DE3444424A1 - Wandleranordnung fuer unterwasserantennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Wandleranordnungen werden in Sonar-Anlagen zum Senden und Empfangen von Unterwasserschallwellen verwendet.

Es ist aus der Sonartechnik bekannt, zum Aufbau von Wandleranordnungen sowohl Lichtleitfasern als auch drahtförmiges, piezoelektrisches Material zu verwenden. Das Prinzip eines Lichtleitfaserhydrophons ist in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT-30, No. 4, April 1982, Seiten 472 bis 508, Thomas G. Giallorenzy et al "Optical Fiber Sensor Technology" beschrieben. Es sind dort zwei verschiedene Typen von Lichtleiterhydrophonen angegeben, eines nach dem Mach-Zehnder-Prinzip und eines unter Verwendung von polarisationserhaltenden Lichtleitern.

Aus der DE-OS 33 24 368 ist ein langgestreckter, fadenförmiger Wandler bekannt, der aus einem zentralen Leiter besteht, um den herum eine piezoelektrische Schicht angeordnet ist. Dieses Wandlerelement ist so biegsam, daß ein Wickeln, Weben oder eine Zickzackführung zum Bilden einer Sende-/Empfangsanordnung für eine Sonaranlage möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung mit mehreren Wandlern zu schaffen, von denen jeder in eine durch seinen Aufbau vorgebbare Richtung selektiv arbeitet, so daß die Wandleranordnung in eine Anzahl von Richtungen zeitparallel wirksam ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Wandleranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Wandleranordnung geschaffen wird, die besondere Schaltanordnungen zu Richtungsbildungen erübrigt. Die Richtungsabhängigkeit der Wandler ist allein von den Abmessungen der Fadenflachwickel abhängig, wobei die Richtschärfe um so größer ist, je größer die Fadenflachwickel sind.

Die erfindungsgemäße Wandleranordnung ermöglicht eine beliebige Anordnung der einzelnen Wandler auf der Antennengrundfläche, so daß der Winkelversatz und damit die Richtungen, in denen die Wandleranordnung wirksam ist, frei wählbar ist. So kann z. B. in einem Sektor eine Vielzahl von Richtungen vorgesehen sein, in einem anderen nur eine geringe Anzahl. Anordnungen mit ungleichmäßig verteilten Richtungen sind z. B. sehr vorteilhaft für Küstenüberwachungsaufgaben mittels einer vorgeschobenen Sonaranlage, bei der in Richtung zur eigenen Küste nur geringe Überwachungsfunktion vorzusehen ist, in anderen Sektoren jedoch eine hohe Richtungsselektivität erwünscht ist.

Des weiteren weist die erfindungsgemäße Wandleranordnung ein sehr geringes Gewicht auf gegenüber herkömmlichen Anordnungen, die schwere keramische Wandler verwenden. Die erfindungsgemäße Wandleranordnung ist daher besonders geeignet zum Einbau in kleinere Schiffe, Torpedos oder Bojen.

Die Fadenflachwickel verzerren das Schallfeld nicht. Somit beeinflussen sich die einzelnen Wandler nicht gegenseitig.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2. Durch diese Maßnahmen erhält man eine Wandleranordnung, wie sie für Panorama-Sonar-Anlagen mit einer Arbeitsweise über den gesamten Azimut erforderlich ist.

Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 3 vorgesehene Anordnung ergibt sich eine sehr kompakte Wandleranordnung. Der Durchmesser der Wandleranordnung steht in einem günstigen Verhältnis zu den möglichen Abmessungen der Fadenwickelflächen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist eine Montage der Fadenflachwickel angegeben, die keinen Einfluß auf das die Wandleranordnung umgebende Schallfeld ausübt.

Durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 wird eine Verbreiterung der durch die Abmessungen der Fadenflachspulen bestimmten Richtcharakteristiken zum Erfassen eines größeren Winkels möglich.

Durch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 ist eine einfache Wickeltechnik für eine Fadenflachspule ermöglicht.

Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 ergriffenen Maßnahmen erhält man eine einfache Wickelform für konvexe Fadenflachwickel.

Durch die in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ergriffenen Maßnahmen erhält man Fadenflachwickel, deren Fäden an den Schnittlinien über Kreuz gewickelt sind.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 9 und 10 ist ein Aufbau einer Wandleranordnung aus vorgefertigten Teilen, nämlich von Platten mit ggf. bereits aufgeklebten Fadenflachwickeln, möglich. Damit ist ein schneller Aufbau einer Wandleranordnung mit einer gewünschten Anzahl von Richtungen möglich.

Durch eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 erhält man Baukörper, die Wickelträger für mehrere durch Aufkleben befestigte Fadenflachwickel sind und die den Aufbau einer Wandleranordnung weiter vereinfachen.

Mit einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 12 erhält man einen Aufbau der Wandleranordnung mit einem besonders günstigen Verhältnis zwischen dem Umfang der Wandleranordnung und den Abmessungen von Fadenwickelflächen.

Die Form der Zusatzkörper richtet sich nach der Anzahl der vorgesehenen Richtungen und damit nach der Anzahl der Ecken des Hohlkörpers. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 13 ist die Form des Zusatzkörpers genau bestimmt. Allerdings mit der Maßgabe, daß die scharfe Außenkante des Zusatzkörpers auch gekappt oder verrundet werden kann, um sie dem Umfang der gesamten Wandleranordnung anzupassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 14. Durch diese Maßnahmen ist erkennbar, daß je nach Krümmung der Fadenwickelflächen auch Zusatzkörper mit drachenflächenähnlichem Querschnitt bei Hohlkörpern mit nur fünf oder sechs Ecken angewendet werden können.

Mit einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 15 ist gewährleistet, daß die Fadenflachwickel nur in eine Richtung, nämlich in die Richtung nach außen, empfindlich sind.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 16 ist eine Verbesserung der Richtcharakteristik in eine durch die Verzögerung vorgegebene Richtung erzielt. Bei dieser Bauform wird die Schallfeldstruktur durch die Wandleranordnung nicht verändert, da kein absorbierendes bzw. reflektierendes Material im Innern der Wandleranordnung benötigt wird, an deren Grenzflächen Streuwellen auftreten können, die das Schallfeld verändern.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht einer Wandleranordnung mit zwölf um 30° azimutal versetzten Richtcharakteristiken gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 einen Ausschnitt aus einer Wandleranordnung gemäß Fig. 2 in perspektivischer Darstellung.

Fig. 4 bis 6 eine Draufsicht auf eine Wandleranordnung mit zwölf um 30° azimutal versetzten Richtcharakteristiken gemäß einem dritten, vierten und fünften Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Draufsicht einer Wandleranordnung mit sechs um 60° azimutal versetzten Richtcharakteristiken gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel.

Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf eine Wandleranordnung 1 zum Bilden von zwölf Richtcharakteristiken, die gegeneinander um 30° im Azimut versetzt sind. Jede Richtcharakteristik wird durch einen Wandler erzeugt, der mit einem Fadenflachwickel 2 eine Fadenwickelfläche bildet. Die Fadenflachwickel 2 sind alle gleich groß, um gleiche Richtcharakteristiken, deren Ausbildung von der Abmessung der Fadenflachwickel 2 abhängig ist, zu erhalten. Die Fadenwickelflächen stehen senkrecht auf einer Antennengrundfläche (nicht dargestellt), sie schneiden einander und umschließen einen Innenraum 3.

Wenn die Wandler eine Wirkrichtung von der Wandleranordnung 1 nach außen haben sollen, so muß der Innenraum 3 mit schallabsorbierendem oder -reflektierendem Material 4 gefüllt sein, um durch die Wandleranordnung hindurch gerichtete Wirkrichtungen abzuschalten.

Eine Anwendungsform ohne Einsatz von derartigem Material 4 ermöglicht eine Kombinationsanordnung von zwei parallel gegenüberliegenden Fadenflachwickeln. Gegenüberliegende Fadenflachwickel werden in ihrer Wirkung durch eine Verzögerung unter Berücksichtigung des Abstandes beider Fadenflachwickel 2 voneinander und der Schallgeschwindigkeit in dem die Wandleranordnung 1 umgebenden Medium zu einem einzigen Wandler zusammengefaßt. Mit dieser Anordnung sind die Nachteile, die bei Anwendung von absorbierendem oder reflektierendem Material auftreten können, vermieden.

Absorbierende oder reflektierende Körper, die - aufgrund ihrer schallfeldabschattenden Wirkung - einem ebenen Wandler eine Vorzugsrichtung geben, können an ihren Grenzflächen Streuwellen erzeugen, die eine komplizierte Schallfeldstruktur ergeben, wodurch eine Richtungsbildung der Wandler erschwert wird.

Die Fadenflachwickel 2 sind zwischen zwei auf der Antennengrundfläche stehenden Haltestiften 5 aufgespannt. An Schnittstellen der Fadenwickelflächen werden die akustischen Fäden über Kreuz angeordnet.

Alle Befestigungselemente sind aus einem schallphysikalisch wasserähnlichem Material, z. B. aus Polyurethan, hergestellt.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung gemäß Fig. 1 mit nach außen vorgewölbten Fadenwickelflächen zum Bilden von in der Ebene der Antennengrundfläche verbreiterten Richtcharakteristiken. Die Fadenflachwickel 2 werden als Wendel von einer Reihe von Umlenkstiften 7 gehalten, die an zwei Ständern 8 zu beiden Seiten der Fadenflachwickel 2 auf der Antennengrundfläche stehen. Zwischen den beiden Ständern 8 ist eine Anzahl von Führungsstiften 9 längs eines Kreisbogens von Ständer 8 zu Ständer 8 angeordnet, die Fadenflachwickel 2 sind auf der konvexen Seite der Kreisbogenbahn längs der Führungsstifte 9 in der gewünschten vorgewölbten Form gehalten. Bei dieser nahezu kreisförmigen Anordnung könnte ein schallreflektierendes Material 4 im Innenraum 3 angeordnet werden, das sich in seiner Abmessung der Form der Fadenflachwickel 2 anpaßt (nicht dargestellt).

Fig. 3 zeigt einen Auschnitt einer Wandleranordnung 1 gemäß Fig. 2 in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung. Dargestellt sind der Übersichtlichkeit halber nur zwei konvexe Fadenflachwickel 2 sowie ihre Halterung an von Ständern 8 abstehenden Umlenkstiften 7. Die Kreisbogenbahn ist nur durch zwei Führungsstifte 9 angedeutet, die akustisch wirksamen Fäden jedes Fadenflachwickels 2 kreuzen einander abwechselnd längs der Fadenwickelflächen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform einer Wandleranordnung 1, bei der jede Fadenwickelfläche von mehreren Fadenflachwickeln 2 gebildet ist, die jeweils auf einer Platte 11 angeordnet sind, die in Aufnehmern (nicht dargestellt) auf der Antennengrundfläche stehen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Wandleranordnung 1 nach Wahl aus bereits vorgefertigten und mit Fadenflachwickeln 2 versehenen Platten 11 aufgebaut werden kann.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf eine Wandleranordnung zum Bilden von zwölf um je 30° azimutal versetzten Richtcharakteristiken in einer vierten Ausführungsform. Als Wickelträger ist ein zwölfeckiger Hohlkörper 13 vorgesehen, dessen Mantelflächen Dreieckkörper 14 vorgesetzt sind, deren Querschnittsflächen gleichschenklige Dreiecke sind. Die beiden gleichen Seitenflächen 15 der Dreieckkörper 14 fluchten mit den benachbarten Mantelflächen des Hohlkörpers 13. Als Fadenwickelfläche für einen Wandler dient eine Mantelfläche des Hohlkörpers 13 und die beiden fluchtenden Seitenflächen 15 der Dreieckkörper 14, auf die jeweils ein Fadenflachwickel 2 angebracht ist. Der Hohlkörper 13 hat die Form eines regulären Prismas mit senkrecht zur Antennengrundfläche stehenden Kanten und mit einem regelmäßigen Vieleck als Grundfläche. Die Dreieckkörper 14 sind als dreiseitige gerade Prismen gestaltet. Mit dieser Bauform wird eine ebene Fadenwickelfläche für jeden Wandler gebildet und damit eine möglichst scharfe Richtcharakteristik.

Fig. 6 zeigt eine Wandleranordnung gemäß Fig. 5 mit Zusatzkörpern 16, die rundum den Dreieckkörpern 14 vorgesetzt sind, um breitere Fadenwickelflächen zu erhalten. Die Zusatzkörper 16 weisen eine Drachenfläche als Querschnitt auf und sind damit an die Form der Dreieckkörper 14 angepaßt. Jeder Zusatzkörper 16 ist derart zwei Dreieckkörpern 14 zugeordnet, daß zwei Seitenflächen jedes Zusatzkörpers 16 benachbarten Seitenflächen der Dreieckkörper 14 vorgesetzt sind, die beiden anderen Seitenflächen 17 fluchten mit den nichtbenachbarten Seitenflächen 15 der beiden Dreieckkörper 14 und sind Wickelträger für Fadenflachwickel 2, die zu getrennten Fadenwickelflächen gehören. Die Zusatzkörper 16 müssen nicht notwendigerweise eine Drachenfläche als Querschnitt aufweisen, sie können auch an der scharfen Außenkante abgerundet sein, etwa um sie einem Gesamtdurchmesser der Wandleranordnung 1 anzupassen, sie können aber auch im Querschnitt dreieckig sein, je nach dem Gesamtaufbau der Wandleranordnung 1, d. h., je nachdem, ob die einzelnen Körper, wie Hohlkörper 13, Dreieckkörper 14 und Zusatzkörper 16, miteinander vergossen werden oder ob sie auf der Antennengrundfläche befestigt sind.

Fig. 7 zeigt eine Wandleranordnung 1 zum Bilden von sechs um 60° azimutal versetzten Richtcharakteristiken, die in der Ebene der Antennengrundfläche durch konvexe Ausgestaltung der Fadenwickelflächen verbreitert sind. Die Mantelflächen des Hohlkörpers 13 sind Teile eines Zylindermantels und untereinander gleich. Die Dreieckkörper 14 weisen entsprechend konvexe Seitenflächen 15 und eine dem Hohlkörper 13 zugewandte konkave Fläche auf. Den Dreieckkörpern 14 sind Zusatzkörper 16 vorgesetzt, deren Querschnitt drachenflächenähnlich ist und deren von dem Hohlkörper 13 wegweisende Seitenflächen 17 konvex sind und mit den Seitenflächen 15 der Dreieckkörper 14 fluchten. Die dem Hohlkörper 13 zugewandten Seitenflächen sind konkav ausgebildet und passen sich damit der Form der Dreieckkörper 14 an. Die dargestellte Wandleranordnung 1 mit sechs verbreiterten Richtcharakteristiken ist besonders zweckmäßig für Überwachungsaufgaben einzusetzen, sei es in einer Boje oder auch als zusätzliche Wandleranordnung, etwa zum Empfang einfallender Sendeimpulse eines Aktiv-Sonargerätes. Aktive Sonargeräte werden, da sie sich selbst verraten, nur relativ selten eingesetzt. Es ist also nicht mit Einfall von Sendeimpulsen aus einer Vielzahl benachbarter Richtungen zu rechnen, es genügt die relativ einfache Anordnung mit insgesamt nur sechs um 60°C versetzten Richtcharakteristiken, um das gesamte Umfeld zu überwachen.

Claims (16)

1. Wandleranordnung für Unterwasserantennen mit Wandlern aus akustisch wirksamen Fäden, wie Lichtleitfasern oder drahtförmigen elektrischen Leitern mit piezoelektrischer Materialbeschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler eine vorzugsweise rechteckförmige Fadenwickelfläche aufweist, die von mindestens einem Fadenflachwickel (2) gebildet ist, und daß die Fadenwickelflächen im wesentlichen rechtwinklig zur Antennengrundfläche ausgerichtet und gegeneinander winkelversetzt angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahl und der Winkelversatz der Fadenwickelflächen so gewählt sind, daß ein in sich über 360° der Antennengrundfläche geschlossene Gebilde von Fadenwickelflächen mit umschlossenem Innenraum (3) entsteht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenwickelflächen derart angeordnet sind, daß Fadenwickelflächen benachbarter Wandler sich schneiden.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenflachwickel (2) jeweils auf einem Wickelträger aufgebracht sind, der aus schallphysikalisch wasserähnlichem Material, z. B. Polyurethan, besteht.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenwickelflächen bogenförmig gekrümmt, vorzugsweise in Wirkrichtung konvex, ausgebildet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wickelträger mindestens zwei im Abstand voneiander von der Antennengrundfläche abstehende Haltestifte (5) aufweist, zwischen welchen der Fadenflachwickel (2) in Form einer Flachspule aufgespannt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wickelträger zwei im Abstand voneinander von der Antennengrundfläche abstehende Ständer (8) mit jeweils einer in Ständerlängsrichtung sich erstreckenden Reihe von vom Ständer (8) abstehenden Umlenkstiften (7) und auf einer zwischen den Ständern (8) sich erstreckenden Kriesbogenbahn angeordnete, von der Antennengrundfläche abstehende Führungsstifte (9) aufweist und daß der als Wendel an den Umlenkstiften (7) gehaltene Fadenflachwickel (2) auf der konvexen Seite der Kreisbogenbahn sich längs der Führungsstifte (9) erstreckt.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fadenflachwickel (2) sich längs von Schnittlinien der Fadenwickelflächen gegenseitig durchdringen.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Fadenwickelfläche von mehreren miteinander verbundenen Fadenflachwickeln (2) gebildet ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelträger von jeweils einer auf der Antennengrundfläche gehaltenen Platte (11) gebildet sind, daß die zu einer Fadenwickelfläche zugehörigen Platten (11) miteinander fluchten und daß zwischen den beiderseits einer Schnittlinie der Fadenwickelflächen angeordneten Platten (11) ein Zwischenraum vorgesehen ist.

11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Antennengrundfläche ein gleichwinkliger, mindestens fünfeckiger, prismatischer Hohlkörper (13) befestigt ist, vor dessen Mantelflächen jeweils ein Dreieckkörper (14) mit ein gleichschenkliges Dreieck bildender Querschnittfläche so angeordnet ist, daß die beiden einander gleichen Seitenflächen (15) des Dreieckkörpers (14) mit den angrenzenden Mantelflächen fluchten und die dritte Seitenfläche parallel zu der Mantelfläche verläuft und daß jeweils eine Mantelfläche des Hohlkörpers (13) mit den beiden mit ihr fluchtenden Seitenflächen (15) die Wickelträger für einer Fadenwickelfläche zugehörige Fadenflachwickel (2) bildet.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Hohlkörper (13) und den Dreieckkörpern (14) Zusatzkörper (16) zugeordnet sind, die zwei gleiche Seitenflächen (17) aufweisen, daß jeder Zusatzkörper (16) zwei benachbarten Dreieckkörpern (14) mit einer den beiden Dreieckkörpern (14) im wesentlichen angepaßten Form derart zugeordnet ist, daß seine beiden gleichen Seitenflächen (17) mit jeweils einer der nicht einander benachbarten Seitenflächen (15) der beiden Dreieckkörper (14) fluchten und daß die beiden Seitenflächen (17) der Zusatzkörper (16) jeweils Wickelträger für Fadenflachwickel (2) bilden, die getrennten Fadenwickelflächen zugehörig sind.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (13) mindestens siebeneckig ausgebildet ist, und daß die Zusatzkörper (16) im Querschnitt Drachenform aufweisen.

14. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Mantelfläche des Hohlkörpers (13) sowie die mit ihr fluchtenden Seitenflächen (15) der Dreieckkörper (14) und der Zusatzkörper (16) konvex ausgebildet sind, derart, daß die fluchtenden Flächen auf einem gemeinsamen Kreisbogen liegen.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum (3) sowie im Innern der Hohlkörper (13) schallabsorbierendes und/oder -reflektierendes Material (5) angeordnet ist.

16. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6, 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl ebener Fadenwickelflächen parallel zueinander angeordnet ist, daß gegenüberliegende Fadenflachwickel (2) durch eine Verzögerung unter Berücksichtigung des Abstandes beider Fadenflachwickel (2) voneinander und der Schallgeschwindigkeit im umgebenden Medium zu einem einzigen Wandler zusammengefaßt sind.