DE3834669A1 - Akustische Dämmungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Dämmungsvorrichtung für eine in einer Entfernung zur Wandung eines Wasserfahrzeugs angeordnete, akustische Antenne in einem mit Wasser gefüllten oder durchfluteten Hüllkörper mit einer Dämmplatte in Form eines Feder-Masse-Systems der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

In Wandungen von Wasserfahrzeugen treten Biegeschwingungen auf, die durch Antriebsaggregate des Wasserfahrzeugs oder Geräte verursacht werden. Die Biegeschwingungen werden von der Wandung als Störschall abgestrahlt und von der vor der Wandung befindlichen Antenne empfangen. Dieser Störschall setzt die Ortungsmöglichkeit von Zielen erheblich herab. Ordnet man die akustische Antenne in einer Entfernung zur Wandung an, wie es beispielsweise in der DE-OS 35 32 309 angegeben ist, so ist der Störschallpegel an der Antenne geringer.

Um der Antenne einen mechanischen und akustischen Schutz gegen Strömungsgeräusche, die bei Fahrt entstehen, zu geben, sieht man einen Hüllkörper für die Antenne vor, der mit der Wandung verbunden ist. Ein solcher Hüllkörper, wie er beispielsweise in der DE-OS 36 42 747 angegeben ist, ist mit Wasser gefüllt oder durchflutet, um eine günstige akustische Ankopplung der Antenne an das umgebende Wasser zu gewährleisten. Die äußeren Abmessungen des Hüllkörpers sind durch die gewünschten Fahreigenschaften des Wasserfahrzeugs vorgegeben und begrenzen die Entfernung der akustischen Antenne zur Wandung des Wasserfahrzeugs.

Um den von der Wandung abgestrahlten Störschall zu verringern, ist aus der o.g. DE-OS 35 32 309 eine Dämmplatte bekannt, die mit der Wandung fest verbunden ist. Diese Dämmplatte ist beispielsweise als Feder-Masse-System aufgebaut und so dimensioniert, daß ihre Resonanzfrequenz möglichst tief liegt. Geeignet sind beispielsweise Bleikügelchen in einem elastischen Kunststoff. Je größer die Masse der Dämmplatte ist, desto tiefer liegt die Resonanzfrequenz. Diese Masse kann aber nicht beliebig groß gewählt werden, da sonst die Fahreigenschaften des Wasserfahrzeugs nicht mehr gewährleistet werden können.

Wünschenswert wäre es, einen großen Bereich der Wandung mit einer Dämmplatte auszukleiden, um eine möglichst große Abschirmung gegen Störschall zu erzielen. Ihrer Größe sind aber aufgrund des Gewichts Grenzen gesetzt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine akustische Dämmungsvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei vertretbarem Gewicht eine tiefe Resonanzfrequenz und einen hohen Abschattungsbereich für Störschall bezüglich der akustischen Antenne gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Die Dämmplatte befindet sich zwischen der Wandung und der akustischen Antenne und ist von dem im Hüllkörper befindlichen Wasser umgeben, so daß die Dämmplatte akustisch an die Wandung angekoppelt ist. Der für Peilaufgaben betrachtete Frequenzbereich liegt möglichst tief, um große Ortungsreichweiten zu erzielen, beispielsweise unter 2 KHz. In diesem Frequenzbereich liegt auch der aufgrund von Biegewellen von der Wandung abgestrahlte Störschall.

Die Dämmplatte beeinflußt von außen einfallenden Nutzschall ähnlich wie den von der Wandung abgestrahlten Störschall. Da die Dämmplatte für niedrige Frequenzen schallweich ist und die von ihr reflektierte Welle den gleichen Betrag, aber umgekehrtes Vorzeichen aufweist, ist der Abstand der Dämmplatte zur akustischen Antenne möglichst groß zu wählen. Der reflektierte Schall interferriert an der Antenne mit dem einfallenden Schall und kann bei ungünstig gewähltem Abstand zur Auslöschung des Nutzschalls führen. Der durch die Dämmplatte gelangende Störschall nimmt mit steigendem Abstand zwischen Dämmplatte und Antenne im Pegel exponentiell ab, so daß von daher auch ein großer Abstand wünschenswert wäre. Andererseits ist der Abschattungseffekt einer endlich ausgedehnten Dämmplatte um so größer, je kleiner der Abstand zwischen Antenne und Dämmplatte ist. Gemäß Anspruch 1 wird eine Dimensionierungsvorschrift angegeben, die bei vorgegebener Entfernung zwischen Wandung und akustischer Antenne den Abstand der Dämmplatte optimiert. Der Abstand wird so gewählt, daß das Nutz-/Störschallverhältnis sein Maximum aufweist. Der Vorteil einer mit Distanz zur Wandung und Abstand zur Antenne angeordneten Dämmplatte liegt darin, daß der Abschattungsbereich für den Störschall bei nicht innig mit der Wandung verbundener, jedoch gleich großer Dämmplatte erheblich größer ist.

Aus Platz- und Gewichtsgründen wird die Querabmessung der Dämmplatte gemäß Anspruch 2 minimiert. Die untere Grenze der Querausdehnung ist bei dem durch die Hüllkörperabmessungen und die Entfernung zwischen Wandung und Antenne vorgegebenen Abschattungswinkeln dann bestimmt, wenn der an der Antenne bei einer unendlich ausgedehnten Dämmplatte gemessene Störschall sich bei endlich ausgedehnter Querabmessung nicht mehr als verdoppelt hat. Dann ist nämlich der außerhalb der Dämmplatte von der Wandung abgestrahlte Störschall, der über das Wasser zur Antenne übertragen wird, gerade nur noch so groß, wie der durch die Dämmplatte zur Antenne gelangte Reststörschall. Die Pegelabnahme über den längeren Weg im Wasser ist genauso groß wie die Einfügungsdämpfung der Dämmplatte über den kürzeren Weg.

Der Vorteil einer zwischen Wandung und akustischer Antenne angeordneten Dämmplatte nach Anspruch 1 und 2 besteht darin, daß der gleiche Abschattungsbereich für den von der Wandung abgestrahlten Störschall mit einer Dämmplatte geringerer Querabmessung als bei einer an der Wandung befestigten Dämmplatte erzielbar ist, so daß dadurch bei gleicher Resonanzfrequenz eine Gewichtsreduzierung erreicht werden kann. Besteht das kritische Problem nicht in dem hohen Gewicht, so ist bei bleibendem Gewicht die Möglichkeit gegeben, die Masse pro Flächeneinheit zu erhöhen und die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems der Dämmplatte zu erniedrigen. Der Vorteil besteht bei einer so dimensionierten Dämmplatte darin, daß die oberhalb der Resonanzfrequenz eintretende Dämmung schon bei niedrigeren Frequenzen einsetzt und eine Überhöhung des Störschalleinflusses bei der Resonanzfrequenz für die Nutzschallauswertung ohne Belang ist.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Dämmplatte jederzeit nachrüstbar ist. Weiterhin ist von Vorteil, daß bei seitlich an einem U-Boot angeordneter, akustischer Antenne mit Hüllkörper und erfindungsgemäßer Dämmungsvorrichtung der Druckkörper des U-Boots weiterhin ohne Demontage zur Inspezierung frei zugänglich ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung der akustischen Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 3 besteht darin, daß die Dämmplatte nicht auf hohe Schockbelastung ausgelegt zu sein braucht, sondern der Schock über federnde Elemente abgefangen wird. Dies ist dadurch möglich, daß zwischen Dämmplatte und Wandung ein dafür geeigneter Freiraum besteht. Vorteilhaft können für die Masse der Dämmplatte Werkstoffe geringer Festigkeit und hoher Wichte eingesetzt werden, die wesentlich preisgünstiger als die bisher verwendeten Materialien sind.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung der akustischen Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 4 besteht darin, daß die Dämmplatte getrennt herstellbar ist. Die anschließende Montage der fertigen Dämmplatte ist auf der Werft einfach durchzuführen.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 5 besteht darin, daß sich auf der Dämmplatte keine Moden ausbilden können, die zu einer weiteren Störschallabstrahlung führen würden.

Die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 6 sorgt dafür, daß in die Dämmplatte kein Wasser eindringen kann. Bei einer gewölbten Ausführung der Dämmplatte nach Anspruch 7, deren Innenkrümmung zur Antenne hinweist, ist eine geometrische Vergrößerung des Abschattungsbereichs bei gleicher Größe und gleichem Gewicht der Dämmplatte erzielbar.

Da zwischen Wandung und Dämmplatte ein Freiraum vorhanden ist, ist der Vorteil gegeben, in diesen Freiraum eine weitere Dämpfungsschicht für Biegewellen an der Wandung selbst anzubringen, die das Gewicht der gesamten akustischen Dämmungsvorrichtung im Wasser reduziert. Eine solche Auftrieb erzeugende Dämpfungsschicht ist beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 38 20 491.6 vorgeschlagen worden. Mit einer solchen zusätzlichen Dämpfungsschicht ist das Frequenzverhalten der gesamten akustischen Dämmungsvorrichtung derart zu beeinflussen, daß die unerwünschte Resonanzüberhöhung des Feder-Masse-Systems sich kaum noch bemerkbar macht und ein ausgeglichener Frequenzgang über dem interessierenden Frequenzbereich von sehr tiefen Frequenzen an erzielbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung der akustischen Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 9 besteht darin, daß eine zwischen Wandung und Dämmplatte vorgesehene Absorptionsschicht einfallenden Schall auch höherer Frequenzen absorbiert, so daß keine Interferenzen an der akustischen Antenne zwischen von der Wandung reflektiertem Schall und vom Ziel abgestrahltem Schall auftreten können, da die Absorptionsschicht Reflexionen verhindert. Diese Eigenschaft bringt den Vorteil einer Tarnung des U-Bootes gegenüber dem Ziel mit sich. Der gleiche Effekt kann durch eine auf der Dämmplatte selbst angeordnete Absorptionsschicht erzielt werden, wie es in Anspruch 10 angegeben ist.

Durch die in Anspruch 11 angegebene vorteilhafte Weiterbildung wird das Zielmaß des U-Bootes weiter reduziert, da bei Verwendung beispielsweise eines wenig kompressiblen Schaumstoffes der reflektierte Schall den direkt einfallenden Schall auslöscht.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen für eine akustische Dämmungsvorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein U-Boot,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines Hüllkörpers mit akustischer Antenne und Dämmungsvorrichtung im Schnitt,

Fig. 3 schematisch die entfernungsabhängige Abnahme des Störschalls,

Fig. 4 ein schematisches Diagramm des Nutz-/Störschallverhältnisses,

Fig. 5 eine konstruktive Lösung einer gegenüber Fig. 2 modifizierten Anordnung.

Fig. 1 zeigt ein U-Boot, an dessen Druckkörper 10 seitlich ein akustisches System 11 mit Hüllkörper 12 zum Orten von schallabstrahlenden Zielen angeordnet ist.

Fig. 2 zeigt im Schnitt das akustische System 11 mit seinem Hüllkörper 12, dessen Aufbau beispielsweise in der DE-OS 36 42 747 angegeben ist. Der Hüllkörper 12 ist für Nutzschall, der von einem Ziel abgestrahlt wird, akustisch durchlässig. Der Nutzschall wird von einer akustischen Antenne 13 empfangen, die aus einer Reihe von längs dem Druckkörper 10 angeordneten Hydrophonen besteht. Die Antenne 13 ist in einer Entfernung e zum Druckkörper 10 des U-Boots angeordnet. Die Entfernung e wird möglichst groß gewählt, damit Störschall, der aufgrund von Biegewellen vom Druckkörper 10 abgestrahlt wird, mit möglichst geringem Pegel an der Antenne 13 empfangen wird.

Fig. 3 zeigt als Diagramm die Abnahme des Störschallpegels im Biegewellennahfeld für tiefe Frequenzen mit wachsender Entfernung e von der Wandung des Druckkörpers 10. Die Entfernung e ist mit der Wellenlänge λ_B der Biegewellen normiert, die in der Wandung des Druckkörpers 10 geführt werden. Man kann sehen, daß der Störschallpegel ab ca. 20% der Wellenlänge λ_B nicht mehr wesentlich mit wachsender Entfernung e abnimmt.

Die Entfernung e der akustischen Antenne 13 in Fig. 2 ist so gewählt, daß unter Berücksichtigung der Fahreigenschaften des U-Boots und damit der Formgebung des Hüllkörpers 12 ein möglichst geringer Störschallpegel an der akustischen Antenne 13 empfangen wird. Die Entfernung e beträgt beispielsweise 30 cm. Das entspricht einem Fünftel der Biegewellenlänge λ_B bei einer Frequenz von 100 Hz und einer Wandstärke des Druckkörpers von 2 cm, wobei der Druckkörper aus Stahl gefertigt ist.

Zwischen der Antenne 13 und der Wandung des Druckkörpers 10 ist eine nach dem Feder-Masse-Prinzip ausgelegte Dämmplatte 15 angeordnet, die zur Antenne 13 einen Abstand a aufweist. Die Schirmwirkung der Dämmplatte 15 gegenüber von der Wandung abgestrahltem Störschall ist um so größer, je kleiner der Abstand a ist. Allerdings ist zusätzlich zu berücksichtigen, daß die Dämmplatte 15 im unteren Frequenzbereich gleichzeitig ein schallweicher Reflektor für den von außen einfallenden Nutzschall ist. Von daher wäre ein großer Abstand a wünschenswert. Da die Dämmplatte 15 im unteren Frequenzbereich schallweich ist, wird einfallender Schall mit umgekehrten Vorzeichen wieder reflektiert und führt zu Auslöschungen mit dem direkten Schallsignal. Durch Messungen des Nutz-/Störschallverhältnisses wird der Abstand a zwischen Dämmplatte 15 und akustischer Antenne 13 optimiert. Fig. 4 zeigt ein Diagramm des Nutz-/Störschallverhältnisses S/N in Abhängigkeit vom mit der Biegewellenlänge λ_B normierten Abstand a, wobei hier der betrachtete Frequenzbereich der Biegewellen und somit des Störschalls oberhalb der Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems der Dämmplatte 15 liegt. An diesem Diagramm sieht man, daß das Nutz-/Störschallverhältnis ein Maximum bei einem Abstand a vom 0,1fachen Wert der Biegewellenlänge λ_B aufweist, das entspricht für das vorher erwähnte Beispiel 10 bis 15 cm.

Die Dämmplattendicke der Dämmplatte 15 wird entsprechend der gewünschten Resonanzfrequenz abhängig von den verwendeten Materialien in fachmännischer Weise bestimmt.

Durch die Dämmplatte 15 wird ein Abschattungsbereich von der Antenne 13 zur Wandung des Druckkörpers 10 geschaffen, der sich an der Längsseite des U-Boots hinzieht. Bezüglich ihrer Querabmessungen wird der Abschattungsbereich unter Berücksichtigung der Entfernung e bei Vernachlässigung von Beugungseffekten durch einen Abschattungswinkel a charakterisiert. Würde man eine Dämmplatte 15 unmittelbar auf der Wandung anbringen, wobei ihre Querabmessung durch den Hüllkörper 12 begrenzt ist, ergäbe sich ein Abschattungswinkel von α₁, wie in Fig. 2 dargestellt. Um den gleichen Abschattungswinkel α₁ mit einer in einer Distanz (e-a) abgehängten Dämmplatte 15 zu erzielen, müßte man die Querabmessung der Dämmplatte 15 mit q_min dimensionieren. Im Hüllkörper 12 ist jedoch mehr Platz vorhanden, so daß die Dämmplatte 15 beispielsweise eine maximale Querabmessung von q_max erhalten könnte, was einem Abschattungswinkel α₂ entspricht. Mit einer kleineren Dämmplatte 15 wird also ein größerer Abschattungsbereich geschaffen als mit einer mit der Wandung unmittelbar verbundenen Dämmplatte, so daß eine Gewichtsreduzierung oder eine Erniedrigung der Resonanzfrequenz der Dämmplatte 15 durch Konzentrierung der Masse je Flächeneinheit erreicht werden kann.

Die Querabmessung q wird dadurch dimensioniert, daß die Einfügungsdämpfung einer "unendlich" ausgedehnten Dämmplatte vermessen wird, indem die Wandung des Druckkörpers 10 zu Biegewellen angeregt und der von der akustischen Antenne 13 empfangene Störschall gemessen wird. Anschließend wird mit mehreren Dämmplatten endlicher Querabmessung der gleiche Versuch durchgeführt. Die minimale Querabmessung ist dann gefunden, wenn der von der Antenne 13 empfangene Störschall sich nicht mehr als verdoppelt hat, so daß der außerhalb der Dämmplatte 15 übertragene Störschall gleich dem durch die Dämmplatte 15 übertragenen Störschall ist. Zur Zielmaßreduktion kann die Dämmplatte 15 einen Kunststoffabschluß 16 aus inkompressiblem Schaumstoff erhalten.

Eine Vergrößerung des Abschattungsbereichs bzw. des Abschattungswinkels α ist noch dadurch zu erzielen, daß, wie in Fig. 5 gezeigt, die Dämmplatte 15 eine gewölbte Form erhält, wodurch sich ein Abschattungswinkel α₃ erreichen läßt. Eine zusätzliche Maßnahme zur Reduzierung des Gesamtgewichts der akustischen Dämmungsvorrichtung und Glättung des Frequenzgangs wird dadurch erreicht, daß eine biegewellenabsorbierende Dämpfungsschicht 19 mit der Wandung des Druckkörpers 14 verbunden wird, die Auftrieb erzeugt, wie es beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 38 20 491.6 angegeben ist. Anstelle der Dämpfungsschicht 19 kann auch eine Absorptionsschicht für einfallenden Schall höherer Frequenz vorgesehen werden.

Die Antenne 13 ist an der Dämmplatte 15 über eine Schellenkonstruktion 20 gehaltert. Die Dämmplatte 15 ist mit federnden Elementen 21, 22 über die Dämpfungsschicht 19 an die Wandung montiert. Die federnden Elemente 21 und 22 sind entsprechend auftretenden Stoß- und Schwingungsbelastungen, insbesondere auch Schockbelastungen, dimensioniert.

Claims (11)

1. Akustische Dämmungsvorrichtung für eine in einer Entfernung zur Wandung eines Wasserfahrzeugs angeordnete, akustische Antenne aus einem oder mehreren in Längsrichtung mit Abstand zur Wandung angeordneten Hydrophonen in einem mit Wasser gefüllten oder durchfluteten Hüllkörper mit einer Dämmplatte in Form eines Feder-Masse-Systems zur Abschirmung von Störschall, der von der Wandung aufgrund von eingeprägten Biegewellen oder Vibrationen abgestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) in einem Abstand (a) zwischen Wandung und akustischer Antenne (13) angeordnet ist und der Abstand (a) abhängig vom an der Antenne (13) gemessenen Nutz-/Störschallverhältnis (N/S) einstellbar ist.

2. Akustische Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querausdehnung (q) der Dämmplatte (15) bei gewähltem Abstand (a) mindestens so bemessen ist, daß der von der Wandung außerhalb der Dämmplatte (15) abgestrahlte, durch das Wasser zur Antenne (13) übertragene Störschall pegelgleich oder leiser als der durch die Dämmplatte (15) übertragene Störschall an der Antenne (13) ist.

3. Akustische Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) über federnde Elemente (21, 22) an der Wandung befestigt ist.

4. Akustische Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) aus einem elastischen Kunststoff mit Metall- oder Metallegierungseinlagerungen hoher Wichte und geringer Festigkeit ausgebildet ist.

5. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Dämmplatte (15) als Verbundsystem ausgebildet ist.

6. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) mit Polyurethan vergossen ist.

7. Akustische Dämmungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) zur Antenne (13) hin gewölbt ausgebildet ist.

8. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wandung und Dämmplatte (15) eine mit der Wandung innig verbundene, Auftrieb erzeugende Dämpfungsschicht (19) für Körperschall angeordnet ist.

9. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Wandung und Dämmplatte (15) eine auf die Wandung aufgebrachte Absorptionsschicht für einfallenden Schall höherer Frequenz vorgesehen ist.

10. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Dämmplatte (15) eine Absorptionsschicht für einfallenden Schall höherer Frequenz befestigt ist.

11. Akustische Dämmungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämmplatte (15) oder die Dämpfungsschicht (19) oder die Absorptionsschicht zumindest in ihrer Querausdehnung einen schallweich reflektierenden Kunststoffabschluß (16) aufweist.