DE69617390T2 - Gerichtete wandleranordnung mit hoher verstärkung - Google Patents

Gerichtete wandleranordnung mit hoher verstärkung

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    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G10K11/006Transducer mounting in underwater equipment, e.g. sonobuoys
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Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Wandleranordnungen, insbesondere auf reguläre geodätische zwanzigflächige Zwei-Frequenzanordnungen von Wandlern, beispielsweise akustischen Wandlern, die für Sonar- und Unterwasserermittlung, Lokalisierung und Überwachung verwendet werden können.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Akustische Wandler oder Transponder werden zum Übertragen akustischer Energie (Ton) mit elektrischer Energie verwendet. Dies kann beispielsweise zur Erzeugung von Ton als Antwort auf elektrische Signale, beispielsweise in einem Lautsprecher oder zum Erzeugen von elektrischen Signalen als Antwort auf die Energie eines Tons, beispielsweise in einem Mikrophon nützlich sein. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck "Ton" auch Ultraton. Die Ausbildung eines akustischen Wandlers ist stark durch das Fluid-Medium, für den er bestimmt ist, begrenzt, und ob beabsichtigt ist, eine Tonenergie im Medium zu erzeugen oder Energie davon zu extrahieren. Wenn elektrische Energie an den akustischen Wandler angelegt wird, um diesen mit dem Fluid-Medium zu koppeln, muß der Wandler streng mit dem Fluid gekoppelt sein, weil sonst die elektrische Energie nicht auf das Fluid übertragen wird (wird reflektiert oder wird in der elektrischen Quelle verbleiben), oder sie wird im Wandler selbst absorbiert werden, was eine Erwärmung verursacht. Ein starkes Koppeln mit dem Medium bedeutet allgemein eine relativ große Öffnung, so daß signifikante Mengen des Fluids als Antwort auf das gelieferte elektrische Signal bewegt werden können, und die Struktur muß ausreichend groß sein, die Wärmeenergie und die Kräfte zu handhaben, die bei der Übertragung vorkommen. Akustische Wandler, die zum Fühlen oder Abtasten von Tönen bestimmt sind, können dagegen klein sein, da es unwahrscheinlich ist, daß sie soviel Energie vom Medium absorbieren, daß sie sich erwärmen, und relativ kleine elektrische Signale, die erzeugt werden, können allgemein auf nützliche Werte verstärkt werden. Ein weiterer Vorteil von körperlich kleinen Wandlern ist der, daß sie dazu neigen, eine relativ gute Frequenzantwort im Vergleich zu größeren Wandlern aufzuweisen, da deren mechanische Resonanzen bei höheren Frequenzen als bei denjenigen großer Wandler auftreten und sie daher einen weiteren Frequenzbereich haben, über den die Amplitudenantwort des Wandlers flach ist.
  • Wandler für Unterwasserzwecke, beispielsweise für Sonargeräte, werden häufig sowohl in einem Übertragungsmodus als auch - in einem anderen Zeitpunkt - in einem Empfangsmodus betrieben. Durch die Erfordernisse des Übertragungsmodus wird das Aussehen dieser Wandler beherrscht. Die US-PS 5 239 518, die am 24. August 1993 im Namen von Kazmar herausgegeben wurde, beschreibt einen solchen Sonarwandler, der hier als "Projektor" bezeichnet ist. Der Kazmar-Wandler umfaßt ein elektrostriktives oder piezoelektrisches Material, welches auf elektrische Signale antwortet, um entsprechende akustische Signale zu erzeugen, und der außerdem in beiden Richtungen wandelt, wobei er elektrische Signale als Antwort auf akustische Energie erzeugt.
  • Die Geschwindigkeit der Tonsignale hängt von der Dichte des Mediums ab. Die Geschwindigkeit des Tons in Luft beträgt ungefähr 1100 ft/s, in Wasser ungefähr 4800 ft/s und in Stahl ungefähr 16000 ft/s. Da die Wellenlänge in einem Medium bei einer vorgegebenen Frequenz unmittelbar auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit bezogen wird, ist die Wellenlänge in Wasser bei einer vorgegebenen Frequenz viel größer als in Luft. Folglich ist eine vorgegebene Struktur im Hinblick auf Wellenlängen im Wasser kleiner als in Luft. Daher sind die Strukturen, beispielsweise akustische Wandler relativ klein bezüglich der Wellenlänge, wenn sie in ihr Fluid-Medium Wasser eingetaucht werden. Eine Begleiterscheinung der kleinen Baugröße hinsichtlich der Wellenlänge ist die Isotropie oder Nichtrichtwirkung der Antwort; ein Übertrager, der sehr klein hinsichtlich von Wellenlängen ist, scheint effektiv eine Punktquelle zu sein und überträgt in einer nichtgerichteten oder allseitig-gerichteten Weise.
  • Ein gerichtete Übertragung ist aus mehreren Gründen wünschenswert. Wenn beispielsweise ein Übertrager verwendet wird, um entfernten Tonquellen zuzuhören, neigt ein gerichteter "Strahl" dazu, den Einfluß von Rauschen zu reduzieren, das von anderen Richtungen herkommt. Wenn akustische Energie in Richtung auf die Lage eines Objekts, welches durch Beobachtung der akustischen Reflexion zu ermitteln ist, übertragen wird, konzentriert ein gerichteter Übertragungs-"Strahl" die verfügbare Energie in Richtung auf das Objekt, um es so wahrscheinlicher zu machen, das ausreichend Energie das Objekt streift, damit dessen Reflexion ermittelt werden kann. Wie oben erwähnt neigt jedoch ein akustischer Wandler dazu, bezüglich der Wellenlängen schmal zu sein und eine nichtgerichtete Übertragung bereitzustellen.
  • Ein bekanntes Verfahren, um die akustische Richtwirkung zu steigern, besteht darin, mehrere individuelle Wandler in einer Reihe anzuordnen. Beispielsweise können lange Reihenanordnungen akustischer Wandler längs eines Kabels beabstandet sein und hinter einem Schiff geschleppt werden, welches eine Unterseeprüfung durchührt. Die akustischen Wandler werden gleichzeitig in einem Übertragungsmodus mit Energie versorgt, so daß sie gemeinsam handeln, mit dem Ergebnis, daß die effektive Dimension des Übertragungswandlers durch die Länge des Kabels eingerichtet wird, im Gegensatz zur Dimension eines individuellen Wandlers. Dies ermöglicht es, daß ein Richtstrahl erzeugt wird, welcher diesem Fall der beschriebenen geschleppten Reihe ein "Horn"-Strahl orthogonal zur Kabellänge ist. Die gleiche geschleppte Anordnung, die als Empfangswandler arbeitet, kombiniert alle empfangenen Signale ohne relative Verzögerungen oder Phasenverschiebungen und erreicht einen "Empfangsstrahl", der dem oben erwähnten Horn-Strahl entspricht.
  • Es sind andere Anordnungsarten bekannt. Ein Bericht (April 1987, der für Naval Underwater Systems Center, New London, CT unter Vertrag NICRAD-85-NUSC-022 vorbereitet ist beschreibt eine Anordnung von 21 Wandlern in der Form eines rechten Kreiszylinders, die wegen deren Symmetrie in der horizontalen Ebene und der resultierenden 360º- Azimuthüberdeckung vorteilhaft ist. Der Durchmesser und die Höhe der oben beschriebenen zylindrischen Anordnung liegen ungefähr bei einer Wellenlänge. Die Elemente wurden mit relativen Zeitverzögerungen zum Phasenbilden in bezug auf ein Ebene angesteuert.
  • Eine Anordnung von Wandlern auf der Oberfläche einer Kugel ist in der US-PS 5 377 166 beschrieben, die am 27. Dezember 1994 von Kuhn herausgegeben wurde. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein gerichteter Strahl im allgemeinen auf irgendeine Richtung in einem dreidimensionalen Raum ausgerichtet werden kann. Bei einer Ausführungsform umfaßt diese 12 Wandler, die an Scheitelpunkten eines Zwanzigflächners angeordnet sind, und bei einer weiteren Ausführungsform umfaßt sie 20 Wandler, die an den Scheitelpunkten eines Zwölfflächners angeordnet sind. Diese regulären Polyeder haben den Vorteil, daß jeder Wandler von seinem benachbarten Wandler gleichmäßig beabstandet ist, und die wechselseitigen Koppeleffekte bezüglich der Wandler sind die gleichen, so daß deren "Strahlungs"-Impedanz die gleiche von Wandler zu Wandler ist. Bei einer Ausführungsform der Anordnung, die in dem oben erwähnten Kuhn-Patent beschrieben ist, ist die zwanzigflächige Anordnung mit der zwölfflächigen Anordnung konzentrisch. Der Abstand von Element zu Element der Wandler in beiden Reihen wird so ausgewählt, daß er zwischen λ/3 und 2λ/3 liegt, um unerwünschte Spitzenwerte bei der Reihenantwort zu verhindern.
  • Jeder Wandler des Kuhn-Patents hat ein maximale Ausdehnung von weniger als einer akustischen Wellenlänge im Medium als Ergebnis davon, daß die Wandler dazu tendieren, isotropisch zu sein, was bedeutet, daß jeder gleichmäßig gut in allen Richtungen abstrahlt, mit dem weiteren Ergebnis, daß die Richtwirkung oder der Richtungsgewinn der Reihe gänzlich auf dem Reihenfaktor und den Gesamtdimensionen der Reihe beruhen, bevorzugt zu den Kennlinien der Wandler selbst. Die minimalen Strahlbreiten, die durch Kuhn erzielt werden, sind im '166-Patent so, daß sie ungefähr 30º betragen. Obwohl die Kuhn-Anordnung zufriedenstellend ist, kann es Fälle geben, bei denen man wünscht, engere oder selektivere Strahlen zu haben, wobei in diesem Fall ein größerer Richtungsgewinn erzielt werden muß, der wiederum eine größere Reihenöffnung erforderlich macht. Der maximale Gewinn einer Kuhn-Anordnung ist teilweise durch seine effektive Öffnung festgelegt, die geschätzt werden kann, indem man erwägt, daß der Zwischenelementraum längs der Fläche der Kugel ein Maximum von ungefähr 2%/3 ist, wodurch der maximale Durchmesser der zwölfflächige Kugel zu ungefähr 2 Wellenlängen wird und der maximale Durchmesser der zwanzigenflächigen Reihe kleiner ist. Um somit selektivere Strahlen zu erzielen, muß mehr Richtungsgewinnung vorgesehen werden als der, der durch die zwölfflächige Anordnung des '166- Patent" erzielt werden kann. Die größere Öffnung erfordert einen größeren "Durchmesser" der Kugel von Wandlern. Der Zwölfflächner ist jedoch ist der Größte der klassischen regulären Polyeder. Somit muß ein Aufbau, der anders ist als der Zwölfflächner, verwendet werden, um die Reihe festzulegen.
  • Der Artikel "Acoustical Array prototype Omni-directional Imaging system", von M. Bhushan, Proceedings of the IEEE/RSJ, July 7-10, 1992, Band 2, offenbart akustische Wandler, die gleichförmig auf einer Kugel gemäß einer hexagonalen Teilung einer kugelförmigen Projektion eines Zwanzigflächners angeordnet sind. Die US 5 291 888 offenbart eine Sensoranordnung mit Elektroden, die auf den Scheiteln einer geodätischen Teilung auf der Basis von Dreiecken eines Zwanzigflächners angeordnet sind. Es sind jedoch verbesserte Reihenkonfigurationen wünschenswert.
  • Überblick über die Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist durch den Patentanspruch 1 festgelegt.
  • Eine Wandleranordnung gemäß der Erfindung zur Verwendung in einen Fluid- Medium umfaßt 42 akustische Wandler. Ein jeder der Wandler hat eine maximale seitliche oder Querabmessung im Fluid-Medium von weniger als eine akustische Wellenlänge. Eine Reihenanordnung ordnet die akustischen Mitten von akustischen Wandlern an den Scheitelpunkten eines regulären geodätischen Zwei-Frequenz-Zwanzigflächners (RGTFI) an. Die Reihenanordnung umfaßt außerdem entweder einen Treiber oder einen Empfänger oder beide, die mit den Wandlern gekoppelt sind, um dafür Wandleransteuersignale zu erzeugen oder um übertragene Signale davon entsprechend zu empfangen. Um den akustischen Strahl oder die akustischen Strahlen zu richten, ist eine Verzögerungssteueranordnung mit den akustischen Wandlern und mit dem laufenden der Ansteuerung oder des Empfängers gekoppelt, um die Phasenverschiebungen oder Verzögerungen zu steuern. Wenn die Wandler an den Scheitelpunkten eines regulären geodätischen Zweifrequenz-Zwanzigflächners angeordnet sind, nimmt der Abstand zwischen Elementen auf der Oberfläche der entsprechenden Kugel einen von zwei Abständen ein, wobei einer davon das 1,1308-fache des anderen ist. Diese Differenz bezüglich des Abstandes neigt dazu, die Bandbreite zu vergrößern, und sie beeinträchtigt etwas die wechselseitige Kopplung, jedoch solange, wie die Betriebsfrequenz so beibehalten wird, daß der maximale Abstand zwischen Wandlern nicht größer ist als 2λ/3 und der minimale Abstand nicht geringer ist als λ/3, wird das System in einer Weise ähnlich dem des Zwanzigflächners oder Zwölfflächners arbeiten, jedoch mit engeren oder selektiveren Strahlen. Der Sender, Empfänger und die Steuerung werden bei Frequenzen betrieben, so daß der maximale Abstand zwischen benachbarten Wandlern nicht 2λ/3 übersteigt und der minimale Abstand nicht kleiner ist als λ/3.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Fig. 1a und 1b zeigen zwei Seiten eines regulären geodätischen Zweifrequenz- Zwanzigflächner-Polyeders, dessen Scheitelflächen die Lagen der Wandler einer akustischen Reihe gemäß der Erfindung zeigen;
  • Fig. 2 ist eine vereinfachte Blockdarstellung eines Sonarsystems für die Reihe von Fig. 1a und 1b; und
  • Fig. 3a und 3b sind horizontale bzw. vertikale "Strahlungs"-Muster für eine Reihe gemäß der Erfindung bei 2000 Hz, Fig. 3c und 3d sind horizontale bzw. vertikale Muster für die Reihe bei 300 Hz, Fig. 3e und 3f sind horizontale und vertikale Muster bei 4000 Hz, Fig. 3g und Sb sind diese bei 5000 Hz und Fig. 31 und 3j sind diese bei 7000 Hz.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Fig. 1a und 1b sind Ansichten eines regelmäßigen geodätischen Zweifrequenz- Zwanzigflächners 100, wie dieses durch R. Buckminster Fuller im Text "Synergetics" veröffentlicht durch Mcmillan Publishing Co., Inc., dritte Auflage, 1978, ISBN 0-02-54187Ö-X, Q295.F84 191 74-7264 veröffentlicht wurde, in welchen das "Zweifrequenz"-Merkmal sich auf die unterschiedliche Fläche oder Facettenkonfigurationen bezieht oder Trennungen zwischen benachbarten Scheitelpunkten. Ein regelmäßiger geodätischer Zweifrequenz-Zwanzigflächner (RGTFI) 100 von Fig. 1a und Fig. 1b hat 42 Scheitelpunkte, die mit 1, 2, 3, ... 42 bezeichnet sind, von denen jeder die Lage eines Wandlers eines Satzes von 42 wechselseitig identischen Wandlern gemäß der Erfindung definiert. Da die Wandler zusammen mit den Scheitelpunkten angeordnet sind, können die Scheitelpunkte 1-42 auch als "Wandler" bezeichnet werden. Die akustischen Wandler bilden somit eine kugelförmige Anordnung, die einen regelmäßigen Abstand zwischen wechselseitigen benachbarten Elementen der Reihe haben, wobei jedoch der Abstand zwei Werte annimmt, nämlich 1,000 und ungefähr 1,1308. Die sphärische Anordnung ist in der Lage, einen "Suchlicht" oder "Stift"-Strahl zu bilden, wie durch den Stand der Technik bekannt ist, wenn das Signal, welches durch die Wandler übertragen wird, passend verzögert oder in Phase ist und kombiniert ist. Es sei angemerkt, daß ein Richt-"Strahl" sowohl im Übertragungs- als auch in einem Empfangsmodus gebildet werden kann, mit den Verzögerungskennlinien, die erforderlich sind, einen bestimmten Strahl zu bilden, der der gleiche sowohl in der Übertragungs- als auch in der Empfangsrichtung ist. Außerdem neigen Kennlinien der Reihe, wie die Impedanz der Wandler dazu, gleich beim Senden und beim Empfang zu sein, mit lediglich der Ausnahme in dem Fall, bei dem die Übertragungsmodusansteuerung Grund genug ist, nichtlineare Ergebnisse, beispielsweise eine Kavitation zu verursachen. Da jedes der Elemente der Reihe in einer regelmäßigen Beziehung mit den benachbarten Elementen ist, neigt die wechselseitige Kopplung zwischen Elementen dazu, lediglich zwei Werte anzunehmen, wenn der Strahl nicht eingehalten wird, und als Folge davon arbeitet die Reihe in einer Weise, die ähnlich ist der einer sphärischen Reihe mit einem unitären Zwischenelementabstand. Ein weiterer Vorteil einer Reihe mit einer großen Anzahl von Wandlern ist der, daß ein leistungsfähiger Strahl erzeugt werden kann, wenn die Reihe als Quelle betrieben wird. Die Höhe des Anstiegs bei der Quellenamplitude kann als 11log&sub1;&sub0;(N) ausgedrückt werden, wobei N die normalisierte Anzahl von Wandlern ist, wenn man annimmt, daß jeder Wandler oder die Wandler die gleiche Menge an Leistung produzieren.
  • In Fig. 1a und 1b zeigt der regelmäßige geodätische Zweifrequenz-Zwanzigflächner 100 achtzig Dreieck-Facetten, von denen jede durch die numerierten Punkte an deren Scheitelpunkten definiert ist. Die Scheitelpunkte sind in ihrer Beziehung mit den wechselseitigen orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen dargestellt. Beispielsweise liegt ein Punkt oder ein Knoten 1 auf der Z-Achse und ist durch mehrere Punkte 2, 3, 4, 5 und 6 umgeben, welche zusammen fünf gleichschenklige Facetten oder Dreiecke festlegen {1, 2, 3}, {1, 3, 4}, {1, 4, 5}, {1, 5, 6}, und {1, 2, 6}. Diese Bezeichnungen können außerdem als "1, 2, 3; 1, 3, 4; 1, 4, 5; 1, 5, 6:, bzw. 1, 2, 6; geschrieben werden. Bestimmte Dreiecke sind in Fig. 1 und 2 schattiert, so daß die dreidimensionalen Beziehungen schneller verstanden werden können.
  • Ein jedes gleichschenklige Dreieck der Sätze {1, 2, 3}, {1, 3, 4}, {1, 4, 5}, {1, 5, 6} und {1, 2, 6} besitzt eine Basis, welche eine Seite eines gleichseitigen Dreiecks festlegt. Beispielsweise ist die Basis oder die Seite 2, 3 des Dreiecks {1, 2, 3 } identisch oder fortlaufend mit der oberen Seite eines weiteren Dreiecks {2, 3, 7}, die Seite 3, 4 des Dreiecks {1, 3, 4} ist die obere Seite eines Dreiecks {3, 4, 8}, die Seite 4, 5 des Dreiecks {1, 4, 5} ist die obere Seite eines Dreiecks {4, 5, 9}, die Seite 5, 6 des Dreiecks {1, 5, 6) ist fortlaufend mit einer oberen Seite des Dreiecks {5, 6, 10}, und die Seite 6, 2 des Dreiecks {1, 2, 6} ist fortlaufend mit der oberen Seite eines Dreiecks {2, 6, 11}. Die Dreiecke {2, 3, 7}, {3, 4, 8}, {4, 5, 9}, {5, 6, 10} und {2, 6, 11}, die in den Fig. 1a und 1b schattiert sind, sind gleichseitige Dreiecke (60º). Die Unterschiede zwischen den relativen Längen der Seiten der gleichseitigen Dreiecke von 60º und den gleichschenkligen Dreiecken von 55,57º, 68,86º mit der gleichen Basisabmessung definiert ein Differenz von Längen im Verhältnis 1,130826361. Wie oben erwähnt ist die Struktur regelmäßig, und als Folge davon nimmt das wechselseitige Koppeln moderate oder gleichmäßige Werte von Element zu Element der Reihe an, die daher eine vorhersagbare Leistung bringt.
  • Die Lagen der Scheitelpunkte 1-42 von Fig. 1a und 1b im Hinblick auf X-, Y- und Z-Koordinaten sind in der Tabelle 1 für die besondere Orientierung der Reihe im Koordinatensystem, welches in Fig. 1a und 1b gezeigt ist, unten aufgeführt. Tabelle 1 Kartesianische Koordinaten von Scheitelpunkten eines regelmäßigen geodätischen Zweifreduenz-Zwanzigflächners
  • wobei
  • R = Kugelradius
  • d = Seiten der gleichseitigen Dreiecke
  • dp = Länge der gleichen Seiten der gleichschenkligen Dreiecke oder "pentagonalen zentrischen Distanz".
  • Die Überprüfung der Umgebung weniger individueller Wandler zeigt, ob die wechselseitige Kopplung gut funktioniert hat. Bezüglich Fig. 1a sind die Elemente an den Lagen 1, 12, 13 und 28 an der kürzeren Entfernung (1,000X) von fünf benachbarten Elementen, da diese bei Mittelpunkten von Fünfecken sind, die durch gleichschenklige Dreiecke gebildet sind. Dagegen sind Elemente an Orten auf den Rändern der Fünfecke, beispielsweise Elemente 3 beispielsweise von sechs Elementen beabstandet, nämlich durch relative Abstandseinheit von den Elementen 1 und 12, und durch den Abstand 1,1308X von den Elementen 2, 4, 7 und 8. Daher gibt es lediglich zwei Arten von Elementen in der Reihe, und zwar die, die durch fünf umgeben sind, und die, die durch sechs benachbarte Elemente umgeben sind. Damit haben die wechselseitigen Impedanzen der Reihenwandlerelemente (im nichteingehaltenen Zustand) lediglich zwei Werte und innerhalb der Bandbreitenbegrenzungen, die durch die Begrenzung der Maximalfrequenz eingerichtet sind, so daß der größere Zwischenelementabstand nicht ungefähr 2λ/3 übersteigt, und die Minimalfrequenz ist nicht so, daß der kleinere Zwischenelementabstand kleiner ist als ungefähr λ/3.
  • Fig. 2 ist eine vereinfachte Blockdarstellung eines Sonarsystems gemäß der Erfindung, welches einen Übertrager, einen Empfänger und eine Steuerung umfaßt, um die Phasenverschiebungen oder Verzögerungen, die den Signalen anhaften, zu steuern, um gewünschte Richtungsresultate bereitzustellen. In Fig. 2 wird die elektrische Energie bei einer bestimmten Frequenz, die zu übertragen ist, von einer Quelle 510 an eine Leistungsaufteilungsanordnung 512 angelegt, welche das Signal in 42 Teile gleicher Amplitude unterteilt und jedes Teil an ein Verzögerungselement (D) 514a, 514b, ... 514c anlegt, wobei jedes die Signale um ein bestimmtes Maß verzögert, wie durch den Stand der Technik bekannt ist, so daß der gewünschte akustische Strahl schließlich gebildet wird. Die wechselseitig verzögerten Signale an den Ausgängen der Verzögerungselemente 514a, 514b, ... 514c werden individuell an einen eines Satzes von entsprechenden Leistungsverstärkern (P) 516a, 516b, ... 516c angelegt, die die verzögerten Signale auf einen Leistungswert verstärken, der ausreichend ist, die Wandler (TX) einer regulären geodätischen Zweifrequenz-Zwanzigflächner-Reihe anzusteuern, beispielsweise die Wandler 210(1), 210(2), ... 210(42). Die verstärkten Signale werden von Leistungsverstärkern 516a, 516b, ... 516c zu den elektrischen Verbindungen 520a, 520b, ... '520c von Ansteuerwandlern (TX) 210(1), 210(2), ... 210(42) über Schalter 518a, 518b, ... 518c in ihren gezeigten Positionen übertragen. Mit den Schaltern 518a, 518b, ... 518c in den gezeigten Positionen wird eine Übertragungssonarreihe gebildet, wobei der Strahl/die Strahlen in einer Weise gerichtet ist/sind, die durch die Wahl von Verzögerungen 514a, 514b, 514c gewählt ist/sind.
  • Um die Anordnung von Fig. 2 in einem Empfangsmodus zu betreiben, werden die bewegbaren Elemente der Schalter 518a, 518b, ... 518c auf ihre Wechselpositionen (nicht gezeigt) umgelegt, wodurch jede elektrische Verbindung 520a, 520b, ... 520c der Wandlerelemente 210(1), 210(2), ... 210(42) entsprechend über einen Leiter 522a, 522b, ... 522c mit einem Empfänger 524 gekoppelt ist, der die Signale niedriger Leistung empfängt und diese in bekannter Weise verarbeitet, um die gewünschte Information auf einer Anzeige 526 bereitzustellen.
  • Fig. 3a und 3b sind horizontale und vertikale Amplituden- oder akustische "Strahlungs"-Muster, die für eine Reihe gemäß der Erfindung bei 2000 Hz berechnet wurde, bei welcher die Frequenz des Zwischenelementabstands ungefähr λ/3 beträgt. Fig. 3a zeigt eine durchgezogene Linienskizze 310 in der horizontalen Ebene oder in der θ = 90º-Ebene in einem herkömmlichen φ, θ-sphärischen Koordinatensystem, wobei die Phasenverschiebungen so festgelegt sind, um den Strahl in der Richtung φ = 0, θ = 90º zu richten. Die Skizze 310 besitzt einen Hauptstrahl, der nach links in Richtung φ = 0º gerichtet ist, wobei eine Spitzenamplitude bei 0 dB liegt. Eine Strichlinienskizze 312 zeigt einen Signal- oder Strahlungsleistungspegel, der eine halbe Leistung oder -3 dB in bezug auf die Spitzenamplitude des Hauptstrahls aufweist. Die 3 dB-Strahlungsbreite des Hauptstrahls wird durch Kreuzen von 2 Skizzen festgelegt, das am Punkt 314 entsprechend einem Winkel von ungefähr 35º auftritt oder am Punkt 316 entsprechend einem θ-Winkel von ungefähr 325º. Die Strahlungsbreite ist die Differenz, die ungefähr 70º beträgt. Die Ansprechskizze 310 von Fig. 3a besitzt außerdem eine einzelne Rückstrahlungskeule, die sich nach rechts in der Richtung φ = 180º zu einer Maximalamplitude von ungefähr -13 dB erstreckt. Fig. 3b zeigt eine entsprechende mit durchgezogener Linie gezeigte "vertikale" Antwortskizze 320, welche die Amplitudenantwort der Reihe bei der gleichen Frequenz von 2000 Hz zeigt, bei welcher der Abstand zwischen Reihenelementen oder Wandlern λ/3 beträgt, jedoch in der Ebene φ = 0º des sphärischen Koordinatensystems. Der Zustand, unter dem die Skizze von Fig. 3b hergestellt ist, ist der gleiche wie der von Fig. 3a, wo der Strahl in der Richtung φ = 0º, θ = 90º gehalten wird. In Fig. 3b ist die Spitzenamplitude oder die Größe des Hauptstrahls, wie gezeigt ist, 0 dB. Die Lage des Spitzenwertes in den Skizzen hat keine Bedeutung. Die Strichliniendarstellung 322 zeigt einen akustischen Strahlungsleistungspegel von -3 dB in bezug auf die Spitzenleistung des Hauptstrahls. Wie im Fall von Fig. 3a kann die Strahlungsbreite durch Kreuzen der Skizzen festgelegt werden, wie mit 324 und 326 gezeigt ist. Die Strahlungsbreite von 3 dB der vertikalen Skizze 320 beträgt ungefähr 120º -60º oder 60º. Die Rückstrahlungskeule des vertikalen Strahlungsmusters von Fig. 3b ist in Richtung 270º gerichtet und eine Amplitude von ungefähr 13 dB unter dem Spitzenstrahlungspegel. Damit hat der Hauptstrahl ungefähr gleiche horizontale und vertikale Strahlungsbreiten von 70º und 60º bei 2000 Hz.
  • Fig. 3c und 3d zeigen durchgezogene horizontale bzw. vertikale Skizzen 330 und 340, die exakt den Skizzen 310 bzw. 320 von Fig. 3a und 3b entsprechen, mit der Ausnahme, daß die Betriebsfrequenz 3000 Hz im Gegensatz zu 2000 Hz beträgt, so daß die Trennung zwischen den Reihenelementen, gemessen in Wellenlängen, etwas größer ist als λ/3. In Fig. 3c und 3d ist der Pegel von -3 dB in bezug auf die Spitzengröße der Hauptkeule durch gestrichelte Skizzen 332 bzw. 342 dargestellt. Die Strahlungsbreiten werden wie im Fall von Fig. 3a und 3b eingerichtet, nämlich durch die Kreuzungspunkte der Skizzen. In Fig. 3c sind die Kreuzungspunkte mit 334 und 336 bezeichnet, und die horizontale Strahlungsbreite von -3 dB beträgt ungefähr 45º, und in Fig. 3d sind die Kreuzungspunkte mit 344 und 346 bezeichnet und die vertikale Strahlungsbreite beträgt ungefähr 38º. Bei 3000 Hz zeigt die Reihenantwort sowohl in der vertikalen als auch in der horizontalen Ebene zwei Seitenkeulen, und außerdem eine Rückkeule, die mehr als 15 dB darunterliegt (unter der Spitzenamplitude der Hauptkeule).
  • Fig. 3e und 3f zeigen Skizzen, die denjenigen von Fig. 3a und 3b entsprechen, jedoch bei 4000 Hz. In Fig. 3e zeigt die Antwortskizze 350 mit der durchgezogenen Linie vier Seitenkeulen und eine Rückkeule mit einem Spitzenwert bei 0 dB. Vom Kreuzungspunkt der Antwortskizze bei der Skizze 352 von -3 dB bei den Punkten 354 und 356 beträgt die horizontale Strahlungsbreite ungefähr 36º. Wenn man sich erinnert, daß die Reihe auf φ = 0º, θ = 90º angehalten wird, hat die Vertikalskizze 360 mit der durchgezogenen Linie eine Strahlungsbreite von ungefähr 27º, wie durch den Kreuzungspunkt der -3 dB-Strichlinienskizze 362 bei den Punkten 364 und 366 gezeigt ist.
  • Fig. 3g und 3h zeigen Skizzen, die denen von Fig. 3a und 3b entsprechen, jedoch bei 5000 Hz. In Fig. 3g zeigt die Antwortskizze 370 mit der durchgezogenen Linie sechs Seitenkeulen und eine Rückkeule, sie besitzt eine Hauptkeule mit einem Spitzenwert bei 0 dB. Vom Kreuzungspunkt der Antwortskizze mit der -3 dB-Skizze 372 beiden Punkten 374 und 376 beträgt die horizontale Strahlungsbreite ungefähr 28º. Die Vertikalskizze 380 mit der durchgezogenen Linie weist eine Strahlungsbreite von ungefähr 20º auf, wie durch die Kreuzungspunkte der Skizze 382 mit der durchgezogenen Linie bei -3 dB bei den Punkten 384 und 386 gezeigt ist.
  • Fig. 31 und 3j zeigen Skizzen, die denjenigen von Fig. 3a und 3b entsprechen, mit der Ausnahme, daß sie bei 7000 Hz gebildet sind. In Fig. 31 hat die Antwortskizze 390 mit der durchgezogenen Linie etwas unregelmäßige Seitenkeulen und eine Rückkeule, und sie besitzt eine Hauptkeule mit einem Spitzenwert bei 0 dB. Vom Kreuzungspunkt der Antwortskizze 390 mit der Skizze 392 bei -3 dB beträgt die horizontale Strahlungsbreite ungefähr 20º. Die Vertikalskizze 394 mit der durchgezogenen Linie hat eine Strahlungsbreite von ungefähr 16º. Die gezeigten Strahlungsbreiten von ungefähr 30º in jeder Ebene bei Frequenzen über der untersten. Frequenz entsprechen einem Frequenzanstieg von ungefähr 5 dB über einer Zwölfflächner-Reihe, wie im Kuhn-'166-Patent beschrieben wurde.
  • Andere Ausführungsformen der Erfindung sind dem Fachmann ersichtlich. Beispielsweise kann die reguläre geodätische Zweifrequenz-Zwanzigflächner-Reihe körperlich um eine oder mehrere Achsen gedreht werden, um Phasenverschiebungswinkel oder Verzögerungssignal-Einhaltungswinkel zu beseitigen, die dazu neigen, unerwünschte wechselseitige Impedanzen bei nominalen Einhaltewinkeln zu erzeugen. Die Reihen von Zwanzigflächnern oder Zwölfflächnern, die im oben erwähnten Kuhn-Patent beschrieben wurden, können innerhalb der regulären geodätischen Zweifrequenz-Zwanzigflächner-Reihe eingebettet sein. Als weitere Alternative kann die reguläre geodätische Zweifrequenz-Zwanzigflächner-Reihe wechselseitig mit anderen regulären geodätischen Zweifrequenz-Zwanzigflächner-Reihen, die unterschiedliche Reihenabmessungen haben, eingebettet sein, um die gesamte verfügbare Bandbreite zu steigern. In einer solchen Anordnung würde jede der eingebetteten Reihen ihren eigenen Empfänger und Übertrager haben, der für sein besonderes Betriebsband geeignet ist, oder alternativ dazu könnte jede eingebettete Reihe auf den einzigen Übertrager oder Empfänger umgeschaltet werden, in Abhängigkeit von der laufenden Betriebsfrequenz des Übertragers oder Empfängers. Natürlich müssen die Verzögerungen, die die Ansteuersignale der unterschiedlichen Reihen besitzen, eingestellt werden, um einen Strahl/Strahlen in der gewünschten Richtung/Richtungen bereitzustellen.

Claims (2)

1. Übertrageranordnung, welche umfaßt:
zweiundvierzig akustische Wandler (210(1), ..., 210(42)) zur Verwendung in einem Fluid-Medium bei ausgewählten Frequenzen, wobei jeder der Wandler maximale Querabmessungen von weniger als einer akustischen Wellenlänge im Medium bei den ausgewählten Frequenzen aufweist;
eine Aufreihungseinrichtung, um die akustischen Wandler an den Scheitelpunkten eines regulären geodätischen Zweifrequenz-Zwanzigflächners aufzureihen, wobei die Aufreihungseinrichtung außerdem umfaßt:
eine von einer Ansteuer- und Empfangseinrichtung (510 bzw. 524), die mit den Wandlern gekoppelt ist, um Wandleransteuersignale dafür zu erzeugen bzw. um umgewandelte Signale davon zu empfangen; und
eine Verzögerungssteuereinrichtung (514), die mit den akustischen Wandlern und mit einer der Ansteuer- und Empfangseinrichtung gekoppelt ist, um einen akustischen Strahl, der durch die Anordnung gebildet ist, zu steuern.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Verzögerungssteuereinrichtung (514) in Verbindung mit einer der Ansteuer- und Empfangseinrichtungen die Wandler bei Frequenzen steuert, die so ausgewählt sind, daß der Abstand zwischen Wandlern von zwei gegenseitig benachbarten Wandlern 2λ/3 nicht übersteigt und nicht kleiner ist als λ/3.
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