WO2004105176A2 - Unterwasserantenne mit elektroakustischen, in einem verguss eingebettet wandlern - Google Patents

Unterwasserantenne mit elektroakustischen, in einem verguss eingebettet wandlern Download PDF

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WO2004105176A2
WO2004105176A2 PCT/EP2004/004746 EP2004004746W WO2004105176A2 WO 2004105176 A2 WO2004105176 A2 WO 2004105176A2 EP 2004004746 W EP2004004746 W EP 2004004746W WO 2004105176 A2 WO2004105176 A2 WO 2004105176A2
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potting
transducer
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Axel Brenner
Rainer Busch
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Atlas Elektronik Gmbh
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    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G10K11/006—Transducer mounting in underwater equipment, e.g. sonobuoys
    • G10K11/008—Arrays of transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/44—Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R15/00—Magnetostrictive transducers
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to an underwater antenna of the type defined in the preamble of claim 1.
  • a plurality of transducers are arranged vertically one above the other together with an acoustic reflector behind each in the direction of sound incidence, and in an acoustically transparent hard casting made of an elastomer that can be processed in the casting process, e.g. Polyurethane, embedded, so that the flat, block-like hard casting a rod-shaped element with e.g. three individual transducers, which forms a so-called stave.
  • the flat hard casting is used to produce a stable, resistant component in which all transducers are placed at a fixed distance and are protected against aggressive sea water.
  • a plurality of staves of the same design are arranged horizontally next to one another on a flat plate or on the outer wall of a hollow cylinder.
  • a bundling of the radiated or received sound energy and thus an increase in the range of the underwater antenna is achieved by grouping neighboring Staves or their converters, which operate together 23. 03. 2004 2
  • the so-called opening angle 2 ⁇ - 3dB of the directional characteristic of the underwater antenna becomes smaller, the opening angle decreasing and the range increasing with an increasing number of staves or converters operated together.
  • the transmission and reception direction of the underwater antenna is pivoted.
  • the so-called electronic swiveling of the directional characteristic of the underwater antenna is preferred over mechanical swiveling of the underwater antenna.
  • the staves or transducer signals are delayed by an amount derived from the desired transmission or reception direction and / or phase-delayed.
  • the maximum electronic swivel range also depends on the aperture angle of the directional characteristic of the underwater antenna and also decreases with this.
  • phase-delaying networks DE 20 64 588 AI
  • the phase delay values of the networks being calculated according to a predetermined scheme that results from an auxiliary geometry derived from the antenna geometry.
  • the invention has for its object the opening angle and the maximum swivel range of the underwater antenna of the type mentioned 23. 03. 2004 3
  • the underwater antenna according to the invention has the advantage that, by adapting the surface of the potting to the geometry of the transducer, the incident or radiated sound waves perpendicular to the surface of the potting having the same wave resistance as the water at the interface, regardless of their direction of incidence or radiation in the potting to the water as
  • the potting designed according to the invention proves to be particularly advantageous when the transducers are constructed on a flat support, for example on a boom, in the lateral outer wall of a watercraft, on the bottom of a ship or on an extension device. Since no electronic signal processing in the form of delay chains or phase rotators to broaden the opening angle of the 23. 03. 2004 4
  • Directional characteristics is required, a broadband transmission and reception operation is possible without any problems and electronic room stabilization in rough seas is easy to design.
  • a cardanic suspension is also required for swell compensation. of the extension device possible, since structural changes to the flat support for the transducers, e.g. due to an arched structure in order to enlarge the opening angle of the directional characteristic, are not required.
  • the thickness of the encapsulation is kept approximately constant, at least in the area facing away from the carrier.
  • the transducers are arranged in rows and columns that are perpendicular to one another. Such a geometric arrangement is easy to manufacture and to test.
  • the transducers arranged in a row on the one hand and the transducers arranged in a column on the other hand are preferably at a distance from one another which is constant within each row and each column and can be different between columns and rows. A statistical distribution of the transducers in the rows and columns is also possible.
  • the surface of the encapsulation has curved arches which adjoin one another in the manner of ribs in the direction of the transducer rows and in each case extend parallel to one another over the dimension of the carrier running transversely thereto.
  • Such an underwater antenna with a preferably flat, plate-shaped carrier is preferably used on autonomous or remote-controlled unmanned underwater vehicles for seabed exploration.
  • the underwater antenna is attached to the underside of the underwater vehicle such that the pivoting direction of the antenna, which lies in a plane parallel to the rows of transducers, is oriented transversely to the longitudinal axis of the underwater vehicle.
  • the longitudinal axes of the bulges thus extend in the surface of the encapsulation in the direction of travel, and the antenna thus has a streamlined profile, so that there is no need for an enveloping body covering the underwater antenna.
  • the transducers can be spherical, hemispherical or plate-shaped. If the transducers are designed as hollow hemispheres, they are arranged so that their flat ring surfaces face the carrier. If the transducers are in the form of rectangular or square plates, two adjacent transducers are placed on the support at an angle to one another, two plate-shaped transducers each forming the legs of a preferably isosceles roof, 23. 03. 2004 6
  • each plate-shaped transducer has a multiplicity of rod-shaped ceramic rods made of piezoelectric or electrostrictive ceramic embedded in plastic, which are aligned perpendicular to the roof surface.
  • rod-shaped ceramic rods made of piezoelectric or electrostrictive ceramic embedded in plastic, which are aligned perpendicular to the roof surface.
  • composite converters are described for example in DE 100 52 636 AI.
  • FIG. 1 is a perspective view of an underwater antenna designed as a so-called flat base
  • FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1
  • FIG. 6 shows a longitudinal section of an underwater antenna designed as a so-called linear antenna
  • FIG. 7 shows a perspective illustration of an underwater antenna according to a further exemplary embodiment, cut in the plane of the electronic pivoting direction
  • Fig. 8 shows a longitudinal section of another
  • Embodiment of an underwater antenna Embodiment of an underwater antenna.
  • the underwater antenna shown in perspective in FIG. 1 and in FIG. 2 and 3 in two sections running at right angles to one another is a so-called flat base, which has a flat, plate-shaped carrier 11, which is equipped with a plurality of electroacoustic transducers 12.
  • the carrier 11 can be a separate component that is attached to a watercraft or a boom, but can also be formed by a wall or floor surface of a watercraft.
  • the transducers 12 are arranged in rows 121 and columns 122, which are oriented at right angles to one another, with the interposition of a spacer 17 made of an elastomer on the flat surface of the carrier 11 and in an acoustically transparent casting 13 made of an elastomer that can be processed by the casting process, preferably made of polyurethane , embedded.
  • the distance of the transducers 12 from one another within the rows 121 and columns 122 is preferably constant. A statistical distribution of the converters is also possible.
  • the potting 13, which at least also encloses the narrow sides of the plate-shaped carrier 11, is, with respect to its surface 131 facing away from the carrier 11, the surface facing away from the carrier 11 23. 03. 2004 8
  • the transducers 12 are designed as hollow spheres 14, so that the profile line resulting from the adaptation of the surface 131 of the encapsulation 13 of the longitudinal profile of the encapsulation 13 extending along the rows 121 of the surface contour of the transducers 12 in each Row 121 follows at a constant distance and the resulting profile line of the transverse profile of the encapsulation 13 extending along the columns 122 follows the surface contour of the transducer 12 in each column 122 at a constant distance. This results in an approximately constant wall thickness of the encapsulation 13 across all transducers 12.
  • Such an antenna can be pivoted both electronically in the direction of the converter rows 121 and in the direction of the converter columns 122 and is preferably used in a stationary manner in order to monitor a spatial area.
  • the underwater antenna designed as a flat base has a flat, plate-shaped support 11, on which the transducers 12 are arranged in rows 121 and columns 122 and embedded in a potting 13, which overlaps the narrow side surface of the support 11.
  • the transducer 12 have a spherical shape, that are in turn hollow spheres 14.
  • Such a flat base is preferably attached to autonomous or remotely operated underwater vehicles in such a way that the electronic pan direction is transverse, so oriented transversely to the direction of travel of the vehicle to the longitudinal axis'.
  • the underwater antenna has a fixed opening angle, which is determined by the number of transducers 12 arranged one behind the other in the direction of travel.
  • this number corresponds to the number of transducers 12 arranged one behind the other in a column 122, that is to say the three transducers 12 shown in FIG. 5.
  • the surface 131 of the potting compound 13 facing away from the carrier 11 only in the direction of the swivel plane of the directional characteristic of the underwater antenna to adapt the contour of the surface of the transducer 12 facing away from the carrier 11.
  • the surface 131 of the encapsulation 13 facing away from the carrier 11 is designed here such that the profile line of the longitudinal profile of the encapsulation 13 extending along the converter rows 121 follows the surface contour of the converters 12 in each row 121, while the profile line of the along the converter columns 122 extending transverse profile of the potting 13 is a line running parallel to the support 11. Accordingly, the encapsulation 13 has circular-arc-shaped ribs which lie directly against one another in the direction of the converter rows 121 and extend parallel to one another over the entire support 11 in the direction of the converter columns 122.
  • FIG. 6 shows a linear antenna in longitudinal section as a further exemplary embodiment for an underwater antenna.
  • a total of five transducers 12 are lined up equidistantly next to one another on the carrier 11.
  • Each transducer 12 is formed by a hollow hemisphere 15, which is placed with its circular surface on a spacer 17 'arranged on the surface of the carrier 11.
  • the transducers 12 are embedded in a potting 13, which overlaps the narrow side surfaces of the carrier 11.
  • the carrier 11 23. 03. 2004 10
  • turned surface 131 of the potting 13 is in turn adapted to the contour of the surface of the transducer 12 facing away from the carrier 11, so that the surface contour of the potting compound 13 follows the semicircular shape of the transducer 12 at a constant distance. Since the transducers 12 are hemispheres 15, the surface profile transverse to the sectional area of FIG. 6 can also correspond to the profile of the hemispheres at a constant distance therefrom. This results in a surface design of the potting compound 13, as can be seen in FIG. 1 for a row 121 of transducers 12. However, it is also possible to design the profile line of the transverse profile of the potting 13, which extends transversely to the cutting surface in FIG. 6, as a line running parallel to the carrier surface, so that short, shell-shaped segments are formed in the potting 13, which are parallel to one another, transversely to the cutting surface 6 and whose length of extension is slightly greater than the diameter of the hemispheres 15.
  • FIG. 8 shows a further embodiment of a linear antenna in longitudinal section.
  • the electroacoustic transducers 12 are designed as hollow spheres 14, and the carrier 11 is curved in a circular arc.
  • the arcuate curvature of the carrier 11 additionally increases the opening angle and the swiveling range of the directional characteristic of the linear antenna compared to the linear antenna according to FIG. 6.
  • the underwater antenna designed as a flat base in FIGS. 4 and 5 can likewise be designed with a support 11 curved in the shape of a circular arc, as in FIG. 8.
  • the curvature of the carrier 11 results in an additionally enlarged opening angle of the directional characteristic of the 23. 03. 2004 11
  • the underwater antenna shown in perspective in FIG. 7 with a sectional plane corresponds in structure to the underwater antenna according to FIGS. 4 and 5 with the difference that the transducers 12 do not have a spherical shape but a plate shape.
  • Each transducer 12 is formed by an elongated cuboid 16, which consists of a plurality of ceramic rods made of piezoelectric or electrostrictive ceramic, which are encased in plastic. The end faces of the ceramic rods are each connected to an electrode arranged on the top and bottom of the cuboid 16.
  • Such a so-called composite converter is described in detail in DE 100 52 636 AI.
  • two such plate-shaped transducers 12 or cuboids 16 are attached to the carrier 11 in an inclined manner in each converter row 121, two cuboids 16 each forming the roof surfaces of an isosceles roof, the ridge of which is turned away from the carrier 11.
  • the surface 131 of the encapsulation 13 facing away from the carrier 11 is in turn adapted to the surface of the transducer 12 facing away from the carrier 11, that is to say to the roof surface profile of the cuboids 16.
  • the thickness of the encapsulation 13 along the roof surfaces is constant.
  • the space enclosed by the roof surfaces and the support 11 is also filled with potting compound. Across the 23. 03. 2004 12
  • the cuboids 16 assembled into roofs extend over the entire dimension of the carrier 11.
  • the electrodes present on the top and bottom of the cuboids 16 are interrupted in sections , so that short roofs, arranged one behind the other in the converter columns 122, each consist of two short cuboids.

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Abstract

Bei einer Unterwasserantenne mit elektroakustischen Wandlern (12), die auf einem Träger (11) voneinander beabstandet angeordnet und in einem Verguss (13) aus akustisch transparentem Material eingebettet sind, ist zur Kompensation einer durch den Verguss (13) verursachten Reduzierung des Öffnungswinkels und Schwenkbereichs der Unterwasserantenne die vom Träger (119 abgekehrte Oberfläche (131) der Vergusses (13) der vom Träger (11) abgekehrten Oberfläche der Wandler (12) im Konturenverlauf unmittelbar angepasst.

Description

S T N A T L A S E l e k t r o n i k G m b H
Bremen .
UNTERWASSERANTENNE
Die Erfindung betrifft eine Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einer bekannten Unterwasserantenne (EP 0 654 953 Bl) sind mehrere Wandler zusammen mit jeweils einem in Schalleinfallsrichtung dahinterliegenden akustischen Reflektor vertikal übereinander an dem Träger angeordnet und in einem akustisch transparenten Hartumguss aus einem im Gießverfahren verarbeitbaren Elastomer, z.B. Polyurethan, eingebettet, so dass durch den ebenen, blockartigen Hartumguss ein stabförmiges Element mit z.B. drei einzelnen Wandlern entsteht, das einen sog. Stave bildet. Der ebene Hartumguss dient der Herstellung eines stabilen, widerstandsfähigen Bauteils, in dem alle Wandler im fest vorgegebenen Abstand platziert und gegenüber dem aggressiven Meerwasser geschützt sind. Eine Mehrzahl von gleichartig ausgebildeten Staves sind an einer ebenen Platte oder an der Außenwand eines Hohlzylinders horizontal nebeneinander, aneinanderliegend angeordnet.
Eine Bündelung ,der abgestrahlten bzw. empfangenen Schallenergie und damit eine Erhöhung der Reichweite der Unterwasserantenne wird durch eine Gruppierung benachbarter Staves bzw. deren Wandler, erreicht, die gemeinsam betrieben 23 . 03 . 2004 2
werden. Mit der Bündelung wird aber der Sektor maximaler Schallenergieabstrahlung bzw. maximalen Schallenergieempfangs der sog. Öffnungswinkel 2θ-3dB der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne, kleiner, wobei mit zunehmender Anzahl der gemeinsam betriebenen Staves bzw. Wandler der Öffnungswinkel abnimmt und die Reichweite zunimmt.
Um mit der Unterwasserantenne ein größeres Seegebiet akustisch auszuleuchten und akustisch zu überwachen, wird die Sende- und E pfangsrichtung der Unterwasserantenne geschwenkt. Dabei wird das sog. elektronische Schwenken der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne gegenüber einem mechanischen Schwenken der Unterwasserantenne bevorzugt. Zum Schwenken der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne werden die Staves- bzw. Wandlersignale um einen aus der gewünschten Sende- bzw. Empfangsrichtung abgeleiteten Betrag laufzeit- und/oder phasenverzögert. Der maximale elektronische Schwenkbereich hängt aber auch von dem Öffnungswinkel der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne ab und nimmt mit diesem ebenfalls ab.
Um im Sendefall einen angestrebten breiten Sektor auch noch bei möglichst großer Reichweite mit Schallenergie überdecken zu können, ist es bekannt, die Staves mit einem Sendegenerator über phasenverzögernde Netzwerke anzusteuern (DE 20 64 588 AI) , wobei die Phasenverzögerungswerte der Netzwerke nach einem vorbestimmten Schema berechnet werden, das sich aus einer von der Antennengeometrie abgeleiteten Hilfsgeometrie ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Unterwasserantenne der eingangs genannten Art den Öffnungswinkel und den maximalen Schwenkbereich der 23 . 03 . 2004 3
Richtcharakteristik der Unterwasserantenne bei unveränderter Zahl gemeinsam betriebener Wandler und ohne zusätzliche elektronische Signalverarbeitung zu vergrößern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Unterwasserantenne hat den Vorteil, dass durch die Anpassung der Oberfläche des Vergusses an die Geometrie der Wandler die einfallenden bzw. abgestrahlten Schallwellen unabhängig von ihrer Einfalls- oder Abstrahlrichtung im Verguss senkrecht die Oberfläche des den gleichen Wellenwiderstand wie das Wasser aufweisenden Vergusses an der Grenzfläche zum Wasser als
Longitudinalwellen durchtreten und richtungsunabhängig gleich gedämpft werden, wobei durch die Bemessung der Dicke des Vergusses die Dämpfung gering gehalten werden kann. Anders als bei dem eingangs beschriebenen, ebenen, blockartigen Hartumguss bilden sich in dem erfindungsgemäß gestalteten Verguss auch in extremen Schwenkbereichen der Richtcharakteristik keine Transversal- oder Scherwellen aus, so dass im Sendefall die gesamte Schallenergie mit hohem Wirkungsgrad in das Wasser ohne Phasenverzerrungen als geschlossene Wellenfront abgestrahlt wird und im Empfangfall die Schallenergie phasenrichtig empfangen wird.
Besonders vorteilhaft erweist sich der erfindungsgemäß gestaltete Verguss bei einem Aufbau der Wandler auf einem ebenen Träger, z.B. auf einem Ausleger, in der seitlichen Außenwandung eines Wasserfahrzeugs, am Boden eines Schiffes oder an einem Ausfahrgerät. Da keine elektronische Signalverarbeitung in Form von Laufzeitketten oder Phasendrehgliedern zur Verbreiterung des Öffnungswinkel der 23 . 03 . 2004 4
Richtcharakteristik benötigt wird, ist ein breitbandiger Sende- und Empfangsbetrieb problemlos möglich und eine elektronische Raumstabilisierung bei Seegang einfach zu gestalten. Zur Seegangskompensation ist ebenso eine kardanische Aufhängung z.B. des Ausfahrgeräts möglich, da konstruktive Veränderungen am ebenen Träger für die Wandler, z.B. durch einen gewölbten Aufbau zwecks Vergrößerung des Ö fnungswinkels der Richtcharakteristik, nicht erforderlich sind.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Unterwasserantenne mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben ich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei der Anpassung des Vergusses an die Oberflächen der Wandler die Dicke des Vergusses zumindest in dem von dem Träger abgekehrten Bereich annähernd konstant gehalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Wandler in Reihen und Spalten angeordnet, die zueinander rechtwinklig verlaufen. Eine solche geometrische Anordnung ist einfach zu fertigen und zu prüfen. Die in einer Reihe angeordneten Wandler einerseits und die in einer Spalte angeordneten Wandler andererseits weisen vorzugsweise einen Abstand voneinander auf, der innerhalb einer jeden Reihe und jeden Spalte konstant ist und zwischen Spalten und Reihen unterschiedlich sein kann. Eine statistische Verteilung der Wandler in den Reihen und Spalten ist ebenso möglich.
Bei einer solchen Unterwasserantenne ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung die vom Träger 23 . 03 . 2004 5
abgekehrte Oberfläche des Vergusses so gestaltet, dass die Profillinie des sich längs der Wandlerreihen erstreckenden Längsprofils des Vergusses der Oberflächenkontur der Wandler in jeder Reihe folgt und die Profillinie des sich längs der Wandlerspalten erstreckenden Querprofils des Vergusses eine parallel zum Träger verlaufende Linie ist. Sind die Wandler beispielsweise als Hohlkugeln ausgebildet, so weist die Oberfläche des Vergusses kreisbogenförmige Auswölbungen auf, die sich rippenartig in Richtung der Wandlerreihen aneinander anschließen und sich jeweils über die dazu quer verlaufende Abmessung des Trägers parallel zueinander erstrecken. Eine solche Unterwasserantenne mit einem vorzugsweise ebenen, plattenförmigen Träger wird bevorzugt an autonomen oder ferngesteuerten unbemannten Unterwasserfahrzeugen zur Meeresbodenerkundung eingesetzt. Die Unterwasserantenne wird dabei so an der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs befestigt, dass die Schwenkrichtung der Antenne, die in einer zu den Wandlerreihen parallelen Ebene liegt, quer zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs ausgerichtet ist. Damit erstrecken sich die Längsachsen der Auswölbungen in der Oberfläche des Vergusses in Fahrtrichtung, und die Antenne besitzt damit ein strömungsgünstiges Profil, so dass es keines die Unterwasserantenne abdeckenden Hüllkörpers bedarf.
Gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Wandler Kugelform, Halbkugelform oder Plattenform aufweisen. Sind die Wandler als hohle Halbkugeln ausgebildet, so sind sie so angeordnet, dass ihre ebenen Ringflächen dem Träger zugekehrt sind. Sind die Wandler als rechteckige oder quadratische Platten ausgebildet, so sind jeweils zwei benachbarte Wandler gegeneinander geneigt auf den Träger aufgesetzt, wobei jeweils zwei plattenförmige Wandler die Schenkel eines vorzugsweise gleichschenkligen Daches bilden, 23 . 03 . 2004 6
dessen First vom Träger abgekehrt ist. In Schwenkrichtung der Antenne sind mehrere langgestreckte Dächer unmittelbar nebeneinander angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jeder plattenförmige Wandler eine Vielzahl von in Kunststoff eingebetteten, stabförmigen Keramikstäbchen aus piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik auf, die senkrecht zur Dachfläche ausgerichtet sind. Solche sog. Composite-Wandler sind beispielsweise in der DE 100 52 636 AI beschrieben.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer als sog. Flachbasis ausgebildeten Unterwasserantenne,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II - II in Fig. 1
Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III - III in Fig. 1,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung einer stirnseitig aufgeschnittenen Unterwasserantenne,
Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V - V in Fig. 4, 23 . 03 . 2004 7
Fig. 6 einen Längsschnitt einer als sog. Linearantenne ausgebildeten Unterwasserantenne,
Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Unterwasserantenne gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, in der Ebene der elektronischen Schwenkrichtung geschnitten,
Fig. 8 einen Längsschnitt eines weiteren
Ausführungsbeispiels einer Unterwasserantenne.
Die in Fig. 1 perspektivisch und in Fig. 2 und 3 in zwei zueinander rechtwinklig verlaufenden Schnitten dargestellte Unterwasserantenne ist eine sog. Flachbasis, die einen ebenen, plattenförmigen Träger 11 aufweist, der mit einer Mehrzahl von elektroakustischen Wandlern 12 bestückt ist. Der Träger 11 kann ein separates Bauteil sein, das an einem Wasserfahrzeug oder einem Ausleger befestigt wird, kann aber auch von einer Wand- oder Bodenfläche eines Wasserfahrzeugs gebildet werden. Die Wandler 12 sind in Reihen 121 und Spalten 122, die rechtwinklig zueinander ausgerichtet sind, unter Zwischenlage eines Abstandshalters 17 aus einem Elastomer auf der ebenen Oberfläche des Trägers 11 angeordnet und in einem akustisch transparenten Verguss 13 aus einem im Gießverfahren verarbeitbaren Elastomer, vorzugsweise aus Polyurethan, eingebettet. Der Abstand der Wandler 12 voneinander innerhalb der Reihen 121 und Spalten 122 ist vorzugsweise konstant. Eine statistische Verteilung der Wandler ist aber ebenso möglich. Der Verguss 13, der mindestens auch die Schmalseiten des plattenförmigen Trägers 11 umschließt, ist bezüglich seiner vom Träger 11 abgekehrten Oberfläche 131 der vom Träger 11 abgekehrten Oberfläche der 23 . 03 . 2004 8
Wandler 12 unmittelbar angepasst. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 sind die Wandler 12 als Hohlkugeln 14 ausgebildet, so dass die durch die Anpassung der Oberfläche 131 des Vergusses 13 sich ergebende Profillinie des sich längs der Reihen 121 erstreckenden Längsprofils des Vergusses 13 der Oberflächenkontur der Wandler 12 in jeder Reihe 121 im konstanten Abstand folgt und die sich ergebende Profillinie des sich längs der Spalten 122 erstreckenden Querprofils des Vergusses 13 der Oberflächenkontur der Wandler 12 in jeder Spalte 122 im konstanten Abstand folgt. Damit ergibt sich eine etwa konstante Wanddicke des Vergusses 13 über sämtliche Wandler 12 hinweg. Eine solche Antenne kann sowohl elektronisch in Richtung der Wandlerreihen 121 als auch in Richtung der Wandlerspalten 122 geschwenkt werden und wird bevorzugt stationär eingesetzt, um ein Raumgebiet zu überwachen.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Unterwasserantenne ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Auch hier weist die als Flachbasis konzipierte Unterwasserantenne einen ebenen, plattenförmigen Träger 11 auf, auf dem die Wandler 12 in Reihen 121 und Spalten 122 angeordnet und in einem Verguss 13 eingebettet sind, der die schmalen Seitenfläche des Trägers 11 übergreift. Die Wandler 12 besitzen wiederum Kugelform, sind also wiederum Hohlkugeln 14. Eine solche Flachbasis wird bevorzugt an autonomen oder ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen befestigt und zwar derart, dass die elektronische Schwenkrichtung quer zur Fahrtrichtung des Fahrzeugs, also quer zu dessen Längsachse ausgerichtet ' ist . In Richtung der Längsachse des Unterwasserfahrzeugs besitzt die Unterwasserantenne einen festen Öf nungswinkel, der durch die Anzahl der in Fahrtrichtung hintereinander angeordneten Wandler 12 festgelegt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 23 . 03 . 2004 9
und 5 entspricht diese Anzahl der Zahl der in einer Spalte 122 hintereinander angeordneten Wandler 12, also die in Fig. 5 zu sehenden drei Wandler 12.
Zur Erreichung des eingangs beschriebenen Ziels der Vergrößerung des Öffnungswinkels und des Schwenkbereichs der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne durch eine geeignete Gestaltung des Vergusses 13, ist es hier ausreichend, die vom Träger 11 abgekehrte Oberfläche 131 des Vergusses 13 lediglich in Richtung der Schwenkebene der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne an den Konturenverlauf der vom Träger 11 abgekehrte Oberfläche der Wandler 12 anzupassen. Daher ist die vom Träger 11 abgekehrte Oberfläche 131 des Vergusses 13 hier so gestaltet, dass die Profillinie des sich längs der Wandlerreihen 121 erstreckenden Längsprofils des Vergusses 13 der Oberflächenkontur der Wandler 12 in jeder Reihe 121 folgt, während die Profillinie des sich längs der Wandlerspalten 122 erstreckenden Querprofils des Vergusses 13 eine parallel zum Träger 11 verlaufende Linie ist. Demzufolge besitzt der Verguss 13 kreisbogenförmige Rippen, die in Richtung der Wandlerreihen 121 unmittelbar aneinanderliegen und sich in Richtung der Wandlerspalten 122 zueinander parallel über den gesamten Träger 11 erstrecken.
In Fig. 6 ist als weiteres Ausführungsbeispiel für eine Unterwasserantenne eine Linearantenne im Längsschnitt dargestellt. Auf dem Träger 11 sind insgesamt fünf Wandler 12 äquidistant nebeneinander aufgereiht. Jeder Wandler 12 ist von einer hohlen Halbkugel 15 gebildet, die mit ihrer Kreisringfläche auf einen auf der Oberfläche des Trägers 11 angeordneten Abstandshalter 17' aufgesetzt ist. Die Wandler 12 sind in einem Verguss 13 eingebettet, der die schmalen Seitenflächen des Trägers 11 übergreift. Die vom Träger 11 23 . 03 . 2004 10
abgekehrte Oberfläche 131 des Vergusses 13 ist wiederum dem Konturenverlauf der vom Träger 11 abgekehrten Oberfläche der Wandler 12 angepasst, so dass die Oberflächenkontur der Vergussmasse 13 dem halbkreisförmigen Verlauf der Wandler 12 in konstantem Abstand folgt. Da die Wandler 12 Halbkugeln 15 sind, kann auch der Oberflächenverlauf quer zu der Schnittfläche der Fig. 6 dem Verlauf der Halbkugeln mit konstantem Abstand zu diesem entsprechen. Es ergibt sich somit eine Oberflächengestaltung der Vergussmasse 13, wie sie in Fig. 1 für eine Reihe 121 von Wandlern 12 zu sehen ist. Es ist jedoch auch möglich, die Profillinie des sich quer zur Schnittfläche in Fig. 6 erstreckenden Querprofils des Vergusses 13 als eine parallel zur Trägeroberfläche verlaufende Linie auszuführen, so dass im Verguss 13 kurze, schalenförmige Segmente entstehen, die sich parallel zueinander, quer zur Schnittfläche der Fig. 6 erstrecken und deren Erstreckungslänge wenig größer ist als der Durchmesser der Halbkugeln 15.
In Fig. 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Linearantenne im Längsschnitt dargestellt. Im Unterschied zu der Linearantenne gemäß Fig. β sind hier die elektroakustischen Wandler 12 als Hohlkugeln 14 ausgebildet, und der Träger 11 ist kreisbogenförmig gekrümmt. Durch die bogenförmige Krümmung des Trägers 11 wird der Öffnungswinkel und der Schwenkbereich der - Richtcharakteristik der Linearantenne gegenüber der Linearantenne gemäß Fig. 6 zusätzlich vergrößert. Selbstverständlich kann die in Fig. 4 und 5 als Flachbasis konzipierte Unterwasserantenne ebenfalls mit einem kreisbogenförmig gekrümmten Träger 11 wie in Fig. 8 ausgeführt werden. Auch bei dieser Unterwasserantenne ergibt sich dann durch die Krümmung des Trägers 11 ein zusätzlich vergrößerter Öffnungswinkel der Richtcharakteristik der 23 . 03 . 2004 11
Unterwasserantenne und damit ein vergrößerter Schwenkbereich der Richtcharakteristik gegenüber der Unterwasserantenne gemäß Fig. 4.
Die in Fig. 7 perspektivisch mit einer Schnittebene dargestellte Unterwasserantenne entspricht im Aufbau der Unterwasserantenne gemäß Fig. 4 und 5 mit dem Unterschied, dass die Wandler 12 nicht Kugelform sondern Plattenform aufweisen. Jeder Wandler 12 wird von einem langgestreckten Quader 16 gebildet, der aus einer Vielzahl von Keramikstäbchen aus piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik besteht, die mit Kunststoff ummantelt sind. Die Stirnseiten der Keramikstäbchen sind mit je einer auf der Ober- und Unterseite des Quaders 16 angeordneten Elektrode verbunden. Ein solcher sog. Verbund- oder Composite-Wandler ist in der DE 100 52 636 AI ausführlich beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 sind in jeder Wandlerreihe 121 jeweils zwei solcher plattenförmiger Wandler 12 bzw. Quader 16 gegeneinander geneigt auf dem Träger 11 befestigt, wobei jeweils zwei Quader 16 die Dachflächen eines gleichschenkligen Daches bilden, dessen First vom Träger 11 abgekehrt ist. In Schwenkrichtung der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne sind mehrere, im Ausführungsbeispiel drei, solche aus jeweils zwei Quadern 16 zusammengesetzte Dächer vorhanden, die mit ihren Dachlängskanten unmittelbar aneinanderstoßen. Die von dem Träger 11 abgekehrte Oberfläche 131 des Vergusses 13 ist wiederum an die vom Träger 11 abgekehrte Oberfläche der Wandler 12, also an den Dachflächenverlauf der Quader 16 angepasst. Das Dickenmaß des Vergusses 13 längs der Dachflächen ist dabei konstant. Der von den Dachflächen und dem Träger 11 eingeschlossene Raum ist ebenfalls mit Vergussmasse ausgefüllt. Quer zu der 23 . 03 . 2004 12
Schnittfläche der Fig. 7 erstrecken sich die zu Dächern zusammengesetzten Quader 16 über die gesamte Abmessung des Trägers 11. Um in dieser Querrichtung eine stärkere Bündelung der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne zu erzielen, sind die auf der Ober- und Unterseite der Quader 16 vorhandenen Elektroden abschnittsweise unterbrochen , so dass hintereinander in den Wandlerspalten 122 angeordnete kurze Dächer aus jeweils zwei kurzen Quadern entstehen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die quer zur Schnittfläche der Fig. 7 sich erstreckenden Dächer aus einzelnen, in den Wandlerspalten 122 hintereinander äquidistant angeordneten, quaderförmigen, zueinander geneigten Wandlern 12 zusammenzusetzen.

Claims

23 . 03 . 2004 13S T N A T L A S E l e k t r o n i k G m b HBremenPATENTANSPRÜCHE
1. Unterwasserantenne mit elektroakustischen Wandlern (12), die auf einem Träger (11) voneinander beabstandet angeordnet und in einem Verguss (13) aus akustisch transparentem Material eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Träger (11) abgekehrte Oberfläche (131) des Vergusses (13) dem Konturenverlauf der vom Träger (11) abgekehrten Oberfläche der Wandler (12) unmittelbar angepasst ist.
2. Unterwasserantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Oberflächen von Wandler (12) und Vergussmasse (13) zumindest in dem vom Träger (11) abgekehrten Bereich annähernd konstant ist.
3. Unterwasser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (12) in Reihen (121) und Spalten (122) , die rechtwinklig zueinander verlaufen, angeordnet sind.
4. Unterwasserantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Träger (11) abgekehrte Oberfläche (131) des Vergusses (13) so gestaltet ist, dass die Profillinie des sich längs der Wandlerreihen (121) erstreckenden Längsprofils des Vergusses (13) der Oberflächenkontur der Wandler (12) in jeder Wandlerreihe
(121) folgt und die Profillinie des sich längs der
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Wandlerspalten (122) erstreckenden Querprofils des Vergusses (13) eine parallel zum Träger (11) verlaufende Linie ist.
5. Unterwasserantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (12) hintereinander aufgereiht sind und dass die vom Träger (11) abgekehrte Oberfläche (131) des Vergusses (13) so gestaltet ist, dass die Profillinie des sich längs der Wandler (12) erstreckenden Längsprofils des Vergusses (13) der Oberflächenkontur der Wandler (12) folgt und die Profillinie des Querprofils des Vergusses (131) eine parallel zum Träger (11) verlaufende Linie ist.
6. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (12) Kugelform aufweisen.
7. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (12) Halbkugelform aufweisen und die Grundflächen der Halbkugeln (15) dem Träger (11) zugekehrt sind.
8. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler (12) Plattenform aufweisen und jeweils zwei benachbarte, plattenförmige Wandler (12) in einer Wandlerreihe (121) gegeneinander geneigt auf dem Träger (11) festgelegt sind.
9. Unterwasserantenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei plattenförmige Wandler (12) die Dachflächen eines gleichschenkligen Dachs bilden, dessen First vom Träger (11) abgekehrt ist, und
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dass mehrere aus zwei plattenförmigen Wandlern (12) zusammengesetzte Dächer nebeneinander mit aneinanderstoßenden Dachkanten angeordnet sind.
10. Unterwasserantenne nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeder plattenförmige Wandler (12) eine Vielzahl von in Kunststoff eingebetteten, stabförmigen Keramikstäbchen aus piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik aufweist, die senkrecht zur Dachober- und -Unterseite ausgerichtet sind.
11. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (11) eine ebene Oberfläche aufweist, auf die die Wandler (12) aufgesetzt sind.
12. Unterwasserantenne nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (11) eine zylinderförmig gekrümmte Oberfläche aufweist, auf die die Wandler (12) aufgesetzt sind.
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