DE8809318U1

DE8809318U1 - Schichtsystem

Info

Publication number: DE8809318U1
Application number: DE19888809318
Authority: DE
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1988-07-21
Publication date: 1989-01-02
Anticipated expiration: 1998-07-22

Description

KRUPP ATLAS ELEKTRONIK GiMBH

in 2800 Bremen

BESCHREIBUNG

Schichtsystem

Die Erfindung betriffc ein Schichtsystem zur Reduktion der Reflexion einfallender Schallwellen und des Abstrahlens von Körperschall der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Urn die Ortung eines U-Bootes zu erschweren, wird sein Zielmaß durch Formgebung und am Druckkörper angebrachte schalldämpfende Schichten verkleinert. Einfallende Sonarimpulse sollen durch diese Maßnahmen nicht so reflektiert werden, daß Peilung und Entfernungsmessung zum U-Boot von der gegnerischen Seite möglich wird. Außerdem soll sich das U-Boot durch Abstrahlen von Körperschall nicht verraten, der dann entsteht, wenn Antriebsaggregate und Hilfsmaschinen die Wandung des U-Boots zu Biegeschwingungen anregen.

Aus der US-Patentschrift 3 130 700 ist ein Schichtsystem in Sandwich-Bauweise bekannt, bei dem in biegsames, elastisches Material luftgefüllte Hohlräume und feste Partikel eingebettet sind. Einfallende Wasserschallwellen werden dadurch absorbiert, daß der Druck über Scherkräfte in Wärme und in inkohärente Bewegungen der Partikel umgewandelt wird, so daß nur ein reduzierter Teil der Energie reflektiert wird. Der gleiche Mechanismus gilt für

Vibrationen in der U-Boot-Wandung. Der Sperrfrequenzbereich dieses Schichtsystems ist durch die Dimensionierung der Schichtdicke, ihres Elastizitätsmoduls, der Hohlräume und der Partikelgröße vorgebbar. Eine Breitbandigkeit, die-den Ortungsbereich heute üblicher Sonaranlagen abdeckt, ist mit diesem Schichtsystem bei gleichzeitiger hoher Druckfestigkeit nicht erzielbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Schichtsystem der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei dem eine breitbandige Absorption bis zu tiefen Frequenzen auch bei- großen Tauchtiefen wirksam ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Schichtsystems besteht darin, daß Schalldruck eines von einer gegnerischen Sonaranlage ausgesendeten Schallimpulses durch jede Absorptionsschicht sukzessive aufgezehrt wird, wobei jeweils verbleibende Restenergie über die druckfeste Zwischenschicht der nächsten Absorptionsschicht aufgeprägt wird und schließlich vom Reflektor erneut in das System eingespeist wird, so daß die Absorptionsschichten ggf. zweimal wirksam werden. Die dann evtl. noch verbleibende abgestrahlte Schallenergie ist von der aussendenden Sonaranlage durch die dazukommende Dämpfung der übertragenden Wasserstrecke nicht mehr detektierbar.

Vibrationen der U-Boot-Wandung werden ebenfalls durch die Absorptionsschichten und das Federmassesystem gedämpft.

Die einzelnen· Absorpcionsschichten gemäß der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 2 arbeiten breitbandig. Sie sind beispielsweise so aufgebaut, wie es in der deutschen Offenlegungsschrift 36 21 318 angegeben ist. Der Vorteil eines Aufbaus der in Anspruchs 2 angegebenen Zwischenschichten besteht darin, daß sich ihre Eigenschaften durch statischen Druck nicht verändern, sich jedoch bei Wechseldruckeinwirkung die das Schichtsystem abdeckende Absorptionsschicht und jede weitere Absorptionsschicht im "Bereich zwischen den Abstützungen der Zwischenschicht durchbiegt und somit eine weitgehende Umwandlung des Schalldrucks in Scherkräfte erfolgt. Bei einem solchen Aufbau des Schichtsystems wird die Gleitmodulkennlinie des absorbierenden Materials im unteren Frequenzbereich ausgenutzt, in welchem die Werte des Gleitmoduls relativ konstant sind und im wesentlichen seine imaginäre Komponente wirksam ist, so daß die Dämpfung im betrachteten Frequenzbereich konstant ist. Auch wenn jede Absorptionsschicht nur eine Dämpfung der Energie um ca. 20 % gewährleisten kann, wird durch die gewählte Anzahl der Absorptionsschichten eine gewünschte Dämpfung erzielt, ohne daß das Schichtsystem den vorgesehenen Platz sprengt und Gewichtsprobleme auftreten, da die Absorptionsschichten zweimal wirksam werden. Besonders wirkungsvoll ist die dafür notwendige Restenergieübertragung bei der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 3.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 4 besteht in ihrer einfachen Fertigungsmöglichkeit und ihrer Temperaturunabhängigkeit.

Eine alternative Lösung zur Realisierung des Schichtsystems ist in Anspruch 5 angegeben. Der Mechanismus eines solchen Schichtsystems läßt sich durch

• ·

ein analoges, elektrisches Ersatzschaltbild deutlich machen. Der Von außen eingeprägte Wechseldruck ist dann als Wechselspannungsquelle mit Innenwiderstand zu betrachten. Der Innenwiderstand ist gleich dem Wellenwiderstand des Wassers. Die Masse der Zwischenschichten entspricht elektrischen Induktivitäten und der Aufbau der Absorptionsschichten ist durch gedämpfte Schwingkreise aus ohmschem Widerstand, Induktivität und Kapazität zu ersetzen. Der Reflektor hat als Analogon einen Tiefpaß, wobei seine federnde Schicht als Kondensator und seine Masse sowie die Wandung des U-Boots als Induktivitäten wirken. Indem man die Absorptionsschichten aus ungelochtem und/oder gelochtem Gummi mit unterschiedlichen Lochgrößen oder viskoelastischem Material mit gleichen oder unterschiedlich großen Hohlräumen oder auch ohne Hohlräume aufbaut, werden die einzelnen Schwingkreise auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt, so daß im Ersatzschaltbild der jeweilige Schwingkreis bei Anregung mit seiner Resonanzfrequenz einen Kurzschluß bildet. Der Vorteil eines solchen Schichtsystems nach Anspruch 5 besteht in seiner Breitbandigkeit, obwohl die einzelnen Absorptionsschichten schmalbandig ausgelegt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß der Dämpfungsverlauf über der Frequenz konstant ist, da die einzelnen Schwingkreise parallelgeschaltet sind und ihre Dämpfungskurven sich überlappen.

Bei einer Dimensionierung des Schichtsystems nach Anspruch 6 ist die resultierende Schallimpedanz im betrachteten Sperrfrequenzbereich reell und gleich dem Wellenwiderstand des Wassers. Der Vorteil besteht darin, daß durch Anpassung des Schichtsystems an den Innenwiderstand der Wechselspannungsquelle, nämlich des einfallenden Schallwechseldrucks, Reflexionen nicht auftreten. Die

Berechnung eines solchen Schichtsystems ist mit Hilfe der Wellengleichung durchführbar, wie es beispielsweise in der DE-OS 36 42 747 für einen Schichtverbund unter Zuhilfenahme des Lehrbuchs Meyer/Neumann "Physikalisch und Technische Akustik'¹, Viehweg, Braunschweig, 1967, Seite 30, Gi. 1.93 und 1.94, durchgeführt worden ist. Der Reflektor wird durch die Dimensionierung gemäß Anspruch 7 als Tiefpaß mit hohem Wellenwiderstand ausgelegt.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen für ein Schichtsyste.m zur Reduktion der Reflexion einfallender Wasserschallwellen und des Abstrahlens von Körperschall dargestellt.

Ss zeigen

Fig. If- ein Schnittbild eines Schichtsystems mit breitbandigen Absorptionsschichten und

Fig. 2 ein Schnittbild eines Schichtsystems mit auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmten Absorptionsschichten.

Auf eine U-Boot-Wandung 10 ist eine weiche Schicht 11 und eine druckfeste Schicht 12 aufgebracht. Sie bilden einen Reflektor 13 für aus einer Richtung 14 einfallenden Wasserschall und ist der Abschluß eines Schichtsysteras 15. Die Schichtdicken der weichen Schicht 11 und der druckfesten Schicht 12 sowie der verwendete Werkstoff sind so gewählt, daß der Reflektor 13 einen Tiefpaß bildet, dessen Resonanzfrequenz oberhalb, eines Sperrfrequenzbereichs der einfallenden Schallwellen liegt, und einen großen Wellenwiderstand gegenüber dem Wellenwiderstand des Wassers aufweist. Auf

den Reflektor 13 sind abwechselnd Absorptionsschichten 17, 18 und 19, deren Aufbau beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift 36 21 318 angegeben ist, und Druckkräfte übertragende Zwischenschichten 20 und aufgebracht. Die Zwischenschichten 20 und 21 sind gleich aufgebaut und weisen Abstützungen 22 in Stempelform aus Metall auf. Die Abstützungen 22 sind in den Zwischenschichten 20 und 21 auf Lücke angeordnet. Zwischen den Abstützungen 22 befindet sich druckfester, syntaktischer Schaum 23.

Auf das Schichtsystem 15 fällt Wasserschali aus der Richtung 14 ein, der in der obersten Absorptionsschicht teilweise in Schub- oder■Zugkräfte umgewandelt und in Wärme umgesetzt wird. Außerdem biegt sich die Absorptionsschicht 19 im Bereich zwischen den Abstützungen 22 der Zwischenschicht 21 durch. Verbleibende Druckkräfte werden über die Abstützungen 22 auf die nächste Absorptionsschicht 18 übertragen und dort in Schub- oder Zugkräfte umgewandelt, die wiederum durch Wärme abgebaut werden, und ggf. über die Zwischenschicht 20 an die Absorptionsschicht 17 übertragen und dort abgedämpft. Der Reflektor 13 reflektiert eine evtl. noch vorhandene Restenergie, so daß diese Restenergie die Schichten 17, 20, 18, 21 und 19 ein zweites Mal durchläuft und weiter gedämpft wird. Durch diesen Hin- und Rücklauf wird die Schallenergie aufgezehrt. Die Schailimpedanz des gesamten Schichtsysteins 15 ist durch die Dimensionierung der Schichtdicken an den Wellenwiderstand des Wassers anpaßt ist. Vibrationen der U-Boot-Wandung 10 werden ebenfalls als Biegewellen über dem Reflektor 13 in den Absorptionsschichten 17, 18, 19 abgedämpft, so daß vom Schichtsystem 15 kein Körperschallabgestrahlt wird.

Fig. 2 zeigt ein Schichtsystem 30, das aus einem Reflektor 13 besteht, wie er bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, und Absorptionsschichten 31 und 32 sowie einer Zwischenschicht 33 und einer die oberste Absorptionsschicht 32 abschließende, schubsteife Abdeckung 34. Wasserschall fällt aus der Richtung 14 auf das Schichtsystem 30 und wirkt über die schubsteife Abdeckung 34 auf die Absorptionsschicht 32 ein. Die Absorptionsschicht 32 besteht aus Gummi und dämpft einen Teil der Schallenergie. Die restliche Schallenergie wird über die druckfeste Zwischenschicht 33 auf die-Absorptionsschicht 31 übertragen, die aus Lochgummi besteht. Gummi und Lochgummi -sind bezüglich_:Material, Schichtdicke und Lochgröße so gewählt, daß sie auf unterschiedliche Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, so daß Schallenergie der entsprechenden Resonanzfrequenz von der jeweiligen Absorptionsschicht 32 und 31 absorbiert wird. Um einen breiten Sperrfrequenzbereich abzudecken, müssen viele unterschiedlich dimensionierte Absorpcionsschichten vorgesehen werden, die nicht im einzelnen dargestellt sind. Die Dämpfung wird auch hier durch Rückspiegelung der eventuelle verbleibenden Restenergie vom Reflektor 13 zu den Absorptionsschichten erhöht.

Claims

KAE 28-86 GAP Me/j&ogr; 15-07.1988 KRUPP ATLAS ELEKTRONIK GMBH in 2800 Bremen ANSPRÜCHE

1. Schichtsystem zur Reduktion der Reflexion einfallender Wasserschallwellen und des Abstrahlens von Körperschall, insbesondere für U-Boot-Wandungen,_ mit einer Absorptionsschicht, die Druckkräfte in Schub- oder Scherkräfte umwandelt und durch Wärme verzehrt, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Wandung (10) ein Reflektor (13) in Form eines Feder-Masse-Systems aufgebracht ist und daß auf dem Reflektor (13) abwechselnd mehrere Absorptionsschichten (17, 18, 19 bzw. 31, 32) und Druckkräfte übertragende Zwischenschichten (20, 21 bzw. 33) angeordnet sind.

2. Schichtsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsschichten {17, 18, 19) gleichen Aufbau aufweisen und aus einer elastischen oder viskoelastischen Grundsubstanz mit eingebetteten, schubsteifen Materialien in Form von Fasern, Gittern oder Matten bestehen und die Zwischenschichten (20, 215 in druckfesten Schaum eingebettete Abstützungen (22) aufweisen.

3. Schichtsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützungen (22) Stempelform aufweisen und von Zwischenschicht (20) zu Zwischenschicht (21) auf Lücke angeordnet sind.

4. Schichtsysrern nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die schubsteifen Materialien in den Absorptionsschichten (17, 18, 19) Glas- oder Kohlenstoff-Fasern sind.

5. Schichüsystem nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß,die ÄbBorptionsschichten (31, 32) eine elastische und/oder viskoelastische Grundsubstanz ohne oder mit unterschiedlicher Lochung aufweisen und Schichtdicke und/oder Lochung auf jeweils eine Resonanzfrequenz von mehreren benachbarten, einen Sperrfrequenzbereich abdeckenden Resonanzfrequenzen abgestimmt sind, daß die Zwischenschichten (33) aus Metall oder glasfaserverstärkten Kunststoff oder kohlenfaserverstärkten Kunststoff bestehen und daß als äußere Abgrenzung zum Wasser eine schubsteife Abdeckung (34) angeordnet ist.

6. . Schichtsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken der Absorptions- und Zwischenschichten { 17, 18, 19 bzw. 32, 33 und 20, 21 bzw. 33) abhängig von der Dichte (S) und der Schallgeschwindigkeit (c) der verwendeten Grundsubstanzen, Materialien und Werkstoffe so dimensioniert sind, daß der resultierende Realteil ihrer Schallimpedanzen gleich dem Wellenwiderstand von Wasser ist.

7. Schichtsystem nach Anspruch 6, dadurch

gekennzeichnet, daß der Reflektor (13) eine federnde, auf die Wandung aufgebrachte Kunststoffschicht (11) und eine anschließende schubsteife Schicht (12) aus Metall, glasfaserverstärktem oder

kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff aufweist, daß der Elastizitätsmodul der Kunststoffschicht (11) und die Dicke der schubsteifen Schicht (12) so wählbar sind, daß der Reflektor (13) eine Resonanzfrequenz

_ oberhalb des Sperrfrequenzbereichs und eine gegenüber

™ Wasser große Schallimpedanz aufweist.