DE4024353A1 - Schaltanordnung zum impulsfoermigen abstrahlen von schallwellen - Google Patents
Schaltanordnung zum impulsfoermigen abstrahlen von schallwellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltanordnung zum
impulsförmigen Abstrahlen von Schallwellen der im
Oberbegriff genannten Art.
Bei aktiv arbeitenden Sonar-Ortungsanlagen in der
Wasserschalltechnik soll ein möglichst breiter Sektor mit
Schallenergie überdeckt werden, um den Ort reflektierender
Objekte im Wasser oder am Meeresgrund in bezug auf
Entfernung und Richtung zu bestimmen. Im allgemeinen ist
es üblich, eine Vielzahl von einzelnen elektroakustischen
Wandlern derart anzuordnen, daß die Gesamtheit ihrer
Außenfläche als Basis angenähert einer Zylinderwandung
entspricht. Die Wandler werden konphas mit Sendesignalen
angesteuert. Reflektierte Anteile werden mit einander
dicht benachbarten oder einander überlappenden
Empfangsrichtcharakteristiken mit sehr kleinem
Öffnungswinkel empfangen und ausgewertet. Aus
konstruktiven Gründen ist jedoch ein Aufbau einer
Sonar-Ortungsanlage mit einer im wesentlichen ebenen Basis
einer zylinderförmigen Basis vorzuziehen. Eine ebene Basis
ist bei Seegang einfacher dreiachsig raumfest zu
stabilisieren, insbesondere wenn auch die Empfangsbasis
eine ebene Basis ist. Für manche Ortungsangabe ist es
vorteilhaft, die Wandler zum Senden der Schallwellen in
die Bordwand eines Schiffes einzubauen, die im
wesentlichen als eben zu bezeichnen
ist.
In der Diagnostik mit Ultraschall und zum Kartographieren
des Meeresbodens werden ebenfalls Sonaranlagen verwendet,
bei denen Schallwellen in einem breiten Sektor ausgesendet
und gerichtet empfangen werden, bei denen es vorteilhaft
ist, auch zum Senden eine ebene Basis zu verwenden.
Bei konphaser Ansteuerung der Wandler einer ebenen Basis
ist der Öffnungswinkel, unter dem die Schallwellen
abgestrahlt werden, durch die äußeren Abmessungen der
Basis bestimmt. Dieser Öffnungswinkel ist zu klein für die
Aufgaben der vorher genannten Sonaranlage. Aus der DE-PS
20 64 588 ist bereits eine Schaltanordnung bekannt, bei
der die Sendesignale gegeneinander derart verzögert
werden, als wenn die Wandler nicht auf einer ebenen Basis,
sondern auf einer Zylinderbasis oder einer Kreisbasis
angeordnet wären. Zur Berechnung der Verzögerungen wird
tangierend an die Basis beispielsweise ein Kreisausschnitt
gezeichnet, dessen Mittelpunkt der Scheitelpunkt des
Sektors ist und dessen Öffnungswinkel durch die Lage der
äußersten Wandler auf der ebenen Basis bestimmt ist. Es
werden radiale Abschnitte zwischen der ebenen Basis und
dem so konstruierten Kreisausschnitt bestimmt und durch
die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls geteilt und
liefern Verzögerungszeiten für die Sendesignale der
einzelnen Wandler. Bei dieser Ansteuerung der Wandler
löst sich eine Schallwelle von der ebenen Basis, deren
Wellenfront durch die Krümmung des Kreisausschnitts
bestimmt ist. Diese Wellenfronten würden auch entstehen,
wenn mit einer Kreisbasis von der Größe des Sektors
gesendet würde.
Für jeden einzelnen Wandler ist ein spezielles
Verzögerungsnetzwerk zwischen Sendegenerator und
Leistungsverstärker, beispielsweise in Form eines
Schieberegisters, sowie eine Kabelverbindung zwischen
Leistungsverstärker und Wandler auf der Basis vorzusehen.
Diese Lösung ist aufwendig und kostenintensiv.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Schaltungsordnung der eingangs genannten Art zu schaffen,
bei der der schaltungstechnische Aufwand an
Verzögerungsnetzwerken, Leistungsverstärkern und
Kabelverbindungen reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäße durch die im
Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen
gelöst.
Die Wandler sind nebeneinander längs einer Linie auf der
ebenen Basis angeordnet. Der äußerste Wandler wird
gegenüber dem in der Mitte angeordneten Wandler mit einer
solchen Phasenverschiebung angesteuert, daß die
Wellenfront der Schallwelle an der äußersten Begrenzung
des Sektors senkrecht zur Sektorbegrenzung liegt. Diese
Phasenverschiebung ist der maximale Phasenwert für das
Sendesignal und gewählt zu
wobei 2 ϑmax der Öffnungswinkel des Sektors ist,
innerhalb dessen Schallwellen abgestrahlt werden, L die
Länge der Basis und λ die mittlere Wellenlänge der
abgestrahlten Schallwellen. Für kleinere Öffnungswinkel
beispielsweise unter 30° wird sin ϑmax durch den Winkel
ϑmax approximiert. Die Schallwellen werden impulsförmig
abgestrahlt und haben eine Bandbreite, die durch die Länge
des Sendeimpulses bestimmt ist. Diese Bandbreite ist im
Vergleich zur Mittenfrequenz des Schallimpulses gering, so
daß es zulässig ist, die Mittenfrequenz zur Berechnung des
maximalen Phasenwertes zugrunde zu legen.
Die Phasenverschiebung der Sendesignale der Wandler nimmt
quadratisch von der Mitte der Basis ansteigend zu und ist
durch eine Parabel zu bestimmen, deren Brennpunkt gleich
1/4 des maximalen Phasenwertes ϕmax ist und deren
Abszissenwerte die Wandlerorte sind. Der Phasenwert je
Wandler beträgt ϕi=ϕmax (i/N)², wobei i=0, ±1, ±N
die Wandlerorte und 2N+1 die Vielzahl der Wandler auf der
Basis ist. i ist in der Mitte der Basis gleich Null und am
Ende der Basis ±N. Von Wandler zu Wandler nimmt der
Gradient der Phasenverschiebung oder der Phasensprung
zwischen den Sendesignalen von der Mitte nach außen zu den
Seiten linear zu. Dadurch ist eine gleichmäßige Verteilung
der Wandler auf unterschiedliche Abstrahlrichtungen der
Schallwellen in das schallübertragende Medium gegeben.
Virtuelle Speichen, ausgehend von jedem Wandlerort auf der
Basis, liegen senkrecht zu der sich ausbreitenden
Wellenfront und sind von Wandler zu Wandler um gleiche
Winkelinkremente geschwenkt. In der Mitte der Basis weist
die Speiche in die Mittelsenkrechte, an ihren äußeren
Begrenzung zu beiden Seiten des Sektors in Richtung des
halben Öffnungswinkels.
Die nach der Parabel ermittelten Phasenwerte ϕi liegen
beispielsweise zwischen 0 und 2900° und werden um modulo
2π bzw. Vielfache von 360° vermindert. Verminderte
Phasenwerte ϕi-r · 360, r=0, 1, . . ., die beispielsweise
innerhalb eines Intervalls liegen, werden als ein
Restphasenwert betrachtet. Mit den verbleibenden
Restphasenwerten ϕ werden die Sendesignale für die
Wandler beaufschlagt. Durch diese Maßnahme wird die
Schallausbreitung im Wasser längs der virtuellen Speichen
nicht verändert, da es nur auf die Phasenbeziehungen der
Sendesignale benachbarter Wandler ankommt und nicht auf
ihre Laufzeitunterschiede. Beim Sendevorgang wird von
allen Wandlern die volle Sendeleistung ohne Verzögerung
abgestrahlt. In weiterem Abstand sorgt die
Ausbreitungszeit der Schallwelle dafür, daß die
"verschluckten" Vielfachen ausgeglichen sind und kein
Unterschied besteht, ob eine volle Phasenkompensation oder
eine Restphasenkompensation vorgenommen wird. Aber auch
direkt vor der Basis im Nahbereich ist eine Auswertung
bezüglich Entfernung und Richtung möglich, da der Impuls
sich längs der Speichen ausbreitet und die Wellenfront auf
jeder Speiche den gleichen Abstand zum Wandlerort auf der
Basis aufweist.
Durch die Bestimmung der Restphasen und die Ansteuerung
der Wandler mit Sendesignalen, die nur um die Restphasen
gegeneinander verschoben sind, ist die Anzahl der
benötigten Phasendrehglieder und Leistungsverstärker
erheblich reduziert, da nicht mehr für jeden Wandler ein
individuelles phasenverzögerndes Netzwerk benötigt oder
vorgesehen werden muß. Der Vorteil der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung nach Anspruch 1 besteht in einer
erheblichen Kostenreduktion und Platzersparnis.
Beispielsweise wird bei einer Basis mit 41 Wandlern und
einem natürlichen Öffnungswinkel von 0,7° durch die
Bereitstellung von nur 10 Sendesignalen mit
unterschiedlichen Restphasen, die auf die 41 Wandler
verteilt werden, ein Öffnungswinkel von 90° erzielt.
Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung nach Anspruch 1 besteht darin, daß nicht
nur der Hardwareaufwand und damit Kosten und Platzbedarf
für Bauelemente, sondern auch Fehlermöglichkeiten und
Prüfarbeiten in den Schaltungen wesentlich geringer sind
als bei einer Lösung mit Laufzeitverzögerungen. Es werden
nur so viele Leistungsverstärker wie Restphasenwerte
benötigt. Die Leistungsverstärker sind in einem
Elektronikteil untergebracht, der an einem geeigneten,
zugänglichen Ort installiert ist. Zur Basis mit den
Wandlern, die in aller Regel örtlich an anderer Stelle
eingebaut ist, sind jeweils nur so viele
Kabelverbindungen wie Leistungsverstärker vorzusehen, so
daß ihre Anzahl nicht durch die Vielzahl der Wandler
bestimmt ist. Da Elektronikteil und Basis, insbesondere
bei einem Wasserfahrzeug, nicht direkt nebeneinander
angeordnet sind, ist eine Reduktion der Kabel besonders
vorteilhaft, da Platzbedarf und Materialkosten sowie
technisch die Möglichkeit des Übersprechens herabgesetzt
sind.
Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Schaltanordnung nach Anspruch 2 sind die
Wandler in der Basis so verschaltet, daß Wandler mit
gleicher Restphasenansteuerung miteinander verbunden sind
und von der gleichen Kabelverbindung gespeist werden.
Die Restphasenwerte, die zu einer Gruppe von Wandlern
gehören, liegen innerhalb eines Intervalls. Dieses
Intervall wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der
erfindungsgemäßen Schaltanordnung nach Anspruch 3
entsprechend der Dämpfung zwischen Hauptkeule mit dem
gewünschten Öffnungswinkel und den außerhalb des Sektors
der Hauptkeule liegenden Nebenpegeln gewählt. Ist
beispielsweise das Intervall bei einer Basis mit 200
Wandlern auf einer Basislänge von ca. 2 m und einem
Öffnungswinkel von 2 ϑmax=10° mit 6° gewählt, so
verändert sich die Nebenzipfeldämpfung von -40 dB um ca.
5 dB gegenüber der theoretischen Richtfunktion. Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltanordnung nach
Anspruch 3 besteht insbesondere darin, daß abhängig von
der Aufgabenstellung der Sonaranlage das Intervall und
somit die Richtfunktion individuell festgelegt werden
kann.
Mit der Festlegung des Intervalls wird gemäß der
vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Schaltungsordnung nach Anspruch 4 die Anzahl der
Leistungsverstärker bestimmt, die gleich dem 0,3fachen
Wert der kompletten Phase von 360°, bezogen auf das
Intervall und aufgerundet auf eine ganze Zahl ist.
Besonders vorteilhaft ist es nach der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung nach Anspruch 5, die Restphasenwerte als
Mittelwerte mit einer zulässigen mittleren Streuung
festzulegen und daraus das Intervall zu bestimmen.
Soll im Betrieb der Sonaranlage zuerst mit einem
Öffnungswinkel von beispielsweise 30° gesendet werden, um
innerhalb dieses Sektors eine Vorabortung vorzunehmen, um
anschließend innerhalb eines kleineren Sektors von z. B.
20° oder 10° eine Feinortung mit größerer Reichweite
durchzuführen, so bietet die vorteilhafte Weiterbildung
nach Anspruch 6 die Möglichkeit, ohne neue Berechnungen
mit den bereits ermittelten Restphasenwerten eine
Verdoppelung und Verdreifachung des kleinsten
Öffnungswinkels durch Verdoppeln und Verdreifachen des
Restphasenwertes zu erhalten. Der Vorteil dieser
Schaltanordnung gemäß Anspruch 6 besteht insbesondere
darin, daß keine Umschalter mit Ansteuerung in der Basis
für die Wandler vorgesehen zu werden brauchen, Prüfung und
Wartung in der nach dem Einbau schwer zugänglichen Basis
sind somit nicht notwendig. Auch die Leistungsverstärker
werden unverändert weiterbetrieben, lediglich im
Ansteuerungsteil der Elektronik ist eine Umschaltung auf
die doppelte oder dreifache Restphasenwerte durchzuführen.
Ein Vorteil besteht darin, daß keine Leistungen geschaltet
zu werden brauchen und einfache Logikschaltungen die
Umschaltung bewerkstelligen.
Nach der vorteilhaften Weiterbildung der Schaltanordnung
nach Anspruch 7 werden Phasendrehglieder zur Realisierung
der Phasenverschiebungen um die Restphasenwerte in
konventioneller Schaltungstechnik verwendet, die
vorteilhaft auch für eine Nachrüstung bestehender Anlagen
geeignet sind. Die Phasendrehglieder sind mit diskreten
Bauelementen aufgebaut und stehen als Baugruppen zur
Verfügung. Für eine Umschaltung auf Vielfache eines
kleinsten gewählten Öffnungswinkels gemäß Anspruch 8 sind
die Baugruppen zum Realisieren des kleinsten
Öffnungswinkels mehrfach gleich aufzubauen und im Betrieb
zu- und abschaltbar. Der Vorteil besteht in der
fertigungstechnischen Ersparnis und Verminderung der
Prüfkosten, da nicht jeweils für jeden Öffnungswinkel
individuell verschieden aufgebaute Phasendrehglieder
benötigt werden, sondern Vielfache der gleichen Baugruppe.
Bei Verwendung von Rechnerbausteinen, z. B.
Mikroprozessoren und ROMs oder RAMs, in der Sonaranlage
ist die vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen
Schaltanordnung nach Anspruch 9 vorzusehen. Die
ermittelten Restphasenwerte werden in einer Wertetabelle
als komplexe Zahlen ej ϕ abgespeichert. In einem
Signalgenerator werden komplexe Sinussignale ej ω t
bereitgestellt und mit den Restphasenwerten ej ϕ
multipliziert.
ej ω t · ej ϕ=ej ϕ t+ ϕ.
Realteil cos (ωt+ϕ)
oder Imaginärteil sin (ωt+ϕ) werden zur Ansteuerung der
Leistungsverstärker benutzt. Der Vorteil dieser
Signalverarbeitung besteht darin, daß die Wertetabellen
z. B. in ein ROM (read-only-memory) einmal eingespeichert
werden. Eine Veränderung im Betrieb ist überflüssig. Die
Multiplikation mit Hilfe von Mikroprozessoren ist schnell
durchführbar. Die benötigten Rechenbausteine sind beim
heutigen Stand der Technik serienmäßig erhältlich. Ihre
Ansteuerung gehört zu den üblichen Routinen. Der geringe
Hardwareaufwand und alle damit verbundenen Vorteile sind
auch bei dieser Lösung zu verzeichnen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für
eine Schaltanordnung zum impulsförmigen Abstrahlen von
Schallwellen näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Skizze für eine ebene Basis und ihre
parabolische Phasenansteuerung und
Fig. 2 ein Blockschaltbild für umschaltbare
Öffnungswinkel.
In einem Koordinatensystem i, ϕ sind auf der i-Achse
Wandlerorte von i=-N bis i=+N eingezeichnet. Sie
entsprechen den Wandlerorten von elektroakustischen
Wandlern auf einer ebenen Basis, die die Sendeantenne
einer Sonaranlage bilden. Wenn alle N Wandler komphas
angesteuert würden, wäre ihr Öffnungswinkel durch die
Basislänge 2N · d, wobei d der Abstand zwischen den Wandlern
ist und die Wellenlänge λ bestimmt, wobei λ der
Mittenfrequenz eines abgestrahlten Schallimpulses
zuzuordnen ist, dessen Bandbreite B durch seine
Impulsdauer bestimmt ist. Bei den hier betrachteten
Frequenzen und verwendeten Impulsdauern ist die Bandbreite
klein gegenüber der Mittenfrequenz, so daß von einer
monochromatischen Schallabstrahlung ausgegangen werden
darf, auch wenn ein FM-Sweep ausgesendet wird.
Fig. 1 zeigt im unteren Teil das Koordinatensystem i, ϕ
und im oberen Teil einen Sektor mit einem Öffnungswinkel
2 · ϑmax, wobei ϑmax symmetrisch zur Scheitellinie des
Sektors liegt, in dem Schallwellen von Wandlern an
Wandlerorten i=0, ±1, ±2, . . ., ±N abgestrahlt werden
sollen.
Zur Vergrößerung des natürlichen Öffnungswinkels einer
solchen Sonarbasis der Länge 2 · N · d auf einen Wert 2 · ϑmax,
der hier gleich 90° gewählt ist, werden die 2N+1 Wandler
auf der Basis mit Sendesignalen angesteuert, die
gegeneinander um Phasenverschiebungen entsprechend den
gepunktet eingezeichneten Ordinatenwerten vom Wandlerort i
zur Parabel P verzögert sind. Die Phasenverschiebungen
weisen im folgenden kein negatives Vorzeichen auf, sondern
nur den Betrag, um den gegenüber einem Wandler bei i=0
verzögert werden soll. Die Steigung der Parabel P ist
abhängig vom Öffnungswinkel 2 ϑmax des Sektors. Ihre
Steigung ist um so geringer, je kleiner der Öffnungswinkel
2 ϑmax gewählt wird.
Steigung und Brennpunkt einer Parabel sind unmittelbar
geometrisch miteinander verknüpft. Zur Konstruktion der
Parabel P wird ihr Brennpunkt 0/¼ ϕmax bestimmt. Der
Wandler an der Position i=±N erfährt die maximale
Phasenverschiebung ϕmax. Damit die Wandler jeweils in
Winkel ϑi strahlen, die von Wandler zu Wandler um den
gleichen Betrag Δϑ zunehmen, ist die Steigung der Parabel
an der Stelle i=N gerade gleich dem Phasenunterschied
gewählt, der durch den Abstand N · d des äußeren Wandlers
von der Mitte und den halben Öffnungswinkel ϑmax bestimmt
ist. Dadurch ergibt sich ein maximaler Phasenwert
ϕmax
Der Brennpunkt der Parabel liegt bei ϕ=¼ ϕmax.
Der Wert ϕmax ist um so größer, je größer ϑmax ist. Die
Steigung der Parabel wird für größere Öffnungswinkel
2 ϑmax größer. Ihr Brennpunkt liegt bei größeren
Ordinatenwerten auf der ϕ-Achse. Die Phasenwerte für die
einzelnen Wandler berechnen sich zu
In Fig. 1 ist an jedem Wandlerort eine Speiche S₁, S₂ bis
SN eingezeichnet. Diese Speichen sind gegenüber der
Senkrechten um Vielfache eines Winkelinkrements
geschwenkt, der Winkel zwischen der Speiche und der
Senkrechten ist abhängig vom Wandlerort i
und beträgt am Wandlerort i=N gerade gleich ϑmax.
Die Speichen S₁, S₂, . . ., SN schneiden sich in einem
Punkt. Beim Senden breiten sich die Schallwellen vom
jeweiligen Wandlerort in Richtung der Speiche S aus und
erreicht nach einer Zeit gleiche Abstände A auf den
Speichen S. Ihre Wellenfront W steht jeweils senkrecht auf
den Speichen S.
In der Nähe der Basis liegt die Wellenfront eines
abgestrahlten "Wellenpakets" praktisch zur Basis,
ihre Krümmung nimmt bei größeren Entfernungen zu und wirkt
im Fernfeld so, als wenn ein punktförmiger Wandler das
impulsförmige Wellenpaket abgestrahlt hat.
Nachdem die Phasenwerte ϕi abhängig vom Öffnungswinkel
2 ϑmax des Sektors, der Basislänge, der mittleren
Wellenlänge der Schallwellen und dem Wandlerort ermittelt
ist, werden aus den Phasenwerten ϕi Restphasenwerte ϕ
bestimmt. Von den Phasenwerten ϕi werden Vielfache von 2 π
oder 360° abgezogen und zu einem Restphasenwert ϕ
zusammengefaßt, wenn sie innerhalb eines vorgegebenen
Intervalls liegen. Mit den Restphasenwerten ϕ werden die
Sendesignale beaufschlagt.
Zur Verdeutlichung wird im folgenden eine Sonaranlage, die
innerhalb eines Sektors mit einem Öffnungswinkel 2 ϑmax=10°
Schallwellen aussendet, dimensioniert. Die Basis
weist 201 Wandler auf, die im Abstand d=0,7 λ angeordnet
sind. Die Frequenz der Schallwellen beträgt 100 kHz, die
Impulsdauer 100 ms. Der natürliche Öffnungswinkel der
Basis beträgt aufgrund ihrer Abmessungen 0,4°.
Die Basis weist am Wandlerort i=0 in der Mitte einen
Wandler auf, rechts und links davon sind N=100 Wandler
jeweils im Abstand d angeordnet. Die Sendesignale der
beiden äußersten Wandler müssen gemäß der parabolischen
Ansteuerung nach Fig. 1 einen maximalen Phasenwert ϕmax
aufweisen:
und in grad
ϕmax=1100°.
Gegenüber dem mittleren Wandler an der Position i=0
müssen die beiden äußeren Wandler um 1100° verzögert
angesteuert werden. Die Phasenwerte für die i Wandler
rechts und links der Basis ergeben sich zu
ϕi/grad=0,11 i² i=0, 1, 2, . . ., 100.
Die Phasenwerte ϕi werden um r · 160° vermindert:
ϕi*=0,11 i²-r · 360°. r=0, 1, 2, . . .
z. B.: ϕmax-r · 360°=1100-3 · 360°=20°.
Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt je Wandler i die
verminderten Phasenwerte ϕi*, die jeweils zu
Restphasenwerten ϕ in Gruppen 1 bis 20 zusammengefaßt
sind. Die Restphasenwerte ϕ sind verminderte
Phasenwerte ϕi*, die innerhalb eines vorgebbaren
Intervalls liegen.
Die zu einer Gruppe 1, 2, . . ., 20 gehörenden Wandler i
werden in der Basis elektrisch verbunden und mit
Sendesignalen beaufschlagt, deren Restphasenwerte ϕ in der
nachfolgenden Tabelle 2 angegeben sind.
Die Restphasenwerte ϕ sind Mittelwerte der zu Gruppen
zusammengefaßten, verminderten Phasenwerte ϕi* der
Tabelle 1, ihre Streuung σ ist in Tabelle 2 angegeben. Das
Intervall für die Restphasenwerte ϕ ist so gelegt worden,
daß eine mittlere Streuung σ=60° zugelassen ist.
Aus der mittleren Streuung σ=6° wird eine minimale
Anzahl der Leistungsverstärker ermittelt.
Um alle Leistungsverstärker gleich zu belasten, wird
m=20 gewählt. Dann umfaßt jede Gruppe 10 Wandler, nur
die Gruppe 1 umfaßt 11 Wandler.
In Fig. 2 ist eine solche Sonaranlage als Blockschaltbild
angegeben. Die Sonaranlage strahlt Schallwellen innerhalb
eines Sektors mit umschaltbarem Öffnungswinkel ϑ=10°,
ϑ=20°, 3 ϑ=30° ab. 201 Wandler sind äquidistant im
Abstand d auf einer ebenen Basis 1000 angeordnet und
symmetrisch zur Basismitte durchnummeriert. Die 201 Wandler
werden auf der Basis 1000 gemäß Tabelle 1 zu Gruppe 1 bis
20 zusammengeschaltet. Die Tabelle 1 weist die
Wandlernummern von der Mitte i=0 bis i=100 auf, wobei
i=100 jeweils die beiden äußeren Wandler der Basis 1000
kennzeichnet. Für einen Öffnungswinkel ϑ werden die
Restphasenwerte aus Tabelle 2 entnommen. Es werden also
die Wandler an den Wandlerorten i=0, 1, 2, 3, 4 und 81
rechts und links zur Mitte der Basis zusammengeschaltet
und mit einem Restphasenwert von ϕ=1° beaufschlagt.
Diese Wandler bilden die Gruppe 1. Die Wandler an den
Wandlerorten i=31, 32, 33, 66 und 87 rechts und links
zur Mitte der Basis bilden die Gruppe 10 und sind mit
einem Restphasenwert von 114° beaufschlagt. Die Wandler an
den Wandlerorten i=56, 57, 80, 98 und 99 bilden die
Gruppe 20 und werden mit dem Restphasenwert ϕ=348°
beaufschlagt.
Die entsprechenden Restphasenwerte ϕ sind durch zwanzig
Phasendrehglieder 200 realisiert, in denen die
Restphasenwerte ϕ vermerkt sind. Sie werden mit
Signalfolgen aus einem Signalgenerator 210 beaufschlagt.
Diese Signalfolgen sind beispielsweise
100-kHz-Schwingungen oder FM-Sweeps von 90 kHz bis 110 kHz
während einer vorgebbaren Impulsdauer. Durch eine
Steuereinheit 220 werden die Phasendrehglieder 200 mit
zwanzig Leistungsverstärkern 300 verbunden, die über
zwanzig Kabelverbindungen 400 mit den Gruppen 1 bis 20 der
Wandler auf der Basis 1000 verbunden sind.
Die Steuereinheit 220 steuert ein Schalternetzwerk an, mit
dem bei Vergrößerung des Öffnungswinkels von 10° auf 20°
oder 30° entsprechende gleiche Phasendrehglieder mit
gleichen Restphasenwerten ϕ zugeschaltet werden.
Die Phasendrehglieder 200 sind in gleicher Weise durch
Wertetabellen in Form von ROMs (read-only-memorys) und
Mikroprozessoren zu realisieren, in denen die
Phasenverschiebung der Signalfolgen durch Multiplikation
komplexer Zahlen erfolgt. In den ROMs werden die
Restphasenwerte als komplexe Zahl abgelegt. Bei Umschalten
auf größere Öffnungswinkel können die Restphasenwerte
wieder um Modulo 2 π vermindert abgelegt werden. Der
Multiplizierer wird durch Mikroprozessoren realisiert. Im
Sendegenerator 210 werden Signalfolgen als komplexe Zahlen
in digitaler Form bereitgestellt. Das Steuerteil 220 sorgt
per Programm für den richtigen Sendeablauf. Die
Leistungsverstärker 300 und Kabelverbindungen 400 bleiben
in gleicher Form erhalten.
Claims (9)
1. Schaltanordnung zum impulsförmigen Abstrahlen von
Schallwellen von einer Vielzahl von
elektroakustischen Wandlern einer ebenen Basis in
einen Sektor mit vorgebbarem Öffnungswinkel, der
größer ist als der Öffnungswinkel bei komphaser
Ansteuerung der Wandler, mit phasenverzögernden
Netzwerken vor Leistungsverstärkern für ihre
Sendesignale, wobei die Verzögerungen durch eine die
Basis tangierende Kegelschnittfunktion bestimmt sind,
deren Symmetrieachse die Scheitellinie des Sektors
ist, dadurch gekennzeichnet, daß ausgehend vom
Öffnungswinkel (2 ϑmax) ein maximaler Phasenwert
(ϕmax) für den äußersten der Wandler gleich der
halben auf die mittlere Wellenlänge der Schallwellen
bezogenen Basislänge multipliziert mit π mal dem
halben Öffnungswinkel oder dem Sinus des halben
Öffnungswinkels gewählt ist, daß die Phasenwerte
(ϕi) für die Wandler von der Mitte der Basis nach
außen entsprechend einer Parabel als
Kegelschnittfunktion quadratisch zunehmend
ausgebildet sind und der Brennpunkt der Parabel
gleich ¼ des maximalen Phasenwertes (ϕmax) ist und
daß die Phasenwerte um Vielfache von 2 π vermindert
innerhalb eines vorgebbaren Intervalls als
Restphasenwerte (ϕ) Verzögerungen für die
Sendesignale sind und den Sendesignalen als
Phasenverschiebung aufprägbar sind.
2. Schaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß diejenigen Wandler am Ort der
Basis zu einer Gruppe elektrisch zusammengefaßt sind,
deren verminderte Phasenwerte im Intervall liegen.
3. Schaltanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Intervall abhängig von einer
gewünschten Nebenpegeldämpfung außerhalb des Sektors
vorgebbar ist.
4. Schaltanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Anzahl der
Leistungsverstärker durch das vorgegebene Intervall
bestimmbar ist.
5. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Intervall aus einer
zulässigen Streuung um den jeweiligen Restphasenwert
abgeleitet ist.
6. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß zum weiteren Vergrößern
des Öffnungswinkels um ganzzahlige Vielfache
Vielfache der Restphasenwerte die Verzögerungen für
die Sendesignale sind und umschaltbar als
Phasenverschiebungen aufgeprägt sind.
7. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß als phasenverzögernde
Netzwerke Phasendrehglieder zur Phasenverschiebung um
die Restphasenwerte zwischen Signalgenerator und
Leistungsverstärker für die Wandler angeordnet sind.
8. Schaltanordnung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß Vielfache der Phasendrehglieder
mit gleicher Phasenverschiebung zuschaltbar sind.
9. Schaltanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Restphasenwerte in
einer Wertetabelle abspeicherbar sind, daß in einem
Signalgenerator so viele Sinussignale wie
Restphasenwerte bereitstellbar sind, daß die
Sinussignale mit dem Restphasenwert aus der
Wertetabelle durch Multiplikation phasenverschoben
auf Leistungsverstärker für die Wandler aufschaltbar
sind.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904024353 DE4024353A1 (de) | 1990-08-01 | 1990-08-01 | Schaltanordnung zum impulsfoermigen abstrahlen von schallwellen |
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19904024353 DE4024353A1 (de) | 1990-08-01 | 1990-08-01 | Schaltanordnung zum impulsfoermigen abstrahlen von schallwellen |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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