DE69518851T2 - Lineare akustische Sendeantenne und dazugehörige Sende-Empfangsantenne - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektroakustische lineare Sendeantenne für aquatische Umgebungen, sowie eine Sende- und Empfangsantenne, in welche eine solche Antenne integriert ist.
• Die technischen Anwendungsgebiete dieser Erfindung sind einerseits die der elektroakustischen Wandler zum Senden von sehr niederfrequenten leistungsstarken Wellen in einer aquatischen Umgebung in unterschiedlichen Tiefen, und andererseits die der elektroakustischen Wandler für den Empfang von Schallwellen in einer aquatischen Umgebung in Verbindung mit linearen Empfangsantennen.
• Man kennt die Technologie der elektroakustischen Empfangswandler, die in einer biegsamen Schlauchleitung zu einer linearen Empfangsantenne zusammengefügt sind; im Inneren dieser Schlauchleitung sind sie anhand von Kabeln in festen Abständen gehalten, wobei die besagte lineare Empfangsantenne wasserdicht ist und einen nullwertigen Auftrieb aufweist, siehe beispielsweise FR-A-2 525 373. Man kennt ebenfalls, beispielsweise aus der Unterlage US-A- 4876675, die Technologie für versenkbare elektroakustische Wandler, die aus einem Pfeiler von zwischen zwei identischen Trichtern angeordneten piezoelektrischen Keramiken gebildet werden, welche Schallwellen in das Umgebungsmedium ausstrahlen. Die elektrische Erregung der piezoelektrischen Keramiken überträgt eine Dilatations-Kompressionsbewegung auf den Pfeiler, welche den Antriebsmotor der Trichter bilden.
• Der Pfeiler ist im allgemeinen nach der Art einer Schallwand von einem Mantel aus Schaummaterial umhüllt, welcher die Entkopplung der Rückseiten der beiden Trichter vom Umgebungsmedium gewährleistet.
• Die Wandler bilden unipolare, nicht richtfähige Quellen, welche aus besonderen Gründen, insbesondere aus Gründen der Leistungs- und der Richtfähigkeit, üblicherweise als Sendeantennen zusammengefügt sind.
• Die gegenwärtig bekannten Sendeantennen bestehen aus einer variablen Anzahl von horizontal in einer aquatischen Umgebung gemäß der sogenannten "Fisch im Schlepp"-Technik angeordneten Wandlern. Aufgrund der akustischen Interaktionen zwischen den Wandlern weisen diese Antennen im Bereich der sehr niedrigen Frequenzen Nachteile auf, insbesondere wenn die Kompaktheit angestrebt wird. Diese Nachteile wirken sich in einer Senkung des effektiven Strahlungsniveaus gegenüber dem erhofften Wert, in einer Verschlechterung der Richtdiagramme und sogar in von brutalen akustischen Belastungsvariationen verursachten Beschädigungen bestimmter Wandler aus.
• Um diese Nachteile zu beheben bietet die Erfindung an, eine lineare Antennenarchitektur einzusetzen, welche es ermöglicht, von einem System der spezifischen Abstrahlung auf ein in horizontaler Ebene sehr richtfähiges lineares System überzugehen.
• Die Erfindung betrifft eine lineare elektroakustische Sendeantenne, welche mindestens einen an den Enden geschlossenen biegsamen Abschnitt aufweist, in welchem von Assemblierkabeln in einem bestimmten Abstand voneinander gehaltene elektroakustische Wandler angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass:
• - die elektroakustischen Wandler Strahlungswandler sind und von elektrischen Schallfrequenzsignalen versorgt werden,
• - eine an einer Seite des besagten Abschnitts angeordnete Versorgungsvorrichtung die besagten elektrischen Schallfrequenzsignale liefert,
• - mindestens eine Anschlussvorrichtung an einem Ende des besagten Abschnitts angeordnet ist, um den mechanischen und elektrischen Anschluss an mindestens die besagte Versorgungsvorrichtung zu ermöglichen,
• - jede Anschlussvorrichtung anhand von elektrischen Leitern an die an der der Versorgungsvorrichtung gegenüber liegenden Seite angeordneten elektroakustischen Wandler angeschlossen ist, und
• - jeder biegsame Schlauchabschnitt mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren relative Dichte so berechnet wurde, dass für den besagten Abschnitt ein nullwertiger Auftrieb erzielt wird.
• Die Erfindung betrifft ebenfalls eine elektroakustische Sende-/Empfangsantenne für aquatische Umgebungen, dadurch gekennzeichnet, dass sie:
• - eine wie oben beschriebene lineare elektroakustische Sendeantenne,
• - ein in der Verlängerung der Sendeantenne angeordnetes und mit elektroakustischen Empfangswandlern ausgestattetes akustisches Empfangsmodul zum Ermitteln von aus der aquatischen Umgebung kommenden akustischen Signalen und zum Senden der entsprechenden elektrischen Signale, und
• - elektrische Anschlussmittel zum Übertragen der besagten, von den elektroakustischen Wandlern des akustischen Empfangsmoduls gelieferten elektrischen Signale an ein elektronisches Verarbeitungssystem
• umfasst.
• Das akustische Empfangsmodul ist mindestens mechanisch mit der linearen elektroakustischen Empfangsantenne anhand einer mechanischen Anschlussvorrichtung verbunden. Die elektrischen Anschlussmittel umfassen elektrische Leiter, die in jedem Abschnitt der linearen elektroakustischen Empfangsantenne angeordnet und über die Anschlussvorrichtungen des Abschnitts miteinander verbunden sind.
• Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels hervor, wobei sich diese Beschreibung auf die anliegenden Zeichnungen bezieht, worin:
• - die Abb. 1 ein Schema der Architektur eines Teils einer erfindungsgemäßen linearen elektroakustischen Sendeantenne im Längsschnitt,
• - die Abb. 2 einen Längsschnitt eines besonderen Ausführungsbeispiels einer linearen elektroakustischen Sendeantenne mit Anschlussvorrichtungen,
• - die Abb. 3 einen Längsschnitt eines elektroakustischen Sendewandlers für eine erfindungsgemäße lineare Antenne,
• - die Abb. 4 einen Querschnitt gemäß der Linie IV-IV der Abb. 3,
• - die Abb. 5 einen Längsschnitt einer Anschlussvorrichtung zum Verbinden der linearen Sendeantennne mit einem Versorgungsmodul oder einem akustischen Empfangsmodul, und
• - die Abb. 6 ein Schema der Bestandteile einer linearen Sende-/Empfangseinheit
• darstellt.
• Eine erfindungsgemäße lineare elektrische Sendeantenne umfaßt einen röhrenförmigen biegsamen Schlauchabschnitt 28 (Abb. 1, 2 und 3), dessen Enden von Endstücken 74, 75 abgeschlossen sind, welcher mehrere elektroakustische Wandler 31 sowie eine Flüssigkeit 32 enthält. Die elektroakustischen Wandler 31 werden anhand von Assemblierkabeln 29, mit denen sie fest verbunden sind, in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten und mittels elektrischen Kabeln 24, 79 elektrisch miteinander verbunden sind.
• Jedes Endstück 74, 75 bildet eine Vorrichtung zur Verbindung des Abschnitts 28 mit einem anderen (nicht dargestellten) Anschnitt, welcher entweder identisch oder ähnlich oder aber eine Versorgungsvorrichtung 43 oder ein akustisches Empfangsmodul 47 (Abb. 6) sein kann. Ein besonderes Ausführungsbeispiel dieser beiden als Vater- und Mutterteil ausgeführten Endstücke wird nachstehend in Zusammenhang mit der Abb. 5 beschrieben.
• Jeder elektroakustische Wandler umfasst als Hauptsendequelle (Abb. 3 und 4) zwei elektroakustische Motoren 10 und 10 A mit jeweils einer gleichen Anzahl von - in einer bevorzugten Ausführungsweise vierzehn - piezoelektrischen Keramiken 11. Diese Motoren sind beiderseits einer zentralen Gegenmasse 12 und koaxial im Inneren eines Gehäuses 13 angeordnet, welches beide Motoren 10 und 10 A abdeckt, bis zu den Trichtern 14 und 14A, welche an deren Enden angebracht sind. Dadurch wird von den Trichtern 14 und 14 A und vom Gehäuse 13 ein Volumen 15 abgegrenzt.
• Die piezoelektrischen Keramiken können durch Stäbe aus magnetostriktiven Materialien ersetzt werden.
• Die elektroakustischen Motoren 10 und 10A sowie die dazwischen liegende Gegenmasse 12 werden anhand einer Vorspannungsstange 16 zusammengehalten. Diese Stange ist an ihren Enden mit einem Gewinde versehen, um die beiden Trichter 14 und 14A anhand der in den Trichtern eingearbeiteten Gewinde 17, 17A auf den Enden des so gebildeten Pfeilers festzuhalten. Diese Gewinde ermöglichen ebenfalls das Einstellen der Vorspannung der Stange 16, welche bis zum Anschlag im Trichter 14 verschraubt und durch das Festschrauben des Trichters ein Volumen 15 14A auf der Stange 16 gespannt ist.
• Eine innere Hülse 20 isoliert die Vorspannungsstange von den Motoren 10 und 10A, und eine äußere Dichtungsschicht 21 gewährleistet die Isolierung der Motoren vom Volumen 15.
• Die verschiedenen Befestigungsmittel sind derart gestaltet, dass sie den Enden der elektroakustischen Motoren auf der Trichterseite einerseits und den Trichtern 14 und 14 A in Bezug auf das Gehäuse 13 andererseits eine Bewegungsfreiheit lassen, so dass ein totales Senden von Schallwellen in das Umgebungsmilieu gewährleistet ist.
• Die elektroakustischen Motoren 10 und 10 A werden über die Versorgungskabel 24, welche über in Bezug auf die Längsachse der Motoren um 90º versetzte Versorgungsrampen 22, 22A und 23, 23 A mit den piezoelektrischen Keramiken 11 verbunden sind, versorgt. Alle Verbindungen sind dicht.
• Das Volumen 15 wird zum Teil von den Schallwänden 25 und 25A eingenommen, welche mittels Befestigungselementen 26 festgehalten werden. Diese Schallwände bestehen aus Schaummaterial, dessen spezifische Dichte zwischen 200 und 400 kg pro m³ liegt, und absorbieren einerseits die hintere Abstrahlung der Trichter 14 und 14A, und andererseits die Schwingungen der elektroakustischen Motoren selbst, welche im Inneren des Volumens 15 strahlen könnten. In dieses Schaummaterial sind röhrenförmige Passagen 27 eingelassen, welche für das Füllen des Volumens 15 mit einer später beschriebenen Flüssigkeit benutzt werden.
• Die Anfertigung eines solchen Wandlers sowie aller Verbindungsteile und der Schallwände ist bekannt und kann von jedem Facharbeiter ausgeführt werden. Die Erfindung liegt teilweise in der Festlegung der verschiedenen Parameter, insbesondere des Gewichtes und der Abmessungen der Bestandteile, des Volumens des Wandlers und folglich der Dichte der gesamten Einheit in Hinsicht auf die sehr niederfrequente Sendung. Diese Aspekte werden nachstehend in der dem Auftrieb gewidmeten Beschreibung dargestellt.
• Die röhrenförmige, biegsame Schlauchleitung 28 (Abb. 3, 4 und 5) weist beispielsweise eine Dicke von ca. fünf Millimeter auf und besteht aus Polyurethan oder aus einem aus der Mischung von 80 bis 95 Anteilen Polyurethan und 20 bis 5 Anteilen Polyvinylchlorid (PVC) gewonnen Material. Die akustische Impedanz der Schlauchleitung gleicht annähernd der des aquatischen Umgebungsmilieus. Sie hat einen guten mechanischen Zugwiderstand und ist biegsam genug, um auf die Trommel einer Haspel mit einem Durchmesser von mindestens 1,30 m ohne Verformung des inneren Volumens der Schlauchleitung aufgerollt werden zu können.
• Der Innendurchmesser ist derart berechnet, dass er den elektroakustischen Wandler, dessen Gehäuse 13 eine an den Enden 13A, 13B abgerundete leicht kegelartiger Form aufweist, aufnehmen kann und dessen Durchlass ins Innere, wo er zentriert wird, zu ermöglichen.
• Das Verfahren zum Positionieren von einer Serie von elektroakustischen Sendewandlern 31 in einer Schlauchleitung 28 verläuft wie folgt: Zuerst werden die Wandler anhand von bekannten Mitteln, beispielsweise von auf den Kabeln oder Profilgussstücken in der Struktur der Schallwände, durch welche die von einer kreisförmigen Schelle blockierten Kabel geführt werden, befestigten ellipsoidischen Elementen auf den Kabeln 29 befestigt. Zwei aufeinanderfolgende Wandler sind mit einem Abstand 30, welcher gleich der halben Länge der Sendewelle ist, voneinander getrennt. Die Schlauchleitung 28 wird in eine sogenannte "Vakuumröhre" eingeführt, deren Innendurchmesser etwas größer ist als der Innendurchmesser der Schlauchleitung. Nachdem beide Enden zwischen der Vakuumröhre und der Schlauchleitung abgedichtet wurden, wird das Vakuum hergestellt, um die Schlauchleitung gegen die Innenwände der perfekt zylinderförmigen Vakuumröhre zu pressen und sie leicht zu dehnen, um das Einführen der Serie von Wandlern, welche zuvor wie oben beschrieben zusammengefügt wurden, zu erleichtern. Das Einführen erfolgt anhand von Zugvorrichtungen, beispielsweise von Winden, welche die Kabel 29 anziehen und den Wandlerzug in das Innere der in der Vakuumröhre festgehaltenen Schlauchleitung zu ziehen.
• Auf diese Weise entsteht eine lineare Sendeantenne welche, um funktionsfähig zu sein, zwangsweise anhand einer Anschlussvorrichtung an ein elektrisches Schallfrequenzsignal- Versorgungsmodul angeschlossen sein und einen nullwertigen Auftrieb haben muss. Weiterhin muss die lineare Sendeantenne bei Bedarf über eine Anschlussvorrichtung an eine Empfangsantenne angeschlossen werden können. Eine erfindungsgemäße Sendeantenne kann aus mehreren Abschnitten bestehen, wobei jeder Abschnitt eine Mehrzahl von elektroakustischen Wandlern umfasst, welche anhand von Anschlussvorrichtungen miteinander verbunden sind.
• Diese Anschlussvorrichtungen müssen in der Lage sein, die mechanischen Funktionen zu gewährleisten, d. h. sie müssen der Zugbeanspruchung der linearen Antenne durch ein Schiff standhalten, aber auch die elektrischen Verbindungen für die Energieversorgung und für die Übertragung von Signalen zwischen verschiedenen Elementen und zwischen verschiedenen Elementen und dem Schiff herstellen können.
• Sie müssen außerdem ein derartiges hydrodynamisches Profil und einen derartigen Auftrieb aufweisen, dass sie weder die Navigation der Antenne noch deren Aufrollen auf die Trommel einer Lager- oder Manövrierwinde vom Schiff aus beeinträchtigen.
• Schließlich müssen sie die innere und äußere Dichtheit der Schlauchleitung an ihren beiden Enden gewährleisten und das Füllen der linearen Antenne mit einer Flüssigkeit, gegebenenfalls unter leichtem Überdruck, ermöglichen.
• Die eingesetzten Materialien müssen elektrolytisch mit der Einsatzumgebung kompatibel sein, insbesondere Meerwasser und Füllflüssigkeit.
• Im Beispiel der Abb. 6 sind diese Anschlussvorrichtungen in der Anzahl von zwei, zum einen die Vorrichtung 44 zwischen der erfindungsgemäßen linearen Sendeantenne 45 und ihrem elektrischen Schallfrequenzsignal- Versorgungsmodul 43, und zum anderen die Vorrichtung 46 zwischen der linearen Sendeantenne 45 und einer Empfangsantenne 47. Diese Anschlussvorrichtungen können von jeglicher bekannter Art sein und insbesondere wie die in den französischen Patenten Nr. 2 529 397 und Nr. 2 584 874 Vorrichtungen ausgeführt sein.
• Die Abb. 5 ist eine Längsschnitt-Darstellung einer solchen Anschlussvorrichtung, mit einem Mutterteil 50, welches auf dem Versorgungsmodul 43 oder auf der Empfangsantenne 47 befestigt ist, und einem Vaterteil 51, welches auf der linearen Antenne 45 befestigt, ist. Die Mutter- und Vaterteile sind jeweils mit einem selben gekerbten Endstück 52 versehen, dessen Außendurchmesser mit dem Innendurchmesser der Schlauchleitung 28 kompatibel ist, begrenzt durch einen Anschlag 53, welcher die Einführungslänge des Endstücks in die Schlauchleitung bestimmt. Das Endstück ist ebenfalls mit inneren Befestigungsvorrichtungen 54 für die Zugkabel 29 ausgestattet, welche dazu bestimmt sind, einerseits die auf die Schlauchleitung während des Abschleppens ausgeübte Zugbeanspruchungen zu übernehmen und andererseits den Wandlerzug im Inneren der Schlauchleitung in Position zu halten und einen festgelegten Abstand zwischen den Wandlern zu gewährleisten, jedoch eine leichte Umdrehung um ihre eigene Achse erlauben. Während des Aufrollens der Antenne auf die Trommel einer Manövrierwinde kann der an jedem Ende anhand von Vorrichtungen 54 zurückgehaltene Wandlerzug dann die mehr oder weniger bedeutende, nacheinander auf jedes der vier Zugkabel 29 durch die Biegung der Schlauchleitung 28 ausgeübte Spannung durch das Phänomen eines Selbstantriebs in leichte innere Rotation der verschiedenen Wandler in Bezug auf die anderen in der Schlauchleitung befindlichen Wandler ausgleichen. Das Phänomen ist reversibel und ermöglicht so den Ausgleich der Spannung der Zugkabel während des Abrollens der linearen Antenne in ihrem Immersionsmanöver, unter gleichzeitigem Beibehalten des Abstands zwischen den Wandlern in Abstimmung mit der Sendefrequenz.
• Die Vater- und Mutterteile 51 und 50 werden anhand eines Klemmrings 55, welcher die Schlauchleitung 28 auf die Kerben 57 presst, auf der Schlauchleitung 28 befestigt.
• Die Verbindungsstifte, in variabler Anzahl, Stecker und Steckbuchsen 59, 60, ermöglichen die Stromversorgung und die Signalübertragung der erfindungsgemäßen Sendeantenne sowie das Befördern von Strom und Signalen, im Inneren der besagten Antenne, zu und von anderen Sende- oder Empfangsmodulen, mit welchen die besagte Antenne verbunden ist. Diese Verbindungsstifte sind auf in den Körpern 63 und 64 der Mutter- und Vaterteile enthaltenen Isolierhalterungen 61 und 62 montiert.
• Die Halterung 61 ist fest, während die Halterung 62 in der Längsachse der Antenne beweglich ist. Die bewegliche Halterung 62 des Vaterteils 51 ist mit einem Ventil 65 versehen, welches dazu bestimmt ist, die Drücke der in den miteinander verbundenen Elementen enthaltenen Füllflüssigkeiten auszugleichen. Diese Ventilfunktion wird durch die bewegliche Halterung 62 ausgelöst, deren Translation nur erfolgen kann, wenn alle Verbindungsstifte 59 und 60 in Eingriff sind und die Dichtungsschnittstellen 66, 67 in Kontakt stehen, anhand einer Rückholfeder 68, welche entsprechend tariert ist.
• Die feste Mutterteil-Halterung 61 weist einen mit einem Ventil ausgestatteten Durchlass 69 auf, welcher den Umlauf der Flüssigkeit in der Richtung Vaterteil-Mutterteil ermöglicht.
• Ein nicht beschriebenes Keilverbindungssystem gewährleistet die mechanische. Verbindung zwischen den Vater- und Mutterteilen anhand von mit Vertauschsicherungen ausgestatteten bekannten Mitteln, Gewinden und Kerben. Die beiden Anschlussvorrichtungen zwischen der erfindungsgemäßen linearen Antenne, ihrem Modul für die Versorgung mit elektrischen Schallfrequenzsignalen an einem Ende und einer Empfangsantenne am anderen Ende unterscheiden sich durch die Anzahl der Anschlussstifte für die Strom- und Signalversorgung. Die Endstücke sowie die anderen Systeme sind den verschiedenen Anschlussvorrichtungen gemeinsam. Zuvor muss bemerkt werden, dass es im ausschließlichen Hinblick auf die akustischen Leistungen ausreichend war, zu beschließen, zum Füllen des Volumens direkt Meerwasser zu benutzen, da das zusätzliche Vorhandensein einer Wasserschicht zwischen der Masse der Schallwände 25 und 25 A und den Trichtern 14, 14A das Senden von sehr niedrigen Frequenzen ermöglicht. Jedoch hätte in dieser Hypothese die Antenne einen negativen Auftrieb aufgewiesen, wodurch die horizontale Stabilität und somit die Senderichtwirkung beeinträchtigt würde, welches den entscheidenden angestrebten Vorteil in der Architektur einer linearen Antenne darstellt.
• Die von einem Wandler ausgesendete Leistung steht zum einen in Verbindung mit der Menge von piezoelektrischen Keramiken, und zum anderen mit dem Quadrat des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten zwischen dem Trichter und dem elektroakustischen Motor, welcher ihn in Schwingung versetzt. Dieser elektromechanische Kopplungskoeffizient ist seinerseits von der Form des Pfeilers, des Trichters, seiner Elastizität, der zentralen Masse und seiner Assemblage abhängig, wobei man weiß, dass die Elastizität des Trichters ein wesentlicher Faktor ist.
• Wenn der Trichter zu elastisch ist, entsteht durch die Verformung ein bedeutender Energieverlust, und wenn er zu starr ist, ist er schwer, denn starre Materialien haben allgemein ein schweres Gewicht, wodurch die Frequenzbandbreite reduziert wird.
• Weiterhin weiß man, dass die von der Verformung verursachte Störfrequenz eine Funktion Y/ R ist, wobei R die spezifische Masse des Materials und Y sein Elastizitätsmodul oder Young-Modul ist, sowie von der Form des Trichters, wobei man weiß, dass zum Minimieren des von dieser Verformung verursachten Energieverlustes diese Störfrequenz außerhalb des Arbeitsfrequenzbereiches des Wandlers liegen muss.
• Da das Verhältnis Y/R für alle metallischen Materialien konstant ist, ändert die Wahl einer niedrigen spezifischen Masse nicht die Resonanzfrequenz, umso mehr, als die mittlere Nabe von einem starren Teil, welcher der gewünschten Form des Trichters angepasst werden kann und eine Verbesserung der Rigidität der Einheit ermöglicht, verstärkt ist. So kann man bei gleichem Volumen und Platzbedarf eines Trichters aus schwerem Material, das Gewicht des Trichters reduzieren und dieselbe Resonanzfrequenz und folglich dieselben niederfrequenten Arbeitsfrequenzen beibehalten und gleichzeitig die vom Trichter übertragbare Leistung erhöhen.
• Wenn man niederfrequente Hochleistungswandler erhalten will, stehen die zum Erreichen einer niedrigen Resonanzfrequenz erforderlichen Bedingungen scheinbar in Gegensatz mit den zum Erreichen einer starken Sendeleistung erforderlichen Bedingungen.
• Die Resonanzfrequenz F eines Stapels weist die Form:
• F = 1/2pve&supmin;·m&supmin;
• auf, in welcher e die Elastizität und m die äquivalente Masse der Trichter und des piezoelektrischen Stapels darstellen. Die Masse m bestimmt die Gewichts- und Abmessungsvorgaben, die nicht überschritten werden dürfen; der Faktor, auf den man einwirken kann, ist demzufolge die Elastizität e des Stapels. Dabei wird die Elastizität durch die Formel
• e = L / (Y · S)
• gegeben, in welcher Y das Young-Modul, L die Länge und S die Kontaktfläche zwischen den piezoelektrischen Keramikplatten, welche dem Querschnitt der Platten entspricht, darstellen. Da die Länge L ebenfalls von den nicht zu überschreitenden Platzbeschränkungen begrenzt ist, ist der Faktor, auf den man zur Reduzierung der Resonanzfrequenz durch Erhöhen der Elastizität einwirken kann, folglich der Querschnitt S, welcher verringert werden muss.
• Die von einem Stapel von piezoelektrischen Keramikplatten ausgegebene akustische Leistung Pac drückt sich durch die folgende Formel aus:
• Pac = V; w·E²k²·ε·Qm,
• wobei V das Stapelvolumen, w die der Frequenz entsprechende Pulsation, E das auf den Stapel angewendete elektrische Kraftfeld, welches von der maximal zugelassenen Spannung begrenzt ist, k den elektromagnetischen Kopplungskoeffizient der Keramik, welcher von der Natur des Materials abhängt, ε die dielektrische Konstante der Keramik und Qm einen Qualitätsfaktor, welcher von der Frequenzbandbreite abhängt und folglich von der Wahl dieser Breite vorgegeben wird, darstellen.
• Diese Formel zeigt, dass das Volumen V des Stapels einer der Faktoren ist, auf welche man einwirken kann, um die ausgegebene Leistung zu erhöhen.
• Im Fall eines geradlinigen zylinderförmigen Stabes entspricht das Volumen V dem Produkt der mit dem Querschnitt multiplizierten Länge.
• Wie schon erklärt wurde, ist die maximale Länge L aus Platzgründen begrenzt.
• Wenn man den Querschnitt S erhöht, erhöht man auch die ausgegebene Leistung, und wie schon zuvor erklärt, verringert man jedoch die Elastizität des Stapels und erhöht folglich die Resonanzfrequenz. Man sieht also, dass die Wahl des geraden Querschnitts S eines Stapels, welcher die Form eines zylinderförmigen Stabes hat, es nicht ermöglicht, gleichzeitig eine starke Leistung und eine niedrige Sendefrequenz zu erreichen.
• Um diese Fläche S zu reduzieren wurde vorgeschlagen, die Kontaktflächen jeder Platte mit denen, die ihnen im Stapel benachbart sind, auf zwei Abflachungen, deren Fläche kleiner ist als der maximale Querschnitt jeder Platte, zu reduzieren.
• Die Eigenschaften des in der linearen Antenne enthaltenen Strahlungswandlers gemäß der Erfindung ergeben sich aus einer Optimierung der vorstehend aufgeführten physikalischen, akustischen und elektrischen Beanspruchungen. Aufgrund der Wahl eines sehr niedrigen Frequenzbereichs, welcher unter zwei Kilohertz liegt, würde die Masse des Stapels (Keramiken 11, Hülse 20, Vorspannstab 16) und die der Trichter 14, 14A, 7,3 kg erreichen.
• Das Schaummaterial, welches die Schallwände 25 und 25A bildet, ist ein Polyvinylchlorid-Schaum mit folgenden Eigenschaften:
• Spezifisches Gewicht: 300 kg pro m³
• Druckfestigkeit: 7,4 MPa
• Elastische Zuggrenze: 8,7 MPa
• Abscherkoeffizien: 130 MPa
• Ausdehnungskoeffizient: 30 · 10&supmin;&sup6;/º C
• Wärmeleitfähigkeit: 0,053 W m*º C bis 10º
• Größe der Zellen: 0,2 mm
• Die Masse der Schallwände 25 und 25A beträgt 2,2 kg, folglich hat der Wandler in der Luft ein Gesamtgewicht von 9,5 kg. In der nachstehenden Tabelle sind die eingesetzten Materialien und die Masse der Bestandteile detailliert.
• Da der Abstand 30 zwischen den in der Schlauchleitung hintereinander angeordneten Wandlern gleich ist mit einer halben Sendewellenlänge, ist der Abstand zwischen den Trichtern folglich in etwa gleich 300 mm.
• Zu dieser Masse der Wandler muss die Masse der Anschlussvorrichtungen, die Masse der Schlauchleitung, die Masse der Montage- und Haltekabel der Wandler in der Schlauchleitung, sowie die Masse der Versorgungsleiter hinzugefügt werden. Aufgrund der Addition dieser Massen muss die Antenne auf null Auftrieb gebracht werden, indem eine Flüssigkeit mit einer spezifischen Dichte zwischen 0,8 und 0,9 in die Schlauchleitung eingefüllt wird.
• Die Flüssigkeit wird über die Ventile 65 der Vaterteile der Konnektoren eingefüllt, unter Verwendung einer (nicht dargestellten) spezifischen Füll- und Entgasungsvorrichtung, welches auf die Vorderseite der beweglichen Halterung 62 einen Druck ausübt, wodurch deren Translationsbewegung entsprechend der Längsachse der Antenne ausgelöst wird, welche die Öffnungen der Ventile 65 freigibt und einerseits dank der röhrenförmigen Passagen 27 das Füllen der Hohlräume des Volumens 15, welche nicht von den Schallwänden 25, 25 A eines jeden Wandlers belegt sind, und andererseits das Ausfüllen der Volumen 30 zwischen den Wandlern und zwischen den Endwandlern und den Konnektoren ermöglicht.
• Außer seiner spezifischen Dichte zwischen 0,8 und 0,9 weist die Füllflüssigkeit folgende Eigenschaften auf:
• - sie ist nur sehr schwach komprimierbar;
• - ihre chemische Trägheit ist total in Hinsicht auf die umgebenden Materialien wie beispielsweise die Schlauchleitung (Polyurethan, Polyvinylchlorid), die Isoliermaterialien der Kabeldrähte, die Gehäuse und verschiedenen mechanischen Teile, die Wandler und das Material der Schallwände...;
• - ihre akustische Transparenz ist derart, dass ihre akustische Impedanz gleich der des Wassers ist;
• - sie ist bei niedrigen Temperaturen (max. -20º) nicht erstarrbar und bei hohen Temperaturen (bis 60º) nicht unwiderruflich transformierbar;
• - in dielektrischer Hinsicht ist ihr Fremdstoffgehalt begrenzt, und ihre dielektrische Starrheit ist niedriger als 5 Kilovolt pro Millimeter;
• - ihr Einsatz unter normalen Arbeitstemperaturen setzt einen Viskositätskoeffizient von unter 500 cst voraus;
• - aufgrund der Anforderungen in Bezug auf die Sicherheit und die Nichtentflammbarkeit im Fall eines Auslaufs liegt ihr Flammpunkt hoch;
• - sie ist nicht giftig und weist eine hohe spezifische Wärmekapazität (hohe spezifische Wärme und Wärmeleitfähigkeit) auf, um die vom Betrieb der piezoelektrischen Motoren der Wandler erzeugten Kalorien leiten und abführen zu können.
• Die Untersuchung des Auftriebvermögens der Antenne wird im Rahmen der folgenden Spezifikationen (Abb. 2) durchgeführt:
• - fünf Wandler, deren Gesamtmasse in der Luft 9,5 kg und das Volumen 8,41 Liter beträgt,
• - eine Schlauchleitung 72 aus einem Material, welches Polyvinylchloride (PVC) und Polyurethan (PU) enthält, mit einer spezifischen Dichte von 1,24. Die Schlauchleitung hat folglich eine Masse von 3,99 kg pro Meter, und ein Innenvolumen von 31,41 Liter pro Meter,
• - jeder Wandler ist von dem ihm folgenden Wandler durch einen Abstand 73 getrennt,
• - beide Anschlussvorrichtungen 74 und 75 haben eine Masse von 9,5 kg und ein Volumen von 9,41 Liter; sie sind in der Schlauchleitung über eine Länge 76 von 15 cm eingequetscht, und der außerhalb der Schlauchleitung liegende Abschnitt 77 misst 10 cm, der Abstand zwischen den Endwandlern und den Halbkonnektoren 73 beträgt 300 mm.
• - die Zugkabel 78 sind in der Anzahl von vier, ihre Masse beträgt 57 Gramm pro Meter,
• - die elektrischen und koaxialen Leiter 79 haben eine Masse von 500 Gramm pro Meter,
• - die Füllflüssigkeit hat eine spezifische Dichte von 0,8,
• - der für die spezifische Dichte des Meerwassers angenommene Wert beträgt 1,027.
BILANZ der MASSEN und der VOLUMEN
• Wandler 5 · 9,5 = 47,5 kg
• Konnektoren 2 · 9,5 = 19,0 kg
• Schlauchleitung 3,44m · 3,99 = 13,72 kg
• Elektrische Leiter 3,44m · 0,500 = 1,72 kg
• Zugkabel 3,44m · 4 · 0,057 = 0,78 kg
• Füllflüssigkeit:
• 6 Abstände von 300 mm
• 1,80 m · 31,41 l = 56,53 Liter
• plus 5% des Volumens der Wandler
• 5 · 8,41 · 5% = 2,10 Liter
• GESAMT 58,63 Liter
• SPEZIFISCHE DICHTE = 0,8 = 46,91 kg
• GESAMTMASSE........... 129,63 kg
• Volumen der Schlauchleitung
• 3,44 · 34,63 Liter pro Meter = 119,127 l Volumen der Halbkonnektoren, welche aus der Schlauchleitung herausragen
• 0,10 · 2 · 34, 630 Liter = 6,926 l
• GESAMTMASSE........... 126,053 kg
• HYDROSTATISCHER AUFTRIEB
• X 1,027 = 129,45
• Der hydrostatische Auftrieb kompensiert die Masse der Antenne.
• Der genaue Abgleich der Antenne, für eine unterschiedliche Dichte der Füllflüssigkeit oder eine Variation der Masse der Konnektoren, erfolgt durch das Anpassen der spezifischen Dichte der Füllflüssigkeit, d. h. auf das Volumen der Flüssigkeit in bestimmten Grenzen. Es besteht ebenfalls die Möglichkeit, die innere Flüssigkeit in den genannten Intervallen durch ein Schaummaterial zu ersetzen, dessen Dichte niedriger ist als die Dichte der Flüssigkeit.
• Der Einsatz der erfindungsgemäßen linearen Antenne erfolgt von einem Schiff 40 (Abb. 6), welches mit einer von nicht dargestellten Antriebsmitteln angetriebenen Winde 41 ausgestattet ist, wobei der Aufrolldurchmesser der leeren Trommel mindestens 1,30 m beträgt, welches der maximalen Biegefähigkeit der Antenne ohne Beschädigungsgefahr entspricht.
• Ein Elektriktragseil 42 mit variabler Länge, welche im allgemeinen jedoch weniger als 1.000 m beträgt, zieht folgende Elemente in der nachfolgenden Reihenfolge:
• - ein elektronisches Durchstimm-Modul 43, welches insbesondere eine Vorrichtung zur Versorgung der linearen Sendeantenne mit Schallfrequenzsignalen gemäß der Erfindung,
• - eine Anschlussvorrichtung oder Konnektor 44 zwischen dem Modul 43 und der Sendeantenne 45,
• - die lineare Sendeantenne 45 selbst, deren Länge zwischen 20 und 30 Meter betragen kann.
• Zu diesen Bestandteilen einer Sendeeinheit können folgende Empfangsmodule hinzugefügt werden:
• - eine Anschlussvorrichtung oder Konnektor 46 zwischen der Sendeantenne 45 und einem akustischen Empfangsmodul zum Aufheben von Ambiguitäten 47 (nicht beschrieben),
• - ein Konnektor 48 zwischen dem Modul 47 und einem weiteren akustischen Modul mit einer größeren Länge als das Modul 47 (nicht beschrieben).
• Die lineare Sendeantenne sowie die Empfangsmodule weisen einen nullwertigen Auftrieb auf.
• Die Einsatztiefe dieser Elemente hängt vom Gewicht des Elektriktragseils ab, welches ins Wasser gelassen wird, um die Einheit zu ziehen, vom Gewicht des elektronischen Durchstimm-Moduls sowie von der Geschwindigkeit des Zugschiffs.
• Die erfindungsgemäße lineare Antenne ist insbesondere als Bestandteil eines Systems zur U-Boot-Abwehr gedacht, welches leichter ist als die bekannten Systeme, wobei der Einsatz vereinfacht ist, die akustischen Leistungen und die Richtfähigkeit jedoch verbessert sind.

Claims (7)

1. Lineare elektroakustische Sendeantenne, welche mindestens einen an den Enden geschlossenen biegsamen Abschnitt aufweist, in welchem von Assemblierkabeln in einem bestimmten Abstand voneinander gehaltene elektroakustische Wandler (31) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass:

- die elektroakustischen Wandler (31) Strahlungswandler sind und von elektrischen Schallfrequenzsignalen versorgt werden,

- eine an einer Seite des besagten Abschnitts 28 angeordnete Versorgungsvorrichtung (43) die besagten elektrischen Schallfrequenzsignale liefert,

- mindestens eine Anschlussvorrichtung an einem Ende des besagten Abschnitts angeordnet ist, um den mechanischen und elektrischen Anschluss an mindestens die besagte Versorgungsvorrichtung zu ermöglichen,

- jede Anschlussvorrichtung anhand von elektrischen Leitern an die an der der Versorgungsvorrichtung gegenüber liegenden Seite angeordneten elektroakustischen Wandler angeschlossen ist, und

- mindestens der besagte biegsame Schlauchabschnitt mit einer Flüssigkeit (32) gefüllt ist, deren relative Dichte so berechnet wurde, dass für den besagten Abschnitt ein nullwertiger Auftrieb erzielt wird.

2. Lineare elektroakustische Sendeantenne gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehrere biegsame Schlauchleitungsabschnitte umfasst, welche jeweils mehrere elektroakustische Wandler enthalten, wobei die besagten Abschnitte serienmäßig in der Verlängerung jedes Abschnitts anhand der besagten Anschlussvorrichtungen zusammengefügt sind.

3. Lineare elektroakustische Sendeantenne gemäß Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder elektroakustische Wandler folgende Bestandteile umfasst:

- zwei elektroakustische Motoren (10) (10A), ein jeder bestehend aus einer gleichen Anzahl von aneinanderstoßenden piezoelektrischen Keramiken (11) oder Stäben aus magnetostriktiven Materialien, welche beidseitig einer zentralen Gegenmasse (12) angeordnet sind,

- zwei Trichter (14) (14A), welche jeweils an einem Ende des besagten Motors angebracht sind,

- eine vorgespannte Assembliervorrichtung der besagten Motoren an jeder Seite der besagten Gegenmasse zu den besagten Trichtern, anhand eines an seinen Enden mit einem Gewinde versehenen Stabs (16), welcher die beiden Trichter immobilisiert und es ermöglicht, die Vorspannung zu variieren,

- eine Innenhülse (20) zum Isolieren des vorgespannten Gewindestabs (16) von den Motoren (10) und (10A),

- eine Außenabdeckung (21), um die Motoren (10) und (10A) vom Umgebungsmilieu zu isolieren,

- eine dichte Vorrichtung zur Stromversorgung der besagten elektroakustischen Motoren anhand von Stromversorgungskabeln (24), welche über in Bezug auf die Längsachse der Motoren um 90º versetzte Versorgungsrampen (22), (22A), (23), (23A) mit den piezoelektrischen Keramiken verbunden sind,

- zwei Schallwände (25), (25A), bestehend aus einem Schaummaterial, in welches röhrenförmige Passagen (27) eingelassen sind; diese Schallwände sind hinter den Trichtern (14), (14A) angebracht und von festen Rückhalteelementen (26) um die elektroakustischen Motoren (10), (10A) in Position gehalten, um die akustische Rückstrahlung der besagten Trichter sowie die Schwingungen der besagten Motoren aufzufangen, und

- ein Gehäuse (13), welches die Schallwände (25), (25A) umschließt, wobei es die Längsverschiebung der Trichter (14), (14A) ermöglicht, dessen Enden (13A), (13B) in abgerundeter kegelartiger Form ausgeführt sind, um das Zentrieren des Wandlers im Inneren einer vom besagten Wandler unterschiedlichen röhrenförmigen Schlauchleitung zu ermöglichen.

4. Lineare elektroakustische Sendeantenne gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Anschlussvorrichtung aus einem Mutterteil (50) und einem Vaterteil (51) in zylinderartiger Form besteht und mit jeweils den folgenden mechanischen und elektrischen Anschlussmitteln ausgestattet ist:

- ein außen eingekerbtes Endstück (52) über eine von einem Anschlag (53) begrenzte Länge, welche die Abdeckungslänge des Endstücks durch die anhand eines Rings (56) über den Kerben (57) eingequetschte Schlauchleitung bestimmt,

- das besagte Endstück ist innen mit Befestigungsvorrichtungen (54) für die Zugseile (29) versehen, um die auf die Schlauchleitung ausgeübten Zugbeanspruchen aufzunehmen,

- Verbindungsstifte in variabler Anzahl (59), (60) für die Stromversorgung und die Signalübertragung, welche auf in den Körpern (63), (64) der Mutter- und Vaterteile angeordneten Isolierhalterungen (61), (62) montiert sind,

- eine Vorrichtung zum Füllen der Schlauchleitung mit einer sich in Überdruck befindlichen Flüssigkeit und zum Ausgleichen der Drücke der besagten Flüssigkeit zwischen den miteinander verbundenen Elementen, anhand eines in der beweglichen Halterung (62) angebrachten Ventils (65), deren Translation nur erfolgen kann, wenn alle Verbindungsstifte (59), (60) in Eingriff sind und die Schnittstellendichtungen (66), (67) dank einer entsprechend tarierten Rückholfeder (68) in Kontakt stehen, wobei die feste Halterung (61) ihrerseits eine mit einem Ventil versehene Passage (69) aufweist, um den Umlauf der Flüssigkeit in der Richtung Vaterteil - Mutterteil zu ermöglichen, und

- ein Keilverbindungssystem zum Gewährleisten der mechanischen Verbindung zwischen den Vater- und Mutterteilen anhand von bekannte Mitteln wie beispielsweise mit Vertauschsicherungen versehene Gewinde und Kerben.

5. Elektroakustische Sende-/Empfangsantenne für aquatische Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile enthält:

- eine lineare elektroakustische Sendeantenne (45) gemäß irgendeiner der vorstehenden Patentansprüche,

- ein akustisches Empfangsmodul (47), welches in der Verlängerung der besagten Sendeantenne angeordnet und mit elektroakustischen Empfangswandlern ausgestattet ist, um die von der aquatischen Umgebung kommenden akustischen Signale aufzufangen und entsprechende elektrische Signale zu erzeugen, und

- elektrische Anschlussmittel zum Übermitteln der besagten, von den elektroakustischen Wandlern des besagten akustischen Empfangsmoduls erzeugten elektrischen Signale an ein elektronisches Verarbeitungssystem.

6. Elektroakustische Sende-/Empfangsantenne gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das besagte akustische Empfangsmodul (47) mindestens mechanisch über eine mechanische Anschlussvorrichtung mit der besagten linearen elektroakustischen Sendeantenne (45) verbunden ist.

7. Elektroakustische Sende-/Empfangsantenne gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Anschlussmittel elektrische Leiter umfassen, welche in jedem Abschnitt der besagten linearen elektroakustischen Antenne angeordnet und über die besagten Anschlussvorrichtungen der Abschnitte miteinander verbunden sind.