum Reflektor erstreckenden Halbebenen angeordnet sind, daß jeder Reihe von Wandlern ein elektronisches Filter mit einem um die Frequenz fi = V/4di (V = Schallgeschwindigkeit in Wasser) zentrierten Durchlaßband zugeordnet ist, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, die es gestatten, mehrere derjenigen elektronischen Filter parallel zu schalten, die den in derselben Halbebene liegenden Reihen zugeordnet sind.

Dabei erweist es sich als zweckmäßig, die Abstände di so zu wählen, daß sie sowie die Bandbreiten der zugehörigen Filter derart aufeinander abgestimmt sind, daß die Durchlaßbänder derjenigen Filter, die den in jeweils einer Halbebene angeordneten Reihen zugeordnet sind, unmittelbar nebeneinander liegen. Man erhält dadurch aus empfangenen Geräuschen Signale, die im wesentlichen in Phase sind. Ferner ergibt sich eine sehr abgeflachte Empfindlichkeitskurve, sodaß die Empfindlichkeit über die gesamte Bandbreite annähernd konstant bleibt.

Für große Wassertiefen empfiehlt sich ein Reflektor, der eine verformbare und dichte Hülle aufweist, die mit Gas gefüllt ist und zwei parallele starre Platten enthält, welche durch übereinanderliegende Gitter mit sich kreuzenden Fäden oder Drähten voneinander getrennt sind.

Um Horchwege zu erhalten, addiert man vorzugsweise all diejenigen aus empfangenen Geräuschen erhaltenen Signale, die von allen Unterwassermikrophonen geliefert werden, welche in derselben axialen Ebene oder senkrecht zur Antennenebene liegenden Ebene angeordnet sind, bevor man gesondert diejenigen Signale filtert, die jeder Reihe eines Bandes entsprechen, das um eine Frequenz zentriert ist, die durch den Abstand dieser Reihe zum Reflektor bestimmt ist.

Bei einer ebenen Schallantenne sind die Wandler der verschiedenen Ebenen in senkrecht zur Antennenebene angeordneten Ebenen angebracht.

Man kann das Durchlaßband verlagern, indem man die Flächen der verwendeten Wandler verändert. Eine derartige Antenne kann als Sendeantenne und als Empfangsantenne eines aktiven Sonars verwendet werden, die nacheinander Signale in verschiedenen Frequenzen zu Zwecken der Kodierung aussendet.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist, ohne daß die Erfindung hierauf eingeschränkt wäre. Es zeigen

Fig. 1 und 2 einen Querschnitt und einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Antenne und

Fig. 3 ein Diagramm, das die Änderungen der Empfindlichkeit Sh in Abhängigkeit von der Frequenz F zeigt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Sonarantenne, beispielsweise eine zylindrische Empfangsantenne mit vertikaler Achse x x 1, die zur Aufnahme von akustischen Wellen bestimmt ist, die von einer entfernten Quelle ausgesandt werden, die in beliebiger Richtung angeordnet ist.

Diese Antenne besteht im wesentlichen aus einem Träger 1, um den ein Schallreflektor 2 in Zylinderform und Gruppen von vertikalen Reihen 3 von Unterwassermikrophonen angeordnet sind, die für Druckwellen empfindlich sind, beispielsweise drei Reihen 3 a, 3 b, 3 c, die jeweils in derselben radialen Ebene hintereinander liegen. Der Reflektor 2 ist beispielsweise ein weicher Reflektor oder ein Luftreflektor, dessen akustische Impedanz sehr viel geringer ist als die von Wasser. Da die Antenne dazu bestimmt ist, in große Tiefe abgesenkt zu werden, ist der Reflektor 2 vorzugsweise ein Reflektor der Bauart mit einer verformbaren und dichten äußeren Hülle 4, die die Luft oder irgend ein anderes Gas enthält und in deren Innerem zwei starre Platten 5 a, 5 b parallel zueinander angeordnet sind, die durch übereinanderliegende Schichten von Gittern 6 von sich kreuzenden Fäden oder Drähten getrennt sind. Ein derartiger Reflektor widersteht dem Druck gut und behält ein gutes Reflexionsvermögen auch unter einem hohen hydrostatischen Druck, der 60 bar erreichen oder überschreiten kann.

Üblicherweise hat eine derartige Antenne eine einzige Fläche oder einen Schirm von Reihen von Unterwassermikrophonen, die alle in demselben Abstand d vor dem Reflektor angeordnet sind. Die Empfindlichkeit Sh weist ein Maximum für eine Wellenlänge λ 0 = 4d auf; eine derartige Antenne hat eine Durchtrittsbandbreite von ungefähr einer Oktave, die zentrisch zu der Frequenz F 0 = liegt, wobei V die Schallgeschwindigkeit in Wasser ist, die ungefähr 1500 m/s beträgt.

Die erfindungsgemäße Antenne weist mehrere Flächen oder Schichten von Unterwassermikrophonen auf, beispielsweise wie bei der in der Figur dargestellten Ausführung drei Flächen a, b, c, die jeweils in den Abständen d 1, d 2 bzw. d 3 vor dem Reflektor angeordnet sind. Die Reihen 3 a, 3 b, 3 c von Unterwassermikrophonen sind an den Schnittlinien jeder Fläche mit radialen Halbebenen angeordnet, die von der Achse x x 1 ausgehen, wie beispielsweise die Halbebene 0y.

Im Falle einer ebenen Antenne sind die Flächen von Unterwassermikrophonen in zu der Antenne parallelen Ebenen angeordnet und die Reihen von Unterwassermikrophonen sind an den Schnittlinien dieser Ebenen und der senkrecht zu der Antenne verlaufenden Halbebenen angeordnet. Die Unterwassermikrophone 7 der verschiedenen Reihen, die in derselben radialen Halbebene angeordnet sind, können in derselben Höhe oder in unterschiedlichen Höhen angeordnet sein.

Jeder Reihe von Unterwassermikrophonen ist ein elektronisches Filter zugeordnet, beispielsweise 8 a, 8 b, 8 c, die ein Durchtrittsband haben, das um die Frequenz zentriert ist, die der maximalen Empfindlichkeit der Unterwassermikrophone dieser Reihe entspricht. So haben die Filter 8 a ein Durchtrittsband, das um die Frequenz f 1 = zentriert ist; die Filter 8 b haben ein Durchtrittsband, das um die Frequenz f 2 = zentriert ist und die Filter 8 c haben ein Durchtrittsband, das um die Frequenz f 3 = zentriert ist.

Die Filter jeder Reihe derselben Fläche sind gleich, d. h. sie haben dieselben Durchtrittsbänder. Jedes Unterwassermikrophon kann einem Filter zugeordnet sein, oder alle Unterwassermikrophone derselben Reihe können vorzugsweise in Parallelschaltung mit demselben Filter verbunden sein, wie in Fig. 2 dargestellt.

Vorzugsweise haben die Filter 8 a, 8 b, 8 c ein Durchtrittsband, dessen Breite im wesentlichen gleich dem Frequenzbereich ist, in dem die Empfindlichkeit der dem Reflektor zugeordneten Unterwassermikrophone erhöht ist.

Die Abstände d 1, d 2, d 3 sind in Abhängigkeit von den Bandbreiten der Filter derart gewählt, daß die Durchtrittsbänder der verschiedenen Filter derart nebeneinander liegen, daß man bei der Addition der Signale, die von den verschiedenen Filtern ausgehen, beispielsweise 3 a, 3 b, 3 c, die derselben radialen Halbebene entsprechen, einen Kurvenverlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit der Frequenz erhält, der sehr gleichförmig ist, d. h. ein Durchtrittsband, das im wesentlichen gleich der Summe der Durchtrittsbänder der drei Filter ist.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Kommutator 9, der mit den Ausgängen der drei Filter 8 a, 8 b, 8 c verbunden ist und der es ermöglicht, hieraus zwei beliebige Ausgänge auszuwählen und durch eine Permutation diese beiden ausgewählten Ausgänge derart zu verändern, daß man nur zwei Flächen von Unterwassermikrophonen benötigt und ein Durchtrittsband erhält, das nur ein Bruchteil des gesamten Durchtrittsbandes ist, und zwar ein Bruchteil, den man innerhalb dieses Gesamtbandes verlagern kann. Es versteht sich, daß dieser Kommutator wahlweise verwendet werden kann und daß er nicht vorhanden ist, wenn man das Durchtrittsband verändern will, beispielsweise im Fall einer Sende- und Empfangs-Sonarantenne, die abwechselnd auf verschiedenen Frequenzbändern verhältnismäßig großer Breite senden soll.

Fig. 2 zeigt eine Einrichtung 10, die einen Horchweg V 1 bildet, beispielsweise eine Verzögerungsleitung. Jedem Eingang, beispielsweise dem Eingang 11, werden parallel die beiden Ausgangssignale des Kommutators 9 zugeführt, oder - wenn kein Kommutator vorhanden ist - die Ausgangssignale der drei Filter 8 a, 8 b und 8 c.

Im Vergleich zu einer bekannten Antenne, die eine einzige Fläche von Reihen von Unterwassermikrophonen aufweist und eine Einrichtung zur Bildung von Horchwegen, ist über die Einrichtung zur Bildung der Wege hinaus nichts geändert. Der einzige Unterschied besteht darin, daß man jeden Eingang der Einrichtung zur Bildung der Wege nicht mehr mit einer einzigen Reihe von Unterwassermikrophonen verbindet, sondern mit der Summe der Ausgangssignale der mehreren Filter, die den Reihen entsprechen, die in derselben senkrecht zum Reflektor angeordneten Halbebene liegen.

Das Diagramm nach Fig. 3 zeigt die Änderungen der Empfindlichkeit Sh in Dezibel (Volt Bezugsspannung/ Mikrobar) in Abhängigkeit von der Frequenz F in Hertz.

In strichpunktierten Linien sind die Diagramme der Empfindlichkeit für jede der Flächen a, b und c dargestellt, die dem Reflektor zugeordnet sind.

Beispielsweise zeigt die Kurve c 1 die Empfindlichkeit der Fläche c, die dem Reflektor am nächsten benachbart ist; sie hat ein Maximum bei einer Frequenz von 24 KHZ. Diese Fläche ist in einem Abstand von d 3 = = 1,5 cm vom Reflektor angeordnet.

Das Durchtrittsband, d. h. das Band, innerhalb dessen die Änderung der Empfindlichkeit bezogen auf die maximale Empfindlichkeit niedriger als -3 db liegt, reicht von ungefähr 16 KHZ bis 32 KHZ.

Die Kurve b 1 stellt die Empfindlichkeit der mittleren Fläche b dar. Diese Empfindlichkeit hat ein Maximum bei F = 12 KHZ; die Fläche b ist in einem Abstand d 2 = 3,1 cm angeordnet. Das Durchtrittsband erstreckt sich von ungefähr 8 KHZ bis 16 KHZ.

Die Kurve a 1 stellt die Empfindlichkeit der Unterwassermikrophone der äußeren Fläche a dar, die ein Maximum bei F = 6 KHZ hat. Die Fläche a ist in einem Abstand d 1 = 6,6 cm vom Reflektor angeordnet. Die Empfindlichkeit der Unterwassermikrophone dieser Fläche sinkt nicht unter -3 dB bezogen auf den Maximalwert in einem Band von 4 KHZ bis 6 KHZ ab.

Die gestrichelte Kurve S stellt die Änderungen der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Frequenz dar, die man erhält, wenn man die von den drei Reihen 3 a, 3 b und 3 c gelieferten Signale parallel verbindet, die in derselben Halbebene angeordnet sind, die senkrecht zum Reflektor verläuft. Diese Kurve hat ein ausgeprägtes Maximum, jedoch bleibt die Bandbreite in derselben Größenordnung wie die einer Antenne mit einer einzigen Fläche von Unterwassermikrophonen. Die Kurve S zeigt deutlich, daß es nicht ausreicht, Antennen zu bauen, die mehrere konzentrische oder übereinanderliegende Flächen von Unterwassermikrophonen haben, um ein sehr breites Durchtrittsband zu erhalten.

Die mit ausgezogenen Linien dargestellten Kurven A, B, C stellen die Durchtrittsbänder jedes Filters 8 a, 8 b bzw. 8 c dar.

Das Durchtrittsband jedes Filters ist im wesentlichen um die Frequenz zentriert, die dem Maximum der Empfindlichkeit der Unterwassermikrophone der zugeordneten Reihe entspricht, beispielsweise 6 KHZ für das Filter 8 a, 12 KHZ für das Filter 8 b und 24 KHZ für das Filter 8 c.

Die Bandbreite der Filter ist gleich oder geringer als eine Oktave, d. h. in der Breite, die bei -3 dB der Kurven a 1, b 1 und c 1 gemessen ist. Die Abstände d 1, d 2 und d 3 sind in Abhängigkeit von der Durchtrittsbandbreite der Filter 8 a, 8 b und 8 c derart gewählt, daß die Kurven A, B, C benachbart nebeneinander liegen, wie in Fig. 3 dargestellt, und zwar derart, daß man bei Parallelschaltung der Ausgangssignale der drei Filter 8 a, 8 b und 8 c eine resultierende Empfindlichkeitskurve S 1 erhält, die eine sehr geglättete Form hat, so daß die Antenne ein sehr breites Durchtrittsband hat, das sich beispielsweise von 5 KHZ bis 30 KHZ bei dem in der Figur dargestellten Fall erstreckt.

Das nur zur Erläuterung beschriebene Zahlenbeispiel zeigt, daß der Abstand zwischen dem Reflektor und der äußeren Fläche in vernünftigen Grenzen bleibt und daß der Raumbedarf einer erfindungsgemäßen Antenne nicht viel größer ist als bei bekannten Antennen.

Dieses Zahlenbeispiel zeigt auch, daß vorteilhafterweise die Filter 8 a, 8 b, 8 c so gewählt werden, daß sie eine Durchtrittsbandbreite haben, die etwas geringer ist als eine Oktave, was im wesentlichen der Durchtrittsbandbreite der Kurven a 1, b 1, c 1 entspricht, und daß in diesem Fall die Abstände d 3, d 2, d 1 einer geometrischen Reihe mit dem Faktor 2 entsprechen.

Eine erfindungsgemäße Empfangsantenne mit vertikaler Achse x x 1 weist einen Träger 1, einen die Achse umgebenden Schallreflektor 2 und drei Flächen a, b, c von Reihen 3 a, 3 b, 3 c von Unterwassermikrophonen 7 auf, die in radialen Halbebenen angeordnet sind. Die Unterwassermikrophone jeder Reihe sind parallel verbunden und an ein elektrisches Filter 8 a, 8 b, 8 c angeschlossen, das für eine Frequenz fi = ausgelegt ist, wobei V die Schallgeschwindigkeit im Wasser und di der Abstand der Reihe vom Reflektor sind. Die Ausgänge der verschiedenen Filter, die den in derselben Halbebene angeordneten Reihen entsprechen, sind parallel geschaltet und mit einem Eingang 11 einer Einrichtung 10 zur Bildung von Horchwegen verbunden.

Ein Anwendungsfall ist der Bau von passiven Sonarantennen.

Claims (5)

1. Schallantenne mit großer Bandbreite zur Verwendung unter Wasser mit einem Träger, an dem mehrere in einer Fläche angeordnete Reihen von piezoelektrischen Wandlern befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einem Reflektor (2) mehrere Flächen (3 a, 3 b, 3 c) in verschiedenen Abständen di vom Reflektor angeordnet sind und jeweils mehrere Reihen von Wandlern (7) enthalten, wobei die in verschiedenen Flächen liegenden Reihen in sich senkrecht zum Reflektor erstreckenden Halbebenen angeordnet sind, daß jeder Reihe von Wandlern ein elektronisches Filter (8 a, 8 b, 8 c) mit einem um die Frequenz fi = V/4di (V = Schallgeschwindigkeit in Wasser) zentrierten Durchlaßband zugeordnet ist, und daß Einrichtungen (9) vorgesehen sind, die es gestatten, mehrere derjenigen elektronischen Filter parallel zu schalten, die den in derselben Halbebene liegenden Reihen zugeordnet sind.

2. Schallantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände di sowie die Bandbreiten der zugehörigen Filter so aufeinander abgestimmt sind, daß die Durchlaßbänder der Filter, die den in jeweils einer Halbebene angeordneten Reihen zugeordnet sind, unmittelbar nebeneinander liegen.

3. Schallantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weicher Reflektor (2) sowie mindestens drei Flächen von Reihen von Unterwassermikrophonen vorgesehen sind, die für Druckänderungen empfindlich sind, daß die Reihen in Ebenen angeordnet sind, die senkrecht zur Reflektorfläche liegen, und daß die Unterwassermikrophone jeder Reihe parallel mit einem elektronischen Filter verbunden sind, wobei die Ausgänge derjenigen Filter parallel geschaltet sind, die den in derselben Ebene angeordneten Reihen zugeordnet sind.

4. Schallantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor eine verformbare und dichte Hülle (4) aufweist, die mit Gas gefüllt ist und zwei parallele starre Platten (5 a, 5 b) enthält, die durch übereinanderliegende Gitter (6) mit sich kreuzenden Fäden oder Drähten voneinander getrennt sind.

5. Schallantenne nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Filter eine Bandbreite haben, die etwas unter einer Oktave liegt, und daß die Abstände di sich nach einer geometrischen Reihe mit dem Faktor 2 ändern.