EP2951610A1 - Unterwasserschallsignal, unterwassersender oder unterwasserempfänger, unterwassersonar, unterwasserfahrzeug und nachrüstsatz - Google Patents

Unterwasserschallsignal, unterwassersender oder unterwasserempfänger, unterwassersonar, unterwasserfahrzeug und nachrüstsatz

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Publication number
EP2951610A1
EP2951610A1 EP14703520.8A EP14703520A EP2951610A1 EP 2951610 A1 EP2951610 A1 EP 2951610A1 EP 14703520 A EP14703520 A EP 14703520A EP 2951610 A1 EP2951610 A1 EP 2951610A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
underwater
transmitter
receiver
sound signal
angle
Prior art date
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Ceased
Application number
EP14703520.8A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Theuerkauf
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Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
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 Atlas Elektronik GmbH filed Critical Atlas Elektronik GmbH
Publication of EP2951610A1 publication Critical patent/EP2951610A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • 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
    • B06B1/06—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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/491—Details of non-pulse systems
    • G01S7/4911—Transmitters
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/4912—Receivers
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G10K11/00—Methods 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
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • 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
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/346—Circuits therefor using phase variation
    • G—PHYSICS
    • 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
    • G10K11/00—Methods 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
    • G10K11/18—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound
    • 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
    • G10K11/341—Circuits therefor
    • G10K11/348—Circuits therefor using amplitude variation

Definitions

  • the invention relates to an underwater sound signal which has a first time difference and / or a first intensity difference along a first radiation angle and an underwater transmitter or receiver, and an underwater sonar
  • Underwater vehicle a watercraft and a retrofit kit.
  • the object of the invention is to improve the disadvantages of the prior art.
  • the transmitter can be made in smaller designs, as cooling and
  • Energy supply can be dimensioned smaller or designed. In addition, a lower cooling capacity is necessary. Also under the same energy supply underwater sound signals can be sent over a longer period of time than in the prior art. In particular, the transmission power can be reduced by up to 80%.
  • the receivers can be used with high sensitivity in order to be able to detect objects that are far away, while at the same time highly-sensitive reflected signals from the near range can be measured.
  • Underwater sound signals includes, which are used in a sonar (sound navigation and ranging). Underwater ultrasound signals in the range from 10 kHz to 1000 kHz are particularly preferred. Present underwater sound signals are generated in particular by means of piezoceramics under water.
  • a "runtime difference" includes both a delayed and a premature emission with respect to an unaffected underwater sound signal.
  • Both the intensity difference and the delay difference can be selected via the aperture of the antenna angle-dependent so that they are adapted to the task. In particular, you can
  • Intensity difference and time difference are adapted to the angle-dependent seabed removal.
  • the aperture of the antenna designates the free, active opening through which the sound waves are sent or received.
  • An "angle of radiation" can be described in particular by a mathematical line angle, which in turn can be described by a mathematical angular measure Alternatively, the line angle can be called a one-dimensional angle Degrees between 0 ° and 360 ° and assume a value between Ogon and 400gon in the geodesic angle measure.
  • the emission angle extends in particular along the aperture.
  • Imprinting involves a technical influence on the underwater sound signal, which results in a corresponding difference in transit time and / or an intensity difference compared to an uninfluenced signal, which can occur during the actual transmission as well as at the reception This can be done, in particular, by passing an already emitted signal first through water, then passing it through diffraction to layers of different thicknesses or different acoustic impedance before it reaches the actual signal Receiver reached.
  • the underwater scarf signal has a second transit time difference and / or a second intensity difference along a second emission angle, wherein the first emission angle and the second emission angle are not parallel to one another such that the first emission angle and the second emission angle form a solid angle, the second transit time difference and / or the second
  • an underwater sound signal can be provided which is suitable to scan areal areas.
  • Orthogonality of the first and second emission angles includes, for example, an emitted cone of sound .Furthermore, non-parallelism comprises both perpendicular line angles and other angles.
  • the "solid angle” describes in particular the size of a spatial area, which is spanned by a conical shell.
  • one of the emission angles can have a value between 0 ° and 360 °, in particular between 0 ° and 180 ° or between 0 ° and 90 ° or between 10 ° and 80 ° , Even smaller angles, for example, between 20 ° and 40 ° can be realized.
  • the angle value of 0 ° to 360 ° can be achieved, for example, by a signal emitted by a piezoceramic ball or a piezoceramic ring. Even with small distances from each other spaced transmission elements can fill such radiation angle, it is harmless that small areas are recessed. Small distances in this context include values from 1 mm to values of a few centimeters, depending in particular on the transmission wavelength. Roughly, the higher the transmission frequency the smaller the distance can be selected (eg 1000kHz corresponds to approx. 1mm distance).
  • the imprinting of the running time difference and / or the intensity difference takes place by means of a damping element and / or by means of a transmitter and / or receiver geometry and / or by means of an electronic circuit.
  • a “damping element” comprises a material which has a different velocity of propagation for sound than water, thus allowing both “decelerations” and “accelerations.”
  • Propagation direction of the water sound have different thicknesses, through which the underwater sound signal can be modeled technically.
  • the imprinting by means of a "transmitter and / or receiver geometry" is effected, for example, by arranging several individual underwater sound transmitters not flat, but curved relative to one another Level differing structure are included.
  • Electrodes Single transmitter or individual receiver are so controlled electronically that they premature or delayed sending or receiving to neighboring individual transmitters or receivers.
  • the object is achieved by an underwater transmitter or an underwater receiver, which emits or receives a previously described underwater sound signal.
  • an underwater transmitter having a better range, lower volume reverberation, lower surface echo, lower multipath, lower transmission power, less cooling, lower power consumption, and a smaller size can be provided.
  • the object can be achieved by an underwater transmitter or an underwater receiver, wherein the underwater transmitter or the underwater receiver is set up such that the underwater transmitter or the Underwater receiver an underwater sound signal actively and / or passively a first time difference and / or a first intensity difference along a first radiation angle and / or that the underwater transmitter or underwater receiver the underwater sound signal actively and / or passively imposes a second delay difference or a second intensity difference along a second radiation angle.
  • This underwater transmitter or underwater receiver also has the advantages of the above-described underwater transmitter or underwater receiver.
  • the underwater transmitter has two or more subsenders and / or the underwater receiver has two or more sub-receivers.
  • Underwater sound signal a time difference or an intensity difference can be impressed. It is particularly advantageous that any desired time differences and intensity differences can be realized.
  • the intensity and / or transit time can be impressed on the transmitter or receiver as a function of a distance of a seabed to be examined.
  • the subsenders include both (piezo) ceramic filaments as well as planar (piezo) ceramic elements or arranged on a curved path (piezo) ceramic elements.
  • the active impingement can take place electronically.
  • individual subscribers or sub-receivers can prematurely and / or late send or receive a sound signal.
  • the big advantage in this case is in particular that an adaptation of the existing sonar to a system according to the invention can be easily implemented by a software update.
  • the passive imposition is effected by a geometric arrangement of the underwater transmitter and / or by a geometric arrangement of the underwater receiver and / or by a damping element.
  • the object is achieved by an underwater sonar, which has a previously described underwater transmitter and / or a previously described underwater receiver.
  • the object is achieved by an underwater vehicle which has a previously described Underwater transmitter and / or a previously described underwater receiver and / or a previously described underwater sonar has.
  • the "underwater vehicle” includes both submarines (remotely controlled, autonomous, with and without crew) as well as buoys, torpedoes, or towing sonars.
  • the object is achieved by a watercraft which has a previously described underwater transmitter and / or a previously described underwater receiver and / or a previously described underwater sonar and / or a previously described underwater vehicle.
  • Watercraft as used herein includes all ships, platforms or other objects moving or lingering on the water.
  • the object can be achieved by a retrofit kit for retrofitting a sonar, wherein the retrofit kit emitted by a sonar or received underwater sound signal a first time difference and / or a first intensity difference along a first angle of radiation and / or that the underwater transmitter or underwater receiver the underwater sound signal a second transit time difference and / or a second intensity difference along a second
  • retrofit kit In a related form of expression of the retrofit kit is designed passive and / or active. Thus, alternative retrofit sets can be provided.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of a
  • FIG. 2 shows a highly schematic representation of a conventional, flat underwater sound transmitter
  • FIG. 3 shows a highly schematic illustration of a curved underwater sound transmitter with several sub-underwater sounders
  • Figure 4 is a schematic representation of a
  • Figure 5 is a graphical representation of a
  • Figure 6 is a schematic representation of an under
  • Underwater sounder 101 has a first
  • Underwater sounder 101 a variety of
  • Ceramic filaments 105 which are arranged on a carrier layer 103.
  • the ceramic filaments 105 are made of piezoceramics, which are driven with a voltage perform a change in space, whereby a water column is impressed underwater sound signal.
  • the ceramic filaments 105 are juxtaposed and filled by means of a resin. Subsequently, the ceramic block is cured and then enclosed with
  • Ceramic filaments 105 machined by means of a milling cutter. By the cutter, a defined surface, such as a curved surface, the ceramic block is impressed.
  • the present first underwater sounder 101 is used differently. On the one hand, all ceramic filaments 105 are simultaneously subjected to voltage. Due to the different position of the Keramikfilêt 1 05 an underwater sound signal corresponding to the surface profile is emitted.
  • Another alternative is to coat each individual ceramic filament individually. By corresponding earlier or later BeSlten a desired waveform with a corresponding desired signal intensity and or with an angle-dependent delay and / or intensity difference can be provided.
  • a second underwater sounder 2 0 1 with flat, flat ceramic plates 2 05 configured.
  • the ceramic plates 2 05 are spaced from each other (not shown).
  • the geometric arrangement is the simultaneous activation of the piezoceramics 3 05 the Underwater sound signal imprinted on a runtime difference.
  • the individual piezoceramics 305 are connected in such a way that different intensities are emitted in different directions.
  • a delay difference and / or an intensity difference can be impressed on a subsonic sound signal by time-delayed activation or by different activation.
  • Each of the alternative underwater sounders 101, 201, 301 described above can be used in a sidescan sonar.
  • this side scan sonar 411 the bottom of the sea is scanned 415 on the left and 413 on the right.
  • the scanned areas 413, 415 have a spacing 421, with the left area 415 having a width 418 and the right area 413 having a width 417.
  • the seabed can be scanned over a total width of 423 and over a covered distance of 419.
  • a sidescan sonar 611 with one of the previous underwater sounders 101, 201, 301 is below one Water surface 650 and arranged above the seabed.
  • the distance 652 to the seabed is 10m, this can be less in shallow water and more in deep water.
  • the wiring is as follows.
  • the transmitted signals are modeled such that substantially similar intensities of intensity of the reflected sound signals are received at the side scan sonar 611.

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Abstract

Insbesondere bei einem Sidescan-Sonar werden, um Objekte in großen Entfernungen detektieren zu können, große Intensitäten in Bezug auf den Schalldruck unter Wasser ausgesendet, sodass das reflektierte Signal von weit entfernten Objekten gut detektierbar ist. Dieses Vorgehen hat einige Nachteile. Um den hohen Schalldruck erreichen zu können, sind leistungsfähige Energiequellen wie Batterien notwendig. Zudem werden an der Wasseroberfläche ebenfalls (Stör-)Signale reflektiert. Weiterhin sind Reflexionen nahliegender Objekte sehr stark, sodass die Empfindlichkeit von Unterwassermikrophonen herabgesetzt werden muss. Die Erfindung betrifft somit ein Unterwasserschallsignal, welches einen ersten Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels aufweist, wobei der erste Laufzeitunterschied und/oder der erste Intensitätsunterschied dem Unterwasserschallsignal aufgeprägt ist und diese Aufprägen insbesondere bei einem Senden oder einem Empfangen erfolgt.

Description

Unterwasserschallsignal, Unterwassersender oder
Unterwasserempfänger, Unterwassersonar , Unterwasserfahrzeug und Nachrüstsatz
[Ol] Die Erfindung betrifft ein Unterwasserschallsignal, welches einen ersten Laufzeitunterschied und oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels aufweist und einen Unterwassersender oder - empfänger, sowie ein Unterwassersonar, eine
Unterwasserfahrzeug, ein Wasserfahrzeug und einen Nachrüstsatz .
[02] Insbesondere bei einem Sidescan-Sonar werden, um
[03] Objekte in großen Entfernungen detektieren zu können, große Intensitäten in Bezug auf den Schalldruck unter Wasser in einen weiten Sektor ausgesendet, sodass das reflektierte Signal sowohl von nahe liegenden als auch von weit entfernten Objekten gut detektierbar ist.
[04] Dieses Vorgehen hat einige Nachteile. Um den hohen Schalldruck in einem großen Sektor erreichen zu können, sind leistungsfähige Energiequellen wie Batterien notwendig. Zudem werden an der Wasseroberfläche ebenfalls ( Stör- ) Signale reflektiert (Multipathausbreitung) .
Weiterhin sind die Echos nahliegender Objekte im Vergleich zu Objekten in großen Entfernungen sehr stark, woraus sich hohe Anforderungen an die Dynamik des Empfängers ergeben. [05] Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu verbessern.
[06] Gelöst wird die Aufgabe durch ein
Unterwasserschallsignal, welches einen ersten
Laufzeitunterschied und/oder einen ersten
Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels aufweist, wobei der erste Laufzeitunterschied und/oder der erste Intensitätsunterschied dem Unterwasserschallsignal aufgeprägt ist und diese Aufprägen insbesondere bei einem Senden oder einem Empfangen erfolgt.
[07] Durch das Aussenden derartiger
Unterwasserschallsignale können die Sender in kleineren Bauformen hergestellt werden, da Kühlung und
Energieversorgung geringer dimensioniert oder ausgelegt werden können. Zudem ist eine geringere Kühlleistung notwendig. Auch können bei gleicher Energieversorgung Unterwasserschallsignale über einen längeren Zeitraum als nach dem Stand der Technik ausgesandt werden. Insbesondere kann die Sendeleistung bis zu 80% reduziert werden.
[08] Empfängerseitig können die Empfänger mit hoher Sensibilität eingesetzt werden, um weit entfernte Objekte detektieren zu können, wobei gleichzeitig reflektierte Signale aus dem Nahbereich mit großer Empfindlichkeit messbar sind.
[09] Zudem erfolgt ein geringerer Volumennachhall als auch Oberflächennachhall. Auch Multipatheffekte, welche insbesondere durch das zusätzliche Reflektieren an der Wasseroberfläche entstehen, können minimiert werden. [10] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[11] „Unterwasserschallsignale", im Folgenden auch
Unterwassersignale genannt, umfassen sämtliche
Schallsignale, die zum Orten von Gegenständen unter Wasser verwendet werden. Insbesondere sind die
Unterwasserschallsignale umfasst, welche bei einem Sonar (sound navigation and ranging) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt werden Unterwasserultraschallsignale im Bereich vom 10kHz bis 1000kHz. Vorliegende Unterwasserschallsignale werden insbesondere mittels Piezokeramiken unter Wasser erzeugt .
[12] Ein „Laufzeitunterschied" umfasst sowohl ein verspätetes als auch ein verfrühtes Aussenden in Bezug auf ein unbeeinflusstes Unterwasserschallsignal.
[13] Ein „Intensitätsunterschied" ist dann gegeben, wenn die Intensität von der Intensität eines Referenzsignals abweicht, wobei das Referenzsignal eine im Wesentlichen einheitliche und über einen ( Sende- ) Winkel φ konstante Intensität aufweist.
[14] Sowohl der Intensitätsunterschied als auch der Laufzeitunterschied können über die Apertur der Antenne winkelabhängig so gewählt werden, dass diese an die Aufgabe angepasst werden. Insbesondere können
Intensitätsunterschied und Laufzeitunterschied an die winkelabhängige Meeresbodenentfernung angepasst werden. [15] Die Apertur der Antenne bezeichnet die freie, aktive Öffnung, durch welche die Schallwellen ausgesendet oder empfangen werden.
[16] Ein „Abstrahlwinkel" kann insbesondere durch einen mathematischen Linienwinkel beschrieben werden, welcher wiederum durch ein mathematisches Winkelmaß beschreibbar ist. Der Linienwinkel kann alternativ als eindimensionaler Winkel bezeichnet werden. In Bogenmaß kann dieser (eindimensionale) Abstrahlwinkel Werte zwischen 0 und 2n, im Gradmaß zwischen 0° und 360° und im geodätischen Winkelmaß einen Wert zwischen Ogon und 400gon annehmen. Der Abstrahlwinkel erstreckt sich insbesondere entlang der Apertur .
[17] „Aufprägen" umfasst eine technisch bedingte Einflussnahme auf das Unterwasserschallsignal, sodass sich ein entsprechender Laufzeitunterschied und/oder ein Intensitätsunterschied gegenüber einem unbeeinflussten Signal ergeben. Dies kann sowohl beim eigentlichen Senden als auch beim Empfangen erfolgen. Dennoch sind auch Fälle umfasst, in denen technisch auf ein ausgesandtes Signal nach dem Senden und vor dem Empfangen eingewirkt wird. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass ein bereits ausgesandtes Signal erst durch Wasser geleitet, anschließend durch Beugung an Schichten unterschiedlicher Dicke oder unterschiedlicher akustischer Impedanz geführt wird, bevor es den eigentlichen Empfänger erreicht.
[18] In einer weitern Ausführungsform weist das Unterwasserschalsignal einen zweiten Laufzeitunterschied und/oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten Abstrahlwinkels auf, wobei der erste Abstrahlwinkel und der zweite Abstrahlwinkel nicht parallel zueinander sind, sodass der erste Abstrahlwinkel und der zweite Abstrahlwinkel einen Raumwinkel bilden, wobei der zweite Laufzeitunterschied und/oder der zweite
Intensitätsunterschied dem Unterwasserschallsignal aufgeprägt ist und dieses Aufprägen insbesondere beim Senden oder beim Empfangen erfolgt.
[19] Somit kann ein Unterwasserschallsignal bereitgestellt werden, welches geeignet ist, flächige Bereiche zu scannen.
[20] Durch die „Nichtparallelität" oder die
„Orthogonalität" des ersten und zweiten Abstrahlwinkels ist beispielsweise ein ausgesandter Schallkegel mit umfasst. Weiterhin umfasst die Nichtparallelität sowohl rechtwinklig zueinander stehende Linienwinkel als auch andere Winkel. Charakteristisch dabei ist jeweils immer, dass ein flächiges Scannen realisierbar ist.
[21] Der „Raumwinkel" beschreibt insbesondere die Größe eines Raumbereichs, der von einem Kegelmantel aufgespannt wird .
[22] Um für Sonare unterschiedliche Unterwasserschallsignale mit unterschiedlichen Ausbreitungscharakteristiken bereitstellen zu können, kann einer der Abstrahlwinkel einen Wert zwischen 0° und 360°, insbesondere zwischen 0° und 180° oder zwischen 0° und 90° oder zwischen 10° und 80° aufweisen. Auch kleinere Winkel beispielsweise zwischen 20° und 40° sind realisierbar. [23] Der Winkelwert von 0° bis 360° kann beispielsweise durch ein durch eine Piezokeramikkugel oder einen Piezokeramikring ausgesandtes Signal erreicht werden. Auch mit kleinen Abständen zueinander beabstandete Sendeelemente können derartige Abstrahlwinkel ausfüllen, wobei es unschädlich ist, dass kleine Bereiche ausgespart werden. Kleine Abstände in diesem Zusammenhang umfassen Werte von 1mm bis zu Werten von einigen Zentimetern, wobei dies insbesondere von der Sendewellenlänge abhängt. Grob gilt je höher die Sendefrequenz desto kleiner kann der Abstand gewählt werden (z.B. 1000kHz entspricht ca. 1mm Abstand) .
[24] In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Aufprägen des LaufZeitunterschieds und/oder des Intensitätsunterschieds mittels eines Dämpfungselements und/oder mittels einer Sender- und/oder Empfangsgeometrie und/oder mittels einer elektronischen Schaltung.
[25] Somit können alternative Erzeugungsmethoden für erfindungsgemäße Unterwasserschallsignale bereitgestellt werden .
[26] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[27] Ein „Dämpfungselement" umfasst insbesondere einen Werkstoff, welcher eine andere Ausbreitungsgeschwindigkeit für den Schall als Wasser aufweist. Somit sind sowohl „Verzögerungen" als auch „Beschleunigungen" möglich. Insbesondere kann das Dämpfungselement in
Ausbreitungsrichtung des Wasserschalls unterschiedliche Dicken aufweisen, durch die das Unterwasserschallsignal technisch modelliert werden kann. [28] Das Aufprägen mittels einer „Sender- und/oder Empfangsgeometrie" erfolgt beispielsweise dadurch, dass mehrere einzelne Unterwasserschallsender nicht eben, sondern gekrümmt zueinander angeordnet sind. Insbesondere Unterwasserschallsender mit Keramikfilamenten, welche in einer Harzstruktur angeordnet sind und welche mittels Fräse eine von einer Ebene abweichende Struktur aufweisen, sind mit umfasst .
[29] Bei dem Aufprägen eines LaufZeitunterschieds oder eines Intensitätsunterschiedes mittels einer
„elektronischen Schaltung" werden Einzelsender oder Einzelempfänger derart elektronisch angesteuert, dass sie gegenüber benachbarten Einzelsendern oder -empfängern verfrüht oder verspätet Senden oder Empfangen.
[30] Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch einen Unterwassersender oder einen Unterwasserempfänger, welcher ein zuvor beschriebenes Unterwasserschallsignal aussendet oder empfängt.
[31] Somit kann ein Unterwassersender mit einer besseren Reichweite, mit geringerem Volumennachhall, mit geringerem Oberflächennachhall, mit geringerem Multipatheinflüssen, mit einer geringeren Sendeleistung, mit einer geringeren Kühlung, mit einem geringeren Energieverbrauch und in kleinerer Bauform bereitgestellt werden.
[32] Weiterhin kann die Aufgabe gelöst werden durch einen Unterwassersender oder einen Unterwasserempfänger, wobei der Unterwassersender oder der Unterwasserempfänger derart eingerichtet ist, dass der Unterwassersender oder der Unterwasserempfänger einem Unterwasserschallsignal aktiv und/oder passiv einen ersten Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterscheid entlang eines ersten Abstrahlwinkels und/oder dass der Unterwassersender oder der Unterwasserempfänger dem Unterwasserschallsignal aktiv und/oder passiv einen zweiten Laufzeitunterschied oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten Abstrahlwinkels aufprägt.
[33] Dieser Unterwassersender oder Unterwasserempfänger weist ebenfalls die Vorteile des zuvor beschriebenen Unterwassersender oder Unterwasserempfängers auf.
[34] In einer diesbezüglichen Ausprägungsform weist der Unterwassersender zwei oder mehr Subsender und/oder der Unterwasserempfänger zwei oder mehr Subempfänger auf.
[35] Dadurch kann besonders effektiv einem
Unterwasserschallsignal ein Laufzeitunterschied oder ein Intensitätsunterschied aufgeprägt werden. Ganz besonders vorteilhaft dabei ist, dass beliebig angepasste Laufzeitunterschiede und Intensitätsunterschiede realisierbar sind. So kann beispielsweise die Intensität und/oder Laufzeit als Funktion eines Abstands eines zu untersuchenden Meeresbodens dem Sender oder Empfänger aufgeprägt werden.
[36] Dabei umfassen die Subsender sowohl (Piezo-) Keramikfilamente als auch flächig angeordnete (Piezo-) Keramikelemente oder auf einer gekrümmten Bahn angeordnete (Piezo-) Keramikelemente. [37] Um insbesondere mit bestehenden Sonaren erfindungsgemäße Unterwasserschallsignale aussenden zu können, kann das aktive Aufprägen elektronisch erfolgen. Insbesondere können einzelne Subsender oder Subempfänger verfrüht und/oder verspätet ein Schallsignal aussenden oder empfangen .
[38] Der große Vorteil in diesem Fall besteht insbesondere darin, dass eine Adaption des bestehenden Sonars zu einem erfindungsgemäßen System leicht durch ein Software-Update umsetzbar ist.
[39] In einer weiteren Ausprägungsform erfolgt das passive Aufprägen durch eine geometrische Anordnung des Unterwassersenders und/oder durch eine geometrische Anordnung des Unterwasserempfängers und/oder durch ein Dämpfungselement .
[40] Bezüglich der Realisierungen und Definitionen der geometrischen Anordnung und des Dämpfungselements wird auf vorherige Ausführungen, welche analog gelten, verwiesen.
[41] In einer weiteren Ausgestaltung wird die Aufgabe gelöst durch ein Unterwassersonar , welches einen zuvor beschriebenen Unterwassersender und/oder einen zuvor beschriebenen Unterwasserempfänger aufweist.
[42] Somit können leistungsfähige Ortungsgeräte zum Detektieren von Unterwasserobjekten bereitgestellt werden.
[43] Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Unterwasserfahrzeug, welches einen zuvor beschriebenen Unterwassersender und/oder einen zuvor beschriebenen Unterwasserempfänger und/oder ein zuvor beschriebenes Unterwassersonar aufweist.
[44] Das „Unterwasserfahrzeug" umfasst sowohl U-Boote (ferngesteuert, autonom, mit und ohne Besatzung) als auch Bojen, Torpedos, oder auch Schlepp-Sonare .
[45] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, welches einen zuvor beschriebenen Unterwassersender und/oder einen zuvor beschriebenen Unterwasserempfänger und/oder ein zuvor beschriebenes Unterwassersonar und/oder ein zuvor beschriebenes Unterwasserfahrzeug aufweist.
[46] „Wasserfahrzeuge" im vorliegenden Sinne umfasst sämtliche Schiffe, Plattformen oder sonstige auf dem Wasser fahrende oder verweilende Objekte.
[47] Abschließend kann die Aufgabe gelöst werden durch einen Nachrüstsatz zum Nachrüsten eines Sonars, wobei der Nachrüstsatz einem vom Sonar ausgesandten oder empfangenen Unterwasserschallsignal einen erste Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels und/oder dass der Unterwassersender oder Unterwasserempfänger dem Unterwasserschallsignal einen zweiten Laufzeitunterschied und/oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten
Abstrahlwinkels aufprägt, wobei dieses Aufprägen insbesondere beim Senden oder Empfangen erfolgt. [48] Somit kann ein Bauteil oder ein Software-Update bereitgestellt werden, welches im Einsatz befindliche Sonare derart einrichtet, dass diese Sonare ein zuvor beschriebenes Unterwasserschallsignal senden oder empfangen. Dies führt bei geringen Kosten zu hohen Effizienzsteigerungen bestehender Sonar-Systeme.
[49] In einer diesbezüglichen Ausprägungsform ist der Nachrüstsatz passiv und/oder aktiv ausgestaltet. Somit können alternative Nachrüstsät ze bereitgestellt werden.
[50] Zur Definition der Begrifflichkeiten „passiv" und „aktiv" wird auf die vorherigen Ausführungen verwiesen.
[51] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines
Unterwasserschallsenders mit Keramikfil- amenten,
Figur 2 eine stark schematische Darstellung eines üblichen, flächigen Unterwasserschallsenders,
Figur 3 eine stark schematische Darstellung eines gekrümmten Unterwasserschallsenders mit mehreren Subunterwasserschallsender ,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines
Sidescan-Sonars mit abscannbarer Fläche, Figur 5 eine graphische Darstellung eines
Intensitätsverlaufes als Funktion des Abstandes und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines unter
Wasser befindlichen Sidescan-Sonars .
[52] In einer ersten Alternative des
Unterwasserschallsenders 101, weist ein erster
Unterwasserschallsender 101 eine Vielzahl von
Keramikfilamenten 105 auf, welche auf einer Trägerschicht 103 angeordnet sind. Die Keramikfilamente 105 bestehen aus Piezokeramiken, welche mit einer Spannung angesteuert eine Raumveränderung durchführen, wodurch einer Wassersäule ein Unterwasserschallsignal aufgeprägt wird.
[53] Bei einem einfachen Herstellungsverfahren für den vorliegenden Unterwasserschallsender 101 werden die Keramikfilamente 105 nebeneinander angeordnet und mittels eines Harzes verfüllt. Anschließend wird der Keramikblock ausgehärtet und anschließend mit eingefassten
Keramikfilamenten 105 spanend mittels einer Fräse bearbeitet. Durch die Fräse wird eine definierte Oberfläche, beispielsweise eine gewölbte Oberfläche, dem Keramikblock aufgeprägt.
[54] Vorliegender erster Unterwasserschallsender 101 wird unterschiedlich eingesetzt. Zum einen werden alle Keramikfilamente 105 gleichzeitig mit Spannung beaufschlagt. Aufgrund der unterschiedlichen Position der Keramikfilamente 1 05 wird ein Unterwasserschallsignal entsprechend des Oberflächenverlaufs ausgesandt.
[ 55 ] Eine weitere Alternative besteht darin, jedes einzelne Keramikfilament einzeln zu beschälten. Durch entsprechendes früheres oder späteres Beschälten kann eine gewünschte Signalform mit entsprechender gewünschter Signalintensität und oder mit einem winkelabhängigen Laufzeit- und/oder Intensitätsunterschied bereitgestellt werden.
[ 56 ] In einer zweiten Alternative ist ein zweiter Unterwasserschallsender 2 0 1 mit ebenen, flachen Keramikplatten 2 05 ausgestaltet. Die Keramikplatten 2 05 sind zueinander beabstandet (nicht dargestellt) .
[ 57 ] Dadurch dass die Keramikplatten 2 05 von Innen ( φ=0 ) nach Außen ( cp= cpmax ) beschaltet werden, ergibt sich ein Laufzeitunterschied in Abhängigkeit des Winkels cp, welcher eine gekrümmte Schallwellenform 2 0 7 aussendet. Durch einen zeitlich anderen Ablauf der Beschaltung können unterschiedliche Unterwasserschallwellenformen ausgesandt werden. Alternativ oder ergänzend werden die einzelnen Keramikplatten 2 05 derart beschaltet, dass unterschiedliche Intensitäten in unterschiedliche Richtungen ausgesandt werden .
[ 58 ] In einer dritten Alternative weist ein dritter Unterwasserschallsender 3 0 1 gekrümmte - auf einer Trägerstruktur 3 03 angeordnete - Piezokeramiken 3 05 auf.
[ 59 ] Durch die geometrische Anordnung (Wölbung) wird bei gleichzeitigen Ansteuerungen der Piezokeramiken 3 05 dem Unterwasserschallsignal ein Laufzeitunterschied aufgeprägt. Alternativ oder ergänzend werden die einzelnen Piezokeramiken 305 derart beschaltet, dass unterschiedliche Intensitäten in unterschiedliche Richtungen ausgesandt werden .
[60] Wie auch in den vorherigen Beispielen, kann durch zeitversetztes Ansteuern oder durch unterschiedliches Ansteuern ein Laufzeitunterschied und/oder ein Intensitätsunterschied einem Unterwasserschallsignal aufgeprägt werden.
[61] Jeder der zuvor beschriebenen alternativen Unterwasserschallsender 101, 201, 301 kann in einem Sidescan-Sonar eingesetzt werden. Bei diesem Sidescan-Sonar 411 wird jeweils links 415 und rechts 413 der Meeresboden abgescannt .
[62] Um gegenseitiges Stören zu minimieren oder zu vermeiden, weisen die gescannten Flächen 413, 415 einen Abstand 421 auf, wobei die linke Fläche 415 eine Breite 418 und die rechte Fläche 413 eine Breite 417 aufweist. Insgesamt kann der Meeresboden über eine Gesamtbreite 423 und über eine zurückgelegte Strecke 419 abgescannt werden.
[63] Dadurch dass das Sidescan-Sonar 411 sich unter Wasser bewegt, kann ein gesamtes „Bild" der Meeresoberfläche und etwaige darauf befindliche Objekte 641, 643 ermittelt werden .
[64] Ein Sidescan-Sonar 611 mit einem der vorherigen Unterwasserschallsender 101, 201, 301 ist unterhalb einer Wasseroberfläche 650 und oberhalb des Meeresbodens angeordnet. Der Abstand 652 zum Meeresboden beträgt 10m, dies kann im flachen Wasser duchaus weniger und im tiefen Wasser mehr sein.
[65] Grundsätzlich erfolgt die Beschaltung wie folgt.
[66] Es wird der Unterwasserschallsender 101, 201, 301 derart beschaltet, dass das Schallsignal in Richtung der maximal zu scannenden Reichweite Rmax 663 mit maximaler Intensität ausgesandt wird (cp=0) . Mit anwachsendem Winkel φ werden weitere Signale mit jeweils abschwächender Intensität ausgesandt und letztlich erfolgt das Aussenden mit der Minimalintensität bei minimal zu scannenden Reichweite Rmin 661 (cp=cpmax) .
[67] Durch Anpassen (in Abhängigkeit von der Höhe 652) der Unterwasserschallsender 101, 201, 301 werden die ausgesandten Signale derart modelliert, dass im Wesentlichen ähnliche Intensitätsstärken der reflektierten Schallsignale am Sidescan-Sonar 611 empfangen werden.
[68] Dadurch können insbesondere Objekte 641, 643, welche sich im unterschiedlichen Abstand zum Sidescan-Sonar befinden ähnlich gut detektiert werden.
[69] Ein typischer Intensitätsverlauf in Abhängigkeit von der Defektionsrichtung ist in Figur 5 dargestellt. Der Bereich 531 entspricht dabei der Oberfläche und der Bereich 533 ist der Verlauf des Unterwassersignals. Bezugs zeichenliste :
101 erster Unterwasserschallsender
103 Trägerschicht
105 Keramikfilament
201 zweiter Unterwasserschallsender
203 Trägerschicht
205 ebene Piezoelemente
207 Signalfront
301 dritter Unterwasserschallsender
303 Trägerschicht
305 gekrümmte Piezoelement
411 Side Scan Sonar
413 rechte Scanfläche
415 linke Scanfläche
417 Scanweite R
418 Scanweite R
419 Scanbreite
421 Scanlücke
423 Scanausdehnung
531 Oberfläche
533 Unterwassersignal
611 Side Scan Sonar
641 erster Gegenstand
643 zweiter Gegenstand
650 Wasseroberfl che
652 vertikaler Bodenabstand
661 erste Schallregelbegrenzung
662 zweite Schallregelbegrenzung

Claims

Patentansprüche :
1. Unterwasserschallsignal 207, welches einen ersten Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels (cp) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Laufzeitunterschied und/oder der erste Intensitätsunterschied dem Unterwasserschallsignal aufgeprägt ist und dieses Aufprägen insbesondere bei einem Senden oder einem Empfangen erfolgt.
2. Unterwasserschallsignal nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterwasserschallsignal einen zweiten Laufzeitunterschied und/oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten Abstrahlwinkels aufweist, wobei der erste Winkel und der zweite Winkel nicht parallel zueinander sind, sodass der erste Linienwinkel und der zweite Linienwinkel einen Raumwinkel bilden, wobei der zweite Laufzeitunterschied und/oder der zweite Intensitätsunterschied dem Unterwasserschallsignal aufgeprägt ist und dieses Aufprägen insbesondere bei dem Senden oder dem Empfangen erfolgt .
3. Unterwasserschallsignal nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Abstrahlwinkel einen Winkelwert zwischen 0° und 360°, insbesondere zwischen 0° und 180° oder zwischen 0° und 90° oder zwischen 10° und 80°, aufweist.
4. Unterwasserschallsignal nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufprägen des Lauf zeitunterschieds und/oder das Aufprägen des Intensitätsunterschiedes mittels eines Dämpfungselements und/oder mittels einer Sender- und/oder Empfangsgeometrie und/oder mittels einer elektronischen Schaltung erfolgt.
5. Unterwassersender oder -empfänger, welcher ein Unterwasserschallsignal nach einem der vorherigen Ansprüche aussendet oder empfängt.
6. Unterwassersender oder -empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwassersender oder -empfänger derart eingerichtet ist, dass der Unterwassersender oder -empfänger einem Unterwassersignal aktiv und/oder passiv einen ersten Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten
Abstrahlwinkels und/oder dass der Unterwassersender oder -empfänger dem Unterwassersignal aktiv und/oder oder passiv einen zweiten Laufzeitunterschied und/oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten Abstrahlwinkels aufprägt.
7. Unterwassersender (101,201, 301) oder -empfänger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der
Unterwassersender zwei oder mehr Subsender (105, 205,
305) und/oder der Unterwasserempfänger zwei oder mehr Subempfänger aufweist.
8. Unterwassersender oder -empfänger nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aktive Aufprägen elektronisch erfolgt.
9. Unterwassersender oder -empfänger nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Aufprägen durch eine geometrische Anordnung des Unterwassersenders und/oder durch eine geometrische Anordnung des Unterwasserempfängers und/oder durch ein Dämpfungselement erfolgt.
10. Unterwassersonar , welches einen Unterwassersender und/oder einen Unterwasserempfänger nach einem der Ansprüche 5 bis 9 aufweist.
11. Unterwasserfahrzeug (441, 611), welches einen Unterwassersender und/oder einen Unterwasserempfänger nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder Unterwassersonar nach Anspruch 10 aufweist.
12. Wasserfahrzeug, welches einen Unterwassersender und/oder einen Unterwasserempfänger nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder Unterwassersonar nach Anspruch 10 und/oder ein Unterwasserfahrzeug nach Anspruch 11 aufweist.
13. Nachrüstsatz zum Nachrüsten eines Sonars, wobei der Nachrüstsatz einem vom Sonar ausgesandten oder empfangenen Unterwasserschallsignal einen ersten Laufzeitunterschied und/oder einen ersten Intensitätsunterschied entlang eines ersten Abstrahlwinkels und/oder dass der Unterwassersender oder -empfänger dem Unterwassersignal einen zweiten Laufzeitunterschied und/oder einen zweiten Intensitätsunterschied entlang eines zweiten Abstrahlwinkels aufgeprägt, wobei dieses Aufprägen insbesondere bei einem Senden oder einem Empfangen erfolgt .
Nachrüstsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachrüstsatz passiv und/oder aktiv ausgestaltet ist .
EP14703520.8A 2013-01-29 2014-01-03 Unterwasserschallsignal, unterwassersender oder unterwasserempfänger, unterwassersonar, unterwasserfahrzeug und nachrüstsatz Ceased EP2951610A1 (de)

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