NO166468B - Apparat for utsendelse og mottagelse av et antall sonarstraaler. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat av den art som er angitt i krav l's ingress.

Sonarsystemet som utnytter smale stråler av lydenergi ut-strålt i visse ønskede retninger fra et marint fartøy og som mottar den reflekterte energi fra disse retninger er eksempelvis beskrevet i U.S. Patent nr. 3.257.638. Konven-sjonelt dannes disse stråler av vibrerende piezoelektriske skiver hvis diameter er store sammenlignet med bølgelengden for lydbølgen som avgis eller mottas. Når multiple stråler anvendes må transduseroppsetningen forstørres for å kunne oppta antallet av nødvendige elementer. Multiple stråle-transdusere av den kjente type forårsaker installasjons-vanskeligheter, spesielt i små skip og forårsaker forøkede installasjonsomkostninger som følge av at det er nødvendig med større portventiler og sterkere bærende strukturer.

Det er således et behov for kompakte multiple stråletrans-dusere som vil lette installasjon og senke medfølgende omkostninger.

Oppfinnelsen er definert i de vedlagte krav og det vil sees at i henhold til kravene vil plane bølger som faller inn på en akustisk linse fra en spesiell retning rettes til et brennpunktområde i den akustiske linses brennpunktplan.

En elektroakustisk transduser konstruert som et sfærisk skallsegment sentrert ved et punkt i brennpunktområdet tilveiebringer en stor overflate til å avskjære i det vesentlige all den akustiske energi som rettes mot brennpunktområdet. Under transmisjon vil denne elektroakustiske transduser utstråle speri-sfæriske bølger som om transduseren tilhørende brennpunktområdet var kilden. En slik sfærisk bølge transformeres av den akustiske linse til en plan bølge i retningen tilsvarende brennpunktområdet fra hvilken den sfæriske bølge synes å ha oppstått.

Apparatet er særpreget ved det som er angitt i krav l's ka-rakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2-10.

I en foretrukken utførelsesform er den dobbeltkonkave linse fremstilt av fast polystyren og er festet til et indre medium av silikongummi. Det er anordnet tre piezoelektriske krystall transdusere, hver 15° til side for linsens sentrale akse og som er anordnet for å motta eller avgi stråler. Anordnet mellom hver krystall og det indre medium av silikongummi er et metallvindu efterfulgt av en impedanstilpassende seksjon av syntetisk plast.

Apparat konstruert . i henhold til oppfinnelsen skal beskrives mer detaljert under henvisning til den vedlagte tegning, hvor

fig. 1 viser skjematisk en dobbelt konkav akustisk linse og tilhørende elektroakustisk transduser i form av et sfærisk skallsegment, og vist et pålagt strålediagram som viser den fokuserende linsen, og

fig. 2 viser et tverrsnitt av apparatet.

Ifølge oppfinnelsen omfatter apparatet

en enkel blenderåpning i form av en akustisk linse som tilveiebringer det nødvendige blender-til-bølgelengdeforhold. Et strålediagram som viser den fokuserende virkning av en akustisk linse er vist .i fig. 1. Paralelle stråler av en påfallende plan bølge 10 som forplanter seg i vannmediet 11, støter mot den akustiske linse 12. For å fokusere en innfallende plan bølge er linsen valgt dobbelt konkav og konstruert av et medium hvori lydhastigheten er større enn lydhastigheten i vann og det andre tilstøtende medium 13. Fokuseringsvirkningen følger av at bølgene først bøyes

bort fra normal til overflaten av linsen med lav brytnings-indeks, når den føres inn i linsen og ved utgangen av linsen bøyes mot normal. Følgelig blir den påfallende plane lyd-bølge 10 fokusert til et punkt 14 av den således konstruerte linse. På motsatt måte vil en punktkilde ved 14 som "belyser" linsen med en lydbølge forårsake utsendelse av en plan bølge, slik som vist som parallelle stråler 10. Karakteristika for en linse konstruert på denne måte er en helt unik overensstemmelse mellom retningen for den på-

fallende plane bølge og det tilhørende brennpunkt i linsens fokalplan. På samme måte vil kollimerte stråler som faller inn fra forskjellige retninger ha forskjellige brennpunkter. Eksempelvis vil en plan bølge som faller inn fra retning 15 bli fokusett ved punktet 16. Således vil et antall slike brennpunkter ligge i fokalplanet hvorav hver kan definere en forskjellig bølgeretning for mottagelse eller avsendelse av lydbølger. Et antall små elektroakustiske transdusere plassert ved forskjellige brennpunkter kan således anvendes for å avgi eller motta lydbølger slik at bølgebredden er karakterisert ved linsens diameter.

En vesentlig ulempe ved implementering av dette arrangement er de små transduseres manglende evne til å arbeide ved betydelige energinivåer. Lydintensiteten (watt/enhetsareal)

i mediet 13 i nærheten av transduseren er intens som følge av transduserens lille overflateareal og vil forårsake kavitasjon og ødeleggelse av mediet. I tillegg vil varme-avgivelsen som dannes som følge av transdusertap være begrenset til den lille transduseroverflate, hvilket vil forårsake dannelse av høye temperaturer hvis betydelig elektrisk energi tilføres. I henhold til foreliggende oppfinnelse anvendes større transdusere med betydelig større overflateareal og som er plassert foran brennpunktene. En elektroakustisk transduser 17 har form av et segment

av et sfærisk skall, hvis radius er ved det ønskede brennpunkt. Alle stråler som faller inn på 17 vil være i fase ved overflaten da alle overflateelementer vil være i samme avstand fra brennpunktet som følge av dens sfæriske form. All akustisk energi som mottas av linsen 12 vil således

være tilgjengelig til omdannelse til elektrisk energi av transduseren. På den motsatte side når den virker som en sender vil transduseren utstråle sfæriske bølger på samme måte som om brennpunktet 14 var kilden. En ytterligere fordel ved dette arrangement er at små forandringer i stil-lingen for brennpunktet ikke vil forårsake vesentlige forandringer i virkningen, fordi alle stråler vil bli omfattet av transduseren med ubetydelig ute av faseinterferens. Med små transduser-élementer direkte i brennpunktet vii en liten

forandring av brennpunktet forårsake store forandringer:i den opptatte energi.

En ytterligere fordel oppnås ved at transduserens dybde forkortes, idet avstanden i mediet 13 efter linsen ikke behøver å utstrekke seg til brennpunktplanet.

En typisk konstruksjon i hvilken foreliggende oppfinnelse anvendes er vist i fig. 2. En fast linse 18 av fornettet polystyren med an diameter på 8,57 cm og en sentertykkelse på 0,47 cm, med en ekstern radius på 33,78 cm og en indre radius på 9,5 cm er i kontakt med vann ved dens ytre overflate og er bundet ved dens indre overflate til et medium 19 av silikongummi.

I det viste arrangement er det anordnet for tre sendende eller mottagende stråler hver anordnet 15° til side for linsens sentrale akse. Den lave lydhastighet i gummien danner en kort brennvidde 20 på 14 cm som ytterligere nedsetter kombinasjonens dybde. Den motstående vinkel 21 er på 37°. Tre piezoélektriske krystaller i form av sfæriske skallsegmenter, (hvorav en er krystall 20) sentrert ved brennpunktene (hvorav ett er brennpunktet 2 3), med ytre radier på 4 cm og med en slik tykkelse at de vibrerer ved 400 kHz, er festet til metallstøtten 24. Anordnet mellom hver krystall og silikongummien er et første vinduet 25, éfterfulgt av en impedanstilpassende seksjon 26 av et syntetisk plastmateriale så som en epoxyharpiks. Metallvinduet 25 er et sfærisk skallsegment av aluminium med en tykkelse som er et helt antall halve bølgelengder og i foreliggende tilfelle er tykkelsen 0,79 cm. Vinduet 25 tilveiebringer både strukturell styrke og varmetransport for krystallene og er i det vesentlige transparente ved driftsfrekvensen. Transparansen, det vil si den ubetydelige effekt på bølgetransmisjonen følger av standardformelen for lydtransmisjonskoeffisienten for bølger som krysser to grenseflater ( se eksempelvis "Fundamentals of Acoustics" pp 149 - 153, av Kinsler og Frey, Wiley, 1950). Den impedanstilpassende seksjon 26 er også et sfærisk skallsegraent med en tykkelse lik et odde antall av en kvart bølgelengde, i foreliggende utførelses-form er en kvart bølgelengde lik 0,165 cm. Den tilpassende seksjon tilveiebringer fordelaktige elektriske karakteristika når disse måles ved de elektriske tilknytninger til krystallen ved å omforme lav akustisk impedans i gummien til en høyere verdi for mottagelse til krystallene. I det vesentlige tjener tilpasningsseksjonen 26 to formål, nemlig den utvider båndbredden og forøker transduserens effektivi-tet (se "The Effeet of Backing and Matching on the Perfor-mance of Piezoelectric Ceramic Transducers" av George Kossoff, IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Volume SU-13, nr. 1, mars 1966).

Claims (10)

1. Apparat for utsendelse og mottagelse av et antall sonarstråler omfattende en linseanordning (12), med hvilken påfallende plane lydbølger omdannes til lydbølger som konvergerer til et fokalområde, og lydbølger som emitteres fra forhåndsbestemte fokalområder utstråles som plane lydbølger langs forhåndsbestemte retninger, og hvor plane lydbølger som innfaller langs de forhåndsbestemte retninger konvergerer til forhåndsbestemte fokalområder, hvilken linseanordning (12) har en sentral akse (A) og innbefatter en fast dobbeltkonkav linse (18) fremstilt av et syntetisk plastmateriale, og hvor apparatet ytterligere omfatter et antall delvis sfæriske elektroakustiske transduserer (22) i form av segmenter av sfæriske skall anordnet rundt den sentrale akse (A) for linseanordningen (12) for utsendelse og mottagelse av fokuserte lydbølger langs de forhåndsbestemte retninger, karakterisert ved at den dobbeltkonkave linse (18) er festet ved dens indre overflate til et fast akustisk forplantningsmedium (19) som har en akustisk lydforplantningshastighet mindre enn den akustiske lydforplantningshastighet for linsemediet, ved at de sfæriske elektroakustiske transdusere (22) er adskilt fra hverandre, og med deres krumningssenter (23) sentrert i de forhåndsbestemte fokalområder, og at hver av de forhåndsbestemte retninger danner den samme forhåndsbestemte vinkel med hensyn til den sentrale akse (A) for linseanordningen (12).

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at linseanordningen (12) er av et materiale med en akustisk forplantningsha-stighet som er større enn den akustiske forplantningsha-stighet i vann, og at det akustiske forplantningsmedium (19) er anordnet mellom linsen (12) og antallet av akustiske transdusere (22).

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved vindusanordninger (25) anordnet mellom transduserne (22) og det akustiske forplantningsmedium (19) for overf-føring av akustiske signaler, transportere varme og tilveiebringe strukturell styrke, samt tilpasningsanordninger (26) anordnet mellom vindusanordningene (25) og det akustiske forplantningsmedium (19) for å tilveiebringe en akustisk impedanstilpasning mellom vindusanordningene (25) og det akustiske forplantningsmedium (19).

4. Apparat ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den dobbelt-konkave akustiske linse (18) består av polystyren.

5. Apparat ifølge kravene 2-4, karakterisert ved at det akustiske forplantningsmedium (19) omfatter silikongummi.

6. Apparat ifølge kravene 1-5, karakterisert ved at hver av vindusanordningene (25) omfatter et sfærisk skallsegment med en tykkelse som er en heltallsmul-tippel av halve bølgelengder av den innfallende lydbølge, og at hver av tilpasningsanordningene (26) omfatter et sfærisk skallsegment med en tykkelse som er en odde multippel av kvarte bølgelengder_av den innfallende lydbølge.

7. Apparat ifølge krav 3-6, karakterisert ved at vindusanordningene (25) består av metall, fortrinnsvis aluminium.

8. Apparat ifølge kravene 3-7, karakterisert ved at tilpasningsanordningene (26) består av et syntetisk plastmateriale, fortrinnsvis et epoxyharpiks.

9. Apparat ifølge kravene 1-8, karakterisert ved at hver transduser (22) består av en piezoelektrisk krystall.

10. Apparat ifølge kravene 1 - 9, karakterisert v e d at antall transdusere (22) er tre og hver er anordnet 15 til side for den sentrale linseanordnings (12) sentrale akse.