DE3111545C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einer parametrischen Doppler-Sonar-
Einrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten
Art.
Schiffs-Doppler-Sonar-Einrichtungen für die Navigation, die
Geschwindigkeitsmessung und dgl. sind in der Technik gut
bekannt. Im allgemeinen schließen derartige Einrichtungen Vor
richtungen zur Projektion eines Schallstrahls unter einem Winkel
nach unten in Richtung auf den Meeresboden ein. Von dem Meeres
boden 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 reflektierende Signal aus
reichend stark, damit eine genaue Analyse ermöglicht wird. In
tiefen Gewässern wird das Signal jedoch sehr stark gedämpft, so
daß das die Sonar-Einrichtungen 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 23 241
beschrieben. Bei dieser Einrichtung werden in relativ flachen
Gewässern die Signale vom Meeresboden reflektiert. In tiefen
Gewässern werden Torsteuereinrichtungen zur Abtastung von Re
flektionen verwendet, die an Diskontinuitäten im Meerwasser in
festgelegten Entfernungen von dem Schiff hervorgerufen werden.
Diese Sonar-Einrichtung kann auch vom ′Janus′-Typ sein, bei dem
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 der Frequenz des reflektierten Signals in einem
Strahl und einer Verringerung der Frequenz des anderen reflek
tierten Signals festgestellt.
Alternativ wurden parametrische Anordnungen zur Verwendung in
tiefen Gewässern verwendet, um die hierbei vorteilhaften Signale
mit niedriger Frequenz ohne übermäßig große Wandler zu erzeugen.
Die grundlegende Theorie der parametrischen Betriebsweise ist
beispielsweise in der Literaturstelle ′Journal of the Acoustical
Society of America′, Vol. 35, April 1963 unter dem Titel
′Parametric Acoustic Array′ von P. J. Westerveldt beschreiben.
In dieser Literaturstelle ist die Abstrahlung von Differenz
frequenz-Schwingungen mit Hilfe von zwei stark kollimierten
Schallstrahlen beschrieben. Entsprechend dieser Theorie werden
die Absorptionseigenschaften des Ausbreitungsmediums die Hoch
frequenzschwingungen 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 1974 beschreibt F. H. Fenlon unter dem Titel ′On the
Performance of a Dual Frequency Parametric Source′ die theore
tischen Grundlagen der Ausbildung eines Fernfeld-Differenz
frequenzsignals, das sich aus einer nichtlinearen Wechselwirkung
in dem Ausbreitungsmedium ergibt, wenn zwei unterschiedliche
Frequenzen aufweisende Primärschwingungen gleichzeitig von einer
endlichen Amplitudenquelle abgestrahlt werden. Es wurden ver
schiedene 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 fokusieren, die in der Brennebene der
Linse angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung müssen die
Wandler jedoch relativ klein ausgebildet sein, damit sie voll
ständig von den konzentrierten Schallschwingungen bestrahlt
werden. Wenn derartige Wandler dann zur Erzeugung der erforder
lichen, eine hohe Leistung aufweisenden Schallschwingung
verwendet werden, so treten bei diesen Wandlern extreme
Kavitations-Effekte und ein sich daraus ergebender Ausfall
aufgrund der kleinen Abstrahlungsfläche auf. Weiterhin kann die
gleichzeitige Erzeugung von mehreren, eine hohe Leistung
aufweisenden Schallstrahlen eine Kavitation im Bereich des
Strahlschnittpunktes hervorrufen.
Aus der US-PS 40 63 214 ist weiterhin eine Doppler-Sonar-Ein
richtung bekannt, bei der das Ausgangssignal der Wandler über
eine Linse abgestrahlt wird, die im wesentlichen glatt mit dem
Rumpf eines Schiffes abschließt. Hierbei weist das Linsenma
terial eine Schallausbreitungsgeschwindigkeit auf, die größer
als die von Wasser ist, so daß die Schallsignale beim Durch
laufen der Wasser-Linsen-Grenzfläche gebrochen werden.
Weiterhin ist aus der US-PS 38 24 531 eine parametrische An
ordnung bekannt, bei der eine Vielzahl von Wandlern mit jeweils
unterschiedlichen Frequenzen angesteuert wird, um eine para
metrische Frequenz als Differenz dieser Frequenzen zu erzeugen.
Eine derartige Anordnung mit einer Vielzahl von Wandlern und
zugehörigen Ansteuerungen weist jedoch einen hohen Raumbedarf
auf, so daß sie für viele Anwendungsfälle nicht geeignet ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Doppler-Sonar-
Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der bei
geringen Abmessungen und hoher Leistung Kavitations-Effekte
vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanpruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Doppler-Sonar-
Einrichtung ist es bei relativ geringen Abmessungen möglich,
eine hohe Schallenergie zu erzeugen und gleichzeitig die über
die große Öffnung der Linse 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, so daß
mehrere in der Brennweite der Linse angeordnete Wandler in der
Lage sind, Energie aus 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 sein müssen,
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, so daß Kavitationsprobleme
vermieden werden.
Kavitationsprobleme in dem Wassermedium, die aufgrund der
hohen Leistungsforderungen in Mehrstrahl-Systemen auftreten
können, werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfin
dung durch eine Phasenverschiebung der einzelnen Schallwellen
vermieden, wodurch eine gegenseiteige Verstärkung der einzelnen
Wellen im Bereich der Strahlschnittpunkte verhindert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung, die die Betriebsprinzi
pien einer Ausführungsform der Sonar-Einrichtung zeigt,
Fig. 2 eine Darstellung von Druckänderungen, die durch einen
sendenden Wandler der Sonar-Einrichtung erzeugt werden,
Fig. 3 bis 5 Schaltbilder zur Erläuterung von Ausführungsformen von
Ansteuereinrichtungen der Wandler,
Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Sonar-
Einrichtung zur Verwendung in einem Janus-System.
Vor der Beschreibung der eigentlichen Ausführungsform erscheinen
einige Erläuterungen der Grundlagen von Doppler-Sonar-Einrich
tungen zweckmäßig. Bei der Anwendung der Doppler-Sonar-Techno
logie ist es erforderlich, schmale Schallenergiestrahlen in be
stimmten 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 ober
halb 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 Wellen
länge in umgekehrter Beziehung 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 ar
beiten 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 Durch
messer von etwa 3 m.
Weil derart große Wandler ersichtlich unpraktisch sind,
wurden nichtlineare Schallwandlereinrichtungen in Form ei
ner parametrischen Anordnung als Einrichtung zur Erzeugung
eines eine niedrige Frequenz aufweisenden Strahls mit klei
nen Abstrahlungsöffnungen vorgeschlagen. Diese Technik ver
wendet 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
weise 205 kHz und 195 kHz angesteuert werden und er
zeugt aufgrund der Nichtlinearität des Meereswassers
einen sekundären Strahl mit einer Schallfrequenz von
10 kHz im Fernfeld, wobei dieser sekundäre Strahl ledig
lich eine Divergenz in der Größenordnung von 4° aufweist.
Bei derartigen Systemen ist der Umwandlungswirkungsgrad
jedoch niedrig, so daß in den primären Strahlen eine er
hebliche Leistung erzeugt werden muß, um einen sekundären
Strahl mit ausreichender Energie zu erzeugen, damit sich
wirksame Betriebseigenschaften ergeben.
Der große Vorteil von parametrischen Anordnungen hinsicht
lich der Verringerung der Größe der akustischen Sende-
Schallwandler wird jedoch durch die Tatsache eingeschränkt,
daß die elektroakustischen Wandler auf sehr schwache Echo
signale vom Meeresboden ansprechen müssen. Bei allen
Sonar-Signaleinrichtungen ist es wünschenswert, eine große
Empfangsöffnung zur Verfügung zu haben, um einen möglichst
großen Teil der Echosignalenergie aufzufangen. Dieser so
genannte "Richtwirkungsindex" bedingt wiederum, daß eine
große Wandler-Apertur und entsprechend stark gerichtete,
schmale Strahlen wünschenswert sind, um das Signal zu ver
größern und das Hintergrundrauschen zu verringern. Bei
spielsweise ist eine Öffnung oder Apertur mit einem Durch
messer von etwa 76 cm wünschenswert, damit sich ein aus
reichendes Signal/Rausch-Verhältnis bei 10 kHz ergibt, um
ein eine parametrische Anordnung bildendes Vier-Strahl
system zum Betrieb in tiefen Gewässern zu bilden. Obwohl
die bekannten Anordnungen die Verwendung von relativ klei
nen parametrischen Wandlern zur Abstrahlung der Schall
schwingungen vorschlagen, sind relativ große Empfangsein
richtungen erforderlich. Beispielsweise wären bei einem
System, das die weiter oben erwähnten parametrischen Wand
ler mit einem Durchmesser von 15,2 cm verwendet, vier
Empfangseinrichtungen mit einem Durchmesser von 76 cm für
eine einzige phasengesteuerte Anordnung mit 76 cm er
forderlich. Derartige große phasengesteuerte Anord
nungen und Mehrfach-Empfangseinrichtungen ergeben je
doch eine unerwünschte Kompliziertheit, eine uner
wünschte Größe und unerwünscht hohe Kosten. Die im folgenden
beschriebene Sonar-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 klei
nen Wandlern bekannt, deren Anzahl gleich der Anzahl
der zu erzeugenden Strahlen ist, wobei jeder Wandler
in der Brennebene der Linse angeordnet ist. Weil je
doch die Wandler in einer derartigen Anordnung an ei
nem Brennpunkt angeordnet sind, müssen sie notwendiger
weise einen kleinen Durchmesser aufweisen, um die Linse
mit einer Kugelwellenfront anzustrahlen, damit eine ei
nen schmalen Strahl bildende ebene Welle erzeugt wird.
Weil die parametrische Schwingungserzeugung hohe Lei
stungen zur Erzielung annehmbarer sekundärer Strahlener
gien erfordert, würden sich bei diesen bekannten Anord
nungen starke Kavitationsprobleme an der kleinen Arbeits
fläche des Wandlers ergeben.
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′ groß genug, um scharfe kollimier
te 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 1
als Hybridlinse insofern betrachtet werden, als sie einen
mittleren scheibenförmigen Teil 4 einschließt, der von ei
nem 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 kollimier
ten Strahlen 3 durch diesen Bereich im wesentlichen ohne
jede Änderung ermöglicht.
Die einfallenden parallelen Strahlen 5 durchlaufen den
kreisringförmigen gekrümmten Teil der Linse 1 und konver
gieren in Richtung auf die Brennebene, die den Brenn
punkt 6 enthält. Weil jedoch jeder Wandler 2, 2′ innerhalb
der Brennweite der Linse angeordnet ist, werden diese
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 wesent
lich 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 Brenn
punkt, wird hierdurch die Bautiefe verringert. Eine
derartige Verringerung der Bautiefe ist bei Schiffsein
bauten 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 Krümmungs
radius 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 Phasen
abweichung auf Grund der vergleichsweise niedrigen Fre
quenz 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 be
merkt, daß der ebene Mittelteil 4 der Linse 1 fortge
lassen 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-Betriebseigenschaf
ten hervorrufen könnte.
Die Linse selbst kann am besten aus einem Kunststoffmaterial,
wie z. B. Polystyrol, Methylmethacrylat oder einem syn
taktischem Epoxy-Schaum hergestellt werden, wobei die
speziellen akustischen Impedanzen dieser Materialien
sich nicht wesentlich von denen des Wassers unterschei
den und die akustische Absorbtion dieser Materialien nie
drig ist. Weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit in derarti
gen 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 nicht
linearen Eigenschaften des Wassers wird ein sekundärer
Strahl in einem von dem Rumpf des Schiffes entfernten Be
reich gebildet. Dieser sekundäre Strahl weist eine Frequenz
auf, die gleich der Differenz der Primärfrequenzen ist,
die zur Ansteuerung der Wandler verwendet werden. Der se
kundäre Strahl wird von dem Meeresboden reflektiert und
kehrt zu der Fläche der Linse zurück, von wo aus der
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 syme trisch 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.
Primäre Frequenzen: zwei Frequenzen, die syme trisch 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.
Eine periodische Vergrößerung ergibt sich bei einer
Addition der Phasen, während sie sich bei einer Subtrak
tion 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 Weise stellt die Welle 9 nach
Fig. 2 die Druckwelle dar, die mit dem gleichen Zeitmaß
stab 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 Phasen
verschiebung von 180° wünschenswert, weil dann in der
aus Fig. 2 erkennbaren Weise die Druckmaxima einer Welle
gleichzeitig mit dem Druckminima der anderen Welle auf
treten.
Es ist weiterhin aus Fig. 2 zu erkennen, daß trotz der
Tatsache, daß die Phasenverschiebung bei der primären,
hohen Frequenz durchgeführt wird, die gewünschte Phasen
änderung 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 auf
recht erhalten wird, so daß ein vollständiger Bereich
um den Linsenteil 4 herum frei von der Summe von zwei
Druckmaxima ist. Beipsielsweise würden in einem System, wie es im vor
stehenden beschrieben wurde, bei einer Differenzfrequenz
von 10 kHz zwei Wandler, die in einem Abstand von 99 cm
vom Linsenmittelpunkt und unter einem gegenseitigen Ab
stand 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.
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 ange
steuert, 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 180° in dem zweiten Paar beibe
halten 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 Er
zielung der Phasenbeziehungen nach Fig. 2. Bei der Schaltung
nach Fig. 3 werden zwei Signale f1 und f2, die jeweils
eine gewünschte Primärfrequenz darstellen, in einem Summier
netzwerk 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 Summier
netzwerkes 10 wird über einen linearen Verstärker 11 dem
Wandler 2 zugeführt.
Die primäre Erregungsfrequenz wird weiterhin einem zweiten
Summiernetzwerk 10′ zugeführt. Das primäre Erregungssignal
f2 wird weiterhin über einen 180°-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 Wandlerpaar 2 und 2′ Ausgangssignale mit einer
Phasenbeziehung liefert, wie sie durch die Schwingungs
formen 7 und 9 nach Fig. 2 dargestellt sind.
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 zusätz
liche Wandler über getrennte Summiernetzwerke, Linear
verstärker und Phasenschieber angesteuert. Die Phasen
schieber würden bei derartigen Anwendungen jedoch so
eingestellt sein, daß sich entsprechend kleinere Phasen
verschiebungen ergeben, so daß die von den einzelnen Wandlern
in der vorgegebenen Kombination abgestrahlten Strahlen
gleichwinklige Phasenverschiebungen gegeneinander aufwei
sen.
Alternativ kann die bevorzugte Ausführungsform der Schal
tung nach Fig. 4 verwendet werden, um die primären Erre
gungsfrequenzen zwei Wandlern 2 und 2′ zuzuführen. Bei
der Schaltung nach Fig. 4 werden die primären Erregungs
frequenzen f1 und f2 über getrennte Leistungsverstärker
13 und 14 und über einen üblichen Hybridkoppler 15 zuge
führt. Die Ausgangssignale von den Summen- und Differenz
anschlüssen 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 Eingangs
anschlüsse sind, während die übrigen zwei Anschlüsse Aus
gangsanschlüsse sind, die ein Signal liefern, das jeweils
äquivalent zur Kombination der primären Erregungssignale
ist.
Hybridkoppler von verschiedenen Arten sind für den Fach
mann gut bekannt und stellen im allgemeinen Formen von
symmetrischen 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 symmetrierten Brücke 16, die
über einen genau mittelangezapften Transformator 17 ge
speist wird. Die Eingangssignale werden den Eingangsan
schlüssen 18 bzw. 19 zugeführt, und Ausgangssignale wer
den 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 Vier
strahl-Systems, beispielsweise eines "Janus"-Doppler-
Sonarsystems unter Verwendung der Art von Ansteuerschal
tung, 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 Leistungs
verstärker, der Hybridkoppler und die Wandler entsprechen
den entsprechenden Elementen nach Fig. 4, wobei jedoch
der Leistungsverstärker 21 mit der primären Erregungs
frequenz f2 über einen 90°-Phasenschieber 24 angesteuert
wird. Mit Hilfe der Schaltung nach Fig. 4 erzeugt jedes
Wandlerpaar 2, 2′ und 23, 23′ ein Ausgangsschwingungs
paar, wie es durch die Schwingungsformen 7 und 9 nach Fig. 2
gezeigt ist. Die Wellenpaare, die von den Wandlern 23 und 23′
erzeugt werden, sind jedoch um 90° gegenüber dem Wellen
paar verschoben, das von den Wandlern 2 und 2′ 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 Apertur
aufweisende Wandler in Kombination mit einer speziellen
Linse verwendet werden, die einen neutralen Mittelteil,
der eine im wesentlichen ungestörte Ausbreitung des pri
mären 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 aufzu
fangen. Kavitationsprobleme in dem Wassermedium, die auf
Grund der hohen Leistungsforderungen in Mehrstrahl-Syste
men auftreten könnten, werden durch eine Phasenverschie
bung der einzelnen Schallwellen vermieden, wodurch eine
gegenseitige Verstärkung der einzelnen Wellen im Bereich
der Strahlschnittpunkte verhindert wird.
Claims (11)
1. Parametrische Doppler-Sonar-Einrichtung, mit einer Anzahl
von Wandlern, die jeweils so angeordnet sind, daß sie Schall
energie entlang einer vorgegebenen, von der Achse der anderen
Wandler abweichenden Achse abstrahlen und empfangen, und mit
Ansteuereinrichtungen zur Ansteuerung jedes Wandlers
während festgelegter Zeitintervalle,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (2, 2′;
23, 23′) von Kolbentyp sind und mit einem Signal angesteuert
werden, das durch eine Kombination von ersten und zweiten
primären Erregungsfrequenzen gebildet ist, daß die Einrichtung
weiterhin eine akustische Linse (1) mit einem kreisringförmigen,
Strahlen konvergierenden Teil (4′) aufweist, der einen Mittel
bereich (4) umgibt, der einem durch ihn hindurchlaufenden Strahl
keine Abweichung erteilt, daß jeder Wandler (2, 2′; 23, 23′) einen
ausreichend großen Durchmesser aufweist, um einen kollimierten
Schallstrahl entlang der Achse dieses Wandlers abzustrahlen, der
so ausgerichtet ist, daß der kollimierte Strahl durch den
Mittelbereich (4) der Linse (1) hindurchläuft, und daß jeder
Wandler (2, 2′; 23, 23′) so innerhalb des Brennbereiches des
konvergierenden Teils (4′) der Linse (1) angeordnet ist, daß er
die gesamte Schallenergie auffängt, die von einem entfernt
angeordneten Ziel reflektiert wird und durch die Linse entlang
der Achse dieses Wandlers hindurchläuft.
2. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelbereich
der Linse (1) durch einen mittleren scheibenförmigen Teil (4)
der Linse gebildet ist.
3. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der
Wandler aus einem Wandlerpaar (2, 2′) besteht, und daß die
Ansteuereinrichtungen dieser Wandler Einrichtungen (10, 10′) zur
Lieferung eines Signals einschließen, das gleich der Summe der
ersten und zweiten, an die Wandler (2, 2′) gelieferten Signale
ist.
4. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuereinrich
tungen für das Wandlerpaar (2, 2′) Einrichtungen (12) zur Phasen
verschiebung des einem der Wandler des Paares zugeführten Sig
nals um 180° gegenüber dem Signal einschließen, das dem anderen
Wandler des Wandlerpaares (2, 2′) zugeführt wird.
5. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der
Wandler aus zwei Wandlerpaaren (2, 2′; 23, 23′) besteht, die zum
Betrieb in einem Janus-System angeordnet sind.
6. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerein
richtungen der Wandler Einrichtungen zur Verschiebung der Phase
des einem Wandler jedes Paares zugeführten Signals um 180°
gegenüber dem anderen Wandler des Paares zugeführten Signals
sowie Einrichtungen (24) zur Verschiebung der Phase der einem
Wandlerpaar 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 aus einem Wandlerpaar (2, 2′) besteht, daß die Ansteuer
einrichtungen der Wandler getrennte Summiereinrichtungen (10,
10′), die auf die ersten und zweiten Signale ansprechen, und
einzelne lineare Verstärkereinrichtungen (11, 11′) einschließen,
die auf das Ausgangssignal der entsprechenden Summiereinrichtung
(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 Summiereinrichtungen einschließen.
8. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der
Wandler aus einem Wandlerpaar (2, 2′) besteht, und daß die
Ansteuereinrichtungen der Wandler getrennte Leistungsverstärker
(13, 14), die zum Empfang des ersten bzw. zweiten Signals ange
schaltet sind, und einen Hybrid-Koppler (15) mit ersten und
zweiten Eingangsanschlüssen und Summen- und Differenz-Ausgangs
anschlüssen einschließen, daß die ersten und zweiten Eingangs
anschlüsse zum Empfang der Ausgangssignale von dem ersten bzw.
zweiten Leistungsverstärker (13, 14) angeschaltet sind, und daß
die Summen- und Differenz-Ausgangsanschlüsse zur Ansteuerung des
ersten bzw. zweiten Wandlers des Wandlerpaares (2, 2′) ange
schaltet sind.
9. Sonar-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) aus
einem Material mit einer Schallausbreitungsgeschwindigkeit
hergestellt ist, die größer als die von Wasser ist, und daß der
kreisringförmige Teil (4′) der Linse (1) in Form einer
doppelkonkaven Linse aufgebaut ist.
10. Sonar-Einrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (1) aus
Methylmethacrylat, syntaktischem Epoxy-Schaum oder Polystyrol
hergestellt ist.
11. Sonar-Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der kreisringförmige
Teil (4′) der Linse (1) derart aufgebaut ist, daß sich eine
Brennweite von im wesentlichen 1,4 Metern ergibt, und daß die
Wandler in einer Entfernung von etwa 99 cm von der Linse (1)
angeordnet sind.
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