DE906312C

DE906312C - Arrangement for sending and receiving underwater sound

Info

Publication number: DE906312C
Application number: DEE4827A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Habil Erhard Ahrens; Dipl-Ing Karl Feher
Original assignee: ELAC Electroacustic GmbH
Current assignee: ELAC Electroacustic GmbH
Priority date: 1951-12-25
Filing date: 1951-12-25
Publication date: 1954-03-11

Description

Anordnung zum Senden und Empfangen von Unterwasserschall Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zum Senden und Empfangen von Schallenergie, wobei der verwendete elektroakustische Wandler durch eine Zwischenwand von dem Raum getrennt ist, in den die Schallenergie eingestrahlt bzw. aus dem sie aufgenommen werden soll. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf Echolote, die beispielsweise für Zwecke der Tiefenlotung auf Schiffen montiert sind. Das Vorhandensein der Zwischenwand erschwert oder verhindert im allgemeinen durch die mehr oder weniger starke Reflexion an der Oberfläche der Wand das Durchtreten von Schallenergie. Für senkrechten Einfall der Schallwellen und bei geeigneter Dicke der Wand in Abhängigkeit von der Wellenlänge, wenn nämlich die Wandstärke einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge im Wandmaterial entspricht, ist ein nahezu ungehinderter Schalldurchgang durch die Wand möglich. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, diesen Effekt für die Schallaussendung mit Unterwasserschallsendern für Echolote auszunutzen. Dabei ist der Schallsender zur Schiffswand mit seiner Abstrahlungsrichtung senkrecht angeordnet. Bei einer solchen Anordnung ist man bei der Anbringung des Schallgebers an solche Stellen des Schiffskörpers gebunden, an denen die Schiffswand senkrecht zu der gewünschten Richtung des Schallstrahles steht.Arrangement for sending and receiving underwater sound object The invention is an arrangement for transmitting and receiving sound energy, wherein the electroacoustic transducer used is separated from the room by a partition is into which the sound energy is radiated or from which it is to be absorbed. In particular, the invention is applicable to echo sounders, for example for purposes the depth sounding are mounted on ships. The presence of the partition made difficult or prevented in general by the more or less strong reflection the passage of sound energy on the surface of the wall. For vertical incidence the sound waves and with a suitable thickness of the wall depending on the wavelength, namely if the wall thickness is half a wavelength or a multiple of half that Wavelength in the wall material corresponds to an almost unhindered passage of sound possible through the wall. It has also been suggested to have this effect to use for the sound emission with underwater sound transmitters for echo sounders. The sound transmitter is perpendicular to the ship's wall with its direction of emission arranged. With such an arrangement, one is concerned with the attachment of the sounder tied to those points on the hull where the hull is perpendicular is related to the desired direction of the sound beam.

Um von dieser Beschränkung freizukommen, wird erfindungsgemäß von einem anderen an sich bekannten Effekt Gebrauch gemacht. Dieser besteht darin, daß bei schrägem Einfall von Schallwellen auf eine Trennwand zwischen zwei Medien unter bestimmten Voraussetzungen und für einen bestimmten Einfallswinkel in Abhängigkeit von den Schallgeschwindigkeiten in der Trennwand und im umgebenden Medium und weiter von der Frequenz der Schallwellen ein ungehinderter Schalldurchgang durch die Trennwand erfolgt, sofern man von der Absorption im Wandmaterial absieht.In order to get rid of this restriction, according to the invention, from made use of another known effect. This consists in that in the case of inclined incidence of sound waves on a partition between two media below depending on certain conditions and for a certain angle of incidence of the speed of sound in the partition wall and in the surrounding medium and further unimpeded by the frequency of the sound waves Sound transmission takes place through the partition, provided that the absorption in the wall material is disregarded.

Der Einfallswinkel, für den dies erfüllt ist, wird Koinzidenzwinkel genannt.The angle of incidence for which this is satisfied becomes the angle of coincidence called.

Erfindungsgemäß wird ein Sender oder Empfänger für Unterwasserschall so im Innern des Schiffskörpers angeordnet, daß seine Richtcharakteristik, d. h. die Richtung seiner maximalen Abstrahlung oder Empfindlichkeit, unter dem Koinzidenzwinkel gegen die Normale zur Schiffswand geneigt ist. Zweckmäßig wird dabei der Wandler im Innern des Schiffes in einen Tank oder ein Gehäuse gesetzt, das mit Wasser oder mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Scha11geschwindigkeit annähernd gleich der des Wassers ist. Hierdurch wird die Schallübertragung zwischen dem Wandler und dem Seewasser erheblich erleichtert.According to the invention, a transmitter or receiver for underwater sound is arranged in the interior of the hull so that its directional characteristic, d. H. the direction of its maximum radiation or sensitivity at which the angle of coincidence is inclined from the normal to the ship's hull. The transducer is expediently placed inside the ship in a tank or a housing that is filled with water or with a liquid, the speed of which is approximately the same as that of the water. This considerably facilitates the transmission of sound between the transducer and the seawater.

Die angegebene Anordnung hat besondere Bedeutung für Echolotgeräte, bei denen die Richtung der ausgesendeten bzw. empfangenen Schallwellen festliegt, wie dies bei der Tiefenlotung senkrecht nach unten der Fall ist.The specified arrangement is of particular importance for echo sounders, in which the direction of the emitted or received sound waves is fixed, as is the case with depth plumbing vertically downwards.

Gegenüber der sonst üblichen Anordnung der elektroakustischen Wandler für Echolotzwecke an der Schiffswand ergibt sich hierbei der Vorteil, daß die Schiffswand selbst zwecks Montage des Wandlers nicht durchbrochen zu werden braucht oder der Wandler von außen an die Schiffswand angesetzt werden muß. Da sich bei der erfindungsgemäß angegebenen Anbringung der Wandler im Innern des Schiffskörpers befindet, ist er vor der Einwirkung des Seewassers geschützt. Außerdem ergibt sich der Vorteil, daß der Schwinger auch auf dem schwimmenden bzw. fahrenden Schiff jederzeit leicht überprüft werden kann. Bei der üblichen Art der Montage am Schiffskörper kann die Prüfung am schwimmenden Schiff nur durch Taucher oder aber bei Überholung des Schiffes im Dock durchgeführt werden.Compared to the usual arrangement of the electroacoustic transducers for echo sounding purposes on the ship's wall, this has the advantage that the ship's wall even for the purpose of mounting the converter does not need to be broken or the Converter must be attached to the ship's wall from the outside. Since the invention specified attachment of the transducer is located inside the hull, he is protected from the effects of sea water. There is also the advantage that the transducer can be easily checked at any time on the floating or moving ship can be. With the usual type of assembly on the hull, the test on the floating ship only by divers or when the ship is being overhauled in Dock to be carried out.

Der Koinzidenzwinkel, für den quasioptischer Durchgang der Schallwellen durch die Trennwand erfolgt, ist durch die Beziehung sin 0 = c: C-a angegeben, wobei cB die Geschwindigkeit der Biegewellen in der Trennwand und c die Schallgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium, beispielsweise Wasser, ist. Die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Biegewellen in der Wand von der Frequenz der Schallwellen ist gegeben durch die Formel wobei co die Kreisfrequenz der Schallwellen, E den Elastizitätsmodul des Wandmaterials, ß seine Poissonsche Zahl und Q seine Dichte darstellt, während d die Dicke der Wand bedeutet.The angle of coincidence for the quasi-optical passage of the sound waves through the partition is given by the relationship sin 0 = c: Ca, where cB is the speed of the bending waves in the partition and c is the speed of sound in the surrounding medium, e.g. water. The dependence of the speed of the bending waves in the wall on the frequency of the sound waves is given by the formula where co is the angular frequency of the sound waves, E is the modulus of elasticity of the wall material, ß is its Poisson's number and Q is its density, while d is the thickness of the wall.

In Fig. i ist die Abhängigkeit der Wandstärke d vom Koinzidenzwinkel z9 für Eisen als Wandmaterial bei einer Frequenz von 3o kHz dargestellt, wobei als angrenzendes Medium Wasser angenommen ist.FIG. I shows the dependence of the wall thickness d on the coincidence angle z9 for iron as a wall material at a frequency of 30 kHz, with water being assumed as the adjacent medium.

Fig. 2 zeigt schematisch die Anordnung eines Schwingers im Innern eines Schiffskörpers. Die Wandstärke der Schiffsplatten ist hierbei mit 2 cm angenommen, wobei sich aus Fig. i ein Koinzidenzwinkel von 38' ergibt.Fig. 2 shows schematically the arrangement of a transducer in the interior of a ship's hull. The wall thickness of the ship's panels is assumed to be 2 cm, with a coincidence angle of 38 ' resulting from FIG.

In dieser Figur bedeutet i: die Außenwand eines Schiffes, an der das Gehäuse ?, für die Aufnahme des Schwingers 3 montiert ist. Die Hauptabstrahlungsrichtung des Schwingers bildet mit der Normalen 4 auf der Schiffswand den Winkel e. Das Innere des Gehäuses 2 ist mit Wasser gefüllt.In this figure, i means: the outer wall of a ship on which the housing? For receiving the oscillator 3 is mounted. The main direction of radiation of the transducer forms the angle e with the normal 4 on the ship's wall. The inside of the housing 2 is filled with water.

Für Zwecke der Tiefenlotung muß die Abstrahlungsrichtung, die durch den Pfeil 5 gekennzeichnet ist, senkrecht nach unten weisen, d. h. auch die Hauptabstrahlungsrichtung des Schwingers 3 im Innern des Schiffes muß senkrecht nach unten orientiert sein.For the purposes of depth plumbing, the direction of radiation, which is indicated by arrow 5 , must point vertically downwards, i.e. H. the main direction of radiation of the oscillator 3 inside the ship must also be oriented vertically downwards.

Die Erfindung ist keineswegs auf solche Anordnungen beschränkt, bei denen die Füllung des Gehäuses, in dem der Schwinger angeordnet ist, aus Wasser besteht. Grundsätzlich kann auch ein beliebiges anderes Medium an dessen Stelle verwendet werden, Besteht die Füllung aus einem Material, dessen Schallgeschwindigkeit gleich oder annähernd gleich der des Wassers ist, so ergeben sich besonders übersichtliche Verhältnisse bei der Berechnung des Koinzidenzwinkels.The invention is in no way limited to such arrangements which the filling of the housing in which the transducer is arranged is made of water consists. In principle, any other medium can also be used in its place If the filling consists of a material whose speed of sound is the same or approximately the same as that of the water, the results are particularly clear Relationships when calculating the coincidence angle.

Claims

PATENT APPROVAL- i. Arrangement for sending and receiving underwater sound , especially for purposes of echo sounding, through a partition, characterized in that the electroacoustic transducer serving as a transmitter or receiver is oriented to the partition so that its directional characteristic or main radiation direction is below the coincidence angle to Normal on this partition is inclined.

2. Arrangement according to claim i, characterized in that the transducer (3) is arranged in the hull in a housing (2) which is filled with water or another liquid whose speed of sound is preferably approximately equal to that of the water.