NO331521B1 - Todimensjonal gruppetransduser og -straleformer - Google Patents

Abstract

En akustisk gruppetransduser i stand til å forme bredbåndede eller smalbåndede akustiske strålesett med smal utspredning i to dimensjoner med en minimum aperturestørrelse. Samtidig, men likevel uavhengig elektrisk sammenkobling med to gruppetransduserelementer tillater simultan forming av multiple sende- og mottaksstråler vinklet i to planare retninger normalt til gruppeoverflaten samtidig som det kun er behov for et minimalt omfang med hjelpekretser. En fremgangsmåte for økonomisk og nøyaktig å fremstille den forut nevnte gruppetransduseren ved trinnvis å oppskjære sammenføyde lag av massive skiver med transdusermateriale som fast sammenholdes blir også beskrevet.

Description

Oppfinnelsen angår en planar gruppesonartransduser som simultant former et flertall akustiske strålesett med smal utspredning i to planare dimensjoner normalt på gruppeoppstillingens plan.

Transdusere som simultant frembringer et flertall smale akustiske stråler skråstilt utover i to akseretninger fra et plan anvendes for tiden i forskjellige slag akustiske tilbakespredningssystemer som måler hastighet og/eller avstand i to eller tre dimensjoner. Eksempler på dette innbefatter akustiske Doppler-hastighetssensorer (ADVS) som ved bruk av et enkelt sett med fire stråler i en "Janus"-konfigurasjon for to- eller treakset hastighetsmåling, sonarer som måler avstanden til målet i vannet (slik som foroverscannende sonarer), og bunnkartleggingssonarer.

ADVS'er anvendes i stor utstrekning for måling av vertikale profiler ved vannstrømningsmålinger og til jord- og/eller vannrefererte hastighetsmålinger for fartøysnavigering. De måler treaksede hastigheter ved å måle hastighet langs posisjonslinjer som er definert ved hjelp av smale akustiske stråler. Minst tre stråler orientert i forskjellige retninger er nødvendige for å måle de tre ortogonale hastighetskomponentene. Vanligvis anvendes fire smale (1-4°) koniske sende-/mottakingsstråler posisjonert i en plan flates to akser og skråstilt i forhold til plannormalen. Denne konfigurasjonen som er velkjent i akustisk teknikk refereres til som en Janus-konfigurasjon; de to smale koniske strålesettene er skråstilt symmetrisk utover og posisjonert med 90° omkretsinndelinger på overflaten av en større (vanligvis 60°) utover åpnende konus. Nåværende tilgjengelig transduserteknologi som anvendes for å frembringe disse fire strålekonfigurasj onene innbefatter sammenstillinger av 4-stempeltransdusere eller et par endimensjonale fasestyrte gruppetransdusere (dvs. gruppeoppstillinger hvor de akustiske strålene kun formes i ett plan).

Konvensjonelle 4-stempeltransduserenheter består av fire uavhengige sirkulære stempelslagtransdusere, hvor hver frembringer en enkelt konisk sende-/mottakingsstråle med smal utspredning som er rettet normalt på stempelflaten. Som vist i figur 1, er de fire transduserne fysisk anbrakt i en stiv sammenstilling for å oppnå den nødvendige Janus-strålekonfigurasjonen. For konvensjonelle smalbånds ADVS-anvendelser, krever hver av disse transduserne en effektiv sende- og mottakingsbåndbredde på omkring 2% av den nominelle akustiske bærefrekvensen. Typiske bærefrekvenser er i området fra 100 kHz til 5 MHz. Hver stempeltransduser er vanligvis fremstilt av enten en enkelt massiv skive av keramisk materiale eller av en flat gruppesammenstilling av mindre keramiske elementer. Moderne bredbånds ADVS'er opererer med delbåndbredder i størrelsesorden 50%. De er også fremstilt av massive keramiske skiver eller flate gruppeoppstillinger, men har ett eller flere impedanstilpasningslag festet til overflaten for å oppnå den nødvendige båndbredden. US-patent nr. 5 343 443, "Broadband Acoustic Transducer", beskriver et slikt system. Den primære fordelen med denne 4-stempelfremgangsmåten er enkelheten ved transduserkonstruksjonen og driften. Hver stempeltransduser er drevet med et separat signal, og ingen stråleformerkretsløp er nødvendig. Enkelstråletransdusere slik som de som er beskrevet i det foregående kan også være stråleformende gruppeoppstillinger. Disse gruppeoppstillingene har generelt alle transduserelementene koblet elektrisk i parallell. Strålevinkelinnretting oppnås primært ved hjelp av riktig posisjonering av stemplet. Ulempene assosiert med slike gruppeoppstillinger innbefatter 1) behovet for en stor, tung mekanisk struktur for å støtte transduserne; 2) dens overflatefasong, enten den er konkav eller konveks, er ikke forenlig med en jevn hydrodynamisk fasong med mindre det til enhetens fremre del festes et materiale med en flat overflate som er akustisk gjennomsiktig; 3) en stor aperture og påkrevd for å forme strålene; og 4) nøyaktige hastighetsmålinger krever at lydhastigheten ved transduserens overflate er kjent.

En forbedret fysisk transduserkonfigurasjon for å frembringe de fire Janus-konfigurasjonsstrålene i to akser for ADVS-anvendelser er å anvende et par endimensjonale fasestyrte gruppetransdusere. Som vist i figur 2 frembringer en enkelt endimensjonal planar gruppeoppstilling to koniske stråler som er skråstilt relativt til retningen som er perpendikulær ti gruppeoppstillingens lengdeakse (se US-patent nr. 4 641 291, "Phased Array Doppler Sonar Transducer"). For å frembringe de fire ADVS-strålene, anvendes to tilstøtende posisjonerte gruppeoppstillinger, med en dreiet 90° relativt til den andre om den forut nevnte perpendikulære retningen. Fordi hver av de endimensjonale gruppeoppstillingene utnytter en enkelt aperture som kun er litt større enn et enkelt strålestempel, for å frembringe to stråler, realiseres tilnærmet to ganger forbedring i apertureromvirkningsgrad i forhold til fremgangsmåten med et flertall stempler.

Endimensjonale fasestyrte gruppeoppstillinger er typisk konstruert med parallellinje-gruppeoppstillinger adskilt med en halv bølgelengde ved bærefrekvensen. Hver linjegruppeoppstilling kan konstrueres ved å anvende et antall små kvadratiske eller sirkulære elementer koblet i parallell på begge overflater, eller av et enkeltstående, langstrakt, rektangulært element. Annenhver linje- og gruppeoppstilling er koblet sammen elektrisk i parallell for å tilveiebringe de nødvendige stråleformings-funksjonene. Et slikt sammenkoblingsarrangement involverer og sammenkobler elektrisk hver fjerde linjegruppe i parallell. Både sirkulære og rektangulære gruppeoppstillingsgeometrier anvendes. For å frembringe en stråle med en utspredning på 4° som er nødvendig for en typisk ADVS, er det påkrevd med en aperture med en diameter på 16 bølgelengder (32 elementer anbrakt med mellomrom på Vi bølgelengde). For en typisk ADVS som opererer med frekvenser i området 100 kHz til 5 MHz (kommersielt tilgjengelige linjeelementer i et enkelt stykke arbeider normalt i dette området), er en gruppeoppstilling med 32 parallelle lange elementer foretrukket fremfor en 32 x 32 oppstykket gruppeoppstilling (dvs. en som er skåret ut av eller oppstykket av et enkelt massivt element) på grunn av kostnadsfordelene ved produksjonssammen-stillingen.

Når gruppeoppstillingen virker i mottaksmodus (dvs. mottar innkommende signaler), anvendes en enkel faseforskyvningsstråleformer for å faseforskyve signalene som mottas av de to gruppeoppstillingene (med den forut nevnte beskrevne konfigurasjon) med ±90° for å kompensere for tidsforsinkelsen som er forårsaket av den akustiske forplantningen over veilengden på en halv bølgelengde i mediet mellom de vekslende linjegruppene. En faseforskyvning er en tilnærmelse til en tidsforsinkelse som kun er gyldig for signaler med en smal del av båndbredden. For smalbåndede signaler danner summasjonsprosessen to mottaksstråler som er skråstilt mot gruppeplanets flate overflate. Ved drift i sendemodus, drives de to gruppeoppstillingene av smalbåndssignaler med riktige relative faseforskyvninger for å danne de fire (to for hver gruppeoppstilling) simultant utsendte strålene.

Når disse fasestyrte gruppeoppstillingene drives ab bredbåndssignaler, spres de forskjellige frekvensene i signalene av transduserne i forskjellige vinkelretninger, som bevirker en utbredning av strålene. Teknikken med fasestyrte grupper former smale stråler kun når signalbåndbreddene er mindre enn rundt 3%. Dette er tilstrekkelig for smalbånds ADVS-anvendelser, men kommer til kort med hensyn til båndbredde assosiert med moderne bredbånds ADVS-systemer med en faktor på rundt mellom 8 og 16 (se for eksempel US-patent nr. 5 483 499 "Broadband Acoustic Doppler Current Profiler").

En forbedring i båndbredde/utspredelses-ytelse kan oppnås for paret med endimensjonale fasestyrte gruppetransdusere som tidligere er beskrevet ved å erstatte det enkle 90° faseforskyvningsstråleformernettverket (i både sendings- og mottakingsmodi) med et mer sammensatt tidsforsinkelsesnettverk. Anvendelsen av tidsforsinkelse frikobler frekvensen fra den relative innfallsvinkelen til den mottatte/utsendte bølgen, og reduserer derved strålevinkelutspredningen i anvendelser med større båndbredder. Med denne tidsforsinkede gruppemetoden, tidsforsinkes og summeres sammen signalene fra de individuelle linjegruppene for å danne et sammensatt signal som er uavhengig av innfallsvinkelen. Den primære ulempen assosiert med denne teknikken er den mer sammensatte sendings- og mottakingsstråleformeren.

En ytterligere ytelsesfordel ved fasestyrt og tidsforsinket gruppeoppstilling er at for ADVS-anvendelsen er hastighetskomponentene parallelle med gruppeoppstillingens overflate i seg selv selvkorrigerende for endringer i lydhastigheten gjennom mediet. Når lydhastigheten varierer vil differensielle veilengder og de tilsvarende tidsforsinkelsene assosiert med de forskjellige gruppetransduserne variere tilsvarende. Selvkorrigering er et resultat av det faktum at strålevinkelen varierer med lydhastigheten på en slik måte at det direkte kompenseres for feil ved beregning av hastighetskomponenten parallell med transduseroverflaten (vanligvis horisontal). Dette minimaliserer, men eliminerer ikke fullstendig, behovet for å måle lydhastigheten ved transduseroverflaten for høynøy aktighetsnavigasj on.

På denne måten, relativt til 4-stempelenheter, tilveiebringer endimensjonale fasestyrte grupper forbedret romlig effektivitet for faste strålekarakteristikker, har en flat overflate for bedre hydrodynamisk ytelse, og har forbedret hastighetsoppløsning i media med varierende lydforplantningshastigheter, men gir ikke tilstrekkelig mulighet for bredbånds ADVS-drift. Endimensjonale tidsforsinkede grupper gir i tillegg fordelen at de støtter også bredbånds ADVS-drift.

Endimensjonale fasede- og tidsforsinkede gruppeteknikker er også i vanlig anvendelse for bunnkartlegging og fremoverscannende anvendelser for å forme mer enn to stråler innenfor et enkelt plan til gruppeoverflaten. For disse anvendelsene kobles multippelfase og/eller tidsforsinkede stråleformere til en enkelt endimensjonert gruppe, hvor hver stråleformer har forskjellig fase/tidsforsinkelse for å simultant forme multiple stråler ved forskjellige skråstillingsvinkler relativt til gruppeoppstillingens overflate, men alle innenfor en enkelt planar orientering perpendikulær til gruppeoppstillingens overflate. Hvis det er påkrevet med måling i en andre planar orientering, anvendes to tilstøtende endimensjonale fasestyrte eller tidsforsinkede gruppeoppstillinger med en fysisk dreiet 90° fra den andre som tidligere beskrevet. For hver av de herover angitte teknikker for å forme multiple akustiske stråler skråstilt innenfor to plan perpendikulær til gruppeoppstillingens overflateplan, er det nødvendig med en aperture med en størrelse som er minst to ganger størrelsen til den som er krevet for å danne enhver enkelt smal stråle. Det er mulig å forme to eller flere koniske stråler innenfor to plan perpendikulære på gruppeoppstillingens overflate hvis det riktige signalet kan forsynes til hvert element i gruppeoppstillingen. Formingen av fire stråler i to perpendikulære plan av en enkelt planar gruppeoppstilling er skildret i figur 3. Det er teknikken velkjent at slike planare gruppeoppstillinger kan forme stråler sentrert rundt fritt valgte vinkler relativt til gruppeoppstillingens flate hvis det innføres de riktige faseforskyvningene mellom de individuelle transduserelementene; dette konseptet har blitt anvendt i en rekke år i radarantennegrupper og i mindre grad i sonartransdusergrupper. Det er også velkjent at stråleforming for anvendelser med store båndbredder krever sanntidsforsinkelser mellom elementer for å kompensere for tidsforsinkelsene frembrakt ved forplantningen over forskjellige veilengder i mediet assosiert med de forskjellige elementene.

En vesentlig reduksjon i størrelse, vekt og kostnad for ADVS-transduserenheten ville kunne oppnås hvis fire skråstilte stråler orientert i to plan perpendikulære på gruppens overflate kunne bli formet ved hjelp av en enkel planar gruppeoppstilling med transduserelementer, hvor den fulle tilgjengelige aperturen anvendes for å forme alle strålene, slik det er vist i figur 3. For å muliggjøre dette er det nødvendig med en 32 x 32 gruppeoppstilling med omkring 800 elementer med gruppeelementene nøyaktig rettet inn ved en halv bølgelengde inndelinger i overflateplanets begge retninger, det vil si med hensyn til X-Y koordinatsystemet i figur 2. Sammenstillingen av denne presisjonsgruppeoppstillingen av 800 individuelle elementer er forholdsvis kompleks. Komplekse fase- og/eller tidsforsinkede kretser er også nødvendige for å muliggjøre stråleforming i to dimensjoner for dette store antallet elementer. Ved anvendelse av kjent gruppeteknologi, vil det generelt være nødvendig med en egen kraftforsterker og fase og/eller tidsforsinkelseskrets for hvert individuelt element i gruppen. Disse gruppefabrikasjons- og stråleformerkompleksitetsfaktorene gjør anvendelsen av todimensjonale planere gruppeoppstillinger en økonomisk upraktisk løsning for tilnærmet alle anvendelser.

Av denne grunn vil det være svært ønskelig å tilveiebringe en forbedret planar gruppeoppstilling som kan frembringe strålesett med smal utbredelse i to dimensjoner relativt til gruppeoppstillingens overflate innenfor en vesentlig redusert aperture, og som gjør nytte av forenklet fase og/eller tidsforsinkelseskretsløp til å forme strålene for å forsyne det store antall individuelle transduserelementer som forekommer i slike grupper. Videre vil det være ønskelig å tilveiebringe en effektiv og kostnadsgunstig fremgangsmåte for å fabrikkere de foran nevnte gruppeoppstillingene for å gjøre deres produksjon og anvendelse økonomisk i praktisering. Publikasjonene US5530683, US4159462 og EP-A-0446610 beskriver bruken av simultane stråle som er uavhengig styrt i "X"- OG "Y"-retninger.

Den foreliggende oppfinnelse tilfredsstiller de forut nevnte behov ved å tilveiebringe et forbedret system og en fremgangsmåte for å forme et multiplanar smalbånds eller bredbånds strålesett skråstilt relativt til en transdusergruppes overflate, med redusert apertureareal. En kostnadseffektiv og forenklet fremgangsmåte for å produsere transdusergruppeoppstillingen blir også beskrevet.

Et akustisk system tilveiebrakt ved oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som framgår av det vedfølgende patentkrav 1. Trekk ved utførelsesformer av oppfinnelsens akustiske system er angitt i de vedfølgende patentkravene 2-9.

En elektroakustisk transduser tilveiebrakt ved oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som framgår av det vedfølgende patentkrav 10. Trekk ved utførelsesformer av oppfinnelsens elektroakustiske transduser er angitt i de vedfølgende patentkravene 11-18 og 29.

En fremgangsmåte for å forme multiple sende- eller mottaksstråler fra en enkel planar gruppeoppstilling med et flertall transduserelementer tilveiebrakt ved oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som framgår av det vedfølgende patentkrav 19. Trekk ved utførelsesformer av oppfinnelsens fremgangsmåte er angitt i de vedfølgende patentkravene 20-28.

I henhold til den første side ved oppfinnelsen anvender hvert 2-akset strålesett formet av den enkle 2-aksede planare gruppeoppstillingen med transduserelementer alle elementene i gruppeoppstillingen og hele den tilgjengelige aperturen for å forme hver av de to strålene. Fra et synspunkt som vedrører aperturens rolige virkningsgrad, er dette en optimal måte å gå frem på for å forme multiple smale 2-aksede stråler, fordi hver stråle kan gjøres så smal som det er tillatt av det tilgjengelige aperturearealet. Det samlede aperturearealet vil minimaliseres for en gitt strålebredde for hver av de multiple 2-aksede strålene. I forhold til den tidligere beskrevne løsningen med fire stempler, reduseres aperturediameteren med en faktor på 2,5, (en faktor 6 for arealet), transduserens overflate er i det vesentligste mer hydrodynamisk (og reduserer derved strømningsmotstand, støy, og mulige unøyaktigheter som forårsakes av luftfortetning nær aperturen), og transduserenhetsvolumet reduseres med en faktor på rundt regnet 10. I forhold til den tidligere beskrevne løsningen med doble endimensjonale gruppeoppstillinger, er aperturearealet redusert med en faktor på to.

I henhold til en annen side ved oppfinnelsen utnytter den heri beskrevne multiplanare (2-aksede) gruppeoppstillingen et betydelig redusert antall fase- og tidsforsinkende stråleformingskretser i forhold til antallet elementer i gruppen. Evnen til å frembringe multiple smale stråler i to akser fra en enkel planar gruppeoppstilling oppnås ved en metode med uavhengig elektrisk tilkobling av gruppeoppstillingens to sider hvorigjennom det tillates uavhengig å simultan forming av multiple skråstilte sende- og mottaksstråler i gruppeoppstillingsplanets to dimensjoner. Dette oppnås ved elektrisk å koble sammen gruppeoppstillingens rader på baksiden og kolonner på forsiden, og koble baksidens og forsidens parallelle sett til stråleformernettverk som har en lav elektrisk impedans (i forhold til impedansen til radene og kolonnene) i både sending- og mottakingsdriftmodi, og å prosessere sendings-/mottakssignalene til/fra de to gruppeoppstillingssidene for simultant og uavhengig å forme multiple skråstilte sendings-/mottakingsstråler i gruppeoppstillingsplanets to dimensjoner. De to retningene er vanligvis, men ikke nødvendigvis, vinkelrett i forhold til hverandre.

I henhold til en annen side ved oppfinnelsen avsløres en kostnadseffektiv fremgangsmåte for å produsere den planare gruppeoppstillingen med omtrent 800 nøyaktig innrettede elementer. Selv om, som tidligere beskrevet, endimensjonale flerstrålegruppeoppstillinger av kjent teknikk kan fabrikkeres av en gruppe med en størrelse på i lengde 32 rektangulære transduserelementer med en bredde på rundt en halv bølgelengde, krever den foretrukne utførelsen av den foreliggende oppfinnelse anvendelsen av gruppeelementer som har en dimensjon på rundt en halv bølgelengde med bærefrekvensen i begge flatedimensjoner. Videre, for å oppnå den nødvendige båndbredden for bredbåndsanvendelser, må hvert element bygges opp av en rekke lag av forskjellige materialer som må bli sammenføyd. Det er derfor nødvendig at en gruppe med rundt 800 flerlagselementer (32 x 32) blir nøyaktig sammenstilt på en kosteffektiv måte for å gjøre den forannevnte konstruksjonen økonomisk mulig. For å oppnå dette avsløres herved en forbedret fremgangsmåte for å fabrikkere disse komplekse gruppene hvorved en rekke sylindriske skiver (hver med en diameter som er lik diameteren til den ferdige gruppesammenstillingen) sekvensielt sammenføyes og oppskjæres delvis i parallell med et diamantsagblad ved forskjellige trinn i prosessen slik at de utskårede elementene holdes stivt sammen ved hjelp av et massivt lag i alle fremstillingstrinnene. Når det er fullført oppdeles gruppen internt til sin ønskede form med den nødvendige nøyaktighet, og holdes i fasongen ved hjelp av en kombinasjon av en mekanisk stiv og akustisk gjennomsiktig fremre overflate og en massiv støtteskive. De foran nevnte forenklede konstruksjons- og fremstillingsteknikker gjør det økonomisk praktisk å produsere kosteffektive kommersielle produkter med form- og ytelsesfordelene til den todimensjonale flate gruppesammenstillingen. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer betydelig forbedrede ytelser for typiske ADVS-anvendelser (dvs. en firestrålers 150 kHz transduser med 4° enveis strålebredder. Disse og andre formål og trekk ved den foreliggende oppfinnelsen vil bli mer tydeliggjort gjennom den følgende beskrivelsen og de vedfølgende krav sett i sammenheng med de vedfølgende tegningene. Fig. 1 er en plantegning av en transdusergruppe med fire stempler i en Janus-konfigurasjon i henhold til kjent teknikk. Fig. 2 er en perspektivtegning av en endimensjonal fasestyrt akustisk gruppeoppstilling i henhold til kjent teknikk, som illustrerer formingen av to smale akustiske stråler. Fig. 3 er en perspektivtegning som illustrerer en typisk konfigurasjon med fire akustiske stråler skråstilt relativt til gruppeoppstillingsnormalen (dvs. Z-aksen) og posisjonert innenfor to plan perpendikulære til gruppeoppstillingens overflateplan (dvs. X-Y-planet). Fig. 4 er et funksjonelt blokkskjema av den foretrukne utførelsen av den todimensjonale transdusergruppen, som også viser metoden for elektrisk sammenkobling av gruppeelementer, og metoden for gruppe-til-stråleformer sammenkobling med sendings- og

mottakingsstråleformerne.

Fig. 5 er et funksjonelt blokkskjema som illustrerer driften av en forenklet seksten element 2-dimensjonal fasestyrt gruppetransduser som arbeider i mottakingsmodus. Fig. 6 er et funksjonelt blokkskjema som illustrerer driften av en forenklet seksten element 2-dimensjonal fasestyrt gruppetransduser som arbeider i sendingsmodus. Fig. 7 er et funksjonelt blokkskjema som illustrerer driften av en forenklet seksten element todimensjonal tidsforsinket transduser som arbeider i mottakingsmodus. Fig. 8 er et funksjonelt blokkskjema som illustrerer driften av en forenklet seksten element todimensjonal tidsforsinket transduser som arbeider i sendingsmodus. Fig. 9 er en perspektivtegning som illustrerer formingen av multiple stråler i to plan vinkelrett til overflaten til gruppeoppstillingen ved anvendelse av tidsforsinkelsesteknikken. Fig. 10 er en plantegning av en foretrukket sirkulær 150 kHz transdusergruppe med 800 individuelle keramiske piezoelektriske elementer med kvadratisk overflate tett sammenpakket med en senter-til-senteravstand på 5 mm. Fig. 11 er en perspektivtegning av en foretrukket utførelse av transduserenheten med tykkelsesdimensjonen overdrevet for å illustrere dens lagdelte oppbygging. Fig. 12 er et skjematisk blokkskjema av en foretrukket utførelse av den tidsforsinkede mottaksstråleformeren som anvendes i sammenheng med den foreliggende oppfinnelsen. Fig. 13 er et skjematisk blokkskjema av en foretrukket utførelse av den tidsforsinkede sendingsstråleformeren som anvendes i sammenheng med den foreliggende oppfinnelse. Fig. 14 er en kurvetegning av signalamplituden kontra strålevinkelen (målt fra Z-aksen, vinkelrett på gruppeflaten) for en nominell 50 kHz 32 x 32 fasestyrt gruppetransduser, som sett i X-Z- eller Y-Z-planene, som illustrerer formingen av en akustisk stråle. Fig. 15 er et prosesskjema som illustrerer den foretrukne fremstillingsprosessen for fabrikkering av den foretrukne gruppetransduseren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

Det gjøres nå henvisning til tegningene i hvilke like henvisningstall henviser til de samme deler. Drøftingen i de etterfølgende avsnittene er organisert som følger: Funksjonell beskrivelse, utstyrsbeskrivelse og fremstillingsbeskrivelse.

Et blokkskjema av den foretrukne utførelsen av den todimensjonale transdusergruppen er vist i figur 4. En typisk planar akustisk transdusergruppekonfigurasjon 100 er avbildet. Individuelle gruppeelementer 102 er forbundet elektrisk langs forsidekolonnene 104 og baksideradene 106. Gruppeelementer 102 er tilkoblet den assosierte stråleformeren 108, 110 gjennom 2-aksede sendings-/mottakingsbrytere (T/R) 118. Stråleformerne for henholdsvis sending og mottaking 110 kan være stråleformenettverk av enten fase- eller tidsforsinkelsesslaget. Koordinatsystemet som anvendes til formål for denne beskrivelsen er vist med radene 106 orientert i X-aksens retning, kolonne 104 i Y-aksens retning og med Z-aksen vinkelrett på den plane overflaten 116.

Gruppeoppstillingens fremre flate 116 er sirkulær, men andre fasonger slik som ellipser eller polygoner som er i det vesentligste symmetriske med hensyn til overflatens to retninger er også egnet for å fremme smale skråstilte stråler med generell konisk fasong. Gruppen er sammensatt av et stort antall små elementer 102 som har symmetriske overflater, vanligvis av kvadratisk, sirkulær eller rektangulær fasong (dvs. deres fremre overflates tverrsnitt). Flatebredden til hvert element er omtrent 0,5 X, hvor X er den akustiske bølgelengden i vann ved den ønskede senterfrekvensen. For å forme stråler med 4° strålebredde, er det nødvendig med en gruppeoppstilling med en diameter på omtrent 16 X som består av en 32 x 32 elements gruppeoppstilling ved omtrent 800 elementer. Baksideradene 106 (X-retning) og forsidekolonnene 104 (Y-retning) av gruppeelementene er elektrisk koblet sammen langs parallelle linjer til elementene med tynt akustisk gjennomsiktig materiale, som vist i figur 4. Radene og kolonnene er vanligvis, men ikke nødvendigvis, vinkelrette i forhold til hverandre.

Hver av gruppeoppstillingens X-akserader 106 og Y-aksekolonner 104 er koblet til en T/R-bryter 118 som, med styring av et T/R logikksignal 120, sammenkobler elektrisk X- og Y-linjene med de respektive X og Y mottakingsstråleformerne 110 i mottakingsmodus, og med X- og Y-sendingsstråleformerne 108 i utsendingsmodus. Når den er i sendingsmodus, er gruppelinjene forbundet gjennom T/R-bryteren 118 med sendingsstråleformerne 108 som tilveiebringer det elektriske sendingsarbeidssignalet fra en lavimpedanset elektrisk kilde (i forhold til den elektriske impedansen til transduserelementenes linje). Når den er i mottaksmodus er gruppelinjene gjennom TVR-bryteren koblet til mottaksstråleformerne 110 som mottar de elektriske signalene fra transduserlinjene samtidig som de tilveiebringer en lavimpedanset elektrisk vei (i forhold til den elektriske impedansen til transduserelementenes linje) til signaljord for hver X- og Y-linje.

Denne lave elektriske kilde-/lastimpedansen på hver X- og Y-linje (lav kildeimpedans under sending og lav lastimpedans under mottaking) tillater simultan og uavhengig tilgang til hver X-rad 106 og Y-kolonne 104 for påtrykking av elektriske sendingsarbeidssignaler og mottaking av signaler fra hver X-rad og Y-kolonne. Videre kan parallelle sett med linjegrupper i X- og Y-aksene bli formet simultant og uavhengig. X-akse sendings- og mottakingslinjegrupper formes ved hjelp av parallell elektrisk sammenkobling langs baksideradene 106 og tilstedeværelsen av den lavimpedansede signaljord på alle forsidens Y-aksekolonner 104.

I sendingsmodus påtrykkes sendingsarbeidssignaler gjennom TYR-bryteren på de parallelle X-akse elektriske sammenkoblingslinjene på baksiden fra en sendingsforsterker som har en lav utgangsimpedans i forhold til signaljord. Når X-akse arbeidssignaler påtrykkes individuelle linjegrupper på X-aksen, holdes hele Y-aksens 32 parallelle linjegruppeoverflate som en lavimpedanset vei mot signaljord (via signalveien gjennom Y-aksens TVR-bryter 118a til lavimpedanset Y-aksedrivere i Y-stråleformeren 108a) for å sikre at X-aksearbeidssignalet ene og alene blir påtrykket over X-akseradene, og ikke kobles til Y-aksesiden av gruppen. Likeledes, når Y-aksearbeidssignalet påtrykkes Y-akselinjegruppen, holdes hele X-aksegruppeflaten på en lavimpedanset vei til signaljord for å tillate at signalet blir påtrykket uavhengig Y-aksen uten kobling til X-aksen. På denne måten tillater, ved hjelp av superponering av både X- og Y-aksens sendearbeidssignaler, den lave impedansen assosiert med sendestråleformerkilden at X- og Y-akse linjesendingsgrupper kan formes simultant og uavhengig.

I mottaksmodus representerer det elektriske signalet som forekommer på hver X-akserad 106 (med forsidens lavimpedansvei til signaljord) summen av de mottatte elektriske signalene fra alle elementene i den raden. De fleste konvensjonelle sonarmottakerforsterkere tilveiebringer en høyimpedanset last for mottakstransduserne. Imidlertid, for den todimensjonale gruppeoppstillingsanvendelsen i den foreliggende oppfinnelsen, er det utviklet en forsterker for anvendelse i mottakingsstråleformeren som tilveiebringer en lav lastimpedans ved mottak. Dette oppnås ved å sammenkoble hver av X- og Y-akselinjene med en virtuell jordnode (et punkt med det samme potensialnivå som jord, men ikke direkte forbundet med jord) på mottaksforforsterkeren i mottaksstråleformerne. Signalstrømmen som flyter inn i hver virtuelle jordnode er summen av signalstrømmene fra alle de keramiske elementene i kolonnen eller raden. Når signaler mottas fra en kolonne, mottas kolonnesignalet simultant uavhengig av radsignalene på grunn av den lavimpedansede lasten som er tilveiebrakt ved hjelp av den virtuelle jorden på alle radene. Likeledes, når signaler mottas fra en rad, blir dette radsignalet mottatt simultant og uavhengig av kolonnesignalene på grunn av den lavimpedansede lasten som er tilveiebrakt ved hjelp av den virtuelle jorden til alle kolonnene.

Denne uavhengige og simultane adgangen til X-rader og Y-kolonner under både sendings- og mottakingsmodi via X- og Y-signallinjene tillater at gruppeoppstillingen kan anvendes som en todimensjonal gruppeoppstilling for simultant og uavhengig å forme multiple skråstilte akustiske strålesett i både X-Z- og Y-Z-planene. Den stråleformende driften i hvert plan er den samme som for konvensjonelle endimensjonale fasestyrte og/eller tidsforsinkede gruppeoppstillinger. Dermed er den todimensjonale stråleformingsdriften generelt ekvivalent med den til to endimensjonale grupper lagt på hverandre, med en gruppe dreiet 90°.

Ved drift i sendingsmodus, former fase- eller tidsforsinkede signaler som påtrykkes X-radene skråstilte akustiske sendestråler i Y-retningen (YZ-planet). Simultant og uavhengig påtrykkes fase- eller tidsforsinkede signaler på Y-kolonnene for å frembringe skråstilte akustiske sendingsstråler i X-retningen (XZ-planet). Ved drift i mottaksmodus fase- eller tidsforsinkes elektriske signaler mottatt på X-radene og kombineres i X-radens mottakers stråleformer for å frembringe skråstilte akustiske mottaksstråler i Y-retningen. Simultant og uavhengig frembringer signaler mottatt på Y-kolonnene og kombinert i Y-sidens stråleformer skråstilte akustiske mottaksstråler i X-retningen. Således oppnås, gjennom superponering av X- og Y-aksens elektriske og akustiske signaler, todimensjonal akustisk stråleforming av en enkel planar gruppeoppstilling i både sendings- og mottakingsmodi.

For å forstå de fundamentale arbeidsprinsippene for hvordan disse todimensjonale akustiske sendings- og mottakingsstrålene formes, blir driften av en seksten element gruppe som et undersett av den 32 x 32-elements todimensjonale gruppetransduseren drøftet. Drift med både fase (smalbånd) og tidsforsinket (smalbånd og bredbånd) stråleformere beskrives heri.

Drift av en seksten-element (4 x 4) delgruppe av den tidligere beskrevne todimensjonale gruppeoppstillingen med en faseforskyvningsstråleformer er illustrert i figurene 5 og 6. Under mottak av et langvarig akustisk signal ved en enkelt frekvens (smalbånd), f, med bølgelengde X = c/f, hvor c er lydforplantningshastigheten i fluidmediet, vandrer innkommende lydbølgefronter 200 som vandrer i X-retningen og ved en vinkel 6 202 med Z-aksen hvor Z er vinkelrett på gruppeoppstillingsplanet, eller vinkelrett på planet til figuren (forskjellige distanser til hver av Y-aksens (forsidens) kolonnelinjegrupper 204, og treffer derfor hver av linjegruppene til forskjellige tidspunkter, og generelt, med forskjellige faser. Som illustrert i figur 5 er veilengdeforskjellene mellom tilstøtende linjegrupper (a) 206 relatert til elementenes senter-til-senter, mellomromsavstand (d) ved

Bølgefrontens ankomsttidsforskjeller (t) mellom tilstøtende linjegrupper er Hvis elementene er anbrakt med mellomromsavstander som svarer til en halv bølgelengde av det ankommende smalbåndssignalet (d= X/ 2), er veilengdeforskjellen uttrykt ved bølgelengden til det ankommende signal gitt ved For en ankomstvinkel på 30°,

Dette svarer til et vinkelfaseskift på 90° mellom elementene for ankommende smalbåndssignaler. På denne måten vil, når smalbåndspulsen mottas av alle Y-akse-linjegrupper med baksiden koblet til den lavimpedansede virtuelle jord 208 som beskrevet over, signalfasene til det mottatte elektriske signalet langs dette med fire Y-akselinjegrupper være henholdsvis 0, 90,180 og 270 grader.

Mottaksdrift av forsidekolonnene (Y) med baksideradene 106 alle koblet til signaljord i den mottakende X-aksestråleformer 110b vil først bli drøftet. Hvert sett med fire elektriske X-aksesignaler (i 4x4-gruppen brukt for illustreringen) er koblet til virtuelle jordnoder (208) i mottakerforforsterkeren i mottakerstråleformeren 110a for å danne en signalreferanse for baksideradene, og faseforskjøvet -90° mellom tilstøtende linjegrupper (0, -90, -180 og -270 grader), som vist. De påtrykte faseskiftene kompenserer for de som oppstår på grunn av de forskjellige mellomelements-veilengdene til den smalbåndede akustiske pulsen som faller inn på linjegruppene, som det er illustrert i figur 5. De resulterende fire signalene 210 vil være i fase og, når de blir summert, danne et maksimalt akustisk interferensmønster når de mottar en bølgefront som ankommer med en 30° innfallsvinkel. Dette maksimum svarer til sentralaksen til en av hovedlobene til de formede strålene.

En andre mottaksstråle kan formes for bølgefrontene til innkommende lydstråler som vandrer i X-retningen og i en vinkel 6 i forhold til Z-retningen (ved en -30° innfallsvinkel) ved å reversere fortegnet til den 90° påtrykte faseforskyvningen på de fire signalene og så summere signalene. Fordi settet med de fire signalfasene repeteres for ytterligere sett med fire linjegrupper, kan større grupper implementeres ved å summere signalene fra alle settene med fire linjegrupper for ytterligere å forsterke interferensmønstrene ved ± 30°. Når ytterligere sett med fire linjegruppesegmenter benyttes som beskrevet, økes den akustiske signalvinningen langs ± 30° retningene, eller strålebredden i den retningen reduseres tilsvarende ettersom ytterligere sett med grupper legges til.

En tilsvarende stråleformingsmetode er første å summere alle signalene med lik fase fra de forskjellige gruppesettene, og så innføre 90° faseforskyvningene mellom de fire summerte signalsettene. Dette kan oppnås enkelt ved elektrisk å sammenkoble hver fjerde linjegruppe i parallell, slik det vanligvis gjøres i praksis for endimensjonale fasestyrte gruppesammenstillinger slik det tidligere har blitt beskrevet (se fig. 2). Den effektive strålebredden i X-retningen bestemmes av antallet linjegruppesett i gruppeoppstillingen. I Y-retningen er strålebredden bestemt av linjegruppenes strålemønstre, som er omvendt proporsjonal med lengden (i akustiske bølgelengder) av gruppelinjene. For ADVS-anvendelsen er det ønskelig med smale skråstilte akustiske stråler med samme bredder og X- og Y-plandimensj onene holdes derfor nær lik hverandre.

I sendingsmodus er driften av 2-aksegruppen lik den som er beskrevet herover for mottakingsmodus bortsett fra at signalstrømmene er reversert, slik det er illustrert i figur 6. Sendingsdrift av forsidekolonnene med baksideradene alle koblet til signaljord vil først bli drøftet. En langtoneskur på bærefrekvens 300 påtrykkes en faseforskyvnings sendestråleformer 108a, som frembringer fire arbeidssignaler med relativ fase på 0, 90, 180 og 270 grader. Disse påtrykkes de fire parallellkoblede settene 302 med Y-kolonner fra lavimpedansede drivere. De innførte faseforskyvningene vil kompensere for de som oppstår på grunn av de forskjellige veilengdene mellom linjegruppene, og et utsendt akustisk signalinterferensmønster ved en 30° innfallsvinkel vil bli formet, svarende til senteret til en av hovedstrålens lober. En annen utsendt stråle kan bli formet ved en -30° innfallsvinkel ved å reversere fortegnet til den 90° innførte faseforskyvningen som tidligere beskrevet.

Sende- og mottaksdrift i Y-aksen er det samme. Med hensyn til signaler som er påtrykket og mottatt fra baksideradene, er forsidekolonnene koblet til signaljord gjennom en lav impedans. Tilstedeværelsen av den lave sendingsdriv- og mottakerlastimpedansen til jord på hver side resulterer i fullstendig uavhengig X- og Y-aksedrift. Fra superponering av X- og Y- aksesignalene, kan man også se at begge akser (dvs. rader og kolonner) kan være i drift simultant.

Den herover beskrevne 2-aksestråleformingsteknikken anvender faste faseforsinkelser til å forme smale sende- og mottakingsstråler og henvises til som en "todimensjonal fasestyrt gruppe" transduser. Den er egnet for bruk i smalbåndsanvendelser som sender en enkelt frekvens (smalbånds) lang toneskur. Fire skråstilt smale stråler posisjonert i X-Z og Y-Z planene og alle skråstilt med en vinkel relativt til Z-retningen er formet av en enkel flat gruppeaperture, slik det er vist i fig. 3.

Fra lydstrålediagrammet i figur 5 kan man se at for en fast elementavstand på d, er strålevinkelen relatert til den akustiske frekvensen ved

Av dette følger at strålevinkelen vil være frekvensuavhengig og, hvis den innkommende eller utgående bølgen er bredspektret, vil hovedlobens strålemønster bli tilsvarende

utspredt i vinkelrommet. På grunn av denne båndbreddeforårsakede stråleutspredningen, virker ikke den herover beskrevne fasestyrte gruppeteknikken med bredbånds ADVS'er som utsender signaler med et bredt spektrum (typisk 20-50% av bærefrekvensen). For å anvende denne todimensjonale gruppemetoden med bredbåndssignaler er det nødvendig med en annen stråleformingsmetode med tidsforsinkelse, som det blir beskrevet i de følgende avsnitt.

Som det tidligere har blitt vist treffer bølgefrontene til innkommende lydstråler som vandrer i -X-retningen med en hastighet c og en vinkel 6 i forhold til Z-retningen i forskjellige Y-akse kolonnelinjegruppebeliggenhetene på forsiden til forskjellige tider på grunn av veilengdeforskjellene mellom de tilstøtende linjegruppene. Veilengdedistanseforskjellen, a, var vist å være lik d sin6. Den til veilengden tilsvarende tidsforsinkelsesforskjell (t) er (d sin6)/c. Mens den fasestyrte gruppen gjør nytte av en stråleformer som kompenserer for faseforsinkelsene mellom elementene som kun gjelder for smalbåndssignaler, gjør tidsforsinkelsesgruppen nytte av en stråleformer som kompenserer for tidsforsinkelser mellom elementene som gjelder for signaler med et bredere frekvensbånd.

Ta nå i betraktning mottaksmodus drift av en 4 x 4 undergruppe som illustrert i figur 7, med baksideradene koblet til virtuell jord i den mottakende X-akses stråleformer 110b, hvor hvert sett med fire mottatte elektriske Y-aksesignaler er koblet til virtuelle jordnoder i mottakerstråleformerforsterkerne 402 for å danne en signalreferanse for baksideradene. Utgangene fra forsterkerne påtrykkes et summeringsnettverk 404 av en tappet bidireksjonal tidsforsinkelse som vist i fig. 7. Den innførte elektriske tidsforsinkelsen mellom elementene 406, t, kompenserer for tidsforsinkelsen som oppstår fra de forskjellige mellomelement veilengdene til de ankommende akustiske signalene, og resulterer i formingen av to stråler i ± X-aksen (X-Z-planet) ved innfallsvinkler på

Ved å granske denne ligningen vil man se at strålevinklene nå er uavhengige av den akustiske frekvensen, og dermed ikke romlig utspredt i rommet av et bredt frekvensspektrum. Denne bredbåndsmuligheten er den primære fordelen ved tidsforsinkelsesteknikken i forhold til den tidligere beskrevne faseforskyvnings-teknikken.

I sendingsmodus er driften av 4 x 4-gruppen tilsvarende den som herover er beskrevet for mottaksmodus bortsett fra at signalstrømmene er reversert som illustrert i figur 8.

Først betraktes driften av forsidekolonnene med baksideraden alle koblet til signaljord i X-aksestråleformeren 500, hvor sendesignalet 502 påtrykkes en sendestråleformer med tidsforsinkelse 504 som frembringer fire drivsignaler med relative tidsforsinkelser 508 på 0, t, 2t og 3t. Disse påtrykkes fire parallellkoblede sett 506 med Y-kolonner fra drivere med lav utgangsimpedans. De innførte tidsforsinkelsene kompenserer for tidsforsinkelser som oppstår på grunn av de forskjellige veilengdene mellom linjegrupper, og et utsendt akustisk signalinterferensmønster ved en innfallsvinkel 6 formes, svarende til senteret til en av hovedstrålenes lober. En annen utsendt stråle kan formes ved en -6 innfallsvinkel ved å reversere retningen av signalstrømmen gjennom tidsforsinkelsesnettverket.

Mottaks- og sendingsdrift med tidsforsinket gruppeoppstilling i den andre dimensjonen (Y-aksen) er fullstendig analog med hva som er beskrevet i det forutgående. IY-aksedrift blir signaler påtrykket og mottatt fra baksideradene, mens forsidekolonnene er koblet til signaljord gjennom en lav impedans. Tilstedeværelsen av en lav senderimpedans og en lav mottakerimpedans mot signaljord på hver side resulterer i fullstendig uavhengighet mellom X- og Y-aksedrift, og som følge av dette kan både X-og Y-aksene være i drift simultant.

For større gruppeoppstillinger er den heri forut nevnte tidsforsinkelsesmetoden mer kompleks å implementere enn faseforskyvningsmetoden fordi et separat tidsforsinkelseselement er nødvendig mellom hver individuell linjegruppe, mens kun fire enkeltstående faseforskyvninger er nødvendige når man gjør bruk av faseforskyvningsmetoden. Et 32-elements tidsforsinkelsesnettverk er nødvendig for en 32-element gruppe, og øker derved betydelig kompleksiteten for en tidsforsinkelses-gruppe i forhold til en tilsvarende fasestyrt gruppe med samme størrelse. En ytterligere fordel med tidsforsinkelsesmåten (i tillegg til muligheten til å forme smale stråler ved bredbåndsdrift) er at, fordi strålevinkelen 0 er bestemt ved sin^ec/d) for en fysisk konfigurasjon med en enkelt fast gruppe (elementmellomrommet d er fast), multiple skråstilte stråler i hver av aksene kan enkelt formes ved å anvende forskjellige tidsforsinkelsessett for hvert strålesett. Dette konseptet er illustrert i figur 9.1 dette eksemplet oppnås fire sett med 4-strålers kombinasjoner 550 orientert symmetrisk om Z-aksene 552 ved fire innfallsvinkler 6 ved å gjøre bruk av fire sett med X- og Y-stråleformere (BF IX - BF4X 554 og BF1Y - BF4Y 556), hvor hvert sett arbeider som beskrevet herover for den grunnleggende tidsforsinkede gruppeoppstillingen.

Som man vil forstå av den forutgående beskrivelsen kan den foreliggende oppfinnelsen legemliggjøres for å frembringe mange kombinasjoner med 2-aksede skråstilte stråler med forskjellig bærefrekvens, strålekarakteristikker og signalbåndbreddeegenskaper. Den bestemte foretrukne utførelsen som beskrives i det etterfølgende gjør bruk av stråleformeren med tidsforsinkelse som ble funksjonelt beskrevet i de foregående avsnitt, og frembringer to bredbandede stråler med smal strålebredde med en bærefrekvens på 150 kHz i hver av de to aksene for bruk i ADVS-anvendelser.

Innretninger som er assosiert med den foretrukne utførelse som herved beskrives innbefatter en sirkelformet transdusergruppe og to i det vesentligste identiske stråleformernettverk, som hver av dem tilveiebringer den elektriske signaloverføringen for å forme to skråstilte sendings-/mottakingsstråler. En plantegning av transdusergruppen er vist i figur 10. Gruppeoppstillingens diameter D 600 er tilnærmet 160 mm. Den har 800 enkelte piezoelektriske keramiske elementer 102 for 150 kHz, hver med kvadratisk overflate og tett sammenstilt med en senter-til-senter avstand på 5 mm 604 (omtrent Vi bølgelengde ved 150 kHz, basert på en forplantningshastighet på omtrent 1500 m/s).

Flerlagsoppbyggingen av transdusergrupper er illustrert i den tredimensjonale tegningen som er vist i figur 11. Tykkelsesdimensj onene er i denne tegningen overdrevet for å vise den lagdelte strukturen. De keramiske gruppeelementene 700, f.eks. de 800 elementene 102 vist i figur 10, er elektrisk og mekanisk forbundet med to stykker med tynne, akustisk gjennomsiktige, fleksible, trykte kretser (FPC) 702, 704 på topp- og bunnflatene til keramikken. Slike kretser kan fremstilles av Kapton™ (polyimid) eller annet egnet materiale. Elektrisk forbindelse med hvert keramiske element 700 oppnås ved presstilpasning og sammenføyning (eller alternativt lavtemperaturlodding) av de trykte elektriske ledelinjene med de ledende overflatene til gruppeelementene. Sammenføyning kan oppnås ved anvendelse av et egnet klebestoff eller lim, men man vil dog forstå at andre former for sammenføyning også kan være egnet. Forbindelsesmønsteret er langsmed elementkolonner på forsiden og langsmed rader på baksiden, med tilgang til kolonner på en side (Y-tilkoblinger 705) og rader på den andre siden (X-tilkoblinger 707). Et stykke med 1/8 tommer (3,18 mm) tykt fiberglassmateriale 706 (slik som det som bærer handelsnavnet "G-10" eller lignende materiale) med overflatedimensjoner som er tilpasset keramikken sammenføyes med forsiden til den øvre fleksible kretsen på hver 150 kHz transdusergruppe. Dette glassfiberstykket (G-10 eller lignende) er en akustisk kortbølgetransformator som anvendes for å forbedre impedanskoblingen mellom gruppen og vann, og for å øke transduserelementbåndbredden betydelig. Den betydelige økningen i transduserbåndbredde er påkrevd av den bredbåndede ADVS-teknologien. Et lag med uretan 708 festet til forsiden av glassfiberstykket forsegler overflaten mot vann på forsiden. Et lag med luftfylt kartong 710 anbringes mellom kapslingens bakplan 712 og baksiden av den nedre fleksible kretsen for å reflektere den akustiske energien som sendes bakover og for å tilveiebringe den nødvendige mekaniske støtte mot vanntrykket mot forsiden av gruppetransduserens overflate 714.

Det foretrukne stråleformekretsløpet for tidsforsinket mottaksmodus er illustrert i figur 12 (kun en akse). Ved drift i mottaksmodus kobles de mottatte signalene fra alle forsidekolonnene og baksideradene 104, 106 til henholdsvis X- og Y-aksestråleformerne 110a, 110b gjennom TYR-bryterne 118. Hver TVR-bryter er komplementert med en felteffekttransistor (FET) 806 i serie med mottakerforsterkerinngangsterminalene 808. En virtuell jord lavimpedanset last på alle X- og Y-linjene under drift i mottaksmodus er implementert med en høyforsterknings differensialforsterker 810 som har et lavt støytall når den er koblet til de relativt lavimpedansede transduserlinjegruppene. Hver X- og Y-transduserlinjegruppe er koblet til den negative terminalen til differensialforsterkerne med høy inngangsimpedans, hvor den positive terminalen er koblet til signaljord 812 og en tilbakekoblingsimpedans 814 er koblet mellom forforsterkerens lavimpedansede utgang og den negative inngangsterminalen. Dette danner en velkjent inverterende operasjonsforsterkerkonfigurasjon, hvor den resulterende forsterkning til forsterkeren er proporsjonal med det negative forhold mellom tilbakekoblingsimpedansen og kildeimpedansen 816) hvor transduserens linjegruppe tilveiebringer inngangssignalet med en kildeimpedans 816 som er lik den elektriske impedansen til linjegruppen. Hvis åpen-sløyfe-forsterkningen til forsterkeren er mye høyere enn lukket-sløyfe-forsterkningen som er bestemt av forholdet mellom tilbakekoblingsmotstanden og kildeimpedansen til hver av 150 kHz linjegruppene (« 200 ohm), så vil spenningen over inngangsterminalene være liten i forhold til det mottatte signalet. Fordi den positive forsterkerterminalen er jordet, holdes den negative terminalen på grunn av forsterkervirkningen også i det vesentligste på jordpotensial. Av dette følger at den negative inngangsterminalen 808 er å betrakte som en virtuell jord.

Utgangen fra forforsterkeren omformes til en strømkilde med en høy utgangsimpedans via en transistor 818 som innsender signalstrømmen som er avledet fra linjegruppen i et summeringsnettverk 404 med en tappet analog tidsforsinkelse. Dette nettverket har 32 tapper (svarer til hver av de 32 rader eller kolonner brukt i hver dimensjon); hvor hvert segment mellom tappene har en tidsforsinkelse på t mikrosekunder, hvilket svarer til forsinkelsen som er nødvendig for å kompensere for de t mikrosekundenes akustiske tidsforsinkelse som forekommer for innkommende og utgående signaler ved linjegruppene ved en valgt innfallsvinkel. Hvert tidsforsinkelsessegment er implementert med en fire-komponents induktor/kondensatornettverk 822 som tilnærmer et andreordens allpass filter. Dette induktor/kondensatornettverket tilveiebringer en tilnærming til en bredbåndet tidsforsinkelse som er nøyaktig innenfor 0,1% over en 25% båndbredde.

Beskrivelsen herover gjelder for mottaksstråleformeren assosiert med en av de to aksene til en 2-akset gruppe. Man vil her forstå at det skal gjøres bruk av et tilsvarende sett med mottaksstråleformerinnretninger for å prosessere de mottatte signaler for den andre aksen.

Figur 13 viser den foretrukne sendingsstråleformer med tidsforsinkelse (kun en akse) som er assosiert med den foreliggende oppfinnelsen. Tidsforsinkelsene i sendingsstråleformeren oppnås med digitale kretser og firkantbølgeformer for å forenkle kretsene og for å oppnå nøyaktige tidsforsinkelser bestemt ved hjelp av et nøyaktig klokkesignal. TB1 og TB2 850 er firkantbølgeformer ved den frekvensen som skal utsendes av de fire akustiske strålene. For hver av de 32 radene summeres TB1 og TB2 sammen ved hjelp av summeringskretser 851 etter en passende tidsforsinkelse (oppnådd ved anvendelsen av et 32 bit skiftregister 852) og påtrykkes de 32 grupperadene gjennom sendingsforsterkerne 854. Overharmoniske assosiert med firkantbølgesignalet til sendeforsterkerne dempes ved hjelp av båndpasskarakteristikkene til transduserens grupperader eller -kolonner 856, og det utsendte signalet domineres derfor av den grunnharmoniske utsendingsfrekvensen. Sendingsforsterkerne er implementert med lavimpedansede FET "push/pull" utgangstrinn 858 som har en lav utgangsimpedans når de driver transduserne. Ved drift i mottaksmodus frembringes en høyimpedanset last ved å slå av begge "push/pull" trinnene.

Ved sendingsmodus er det elektriske potensialet mellom de to sidene til hvert keramisk element bestemt av summen av fire passende forsinkede bølgeformer: De to raddrivsignalene (TB1 og TB2) beskrevet herover, og et tilsvarende sett med tidsforsinkede kolonnedrivsignaler (TB3 og TB4). Fire vinklede akustiske stråler i 2 akser (X-Z og Y-Z-planene) frembringes med disse tidsforsinkede drivbølgeformene.

Den tidsforsinkede gruppeoppstillingen former fire sendings- og mottakingsstråler hver med en 4° strålebredde (basert på 3 dB punkter ned på to sider). Figur 14 er en kurvetegning av signalamplitude kontra strålevinkel (målt fra Z-aksen, vinkelrett på gruppeoppstillingens overflate) for en nominell 150 kHz 32 x 32 faset gruppetransduser, sett i X-Z- eller Y-Z-planene som illustrerer formingen av en akustisk stråle 900. Som vist er sidelobedempningen for de naboliggende og motstående stråleposisjoner (+30° strålevinkel, 904) rundt -40 dB.

En annen side ved den foreliggende oppfinnelse angår en enestående fremgangsmåte for å fremstille en gruppetransduser som er egnet for å brukes i en slik multippelstrålesonar på et økonomisk vis, og som bibeholder det nøyaktige geometriske forhold mellom elementene. Denne fremgangsmåten beskrives i detalj i de følgende avsnitt.

For høyfrekvensgruppeoppstillinger som beskrevet i det foregående, er diameteren til de enkelte transduserelementene og avstandene mellom de enkelte transduserelementene liten, f.eks. mindre enn 5 mm, og det er nødvendig med et stort antall nøyaktig plasserte elementer. Fordi det ikke er praktisk å sammenstille så mange små enkeltstående elementer i gruppen, må elementene forbli i sine opprinnelige posisjoner under og etter oppdeling, og må bli forbundet elektrisk som beskrevet tidligere. Av dette følger at man ikke bare enkelt kan lime sammen det keramiske elementet, glassfibermaterialet, den akustisk gjennomsiktige, fleksible, trykte krets (FPC), og støttematerialet sammen og så dele det opp i det ønskede antall deler. Det er nødvendig med en pålitelig og økonomisk fremgangsmåte for å fremstille den toaksede gruppetransduseren som opprettholder nøyaktig geometrisk forhold mellom elementene.

Den foretrukne prosessen for å fremstille de foretrukne utførelsene av den foreliggende oppfinnelse er illustrert i figur 15. De nødvendige komponentene for sammenstilling av den foretrukne gruppetransduseren innbefatter et sylinderformet massivt filterglasselement 706 (G-10 eller tilsvarende), Y FPC-arkene til forsiden (Y-aksen) 702, et sylinderformet keramisk element 700, X FPC-ark til baksiden (X-aksen) 704, et kartongstøttelag 710 og et uretanlag 708. En koppformet kapsling kan også bli brukt for å romme gruppetransduserenheten når fremstillingsprosessen er fullført. En skal merke seg at andre former slik som ellipser eller polygoner som i det vesentligste er generelt symmetriske i de to flatedimensj onene også er egnet for anvendelse istedenfor de tidligere nevnte sylindriske fasongene.

Fremstillingsprosessen involverer generelt anvendelsen av et parallelt diamantsagblad for å kutte gjennom for- og baksidene til et massivt stykke keramikk og et påfestet impedanselag for å skape elektrisk og mekanisk uavhengige elementer. Dette gjøres på en slik måte at alle gruppeelementene holdes på plass under og etter kuttingen for å opprettholde nøyaktige geometriske forhold mellom elementene. Mer bestemt er den nye prosess for fremstilling av den foretrukne utførelsen av den foreliggende oppfinnelse som følger, idet det gjøres henvisning til figur 15: 1. Først anvendes et parallelt diamantsagblad (ikke vist) for å skjære opp forsiden av glassfibertilpasningslaget 706 halvveis gjennom dets tykkelse, definert ved Z-aksen,

i X- og Y-retningene.

2. Deretter sammenføyes et lag med akustisk gjennomsiktig uretan 708 til forsiden av glassfibertilpasningslaget 706. 3. Deretter anvendes diamantsagen for å skjære opp baksiden av glassfibertilpasningslaget 706 gjennom dets gjenværende tykkelse i både X- og Y-retningene. 4. Deretter anvendes diamantsagen til å skjære opp den bakre overflaten til gruppetransduseremnet 700 halvveis gjennom dens tykkelse, definert ved Z-aksen, i X-og Y-retningene. 5. Et tynt lag med ledende folie (X FPC) for X-aksen 704 sammenføyes så med den bakre overflaten til emnet 700. 6. Et lag med støttemateriale 710 sammenføyes deretter med den bakre overflaten til X-FPC 704. 7. Den fremre overflaten til emnet 700 blir deretter skåret gjennom sin gjenværende tykkelse (Z-retning) i X- og Y-retningene. 8. Et tynt lag med ledende folie (Y FPC) for Y-aksen 702 blir så sammenføyd med den fremre overflaten til keramikken/X FPC transdusersammenstillingen. 9. Til slutt sammenføyes den oppskårede glassfibertilpasningslag/uretan-sammenstillingen 706, 708 og keramikk/FPC/støttesammenstillingen 700, 702, 704, 710 som vist.

En koppformet kapsling eller annet støtteelement kan deretter bli tilpasset etter behov for å tilveiebringe en monteringsanordning for gruppetransduseren for den ønskede plattformen (slik som f.eks. et skipsskrog eller en strømprofileringsanordning) og forsegling mot vanninntrengning. Man vil lett innse at et stort antall forskjellige kapslingskonstruksjoner og forseglingsmekanismer kan bli anvendt i forbindelse med den foreliggende oppfinnelsen for å tilfredsstille disse behovene.

Selv om den herover detaljerte beskrivelsen har vist, beskrevet og pekt ut de fundamentale nye trekkene ved oppfinnelsen slik de er anvendt ved forskjellige utførelser, skal man forstå at forskjellige utelatelser, erstatninger og endringer i formen og detaljene av innretningen eller prosessen som er illustrert kan gjøres av fagfolk på området uten å avvike fra oppfinnelsens hensikt.

Claims (29)

1. Et akustisk system innbefattende et flertall transduserelementer ordnet for å danne en enkelt todimensjonal gruppe, hvor elementene er elektrisk sammenkoblet i rader i en første dimensjon og kolonner i en andre dimensjon og radene er elektrisk uavhengige av kolonnene, en første stråleformingskrets, hvilken krets danner et første plan med akustiske stråler rettet ut fra gruppeoppstillingsplanet og i det vesentligste normalt på den første transdusergruppedimensjonen, idet den første stråleformingskretsen er elektrisk koblet til transduserelementene i den andre transdusergruppedimensjonen, hvor den første stråleformingskretsen forsinker signalene assosiert henholdsvis med hver kolonne, og en andre stråleformingskrets, hvilken stråleformingskrets danner et første plan med akustiske stråler rettet ut fra gruppeoppstillingsplanet og i det vesentligste normalt til den andre transdusergruppedimensjonen, idet den andre stråleformingskretsen er elektrisk koblet til transduserelementene i den første gruppedimensjonen, hvor den andre stråleformingskretsen forsinker signaler assosiert henholdsvis med hver rad, hvor systemet har evne til simultant og uavhengig å forme minst to plan med akustiske stråler,karakterisert vedat de første og andre stråleformerkretsene tilveiebringer en virtuell jord lastimpedans for henholdsvis alle rader og kolonner når systemet mottar signaler, og at de første og andre stråleformerkretsene tilveiebringer en lav kildeimpedans for henholdsvis alle rader og kolonner når systemet sender signaler.

2. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at akustiske stråler formet av systemet er i Janus-konfigurasjonen.

3. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at transduserelementene er oppstilt til i det vesentligste å danne et mønster valgt fra gruppen som innbefatter sirkulære, elliptiske eller polygone fasonger.

4. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at rader og kolonner er ortogonale med hensyn til hverandre.

5. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at hvert transduserelement har et overflatetverrsnitt valgt fra gruppen som innbefatter sirkulære, elliptiske eller polygone fasonger.

6. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at transduserelementene er ordnet innenfor gruppen slik at senterlinje-til-senterlinjeavstanden mellom de enkelte elementer er halvdelen av bølgelengden til systemets akustiske bærefrekvens målt i vann og ved gruppeoppstillingens fremre overflate.

7. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisert vedat de første og andre stråleformingskretsene innbefatter flerbits skiftregistre.

8. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at hvert transduserelement er symmetrisk i overflateplanet.

9. Akustisk system som angitt i krav 1,karakterisertv e d at rader og kolonner med transduserelementer er elektrisk sammenkoblet i P sett med elementer ved sammenkobling av hver P'te rad og kolonne, hvor de første og andre stråleformingskretsene er elektrisk koblet til disse P'te sett med henholdsvis rader og kolonner.

10. En elektroakustisk transduser i stand til simultant å forme multiple akustiske sende-eller mottaksstråler fra en enkel planar aperture, innbefattende et flertall transduserelementer ordnet i en planar gruppeoppstilling av N i det vesentligste parallelle rader og M i det vesentligste parallelle kolonner, hvor hver rad med transduserelementer er elektrisk koblet langs en første overflate av gruppeoppstillingen, og hver kolonne med transduserelementer er elektrisk koblet langs en andre overflate, en første sende-/mottaksstråleformer elektrisk koblet til radene, en andre sende-/mottaksstråleformer elektrisk koblet til kolonnene og arbeidende elektrisk uavhengig av den første stråleformeren, en sende-/mottakssvitsj elektrisk koblet mellom henholdsvis de første og andre stråleformerne og radene og kolonnene, hvor en sendestilling av svitsjen tillater de første og andre stråleformerne å påtrykke signaler på henholdsvis radene og kolonnene med transduserelementer for simultant å forme sendestråler i både radene og kolonnene, idet signalene er tids- eller faseforsinkede, og hvor en mottaksstilling av svitsjen tillater de første og andre stråleformerne å motta signaler fra henholdsvis rad- og kolonnetransduserelementer, idet signalene fra radene og kolonnene er henholdsvis tids- eller faseforsinkede og kombinert for simultant og uavhengig å forme mottaksstrålene fra radene og kolonnene,karakterisert ved at de første og andre sende-/mottaksstråleformerne tilveiebringer en virtuell jord lastimpedans til henholdsvis alle rader og kolonner når sende-/mottakssvitsjen er posisjonert for å motta signaler, og at de første og andre sende-/mottaksstråleformerne tilveiebringer en lav kildeimpedans til henholdsvis alle rader og kolonner når sende-/mottakssvitsjen er posisjonert for å sende signaler.

11. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat de akustiske strålene formet av systemet er i Janus-konfigurasjonen.

12. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat transduserelementene er ordnet for i det vesentligste å danne et mønster valgt fra gruppen innbefattende sirkulære, elliptiske og polygonfasonger.

13. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat radene og kolonnene er ortogonale med hensyn til hverandre.

14. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat hvert transduserelement har et overflatetverrsnitt valgt fra gruppen innbefattende sirkulære, elliptiske og polygonfasonger.

15. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat transduserelementene er ordnet innenfor gruppen slik at senterlinje-til-senterlinjeavstanden mellom de enkelte elementer er en halvdel av bølgelengden til systemets akustiske bærefrekvens målt i vann og ved den fremre overflaten til gruppen.

16. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat sende-/mottaksstråleformeren innbefatter flerbits skiftregistre.

17. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat hvert transduserelement er symmetrisk i overflateplanet.

18. Transduser som angitt i krav 10,karakterisert vedat radene og kolonnene med transduserelementer er elektrisk koblet i P sett med elementer ved sammenkobling av hver P'te rad og kolonne, idet de første og andre sende-/mottaksstråleformerne er elektrisk koblet til disse P settene med henholdsvis rader og kolonner.

19. En fremgangsmåte for å forme multiple sende- eller mottaksstråler fra en enkel planar gruppeoppstilling med et flertall transduserelementer ordnet i N i det vesentligste parallelle rader og M i det vesentligste parallelle kolonner, hvor den planare gruppeoppstillingen har en første sende-/mottaksstråleformer elektrisk koblet til radene, en andre sende-/mottaksstråleformer elektrisk koblet til kolonnene, og en sende-/mottakssvitsj elektrisk koblet mellom henholdsvis de første og andre stråleformerne og radene og kolonnene, hvilken fremgangsmåte innbefatter trinnene å innstille sende-/mottakssvitsjen til en sendestilling, og simultant å påtrykke signaler fra de første og andre stråleformerne til henholdsvis radene og kolonnene med transduserelementer for å forme sendestråler for både radene og kolonnene, idet signalene er tids- eller faseforsinkede, eller alternativt, å innstille sende-/mottakssvitsjen til en mottaksstilling, og å tillate signaler fra radene og kolonnene med transduserelementer å bli simultant og uavhengig påtrykket henholdsvis de første og andre stråleformerne med en tids- eller faseforsinkelse, for å forme mottaksstråler for både radene og kolonnenekarakterisert vedat fremgangsmåten videre innbefatter å tilveiebringe en virtuell jord lastimpedans til alle rader og kolonner i henholdsvis de første og andre sende-/mottaksstråleformerne når sende-/mottakssvitsjen er posisjonert til å motta signaler, og å tilveiebringe en lav kildeimpedans til alle rader og kolonner i henholdsvis de første og andre sende-/mottaksstråleformerne når sende-/mottakssvitsjen er posisjonert til å sende signaler.

20. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertved at å forme sende- og mottaksstrålene innbefatter å forme både sende- og mottaksstrålene i Janus- konfigurasjonen.

21. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å ordne transduserelementene til i det vesentligste å danne et mønster valgt fra gruppen innbefattende sirkulære, elliptiske eller polygone fasonger.

22. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å ordne radene og kolonnene med transduserelementer slik at de er ortogonale med hensyn til hverandre.

23. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter handlingen med å velge transduserelementer med et overflatetverrsnitt valgt fra gruppen innbefattende sirkulære, elliptiske eller polygone fasonger.

24. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertved at den videre innbefatter å ordne transduserelementene innenfor gruppen slik at senterlinje-til-senterlinjeavstanden mellom de enkelte elementer er en halvdel av bølgelengden til systemets akustiske bærefrekvens målt i vann og ved den fremre overflaten til gruppen.

25. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å tilveiebringe flerbits skiftregistre i sende-/mottaksstråleformerne.

26. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å tilveiebringe transduserelementer som er symmetriske i overflateplanet.

27. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å sammenkoble elektrisk radene og kolonnene med transduserelementer til P sett med elementer ved å sammenkoble hver P'te rad og kolonne, idet de første og andre sende-/mottaksstråleformerne er elektrisk koblet til disse P settene med henholdsvis rader og kolonner.

28. Fremgangsmåte som angitt i krav 19,karakterisertv e d at den videre innbefatter å forme enten sende- eller mottaksstråler i to plan simultant.

29. Transduser som angitt i krav 12,karakterisert vedat sendeinnstillingen av svitsjen er konfigurert til å tillate de første og andre stråleformerne simultant å påtrykke signaler til henholdsvis radene og kolonnene med transduserelementer for å forme multiple sendestråler i henholdsvis første og andre ortogonale plan, hvor strålene har de samme helningsvinkler relativt til en retning vinkelrett på de første og andre flatene til den planare gruppeoppstillingen, og mottaksstillingen av svitsjen er konfigurert til å tillate de første og andre stråleformerne å motta simultant signalet fra henholdsvis radene og kolonnene med transduserelementer, hvor signalene fra henholdsvis radene og kolonnene, når kombinert, former mottaksstråler orientert i de første og andre ortogonale planene, idet strålene har den samme helningsvinkel relativt til en retning normal på de første og andre flatene til den planare gruppeoppstillingen.