DE3643736A1 - Stationaere messeinrichtung zum messen von stroemungsgeraeuschen an akustischen unterwasser-schleppantennen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine stationäre Meßeinrichtung zum Messen von Strömungsgeräuschen an akustischen Unterwasser-Schleppantennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Art.

Unterwasser-Schleppantennen, auch Schleppstränge, Streamer oder Towed Arrays genannt, werden bei seismischen Messungen zum Empfang der schwachen reflektierten Signale und bei der Unterwasser-Ortungstechnik zum Empfang von Geräuschen und Signalen aus großer Entfernung verwendet. Sie besitzen eine Vielzahl von mit Abstand hintereinandergereihten Hydrophonen, die in einem elastischen Schlauch eingebettet sind. Der Schlauch wird über ein Schleppkabel von einem Wasserfahrzeug gezogen, so daß die Hydrophone in einer horizontal gestreckten Ausrichtung zueinander liegen. Die Empfangssignale der einzelnen Hydrophone werden über in dem Schlauch und in dem Schleppkabel verlaufende elektrische Leitungen einer auf dem Wasserfahrzeug installierten Empfangsvorrichtung zugeführt, in welcher die Signale nach bekannten Methoden der Signalverarbeitung behandelt werden, um ferne Signal- oder Geräuschquellen zu detektieren.

Beim Schleppen der Schleppantennen im Wasser entstehen an dem Antennenschlauch Strömungsgeräusche, die von den Hydrophonen aufgenommen werden. Die Kenntnis dieser Strömungsgeräusche ist für die mechanische und akustische Optimierung der Schleppantenne und für die Signalverarbeitung von erheblicher Bedeutung.

Zum Messen von Strömungsgeräuschen ist man bislang auf Seeversuche angewiesen, bei welchen die Schleppantenne unter Betriebsbedingungen von einem Meßschiff geschleppt wird. Solche Seeversuche sind nicht nur sehr kostenträchtig, sondern erfordern auch eine relativ lange Vorbereitungszeit, so daß aus wirtschaftlichen Gründen solche Schleppversuche nur relativ selten in Verbindung mit anderen Aufgaben eines umfassenden Meßprogramms durchgeführt werden. Für die schnelle Vermessung einer Schleppantenne zwecks Überprüfung von Veränderungen der akustischen Eigenschaften der Schleppantenne durch bestimmte konstruktive Maßnahmen, z. B. Änderung des Schlauchquerschnitts, Änderung des Schlauchmaterials, Änderung der Hydrophonaufhängung, Austausch des Hydrophontyps etc., sind solche Seeversuche ungeeignet.

Es sind bereits Überlegungen angestellt worden, zum problemlosen schnellen Testen von Schleppantennen stationäre Meßeinrichtungen zu konzipieren, in welchen die Schleppantennen durch eine größere Wasserstrecke geschleppt werden können. Bei solchen Meßeinrichtungen ist eine landgestützte Schleppvorrichtung in Form einer elektromotorischen Winde vorgesehen, die über Umlenkrollen ein in der Wasserstrecke ausgelegtes Seil aufzuwickeln vermag. Am Seilende ist die Schleppantenne befestigt, die dann bei Seilaufwickelung mit einer von der Aufwickelgeschwindigkeit abhängigen Geschwindigkeit durch die Wasserstrecke gezogen wird. Die Schleppgeschwindigkeit der Schleppantenne wird durch die Drehzahl der Seilwinde bestimmt.

Der Nachteil einer solchen stationären Meßeinrichtung liegt nicht nur in dem erheblichen technischen Aufwand für die Schleppvorrichtung, sondern vor allem in der recht hohen Geräuschentwicklung des Antriebsaggregats. Diese Geräusche werden über die Wasseroberfläche, die Fundamente des Antriebsaggregats, das Seil und die Umlenkrollen ins Wasser eingekoppelt und beeinträchtigen die exakte Messung der Strömungsgeräusche an der Schleppantenne beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine stationäre Meßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Schleppvorrichtung für die Schleppantenne extrem leise ist, so daß die an der Schleppantenne entstehenden Strömungsgeräusche nicht von Störgeräuschen der Schleppvorrichtung teilweise oder ganz maskiert werden.

Die Aufgabe ist bei einer stationären Meßeinrichtung zum Messen von Strömungsgeräuschen an akustischen Unterwasser-Schleppantennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung arbeitet die Schleppvorrichtung für die Schleppantenne völlig geräuschlos. Außer dem Strömungsgeräusch entstehen keinerlei Nebengeräusche. Die von ausgewählten Hydrophonen während des Schleppens erfaßten Geräusche sind ausschließlich der Strömung zuzuschreiben. Während des Schleppvorgangs ist der an der Schleppantenne angreifenden Federkraft des Federantriebs die Reibkraft der Schleppantenne und die Masseträgheitskraft entgegengesetzt. Der sich für die Schleppantenne ergebende Geschwindigkeitsverlauf wird hauptsächlich durch das momentane Gleichgewicht zwischen der Federkraft und der Reibkraft bestimmt. Bei der bevorzugten Verwendung von Gummiseilen als Federantrieb gemäß dem Ausführungsbeispiel in Anspruch 4 wird beispielsweise mit Schleppantennen von etwa 10 m Länge eine Schleppgeschwindigkeit von bis zu 20 kn über einen weiten Bereich der Schleppstrecke erzielt, was den Bereich realistischer Schleppgeschwindigkeiten der Schleppantenne unter Betriebsbedingungen abdeckt. Durch entsprechende Wahl verschiedener Gummiseilarten mit unterschiedlichen Federkennlinien gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Anspruch 5 lassen sich alle gewünschten Schleppgeschwindigkeiten erzielen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Meßeinrichtung mit zweckmäßigen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer stationären Meßeinrichtung zum Messen von Strömungsgeräuschen an akustischen Unterwasser-Schleppantennen,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Seitenansicht einer Schleppantenne in der Meßeinrichtung in Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des in Schlepprichtung gesehen hinteren Endes der Schleppantenne in Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm der Federkennlinien von zwei unterschiedlichen Gummiseilen,

Fig. 5 ein Diagramm des Verlaufs der Schleppgeschwindigkeit der Schleppantenne in Abhängigkeit von der zurückgelegten Schleppstrecke bei Verwendung von Gummiseilen mit den Federkennlinien gemäß Fig. 4 als Schleppantrieb.

Die in Fig. 1 in Seitenansicht skizzierte Meßeinrichtung zum Messen von Strömungsgeräuschen, die beim Schleppen einer akustischen Unterwasser-Schleppantenne 10 im Wasser an dieser entstehen, umfaßt eine landgestützte Schleppvorrichtung 11 zum Ziehen der Schleppantenne 10 durch eine Wasserstrecke 12, eine landseitige Meßstation 13 und eine die Schleppantenne 10 mit der Meßstation 13 verbindende elektrische Signalleitung. Die elektrische Signalleitung, die als mehradriges, z. B. zwölfadriges, Meßkabel 14 ausgebildet ist, überträgt während des Schleppvorgangs die Antennenausgangssignale zu der Meßstation 13.

Der Aufbau einer Unterwasser-Schleppantenne 10 ist bekannt. Bei der stationären Meßeinrichtung werden aus technischen Gründen nicht Original-Schleppantennen mit ihren großen Antennenlängen vermessen, sondern auf Versuchsmuster mit kurzen Antennenlängen, von z. B. 10 m, zurückgegriffen. Die bei den Versuchsmustern gewonnenen Erkenntnisse lassen sich dann problemlos auf Original-Schleppantennen mit ihren großen Antennenlängen projizieren. Ein Versuchsmuster einer Schleppantenne 10 ist in Fig. 2 in Seitenansicht schematisch dargestellt. Wie bei Original-Schleppantennen sind in einer Schlauchhülle 15 Hydrophone 16 aufgehängt, die nur schematisch angedeutet sind. Um mit einem möglichst wenigadrigen Meßkabel 14 auszukommen, sind nur wenige Hydrophone 16 an markanten Stellen der Schleppantenne 10 angeordnet, z. B. am vorderen und hinteren Ende der Schleppantenne 10 und in deren Mitte. Den Hydrophonen 16 ist jeweils ein Vorverstärker nachgeschaltet. Ein am in Schlepprichtung gesehen vorderen Ende der Schleppantenne 10 untergebrachter Beschleunigungsmesser 17 dient zur Erfassung der Schleppgeschwindigkeit. Auch seine Ausgangssignale werden, wie die Ausgangssignale der einzelnen Hydrophone 16, über separate Signalleitungen in dem mehradrigen Meßkabel 14 an die Meßstation 13 übertragen. Das Meßkabel 14 ist hierzu auf einem mehrpoligen Stecker 18 aufgesteckt, der an dem in Schlepprichtung gesehen hinteren Ende der Schleppantenne 10 angeordnet ist. Die einzelnen Steckerstifte sind über getrennte Leitungen in der Schlauchhülle 15 mit den Ausgängen der den Hydrophonen 16 zugeordneten Vorverstärker und mit dem Ausgang des Beschleunigungsmessers 17 verbunden. An ihrem in Schlepprichtung vorderen Ende trägt die Schleppantenne 10 einen Befestigungsflansch 19 zum Ankoppeln an die Schleppvorrichtung 11, während ein am hinteren Ende der Schleppantenne 10 vorhandener Befestigungsflansch 20 ihrer Verbindung mit einer Spann- und Haltevorrichtung 21 dient.

Die Schleppvorrichtung 11 weist einen Federantrieb in Form eines Gummiseils 22 auf, das zwischen zwei durch die Wasserstrecke 12 getrennten Fixorten 23, 24 spannbar ist. Der eine Fixort 23 kann dabei das Ufer eines Binnengewässers sein, an dem die Meßstation 13 installiert ist, während der Fixort 24 am gegenüberliegenden Ufer angeordnet ist oder ein Prahm sein kann. Das Gummiseil 22 ist an dem Fixort 23 mittels einer Befestigungsvorrichtung 25, z. B. eines einfachen Hakens, befestigt. An dem anderen Ende trägt das Gummiseil 22 eine Kupplung 26 (Fig. 2), über welche es mit dem Befestigungsflansch 19 an der Schleppantenne 10 verbunden ist. An dem Fixort 24 ist die Spann- und Haltevorrichtung 21 angeordnet, die an dem hinteren Befestigungsflansch 20 der Schleppantenne 10 angreift. Mittels der Spann- und Haltevorrichtung 21 kann das Gummiseil 22 zwischen den beiden Fixorten 23 und 24 gespannt werden. Die Spann- und Haltevorrichtung 21 weist Ausklinkmittel auf, durch welche das am Fixort 24 gehaltene gespannte Gummiseil 22 dann wieder freigegeben werden kann.

Die Spann- und Haltevorrichtung 21 kann in vielfältiger Weise ausgebildet sein. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Spann- und Haltevorrichtung 21 eine Seilwinde 28 auf, auf welcher ein mit dem hinteren Befestigungsflansch 20 verbundenes und über eine Umlenkrolle 29 geführtes Seil 30 aufwickelbar ist. Die Seilwinde 28 ist derart ausgebildet, daß ihre Aufwickeltrommel 31 in Abrollrichtung nahezu reibungs- und geräuschlos dreht, so daß die von der Seilwinde 28 der Federkraft des Gummiseils 22 entgegengerichtete Bremskraft und das von der Drehbewegung der Aufwickeltrommel 31 beim Abrollen erzeugte Geräusch vernachlässigbar klein sind. Beim Aufwickeln des Seils 30 auf die Aufwickeltrommel 31 wird das Gummiseil 22 gespannt, wobei es um etwa 85% seiner Länge gedehnt wird. Am Ende des Aufwickelvorgangs wird die Aufwickeltrommel 31 mit einer Sperrklinke 32 verriegelt. Zum Auslösen eines Schleppvorgangs wird die Sperrklinke 32 ausgehoben, wonach das gespannte Gummiseil 22 die Schleppantenne 10 durch die Wasserstrecke 12 hin zum Fixort 23 zieht, wobei das Seil 30 von der freidrehenden Aufwickeltrommel 31 nahezu reibungs- und geräuschlos abgezogen wird.

Versuche haben ergeben, daß mit im Handel erhältlichen Gummiseilen Schleppantennen 10 mit recht brauchbaren und den späteren Betriebsbedingungen entsprechenden Geschwindigkeiten durch die Wasserstrecke 12 geschleppt werden können. In Fig. 5 sind zwei Kurven für die gemessene Geschwindigkeit einer Schleppantenne 10 über der zurückgelegten Schleppstrecke aufgetragen. Die Länge des jeweils verwendeten Gummiseils 22 betrug 120 m und die der Schleppantenne 10 10 m. In Fig. 4 sind die Federkennlinien der beiden verwendeten Gummiseile 22 dargestellt. Die Kurve I in Fig. 5 ist dem Gummiseil mit der Federcharakteristik I in Fig. 4 zuzuordnen, während die Kurve II in Fig. 5 mit einem Gummiseil gemessen wurde, dessen Federcharakteristik in Fig. 4 mit II gekennzeichnet ist. Aus Fig. 5 ist deutlich zu erkennen, daß mit dem Gummiseil I Schleppgeschwindigkeiten von bis 10 m/s erreicht werden, was etwa 20 kn entspricht. Der Kurvenverlauf II in Fig. 5 zeigt, daß mit dem Gummiseil II eine annähernd gleiche Schleppgeschwindigkeit über eine große Wegstrecke erreicht werden kann, die hier im Mittel 5 m/s beträgt. In beiden Fällen wurde das 120 m lange Gummiseil 22 um 100 m gestreckt, was etwa 83% seiner Gesamtlänge entspricht. Durch geeignete Wahl des Gummiseils 22 läßt sich jede gewünschte Schleppgeschwindigkeit der Schleppantenne 10 erzielen.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann, um beim Schleppvorgang jegliche Möglichkeit störender Geräuschentwicklung auszuschließen, die Verbindung von Schleppantenne 10 und Seil 30 der Seilwinde 28 lösbar ausgebildet werden. In diesem Fall wird zum Starten des Schleppvorgangs nach Spannen des Gummiseils 22 die Schleppantenne 10 vom Seil 30 abgeklinkt. Die Seilwinde 28 verbleibt in ihrem arretierten Zustand bis der Schlepp- und Meßversuch abgeschlossen ist.

Claims (7)

1. Stationäre Meßeinrichtung zum Messen von Strömungsgeräuschen an akustischen Unterwasser-Schleppantennen mit einer landgestützten Schleppvorrichtung zum Ziehen der Schleppantenne durch eine Wasserstrecke, mit einer an der Schleppantenne angeschlossenen elektrischen Signalleitung zum Übertragen der Antennenausgangssignale während des Schleppvorgangs und mit einer an der Signalleitung angeschlossenen Meßstation zum Auswerten der Antennenausgangssignale, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleppvorrichtung (11) einen Federantrieb (22) aufweist, der zwischen zwei durch die Wasserstrecke (12) getrennten Fixorten (23, 24) spannbar und nach Spannen von einem Fixort (24) aus freigebbar ist, und daß an oder nahe dem freigebbaren Ende des Federantriebs (22) eine Koppelvorrichtung (26) zum Ankoppeln der Schleppantenne (10) vorgesehen ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem das freigebbare Ende des Federantriebs (22) aufnehmenden Fixort (24) eine Haltevorrichtung (21) mit Ausklinkmitteln (32) für den gespannten Federantrieb (22) vorgesehen ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (21) mit Ausklinkmitteln (32) an dem von der Koppelvorrichtung (26) abgekehrten Ende der an dem Federantrieb (22) angekoppelten Schleppantenne (10) angreift.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Federantrieb als Gummiseil (22) oder -band ausgebildet ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, gegeneinander austauschbare Gummiseile (22) mit unterschiedlichen Federcharakteristiken vorgesehen sind.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Schleppgeschwindigkeit in der Schleppantenne (10) ein Beschleunigungsmesser (17) integriert ist, dessen Ausgangssignale über die Signalleitung (14) der Meßstation (13) zugeführt sind.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstation an dem von dem freigebbaren Ende des Federantriebs (22) abgekehrten Fixort (23) angeordnet ist, daß die elektrische Signalleitung als ein von der Meßstation (13) zum anderen Fixort (24) hin verlegtes, in der Wasserstrecke (12) liegendes Meßkabel (14) ausgebildet ist und daß das Meßkabel (14) am in Schlepprichtung gesehen hinteren Ende der Schleppantenne (10) mittels eines mehrpoligen Steckers (18) in diese eingesteckt ist.