EP1205260A2 - Torpedosonar mit mehreren Wandlern - Google Patents

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EP1205260A2
EP1205260A2 EP01126181A EP01126181A EP1205260A2 EP 1205260 A2 EP1205260 A2 EP 1205260A2 EP 01126181 A EP01126181 A EP 01126181A EP 01126181 A EP01126181 A EP 01126181A EP 1205260 A2 EP1205260 A2 EP 1205260A2
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EP
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torpedo
zones
sonar
transducers
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EP01126181A
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Jörg Dipl.-Ing. Schmidt
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Elac Sonar GmbH
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L3 Communications Elac Nautik GmbH
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    • F42B—EXPLOSIVE CHARGES, e.g. FOR BLASTING, FIREWORKS, AMMUNITION
    • F42B19/00—Marine torpedoes, e.g. launched by surface vessels or submarines; Sea mines having self-propulsion means
    • F42B19/005—Nose caps for torpedoes; Coupling torpedo-case parts together
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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    • G10K11/26—Sound-focusing or directing, e.g. scanning
    • G10K11/34—Sound-focusing or directing, e.g. scanning using electrical steering of transducer arrays, e.g. beam steering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/281—Nose antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart

Definitions

  • the invention relates to a torpedo sonar with a plurality of electroacoustic transducers, which are arranged on a hemispherical or paraboloid-shaped torpedo head conforming to the contour are.
  • two basic types of transducer arrangements have been found in torpedo sonars Application.
  • the transducers are on the flattened face of the Torpedo head arranged.
  • the arrangement of the transducers follows curved contour of a not flattened torpedo head, which is sometimes considered to conform to the contour Arrangement (conformal array) is called.
  • GB 2 234 815 B shows both types of Transducer assemblies.
  • a first embodiment FIG.
  • a flattened end face of the torpedo increases its flow resistance and requires it thus more energy for the torpedo drive.
  • an arrangement of the Transducers on a flat end face the number of transducers that are used to generate a certain antenna pattern are required, and facilitates the calculation of the Antenna pattern.
  • the number of transducers to be accommodated on one end face is strong limited. This results in a limited angular resolution of the sonar. After all, that is Location angle range of such a "flat head sonar" limited to about ⁇ 45 ° or below Acceptance of ambiguities at approximately ⁇ 60 °.
  • the maintain the aerodynamic shape of the torpedo head and its hydrodynamic Resistance can be optimized.
  • the transducers are arranged along the contour.
  • the The angular location range of the sonar can be considerably larger than when the transducers are arranged on a flat face. A maximum can be achieved without ambiguities
  • Location angle range of approximately ⁇ 135 ° and at the expense of spatial Ambiguities achieve a location range of up to ⁇ 150 °.
  • a significant number of single transducers are required because of those compared to a flat one Front surface significantly larger torpedo head surface can be equipped with sound transducers got to.
  • the transducer arrangement is primarily in aligned with the horizontal plane, you can achieve a wide horizontal plane Location area but only a small vertical location area.
  • a torpedo sonar Can only be used to a limited extent in deep water.
  • a torpedo sonar is created which combined the advantages of the two previously known types of torpedo sonars at the same time the number of individual converters required is significantly reduced.
  • the individual converters are consecutive in four along the curved torpedo head contour in the axial direction Zones of pronounced directional sensitivity arranged.
  • the sonar offers a forward direction an all-round spatial angular resolution. It allows a wide horizontal Positioning angle range with limited vertical positioning accuracy, however large vertical detection angle range. Such a torpedo sonar is also in deep water usable.
  • the transducer arrangement of the torpedo sonar consists of 256 individual transducers (e) on the aerodynamically designed surface of the torpedo bow are provided. According to the selected nominal frequency of the sonar can also more or less individual transducers are used, for example at low nominal frequencies fewer converters or at higher nominal frequencies more converters. The number of converters (e) depends primarily on the spatial location area to be recorded.
  • first zone (f) In the apex area of the torpedo bow there is a circular first zone (f), which in the shown case is not equipped with transducers. This will make the number of used Converter reduced. Reception converters in the crown zone (f) contribute little Direction formation of the sonar at. If, for example for target tracking, a directional beam head-on to be emitted by ultrasound waves, the apex zone (f) with several Transmitters provided. The other converters are mostly Receive converter or combined transmit / receive converter. When using pure Transmitter converters do not require the transmit / receive switch required for combined converters.
  • the circular first zone (f) is followed by an annular second zone (g), which is connected with Transducers (e) is equipped.
  • This second converter zone ensures a large and uniform Positioning angle range of the sonar both around the transverse axis and around the vertical axis of the Torpedoes.
  • the rotationally symmetrical structure of the transducer arrangement ends with the ring zone (g).
  • the third zone (h) To on both sides of the torpedo vertical axis there is a transition zone as the third zone (h), which is wider in the vicinity of the ring zone (g) than at the rear end.
  • This third Zones lie axially symmetrical to the torpedo longitudinal axis.
  • the two transition zones (h) convert the rotationally symmetrical location area into two lateral directional diagrams parallel to the longitudinal axis.
  • the signals generated by the two side transducer arrangements can be evaluated more easily by a location processor than algorithms Output signals of a rotationally symmetrical converter arrangement.
  • the end area of the converter zones is formed by two lateral fourth zones (i), which follow the transition zone (h) and extend to the great circle of the torpedo bow contour extend. They have a constant width and can, if necessary, also over continue the great circle towards the torpedo tail. These longitudinal zones (i) stretch that Directional diagram down to the rear of the torpedo. Only needs a horizontal one The angular position range of ⁇ 90 ° can be detected by equipping the fourth one Avoid zones (i) with converters. This reduces the number of converters required.
  • the hydrodynamically predetermined torpedo contour from Apex of the torpedo bow starting in steps corresponding to half the acoustic nominal wavelength ⁇ of the torpedo sonar, i.e. in ⁇ / 2 steps, and thereby the axial, to determine the length of the individual converter zones measured along the torpedo contour.
  • the ring-shaped second zone (g) in which several rings of transducers (e) enclose the longitudinal axis of the torpedo.
  • the distance between neighboring transducer rings is ⁇ / 2.
  • this second zone should end at about 5 ⁇ .
  • the torpedo vertical axis is followed by a third zone (h), a transition area that extends up to a total distance of about 7 ⁇ is sufficient. It is wider than at the border to the second zone (g) at the rear end and leads on both sides of the torpedo into a fourth zone (i), which has a constant width.
  • These longitudinal zones (i) extend at least to the largest Diameter of the torpedo bow, i.e. up to his great circle. This is where the cylindrical begins Torpedo contour.
  • the two are used rotationally symmetrical converter zones (f) and (g) all-round localization based on the Torpedo longitudinal axis.
  • the two axially symmetrical transducer zones (h) and (i) are used for location on both sides.
  • the area of water above the torpedo should also be monitored be seen in a further development of the invention on the top as a fifth zone further transition zone corresponding to the structure of the third zone (h) and one itself subsequent sixth zone constructively corresponding to the fourth zone (i). Accordingly, you can add another fifth and sixth on the underside of the torpedo Attach the converter zone to locate the bottom of the water.
  • the desired angular location ranges and the required angular resolution are the dimensions of the individual converter zones as well as the type, number and arrangement of the transducers in the zones.

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Abstract

Bei einem Torpedosonar mit konturkonformer Anordnung der elektroakustischen Wandler (e) sind auf dem Torpedobug vier Wandlerzonen gebildet, nämlich eine kreisförmige Scheitelbereichszone (f), eine sich anschließende Ringzone (g), zwei seitliche Übergangszonen (h) sowie zwei den Übergangszonen folgende, sich bis zum Großkreis des Torpedobugs erstreckende seitliche Längszonen (i). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Torpedosonar mit mehreren elektroakustischen Wandlern, welche auf einem halbkugel- oder paraboloidförmigen Torpedokopf konturkonform angeordnet sind. Zwei Grundtypen von Wandleranordnungen finden bislang bei Torpedosonaren Anwendung. Beim ersten Typ sind die Wandler auf der abgeflachten Stirnseite des Torpedokopfes angeordnet. Beim zweiten Typ folgt die Anordnung der Wandler der gekrümmten Kontur eines nicht abgeflachten Torpedokopfes, was bisweilen als konturkonforme Anordnung (conformal array) bezeichnet wird. GB 2 234 815 B zeigt beide Typen von Wandleranordnungen. Eine erste Ausführungsform (Fig.1) weist auf einer kreisförmigen, zentralen, flachen Stirnfläche eines ansonsten halbkugel- oder paraboloidförmigen Torpedokopfes eine vertikale Reihe von Sendewandlern auf, während mehrere Empfangswandler eine horizontale Zeile bilden. Es ergibt sich also eine kreuzförmige Wandleranordnung auf der Stirnfläche. Die vertikale Wandlerreihe erzeugt einen fächerförmigen, in der Horizontalebene flachen, in der Vertikalebene hingegen scharf gebündelten Sendestrahl. Die horizontale Zeile von Empfangswandlern läßt ein in der Vertikalebene flaches, in der Horizontalebene aber scharf fokussiertes Empfangsdiagramm entstehen. Sendestrahl und Empfangsdiagramm können elektronisch geschwenkt werden. Bei einer zweiten Ausführungsform (Fig.5a) erstrecken sich die Wandlerreihe und die Wandlerzeile längs der gekrümmten Kontur des Torpedokopfes. Weitere konforme Anordnungen von Wandlern eines Torpedosonars sind in US 3 906 431 und DE 33 22 246 A1 beschrieben.
Eine abgeflachte Stirnfläche des Torpedos vergrößert dessen Strömungswiderstand und erfordert somit mehr Energie für den Torpedoantrieb. Andererseits verringert eine Anordnung der Wandler auf einer flachen Stirnfläche die Anzahl der Wandler, welche für die Erzeugung eines bestimmten Antennendiagramms benötigt werden, und erleichtert die Berechnung des Antennendiagramms. Die Anzahl der auf einer Stirnfläche unterzubringenden Wandler ist stark eingeschränkt. Dies hat eine begrenzte Winkelauflösung des Sonars zur Folge. Schließlich ist der Ortungswinkelbereich eines solchen "Flachkopfsonars" auf etwa ± 45° begrenzt bzw. unter Inkaufnahme von Mehrdeutigkeiten auf etwa ± 60°.
Bei Verwendung einer konturkonformen Wandleranordnung hingegen bleibt die strömungsgünstige äußere Gestalt des Torpedokopfes erhalten und sein hydrodynamischer Widerstand kann optimiert werden. Die Wandler werden entlang der Kontur angeordnet. Der Ortungswinkelbereich des Sonars kann wesentlich größer sein als bei Anordnung der Wandler auf einer flachen Stirnfläche. Ohne Mehrdeutigkeiten läßt sich ein maximaler Ortungswinkelbereich von etwa ± 135° und unter Inkaufnahme von räumlichen Mehrdeutigkeiten ein Ortungsbereich von bis zu ± 150° erzielen. Um einen solch großen Ortungswinkelbereich gleichzeitig in horizontaler und in vertikaler Richtung zu erreichen, wäre eine erhebliche Anzahl von Einzelwandlern erforderlich, weil die gegenüber einer flachen Stirnfläche wesentlich größere Torpedokopf-Oberfläche mit Schallwandlern bestückt werden muß. Wird zur Verringerung der Anzahl von Wandlern die Wandleranordnung vornehmlich in der Horizontalebene ausgerichtet, so erreicht man zwar einen weiten horizontalen Ortungsbereich aber nur einen kleinen vertikaler Ortungsbereich. Ein solches Torpedosonar ist im tiefen Wasser nur eingeschränkt einsetzbar.
Mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung wird ein Torpedosonar geschaffen, welches die Vorteile der beiden bislang bekannten Typen von Torpedosonaren kombiniert gleichzeitig die Anzahl der erforderlichen Einzelwandler deutlich vermindert. Die Einzelwandler sind in vier längs der gekrümmten Torpedokopfkontur in Achsrichtung aufeinander folgenden Zonen ausgeprägter Richtungsempfindlichkeit angeordnet. In Vorwärtsrichtung bietet das Sonar eine rundum gleichartige räumliche Winkelauflösung. Es ermöglicht einen weiten horizontalen Ortungswinkelbereich bei zwar eingeschränkter vertikaler Ortungsgenauigkeit aber gleichwohl großem vertikalen Ortungswinkelbereich. Ein solches Torpedosonar ist auch im Tiefwasser verwendbar. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels erläutert. Darin zeigt
   Fig.1 eine schematische Darstellung des Torpedobugs, und zwar
  • a) in perspektivischer Ansicht;
  • b) als Draufsicht von oben;
  • c) in Seitenansicht;
  • d) von vorn gesehen; und
    •    Fig.2 eine gegenüber Fig.1a vergrößerte perspektivische Darstellung mit den vier Wandlerzonen (f) - (i).
    Die Wandleranordnung des Torpedosonars besteht hier aus 256 Einzelwandlern (e), die auf der strömungsgünstig gestalteten Oberfläche des Torpedobugs vorgesehen sind. Entsprechend der gewählten Nominalfrequenz des Sonars können auch mehr oder weniger Einzelwandler eingesetzt werden, beispielsweise bei niedrigen Nominalfrequenzen weniger Wandler bzw. bei höheren Nominalfrequenzen mehr Wandler. Die Anzahl der Wandler (e) hängt in erster Linie vom zu erfassenden räumlichen Ortungsbereich ab.
    Im Scheitelbereich des Torpedobugs befindet sich eine kreisförmige erste Zone (f), welche im gezeigten Fall nicht mit Wandlern bestückt ist. Hierdurch wird die Zahl der eingesetzten Wandler verringert. Empfangswandler in der Scheitelzone (f) tragen nur wenig zur Richtungsbildung des Sonars bei. Falls, beispielsweise zur Zielverfolgung, frontal ein Richtstrahl von Ultraschallwellen ausgesandt werden soll, wird die Scheitelbereichszone (f) mit mehreren Sendewandlern versehen. Bei den übrigen Wandlern handelt es sich zumeist um Empfangswandler oder kombinierte Sende/Empfangswandler. Bei Verwendung reiner Sendewandler entfällt die bei kombinierten Wandlern erforderliche Sende/Empfangsweiche.
    An die kreisförmige erste Zone (f) schließt sich eine ringförmige zweite Zone (g) an, die mit Wandlern (e) bestückt ist. Diese zweite Wandlerzone sorgt für einen großen und gleichmäßigen Ortungswinkelbereich des Sonars sowohl um die Querachse als auch um die Hochachse des Torpedos. Durch die Anordnung der Wandler (e) entlang der gekrümmten Oberfläche des Torpedobugs ist der erzielbare Ortungsbereich des Sonars gegenüber einer Wandleranordnung auf einer abgeflachten Frontfläche erheblich erweitert. Die Gleichmäßigkeit des Richtdiagramms ergibt sich aus der zur Torpedolängsachse rotationssymmetrischen Belegung der Torpedobug-Oberfläche im Bereich der Ringzone (g). Will man einen erweiterten Ortungswinkelbereich um beide genannten Raumachsen erzielen, so kann man die Ringzone (g) weiter nach hinten ausdehnen, braucht dann aber mehr Wandler.
    Mit der Ringzone (g) endet der rotationssymmetrische Aufbau der Wandleranordnung. Zu beiden Seiten der Torpedohochachse schließt sich als dritte Zone (h) je eine Übergangszone an, welche in der Nachbarschaft zur Ringzone (g) breiter ist als am rückwärtigen Ende. Diese dritten Zonen liegen axialsymmetrisch zur Torpedolängsachse. Die beiden Übergangszonen (h) überführen den rotationssymmetrischen Ortungsbereich in zwei seitliche Richtdiagramme parallel zur Längsachse. Die von den beiden seitlichen Wandleranordnungen erzeugten Signale lassen sich von einem Ortungsprozessor algorithmisch leichter auswerten als die Ausgangssignale einer rotationssymmetrischen Wandleranordnung.
    Der Abschlußbereich der Wandlerzonen wird durch zwei seitliche vierte Zonen (i) gebildet, welche auf die Übergangszone (h) folgen und sich bis zum Großkreis der Torpedobugkontur erstrecken. Sie haben eine gleichbleibende Breite und können sich, falls erforderlich, auch über den Großkreis hinaus in Richtung Torpedoheck fortsetzen. Diese Längszonen (i) dehnen das Richtdiagramm bis in den hinteren Bereich des Torpedos aus. Braucht nur ein horizontaler Ortungswinkelbereich von ± 90° erfaßt zu werden, kann man auf eine Bestückung der vierten Zonen (i) mit Wandlern verzichten. Dies vermindert die Anzahl der benötigten Wandler.
    Für den Entwurf der Wandleranordnung empfiehlt es sich, nach Auswahl einer geeigneten Nominalfrequenz des Torpedosonars, die hydrodynamisch vorgegebene Torpedokontur vom Scheitel des Torpedobugs ausgehend in Schritten entsprechend der halben akustischen Nominal-Wellenlänge λ des Torpedosonars, also in λ/2-Schritten, abzuschreiten und dabei die axiale, entlang der Torpedokontur gemessene Länge der einzelnen Wandlerzonen festzulegen.
    Bei einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die kreisförmige erste Zone (f), d.h. die Scheitelbereichszone, bis zu einem Abstand von 1,5λ. Im Abstand von 2λ, gemessen vom Scheitel des Torpedobugs, beginnt die ringförmige zweite Zone (g), in welcher mehrere Ringe von Wandlern (e) die Längsachse des Torpedos umschließen. Der Abstand zwischen benachbarten Wandlerringen beträgt λ/2. Um die Anzahl der Wandler möglichst klein zu halten, sollte diese zweite Zone bei etwa 5λ enden. Damit hört der rotationssymmetrische Bereich der Wandleranordnung auf. Auf den beiden Seitenwänden des Torpedobugs, d.h. zu beiden Seiten der Torpedohochachse schließt sich als dritte Zone (h) je ein Übergangsbereich an, der bis zu einem Gesamtabstand von etwa 7λ reicht. Er ist an der Grenze zur zweiten Zone (g) breiter als am rückseitigen Ende und leitet auf beiden Torpedoseiten in eine vierte Zone (i) über, welche eine gleichbleibende Breite hat. Diese Längszonen (i) erstrecken sich zumindest bis zum größten Durchmesser des Torpedobugs, d.h. bis zu seinem Großkreis. Dort beginnt die zylindrische Torpedokontur.
    Mit der bislang beschriebenen Wandleranordnung erfolgt mit Hilfe der beiden rotationssymmetrischen Wandlerzonen (f) und (g) eine Rundumortung bezogen auf die Torpedolängsachse. Die beiden axialsymmetrischen Wandlerzonen (h) und (i) dienen der Ortung nach beiden Seiten. Soll zusätzlich der Gewässerbereich oberhalb des Torpedos überwacht werden, so sieht man in Weiterbildung der Erfindung auf dessen Oberseite als fünfte Zone eine weitere, in ihrem Aufbau der dritten Zone (h) entsprechende Übergangszone sowie eine sich anschließende, konstruktiv der vierten Zone (i) entsprechende sechste Zone vor. Dementsprechend kann man auf der Torpedobugunterseite je eine weitere fünfte und sechste Wandlerzone anbringen, um zum Gewässerboden hin zu orten. In Abhängigkeit von Anwendungsfall und Zielsetzung des Torpedosonars, den gewünschten Ortungswinkelbereichen und der erforderlichen Winkelauflösung werden die Abmessungen der einzelnen Wandlerzonen sowie Art, Anzahl und Anordnung der Wandler in den Zonen optimiert.

    Claims (10)

    1. Torpedosonar mit einer Vielzahl an der gekrümmten Torpedobug-Oberfläche angeordneten elektroakustischen Wandlern (e), gekennzeichnet durch mehrere Wandlerzonen, nämlich
      a) eine rotationssymmetrisch den Scheitelpunkt des Torpedobugs umgebende, kreisförmige erste Zone (f);
      b) eine ringförmige, die erste Zone umgebende zweite Zone (g);
      c) zu beiden Seiten der Torpedohochachse je eine sich von der zweiten Zone nach hinten erstreckende dritte Zone (h), welche im Abstand vor dem Großkreis des Torpedobugs endet; und
      d) je eine seitliche vierte Zone (i), die sich von der dritten Zone bis zum Großkreis erstreckt.
    2. Torpedosonar nach Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, daß
      a) die erste Zone (f) sich vom Scheitel des Torpedobugs bis zu einem Abstand von etwa 1,5λ erstreckt, wobei λ die akustische Nominalwellenlänge des Sonars ist;
      b) die zweite Zone (g) von 2λ bis etwa 5λ reicht; und
      c) die dritte Zone (h) sich bis etwa 7λ erstreckt.
    3. Torpedosonar nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen vierten Zonen (i) sich nach achtern über den Großkreis hinaus erstrecken.
    4. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen dritten Zonen (h) Übergangszonen sind, welche an der Grenze zur zweiten Zone (g) breiter sind als an der Grenze zur vierten Zone (i).
    5. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen vierten Zonen (i) in Richtung der Torpedolängsachse eine gleichbleibende Breite haben.
    6. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (f) nicht mit Wandlern bestückt ist.
    7. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (f) mit Sendewandlern bestückt ist.
    8. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Zonen (i) nicht mit Wandlern bestückt sind.
    9. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Torpedobug-Oberseite eine fünfte Zone vom Typ der dritten Zone sowie eine sechste Zone vom Typ der vierten Zone vorgesehen sind.
    10. Torpedosonar nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Torpedobug-Unterseite eine fünfte Zone vom Typ der dritten Zone sowie eine sechste Zone vom Type der vierten Zone vorgesehen sind.
    EP01126181A 2000-11-08 2001-11-05 Torpedosonar mit mehreren Wandlern Expired - Lifetime EP1205260B1 (de)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE10055164A DE10055164C1 (de) 2000-11-08 2000-11-08 Torpedosonar mit Schallwandlern
    DE10055164 2000-11-08

    Publications (3)

    Publication Number Publication Date
    EP1205260A2 true EP1205260A2 (de) 2002-05-15
    EP1205260A3 EP1205260A3 (de) 2003-12-03
    EP1205260B1 EP1205260B1 (de) 2006-08-23

    Family

    ID=7662446

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    Application Number Title Priority Date Filing Date
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    Country Status (3)

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    US (2) US20020080685A1 (de)
    EP (1) EP1205260B1 (de)
    DE (2) DE10055164C1 (de)

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