EP2771133A2 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

Elektroakustischer wandler

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EP2771133A2
EP2771133A2 EP12772258.5A EP12772258A EP2771133A2 EP 2771133 A2 EP2771133 A2 EP 2771133A2 EP 12772258 A EP12772258 A EP 12772258A EP 2771133 A2 EP2771133 A2 EP 2771133A2
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ceramic
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segments
marked
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Rainer Busch
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Atlas Elektronik GmbH
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/44—Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer for underwater operation referred to in the preamble of claim 1 and an acoustic underwater antenna according to the preamble of claim 7.
  • a known ultrasound transducer for sonar devices which is used for emitting and receiving sound waves, is shown in DE 195 288 81 C1.
  • a ring body made of an aluminum tube a plurality of ceramic plates arranged at equal angular intervals are used.
  • the ring body on axial slots, in which the ceramic plates are used in pairs with opposite polarization.
  • the invention is after all the problem of providing a better electro-acoustic transducer and a better underwater antenna with a higher efficiency.
  • the invention solves this problem by the features of an electroacoustic transducer according to claim 1 and by an underwater antenna according to claim 7.
  • the electroacoustic transducer according to the invention has a conventional hollow cylindrical shape as an annular transducer and is used in particular as a transmitting transducer for underwater operation.
  • a multiplicity of annular segments which can be positioned next to each other in a ring form an annular body.
  • a ceramic segment is embedded, wherein the ceramic segment is preferably a piezoceramic.
  • the diameter of the annular body is thus varied by applying an electrical voltage, whereby radial sound waves are radiated all around.
  • the electroacoustic transducer according to the invention has a winding on the outside of the ceramic segments around the annular body.
  • the wrapping is preferably made of glass fiber reinforced plastic and serves to fix the ceramic segments and reduce tensile stresses occurring.
  • the ceramic segments within the ring segments are enclosed by a gel.
  • This gel filling is designed in such a way to embed the ceramic segment in the ring segment.
  • the gel has a better transmission transmission rate than conventionally used for the construction of materials used in the ring transducers.
  • the gel filling has a shape memory effect and preferably consists of a silicone gel or a wax gel. Due to the shape memory effect, the gel filling has self-healing powers and returns to its original shape after mechanical deformation. This has the advantage of a self-healing by the original shape of the gel is obtained in the ring segment after a mechanical force on the antenna or the ring transducer again. On the other hand, such a gel with shape memory effect has the advantage that in case of damage to the ring body no gel passes to the outside. In contrast to other conceivable fluid fillers, such as, for example, oil, the gel adheres to the ceramic segment due to the shape memory effect.
  • fluid fillers such as, for example, oil
  • the annular body is constructed with one annular disc at the top and bottom and with a protective jacket on the inside and outside.
  • the upper and lower annular disc serves as a flange for attachment of the intermediate ceramic segments.
  • the protective jacket is preferably made of an acoustically transparent material, in particular polyurethane or rubber, and advantageously serves as a boundary of the inside and outside of the annular body.
  • an embodiment of the annular body is conceivable in which the entire annular body is surrounded with such a protective sheath.
  • the ceramic segments are spaced over at least two spacer elements attached to the ring body. Such attachment by means of spacer elements has the advantage of fixing the ceramic segments within the ring segment.
  • the annular body has one or more positive-locking connections at the top and / or bottom. These form-fit connections have the advantage of firmly anchoring the gel filling within the ring segment to the ring body.
  • annular body on a symmetrical arrangement of the ring segments, wherein the ring segments are constructed identical to each other.
  • an acoustic underwater antenna in particular towed antenna, a flexible, sound-transparent tube, in which at least two electro-acoustic transducers described above are arranged.
  • these transducers are spaced apart within the tube. An expansion and contraction of the ring body due to an applied AC voltage is transferred to the tubular casing and converted into water sound energy.
  • Fig. 1 is a plan view of an annular transducer
  • Fig. 1 shows a schematic plan view of an inventive electro-acoustic converter, also called ring transducer. Shown is a ring body 10, which is divided into a plurality of ring segments 12, here only partially shown. Preferably, all ring segments 12 are identical.
  • Fig. 2 shows in a cross section along the section line II-II of Fig. 1, the structure of a ring segment 12. Substantially center is a ceramic segment 20. It is in the ceramic segment 20 is preferably a piezoceramic, the Property has to polarize under the influence of a mechanical deformation and vice versa to deform under the influence of an electric field.
  • an alternating voltage applied to the ring segments 12 of the electroacoustic transducer results in expansion and contraction of the ring segments 12.
  • a winding 22 around the annular body 10, which is externally applied to the ceramic segments 20, ensures a fixation of the ceramic segments 20 and for a reduction of the tensile stresses on a harmless for the ceramic measure.
  • the wrapping 22 is formed of glass fiber reinforced plastic (GRP).
  • the annular body 10 shown in this embodiment of the invention has at the top and bottom of an annular disc 24, also called flange, on which the ceramic segments 20 are attached.
  • the ring body 10 shown here has a protective jacket 28 on the inside and outside of the ring body 10 in order to limit this.
  • the protective jacket 28 is formed of an acoustically transparent material, in particular polyurethane or rubber.
  • the invention is not limited to a protective jacket 28 on the inside and outside.
  • the entire annular body 10 may be enclosed by the protective jacket 28.
  • the ceramic segments 20 are embedded in a gel filling 30.
  • This gel filling 30 preferably has properties for self-healing.
  • the design of the gel filling 30 with a shape memory effect ensures that the gel filling 30 returns to its original shape after a mechanical deformation.
  • Another advantage of the shape memory effect of the gel filling 30 in contrast to a conceivable oil filling is that such a configured gel filling 30 does not penetrate in the event of damage to the transducer or the annular body 10 to the outside. In this way, a watercraft carrying an electroacoustic transducer according to the invention can not be detected by leaking gel, as would be the case, for example, with escaping oil.
  • the annular body 10 has at least one form-locking connection 32 on the upper and / or lower flange 24.
  • Such an above-described electroacoustic transducer in particular ring transducer, has the advantage of having a better transmission transmission rate over a conventional transducer according to the prior art. Due to the better transmission transmission dimensions when using gel filling, a substantial portion of the internal losses is eliminated. As a result, a large proportion of the transmission voltage and the electrical power thus required is reduced, although the same acoustic power is delivered into the water, as in a conventional ring converter without gel filling.
  • the efficiency of the underwater antenna is advantageously improved by the use of the above-described electroacoustic transducers with a gel filling having a shape memory effect.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, insbesondere einen Sendewandler, zum Unterwasserbetrieb. Ein hohlzylinderformiger Ringkörper (10) ist aus einer Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmente (12) aufgebaut. Jedes Ringsegment (12) weist wenigstens ein Keramik-Segment (20) auf, welches mittels einer das Keramik-Segment (20) umschließenden Gelfüllung (30) in dem Ringsegment (12) eingebettet ist. Zum Fixieren der Keramik-Segmente (20) weist der Ringkörper (10) eine außen an den Keramik-Segmenten (20) anliegende Umwicklung (22) auf. Ferner betrifft die Erfindung eine akustische Unterwasserantenne, insbesondere eine Schleppantenne, mit einem flexiblen, schalltransparenten Schlauch in dem wenigstens zwei der vorstehend beschriebenen elektroakustischen Wandler beabstandet angeordnet sind.

Description

Elektroakustischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler für den Unterwasserbetrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine akustische Unterwasserantenne gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 7.
Ein bekannter Ultraschallwandler für Sonargeräte, welcher zum Aussenden und Empfangen von Schallwellen verwendet wird, ist in DE 195 288 81 C1 gezeigt. In einem aus einem Aluminiumrohr gefertigten Ringkörper sind eine Mehrzahl in gleichen Winkelabständen angeordnete Keramikplatten eingesetzt. Dazu weist der Ringkörper Axialschlitze auf, in denen die Keramikplatten mit entgegensetzter Polarisation paarweise eingesetzt werden.
Ein weiterer bekannter Sendewandler ist in DE 10 2004 038 034 A1 gezeigt. Dieser weist einen Keramikring auf, der aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt ist. Mehrere Sendewandler mit einem derartigen Aufbau werden in einem flexiblen Schlauch angeordnet, um eine elektroakustische Sendeantenne, insbesondere eine Schleppantenne, zu bilden, wobei sich die Sendewandler an der Schlauchhülle abstützen.
Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, einen besseren elektroakustischen Wandler bzw. eine bessere Unterwasserantenne mit einem höheren Wirkungsgrad zu schaffen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Merkmale eines elektroakustischen Wandlers gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Unterwasserantenne gemäß Anspruch 7. Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler weist als Ringwandler eine übliche Hohlzylinderform auf und wird insbesondere als Sendewandler für den Unterwasserbetrieb eingesetzt. Eine Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmenten bildet einen Ringkörper. In jedem Ringsegment ist ein Keramik-Segment eingebettet, wobei es sich bei dem Keramik-Segment bevorzugt um eine Piezokeramik handelt. Im Sendebetrieb wird somit durch Anlegen einer elektrischen Spannung der Durchmesser des Ringkörpers variiert, wodurch ringsum radial Schallwellen abgestrahlt werden.
Ferner weist der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler eine außen an den Keramik-Segmenten anliegende Umwicklung um den Ringkörper auf. Die Umwicklung besteht bevorzugt aus glasfaserverstärktem Kunststoff und dient dazu, die Keramik-Segmente zu fixieren und auftretende Zugspannungen zu reduzieren.
Schließlich sind die Keramik-Segmente innerhalb der Ringsegmente von einem Gel umschlossen. Diese Gelfüllung ist dabei derart ausgebildet, um das Keramik- Segment in dem Ringsegment einzubetten. Vorzugsweise besitzt das Gel ein besseres Sendeübertragungsmaß als herkömmlich für den Aufbau von den Ringwandlern verwendete Materialien.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Gelfüllung einen Formgedächtnis-Effekt auf und besteht bevorzugt aus einem Silikongel oder einem Wachsgel. Durch den Formgedächtnis-Effekt besitzt die Gelfüllung selbstheilende Kräfte und kehrt nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurück. Das hat zum einen den Vorteil einer Selbstheilung, indem die Ursprungsform des Gels in dem Ringsegment nach einer mechanischen Krafteinwirkung auf die Antenne oder den Ringwandler wieder erhalten wird. Zum anderen weist ein derartiges Gel mit Formgedächtnis-Effekt den Vorteil auf, dass bei einer Beschädigung des Ringkörpers kein Gel nach außen tritt. Im Gegensatz zu anderen denkbaren fluiden Füllmitteln, wie bspw. Öl, bleibt das Gel durch den Formgedächtnis-Effekt am Keramik-Segment haften. Aus einem defekten Ringwandler austretendes Öl birgt hingegen eine Verratsgefahr durch das Auftreten einer Verratsspur im Wasser, was zu einer Detektion des Wasserfahrzeugs führen kann. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Gels mit Formgedächtnis- Effekt als Füllmittel entsteht hingegen keine Verratsspur, selbst bei einer Loslösung des Gels von dem Keramik-Segment.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ringkörper mit jeweils einer Ringscheibe oben und unten sowie mit einem Schutzmantel auf der Innenseite und Außenseite aufgebaut. Die obere und untere Ringscheibe dient dabei als Flansch zur Befestigung der dazwischenliegenden Keramik- Segmente. Der Schutzmantel ist bevorzugt aus einem akustisch transparentem Material, insbesondere Polyurethan oder Gummi, ausgebildet und dient vorteilhafterweise als Begrenzung der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers. Alternativ ist eine Ausgestaltung des Ringkörpers denkbar, bei der der gesamte Ringkörper mit einem derartigen Schutzmantel umgössen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Keramik- Segmente über wenigstens zwei Distanzelemente beabstandet am Ringkörper befestigt. Eine derartige Befestigung mittels Distanzelemente hat den Vorteil, die Keramik-Segmente innerhalb des Ringsegmentes zu fixieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkörper oben und/oder unten ein oder mehrere Formschluss-Verbindungen auf. Diese Formschluss-Verbindungen haben den Vorteil, die Gelfüllung innerhalb des Ringsegments an dem Ringkörper fest zu verankern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkörper eine symmetrische Anordnung der Ringsegmente auf, wobei die Ringsegmente untereinander identisch aufgebaut sind.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist eine akustische Unterwasserantenne, insbesondere Schleppantenne, einen flexiblen, schalltransparenten Schlauch auf, in dem wenigstens zwei vorstehend beschriebene elektroa- kustische Wandler angeordnet sind. Bevorzugt werden diese Wandler beabstandet innerhalb des Schlauchs angeordnet. Ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Ringkörpers aufgrund einer anliegenden Wechselspannung wird hierbei auf die Schlauchhülle übertragen und in Wasserschallenergie umgewandelt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht eines Ringwandlers und
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Schnittlinie II-II in Fig. 1.
Fig. 1 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektroakus- tischen Wandlers, auch Ringwandler genannt. Dargestellt ist ein Ringkörper 10, welcher in eine Vielzahl von Ringsegmenten 12, hier nur ansatzweise dargestellt, unterteilt ist. Bevorzugt sind alle Ringsegmente 12 identisch ausgebildet.
Fig. 2 zeigt in einem Querschnitt längs der Schnittlinie II-II aus Fig. 1 den Aufbau eines Ringsegments 12. Im Wesentlichen mittig befindet sich ein Keramik- Segment 20. Es handelt sich bei dem Keramik-Segment 20 bevorzugt um eine Piezokeramik, die die Eigenschaft besitzt, sich unter dem Einfluss einer mechanischen Deformation zu polarisieren und umgekehrt sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu deformieren.
Eine an die Ringsegmente 12 des elektroakustischen Wandlers angelegte Wechselspannung führt daher zu einer Ausdehnung und Schrumpfung der Ringsegmente 12. Dabei sorgt eine Umwicklung 22 um den Ringkörper 10, welche außen an den Keramik-Segmenten 20 angelegt ist, für eine Fixierung der Keramik-Segmente 20 sowie für eine Reduzierung der auftretenden Zugspannungen auf ein für die Keramik unschädliches Maß. Bevorzugt ist die Umwicklung 22 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ausgebildet.
Der in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Ringkörper 10 weist jeweils oben und unten eine Ringscheibe 24, auch Flansch genannt, auf, an denen die Keramik-Segmente 20 befestigt sind. Dabei erfolgt die Befestigung der Keramik-Segmente 20 an dem Ringkörper 10 bzw. dem oberen und unteren Flansch 24 über jeweils mindestens ein Distanzelement 26, wodurch ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Keramik- Segment 20 und dem Flansch 24 erzeugt wird.
Ferner verfügt der hier dargestellte Ringkörper 10 über einen Schutzmantel 28 auf der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers 10, um diesen zu begrenzen. Bevorzugt ist der Schutzmantel 28 aus einem akustisch transparenten Material, insbesondere Polyurethan oder Gummi, ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Schutzmantel 28 an der Innen- und Außenseite begrenzt. Ebenso kann der ganze Ringkörper 10 von dem Schutzmantel 28 umschlossen sein.
Im Inneren des Ringkörpers 10 sind die Keramik-Segmente 20 in einer Gelfüllung 30 eingebettet. Diese Gelfüllung 30 besitzt bevorzugt Eigenschaften zur Selbstheilung. Die Ausgestaltung der Gelfüllung 30 mit einem Formgedächtnis- Effekt sorgt dafür, dass die Gelfüllung 30 nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Dadurch können vorteilhafterweise geringe Positionsänderungen des Keramik-Segments 20 innerhalb des Ringsegments 12, welche bspw. durch einen Aufprall der Antenne entstehen, von selbst wieder korrigiert werden.
Ein weiterer Vorteil des Formgedächtnis-Effekts der Gelfüllung 30 im Gegensatz zu einer denkbaren Ölfüllung ist, dass eine derartig ausgestaltete Gelfüllung 30 bei einer Beschädigung des Wandlers bzw. des Ringkörpers 10 nicht nach außen dringt. Auf diese Weise kann ein Wasserfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler mit sich führt, nicht durch austretendes Gel detektiert werden, wie es bspw. bei austretendem Öl der Fall wäre.
Um die Gelfüllung 30 an den Ringkörper 10 fest zu verankern, weist der Ringkörper 10 am oberen und/oder unteren Flansch 24 jeweils mindestens eine Formschluss-Verbindung 32 auf. Ein derartiger, vorstehend beschriebener elektroakustischer Wandler, insbesondere Ringwandler, besitzt den Vorteil, ein besseres Sendeübertragungsmaß gegenüber einem herkömmlichen Wandler gemäß dem Stand der Technik aufzuweisen. Aufgrund der besseren Sendeübertragungsmaße bei verwendeter Gelfüllung entfällt ein wesentlicher Teil der inneren Verluste. Dadurch wird ein großer Anteil der Sendespannung und der somit benötigten elektrischen Leistung reduziert, obwohl die gleiche akustische Leistung ins Wasser abgegeben wird, wie bei einem herkömmlichen Ringwandler ohne Gelfüllung. Der Wirkungsgrad der Unterwasserantenne wird vorteilhafterweise durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen elektroakustischen Wandler mit einer Gelfüllung mit einem Formgedächtnis-Effekt deutlich verbessert.
Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Ansprüche
Elektroakustischer Wandler, insbesondere Sendewandler, zum Unterwasserbetrieb mit einem hohlzylinderförmigen Ringkörper (10) mit einer Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmenten (12), gekennzeichnet durch
eine Ausgestaltung der Ringsegment (12) derart, um wenigstens ein Keramik-Segments (20) aufzunehmen,
eine außen an dem Keramik-Segment (20) anlegbaren Umwicklung (22), insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff, welche derart ausgestaltet ist, um die Keramik-Segmente (20) zu fixieren und
eine das Keramik-Segment (20) umschließende Gelfüllung (30), welche derart ausgebildet ist, um das Keramik-Segment (20) in dem Ringsegment (12) einzubetten.
Wandler nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
eine Ausgestaltung der Gelfüllung (30) mit einem Formgedächtnis-Effekt, wodurch die Gelfüllung (30) nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
eine Ausgestaltung des Ringkörpers (10) mit jeweils einer Ringscheibe (24) oben und unten des Ringkörpers (10) zur Befestigung der Keramik- Segmente (20) und mit
einem Schutzmantel (28), insbesondere einer Gummimembran, auf der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers (10), um diesen zu begrenzen.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
wenigstens zwei Distanzelemente (26), welche derart ausgebildet sind, um das Keramik-Segment (20) beabstandet am Ringkörper (10) zu befestigen. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
ein oder mehrere Formschluss-Verbindungen (32) zur Verankerung der Gelfüllung (30) an dem Ringkörper (10).
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
einen symmetrischen Aufbau der Ringsegmente (12), wobei die Ringsegmente (12) einen identischen Aufbau aufweisen.
Akustische Unterwasserantenne, insbesondere Schleppantenne, mit einem flexiblen, schalltransparenten Schlauch und mit wenigstens zwei elektroakustischen Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet durch
eine in Reihe liegende, beabstandete Anordnung der elektroakustischen Wandler innerhalb des Schlauches.
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