EP3774082A1 - Schallwandler zum senden und/oder empfangen von unterwasserschallsignalen, unterwasserantenne, schleppantenne, sonar und wasserfahrzeug - Google Patents

Schallwandler zum senden und/oder empfangen von unterwasserschallsignalen, unterwasserantenne, schleppantenne, sonar und wasserfahrzeug

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Publication number
EP3774082A1
EP3774082A1 EP19715023.8A EP19715023A EP3774082A1 EP 3774082 A1 EP3774082 A1 EP 3774082A1 EP 19715023 A EP19715023 A EP 19715023A EP 3774082 A1 EP3774082 A1 EP 3774082A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound
sound transducer
underwater
antenna
transducer
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
EP19715023.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mike Minschke
Reimar VOIGT
Gregor Matissek
Wilfried Junge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
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 ThyssenKrupp AG, Atlas Elektronik GmbH filed Critical ThyssenKrupp AG
Publication of EP3774082A1 publication Critical patent/EP3774082A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • B06B1/0644—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 a single piezoelectric element

Definitions

  • Sound transducer for transmitting and / or receiving
  • the invention relates to a sound transducer for transmitting and / or receiving underwater sound signals, wherein the sound transducer has at least two sound transducer shells, each having a piezoceramic material and are each electrically conductive on an outer surface and an inner surface. Furthermore, the invention relates to an underwater antenna, a towed antenna, a sonar for transmitting and / or receiving underwater sound signals and a watercraft.
  • transducers for receiving and / or transmitting underwater sound signals are usually configured in spherical form for an omnidirectional directional characteristic.
  • spherical hydrophones are arranged on circular paths around a pull cable, for example for a towed antenna.
  • the disadvantage here is that the Kugelhydrophone must each be mounted individually on a support and a variety of Kugelhydrophonen is necessary to allow a corresponding area for receiving and / or transmitting with a high sensitivity. There is also the risk that the arranged on circular paths around a train cable Kugelhydrophone and their associated components can interfere with each other receiving and / or sending.
  • FIG. 20 and FIG. 21 of US 4876675 show a towed antenna with a hose (flexible tube 52), in the interior of which a plurality of piezoelectric sound receivers (receiver units 50) are arranged along a flexible elongate core 51.
  • Each sound receiver 50 comprises two cylindrical members 53L and 53R which are polarized in opposite directions and are insulated from each other by a disk-shaped plate 54.
  • Each element 53L and 53R has an inner surface with an electrode 55 and an outer surface with an electrode 56, respectively.
  • Each disk-shaped element 53L and 53R and the plate 54 have a hole in the center through which the core 51 passes.
  • Two adjacent sound receivers 50 are separated by a space (buffer space 57).
  • US 4797863 shows a buoy (sonobuoy 16) which carries a hydrophone 20 via a cable (long tether 22) and on the upper edge of which a transmitter 24 is mounted, cf. Fig. 1.
  • the hydrophone 20 comprises a circular membrane (diaphragm 26) whose outer peripheral surface is wound around a circular ring-shaped resilient and deformable steel strip (annular band 28 of spring steel), cf. Fig. 2 and Fig. 3.
  • a coaxial cable 30 is guided around this steel strip 28 around.
  • the cable 30 has an electrically conductive core 40, which is surrounded by a flexible piezoelectric material 42, see. FIG. 4.
  • a dielectric housing 44 surrounds the piezoelectric material 42.
  • a sequence of dielectric loops 38 connects the cable 30 to the steel strip 28.
  • US 20040017129 A1 shows a sound transducer in the form of a circular helix, cf. Fig. 26 and Pars. [0110] and [0111].
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • the object is achieved by a sound transducer for transmitting and / or receiving underwater sound signals, wherein the sound transducer has at least two sound converter shells, each having a piezoceramic material and are electrically conductive on an outer surface and an inner surface, and the sound converter shells together forming a toroidal shape, so that an underwater sound signal can be transmitted and / or received rotationally symmetrically.
  • An essential idea of the invention is based on the fact that a rotationally symmetrical directional characteristic is realized by a toroidal shape of a single sound transducer.
  • a large number of spherical hydrophones is dispensed with about an axis for a rotationally symmetrical directional characteristic as well as corresponding contacts, electrical connections, signal processing and other associated components and these components do not have to be arranged several times.
  • a "sound transducer” is in particular a device for transmitting and / or receiving acoustic underwater sound signals
  • one or more sound transducers are used when using active and / or passive sonars Signal for further processing (receiver) and / or converts an electrical signal into an acoustic signal, the latter being emitted (Transmitter).
  • a transmit transducer can also be pulled behind a ship.
  • Underwater hydrophones can be used as a sound transducer to record underwater noise there. In this case, a hydrophone converts the water sound into an electrical variable corresponding to the sound pressure.
  • a frequency range between about 10 Hz Hertz and 400 kHz is used.
  • the transducer shell is a two-dimensional (spatially) curved structure that can absorb loads both vertically and in a plane
  • the at least two sound transducer shells may have any desired abutment surfaces, wherein the sound transducer shells may be centered vertically or centrally
  • the torus may consist of several circumferential ring segment shells.
  • piezoceramic is understood in particular to mean that the sound transducer shells consist of a full ceramic and / or a composite material. ⁇ br /> ⁇ br/> A piezocomposite ceramic as a composite material has, in particular, piezoelectric, ceramic filaments and a filling compound
  • sound converter shells act as piezo transducers and generate an electrical voltage when a mechanical pressure is applied, or cause mechanical movement when an electrical voltage is applied.
  • the piezoceramic transducer shells Upon impact of a sound pressure, the piezoceramic transducer shells are deformed, so that an electrical voltage is generated at the piezoceramic transducer shells.
  • the sound transducer is designed in this case as a sound receiver. By applying pressure to the transducer shells, the transducer shells are deformed and electrically charged regions are formed on the outer and / or inner surface of the transducer shells (piezoelectric effect).
  • An "outer surface” is in particular the outer boundary surface of a transducer shell and / or of the toroidal shape, The outer surface is in particular the outer surface of the transducer shell and / or the toroidal shape, which can be struck by a sound pressure.
  • the inner surface is the inner boundary surface of the toroidal shape adjacent to the cavity of the toroidal shape.
  • Electrode conductive means in particular that a material has a high density of freely movable charge carriers and thus has a good electrical conductivity and the lowest possible electrical resistance, so that the material is suitable for transporting charged particles.
  • the sound converter shells on their outer surface and its inner surface each have an electrically conductive material.
  • a "toroidal shape” is a geometric object that has a bead-shaped surface with a hole.
  • the geometric shape of a sound transducer shell arises when a curved curve, in particular a semicircle or a half ellipse, is rotated along a circle
  • a closed curved curve in particular a circle or an ellipse
  • a torus may have the shape of a life ring, hoop or donut
  • a torus is, in particular, a mathematical body which arises from being perpendicular
  • the toroidal shape is formed by at least two sound converter shells and is hollow in its interior and / or filled with associated components of the sound transducer.
  • rotationally symmetric means, in particular, that the transducer can be rotated about its midpoint and assumes exactly the same place as in the initial state before rotation more than once, and / or the angular dependence of the strength of the received and / or transmitted underwater sound waves does not change (rotationally symmetrical directional characteristic).
  • two sound transducer shells are designed as shell halves.
  • the toroidal shape of the transducer can be formed by two transducer shell halves.
  • the shell halves are formed axially symmetrical to the vertical or horizontal axis of symmetry of the toroidal shape.
  • a support plate may be arranged between the transducer shells and / or the shell halves.
  • a “carrier plate” is in particular a plate which comprises ceramic and / or plastic,
  • a carrier plate consists wholly or partly of ceramic and / or has a small layer thickness, for example between 0.5 mm and 2.0 mm, for good decoupling
  • the carrier plate also serves, in particular, simultaneously as a circuit board and / or power supply to the sound transducer and / or other components a carrier plate may in particular also be a foil.
  • the piezoceramic material has a polarized piezoelectric ceramic and / or ceramic filaments.
  • Ceramic filaments are in particular thin and / or thread-like ceramic structures, which may take the form of rods, cylinders, tubes and / or plates in particular a change in the electrical polarization and thus an occurrence of an electrical voltage on the ceramic solid takes place, in which case the sound transducer is designed as a sound receiver.
  • the electrically conductive outer surface and / or the electrically conductive inner surface has or have a metal layer and / or an electrode.
  • An "electrode” is in particular an electron conductor, which interacts with a counterelectrode with one between both electrodes located medium interacts.
  • An electrode consists in particular of an electrical conductor, for example a metal and / or graphite.
  • An electrode may in particular also be embodied as an electrically conductive layer on the sound converter shells.
  • the electrode may be configured as a copper layer or as a silver layer.
  • the outer electrodes of the sound transducer shells are set to zero potential. In this case, no interference takes place in the sound transducer by the shielding effect, since the digitization of the sound signals usually takes place only in the subsequent external signal processing stages.
  • signal conditioning electronics are arranged in an interior of the toroidal shape.
  • an electrical signal is converted into an acoustic signal and / or vice versa by means of "signal conditioning electronics.”
  • Signal conditioning electronics in particular process an amplifier, an amplifier chain, a circuit part for conversion and / or Digitization of electrical and / or analog signals and / or a data transmission unit.
  • the electrically conductive inner surface is guided by means of a conductive compound on an insulated area for contacting on the outer surface.
  • an "electrically conductive connection” establishes electrical contact between the electrically conductive inner surface and the outer surface
  • a conductive connection may in particular be a solder connection, welded connection, press connection, winding connection, adhesive connection and / or plug connection
  • Conductive connection can also be made via a surface applied conductive layer, an adhesive, a contact tongue and / or a conductor wire.
  • An "isolated region” is in particular an area and / or section which prevents an electrically conductive connection.
  • the electrically conductive inner surface and / or the electrically conductive outer surface is or are contacted by means of a carrying cable and / or a line.
  • the transducer can be powered externally with voltage and / or electronic signals of the transducer can be transmitted to an external evaluation unit.
  • a "supporting cable” is in particular a cable or cable, which in particular the weight of one and / or more transducers and / or the force for pulling all components of a towed antenna including one or more transducers absorbs in the water.
  • the carrying cable has in particular at least one electrical conductor and / or is surrounded by an electrical conductor.
  • the support cable has in particular plastic and / or metal, or for example aramid and / or copper.
  • the object is achieved by an underwater antenna, wherein the underwater antenna has a previously described sound transducer.
  • a space-saving underwater antenna with a spherical characteristic is already provided by a single transducer according to the invention.
  • a plurality of sound transducers according to the invention can be used in a suitable arrangement in the underwater antenna and these can also be configured as an active sound transducer.
  • An "underwater antenna” is in particular a technical device for transmitting and / or receiving underwater sound signals
  • an underwater antenna has in particular one or more sound transducers and / or hydrophones. or an active sonar.
  • the object is achieved by a towed antenna, wherein the towed antenna is at least two previously described Sound transducer, a support cable for holding the sound transducer and a hose for wrapping the support cable and the sound transducer, wherein the tube is filled with a sound-conducting medium, and the support cable through a respective hole which is formed in a center of the toroidal shape of the transducer, or on each transducer is performed.
  • a towed antenna in which the toroidal sound transducers are easily threaded through their respective central hole by means of the support cable and / or a support cable and can be used in a towing sonar.
  • the transducers are in the event of a defect in the towed antenna quickly and easily accessible and / or repairable and interchangeable.
  • the support cable is guided through the central hole of each toroidal transducer, however, alternative, the support cable can also be performed outside the transducer and / or fixed.
  • a "hose” is in particular an elastic tubular casing of the towed antenna, which encloses the carrying cable, the sound transducers, further shaped pieces, electronic components and / or lines and is filled with a sound-conducting medium.
  • a "towed antenna” is in particular a long line antenna, which is towed behind a ship after a pull cable (or pull rope) .
  • the towed antenna has a hose as an elastic tubular casing, in which in particular several Sound transducers and / or hydrophones are arranged.
  • the tubular sheath may be filled with gel or liquid.
  • a towed antenna is in particular part of a passive towing sonar and / or the acoustic receiving part of an active towed sonar.
  • the towed antenna is towed at a suitable depth and thus operated away from the noise of the towboat. Due to the rotationally symmetrical directional characteristic of the sound transducer, a rotation of the towed antenna on the traction cable in the water does not affect the quality of the received signals and the rotationally symmetrical directional characteristic.
  • the towed antenna has a third sound transducer, a fourth sound transducer, a fifth sound transducer and / or further sound transducers.
  • a "fitting" is a part of a defined shape, and in particular, a fitting may be a tube-like part, and the fitting has a hole in its center, through which it is threaded on a carrying rope
  • a shaped piece is in particular arranged between two sound transducers and is preferably the same or slightly larger than the hole of the toroidal shape of the sound transducer, so that the shaped piece holds the respectively adjacent sound transducers at a defined distance from one another Acting end piece, which may be additionally arranged at the beginning and / or at the end of a towed antenna .
  • a fitting may be a float.
  • the carrying cable is designed as a cable or a cable is guided around the carrying cable.
  • operable refers in particular to a single or multi-core composite of cores (individual conductors) encased in an insulating material, which serves for the transmission of energy or information.
  • the object is achieved by a sonar for transmitting and / or Receiving underwater sound signals, wherein the sonar comprises a previously described sound transducer or a plurality of sound transducers described above and / or a previously described underwater antenna and / or a previously described towed antenna.
  • a sonar is provided with which a very accurate location of objects in the room and / or under water is provided, as the received and / or transmitted underwater sound signals processed without being affected by noise of the towboat and with a high sensitivity and rotationally symmetrical directional characteristics become.
  • a "sonar” is in particular a system for locating objects in the room and / or under water by means of received and / or emitted sound signals, in particular an active sonar which itself emits a signal or a passive one It can also be a bi- or multistatic sonar that can simultaneously transmit and receive on different platforms, and in particular a sonar has an underwater antenna and / or a towed antenna.
  • the object is achieved by a watercraft, the vessel having a previously described sound transducer or a plurality of previously described sound transducers and / or a previously described underwater antenna and / or a previously described has described towed antenna and / or a previously described sonar.
  • a "watercraft” is a vehicle that can travel in particular on the water, in the water and / or underwater.
  • the vessel may be, for example, a tug and / or a submarine.
  • Figure 1 is a highly schematic representation of a
  • Figure 2 is a highly schematic plan view of the torus hydrophone of Figure 1
  • Figure 3 is a highly schematic, not to scale sectional view of a towed ship with a towed antenna and a torus transmitting transducer on the seabed.
  • a torus hydrophone 101 has a first torus shell half 103 and a second torus shell half 105, which are firmly bonded at their contact surfaces to form a toroidal shape.
  • the first torus shell half 103 and the second torus shell half 105 each consist of a piezoelectric ceramic 109 and each have a silver layer 107 on their outer surface and their inner surface, not shown.
  • the piezoelectric ceramics 109 of the first torus shell half 103 and the second torus shell half 105 are similarly polarized.
  • the torus hydrophone 101 has a hole 113 in its center. Furthermore, the torus hydrophone 101 has a contact region 111 for a corresponding contact between the inner surface and the outer surface of the first Torusschalenhget 103 and the second Torusschalenhget 105.
  • a tugboat 331 travels on a water surface 317 and has a winch 333 at its stern.
  • a towed antenna 321 is connected to the winch 333 by means of a trailing cable 335 and is towed by the tugboat 331 in the water.
  • the towed antenna 321 has an aramid rope 323 which is connected to the towing cable 335. At the side of the trailing cable 335, the aramid rope 323 is guided through an end piece 329 and connected on an opposite side of the trailing antenna 321 with another end piece 329. Between the two end pieces 329 eight torus hydrophones 101 are threaded at equal distances from each other on the Aramidseil 323, which in each case by the hole 313 of the torus hydrophones 101 is guided. Between the torus hydrophones 101, a spacer 327 is arranged in each case, whereby the torus hydrophones 101 keep a uniform distance from each other and their respective position.
  • the torus hydrophones 101 are electrically contacted via a line, not shown, which is guided around the Aramidseil 323 and is electrically connected to the trailing cable 335.
  • the end piece 329, the torus hydrophones 101 and the spacers 327 are surrounded on their outer surface by a tube 325 which is filled with a sound-conducting oil.
  • An active underwater transmitter 212 is disposed on the seabed 215 and has a torus transmitting transducer 201 and a carrier 223, with a tip of the carrier 223 being bonded in the hole in the center of the torus transmitting transducer 201.
  • the active underwater transmitter 221 emits an underwater sound signal at regular intervals.
  • an alternating voltage with a suitable frequency is applied to a piezoelectric ceramic of the torus transmitting transducer 201 by means of a not shown electronics inside the torus transmitting transducer 201, whereby the piezoelectric ceramic of the torus transmitting transducer 201 expands and a subsea sound signal of 75 kHz with a rotationally symmetrical directional characteristic is discharged into the water.
  • the underwater sound signals of the active underwater transmitter 221 are detected by the torus hydrophones 101 of the towed antenna 321, wherein the piezoelectric ceramic 109 of the two torus shell halves 103 and 105 deforms due to the incident sound pressure, thereby changing their electrical polarization and electrical voltage the silver layers 107 of the two Torusschalenhonne 103 and 105 occurs.
  • the occurring electrical voltage is converted in the interior of the torus hydrophones 101 by means of a signal conditioning electronics, not shown in an analog signal and passed via the not shown line to the aramid cable 323 and the trailing cable 335 to a not shown, externally arranged on the towboat 331 signal processing device.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind, wobei die Schallwandlerschalen eine torusförmige Form ausbilden, sodass ein Unterwasserschallsignal rotationssymmetrisch sendbar und/oder empfangbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Unterwasserantenne, eine Schleppantenne, ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen und ein Wasserfahrzeug.

Description

Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von
UnterwasserschallSignalen, Unterwasserantenne,
Schleppantenne, Sonar und Wasserfahrzeug
[01] Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Unterwasserantenne, eine Schleppantenne, ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen und ein Wasserfahrzeug.
[02] Für einen Einsatz unter Wasser werden Schallwandler zum Empfangen und/oder Senden von Unterwasserschallsignalen üblicherweise in Kugelform für eine omnidirektionale Richtcharakteristik ausgestaltet. Um zudem rotationssymmetrisch zur Antennenachse Unterwasserschallsignale senden und/oder empfangen zu können, werden Kugelhydrophone auf Kreisbahnen um ein Zugkabel, beispielsweise für eine Schleppantenne, angeordnet .
[03] Nachteilig hierbei ist, dass die Kugelhydrophone jeweils einzeln auf einem Träger befestigt werden müssen und eine Vielzahl von Kugelhydrophonen notwendig ist, um eine entsprechende Fläche für ein Empfangen und/oder Senden mit einer hohen Sensitivität zu ermöglichen. Zudem besteht die Gefahr, dass die auf Kreisbahnen um ein Zugkabel angeordneten Kugelhydrophone sowie deren zugeordnete Bauteile gegenseitig ein Empfangen und/oder Senden stören können .
[04] Figur 20 und Figur 21 von US 4876675 zeigen eine Schleppantenne mit einem Schlauch (flexible tube 52), in dessen Inneren mehrere piezoelektrischen Schallempfänger (receiver units 50) entlang eines flexiblen lang gestreckten Kerns 51 angeordnet sind. Jeder Schallempfänger 50 umfasst zwei zylinderförmige Elemente 53L und 53R, die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind und durch eine scheibenförmige Platte 54 voneinander isoliert sind. Jedes Element 53L und 53R besitzt jeweils eine innere Oberfläche mit einer Elektrode 55 und eine äußere Oberfläche mit einer Elektrode 56. Jedes scheibenförmige Element 53L und 53R sowie die Platte 54 haben in der Mitte jeweils ein Loch, durch welches der Kern 51 geführt ist. Zwei benachbarte Schallempfänger 50 sind durch einen Zwischenraum (buffer space 57) voneinander getrennt.
[05] US 4797863 zeigt eine Boje (sonobuoy 16), die über ein Kabel (long tether 22) ein Hydrophon 20 trägt und auf deren Oberkante ein Transmitter 24 montiert ist, vgl. Fig. 1. Abhängig von Signalen des Hydrophons 20 erzeugt der Transmitter 24 Signale und sendet diese aus. Das Hydrophon 20 umfasst eine kreisförmige Membran (diaphragm 26), dessen äußere Umfangsfläche um ein kreisringsförmiges federndes und verformbares Stahlband (annular band 28 of spring Steel) gewickelt ist, vgl. Fig. 2 und Fig. 3. Ein Koaxialkabel 30 ist um diese Stahlband 28 herum geführt. Das Kabel 30 besitzt einen elektrisch leitenden Kern 40, welcher von einem flexiblen piezoelektrischen Material 42 umgeben ist, vgl. Fig. 4. Ein dielektrisches Gehäuse 44 umgibt das piezoelektrische Material 42. Eine Abfolge von dielektrischen Schleifen 38 verbindet das Kabel 30 mit dem Stahlband 28.
[06] US 20040017129 Al zeigt einen Schallwandler in Form einer kreisrunden Helix, vgl. Fig. 26 und Pars. [0110] und [0111] .
[07] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[08] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind, und die Schallwandlerschalen zusammen eine torusförmige Form ausbilden, sodass ein Unterwasserschallsignal rotationssymmetrisch sendbar und/oder empfangbar ist.
[09] Somit wird ein rotationssymmetrisches Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen mit einem einzigen Schallwandler in torusförmiger Form ermöglicht. Aufgrund dieser Geometrie und der fehlenden, ansonsten jedoch üblichen höheren Sensitivität eines Hydrophons in eine bestimmte Richtung, werden nahe Schiffsgeräusche beispielsweise des Schleppschiffes weniger stark detektiert .
[10] Zudem wird die Schallwandlerfläche deutlich erhöht, welche für ein Senden und/oder Empfangen eines Unterwasserschallsignals notwendig ist, sodass eine höhere Sensitivität vorliegt.
[11] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine rotationssymmetrische Richtcharakteristik durch eine torusförmige Form eines einzigen Schallwandlers realisiert wird.
[12] Somit wird auf eine Vielzahl von Kugelhydrophonen um eine Achse für eine rotationssymmetrische Richtcharakteristik sowie auf entsprechende Kontaktierungen, elektrische Verbindungen, Signalaufbereitungen und weitere zugehörige Bauteile verzichtet und diese Bauteile müssen nicht mehrfach angeordnet sein.
[13] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
[14] Ein „Schallwandler" ist insbesondere ein Gerät zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwasserschallsignalen. Beispielsweise werden ein oder mehrere Schallwandler beim Verwenden von aktiven und/oder passiven Sonaren eingesetzt. Insbesondere empfängt der Schallwandler Unterwasserschallsignale und wandelt diese in ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung um (Empfänger) und/oder wandelt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um, wobei letzteres ausgesandt wird (Sender) . Beispielsweise kann ein Sendewandler auch hinter einem Schiff hergezogen werden. Unter Wasser können als Schallwandler Hydrophone eingesetzt werden, um dort Unterwasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrophon den Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Größe. Beim Einsatz unter Wasser wird insbesondere ein Frequenzbereich zwischen circa 10 Hz Hertz und 400 kHz verwendet.
[15] Eine „Schallwandlerschale" ist insbesondere eine Hülle des Schallwandlers. Bei der Schallwandlerschale handelt es sich insbesondere um ein flächiges Tragwerk, welches doppelt (räumlich) gekrümmt ist und Belastungen sowohl senkrecht als auch in einer Ebene aufnehmen kann. Mindestens zwei Schallwandlerschalen bilden die torusförmige Form des Schallwandlers aus, wobei aufgrund der Schalenstruktur die torusförmige Form in ihrem Inneren hohl und/oder mit Bauteilen gefüllt ist. Zum Ausbilden der torusförmigen Form können die mindestens zwei Schallwandlerschalen beliebige Stoßflächen aufweisen. Bei den Schallwandlerschalen kann es sich um mittig vertikal oder mittig horizontal geteilte Schalenhälften eines Torus handeln. Ebenso kann der Torus aus mehreren umlaufenden Ringsegmentschalen bestehen.
[16] Unter „piezokeramisch" wird insbesondere verstanden, dass die Schallwandlerschalen aus einer Vollkeramik und/oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Eine Piezokomposit-Keramik als Verbundwerkstoff weist insbesondere piezoelektrische, keramische Filamente und eine Füllmasse auf. Die piezokeramischen Schallwandlerschalen wirken insbesondere als Piezowandler und erzeugen beim Einwirken eines mechanischen Drucks eine elektrische Spannung oder führen bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung aus. Beim Auftreffen eines Schalldrucks werden die piezokeramischen Schallwandlerschalen verformt, sodass eine elektrische Spannung an den piezokeramischen Schallwandlerschalen erzeugt wird. Somit ist der Schallwandler in diesem Fall als Schallempfänger ausgebildet. Durch das Beaufschlagen der Schallwandlerschalen mit Druck, erfolgt eine Verformung der Schallwandlerschalen und es bilden sich elektrisch geladene Bereiche an der Außen- und/oder Innenoberfläche der Schallwandlerschalen aus (piezoelektrischer Effekt) .
[17] Eine „Außenoberfläche" ist insbesondere die äußere Begrenzungsfläche einer Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form. Die Außenoberfläche ist insbesondere die außenliegende Oberfläche der Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form, welche von einem Schalldruck getroffen werden kann.
[18] Eine „Innenoberfläche" ist insbesondere die innere Begrenzungsfläche einer Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form. Beim Ausbilden der torusförmigen Form durch mindestens zwei Schallwandlerschalen ist die Innenoberfläche insbesondere die innere, an den Hohlraum der torusförmigen Form angrenzenden Begrenzungsfläche der torusförmigen Form.
[19] „Elektrisch leitend" bedeutet insbesondere, dass ein Material eine hohe Dichte frei beweglicher Ladungsträger und somit eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweist, sodass das Material zum Transport geladener Teilchen geeignet ist. Insbesondere weisen die Schallwandlerschalen an ihrer Außenoberfläche und ihrer Innenoberfläche jeweils ein elektrisch leitendes Material auf.
[20] Eine „torusförmige Form" ist ein geometrisches Objekt, welches eine wulstartig geformte Fläche mit einem Loch aufweist. Die geometrische Form einer Schallwandlerschale entsteht, wenn eine gekrümmte Kurve, insbesondere ein Halbkreis oder eine Halbellipse, entlang eines Kreises rotiert wird. Ein Torus entsteht, wenn eine geschlossene gekrümmte Kurve, insbesondere ein Kreis oder eine Ellipse, entlang eines Kreises rotiert wird. Insbesondere kann ein Torus die Gestalt eines Rettungsrings, Reifens oder Donuts aufweisen. Ein Torus ist insbesondere ein mathematischer Körper, welcher dadurch entsteht, dass ein senkrecht stehender Kreis um eine vertikale Achse, welche außerhalb des Kreises liegt, rotiert, wobei Kreis und Achse dabei in einer Ebene liegen. Die torusförmige Form wird durch mindestens zwei Schallwandlerschalen ausgebildet und ist in ihrem Inneren hohl und/oder mit zugehörigen Bauteilen des Schallwandlers gefüllt.
[21] „Rotationssymmetrisch" bedeutet insbesondere, dass der Schallwandler um seinen Mittelpunkt gedreht werden kann und genau denselben Platz wie im Ausgangszustand vor der Drehung mehr als einmal annimmt und/oder dabei sich die Winkelabhängigkeit der Stärke der empfangenen und/oder gesendeten Unterwasserschallwellen nicht ändert (rotationssymmetrische Richtcharakteristik) .
[22] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers sind zwei Schallwandlerschalen als Schalenhälften ausgebildet .
[23] Somit kann die torusförmige Form des Schallwandlers durch zwei Schallwandlerschalenhälften ausgebildet werden.
[24] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Schalenhälften achsensymmetrisch zur vertikalen oder horizontalen Symmetrieachse der torusförmigen Form ausgebildet sind.
[25] Um die Schallwandlerschalen zu fixieren und/oder einen Träger für weitere zugehörige Bauteile bereitzustellen, kann zwischen den Schallwandlerschalen und/oder den Schalenhälften eine Trägerplatte angeordnet sein .
[26] Eine „Trägerplatte" ist insbesondere eine Platte, welche Keramik und/oder Kunststoff aufweist. Insbesondere besteht eine Trägerplatte ganz oder teilweise aus Keramik und/oder weist für eine gute Entkopplung eine geringe Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,5mm und 2,0mm auf. Neben dem Verbinden der Schallwandlerschalen und/oder zum Schallentkoppeln dient die Trägerplatte insbesondere gleichzeitig auch als Platine und/oder Spannungsversorgung des Schallwandlers und/oder anderer Bauteile. Insbesondere können auf der Trägerplatte im inneren Hohlraum der torusförmigen Form weitere Bauteile angeordnet sein. Bei einer Trägerplatte kann es sich insbesondere auch um eine Folie handeln.
[27] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers weist das piezokeramische Material eine polarisierte piezoelektrische Keramik und/oder keramische Filamente auf.
[28] Die entsprechende Form des piezokeramischen Materials der Schallwandlerschalen ist entsprechend der torusförmigen Form aufgeprägt und/oder vorab ausgerichtet.
[29] „Keramische Filamente" sind insbesondere dünne und/oder fadenförmige keramische Strukturen. Diese können insbesondere die Form von Stäbchen, Zylindern, Rohren und/oder Platten annehmen. Beim Auftreffen und/oder Aufprägen eines Schalldrucks werden die keramischen Filamente elastisch verformt, wobei eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit ein Auftreten einer elektrischen Spannung am keramischen Festkörper erfolgt, wobei in diesem Fall der Schallwandler als Schallempfänger ausgebildet ist.
[30] Um den piezoelektrischen Effekt zu ermöglichen sowie einen elektrischen Kontakt und eine sichere elektrische Verbindung nach außen zu führen, weist oder weisen die elektrisch leitende Außenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Innenoberfläche eine Metallschicht und/oder eine Elektrode auf.
[31] Eine „Elektrode" ist insbesondere ein Elektronenleiter, welcher im Zusammenspiel mit einer Gegenelektrode mit einem zwischen beiden Elektroden befindlichen Medium in Wechselwirkung steht. Eine Elektrode besteht insbesondere aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise einem Metall und/oder Graphit. Eine Elektrode kann insbesondere auch als elektrisch leitende Schicht auf den Schallwandlerschalen ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Elektrode als Kupferschicht oder als Silberschicht ausgestaltet sein.
[32] Es ist besonders vorteilhaft, wenn zur zusätzlichen Abschirmung von elektronischen Bauteilen im Hohlkörper der torusförmigen Form die äußeren Elektroden der Schallwandlerschalen auf Nullpotential gelegt werden. Hierbei finden keine Beeinflussungen im Schallwandler durch die Schirmwirkung statt, da die Digitalisierung der Schallsignale üblicherweise erst in den nachfolgenden externen Signalweiterverarbeitungsstufen erfolgt.
[33] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers ist in einem Inneren der torusförmigen Form eine Signalaufbereitungselektronik angeordnet .
[34] Mittels einer „Signalaufbereitungselektronik" wird insbesondere ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal und/oder umgekehrt gewandelt. In der Signalaufbereitungselektronik werden insbesondere analoge Signale weiterverarbeitet. Eine Signalaufbereitungs elektronik weist insbesondere einen Verstärker, eine Verstärkerkette, ein Schaltungsteil zur Umwandlung und/oder Digitalisierung von elektrischen und/oder analogen Signale und/oder eine Datenübertragungseinheit auf. [35] Um einen sicheren elektrischen Kontakt zu ermöglichen, ist die elektrische leitende Innenoberfläche mittels einer leitenden Verbindung auf einen isolierten Bereich zum Kontaktieren auf die Außenoberfläche geführt.
[36] Eine „elektrisch leitende Verbindung" stellt insbesondere einen elektrischen Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Innenoberfläche und der Außenoberfläche her. Bei einer leitenden Verbindung kann es sich insbesondere um eine Lötverbindung, Schweißverbindung, Pressverbindung, Wickelverbindung, Klebeverbindung und/oder Steckverbindung handeln. Die leitende Verbindung kann auch über eine flächig aufgebrachte leitfähige Schicht, einen Kleber, eine Kontaktzunge und/oder einen Leiterdraht erfolgen .
[37] Ein „isolierter Bereich" ist insbesondere ein Bereich und/oder Abschnitt, welcher eine elektrisch leitende Verbindung verhindert.
[38] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers ist oder sind die elektrisch leitende Innenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Außenoberfläche mittels eines Tragseils und/oder einer Leitung kontaktiert.
[39] Somit kann der Schallwandler mit Spannung extern versorgt und/oder elektronische Signale des Schallwandlers an eine externe Auswerteeinheit übertragen werden.
[40] Ein „Tragseil" ist insbesondere ein Seil oder Kabel, welches insbesondere die Gewichtskraft von einem und/oder mehreren Schallwandlern und/oder die Kraft für das Ziehen aller Komponenten einer Schleppantenne inklusive eines oder mehrerer Schallwandler im Wasser aufnimmt. Das Tragseil weist insbesondere mindestens einen elektrischen Leiter auf und/oder ist von einem elektrischen Leiter umgeben. Das Tragseil weist insbesondere Kunststoff und/oder Metall, oder beispielsweise Aramid und/oder Kupfer auf.
[41] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Unterwasserantenne, wobei die Unterwasserantenne einen zuvor beschriebenen Schallwandler aufweist .
[42] Dadurch ist bereits durch einen einzelnen erfindungsgemäßen Schallwandler eine platzsparende Unterwasserantenne mit Kugelcharakteristik bereitgestellt. Zudem können mehrere erfindungsgemäße Schallwandler in geeigneter Anordnung in der Unterwasserantenne eingesetzt und diese auch als aktiver Schallwandler ausgestaltet werden .
[43] Eine „Unterwasserantenne" ist insbesondere eine technische Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen. Dazu weist eine Unterwasserantenne insbesondere einen oder mehrere Schallwandler und/oder Hydrophone auf. Die Unterwasserantenne wird insbesondere alleine eingesetzt oder ist Bestandteil eines passiven Sonars und/oder eines aktiven Sonars.
[44] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schleppantenne, wobei die Schleppantenne mindestens zweir zuvor beschriebene Schallwandler, ein Tragseil zum Halten der Schallwandler und einen Schlauch zum Umhüllen des Tragseils und der Schallwandler aufweist, wobei der Schlauch mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist, und das Tragseil durch jeweils ein Loch, welches in einer Mitte der torusförmigen Form des Schallwandlers ausgebildet ist, oder an jedem Schallwandler geführt ist.
[45] Somit wird eine Schleppantenne bereitgestellt, bei der die torusförmigen Schallwandler in einfacher Weise durch ihr jeweiliges mittiges Loch mittels des Tragseils und/oder eines Tragkabels aufgefädelt und in einem Schleppsonar einsetzbar sind. Zudem sind die Schallwandler im Falle eines Defektes in der Schleppantenne schnell und einfach zugängig und/oder reparier- und austauschbar.
[46] Bevorzugt ist das Tragseil durch das mittige Loch jedes torusförmigen Schallwandler geführt, jedoch kann alternative das Tragseil auch außen am Schallwandler geführt und/oder befestigt sein.
[47] Ein „Schlauch" ist insbesondere eine elastische schlauchförmige Hülle der Schleppantenne, welche das Tragseil, die Schallwandler, weitere Formstücke, elektronische Bauteile und/oder Leitungen umhüllt und mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist.
[48] Eine „Schleppantenne" ist insbesondere eine lange Linienantenne, welche nach einem Zugkabel (oder Zugseil) hinter einem Schiff geschleppt wird. Insbesondere weist die Schleppantenne einen Schlauch als elastische schlauchförmige Hülle auf, in welcher insbesondere mehrere Schallwandler und/oder Hydrophone angeordnet sind. Die schlauchförmige Hülle kann mit Gel oder Flüssigkeit gefüllt sein. Eine Schleppantenne ist insbesondere Bestandteil eines passiven Schleppsonars und/oder der akustische Empfangsteil eines aktiven Schleppsonars. Insbesondere wird die Schleppantenne in einer geeigneten Tiefe geschleppt und somit entfernt von Geräuschen des Schleppschiffes betrieben. Durch die rotationssymmetrische Richtcharakteristik der Schallwandler wirkt sich eine Drehung der Schleppantenne am Zugseil im Wasser nicht auf die Qualität der empfangenen Signale und der rotationssymmetrischen Richtcharakteristik aus.
[49] In einer weiteren Ausführungsform weist die Schleppantenne einen dritten Schallwandler, einen vierten Schallwandler, einen fünften Schallwandler und/oder weitere Schallwandler auf.
[50] Dadurch kann die Genauigkeit, die Sensitivität sowie die Richtcharakteristik weiter verbessert werden.
[51] Folglich kann eine genauere Positionsbestimmung von Schallquellen im Wasser erfolgen, da mehrere und/oder verschiedene Schallwandler auf die Schallquelle fokussiert sind .
[52] Um die Schallwandler zu fixieren und eine exakte Position jedes Schallwandlers vorzugeben, ist zwischen den Schallwandlern ein Formstück angeordnet. [53] Dadurch kann ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Schallquellen (Beam Forming) exakter durchgeführt und somit die Schallquellenlokalisation verbessert werden.
[54] Bei einem „Formstück" handelt es sich um ein Teil mit einer definierten Form. Bei einem Formstück kann es sich insbesondere um ein rohrartiges Teil handeln. Das Formstück weist insbesondere in seiner Mitte ein Loch auf, durch welches es auf einem Tragseil aufgefädelt werden kann. Ein Formstück ist insbesondere zwischen zwei Schallwandlern angeordnet und ist bevorzugt gleich oder etwas größer als das Loch der torusförmigen Form des Schallwandlers, sodass das Formstück die jeweils anliegenden Schallwandler auf einen definierten Abstand zueinander hält. Bei einem Formstück kann es sich auch um einen Endstück handeln, welcher zusätzlich am Anfang und/oder am Ende einer Schleppantenne angeordnet sein kann. Bei einem Formstück kann es sich um einen Schwimmkörper handeln.
[55] Um eine Spannungsversorgung der Schallwandler in der Schleppantenne und/oder der zugehörigen Bauteile sowie eine Signalübertragung zwischen der Schleppantenne und einem Schleppschiff zu ermöglichen, ist das Tragseil als Kabel ausgeführt oder ist um das Tragseil ein Kabel geführt.
[56] Als „Kabel" wird insbesondere ein mit einem Isolierstoff ummantelter ein- oder mehradriger Verbund von Adern (Einzelleitungen) bezeichnet, welcher der Übertragung von Energie oder Information dient.
[57] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei das Sonar einen zuvor beschriebenen Schallwandler oder mehrere zuvor beschriebene Schallwandler und/oder eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne und/oder eine zuvor beschriebene Schleppantenne aufweist.
[58] Somit wird ein Sonar bereitgestellt, mit welchem eine sehr exakte Ortung von Gegenständen im Raum und/oder unter Wasser bereitgestellt wird, da die empfangenen und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignale ohne Beeinflussungen durch Geräusche des Schleppschiffes und mit einer hohen Sensitivität und rotationssymmetrischen Richtcharakteristik verarbeitet werden.
[59] Ein „Sonar" ist insbesondere eine Anlage zum Orten von Gegenständen im Raum und/oder unter Wasser mittels empfangener und/oder ausgesandter Schallsignale. Dabei handelt es sich insbesondere um ein aktives Sonar, welches selbst ein Signal ausstrahlt, oder um ein passives Sonar, welches nur ausgestrahlte Schallsignale empfängt. Ebenso kann es sich hierbei um ein bi- oder multistatisches Sonar handeln, welches gleichzeitig auf verschiedenen Plattformen senden und empfangen kann. Insbesondere weist ein Sonar eine Unterwasserantenne und/oder eine Schleppantenne auf.
[60] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, wobei das Wasserfahrzeug einen zuvor beschriebenen Schallwandler oder mehrere zuvor beschriebene Schallwandler und/oder eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne und/oder eine zuvor beschriebene Schleppantenne und/oder ein zuvor beschriebenes Sonar aufweist.
[61] Dadurch wird ein Wasserfahrzeug bereitgestellt, mit welchem sehr schnell und exakt die Position eines Objektes unter Wasser detektiert und/oder verfolgt wird.
[62] Ein „Wasserfahrzeug" ist ein Fahrzeug, welches sich insbesondere auf dem Wasser, im Wasser und/oder unter Wasser fortbewegen kann. Beim Wasserfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Schleppschiff und/oder um ein U-Boot handeln .
[63] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines
Torus-Hydrophons ,
Figur 2 eine stark schematische Draufsicht auf das Torus-Hydrophon aus Figur 1, und
Figur 3 eine stark schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung eines Schleppschiffes mit einer Schleppantenne und eines Torus-Sendewandlers am Meeresboden .
[64] Ein Torus-Hydrophon 101 weist eine erste Torusschalenhälfte 103 und eine zweite Torusschalenhälfte 105 auf, welche an ihren Kontaktflächen zu einer torusförmigen Form fest verklebt sind. [65] Die erste Torusschalenhälfte 103 und die zweite Torusschalenhälfte 105 bestehen jeweils aus einer piezoelektrischen Keramik 109 und weisen an ihrer Außenoberfläche und ihrer nicht gezeigten Innenoberfläche jeweils eine Silberschicht 107 auf. Die piezoelektrische Keramik 109 der ersten Torusschalenhälfte 103 und der zweiten Torusschalenhälfte 105 sind gleichartig polarisiert .
[66] Entsprechend der torusförmigen Form weist der Torus- Hydrophon 101 in seiner Mitte ein Loch 113 auf. Des Weiteren weist der Torus-Hydrophon 101 einen Kontaktbereich 111 für eine entsprechende Kontaktierung zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche der ersten Torusschalenhälfte 103 und der zweiten Torusschalenhälfte 105 auf.
[67] Ein Schleppschiff 331 fährt an einer Wasseroberfläche 317 und weist an seinem Heck eine Winde 333 auf. An der Winde 333 ist mittels eines Schleppkabels 335 eine Schleppantenne 321 verbunden und wird durch das Schleppschiff 331 im Wasser geschleppt.
[68] Die Schleppantenne 321 weist ein Aramidseil 323 auf, welches mit dem Schleppkabel 335 verbunden ist. An der Seite des Schleppkabels 335 ist das Aramidseil 323 durch ein Endstück 329 geführt und an einer entgegengesetzten Seite der Schleppantenne 321 mit einem weiteren Endstück 329 verbunden. Zwischen den beiden Endstücken 329 sind acht Torus-Hydrophone 101 in gleichmäßigen Abständen voneinander auf dem Aramidseil 323 aufgefädelt, welches jeweils durch das Loch 313 der Torus-Hydrophone 101 geführt ist. Zwischen den Torus-Hydrophonen 101 ist jeweils ein Abstandshalter 327 angeordnet, wodurch die Torus-Hydrophone 101 einen gleichmäßigen Abstand zueinander sowie ihre jeweilige Position einhalten.
[69] Die Torus-Hydrophone 101 sind über eine nicht gezeigte Leitung elektrisch kontaktiert, welche um das Aramidseil 323 herumgeführt ist und mit dem Schleppkabel 335 elektrisch verbunden ist.
[70] Das Endstück 329, die Torus-Hydrophone 101 und die Abstandshalter 327 sind an ihrer Außenoberfläche von einem Schlauch 325 umgeben, welcher mit einem schallleitenden Öl gefüllt ist.
[71] Ein aktiver Unterwassersender 212 ist am Meeresboden 215 angeordnet und weist einen Torus-Sendewandler 201 und einen Träger 223 auf, wobei eine Spitze des Trägers 223 im Loch in der Mitte des Torus-Sendewandlers 201 verklebt ist.
[72] Zur Kennzeichnung einer nicht gezeigten Gefahrenquelle sendet der aktive Unterwassersender 221 in regelmäßigen Abständen ein Unterwasserschallsignal aus. Dazu wird mittels einer nicht gezeigten Elektronik im Inneren des Torus-Sendewandlers 201 eine Wechselspannung mit einer geeigneten Frequenz an eine piezoelektrische Keramik des Torus-Sendewandlers 201 angelegt, wodurch sich die piezoelektrische Keramik des Torus-Sendewandlers 201 ausdehnt und ein Unterwasserschallsignal von 75 kHz mit einer rotationssymmetrischen Richtcharakteristik ins Wasser abgegeben wird. [73] Die Unterwasserschallsignale des aktiven Unterwassersenders 221 werden von den Torus-Hydrophonen 101 der Schleppantenne 321 detektiert, wobei durch den auftreffenden Schalldruck die piezoelektrische Keramik 109 der beiden Torusschalenhälften 103 und 105 sich verformt, wodurch sich deren elektrische Polarisation ändert und eine elektrische Spannung an den Silberschichten 107 der beiden Torusschalenhälften 103 und 105 auftritt. Die auftretende elektrische Spannung wird im Inneren der Torus-Hydrophone 101 mittels einer nicht gezeigten Signalaufbereitungselektronik in ein analoges Signal überführt und über die nicht gezeigte Leitung um das Aramidseil 323 und das Schleppkabel 335 zu einer nicht gezeigten, extern auf dem Schleppschiff 331 angeordneten Signalweiterverarbeitungseinrichtung geleitet .
[74] Trotz einer Drehung der Schleppantenne 321 am Schleppkabel 335 aufgrund einer Wasserströmung werden die Unterwasserschallsignale des aktiven Unterwassersenders 221 rotationssymmetrisch von den Torus-Hydrophonen 101 der Schleppantenne 321 mit eine hohen Sensitivität erfasst, ohne das die Schiffsgeräusche des Schleppschiffes 331 stören. Somit wird die Position des aktiven Unterwassersenders 221 exakt lokalisiert und die Gefahrenstelle erkannt. Bezugszeichenliste
101 Torus-Hydrophon
103 erste Torusschalenhälfte
105 zweite Torusschalenhälfte
107 Silberschicht
109 piezoelektrische Keramik
111 Kontaktbereich
113 Loch
201 Torus-Sendewandler
215 Meeresboden
221 aktiver Unterwassersender
223 Träger
317 Wasseroberfläche
321 Schleppantenne
323 Aramidseil
325 Schlauch
327 Abstandhalter
329 Endstück
331 Schleppschiff
333 Winde
335 Schleppkabel

Claims

Patentansprüche :
1. Schallwandler (101, 201) zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen (103, 105) aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material (109) aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlerschalen zusammen eine torusförmige Form ausbilden, sodass ein Unterwasserschallsignal rotationssymmetrisch sendbar und/oder empfangbar ist.
2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schallwandlerschalen als Schalenhälften ausgebildet sind.
3. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den
Schallwandlerschalen und/oder den Schalenhälften eine Trägerplatte angeordnet ist.
4. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezokeramische Material eine polarisierte piezoelektrische Keramik (109) und/oder keramische Filamente aufweist.
5. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Außenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Innenoberfläche eine Metallschicht (107) und/oder eine Elektrode aufweist oder aufweisen.
6. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Inneren der torusförmigen Form eine Signalaufbereitungselektronik angeordnet ist.
7. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Innenoberfläche mittels einer leitenden Verbindung auf einen isolierten Bereich zum Kontaktieren auf die
Außenoberfläche geführt ist.
8. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Innenoberfläche und/oder die elektrisch leitende
Außenoberfläche mittels eines Tragseiles (323) und/oder einer Leitung kontaktiert ist.
9. Unterwasserantenne (221), gekennzeichnet durch einen
Schallwandler nach einen der Ansprüche 1 bis 8.
10. Schleppantenne (321), wobei die Schleppantenne mindestens zwei Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ein Tragseil (323) zum Halten der Schallwandler und einen Schlauch (325) zum Umhüllen des Tragseiles und der Schallwandler aufweist, wobei der Schlauch mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragseil durch jeweils ein Loch (113), welches in einer Mitte der torusförmigen Form des Schwallwandlers ausgebildet ist, oder an jedem
Schallwandlers geführt ist.
11. Schleppantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleppantenne einen dritten Schallwandler, einen vierten Schallwandler, einen fünften Schallwandler und/oder weitere Schwallwandler aufweist.
12. Schleppantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schallwandlern ein Formstück (327) angeordnet ist.
13. Schleppantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragseil als Kabel ausgeführt ist oder um das Tragseil ein Kabel geführt ist .
14. Sonar zum Senden und/oder Empfangen von
Unterwasserschallsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonar einen Schallwandler oder mehrere Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und/oder eine Schleppantenne nach einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweist .
15. Wasserfahrzeug (331), gekennzeichnet durch einen Schallwandler oder mehrere Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und/oder eine Schleppantenne nach einem der Ansprüche 10 bis 13 und/oder ein Sonar nach Anspruch 14.
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