EP0450191A2 - Transducer arrangement - Google Patents

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EP0450191A2
EP0450191A2 EP90125415A EP90125415A EP0450191A2 EP 0450191 A2 EP0450191 A2 EP 0450191A2 EP 90125415 A EP90125415 A EP 90125415A EP 90125415 A EP90125415 A EP 90125415A EP 0450191 A2 EP0450191 A2 EP 0450191A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
groups
transducer elements
grating
group
Prior art date
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Granted
Application number
EP90125415A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0450191B1 (en
EP0450191A3 (en
Inventor
Wilfried Dipl.-Ing. Meuser
Werner Dipl.-Ing. Loges
Thomas Dipl.-Ing. Reipschläger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
STN Atlas Elektronik GmbH
Krupp Atlas Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STN Atlas Elektronik GmbH, Krupp Atlas Elektronik GmbH filed Critical STN Atlas Elektronik GmbH
Publication of EP0450191A2 publication Critical patent/EP0450191A2/en
Publication of EP0450191A3 publication Critical patent/EP0450191A3/en
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Publication of EP0450191B1 publication Critical patent/EP0450191B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/04Adaptation for subterranean or subaqueous use
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/22Antenna units of the array energised non-uniformly in amplitude or phase, e.g. tapered array or binomial array

Definitions

  • the invention relates to a transducer arrangement with a plurality of transducer elements for a pivotable directional characteristic of the type mentioned in the preamble.
  • transducer arrangements or antennas are required to form directional characteristics in order to determine the direction and distance of wave-emitting or reflecting targets.
  • the opening angle of a directional characteristic determines the accuracy of the direction determination or bearing to the target and is determined by the length dimension of the transducer arrangement.
  • a clear determination of the direction is only possible, however, if a plurality of transducer elements are arranged equidistantly over the length of the transducer arrangement at a distance from the smallest half wavelength to be received. Then the directional characteristic consists of a main lobe of maximum sensitivity and damped side lobes.
  • the grating praise is suppressed or damped, for example, by constructing the transducer arrangement from transducer elements arranged statistically with respect to one another, as described, for example, in US Pat. No. 3,553,703.
  • PCT application WO 88/10523 corresponding to EP application 0315689 discloses a flat transducer arrangement for transmitting electromagnetic waves, which is composed of transducer elements arranged on concentric circles. Transducer elements of different sizes are used per circle, so that the distances of the transducer elements in the radial direction are different due to the different transducer element sizes.
  • the number of identical transducer elements per circle is determined by the transducer element size.
  • the length of the radii of the concentric circles does not increase periodically.
  • the transducer element size increases from the center and decreases towards the edge of the transducer arrangement, the smallest transducer elements are in the middle.
  • grating praise due to the amplitude evaluation of the emitted wave due to the different sizes of the transducer elements, is attenuated, the antenna gain being the same as for a Transducer arrangement with transducer elements of the same size.
  • a plurality of directional characteristics pointing in different directions or a pivotable directional characteristic can be formed by phase control of the transducer arrangement.
  • a special phase control of the irregularly arranged transducer elements is necessary for each spatial direction, so that the expenditure on phase rotating elements for direction formation is considerably greater, especially in the case of a continuously monitored spatial area, than in the case of a regularly configured antenna configuration.
  • transducer arrangement according to claim 1 is that the manufacture is particularly simple, since the transducer arrangement is based on a halftone spacing of the transducer elements from one another and thus a periodicity.
  • This rasterization is also advantageous for the dimensioning of the directional element, so that when a directional characteristic is swiveled or a plurality of directional characteristics pointing in different directions are formed simultaneously
  • Converter elements can be assigned multiples of phase rotation or transit time increments and a special delay or phase value for time compensation of their received signals does not have to be calculated and provided for each converter element.
  • the transducer elements within a group have the same distance and from group to group 1.5 times the value of this distance. This measure ensures that at a distance greater than half the wavelength of the associated operating frequency, an incident of waves from the grating-lobe direction does not lead to incorrect bearing, since transducer elements of adjacent groups do not use the distance d, but 1.5 ⁇ d and waves received at the grating-lobe angle are shifted from group to group by half a wavelength and their received signals are thus extinguished.
  • the energy received with an equidistant arrangement of the converter elements from the grating lobe direction is split and distributed into adjacent angular ranges in the converter arrangement according to the invention. For groups with the same number of transducers, this results in a directional characteristic with a main lobe and a zero at the associated grating lobe angle for each swivel angle.
  • the grating-lobe angle is, apart from the swivel angle into which the directional characteristic points, dependent on the frequency and the spacing of equidistant transducer elements.
  • the offset of the groups by 1.5 times the distance gives the advantage that the suppression of the grating praise is guaranteed for each swivel angle of the directional characteristic and each frequency.
  • the converter arrangement according to the invention is not only for Narrow-band, but also particularly useful for broadband reception, for example in waterborne sound technology for trailing antennas for direction finding of watercraft in the low-frequency range, because the configuration of the transducer arrangement saves transducer elements and thus a price reduction without reducing the bearing accuracy.
  • the size of the transducer elements cannot be arranged at a distance smaller than half the wavelength of the received sound waves
  • good bundling can be achieved in a particularly cost-saving and advantageous manner in terms of production technology, since the large number of transducer elements is also possible large dimensions of the transducer arrangement can be reduced and costs and weight can be saved with the same output.
  • the transducer arrangement according to claim 1 can thus advantageously be used in mine hunting and mine avoidance systems in which incorrect direction finding would be particularly harmful.
  • the directional generator is realized by multiples of phase or transit time increments, which means that the outlay on circuit technology can be kept low.
  • the large number of transducer elements can, however, not only be arranged along a straight line, but also along a curved line which follows, for example, a vehicle wall, one then speaks of a so-called conformed array.
  • the converter arrangement according to the invention can also be implemented for a cylinder base.
  • the directional characteristics are formed by compensating the transit time or phases of the received signals from the installation location to a straight line perpendicular to the direction of incidence of the wave and summation. Starting from this straight line, the dimensioning of the transducer arrangement is to be carried out according to claim 1.
  • the individual transducer element locations are obtained by vertically shifting from the virtual location on the straight line to the geometric location on the installation line, which is canceled again by the direction generator.
  • the surface is divided by lines crossing each other in the middle and the transducer elements arranged in groups along the lines.
  • the plurality of transducer elements is arranged along a straight line according to the advantageous development of the transducer arrangement according to the invention and its number of groups along the straight line is selected according to the advantageous further development according to claim 3 so that a required damping distance between the main lobe and fragmented grating praise in The area around the grating lobe angle is maintained.
  • Receiving energy that would be received from the grating-lobe direction in an equidistantly arranged transducer arrangement is distributed by the transducer arrangement according to the invention into adjacent angular ranges between the grating-lobe angle and the swivel angle.
  • the angular ranges are from the Number of groups dependent.
  • the individual transducer elements per group move closer together, since the group spacings are equal to 1.5 times the value of the transducer spacings within the group.
  • the directional characteristic results in lobes that are significantly less sensitive than the main lobe.
  • the lobes are fragmented grating lobes that are symmetrical to the grating-lobe angle, in the remaining angular range up to the main lobe periodically occurring lobes that can be understood as pseudo-grating lobes. Their sensitivity decreases towards the main club.
  • the groups have different numbers of transducers, wherein the groups are arranged symmetrically to the center of the transducer arrangement.
  • a converter arrangement is particularly advantageous in which the number of converters of the groups closest to the center is greatest and decreases towards the edge of the converter arrangement. This measure also splinters the pseudo-grating praise and, apart from the main lobe, the directional characteristic is continuously attenuated over all angular ranges to approximately the same level, which is lower the larger the number of groups.
  • the transducer arrangement consists of two identical sub-bases which are arranged nested one inside the other and are mirror-inverted side-to-side.
  • Each of the two sub-bases has a grid that is equal to the distance between the transducers.
  • the two sub-bases are shifted from each other by 1.5 times the distance.
  • the reduction in the angular range between the grating lobe angle and the direction in which the main lobe points is the same if the number of converters in the groups is not the same.
  • the fragmented grating lobes symmetrically around the grating lobe angle level off in particular to the same low level when the number of transducers decreases from the center to the outside.
  • the specified regulation is comparable to the Leverage Act. It will the distance between the center of the transducer arrangement and each individual transducer element of the groups belonging to a sub-base added up to the right and left of the center of the transducer arrangement. A directional characteristic with maximum sensitivity in the main lobe at maximum swivel angle and uniform damping in the other angular range is ensured in that the sum of the distances to the right of the center is equal to the sum of the distances to the left of the center. As a result, the focus of each sub-base is almost on the middle of the transducer arrangement. With this dimensioning, it is assumed that the received signals of the transducer elements are added in the directional generator after an amplitude evaluation of "1".
  • the product is formed from the respective distance and the amplitude evaluation factor and the sum of the products for each sub-base taking into account the position of the transducer with respect to the center "Zero".
  • the damping by the grating-lobe angle in an angular range of approximately 10 ° is more than 35 dB compared to the sensitivity of the main lobe.
  • the fragmented grating praise that limits this angular range has an attenuation of a good 10 dB.
  • the attenuation in the angular range up to the swivel angle of the main lobe increases continuously up to values of 30 dB.
  • the dimensioning of the number of transducers in the groups depends on the application of the transducer arrangement and is different, for example, in the case of a broadband operation, as is necessary for monitoring a sea area in a trailing antenna, than in the case of narrowband operation, as is e.g. is common in actively working sonar systems, where a high degree of selectivity with regard to echoes from a wide-range, irradiated sector is necessary.
  • the transducer arrangement for reception according to claim 7 in which the average number of transducers in the groups is selected so that echoes from directions other than the direction of the main lobe are received with significantly less sensitivity.
  • the measure according to claim 8 ensures that the same number of transducer elements always have received signals that cancel each other out while the pulse sweeps across the transducer arrangement.
  • the transducer arrangements described for the reception case are also suitable for transmission.
  • FIG. 1 shows a transducer arrangement for a waterborne sound system with a large number N of transducer elements which are arranged along a straight line 10.
  • the transducer elements are followed by a direction generator (not shown here), which consists of phase shifters with monochromatic reception or from delay elements with broadband reception.
  • the received signals of the transducer elements are added instantaneously when sound waves are received from the vertical to the center 11 of the transducer arrangement and form a directional characteristic with a main lobe in the direction of the perpendicular and secondary lobes.
  • the larger the extension L of the transducer arrangement the smaller its opening angle.
  • the directional characteristic can be swiveled from the perpendicular to the center by angle ⁇ by running time or phase control, whereby the maximum swivel angle is the drawn angle ⁇ max .
  • several directional characteristics can be formed, the main lobes of which point at different swivel angles.
  • the transducer elements are at a distance d from one another, between groups 21 and 22 or 22 and 23 or 23 and 24 1.5 times the value of the distance d.
  • the distance d between the transducer elements is greater than ⁇ / 2, where ⁇ is the smallest wavelength of the received sound wave.
  • a swivel angle ⁇ max of the directional characteristic in addition to side lobes, another lobe with the same sensitivity as the main lobe, the so-called grating lobe, occurs at a grating lobe angle ⁇ , as for example in "Microwave Scanning Antennas" from RC Hansen, Academic Press, New York and London, 1964, shown on page 203.
  • the relationship sin ⁇ sin ⁇ - n ⁇ / d applies.
  • the number of grating-lobe angles ⁇ and their size depend on the distance d of the transducer elements with respect to the wavelength ⁇ of the received wave and on the swivel angle ⁇ . For each swivel angle ⁇ and each frequency f, different grating lobe angles ⁇ are set.
  • phase signals are added: If a sound wave occurs from the grating-lobe angle ⁇ during this direction formation, the received sound wave has a transit time difference t m at the transducer element at position D compared to the transducer element at position E, which each form the outer transducer elements of group 23 whose sign is negative compared to the delay times ⁇ .
  • the transit time difference t m + 1 between the converter element at position E and the converter element at position A is calculated as follows: These runtime differences t m and t m + 1 always arise between the transducer elements at the borders of neighboring groups 24/23, 23/22 and 22/21. Positions F, E, D correspond to positions D, A, B etc.
  • the result at reception under the grating-lobe angle ⁇ is: at position E the received signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ ) , where ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ is any initial phase.
  • This reception signal at position E is not delayed, at position D the received signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ + t m ) , the un ⁇ m is delayed, and after the onset of (1) and (3) the delayed signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ + m ⁇ / c) , at position A the receive signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ + t m + 1 ) , which is delayed by the delay time ⁇ m + 1 , and after the onset of (2) and (4) the delayed signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ + m ⁇ / c + 3 ⁇ / 2c) , at position B the receive signal U ⁇ e j ⁇ (t + ⁇ ⁇ + t m + 1 + t m), which is delayed by ⁇ m + 1 + ⁇ m , and after the onset of (1), (2), (3) and (4) the delayed signal U ⁇
  • the 1.5 times the distance d causes a phase shift between the received signals at D and A by 180 ° or ⁇ / 2.
  • the delayed signals are added in phase, but shifted by half a wavelength from group 21/22 or 22/23 or 23/34, so that the delayed received signals add up even number of groups 22, ..., 24, zero results.
  • a compensation of the received signals is achieved by compensation in the directional generator when sound is incident from the swivel angle ⁇ .
  • the direction generator is set so that its main lobe 30 points to the maximum swivel angle ⁇ max .
  • the grating-lobe angle ⁇ is located in an angular range 31, which is limited by the two highest fragmented grating praise 32, 33, which have an attenuation of R1 in relation to the directional sensitivity R of the main lobe 30.
  • N 100 of converter elements are accommodated with the same extension of the converter arrangement as in FIG. 2.
  • their distances from one another are stochastic or noisy.
  • the secondary level attenuation is almost constant over the entire angular range and is somewhat less than the fragmented grating praise 32 and 33 in FIG Grating lobe angle ⁇ itself is not as high a damping R2 as achieved with the converter arrangement according to the invention.
  • the damping is comparable over the entire angular range.
  • the number of converters z of the q groups is varied.
  • the individual transducer elements in each group are spaced 0.75 ⁇ apart, the groups are spaced 1.5.0.75 ⁇ apart.
  • the first group 110 located on the left outer edge has only one transducer element, the adjacent group 111 has two, the group 112 three transducer elements, the group 113 four transducer elements, the group 114 five transducer elements, the groups 115 and 116 six transducer elements, the group 117 seven transducer elements and groups 118 and 119 each have eight transducer elements.
  • the number of transducers z in the following groups have the same size symmetrically with respect to the center 11.
  • the groups with the even numbers 110, 112, ..., 128 form a sub-base 200
  • the groups 111, 113, ..., 129 with odd numbers form a second sub-base 300.
  • the sub-bases 200, 300 are nested one inside the other and reversed mirror-symmetrically. Each sub-base 200, 300 has a grid of d, which is shifted from one another by d / 2.
  • the number of transducers z of the q groups are selected such that a directional characteristic according to FIG. 5 is achieved with a corresponding directional element when swiveling by the maximum swivel angle max .
  • This directional characteristic is characterized by the fact that a maximum attenuation is achieved around the grating-lobe angle ⁇ and that no further periodic components are recorded in the directional characteristic.
  • the secondary levels in the area of the main lobe 30 are also particularly strongly damped.
  • subgroup 200 ie for groups 110, 112, ., 128 must apply: The focus of subgroup 200 is thus in the middle 11 of the transducer arrangement. The same applies to the sub-base 300.
  • Fig. 6 shows a diagram in which the standard dimension R in dB for a different number q of groups is entered over the angle ⁇ .
  • the sensitivities are the same if the transducer arrangement has equidistantly distributed transducer elements whose spacing is greater than half the wavelength.
  • the curves r and s indicate limit values for the damping of the fragmented grating praise for the different number q of groups.
  • R0 the limit value which corresponds to the damping if the transducer distances are statistically distributed. 6
  • the number q of groups is to be dimensioned depending on the task of the entire sonar system.

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

2.1 Directional characteristics of transducer arrangements having a multiplicity of transducer elements, which are arranged at equidistant intervals greater than half the wavelength, have so-called grating lobes of equal sensitivity in addition to the main lobe. If the transducer elements are distributed randomly, the grating lobes are attenuated such that incorrect bearings are prevented. However, to generate a plurality of directional characteristics or a directional characteristic which can be pivoted, individual propagation time compensation or phase compensation must be provided for each direction and each transducer element. 2.2 In order to simplify the circuit complexity for directivity formation, the multiplicity of transducer elements is split, according to the invention, into groups, the transducer elements within the group being arranged at the same intervals and being arranged from group to group at 1.5 times the value of the interval. The groups have identical or different numbers of transducers which reduce from the centre outwards, as a result of which the received energy from the grating lobe direction is greatly attenuated. 2.3 The transducer arrangement can be used advantageously in underwater sound technology for broadband or narrowband passive or active systems, especially for reception. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Wandleranordnung mit einer Vielzahl an Wandlerelementen für eine schwenkbare Richtcharakteristik der im Oberbegriff genannten Art.The invention relates to a transducer arrangement with a plurality of transducer elements for a pivotable directional characteristic of the type mentioned in the preamble.

In der Radar- und Sonartechnik werden Wandleranordnungen oder Antennen zum Bilden von Richtcharakteristiken benötigt, um Richtung und Entfernung wellenabstrahlender oder reflektierender Ziele zu bestimmen. Der Öffnungswinkel einer Richtcharakteristik bestimmt die Genauigkeit der Richtungsbestimmung oder Peilung zum Ziel und wird durch die Längenabmessung der Wandleranordnung festgelegt. Eine eindeutige Richtungsbestimmung wird aber erst dann möglich, wenn über die Länge der Wandleranordnung eine Vielzahl von Wandlerelementen äquidistant im Abstand der kleinsten zu empfangenden, halben Wellenlänge angeordnet sind. Dann besteht die Richtcharakteristik aus einer Hauptkeule maximaler Empfindlichkeit und gedämpften Nebenkeulen. Wenn jedoch die Abstände der Wandlerelemente größer als die halbe Wellenlänge sind, sei es aus Kostengründen oder wegen der geometrischen Abmessungen der Wandlerelemente selbst oder wegen auftretender Wärmeprobleme im Aktivbetrieb, ist eine Richtungsbestimmung nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich, da die Richtcharakteristik außer der gewünschten Hauptkeule weitere Keulen gleicher Empfindlichkeit, sog. Grating-Lobes, aufweist. Welleneinfall aus einer oder mehreren der Richtungen, in die die Grating-Lobes weisen, würde eine Peilung aus der Richtung, in die die Hauptkeule weist, vortäuschen. Um solche Fehlpeilungen auszuschließen, wird bei einer aktiv arbeitenden Ortungsanlage beispielsweise nur ein schmaler Sektor mit Wellen bestrahlt, so daß die Grating-Lobe-Richtungen außerhalb des Sektors liegen. Ist eine Sektorbegrenzung nicht möglich, so wird ein Ausblenden oder Dämpfen der Grating-Lobes beispielsweise dadurch erzielt, daß die Wandleranordnung aus statistisch zueinander angeordneten Wandlerelementen aufgebaut wird, wie es beispielsweise in der US-PS 3 553 703 beschrieben ist.In radar and sonar technology, transducer arrangements or antennas are required to form directional characteristics in order to determine the direction and distance of wave-emitting or reflecting targets. The opening angle of a directional characteristic determines the accuracy of the direction determination or bearing to the target and is determined by the length dimension of the transducer arrangement. A clear determination of the direction is only possible, however, if a plurality of transducer elements are arranged equidistantly over the length of the transducer arrangement at a distance from the smallest half wavelength to be received. Then the directional characteristic consists of a main lobe of maximum sensitivity and damped side lobes. However, if the distances between the transducer elements are greater than half the wavelength, be it for cost reasons or because of the geometrical dimensions of the transducer elements themselves or because of heat problems that occur during active operation, a direction determination is only possible under certain conditions, since the directional characteristic is not the desired one Main lobe has other lobes of the same sensitivity, so-called grating praise. Wave incidence from one or more of the directions in which the grating lobes point would simulate a bearing from the direction in which the main lobe is pointing. In order to rule out such incorrect bearing, in an actively working location system, for example, only a narrow sector is irradiated with waves, so that the grating lobe directions lie outside the sector. If it is not possible to limit the sector, the grating praise is suppressed or damped, for example, by constructing the transducer arrangement from transducer elements arranged statistically with respect to one another, as described, for example, in US Pat. No. 3,553,703.

Aus der PCT-Anmeldung WO 88/10523 entsprechend EP-Anmeldung 0315689 ist eine flächige, aus auf konzentrischen Kreisen angeordneten Wandlerelementen aufgebaute Wandleranordnung zum Senden elektromagnetischer Wellen bekannt. Es werden unterschiedlich große Wandlerelemente je Kreis verwendet, so daß die Abstände der Wandlerelemente in radialer Richtung aufgrund der unterschiedlichen Wandlerelementgrößen verschieden sind. Die Anzahl gleicher Wandlerelemente je Kreis ist durch die Wandlerelementgröße vorgegeben. Die Länge der Radien der konzentrischen Kreise steigt nicht periodisch an. Die Wandlerelementgröße nimmt von der Mitte ausgehend zu und zum Rand der Wandleranordnung hin wieder ab, die kleinsten Wandlerelemente befinden sich in der Mitte. Durch den nicht periodischen Aufbau der Wandleranordnung werden Grating-Lobes, aufgrund der durch die unterschiedlichen Größen der Wandlerelemente gegebenen Amplitudenbewertung der abgestrahlten Welle Nebenkeulen gedämpft, wobei der Antennengewinn derselbe ist, wie bei einer Wandleranorndung mit gleich großen Wandlerelementen.PCT application WO 88/10523 corresponding to EP application 0315689 discloses a flat transducer arrangement for transmitting electromagnetic waves, which is composed of transducer elements arranged on concentric circles. Transducer elements of different sizes are used per circle, so that the distances of the transducer elements in the radial direction are different due to the different transducer element sizes. The number of identical transducer elements per circle is determined by the transducer element size. The length of the radii of the concentric circles does not increase periodically. The transducer element size increases from the center and decreases towards the edge of the transducer arrangement, the smallest transducer elements are in the middle. Due to the non-periodic structure of the transducer arrangement, grating praise, due to the amplitude evaluation of the emitted wave due to the different sizes of the transducer elements, is attenuated, the antenna gain being the same as for a Transducer arrangement with transducer elements of the same size.

Für Ortungsaufgaben können durch Phasenansteuerung der Wandleranordnung mehrere in unterschiedliche Richtungen weisende Richtcharakteristiken oder eine schwenkbare Richtcharakteristik gebildet werden. Für jede Raumrichtung ist eine spezielle Phasenansteuerung der unregelmäßig angeordneten Wandlerelemente notwendig, so daß der Aufwand an Phasendrehgliedern zur Richtungsbildung insbesondere bei einem kontinuierlich zu überwachenden räumlichen Gebiet wesentlich größer ist als bei einer regelmäßig aufgebauten Antennenkonfiguration.For localization tasks, a plurality of directional characteristics pointing in different directions or a pivotable directional characteristic can be formed by phase control of the transducer arrangement. A special phase control of the irregularly arranged transducer elements is necessary for each spatial direction, so that the expenditure on phase rotating elements for direction formation is considerably greater, especially in the case of a continuously monitored spatial area, than in the case of a regularly configured antenna configuration.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wandleranordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zu schaffen, bei der mehrere in unterschiedlichen Richtungen weisende Richtcharakteristiken oder eine schwenkbare Richtcharakteristik unter Vermeidung von Fehlpeilungen durch Grating-Lobes ohne großen Mehraufwand gebildet werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.It is an object of the present invention to provide a transducer arrangement of the type mentioned in the preamble of claim 1, in which a plurality of directional characteristics pointing in different directions or a swiveling directional characteristic can be formed by avoiding incorrect bearing by grating praise without great additional effort. This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Der Vorteil einer Wandleranordnung gemäß Anspruch 1 liegt darin, daß die Fertigung besonders einfach ist, da der Wandleranordnung eine Rasterung vom halben Abstand der Wandlerelemente zueinander zugrunde liegt und somit eine Periodizität. Diese Rasterung ist für die Dimensionierung des Richtungsbildners ebenfalls vorteilhaft, so daß bei einer Schwenkung einer Richtcharakteristik oder der simultanen Bildung mehrerer in unterschiedliche Richtungen weisenden Richtcharakteristiken den Wandlerelementen Vielfache von Phasendreh- oder Laufzeitinkrementen zugeordnet werden können und nicht für jedes Wandlerelement ein spezieller Verzögerungs- oder Phasenwert zur zeitlichen Kompensation ihrer Empfangssignale berechnet und bereitgestellt werden muß.The advantage of a transducer arrangement according to claim 1 is that the manufacture is particularly simple, since the transducer arrangement is based on a halftone spacing of the transducer elements from one another and thus a periodicity. This rasterization is also advantageous for the dimensioning of the directional element, so that when a directional characteristic is swiveled or a plurality of directional characteristics pointing in different directions are formed simultaneously Converter elements can be assigned multiples of phase rotation or transit time increments and a special delay or phase value for time compensation of their received signals does not have to be calculated and provided for each converter element.

Die Wandlerelemente innerhalb einer Gruppe haben den gleichen Abstand und von Gruppe zu Gruppe den 1,5fachen Wert dieses Abstands. Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß bei einem Abstand größer als die halbe Wellenlänge der zugehörigen Arbeitsfrequenz ein Einfall von Wellen aus der Grating-Lobe-Richtung nicht zu einer Fehlpeilung führt, da Wandlerelemente benachbarter Gruppen nicht den Abstand d, sondern 1,5·d aufweisen und unter dem Grating-Lobe-Winkel empfangene Wellen von Gruppe zu Gruppe um eine halbe Wellenlänge verschoben sind und ihre Empfangssignale sich somit auslöschen. Die bei äquidistanter Anordnung der Wandlerelemente aus Grating-Lobe-Richtung empfangene Energie wird bei der erfindungsgemäßen Wandleranordnung in benachbarte Winkelbereiche aufgespalten und verteilt. Für Gruppen mit gleich großen Wandlerzahlen ergibt sich dadurch bei jedem Schwenkwinkel eine Richtcharakteristik mit einer Hauptkeule und einer Nullstelle beim zugehörigen Grating-Lobe-Winkel.The transducer elements within a group have the same distance and from group to group 1.5 times the value of this distance. This measure ensures that at a distance greater than half the wavelength of the associated operating frequency, an incident of waves from the grating-lobe direction does not lead to incorrect bearing, since transducer elements of adjacent groups do not use the distance d, but 1.5 · d and waves received at the grating-lobe angle are shifted from group to group by half a wavelength and their received signals are thus extinguished. The energy received with an equidistant arrangement of the converter elements from the grating lobe direction is split and distributed into adjacent angular ranges in the converter arrangement according to the invention. For groups with the same number of transducers, this results in a directional characteristic with a main lobe and a zero at the associated grating lobe angle for each swivel angle.

Der Grating-Lobe-Winkel ist, abgesehen vom Schwenkwinkel, in die die Richtcharakteristik weist, von der Frequenz und vom Abstand äquidistanter Wandlerelemente abhängig. Durch den Versatz der Gruppen um den 1,5fachen Wert des Abstands ist der Vorteil gegeben, daß für jeden Schwenkwinkel der Richtcharakteristik und jede Frequenz die Unterdrückung des Grating-Lobes gewährleistet ist. Somit ist die erfindungsgemäße Wandleranordnung nicht nur für schmalbandigen, sondern insbesondere auch für breitbandigen Empfang vorteilhaft einsetzbar, beispielsweise in der Wasserschalltechnik für Schleppantennen zum Peilen von Wasserfahrzeugen im niederfrequenten Bereich, weil durch die Ausgestaltung der Wandleranordnung eine Einsparung von Wandlerelementen und damit eine Preisreduktion möglich ist, ohne daß die Peilgenauigkeit abnimmt.The grating-lobe angle is, apart from the swivel angle into which the directional characteristic points, dependent on the frequency and the spacing of equidistant transducer elements. The offset of the groups by 1.5 times the distance gives the advantage that the suppression of the grating praise is guaranteed for each swivel angle of the directional characteristic and each frequency. Thus, the converter arrangement according to the invention is not only for Narrow-band, but also particularly useful for broadband reception, for example in waterborne sound technology for trailing antennas for direction finding of watercraft in the low-frequency range, because the configuration of the transducer arrangement saves transducer elements and thus a price reduction without reducing the bearing accuracy.

Bei Einsatz im hochfrequenten, schmalbandigen Bereich, bei dem beispielsweise die Wandlerelemente durch ihre Baugröße nicht in einem Abstand kleiner als die halbe Wellenlänge der empfangenen Schallwellen angeordnet werden können, ist eine gute Bündelung besonders kostensparend und fertigungstechnisch vorteilhaft erzielbar, da die Vielzahl der Wandlerelemente auch bei großen Abmessungen der Wandleranordnung reduziert werden kann und Kosten und Gewicht bei gleicher Leistung eingespart werden. Die Wandleranordnung gemäß Anspruch 1 ist dadurch vorteilhaft in Minenjagd- und Minenmeideanlagen einsetzbar, bei denen Fehlpeilungen besonders schädlich wären.When used in the high-frequency, narrow-band range, in which, for example, the size of the transducer elements cannot be arranged at a distance smaller than half the wavelength of the received sound waves, good bundling can be achieved in a particularly cost-saving and advantageous manner in terms of production technology, since the large number of transducer elements is also possible large dimensions of the transducer arrangement can be reduced and costs and weight can be saved with the same output. The transducer arrangement according to claim 1 can thus advantageously be used in mine hunting and mine avoidance systems in which incorrect direction finding would be particularly harmful.

Sowohl im schmalbandigen, wie auch im breitbandigen Betrieb ist es gleichermaßen vorteilhaft, daß der Richtungsbildner durch Vielfache von Phasen- oder Laufzeitinkrementen realisiert wird, wodurch der Aufwand an Schaltungstechnik klein gehalten werden kann.Both in narrowband and in broadband operation, it is equally advantageous that the directional generator is realized by multiples of phase or transit time increments, which means that the outlay on circuit technology can be kept low.

Die Vielzahl der Wandlerelemente kann aber nicht nur längs einer Geraden angeordnet werden, sondern auch längs einer gewölbten Linie, die beispielsweise einer Fahrzeugwandung folgt, man spricht dann von einem sog. conformed array. Bei Anwendung in der Wasserschalltechnik folgt die Wandleranordnung der Kontur eines Schiffs, U-Boots oder Torpedos. Die erfindungsgemäße Wandleranorndung ist auch für eine Zylinderbasis realisierbar. Bei all diesen Wandleranordnungen werden die Richtcharakteristiken durch Kompensation der Laufzeit oder Phasen der Empfangssignale vom Einbauort zu einer Geraden senkrecht zur Einfallsrichtung der Welle und Summation gebildet. Ausgehend von dieser Geraden ist die Dimensionierung der Wandleranordnung gemäß Anspruch 1 durchzuführen. Die einzelnen Wandlerelementorte erhält man durch senkrechtes Verschieben vom virtuellen Ort auf der Geraden zum geometrischen Ort auf der Einbaulinie, das durch den Richtungsbildner wieder aufgehoben wird.The large number of transducer elements can, however, not only be arranged along a straight line, but also along a curved line which follows, for example, a vehicle wall, one then speaks of a so-called conformed array. When used in water-borne noise technology, the follows Transducer arrangement of the contour of a ship, submarine or torpedo. The converter arrangement according to the invention can also be implemented for a cylinder base. In all of these converter arrangements, the directional characteristics are formed by compensating the transit time or phases of the received signals from the installation location to a straight line perpendicular to the direction of incidence of the wave and summation. Starting from this straight line, the dimensioning of the transducer arrangement is to be carried out according to claim 1. The individual transducer element locations are obtained by vertically shifting from the virtual location on the straight line to the geometric location on the installation line, which is canceled again by the direction generator.

Für eine flächige Wandleranordnung mit einer Bündelung ihrer Richtcharakteristik in Azimut und Elevation wird die Fläche durch sich in der Mitte kreuzende Linien aufgeteilt und die Wandlerelemente längs der Linien in Gruppen angeordnet.For a flat transducer arrangement with a bundling of its directional characteristics in azimuth and elevation, the surface is divided by lines crossing each other in the middle and the transducer elements arranged in groups along the lines.

Die Vielzahl der Wandlerelemente wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wandleranordnung nach Anspruch 2 längs einer Geraden angeordnet und ihre Anzahl an Gruppen längs der Geraden wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 3 so gewählt, daß ein geforderter Dämpfungsabstand zwischen Hauptkeule und zersplitterten Grating-Lobes im Bereich um den Grating-Lobe-Winkel eingehalten wird. Empfangsenergie, die bei einer äquidistant angeordneten Wandleranordnung aus der Grating-Lobe-Richtung empfangen würde, wird durch die erfindungsgemäße Wandleranordnung in benachbarte Winkelbereiche zwischen Grating-Lobe-Winkel und Schwenkwinkel verteilt. Die Winkelbereiche sind von der Anzahl der Gruppen abhängig. Das bedeutet auch, daß bei gleicher Bündelung die einzelnen Wandlerelemente je Gruppe enger zusammenrücken, da die Gruppenabstände gleich dem 1,5fachen Wert der Wandlerabstände innerhalb der Gruppe sind. Sind die Gruppen der Wandlerelemente gleich groß, ergeben sich in der Richtcharakteristik Keulen, die von wesentlich geringerer Empfindlichkeit sind als die Hauptkeule. Im Winkelbereich um den Grating-Lobe-Winkel sind die Keulen zersplitterte Grating-Lobes, die symmetrisch zum Grating-Lobe-Winkel liegen, im übrigen Winkelbereich bis zur Hauptkeule periodisch auftretende Keulen, die als Pseudo-Grating-Lobes aufgefaßt werden können. Ihre Empfindlichkeit nimmt zur Hauptkeule hin ab.The plurality of transducer elements is arranged along a straight line according to the advantageous development of the transducer arrangement according to the invention and its number of groups along the straight line is selected according to the advantageous further development according to claim 3 so that a required damping distance between the main lobe and fragmented grating praise in The area around the grating lobe angle is maintained. Receiving energy that would be received from the grating-lobe direction in an equidistantly arranged transducer arrangement is distributed by the transducer arrangement according to the invention into adjacent angular ranges between the grating-lobe angle and the swivel angle. The angular ranges are from the Number of groups dependent. This also means that with the same bundling, the individual transducer elements per group move closer together, since the group spacings are equal to 1.5 times the value of the transducer spacings within the group. If the groups of transducer elements are of the same size, the directional characteristic results in lobes that are significantly less sensitive than the main lobe. In the angular range around the grating-lobe angle, the lobes are fragmented grating lobes that are symmetrical to the grating-lobe angle, in the remaining angular range up to the main lobe periodically occurring lobes that can be understood as pseudo-grating lobes. Their sensitivity decreases towards the main club.

Um eine Richtcharakteristik zu erhalten, die einer Richtcharakteristik ähnelt, die mit einer Wandleranordnung mit verrauschten Abständen der Wandlerelemente, die nicht periodisch, sondern statistisch sind, erzielbar ist, weisen nach einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wandleranorndung nach Anspruch 4 die Gruppen unterschiedliche Wandlerzahlen auf, wobei die Gruppen symmetrisch zur Mitte der Wandleranordnung angeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist eine Wandleranordnung, bei der die Wandlerzahlen der am dichtesten zur Mitte angeordneten Gruppen am größten sind und zum Rand der Wandleranordnung hin abnehmen. Durch diese Maßnahme werden auch die Pseudo-Grating-Lobes zersplittert und die Richtcharakteristik abgesehen von der Hauptkeule kontinuierlich über alle Winkelbereiche auf ungefähr gleiches Niveau herabgedämpft, das um so niedriger ist, je größer die Anzahl der Gruppen ist. Eine zusätzliche Beeinflussung der Richtcharakteristik durch eine Amplitudenbewertung der Empfangssignale der Wandleranordnung nach der Erfindung ist möglich und bringt bezüglich ihrer Nebenkeulen die bekannten Vorteile mit sich. Durch Simulationsrechnungen der Richtcharakteristik läßt sich in einfacher Weise eine Optimierung der Anzahl der Gruppen und ihrer Wandlerzahlen erreichen.In order to obtain a directional characteristic that is similar to a directional characteristic that can be achieved with a transducer arrangement with noisy spacings of the transducer elements that are not periodic but statistical, according to an advantageous development of the transducer arrangement according to claim 4, the groups have different numbers of transducers, wherein the groups are arranged symmetrically to the center of the transducer arrangement. A converter arrangement is particularly advantageous in which the number of converters of the groups closest to the center is greatest and decreases towards the edge of the converter arrangement. This measure also splinters the pseudo-grating praise and, apart from the main lobe, the directional characteristic is continuously attenuated over all angular ranges to approximately the same level, which is lower the larger the number of groups. An additional influence on the directional characteristic by an amplitude evaluation of the received signals of the Transducer arrangement according to the invention is possible and has the known advantages with regard to its side lobes. Simulation calculations of the directional characteristic can be used to easily optimize the number of groups and their number of transducers.

Besonders vorteilhaft ist es, die Wandlerzahlen der Gruppen so zu wählen, daß die Wandleranordnung, wie in Anspruch 5 angegeben, aus zwei gleichen Teilbasen besteht, die ineinander verschachtelt angeordnet sind und zueinander seitenvertauscht spiegelsymmetrisch sind. Jede der beiden Teilbasen weist eine Rasterung auf, die gleich dem Abstand der Wandler ist. Die beiden Teilbasen sind jedoch gegeneinander um den 1.5fachen Wert des Abstands verschoben. Durch diese Maßnahme werden Lage und Pegel aller Keulen, außer der Hauptkeule, so verteilt, daß bei Schwenkung der Hauptkeule in den maximalen Schwenkwinkel aus anderen Winkelbereichen einfallende Wellenenergie gleichmäßig gedämpft wird, wobei die Dämpfung im Winkelbereich um den zugehörigen Grating-Lobe-Winkel um so größer ist je größer die Anzahl der Gruppen. Die Absenkung im Winkelbereich zwischen dem Grating-Lobe-Winkel und der Richtung, in die die Hauptkeule weist, ist gleich groß ist, wenn die Wandlerzahlen der Gruppen ungleich sind. Die zersplitterten Grating-Lobes symmetrisch um den Grating-Lobe-Winkel ebnen sich insbesondere auf gleiche niedrige Pegel ein, wenn die Wandlerzahlen von der Mitte nach außen abnehmen.It is particularly advantageous to select the number of transducers in the groups such that the transducer arrangement, as stated in claim 5, consists of two identical sub-bases which are arranged nested one inside the other and are mirror-inverted side-to-side. Each of the two sub-bases has a grid that is equal to the distance between the transducers. However, the two sub-bases are shifted from each other by 1.5 times the distance. By this measure, the position and level of all lobes, except for the main lobe, are distributed such that when the main lobe is pivoted, incident wave energy from other angular ranges is uniformly damped, the damping in the angular range around the associated grating lobe angle all the more the greater the number of groups. The reduction in the angular range between the grating lobe angle and the direction in which the main lobe points is the same if the number of converters in the groups is not the same. The fragmented grating lobes symmetrically around the grating lobe angle level off in particular to the same low level when the number of transducers decreases from the center to the outside.

Besonders vorteilhaft ist es, die Wandlerzahlen der Gruppen gemäß Anspruch 6 zu dimensionieren. Die angegebene Vorschrift ist mit dem Hebelgesetz vergleichbar. Es wird die Distanz zwischen der Mitte der Wandleranordnung und jedem einzelnen Wandlerelement der zu einer Teilbasis gehörenden Gruppen rechts und links von der Mitte der Wandleranordnung aufsummiert. Eine Richtcharakteristik mit maximaler Empfindlichkeit in der Hauptkeule bei maximalem Schwenkwinkel und gleichmäßiger Dämpfung im übrigen Winkelbereich wird dadurch gewährleistet, daß die Summe der Distanzen rechts von der Mitte gleich der Summe der Distanzen links von der Mitte ist. Dadurch liegt der Schwerpunkt jeder Teilbasis nahezu auf der Mitte der Wandleranorndung. Bei dieser Dimensionierung ist davon ausgegangen, daß die Empfangssignale der Wandlerelemente nach einer Amplitudenbewertung von "1" im Richtungsbildner addiert werden.It is particularly advantageous to dimension the number of converters of the groups according to claim 6. The specified regulation is comparable to the Leverage Act. It will the distance between the center of the transducer arrangement and each individual transducer element of the groups belonging to a sub-base added up to the right and left of the center of the transducer arrangement. A directional characteristic with maximum sensitivity in the main lobe at maximum swivel angle and uniform damping in the other angular range is ensured in that the sum of the distances to the right of the center is equal to the sum of the distances to the left of the center. As a result, the focus of each sub-base is almost on the middle of the transducer arrangement. With this dimensioning, it is assumed that the received signals of the transducer elements are added in the directional generator after an amplitude evaluation of "1".

Wenn jedoch zur weiteren Verbesserung der Richtcharakteristik eine ungleichförmige Amplitudenbewertung durchgeführt wird, wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 7 das Produkt aus der jeweiligen Distanz und dem Amplitudenbewertungsfaktor gebildet und die Summe über die Produkte für jede Teilbasis unter Berücksichtigung der Lage des Wandlers bezüglich der Mitte "Null". Bei einer solchen Wandleranordnung liegt die Dämpfung um den Grating-Lobe-Winkel in einem Winkelbereich von ca. 10° bei mehr als 35 dB gegenüber der Empfindlichkeit der Hauptkeule. Die zersplitterten Grating-Lobes, die diesen Winkelbereich begrenzen, weisen eine Dämpfung von gut 10 dB auf. Die Dämpfung im Winkelbereich bis zum Schwenkwinkel der Hauptkeule nimmt kontinuierlich zu bis auf Werte von 30 dB.However, if a non-uniform amplitude evaluation is carried out to further improve the directional characteristic, according to the advantageous development according to claim 7, the product is formed from the respective distance and the amplitude evaluation factor and the sum of the products for each sub-base taking into account the position of the transducer with respect to the center "Zero". With such a transducer arrangement, the damping by the grating-lobe angle in an angular range of approximately 10 ° is more than 35 dB compared to the sensitivity of the main lobe. The fragmented grating praise that limits this angular range has an attenuation of a good 10 dB. The attenuation in the angular range up to the swivel angle of the main lobe increases continuously up to values of 30 dB.

Die Dimensionierung der Wandlerzahlen der Gruppen ist abhängig vom Anwendungsfall der Wandleranordnung und ist beispielsweise bei einem breitbandigen Betrieb, wie er bei einer Schleppantenne zum Überwachen eines Seegebiets notwendig ist, anders als bei schmalbandigem Betrieb, wie er z.B. bei aktiv arbeitenden Sonaranlagen üblich ist, bei denen eine große Trennschärfe bezüglich Echos aus einem beschallten breiten Winkelsektor notwendig ist.The dimensioning of the number of transducers in the groups depends on the application of the transducer arrangement and is different, for example, in the case of a broadband operation, as is necessary for monitoring a sea area in a trailing antenna, than in the case of narrowband operation, as is e.g. is common in actively working sonar systems, where a high degree of selectivity with regard to echoes from a wide-range, irradiated sector is necessary.

Bei Aktivanlagen ist es besonders vorteilhaft, die Wandleranordnung für den Empfang gemäß Anspruch 7 zu dimensionieren, bei der die mittlere Wandlerzahl der Gruppen so gewählt ist, daß Echos aus anderen Richtungen als der Richtung der Hauptkeule mit wesentlich geringerer Empfindlichkeit empfangen werden. Bei impulsförmigen Schalleinfall aus Grating-Lobe-Richtung wird durch die Maßnahme gemäß Anspruch 8 dafür gesorgt, daß immer gleich viele Wandlerelemente Empfangssignale aufweisen, die sich gegenseitig auslöschen, während der Impuls über die Wandleranordnung streicht.In active systems, it is particularly advantageous to dimension the transducer arrangement for reception according to claim 7, in which the average number of transducers in the groups is selected so that echoes from directions other than the direction of the main lobe are received with significantly less sensitivity. In the case of pulsed sound from the grating-lobe direction, the measure according to claim 8 ensures that the same number of transducer elements always have received signals that cancel each other out while the pulse sweeps across the transducer arrangement.

Die für den Empfangsfall beschriebenen Wandleranordnungen sind ebenfalls zum Senden geeignet.The transducer arrangements described for the reception case are also suitable for transmission.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen für eine Wandleranordnung mit einer Vielzahl an Wandlerelementen zum Senden und/oder Empfangen von Schallwellen, die Bestandteil einer Sonaranlage ist, nachfolgend näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1
eine Wandleranordnung mit Gruppen von Wandlerelementen, deren Wandlerzahlen gleich sind,
Fig. 2
eine Richtcharakteristik der Wandleranordnung gemäß Fig. 1,
Fig. 3
eine Richtcharakteristik für eine Wandleranordnung mit statistisch angeordneten Wandlerelementen,
Fig. 4
eine Wandleranordnung aus zwei Teilbasen, deren Gruppen unterschiedliche Wandlerzahlen aufweisen,
Fig. 5
eine Richtcharakteristik der Wandleranordnung gemäß Fig. 4,
Fig. 6
ein Diagramm für Richtmaße über dem Winkel, parametriert mit der Anzahl der Gruppen.
The invention is described in more detail below on the basis of exemplary embodiments shown in the drawing for a transducer arrangement with a multiplicity of transducer elements for transmitting and / or receiving sound waves, which is part of a sonar system. Show it:
Fig. 1
a transducer arrangement with groups of transducer elements whose number of transducers are the same,
Fig. 2
1 shows a directional characteristic of the converter arrangement according to FIG. 1,
Fig. 3
a directional characteristic for a transducer arrangement with statistically arranged transducer elements,
Fig. 4
a converter arrangement consisting of two sub-bases, the groups of which have different converter numbers,
Fig. 5
4 shows a directional characteristic of the converter arrangement according to FIG. 4,
Fig. 6
a diagram for standard dimensions over the angle, parameterized with the number of groups.

Fig. 1 zeigt eine Wandleranordnung für eine Wasserschallanlage mit einer Vielzahl N an Wandlerelementen, die längs einer Geraden 10 angeordnet sind. Den Wandlerelementen ist ein - hier nicht gezeigter - Richtungsbildner nachgeordnet, der aus Phasendrehgliedern bei monochromatischem Empfang oder aus Laufzeitgliedern bei breitbandigem Empfang besteht. Die Empfangssignale der Wandlerelemente werden bei einem Empfang von Schallwellen aus der Senkrechten auf die Mitte 11 der Wandleranordnung unverzögert addiert und bilden eine Richtcharakteristik mit Hauptkeule in Richtung der Mittelsenkrechten und Nebenkeulen. Ihr Öffnungswinkel ist um so kleiner, je größer die Ausdehnung L der Wandleranordnung ist. Mit der Wandleranordnung und dem Richtungsbildner ist durch Laufzeit- oder Phasenansteuerung eine Schwenkung der Richtcharakteristik aus der Mittelsenkrechten um Winkel ζ möglich, wobei der maximale Schwenkwinkel der eingezeichnete Winkel ζmax ist. Ebenso können mehrere Richtcharakteristiken gebildet werden, deren Hauptkeulen in unterschiedliche Schwenkwinkel weisen.1 shows a transducer arrangement for a waterborne sound system with a large number N of transducer elements which are arranged along a straight line 10. The transducer elements are followed by a direction generator (not shown here), which consists of phase shifters with monochromatic reception or from delay elements with broadband reception. The received signals of the transducer elements are added instantaneously when sound waves are received from the vertical to the center 11 of the transducer arrangement and form a directional characteristic with a main lobe in the direction of the perpendicular and secondary lobes. The larger the extension L of the transducer arrangement, the smaller its opening angle. With the transducer arrangement and the direction generator, the directional characteristic can be swiveled from the perpendicular to the center by angle ζ by running time or phase control, whereby the maximum swivel angle is the drawn angle ζ max . Likewise, several directional characteristics can be formed, the main lobes of which point at different swivel angles.

Auf der Geraden 10 sind N = 32 Wandlerelemente angeordnet, die jeweils zu acht Wandlerelementen Gruppen 21, 22, 23, 24 bilden, wobei q =4 die Anzahl der Gruppen ist. Innerhalb jeder Gruppe 21 bis 24 weisen die Wandlerelemente einen Abstand d zueinander auf, zwischen den Gruppen 21 und 22 bzw. 22 und 23 bzw. 23 und 24 den 1,5fachen Wert des Abstands d. Der Abstand d der Wandlerelemente ist größer als λ/2, wobei λ die kleinste Wellenlänge der empfangenen Schallwelle ist. Bei einem Schwenkwinkel ζmax der Richtcharakteristik treten außer Nebenkeulen eine weitere Keule mit gleicher Empfindlichkeit wie die Hauptkeule, das sog. Grating-Lobe, unter einem Grating-Lobe-Winkel β auf, wie beispielsweise in "Microwave Scanning Antennas" von R.C. Hansen, Academic Press, New York und London, 1964, auf Seite 203 dargestellt. Es gilt die Beziehung sin β =sin ζ - n λ/d. Die Anzahl der Grating-Lobe-Winkel β und ihre Größe sind abhängig vom Abstand d der Wandlerelemente in bezug auf die Wellenlänge λ der empfangenen Welle und vom Schwenkwinkel ζ. Zu jedem Schwenkwinkel ζ und jeder Frequenz f stellen sich andere Grating-Lobe-Winkel β ein.N = 32 transducer elements are arranged on the straight line 10, each forming groups 21, 22, 23, 24 with eight transducer elements, q = 4 being the number of groups. Within each group 21 to 24, the transducer elements are at a distance d from one another, between groups 21 and 22 or 22 and 23 or 23 and 24 1.5 times the value of the distance d. The distance d between the transducer elements is greater than λ / 2, where λ is the smallest wavelength of the received sound wave. With a swivel angle ζ max of the directional characteristic, in addition to side lobes, another lobe with the same sensitivity as the main lobe, the so-called grating lobe, occurs at a grating lobe angle β, as for example in "Microwave Scanning Antennas" from RC Hansen, Academic Press, New York and London, 1964, shown on page 203. The relationship sin β = sin ζ - n λ / d applies. The number of grating-lobe angles β and their size depend on the distance d of the transducer elements with respect to the wavelength λ of the received wave and on the swivel angle ζ. For each swivel angle ζ and each frequency f, different grating lobe angles β are set.

Der Abstand d der Wandlerelemente wird aus der Ausdehnung L der gesamten Wandleranordnung, der Vielzahl N der Wandlerelemente und der Anzahl q der Gruppen nach der Regel (N-1)·d+(q-1)·1,5 d=L berechnet und beträgt beispielsweise d=3 λ/4. Bei einem Schalleinfall aus dem Schwenkwinkel ζ ergibt sich der Grating-Lobe-Winkel β wie folgt für n=1:

sin β = sin ζ- 4/3 .

Figure imgb0001



Für die Richtungsbildung einer Richtcharakteristik unter einem Schwenkwinkel ζ = ζmax = 45° gemäß Fig. 1 ist die Verzögerungszeit τm zwischen den äußeren Wandlerelementen jeder Gruppe 21, 22, 23, 24, z.B. zwischen den Wandlerelementen an den Positionen von B und A
Figure imgb0002

nötig, wobei m die um eins verminderte Wandlerzahl z jeder Gruppe ist.The distance d between the transducer elements is calculated from the dimension L of the entire transducer arrangement, the plurality N of transducer elements and the number q of groups according to the rule (N-1) * d + (q-1) * 1.5 d = L for example d = 3 λ / 4. If there is sound from the swivel angle ζ, the result is Grating lobe angle β as follows for n = 1:

sin β = sin ζ- 4/3.
Figure imgb0001



For the direction formation of a directional characteristic at a swivel angle ζ = ζ max = 45 ° according to FIG. 1, the delay time τ m between the outer transducer elements of each group 21, 22, 23, 24, for example between the transducer elements at the positions of B and A
Figure imgb0002

necessary, where m is the number of converters z of each group reduced by one.

Für das Wandlerelement zur jeweils benachbarten Gruppe 23, beispielsweise zwischen den Wandlerelementen an den Positionen B und D, ergibt sich eine Verzögerungszeit von

Figure imgb0003

Fällt eine Schallwelle aus der Richtung ζ=ζmax ein, so werden das Empfangssignal U·e jω (t+τ 0 )
Figure imgb0004
des Wandlerelements an der Position B mit der Anfangsphase ωτ₀ und der Kreisfrequenz ω um die Verzögerungszeit τm+1m, das Empfangssignal U·e jω (t+τ 0 m )
Figure imgb0005
des Wandlerelements an der Positions A um (τmm+1m) verzögert und das Empfangssignal

U·e jω(t+τ 0 m+1 )
Figure imgb0006



des Wandlerelements an der Position D um τm und das Empfangssignal an der Position E

U·e jω(t+τ 0 m+1 m )
Figure imgb0007



nicht verzögert. Die konphasen Signale werden addiert:
Figure imgb0008

Fällt bei dieser Richtungsbildung eine Schallwelle aus dem Grating-Lobe-Winkel β ein, so weist die empfangene Schallwelle an dem Wandlerelement an der Position D gegenüber dem Wandlerelement an der Position E, die jeweils die äußeren Wandlerelemente der Gruppe 23 bilden, einen Laufzeitunterschied tm auf, dessen Vorzeichen gegenüber den Verzögerungszeiten τ negativ ist.
Figure imgb0009
For the transducer element to the adjacent group 23, for example between the transducer elements at positions B and D, there is a delay time of
Figure imgb0003

If a sound wave comes in from the direction ζ = ζ max , the received signal U · e jω (t + τ 0 )
Figure imgb0004
of the transducer element at position B with the initial phase ωτ₀ and the angular frequency ω by the delay time τ m + 1 + τ m , the received signal U · e jω (t + τ 0 + τ m )
Figure imgb0005
of the transducer element at position A is delayed by (τ m + τ m + 1m ) and the received signal

U · e jω (t + τ 0 + τ m + 1 )
Figure imgb0006



of the transducer element at position D by τ m and that Receive signal at position E

U · e jω (t + τ 0 + τ m + 1 + τ m )
Figure imgb0007



not delayed. The phase signals are added:
Figure imgb0008

If a sound wave occurs from the grating-lobe angle β during this direction formation, the received sound wave has a transit time difference t m at the transducer element at position D compared to the transducer element at position E, which each form the outer transducer elements of group 23 whose sign is negative compared to the delay times τ.
Figure imgb0009

Der Laufzeitunterschied tm+1 zwischen dem Wandlerelement an der Position E und dem Wandlerelement an der Position A berechnet sich wie folgt:

Figure imgb0010

Diese Laufzeitunterschiede tm und tm+1 ergeben sich stets zwischen den Wandlerelementen an den Grenzen benachbarter Gruppen 24/23 bzw. 23/22 bzw. 22/21. Es entsprechen also die Positionen F, E, D den Positionen D, A, B usw.The transit time difference t m + 1 between the converter element at position E and the converter element at position A is calculated as follows:
Figure imgb0010

These runtime differences t m and t m + 1 always arise between the transducer elements at the borders of neighboring groups 24/23, 23/22 and 22/21. Positions F, E, D correspond to positions D, A, B etc.

Addiert man zum Laufzeitunterschied t die Verzögerungszeit τ im Richtungsbildner, so erhält man bei Empfang unter dem Grating-Lobe-Winkel β:
an der Position E das Empfangssignal U·e jω(t+τ β ) ,

Figure imgb0011
wobei ω·τβ eine beliebige Anfangsphase ist. Dieses Empfangssignal bei der Position E wird nicht verzögert,
an der Position D das Empfangssignal U·e jω(t+τ β +t m ) ,
Figure imgb0012
das un τm verzögert wird, und nach Einsetzen von (1) und (3) das verzögerte Signal

U·e jω(t+τ β +m· λ/c) ,
Figure imgb0013


bei der Position A das Empfangssignal U·e jω(t+τ β +t m+1 ) ,
Figure imgb0014
das um die Verzögerungszeit τm+1 verzögert wird, und nach Einsetzen von (2) und (4) das verzögerte Signal

U·e jω(t+τ β +m λ/c + 3 λ/2c) ,
Figure imgb0015


bei der Position B das Empfangssignal
U·e jω(t+τ β +t m+1 +t m),
Figure imgb0016
das um τm+1m verzögert wird, und nach Einsetzen von (1), (2), (3) und (4) das verzögerte Signal

U·e jω(t+τ β +m·2·λ/c+3 λ/2c).
Figure imgb0017


Nach Addition erhält man
Figure imgb0018

Man erkennt, daß der 1,5fache Abstand d eine Phasenverschiebung zwischen den Empfangssignalen bei D und A um 180° oder λ/2 bewirkt. Innerhalb der Gruppen 21, 22, 23, 24, werden die verzögerten Signale konphas addiert, von Gruppe 21/22 bzw. 22/23 bzw. 23/34 jedoch gegeneinander um eine halbe Wellenlänge verschoben, so daß eine Summierung der verzögerten Empfangssignale bei gerader Anzahl der Gruppen 22, ..., 24, Null ergibt. Im Gegensatz dazu wird durch die Kompensation im Richtungsbildner bei Schalleinfall aus dem Schwenkwinkel ζ eine konphase Addition der Empfangssignale erreicht.If one adds the delay time τ in the direction generator to the transit time difference t, the result at reception under the grating-lobe angle β is:
at position E the received signal U · e jω (t + τ β ) ,
Figure imgb0011
where ω · τ β is any initial phase. This reception signal at position E is not delayed,
at position D the received signal U · e jω (t + τ β + t m ) ,
Figure imgb0012
the un τ m is delayed, and after the onset of (1) and (3) the delayed signal

U · e jω (t + τ β + mλ / c) ,
Figure imgb0013


at position A the receive signal U · e jω (t + τ β + t m + 1 ) ,
Figure imgb0014
which is delayed by the delay time τ m + 1 , and after the onset of (2) and (4) the delayed signal

U · e jω (t + τ β + m λ / c + 3 λ / 2c) ,
Figure imgb0015


at position B the receive signal
U · e jω (t + τ β + t m + 1 + t m),
Figure imgb0016
which is delayed by τ m + 1 + τ m , and after the onset of (1), (2), (3) and (4) the delayed signal

U · e jω (t + τ β + m · 2 · λ / c + 3 λ / 2c).
Figure imgb0017


After addition you get
Figure imgb0018

It can be seen that the 1.5 times the distance d causes a phase shift between the received signals at D and A by 180 ° or λ / 2. Within groups 21, 22, 23, 24, the delayed signals are added in phase, but shifted by half a wavelength from group 21/22 or 22/23 or 23/34, so that the delayed received signals add up even number of groups 22, ..., 24, zero results. In contrast to this, a compensation of the received signals is achieved by compensation in the directional generator when sound is incident from the swivel angle ζ.

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, bei dem Richtempfindlichkeit R/dB über dem Winkel ϑ aufgetragen ist, für eine Richtcharakteristik einer Wandleranordnung gemäß Fig. 1, die aus q=20 Gruppen besteht, wobei jede Gruppe beispielsweise eine Wandlerzahl z = 5 aufweist. Der Richtungsbildner ist so eingestellt, daß ihre Hauptkeule 30 in den maximalen Schwenkwinkel ζmax weist. In einem Winkelbereich 31 befindet sich der Grating-Lobe-Winkel β, der durch die beiden höchsten zersplitterten Grating-Lobes 32, 33 begrenzt ist, die gegenüber der Richtempfindlichkeit R der Hauptkeule 30 eine Dämpfung von R1 aufweisen. Im Winkelbereich 31 um den Grating-Lobe-Winkel β ist die Dämpfung wesentlich größer, ungefähr dreimal so groß wie R1. Außerdem sind in der Richtcharakteristik sog. Pseudo-Grating-Lobes 34, 35, 36, 37 und 38 zu verzeichnen, die nahezu gleiche Winkelabstände zueinander haben und deren Dämpfung in der Nähe der Hauptkeule am größten ist.FIG. 2 shows a diagram in which directional sensitivity R / dB is plotted against the angle ϑ for a directional characteristic of a converter arrangement according to FIG. 1, which consists of q = 20 groups, each group having, for example, a number of converters z = 5. The direction generator is set so that its main lobe 30 points to the maximum swivel angle ζ max . The grating-lobe angle β is located in an angular range 31, which is limited by the two highest fragmented grating praise 32, 33, which have an attenuation of R1 in relation to the directional sensitivity R of the main lobe 30. In the angular range 31 around the grating-lobe angle β, the damping is substantially greater, approximately three times as large as R1. In addition, so-called pseudo-grating praise 34, 35, 36, 37 and 38 can be recorded in the directional characteristic, which have almost the same angular distances from one another and whose damping is greatest in the vicinity of the main lobe.

Fig. 3 zeigt den Verlauf einer Richtcharakteristik über dem Winkel ϑ bei der bei gleicher Ausdehnung der Wandleranordnung wie in Fig. 2 die gleiche Anzahl N = 100 an Wandlerelementen untergebracht sind. Ihre Abstände zueinander sind aber stochastisch oder verrauscht. Die Nebenpegeldämpfung ist über den gesamten Winkelbereich nahezu konstant und etwas geringer als die zersplitterten Grating-Lobes 32 und 33 in Fig. 2. Um den Grating-Lobe-Winkel β selbst ist keine so hohe Dämpfung R2 wie bei der Wandleranordnung gemäß der Erfindung erzielt. Über den gesamten Winkelbereich ist die Dämpfung vergleichbar.FIG. 3 shows the course of a directional characteristic over the angle ϑ at which the same number N = 100 of converter elements are accommodated with the same extension of the converter arrangement as in FIG. 2. However, their distances from one another are stochastic or noisy. The secondary level attenuation is almost constant over the entire angular range and is somewhat less than the fragmented grating praise 32 and 33 in FIG Grating lobe angle β itself is not as high a damping R2 as achieved with the converter arrangement according to the invention. The damping is comparable over the entire angular range.

Um die sog. Pseudo-Grating-Lobes 33 bis 38 gemäß Fig. 2 einzuebnen, wird die Wandlerzahl z der q Gruppen variiert. Fig. 4 zeigt eine solche Wandleranordnung mit N = 100 Wandlerelementen, die über eine Ausdehnung L von beispielsweise 1,20 m angeordnet sind. 100 Wandlerlemente sind in q = 20 Gruppen 110, 111, ..., 129 eingeteilt. Der Abstand d errechnet sich aus der Ausdehnung L:

L = (N-1) d+(q-1)·0,5·d

Figure imgb0019

L = 108,5 d.
Figure imgb0020


Bei einer maximalen Frequenz von 100 kHz ist der Abstand d = 0,75·λ. Die einzelnen Wandlerelemente in jeder Gruppe haben einen Abstand von 0,75 λ zueinander, die Gruppen untereinander einen Abstand von 1,5.0,75 λ.In order to level the so-called pseudo-grating praise 33 to 38 according to FIG. 2, the number of converters z of the q groups is varied. 4 shows such a transducer arrangement with N = 100 transducer elements, which are arranged over an extension L of, for example, 1.20 m. 100 converter elements are divided into q = 20 groups 110, 111, ..., 129. The distance d is calculated from the dimension L:

L = (N-1) d + (q-1) x 0.5 x d
Figure imgb0019

L = 108.5 d.
Figure imgb0020


At a maximum frequency of 100 kHz, the distance d = 0.75 · λ. The individual transducer elements in each group are spaced 0.75 λ apart, the groups are spaced 1.5.0.75 λ apart.

Die erste, am linken äußeren Rand befindliche Gruppe 110 weist nur ein Wandlerlement auf, die benachbarte Gruppe 111 zwei, die Gruppe 112 drei Wandlerelemente, die Gruppe 113 vier Wandlerelemente, die Gruppe 114 fünf Wandlerelemente, die Gruppen 115 und 116 sechs Wandlerelemente, die Gruppe 117 sieben Wandlerelemente und die Gruppen 118 und 119 jeweils acht Wandlerelemente. Die Wandlerzahlen z in den darauffolgenden Gruppen weisen symmetrisch zur Mitte 11 die gleiche Größe auf. Die Gruppen mit den geraden Zahlen 110, 112, ...., 128 bilden eine Teilbasis 200, die Gruppen 111, 113, ..., 129 mit ungeraden Zahlen bilden eine zweite Teilbasis 300. Die Teilbasen 200, 300 sind ineinander verschachtelt und seitenvertauscht spiegelsymmetrisch. Jede Teilbasis 200, 300 weist eine Rasterung von d auf, die um d/2 gegeneinander verschoben ist.The first group 110 located on the left outer edge has only one transducer element, the adjacent group 111 has two, the group 112 three transducer elements, the group 113 four transducer elements, the group 114 five transducer elements, the groups 115 and 116 six transducer elements, the group 117 seven transducer elements and groups 118 and 119 each have eight transducer elements. The number of transducers z in the following groups have the same size symmetrically with respect to the center 11. The groups with the even numbers 110, 112, ..., 128 form a sub-base 200, the groups 111, 113, ..., 129 with odd numbers form a second sub-base 300. The sub-bases 200, 300 are nested one inside the other and reversed mirror-symmetrically. Each sub-base 200, 300 has a grid of d, which is shifted from one another by d / 2.

Die Wandlerzahlen z der q Gruppen sind so gewählt, daß eine Richtcharakteristik gemäß Fig. 5 mit einem entsprechenden Richtungsbildner bei einer Schwenkung um den maximalen Schwenkwinkel max erzielt wird. Diese Richtcharakteristik weist sich dadurch aus, daß um den Grating-Lobe-Winkel β eine maximale Dämpfung erreicht wird und keine weiteren periodischen Anteile in der Richtcharakteristik zu verzeichnen sind. Die Nebenpegel im Bereich der Hauptkeule 30 sind ebenfalls besonders stark gedämpft. Um einen solchen Verlauf der Richtcharakteristik zu erhalten, ist folgende Dimensionierungsvorschrift eingehalten worden:
Ausgehend von der Mitte 11 wird bei einem Amplituden-Shading der Wandlerelemente von "1" jeweils das Produkt aus der Distanz von der Mittelsenkrechten bis zum Wandlerelement multipliziert mit dem Amplituden-Bewertungsfaktor "1" gebildet. Sämtliche Produkte für die Teilbasis 200 werden vorzeichenrichtig addiert und durch die Summe der Amplituden-Bewertungsfaktoren - hier der Hälfte der Vielzahl N an Wandlerelementen - geteilt. Dieser Wert muß nach Möglichkeit Null ergeben. Dann liegt der Schwerpunkt jeder Teilbasis 200 und 300 auf der Mitte 11. Mit dieser Dimesionierungsvorschrift wird insbesondere erreicht, daß keine Pseudo-Grating-Lobes entstehen.
The number of transducers z of the q groups are selected such that a directional characteristic according to FIG. 5 is achieved with a corresponding directional element when swiveling by the maximum swivel angle max . This directional characteristic is characterized by the fact that a maximum attenuation is achieved around the grating-lobe angle β and that no further periodic components are recorded in the directional characteristic. The secondary levels in the area of the main lobe 30 are also particularly strongly damped. In order to obtain such a pattern of the directional characteristic, the following dimensioning instructions have been observed:
Starting from the center 11, with an amplitude shading of the transducer elements of "1", the product is formed from the distance from the perpendicular to the transducer element multiplied by the amplitude evaluation factor "1". All products for sub-base 200 are added with the correct sign and divided by the sum of the amplitude evaluation factors - here half of the plurality N of converter elements. If possible, this value must be zero. Then the focus of each sub-base 200 and 300 is on the middle 11. With this dimensioning rule it is achieved in particular that no pseudo-grating praise arises.

Für die Teilgruppe 200, d.h. für die Gruppen 110, 112, ....., 128 muß gelten:

Figure imgb0021

Der Schwerpunkt der Teilgruppe 200 liegt somit in der Mitte 11 der Wandleranordnung. Für die Teilbasis 300 gilt das gleiche.For subgroup 200, ie for groups 110, 112, ....., 128 must apply:
Figure imgb0021

The focus of subgroup 200 is thus in the middle 11 of the transducer arrangement. The same applies to the sub-base 300.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung ist besonders vorteilhaft in einer Wasserschallanlage einsetzbar, bei der im Impulsbetrieb gearbeitet wird, wobei die Pulsdauer beispielsweise Δ t= 0,1 ms beträgt. Bei der Wandleranordnung gemäß Fig. 4 sind q=20 Gruppen über die gesamte Ausdehnung L = 1,2 m verteilt, so daß die mittlere Länge zweier Gruppen ca. 12 cm entspricht. Bei einer Schwenkung um ζmax=45° und einem Einfall von Schallwellen unter dem Grating-Lobe-Winkel β=39° werden im Mittel mindestens zwei Gruppen gleichzeitig von Schallwellen überstrichen, das entspricht einer Länge 1 auf der Geraden der Wandleranordnung von

Figure imgb0022

wobei c=1500 m/s die Schallgeschwindigkeit ist. Die Länge 1 ist somit etwas größer als die mittlere Länge zweier Gruppen auf der Wandleranordnung gemäß Fig.4. Dämpfungsabstand und Dämpfung der zersplitterten Grating-Lobes 31, 32 gegenüber der Hauptkeule 30 bei Impulsbetrieb ist in Fig. 5 gestrichelt eingezeichnet und wesentlich besser als bei monochromatischem Dauerschallbetrieb mit f=100 kHz. Ähnlich günstige Dämpfungsverläufe sind bei breitbandigem Empfang um eine Mittenfrequenz von 100 kHz zu verzeichnen.The arrangement shown in FIG. 4 can be used particularly advantageously in a waterborne sound system in which the pulse mode is used, the pulse duration being, for example, Δ t = 0.1 ms. 4, q = 20 groups are distributed over the entire extent L = 1.2 m, so that the average length of two groups corresponds to approximately 12 cm. With a swivel of ζ max = 45 ° and an incidence of sound waves below the grating-lobe angle β = 39 °, on average at least two groups are simultaneously swept by sound waves, which corresponds to a length 1 on the straight line of the transducer arrangement from
Figure imgb0022

where c = 1500 m / s is the speed of sound. Length 1 is thus somewhat greater than the average length of two groups on the converter arrangement according to FIG. 4. Damping distance and damping of the fragmented grating praise 31, 32 with respect to the main lobe 30 Pulse operation is shown in dashed lines in Fig. 5 and much better than monochromatic continuous sound operation with f = 100 kHz. Similarly favorable attenuation curves can be seen with broadband reception around a center frequency of 100 kHz.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, bei dem über dem Winkel ϑ das Richtmaß R in dB für eine unterschiedliche Anzahl q von Gruppen eingetragen ist. Es ist unter dem Winkel ϑ =ζmax die Empfindlichkeit der Hauptkeule 30 eingetragen und unter dem Grating-Lobe-Winkel β die Empfindlichkeit des Grating-Lobes. Die Empfindlichkeiten sind gleich, wenn die Wandleranordnung äquidistant verteilte Wandlerelemente aufweist, deren Abstand größer als die halbe Wellenlänge ist. Die über den Grating-Lobe-Winkel β einfallende Energie wird durch die gruppenweise Anordnung der Wandlerelemente auf benachbarte Winkelbereiche verteilt, wobei eine Dämpfung im gesamten Winkelbereich erzielt wird, die größer als die für q = 20 angegebene Dämpfung ist, die gleich der Verminderung R₁ des Richtmaßes ist. Für q=20 sind zwei Punkte auf zwei Kurven r und s eingetragen, die den Winkelbereich 31 gemäß Fig. 2 begrenzen und den zersplitterten Grating-Lobes 32, 33 in Fig. 2 entsprechen. Die Kurven r und s geben Grenzwerte für die Dämpfung der zersplitterten Grating-Lobes für die unterschiedliche Anzahl q der Gruppen an. Die beiden Kurven r und s nähern sich für steigende Anzahl q der Gruppen asymptotisch einem Grenzwert R₀, der der Dämpfung entspricht, wenn die Wandlerabstände statistisch verteilt sind. Mit dem Diagramm gemäß Fig. 6 ist die Anzahl q der Gruppen abhängig von der Aufgabenstellung der gesamten Sonaranlage zu dimensionieren.Fig. 6 shows a diagram in which the standard dimension R in dB for a different number q of groups is entered over the angle ϑ. The sensitivity of the main lobe 30 is entered under the angle ϑ = ζ max and the sensitivity of the grating praise is entered under the grating lobe angle β. The sensitivities are the same if the transducer arrangement has equidistantly distributed transducer elements whose spacing is greater than half the wavelength. The incident energy over the grating-lobe angle β is distributed through the group-wise arrangement of the transducer elements to adjacent angular ranges, whereby an attenuation in the entire angular range is achieved which is greater than the attenuation specified for q = 20, which is equal to the reduction R 1 of the Reference measure is. For q = 20, two points are entered on two curves r and s, which limit the angular range 31 according to FIG. 2 and correspond to the fragmented grating praise 32, 33 in FIG. 2. The curves r and s indicate limit values for the damping of the fragmented grating praise for the different number q of groups. For increasing number q of groups, the two curves r and s asymptotically approach a limit value R₀ which corresponds to the damping if the transducer distances are statistically distributed. 6, the number q of groups is to be dimensioned depending on the task of the entire sonar system.

Claims (8)

Wandleranordnung mit einer Vielzahl an Wandlerelementen zum Senden und/oder Empfangen von Wellen in einem vorgebbaren Frequenzbereich, deren Abstand zueinander größer als die halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz des Frequenzbereichs ist, für mehrere oder eine schwenkbare Richtcharakteristik mit vorgegebenem Öffnungswinkel und gedämpften Grating-Lobes, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente gleich sind und in Gruppen (21, 22, 23, 24 bzw. 110, 111, ..., 129) längs einer Linie und symmetrisch zur Mitte (11) der Wandleranordnung angeordnet sind, daß Abstände (d) der Wandlerelemente in jeder Gruppe (21, ..., 24 bzw. 110, ..., 129) untereinander gleich sind und von Gruppe zu Gruppe (21/22, ..., bzw. 110/111, 111/112, ...) gleich dem 1,5fachen Wert (1,5d) sind.Transducer arrangement with a large number of transducer elements for transmitting and / or receiving waves in a predeterminable frequency range, the distance from one another of which is greater than half the wavelength of the highest frequency in the frequency range, for several or a pivotable directional characteristic with a predetermined opening angle and damped grating praise, thereby characterized in that the transducer elements are the same and are arranged in groups (21, 22, 23, 24 or 110, 111, ..., 129) along a line and symmetrically to the center (11) of the transducer arrangement, that distances (d) of the transducer elements in each group (21, ..., 24 or 110, ..., 129) are identical to one another and from group to group (21/22, ..., or 110/111, 111/112, ...) are equal to 1.5 times the value (1.5d). Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linie eine Gerade (10) ist.Transducer arrangement according to claim 1, characterized in that the line is a straight line (10). Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl (q) der Gruppen (21, 22, 23, 24 bzw. 110, 111, ..., 129) für die Vielzahl (N) der Wandlerelemente abhängig vom geforderten Dämpfungsabstand zwischen Hauptkeule (30) und zersplitterten Grating-Lobes (31, 32) wählbar ist.Transducer arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the number (q) of groups (21, 22, 23, 24 or 110, 111, ..., 129) for the multiplicity (N) of transducer elements depends on the required damping distance between main lobe (30) and fragmented grating praise (31, 32) can be selected. Wandleranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppen (22/23, 21/24 bzw. 110/129; 111/128; ..., 119/120), die symmetrisch zur Mitte (11) angeordnet sind, gleiche Wandlerzahlen (z) aufweisen, daß die Wandlerzahlen (z) benachbarter Gruppen (21/22, ..., 23/24 bzw. 110/111, ..., 119/120, ..., 128/129) gleich oder unterschiedlich und von der Mitte zum Rand der Wandleranordnung hin abnehmend gewählt sind.Converter arrangement according to Claim 2 or 3, characterized in that the groups (22/23, 21/24 or 110/129; 111/128; ..., 119/120) which are arranged symmetrically to the center (11), have the same number of converters (z) that the number of converters (z) of neighboring groups (21/22, ..., 23/24 or 110/111, ..., 119/120, ..., 128/129) are the same or different and are chosen decreasing from the center to the edge of the transducer arrangement. Wandleranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerzahlen (z) je Gruppe (110, ..., 129) so gewählt sind, daß die Gruppen (110, 112, 114, ..., 128 bzw. 111, 113, ..., 129) längs der Geraden (10) vom Rand ausgehend über die Mitte (11) hinweg bis zum anderen Rand jeweils eine Gruppe (111, 113, ... bzw. 112, 114, ...) überschlagend zwei ineinander verschachtelte, jeweils vom Rand her gleich aufgebaute Teilbasen (200, 300) bilden und jede Teilbasis (200, 300) eine Rasterung des Abstands (d) der Wandlerelemente und deren Vielfache aufweist und die Rasterung der beiden Teilbasen (200, 300) gegeneinander um den halben Abstand (d) der Wandlerelemente verschoben ist.Converter arrangement according to Claim 4, characterized in that the number of converters (z) per group (110, ..., 129) are selected such that the groups (110, 112, 114, ..., 128 or 111, 113, ..., 129) along the straight line (10) starting from the edge over the middle (11) to the other edge, one group (111, 113, ... or 112, 114, ...) overlapping two into each other form nested subbases (200, 300) with the same structure from the edge and each subbase (200, 300) has a grid of the spacing (d) of the transducer elements and their multiples and the grid of the two subbases (200, 300) against each other half the distance (d) of the transducer elements is shifted. Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerzahlen z der Gruppen (110, ..., 128 bzw. 111, ..., 129) so gewählt sind, daß für jede Teilbasis (200, 300) die Summen der Distanzen zwischen der Mitte (11) der Wandleranordnung und jedem Wandlerelement je Seite gleich sind.Transducer arrangement according to Claim 5, characterized in that the number of transducers z in the groups (110, ..., 128 or 111, ..., 129) are selected such that the sum of the distances between each sub-base (200, 300) the middle (11) of the transducer arrangement and each transducer element on each side are the same. Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerzahlen (z) der Gruppen (110, ..., 128 bzw. 111, ..., 129) so gewählt sind, daß für jede Teilbasis (200, 300) die Summen der Produkte aus den Distanzen zwischen der Mitte (11) der Wandleranordnung und jedem Wandlerelement multipliziert mit einem Amplitudenbewertungsfaktor, mit dem ein Empfangssignal des jeweiligen Wandlerelements bewertet ist, je Seite gleich sind.Transducer arrangement according to Claim 5, characterized in that the number of transducers (z) in the groups (110, ..., 128 or 111, ..., 129) are selected such that the sums of the. For each sub-base (200, 300) Products from the distances between the center (11) of the transducer arrangement and each transducer element multiplied by an amplitude evaluation factor with which a received signal of the respective transducer element is evaluated are the same on each side. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Pulsbetrieb die Anzahl (q) der Gruppen (110, ..., 129) und die mittlere Wandlerzahl (z) abhängig von der Pulsdauer (Δ t) so gewählt sind, daß die mittlere Länge (1) zweier benachbarter Gruppen (119/120) ungefähr gleich der Pulsdauer (Δ t) multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit (c) und dividiert durch den Sinus eines maximalen Schwenkwinkels (ζmax) zuzüglich des Grating-Lobe-Winkels (β) ist.Transducer arrangement according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the number (q) of groups (110, ..., 129) and the average number of transducers (z) are selected as a function of the pulse duration (Δ t) during pulse operation, that the mean length (1) of two adjacent groups (119/120) is approximately equal to the pulse duration (Δ t) multiplied by the speed of sound (c) and divided by the sine of a maximum swivel angle (ζ max ) plus the grating-lobe angle ( β) is.
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