DE977889C - Anordnung zur Erzeugung einer ebenen Welle fuer Sonarortung - Google Patents

Description

Erteilt auf Grund des § 3Oe PatG. i. d. Fassung v. 9. 5. 1901

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

AUSGEGEBEN 9. MÄRZ 1972

DEUTSCHES PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 74d GRUPPE 611 INTERNAT. KLASSE GOls 9β8| H04r 144

K 43699 IXd 174 d

Dr. Rudolf Kühnhold; Wilfried Pawlowski, 2330 Eckernförde

sind als Erfinder genannt worden

Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch den Bundesminister der Verteidigung, 5300 Bonn

Anordnung zur Erzeugung einer ebenen Welle für Sonarortung

Patentiert im Gebiet der Bundesrepublik Deutsdiland vom 13. Mai 1961 an Patenterteilung bekanntgemacht am 9. März 1972

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Wenn von den Ausbreitungs-Anomalien des Schalls im Seewasser abgesehen wird, so ist für die Sonarortungsreichweite'neben der Größe des Zieles (Zielstärke) der Sendepegel des Sonarschwingers das ausschlaggebende Glied, d. h. aber letzten Endes die Schwingerfläche, da durch sie der Verdichtungsfaktor und die abgestrahlte akustische Leistung bestimmt sind. Der Sendepegel muß so hoch heraufgesetzt werden, daß die Differenz Sendepegel minus Ausbreitungsverlust (das sind die Verluste durch Absorption und die der Geometrie der Ausbreitung) einen am Empfänger noch ausnutzbaren Wert ergibt.

Der Schalldruck p in db bezogen auf 1 dyn pro cm² im Abstand r von der Schallquelle ist

p = S- (20 logr + ar).
Die von einem Ziel der Zielstärke T zum Sendeort zurückkommende Echoamplitude in db bezogen auf 1 dyn/cm² ist

+ T - 2 (20 log r + ar).

Dabei ist:

6¹ = Sendepegel

a = Absorptionskoeffizient

r = Abstand in m

T == Zielstärke.

Man sieht, daß in dem Bereich der üblichen Sonarfrequenzen der Ausdruck 20 log r bzw. 2 · 20 log r, d. h. der geometrische Ausbreitungsfaktor vor allem bei großem r sehr entscheidend wird.

Man würde also weit höhere Schalldrücke auf dem direkten Wege und damit auch beim Echoempfang erzielen, wenn man diesen Ausbreitungsfaktor beeinflussen könnte. Dies würde gelingen, wenn man von dem divergierenden Schallstrahlenbündel zu einem parallelen oder anders ausgedrückt, wenn man von der Kugelwelle bzw. allgemein einer gekrümmten Wellenfront zur ebenen Welle übergeht, bei der ja bekanntlich der Ausbreitungsvorgang — abgesehen von der Dämpfung — unabhängig von der Entfernung ist. Die obigen Formeln für p und E würden dann also lauten:

p = S — ar

E = 6" + T - (2 ar + 20 log r).

In der Formel für E erscheint der geometrische Ausbreitungsfaktor jetzt nur einmal, und zwar für den Rückweg vom Ziel zum Ort des Sonarschwingers.

Es sind elektroakustische Wandleranordnungen bekannt, bei denen der akustische Wandler in einer Flüssigkeit arbeitet, deren Schallgeschwindigkeit zu der des Ausbreitungsmediums in Relation steht und bei denen der mit dieser Flüssigkeit gefüllte Raum zur Abstrahlrichtung hin durch eine schalldurchlässige Fläche abgeschlossen wird. Bei den bekannten Anordnungen wird dieser Aufbau gewählt, entweder aus elektrischen Isolationsgründen für den mit hoher Spannung arbeitenden Wandler oder um eine strömungsmäßig günstige Umhüllung für den an sich strömungsmäßig ungünstigen Wandler zu schaffen. Bei diesen Anordnungen kann der Abstand zwischen Wandler und schalldurchlässiger Fläche beliebig, d. h. ohne Rücksicht auf das Fernfeld des Wandlers gewählt werden. Eine Krümmung der schalldufchlässigen Fläche wird dabei aus strömungstechnischen Gründen vorgesehen.

Wenn man dagegen die einleitend genannte Umwandlung einer gekrümmten Wellenfront in eine ebene Welle an der schalldurchlässigen Fläche unter Anwendung der Brechungsgesetze erreichen will, dann muß die Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum von der des Ausbreitungsmediums abweichen und die Krümmung der schalldurchlässigen Fläche in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum und im Außenmedium gewählt werden. Dabei ist wesentlich, daß die schalldurchlässige Fläche des Wandlerraums sich im Fernfeld des akustischen Wandlers befindet.

Diese Überlegungen sind die Grundlage der im folgenden näher beschriebenen Erfindung.

Der Erfmdungsgedanke sei für den Fall der Umwandlung einer Kugelwelle in eine ebene Welle beispielsweise erläutert.

Zur Erläuterung dient die Fig. 1. In dieser Figur ist mit 2 eine Kammer, z. B. ein Zylinder, bezeichnet, in den der Schwinger 1 eingebaut ist und die mit einer in ihrer Schallgeschwindigkeit von der des Ausbreitungsmediums hinreichend abweichenden Flüssigkeit gefüllt ist. Diese Flüssigkeit soll weiterhin die Bedingung erfüllen, daß ihr Schallwiderstand (c · ρ) möglichst gleich dem des Ausbreitungsmediums ist, so daß an der Trennfläche 3 keine Reflexion stattfindet. Tetrachlorkohlenstoff erfüllt diese Bedingung vollständig (c = 938 m/s, ρ = 1,6).

Wird für das Medium im Wandlerraum ein Stoff gewählt, dessen Schallwiderstand von dem des Außenmediums abweicht, so muß an der Trennfläche für eine Anpassung der beiden Medien gesorgt werden.

Die Trennfläche 3 zwischen Wandlerraum und Außenmedium kann, wie es von jedem in der Unterwasserschalltechnik benutzten Hüllkörper bekannt ist, genügend schalldurchlässig hergestellt werden, indem ihre Dicke klein zur Wellenlänge bzw. gleich einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen einer halben Wellenlänge in ihr gewählt wird.

Erreicht werden soll nun, daß jeder auf diese Trennfläche auftreffende Schallstrahl infolge der verschiedenen Schallgeschwindigkeit des Mediums im Wandlerraum und des Außenmediums und der Form der Trennfläche so gebrochen wird, daß er parallel zur Normalen auf den Schwinger in dem Außenmedium verläuft. Es müssen also, um die Form der Trennfläche zu bestimmen, die Tangenten an die Trennfläche für jeden beliebigen auf sie auftreffenden, vom Schwinger 1 ausgehenden Strahl bestimmt werden.

Wenn der Winkel, unter dem ein Strahl den Schwinger verläßt, mit ξ (s. Fig. 1) bezeichnet wird, ergibt sich für den Winkel α, den die Tangente an den Auftreffpunkt dieses Strahles auf die Trennfläche mit der Normalen bildet, für den Fall, daß c<ic_t ist, folgende Bezeichnung:

cos ξ — -

tg« =

sin ξ

wobei c = die Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum, C₁ = die Schallgeschwindigkeit des Außenmediums ist. Die Durchführung der Rechnung, auf die hier nicht weiter eingegangen werden soll, zeigt, daß die Trennfläche der Ausschnitt aus einem Ellipsoid ist. Wird also der Wandlerraum mit einer solchen Form abgeschlossen, so kann erreicht werden, daß alle auf die Trennfläche auftreffenden Strahlen als paralleles Bündel sich in dem Außenraum ausbreiten. Der Schwinger muß in jedem ι Falle, wie sich aus der Rechnung ergibt, in dem von der Trennfläche abliegenden Brennpunkt F₂ des Ellipsoids angebracht sein. Diese beispielsweise an- ;egebene Ausführungsform gilt, wie gesagt, wenn eine auf die Trennfläche auftreffende Kugelwelle in eine ebene Welle umgewandelt werden soll und

c <C C₁ ist. Dabei ist auf die Fernfeldbedienung zu achten. Ist c > C₁, so lautet die Formel

tg« =

cos ξ

J₁

sin ξ

Bei anderen auf die Trennfläche der beiden Medi en. treffenden Wellenfronten ergeben sich aiidere Formen der Trennfläche.

Es ist weiterhin leicht einzusehen, daß die Stellung des Schwingers in der ganzen Anordnung wesentlich ist. Wird z. B. bei der näher beschriebenen Anordnung der Schwinger aus dem Brennpunkt F₂, d. h. dem Aufstellungspunkt, bei dem alle Strahlen die Anordnung parallel verlassen, zu größeren Abständen von der Trennfläche bewegt, so werden die Strahlen mehr und mehr konvergierend in den Außenraum austreten. Es konvergieren dann allerdings nicht alle Strahlen in demselben Punkt, sondern in verschiedenen Entfernungen von der Schwingeranordnung. Wird der Schwinger dagegen näher zur Trennfläche gestellt, so erhält man dagegen ein divergierendes Bündel. Wenn bei einer Sonarortung ein Ziel mit parallelem Bündel erfaßt ist, könnte z. B. durch eine Bewegung des Schwingers, so daß Konvergenz auftritt, eine noch höhere Energie an den Ort des Zieles gebracht werden.
Die Zusammenfassung der Schallenergie in einem

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In einer Weiterführung des Erfindungsgedankens wird dieser Nachteil durch folgende Maßnahmen beseitigt:

Es wird vor der Anordnung zur Erzeugung des parallelen Schallstrahlenbündels ein akustisches Prisma angebracht, mit dessen Hilfe das parallele Schallstrahlbündel aus seiner ihm vorgegebenen Richtung unter Erhaltung der Parallelität abgelenkt wird, wie es in der Fig. 2 schematisch angedeutet und von der Optik her bekannt ist. Der Grad der Ablenkung wird durch den brechenden Winkel, in der Figur mit <x' bezeichnet, bestimmt. Läßt man nun ein solches Prisma vor der Anordnung, aus der das parallele Schallstrahlenbündel austritt, rotieren, so wird das Bündel im Ausbreitungsmedium einen Kreis beschreiben, wie dies in der Fig. 3 angedeutet ist, in der mit 1 die Anordnung zur Erzeugung des parallelen Schallstrahlenbündels mit dem vorgesetzten rotierenden Prisma bezeichnet ist.

Man kann es also mit Hilfe eines solchen rotierenden Prismas einrichten, daß in einer bestimmten Entfernung von der Sendeanordnung eine bestimmte Fläche beschallt wird. Wenn man nun die ganze Anordnung (Sendeanordnung + rotierendes Prisma) verschwenkt, so wird die ganze Kreisfläche ausgeleuchtet. Man wird dabei die Umlauf geschwindigkeit des Prismas genügend groß gegenüber der Verschwenkgeschwindigkeit der ganzen Anordnung wählen. Durch zwei aufeinanderliegende und gegeneinander verdrehte Prismen, die ebenfalls aus der Optik bekannt sind, kann man nun weiterhin den Durchmesser des Abtastkreises beliebig wählen. Der Durchmesser ist abhängig von dem Verdrehungswinkel der beiden Prismen gegeneinander.

Die im Seewasser fast immer vorhandenen Ausbreitungsanomalien lassen sich auf diese Weise ebenfalls beherrschen, insofern, als man den Ablenkungswinkel des Schallstrahlenbündels dem mit bekannten Methoden vorbestimmten Schallstrahlverlauf anpaßt. In der Fig. 4 ist beispielsweise angenommen, daß infolge eines negativen Temperaturgradienten mit der Tiefe der Schallstrahl zum Meeresboden hin abgelenkt wird. Man wird in diesem Falle, wie es in der Figur gezeigt ist, den Ablenkwinkel η durch die vorbeschriebene Maßnahme der beiden Prismen nun kleiner wählen, so daß in der bestimmten Entfernung dieselbe oder eine sehr ähnliche Abtastfigur, wie bei normaler gradliniger Schallausbreitung, entstehen.

Man kann beispielsweise für jede beliebige Entfernung und jeden beliebigen Schallstrahlverlauf die Abtastung eines gewünschten Gebietes herstellen, mit dem weiteren Vorteil, frei von Bodenbzw. Oberflächenreflexionen zu sein.

Die Abtastung einer bestimmten Fläche im Seeraum läßt sich noch verbessern, wenn man eine Reihe der erfindungsgemäßen Anordnungen zur Erzeugung einer ebenen Welle benutzt, die zweckmäßig auf einem Kreis angeordnet sind und vor denen ein akustisches Prisma bzw. wie beschrieben, zwei gegeneinandergesetzte und verdrehbare Prismen rotieren.

Es muß ferner dafür gesorgt werden, daß das Verhältnis der Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum und Außenraum konstant bleibt, da durch dieses Verhältnis die Krümmung der Begrenzungsfläche bestimmt wird. Die Schallgeschwindigkeit des Außenmediums (Seewasser) unterliegt jedoch Schwankungen infolge von Temperaturänderungen, die sich im Wandlerraum nicht in gleicher Weise bzw. zu gleicher Zeit auswirken, ganz abgesehen davon,, daß bei Verwendung von Tetrachlorkohlenstoff als Innenmedium der Temperaturkoeffizient gegensinnig zu dem des Seewassers verläuft.

Dieser Schwierigkeit kann man dadurch begegnen, daß man vor die Trennfläche bzw. die Trennflächen (bei Verwendung mehrerer erfindungsgemäßer Anordnungen) einen Trennraum setzt, dessen Schallwiderstand zweckmäßig dem des Mediums im Wandlerraum bzw. auch des Außenmediums entspricht und der zum Außenmedium hin mit einer planen Fläche abgeschlossen ist. Die Schallgeschwindigkeiten im Wandlerraum und im Trennraum können leicht, z. B. durch Beheizung, konstant gehalten werden. Das rotierende Prisma bzw. die Prismen werden dann vor der planen Fläche angeordnet.

Wenn man die erfindungsgemäße Anordnung bzw. Anordnungen nicht auch zum Empfang benutzen will, kann man einen oder mehrere getrennte Empfangsschwinger mit zweckmäßig gewählter Richtcharakteristik benutzen. Die zweite Maßnahme hat den Vorteil, daß man dann mit der

Sendeanordnung bzw. den Sendeanordnungen Dauerstrich geben kann und damit zu einer höheren Informationshäufigkeit kommt als bei Aussendung von Impulsen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   1, Elektroakustisch^ Wandleranordnung, bei der ein akustischer Wandler in einer Flüssigkeit arbeitet, deren Schallgeschwindigkeit zu der des Ausbreitungsmediums in Relation steht und bei der der mit dieser Flüssigkeit gefüllte Raum zur Abstrahlrichtung hin durch eine schalldurchlässige Fläche abgeschlossen wird, dadurch gekennzeichnetj daß die Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum von der des Ausbreitungsmediums abweicht und daß die Krümmung der schalldurchlässigen Fläche in Abhängigkeit von den Schallgeschwindigkeiten im Wandlerraum und Außenmedium so gewählt wird, daß die von dem akustischen Wandler ausgehende gekrümmte Wellenfront in seinem Fernfeld durch Brechung an der schalldurchlässigen Fläche in eine ebene Weilenfront umgewandelt wird.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der die gekrümmte Wellenfront in Form einer Kugelwelle vorliegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung der Kugel welle in die ebene Wellenfront die schalldurchlässige Fläche ein Ellipsoid ist und der akustische Wandler sich in dem von der schalldurchlässigen Fläche abgelegenen Brennpunkt des Ellipsoids befindet, wobei die Schallgeschwindigkeit im Wandlerraum niedriger als die im Ausbreitungsmedium ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Wandler verschiebbar ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 bei Betrieb in einem Ausbreitungsmedium schwankender Schallgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausbreitungsmedium vor der schalldurchlässigen Fläche ein zusätzlicher, zum Ausbreitungsmedium hin mit einer planen Fläche abgeschlossener Raum angeordnet ist und daß die Schallgeschwindigkeiten im Innern des Raumes und im Wandlerraum konstant gehalten werden.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Weg der ebenen Wellenfront ein akustisches Prisma angeordnet wird, das um die Längsachse der Anordnung rotiert.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegeneinander verdrehbare akustische Prismen angewendet werden, wobei durch die Größe des Verdrehungswinkels der Ablenkwinkel der ebenen Wellenfront wählbar ist.
7. 7. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vorrichtungen zur Erzeugung einer ebenen Wellenfront benutzt werden, vor denen ein einziges akustisches Prisma bzw. zwei gegeneinander verdrehbare akustische Prismen rotieren.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Französische Patentschrift Nr. 745 611;
   USA.-Patetatschriften Nr. 2415 407, 2444911, 527 217.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ® 209 611/3 3.72