EP1774509B1

EP1774509B1 - Elektroakustische wandleranordnung für unterwasserantennen

Info

Publication number: EP1774509B1
Application number: EP05751707A
Authority: EP
Inventors: Rainer Busch
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2004-08-05
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: EP1774509A1; AU2005270543B2; DE502005009729D1; ATE470926T1; KR20070046796A; NO20071211L; IL179948A0; WO2006015646A1; DE102004038032A1; US7542378B2; AU2005270543A1; US20080008046A1; ZA200700856B

Description

Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Wandleranordnung für Unterwasserantennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einer bekannten elektroakustischen Wandleranordnung ( EP 0 654 953 B1 ) ist der Reflektor ein Feder-Massesystem aus einer von der Metallplatte gebildeten Masse und aus einer von der Schaumstoffplatte gebildeten, schallweichen Feder. Die Schaumstoffplatte ist als elastische Weichstoffplatte aus Polyurethan-Schaum ausgebildet. Die Metallplatte ist zur Unterdrückung von störenden Eigenresonanzen in Sandwichbauweise mit einer zwischen zwei Metallblechen einliegenden, biegewellendämpfenden Folie ausgeführt. Die einzelnen Wandlerelemente der Wandleranordnung sind als Hydrofone konzipiert. Zur Herstellung der Wandleranordnung werden der Reflektor und ein Stecker zum Anschließen der Hydrofone in eine Gussform eingelegt. Die Hydrofone werden zur Einhaltung eines toleranzgenauen Abstands von dem Reflektor auf Distanzstücke aufgeklebt. Die Distanzstücke werden positionsgenau am Reflektor, und zwar an dessen Metallplatte, festgelegt, beispielsweise durch kleine Einsenkungen in der Metallplatte oder aber auch durch Ankleben. Die Distanzstücke werden aus dem gleichen Material hergestellt wie der Hartumguss, der vorzugsweise aus Polyurethan besteht. Nach Eingießen des Polyurethans in die Gussform und nach dessen Aushärten wird die komplette Wandleranordnung der Gussform entnommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei unverändert guten Leistungsdaten ein geringes Gewicht aufweist, um deren Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete zu vermehren.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Wandleranordnung hat den Vorteil, dass durch die Wabenstruktur der Metallplatte, insbesondere Aluminiumplatte, bei gleicher Biegesteifigkeit der Wandleranordnung, wie sie mit einer Vollplatte gewährleistet ist, eine enorme Gewichtseinsparung erzielt wird. Durch die Anordnung der dünnen Doppelschicht aus einer Schaumstoffschicht einerseits und einer Materialschicht mit kleinem Wellenwiderstand bzw. geringer Dichte, vorzugsweise Korkschicht, andererseits wird trotz Wabenstruktur der Metallplatte ein dem idealen Reflektor stark angenäherter Reflektor mit einem sehr guten Vor-/Rückwärtsverhältnis erzielt. Im Vergleich zu einer Ausführung mit fehlender Doppelschicht zwischen Wabenstruktur und Schaumstoffplatte wird das Vor-/Rückwärtsverhältnis bei einem Frequenzbereich der Wandleranordnung von 10 - 30 kHz um mehr als 25 dB angehoben.
Aufgrund ihrer Leichtgewichtigkeit ist die Wandleranordnung zum Einrüsten in autonome oder ferngelenkte Unterwasserfahrzeuge bestens geeignet, z.B. als Empfangs- und/oder Sendeantenne eines Minensonars zur Detektion von im Sediment eingespülten Minen.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wandleranordnung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaumstoffplatte durch einen luftgefüllten Hohlraum ersetzt. In diesem Fall beträgt die Anhebung des Vor/Rückwärtsverhältnisses durch die Doppelschicht sogar mehr als 45 dB, bezogen auf den gleichen Frequenzbereich der Wandleranordnung von 10 - 30 kHz.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Wandlerelemente mit Distanzstücken aus Kunststoff an der Metallplatte befestigt. Die Höhe der Distanzstücke ist so bemessen, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Wandlerelemente vom Reflektor klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ einer breitbandigen Wandleranordnung und kleiner als ¼ der Wellenlänge λ einer schmalbandigen Wandleranordnung ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der am Reflektor reflektierte Schall sich dem von den Wandlerelementen direkt empfangenen respektive abgestrahlten Schall konstruktiv überlagert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zu den Wandlerelementen weisende Oberfläche der Metallplatte mit einer dünnen Schicht aus einem Material belegt, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, möglichst 1 kg/m²s angenähert ist. Diese Materialschicht, die eine recht geringe Dichte aufweist und vorzugsweise als Korkschicht ausgeführt ist, wirkt auf die Wandlerelemente wie ein idealer Reflektor, wodurch die Empfangsempfindlich der als Empfänger betriebenen Wandleranordnung um bis 6 dB gegenüber den Wandlerelementen im Freifeld gesteigert wird. Das gleiche gilt für das Übertragungsmaß bzw. den Wirkungsgrad der Wandleranordnung, wenn diese als akustischer Sender betrieben wird.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:

Fig. 1: einen Längsschnitt einer elektroakustischen Wandleranordnung mit drei voneinander beabstandeten Wandlerelementen,
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer in Wabenstruktur ausgeführten Metallplatte in der Wandleranordnung in Fig. 1,
Fig. 3: eine gleiche Darstellung wie in Fig. 1 einer modifizierten Wandleranordnung.

Die in Fig. 1 im Längsschnitt schematisiert skizzierte elektroakustische Wandleranordnung für eine Unterwasserantenne weist beispielhaft drei Wandlerelemente 11 und einen in Schalleinfallsrichtung hinter den Wandlerelementen 11 angeordneten Reflektor 12 auf. Die Wandlerelemente 11 können sowohl Sendewandler als auch Empfangswandler oder Hydrofone sein. Im letzten Fall sind die Hydrofone als Kugelkeramiken, bevorzugt als Keramik-Hohlkugeln, ausgeführt, wie sie z. B. in US 6 029 113 A beschrieben sind. Die Wandlerelemente 11 und der Reflektor 12 sind in einem akustisch transparenten Hartumguss 13 aus einem im Gießverfahren verarbeitbaren, im wesentlich zähelastischen Elastomer eingebettet. Als Elastomer wird beispielhaft Polyurethan (PUR) verwendet. Auf die Darstellungen der notwendigerweise zu den Wandlerelementen 11 geführten elektrischen Verbindungen ist der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Der Reflektor 12 umfasst eine den Wandlerelementen 11 zugekehrte Metallplatte 13 in Wabenstruktur und eine von den Wandlerelementen 11 abgekehrte Schaumstoffplatte 14 aus druckfestem Schaumstoff. Die Metallplatte 13 mit Wabenstruktur, wie sie beispielhaft in Fig. 2 ausschnittweise in Draufsicht zu sehen ist, ist vorzugsweise aus Leichtmetall, wie Aluminium, gefertigt. Zwischen der Metallplatte 13 und der Schaumstoffplatte 14 ist eine dünne Doppelschicht 15 angeordnet, die eine an der Metallplatte 13 anliegende Schaumstoffschicht 16 aus druckfestem Schaum und eine an der Schaumstoffplatte 14 anliegende Materialschicht 17 umfasst, die aus einem Material besteht, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, also eine sehr geringe Dichte aufweist. Bevorzugt wird als Material für die Materialschicht 17 Kork verwendet, so dass nachfolgend nur von Korkschicht 17 gesprochen wird. Die Doppelschicht 15 ist im Vergleich zur Schaumstoffplatte 14 relativ dünn ausgeführt. Beispielsweise beträgt die Schichtstärke der Schaumstoffschicht 16 4 mm und die Schichtstärke der Korkschicht 17 2 mm. Demgegenüber wird die Schichtdicke der Schaumstoffplatte 14 aus druckfestem Schaum 15 - 20 mm gewählt.
Die Wandlerelemente 11 sind zur Einhaltung eines toleranzgenauen Abstandes von dem Reflektor 12 jeweils auf einem Distanzstück 18 aufgeklebt. Die Distanzstücke 18 sind positionsgenau an der Metallplatte 13 mit Wabestruktur festgelegt, beispielsweise durch kleine Einsenkungen in der Metallplatte 13 oder aber auch durch Ankleben. Die Distanzstücke 18 sind bevorzugt aus dem gleichen Material hergestellt wie der Hartumguss 20. Die zu den Wandlerelementen 11 weisende Oberfläche der Metallplatte 13 ist mit einer dünnen Materialschicht 19 aus einem Material belegt, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist. In gleicher Weise wie bei der Materialschicht 17 wird auch bei der Materialschicht 19 als Schichtmaterial mit geringer Dichte Kork verwendet. Die Schichtdicke der Korkschicht 19 beträgt beispielhaft ca. 2 mm. Die Korkschicht 19 ist im Bereich der Distanzstücke 18 ausgespart.
Die Höhe der Distanzstücke 18 ist so gewählt, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Hydrofone von der Metallplatte 13 für eine breitbandig sendende oder empfangende Wandleranordnung klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ ist. Für eine schmalbandig sendende oder empfangende Wandleranordnung wird die Höhe der Distanzstücke 18 kleiner als ein Viertel der Wellenlänge λ, also kleiner λ/4, gewählt.
Die in Fig. 3 im Längsschnitt dargestellte Wandleranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist gegenüber der zuvor beschriebenen Wandleranordnung insofern modifiziert, als die Schaumstoffplatte aus druckfestem Material durch einen geschlossenen Hohlraum 21 ersetzt ist. Zur Schaffung des Hohlraums 21 ist ein im Querschnitt U-förmiger Rahmen 22 mit Grundplatte 221 und umlaufendem Rahmenschenkel 222 vorgesehen. An der der Grundplatte 221 gegenüberliegenden Seite wird der Rahmen 22 von der Korkschicht 17 der Doppelschicht 15 abgedeckt, die auf dem freien Ende des Rahmenschenkels 221 aufliegt und so den Hohlraum 21 zusammen mit dem Rahmen 22 einschließt. Der Rahmen 22 besteht aus einem steifen Material, z.B. aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder einem druckfesten Kunststoff oder Schaumstoff. Der Hohlraum 21 ist bevorzugt mit Luft gefüllt und dient neben der Anhebung des Vor/Rückwärtsverhältnisses zusätzlich zur Aufnahme von elektronischen und elektrischen Bauelementen zur Verbindung mit den Wandlerelementen 11.
Der die Wandlerelemente 11 und den Reflektor 12 einschließende Hartumguss 20 ist nicht wie in Fig. 1 als quaderförmiger Körper ausgeführt, sondern im Bereich der Schalleinfallsrichtung der Oberflächenkontur der kugelförmigen Wandlerelemente 11 nachgeführt, indem dort halbkugelförmige Auswölbungen einen Halbkugelteil der Wandler mit etwa konstanter Materialdicke überziehen. Durch diese Anpassung des Hartumgusses 20 an die Wandlerkontur wird ein größerer Öffnungswinkel der Antennenanordnung erzielt.

Claims

Elektroakustische Wandleranordnung für Unterwasserantennen, mit voneinander beabstandeten Wandlerelementen (11), mit einem in Schalleinfallsrichtung hinter den Wandlerelementen (11) angeordneten Reflektor (12), der eine den Wandlerelementen (11) zugekehrte Metallplatte (13), insbesondere Aluminiumplatte, und eine auf der von den Wandlerelementen (11) abgekehrten Seite der Metallplatte (13) liegende Schaumstoffplatte (14) aufweist, und mit einem Hartumguss (20) aus einem Elastomer, der die Wandlerelemente (11) und den Reflektor (12) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (13) Wabenstruktur aufweist und dass zwischen Metallplatte (13) und Schaumstoffplatte (14) eine Doppelschicht (15) aus einer an der Metallplatte (13) anliegenden Schaumstoffschicht (16) und einer an der Schaumstoffplatte (14) anliegenden Materialschicht (17) aus einem Material, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, angeordnet ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelschicht (15) eine im Vergleich zur Dicke der Schaumstoffplatte (14) kleine Schichtstärke aufweist, die vorzugsweise ca. 6 mm beträgt.
Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (11) auf an der Metallplatte (13) befestigte Distanzstücke (18) aus Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, festgelegt sind, und dass die Höhe der Distanzstücke (18) so gewählt ist, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Wandlerelemente (11) von dem Reflektor (12) für eine breitbandige Wandleranordnung klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ und für eine schmalbandige Wandleranordnung kleiner als ein Viertel der Wellenlänge λ ist.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Wandlerelementen (11) weisende Oberfläche der Metallplatte (13) mit einer dünnen Materialschicht (19) aus einem Material belegt ist, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (17, 19) aus dem Material mit kleinem Wellenwiderstand eine Korkschicht ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Korkschicht (17, 19) ca. 2 mm beträgt.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffplatte (14) aus druckfestem Schaum besteht.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffplatte (14) einen geschlossenen, unmittelbar an die Doppelschicht (15) angrenzenden Hohlraum (21) aufweist oder durch einen solchen ersetzt ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (21) luftgefüllt ist.
Wandleranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (21) von einem im Querschnitt U-förmigen Rahmen (22) mit Grundplatte (221) und umlaufendem Rahmenschenkel (222) und der auf den freien Enden des Rahmenschenkels (222) aufliegenden, die Grundplatte (221) mit Abstand überdeckenden Doppelschicht (15) eingeschlossen ist.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (21) mit den Wandlerelementen (11) verbundene elektrische und elektronische Bauteile untergebracht sind.
Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderelemente (11) als Kugelkeramiken, vorzugsweise als Keramik-Hohlkugeln, ausgebildet sind.