DE4126060C1

DE4126060C1 - Noise detector for ship propellers - uses acceleration pick=up amplifier and display with voltage corresp. to value above signing frequency as reference

Info

Publication number: DE4126060C1
Application number: DE4126060A
Authority: DE
Inventors: Joerg 2330 Eckernfoerde De Arendt; Hans-Juergen Dipl.-Ing. 2381 Oberselk De Arens
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1992-11-05
Anticipated expiration: 2011-08-06

Abstract

The detector device for ship's propeller induced noises, includes an acceleration sensor (1), an amplifier and an indicator. The sensor detects any noise in the ambience and then transduces it into an electrical signal, and requires a constant current source (15) for its integrated MOSFET used to construct the signals via a coaxial cable to the detector installed at a selected point in the ship. The MOSFET arrangement provides a low-resistance output type impedance converter, with the constant current source (15) integrated into the detector, with current supply and signal voltage isolution provided via the coaxial cable. The detector input stage (2) is designed as a high-pass filter with its 3dB threshold at 450 Hz. USE - Military seacraft, e.g. mine sweepers propeller singing detection and minimisation preventing damage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektorvorrichtung für von Schiffsschrauben verursachte Geräusche der im Gattungsbe griff des Anspruchs 1 genannten Art.The invention relates to a detector device for noises caused by propellers in the genus handle of claim 1 mentioned type.

Aufgrund physikalischer Gegebenheiten erzeugt ein schrauben getriebenes Über- oder Unterwasserfahrzeug Geräusche die im Wasser über weite Entfernungen weitergeleitet werden.Due to physical conditions, a screw is created driven over or underwater vehicle noises in the Water can be passed over long distances.

Nach ihrer Entstehungsursache kann bei diesen Geräuschen un terschieden werden in während bestimmter Betriebszustände sicher eintretende, wie z. B. durch Kavitation, und in nur zeitweise auftretende.According to their cause, these noises can are differentiated during certain operating states safely occurring, such as B. by cavitation, and in only intermittent.

Als besonders problematisches zeitweise auftretendes Geräusch ist seit langem das sogenannte Propellersingen bekannt, des sen Ursache trotz umfangreicher Forschungsarbeit bisher nicht eindeutig geklärt werden konnte.As a particularly problematic occasional noise has long been known as propeller singing Despite extensive research, the cause has not yet been identified could be clearly clarified.

Das Phänomen äußert sich durch vom Schiffspropeller unerwar tet emittierte laute Töne.The phenomenon manifests itself through the ship propeller being unexpected emits loud tones.

Charakteristisch ist hierbei, daß sonst unwichtige Details ursächlich sein können.It is characteristic here that otherwise unimportant details can be the cause.

So ist es nicht ungewöhnlich, daß an scheinbar identischen Schiffsschrauben einer Serie, Propellersingen an einem Exem plar auftreten kann, während alle anderen diese Erscheinung nicht zeigen.So it is not uncommon for apparently identical ones Ship propellers in a series, propeller singing on an Exem Plar can occur while everyone else has this appearance do not show.

In extremen Fällen weisen sogar einzelne Propellerblätter während ihres Umlaufes in einem bestimmten Winkelbereich zeitweise diese unangenehme Eigenschaft auf. In extreme cases, even single propeller blades point during its rotation in a certain angular range at times this unpleasant quality.

In besonders heftigen Fällen kann es wegen dieses Phänomens zu ernsten Schäden im Schiffsantrieb kommen.In particularly violent cases it can be because of this phenomenon serious damage to the ship's drive.

Für militärische Wasserfahrzeuge ergibt sich durch die Ver breitung des, gemessen am Normalgeräusch sehr viel lauteren Propellersinggeräusches, neben der Gefahr eines Bruches, die noch ernster einzuschätzende Gefahr der wesentlichen Vergrö ßerung ihrer Verratsreichweite, was zu einer leichteren Ent deckbarkeit seitens feindlicher Aufklärung führt. Ebenfalls vergrößert sich die Gefahr der sicheren Auslösung diverser auf Geräusche ansprechender Unterwasserwaffen. Empfohlene Ab hilfemaßnahmen, die zum Teil widersprüchlich sind, haben sich bis heute nicht als wirksam erwiesen.For military watercraft, the Ver spread of the much louder compared to normal noise Propeller singing noise, in addition to the risk of breakage, the even more serious risk of substantial magnification increase their treachery range, resulting in an easier ent coverability on the part of enemy reconnaissance. Likewise the risk of safe triggering increases underwater weapons responsive to noise. Recommended ab aid measures, some of which are contradictory, have turned out to be not proven effective to date.

Zur Minimierung dieser Gefahren werden Militärfahrzeuge die als ganz besonders gefährdet eingestuft sind, wie z. B. Mi nensuchboote, nach ihrer Herstellung oder nach einer Überho lung akustisch vermessen.Military vehicles are used to minimize these dangers are classified as particularly at risk, such as B. Wed. search boats, after their manufacture or after an overhaul measure acoustically.

Die gewonnenen Daten dienen dann im Fahrtbetrieb dazu be stimmte Parameterkombinationen zu vermeiden.The data obtained are then used for driving to avoid agreed parameter combinations.

Wegen, während der Bootsbenutzung unvermeidlicher Abnutzung bzw. Formänderung der Antriebsschrauben, schwindet die Zuver lässigkeit dieser Meßergebnisse mit der Zeit.Because of inevitable wear and tear during boat use or change in shape of the drive screws, the zuver casualness of these measurement results over time.

Eine entsprechende steigende Gefährdung von Mannschaft und Boot stellt sich damit unvermeidlich ein.A corresponding increasing risk to crew and Boot is inevitable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektionsvor richtung zu schaffen, die dem Schiffsführungspersonal ein mo mentanes Propellersingen unverzüglich und zuverlässig an zeigt.The invention has for its object a detection direction to create a mo mentals propeller singing immediately and reliably shows.

Die Lösung gelingt mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 an gegebenen Maßnahmen. The solution to the in the characterizing part of claim 1 given measures.

Von einem in Schraubennähe angebrachten Beschleunigungsauf nehmer werden Schwingungen des umgehenden Mediums aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt.From an accelerator mounted near the screw Vibrations of the immediate medium are picked up and converted into electrical signals.

Die in üblicher Weise verstärkten Signale werden über ein Ka bel zum Signaleingang des erfindungsgemäßen Detektors über tragen, von wo sie bandweise in mindestens einem selektiven Verstärkerkanal, dessen Mittenfrequenz einer typischen Sing frequenz entspricht, verstärkt werden.The signals amplified in the usual way are via a Ka bel to the signal input of the detector according to the invention wear from where they band by band in at least one selective Amplifier channel, the center frequency of a typical Sing frequency corresponds to be amplified.

Falls noch andere Frequenzen in charakteristischer Weise auf das Auftreten von Propellersingen hindeuten, so ist es vor teilhaft, auch noch für diese bandbreitengleiche Kanäle vor zusehen.If there are other frequencies in a characteristic way suggest the appearance of propeller chants, so it is before partial, also for these channels with the same bandwidth watch.

Parallel zum mindestens einfach vorhandenen "Singfrequenz kanal" ist mindestens ein spezieller Kanal gleicher Band breite vorgesehen, der mit seiner Mittenfrequenz auf eine Frequenz abgestimmt ist, die jenseits der typischen Sing frequenz liegt.Parallel to the at least simply existing "singing frequency channel "is at least one special channel of the same band width provided that with its center frequency on a Frequency is matched, which is beyond the typical sing frequency is.

Das verstärkte Signal dieses Kanales wird in einer Verglei cherstufe als Referenzsignal dem Signal oder den Signalen ei nes oder diverser auf Singfrequenzen abgestimmter Kanäle ent gegengestellt.The amplified signal of this channel is compared level as a reference signal, the signal or signals nes or various channels tuned to singing frequencies contrasted.

Wenn eins dieser Signale dieses Referenzsignal um einen be stimmten vorwählbaren Betrag übersteigt, wird ein Alarm ge setzt, der akustisch, optisch oder in anderer Weise die Schiffsbesatzung darüber informiert, daß am Schiffsantrieb Propellersingeffekte auftreten. Auf diese Anzeige hin kann dann als Gegenmaßnahme versucht werden, die betrieblichen Randbedingungen wo möglich, so lange zu verändern, bis der Detektor kein Propellersingen mehr anzeigt. If one of these signals this reference signal by a be an alarm is triggered who sets the acoustically, optically or in another way The ship's crew informed that the ship's propulsion system Propeller singing effects occur. On this display can then tried as a countermeasure, the operational Where possible, change the boundary conditions until the Detector no longer shows propeller singing.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in einer Figur dargestellten Schaltung erläutert.The invention is described below with reference to a figure illustrated circuit explained.

In einem Blockschaltbild zeigt die Figur eine Detektorvor richtung für von Schiffsschrauben verursachte Geräusche, die einen vorzugsweise in Propellernähe plazierten Beschleuni gungsaufnehmer 1 aufweist, der den Umgebungsschall erfaßt und in elektrische Signale umwandelt.In a block diagram, the figure shows a detector device for noise caused by propellers, which has a preferably placed near the propeller acceleration transducer 1 , which detects the ambient sound and converts it into electrical signals.

Um die erzeugten Signale über ein Koaxkabel zum am gewünsch ten Ort im Schiff eingebauten Detektor weiterleiten zu kön nen, wird für den in den Beschleunigungsaufnehmer integrier ten MOSFET eine Konstantstromquelle 15 benötigt, um einen Impedanzwandler mit niederohmigen Ausgang zu erzeugen. Die Konstantstromquelle 15 ist in den Detektor integriert, die Stromversorgung und die Signalspannungsauskopplung erfolgt über das Koaxkabel.In order to be able to forward the signals generated via a coaxial cable to the detector installed at the desired location in the ship, a constant current source 15 is required for the MOSFET integrated into the accelerometer in order to generate an impedance converter with a low-impedance output. The constant current source 15 is integrated in the detector, the power supply and the signal voltage are coupled out via the coax cable.

Im Detektor ist eine Eingangsstufe 2 vorgesehen, welche als Hochpaßfilter dessen 3 dB Grenzfrequenz bei 450 Hz liegt, ausgebildet ist.An input stage 2 is provided in the detector, which is designed as a high-pass filter whose 3 dB cutoff frequency is 450 Hz.

Das Filter verhindert Dynamikbegrenzungen, die durch inten sive, niederfrequente Geräuschanteile unterhalb der Filter grenzfrequenz entstehen. Ihre Ursachen liegen in Zündfolge- und Drehfrequenzen der Antriebsmaschinen und in den Propel lerflügeldrehfrequenzen begründet. Neben dieser Funktion stellt das Filter gleichzeitig die untere Flanke eines Detek tionsbandpasses für einen ersten auf typische Propellersing frequenzen abgestimmten Verarbeitungskanal dar.The filter prevents dynamic limits caused by internal active, low-frequency noise components below the filters cutoff frequency arise. Their causes are in firing order and Rotation frequencies of the drive machines and in the propeller vane rotation frequencies justified. Besides this function the filter simultaneously represents the bottom edge of a detector band pass for a first on typical propeller ring frequency-coordinated processing channel.

Als vorteilhaft hat sich für die Hochpaßfilterauslegung ein Spannungsübertragungsverhältnis von 0 dB und eine Flanken steilheit von 24 dB/Oktave erwiesen. Has proven to be advantageous for the high-pass filter design Voltage transmission ratio of 0 dB and an edge slope of 24 dB / octave.

In Abhängigkeit von der jeweiligen Fahrtstufe und der Pegel höhe des Propellersingens ist eine hohe Eingangssignaldynamik nicht zu vermeiden.Depending on the respective speed level and the level The level of propeller singing is high input signal dynamics can not be avoided.

Dem Hochpaßfilter folgt deshalb eine Regelverstärkerstufe 3 mit zugehörigem Regelspannungserzeuger 12. In einem auf die folgende Schaltung abgestimmten Eingangsspannungsbereich, z. B. 0,7 m V eff bis 700 m V eff, regelt die Baugruppe die Ausgangsspannung auf einen festen Arbeitspegel. Diese Maß nahme kompensiert die Einflüsse der Eingangssignaldynamik, die wegen unterschiedlicher Kavitationseffekte und der erheb lichen unterschiedlichen abgestrahlten Schallintensitäten bei singendem und nicht singendem Propeller sehr hoch ausfallen.The high-pass filter is therefore followed by a control amplifier stage 3 with an associated control voltage generator 12 . In an input voltage range matched to the following circuit, e.g. B. 0.7 m V eff to 700 m V eff, the module regulates the output voltage to a fixed working level. This measure compensates for the influences of the input signal dynamics, which are very high due to different cavitation effects and the considerably different emitted sound intensities for singing and non-singing propellers.

Im gewählten Ausführungsbeispiel wird die weitere Verarbei tung in drei Kanälen beschrieben.In the selected embodiment, the further processing described in three channels.

Zwei dieser Kanäle sind auf typische Singfrequenzen wichtiger Bootsfahrtstufen abgestimmt, während der Durchlaßbereich des dritten Kanals auf eine Frequenz jenseits dieser Frequenzen ausgelegt ist.Two of these channels are more important on typical singing frequencies Boating levels matched while the passband of the third channel to a frequency beyond these frequencies is designed.

Da die Einrichtung darauf abzielt, die Signale der verschie denen Kanäle miteinander zu vergleichen, ist es notwendig, die Kanäle in einander gleichen Bandbreiten und gleichen Spannungsverstärkungsgraden zu realisieren.Since the facility aims to signal the various to compare those channels with each other, it is necessary the channels in equal bandwidths and equal Realize voltage gain levels.

Erreicht wird dies mittels eines unterschiedlichen Aufbaus.This is achieved by means of a different structure.

Im Kanal zur Detektion einer ersten Singfrequenz wird ein Tiefpaßfilter 6 mit einer 3 dB Grenzfrequenz von 850 Hz bei gleicher Steilheit und Verstärkung wie das schon erwähnte Hochpaßfilter in der Detektoreingangsstufe 2 eingesetzt. A low-pass filter 6 with a 3 dB cut-off frequency of 850 Hz is used in the channel for the detection of a first singing frequency with the same slope and amplification as the already mentioned high-pass filter in the detector input stage 2 .

Zusammen mit dem Hochpaßfilter ergibt sich so ein Filter mit einer Mittenfrequenz von 650 Hz und einer Bandbreite von 400 Hz.Together with the high-pass filter, this results in a filter with a center frequency of 650 Hz and a bandwidth of 400 Hz.

Zur Anpassung des Gesamtverstärkungsgrades dieses ersten Ka nales folgt dem Filter ein Festverstärker 5.To adjust the overall gain of this first channel, the filter is followed by a fixed amplifier 5 .

Die Adaptierung des zusätzlichen 2. Kanals erfolgt durch ein Filter mit 1,4 kHz Mittenfrequenz 13.The additional 2nd channel is adapted using a filter with a center frequency of 1.4 kHz 13 .

Mehrkanaliger Aufbau ist erforderlich, wenn bei verschiedenen betrieblichen Randbedingungen, z. B. Minenjagd- und Marsch fahrtbetrieb, typische unterschiedliche Singfrequenzen auf treten.Multi-channel structure is required if different operational boundary conditions, e.g. B. Mine hunting and marching driving operation, typical different singing frequencies to step.

Die Bandbreite und Mittenfrequenz des zusätzlichen Propel lersingkanals wird mittels zweier kaskadiert auf gebauter gegeneinander, mit ihren Mittenfrequenzen verstimmter Ein zelbandpässe erreicht.The bandwidth and center frequency of the additional Propel lersing canal is cascaded on top of two against each other, with their center frequencies detuned on Passes achieved.

Es ergibt sich aufgrund der gewählten Bauteile die auf die zweite auftretende Propellersingfrequenz abgestimmte Kanal mittenfrequenz.It results from the selected components second occurring propeller singing frequency tuned channel center frequency.

Der auf eine jenseits der Singfrequenzen abgestimmte dritte Kanal ist in gleicher Weise aufgebaut. In seinem Eingang ist durch Abstimmungsmaßnahmen ein Filter mit 2,0 kHz Mittenfre quenz 14 und 400 Hz Bandbreite realisiert.The third channel, which is tuned beyond the singing frequencies, is constructed in the same way. A filter with 2.0 kHz center frequency 14 and 400 Hz bandwidth is implemented in its input by means of tuning measures.

Damit ergeben sich im ausgeführten Beispiel 0,65 kHz und 1,4 kHz Mittenfrequenz für einen ersten und zweiten Sing frequenzkanal und 2,0 kHz für einen weiteren Referenzkanal.This results in 0.65 kHz and 1.4 kHz center frequency for a first and second sing frequency channel and 2.0 kHz for another reference channel.

Die Bandbreite aller Kanäle ist gleich und beträgt 400 Hz. The bandwidth of all channels is the same and is 400 Hz.

Den drei Filterkanälen sind lineare Gleichrichter 4 und Inte gratoren 4 nachgeschaltet, die die jeweiligen Spitzenspan nungswerte in eine proportionale Gleichspannung zurückführen.The three filter channels are followed by linear rectifiers 4 and integrators 4 , which return the respective peak voltage values to a proportional DC voltage.

Die so gewonnenen Spannungswerte des ersten und zweiten Sing kanals werden in einer Komperatorstufe 7 dem Spannungswert des auf jenseitige Frequenzen abgestimmten Kanals entgegenge stellt.The voltage values of the first and second sing channels obtained in this way are opposed in a comparator stage 7 to the voltage value of the channel tuned to frequencies on the other side.

Übersteigt bei diesem Vergleich die Gleichspannung mindestens eines Kanales die des Referenzkanales um einen je nach Kanal wählbaren Wert, so wird eine Alarmanzeige 8 aktiviert, die dem Schiffsführungspersonal aktuell ihre Gefährdung durch das Geräusch des Propellersingens anzeigt.If, in this comparison, the DC voltage of at least one channel exceeds that of the reference channel by a value that can be selected depending on the channel, an alarm indicator 8 is activated, which currently shows the ship's command personnel the danger of the noise of the propeller singing.

Mit einer weiteren vorteilhaften Maßnahme erfolgt die Ver knüpfung der Singkanalgleichspannungswerte nicht nur mit dem Wert des Referenzkanals, sondern auch noch mit dem direkten Eingangssignal der Detektorvorrichtung.With a further advantageous measure, the Ver Linking the singular channel DC voltage values not only with the Value of the reference channel, but also with the direct one Input signal from the detector device.

Hierdurch ist sichergestellt, daß durch indifferente Verhält nisse beim Einschalten der Vorrichtung infolge der Ein schwingzeitkonstanten der Filter oder wegen eines defekten Beschleunigungsaufnehmers nicht zufällig Alarme ausgelöst werden.This ensures that by indifferent ratio nisse when turning on the device due to the on oscillation time constants of the filters or because of a defective one Accelerometer not accidentally triggered alarms will.

Konstruktiv ist diese Maßnahme gelöst durch einen Festver stärker 9 der das Gebersignal verstärkt.Constructively, this measure is solved by a Festver 9 which amplifies the encoder signal.

Sein Ausgangssignal wird gleichgerichtet der Alarmanzeige 8 zugeleitet.Its output signal is fed to the alarm display 8 in the same direction.

Hier wird unterhalb eines wählbaren Spannungswertes eine Alarmanzeige unterdrückt. Here is a below a selectable voltage value Alarm display suppressed.

Um das Schallereignis auch hörbar zu machen, ist ein Mithör verstärker 10 vorgesehen, an den ein Lautsprecher 11 ange schlossen ist. Ansonsten erfolgt die Alarmanzeige vorteils weise mit Leuchtmitteln wie Lampen oder Leuchtdioden.In order to make the sound event audible, a listening amplifier 10 is provided, to which a loudspeaker 11 is connected. Otherwise, the alarm is displayed advantageously with illuminants such as lamps or LEDs.

Claims

1. Detector device for noise caused by propellers with an accelerometer, an amplifier device and a display, characterized in that it has a number of processing channels of the same bandwidth for electrical signals, each of which is matched to the propeller singing frequencies of certain ship operating modes and these channels at least one other assigned to a frequency beyond the typical singing frequencies, with the same bandwidth and serving as a reference, further processing channel.

2. Detector device according to claim 1, characterized, that the processing channels and the reference channel one Monitoring device is assigned, which for the Switch-on time of the device, in the indifferent conditions due to filter settling time constant false alarms could be triggered, this under presses.

3. Detector device according to claim 1 and 2, characterized, that processing channels and reference channel to a ver the same level apply if the value of the reference ka nales of the values of the processing channels around be agreed amounts is exceeded, an alarm signal puts.