WO2011134890A1 - Trägermodul für eine unterwasserantenne, sowie verfahren zum befestigen eines wandlerelements auf derartigem trägermodul - Google Patents

Trägermodul für eine unterwasserantenne, sowie verfahren zum befestigen eines wandlerelements auf derartigem trägermodul Download PDF

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    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/20—Arrangements of receiving elements, e.g. geophone pattern
    • G01V1/201—Constructional details of seismic cables, e.g. streamers
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    • G01V1/162—Details

Definitions

  • the invention relates to a support module for an underwater antenna with at least one support element on which at least one transducer element is mounted, and a method for attaching a transducer element on the support module according to the preamble of claim 1 and 9. Further, the invention relates to an acoustic underwater antenna with at least a carrier module according to the preamble of claim 10.
  • a towed antenna In directional detection systems in waterborne sound technology, a towed antenna is used as the receiver for underwater sound. It is driven by a towing vehicle, e.g. A surface ship or submarine, pulled through the water and wound up when not in use on an on-board drum.
  • a towing vehicle e.g. A surface ship or submarine
  • a towed antenna of several mechanically and electrically connected acoustic sections is known, which is towed with traction cables and may have a considerable length. Fittings in the longitudinal direction ensure a distance of the tension cables and a transverse stability of the towed antenna. They are drawn into an elastic sleeve formed as an antenna shell, which is filled with a filler to match the density of the towed antenna to the density of seawater. Usually, oil is used as the filler whose specific density is adapted to the density of the water within a preferred field of application of the towed antenna. Between the fittings and / or in the fittings transducer elements, in particular hydrophones, and electronic components are arranged, the wiring is guided by holes in the fittings.
  • the fittings are used to stabilize the shape of the hose, the axial immovable mounting of the transducer elements in the hose and for damping the liquid flow in the hose and thus to reduce noise on the transducer elements.
  • the transducer elements are fixedly connected, for example by gluing, to a carrier which holds the transducer element in a fixed position in the tube.
  • the vibrations propagating via the traction ropes reach the transducer elements as structure-borne noise.
  • structure-borne noise can pass from the rigid support into the transducer element and simulate a sound pressure there which is not present in the waterborne sound field.
  • GB 2 429 062 A shows a hydrophone with an axially oriented body of flexible plastic for placement in a marine seismic measuring cable.
  • This body has a plurality of channels and each of these guides has one or more wells for receiving an active element.
  • the active elements of the hydrophone are positioned radially in each guide, preferably in the middle of the body.
  • the mounting plate is placed with the rubber sealing rings in jaws of a mounting bracket and secured by a set of screws on the body of the hydrophone.
  • WO 93/03402 A1 shows a seismic measuring cable which is used for marine seismic measuring methods.
  • the measuring cable has a plurality of pressure sensors, e.g. Hydrophones, and motion sensors, e.g. Geophones, and is pulled at a predetermined depth through the sea or other waters or sunk on the bottom of the water.
  • WO 88/04131 A2 shows a hydrophone array for receiving underwater sound signals.
  • US 2006/225948 A1 shows a method for determining the depth of an oil well or oil well. For this a short, loud bang is emitted into the borehole and the echo is recorded.
  • the invention is after all the problem of providing a cost-effective attachment of the transducer elements on a support, which provides an effective structure-borne sound insulation to improve the acoustic properties.
  • the invention solves this problem by a carrier module having the features of claim 1, by the features of a corresponding method for fastening the transducer element on the carrier module according to claim 9 and by an underwater acoustic antenna having the features of claim 10.
  • the invention provides the advantage that, e.g. by pulling cables, to decouple transmitted vibrations of the carrier module from the transducer element.
  • the carrier module has at least one carrier element provided with a through bore in order to receive the transducer element.
  • a through-hole formed as an elastomer grommet is inserted through which a socket is guided.
  • the transducer element can thus be fixed elastically on the carrier module via the bush in order to advantageously improve the acoustic properties of the antenna.
  • such an attachment of the transducer element is inexpensive because it can be used on standard components.
  • the carrier elements of the carrier module are formed as sheet-like plates, in particular as printed circuit boards.
  • These printed circuit boards can be equipped directly with electronic assemblies, which are associated with one or more transducer elements, whereby advantageously a very small distance between the transducer elements can be achieved. This allows reception of high-frequency sound signals.
  • the circuit boards have at least one recess for the attachment of flexible conductor tracks. This advantageously allows a space-saving arrangement of a plurality of printed circuit boards in succession, which are electrically connected to one another by the flexible conductor tracks.
  • the shape of the printed circuit boards is dependent on the use of the carrier module.
  • the circuit boards are advantageously substantially circular in order to allow a housing in a hose.
  • other forms of printed circuit boards are conceivable, for example substantially round, but flattened at the top and bottom. This allows a housing of the traction cables and / or electrical line above and below the circuit board.
  • the mechanical stresses of the dimensionally stable parts are reduced when rolling up the towed antenna when not in use.
  • the printed circuit boards of the carrier module are fitted in fittings in which the traction cables of the towed antenna are secured in a suitable manner. This has the advantage that the transducer elements are protected and the hose of the towed antenna receives the desired stability.
  • the bushing and the grommet embodied as an elastomer are formed from oil-resistant material. This has the advantage of a longer service life, since the hose of a towed antenna is preferably filled with oil to equalize the density of the towed antenna to the density of the seawater.
  • the transducer element is glued by means of a potting compound in the socket.
  • a non-sensing (i.e., not acoustically effective) portion of the transducer element preferably an extension or conductor design, is inserted into the socket.
  • the chamfer of the bush, on the side remote from the transducer element side, is likewise filled with the potting compound, wherein the potting compound is preferably a casting resin.
  • the sleeve is cylindrical, wherein one cylinder end has a larger diameter than the other. This prevents slippage of the bush when inserting lead into the hole of the grommet.
  • the dimensions of the bush are determined by the dimensions of the bore of the grommet.
  • further forms in the embodiment of the socket are conceivable. For example, asymmetric shapes to specify a preferred direction when inserting the transducer element. This is advantageous in the use of straightening transducer elements to preclude confusion of direction during insertion.
  • an attachment of the transducer element, in particular a spherical transducer element, on the conductor design is possible.
  • the conductors of the transducer element are performed through the bore of the socket in the carrier module.
  • the cylindrical grommet on the outer sides in each case a collar and centrally substantially corresponding to the size of the through hole of the support module, circumferentially concentric fitting groove.
  • the fitting groove is fitted into the throughbore of the carrier module in such a way that a collar of the grommet bears elastically and positively on both sides of the bore.
  • the carrier elements of the carrier module for receiving a traction cable and / or electrical lines on a substantially central bore.
  • the carrier module further has a longitudinal slot parallel to the axis of the carrier module along the length of the carrier module. This is advantageous Hooking the pull rope into the carrier module possible. If the diameter of the hole corresponds to the diameter of the pull rope, then the carrier module is fixed to the pull rope. In order to prevent slipping out of the pull cable or the electrical line, the diameter of the longitudinal slot is smaller than the diameter of the bore.
  • the carrier module has at least two carrier elements or circuit boards, which each have on their respective outwardly facing surface an electroacoustic and / or opto-acoustic transducer element.
  • This arrangement requires little space.
  • these carrier modules in the hose of a towed antenna, these can advantageously be formed with a low weight and a small diameter.
  • this transversely in the tube in order to advantageously permit directional formation when receiving the sound signals.
  • the carrier module has at least two carrier elements or printed circuit boards, on whose respective outwardly facing surfaces in each case three transducer elements in a respective same radial distance to the carrier module axis and the same distance from each other are arranged, which are combined to form a transducer.
  • the output signals of each two of the three transducer elements taking into account the associated time delay coefficients, are combined in known manner into an output signal of the converter.
  • the directional characteristics of all the output signals of all the transducers of the towed antenna thus formed have their main receiving directions respectively to one side of the towed antenna.
  • DE 31 51 028 A1 the signal technical summary of the output signals of the three transducer elements is described by way of example.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a section of an acoustic section of a towed antenna with a fitting
  • 3A-B is a schematic representation of a carrier module of an underwater antenna with transducer elements as a single arrangement
  • Fig. 5A-B is a schematic representation of a carrier module with three transducer elements as a triad arrangement.
  • the towed antenna 4 is composed of a plurality of acoustic sections 6 which together form the acoustic part 8 of the towed antenna 4.
  • the acoustic sections 6 are releasably connected to each other via couplings or connectors 10 and all constructed identically.
  • the acoustic part 8 of the towed antenna 4 is attached via a damping module 12 to a tow cable 14 and thus ultimately with the towing vessel 2.
  • a damping module 12 At the free end of the towed antenna 4 is another damping module 16 and a drag brake 18 for generating a traction counteracting the traction to to keep the towed antenna 4 as stretched as possible.
  • the damping modules 12, 16 are used for mechanical vibration decoupling of the towed antenna 4.
  • the watercraft 2 is preferably a surface ship or an underwater vehicle, in particular a submarine.
  • a section of an acoustic section 6 is shown schematically. It shows by way of example by means of an axial section a so-called. Skeleton, consisting of traction cable 20, such as a steel cable, and fitting 22.
  • the fittings 22 are axially immovable, fixed at selectable intervals on the pull cable 20, which from coupling 10 to clutch 10 through the Length of the towed antenna 4 is passed through the fittings 22.
  • a plurality of shaped pieces 22 are preferably accommodated at a distance.
  • the skeleton is fed to protect against seawater in an elastic, tensile, consisting for example of polyurethane with inserted carbon fibers or Kevlar fibers hose 24.
  • the shaped pieces 22 have a slightly smaller outer diameter than the inner diameter of the tube 24. They thus ensure a corresponding dimensional stability of the tube 24.
  • the tube 24 is closed at the couplings 10 and filled with an electrically insulating substance 26, such as gel or oil.
  • the fitting 22 further serves to accommodate a carrier module 30, shown in detail by way of example in FIGS. 3A-B or 5A-B, and is preferably designed as a housing.
  • FIGS. 3A-B show a carrier module 30 as a single arrangement.
  • FIG. 3A shows a longitudinal section through the carrier module 30 and
  • FIG. 3B shows a perspective view of the carrier module 30.
  • the carrier module 30 has a plurality of printed circuit boards 32 which can be equipped with electronic components and which are aligned along the module axis. Transverse to the module axis, two carrier elements 34, which are preferably also designed as printed circuit boards, are provided, whose outwardly facing surfaces each carry a transducer element 36.
  • the assembled printed circuit boards 32 form the transducer elements 36 associated electronic assemblies that provide the output signal of the transducer element 36.
  • the transducer element 36 is connected in a known manner via the in Fig. 3A-B only indicated electrical connection of the conductors to the electronics.
  • the printed circuit boards 32 are mechanically and electrically connected by a band of flexible conductor connections 38.
  • the transducer elements 36 have the shape of a sphere. However, the invention is not limited to such piezoceramic balls. Further, as the transducer elements 36, a series of piezoelectric ceramics, piezoelectric polymers, and fiber optic transducers can be used.
  • the attachment of the transducer element 36 on the carrier module 30 is effected by means of a bushing 40 and an elastic grommet 42 according to the method according to the invention through an axial hole 44 in the carrier module 30.
  • the transducer element 36 is of a, e.g. vibration-induced stress is decoupled from the carrier module 30.
  • FIG. 4 shows a block diagram of the method steps for fastening a transducer element 36 on a carrier module 30 in accordance with the arrangement in FIG. 3.
  • the grommet 42 designed as an elastomer is inserted into a bore 44 provided in the carrier module.
  • the grommet 42 is preferably formed from paraffin oil resistant rubber. Due to the fitting groove 48 located between the two collars 46, the grommet 42 sits in a form-fitting manner in the bore 44, with the collars 46 abutting the carrier module 30 on both sides.
  • the bush 40 is inserted into the bore of the grommet 42.
  • it is a cylindrical sleeve 40 with on one side larger diameter. This prevents the bushing 40 from slipping through the grommet 42 when inserted.
  • the invention is not limited to cylindrical bushes 40. Rather, depending on the application, any shapes of the sockets 40 are conceivable.
  • the transducer element 36 is inserted into the socket 40 in step c). In this embodiment, the transducer element 36 is performed with the ladder design 50 through the bush 40.
  • the copper or optical fiber existing power and signal lines of the transducer elements 36 are guided through the bore of the grommet 43, but are not shown here.
  • the fixation of the transducer element 36 in the socket 40 by means of a potting compound, preferably cast resin.
  • step d) the chamfer of the bush 40 on the side remote from the transducer element 36 is also filled with the potting compound.
  • the transducer elements 36 are not placed in the longitudinal axis as in the individual arrangement according to FIG. 3A-B, but at a radial distance from the longitudinal axis on the two outer carrier elements 34.
  • FIG 5A shows a longitudinal section through the carrier module 30 and
  • FIG. 5B shows a perspective view of the carrier module 30.
  • the carrier module 30 has at least one, but preferably two or three or more than three preferably, but not necessarily be equipped with electronic components printed circuit boards 32 which are aligned transversely to the module axis or otherwise and each carry three transducer elements 36 on outwardly facing plate surfaces.
  • the three located on a plate surface transducer elements 36 are combined to form a converter.
  • the output signals of two of the three transducer elements 36 are combined taking into account the associated time delay coefficients in a known manner to an output signal of the converter.
  • the populated printed circuit boards 32 form this converter associated electronic assemblies that provide the output signals of the transducer elements 36. They are mechanically and electrically connected by a band with flexible conductor connections 38.
  • the mentioned electronic assemblies are arranged outside the carrier module, in particular spaced from the carrier module.
  • the directional characteristics of all output signals of all converters thus formed with their main receiving directions each to one side of the towed antenna 4. This allows for a bearing of a target a clear distinction between port or starboard position of the target.
  • the associated signal processing is described in DE 31 51 028 A1.
  • the assembly of the transducer elements 36 on the carrier module 30 takes place in the same way as in the individual arrangement according to FIGS. 3A-B.
  • the elastic grommet 42 is inserted into a designated bore 44 in the carrier module 30.
  • a centrally located fitting groove 48 and two outer collar 46 of the grommet 42 provide a positive fit of the grommet 42 in the bore 44 in the support module 30th
  • the sleeve 40 is used in a next processing step.
  • the transducer element 36 is glued into the socket 40.
  • the transducer elements 36 are glued into the socket 40 by means of a non-sensing projection 52. This allows a lateral guidance of the lines of the transducer elements 36 on the support module 30.
  • the fixation of the transducer element 36 in the socket 40 by means of a potting compound, preferably a casting resin.
  • the bevel of the bushing 40 is also filled with the potting compound on the side facing away from the transducer element 36 side.
  • the printed circuit boards 32 of the carrier module 30 have a substantially central bore 54 for receiving a pull cable 20 and / or electrical lines.
  • the carrier module 30 further has a longitudinal slot 56 parallel to the axis of the carrier module 30 over the length of the carrier module 30.
  • Such a "horseshoe" shape of the carrier module 30 can easily be pushed over the pull cable 20 of a towed antenna 4.
  • the diameter of the longitudinal slot 56 is slightly smaller than the diameter of the bore 54 .
  • tension cables 20 it is possible to use a plurality of tension cables 20.
  • the number of printed circuit boards 32 of the carrier module 30 and the number of transducer elements 36 may vary depending on the application.
  • Alternative embodiments of the antenna are conceivable, for example, a vertical antenna for lowering to the seabed. The principle of attachment of the transducer element on the carrier module is retained.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Trägermodul 30 für eine Unterwasserantenne mit wenigstens einem Trägerelement 34, auf dem wenigstens ein Wandlerelement 36 mittels einer Buchse 40 und einer Durchführungstülle 42 elastisch befestigt ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zum Befestigen eines Wandlerelementes 36 auf dem Trägermodul 30, welches folgende Schritte aufweist: a) Einsetzen der Durchführungstülle 42 in die dafür vorgesehene Bohrung 44 im Trägermodul 30, b) Einsetzen der Buchse 40 in die Durchführungstülle 42, c) Einkleben des Wandlerelementes 36 in die Buchse 40 mittels einer Vergussmasse und d) Auffüllen der Buchse 40 auf der von dem Wandlerelement 36 abgewandten Seite mit der Vergussmasse. Ferner betrifft die Erfindung eine akustische Unterwasserantenne, insbesondere eine Schleppantenne 4, mit wenigstens einem, vorstehend beschriebenem Trägermodul 30, an dem wenigstens ein Wandlerelement 36 gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren befestigt ist.

Description

TRAGERMODUL FÜR EINE UNTERWASSERANTENNE, SOWIE
VERFAHREN ZUM BEFESTIGEN EINES WANDLERELEMENTS AUF DERARTIGEM TRÄGERMODUL
Die Erfindung betrifft ein Trägermodul für eine Unterwasserantenne mit wenigstens einem Trägerelement, auf dem wenigstens ein Wandlerelement befestigt ist, sowie ein Verfahren zum Befestigen eines Wandlerelementes auf dem Trägermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 9. Ferner betrifft die Erfindung eine akustische Unterwasserantenne mit wenigstens einem Trägermodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
In Peilanlagen in der Wasserschalltechnik wird eine Schleppantenne als Empfänger für Unterwasserschall eingesetzt. Sie wird von einem Schleppfahrzeug, z.B. einem Oberflächenschiff oder U-Boot, durch das Wasser gezogen und bei Nichtgebrauch auf einer bordfesten Trommel aufgewickelt.
Aus DE 42 08 178 A1 ist eine Schleppantenne aus mehreren mechanisch und elektrisch verbundenen Akustiksektionen bekannt, welche mit Zugseilen geschleppt wird und eine beträchtliche Länge haben kann. Formstücke in Längsrichtung sorgen für einen Abstand der Zugseile und eine Querstabilität der Schleppantenne. Sie sind in eine als elastischer Schlauch ausgebildeten Antennenhülle eingezogen, die mit einem Füllmittel gefüllt ist, um die Dichte der Schleppantenne der Dichte des Seewassers anzugleichen. Üblicherweise wird als Füllmittel Öl verwendet, dessen spezifische Dichte an die Dichte des Wassers innerhalb eines bevorzugten Einsatzgebietes der Schleppantenne ange- passt ist. Zwischen den Formstücken und/oder in den Formstücken sind Wandlerelemente, insbesondere Hydrophone, sowie Elektronikbausteine angeordnet, deren Verkabelung durch Bohrungen in den Formstücken geführt wird.
Die Formstücke dienen zur Formstabilisierung des Schlauches, der axial unverschieblichen Halterung der Wandlerelemente im Schlauch sowie zur Dämpfung der Flüssigkeitsströmung im Schlauch und damit zur Reduzierung von Störsignalen an den Wandlerelementen.
Die Wirksamkeit einer derartigen Schleppantenne wird vielfach durch Störgeräusche beeinträchtigt, welche die Nutzsignale teilweise überdecken. Störgeräusche können innerhalb der Wandlerelemente und dazugehörigen elektrischen Schaltungsteilen entstehen. Weitere Störquellen ergeben sich durch Vibrationen der Bauelemente innerhalb der Schleppantenne und durch mechanische Übertragung von Bewegung der Schleppantenne. Dabei stammt ein großer Teil der in die Schleppantenne gekoppelten Vibrationen von dem ziehenden Wasserfahrzeug und wird über die Zugseile auf die Akustiksektionen übertragen. Es können jedoch auch andere Vibrationsquellen vorliegen.
Herkömmlicherweise werden die Wandlerelemente beispielsweise durch Verkleben fest mit einem Träger verbunden, der das Wandlerelement in einer festen Position im Schlauch hält. Die sich über die Zugseile ausbreitenden Vibrationen gelangen als Körperschall an die Wandlerelemente. Bei fehlender Körperschallentkopplung kann von der starren Halterung Körperschall in das Wandlerelement gelangen und dort einen Schalldruck vortäuschen, der im Wasserschallfeld nicht vorhanden ist.
Aus DE 694 29 586 T2 ist bekannt, das Wandlerelement nachgiebig an den Träger zu binden. Dazu wird ein nichtfühlender (d.h. akustisch nicht wirksamer) Teil des Wandlerelementes an Weichgummiblöcken angebracht, die auf dem Träger befestigt sind. Dies hat jedoch den Nachteil, dass eine Verklebung direkt an einem Elastomer keine ausreichende Festigkeit bzw. Beständigkeit erreicht. Alternativ kann eine Körperschallentkopplung durch hohen Fertigungsaufwand mittels komplizierter Gießformen und/oder aufwendiger Nachbearbeitung erreicht werden. Dies ist jedoch sehr kostenintensiv.
GB 2 429 062 A zeigt ein Hydrophon mit einem axial ausgerichteten Körper aus flexiblem Kunststoff zur Unterbringung in einem marineseismischen Messkabel. Dieser Körper weist eine Mehrzahl Kanäle bzw. Führungen auf und jede dieser Führungen weist eine oder mehrere Schächte zum Aufnehmen eines aktiven Elementes auf. Die aktiven Elemente des Hydrophons sind in jeder Führung radial positioniert, vorzugsweise in der Mitte des Körpers.
Die Befestigung des aktiven Elementes auf dem Körper des Hydrophons erfolgt über eine Montageplatte, die an den Enden jeweils einen Gummidichtring aufweist, um die Montageplatte unstarr auf den Körper zu montieren. Dazu wird die Montageplatte mit den Gummidichtringen in Backen eines Befestigungsträgers gesetzt und durch einen Satz Schrauben am Körper des Hydrophons gesichert.
WO 93/03402 A1 zeigt ein seismisches Messkabel, welches für marineseismische Messverfahren eingesetzt wird. Das Messkabel weist eine Mehrzahl von Drucksensoren, z.B. Hydrophone, und Bewegungssensoren, z.B. Geophone, auf und wird in einer vorgegebenen Tiefe durch das Meer oder andere Gewässer gezogen oder auf dem Gewässergrund versenkt.
Ein weiteres marineseismisches Messkabel, auch Streamer genannt, ist in EP 0 561 229 A2 genannt.
WO 88/04131 A2 zeigt ein Hydrophon-Array zum Empfang von Unterwasserschallsignalen.
US 2006/225948 A1 zeigt ein Verfahren zum Bestimmen der Tiefe eines Ölbrun- nens oder Ölbohrlochs. Dazu wird ein kurzer, lauter Knall in das Bohrloch ausgesendet und das Echo aufgezeichnet. Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, eine kostengünstige Befestigung der Wandlerelemente auf einem Träger zu schaffen, die eine wirksame Körperschallentkopplung zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften bietet.
Die Erfindung löst dieses Problem durch ein Trägermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 , durch die Merkmale eines entsprechenden Verfahrens zum Befestigen des Wandlerelementes auf dem Trägermodul gemäß Anspruch 9 sowie durch eine akustische Unterwasserantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Die Erfindung stellt den Vorteil bereit, die, z.B. durch Zugseile, übertragenen Vibrationen des Trägermoduls von dem Wandlerelement zu entkoppeln. Dazu weist das Trägermodul wenigstens ein mit einer Durchbohrung versehenes Trägerelement auf, um das Wandlerelement aufzunehmen. In diese Durchbohrung wird eine als Elastomer ausgebildete Durchführungstülle eingesetzt, durch die eine Buchse geführt wird. Das Wandlerelement lässt sich somit über die Buchse elastisch auf dem Trägermodul befestigen, um die akustischen Eigenschaften der Antenne vorteilhaft zu verbessern. Ferner ist eine derartige Befestigung des Wandlerelementes preisgünstig, da auf Standardbauteile zurückgegriffen werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Trägerelemente des Trägermoduls als flächenhafte Platten, insbesondere als Leiterplatten ausgebildet. Diese Leiterplatten lassen sich direkt mit Elektronikbaugruppen, welche eines oder mehrerer Wandlerelemente zugehörig sind, bestücken, wodurch vorteilhaft ein sehr kleiner Abstand zwischen den Wandlerelementen erreicht werden kann. Dies ermöglicht einen Empfang auch von hochfrequenten Schallsignalen. Ferner besitzen die Leiterplatten wenigstens eine Aussparung zur Befestigung von flexiblen Leiterbahnen. Dies ermöglicht vorteilhaft eine platzsparende Anordnung mehrerer Leiterplatten hintereinander, die durch die flexiblen Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden sind. Darüber hinaus ist die Form der Leiterplatten abhängig von der Verwendung des Trägermoduls. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung als Schleppantenne sind die Leiterplatten vorteilhafterweise im Wesentlichen kreisrund, um eine Unterbringung in einem Schlauch zu ermöglichen. Es sind jedoch weitere Formen der Leiterplatten denkbar, beispielsweise im Wesentlichen rund, jedoch oben und unten abgeflacht. Dies ermöglicht eine Unterbringung der Zugseile und/oder elektrischen Leitung oberhalb und unterhalb der Leiterplatte. Ebenso werden bei einer derartigen Ausgestaltung die mechanischen Beanspruchungen der formfesten Teile beim Aufrollen der Schleppantenne bei Nichtgebrauch verringert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Leiterplatten des Trägermoduls in Formstücke eingepasst, in denen die Zugseile der Schleppantenne in geeigneter Weise befestigt sind. Dies hat den Vorteil, dass die Wandlerelemente geschützt sind und der Schlauch der Schleppantenne die gewünschte Stabilität erhält.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Buchse und die als Elastomer ausgebildete Durchführungstülle aus ölbeständigem Material ausgebildet. Dies hat den Vorteil einer höheren Lebensdauer, da der Schlauch einer Schleppantenne vorzugsweise mit Öl gefüllt ist, um die Dichte der Schleppantenne der Dichte des Seewassers anzugleichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Wandlerelement mittels einer Vergussmasse in die Buchse eingeklebt. Dazu wird vorteilhafterweise ein nichtfühlender (d.h. akustisch nicht wirksamer) Teil des Wandlerelementes, vorzugsweise ein Fortsatz oder die Leiterausführung, in die Buchse eingeführt. Die Fase der Buchse, auf der von dem Wandlerelement abgewandten Seite, wird ebenfalls mit der Vergussmasse ausgefüllt, wobei die Vergussmasse vorzugsweise ein Gießharz ist. Ein derartiges Einkleben des Wandlerelementes in der Buchse liefert vorteilhaft eine hohe Festigkeit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Buchse zylinderförmig ausgebildet, wobei ein Zylinderende einen größeren Durchmesser aufweist als das andere. Dies verhindert ein Durchrutschen der Buchse beim Ein- führen in die Bohrung der Durchführungstülle. Die Maße der Buchse sind durch die Maße der Bohrung der Durchführungstülle vorgegeben. Gemäß weiteren Ausführungsformen sind jedoch weitere Formen bei der Ausgestaltung der Buchse denkbar. Beispielsweise asymmetrische Formen, um eine Vorzugsrichtung beim Einsetzen des Wandlerelementes vorzugeben. Dies ist vorteilhaft bei der Verwendung von Wandlerelementen mit Richtfunktion, um ein Verwechseln der Richtung beim Einsetzen auszuschließen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Befestigung des Wandlerelementes, insbesondere eines kugelförmigen Wandlerelementes, an dessen Leiterausführung möglich. Dazu werden die Leiter des Wandlerelementes durch die Bohrung der Buchse in das Trägermodul durchgeführt. Dies hat den Vorteil, dass kein zusätzlicher Fortsatz am Wandlerelement zur Befestigung notwendig ist. Erfordert es die Bauart jedoch, dass die Leitungen des Wandlerelementes seitlich am Trägerelement des Trägermoduls geführt werden sollen, so ist ebenso eine Befestigung über einen zusätzlichen Fortsatz am Wandlerelement möglich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zylinderförmige Durchführungstülle an den äußeren Seiten jeweils einen Kragen und mittig eine im Wesentlichen der Größe der Durchbohrung des Trägermoduls entsprechende, umfangseitig konzentrische Passnut auf. Die Passnut wird derart in die Durchbohrung des Trägermoduls eingepasst, dass beidseitig der Bohrung jeweils ein Kragen der Durchführungstülle elastisch und formschlüssig anliegt. Ein genauer Sitz der Durchführungstülle sowie ein Formschluss der Komponenten von Trägermodul und Durchführungstülle sind die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die Trägerelemente des Trägermoduls zur Aufnahme eines Zugseils und/oder elektrischen Leitungen eine im Wesentlichen mittige Bohrung auf. Um die Bohrung zugänglich zu machen, weist das Trägermodul ferner einen Längsschlitz parallel zur Achse des Trägermoduls über die Länge des Trägermoduls auf. Dadurch ist vorteilhaft ein Einhängen des Zugseils in das Trägermodul möglich. Entspricht der Durchmesser der Bohrung dem Durchmesser des Zugseils, so ist das Trägermodul an dem Zugseil fixiert. Um ein Herausrutschen des Zugseils bzw. der elektrischen Leitung zu verhindern, ist der Durchmesser des Längsschlitzes kleiner als der Durchmesser der Bohrung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Trägermodul wenigstens zwei Trägerelemente bzw. Leiterplatten auf, welche auf ihrer jeweiligen nach außen weisenden Oberfläche jeweils ein elektroakustisches und/oder opto- akustisches Wandlerelement aufweisen. Diese Anordnung benötigt wenig Platz. Bei einer längsseitigen, hintereinander liegenden Anordnung derartiger Trägermodule im Schlauch einer Schleppantenne, lässt sich diese vorteilhaft mit einem geringem Gewicht und geringem Durchmesser ausbilden. Ferner besteht durch die geringen Abmessungen eines derartigen Trägermoduls die Möglichkeit dieses beispielsweise quer im Schlauch anzuordnen, um vorteilhaft eine Richtungsbildung beim Empfang der Schallsignale zu ermöglichen.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist das Trägermodul wenigstens zwei Trägerelemente bzw. Leiterplatten auf, auf deren jeweiligen nach außen weisenden Oberflächen jeweils drei Wandlerelemente in einem jeweils gleichen Radialabstand zur Trägermodulachse und jeweils gleichem Abstand zueinander angeordnet sind, die zu einem Wandler zusammengefasst sind. Es werden die Ausgangssignale von je zwei der drei Wandlerelemente unter Berücksichtung der zugehörigen Zeitverzögerungskoeffizienten in bekannter Weise zu einem Ausgangssignal des Wandlers zusammengefasst. Die Richtcharakteristiken aller derart gebildeten Ausgangssignale aller Wandler der Schleppantenne weisen mit ihren Hauptempfangsrichtungen jeweils zu einer Seite der Schleppantenne. In DE 31 51 028 A1 ist die signaltechnische Zusammenfassung der Ausgangssignale der drei Wandlerelemente beispielhaft beschrieben.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer von einem Überwasserschiff gezogenen Schleppantenne,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer Akustiksektion einer Schleppantenne mit einem Formstück,
Fig. 3A-B eine schematische Darstellung eines Trägermoduls einer Unterwasserantenne mit Wandlerelementen als einzelne Anordnung,
Fig. 4 ein Blockschaltbild der Verfahrensschritte zum Befestigen eines
Wandlerelementes auf einem Trägermodul,
Fig. 5A-B eine schematische Darstellung eines Trägermoduls mit drei Wandlerelementen als Dreier-Anordnung.
Fig. 1 zeigt schematisch eine von einem Wasserfahrzeug 2 gezogene Schleppantenne 4. Die Schleppantenne 4 ist zusammengesetzt aus einer Vielzahl von Akustiksektionen 6, die zusammen den Akustikteil 8 der Schleppantenne 4 bilden. Die Akustiksektionen 6 sind über Kupplungen bzw. Verbinder 10 lösbar miteinander verbunden und alle identisch aufgebaut. Der Akustikteil 8 der Schleppantenne 4 ist über ein Dämpfungsmodul 12 an einem Schleppkabel 14 befestigt und somit letztlich mit dem ziehenden Wasserfahrzeug 2. Am freien Ende der Schleppantenne 4 befindet sich ein weiteres Dämpfungsmodul 16 sowie eine Schleppbremse 18 zum Erzeugen einer der Schlepprichtung entgegenwirkenden Zugkraft, um die Schleppantenne 4 möglichst gestreckt zu halten. Die Dämpfungsmodule 12, 16 dienen der mechanischen Schwingungsentkopplung der Schleppantenne 4.
Das Wasserfahrzeug 2 ist bevorzugt ein Überwasserschiff oder ein Unterwasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot. In Fig. 2 ist schematisch ein Ausschnitt einer Akustiksektion 6 dargestellt. Es zeigt beispielhaft mittels eines axialen Schnittes einen sog. Skelett, bestehend aus Zugseil 20, beispielsweise einem Stahlseil, und Formstück 22. Die Formstücke 22 sind axial unverschieblich, in wählbaren Abständen an dem Zugseil 20 festgelegt, welches von Kupplung 10 zu Kupplung 10 durch die Länge der Schleppantenne 4 durch die Formstücke 22 hindurchgeführt ist. In einer Akustiksektion 6 sind vorzugsweise mehrere Formstücke 22 beabstandet untergebracht. Das Skelett wird zum Schutz gegen Seewasser in einen elastischen, zugfesten, beispielsweise aus Polyurethan mit eingelegten Kohlefasern oder Kevlarfasern bestehenden Schlauch 24 eingezogen. Dazu weisen die Formstücke 22 einen geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser des Schlauches 24 auf. Sie sorgen somit für eine entsprechende Formstabilität des Schlauches 24. Der Schlauch 24 ist an den Kupplungen 10 verschlossen und mit einer elektrisch isolierenden Substanz 26, beispielsweise Gel oder Öl, gefüllt. Das Formstück 22 dient ferner zur Unterbringung eines beispielhaft in Fig. 3A-B oder Fig. 5A-B detailliert dargestellten Trägermoduls 30 und ist vorzugsweise als Gehäuse ausgebildet.
Fig. 3A-B zeigen beispielhaft ein Trägermodul 30 als einzelne Anordnung. Fig. 3A zeigt einen Längsschnitt durch das Trägermodul 30 und Fig. 3B eine perspektivische Darstellung des Trägermoduls 30.
Das Trägermodul 30 weist mehrere mit Elektronikbauteilen bestückbare Leiterplatten 32 auf, die längs der Modulachse ausgerichtet sind. Quer zur Modulachse sind zwei bevorzugt ebenfalls als Leiterplatten ausgebildete Trägerelemente 34 vorgesehen, deren nach außen weisenden Oberflächen jeweils ein Wandlerelement 36 tragen. Die bestückten Leiterplatten 32 bilden der Wandlerelemente 36 zugehörige Elektronikbaugruppen, die das Ausgangssignal des Wandlerelementes 36 liefern. Dabei ist das Wandlerelement 36 in bekannter Weise über den in Fig. 3A-B nur angedeuteten elektrischen Anschluss der Leiter an die Elektronik angeschlossen. Die Leiterplatten 32 sind durch ein Band mit flexiblen Leiterbahnverbindungen 38 mechanisch und elektrisch verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Wandlerelemente 36 die Form einer Kugel. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Piezokeramikkugeln beschränkt. Ferner können als Wandlerelemente 36 eine Reihe von piezoelektrischen Keramiken, piezoelektrischen Polymeren und faseroptischen Wandlern eingesetzt werden.
Die Befestigung des Wandlerelementes 36 auf dem Trägermodul 30 erfolgt mittels einer Buchse 40 sowie einer elastischen Durchführungstülle 42 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durch ein axiales Loch 44 im Trägermodul 30. Bei einem derartigen Aufbau ist das Wandlerelement 36 von einer, z.B. durch Vibrationen induzierten, Belastung von dem Trägermodul 30 entkoppelt.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der Verfahrensschritte zum Befestigen eines Wandlerelementes 36 auf einem Trägermodul 30 entsprechend der Anordnung in Fig. 3.
Zunächst wird in Schritt a) in eine dafür vorgesehene Bohrung 44 im Trägermodul die als Elastomer ausgebildete Durchführungstülle 42 eingesetzt. Die Durchführungstülle 42 ist vorzugsweise aus paraffinölbeständigem Gummi ausgebildet. Aufgrund der sich zwischen den zwei Kragen 46 befindende Passnut 48 sitzt die Durchführungstülle 42 formschlüssig in der Bohrung 44, wobei die Kragen 46 beidseitig an dem Trägermodul 30 anliegen.
Gemäß Schritt b) wird die Buchse 40 in die Bohrung der Durchführungstülle 42 eingesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine zylinderförmige Buchse 40 mit auf einer Seite größerem Durchmesser. Dadurch wird verhindert, dass die Buchse 40 beim Einsetzten durch die Durchführungstülle 42 rutscht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf zylinderförmige Buchsen 40 beschränkt. Vielmehr sind je nach Anwendung beliebige Formen der Buchsen 40 denkbar. Anschließend wird in Schritt c) das Wandlerelement 36 in die Buchse 40 eingesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Wandlerelement 36 mit der Leiterausführung 50 durch die Buchse 40 geführt. Die aus Kupfer oder Lichtleitfasern bestehenden Strom- und Signalleitungen der Wandlerelemente 36 werden durch die Bohrung der Durchführungstülle 43 geführt, sind jedoch hier nicht weiter dargestellt. Die Fixierung des Wandlerelementes 36 in der Buchse 40 erfolgt mittels einer Vergussmasse, vorzugsweise Gießharz.
Zuletzt wird in Schritt d) die Fase der Buchse 40 auf der vom Wandlerelement 36 abgewandten Seite ebenfalls mit der Vergussmasse aufgefüllt.
In einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 5A-B des Trägermoduls 30 sind die Wandlerelemente 36 nicht wie bei der einzelnen Anordnung gemäß Fig. 3A-B in der Längsachse platziert, sondern in einem Radialabstand von der Längsachse auf den beiden äußeren Trägerelemente 34. Dabei zeigt Fig. 5A einen Längsschnitt durch das Trägermodul 30 und Fig. 5B eine perspektivische Ansicht des Trägermoduls 30.
Das Trägermodul 30 weist mindestens eine, bevorzugt jedoch zwei oder drei oder mehr als drei vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise mit Elektronikbauteilen bestückbare Leiterplatten 32 auf, die quer zur Modulachse oder in anderer Weise ausgerichtet sind und auf nach außen weisende Plattenflächen jeweils drei Wandlerelemente 36 tragen. Die drei auf einer Plattenfläche befindlichen Wandlerelemente 36 werden zu jeweils einem Wandler zusammengefasst. Dabei werden die Ausgangssignale von je zwei der drei Wandlerelemente 36 unter Berücksichtigung der zugehörigen Zeitverzögerungskoeffizienten in bekannter Weise zu einem Ausgangssignal des Wandlers zusammengefasst. Die bestückten Leiterplatten 32 bilden diesem Wandler zugehörige Elektronikbaugruppen, die die Ausgangssignale der Wandlerelemente 36 liefern. Sie sind durch ein Band mit flexiblen Leiterbahnverbindungen 38 mechanisch und elektrisch verbunden. Alternativ sind die genannten Elektronikbaugruppen außerhalb des Trägermoduls, insbesondere beabstandet vom Trägermodul, angeordnet. Die Richtcharakteristiken aller derart gebildeten Ausgangssignale aller Wandler weisen mit ihren Hauptempfangsrichtungen jeweils zu einer Seite der Schleppantenne 4. Dies ermöglicht bei einer Peilung eines Zieles eine eindeutige Unterscheidung zwischen Backbord- oder Steuerbordlage des Zieles. Die zugehörige Signalverarbeitung ist in DE 31 51 028 A1 beschrieben.
Die Montage der Wandlerelemente 36 auf dem Trägermodul 30 erfolgt auf gleicher Weise wie bei der einzelnen Anordnung gemäß Fig. 3A-B. Zunächst wird die elastische Durchführungstülle 42 in eine dafür vorgesehene Durchbohrung 44 in dem Trägermodul 30 eingesetzt. Eine mittig befindliche Passnut 48 sowie zwei außen befindliche Kragen 46 der Durchführungstülle 42 sorgen für einen formschlüssigen Sitz der Durchführungstülle 42 in der Bohrung 44 in dem Trägermodul 30.
Durch die Durchführungstülle 42 wird in einem nächsten Verarbeitungsschritt die Buchse 40 eingesetzt. Anschließend wird in die Buchse 40 das Wandlerelement 36 geklebt. In diesem Aufführungsbeispiel werden die Wandlerelemente 36 mittels eines nichtfühlenden Fortsatzes 52 in die Buchse 40 eingeklebt. Dies ermöglicht eine seitliche Führung der Leitungen der Wandlerelemente 36 an dem Trägermodul 30. Die Fixierung des Wandlerelementes 36 in der Buchse 40 erfolgt mittels einer Vergussmasse, vorzugsweise eines Gießharzes. Zuletzt wird die Fase der Buchse 40 auf der vom Wandlerelement 36 abgewandten Seite ebenfalls mit der Vergussmasse aufgefüllt.
Die Leiterplatten 32 des Trägermoduls 30 weisen eine im Wesentlichen mittige Bohrung 54 auf, zur Aufnahme eines Zugseils 20 und/oder elektrischen Leitungen. Um die Bohrung 54 zugänglich zu machen, weist das Trägermodul 30 ferner einen Längsschlitz 56 parallel zur Achse des Trägermoduls 30 über die Länge des Trägermoduls 30 auf. Eine derartige„Hufeisen"-Form des Trägermoduls 30 kann leicht über das Zugseil 20 einer Schleppantenne 4 geschoben werden. Um ein Herausrutschen des Zugseils 20 bzw. der elektrischen Leitungen zu verhindern, ist der Durchmesser des Längsschlitzes 56 geringfügig kleiner als der Durchmesser der Bohrung 54. Aus Gründen der Einfachheit ist das Prinzip der Erfindung anhand einer Schleppantenne 4 mit einem zentralen Zugseil 20 und unter Weglassen der nötigen Vorrichtungen und Gegenständen für die Telemetrie und Steuerung erläutert. Ferner ist es möglich, mehrere Zugseile 20 zu verwenden. Ebenso die Zahl der bestückten Leiterplatten 32 des Trägermoduls 30 sowie die Anzahl der Wandlerelemente 36 können je nach Anwendung variieren. Auch alternative Ausführungsformen der Antenne sind denkbar, z.B. eine Vertikalantenne zum Absenken auf den Meeresboden. Das Prinzip der Befestigung des Wandlerelementes auf dem Trägermodul bleibt dabei erhalten.
Alle in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen genannten Merkmale sind erfindungsgemäß sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten.

Claims

Ansprüche
Trägermodul (30) mit wenigstens einem Trägerelement (34), welches wenigstens ein elektroakustisches und/oder optoakustisches Wandlerelement (36) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Trägerelement (34) eine Bohrung (44) aufweist und
die Wandlerelemente (36) jeweils mittels einer Buchse (40) sowie einer Durchführungstülle (42), welche in die Bohrung (44) einsetzbar ist, elastisch auf dem Trägermodul (30) befestigbar sind.
Trägermodul (30) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerelemente (34) als Leiterplatten (32) ausgebildet sind, auf denen Elektronikbauteile anbringbar sind.
Trägermodul (30) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Buchse (40) und die Durchführungstülle (42) aus ölbeständigem Material ausgebildet sind.
Trägermodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Wandlerelement (36) mittels einer Vergussmasse in die Buchse (40) einklebbar ist und die Buchse (40) auf der vom Wandlerelement (36) abgewandten Seite mittels der Vergussmasse auffüllbar ist.
Trägermodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Buchse (40) zylinderförmig ausgebildet ist, wobei ein Zylinderende einen größeren Durchmesser aufweist.
Trägermodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Befestigung des Wandlerelementes (36) an dessen Leiterausführung (50) möglich ist, indem die Leiter des Wandlerelementes (36) durch die Bohrung der Buchse (40) in das Trägermodul (30) durchführbar sind.
Trägermodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchführungstülle (42) an den äußeren Seiten jeweils einen Kragen (46) und mittig eine im Wesentlichen der Größe der Bohrung (44) des Trägermoduls (30) entsprechende, umfangseitig konzentrische Passnut (48) aufweist, welche derart in die Bohrung (44) des Trägermoduls (30) einpassbar ist, dass beidseitig der Bohrung (44) jeweils ein Kragen (46) der Durchführungstülle (42) elastisch und formschlüssig anliegt.
Trägermodul (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Trägerelemente (34) eine weitere Bohrung (54) zur Aufnahme eines Zugseils (20) und/oder elektrischen Leitung aufweisen, mit einem dieser weiteren Bohrung (54) zugänglichen Längsschlitz (56) parallel zur Achse des Trägermoduls (30) über die Länge des Trägermoduls (30), wobei der Durchmesser des Längsschlitzes (56) kleiner als der Durchmesser dieser weiteren Bohrung (54) ist.
Verfahren zum Befestigen eines Wandlerelementes (36) auf einem Trägermodul (30), insbesondere ein Trägermodul (30) nach einem oder mehreren vorhergehenden Ansprüchen, mit wenigstens einem Trägerelement (34), welches wenigstens ein elektroakustisches und/oder optoakustische Wandlerelement (36) aufweist, und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
a) Einsetzen einer Durchführungstülle (42) in eine dafür vorgesehene Bohrung (44) in dem Trägermodul (30),
b) Einsetzen einer Buchse (40) in die Bohrung der Durchführungstül- le(42) und c) elastisches Befestigen des Wandlerelementes (36) mittels der Buchse (40) auf dem Trägermodul (30).
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Verfahren zum Befestigen eines Wandlerelementes (36) auf einem Trägermodul (30) weitere folgende Schritte aufweist:
d) Einkleben des Wandlerelementes (36) in die Buchse (40) mittels einer Vergussmasse,
e) Auffüllen der Buchse (40) auf der von dem Wandlerelement (36) abgewandten Seite mit einer Vergussmasse, insbesondere die unter Schritt d) verwendete Vergussmasse.
1 1 . Unterwasserantenne, insbesondere eine Schleppantenne (4), mit wenigstens einem Trägermodul (30) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 8, an dem wenigstens ein Wandlerelement (36) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 befestigbar ist.
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