DE69512024T2

DE69512024T2 - Polyedrische richtwandleranordnung

Info

Publication number: DE69512024T2
Application number: DE69512024T
Authority: DE
Inventors: Philip Kuhn
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: US5377166A; EP0741899B1; EP0741899A1; DE69512024D1; WO1995020214A1; CA2181805A1; CA2181805C

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wandleranordnungen, und genauer gesagt auf Polyederanordnungen von akustischen Wandlern, wie z. B. solchen, wie sie für die Sonar- und Unterwassererfassung, Lokalisierung oder Überwachung verwendet werden.

Hintergrund der Erfindung

Akustische Wandler werden zum Umwandeln von akustischer (Schall) Energie in elektrische Energie benutzt und umgekehrt. Dies kann beispielsweise zweckmäßig sein, um Schall als Reaktion auf elektrische Signale zu erzeugen, wie z. B. in einem Lautsprecher, oder um elektrische Signale in Reaktion auf Schallenergie zu erzeugen, wie z. B. in einem Mikrofon. In diesem Zusammenhang umfaßt der Begriff "Schall" auch Ultraschall. Die Auslegung eines akustischen Wandlers wird in starkem Maße beeinflußt durch das Fluidmedium, für welches der Wandler vorgesehen ist, und dadurch, ob er für die Erzeugung von Schallenergie in dem Medium vorgesehen ist oder ob er Energie aus diesem aufnehmen soll. Wenn elektrische Energie für die Einkoppelung in das Fluidmedium auf den akustischen Wandler aufgebracht wird, so muß der Wandler gut an das Fluid angekoppelt sein, weil anderenfalls die elektrische Energie nicht in das Fluid übertragen wird (reflektiert wird oder in der elektrischen Quelle bleibt), oder in dem Wandler selbst absorbiert wird und dadurch eine Aufheizung verursacht. Eine starke Kopplung an das Medium bedeutet generell eine große Apertur, so daß beträchtliche Mengen des Fluids unter Reaktion auf die elektrische Energie bewegt werden können, und die Struktur muß ausreichend groß sein, um mit der Wärmeenergie und den Kräften, die mit der Wandlung verbunden sind, umzugehen. Akustische Wandler, die dafür vorgesehen sind, Schallwellen zu erfassen oder aufzunehmen, können dagegen klein sein, da sie sehr unwahrscheinlich so viel Energie aus dem Medium aufnehmen, daß sie sich erwärmen, und die relativ kleinen elektrischen Signale, die erzeugt werden, im allgemeinen auf ein brauchbares Niveau verstärkt werden können. Ein weiterer Vorteil von physikalisch kleinen Wandlern liegt darin, daß sie die Tendenz haben, im Vergleich zu größeren Wandlern ein relativ gutes Frequenzansprechen zu zeigen, da ihre mechanische Resonanz bei höheren Frequenzen auftritt als diejenige von größeren Wandlern und weil sie deshalb einen größeren Frequenzbereich aufweisen, in welchem das Ansprechverhalten der Amplitude des Wandlers flach ist.
Wandler für Unterwasserzwecke, wie z. B. ein Sonar, weden oft sowohl in einem Sendebetrieb als auch, zu einem anderen Zeitpunkt, in einem Empfangsbetrieb verwendet. Die Erfordernisse des Sendebetriebs dominieren tendenziell die Auslegung solcher Wandler. Das US-Patent 5,239,518, welches am 24. August 1993 auf den Namen Kazmar ausgegeben wurde, beschreibt einen solchen Sonarwandler, der dort als "Projektor" bezeichnet wird. Der Kazmar-Wandler beinhaltet ein elektrostriktives oder piezoelektrisches Material, welches auf elektrische Signale reagiert, um entsprechende akustische Signale zu erzeugen, und welches auch in der anderen Richtung wandelt, indem es elektrische Signale in Reaktion auf akustische Energie erzeugt.
Die Geschwindigkeit von Schallsignalen hängt von der Dichte des Mediums ab; die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 1.100 ft/sec (335 m/sec), in Wasser etwa 4.800 ft/sec (1.460 m/sec) und in Stahl etwa 16.000 ft/sec (4.880 m/sec). Da die Wellenlänge in einem Medium bei einer gegebenen Frequenz unmittelbar mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit verknüpft ist, ist die Wellenlänge in Wasser bei irgendeiner gegebenen Frequenz viel größer als in Luft. Dementsprechend ist ein gegebener Aufbau, bezogen auf die Wellenlänge, in Wasser viel kleiner als in Luft. Daher haben Aufbauten, wie z. B. akustische Wandler, die Tendenz, bezogen auf die Wellenlänge, relativ klein zu sein, wenn sie in ihr Fluidmedium, Wasser, eingetaucht werden. Unvermeidlich ist mit der kleinen Größe im Verhältnis zur Wellenlänge eine Isotropie oder Nichtgerichtetheit der Reaktion verknüpft; ein Wandler, der im Verhältnis zur Wellenlänge relativ klein ist, erscheint effektiv als Punktquelle und wandelt in nichtgerichteter Weise bzw. in allen Richtungen um.
Die gerichtete Wandlung ist aus vielen Gründen erwünscht. Wenn beispielsweise ein Wandler verwendet wird, um entfernte Schallquellen abzuhören, so hat ein gerichteter "Strahl" die Tendenz, den Einfluß von Rauschen, welches aus anderen Richtungen kommt, zu vermindern. Wenn akustische Energie in Richtung der Position eines Gegenstandes ausgesendet wird, der durch Beobachtung der akustischen Reflexion erfaßt werden soll, so konzentriert ein gerichteter Sende-"Strahl" die verfügbare Energie in Richtung des Gegenstandes und macht es damit wahrscheinlicher, daß ausreichend Energie auf den Gegenstand auftrifft, so daß die Reflexion erfaßt werden kann. Wie jedoch bereits erwähnt, hat ein akustischer Wandler die Tendenz, bezogen auf die Wellenlänge, klein zu sein und eine ungerichtete bzw. in allen Richtungen ausgerichtete Wandlung bereitzustellen.
Ein wohlbekanntes Verfahren für das Steigern der akustischen Ausrichtung liegt darin, eine Mehrzahl von individuellen Wandlern in einem Array anzuordnen. Beispielsweise können lange "linienförmige" Arrays akustischer Wandler entlang eines Kabels beabstandet voneinander angeordnet sein, und sie werden hinter einem Schiff hinterhergeschleppt, welches eine Meeresuntersuchung durchführt. Die akustischen Wandler werden in einem Sendebetriebszustand gleichzeitig erregt, so daß sie gemeinsam wirken mit dem Ergebnis, daß die effektive Abmessung des aussendenden Wandlers durch die Länge des Kabels bereitgestellt wird anstatt durch das Maß eines einzelnen Wandlers. Dies ermöglicht, daß ein gerichteter Strahl erzeugt wird, der im Falle der beschriebenen, geschleppten Anordnung ein "Fächer"-Strahl senkrecht zur Länge des Kabels ist. Dieselbe geschleppte Anordnung, die als Empfangswandler betrieben wird, verbindet alle empfangenen Signale ohne relative Verzögerungen oder Phasenverschiebungen und stellt einen "Empfangsstrahl" bereit, der dem zuvor erwähnten Fächerstrahl entspricht.
Auch andere Arten von Arrays bzw. Anordnungen sind bekannt. Ein für das Naval Underwater Systems Center, New London, CT, im April 1987 fertiggestellter Bericht unter dem Vertrag NICRAD-85-NUSC-022 beschreibt ein Feld aus einundzwanzig Wandlern in der Form eines geraden, kreisförmigen Zylinders, der wegen seiner Symmetrie in der horizontalen Ebene und wegen der daraus resultierenden Abdeckung über einen Azimuthwinkel von 360º vorteilhaft ist. Der Durchmesser und die Höhe der beschriebenen zylindrischen Anordnung betragen etwa eine Wellenlänge. Die Elemente wurden mit relativen Phasenverzögerungen für eine Phasenbeziehung entsprechend einer Ebene getrieben.
Polyederanordnungen sind in der Luft verwendet worden. FRA 227 82 18 offenbart eine Tetraederanordnung, und vollständig omnidirektionale ikosaedrische und dodekaedrische Anordnungen sind aus JP-A-59224998 bekannt. Diese Dokumente lösen das entgegengesetzte Problem, nämlich wie man gerichtete Wandler anordnet, so daß ein omnidirektionales Ansprechen erhalten werden kann.
Verbesserte Ausgestaltungen von Anordnungen sind wünschenswert.

Zusammenfassung der Erfindung

Eine Wandleranordnung gemäß der Erfindung beinhaltet eine Mehrzahl akustischer Wandler für die Verwendung in einem Fluidmedium. Jeder der Wandler hat maximale Abmessungen von weniger als einer akustischen Wellenlänge in dem Medium. Die akustischen Wandler sind mit ihren akustischen Zentren an den Scheitelpunkten eines regelmäßigen Polyeders angeordnet, welches Scheitelpunkte und mehr als sechs Seiten hat bzw. definiert. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Polyeder ein Ikosaeder, und die Anzahl der Wandler oder Feldelemente beträgt zwölf. In einer anderen Ausführungsform ist das Polyeder ein Dodekaeder, und es gibt zwanzig Wandler. Die Anordnung an den Scheitelpunkten eines regelmäßigen Polyeders ordnet die Elemente der Anordnung effektiv in regelmäßiger Weise auf der Oberfläche einer Kugel an, wobei der Abstand zwischen den Elementen nicht notwendigerweise gleich ist. Die Wandler sind räumlich durch eine Stützstruktur angeordnet, und sie sind elektrisch mit zumindest einem Sender oder einer Treiberanordnung verbunden bzw. angeordnet, die der Anordnung insgesamt zugeordnet sein kann oder der die einzelnen Einheiten für jeden Wandler zugeordnet sind, um elektrische Analoge der gewünschten akustischen Signale zu erzeugen, sowie durch einen Empfänger für den Empfang gewandelter Signale von den Wandlern. Ein solcher Aufbau kann wegen seiner Gleichförmigkeit in drei Raumrichtungen eine besonders gleichförmige allseits gerichtete oder isotrope Reaktion bereitstellen, zumindest über einen begrenzten Frequenzbereich hinweg. Eine besonders wünschenswerte Anordnung umfaßt Verzögerungen für die Phaseneinstellung der Signale, um Sende- oder Empfangs-"Strahlen" zu bilden, die eine Ausrichtung haben. Anordnungen mit einem Durchmesser, der einen Abstand zwischen den Elementen von etwa 1/3 bis 2/3 einer Wellenlänge bereitstellt, haben sich als solche erwiesen, die gute Eigenschaften über eine Frequenzbandbreite von einer Oktave bereitstellen. Ein solcher Kugeldurchmesser für einen Ikosaeder beträgt etwa das 1,903fache des Abstandes zwischen den Elementen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der ersten Anordnung eine zweite Anordnung zugeordnet, wobei die Elemente der zweiten Anordnung auf den Knotenpunkten bzw. Scheitelpunkten eines anderen Polyeders angeordnet sind, welches sich von dem ersten Polyeder unterscheidet, wobei beide Polyeder bezüglich desselben Punktes zentriert sind. In einer Ausführungsform umfaßt die erste Anordnung alle Elemente, die auf zumindest einigen und vorzugsweise auf allen der zwölf Scheitelpunkte eines Ikosaeders angeordnet sind, und die zweite Anordnung umfaßt Elemente, die auf zumindest einigen und vorzugsweise auf allen zwanzig Scheitelpunkten eines Dodekaeders angeordnet sind. Die zwanzig Scheitelpunkte des Dodekaeders sind koradial, d. h. sie liegen auf derselben radialen Linie wie die Mittelsenkrechten bzw. Zentren der zwanzig Flächen des Ikosaeders. Mit anderen Worten, jeder der Scheitelpunkte des Dodekaeders liegt auf einem der Radien, der durch das Zentrum einer der zwanzig Flächen des Ikosaeders hindurch verläuft. Der Abstand zwischen den Elementen entlang der Umfangssekanten der pentagonalen Fläche des Dodekaeders beträgt (näherungsweise) 50% des Abstandes zwischen den Elementen entlang einer Sekante der gleichseitig dreieckigen Fläche des Ikosaeders. Die zweite Anordnung ist mit seinem eigenen Sender (Sendern) und/oder Empfänger und, falls gewünscht, mit gesteuerten Verzögerungen ausgestattet, um einen gerichteten Strahl zu erzeugen, der mit dem Strahl der ikosaedrischen Anordnung zusammenfallen kann.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 ist eine perspektivische oder isometrische Ansicht einer festen bzw. massiven Ikosaedergeometrie.
Fig. 2a ist eine vereinfachte perspektivische oder isometrische Ansicht eines akustischen Wandlers, und Fig. 2b ist eine Seitenansicht zweier solcher Wandler und eines Abschnittes eines Trägeraufbaus, welcher die Wandler an den Scheitelpunkten des Ikosaeders nach Fig. 1 trägt,
Fig. 3 ist eine vereinfachte perspektivische oder isometrische Ansicht des Trägeraufbaus für eine ikosaedrische Anordnung.
Fig. 4 gibt die durch den Halteaufbau nach Fig. 3 angeordneten Wandler wieder.
Fig. 5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm einer Anordnung, welches Sender und Empfänger zeigt,
Fig. 6a gibt einen Ikosaeder mit zwanzig Flächen wieder, sowie die Scheitelpunkte eines kleineren, eingeschlossenen konzentrischen Dodekaeders, die auf Radien liegen, welche sich vom Zentrum durch die Mittelpunkte der Flächen des Ikosaeders erstrecken, und
Fig. 6b gibt eine ikosaedrische Anordnung mit einer eingeschlossenen dodekaedrischen Anordnung wieder,
Fig. 7a ist eine Zeichnung bzw. Darstellung, welche Betrachtungen veranschaulicht, die sich auf Wellenfrontverzögerungen und die Fortschreitungsrichtung eines gerichteten Strahles von einer Anordnung beziehen, Fig. 7b ist eine Darstellung des dreidimensionalen Koordinatensystems für ein besseres Verständnis der Zeichnungen für die Strahlung,
Fig. 8a-8i sind zeichnerische Darstellungen der Reaktion einer Anordnung nach Fig. 6a, in einer vertikalen Ebene, welche durch φS verläuft, bei verschiedenen Frequenzen, und die Fig. 9a-9i sind zeichnerische Darstellungen der Reaktion derselben Anordnung bei denselben Frequenzen, jedoch in einer horizontalen Ebene, und
Fig. 10a ist eine zeichnerische Darstellung der Reaktion einer inneren Anordnung eines Paares ineinander verschachtelter Anordnungen wie in Fig. 6b, und Fig. 10b ist eine Darstellung der Reaktion der äußeren Anordnung.

Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen vom Konzept her massiven geometrischen Ikosaeder 14 mit zwölf Scheitelpunkten, die durch die Zahlen 1-12 bezeichnet sind, wobei der Bindestrich das Wort "bis" bedeutet. Die dargestellten Scheitelpunkte des Ikosaeders liegen in einer Ausführungsform der Erfindung auf den in Zoll gemessenen Koordinaten X, Y und Z, wie in Tabelle I wiedergegeben: Tabelle I
Die Scheitelpunkte des Ikosaeders 14 definieren zusammen zwanzig Flächen, von denen jede durch die Angabe der drei Scheitelpunkte, durch welche sie definiert wird, identifiziert werden kann. Die Scheitelpunkte des Ikosaeders 14 liegen in gleichen Abständen vom Ursprung des Koordinatensystems. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind Wandler räumlich mit ihren akustischen Zentren an den Scheitelpunkten des Ikosaeders 14 angeordnet. Jeder akustische Wandler kann von dem magnetisch betätigten, piezoelektrischen, elektrostriktiven oder irgendeinem anderen Typ sein, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Die Anordnung der Wandler auf der Oberfläche einer Kugel ermöglicht es, daß die Anordnung in allen Richtungen bzw. isotrop funktionieren kann, im Vergleich zu linienartigen, flachen oder zylindrischen Anordnungen. Um die Allseitigkeit bzw. Isotropie zu verstärken, ist jeder Schallwandler in seiner Größe begrenzt, wobei seine maximalen Abmessungen auf weniger als eine Wellenlänge des Mediums bei der höchsten interessierenden Frequenz begrenzt ist. In einem Sendebetriebszustand entspricht die höchste interessierende Frequenz der höchsten gesendeten Frequenz.
Fig. 2a ist eine vereinfachte perspektivische oder isometrische Ansicht einer Form eines akustischen Wandlers 210, die in der Anordnung nach Fig. 1 verwendet werden kann. In Fig. 2a hat der Wandler flache, wechselseitig parallele obere und untere Flächen 212 bzw. 214, die für die Halterung bzw. Unterstützung vorgesehen sind, und die aktiven Bereiche der Wandler nehmen den an den Polen abgeflachten Korpus 216 in Form eines elliptischen Prismas ein, der zwischen den oberen und unteren Halteflächen liegt. Eine Achse 208 verläuft durch das akustische Zentrum 206 des Wandlers 210. Die Achse 208 verläuft parallel zu der Z-Achse nach Fig. 1. Wenn die Achse 208 nach Fig. 2a mit der Z- Achse nach Fig. 1 zusammenfallen würde, so würde der Wandler 210 nach Fig. 2a hierdurch als einer identifiziert, der dem entweder an dem Scheitelpunkt 1 oder dem Scheitelpunkt 12 nach Fig. 1 angeordneten Wandler entspricht. Fig. 2b ist eine Seitenansicht von zwei akustischen Wandlern, wie z. B. dem Wandler 210 nach Fig. 2a, nämlich den Wandlern 210 (1) und 210 (4), wobei die Angabe () den Scheitelpunkt des Polyeders oder der Anordnung nach Fig. 1 identifiziert, an welchem der betreffende Wandler zentriert ist. Fig. 2b zeigt eine zentrale Trägerwelle 230, die sich parallel zu der Z- Achse nach Fig. 1 erstreckt oder mit dieser zusammenfällt, und ein Trägerjoch 232, welches durch einen Kupplungsring 234 an einer zentralen Trägerwelle 230 gehalten wird. Das Trägerjoch 232 weist einen oberen Schenkel 236 auf, der durch eine Schraube 238 an der oberen Fläche 212 des Wandlers 210 (4) befestigt ist, und einen unteren Schenkel 240, welcher mit Schrauben 242 und 244 an seiner unteren Fläche 214 befestigt ist. Ein Paar von Elektroden 246a und 246b sind vorgesehen, um einen elektrischen Kontakt mit den inneren aktiven Bereichen des Wandlers 210 (4) herzustellen. Auch in Fig. 2(b) ist der Wandler 210 (1), der dem am weitesten oben liegenden Wandler in der Anordnung nach Fig. 1 entspricht, mit seiner unteren Trägerplatte 214 an einer Platte 251 mit Hilfe von Schrauben 252 und 254 befestigt und wird nicht an seiner oberen Platte 212 gehaltert. Der Wandler 210 (1) nach Fig. 2b ist außerdem mit elektrischen Kontakten versehen, die mit 256a und 256b bezeichnet sind.
Fig. 3 ist eine perspektivische oder isometrische Ansicht des gesamten Halteaufbaus nach Fig. 2b. In Fig. 3 werden die Elemente, welche denjenigen nach Fig. 2b entsprechen, durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet. In Fig. 3 sieht man, daß die Trägerwelle 230 einen unteren Stützring 334 und eine untere Trägerplatte 351 zusätzlich zu dem oberen Stützring 234 und der oberen Stützplatte 251 trägt. Jeder Stützring trägt fünf Jochs, wie z. B. das Joch 232, die gleichmäßig in 72º-Abständen angeordnet sind. Stützringe 234 und 334 sind wechselseitig zueinander um 36º versetzt, so daß die akustischen Zentren der Wandler, die gehaltert werden müssen, an den richtigen Stellen liegen, wie sie durch die Scheitelpunkte 1-12 des Polyeders nach Fig. 1 identifiziert sind. Fig. 4 ist eine computererzeugte Widergabe eines vollständigen Satzes von Wandlern ähnlich denjenigen nach den Fig. 2a und 2b, an den Orten, an welchen die Halterung nach Fig. 3 sie anordnet und zu einer Anordnung 400 formt.
Statt die Halterung nach Fig. 3 kann der physikalische Aufbau, welcher die Anordnung von Wandlern trägt, ein System aus Streben sein, die parallel zu den Linien verlaufen oder mit diesen zusammenfallen, welche sich von Scheitelpunkt zu Scheitelpunkt erstrecken, um die Flächen des Polyeders zu definieren, wie z. B. die Linie 16, welche sich zwischen den Scheitelpunkten 2 und 3 nach Fig. 1 erstreckt. Ein räumlicher bzw. physikalischer Halterungsaufbau wie der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebene, kann teuer sein, so daß er Verbindungen mit jedem Wandler aus fünf verschiedenen Richtungen erfordert, und der Aufbau nach Fig. 3 ist bevorzugt.
Fig. 5 ist ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Sender- und Empfängersystems, welches die Wandleranordnung nach Fig. 4 verwendet. In Fig. 5 weist der Sender eine Quelle elektrischer Signale bei einer oder mehreren Frequenzen oder bei sich verändernden Frequenzen auf, und er ist mit einem Signalteiler 512 verbunden (der auch als Leistungsteiler bekannt ist), und der das Signal in zwölf Teile aufteilt (für die Verwendung mit der ikosaedrischen Anordnung), und der jedes der Signalteile bzw. -abschnitte zu einem Element 514 für eine kontrollierte Verzögerung (D) führt, nämlich den Verzögerungselementen 514a, 514b ..., 514c, um das Signal gemäß Konstanten der Anordnung und des gewünschten Strahlungsmusters zu verzögern. Die verzögerten Signale von jedem Verzögerungselement werden als Eingabe auf den Eingang der entsprechenden Leistungsverstärker 516 gegeben. Genauer gesagt wird das verzögerte Ausgangssignal von dem Verzögerungselement 514a an dem Verstärker 516a angelegt, um darin verstärkt zu werden, wobei das verzögerte Ausgangssignal von dem Verzögerungselement 514b an dem Verstärker 516b für eine Verstärkung in diesem angelegt wird, ..., und das verzögerte Ausgangssignal von dem Verzögerungselement 514c wird an dem Verstärker 516c angelegt, um in diesem verstärkt zu werden. Die verstärkten Signale von den Verstärkern 516 werden jeweils mit Hilfe von einem der Schalter 518 in den dargestellten Positionen derselben angelegt, und zwar in einem der Wandler 210. Dementsprechend wird die verstärkte Ausgangsgröße von dem Verstärker 516a mit Hilfe eines Schalters 518a an dem Wandler 210 (1) angelegt, der verstärkte Ausgangswerte von dem Verstärker 516b wird mit Hilfe eines Schalters 518b an dem Wandler 210 (2) angelegt, ..., und der verstärkte Ausgangswert von dem Verstärker 516c wird mit Hilfe eines Schalters 518c an dem Wandler 210 (12) angelegt. Wenn die Quelle 510 nach Fig. 5 mit den Schaltern 518 in ihren dargestellten Positionen erregt wird, werden verstärkte, gezielt verzögerte elektrische Signale an den Wandlern angelegt, und akustische Signale werden in das Medium in einer Richtung ausgestrahlt, und mit Nebenkeuleneigenschaften, die durch die Maße der Anordnung, die Laufgeschwindigkeit in dem Fluidmedium und die relativen Verzögerungen bestimmt bzw. bereitgestellt werden.
In einer realen Ausführungsform der Anordnung, die für Experimentierzwecke verwendet wurde, war die Quelle 510 nach Fig. 5 ein Personal Computer, der digitale Äquivalente von sinusförmigen Signalen erzeugte, und die Kombination aus Leistungsteiler 512/Verzögerung 514 wurde durch eine mehrkanalige digitalanalog Wandleranordnung (DAC) bereitgestellt.
Für den Empfang von Signalen durch Wandler 210 nach Fig. 5 werden die Schalter 518 in ihre anderen bzw. alternativen Positionen umgelegt, die in Fig. 5 nicht dargestellt sind, wodurch jeder Wandler 210 von seinem zugehörigen Leistungsverstärker 516 entkoppelt wird und der Wandler stattdessen mit einem als ein Block 524 dargestellten Empfänger verbunden wird. Der Block 524 kann Verzögerungen bzw. Verzögerungseinrichtungen entsprechend den Verzögerungseinrichtungen 514 aufweisen, mit entsprechenden Verzögerungswerten oder auch mit anderen Verzögerungswerten, um einen Empfangsstrahl auszubilden, wie es allgemein im Stand der Technik bekannt ist. Der Empfänger kann auch die Signale für das Herausholen von Informationen aus diesen verarbeiten, wie z. B. die Verzögerungszeit zwischen der Aussendung eines Signales und seiner Reflexion zu bestimmen, den Abstand zu dem reflektierenden Gegenstand oder den Zustand des Mediums zu bestimmen.
Fig. 6a ist eine perspektivische oder isometrische Ansicht ähnlich der Fig. 1, welche Scheitelpunkte 1-12 eines Ikosaeders 14 zeigt, und zwar mit Verbindungslinien, um Anhaltspunkte für die Abmessungen bereitzustellen. Wie oben erwähnt, hat ein Ikosaeder zwölf Scheitelpunkte, welche zwanzig Flächen definieren, die aber in Fig. 6a nicht alle sichtbar sind. Ein Dodekaeder hat zwanzig Scheitelpunkte, welche zwölf Flächen definieren. In Fig. 6a ist der Ikosaeder 14 nach Fig. 1 um den Ursprung O des Koordinatensystems zentriert und schließt einen kleineren Dodekaeder ein, der allgemein mit 600 bezeichnet ist, und der ebenfalls bezüglich des Ursprungs O des Koordinatensystems zentriert ist, von dem aber nichts sichtbar ist.
Als Hilfe zur Veranschaulichung der Position des eingeschlossenen Dodekaeders sind in Fig. 6a die Mittelpunkte bzw. Mittelsenkrechten der Flächen des Ikosaeders in Fig. 6a dargestellt. Genauer gesagt gibt unter Verwendung der zuvor festgelegten Übereinkunft für die Identifizierung der Flächen der Punkt 611 das Zentrum der Fläche 1, 3, 5 des Ikosaeders 14 wieder, ein zweiter Punkt 612 gibt das Zentrum der Fläche 1, 2, 3 des Ikosaeders 14 wieder, ein dritter Punkt 613 gibt das Zentrum der Fläche 1, 2, 4 wieder, ein vierter Punkt 614 gibt das Zentrum der Fläche Ikosaeders 14 wieder, ein fünfter Punkt 615 gibt das Zentrum der Fläche 1, 5, 6 wieder, ein sechster Punkt 616 gibt das Zentrum der Fläche 2, 3, 7 wieder, ein siebter Punkt 617 gibt das Zentrum der Fläche 2, 7, 8 wieder, ein achter Punkt 618 gibt das Zentrum der Fläche 2, 4, 8 wieder, ein neunter Punkt 619 gibt das Zentrum der Fläche 4, 8, 10 wieder, und ein zehnter sichtbarer Punkt 620 gibt das Zentrum der Fläche 4, 6, 10 des Ikosaeders 14 wieder. Andere Zentren liegen auf anderen Flächen des Ikosaeders 14, die in Fig. 6a nicht sichtbar sind. In Fig. 6a gibt eine Linie 630 einen Radius wieder, der sich vom Ursprung O des Koordinatensystems durch das Zentrum 614 der Fläche 1, 4, 6 erstreckt. Entsprechende Radien kann man sich als vom Ursprung O durch jedes der anderen Zentren der Flächen des Ikosaeders 14 erstreckend vorstellen, sie sind jedoch nicht dargestellt, um zu vermeiden, daß Fig. 6a zu kompliziert wird. Derjenige Abschnitt des Radius 630, der innerhalb des Ikosaeders 14 liegt, nämlich der Abschnitt der Linie 630, der sich vom Ursprung O zum Flächenzentrum 614 erstreckt, kann als an einem Punkt 634 in zwei Abschnitte 632a und 632b aufgeteilt gedacht werden. Die Längen der Linienabschnitte 632a und 632b können gleich sein. Der Teilungspunkt 634 ist die Stelle von einem der zwanzig Scheitelpunkte des eingeschlossenen Dodekaeders 16. In ähnlicher Weise ist jeder der entsprechenden Punkte auf jedem der zwanzig anderen Radien (die nicht dargestellt sind), welche sich von dem Ursprung O zu den Flächenzentren 611-613 und 615- 620 der anderen Flächen des Ikosaeders 14 erstrecken, die Position eines der zwanzig anderen Scheitelpunkte des eingeschlossenen Dodekaeders 600. Demnach hat das eingeschlossene Dodekaeder einen Durchmesser von etwa der Hälfte des Ikosaeders.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine zweite Anordnung von Wandlern ähnlich der Anordnung 400 nach Fig. 4, mit Ausnahme der Anzahl der angeordneten Wandler, mit ihren Elementen an den Scheitelpunkten des Dodekaeders 600 nach Fig. 6a angeordnet, auf Lücke zwischen den Elementen der Ikosaederanordnung 400 der Wandlerelemente. Da die zweite Anordnung mit den Scheitelpunkten des Dodekaeders 600 nach Fig. 6a zusammenfällt, wird die zweite Anordnung in Fig. 6b mit 600A bezeichnet. Jeder Wandler der zweiten Anordnung von Wandlern 600A ist mit anderen Elementen derselben verbunden, sowie mit einer Quelle bzw. Versorgung, kontrollierbaren Verzögerungen, Verstärkern, Schaltern, Empfängern, ähnlich denjenigen, die in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben wurden, wobei der einzige Unterschied in der Frequenz oder dem Frequenzbereich der zweiten Quelle besteht. Eine Ikosaederanordnung, die mit ihrem eigenen Sender und Empfänger ausgestattet ist, kann also dasselbe Volumen wie eine dodekaedrische Anordnung beanspruchen, in einem unterschiedlichen Frequenzbereich arbeiten und mit zumindest einem unterschiedlichen Empfänger ausgestattet bzw. verknüpft sein.
Es sollte erwähnt werden, daß ein Computermodell von einem Paar von ineinandergeschachtelten ikosaedrischen Anordnungen hergestellt wurde, welche ähnlich der oben beschriebenen waren, wobei jedoch die Wandler beider ikosaedrischer Anordnungen auf derselben radialen Linie waren. Das Modell zeigte, daß Wandler der einen Anordnung abgeschottet wurden, was durch die Wandler der anderen Anordnung hervorgerufen wurde, und die Ergebnisse waren schlechter im Vergleich zu den Ergebnissen bei Verwendung der ineinandergeschachtelten Ikosaeder-Dodekaeder-Anordnungen.
Die dodekaedrische Anordnung 600A, die innerhalb der ikosaedrischen Anordnung nach Fig. 6b liegt, hat zwanzig Wandlerelemente anstatt zwölf. Die dodekaedrische Anordnung wird mit (nicht dargestellten) Wandlerelementen hergestellt, die kleiner als die in Fig. 4 dargestellten Wandlerelemente der ikosaedrischen Anordnung sind. Da jedes Wandlerelement der dodekaedrischen Anordnung kleiner als das Wandlerelement der ikosaedrischen Anordnung ist, ist seine effektive Apertur kleiner. Wenn die Wandler der dodekaedrischen Anordnung mit einer höheren Frequenz als die Wandler der ikosaedrischen Anordnung betrieben werden, haben sie bezogen auf die Wellenlängen grob dieselben Abmessungen, so daß sie ebenfalls die Tendenz haben, in alle Richtungen gleichmäßig zu wirken. Die kleineren räumlichen Abmessungen der Wandler der dodekaedrischen Anordnung im Vergleich zu den Wandlern der ikosaedrischen Anordnung bedeuten jedoch, daß die kleineren Wandler eine geringere elektrische Erregungsenergie aufnehmen können, bevor in einem Wassermedium bzw. wässrigen Medium Kavitationseffekte aufzutreten beginnen. Die Spitzenenergie am Ausgang eines Wandlers der dodekaedrischen Anordnung ist daher stärker eingeschränkt als die Spitzenenergie bzw. Leistung am Ausgang eines Wandlers der ikosaedrischen Anordnung. Die akustische Spitzenleistung jedoch, die die dodekaedrische Anordnung aussenden kann, ist etwa gleich derjenigen der ikosaedrischen Anordnung, da die dodekaedrische Anordnung zwanzig Wandler hat, während die ikosaedrische Anordnung nur zwölf Wandler hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung deckt die ikosaedrische Anordnung den Bereich einer Oktave ab, während die eingeschlossene dodekaedrische Anordnung die nächstbenachbarte, höhere Oktave abdeckt, so daß dadurch ein Bereich von zwei Oktaven bereitgestellt wird. In der Mitte des jeweiligen Oktavenbereiches beträgt der Abstand zwischen den Elementen jeder Anordnung etwa λ/2, jedoch tritt eine gute Betriebsweise bzw. Funktionsfähigkeit im Bereich von etwa λ/3 bis 2λ/3 auf.
Einer der Vorteile der polygonalen Anordnung gemäß der Erfindung liegt darin, daß der Strahl in drei Richtungen bzw. drei Dimensionen gesteuert werden kann. Fig. 7a veranschaulicht Überlegungen bzw. Betrachtungen, welche die in den Verzögerungseinrichtungen 514 nach Fig. 5 erforderliche Verzögerung bestimmen, um den Strahl in einer gegebenen Richtung zu steuern bzw. auszurichten. In Fig. 7a ist das Zentrum der Anordnung O, und eine gestrichelte Linie 710 veranschaulicht die gewünschte Strahlrichtung. Ein Anzahl gerader Linien 712 und 714a, 714b, 714c, 714d sind senkrecht (90º) zu der Linie 710 gezogen, wobei die Linie 712 durch das Zentrum O der Anordnung verläuft und wobei jede Linie 714 durch die Projektion der Stelle der akustischen Zentrums eines der Wandler der Anordnung in die Ebene der Figur verläuft. Jede Linie 714 kann angesehen werden als eine, welche eine ebene Wellenfront wiedergibt, die in Richtung der Linie 710 fortschreitet, und die Linie 712 kann als eine Bezugswellenfront angesehen werden, die zu einem Bezugszeitpunkt auftritt. In Fig. 7a geben die Punkte 716a, 716b, 716c und 716d die Projektionen in die Ebene der Figur von einigen der Wandler der Anordnung wieder. Die Punkte 716a, 716b, 716c und 716d sind mit Wellenfronten 714a, 714b, 714c, bzw. 714d verknüpft. Ebenfalls sind in Fig. 7a Abstände d&sub1; und d&sub2; angegeben, welche den Abstand zwischen der Wellenfront 716b und der Bezugswellenfront 712 wiedergeben, bzw. zwischen der Wellenfront 716c und der Bezugswellenfront 712. Ein entsprechender Abstand existiert zwischen der Projektion jedes Wandlers der Anordnung und der Bezugswellenfront. Der Wert dieses Abstandes wird im allgemeinen für jede auf diese Weise konstruierte Wellenfront verschieden sein. Um das Fortschreiten in Richtung der Linie 710 nach Fig. 7a zu bewirken, muß der Start bzw. der Zeitpunkt der Wellenfronten 714a und 714b vor der Bezugswellenfront 712 liegen bzw. dieser vorangehen, während der Start bzw. Ausgangspunkt der Wellenfronten 714c und 714d zeitlich später oder verzögert erfolgen muß. Dieser Unterschied in der zeitlichen Abstimmung, sei er positiv oder negativ, wird generell als "Verzögerung" bezeichnet. Die Größe der Zeitverzögerung t, die jeder Wellenfront im Verhältnis zu der Bezugswellenfront zugeordnet wird, ist der physikalische bzw. räumliche Abstand oder das Maß (d&sub1; oder d&sub2;) dazwischen, geteilt durch C, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Energie in dem Fluidmedium
t = d/C.
Fig. 7b veranschaulicht ein dreidimensionales Koordinatensystem, welches die Richtung der Ausbreitungslinie 710 nach Fig. 7a durch den Azimuth-Winkel φS und den Zenit-Winkel θS definiert.
Zum Beispiel betragen für die ikosaedrische Anordnung nach Fig. 1 mit den in Tabelle I angegebenen Maßen und die Steuerung bzw. Ausrichtung in Richtung φS = 30º, θS = 120º die in den den Verzögerungselementen 514 nach Fig. 5 entsprechenden Kanälen erforderlichen Verzögerungen.

Tabelle II

Element # Verzögerung * (Mikrosekunden)
1 -47,11
2 -84,29
3 -75,33
4 -5,90
5 +8,61
6 +51,52
7 -51,52
8 -8,61
9 +5,90
10 +75,33
11 +84,29
12 +47,72
wobei das Minus-Zeichen (-) eine negative Verzögerung relativ zu der Bezugswellenfront angibt.
Die Fig. 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h und 81 sind mit einem Computermodell erzeugte Darstellungen in dB des sich aus der dodekaedrischen Wandleranordnung ergebenen Musters bei φ φS (einem "vertikalen" Muster) bei 2.750, 3.250, 3.750, 4.250, 4.750, 5.250, 5.750, 6.250 bzw. 6.750 Hz mit den Verzögerungen, die für die Erzeugung eines Strahls bei φS = 0º, θS = 90º, eingestellt sind, bei Abwesenheit einer umgebenden ikosaedrischen Anordnung. Das "S", welches φS und θS zugeordnet ist, gibt feste Ausrichtungs- bzw. Steuerungswinkel wieder. Der Kreis mit einer gestrichelten Linie an jeder Darstellung gibt drei dB unterhalb der Spitzenamplitude des Hauptstrahles wieder. Die Frequenz, welche dem Zentrum des Oktavenbandes entspricht, beträgt 4.750 Hz, wobei bei dieser Frequenz der Abstand zwischen den Elementen, wie er oben beschrieben wurde, näherungsweise X/2 beträgt. Die gerichtete Strahlspitze bei θ = 90º ist deutlich. In ähnlicher Weise sind die Fig. 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f, 9g, 9h und 9i Darstellungen in dB des Musters, welches sich aus der dodekaedrischen Wandleranordnung ergibt, bei θ = θS (einem "horizontalen" Muster) bei 2.750, 3.250, 3.750, 4.250, 4.750, 5.250, 5.750, 6.250 bzw. 6.750 Hz, wobei die Verzögerungen so eingestellt sind, daß sie einen Strahl bei φS = 0º, θS = 90º erzeugen. Die Strahlspitzen bei φ = 0º sind deutlich.
Darstellungen von Computermodellen eines verschachtelten Anordnungssystems ähnlich dem nach Fig. 6b wurden hergestellt. Fig. 10a ist eine "vertikale" Darstellung bei θ = 0º, die den Strahl wiedergibt, welcher durch die innere dodekaedrische Anordnung bei 3.750 Hz gebildet wird, wobei die Phaseneinstellung so vorgenommen wurde, daß ein Strahl bei φS = 0º, θS = 90º bei Anwesenheit einer abgeschalteten, umgebenden, ikosaedrischen Anordnung erzeugt wird. Fig. 10a kann mit Fig. 8c verglichen werden, die keine umgebende Anordnung hat. Während die Einzelheiten in dem Muster bzw. der Ausgestaltung der Nebenkeulen unterschiedlich sind, sind die Hauptstrahlen ähnlich. Fig. 10b ist eine "vertikale" Darstellung von θ = 0, was den Strahl wiedergibt, der durch die äußere ikosaedrische Anordnung in der Nähe des Mittelbandes bei 2.500 Hz gebildet wird, wobei die Phaseneinstellung so vorgenommen wurde, daß ein Strahl bei φS = 0º, θS = 90º bei Anwesenheit einer abgeschalteten, umschlossenen dodekaedrischen Anordnung erzeugt wird.
Für die Fachleute sind andere Ausführungsformen der Erfindung offensichtlich. Beispielsweise können die Verzögerungselemente bzw. Verzögerungen 514 nach Fig. 5 ihren entsprechenden Leistungsverstärkern 516 in dem Signalpfad folgen, oder sie können zwischen jeweils einem Schalter 518 und dem zugehörigen Transponder 210 angeordnet sein, was besonders vorteilhaft ist, da dieselbe Verzögerung dann sowohl für das Senden als auch für den Empfang für ähnliche Strahlmuster verwendet werden kann. Während die beiden ineinander verschachtelten Anordnungen vollständig verschiedene Sender und Empfänger haben können, kann auch ein gemeinsamer Empfänger und eine gemeinsame Anzeige verwendet werden, und es kann zwischen den Anordnungen umgeschaltet werden, da eine Bedienperson möglicherweise nur in der Lage ist, zu einem gegebenen Zeitpunkt seine Aufmerksamkeit nur einem Display zuzuwenden. Während zwei ineinander aufgenommene oder ineinander verschachtelte Anordnungen beschrieben worden sind, können auch andere geometrische Formen verwendet und andere Maße ausgewählt werden, um ein Umhüllen bzw. Verschachteln von drei oder mehr Wandleranordnungen zu ermöglichen. Auch können bei der dodekaedrischen Anordnung die Elemente an der Flächenmitte der Flächen der ikosaedrischen Anordnung angeordnet sein, oder die dodekaedrische Anordnung kann auch einen größeren Durchmesser als die ikosaedrische Anordnung haben, in welcher sie aufgenommen ist, da das Abschatten, welches durch die am weitesten außen liegenden Elemente bewirkt wird, minimal wäre, als Folge des kleinen in Anspruch genommenen Winkels der Wandler der am weitesten außen liegenden Anordnung, gesehen von der inneren Anordnung aus.

Claims

1. Wandleranordnung mit

einer Mehrzahl akustischer Wandler für die Verwendung in einem flüssigen Medium, wobei jeder der Wandler maximale Quermaße hat, die kleiner sind als eine akustische Wellenlänge in dem Medium und

Anordnungseinrichtungen, um die akustischen Wandler an den Scheitelpunkten eines regelmäßigen Polyeders anzuordnen, der Scheitelpunkte bzw. Eckpunkte und mehr als sechs Seiten definiert.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyeder ein Ikosaeder ist und die erwähnte Mehrzahl (der Wandler) zwölf beträgt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Polyeder ein Dodekaeder ist und die erwähnte Mehrzahl zwanzig beträgt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser der polyedrischen Anordnung so ausgewählt wird, daß er einen Abstand zwischen den Elementen im Bereich von einem Drittel bis zwei Drittel der Wellenlänge bereitstellt.

5. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das größte Maß von irgendeinem der akustischen Wandler weniger als die Hälfte einer Wellenlänge bei der höchsten interessierenden Wellenlänge beträgt.

6. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Anordnungseinrichtung weiterhin aufweist:

eine Treiber- oder eine Empfangseinrichtung für das Erzeugen von Wandlertreibersignalen bzw. für das Empfangen umgewandelter Signale von diesem, und

einer Verzögerungssteuereinrichtung, die mit den akustischen Wandlern und entweder der Treibereinrichtung oder der Empfangseinrichtung verbunden ist, um einen von der Anordnung gebildeten akustischen Strahl zu kontrollieren bzw. zu steuern.

7. Anordnung nach Anspruch 6, wobei die Verzögerungssteuereinrichtung Verzögerungsleitungen aufweist.

8. Anordnung nach Anspruch 6, welche weiterhin eine zweite Mehrzahl der akustischen Wandler aufweist und eine zweite Anordnungseinrichtung für das Anordnen der zweiten Mehrzahl von akustischen Wandlern an den Scheitelpunkten eines zweiten Polyeders, um dadurch eine zweite Wandleranordnung zu bilden, und um die zweite Wandleranordnung konzentrisch zu der ersten Wandleranordnung anzuordnen.

9. Anordnung nach Anspruch 8, wobei das zweite Polyeder im Vergleich zu dem erstermrähnten Polyeder eine unterschiedliche Anzahl von Flächen hat.

10. Anordnung nach Anspruch 8, welche weiterhin entweder eine zweite Treibereinrichtung oder eine zweite Empfangseinrichtung für das Erzeugen von Wandlertreibersignalen bzw. für den Empfang gewandelter Signale aufweist und eine zweite Verzögerungssteuereinrichtung, die mit jedem der akustischen Wandler der zweiten Wandleranordnung und entweder der zweiten Treibereinrichtung oder der zweiten Empfangseinrichtung verbunden sind, um einen von der zweiten Wandlereinrichtung gebildeten akustischen Strahl zu steuern.

11. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der ersterwähnte Polyeder ein Ikosaeder und der zweiterwähnte Polyeder ein Dodekaeder ist.

12. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der Durchmesser der zweiten Anordnung so ausgewählt ist, daß er einen Abstand zwischen den Elementen im Bereich von ein Drittel bis zwei Drittel der Wellenlänge bereitstellt.

13. Anordnung nach Anspruch 11, wobei:

der Polyeder, der zu der ersten Anordnung gehört, größer als der Polyeder ist, der zu der zweiten Anordnung gehört, wodurch die zweite Anordnung innerhalb des Volumens der ersten Anordnung enthalten ist, und wobei

die Treibereinrichtung, die zu der ersten Anordnung gehört, mit einer Frequenz arbeitet, die niedriger ist als die der zweiten Treibereinrichtung, welche zu der zweiten Anordnung gehört.

14. Anordnung nach Anspruch 8, wobei der ersterwähnte Polyeder entweder ein Ikosaeder oder ein Dodekaeder und der zweite Polyeder das jeweils andere eines Ikosaeders und eines Dodekaeders ist.

15. Wandleranordnung mit:

zwölf akustischen Wandlern für die Verwendung in einem flüssigen Medium, wobei jeder der Wandler maximale Quermaße hat, die kleiner sind als eine akustische Wellenlänge in dem Medium, und

mit Anordnungseinrichtungen für das Anordnen der akustischen Wandler an den Scheitelpunkten entweder eines Ikosaeders oder eines Dodekaeders.

16. Wandleranordnung nach Anspruch 15, wobei der Abstand zwischen den Wandlern in der Anordnung im Bereich von ein Drittel bis zwei Drittel einer Wellenlänge liegt.