EP1253666A2 - Unterwasserantenne - Google Patents

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EP1253666A2 EP02001535A EP02001535A EP1253666A2 EP 1253666 A2 EP1253666 A2 EP 1253666A2 EP 02001535 A EP02001535 A EP 02001535A EP 02001535 A EP02001535 A EP 02001535A EP 1253666 A2 EP1253666 A2 EP 1253666A2
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EP
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underwater antenna
antenna according
components
housing
underwater
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Rainer Dr. Busch
Walter Dr. Sachs
Christoph Hoffmann
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Atlas Elektronik GmbH
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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
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10KSOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G10K11/006Transducer mounting in underwater equipment, e.g. sonobuoys

Definitions

  • the invention relates to an underwater antenna in Preamble of claim 1 defined genus.
  • Such underwater antennas are for certain applications, e.g. in conjunction with a mine detection or protection sonar or a sediment sonar for seismic surveys in the Seabed, considerable shock loads from pressure waves exposed to detonations.
  • housings of such underwater antennas are next to the electroacoustic transducers for sound reception or for Sound transmissions contain other components and assemblies, so e.g. Electronic components, such as preamplifiers, Transmission transformers, chokes, etc. These components are in a receiving space formed in the housing housed and attached to a holder, which in turn is fixed in the housing.
  • the invention has for its object in a Underwater antenna of the type described above Forces caused by explosions in the water triggered pressure waves on the housing of the Attack underwater antenna on the components to reduce.
  • the underwater antenna according to the invention has the advantage that by filling the recording room with water impedance-matched filler on the underwater antenna impacting pressure wave not at the boundary layer to the hollow Recording room is reflected, but the entire housing the underwater antenna without significant reflections passes. Since there is no reflection wave, which is the incoming pressure wave superimposed, the components through the pressure wave accelerates far less than one only air-filled recording space, by about half. In addition, the filling exercises a mechanical one Support function for the components and prevents on the other hand, by completely enclosing the components, that they resonate and there is another Increase the oscillating attack on the components Force, the so-called resonance exaggeration, comes again Doubling the acceleration value would cause. Overall, this is due to the filling of the recording space the components have lower forces, which is lower Requirements for the shock resistance of the components and lower demands on the bearing forces for the Fastening the components. Both leaves the Manufacturing costs of the underwater antenna decrease.
  • the filler is a liquid or a gel.
  • a Liquid filling facilitates the exchange or the Repair of components. This also applies to fillings with a gel if the gel has the property at Warming to become fluid.
  • the in Fig. 1 in longitudinal section and only schematically and in Fig. 2 shown as a constructive embodiment Underwater antenna is preferably used for mine detection and is an essential sensor of a mine avoidance system.
  • the Antenna has a rigid closed with a cover 11 Housing 10, which is attached to the free end of a carrier 12 is.
  • the carrier 12 is in the hull of a watercraft, especially a submarine, axially displaceable, so that the antenna in and through an opening in the fuselage floor can be extended. Possibly. the carrier 12 is also about his Longitudinal axis rotatable.
  • the underwater antenna has a so-called Transducer arrangement 13 which forms a surface array and consists of a large number from individual, from each other horizontally and vertically spaced transducers 131, which are in a casting 14 made of plastic, e.g. Polyurethane, are embedded.
  • the Converter arrangement 13 is in the front area of housing 10 recorded and transversely on one in the housing 10 extending mounting plate 15 attached.
  • On the of the Transducer assembly 13 facing away from the back of the mounting plate 15 is a housing space 16 for further components in the housing 10 17 provided the antenna. These components are 17 for example preamplifiers, transformer transformers, Chokes or other electronic components.
  • Fig. 1 Components 17 shown are in a constructive Execution can be seen in Fig. 2. They each have one double-layer circuit board 19 on which the Electronic components attached and electrical to each other are connected. Each circuit board 19 is already on the mentioned fastening pins 18 on the mounting plate 15th established. Connectors attached to the mounting plate 15 20 make the electrical connection between the Electronic components and the converters 131 of the Converter arrangement 13 ago.
  • is the mass density
  • c the speed of sound
  • the 1 / e width
  • the 1 / e width is the time period in which the pressure amplitude p (t) of the pressure wave normalized to the pressure amplitude p 0 has decayed to the value 1 / e.
  • a 1 / e width of ⁇ 1 • 10 -3 sec
  • a speed of sound c 1500m / sec
  • the pressure wave would be reflected at the interface between the encapsulation 14 and the receiving space 16 and the reflection wave would overlap the pressure wave.
  • the pressure amplitude acting on the mounting plate 15 would double, so that twice as high bearing forces would be required to prevent the components 17 from detaching from the mounting plate 15.
  • a liquid e.g. oil or uses a gel that becomes fluid when heated. With such a filler 21, the receiving space 16 emptied for repair or replacement of components 17 become.
  • a liquid can also be used as filler 21 Potting material, e.g. Polyurethane can be used cures.

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Abstract

Bei einer Unterwasserantenne mit einem Gehäuse (10), einem darin ausgebildeten Aufnahmeraum (16) und mit in dem Aufnahmeraum (16) aufgenommenen Bauteilen (17), die an einem im Gehäuse (10) festgelegten Halter (15) befestigt sind, ist zwecks Reduzierung der Kräfte, die bei Auftreffen von durch Explosionen im Wasser ausgelösten Druckwellen auf das Gehäuse (10) der Unterwasserantenne an den Bauteilen (17) angreifen, der Aufnahmeraum (16) vollständig mit einem Füllstoff (21) ausgefüllt, dessen Impedanz an die des Wassers angepaßt ist (Fig. 1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Solche Unterwasserantennen sind bei bestimmten Anwendungen, z.B. in Verbindung mit einem Minensuch- oder -schutzsonar oder einem Sedimentsonar für seismische Untersuchungen im Meeresboden, erheblichen Schockbelastungen durch Druckwellen ausgesetzt, die von Detonationen erzeugt werden. Im Antennengehäuse solcher Unterwasserantennen sind neben den elektroakustischen Wandlern zum Schallempfang oder zum Schallsenden noch weitere Bauteile und Baugruppen enthalten, so z.B. Elektronikkomponenten, wie Vorverstärker, Übertragungstransformatoren, Drosseln etc. Diese Bauteile sind in einem im Gehäuse ausgebildeten Aufnahmeraum untergebracht und auf einem Halter befestigt, der seinerseits im Gehäuse festgelegt ist.
Bei solchen Schockbelastungen treten an diesen Bauteilen der Unterwasserantennen erhebliche Kräfte auf, so daß die Bauteile daher besonders schockfest ausgelegt werden müssen. Aber auch die Befestigung der Bauteile an dem Halter und des Halters im Gehäuse müssen extrem hohe Kräfte auffangen können und entsprechend ausgelegt werden. Beides führt zu einer erheblichen Steigerung der Herstellungskosten einer solchen Unterwasserantenne.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Unterwasserantenne der vorstehend beschriebenen Art die Kräfte, die bei Auftreffen von durch Explosionen im Wasser ausgelösten Druckwellen auf das Gehäuse der Unterwasserantenne an den Bauteilen angreifen, zu reduzieren.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne hat den Vorteil, daß durch die Ausfüllung des Aufnahmeraums mit an Wasser impedanzangepaßtem Füllstoff die auf die Unterwasserantenne auftreffende Druckwelle nicht an der Grenzschicht zum hohlen Aufnahmeraum reflektiert wird, sondern das gesamte Gehäuse der Unterwasserantenne ohne wesentliche Reflexionen durchläuft. Da keine Reflexionswelle entsteht, die sich der einlaufenden Druckwelle überlagert, werden die Bauteile durch die Druckwelle weit weniger stark beschleunigt als bei einem nur luftgefüllten Aufnahmeraum, und zwar um etwa die Hälfte. Zudem übt die Füllung einerseits eine mechanische Stützfunktion für die Bauteile aus und verhindert andererseits durch das vollständige Umschließen der Bauteile, daß diese in Resonanz geraten und es zu einer weiteren Erhöhung der an den Bauteilen angreifenden oszillierenden Kraft, der sog. Resonanzüberhöhung, kommt, die nochmals eine Verdopplung des Beschleunigungswerts hervorrufen würde. Insgesamt treten damit durch die Füllung des Aufnahmeraums an den Bauteilen geringere Kräfte auf, was geringere Anforderungen an die Schockfestigkeit der Bauteile und geringere Anforderungen an die Lagerkräfte für die Befestigungen der Bauteile stellt. Beides läßt die Fertigungskosten der Unterwasserantenne sinken.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Füllstoff eine Flüssigkeit oder ein Gel. Eine Flüssigkeitsfüllung erleichtert den Austausch oder die Reparatur von Bauteilen. Dies gilt auch für Füllungen mit einem Gel, wenn das Gel die Eigenschaft besitzt, bei Erwärmung fließfähig zu werden.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben, Es zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt einer Unterwasserantenne, nur schematisch dargestellt,
Fig. 2
eine perspektivische Ansicht einer konstruktiven Ausführung der Unterwasserantenne mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse,
Fig. 3 und 4
jeweils ein beispielhaftes Diagramm der bei Schockbelastung der Unterwasserantenne im Knoten A in Fig. 1 auftretenden Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit bei ungefülltem (Fig. 3) und gefülltem (Fig. 4) Aufnahmeraum.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt und nur schematisch und in Fig. 2 als ein konstruktives Ausführungsbeispiel dargestellte Unterwasserantenne dient vorzugsweise zur Minendetektion und ist ein wesentlicher Sensor einer Minenmeideanlage. Die Antenne weist ein mit einem Deckel 11 verschlossenes steifes Gehäuse 10 auf, das am freien Ende eines Trägers 12 befestigt ist. Der Träger 12 ist im Rumpf eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines U-Boots, axial verschiebbar gehalten, so daß die Antenne durch eine Öffnung im Rumpfboden ein- und ausgefahren werden kann. Ggf. ist der Träger 12 auch um seine Längsachse drehbar ausgebildet.
Wie in der schematischen Schnittdarstellung der Fig. 1 angedeutet ist, weist die Unterwasserantenne eine ein sog. Flächenarray bildende Wandleranordnung 13 aus einer Vielzahl von einzelnen, voneinander horizontal und vertikal beabstandet angeordneten Wandlern 131 auf, die in einen Umguß 14 aus Kunststoff, z.B. Polyurethan, eingebettet sind. Die Wandleranordnung 13 ist im vorderen Bereich des Gehäuses 10 aufgenommen und an einer im Gehäuse 10 sich quer erstreckenden Montageplatte 15 befestigt. Auf der von der Wandleranordnung 13 abgekehrten Rückseite der Montageplatte 15 ist im Gehäuse 10 ein Aufnahmeraum 16 für weitere Bauteile 17 der Antenne vorgesehen. Diese Bauteile 17 sind beispielsweise Vorverstärker, Übertragertransformatoren, Drosseln oder andere Elektronikkomponenten. Diese Bauteile 17 sind über geeignete Befestigungsstifte 18 an der Montageplatte 15 befestigt. Die in Fig. 1 nur schematisch dargestellten Bauteile 17 sind in einer konstruktiven Ausführung in Fig. 2 zu sehen. Sie weisen jeweils eine doppellagige Leiterplatte 19 auf, auf welcher die Elektronikkomponenten befestigt und miteinander elektrisch verbunden sind. Jede Leiterplatte 19 ist über die bereits erwähnten Befestigungsstifte 18 an der Montageplatte 15 festgelegt. An der Montageplatte 15 befestigte Steckverbinder 20 stellen die elektrische Verbindung zwischen den Elektronikkomponenten und den Wandlern 131 der Wandleranordnung 13 her.
Nach Einsetzen der Bauteile 17 wird der gesamte Aufnahmeraum 16 mit einem Füllstoff 21 ausgefüllt, dessen akustische Impedanz an der des Wasser angenähert ist. Trifft eine Druckwelle, die beispielsweise von der Explosion einer Mine ausgelöst wird, mit einer Druckamplitude p0 auf die Wandleranordnung 13 auf, so bleibt die Druckamplitude p0 beim Durchgang durch den Umguß 14, der eine zum Wasser vergleichbare akustische Impedanz aufweist, angenähert erhalten und trifft auf die Grenzfläche zwischen Umguß 14 und Füllstoff 21. Diese Druckwelle erzeugt an der Montageplatte 15 eine Oszillation, wobei die Montageplatte 15 eine gemittelte Beschleunigung erfährt von a0 = p0 ρ · c ·  , wobei ρ die Massendichte, c die Schallgeschwindigkeit und  die 1/e-Breite ist. Die 1/e-Breite ist diejenige Zeitspanne, in welcher die auf die Druckamplitude p0 normierte Druckamplitude p(t) der Druckwelle auf den Wert 1/e abgeklungen ist. Bei z.B. einer Druckwelle von 200bar, einer 1/e-Breite von =1•10-3sec und einer Schallgeschwindigkeit c=1500m/sec ergibt sich eine mittlere Beschleunigung a0=1,3•104m/sec2. Besitzen die Bauteile 17 die Masse m, so müssen die Lagerungskräfte, mit denen die Bauteile 17 an der Montageplatte 15 gehalten werden, größer als F = 2ma0 sein. Wäre der impedanzangepaßte Füllstoff 21 im Aufnahmeraum 16 nicht vorhanden, sondern dieser nur luftgefüllt, so würde die Druckwelle an der Grenzfläche zwischen Umguß 14 und Aufnahmeraum 16 reflektiert und die Reflexionswelle sich der Druckwelle überlagern. Die auf die Montageplatte 15 wirkende Druckamplitude würde sich verdoppeln, so daß doppelt so hohe Lagerkräfte erforderlich wären, um ein Ablösen der Bauteile 17 von der Montageplatte 15 zu verhindern.
In den beiden Diagrammen der Fig. 3 und 4 sind die vorstehend beschriebenen Beschleunigungsverhältnisse bei luftgefülltem Aufnahmeraum 16 (Fig. 3) und bei mit impedanzangepaßtem Füllstoff 21 gefülltem Aufnahmeraum 16 illustriert. Dabei ist die Beschleunigung des Knotens A auf der Montageplatte 15 in Fig. 1 in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt, wobei im Zeitpunkt t=0 die Druckwelle mit einer Druckamplitude von z.B. 190bar auf die Wandleranordnung 13 auftrifft. Deutlich ist zu sehen, daß die Beschleunigung des Knotens A durch den Füllstoff 21 erheblich reduziert wird. Eine solche Reduzierung wird noch größer, wenn man berücksichtigt, daß bei luftgefülltem Aufnahmeraum 16 an der Montageplatte 15 eine Resonanzüberhöhung auftreten kann, wenn 1/ der Resonanzfrequenz der Lagerung der Bauteile 17 entspricht.
Als Füllstoff 21 wird vorzugsweise eine Flüssigkeit, z.B. Öl oder ein Gel verwendet, daß durch Erwärmen fließfähig wird. Bei einem solchen Füllstoff 21 kann der Aufnahmeraum 16 zwecks Reparatur oder Austausch der Bauteile 17 entleert werden. Als Füllstoff 21 kann aber auch ein flüssiges Vergußmaterial, z.B. Polyurethan, verwendet werden, das aushärtet.

Claims (12)

  1. Unterwasserantenne mit einem Gehäuse (10), mit einer im Gehäuse (10) integrierten Wandleranordnung (13) aus einer Vielzahl von elektroakustischen Wandlern (131), mit in einem im Gehäuse (10) ausgebildeten Aufnahmeraum (16) aufgenommenen Bauteilen (17) zum Betreiben der Wandler (131) und mit einem im Gehäuse (10) festgelegten Halter (15), an dem die Bauteile (17) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufnahmeraum (16) vollständig mit einem Füllstoff (21) ausgefüllt ist, dessen akustische Impedanz an die des Wassers angenähert ist.
  2. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) ein Gel ist.
  3. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) eine Flüssigkeit ist.
  4. Unterwasserantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Öl ist.
  5. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff (21) ein aushärtendes Vergußmaterial ist.
  6. Unterwasserantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vergußmaterial aus Polyurethan besteht.
  7. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile (17) Elektronikkomponenten sind.
  8. Unterwasserantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronikkomponenten auf Leiterplatten (19) angeordnet sind, die am Halter (15) befestigt sind.
  9. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter eine Montageplatte (15) ist.
  10. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektroakustischen Wandler (131) in einem Umguß (14) mit dem Wasser angepaßter akustischer Impedanz eingebettet sind und daß der Aufnahmeraum (16) auf der Rückseite des Umgusses (14) angeordnet ist.
  11. Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (15) am Umguß (14) anliegt.
  12. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) an einen um seine Längsachse schwenkbaren Träger (12) befestigt ist, der aus dem Rumpf eines Wasserfahrzeugs, insbesondere eines Unterwasserfahrzeugs, ausschiebbar und in den Rumpf einziehbar ausgebildet ist.
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