WO1990010926A1 - Verfahren und vorrichtung zur verminderung der schallemission getauchter unterseeboote - Google Patents

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WO1990010926A1
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submarine
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translator
sound
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Günther LAUKIEN
Arne Kasten
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Laukien Guenther
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Definitions

  • the invention relates to a method for reducing the sound emission of submarines submerged, in which mechanical elements moving in the interior emit vibrations to an outer shell on a transmission path and the vibrations are damped on the transmission path.
  • the invention further relates to a device for reducing the noise emission of submarines submerged, in which damping means are arranged between a mechanical element moved in the interior of the submarine and an outer shell.
  • the invention is intended in particular to camouflage the submarines.
  • both active and passive systems are used to locate the submarines.
  • a search signal generally a sound signal in the sound or infrasound range, is emitted from a searching vehicle, for example a frigate. These sound signals are reflected on the surface of the submarine and reach receivers on board the searching vehicle, so that the position of the submarine can be determined from these received signals by means of suitable evaluation methods.
  • Passive location methods take advantage of physical phenomena that are caused by the submarine itself. For example, it is known to take advantage of the fact that the metallic parts of the submarine disrupt the earth's magnetic field when locating submarines. Positioning probes are therefore known which are based on the principle of nuclear magnetic resonance and are towed by ships or aircraft on a long line over the areas of the sea to be searched in order to detect faults in the earth's magnetic field.
  • Another passive location method is based on the measurement of sound signals which are emitted by the submarine.
  • a submarine in fact radiates sound to the surrounding sea water in the same way as moving parts in the submarine transmit vibrations to the outer skin.
  • Measurable sound signals are primarily generated by moving propulsion elements of the submarine, i.e. by the rotating parts of the propulsion engine and by the shaft, but the rotating screw and the cavitation caused by the screw must also be taken into account as sound sources.
  • sound signals are generated when the elevator and depth rudder are actuated, when deflating air and when shifting trimming masses, which can be detected on board modern frigates using correspondingly sensitive passive location systems.
  • nuclear reactors such as those used on board submarines
  • the control rods are moved in the reactor vessel at a predetermined frequency, the immersion depth of the control rods being adjustable so that the power emitted by the nuclear reactor can be adjusted in this way.
  • a relatively intense sound signal also arises which can be used to locate such submarines driven by nuclear technology.
  • a method is known from DE-OS 34 06 343 with which sound signals from submarines, the intensity of which is only slightly above that of the ambient noise, can be recognized from the ambient noise. Numerous measures are known for preventing submarines from being recognized by the passive sound location systems described above.
  • the essential measure is, of course, to reduce the overall sound emission of the submarine if possible.
  • particularly low-noise machine parts for example bearings, are used in the drive area of the submarine, so that the total sound energy generated is kept as low as possible.
  • An electrical system for submarines is known from DE-OS 36 00 258, which has means for camouflaging the submarine.
  • the known system takes into account the fact that an alternating current network of the submarine operates in the frequency range between 60 Hz and 400 Hz and that it is inevitable that frequencies in this frequency range plus their harmonics are emitted to the surrounding water via the hull.
  • a frequency of, for example, 30 kHz is therefore provided for the alternating current network of the submarine, which frequency is far above the reception frequency range of other location systems.
  • this known electrical system has the disadvantage that it can only camouflage the submarine submerged as long as the frequency ranges of enemy passive location systems do not also operate in the range of 30 kHz, for example.
  • the enemy can locate the submarines by checking the new frequency range by adapting their passive location systems.
  • a device for disrupting the location of submarines in which a body can be ejected from a submarine that emits sound. is equipped. This body is used to mislead a sonar system, ie an active acoustic location system on board an enemy vehicle.
  • a device for disturbing and deceiving waterborne sound locating systems is known.
  • a support body of the known device is provided with pyrotechnic charges, the combustion of which leads to the pulsed release of gas bubbles, which e.g. cause low-frequency structure-borne noise and high-frequency oscillating outer cavitation layers on a housing, from which they also emerge to form a bubble curtain.
  • the known device is intended to distract from an object to be protected and to simulate a reflecting target object due to the slowly floating bubbles.
  • the invention is therefore based on the object of developing a method and a submarine of the type mentioned at the outset in such a way that the location is made considerably more difficult, if not impossible, by passive sound location systems, in that the amplitude of the signals received by the passive sound location systems get into the area of natural noise and go under.
  • this object is achieved according to the invention in that the vibrations are actively damped in that the movement of the mechanical elements relative to the outer shell is detected and that the movement is superimposed on an opposite movement.
  • the object on which the invention is based is achieved in that the damping means have a detector for detecting and a translator for adjusting the relative position of the element to the outer shell, and in that a controller is located between an output of the detector and a Input of the translator is switched such that when the relative position changes, the translator adjusts the relative position in the opposite direction.
  • the submarine is ideally at rest when viewed from the outside, so that the vibrations emitted to the surrounding sea water are suppressed, at least but can be significantly reduced in their sound power.
  • the sound signals emitted by the submarine are reduced so much that they are lost in the noise generated by the natural ambient sound in a passive location system of an enemy vehicle.
  • the detector and the translator are arranged in series in a transmission path between the element and the outer shell.
  • the detector is a sensor for detecting the force which is exerted on the outer shell by the seismic mass of the element as a result of the acceleration causing the movement.
  • This measure has the advantage that even the slightest deflections, such as those that occur during the sound propagation in the components of a submarine, can be reliably detected, which is only possible with considerable effort with other position sensors.
  • both the detector and the translator have a piezo element.
  • This measure has the advantage that, on the one hand, the forces corresponding to the disruptive oscillating movement are converted into an electrical signal and, on the other hand, a counter-movement can be generated in the translator from an electrical control signal.
  • a counter-movement can be generated in the translator from an electrical control signal.
  • an embodiment of a device according to the invention is particularly preferred, in which the outer casing is connected to an inner casing receiving the moving elements via at least three supports and the supports each have at least one detector and one translator.
  • This measure has the advantage that all vibration-generating elements, namely the moving mechanical elements, are arranged in the closed interior, which is enclosed by the inner shell. All sound events that can propagate to the outer shell must therefore make their way through the inner shell and can essentially only be transmitted to the outer shell via the supports. However, since the previously described active damping measures are provided in the supports, the outer shell is effectively shielded from all kinds of sound events that are triggered by the moving mechanical elements.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a combat situation in which a frigate tries to locate a submersible submarine by means of a passive sound locating system
  • Figure 2 is an extremely schematic longitudinal section through a submarine at the level of a nuclear drive on board the same.
  • FIG. 3 shows a greatly enlarged detail from FIG. 2 to explain an actively damped support used according to the invention
  • FIG. 4 shows a diagram illustrating a frequency response of the active damping of the support according to FIG. 3;
  • Fig. 5 shows another embodiment of an actively damping support.
  • 10 denotes a sea on which a frigate 11 is located in search of submarines.
  • the frigate 11 is provided with a passive sound location system 13, which has an opening cone 14, for example.
  • the frigate 11 in turn generates sound waves 15, in particular by driving the frigate 11.
  • 24, 25 and 26 sound waves are referred to, which are emitted from the submarine 20.
  • 25 is intended to symbolize the proportion of sound waves that are generated by the drive elements of submarine 20, in particular by the rotating shaft, the rotating motor elements and the like.
  • 26 is intended to symbolize the portion of the sound waves that is generated by the rotation of the screw 23, in particular by the cavitations caused by the screw 23.
  • the submarine 20 is also equipped with a passive sound location system 27 which sweeps over a cone 28.
  • FIG. 2 shows a radial section through the submarine 20 according to FIG. 1, namely at the level of the nuclear drive 21.
  • the submarine 20 is provided with an outer shell 30 which surrounds an inner shell 31 on all sides.
  • the inner shell 31 is supported in the outer shell 30 by means of four actively damped supports 32 to 35 distributed over the circumference of the inner shell 31.
  • the supports 32 to 35 can be arranged discretely over the length of the submarine 20.
  • the supports 32 to 35 can also be arranged obliquely to a radius instead of in the radial direction, as shown in FIG. 2, and it is also conceivable that instead of four, each 90 ° over the circumference of the inner shell 31 offset supports 32 to 35, three such supports or more than four supports can also be used without going beyond the scope of the present invention.
  • a nuclear reactor 37 is arranged on a base 36 in the inner shell 31.
  • the nuclear reactor 37 is of a conventional type and has control rods 38 which can be moved into and out of a reactor vessel by means of a control rod drive 39 in the direction of an arrow 40.
  • control rods 38 In nuclear reactors 37 of the type of interest here, as are used on board submarines 20, the usual procedure is to immerse the control rods 38 in the reactor vessel in a periodic movement, the power emitted by the nuclear reactor 37 being determined by amplitude modulation, i.e. is adjusted by varying the immersion depth of the control rods 38.
  • the supports 32 to 35 are designed as active damping elements.
  • a detector 50 and a translator 51 are arranged in series in each of the supports 32 to 35, the detector 50 being located in each case on the outer shell 30.
  • Detector is to be understood here to mean any element which is able to determine a relative movement of a moving mechanical element, in the present case thus the inner shell 31, relative to the outer shell 30.
  • pressure sensors but also displacement sensors, e.g. Interferometer or the like can be used.
  • Translator is to be understood to mean any device which allows a specific actuating movement to be generated as a function of an actuating signal.
  • the detector 50 and the translator 51 can again be seen and it can clearly be seen that both the detector 50 and the translator 51 each have a piezoelectric element 52 and 53, respectively.
  • the piezo detector element 52 is connected to an input 54 of a control amplifier 55, the output 56 of which is connected to the piezo transformer element 53. If the inner shell 31 is now deflected by some mechanical movement in its interior, as was explained above with the aid of arrows 40 to 42, the inner shell 31 experiences a deflection in the axial direction of the support 34, which in FIG. 3 has the complex size x "is marked.
  • FIG. 4 shows the frequency response of the transmission, ie the ratio of the amounts of ⁇ z and " x over the frequency f for a specific configuration of the elements involved.
  • the formula for the transmission is also given, with m_ already as the mass of the inner shell 31 and the components of the submarine 20 arranged therein.
  • the quotient (i P / O1) D denotes the stiffness of the detector 50
  • the quotient ( ⁇ P / oil) ⁇ denotes the stiffness of the translator 57
  • the quotient ⁇ 1 / U) denotes the sensitivity of the translator 51
  • the quotient (b Q / P) denotes the sensitivity of the detector 50
  • 2 is the internal resistance of the detector 50
  • Z2 is the capacitance of the detector 50
  • the complex variable G finally represents the complex amplification of the control amplifier 55.
  • the curve 60 drawn in FIG. 4 results, which shows an amount 1 of transmission for very low frequencies, but then drops steeply with an intermediate stage, so that above a cut-off frequency fi, a continuously increasing attenuation of " x " takes place opposite saufindetT.
  • a curve 61 is drawn in dashed lines in FIG. 4, in which the same arrangement was calculated with passive damping.
  • Passive damping is to be understood to mean suspensions and the like. It can clearly be seen that the amount of transmission in the case of curve 61 assumes the amount 1 for several orders of magnitude of the logarithmically plotted frequency f, then initially changes into the natural resonance characteristic of passively damped systems and only then drops to amounts less than 1 in order to assume the same damping behavior as the active damping system only at very high frequencies of more than 6 orders of magnitude above the cut-off frequency fi.
  • the area 62 coincides with the frequency range of conventional moving units on board a submarine, above all with the speeds the drive elements of the submarine and heavy auxiliary units.
  • 70 denotes a first oscillation of larger amplitude, e.g. the vibration of the inner shell 31.
  • This vibration is transmitted via a first rod symbolized by 71 to a cylinder 72 in which a piston 73 runs.
  • a pressure chamber 74 is then located between the piston 73 and the cylinder 72.
  • the piston 73 is in turn connected to a second rod 75 which transmits a second vibration 76 of significantly reduced amplitude or even amplitude compensated to zero, e.g. to the outer shell 30.
  • a pressure line 77 is connected to the pressure chamber 74 and leads to an adjustable pressure source 78.
  • a pressure sensor 79 is also arranged in the pressure chamber 74 and reproduces a signal to a controller 80 corresponding to the pressure prevailing in the pressure chamber 74.
  • the controller 80 in turn controls the pressure source 78, for example a pump.
  • a formula for the transmission can be determined using equivalent circuit diagrams, which corresponds to the formula shown in FIG. 4 for the case of active damping with piezo elements, and also the frequency response of the arrangement according to FIG. 5 corresponds to that of FIG. 4.
  • Method for influencing a sound source in particular a submerged submarine and submarine

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Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung dienen zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote (20), bei denen im Innenraum bewegte mechanische Elemente auf einem Übertragungsweg Schwingungen an einer Außenhülle (30) abgeben und die Schwingungen auf dem Übertragungsweg gedämpft werden. Um die Außenhülle (30) möglichst vollständig von den bewegten mechanischen Elementen, beispielsweise periodisch bewegten Regelstäben (38) eines Kernreaktors (37), zu entkoppeln, werden die Schwingungen dadurch aktiv gedämpft, daß die Bewegung der mechanischen Elemente relativ zur Außenhülle erfaßt und der Bewegung eine gegenläufige Bewegung überlagert wird. Hierzu sind ein Detektor (50) zum Erfassen sowie ein Translator (51) zum Einstellen der relativen Lage des Elementes zur Außenhülle (30) vorgesehen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote, bei denen im Innenraum bewegte mechanische Elemente auf einem Übertragungsweg Schwingungen an eine Außenhülle abgeben und die Schwingungen auf dem Übertragungsweg gedämpft werden. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote, bei der Dämpfungs¬ mittel zwischen einem im Innenraum des Unterseebootes bewegten mechanischen Element und einer Außenhülle angeordnet sind.
Mit der Erfindung sollen die Unterseeboote insbesondere getarnt werden.
Im Rahmen der Bekämpfung von Unterseebooten verwendet man zum Orten der Unterseeboote sowohl aktive wie auch passive Systeme.
Bei den aktiven Systemen (z.B. SONAR) wird von Bord eines suchenden Fahrzeugs, beispielsweise einer Fregatte, ein Such¬ signal abgestrahlt, im allgemeinen ein Schallsignal im Schall¬ oder Infraschallbereich. Diese Schallsignale werden an der Oberfläche des Unterseeboots reflektiert und gelangen auf Empfänger an Bord des suchenden Fahrzeugs, so daß mittels geeigneter Auswerteverfahren aus diesen empfangenen Signalen die Position des Unterseeboots bestimmt werden kann.
Um Unterseeboote gegen solche aktive Ortungsverfahren zu schützen, ist es bekannt, das Unterseeboot an seiner Außenhülle mit einer Beschichtung zu versehen, die auftreffende Schall¬ signale bestmöglich absorbiert.
Aus der DE-OS 33 32 754 ist ein Unterwasserschiff bekannt, das gegen Erkennung durch ein Tieffrequenz-Aktiv-Sonar, d.h. ein passives Schallortungssystem getarnt werden soll. Hierzu sind insbesondere am Bug und am bugseitigen Turmbereich breit- bandige Keilabsorber angeordnet, die ihrerseits an die jewei¬ ligen Schiffskonturen angepaßt sind und selbst keine Schallre¬ flexionseigenschaften aufweisen. Auf diese Weise soll die Erkennbarkeit des Unterseeboots, nämlich das sogenannte Zielmaß um ca. 10 bis 15 dB vermindert werden können. Auch ist bereits vorgeschlagen worden, Turbulenzen an umströmten Unterwasserteilen von Unterseebooten durch Einbringen chemischer Additive herabzusetzen (DE-OS 23 18 304) .
Bei den passiven Ortungsverfahren werden hingegen physikalische Erscheinungen ausgenutzt, die vom Unterseeboot selbst verursacht werden. So ist es beispielsweise bekannt, zum Orten von Unter¬ seebooten die Tatsache auszunutzen, daß die metallischen Teile des Unterseeboots das Erdmagnetfeld stören. Es sind daher Ortungssonden bekannt, die auf dem Prinzip der kernmagnetischen Resonanz beruhen und von Schiffen oder Flugzeugen an einer langen Leine über den abzusuchenden Bereichen des Meers ge¬ schleppt werden, um Verwerfungen des Erdmagnetfelds zu detek- tieren.
Ein weiteres passives Ortungsverfahren, wie es beispielsweise in der EP-PS 63 517, der EP-OS 120 520 sowie der EP-PS 213 418 beschrieben ist, beruht auf der Messung von Schallsignalen, die vom Unterseeboot abgestrahlt werden. Ein Unterseeboot strahlt nämlich in dem Umfange Schall an das umgebende Meer¬ wasser ab, wie bewegte Teile im Unterseeboot Schwingungen an die Außenhaut übertragen. In erster Linie werden meßbare Schallsignale von bewegten Antriebselementen des Unterseeboots, also von den rotierenden Teilen des Antriebsmotors und von der Welle erzeugt, aber auch die rotierende Schraube und die von der Schraube verursachte Kavitation sind als Schallquellen zu berücksichtigen. Schließlich werden auch bei der Betätigung der Höhen- und Tiefenruder, beim Ablassen von Luft und beim Verschieben von Trimmassen Schallsignale erzeugt, die mit entsprechend empfindlichen passiven Ortungssystemen an Bord moderner Fregatten erfaßt werden können. Bei Unterseebooten mit kerntechnischem Antrieb kommt in diesem Zusammenhang noch die Besonderheit hinzu, daß Kernreaktoren, wie sie an Bord von Unterseebooten eingesetzt werden, üblicher¬ weise mit periodisch betätigten Regelstäben ausgerüstet sind. Die Regelstäbe werden mit einer vorgegebenen Frequenz im Reaktorgefäß bewegt, wobei die Eintauchtiefe der Regelstäbe einstellbar ist, so daß auf diese Weise die vom Kernreaktor abgegebene Leistung eingestellt werden kann. Infolge der periodischen Bewegung relativ großer Massen entsteht jedoch auch ein verhältnismäßig intensives Schallsignal, das zur Ortung von derartigen kerntechnisch angetriebenen Unterseebooten herangezogen werden kann.
Es ist andererseits bekannt, daß bei modernen, immer empfind¬ licher werdenden passiven Schallortungssystemen in immer größerem Maße auch der Schall berücksichtigt werden muß, der in der Umgebung des Unterseeboots vorhanden ist. Dieser natür¬ liche Schall wird im wesentlichen durch Meeresströmungen, Wellengang, Fischschwärme und dgl. erzeugt.
Beim Betrieb von passiven Schallortungssystemen macht sich dieser Umgebungsschall als Rauschen bemerkbar, das je nach Umgebungsbedingungen eine gleichmäßige oder eine ungleichmäßige Frequenzverteilung annehmen kann.
Aus der DE-OS 34 06 343 ist ein Verfahren bekannt, mit dem Schallsignale von Unterseebooten, deren Intensität nur gering¬ fügig über dem des Umgebungsrauschens liegt, aus dem Umgebungs¬ rauschen heraus erkannt werden können. Um Unterseeboote der Erkennung durch die vorstehend beschrie¬ benen passiven Schallortungssysteme zu entziehen, sind zahl¬ reiche Maßnahmen bekannt.
Die wesentliche Maßnahme besteht naturgemäß darin, die Schall¬ abgabe des Unterseeboots insgesamt nach Möglichkeit zu ver¬ mindern. Um dies zu erreichen werden insbesondere im Antriebs¬ bereich des Unterseeboots möglichst geräuscharme Maschinenteile, beispielsweise Lager, verwendet, damit die gesamthaft erzeugte Schallenergie möglichst gering gehalten wird.
Darüberhinaus ist es aber im Sinne des Verfahrens und der Vorrichtung der eingangs genannten Art auch bekannt, an Bord von Unterseebooten Schalldämmaßnahmen vorzunehmen, um unvermeid¬ baren Schall zumindest nicht an die Außenhülle des Unterseeboots gelangen zu lassen. Die hierzu verwendeten Dämpfer sind bekannte elastische und schwingungsabsorbierende Bauteile, die zusammen mit den zu dämpfenden mechanischen Elementen ein Feder-Masse- System bilden. Derartige bekannte Maßnahmen werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung als "passive Dämpfung" bezeichnet. Es ist beispielsweise bekannt, die Außenhülle des Unterseeboots zweischalig auszubilden und den Zwischenraum mit einer Dicke von beispielsweise 30 cm mit Meerwasser zu fluten, damit möglichst wenig Schallwellen an die äußere Hülle des Untersee¬ boots gelangen können.
Weiterhin kann in Gefahrensituationen das Ausmaß der abgestrahl¬ ten Schallwellen auch dadurch vermindert werden, daß die Antriebsleistung durch sogenannte "Schleichfahrt" vermindert wird. Allerdings setzt dies naturgemäß die Fähigkeit des Unterseeboots herab, sich der Ortung durch feindliche Schiffe durch Entfernung von denselben zu entziehen. Aus der DE-OS 36 00 258 ist eine elektrische Anlage für Unter¬ seeboote bekannt, die Mittel zum Tarnen des Unterseeboots aufweist. Bei der bekannten Anlage berücksichtigt man die Tatsache, daß ein Wechselstromnetz des Unterseeboots im Fre¬ quenzbereich zwischen 60 Hz und 400 Hz arbeitet und daß es unvermeidbar ist, daß Frequenzen in diesem Frequenzbereich zuzüglich ihrer Oberschwingungen über den Bootskörper an das umgebende Wasser abgegeben werden. Bei der bekannten elektri¬ schen Anlage wird daher für das Wechselstromnetz des Unter¬ seeboots eine Frequenz von beispielsweise 30 kHz vorgesehen, die weit oberhalb des Empfangsfrequenzbereichs fremder Or¬ tungssysteme liegt.
Allerdings hat diese bekannte elektrische Anlage den Nachteil, daß sie lediglich so lange eine Tarnung des getauchten Unter¬ seeboots bewirken kann, als die Frequenzbereiche feindlicher passiver Ortungssysteme nicht ebenfalls im Bereich von bei¬ spielsweise 30 kHz arbeiten. Sobald also die bei der bekannten Anlage getroffenen Maßnahmen dem jeweiligen Feind bekannt sind, kann dieser durch entsprechende Umgestaltung seiner passiven OrtungsSysteme die getauchten Unterseeboote durch Überprüfung des neuen Frequenzbereichs orten.
Schließlich ist noch bekannt, passive Schallortungssysteme an Bord feindlicher Schiffe dadurch zu stören, daß Objekte ab¬ gesetzt werden, die eine hohe Schalleistung abstrahlen und damit die empfindlichen Empfangsgeräte der passiven Schall¬ ortungssysteme übersteuern.
So ist z.B. aus der DE-OS 33 00 067 eine Vorrichtung zum Stören der Ortung von U-Booten bekannt, bei der von einem Unterseeboot ein Körper ausgestoßen werden kann, der schallabgebend ausge- stattet ist. Dieser Körper dient zum Irreführen eines Sonar- Systems, d.h. eines aktiven akkustischen Ortungssystems an Bord eines feindlichen Fahrzeugs.
Aus der EP-OS 237 891 ist eine Einrichtung zum Stören und Täuschen von Wasserschall-Ortungsanlagen bekannt. Ein Tragkörper der bekannten Einrichtung ist mit pyrotechnischen Ladungen versehen, deren Abbrand zur impulsformigen Abgabe von Gasblasen führt, die z.B. niederfrequente Kδrperschallschwingungen und hochfrequent schwingende äußere Kavitationsschichten an einem Gehäuse hervorrufen, aus dem sie auch zur Ausbildung eines Blasenvorhanges austreten. Die bekannte Einrichtung soll von einem zu schützenden Objekt ablenken und durch die langsam dahintreibende Blasenansammlung ein reflektierendes Zielobjekt vortäuschen.
Allerdings ist der Einsatzbereich derartiger Stδrobjekte auf den Fall beschränkt, daß die Anwesenheit des Unterseeboots ohnehin an Bord der feindlichen Schiffe bekannt ist und nur noch verhindert werden soll, daß durch die passiven Schall¬ ortungssysteme die präzise Ortung von abgeschossenen Torpedos ermöglicht wird, die ebenfalls unter Schallerzeugung in Bewegung sind. Für den Einsatzfall, daß ein Unterseeboot überhaupt unentdeckt bleiben möchte, sind derartige Stδrobjekte ungeeig¬ net.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und ein Unterseeboot der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Ortung durch passive Schallortungs¬ systeme erheblich erschwert wenn nicht sogar dadurch unmöglich gemacht wird, daß die Amplitude der von den passiven Schall¬ ortungssystemen empfangenen Signale in den Bereich des natür¬ lichen Rauschens gelangen und in diesem untergehen. Gemäß dem eingangs genannten Verfahren wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schwingungen dadurch aktiv gedämpft werden, daß die Bewegung der mechanischen Elemente relativ zur Außenhülle erfaßt und daß der Bewegung eine gegenläufige Bewegung überlagert wird.
Gemäß der eingangs genannten Vorrichtung wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die Dämpfungsmittel einen Detektor zum Erfassen sowie einen Translator zum Ein¬ stellen der relativen Lage des Elements zur Außenhülle auf¬ weisen, und daß ein Regler zwischen einen Ausgang des Detektors und einen Eingang des Translators geschaltet ist, derart, daß bei einer Änderung der relativen Lage der Translator die relative Lage in gegenläufiger Richtung nachstellt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Dadurch, daß die mit den Schwingungen einhergehenden Relativ¬ bewegungen zwischen den Elementen und der Außenhülle durch gegenläufige Überlagerung einer zweiten Bewegung kompensiert werden, befindet sich das Unterseeboot im Idealfalle von außen betrachtet in Ruhe, so daß die an das umgebende Meerwasser abgegebenen Schwingungen unterdrückt, zumindest aber erheblich in ihrer Schalleistung reduziert werden. Die vom Unterseeboot abgestrahlten Schallsignale werden auf diese Weise so sehr vermindert, daß sie in dem Rauschen untergehen, das durch den natürlichen Umgebungsschall in einem passiven OrtungsSystems eines feindlichen Fahrzeugs erzeugt wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung sind der Detektor und der Translator in Reihe in einem Übertragungsweg zwischen dem Element und der Außenhülle angeordnet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß exakte Übereinstimmung in der räumlichen Lage der Störgröße, nämlich der mit der Schwingung einhergehenden Bewegung, und in der Stellgröße, nämlich der vom Translator erzeugten Gegenbewegung besteht, so daß die Störgröße exakt nach Amplitude, Richtung und Phasen¬ lage kompensiert werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungs¬ gemäßen Vorrichtung ist der Detektor ein Sensor zum Erfassen der Kraft, die von der seismischen Masse des Elements infolge der die Bewegung bewirkenden Beschleunigung auf die Außenhülle ausgeübt wird.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bereits geringste Auslen¬ kungen, wie sie bei der Schallausbreitung in den Bauelementen eines Unterseebootes auftreten, sicher erfaßt werden können, was mit sonstigen Lagesensoren nur mit erheblichem Aufwand möglich ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen sowohl der Detektor wie auch der Translator ein Piezoelement auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß sowohl einerseits die der störenden Schwingungsbewegung entsprechenden Kräfte in ein elektrisches Signal umgewandelt wie auch andererseits aus einem elektrischen Stellsignal eine Gegenbewegung im Translator erzeugt werden kann. Bei Verwendung von ähnlichen Piezo-Elemen- ten im Detektor und im Translator kann man sich darüberhinaus die Tatsache zunutze machen, daß beide Piezo-Ξlemente den- selben Umweltbedingungen, beispielsweise derselben Temperatur, ausgesetzt sind, so daß sich entsprechende Effekte kompensieren.
Besonders bevorzugt ist schließlich ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem die Außenhülle über mindestens drei Stützen mit einer die bewegten Elemente aufnehmenden Innenhülle verbunden ist und die Stützen jeweils mindestens einen Detektor und einen Translator aufweisen.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß alle schwingungserzeugenden, nämlich die bewegten mechanischen Elemente im abgeschlossenen Innenraum angeordnet sind, der von der Innenhülle umschlossen ist. Alle Schallereignisse, die sich zur Außenhülle fortpflanzen können, müssen somit ihren Weg über die Innenhülle nehmen und können im wesentlichen nur über die Stützen zur Außenhülle übertragen werden. Da jedoch in den Stützen die zuvor erläuter¬ ten aktiven Dämpfungsmaßnahmen vorgesehen sind, wird auf diese Weise eine effektive Abschirmung der Außenhülle gegenüber Schallereignissen aller Art erreicht, die von den bewegten mechanischen Elementen ausgelöst werden.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach¬ stehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Ansicht einer Gefechtslage, bei der eine Fregatte mittels eines passiven Schallortungssystems versucht, ein getauchtes Unterseeboot zu orten;
Fig. 2 einen äußerst schematisierten Längsschnitt durch ein Unterseeboot in Höhe eines kerntechnischen Antriebes an Bord desselben;
Fig. 3 einen stark vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 zur Erläuterung einer erfindungsgemäß verwendeten aktiv gedämpften Stütze;
Fig. 4 ein Diagramm, einen Frequenzgang der aktiven Dämpfung der Stütze gemäß Fig. 3 darstellend;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer aktiv dämpfenden Stütze.
Bei.der in Fig. 1 dargestellten Gefechtslage ist mit 10 ein Meer bezeichnet, auf dem sich eine Fregatte 11 auf Suchfahrt nach Unterseebooten befindet.
Unterhalb einer Wasserlinie 12 der Fregatte 11 ist diese mit einem passiven Schallortungssystem 13 versehen, das beispiels¬ weise einen Öffnungskegel 14 aufweist. Die Fregatte 11 erzeugt ihrerseits Schallwellen 15, insbesondere durch den Antrieb der Fregatte 11. Unter der Oberfläche des Meers 10 befindet sich in nicht maßstäblich eingezeichneter Tiefe ein Unterseeboot 20 mit kerntechnischem Antrieb 21. Mit 22 ist äußerst schematisch eine Antriebswelle des Unterseeboots 20 bezeichnet, die zu einer Schraube 23 führt. Mit 24, 25 und 26 sind Schallwellen bezeichnet, die vom Unterseeboot 20 ausgestrahlt werden.
24 soll dabei den Anteil an Schallwellen symbolisieren, der durch die Bewegungseinrichtung der Regelstäbe des kerntechni¬ schen Antriebs 21 erzeugt wird, wie dies weiter unten zu Fig. 2 noch erläutert werden wird.
25 soll den Anteil der Schallwellen symbolisieren, die durch die Antriebselemente des Unterseeboots 20, insbesondere durch die rotierende Welle, die rotierenden Motorelemente und dgl. erzeugt werden.
26 soll schließlich den Anteil der Schallwellen symbolisieren, der durch die Rotation der Schraube 23, insbesondere durch die von der Schraube 23 verursachten Kavitationen erzeugt wird.
Das Unterseeboot 20 ist seinerseits ebenfalls mit einem passiven Schallortungssystem 27 bestückt, das einen Kegel 28 über¬ streicht.
Um die Schallabstrahlung des Unterseebootes 20 der Amplitude nach zu vermindern, werden erfindungsgemäß an Bord des Unter¬ seebootes aktive Dämpfungsmaßnahmen vorgenommen, wie dies nachstehend erläutert werden wird.
Fig. 2 zeigt einen radialen Schnitt durch das Unterseeboot 20 gemäß Fig. 1 und zwar in Höhe des kerntechnischen Antriebes 21. Man erkennt, daß das Unterseeboot 20 mit einer Außenhülle 30 versehen ist, die eine Innenhülle 31 allseitig umschließt. Die Innenhülle 31 ist in der Außenhülle 30 mittels vier über den Umfang der Innenhülle 31 verteilten aktiv gedämpften Stützen 32 bis 35 abgestützt. Es versteht sich, daß die Stützen 32 bis 35 über die Länge des Unterseeboots 20 diskret verteilt angeordnet sein können. Auch können die Stützen 32 bis 35 statt in radialer Richtung, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist, auch in einer Richtung schräg zu einem Radius angeordnet sein und es ist ebenso denkbar, daß statt vier jeweils um 90° über den Umfang der Innenhülle 31 versetzter Stützen 32 bis 35 auch drei derartige Stützen oder mehr als vier Stützen ein¬ gesetzt werden können, ohne daß dies den Rahmen der vorliegenden Erfindung sprengt.
Auf einem Boden 36 in der Innenhülle 31 ist ein Kernreaktor 37 angeordnet. Der Kernreaktor 37 ist von üblicher Bauart und weist Regelstäbe 38 auf, die mittels eines Regelstabantriebes 39 in Richtung eines Pfeiles 40 in ein Reaktorgefäß ein- bzw. ausgefahren werden können. Bei Kernreaktoren 37 der hier interessierenden Art, wie sie an Bord von Unterseebooten 20 verwendet werden, geht man üblicherweise so vor, daß die Regelstäbe 38 in einer periodischen Bewegung in das Reaktorgefäß eintauchen, wobei die vom Kernreaktor 37 abgegebene Leistung durch Amplitudenmodulation, d.h. durch Variation der Eintauch¬ tiefe der Regelstäbe 38 eingestellt wird.
Dies bedeutet, daß aufgrund der mit dem Pfeil 40 angedeuteten periodischen Bewegung der Regelstäbe 38 eine Schwingung erzeugt wird, die vom Kernreaktor 37 auf den Boden 36 übertragen wird. Dies ist in Fig. 2 mit einem weiteren Pfeil 41 angedeutet. Da der Boden 36 seinerseits fest in der Innenhülle 31 verankert ist, gerät auch diese in Schwingungen, wie mit einem weiteren Pfeil 42 in Fig. 2 angedeutet ist. In der vorstehend beschriebenen Weise bildet sich somit ein Übertragungsweg von den periodisch bewegten Regelstäben 38 bis hin zur Innenhülle 31 aus, wobei noch hinzukommen kann, daß infolge von Eigenresonanzen der im Übertragungsweg ange¬ regten Bauteile des Unterseebootes 20 Resonanzüberhδhungen eintreten.
Um eine weitere Übertragung dieser Schwingungen auf die Außen¬ hülle 30 zu unterbinden oder zumindest erheblich zu dämpfen, sind die Stützen 32 bis 35 als aktive Dämpfungselemente aus¬ gestattet. Hierzu sind in jeder der Stützen 32 bis 35 ein Detektor 50 und ein Translator 51 in Reihenschaltung angeordnet, wobei der Detektor 50 sich jeweils an der Außenhülle 30 be¬ findet.
Unter "Detektor" soll dabei jedwedes Element verstanden werden, das in der Lage ist, eine Relativbewegung eines bewegten mechanischen Elementes, im vorliegenden Falle also der Innen¬ hülle 31, relativ zur Außenhülle 30 festzustellen. Hierzu können Drucksensoren, aber auch Wegesensoren, wie z.B. Inter- ferometer oder dgl. verwendet werden.
Unter "Translator" soll hingegen jedwede Einrichtung verstanden werden, die es gestattet, eine gezielte Stellbewegung in Abhängigkeit von einem Stellsignal zu erzeugen.
In der vergrößerten Darstellung der Fig. 3 sind wiederum der Detektor 50 und der Translator 51 zu erkennen und man erkennt deutlich, daß sowohl der Detektor 50 wie auch der Translator 51 jeweils ein Piezoele ent 52 bzw. 53 aufweisen. Das Piezo- Detektorelement 52 ist mit einem Eingang 54 eines Regelver¬ stärkers 55 verbunden, dessen Ausgang 56 an das Piezo-Trans- latorelement 53 angeschlossen ist. Wird nun die Innenhülle 31 durch irgendeine mechanische Bewegung in ihrem Innenraum ausgelenkt, wie dies weiter oben anhand der Pfeile 40 bis 42 erläutert wurde, so erfährt die Innenhülle 31 eine Auslenkung in Achsrichtung der Stütze 34, die in Fig. 3 mit der komplexen Größe x" gekennzeichnet ist.
Bei einer Masse mi der Außenhülle 30 wird nun infolge der die Bewegung "z" der Außenhülle 30 verursachenden Beschleunigung eine Kraft auf den Detektor 50 ausgeübt, so daß vom Piezo- Detektorelement 52 ein komplexes elektrisches Signal an den Eingang 54 des Regelverstärkers 55 gegeben wird. In Abhängigkeit von der Verstärkung, dem Frequenzgang und der Regelcharakte¬ ristik des Regelverstärkers 55 erzeugt diese an seinem Ausgang 56 ein elektrisches Signal, das dem Piezo-Translatorelement 53 zugeführt wird. Der Translator 51 wird hierdurch zu einer der Bewegung "y" entgegengesetzten Bewegung angeregt, so daß die in Fig. 3 mit der komplexen Größe "z" gekennzeichnete Bewegung der Außenhülle 30 zu Null gemacht oder zumindest weitgehend minimiert wird.
Fig. 4 zeigt den Frequenzgang der Transmission, d.h. des Verhältnisses der Beträge von ~z und "x über der Frequenz f für eine bestimmte Konfiguration der beteiligten Elemente. In Fig. 4 ist auch die Formel für die Transmission angegeben, wobei m_ bereits als Masse der Innenhülle 31 sowie der darin angeordneten Bauteile des Unterseebootes 20 definiert wurde. Der Quotient (i P/ O1)D kennzeichnet die Steifigkeit des Detektors 50, der Quotient (^P/Öl)τ kennzeichnet die Steifig¬ keit des Translators 57, der Quotient { 1/ U) kennzeichnet die Empfindlichkeit des Translators 51, der Quotient ( b Q/ P) kennzeichnet die Empfindlichkeit des Detektors 50, 2 ist der Innenwiderstand des Detektors 50, Z2 ist die Kapazität des Detektors 50 und die komplexe Größe G repräsentiert schlie߬ lich die komplexe Verstärkung des Regelverstärkers 55.
Für einen praktischen Anwendungsfall ergibt sich die in Fig. 4 durchgezogen eingetragene Kurve 60, die für sehr tiefe Fre¬ quenzen einen Betrag 1 der Transmission ausweist, dann jedoch mit einer Zwischenstufe steil abfällt, so daß oberhalb einer Grenzfrequenz fi eine ständig zunehmende Dämpfung von "x" gegen¬ über ∑T stattfindet.
Zum Vergleich ist in Fig. 4 gestrichelt eine Kurve 61 ein¬ getragen, in der die selbe Anordnung mit passiver Dämpfung durchgerechnet wurde. Unter passiver Dämpfung sind dabei Federungen und dgl. zu verstehen. Man erkennt deutlich, daß der Betrag der Transmission im Falle der Kurve 61 noch für mehrere Größenordnungen der logarithmisch aufgetragenen Frequenz f den Betrag 1 annimmt, dann zunächst in die für passiv ge¬ dämpfte Systeme charakteristische Eigenresonanz übergeht und erst dann auf Beträge kleiner als 1 abfällt, um erst bei sehr hohen Frequenzen von mehr als 6 Größenordnungen oberhalb der Grenzfrequenz fi dasselbe Dämpfungsverhalten wie das aktive Dämpfungssystem einzunehmen.
Der Gewinn der erfindungsgemäß verwendeten aktiven Dämpfung (Kurve 60) gegenüber herkömmlichen passiven Dämpfungen (Kur¬ ve 61) wird durch den dazwischenliegenden Bereich 62, der in Fig. 4 schraffiert ist, deutlich.
Durch geeignete Dimensionierung der beteiligten Elemente, insbesondere im Bereich der Stützen 32 bis 35 sowie des Regel¬ verstärkers 55 kann man erreichen, daß der Bereich 62 mit dem Frequenzbereich üblicher bewegter Aggregate an Bord eines Unterseebootes übereinstimmt, vor allem also mit den Drehzahlen der Antriebselemente des Unterseebootes sowie schwerer Hilfs¬ aggregate.
Fig. 5 zeigt schließlich noch eine Variante mit einem fluid- ischen aktiven Dämpfungselement.
Mit 70 ist in Fig. 5 eine erste Schwingung größerer Amplitude bezeichnet, also z.B. die Schwingung der Innenhülle 31. Diese Schwingung wird über eine mit 71 symbolisierte erste Stange auf einen Zylinder 72 übertragen, in dem ein Kolben 73 läuft. Zwischen Kolben 73 und Zylinder 72 befindet sich dann ein Druckraum 74. Der Kolben 73 ist seinerseits mit einer zweiten Stange 75 verbunden, die eine zweite Schwingung 76 wesentlich verminderter Amplitude oder gar auf Null kompensierte Amplitude weitergibt, z.B. an die Außenhülle 30.
An den Druckraum 74 ist eine Druckleitung 77 angeschlossen, die zu einer einstellbaren Druckquelle 78 führt. Im Druckraum 74 ist ferner ein Drucksensor 79 angeordnet, der ein dem im Druckraum 74 herrschenden Druck entsprechendes Signal an einen Regler 80 wiedergibt. Der Regler 80 steuert seinerseits die Druckquelle 78, beispielsweise eine Pumpe.
Auch in diesem Falle des fluidischen, beispielsweise pneumati¬ schen oder hydraulischen Dämpfungselementes wird bei Auslenkung der ersten Stange 71 in einer Richtung eine gegenläufige Bewegung der zweiten Stange 75 durch geeignete Messung des Drucks im Druckraum 74 und durch Nachstellung dieses Drucks mittels der einstellbaren Druckquelle 78 erreicht, wie keiner näheren Erläuterung bedarf. Auch für die Anordnung gemäß Fig. 5 läßt sich über Ersatzschalt¬ bilder eine Formel für die Transmission ermitteln, die der in Fig. 4 dargestellten Formel für den Fall einer aktiven Dämpfung mit Piezo-Elementen entspricht und auch der Frequenzgang der Anordnung gemäß Fig. 5 entspricht demjenigen der Fig. 4.
Die vorliegende Anmeldung hängt zusammen mit den folgenden Anmeldungen desselben Anmelders vom selben Tage und der Offen¬ barungsgehalt jener Anmeldungen wird durch diesen Verweis auch zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gemacht:
Patentanmeldung P 39 08 578.3
"Verfahren zum Beeinflussen einer Schallquelle, ins¬ besondere eines getauchten Unterseebootes und Untersee¬ boot"
Patentanmeldung P 39 08,576.7
"Verfahren und Vorrichtung zum Lokalisieren von in wasserhaltiger Umgebung befindlichen protonenarmen Gegenständen, insbesondere zum Orten von Unterseebooten oder Seeminen in einem Meer oder einem Binnengewässer"
Patentanmeldung P 39 08 575.9
"Unterwasserfahrzeug mit einem passiven optischen Beobachtungssystem"
Patentanmeldung P 39 08 574.0
"Verfahren zum Betreiben getauchter Unterseeboote und
Unterseeboot" Patentanmeldung P 39 08 572.4
"Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Schall¬ emission getauchter Unterseeboote"
Patentanmeldung P 39 08 573.2
"Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben getauchter
Unterseeboote"

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Verminderung der Schallemission getauchter Unterseeboote (20) , bei denen im Innenraum bewegte mechanische Elemente auf einem Übertragungsweg Schwingungen an eine Außenhülle (30) abgeben und die Schwingungen auf dem Übertragungsweg gedämpft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen dadurch aktiv gedämpft werden, daß die Bewegung der mechanischen Elemente relativ zur Außenhülle erfaßt und daß der Bewegung eine gegenläufige Bewegung überlagert wird.
2. Vorrichtung zur Verminderung der Schallemission ge¬ tauchter Unterseeboote (20) , bei der Dämpfungsmittel zwischen einem im Innenraum des Unterseebootes (20) bewegten mechanischen Element und einer Außenhülle (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsmittel einen Detektor (50) zum Erfassen sowie einen Translator (51) zum Einstellen der relativen Lage des Elementes zur Außenhülle (30) aufweisen, und daß ein Regler (55) zwischen einen Ausgang des Detektors (50) und einen Eingang des Translators (51) geschaltet ist, derart, daß bei einer Änderung der relativen Lage der Translator (51) die relative Lage in gegenläufiger Richtung nachstellt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) und der Translator (51) in Reihe in einem Übertragungsweg zwischen dem Element und der Außenhülle (30) angeordnet sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet daß der Detektor (50) ein Sensor zum Erfassen der Kraft ist, die von der seismischen Masse des Elementes infolge der die Bewegung bewirkenden Beschleunigung auf die Außenhülle (30) ausgeübt wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (50) ein Piezo-Element aufweist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Translator (51) ein Piezo-Element aufweist.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenhülle (30) über mindestens drei Stützen (32, 33, 34, 35) mit einer die bewegten Elemente aufnehmenden Innenhülle (31) verbunden ist, und daß die Stützen (32, 33, 34, 35) jeweils mindestens einen Detektor (50) und einen Trans¬ lator (51) aufweisen.
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