EP4705801A1

EP4705801A1 - Sonarantenne

Info

Publication number: EP4705801A1
Application number: EP24723093.1A
Authority: EP
Inventors: Christoph Zimmer; Ole Stegen
Original assignee: Tkms Atlas Elektronik GmbH; ThyssenKrupp AG
Current assignee: Tkms Atlas Elektronik GmbH; ThyssenKrupp AG
Priority date: 2023-05-02
Filing date: 2024-04-29
Publication date: 2026-03-11
Also published as: WO2024227731A1; DE102023111200A1

Abstract

Es ist eine Sonarantenne (20) mit folgenden Merkmalen offenbart. Einer Grundplatte (22), auf die ein Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen aufgebracht ist und einer Leiterplatte (24), die eine Vielzahl von darauf angeordneten Wasserschallwandlern kontaktiert. Die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern sind in Ausnehmungen (30) des Materials zur akustischen Beeinflussung von Schallwellen angeordnet.

Description

Sonarantenne

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sonarantenne und deren Herstellungsverfahren.

Sonarantennen umfassen häufig neben den notwendigen Wasserschallwandlern ein sogenanntes Backing zur Beeinflussung von auftreffenden Schallwellen. Die Beeinflussung kann darin bestehen, Reflexionen der auftreffenden Schallwellen und rückwärtigen Schall zu dämpfen oder bewusst zu erzeugen. Das Backing weist häufig eine Grundplatte und ein oder mehrere darauf angeordnete schallbeeinflussende Materialien wie beispielsweise Schaumstoff(schichten) oder auch eine oder mehrere Metallschichten auf. Die Wasserschallwandler werden in das Material zur Beeinflussung der Schallwellen eingebracht, d.h. zumindest teilweise von diesem umschlossen. Das Einbringen und die elektrische Kontaktierung der Wasserschallwandler erfolgt heute manuell per Hand. Hierdurch ergeben sich jedoch leichte Fertigungstoleranzen. Je größer die Frequenzen werden, desto wichtiger für die Signalverarbeitung ist jedoch die exakte relative Positionierung der Wasserschallwandler zueinander.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Sonarantennen zu schaffen.

Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Ausführungsbeispiele zeigen eine Sonarantenne mit einer Grundplatte, auf die ein Material zur Beeinflussung von Schallwellen aufgebracht ist. Als Material zur Beeinflussung der Schallwellen eignet sich beispielsweise ein Schaumstoff. Optional ist es möglich, einen Stapel aus verschiedenen Materialien, beispielsweise verschiedenen Schaumstoffen einzusetzen. Ferner können in dem Stapel optional auch Metallschichten vorhanden sein. Die Kombination aus Grundplatte und einem oder mehreren Materialien zur Beeinflussung der Schallwellen wird auch als Backing oder Backing Stack bezeichnet.

Ferner umfasst die Sonarantenne eine Leiterplatte, die eine Vielzahl von darauf angeordneten Wasserschallwandlern kontaktiert. Die Wasserschallwandler sind in Ausnehmungen des Materials zur akustischen Beeinflussung von Schallwellen angeordnet. Die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern sind dann bevorzugt zwischen der Grundplatte und der Leiterplatte angeordnet. Die Wasserschallwandler können linear oder zweidimensional, d.h. in einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Matrix, angeordnet sein, um ein Flächenarray zu bilden. Verbleibende Hohlräume zwischen Ausnehmung und Wasserschallwandler können mit einer Vergussmasse, beispielsweise einem Epoxidharz oder einer Polyurethan Umgussmasse, verfüllt werden. Optional kann auf der Leiterplatte weitere Elektronik angeordnet sein. Beispielsweise kann die Signalverarbeitung teilweise oder vollständig auf der Leiterplatte erfolgen. Insbesondere ist es möglich, eine Vorverarbeitung der Ausgangssignale der Wasserschallwandler durchzuführen.

Idee ist es, dass die Wasserschallwandler auf der Platine exakt positioniert werden können. Dies kann vollständig automatisiert erfolgen und ist dann hochpräzise. Somit können die Positionen der Wasserschallwandler relativ zueinander exakt eingehalten werden, wodurch die Signalverarbeitung verbessert wird. Ferner erfolgt so in einem Arbeitsschritt direkt auch die Kontaktierung der Wasserschallwandler. Ebenso ist es möglich, aufgrund der bekannten Position der Wasserschallwandler die Ausnehmungen, in die die Wasserschallwandler eingesetzt werden, vorab in das Material zur Beeinflussung der Schallwellen einzubringen. Die Position der Ausnehmungen kann so bereits geprüft werden, bevor die Wasserschallwandler eingesetzt werden. Ebenso ist es möglich, die Platine auf Funktionsfähigkeit zu prüfen, bevor die Wasserschallwandler in der Regel untrennbar mit dem Backing verbunden sind. Somit wird der Ausschuss im Falle einer Fehlproduktion verringert.

In Ausführungsbeispielen sind die Wasserschallwandler in Linien auf der Leiterplatte angeordnet. Die Linien können eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere können die Linien gerade, gebogen oder gewinkelt sein. Die Ausnehmungen können in Form von Gräben in dem Material zur Beeinflussung von Schallwellen ausgebildet sein, so dass die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern in den Gräben angeordnet sind. Die Gräben verlaufen somit parallel zu den Linien. Durch die Grabenstruktur wird beispielsweise das Verfüllen der Ausnehmungen, d.h. hier der Gräben, vereinfacht. Es braucht nicht pro Wasserschallwandler Vergussmasse eingebracht werden, sondern nur einmal pro Graben. Als Vergussmasse eignet sich beispielsweise ein Epoxidharz.

Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sonarantenne offenbart. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellen einer Grundplatte mit einem darauf aufgebrachtem Material zur Beeinflussung von Schallwellen; b) Bereitstellen einer Leiterplatte mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Wasserschallwandlern; c) Einbringen von Ausnehmungen in das Material zur Beeinflussung von Schallwellen an Positionen, die mit den Positionen der Wasserschallwandler korrelieren; d) Einlegen der Leiterplatte, insbesondere mit den Wasserschallwandlern voran, in die Ausnehmungen des Materials zur Beeinflussung von Schallwellen; e) Kleben der Leiterplatte oder der Wasserschallwandler in die Ausnehmungen. Zum Kleben kann die Vergussmasse, beispielsweise das Epoxidharz, verwendet werden. D.h. in Schritt e) kann das Verfüllen der Ausnehmungen mit einer Vergussmasse, insbesondere einem Epoxidharz, erfolgen, um die Leiterplatte oder die Wasserschallwandler in die Ausnehmungen zu kleben.

In Ausführungsbeispielen weist die Leiterplatte einen ersten Fixpunktpartner und die Grundplatte oder das Material zur Beeinflussung von Schallwellen einen zu dem ersten Fixpunktpartner korrespondierenden zweiten Fixpunktpartner auf. Die Positionen der Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandlern relativ zu dem ersten Fixpunktpartner sind bekannt. Die Position der Ausnehmungen kann in Schritt c) bestimmt werden, indem die Positionen der Wasserschallwandler relativ zu dem ersten Fixpunkt verwendet werden und die Ausnehmungen an den gleichen Positionen relativ zu dem zweiten Fixpunktpartner eingebracht werden. In anderen Worten besteht zwischen den Ausnehmungen und den Wasserschallwandlern ein gemeinsamer Fixpunkt, durch den die späteren Positionen der Wasserschallwandler in dem Material zur Beeinflussung der Schallwellen bekannt sind. Das Einlegen der Leiterplatte in Schritt d) in die Ausnehmungen des Materials zur Beeinflussung von Schallwellen kann somit derart erfolgen, dass der erste Fixpunktpartner und der zweite Fixpunktpartner deckungsgleich sind. Dies ist beispielsweise möglich, indem einer der beiden Fixpunktpartner einen Vorsprung und der andere der beiden Fixpunktpartner eine korrespondierende Aussparung aufweist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegende Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 : eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Sonarantenne in einem Ausführungsbeispiel mit passgenauen Ausnehmungen für die Wasserschallwandler;

Fig. 2: eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Sonarantenne mit Gräben als Ausnehmungen für die Wasserschallwandler;

Fig. 3: eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Sonarantenne mit einem gemeinsamen Fixpunkt für Backing und Leiterplatte;

Fig. 4: eine schematische Schnittdarstellung gemäß einer in Fig. 3 bezeichneten Schnittebene A-A.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.

Fig. 1 . Zeigt eine schematische perspektivische Explosionsdarstellung einer Sonarantenne 20. Die Sonarantenne 20 umfasst eine Grundplatte 22 und ein Material 24 zur Beeinflussung von Schallwellen. Statt des Materials 24 kann auch ein Stapel verschiedener Materialien verwendet werden. Die Grundplatte 22 zusammen mit dem oder den Materialien zur Beeinflussung der Schallwellen wird auch als Backing 25 bezeichnet. Ferner weist die Sonarantenne 20 eine Leiterplatte 26 mit darauf angeordneten und durch die Leiterplatte 26 kontaktierten Wasserschallwandlern 28 auf. Insgesamt ist beispielhaft ein (unregelmäßiges) Array von 8 Wasserschallwandlern dargestellt. Es ist aber auch jede andere Zahl von Wasserschallwandlern verwendbar. Das Material 24 weist nunmehr zu den Wasserschallwandlern 28 korrespondierende Ausnehmungen 30 auf, um die Wasserschallwandler 28 aufzunehmen. Mittels Pfeilen 32 sind zwei Ausnehmungen 30 visualisiert, in die zwei korrespondierende Wasserschallwandler 28 im zusammengesetzten Zustand eingreifen.

Fig. 2 zeigt eine analoge Darstellung zu Fig. 1 , jedoch sind hier die Ausnehmungen 30 in Form von Gräben in dem Backing 25, insbesondere dem Material 24, dargestellt. Wie auch in Fig. 1 sind die Wasserschallwandler 28 in Form von Linien 26' auf der Leiterplatte angeordnet. Die Linien sind nicht zwangsläufig gerade, sondern können auch gekrümmt oder gewinkelt sein. Eine gewinkelte Linie offenbart die rechte Linie 34' von Wasserschallwandlern, während die anderen beiden Linien 34“ gerade sind.

Die Leiterplatte weist zu den Linien 34‘, 34“ analoge Bahnen 26' auf. D.h., zwischen den Bahnen weist die Leiterplatte Zwischenräume auf. Dies ist nicht zwangsläufig nötig, hat allerdings den Vorteil, dass die Gräben einfacher mit der Vergussmasse befüllt werden können. Ferner ist es einfacher möglich, auch die gesamte Leiterplatte mit der Vergussmasse 26 zu bedecken. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in Fig. 4 gezeigt.

Fig. 3 offenbart ergänzend zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zueinander korrespondierende Fixpunktpartner 36a, 36b der Leiterplatte 26 bzw. des Backings 25. Die Leiterplatte weist einen ersten Fixpunktpartner 36a auf. Das Backing 25, beispielsweise das Material 24 zur Beeinflussung von Schallwellen oder die Grundplatte 22, weist einen zu dem ersten Fixpunktpartner 36a korrespondierenden Fixpunktpartner 36b. Dargestellt ist als erster Fixpunktpartner 36a eine Aussparung, z.b. ein Loch, in der Leiterplatte 26. Der zweite Fixpunktpartner 36b ist als Vorsprung, z.B. ein Stift, dargestellt. Andere zueinander korrespondierende Verbindungspartner sind ebenfalls möglich. Die Verbindungspartner vereinfachen die Fertigung des Backings unabhängig von der Fertigung der Leiterplatte mit den Wasserschallwandlern. Werden Backing und Leiterplatte zusammengesetzt, so dass der erste Fixpunktpartner auf dem zweiten Fixpunktpartner liegt, treffen die Wasserschallwandler 28 auf die korrespondierenden Ausnehmungen. Vorteilhaft ist hier korrespondierende Fixpunktpartner, die eine vorgegebene Ausrichtung der Leiterplatte zu dem Backing vorgeben (z.B. Fixpunktpartner mit wenigen Ecken (z.B. Kubus) oder das vorsehen von mehreren, z.B. zwei korrespondierenden Verbindungspartnern jeweils an der Leiterplatte und dem Backing. Aber auch mit den dargestellten runden Verbindungspartnern ist eine Ausrichtung problemlos möglich, da nur die Rotation und keine Translation eingestellt werden braucht.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Sonarantenne 20 in der Schnittebene A-A, die in Fig. 3 dargestellt ist. Auf Der Grundplatte 22 ist das Material 24 zur Beeinflussung der Schallwellen angeordnet. In dem Material 24 sind Gräben 30 ausgenommen. Der in diese Darstellung einzige sichtbare Wasserschallwandler 28 ist in dem mittleren Graben 30 angeordnet. Die Gräben 30 sind mit einer Vergussmasse 38 verfallt. Hier umschließt die Vergussmasse 38 auch die Bahnen 26' der Leiterplatte. Dies ist jedoch optional. Es ist auch möglich, dass die Vergussmasse 38 z.B. nur bis zu einer beliebigen Höhe, z.B. der Oberkante, der Gräben reicht.

Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler können, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umwandeln. Überdies ist es möglich, dass die Schallwandler eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umwandeln können. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material können die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, aufweisen. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dl: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Als Wasserschallwandler können z.B. Hydrophone verwendet werden. Die Schallwandler sind bevorzugt nicht für medizinische Anwendungen geeignet bzw. werden nicht für medizinische Anwendungen eingesetzt. Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Bezugszeichenliste:

20 Sonarantenne

22 Grundplatte

24 Material zur Beeinflussung von Schallwellen

25 Backing

26 Leiterplatte

26‘ Bahnen der Leiterplatte

28 Wasserschallwandler

30 Ausnehmungen

32 Aufpunktpfeile

34‘ gewinkelte Linie

34“ gerade Linien

36 Fixpunktpartner

38 Vergussmasse

Claims

Patentansprüche

1 . Sonarantenne (20) mit folgenden Merkmalen:

- einer Grundplatte (22), auf die ein Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen aufgebracht ist;

- einer Leiterplatte (24), die eine Vielzahl von darauf angeordneten Wasserschallwandlern kontaktiert;

- wobei die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern in Ausnehmungen (30) des Materials zur akustischen Beeinflussung von Schallwellen angeordnet sind.

2. Sonarantenne (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern zwischen der Grundplatte (22) und der Leiterplatte (24) angeordnet sind.

3. Sonarantenne (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen einen Schaumstoff umfasst.

4. Sonarantenne (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei auf der Grundplatte (22) ein Stapel verschiedener Materialien zur Beeinflussung von Schallwallen aufgebracht ist, wobei die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern in Ausnehmungen (30) des Stapels der verschiedenen Materialien zur akustischen Beeinflussung von Schallwellen angeordnet sind.

5. Sonarantenne (20) gemäß Anspruch 4, wobei der Stapel verschiedener Materialien zur Beeinflussung von Schallwellen verschiedene Schaumstoffe umfasst.

6. Sonarantenne (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,

- wobei die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern in Linien (34‘, 34“) auf der Leiterplatte (24) angeordnet sind;

- wobei die Ausnehmungen (30) in Form von Gräben in dem Material (24) zur Beeinflussung von Schallwt gebildet sind, so dass die Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern in den Gräben angeordnet sind.

7. Sonarantenne (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Ausnehmungen (30) mit einer Vergussmasse (38) verfallt sind.

8. Sonarantenne (20) gemäß Anspruch 7, wobei die Vergussmasse (38) ein Epoxidharz ist oder zumindest aufweist.

9. Sonarantenne gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Leiterplatte (24) einen ersten Fixpunktpartner (36a) und die Grundplatte (22) oder das Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen einen zu dem ersten Fixpunktpartner (36a) korrespondierenden zweiten Fixpunktpartner (36b) aufweisen, wobei der erste Fixpunktpartner (36a) und der zweite Fixpunktpartner (36b) deckungsgleich sind und somit einen gemeinsamen Fixpunkt ausbilden.

10. Verfahren zur Herstellung einer Sonarantenne (20) mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen einer Grundplatte (22) mit einem darauf aufgebrachtem Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen; b) Bereitstellen einer Leiterplatte (24) mit einer Vielzahl von darauf angeordneten Wasserschallwandlern; c) Einbringen von Ausnehmungen (30) in das Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen an Positionen, die mit den Positionen der Wasserschallwandler (28) korrelieren; d) Einlegen der Leiterplatte (24), insbesondere mit den Wasserschallwandlern voran, in die Ausnehmungen (30) des Materials zur Beeinflussung von Schallwellen; e) Kleben der Leiterplatte (24) oder der Wasserschallwandler (28) in die Ausnehmungen.

11 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei Schritt e) das Verfüllen der Ausnehmungen (30) mit einer Vergussmasse (38), insbesondere einem Epoxidharz oder eine Polyurethan Umgussmasse, umfasst, um die Leiterplatte (24) oder die Wasserschallwandler (28) in die Ausnehmungen (30) zu kleben.

12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11 ,

- wobei die Leiterplatte (24) einen ersten Fixpunktpartner (36a) und die Grundplatte (22) oder das Material (24) zur Beeinflussung von Schallwellen einen zu dem ersten Fixpunktpartner (36a) korrespondierenden zweiten Fixpunktpartner (36b) aufweisen, wobei die Positionen der Wasserschallwandler (28) der Vielzahl von Wasserschallwandlern relativ zu dem ersten Fixpunktpartner bekannt ist;

- wobei in Schritt c) die Position der Ausnehmungen (30) bestimmt wird, indem die Positionen der Wasserschallwandler (28) relativ zu dem ersten Fixpunktpartner (36a) verwendet werden und die Ausnehmungen (30) an den gleichen Positionen relativ zu dem zweiten Fixpunktpartner (36b) eingebracht werden.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei Schritt d) das Einlegen der Leiterplatte (24) in die Ausnehmungen (30) des Materials zur Beeinflussung von Schallwellen derart erfolgt, dass der erste Fixpunktpartner (36a) und der zweite Fixpunktpartner (36b) deckungsgleich sind und somit einen gemeinsamen Fixpunkt ausbilden.