DE3331712C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein akustisches Sensorelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Ein solches akustisches Sensorelement ist als Lichtleiterhydrophon verwendbar, mit dem man den Wechseldruck eines Schallfeldes messen kann.

In dem Aufsatz "Optical Fiber Sensor Technology" von Thomas G. Giallorenzy et al., der in der Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-30, Nr. 4, April 1982, veröffentlicht ist, ist ein solches Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip beschrieben, das als Interferometer arbeitet. Zwei Lichtleiterfasern bilden Lichtwege des Mach-Zehnder-Interferometers. Eine der Lichtleiterfasern wird dem Schallfeld ausgesetzt und bildet ein Meßsystem, die zweite Lichtleiterfaser wird als Referenzsystem benutzt und nicht vom Schallfeld beeinflußt. Durch beide Lichtleiterfasern werden kohärente Lichtwellen geschickt. Durch die Einwirkung des Schallfeldes wird eine Längenänderung der Lichtleitfaser und eine Änderung ihres Brechungsindexes bewirkt. Beide Änderungen führen zu einer Phasenverschiebung der Lichtwelle im Meßsystem gegenüber der Lichtwelle im Referenzsystem. Zum Nachweis dieser Phasenverschiebung werden beide Lichtwellen am Ende der Lichtleitfaser überlagert und einem Fotodetektor zugeführt.

In dem gleichen Artikel ist auf Seite 493 ein akustisches Sensorelement für ein Lichtleiterhydrophon beschrieben, bei dem auf einen Trägerzylinder ein polarisationserhaltender Lichtleiter aufgewickelt ist. Die Wirkungsweise dieses Lichtleiterhydrophons beruht auf der Doppelbrechung des eine Lichtwelle führenden Lichtleiters. Eine Änderung der Doppelbrechung wird durch Druckbeanspruchung des Trägerzylinders bewirkt und als Lichtintensitätsänderung analysiert.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 30 47 308 ist eine Anordnung bekannt, bei der auf einen mit einer Bohrung versehenen Trägerzylinder eine Lichtleitfaser aufgewickelt ist. Die Empfindlichkeit eines solchen akustischen Sensorelements wird entscheidend durch das Material des Trägerzylinders vergrößert, wenn das Material des Trägerzylinders gegenüber dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser einen geringeren Elastizitätsmodul aufweist. Die Empfindlichkeitssteigerung beruht darauf, daß die Beanspruchung und Dehnung in der Lichtleitfaser durch den geringeren Elastizitätsmodul des Trägerzylinders verändert werden. Die axiale Beanspruchung wird in der eingebetteten Lichtleitfaser erhöht. Die zugeführte Druckkraft ruft eine Formänderung im Trägerzylinder hervor, die wiederum in Form einer Längenänderung auf die Lichtleitfaser übertragen wird, so daß die axiale Beanspruchung und die Längenänderung sehr viel größer als bei einer blanken Lichtleitfaser werden. Problematisch bei einer solchen Anordnung sind Gleichdruckeinflüsse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem akustischen Sensorelement der eingangs genannten Art die Empfindlichkeit unabhängig von vorhandenen Gleichdrucken zu erhöhen.

Die Aufgabe wird bei einem akustischen Sensorelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Im Innenraum, der durch eine aufgewickelte Lichtleitfaser gebildet wird, befindet sich erfindungsgemäß mindestens ein Körper, der vom Material her und seiner Form so ausgebildet ist, daß er das einfallende Schallfeld transformiert. Der nicht von dem oder den Körpern ausgefüllte Innenraum des Sensorelements ist mit einem schallübertragenden Medium gefüllt, bei Anwendung in der Wasserschalltechnik beispielsweise Wasser.

Die durch das Einbringen des erfindungsgemäßen Körpers in den Innenraum erzielte Empfindlichkeitssteigerung des Sensorelements kann man sich dadurch verursacht vorstellen, daß der Körper wie ein Sekundärstrahler wirkt, der die einfallenden Schallwellen geometrisch so beeinflußt, daß eine Anpassung der Schallfeldstruktur an die Sensorgeometrie erreicht wird. Der besondere Vorteil besteht darin, daß die Empfindlichkeitssteigerung bei gewähltem, druckbeständigem, mechanisch robustem Aufbau der Lichtleitfaser nur durch den im Innenraum befindlichen Körper verursacht wird. Auch bei Verwendung eines hohlen Trägerzylinders für die Lichtleitfaser ist eine Unabhängigkeit von äußeren Gleichdrucken erreicht, da das Material des Trägers nicht zur Empfindlichkeitssteigerung beitragen muß, sondern nur dem kompakten und mechanisch störunanfälligen Aufbau der Lichtleitfaser dient.

Eine besonders effiziente Schallfeldtransformation wird dadurch erreicht, daß ein solcher Körper das Verhältnis von Schalldruck und Schallschnelle wesentlich beeinflußt. Durch eine Materialauswahl, die eine geringe Dämpfung des Schallfeldes im Innern des Körpers garantiert, wird erreicht, daß an der Lichtleitfaser gemessene Phasenänderungen der durch sie geführten Lichtwelle allein durch das Schallfeld und nicht durch Temperaturänderung hervorgerufen werden, da durch den Körper keine Umsetzung der Schallenergie in Wärme erfolgt.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Sensorelements nach Anspruch 2 wird erreicht, daß der schallfeldtransformierende Körper sich in einem Feld ebener Schallwellen ähnlich wie ein Kugelstrahler verhält. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtleitfaser des Sensorelements auf einer Kugeloberfläche oder einem Zylindermantel aufgewickelt ist, da sich dann das Sensorelement unter dem Einfluß des in seinem Innenraum befindlichen schallabstrahlenden Körpers in radialer Richtung ausdehnen bzw. zusammenziehen wird. Die hierdurch hervorgerufene Längenänderung in der Lichtleitfaser führt zu der Empfindlichkeitssteigerung.

Eine vorteilhafte Weiterbildung gibt Anspruch 3 an. Versuche haben gezeigt, daß Empfindlichkeitssteigerungen von 30 dB möglich sind.

Nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des akustischen Sensorelements gemäß Anspruch 4 besteht der Körper beispielsweise aus einem porösen Stoff, bei dem sich kleine Hohlräume im Material befinden. Bei Einsatz eines solchen akustischen Sensorelements in der Wasserschalltechnik würde man den Körper beispielsweise aus Hartschaum herstellen, dessen akustischer Wellenwiderstand wesentlich kleiner ist als Wasser. Der Einsatz von Materialien mit größeren geschlossenen Hohlräumen oder mit metallischen Einschlüssen ist ebenfalls möglich.

Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 4 besteht darin, daß durch unterschiedliche Formgebung des Körpers und Zusammensetzung seines Materials die Empfindlichkeit des Sensorelements und der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit einstellbar ist. Zum Beispiel läßt sich der Körper als Resonator durch die inneren Hohlräume in seinem Material ausbilden, wodurch eine schmalbandige Funktion des akustischen Sensorelements gegeben ist. Durch mehrere solche Resonatoren innerhalb eines oder mehrerer Körper läßt sich in einfacher Weise ein vorgebbares breitbandiges Detektionsverhalten erzielen.

Ein breitbandiges Verhalten des akustischen Sensorelements ist erfindungsgemäß ebenfalls durch metallische Einschlüsse in einem schallweichen Material realisierbar. Die äußere Kontur des Körpers beeinflußt auch hier das Frequenzverhalten des Sensorelements.

Durch eine Dimensionierung des die Lichtleitfaser aufnehmenden Trägers gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 5 wird erreicht, daß eine Übertragung des einfallenden Schallfeldes auf den Körpern praktisch nicht gestört wird und der Träger den Auslenkungen des durch den Körper transformierten Schallfeldes folgen kann. Bei Anwendung eines solchen Sensorelements als Lichtleiterhydrophon wird durch das verwendete Trägermaterial, das schallphysikalisch wasserähnliche Eigenschaften aufweist, gewährleistet, daß ein Einsatz in unterschiedlichen Wassertiefen und damit bei unterschiedlichen Gleichdrucken praktisch keine Beeinflussung der Meßeigenschaften hervorruft. Ein solcher Träger wird beispielsweise aus Polyurethan geformt, wobei es gemäß Anspruch 6 besonders vorteilhaft ist, die Lichtleitfaser mit verflüssigtem Trägermaterial zu umgießen, so daß eine Klebeverbindung zwischen Träger und Lichtleitfaser das gleiche Material wie der Träger aufweist.

Aus fertigungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, dem Sensorelement eine Form gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 zu geben.

Bei einem Aufbau des Sensorelements gemäß Anspruch 8 hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Innendurchmesser des Vollzylinders so dimensioniert ist, daß er den Innenraum des Hohlzylinders nahezu völlig ausfüllt und das schallübertragende Medium zwischen Träger und Körper nur eine geringe Schichtdicke aufweist.

Ein vereinfachter Aufbau und eine störungsfreie Funktion des Sensorelements läßt sich durch die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 9 erreichen, da eine Abkapselung gegenüber dem Übertragungsmedium überflüssig ist. Bei Anwendung in der Wasserschalltechnik befindet sich auch im verbleibenden Innenraum Wasser als schallübertragendes Medium.

Eine Anwendung des Sensorelements als Lichtleiterhydrophon gibt die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 10 an. Durch Einsatz eines polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters ist eine einfache Herstellung eines störunanfälligen Lichtleiterhydrophons möglich. Die beiden übertragungsfähigen Polarisationsebenen der Lichtwelle bilden das Meßsystem und das Referenzsystem eines Interferometers, das ähnlich wie das Mach-Zehnder-Interferometer arbeitet. Die durch den erfindungsgemäßen schalltransformierenden Körper, der sich in dem von dem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter umgebenden Innenraum befindet, erzielten Längenänderungen in dem Lichtwellenleiter bewirken in den beiden polarisationsunterschiedenen Lichtwegen unterschiedliche optische Phasenänderungen. Durch Phasenvergleich werden die Phasenänderungen ausgewertet und geben das einfallende Schallfeld wieder. Der besondere Vorteil besteht darin, daß das Meß- und Referenzsystem gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind und dadurch bedingte Längenänderungen in beiden Systemen gleichermaßen auftreten, so daß sie nicht das durch Phasenvergleich gewonnene Meßergebnis verfälschen können. Die bei einem üblichen Interferometer nach dem Mach-Zehnder-Prinzip auftretenden Gleichdruckprobleme werden durch Einsatz des erfindungsgemäßen Sensorelements überwunden ohne Beeinträchtigung der akustischen Empfindlichkeit, da die Empfindlichkeitszunahme nicht durch die elastischen Eigenschaften des Trägers, sondern nur durch den schallfeldtransformierenden Körper erreicht wird.

Eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 11 gibt ein akustisches Sensorelement an, das aus mehreren Einzelelementen aufgebaut ist. Jedes Einzelelement besteht aus einer ggf. auf einen hohlen Trägerzylinder aufgewickelten Lichtleitfaser, wobei mindestes ein Einzelelement in dem von seiner Lichtleitfaser umschlossenen Innenraum einen schalltransformierenden Körper aufweist. Die Einzelelemente können beliebig zueinander angeordnet werden, beispielsweise äquidistant nebeneinander auf einer Geraden, einer Kreislinie, auf einer Ebene oder gekrümmten Fläche. Ein solches aus vielen Einzelelementen aufgebautes Sensorelement ist besonders vorteilhaft in der Wasserschalltechnik zum Bilden von Richtcharakteristiken einzusetzen. Bei Verwendung von Einzelelementen, die gemäß dem Kennzeichenteil des Anspruchs 12 ausgebildet sind und mit einer Phasenauswertung ihrer polarisationsunterschiedenen Lichtwellen versehen sind, ist das gesamte Sensorelement als Hydrophonbasis zu verwenden. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Einzelelemente zueinander, der ungefähr gleich der halben Wellenlänge der kleinsten noch auszuwertenden Wellenlänge des einfallenden Schallfeldes ist. Durch die kleinen Abmessungen der Einzelelemente ist ein dicht benachbarter Aufbau realisierbar, der auch eine Auswertung eines hochfrequenten Schallfeldes ermöglicht.

Der besondere Vorteil dieser Weiterbildung des akustischen Sensorelements nach Anspruch 11 besteht darin, daß die Empfindlichkeit und das Frequenzverhalten jedes Einzelelements allein durch Aufbau und Abmessungen seines schalltransformierenden Körpers getrennt einstellbar sind, so daß akustische Eigenschaften eines solchen Sensorelements unabhängig vom optischen Aufbau und von einer Auswertung der von den Lichtleitfasern geführten Lichtwellen der Einzelelemente allein durch seine Konfiguration realisiert und ggf. geändert werden können.

Die erfindungsgemäßen Weiterbildungen nach den Ansprüchen 12, 13 und 14 geben fertigungstechnische Vereinfachungen an. Der gleichartige Aufbau der Einzelelemente bringt weiterhin den Vorteil mit sich, daß die Lichtleitfasern gleichen Temperatureinflüssen unterliegen, so daß eine Phasenauswertung der von ihnen geführten Lichtwellen temperaturunabhängig ist.

Durch unterschiedliche Formgebung und Materialwahl der Körper jedes Einzelelements gemäß Anspruch 15 wird seine Empfindlichkeit und der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit eingestellt. Der Vorteil eines solchen aus Einzelelementen unterschiedlicher akustischer Eigenschaften aufgebauten Sensorelements besteht darin, daß diese Hydrophonkonfiguration, die zum Bilden von Richtcharakteristiken eingesetzt werden kann, durch unterschiedliche Empfindlichkeit der Einzelelemente eine gute Nebenzipfeldämpfung aufweist.

Bei einem praktischen Einsatz eines solchen akustischen Sensorelements, beispielsweise in der Peiltechnik, von einem sich im Wasser bewegenden Fahrzeug aus, ist ein Aufbau gemäß Anspruch 16 besonders vorteilhaft, da ein Hüllkörper dem Sensorelement ein strömungstechnisch günstiges Verhalten gibt. Dieser Hüllkörper ist dann mit dem schallübertragenden Medium gefüllt, das sich auch in den Innenräumen der Einzelelemente befindet. Das schallübertragende Medium kann beispielsweise das Übertragungsmedium des einfallenden Schallfeldes sein, nämlich das das Fahrzeug umgebende Wasser. Im Hüllkörper ist eine entsprechende Öffnung mit Druckausgleich vorzusehen. Der Vorteil eines solchen Sensorelements besteht darin, daß durch eine Umspülung der Einzelelemente die Lichtleitfasern gleichartigen Temperaturverläufen ausgesetzt sind und eine Phasenauswertung der von ihnen geführten Lichtwellen temperaturunabhängig ist.

Die erfindungsgemäße Möglichkeit des Einstellens der Empfindlichkeit der Einzelelemente des Sensorelements bringt weiterhin den Vorteil mit sich, daß sich aus zwei Einzelelementen gemäß dem Kennzeichenteil des Anspruchs 17 in einfacher Weise ein Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip realisieren läßt. Die beiden Einzelelemente bilden das Meß- und Referenzsystem, die sich im gleichen Übertragungsmedium befinden und das gleiche schallübertragende Medium aufweisen. Das Meß- und Referenzsystem besteht aus zwei identischen Lichtleitfaser-Anordnungen. Jede Lichtleitfaser-Anordnung weist beispielsweise einen zylinderförmigen Träger mit einem gleich langen Mono-Mode-Lichtwellenleiter auf. Nur in der einen Lichtleitfaser-Anordnung befindet sich als schalltransformierender Körper ein Vollzylinder. Durch Einbringen des Vollzylinders in den Trägerzylinder wird ein so großer Empfindlichkeitsunterschied gegenüber dem Einzelelement ohne schalltransformierenden Körper erzeugt, daß das Einzelelement mit Körper im Innenraum das Meßsystem und das Einzelelement ohne Körper im Innenraum das Referenzsystem bilden. Meß- und Referenzsystem sind ebenfalls durch schalltransformierenden Körper mit unterschiedlichem akustischen Wellenwiderstand realisierbar. Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Lichtleiterhydrophons ergibt sich, wenn die Trägerzylinder der Einzelelemente fluchtend angeordnet werden.

Bei diesem erfindungsgemäßen Aufbau des Lichtleiterhydrophons nach dem Mach-Zehnder-Prinzip gemäß Anspruch 17 sind umweltbedingte Einflüsse, wie z. B. Temperaturschwankungen, für das Meßergebnis vernachlässigbar. Eine Beeinflussung wie bei bekannten Anordnungen mit verschiedenen Trägerwerkstoffen und akustischer Abschirmung des Referenzsystems ist nicht vorhanden. Beide Lichtleitfasern sind bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement dem gleichen äußeren statischen Druck ausgesetzt, so daß dadurch hervorgerufene Verformungen und somit Änderungen der sensitiven Lichtleitfaser nicht in das Meßergebnis, nämlich die Wiedergabe des Wechseldrucks des einfallenden akustischen Schallfelds, eingehen.

Besonders vorteilhaft ist es, daß die Empfindlichkeit des als Lichtleiterhydrophons arbeitenden Sensorelements allein durch den das Schallfeld transformierenden Körper bestimmt wird, so daß Lichtleiterhydrophone unterschiedlicher akustischer Meßeigenschaften sich ohne Veränderung ihrer optischen Komponenten lediglich durch Auswechseln der schallfeldtransformierenden Körper mit unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen in den Innenräumen des Meß- und Referenzsystems herstellen lassen.

Ein Sensorelement aus vielen Einzelelementen, von denen zwei zusammen jeweils ein Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip bilden, ist ebenfalls realisierbar und in der Wasserschalltechnik zum Peilen verwendbar. Besonders vorteilhaft ist es, bei einer kreisförmigen Konfiguration zylinderförmige Einzelelemente zu verwenden. Die beiden ein Lichtleiterhydrophon bildenden Einzelelemente werden mit ihren Zylinderachsen fluchtend hintereinander angeordnet und die so gebildeten Lichtleiterhydrophone im Abstand der kleinsten auszuwertenden halben Wellenlänge mit ihren Achsen in radialer Richtung weisend auf der Kreislinie angeordnet. Ein so gebildetes erfindungsgemäßes Sensorelement ist mit einer Kreisbasis mit piezokeramischen Wandlerelementen vergleichbar.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Sensorelements,

Fig. 2 ein Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip,

Fig. 3 ein Sensorelement, bestehend aus vielen Einzelelementen auf einer Kreislinie,

Fig. 4 ein Sensorelement, bestehend aus vielen Einzelelementen unterschiedlicher akustischer Empfindlichkeit.

Das in Fig. 1 gezeigte akustische Sensorelement befindet sich in einem Übertragungsmedium für ein einfallendes Schallfeld, z. B. Wasser. Es weist eine Lichtleitfaser 11 auf, die auf einen Träger 12 in Form eines Hohlzylinders spulenförmig aufgewickelt ist. Der akustische Wellenwiderstand des Trägers 12 ist ähnlich dem Wellenwiderstand des Übertragungsmediums gewählt. Die Lichtleitfaser 11 ist auf dem Träger 12 mit Hilfe eines Umgusses 13 fixiert. Der Umguß 13 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Träger 12, beispielsweise aus Polyurethan. Im Innenraum 14 des Trägers 12 befindet sich ein schallfeldtransformierender Körper 15 in Form eines Vollzylinders und ein schallübertragendes Medium, das gleich dem Übertragungsmedium ist. Der akustische Wellenwiderstand des Körpers 15 ist kleiner als der akustische Wellenwiderstand des schallübertragenden Mediums im Innenraum gewählt. Der Körper 15 ist beispielsweise aus Hartschaum hergestellt. Der Träger 12 und der Körper 15 sind rotationssymmetrisch zur Zylinderachse 16.

Der Körper 15 transformiert ein einfallendes Schallfeld aufgrund seiner Formgebung in ein zur Zylinderachse 16 rotationssymmetrisches Schallfeld, dessen Verhältnis von Schalldruck und Schallschnelle durch die unterschiedlichen akustischen Widerstände des Körpers 15 und des schallübertragenden Mediums bestimmt ist. Der Körper 15 ist mit einem Halteelement 17 auf einer Trägerplatte 18 angebracht, die auch zur Befestigung des Trägers 12 dient. Als Lichtleitfaser 11 dient ein Mono-Mode-Lichtwellenleiter.

Bei Verwendung eines polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters, der die Lichtwelle in zwei Polarisationsebenen führt, kann das Sensorelement gemäß Fig. 1 als Lichtleiterhydrophon in Form eines Interferometers verwendet werden, bei dem jede Polarisationsebene einen Lichtweg darstellt und beide Lichtwege als Arme eines Interferometers verwendet werden.

Fig. 2 zeigt ein Sensorelement mit zwei Einzelelementen, das als Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehn­ der-Prinzip einsetzbar ist. Das Sensorelement weist ein Meßsystem 20 und ein Referenzsystem 21 auf, die mit kohärentem Licht gespeist werden.

Das Meßsystem 20 und das Referenzsystem 21 weisen beide Lichtleitfasern 31 und 32 vom gleichen Lichtwellenleitertyp auf. Die Lichtleitfaser 31 befindet sich auf einem Träger 33 in Form eines Hohlzylinders und ist mit einem Umguß 34 am Träger 33 fixiert. Das Referenzsystem 21 weist einen in seinen geometrischen Abmessungen identischen Träger 35 mit Umguß 36 auf, innerhalb dessen sich die Lichtleitfaser 32 befindet. Die Träger 33 und 35 sind aus gleichem Material und beispielsweise durch eine Nut 37 akustisch entkoppelt. Im Innern der Hohlzylinder befindet sich als schallübertragendes Medium das das Sensorelement umgebende Übertragungsmedium. Im Innenraum des Meßsystems 20 ist ein schalltransformierender Körper 40 angeordnet, dessen akustischer Wellenwiderstand kleiner als der des schallübertragenden Mediums ist. Der Körper 40 wird von einem Halteelement 41 konzentrisch zum Träger 33 gehalten. Das Halteelement 41 befindet sich in einer vom Schalldruck nicht beeinflußten Faser des Körpers 40 und ist an einer Trägerplatte 42 angebracht, an die auch der Träger 35 des Referenzsystems 21 befestigt ist.

Im Innenraum des Referenzsystems 21 befindet sich kein schalltransformierender Körper wie im Innenraum des Meßsystems 20. Der große Unterschied in der Empfindlichkeit des Meßsystems 20 mit seinem schalltransformierenden Körper 40 und des Referenzsystems 21 erlaubt es, beide Systeme dem einfallenden Schallfeld im gleichen schallübertragenden Medium auszusetzen und trotzdem eine Phasenauswertung der in den Lichtleitfasern 31 und 32 des Meßsystems 20 und des Referenzsystems 21 geführten Lichtwellen nach dem Mach-Zehnder-Prinzip vornehmen zu können, die das einfallende Schallfeld wiedergibt.

Fig. 3 zeigt ein Sensorelement, bei dem einzelne Lichtleiterhydrophone 101, 102, . . . mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 auf einer Kreislinie angeordnet sind. Ihre Zylinderachsen 161, 162, . . . weisen in radiale Richtung und sind im Abstand λ/2 angeordnet, wobei λ die kleinste auszuwertende Wellenlänge des einfallenden Schallfeldes kennzeichnet. Ein Hüllkörper 180 gibt dem Sensorelement seine äußere Kontur, der Hüllkörper 180 ist mit dem schallübertragenden Medium gefüllt, das sich auch in den von Lichtleitfasern umgebenden Innenräumen der Lichtleiterhydrophone 161, 162, . . . befindet. Ein solches Sensorelement ist zum Bilden von Richtcharakteristik in gleicher Weise einsetzbar wie eine in der Wasserschalltechnik übliche, mit piezokeramischen Wandlerelementen bestückte Kreisbasis.

Fig. 4 zeigt ein als lineare Basis aufgebautes Sensorelement mit zehn Lichtleiterhydrophonen 201 bis 210, die entsprechend Fig. 1 oder 2 aufgebaut sind. Die Lichtleiterhydrophone 201 bis 210 weisen unterschiedliche schalltransformierende Körper auf, deren akustische Wellenwiderstände und/oder Abmessungen so gewählt sind, daß die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 205 und 206 am größten ist und die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 204 bis 201 in gleicher Weise wie die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 207 bis 210 abnimmt. Mit diesem Sensorelement ist eine Richtcharakteristik zu erreichen, die gegenüber einer Richtungsbildung mit Hydrophonen gleicher Empfindlichkeit eine erhöhte Nebenzipfeldämpfung aufweist, ohne daß eine Bewertung der Ausgangssignale der einzelnen Lichtleiterhydrophone 201 bis 210 durch entsprechende Signalverarbeitung vorgenommen werden muß. Diese sonst übliche Signalverarbeitung wird durch die in den Lichtleiterhydrophonen 201 bis 210 befindlichen unterschiedlichen schalltransformierenden Körper und dadurch bedingte Empfindlichkeitsunterschiede realisiert.

Die Lichtleiterhydrophone 201 bis 210 sind an einer Trägerplatte 211 befestigt und von einem Hüllkörper 212 umgeben, der dem Sensorelement eine strömungstechnisch günstige Form verleiht. Das Sensorelement ist mit einem schallübertragenden Medium 213 gefüllt, das sich auch in den Lichtleiterhydrophonen 201 bis 210 und in den von ihren Lichtleitfasern umschlossenen Innenräumen befindet. Das schallübertragende Medium 213 ist das gleiche wie das Übertragungsmedium außerhalb des Hüllkörpers 212 und über eine Öffnung 214 mit Druckausgleich damit verbunden.

Claims (17)

1. Akustisches Sensorelement mit einer dem Schallfeld aussetzbaren, auf einem Träger, der einen Innenraum umschließt, angeordneten Lichtleitfaser, insbesondere für ein Lichtleiterhydrophon, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (14) mindestens ein schallfeldtransformierender Körper (15) zur Anpassung der Schallfeldstruktur an die Sensorgeometrie angeordnet ist, daß der verbleibende Innenraum (14) mit einem schallübertragenden Medium ausgefüllt ist und daß der akustische Wellenwiderstand des Körpers (15) kleiner als der akustische Wellenwiderstand des schallübertragenden Mediums ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß seine Abmessungen klein gegenüber der Wellenlänge von Schallwellen des auszuwertenden Schallfeldes sind.

3. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (15) in seinem geometrischen Aufbau dem Innenraum (14) angepaßt ist.

4. Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (15) aus einem Material mit Hohlräumen oder Einschlüssen unterschiedlichen physikalischen Verhaltens besteht.

5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (11) auf einem hohlen Träger (12) angeordnet ist und daß der akustische Wellenwiderstand des Trägers (12) ähnlich dem akustischen Wellenwiderstand des das Sensorelement umgebenden Übertragungsmediums ist.

6. Sensorelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) mit aufgebrachter Lichtleitfaser (11) mit verflüssigtem Trägermaterial umgossen ist.

7. Sensorelement nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (12) ein Hohlzylinder und der Körper (15) ein Vollzylinder ist.

8. Sensorelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Hohlzylinder und Vollzylinder konzentrisch angeordnet sind.

9. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Innenraum (14) befindliche schallübertragende Medium gleich dem umgebenden Übertragungsmedium ist.

10. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (11) ein polarisationserhaltender Lichtwellenleiter mit zwei Polarisationsebenen für eine von ihm geführte Lichtwelle ist, wobei jede Polarisationsebene einen Lichtweg darstellt, und daß beide Lichtwege als Arm eines als Lichtleiterhydrophon eingesetzten Interferometers verwendet werden.

11. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine zweite Lichtleitfaser (32) im Abstand zur ersten Lichtleitfaser (31) einen zweiten Innenraum umschließend angeordnet ist und beide Innenräume das gleiche schallübertragende Medium aufweisen.

12. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenräume gleiche geometrische Abmessungen aufweisen.

13. Sensorelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (33, 35) der Lichtleitfasern (31, 32) aus gleichem Trägermaterial bestehen und gleiche Maße aufweisen.

14. Sensorelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lichtleitfasern (31, 32) gleiche Länge aufweisen.

15. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Innenraum ein Körper angeordnet ist und daß die Körper unterschiedliche akustische Wellenwiderstände aufweisen.

16. Sensorelement nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Trägerplatte (211) zur Befestigung der Lichtleitfasern bzw. ihrer Träger und der Körper (Lichtleiterhydrophone 201, . . ., 210) in den Innenräumen und durch einen mit der Trägerplatte (211) verbundenen Hüllkörper (212), der mit dem schallübertragenden Medium (213) gefüllt ist.

17. Sensorelement nach einem der Ansprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch seine Verwendung als Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip mit einer ersten Lichtleitfaser (31) für sein Meßsystem (20) und mit einer zweiten Lichtleitfaser (32) für sein Referenzsystem (21), wobei der Körper (40) im von der ersten Lichtleitfaser (32) umschlossenen Innenraum den geringsten akustischen Widerstand aufweist und beide Lichtleitfasern (31, 32) vom gleichen Lichtwellenleitertyp sind.