DE69720483T2 - Zweidimensionale wandleranordnung mit strahlformer - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wasserschallwandler mit planarer Anordnung, der gleichzeitig mehrfache Akustikstrahlgruppen mit enger Zerstreuung in zwei planaren Dimensionen senkrecht zu der Anordnungsfläche formt.
2. Beschreibung der verwandten Technologie
• Gegenwärtig werden Wandler, die gleichzeitig mehrfache, enge Akustikstrahlenbündel erzeugen, die von einer Ebene aus in zwei Achsen nach außen geneigt sind, in unterschiedlichen Arten von Schallrückstreusystemen verwendet, die Geschwindigkeit und/oder Abstand in zwei oder drei Dimensionen messen. Beispiele dafür sind u. a. Akustikdoppler-Geschwindigkeitsmessfühler (ADVS), die eine einfache Gruppe von vier Strahlen in einer "Janus"-Anordnung zur zwei- oder dreiachsigen Geschwindigkeitsmessung verwenden, Sonare, die den Abstand zu einem Messobjekt im Wasser messen (wie z. B. Vorwärtsabtastungssonare), und Bodenkartierungssonare.
• ADVS werden verbreitet zur Messung von Vertikalprofilen von Wasserströmungsmessungen und zur boden- und/oder wasserbezogenen Geschwindigkeitsmessung zur Schiffsnavigation verwendet. Sie messen dreiachsige Geschwindigkeiten durch Messen der Geschwindigkeit entlang Positionslinien, die durch enge Akustikstrahlenbündel definiert sind. Zum Messen der drei orthogonalen Geschwindigkeitskomponenten ist ein Minimum von drei in unterschiedlichen Richtungen ausgerichteten Strahlen erforderlich. Typischerweise werden vier enge (1-4º) konische Übertragungs-/Empfangsstrahlenbündel verwendet, die in zwei Achsen einer Ebenenfläche angeordnet und zur Normalen dieser Ebene geneigt sind. Auf diese auf dem Fachgebiet der Akustik hinlänglich bekannte Anordnung wird als Janus- Anordnung Bezug genommen; die zwei Gruppen von engen konischen Strahlenbündeln sind symmetrisch nach außen geneigt und an vier 90º-Umfangszuwächsen auf der Oberfläche eines größeren (typischerweise 60º) nach außen öffnenden Konus angeordnet. Die gegenwärtig verfügbare Wandlertechnologie, die zur Erstellung dieser vierstrahligen Anordnung verwendet wird, schließt Zusammenstellungen von Vierkolbenwandlern oder ein Paar Wandler für eindimensionale, in Phasen eingeteilte Anordnungen ein (d h. Anordnungen, bei denen Akustikstrahlen nur in einer Ebene geformt werden).
• Herkömmliche Vierkolbenwandler-Anordnungen bestehen aus vier unabhängigen kreisrunden, kolbenartigen Wandlern, die jeweils einen einzigen, eng zerstreuten, konischen Übertragungs-/Empfangsstrahl erzeugen, der senkrecht zur Kolbenfläche gerichtet ist. Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die vier Wandler körperlich in einer starren Anordnung positioniert, um die geforderte Janus-Strahlanordnung zu erreichen. Für herkömmliche Schmalband-ADVS- Anwendungen benötigt jeder dieser Wandler eine wirksame Übertragungs- und Empfangsbandbreite von ungefähr 2% der nominellen Schallträgerfrequenz. Typische Trägerfrequenzen reichen von 100 kHz bis 5 MHz. Jeder Kolbenwandler ist typischerweise entweder aus einer einzigen massiven Scheibe aus keramischem Material oder aus einer flachen Anordnung kleiner Keramikelemente hergestellt. Moderne Breitband-ADVS arbeiten mit Teilbandbreiten in der Größenordnung von 50%. Sie sind ebenfalls aus massiven Keramikscheiben oder flachen Anordnungen gefertigt, weisen aber eine oder mehr zusätzliche Impedanzanpassungsschichten auf, die auf die Fläche geklebt sind, um die geforderte Bandbreite zu erreichen. Ein derartiges System ist im US-Patent Nr. 5,343,443, "Broadband Acoustic Transducer" [Breitband-Akustikwandler] offenbart. Der Hauptvorteil dieses Vierkolbenverfahrens liegt in der Einfachheit von Aufbau und Betrieb des Wandlers. Jeder Kolbenwandler wird durch ein gesondertes Signal angesteuert, und es ist keine Strahlformer-Schaltungsanordnung erforderlich.
• Einzelstrahlwandler wie die vorher beschriebenen können auch Strahlformungsanordnungen sein. Bei diesen Anordnungen sind i. a. alle Wandlerelemente elektrisch parallelgeschaltet. Die Strahlwinkelausrichtung wird hauptsächlich aufgrund der richtigen Positionierung des Kolbens erreicht. Nachteile in Verbindung mit solchen Anordnungen sind u. a.:
• 1) das Erfordernis einer großen, schweren mechanischen Struktur zum Abstützen der Wandler;
• 2) die Gestaltung der Fläche, sei sie konkav oder konvex, eignet sich nicht für eine glatte hydrodynamische Form, wenn nicht ein dickes, schalldurchlässiges Material mit einer flachen Fläche am Stirnabschnitt der Anordnung angebracht wird;
• 3) zum Formen der Strahlen ist eine große Öffnung erforderlich; und
• 4) für eine fehlerfreie Messung der Geschwindigkeit ist es erforderlich, die Schallgeschwindigkeit an der Wandlerfläche zu kennen.
• Eine verbesserte körperliche Wandleranordnung zur Erzeugung der vier Janus- Anordnungsstrahlen in zwei Achsen für ADVS-Anwendungen ist die Verwendung eines Paars eindimensionaler, in Phasen eingeteilter Wandleranordnungen. Wie in Fig. 2 gezeigt, erzeugt eine einzige eindimensionale planare Anordnung zwei konische Strahlen, die bezüglich der Lotrechten zur Längsachse der Anordnung geneigt sind (siehe US-Patent Nr 4,641,291, "Phased Array Doppler Sonar Transducer" [In Phasen eingeteilte Doppler- Wasserschallwandler-Anordnung]). Zur Erzeugung der vier ADVS-Strahlen werden zwei benachbart positionierte Anordnungen verwendet, wobei eine in der vorher erwähnten lotrechten Richtung um 90º zu der anderen gedreht ist. Da jede eindimensionale Anordnung zur Erzeugung von zwei Strahlen von einer einzigen Öffnung Gebrauch macht, die nur etwas größer ist als ein Einzelstrahlkolben, wird ein Faktor von ungefähr Zwei bei der Verbesserung des Öffnungsraumwirkungsgrads bezüglich der Mehrfach-Kolben-Lösung verwirklicht.
• Eindimensionale in Phasen eingeteilte Anordnungen sind typischerweise mit parallelen Leitungsanordnungen ausgeführt, die um eine halbe Wellenlänge der Trägerfrequenz getrennt sind. Jede Leitungsanordnung kann unter Verwendung einer Anzahl von kleinen viereckigen oder kreisförmigen Keramikelementen ausgeführt sein, die beidseitig parallel verdrahtet sind, oder aus einem singulären, langgestreckten Rechteckelement gebildet sein. Wechselleitungsanordnungen sind zur Bereitstellung der notwendigen Strahlformungsfunktionen elektrisch parallel miteinander verdrahtet. Bei einer derartigen Verdrahtungsanordnung wird jede vierte Leitungsanordnung elektrisch parallel verbunden. Es werden sowohl kreisförmige als auch rechteckige Anordnungsgeometrien verwendet. Um eine Strahlzerstreuung von 4º zu erzeugen, wie sie für einen typischen ADVS gefordert ist, ist eine Öffnung mit einem Durchmesser von ca. 16 Wellenlängen (32 Elemente unterteilt in halbe Wellenlängen) erforderlich. Bei typischen ADVS-Betriebsfrequenzen im Bereich von 100 kHz bis 5 MHz (handelsübliche Einzelleitungselemente arbeiten normalerweise in diesem Bereich), wird einer Anordnung von 32 parallelen langen Elementen aufgrund der Kostenvorteile bei der Serienmontage der Vorzug vor einer zerteilten 32 · 32-Anordnung gegeben (d. h. eine, die aus einem einzigen massiven Element herausgeschnitten oder zerteilt ist).
• Wenn die Anordnung im "Empfangs"-Modus arbeitet (d. h. eingehende Signale empfängt), wird ein einfacher Phasenverschiebungs-Strahlformer zur Phasenverschiebung der durch die zwei Anordnungen empfangenen Signale um ±90º verwendet (unter Annahme der vorher beschriebenen Anordnung), um die durch Schallausbreitung über die halbe Wellenlängen- Weglänge in dem Medium zwischen Wechselleitungsanordnungen erzeugte Zeitverzögerung auszugleichen. Eine Phasenverschiebung ist eine Annäherung an die Zeitverzögerung, die nur für enge Teil-Bandbreitensignale gültig ist. Bei Schmalbandsignalen formt der Summierungsprozess zwei Empfangsstrahlen, die zu der flachen Oberfläche der Anordnungsebene geneigt sind. Beim Betrieb im "Übertragungs"-Modus werden die zwei Anordnungen durch Schmalbandsignale mit entsprechenden relativen Phasenverschiebungen angesteuert, um die vier (zwei pro Anordnung) gleichzeitig übertragenen Strahlen zu formen.
• Wenn diese in Phasen eingeteilten Anordnungen durch Breitbandsignale angesteuert werden, werden die unterschiedlichen Frequenzen, die in den Signalen enthalten sind, von den Wandlern in unterschiedliche Winkelrichtungen zerstreut, wodurch die Strahlen wirksam verbreitert werden. Die in Phasen eingeteilte Anordnungstechnik formt nur enge Strahlen wenn die Signalbandbreiten weniger als ca. 3% betragen. Dies ist für Schmalband-ADVS- Anwendungen angemessen, bleibt aber hinter der modernen Breitband-ADVS-Systemen zugeordneten Bandbreite um einen Faktor von grob zwischen 8 und 16 zurück (siehe z. B. US-Patent Nr. 5,483,499, "Broadband Acoustic Doppler Current Profiler" [Breitband-Akustik- Doppler-Strömungsnachformer]).
• Eine Verbesserung der Bandbreiten-/Zerstreuungsieistung kann für das Paar der vorher beschriebenen eindimensionalen, in Phasen eingeteilten Wandleranordnungen dadurch erhalten werden, dass das einfache 90º-Phasenverschiebungs-Strahlformer-Netzwerk (sowohl im Übertragungs- als auch Empfangsmodus) durch eine komplexere Laufzeitkette ersetzt wird. Die Nutzung der Zeitverzögerung entkoppelt die Frequenz vom relativen Einfallswinkel der empfangenen/übertragenen Welle und verkleinert dadurch den Strahlverbreiterungswinkel in Anwendungen mit großer Bandbreite. Mit diesem Verfahren der Zeitverzögerungsanordnung wird jedes einzelne Leitungsanordnungssignal zeitverzögert und zusammengezählt, um ein Summensignal zu formen, das unabhängig vom Einfallswinkel ist. Der mit dieser Verfahrenstechnik verbundene Hauptnachteil ist der komplexere Übertragungs- und Empfangsstrahlformer.
• Ein erhöhter Leistungsvorteil der Lösung mit der in Phasen eingeteilten und zeitverzögerten Anordnung besteht darin, dass bei der ADVS-Anwendung die Geschwindigkeitskomponenten parallel zur Anordnungsfläche Änderungen der Schallgeschwindigkeit durch das Medium eigenständig selbst korrigieren. Wenn sich die Schallgeschwindigkeit verändert, verändern sich die differenzierten Weglängen und die verschiedenen Wandleranordnungen zugeordneten entsprechenden Zeitverzögerungen entsprechend. Die Selbstkorrektur ergibt sich aus der Tatsache, dass der Strahlwinkel sich mit der Schallgeschwindigkeit derart verändert, dass er Fehler bei der Berechnung der Geschwindigkeitskomponente parallel zur Wandlerfläche (gewöhnlich horizontal) umgehend ausgleicht. Dies minimiert die Notwendigkeit der Schallgeschwindigkeitsmessung an der Wandlerfläche bei der Präzisionsnavigation, beseitigt sie aber nicht vollständig.
• Infolgedessen liefern eindimensionale, in Phasen eingeteilte Anordnungen bezüglich Vierkolbenanlagen einen verbesserten Raumwirkungsgrad für feste Strahlkennlinien, weisen eine flache Seite für eine bessere hydrodynamische Leistung auf und haben eine verbesserte Geschwindigkeitsauflösung in Medien mit schwankenden Schallausbreitungsgeschwindigkeiten, unterstützen aber den Breitband-ADVS-Betrieb nicht ausreichend Eindimensionale Zeitverzögerungsanordnungen haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie den Breitband-ADVS-Betrieb ebensogut unterstützen.
• Eindimensionale in Phasen eingeteilte und Zeitverzögerungs-Anordnungstechniken werden i. a. auch bei Untergrundabbildungs- und Vorwärtsabtastungsanwendungen verwendet, um mehr als zwei Strahlen in einer einzigen Ebene der Anordnungsfläche zu formen. Bei diesen Anwendungsformen sind die Mehrfachphasen- und/oder Zeitverzögerungs-Strahlformer an eine einzige eindimensionale Anordnung gekoppelt, und jeder Strahlformer hat eine andere Phasen-/Zeitverzögerung, um gleichzeitig Mehrfachstrahlen mit unterschiedlichen Neigungswinkeln bezüglich der Anordnungsfläche, aber alle innerhalb einer einzigen planaren Ausrichtung lotrecht zu der Anordnungsfläche zu formen. Falls eine Messung in einer zweiten planaren Ausrichtung gefordert ist, werden zwei benachbarte eindimensionale Phasen- oder Zeitverzögerungsanordnungen verwendet, wobei eine körperlich um 90º von der anderen weggedreht ist, wie vorher beschrieben.
• Bei jeder der oben erwähnten Verfahrenstechniken zum Formen von in zwei Ebenen lotrecht zur Anordnungsflächenebene geneigten Mehrfach-Akustikstrahlen ist eine Öffnung notwendig, die wenigstens doppelt so groß ist wie diejenige, die zum Formen eines beliebigen einzigen engen Strahlenbündels erforderlich ist. Es ist möglich, zwei oder mehr konische Strahlen in zwei Ebenen lotrecht zur Anordnungsfläche zu formen, wenn jedem Element der Anordnung das richtige Signal zur Verfügung gestellt werden kann. Die Formierung von vier Strahlen in zwei lotrechten Ebenen von einer einzigen planaren Anordnung aus ist in Fig. 3 veranschaulicht. Es ist auf diesem Fachgebiet hinlänglich bekannt, dass solche planaren Anordnungen Strahlen formen können, die um beliebige Winkel bezüglich der Anordnungsfläche zentriert sind, falls entsprechende Phasenverschiebungen zwischen einzelnen Wandlerelementen eingeleitet werden; diese Gestaltung war viele Jahre lang in Radarantennenanordnungen und in geringerem Ausmaß in Wasserschallwandler-Anordnungen in Gebrauch. Es ist ebenfalls gut verständlich, dass die Strahlformung bei breiten Bandbreitenanwendungen Echtzeitverzögerungen zwischen den Elementen erfordert, um die Zeitverzögerungen auszugleichen, die durch die Ausbreitung über unterschiedliche Weglängen in dem mit unterschiedlichen Elementen verbundenen Medium erzeugt werden.
• Eine wesentliche Reduktion von Größe, Gewicht und Kosten der ADVS-Wandleranordnung könnte erreicht werden, wenn vier in zwei Ebenen lotrecht zur Anordnungsfläche ausgerichtete geneigte Strahlen unter Verwendung der voll verfügbaren Öffnung von einer einzigen planaren Anordnung von Wandlerelementen geformt werden könnten, um alle Strahlen zu formen, wie in Fig. 3 gezeigt. Um dies zu erreichen, ist eine 32 · 32-Anordnung von ca. 800 Elementen erforderlich, wobei die Elemente der Anordnung in beiden Ebenenflächenabmessungen, d. h. in Bezug auf das X/Y-Koordinatensystem gemäß Fig. 2, akkurat mit Zuwächsen von 1/2 Wellenlänge ausgerichtet sind. Die Zusammenstellung dieser Präzisionsanordnung aus 800 Einzelelementen ist relativ komplex. Ferner ist bei dieser großen Anzahl von Elementen eine komplexe Phasen- und/oder Zeitverzögerungsschaltung erforderlich, um die Strahlformung in zwei Dimensionen zu unterstützen. Bei Verwendung der vorhandenen Anordnungstechnologie wäre i. a. für jedes einzelne Element der Anordnung ein gesonderter Leistungsverstärker und eine gesonderte Phasen- und/oder Zeitverzögerungsschaltung erforderlich. Diese komplizierte Charakteristik von Anordnungsherstellung und Strahlformer macht die Verwendung einer zweidimensionalen planaren Anordnung für fast alle Anwendungsformen zu einer wirtschaftlich unpraktischen Lösung.
• Demzufolge wäre es hocherwünscht, eine verbesserte planare Anordnung bereitzustellen, die Strahlgruppen mit enger Zerstreuung in zwei Dimensionen bezüglich der Anordnungsfläche innerhalb einer im wesentlichen reduzierten Öffnung erzeugen könnte und die von einer vereinfachten Phasen- und/oder Zeitverzögerungs-Strahlformer- Schaltungsanordnung Gebrauch machen würde, um die große Anzahl von einzelnen Wandlerelementen zu unterstützen, die solchen Anordnungen innewohnen. Des Weiteren wäre es hocherwünscht, ein effizientes und kostenwirksames Verfahren zur Herstellung der vorher erwähnten Anordnung bereitzustellen, um deren Herstellung und Einsatz wirtschaftlich brauchbar zu machen.
• Die US-Patente Nr. 4,159,462 und 4,736,463 und die Anmeldung EP-A-0 446 610 offenbaren jeweils die Verwendung von unabhängig in X- und Y-Richtung gesteuerten Simultanstrahlen.
Wesen der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung, die durch die Ansprüche 1, 10 und 19 definiert ist, erfüllt die vorher erwähnten Bedürfnisse, indem sie ein verbessertes System und Verfahren zur Formung einer bezüglich einer Wandleranordnungsfläche geneigten multiplanaren Schmalband- oder Breitband-Strahlgruppe mit reduzierter Öffnungsfläche bereitstellt. Ferner wird ein kostenwirksames und vereinfachtes Verfahren zur Herstellung der Wandleranordnung offenbart.
• Nach einem ersten Aspekt der Erfindung verwendet jede von der einzigen zweiachsigen planaren Anordnung der Wandlerelemente geformte zweiachsige Strahlgruppe zum Formen jedes der Strahlen alle Elemente in der Anordnung und die vollverfügbare Öffnung. Vom Gesichtspunkt des Öffnungsraum-Wirkungsgrads her ist dies ein optimaler Annäherungsweg, um multiple enge, zweiachsige Strahlen zu formen, weil jedes Strahlenbündel so eng gestaltet werden kann, wie die verfügbare Öffnungsfläche es erlaubt. Die Gesamtöffnungsfläche wird dann für eine gegebene Strahlbreite jedes der multiplen zweiachsigen Strahlen minimiert. Bezüglich der vorher beschriebenen Vierkolbenlösung ist der Öffnungsdurchmesser um einen Faktor von 2,5 reduziert (ein Faktor von 6 für die Fläche), die Wandlerfläche ist im wesentlichen hydrodynamischer (und reduziert dadurch Strömungswiderstand, Rauschen und potentielle Ungenauigkeiten, die sich aus dem Zusammenströmen von Luft nahe der Öffnung ergeben), und das Wandleranordnungsvolumen ist um einen Faktor von ungefähr 10 reduziert. Bezüglich der vorher beschriebenen Lösung mit der dualen eindimensionalen Anordnung ist die Öffnungsfläche um einen Faktor von Zwei reduziert.
• Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung verwendet die hierin offenbarte multiplanare (zweiachsige) Anordnung eine erheblich reduzierte Anzahl von Phasen- oder Zeitverzögerungs-Strahlformerschaltungen bezüglich der Anzahl von Elementen in der Anordnung. Die Fähigkeit, von einer einzigen planaren Anordnung aus multiple enge Strahlen in zwei Achsen zu erzeugen, wird durch ein Verfahren der unabhängigen elektrischen Verbindung mit den zwei Seiten der Anordnung erreicht, was eine unabhängige und gleichzeitige Formierung von multiplen geneigten Übertragungs- und Empfangsstrahlen in zwei Dimensionen der Anordnungsebene gestattet. Dies wird bewerkstelligt durch das elektrische Zusammenschließen der Reihen auf der Hinterseite und der Spalten auf der Vorderseite der Anordnung, wobei die parallelen Gruppen der Hinter- und Vorderseite zu Strahlformer-Netzwerken verbunden werden, die sowohl im Übertragungs- als auch im Empfangsbetriebsmodus eine niedrige elektrische Impedanz aufweisen (bezüglich der Impedanz der Reihen und Spalten), und Verarbeiten der Übertragungs-/Empfangssignale zu/von den zwei Anordnungsseiten, um gleichzeitig und unabhängig multiple geneigte Übertragungs-/Empfangsstrahlen in zwei Dimensionen der Anordnungsebene zu formen. Die zwei Richtungen sind normalerweise, aber nicht notwendigerweise orthogonal zueinander.
• Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein kostenwirksames Verfahren zur Herstellung der planaren Anordnung von ungefähr 800 akkurat ausgerichteten Elementen offenbart Während, wie vorher beschrieben, eindimensionale Mehrstrahlanordnungen des Standes der Technik aus einer Anordnung in der Größenordnung von 32 langen, rechteckigen Wandlerelementen von ca. ¹/&sub2; Wellenlänge Breite hergestellt werden können, verlangt die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verwendung von Anordnungselementen mit Dimensionen von ungefähr ¹/&sub2; Wellenlänge der Trägerfrequenz in beiden Flächenabmessungen. Um darüber hinaus die notwendige Bandbreite für Breitbandanwendungen zu erreichen, muss jedes Element aus mehreren Schichten unterschiedlicher Werkstoffe aufgebaut sein, die zusammengeklebt werden müssen. Demzufolge muss eine Anordnung von ungefähr 800 Mehrschichtelementen (32 · 32) auf kostenwirksame Art und Weise akkurat zusammengesetzt werden, um die vorher erwähnte Ausführung wirtschaftlich durchführbar zu machen. Um dies zu bewerkstelligen, wird ein verbessertes Verfahren zur Herstellung dieser komplexen Anordnung offenbart, wobei mehrere zylindrische Scheiben (jeweils mit einem Durchmesser gleich dem der endgültigen Anordnung) aufeinanderfolgend zusammengeklebt und mit einer Diamant-Parallelblattsäge in verschiedenen Stadien der Bearbeitung teilweise in Scheiben geschnitten werden, so dass die in Scheiben geschnittenen Elemente in allen Fabrikationsstadien durch eine massive Schicht fest zusammengehalten werden. Nach Fertigstellung ist die Anordnung innen mit der geforderten Präzision in die gewünschte Form zerteilt und durch die Kombination einer mechanisch steifen und schalldurchlässigen Vorderseite und einer massiven Trägerscheibe in Form gehalten.
• Die vorher erwähnte vereinfachte Gestaltungs- und Fabrikationstechnik machen die Herstellung kostenwirksamer Handelsprodukte mit den Form- und Leistungsvorteilen der zweidimensionalen flachen Anordnung wirtschaftlich brauchbar. Die vorliegende Erfindung stellt eine deutlich verbesserte Leistung für typische ADVS-Anwendungen bereit (d. h. einen 150 kHz-Vierstrahlwandler mit 4º Einweg-Strahlbreiten). Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angehängten Ansprüchen in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen umfassender deutlich werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1 ist eine Draufsicht einer Vierkolben-Wandleranordnung in Janus-Anordnung des Standes der Technik.
• Fig. 2 ist eine Perspektivansicht einer eindimensionalen, in Phasen eingeteilten Akustikanordnung des Standes der Technik und stellt die Formierung von zwei engen Akustikstrahlenbündeln dar.
• Fig. 3 ist eine Perspektivansicht, die eine typische Anordnung von vier Akustikstrahlen darstellt, die bezüglich der Anordnungssenkrechten (d. h. Z-Achse) geneigt und in zwei Ebenen lotrecht zur Anordnungsflächenebene (d. h. X/Y-Ebene) positioniert sind.
• Fig. 4 ist ein Funktionsblockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der zweidimensionalen Wandleranordnung und schließt das Verfahren zur Verbindung der elektrischen Elemente der Anordnung untereinander sowie das Verfahren zur Anordnung/Strahlformer-Verbindung mit den Übertragungs- und Empfangsstrahlformern ein.
• Fig. 5 ist ein Funktionsblockdiagramm, das den Betrieb einer vereinfachten zweidimensionalen, in Phasen eingeteilten Wandleranordnung mit 16 Elementen darstellt, die im Empfangsmodus arbeitet.
• Fig. 6 ist ein Funktionsblockdiagramm, das den Betrieb einer vereinfachten zweidimensionalen, in Phasen eingeteilten Wandleranordnung mit 16 Elementen darstellt, die im Übertragungsmodus arbeitet.
• Fig. 7 ist ein Funktionsblockdiagramm, das den Betrieb eines vereinfachten zweidimensionalen Zeitverzögerungswandlers mit 16 Elementen darstellt, der im Empfangsmodus arbeitet.
• Fig. 8 ist ein Funktionsblockdiagramm, das den Betrieb eines vereinfachten zweidimensionalen Zeitverzögerungswandlers mit 16 Elementen darstellt, der im Übertragungsmodus arbeitet.
• Fig. 9 ist eine Perspektivansicht, die die Formierung von Mehrfachstrahlen in zwei Ebenen lotrecht zur Fläche einer Anordnung unter Verwendung der Zeitverzögerungstechnik darstellt.
• Fig. 10 ist eine Draufsicht einer bevorzugten kreisförmigen 150 kHz-Wandleranordnung mit 800 einzelnen quadratischen piezo-elektrischen Keramikelementen, die mit einem Mittenabstand von 5 mm eng beabstandet sind.
• Fig. 11 ist eine Perspektivansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Wandleranordnung mit vergrößerter Dickenabmessung zur Darstellung von deren Schichtenaufbau.
• Fig. 12 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Zeitverzögerungs- Empfangsstrahlformers.
• Fig. 13 ist ein schematisches Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeten Zeitverzögerungs- Übertragungsstrahlformers.
• Fig. 14 ist ein Diagramm der Signalamplitude in Abhängigkeit vom Strahlwinkel (gemessen von der Z-Achse, senkrecht zur Anordnungsfläche) für eine in Phasen eingeteilte, nominell 32 · 32. 150 kHz-Wandleranordnung, wie in der X/Z- oder Y/Z-Ebene zu sehen, und stellt die Formierung eines akustischen Einstrahlbündels dar.
• Fig. 15 ist ein Verlaufsdiagramm, das den bevorzugten Herstellungsprozess zur Fertigung der bevorzugten Wandleranordnung der vorliegenden Erfindung darstellt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
• Es wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, wobei gleiche Zahlen sich überall auf gleiche Teile beziehen. Die Erörterung in diesem Abschnitt ist mittels folgender Überschriften gegliedert: Funktionsbeschreibung, Hardware-Beschreibung und Fabrikationsbeschreibung.
1. Funktionsbeschreibung:
• Ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform der zweidimensionalen Wandleranordnung ist in Fig. 4 gezeigt. Es ist ein typischer planarer Aufbau einer akustischen Wandleranordnung 100 veranschaulicht. Einzelne Anordnungselemente 102 sind entlang stirnseitigen Spalten 104 und rückseitigen Reihen 106 elektrisch miteinander verbunden. Die Anordnungselemente 102 sind durch zweiachsige Übertragungs-/Empfangs- (T/R)-Schalter 118 mit dem zugeordneten Strahlformer 108, 110 verbunden. Der Übertragungsstrahlformer 108 und der Empfangsstrahlformer 110 können entweder Phasen- oder Zeitverzögerungs-Strahlformernetzwerke sein. Das für die Zwecke dieser Beschreibung verwendete Koordinatensystem ist, wie mit den in der X-Achse ausgerichteten Reihen 106, Spalten 104 in der Y-Achse und der Z-Achse senkrecht zur Flächenebene 116 gezeigt.
• Die Anordnungsfläche 116 ist kreisförmig, aber andere Formfaktoren, wie z. B. Ellipsen oder Vielecke, die in den zwei Flächenabmessungen allgemein symmetrisch sind, sind ebenfalls zum Formen von engen, geneigten Strahlen von allgemein konischer Form geeignet. Die Anordnung setzt sich aus einer großen Anzahl von kleinen Elementen 102 zusammen, die symmetrische Flächen aufweisen, typischerweise mit viereckiger, kreisförmiger oder rechteckiger Form (d. h. deren Gesichtsquerschnitt). Die Flächenbreite jedes Elementes beträgt ungefähr 0,5 λ, wobei λ die Schallwellenlänge in Wasser der gewünschten Mittenfrequenz ist. Zum Formen von Strahlen mit 4º Strahlbreite ist ein Anordnungsdurchmesser von ungefähr 16 λ erforderlich, der aus einer 32 · 32-Elementanordnung von ungefähr 800 Elementen besteht. Die rückseitigen Reihen 106 (X-Richtung) und stirnseitigen Spalten 104 (Y-Richtung) der Anordnungselemente sind entlang parallelen Elementleitungen mit dünnem, schalldurchlässigem Material elektrisch verbunden, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Reihen und Spalten sind normalerweise, aber nicht notwendigerweise, orthogonal zueinander.
• Jede der Reihen 106 der X-Achse und der Spalten 104 der Y-Achse der Anordnung ist mit einem T/R-Schalter 118 verbunden, der die Gruppen von X- und Y-Leitungen mittels Steuerung durch ein T/R-Logiksignal 120 im Empfangsmodus elektrisch mit den jeweiligen X- und Y-Empfangsstrahlformern 110 und im Übertragungsmodus mit den X- und Y- Übertragungsstrahlformern 108 verbindet. Im Übertragungsmodus sind die Anordnungsleitungen durch den T/R-Schalter 118 an die Übertragungsstrahlformer 108 angeschlossen, die die elektrischen Übertragungstreibersignale von einer Niedrigimpedanz-Stromquelle (bezüglich der elektrischen Impedanz der Wandlerelementeleitung) bereitstellen. Im Empfangsmodus sind die Anordnungsleitungen durch den TIR-Schalter mit Empfangsstrahlformern 110 verbunden, die die elektrischen Signale von den Wandlerleitungen aufnehmen und gleichzeitig einen Weg mit niedriger elektrischer Impedanz (bezüglich der elektrischen Impedanz der Wandlerelementeleitung) zum Signalgrund auf jeder X- und Y-Leitung bereitstellen.
• Diese niedrige Stromquellen-/Lastimpedanz auf jeder X- und Y-Leitung (niedrige Quellenimpedanz während der Übertragung und niedrige Lastimpedanz während des Empfangs) erlaubt einen gleichzeitigen und unabhängigen Zugriff auf jede X-Reihe 106 und Y-Spalte 104 zum Anlegen der Übertragung elektrischer Treibersignale und den Empfang von Signalen von jeder X-Reihe und Y-Spalte. Des Weiteren können parallele Gruppen von X- und Y-Achsen-Leitungsanordnungen gleichzeitig und unabhängig geformt werden. Übertragungs- und Empfangsleitungsanordnungen der X-Achse werden durch die parallele elektrische Verbindung entlang den rückseitigen Reihen 106 und das Vorhandensein des Niedrigimpedanz-Signalgrunds auf allen stirnseitigen Spalten 104 der Y-Achse geformt.
• Während des Übertragungsmodus werden von einem Übertragungsverstärker, der eine niedrige Ausgangsimpedanz bezüglich des Signalgrundes aufweist, über den T/R-Schalter Übertragungstreibersignale zu den rückseitigen parallelen elektrischen Verbindungsleitungen der X-Achse angelegt. Während die X-Achsen-Treibersignale an einzelne X-Achsen- Leitungsanordnungen angelegt werden, wird die parallele Leitungsanordnungsfläche der gesamten Y-Achse 32 als Niedrigimpedanzweg zum Signalgrund aufrechterhalten (über den Signalweg durch den Y-Achsen-T/R-Schalter 118a zu den Niedrigimpedanz-Y-Achsen- Treibern des Y-Strahlformers 108a), um sicherzustellen, dass das X-Achsen-Treibersignal einzig und allein über die X-Achsen-Reihen angelegt wird und nicht an die Y-Achsenseite der Anordnung anschließt. Auf ähnliche Weise wird die gesamte X-Achsen-Anordnungsfläche als Niedrigimpedanzweg zum Signalgrund aufrechterhalten, während die Y-Achsen- Treibersignale an Y-Achsen-Leitungsanordnungen angelegt werden, um ein unabhängiges Anlegen der Signale an die Y-Achse ohne Kopplung an die X-Achse zu erlauben. Demzufolge gestattet die den Übertragungsstrahlformerquellen zugeordnete niedrige Impedanz das gleichzeitige und unabhängige Formen der X- und Y-Achsen- Leitungsübertragungsanordnung durch Überlagerung der beiden X- und Y-Achsen- Übertragungstreibersignale.
• Während des Empfangsmodus stellt das auf jeder X-Achsen-Reihe 106 vorhandene elektrische Signal (mit dem stirnseitigen Niedrigimpedanzweg zum Signalgrund) die Summe der empfangenen elektrischen Signale aller Elemente in jeder Reihe dar. Die meisten herkömmlichen Wasserschallempfänger-Verstärker liefern eine hohe Impedanzlast an den Empfangswandler. Für die zweidimensionale Anordnungsanwendung der vorliegenden Erfindung wurde jedoch ein Verstärker zur Verwendung im Empfangsstrahlformer entwickelt, der eine niedrige Impedanzlast während des Empfangs bereitstellt. Dies wird dadurch bewerkstelligt, dass jede der X- und Y-Achsenleitungen mit einem virtuellen Grundknoten (einem Punkt mit demselben Spannungspegel wie Grund, aber nicht direkt mit Grund verbunden) auf dem Empfangsvorverstärker in den Empfangsstrahlformern verbunden wird. Der in jeden virtuellen Grundknoten hineinfließende Signalstrom ist die Summe der Signalströme von allen Keramikelementen in der Spalte oder Reihe. Wenn Signale von einer Spalte empfangen werden, ist das Spaltensignal infolge der durch den virtuellen Grund auf allen Reihen vorgelegten Niedrigimpedanzlast unabhängig von den gleichzeitig empfangenen Reihensignalen. Auf ähnliche Weise ist beim Empfang von Signalen von der Reihe dieses Reihensignal wegen der durch den virtuellen Grund auf allen Spalten vorgelegten Niedrigimpedanzlast unabhängig von den gleichzeitig empfangenen Spaltensignalen.
• Dieser unabhängige und gleichzeitige elektrische Zugriff auf die X-Reihe und die Y-Spalte sowohl während des Übertragungs- als auch des Empfangsmodus über die X- und Y- Signalleitungen erlaubt die Verwendung der Anordnung als zweidimensionale Anordnung, um sowohl in der X/Z- als auch der Y/Z-Ebene gleichzeitig und unabhängig eine multiple geneigte Akustikstrahlmenge zu formen. Der Strahlformungsvorgang in jeder Ebene ist derselbe wie bei herkömmlichen eindimensionalen in Phasen eingeteilten und/oder Zeitverzögerungsanordnungen. Somit ist der zweidimensionale Strahlformungsvorgang i. a. das Äquivalent zweier überlagerter eindimensionaler Anordnungen, wobei eine Anordnung um 90º gedreht ist.
• Wahrend des Übertragungsmodusbetriebs formen an die X-Reihen angelegte Phasen- oder zeitverzögerte Signale geneigte Schallübertragungsstrahlen in Y-Richtung (Y/Z-Ebene). Gleichzeitig und unabhängig werden Phasen- oder zeitverzögerte Signale an die Y-Spalten angelegt, um geneigte Schallübertragungsstrahlen in X-Richtung (X/Z-Ebene) zu erzeugen. Während des Empfangsmodusbetriebs werden an den X-Reihen empfangene elektrische Signale phasen- oder zeitverzögert und zur Erzeugung geneigter Empfangsakustikstrahlen in Y-Richtung im X-Reihen-Empfängerstrahlformer kombiniert. Gleichzeitig und unabhängig erzeugen an den Y-Spalten empfangene und im Y-seitigen Strahlformer kombinierte Signale geneigte Empfangsakustikstrahlen in X-Richtung. Somit wird durch Überlagerung der elektrischen und akustischen Signale der X- und Y-Achse sowohl im Übertragungs- als auch im Empfangsmodus aus einer einzigen planaren Anordnung eine zweidimensionale Akustikstrahlformierung erreicht.
• Zum Verständnis der Grundprinzipien des Vorgangs, wie diese zweidimensionalen Übertragungs- und Empfangsakustikstrahlen geformt werden, wird der Betrieb einer Anordnungsteilmenge von 16 Elementen der zweidimensionalen 32 · 32-Element- Wandleranordnung betrachtet. Hierin wird sowohl der Betrieb mit Phasen-(Schmalband)- als auch Zeitverzögerungs-(Schmalband oder Breitband)-Strahlformern beschrieben.
Betrieb mit in Phasen eingeteilter Anordnung
• Die Arbeitsweise einer Teilmenge von 16 Elementen (4 · 4) der vorher beschriebenen zweidimensionalen Anordnung mit einem Phasenverschiebungs-Strahlformer ist in Fig. 5 und 6 dargestellt. Während des Empfangs eines akustischen Signals mit langem Tonimpuls mit einer einzigen Frequenz (Schmalband) f mit der Wellenlänge λ = c/f, wobei c die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in den Fluidmedien ist, legen ankommende Schallstrahl- Wellenfronten 200, die sich in einem Winkel θ 202 zur Z-Achse in -X-Richtung fortbewegen (wobei Z senkrecht zur Anordnungsebene oder senkrecht zur Ebene der Figur ist), unterschiedliche Entfernungen zu jeder der (Vorderseiten)-Spaltenleitungsanordnungen 204 der Y-Achse zurück und treffen folglich zu unterschiedlichen Zeiten und i. a. mit unterschiedlichen Phasen auf jeder der Leitungsanordnungen auf. Wie in Fig. 5 dargestellt, sind die Weglängenunterschiede zwischen benachbarten Leitungsanordnungen (α) 206 auf den Mittentrennungsabstand (d) der Elemente bezogen durch:
• α = dsinθ.
• Die Ankunftszeitdifferenz (τ) der Wellenfronten zwischen benachbarten Leitungsanordnungen ist:
• τ = α/c = (d/c)sinθ
• Wenn die Elemente mit Distanzen entsprechend einer halben Wellenlänge des ankommenden Schmalbandsignals beabstandet sind (d = λ/2), wird die auf die Ankunftssignal-Wellenlängen bezogen ausgedrückte Weglängendifferenz ausgedrückt durch:
• α = (λ/2)sinθ.
• Bei einem Einfallswinkel von 30º ist.
• α = (λ/2)sin30 = λ/4.
• Dies entspricht einer Zwischenelement-Phasendrehung von 90º für ankommende Schmalbandsignale. Wenn also der Schmalbandimpuls von allen Y-Achsen- Leitungsanordnungen mit der Rückseite an den virtuellen Grund 208 mit niedriger Impedanz gekoppelt empfangen wird, wie oben beschrieben, werden die empfangenen Stromsignalphasen entlang der Gruppe von vier Y-Achsen-Leitungsanordnungen 0, 90, 180 bzw. 270º sein.
• Zuerst wird der Empfangsbetrieb der stirnseitigen (Y) Spalten mit den rückseitigen Reihen 106 jeweils an den Signalgrund im Empfangsstrahlformer 110b der X-Achse gekoppelt betrachtet. Jede Gruppe von vier elektrischen Signalen der X-Achse (in der zur Darstellung verwendeten 4 · 4-Anordnung) ist zur Bildung eines Signalbezugs für die rückseitigen Reihen mit virtuellen Grundknoten 208 im Empfängervorverstärker des Empfangsstrahlformers 110a verbunden und um -90º zwischen benachbarten Leitungsanordnungen phasenverschoben (0, -90, -180 und -270º), wie gezeigt. Die angelegten Phasenverschiebungen gleichen diejenigen aus, die sich aus den unterschiedlichen Zwischenelement-Weglängen des auf den Leitungsanordnungen auftreffenden Schmalband-Schallimpulses ergeben, wie in Fig. 5 dargestellt. Die resultierenden vier Signale 210 sind dann gleichphasig und bilden, wenn sie summiert werden, beim Empfang einer mit einem Einfallswinkel von 30º ankommenden Wellenfront ein maximales Schallinterferenzmuster. Dieses Maximum entspricht der Zentralachse eines der Hauptzipfel der geformten Strahlen.
• Ein zweiter Empfangsstrahl für ankommende Schallstrahl-Wellenfronten, die sich in -X- Richtung und in einem Winkel 8 zur Z-Richtung fortbewegen (mit einem Einfallswinkel von -30º) kann durch Umkehren des Vorzeichens der angelegten 90º-Phasenverschiebung an den vier Signalen und Summieren der Signale geformt werden. Da die Menge von vier Signalphasen sich für zusätzliche Gruppen von vier Leitungsanordnungen wiederholt, können größere Anordnungen realisiert werden, indem die Signale von allen Gruppen von vier Leitungsanordnungen summiert werden, um die Interferenzmuster bei ±30º weiter zu verbessern. Wenn zusätzliche Gruppen von vier Leitungsanordnungssegmenten verwendet werden, wie beschrieben, wird die Akustiksignalverstärkung entlang den ±30º-Richtungen erhöht oder die Strahlbreite in dieser Richtung entsprechend reduziert, wenn zusätzliche Gruppen von Anordnungen hinzugefügt werden.
• Ein äquivalentes Strahlformungsverfahren besteht daraus, zuerst alle gleichphasigen Signale von unterschiedlichen Anordnungsgruppen zu summieren und dann die angelegten 90º- Phasenverschiebungen zwischen der summierten Menge von vier Signalen anzulegen. Dies kann einfach durch elektrische Parallelschaltung jeder vierten Leitungsanordnung bewerkstelligt werden, wie es in der Praxis gewöhnlich für eindimensionale, in Phasen eingeteilte Anordnungen gemacht wird, wie vorher beschrieben (siehe Fig. 2). Die wirksame Strahlbreite in X-Richtung wird durch die Anzahl von Leitungsanordnungsgruppen in der Anordnung bestimmt. In Y-Richtung wird die Strahlbreite durch die Strahlmuster der Leitungsanordnungen bestimmt, was umgekehrt proportional zur Länge (in Schallwellenlängen) der Anordnungslinien ist. Bei der ADVS-Anwendung sind enge, geneigte Akustikstrahlen mit ähnlichen Breiten in beiden Ebenen erwünscht, und die Abmessungen der X- und der Y-Ebene werden ungefähr gleich gehalten.
• Während des Übertragungsmodus ist der Betrieb der zweiachsigen Anordnung ähnlich wie beim oben beschriebenen Empfangsmodus, außer dass der Signalfluss entgegengesetzt ist, wie in Fig. 6 dargestellt. Der Übertragungsbetrieb der stirnseitigen Spalten mit den rückseitigen Reihen jeweils an Signalgrund gekoppelt wird als Erstes betrachtet. Eine lange Tonimpuls-Trägerfrequenz 300 wird an einen Phasenverschiebungs-Übertragungsstrahlformer 108a angelegt und erzeugt vier Treibersignale mit relativen Phasen von 0, 90, 180 und 270º. Diese werden von Niedrigimpedanztreibern an die vier parallel verdrahteten Gruppen 302 der Y-Spalten angelegt. Die angelegten Phasenverschiebungen gleichen dann diejenigen aus, die von den unterschiedlichen Weglängen zwischen Leitungsanordnungen herrühren, und es wird ein übertragenes Akustiksignal-Interferenzmuster mit einem Einfallswinkel von 30º entsprechend dem Zentrum eines der Hauptstrahlzipfel geformt. Durch Umkehren des Vorzeichens der angelegten 90º-Phasenverschiebung kann noch ein übertragener Strahl mit einem Einfallswinkel von -30º geformt werden, wie vorher beschrieben.
• Der Empfangs- und Übertragungsbetrieb in der Y-Achse ist genauso. Wenn Signale betrachtet werden, die von den rückseitigen Reihen angelegt und empfangen werden, sind die stirnseitigen Spalten durch eine Niedrigimpedanz an den Signalgrund gekoppelt. Durch das Vorhandensein der niedrigen Sendetreiber- und Empfängerlastimpedanz an Grund auf jeder Seite ergibt sich ein vollkommen unabhängiger Betrieb der X- und Y-Achse. Aus der Überlagerung der X- und Y-Achsensignale ist ebenfalls ersichtlich, dass beide Achsen (d. h. Reihen und Spalten) gleichzeitig in Betrieb sein können.
• Die oben beschriebene Zweiachsen-Strahlformungstechnik mit Verwendung einer festen Phase verzögert beim Formen von engen Übertragungs- und Empfangsstrahlen und wird als Wandler mit "zweidimensionaler, in Phasen eingeteilter Anordnung" bezeichnet. Sie ist zur Verwendung in Schmalband-Anwendungsformen geeignet, die einen langen Tonimpuls mit einer einzigen Frequenz (Schmalband) übertragen. Von einer einzigen Öffnung in der flachen Anordnung aus werden vier geneigte, enge Strahlen in den Ebenen X/Z und Y/Z positioniert und alle in einem Winkel zur Z-Richtung gebeugt, wie in Fig. 3 gezeigt.
• Aus dem Schallstrahldiagramm in Fig. 5 ist ersichtlich, dass für einen festen Elementeabstand d der Winkel jedes Strahls auf die Schallfrequenz bezogen ist durch:
• θ = sin&supmin;¹(λ/4d) = sin&supmin;¹(c/4fd).
• Demzufolge ist der Strahlwinkel frequenzabhängig und wenn die ankommende oder abgehende Welle ein breites Spektrum aufweist, wird der Winkelraum des Hauptzipfel- Strahlmusters entsprechend verbreitert. Wegen dieser bandbreiteninduzierten Strahlausbreitung funktioniert die oben beschriebene Technik mit in Phasen eingeteilter Anordnung nicht mit Breitband-ADVS, die Signale mit einem breiten Spektrum übertragen (typischerweise 20-50% der Trägerfrequenz). Um dieses Verfahren mit zweidimensionaler Anordnung mit Breitbandsignalen zu verwenden, bedarf es eines anderen Zeitverzögerungs- Strahlformungsverfahrens, wie in den folgenden Absätzen beschrieben.
Betrieb der Zeitverzögerungsanordnung:
• Wie vorher gezeigt, treffen ankommende Schallstrahl-Wellenfronten, die sich mit einer Geschwindigkeit c und in einem Winkel 8 zur Z-Richtung in -X-Richtung fortbewegen, aufgrund der Weglängenunterschiede zwischen benachbarten Leitungsanordnungen zu unterschiedlichen Zeiten auf den verschiedenen stirnseitigen Spalten- Leitungsanordnungsstellen der Y-Achse auf. Es wurde gezeigt, dass die Differenz des Weglängenabstands, α, gleich dsinθ ist. Die entsprechende Differenz der Weglängen- Zeitverzögerung (τ) ist (dsinθ)/c. Während die in Phasen eingeteilte Anordnung einen Strahlformer verwendet, der die Zwischenelement-Phasenverzögerungen ausgleicht, die nur für Schmalbandsignale gelten, verwendet die Zeitverzögerungsanordnung einen Strahlformer, der die Zwischenelement-Zeitverzögerungen ausgleicht, die für Signale mit breiterem Frequenzband gelten.
• Es wird nun der Empfangsbetriebsmodus einer 4 · 4-Anordnungsteilmenge betrachtet, wie in Fig. 7 dargestellt, wobei die rückseitigen Reihen mit dem virtuellen Grund im Empfangsstrahlformer 110b der X-Achse verbunden sind und jede Gruppe von vier elektrischen empfangenen Signalen der Y-Achse mit virtuellen Grundknoten in den Verstärkern 402 des Empfängerstrahlformers verbunden ist, um einen Signalbezug für die rückseitigen Reihen zu bilden. Die Verstärkerausgänge sind an eine verzweigte, zweiseitig gerichtete Zeitverzögerungs-Summierungsschaltung 404 angelegt, wie in Fig. 7 gezeigt. Die angelegte elektrische Zwischenelement-Zeitverzögerung 406, τ, gleicht die Zeitverzögerung aus, die von den unterschiedlichen Zwischenelement-Weglängen der ankommenden akustischen Signale herrührt, und führt zur Formierung von zwei Strahlen in der ±X-Achse (X/Z-Ebene) mit Einfallswinkeln von:
• θ = sin&supmin;¹(cτ/d).
• Bei Durchsicht dieser Gleichung wird wohl verständlich, dass die Strahlwinkel nun unabhängig von der Schallfrequenz sind und demnach durch ein breites Frequenzspektrum in der Lücke nicht räumlich verbreitert sind. Diese Breitbandfähigkeit ist der Hauptvorteil der Zeitverzögerungstechnik gegenüber der vorher beschriebenen Phasenverschiebungstechnik.
• Während des Übertragungsmodus ist die Arbeitsweise der 4 · 4-Anordnung ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Empfangsmodus, außer dass der Signalfluss entgegengesetzt ist, wie in Fig. 8 dargestellt. Betrachtet man zunächst den Betrieb der vorderseitigen Spalten mit den rückseitigen Reihen jeweils an den Signalgrund im Strahlformer 500 der X-Achse gekoppelt, wird das Übertragungssignal 502 an einen Zeitverzögerungs- Übertragungsstrahlformer 504 angelegt und erzeugt vier Treibersignale mit relativen Zeitverzögerungen 508 von 0, τ, 2τ und 3τ. Diese werden von Treibern mit niedriger Ausgangsimpedanz an die vier parallel verdrahteten Gruppen 506 der Y-Spalten angelegt. Die angelegten Zeitverzögerungen gleichen die Zeitverzögerungen aus, die von den unterschiedlichen Weglängen zwischen den Leitungsanordnungen herrühren, und es wird ein übertragenes Akustiksignal-Interferenzmuster mit einem Einfallswinkel 6 geformt, das dem Zentrum eines der Hauptstrahlzipfel entspricht. Durch Umkehren der Richtung des Signalflusses durch die Zeitverzögerungsschaltung kann noch ein übertragener Strahl mit einem Einfallswinkel -θ geformt werden.
• Der Empfangs- und Übertragungsbetrieb der Zeitverzögerungsanordnung in der anderen Dimension (Y-Achse) ist vollständig analog zum vorher beschriebenen. Im Y-Achsenbetrieb werden Signale an die rückseitigen Reihen angelegt und davon empfangen, während die vorderseitigen Spalten durch eine niedrige Impedanz an den Signalgrund gekoppelt sind. Das Vorhandensein der niedrigen Sendetreiber- und Empfängerlastimpedanz zum Signalgrund auf jeder Seite führt zur vollständigen Unabhängigkeit des X- und Y- Achsenbetriebs; demgemäß können die X- und die Y-Achse beide gleichzeitig in Betrieb sein.
• Bei großen Anordnungen ist das vorher erwähnte Zeitverzögerungsverfahren komplexer zu realisieren als das Phasenverschiebungsverfahren, weil ein gesondertes Zeitverzögerungselement zwischen jeder einzelnen Leitungsanordnung erforderlich ist, wohingegen nur vier diskrete Phasenverschiebungen erforderlich sind, wenn das Phasenverschiebungsverfahren verwendet wird. Für eine Anordnung von 32 Elementen ist eine 32-Element- Zeitverzögerungsschaltung erforderlich, was die Komplexität einer Zeitverzögerungsanordnung gegenüber einer entsprechenden in Phasen eingeteilten Anordnung ähnlicher Größe wesentlich erhöht. Ein weiterer Vorteil der Zeitverzögerungslösung (zusätzlich zu der Fähigkeit, enge Strahlenbündel in Breitband-Arbeitsumgebungen zu formen) besteht darin, dass durch Verwendung einer unterschiedlichen Menge von Zeitverzögerungen für jede Strahlgruppe leicht multiple geneigte Strahlen in jeder Achse geformt werden können, weil der Strahlwinkel θ für die körperliche Gestaltung einer einzigen festen Anordnung durch sin&supmin;¹(cτ/d) bestimmt wird (wobei der Elementeabstand d fest ist). Dieses Konzept ist in Fig. 9 dargestellt. In diesem Beispiel werden durch Verwenden von vier Gruppen von X- und Y- Strahlformern (BF1X - BF4X 554 und BF1Y - BF4Y 556) vier Gruppen von in vier Neigungswinkeln θ symmetrisch um die Z-Achse 552 ausgerichtete Vierstrahlkombinationen 550 erreicht, wobei jede Gruppe so arbeitet, wie oben für die Basis-Zeitverzögerungsanordnung beschrieben.
2. Hardware-Beschreibung
• Wie aus der vorstehenden Beschreibung wohl verständlich ist, kann die vorliegende Erfindung so verwirklicht werden, dass viele Kombinationen zweiachsiger geneigter Strahlen mit unterschiedlicher Trägerfrequenz-, Strahlcharakteristik- und Signalbandbreitenleistung erzeugt werden. Die in diesem Abschnitt beschriebene spezielle, bevorzugte Hardware- Ausführung verwendet den Zeitverzögerungs-Strahlformer, dessen Funktion im vorstehenden Abschnitt beschrieben wurde, und erzeugt in jeder von zwei Achsen zwei Breitbandstrahlen mit enger Strahlbreite bei einer 150 kHz-Trägerfrequenz zur Verwendung in ADVS-Anwendungen.
• Die hierin offenbarte, der bevorzugten Ausführungsform zugeordnete Hardware besteht aus einer kreisförmigen Wandleranordnung und zwei im wesentlichen identischen Strahlformungsnetzwerken, die jeweils die elektrische Signalübertragung zum Formen von zwei geneigten Übertragungs-/Empfangsstrahlen liefern. Eine Draufsicht der Wandleranordnung ist in Fig. 10 bereitgestellt. Der Durchmesser D 600 der Anordnung beträgt ungefähr 160 mm. Dabei sind 800 einzelne quadratische, piezo-elektrische Keramikelemente 102 mit 150 kHz mit einem Abstand 604 von Zentrum zu Zentrum von 5 mm eng beabstandet (ca. % Wellenlänge bei 150 kHz, basierend auf einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ungefähr 1500 m/s).
• Der Vielschichtaufbau der Wandleranordnung ist in der in Fig. 11 gezeigten dreidimensionalen Ansicht dargestellt. Diese Dickenabmessung in dieser Ansicht ist vergrößert, um die geschichtete Struktur zu zeigen. Die Keramikelemente 700 der Anordnung, z. B. die in Fig. 10 gezeigten 800 Elemente 602, sind durch zwei Teile einer dünnen, schalldurchlässigen, flexiblen gedruckten Schaltung (FPC) 702, 704 auf der Ober- und Unterseite des Keramikteils elektrisch und mechanisch verbunden. Solche Schaltungen können aus KaptonTM (Polyimid) oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Die elektrische Verbindung mit jedem Keramikelement 700 wird durch Schrumpfsitzpassung und Klebung (oder alternativ Niedrigtemperaturlöten) der gedruckten elektrischen Verbindungsleitungen an die leitfähige Fläche der Anordnungselemente erreicht. Die Klebung kann durch Verwendung eines geeigneten Klebers oder Leims durchgeführt werden, obwohl sicher verständlich ist, dass auch andere Bindungsformen geeignet sein können. Das Verbindungsmuster verläuft entlang Elementspalten auf der Vorderseite und entlang Reihen auf der Rückseite, mit Zugriff auf Spalten auf einer Seite (Y-Drähte 705) und Reihen auf einer anderen Seite (X-Drähte 707). An die Front der obersten flexiblen Schaltung auf jeder 150 kHz-Wandleranordnung ist ein Stück ¹/&sub8;" (3,18 mm) dickes Fiberglasmaterial 706 (wie z. B. dasjenige mit dem Handelsnamen "G-10" oder ein anderes ähnliches Material) mit Flächenabmessungen passend zu dem Keramikteil geklebt. Dieses Fiberglasteil (G-10 oder Äquivalent) ist ein Schallviertelwellenumformer und wird verwendet, um die Drosselkopplung zwischen der Anordnung und Wasser zu verbessern und die Bandbreite des Wandlerelementes deutlich zu erhöhen. Die spürbare Erhöhung der Wandlerbandbreite ist bei der Breitband-ADVS-Technologie erforderlich. Eine an die Front des Fiberglasteils geklebte Urethanschicht 708 dichtet die Fläche gegen das Wasser davor ab. Zwischen der hinteren Ebene des Gehäuses 712 und der Rückseite der unteren flexiblen Schaltung ist eine Schicht aus mit Luft gefülltem Karton 710 platziert, um die rückwärts übertragene Schallenergie zurückzuwerfen und den notwendigen mechanischen Halt gegen den an der Front der Wandleranordnungsoberfläche 714 auftreffenden Wasserdruck bereitzustellen.
• In Fig. 12 ist die bevorzugte Strahlformer-Schaltungsanordnung mit Zeitverzögerungs- Empfangsmodus dargestellt (nur eine Achse) Im Empfangsbetriebsmodus sind die von allen vorderseitigen Spalten und rückseitigen Reihen 104, 106 empfangenen Signale durch T/R- Schalter 118 an die X- und Y-Achsen-Strahlformer 110a bzw. 110b gekoppelt. Jeder T/R- Schalter ist mit einem Feldeffekttransistor (FET) 806 ausgeführt, der mit den Empfängerverstärker-Eingangsanschlüssen 808 in Reihe geschaltet ist. Eine Niedrigimpedanzlast des virtuellen Grundes an allen X- und Y-Leitungen während des Empfangsmodusbetriebs ist mit einem Hochleistungsdifferenzvorverstärker 810 realisiert, der eine niedrige Rauschzahl aufweist, wenn er an die Wandlerleitungsanordnungen mit relativ niedriger Impedanz gekoppelt ist. Jede X- und Y-Wandlerleitungsanordnung ist an den Minuspol des Differenzverstärkers mit hoher Eingangsimpedanz angeschlossen, der Pluspol ist mit dem Signalgrund 812 verbunden, und zwischen den Niedrigimpedanz- Vorverstärkerausgang und den Negativeingangsanschluss ist eine Rückkopplungsimpedanz 814 geschaltet. Dies ergibt eine hinlänglich bekannte Gestaltung eines Umkehroperationsverstärkers (die resultierende Ausbeute des Verstärkers ist proportional zur negativen Größe des Verhältnisses der Rückkopplungsimpedanz zur Quellenimpedanz 816), wobei die Wandlerleitungsanordnung das Eingangssignal mit einer Quellenimpedanz 816 gleich der elektrischen Impedanz der Leitungsanordnung bereitstellt. Wenn die Verstärkung ohne Rück- und Gegenkopplung des Verstärkers viel höher ist als die Verstärkung mit Gegenkopplung, die durch das Verhältnis des Rückkopplungswiderstands zur Quellenimpedanz jeder 150 kHz-Leitungsanordnung bestimmt wird ( 200 Ω), dann wird die Spannung über die Eingangsanschlüsse in Bezug auf das empfangene Signal klein sein. Da der positive Verstärkeranschluss geerdet ist, wird der Minuspol ferner durch die Gegenkopplungsfunktion des Verstärkers im wesentlichen am Grundpotential aufrechterhalten. Demzufolge wird der Minuspoleingang 808 als "virtueller" Grund betrachtet. Der Ausgang des Vorverstärkers wird über einen Transistor 818, der den von der Leitungsanordnung abgeleiteten Signalstrom in eine verzweigte analoge Zeitverzögerungs- Summierungsschaltung 404 einspeist, in eine Stromquelle mit hoher Ausgangsimpedanz umgewandelt. Dieses Leitungsnetz weist 32 Abzweigungen auf (entsprechend jeder der in jeder Dimension verwendeten 32 Reihen oder Spalten); jedes Segment zwischen den Abzweigungen weist eine Zeitverzögerung von t Mikrosekunden auf, die der Verzögerung entspricht, die zum Ausgleich der akustischen Zeitverzögerung von t Mikrosekunden erforderlich ist, die bei ankommenden und abgehenden Signalen an dem gewählten Einfallswinkel an den Leitungsanordnungen auftritt. Jedes Zeitverzögerungssegment ist mit einem vierteiligen Induktionsspule/Kondensator-Leitungsnetz 822 realisiert, das einem Allpassfilter zweiter Ordnung nahekommt. Dieses Induktionsspule/Kondensator-Leitungsnetz stellt eine Annäherung einer breiten Bandbreiten-Zeitverzögerung bereit, die über eine Bandbreite von 25% bis auf 0,1% genau ist.
• Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Empfangsstrahlformer, der einer der zwei Achsen einer zweiachsigen Anordnung zugeordnet ist. Es ist wohl verständlich, dass eine entsprechende Gruppe von elektrischer Empfangsstrahlformer-Hardware zur Verarbeitung der Empfangssignale für die andere Achse verwendet wird.
• Fig. 13 zeigt den der vorliegenden Erfindung bevorzugt zugeordneten Zeitverzögerungs- Übertragungsstrahlformer (nur eine Achse). Die Zeitverzögerungen des Übertragungsstrahlformers werden mit digitalen Schaltungen und viereckigen Wellenformen verwirklicht, um die Schaltungen zu vereinfachen und präzise Zeitverzögerungen zu erreichen, die durch ein fehlerfreies Taktsignal bestimmt werden. TB1 und TB2 850 sind viereckige Wellenformen mit der durch die vier Akustikstrahlen zu übertragenden Frequenz. Für jede der 32 Reihen werden TB1 und TB2 nach einer entsprechenden Zeitverzögerung durch Summierschaltungen 851 zusammengezählt (erreicht durch Verwendung von 32 Bitschieberegistern 852) und durch die Übertragungsverstärker 854 an die 32 Anordnungsreihen angelegt. Den Viereckwellen-Ausgangssignalen der Übertragungsverstärker zugeordnete Oberwellen werden durch die Durchlasskurve der Wandleranordnungsreihe oder -spalte 856 gedämpft; das übertragene Signal wird daher von der Übertragungsgrundfrequenz dominiert. Die Übertragungsverstärker sind mit FET-Gegentakt- Ausgangsstufen 858 mit niedriger Impedanz realisiert, die beim Ansteuern des Wandlers eine niedrige Ausgangsimpedanz aufweisen. Während des Empfangsmodusbetriebs wird durch Abschalten beider Gegentaktstufen eine hohe Ausgangsimpedanzlast geliefert.
• Während des Übertragungsmodus wird das elektrische Potential zwischen den zwei Flächen jedes Keramikelementes durch die Summierung von vier entsprechend verzögerten Wellenformen bestimmt: die zwei oben beschriebenen Reihentreibersignale (TB1 und TB2) und eine entsprechende Gruppe von zeitverzögerten Spaltentreibersignalen (TB3 und TB4). Mit diesen zeitverzögerten Steuerungswellenformen werden dann vier geneigte Akustikstrahlen in zwei Achsen (X/Z- und Y/Z-Ebene) erzeugt.
• Die Zeitverzögerungsanordnung formt vier Übertragungs- und Empfangsstrahlen mit jeweils 4º Strahlbreite (basierend auf zweiseitigen Abwärtspunkten von 3 dB). Fig. 14 ist ein Diagramm der Signalamplitude in Abhängigkeit vom Strahlwinkel (gemessen von der Z- Achse, senkrecht zur Anordnungsfläche) für eine nominell 32 · 32 in Phasen eingeteilte 150 kHz-Wandleranordnung, wie in der X/Z- oder Y/Z-Ebene untersucht, und stellt die Formierung eines Akustikstrahls 900 dar. Wie gezeigt, beträgt die Nebenzipfeldämpfung an der benachbarten und gegenüberliegenden Strahlposition (-+30º-Strahlwinkel 904) ca. -40 dB.
3. Fabrikationsbeschreibung:
• Ein anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf ein einzigartiges Verfahren zur Herstellung einer Wandleranordnung, die zur Verwendung in einem solchen Mehrfachstrahl-Sonar auf eine wirtschaftliche Art und Weise geeignet ist und die präzisen geometrischen Beziehungen zwischen den Elementen wahrt. Dieses Verfahren ist in den folgenden Absätzen im Einzelnen beschrieben.
• Bei Hochfrequenzanordnungen, wie vorher beschrieben, ist der Durchmesser der einzelnen Wandlerelemente und der Abstand zwischen den einzelnen Wandlerelementen klein, z. B. < 5 mm, und es ist eine große Anzahl von akkurat platzierten Elementen erforderlich. Da es nicht praktisch ist, diese vielen kleinen Einzelelemente zu der Anordnung zusammenzufügen, müssen die Elemente während und nach dem Vereinzeln in ihrer ursprünglichen Position bleiben und elektrisch verbunden sein, wie vorher beschrieben. Daher kann man das Keramikelement, das Fiberglas, die schalldurchlässige, flexible gedruckte Schaltung (FPC) und das Trägermaterial nicht einfach zusammenleimen und dann in die gewünschte Anzahl von Teilen schneiden. Zur Herstellung der zweiachsigen Wandleranordnung wird ein zuverlässiges und wirtschaftliches Verfahren benötigt, das präzise geometrische Beziehungen zwischen den Elementen bewahrt.
• Das bevorzugt verwendete Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 15 dargestellt. Die notwendigen Bauteile zur Zusammensetzung der bevorzugten Wandleranordnung schließen ein zylindrisches, massives Fiberglaselement 706 (G-10 oder Äquivalent), Stirnseiten-(Y-Achsen)-Y-FPC- Tafeln 702, ein zylindrisches Keramikelement 700, Rückseiten-(X-Achsen)-X-FPC-Tafeln 704, eine Kartonträgerschicht 710 und eine Urethanschicht 708 ein. Ferner kann zur Unterbringung der zusammengesetzten Wandleranordnung nach Abschluss des Herstellungsprozesses ein Topfgehäuse verwendet werden. Es sei darauf hingewiesen, dass anstelle der vorher erwähnten zylindrischen Gestaltungen auch andere Formen zur Verwendung geeignet sind, die in den zwei Flächenabmessungen allgemein symmetrisch sind, wie z. B. Ellipsen oder Vielecke.
• Der Herstellungsprozess begreift i. a. die Verwendung einer Parallelblatt-Diamantsäge ein, um die Front- und Rückseite eines massiven Keramikteils und eine angefügte Dämpfungsschicht in Scheiben zu schneiden und elektrisch und mechanisch unabhängige Elemente zu schaffen. Dies geschieht derart, dass alle Anordnungselemente während und nach dem Durchschneiden an ihrem Platz gehalten werden, um akkurate geometrische Beziehungen zwischen den Elementen zu bewahren. Insbesondere ist das offenbarte Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 15 folgendermaßen:
• 1. Als Erstes wird eine Parallelblatt-Diamantsäge (nicht gezeigt) verwendet, um die Vorderfläche der Fiberglas-Passschicht 706, definiert durch die Z-Achse, in X- und Y- Richtung in ihrer Dicke zu halbieren.
• 2. Als Zweites wird eine Schicht aus schalldurchlässigem Urethan 708 auf die Vorderfläche der Fiberglas-Passschicht 706 geklebt.
• 3. Dann wird die Diamantsäge verwendet, um die Rückseite der Fiberglas-Passschicht 706 in der verbleibenden Dicke sowohl in X- als auch in Y-Richtung durchzuschneiden. 4. Als Nächstes wird die Diamantsäge verwendet, um die Rückwand des Wandleranordnungs-Rohteils 700, definiert durch die Z-Achse, in X- und Y-Richtung in ihrer Dicke zu halbieren.
• 5. Dann wird eine dünne Schicht der leitenden X-Achsen-Unterlage (X-FPC) 704 auf die Rückwand des Rohteils 700 geklebt.
• 6. Als Nächstes wird eine Trägermaterialschicht 710 an die Rückwand der X-FPC 704 geklebt.
• 7. Als Nächstes wird die Vorderfläche des Rohteils 700 durch ihre verbleibende Dicke (Z- Richtung) in X- und Y-Richtung in Scheiben geschnitten.
• 8. Dann wird eine dünne Schicht der leitenden Y-Achsen-Unterlage (Y-FPC) 702 auf die Vorderfläche der Keramik/X-FPC-Wandleranordnung geklebt.
• 9. Schließlich werden die in Scheiben geschnittene Fiberglas-Passschicht/- Urethananordnung 706, 708 und Keramik/FPC/Trägeranordnung 700, 702, 704, 710 zusammengeklebt, wie gezeigt.
• Anschließend kann nach Bedarf ein Topfgehäuse oder anderes Tragelement angepasst werden, um für die Montage der Wandleranordnung am gewünschten Bedienungsstand zu sorgen (wie z. B. ein Schiffsrumpf oder Strömungsnachformer) und gegen das Eindringen von Wasser abzudichten. Es wird wohl verständlich sein, dass zur Erfüllung dieser Bedürfnisse eine große Anzahl unterschiedlicher Gehäuseausführungen und Abdichtvorrichtungen in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.

Claims (28)

1 Akustiksystem umfassend:

- eine Vielzahl von Wandlerelementen, die so angeordnet sind, dass sie eine einzige zweidimensionale Anordnung bilden, wobei die Elemente in einer ersten Dimension elektrisch zu Reihen und in einer zweiten Dimension zu Spalten verbunden sind und die Reihen elektrisch unabhängig von den Spalten sind;

- eine erste Strahlformerschaltung, die eine erste Ebene von außerhalb der Anordnungsebene und im wesentlichen senkrecht zu der ersten Wandleranordnungsdimension projizierten Akustikstrahlen formt, wobei die erste Strahlformerschaltung mit den Wandlerelementen in der zweiten Wandleranordnungsdimension elektrisch verbunden ist und die erste Strahlformerschaltung jeweils jeder Spalte zugeordnete Signale verzögert, und

- eine zweite Strahlformerschaltung, die eine erste Ebene von außerhalb der Anordnungsebene und im wesentlichen senkrecht zu der zweiten Wandleranordnungsdimension projizierten Akustikstrahlen formt, wobei die zweite Strahlformerschaltung mit den Wandlerelementen in der ersten Anordnungsdimension elektrisch verbunden ist und die zweite Strahlformerschaltung jeweils jeder Reihe zugeordnete Signale verzögert, wodurch das System in der Lage ist, wenigstens zwei Ebenen von Akustikstrahlen gleichzeitig und unabhängig zu formen,

wobei die erste und die zweite Strahlformerschaltung eine virtuelle Grundlastimpedanz an alle Reihen bzw. Spalten bereitstellen, wenn das System Signale empfängt, und die erste und zweite Strahlformerschaltung eine niedrige Quellenimpedanz an alle Reihen bzw. Spalten bereitstellen, wenn das System Signale überträgt.

2. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die von dem System geformten Akustikstrahlen in Janus-Anordnung vorliegen.

3. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die Wandlerelemente so angeordnet sind, dass sie im wesentlichen ein Muster bilden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

4. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die Reihen und Spalten senkrecht aufeinander stehen.

5. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei jedes Wandlerelement einen Gesichtsquerschnitt aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

6. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die Wandlerelemente derart in der Anordnung angeordnet sind, dass der Abstand von Mittellinie zu Mittellinie zwischen einzelnen Elementen die Hälfte der Wellenlänge der Schallträgerfrequenz des Systems gemessen in Wasser und an der Vorderfläche der Anordnung ist.

7. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Strahlformerschaltung Mehrfach-Bitschieberegister einschließen.

8. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei jedes Wandlerelement in der Gesichtsebene symmetrisch ist.

9. Akustiksystem nach Anspruch 1, wobei die Reihen und Spalten der Wandlerelemente durch Zusammenschalten jeder P-ten Reihe und Spalte zu P Gruppen von Elementen elektrisch verbunden sind und die erste und zweite Strahlformerschaltung mit diesen P Gruppen von Reihen bzw. Spalten elektrisch verbunden sind.

10. Elektroakustischer Wandler, der in der Lage ist, gleichzeitig Mehrfach-Übertragungs- oder Empfangsakustikstrahlen von einer einzelnen planaren Öffnung zu bilden, umfassend:

- eine Vielzahl von Wandlerelementen, die in einer planaren Anordnung von N im wesentlichen parallelen Reihen und M im wesentlichen parallelen Spalten angeordnet sind, wobei jede Reihe von Wandlerelementen entlang einer ersten Fläche der Anordnung elektrisch verbunden ist und jede Spalte von Wandlerelementen entlang einer zweiten Fläche elektrisch verbunden ist;

- einen ersten Übertragungs-/Empfangsstrahlformer, der mit den Reihen elektrisch verbunden ist,

- einen zweiten Übertragungs-/Empfangsstrahlformer, der mit den Spalten elektrisch verbunden ist und in elektrischer Unabhängigkeit von dem ersten Strahlformer arbeitet;

- einen Übertragungs-/Empfangsschalter, der jeweils zwischen den ersten und zweiten Strahlformer und die Reihen und Spalten elektrisch zwischengeschaltet ist;

wobei eine Übertragungsstellung des Schalters zulässt, dass der erste und zweite Strahlformer Signale an die Reihen bzw. Spalten der Wandlerelemente anlegen, um die Übertragungsstrahlen sowohl in den Reihen als auch den Spalten gleichzeitig und unabhängig zu formen, wobei die Signale zeit- oder phasenverzögert sind, und wobei eine Empfangsstellung des Schalters zulässt, dass der erste und zweite Strahlformer Signale von den Reihen- bzw. Spaltenwandlerelementen empfangen, wobei die Signale von den Reihen und Spalten jeweils Zeit- oder phasenverzögert und kombiniert sind, um die Empfangsstrahlen von den Reihen und Spalten gleichzeitig zu formen,

wobei der erste und zweite Übertragungs-/Empfangsstrahlformer eine virtuelle Grundlastimpedanz an alle Reihen bzw. Spalten bereitstellen, wenn der Übertragungs-/Empfangsschalter auf Signalempfang gestellt ist, und der erste und zweite Übertragungs-/Empfangsstrahlformer an alle Reihen bzw. Spalten eine niedrige Quellenimpedanz bereitstellen, wenn der Übertragungs-/Empfangsschalter auf Signalübertragung gestellt ist.

11. Wandler nach Anspruch 10, wobei die von dem System geformten Akustikstrahlen in Janus-Anordnung vorliegen.

12. Wandler nach Anspruch 10, wobei die Wandlerelemente so angeordnet sind, dass sie im wesentlichen ein Muster bilden, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

13. Wandler nach Anspruch 10, wobei die Reihen und Spalten senkrecht aufeinander stehen.

14. Wandler nach Anspruch 10, wobei jedes Wandlerelement einen Gesichtsquerschnitt aufweist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

15. Wandler nach Anspruch 10, wobei die Wandlerelemente derart in der Anordnung angeordnet sind, dass der Abstand von Mittellinie zu Mittellinie zwischen einzelnen Elementen die Hälfte der Wellenlänge der Schallträgerfrequenz des Systems gemessen in Wasser und an der Vorderfläche der Anordnung ist.

16. Wandler nach Anspruch 10, wobei der Übertragungs-/Empfangsstrahlformer Mehrfach- Bitschieberegister einschließt.

17. Wandler nach Anspruch 10, wobei jedes Wandlerelement in der Gesichtsebene symmetrisch ist.

18. Wandler nach Anspruch 10, wobei die Reihen und Spalten der Wandlerelemente durch Zusammenschalten jeder P-ten Reihe und Spalte zu P Gruppen von Elementen elektrisch verbunden sind, wobei der erste und zweite Übertragungs-/Empfangsstrahlformer mit diesen P Gruppen von Reihen bzw. Spalten elektrisch verbunden sind.

19. Verfahren zum Formen mehrfacher Übertragungs- oder Empfangsstrahlen von einer einzelnen planaren Anordnung mit einer Vielzahl von Wandlerelementen, die in N im wesentlichen parallelen Reihen und M im wesentlichen parallelen Spalten angeordnet sind, wobei die planare Anordnung einen ersten Übertragungs-/Empfangsstrahlformer in elektrischer Verbindung mit den Reihen, einen zweiten Übertragungs-/Empfangsstrahlformer in elektrischer Verbindung mit den Spalten und einen jeweils zwischen den ersten und zweiten Strahlformer und die Reihen und Spalten elektrisch zwischengeschalteten Übertragungs-/Empfangsschalter aufweist und das Verfahren die Schritte umfasst:

- Stellen des Übertragungs-/Empfangsschalters auf eine Übertragungsstellung; und

- gleichzeitig Anlegen von Signalen von dem ersten und zweiten Strahlformer an die Reihen bzw. Spalten der Wandlerelemente, um Übertragungsstrahlen sowohl für die Reihen als auch die Spalten zu formen, wobei die Signale zeit- oder phasenverzögert werden; oder alternativ

- Stellen des Übertragungs-/Empfangsschalters auf eine Empfangsstellung; und

- Zulassen, dass Signale von den Reihen und Spalten der Wandlerelemente gleichzeitig und unabhängig mit einer Zeit- oder Phasenverzögerung an den ersten bzw. zweiten Strahlformer angelegt werden, um sowohl für die Reihen als auch die Spalten Empfangsstrahlen zu formen; ferner umfassend:

- Bereitstellen einer virtuellen Grundlastimpedanz an alle Reihen und Spalten des ersten bzw. zweiten Übertragungs-/Empfangsstrahlformers, wenn der Übertragungs-/ Empfangsschalter auf Signalempfang gestellt wird; und ferner umfassend:

- Bereitstellen einer niedrigen Quellenimpedanz an alle Reihen und Spalten des ersten bzw. zweiten Übertragungs-/Empfangsstrahlformers, wenn der Übertragungs-/ Empfangsschalter auf Signalübertragung gestellt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Formen der Übertragungs- und Empfangsstrahlen das Formen sowohl der Übertragungs- als auch der Empfangsstrahlen in Janus-Anordnung umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Anordnen der Wandlerelemente derart, dass sie im wesentlichen ein Muster bilden, das ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

22. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Anordnen der Reihen und Spalten der Wandlerelemente derart, dass sie senkrecht aufeinander stehen.

23. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend den Vorgang Selektieren von Wandlerelementen mit einem Gesichtsquerschnitt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kreisform, Ellipsenform oder Vieleckform.

24. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein Anordnen der Wandlerelemente innerhalb der Anordnung derart, dass der Abstand von Mittellinie zu Mittellinie zwischen einzelnen Elementen die Hälfte der Wellenlänge der Schallträgerfrequenz des Systems gemessen in Wasser und an der Vorderfläche der Anordnung ist.

25. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Bereitstellen von Mehrfach- Bitschieberegistern innerhalb der Übertragungs-/Empfangsstrahlformer.

26. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das Bereitstellen von Wandlerelementen, die in der Gesichtsebene symmetrisch sind.

27. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend das elektrische Verbinden der Reihen und Spalten der Wandlerelemente durch Zusammenschalten jeder P-ten Reihe und Spalte zu P Gruppen von Elementen, wobei der erste und zweite Übertragungs-I Empfangsstrahlformer mit diesen P Gruppen von Reihen bzw. Spalten elektrisch verbunden werden.

28. Verfahren nach Anspruch 19, ferner umfassend ein gleichzeitiges Bilden entweder von Übertragungs- oder von Empfangsstrahlen in zwei Ebenen.