DE3111545A1

DE3111545A1 - "doppler-sonareinrichtung mit parametrischer anordnung"

Info

Publication number: DE3111545A1
Application number: DE19813111545
Authority: DE
Inventors: Jacob Abraham 11590 Westbury N.Y. Kritz
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1980-03-24
Filing date: 1981-03-24
Publication date: 1982-04-01
Also published as: SE8101809L; GB2072336B; SE445151B; FR2478823A1; JPS56158595A; IT8148059A0; NL8101328A; NO155987C; NO810978L; NO155987B; CA1150815A; JPH0119108B2; FR2478823B1; GB2072336A; US4296482A; IT1142356B; DE3111545C2

Description

Patentanwälte ' Di pi.-in 3. Curt Wallach

g" Dipl.-Ing. Günther Koch

Dfpl.-Phys. Dr.Tino Haibach

Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: 2.Ψ-, . März 19Ö1

Unser Zeichen: ^

SPERRY CORPORATION

1290 Avenue of the Americas,

New York, New York, 10019

U.S.A.

Doppler-Sonar-Einrichtun^; mit parametrischer Anordnung

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Doppler-Sonar-Einrichtung und insbesondere auf Schiffs-Doppler-Sonar-Einrichtungen zur Vervrendung in tiefen Gewässern.

Schiffs-Doppler-Sonar-Einrichtungen für die Navigation ₃ die Geschwindigkeitsmessung und dgl. sind in der Technik gut bekannt. Im allgemeinen schließen derartige Einrichtungen Vorrichtungen zur Projektion eines Schallstrahls unteneinem Winkel nach unten in Richtung auf den Meeresboden ein. Von dem Meeresboden reflektierte Energie kehrt zur Sonar-Einrichtung zurück, in der diese Schallenergie analysiert und verarbeitet wird, um die gewünschte Information zu gewinnen.

In relativ flachen Gewässern ist das reflektierte Signal ausreichend stark, damit eine genaue Analyse ermöglicht wird. In tiefen Gewässern wird das Signal jedoch sehr stark gedämpft, so daß das die Sonar-Einrichtung erreichende Signal nicht zur Lieferung genauer Messungen geeignet ist.

Eine Einrichtung zur Erzielung brauchbarer Messungen sowohl in tiefen als auch in flachen Gewässern ist in der DE-OS 22 23 2¹Il beschrieben. Bei dieser Einrichtung werden in relativ flachen Gewässern die Signale vom Meeresboden reflektiert. In tiefen Gewässern werden Torsteuer— einrichtungen zur Abtastung von Reflektionen verwendet, die an Diskontinuitäten im Meereswasser in festgelegten Entfernungen von dem Schiff hervorgerufen werden. In dieser De-OS ist weiterhin eine Einrichtung vom "Janus"-Typ beschrieben, bei der Paare von Schallstrahlen unter einem Winkel auf den Meeresboden abgestrahlt werden, so daß sie Komponenten in entgegengesetzten horizontalen Richtungen aufweisen. Die horizontale Bewegung des Schiffes in der Ebene der Schallstrahlen wird anhand einer Vergrößerung

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der Frequenz des reflektierten Signals in einem Strahl und einer Verringerung der Frequenz des anderen reflektierten Signals festgestellt.

Alternativ wurden parametrische Anordnungen zur Verwendung in tiefen Gewässern vorgeschlagen. Die grundlegende Theorie der parametrischen Betriebsweise ist beispielsweise in der Literaturstelle "Jörnal of the Acoustical Society of America's Vol.35, April 1963 unter dem Titel "Parametric Acoustic Array" von P.J. Westerveldt beschrieben. In dieser Literaturstelle ist die Abstrahlung von Differenz-Frequenz-Schwingungen mit Hilfe von zwei stark kollimierten Schallstrahlen beschrieben. Entsprechend dieser Theorie werden die Absorbtionseigenschaften des Ausbreitungsmediums die Hochfrequenzschwingungen dämpfen und es den resultierenden niederfrequenten Schwingungen ermöglichen, sich in einen von der Schallquelle entfernten Bereich auszubreiten.

In einem zweiten Artikel in der gleichen Literaturstelle, jedoch vom Januar 197^ beschreibt F.H. Fenlon unter dem Titel "On the Performance of a Dual Frequency Parametric Source" eine theoretische Diskussion, die sich auf die Ausbildung eines Fernfeld-Differenzfrequenzsignals bezieht, d.as sich aus der nichtlinearen Wechselwirkung in dem Ausbreitungsmedium ergibt, wenn zwei unterschiedliche Frequenzen aufweisende Primärschwingungen gleichzeitig von einer endlichen Amplitudenquelle abgestrahlt werden. Es wurden verschiedene Anordnungen zur Erzielung praktischer parametrischer Anordnungen für Schiffsanwendungen untersucht. Bei manchen dieser Konstruktionen wird eine konvergierende akustische Linse verwendet, um reflektierte Schallenergie aufzufangen und diese Energie auf Wandler zu fokussieren, die in der Brennebene der Linse angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung müssen die Wandler jedoch relativ klein ausgebildet sein, damit sie vollständig von den konzentrierten

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Schallschwingungen bestrahlt werden. Wenn derartige Wandler dann zur Erzeugung der erforderlichen, eine hohe Leistung aufweisenden Schallschwingung verwendet werden, so treten bei diesen Wandlern extreme Kavitations-Effekte und ein sich daraus ergebender Ausfall aufgrund der kleinen Abstrahlungsflache auf. Weiterhin kann die gleichzeitige Erzeugung von mehreren, eine hohe Leistung aufweisenden Schallstrahlen eine Kavitation im Bereich des Strahlschnittpunktes hervorrufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Doppler-Sonar-Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der diese Probleme nicht auftreten oder zumindest gemildert sind.

Eine erfindungsgemäß ausgebildete Doppler-Sonar-Einrichtung mit parametrischer Anordnung umfaßt eine Anzahl von Wandlern vom Kolbentyp j die jeweils so angeordnet sind, daß sie Schallenergie entlang unterschiedlicher, festgelegter Achsen abstrahlen und empfangen, Einrichtungen zur Ansteuerung jedes Wandlers während festgelegter Zeitintervalle mit einem Signal, das durch eine Kombination von ersten und zweiten primären Erregungsfrequenzen gebildet ist,eine akustische Linse mit einem kreisringförmigen, Strahlen konvergierenden Teil, der einen mittleren Bereich umgibt, der einem durch den Mittelbereich hindurchlaufenden Strahl im wesentlichen keine Ablenkung erteilt, wobei jeder Wandler einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, um einen im wesentlichen kollimierten akustischen Strahl entlang der Achse dieses Wandlers abzustrahlen und so ausgerichtet ist, daß der kollimierte Strahl durch den Mittelbereich der Linse hindurchgeleitet wird, und wobei jeder Wandler weiterhin innerhalb des Brennpunktbereiches des konvergierenden Teils der Linse angeordnet ist,/daß er im wesentlichen die gesamte Schallenergie auffängt, die von einem entfernt angeordneten Ziel reflektiert wird und durch die Linse entlang der Achse des Wandlers hindurchläuft.

Vorzugsweise wird eine massive Linse mit einem ebenen scheibenförmigen Mittelteil und einem doppelkonkaven Außen-

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teil in Kombination mit einer Anzahl von Schallwandlern verwendet, die große Hochleistungs-Strahleroberflachen aufweisen, um eine große Amplitude aufweisende kollimierte Strahlen zu erzeugen, die durch den Mittelbereich der Linse hindurchlaufen. Die gesamte Linsenöffnung wird zum Auffangen von einem entfernt angeordneten Ziel reflektierter Energie verwendet. Phasensteuereinrichtungen verhindern eine Summation der Druckmaxima am Linsenmittelpunkt, so daß eine Kavitation vermieden wird.

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

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, die die Betriebsprinzipien einer Ausführungsform der Einricntung zeigt;

Fig. 2 eine Darstellung von Druckänderungen, die durch einen senaenden Wandler der Einrichtung erzeugt werden;

Fig. 3-5 Schaltbilder zur Erläuterung von Ausführungs-

zur formen von Einrichtungen/ansteuerung der Wandler;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Einrichtung zur Verwendung in einem Janus-System.

Vor der Beschreibung der bevorzugten, in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform erscheinen einige Erläuterungen zu den Grundlagen der Erfindung zweckmäßig. Bei der Anwendung der Doppler-Sonar-Technologie ist es erforderlich, schmalz Schallenergiestrahlen in bestimmten gewünschten

Richtungen auszubilden. Schmale Strahlen werden durch elektro-akustische Wandler abgestrahlt, wenn die Größe der Apertur des abstrahlenden Wandlers verglichen mit der Wellenlänge des Strahls groß ist.

Doppler-Sonar-Einrichtungen, die in mäßigen Höhen oberhalb des Meeresbodens betrieben werden, können eine höhere Frequenz aufweisende Schallschwingungen verwenden, als die Einrichtungen, die maximale Meerestiefen erreichen sollen. Dies ergibt sich aus vergrößerten Absorbtionsverlusten in dem Wasser mit ansteigender Frequenz. Weil die Wellenlänge in umgekehrter !3eziehung zur Frequenz steht, sind große abstrahlende Oberflächen erforderlich, um schmale Strahlen für Doppler-Sonar-Einrichtungen zu erzeugen, die in tiefen Gewässern mit Reflektionen am Meeresboden arbeiten sollen. Beispielsweise kann ein Strahl mit einem Strahlwinkel von 3° bei 200 kHz mit einem Strahler von 15,2 cm in Wassertiefen bis zu 300 m verwendet werden. Bei Tiefen in der Größenordnung von 6 km ist eine Frequenz von 10 kHz erforderlich und ein Strahl mit einem Strahlwinkel von 3° erfordert eine Strahlungsöffnung mit einem Durchmesser von etwa 3 m.

Weil derart große Wandler ersichtlich unpraktisch sind, wurden nichtlineare Schallwandlereinrichtungen in Form einer parametrischen Anordnung als Einrichtung zur Erzeugung eines eine niedrige Frequenz aufweisenden Strahls mit kleinen Abstrahlungsöffnungen vorgeschlagen. Diese Technik verwendet die nichtlineare Eigenschaft von Wasser zur Erzeugung eines schmalen Strahls von niederfrequenter Schallenergie durch die Wechselwirkung von zwei hochfrequenten kollinearen Strahlen mit geringfügig unterschiedlichen Frequenzen. Beispielsweise kann der Wandler mit einem Abstrahlwinkel von 3° und 200 kHz und einem Durchmesser von 15,2 cm der weiter oben erwähnt wurde, mit zwei Frequenzen, beispiels-

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weise 205 kHz und 195 kHz angesteuert werden und erzeugt aufgrund der Nichtlinearität des Meereswassers einen sekundären Strahl mit einer Schallfrequenz von 10 kHz im Fernfeld, wobei dieser sekundäre Strahl lediglich eine Divergenz in der Größenordnung von 4° aufweist. Bei derartigen Systemen ist der Umwandlungswirkungsgrad jedoch niedrigj so daß in den primären Strahlen eine erhebliche Leistung erzeugt werden muß, um einen sekundären Strahl mit ausreichender Energie zu erzeugen, damit sich wirksame Betriebseigenschaften ergeben.

Der große Vorteil von parametrischen Anordnungen hinsichtlich der Verringerung der Größe der akustischen Sende-Schallwandler wird jedoch durch die Tatsache eingeschränkt, daß die elektroakustischen Wandler auf sehr schwache Echosignale vom Meeresboden ansprechen müssen. Bei allen Sonar-Signaleinrichtungen ist es wünschenswert, eine große iimpfangsöffnung zur Verfügung zu haben, um einen möglichst großen Teil der Echosignalenergie aufzufangen. Dieser sogenannte "Richtwirkungsindex" bedingt wiederum, daß eine große Wandler-Apertur und entsprechend stark gerichtete, schmale Strahlen wünschenswert 3ind, um das Signal zu vergrößern und das tüntergrundrauschen zu verringern. Beispielsweise ist eine öffnung oder Apertur mit einem Durchmesser von etwa 76 cm wünschenswert, damit sich ein ausreichendes Signal/Rausch-Verhältnis bei 10 kHz ergibt, um ein eine parametrische Anordnung bildendes Vier-Strahlsystem zum Betrieb in tiefen Gewässern zu bilden. Obwohl die bekannten Anordnungen die Verwendung von relativ kleinen parametrischen Wandlern zur Abstrahlung der Schallschwingungen vorschlagen, sind relativ große Empfangseinrichtungen erforderlich. Beispielsweise wären bei einem System, das die weiter oben erwähnten parametrischen Wandler mit einem Durchmesser von 15j2 cm verwendet, vier Empfangseinrichtungen mit einem Durchmesser von 76 cm für

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eine einzige phasengesteuerte Anordnung mit 76 cm erforderlich. Derartige große phasengesteuerte Anordnungen und Mehrfach-Empfangseinrichtungen ergeben jedoch eine unerwünschte Kompliziertheit, eine unerwünschte Größe und unerwünscht hohe Kosten. Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht die Erzielung einer großen Apertur und einer hohen Richtwirkung in einem Mehrfach-Strahlsystem mit verringerter Größe, verringerter Kompliziertheit und verringerten Kosten. Es sind konvergierende Linsen in Kombination mit kleinen Wandlern bekannt, deren Anzahl gleich der Anzahl der zu erzeugenden Strahlen ist, wobei jeder Wandler in der Brennebene der Linse angeordnet ist. Weil jedoch die Wandler in einer derartigen Anordnung an einem Brennpunkt angeordnet sind, müssen sie notwendigerweise einen kleinen Durchmesser aufweisen, um die Linse mit einer Kugelwellenfront anzustrahlen, damit eine einen schmalen Strahl bildende ebene Welle erzeugt wird. Weil die parametrische Schwingungserzeugung hohe Leistungen zur Erzielung annehmbarer sekundärer Strahlenergien erfordert, würden sich bei diesen bekannten Anordnungen starke Kavitationsprobleme an der kleinen Arbeitsfläche des Wandlers ergeben.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung wird die Fähigkeit einer Linse ausgenutzt, die über eine große Öffnung einfallende Energie aufzufangen und diese Energie auf einen kleinen Bereich zu fokussieren. Auftreffende ebene parallele Strahlen von einer bestimmten Richtung behalten ihre Ausrichtung relativ zur Linse bei, 30 daß mehrere in der Brennweite der Linse angeordnete Wandler in der Lage sindEnergieaus bestimmten Richtungen zu empfangen, die durch den Winkel zwischen der Linsenachse und der Linie zwischen dem Mittelpunkt der Linse und dem Wandler definiert sind. Weil die Wandler nicht in der Brennebene angeordnet sind,

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können sie ausreichend groß ausgebildet werden, um die relativ hohen Leistungsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig einen kollimierten Strahl zu erzeugen, der sich durch einen mittleren ebenen Bereich der Linse ausbreitet.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Linsen-Wandler-Anordnung. Eine akustische Linse 1 wird in Verbindung mit einer Anzahl von parametrischen Wandlern 2,2' verwendet, deren Oberflächengröße den Leistungsverarbeitungsforderungen für eine bestimmte Anwendung entspricht .. Im Sendebetrieb sind diese Wandler 2,2^f groß genug, um scharfe kollimierte Strahlen 3 bei der hohen Primärstrahl-Frequenz und -Leistung zu erzeugen. Die kollimierten Strahlen 3 durchlaufen einen mittleren parallelen Teil 4 in der Mitte der Linse 1 ohne jede Änderung.

Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, kann die akustische Linse als Hybridlinse insofern betrachtet werden, als sie einen mittleren scheibenförmigen Teil 4 einschließt, der von einem kreisringförmigen Umwandlungsteil umgeben ist, der durch doppeltkonkave Oberflächen 4' umgrenzt ist.

Der kreisringförmige Umwandlungsteil der Linse 1 dient zur Konzentration des von dem Meeresboden reflektierten Signals auf die Wandler. Der mittlere scheibenförmige Teil 4 dient als neutraler Teil, der das Hindurchlaufen der kollimierten Strahlen 3 durch diesen Bereich im wesentlichen ohne jede Änderung ermöglicht.

Die einfallenden parallelen Strahlen 5 durchlaufen den kreisringförmigen,gekrümten Teil der Linse 1 und konvergieren in Richtung auf die Brennebene, die den Brennpunkt 6 enthält. Weil jedoch jeder Wandler 2,2' innerhalb der Brennweite der Linse angeordnet ist, werden diese

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Strahlen über die Wandleroberfläche verteilt. Das kleine Bündel von parallelen Strahlen, das in den mittleren ebenen, "neutralen" Teil 4 der Linse 1 eintritt, breitet sich in Richtung auf den Wandler mit lediglich geringen Phasenabweichungen gegenüber den Umfangsstrahlen aus und beeinflußt nicht wesentlich die Empfangsmöglichkeit. Aufgrund der relativ großen Fläche jedes Wandlers 2,2' fängt jeder Wandler im wesentlichen alle einfallenden, für diesen Wandler bestimmten Strahlen auf, obwohl der Wandler vor dem Brennpunkt der Linse angeordnet ist. Weil der Wandler näher an der Linse 1 angeordnet ist, als der Brennpunkt, wird hierdurch die Bautiefe verringert. Eine derartige Verringerung der Bautiefe ist bei Schiffseinbauten von Bedeutung, bei denen die Linse 1 glatt mit dem Rumpf des Schiffes abschließt und die Tiefe der gesamten Baugruppe den Raum bestimmt, der zur Aufnahme der Einrichtung erforderlich ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Verschiebung jedes Wandlers 2,2' in Richtung auf die Linse 1 in idealer Weise lediglich dann ermöglicht würde, wenn die Oberfläche des Wandlers kugelförmig sein würde und einen Krümmungsradius aufweisen würde, der gleich der Entfernung dieser Oberfläche von dem tatsächlichen Brennpunkt ist, weil die Wandleroberfläche lediglich unter diesen Umständen alle Strahlen gleichphasig und damit in additiver Beziehung empfangen würde. Es ist jedoch festzustellen, daß die ebene Oberfläche verwendet werden kann, weil die Phasenabweichung auf Grund der vergleichsweise niedrigen Frequenz der empfangenen Signale sehr klein wird. Der eine ebene Oberfläche aufweisende Wandler ist vorzuziehen, weil ein derartiger Wandler leicht herstellbar ist und

eine wirtschaftlichere Anordnung darstellt. Es sei bemerkt, daß der ebene Mittelteil 4 der Linse 1 fortgelassen werden könnte, so daß die Strahlen tatsächlich durch eine Öffnung in der Linse hindurchlaufen würden. Eine derartige Anordnung wird jedoch üblicherweise nicht bevorzugt, weil sie hydrodynamische Störungen entlang des Schiffsbodens mit einer entsprechenden Beeinträchtigung der Sonareinrichtung und der Schiffs-Betriebseigenschaften hervorrufen könnte.

Die Linse selbst kann am besten aus einem Kunststoffmaterial, wie z.B. Polystyrol, Methylmethacrylat oder einem syntaktischem Epoxy-Schaum hergestellt werden, wobei die speziellen akustischen Impedanzen dieser Materialien sich nicht wesentlich von denen des Wassers unterscheiden und die akustische Absorbtion dieser Materialien niedrig ist. Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit in derartigen Materialien höher als in Wasser ist, ergeben diese Materialien Brechungsindizes von weniger als 1,0. Aus diesem Grund sind die Krümmungen in dem kreisringförmigen Teil der Linse 1 bezogen auf die, die üblicherweise bei optischen Linsenkonstruktionen erwartet wird, negativ.

Entsprechend bekannter parametrischer Techniken wird jeder Wandler 2, 2^! durch duale Frequenzsignale angesteuert, um einen Sendeschallstrahl zu erzeugen. Auf Grund der nichtlinearen Eigenschaften des Wassers wird ein sekundärer Strahl in einem von dem Rumpf des Schiffes entfernten Bereich gebildet. Dieser sekundäre Strahl weist eine Frequenz auf, die gleich der Differenz der Primärfrequenzen ist, die zur Ansteuerung der Wandler verwendet werden. Der sekundäre Strahl wird von dem Meeresboden reflektiert und

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kehrt zu der Fläche der Linse zurück, von wo aus de¹" Strahl auf den speziellen Wandler gerichtet wird, von dem das Signal ausging.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung würde typischerweise folgende Parameter aufweisen:

Primäre Frequenzen: zwei Frequenzen, die symetrisch zu einer Mittenfrequenz von 200 kHz liegen;

Sekundär-Frequenzen: 0-20 kHz. Primär-Leistung - 200 Watt pro Frequenz. Wandler - kreisförmiger Kolben, Durchmesser 15,2 cm. Anordnung - 4 Strahlen mit 15°-Achsenversetzung in zwei zueinander senkrechten Ebenen.

Linsenbeschreibung:
Material - Polystyrol.

Brennweite = 1,4 m - doppeltkonkave Konstruktion mit minimaler spherischer Aberration.

Krümmungsradien: 172 cm; 68 cm. Abstand des Wandlers von der Linse: 99 cm.

Es sei daran erinnert, daß jeder der Wandler 2,2' aus einer dualen Frequenzsignalquelle angesteuert wird, die noch zu beschreiben ist.

In Fig. 2 stellt die Welle 7 die Druckwelle dar, die von einem Sendewandler 2 oder 2' der Einrichtung abgestrahlt wird. Entsprechend gutbekannten Prinzipien ist die Welle 7 eine im wesentlichen sinusförmig modulierte Sinusschwingung, weil sie die Summe von zwei primären Sinusschwingungen mit etwas abweichenden Frequenzen darstellt.

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Eine periodische Vergrößerung ergibt sich bei einer Addition der Phasen, während sie sich bei einer Subtraktion aufheben. Die Zeitperiode 8 stellt die Signalperiode der Differenz-(Sekundär-)Frequenz dar, wobei dieses Signal durch die Demodulationswirkung erzeugt wird, das in der Wassersäule auf Grund der Nichtlinearität dieses Mediums erzeugt wird. In ähnlicher VJeise stellt die Welle 9 nach Fig. 2 die Druckwelle dar, die mit dem gleichen Zeitmaßstab wie die Welle 7 gezeichnet ist, wobei jedoch eine der Primärschwingungen um 180 in der Phase verschoben ist. Wie dies noch näher erläutert wird, ist diese Phasenverschiebung von 18O° wünschenswert, weil dann in der aus Fig. 2 erkennbaren Weise die Druckmaxima einer Welle gleichzeitig mit dem Druckminima der anderen Welle auftreten.

Es ist weiterhin aus Fig. 2 zu erkennen, daß trotz der Tatsache, daß die Phasenverschiebung bei der primären, hohen Frequenz durchgeführt wird, die gewünschte Phasenänderung im sekundären niedrigen Frequenz-Zeitmaßstab auftritt. Dies ermöglicht es, daß das fehlende zeitliche Zusammenfallen der Druckmaxima für eine halbe Sekundär-Wellenlänge der Wegdifferenz im tatsächlichen Raum aufrecht erhalten wird, so daß ein vollständiger Bereich um den Linsenteil 4 herum frei von der Summe von zwei

Beispielsweise

Druckmaxima ist./wurden in einem System, wie es im vorstehenden beschrieben wurde, bei einer Differenzfrequenz von 10 kHz zwei Wandler, die in einem Abstand von 99 cm vom Linsenmittelpunkt und unter einem gegenseitigen Abstand von 56 cm angeordnet sind, keine Phasenkoinzidenz erfahren, bevor die Wellen eine Entfernung von 13,5 cm von dem Linsenmittelpunkt erreichen. Diese Entfernung entspricht fast dem zweifachen der Weite des Schnittpunktes der beiden kollimierten Strahlen in diesem Bereich.

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In einem Janus-System mit vier Wandlern, die unter gleichem Abstand um die Linsenachse herum angeordnet sind, würde das zweite Paar von Wandlern vorzugsweise derart angesteuert, daß die primäre Phase des ersten Wandlers dieses Paares um 90 phasenverschoben ist, während die primäre Phase des zweiten dieser Wandler um 270° verschoben ist, so daß die Differenz von 18O° in dem zweiten Paar beibehalten ist. Auf diese Weise addieren sich niemals die Spitzen-Druckamplituden von zwei der vier Strahlen in den Linsenteil 4.

Die Fig. 3 und 4 zeigen Schaltbilder von Schaltungen zur Anschaltung der Wandler an eine Leistungsquelle zur Erzielung der Phasenbeziehungen nach Fig.2. Bei der Schaltung nach Fig. 3 werden zwei Signale f. und f_?, die jeweils eine gewünschte Primärfrequenz darstellen, in einem Summiernetzwerk 10 summiert. Derartige Summiernetzwerke sind in der Technik gut bekannt und liefern ein Analogsignal, das eine einfache Summe von zwei sinusförmigen Signalen darstellt und beispielsweise der Druckschwingungsform 7 nach Fig. 2 entspricht. Das Ausgangssignal des Summiernetzwerkes 10 wird über einen linearen Verstärker 11 dem Wandler 2 zugeführt.

Die primäre Erregungsfrequenz wird weiterhin einem zweiten Summiernetzwerk 10' zugeführt. Das primäre Erregungssignal fp wird weiterhin über einen i80°-Phasenschieber 12 dem Summiernetzwerk 10' zugeführt, um eine phasenverschobene Summenfrequenz zu liefern. Dieses letztere Signal wird über einen Linearverstärker 11' dem Wandler 2' zugeführt, so daß das Viandlerpaar 2 und 2' Ausgangssignale mit einer Phasenbeziehung liefert, wie sie durch die Schwingungsformen 7 und 9 nach Fig. 2 dargestellt sind.

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Es ist für den Fachmann zu erkennen, daß, obwohl in der vorstehenden Erläuterung auf zwei Wandler 2 und 2' Bezug genommen wurde, eine Kombination von drei oder mehr Wandlern verwendet werden kann. In diesen Fällen würde jeder zusätzliche Wandler über getrennte Summiernetzwerke, Linearverstärker und Phasenschieber angesteuert. Die Phasenschieber würden bei derartigen Anwendungen jedoch so eingestellt sein, daß sich entsprechend kleinere Phasenverschiebungen ergeben, so daß die von den einzelnen Wandlern in der vorgegebenen Kombination abgestrahlten Strahlen gleichwinklige Phasenverschiebungen gegeneinander aufweisen.

Alternativ kann die bevorzugte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 4 verwendet werden, um die primären Erregungsfrequenzen zwei Wandlern 2 und 2' zuzuführen. Bei der Schaltung nach Fig. 4 werden die primären Erregungsfrequenzen f. und fp über getrennte Leistungsverstärker 13 und 14 und über einen üblichen Hybridkoppler 15 zugeführt. Die Ausgangssignale von den Summen- und Differenzanschlüssen des Hybridkopplers 15 werden den Wandlern 2 bzw. 2' zugeführt. Die Schaltung nach Fig. 4 weist den Vorteil auf, daß Linearverstärker nicht erforderlich sind, weil lediglich einen konstanten Pegel aufweisende primäre Erregungssignale vor der Summierung verstärkt werden. Die Verstärker müssen den gewünschten Ausgangspegel liefern, sie müssen jedoch nicht eine sich ändernde Hüllkurve mit hoher Treue wiedergeben. Die Summierung wird bei einem hohen Pegel mit Hilfe des Hybridkopplers 15 durchgeführt, der vier Anschlüsse aufweist, von denen zwei Eingangsanschlüsse sind, während die übrigen zwei Anschlüsse Ausgangsanschlüsse sind, die ein Signal liefern, das jeweils äquivalent zur Kombination der primären Erregungssignale ist.

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Hybridkoppler von verschiedenen Arten sind für den Fachmann gut bekannt und stellen im allgemeinen Formen von symetrischen elektrischen Brücken dar, wobei derartige Hybridkoppler allgemein im Handel mit verschiedenen Leistungs- und Frequenzwerten erhältlich sind.

Als Beispiel ist in Fig. 5 eine geeignete Ausführungsform eines Hybridkopplers dargestellt. Dieser Koppler besteht im wesentlichen aus einer symetrierten Brücke 16, die über einen genau mittelangezapften Transformator 17 gespeist wird. Die Eingangssignale werden den Eingangsanschlüssen 18 bzw. 19 zugeführt, und Ausgangssignale werden an den Summen- und Differenzanschlüssen abgenommen. Der Transformator 17 ist für eine geeignete Transformation der Eingangsspannung ausgelegt, die üblicherweise mit einer geeigneten Erdtrennung geliefert wird.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Ansteuerung eines Vierstrahl-Systems, beispielsweise eines "Janus"-Doppler-Sonarsystems unter Verwendung der Art von Ansteuerschaltung, die in Fig. 4 dargestellt ist. Zusätzlich zu den Leistungsverstärkern 13 und 14 und dem Hybridkoppler 15 zur Ansteuerung der Wandler 2 und 2' die weiter oben anhand der Fig. 4 beschrieben wurden, weist die Schaltung nach Fig. 6 zusätzliche Leistungsverstärker 20 und 21 auf, die einen Hybridkoppler 22 ansteuern, der ein zweites Paar von Wandlern 23 und 23' ansteuert. Die Leistungsverstärker, der Hybridkoppler und die Wandler entsprechen den entsprechenden Elementen nach Fig. 4, wobei jedoch der Leistungsverstärker 21 mit der primären Erregungsfrequenz fp über einen 90°-Phasenschieber 24 angesteuert wird. Mit Hilfe der Schaltung nach Fig.4 erzeugt jedes Wandlerpaar 2, 2' und 23, 23' ein Ausgangsschwingungspaar, wie es durch die Schwingungsformen 7 und 9 nach Fig. gezeigt ist. Die Wellenpaare, die von den Wandlern 23 und 23'

erzeugt werden, sind jedoch um 90° gegenüber dem Wellenpaar verschoben, das von den Wandlern 2 und 2¹ erzeugt wird. Diese 90 -Phasenverschiebung verschiebt die Maxima eines Satzes von Wellen gegenüber dem Maxima des anderen Satzes von Wellen um einen Betrag, der 1/4 der Wellenlänge 8 nach Fig. 2 entspricht, so daß eine Verstärkung durch die einzelnen Wellen vermieden wird.

Die vorstehend beschriebene Sonareinrichtung ergibt eine praktische Möglichkeit zum Betrieb eines parametrischen Doppler-Sonarsystems in tiefen Gewässern. Die bei einem derartigen System benötigte hohe Leistung wird dadurch ermöglicht, daß eine relativ große Öffnung oder Appertur aufweisende Wandler in Kombination mit einer speziellen Linse verwendet werden, die einen neutralen Mittelteil, der eine im wesentlichen ungestörte Ausbreitung des primären Strahls ermöglicht, und einen konvergierenden Teil aufweist, der zum Auffangen des eine niedrige Leistung aufweisenden Echosignals und zur Konzentration dieses Signals auf einem Wandler dient. Dadurch, daß die Wandler vor der Brennebene der Linse angeordnet sind, ist der relativ große Wandler in der Lage, im wesentlichen die gesamte Echoenergie in einem vorgegebenen Strahl aufzufangen. Kavitationsprobleme in dem Wassermedium, die auf Grund der hohen Leistungsforderungen in Mehrstrahl-Systemen auftreten könnten, werden durch eine Phasenverschiebung der einzelnen Schallwellen vermieden, wodurch eine gegenseitige Verstärkung der einzelnen Wellen im Bereich der Strahlschnittpunkte verhindert wird.

Claims

18. März 1981 17 161 - Fk/Vi

Patentansprüche

Üoppler-Sonar-Einrichtung mit parametrischer Anordnung, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Wandlern(2,2' ,23,23') vom Kolbentyp, die jeweils so angeordnet sind, daß sie Schallenergie entlang einer jeweils anderen festgelegten Achse abstrahlen und empfangen, Einrichtungen zur Ansteuerung jeues Wandlers während festgelegter Zeitintervalle mit einem Signal, das durch eine Kombination von ersten und zweiten primären Erregungsfrequenzen gebildet ist, eine akustische Linse (1) mit einem kreisringförmigen, Strahlen konvergierenden Teil( 4'), der einen Mittelbereich (4) umgibt, der einem durch diesen Mittelbereich hindurchlaufenden Strahl im wesentlichen keine Abweichung erteilt, wobei jeder Wandler (2,2',23,23') einen ausreichend großen Durchmesser aufweist, um einen im wesentlichen kollimierten Schallstrahl entlang der Achse dieses Wandlers abzustrahlen, der so ausgerichtet ist, daß der kollimierte Strahl durch den Hittelbereich der Linse hindurchläuft, wobei jeder Wandler (2,2 '23,23 ' Weiterhin innerhalb des Brennbereiches des konvergierenden Teilst' )der Linse angeordnet ist, um im wesentlichen die gesamte Schallenergie aufzufangen, die von einem entfernt angeordneten Ziel reflektiert wird und durch die Linse entlang der Achse dieses Wandlers hindurchläuft.

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2. Sonar-Sinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich durch einen mittleren scheibenförmigen Teil (4) der Linse (1) gebildet ist.

3. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wandler ein Wandlerpaar(2,2^f)einschließt und daß die Einrichtung zur Ansteuerung dieser Wandler Einrichtungen(10,10»)zur Lieferung eines Signals einschließt, das gleich der momentanen Summe der ersten und zweiten, an die Wandler gelieferten Signale ist.

4. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ansteuerung des Wandlerpaars( 2,2') Einrichtungen (12) zur Phasenverschiebung des einem der Wandler des Paares zugeführten Signals um l80° gegenüber dem Signal einschließen, das dem anderen Wandler des Paares zugeführt wird.

5. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wandler zwei Wandlerpaare(2,2*,23,23')einschließt, die zum Betrieb in einem Janus-System angeordnet sind.

6. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Ansteuerung der Wandler Einrichtungen zur Verschiebung der Phase des einem der Wandler jedes Paares zugeführten Signals um l80° gegenüber dem anderen Wandler des Paares zugeführten Signals sowie Ein-

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richtungen (24) zur Verschiebung der Phase der einem Paar von Wandlern zugeführten Signale um 90 gegenüber den Signalen einschließen, die dem anderen Wandlerpaar zugeführt werden.

7. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wandler ein Wandlerpaar(2,2')einschließt und daß die Einrichtungen zur Ansteuerung der Wandler getrennte Surnmier-Einrichtungen 10,10'),die auf die ersten und zweiten Signale ansprechen und einzelne lineare Verstärker-Einrichtungen(ll,ll')einschließen, die auf das Ausgangssignal der entsprechenden Summier-Einrichtung (10,10'ansprechen und jeden Wandler ansteuern, und daß die Ansteuereinrichtungen weiterhin Phasenschiebereinrichtungen (12) zur Umkehrung der Phase des zweiten Signals vor der Zuführung dieses Signals an eine der Summier-Einrichtungen einschließen.

ö. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Wandler ein Wandlerpaar(2,2')einschließt und daß die Einrichtungen zur Ansteuerung der Wandler getrennte Leistungsverstärker(13,1^), die zum Empfang des ersten bzw. zweiten Signals angeschaltet sind, und einen Hybrid-Koppler (15) mit ersten und zweiten Eingangsanschlüssen und Summen- und Differenz-Ausgangsanschlüssen einschließen, daß die ersten und zweiten Eingangsanschlüsse zum Empfang der Ausgangssignale von dem ersten bzw. zweiten Leistungsverstärker angeschaltet sind und daß die Summen- und Differenz-Ausgangsanschlüsse zur Ansteuerung des ersten bzw. zweiten Wandlers des Paares angeschaltet sind.

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9. Sonar-Einrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) aus einem Material hergestellt ist, das eine Schallausbreitungsgeschwindigkeit aufweist, die größer als die von Wasser ist und daß der kreisringförmige Teil (4¹) in Form einer doppelkonkaven Linse aufgebaut ist.

10. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) aus Methylmethaerylat, syntaktischem Epoxy-Schaum oder Polystyrol hergestellt ist.

11. Sonar-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprücne dadurch gekennzeichnet, daß der kreisringförmige Teil (4') der Linse (1) derart aufgebaut ist, daß sich eine Brennweite von im wesentlichen 1,4 m ergibt,und daß die Wandler in einer Entfernung von etwa 99 cni von der· Linse angeordnet sind.