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Patent Searching and Data


Title:
SOUND TRANSDUCER FOR SENDING AND/OR RECEIVING UNDERWATER SOUND SIGNALS, UNDERWATER ANTENNA, TRAILING ANTENNA, SONAR, AND WATERCRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/197149
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sound transducer for sending and/or receiving underwater sound signals, wherein the sound transducer comprises at least two sound transducer shells, each comprising a piezoceramic material and each being electrically conductive on an outer surface and an inner surface, the sound transducer shells forming a toroidal shape so that an underwater sound signal can be sent and/or can be received rotationally symmetrically. The invention also relates to an underwater antenna, a trailing antenna, a sonar for sending and/or receiving underwater sound signals, and a watercraft.

Inventors:
MINSCHKE, Mike (Fünfackernweg 28 a, Achim, 28332, DE)
VOIGT, Reimar (Lerchenstrasse 18, Hude, 27798, DE)
MATISSEK, Gregor (Jasminweg 2, Bassum, 28211, DE)
JUNGE, Wilfried (Vahrer Str. 179, Bremen, 28309, DE)
Application Number:
EP2019/057556
Publication Date:
October 17, 2019
Filing Date:
March 26, 2019
Export Citation:
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Assignee:
ATLAS ELEKTRONIK GMBH (Sebaldsbrücker Heerstraße 235, Bremen, 28309, DE)
THYSSENKRUPP AG (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
International Classes:
B06B1/06; H04R17/00
Foreign References:
DE102016103944A12017-09-07
US3569921A1971-03-09
KR100831646B12008-05-22
DE19516727C11996-02-22
US4876675A1989-10-24
US4797863A1989-01-10
US20040017129A12004-01-29
Attorney, Agent or Firm:
THYSSENKRUPP INTELLECTUAL PROPERTY GMBH (ThyssenKrupp Allee 1, Essen, 45143, DE)
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Claims:
Patentansprüche :

1. Schallwandler (101, 201) zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen (103, 105) aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material (109) aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwandlerschalen zusammen eine torusförmige Form ausbilden, sodass ein Unterwasserschallsignal rotationssymmetrisch sendbar und/oder empfangbar ist.

2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Schallwandlerschalen als Schalenhälften ausgebildet sind.

3. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den

Schallwandlerschalen und/oder den Schalenhälften eine Trägerplatte angeordnet ist.

4. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das piezokeramische Material eine polarisierte piezoelektrische Keramik (109) und/oder keramische Filamente aufweist.

5. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Außenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Innenoberfläche eine Metallschicht (107) und/oder eine Elektrode aufweist oder aufweisen.

6. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Inneren der torusförmigen Form eine Signalaufbereitungselektronik angeordnet ist.

7. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Innenoberfläche mittels einer leitenden Verbindung auf einen isolierten Bereich zum Kontaktieren auf die

Außenoberfläche geführt ist.

8. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Innenoberfläche und/oder die elektrisch leitende

Außenoberfläche mittels eines Tragseiles (323) und/oder einer Leitung kontaktiert ist.

9. Unterwasserantenne (221), gekennzeichnet durch einen

Schallwandler nach einen der Ansprüche 1 bis 8.

10. Schleppantenne (321), wobei die Schleppantenne mindestens zwei Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ein Tragseil (323) zum Halten der Schallwandler und einen Schlauch (325) zum Umhüllen des Tragseiles und der Schallwandler aufweist, wobei der Schlauch mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragseil durch jeweils ein Loch (113), welches in einer Mitte der torusförmigen Form des Schwallwandlers ausgebildet ist, oder an jedem

Schallwandlers geführt ist.

11. Schleppantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleppantenne einen dritten Schallwandler, einen vierten Schallwandler, einen fünften Schallwandler und/oder weitere Schwallwandler aufweist.

12. Schleppantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schallwandlern ein Formstück (327) angeordnet ist.

13. Schleppantenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tragseil als Kabel ausgeführt ist oder um das Tragseil ein Kabel geführt ist .

14. Sonar zum Senden und/oder Empfangen von

Unterwasserschallsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonar einen Schallwandler oder mehrere Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und/oder eine Schleppantenne nach einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweist .

15. Wasserfahrzeug (331), gekennzeichnet durch einen Schallwandler oder mehrere Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder eine Unterwasserantenne nach Anspruch 9 und/oder eine Schleppantenne nach einem der Ansprüche 10 bis 13 und/oder ein Sonar nach Anspruch 14.

Description:
Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von

UnterwasserschallSignalen, Unterwasserantenne,

Schleppantenne, Sonar und Wasserfahrzeug

[01] Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Unterwasserantenne, eine Schleppantenne, ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen und ein Wasserfahrzeug.

[02] Für einen Einsatz unter Wasser werden Schallwandler zum Empfangen und/oder Senden von Unterwasserschallsignalen üblicherweise in Kugelform für eine omnidirektionale Richtcharakteristik ausgestaltet. Um zudem rotationssymmetrisch zur Antennenachse Unterwasserschallsignale senden und/oder empfangen zu können, werden Kugelhydrophone auf Kreisbahnen um ein Zugkabel, beispielsweise für eine Schleppantenne, angeordnet .

[03] Nachteilig hierbei ist, dass die Kugelhydrophone jeweils einzeln auf einem Träger befestigt werden müssen und eine Vielzahl von Kugelhydrophonen notwendig ist, um eine entsprechende Fläche für ein Empfangen und/oder Senden mit einer hohen Sensitivität zu ermöglichen. Zudem besteht die Gefahr, dass die auf Kreisbahnen um ein Zugkabel angeordneten Kugelhydrophone sowie deren zugeordnete Bauteile gegenseitig ein Empfangen und/oder Senden stören können .

[04] Figur 20 und Figur 21 von US 4876675 zeigen eine Schleppantenne mit einem Schlauch (flexible tube 52), in dessen Inneren mehrere piezoelektrischen Schallempfänger (receiver units 50) entlang eines flexiblen lang gestreckten Kerns 51 angeordnet sind. Jeder Schallempfänger 50 umfasst zwei zylinderförmige Elemente 53L und 53R, die in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind und durch eine scheibenförmige Platte 54 voneinander isoliert sind. Jedes Element 53L und 53R besitzt jeweils eine innere Oberfläche mit einer Elektrode 55 und eine äußere Oberfläche mit einer Elektrode 56. Jedes scheibenförmige Element 53L und 53R sowie die Platte 54 haben in der Mitte jeweils ein Loch, durch welches der Kern 51 geführt ist. Zwei benachbarte Schallempfänger 50 sind durch einen Zwischenraum (buffer space 57) voneinander getrennt.

[05] US 4797863 zeigt eine Boje (sonobuoy 16), die über ein Kabel (long tether 22) ein Hydrophon 20 trägt und auf deren Oberkante ein Transmitter 24 montiert ist, vgl. Fig. 1. Abhängig von Signalen des Hydrophons 20 erzeugt der Transmitter 24 Signale und sendet diese aus. Das Hydrophon 20 umfasst eine kreisförmige Membran (diaphragm 26), dessen äußere Umfangsfläche um ein kreisringsförmiges federndes und verformbares Stahlband (annular band 28 of spring Steel) gewickelt ist, vgl. Fig. 2 und Fig. 3. Ein Koaxialkabel 30 ist um diese Stahlband 28 herum geführt. Das Kabel 30 besitzt einen elektrisch leitenden Kern 40, welcher von einem flexiblen piezoelektrischen Material 42 umgeben ist, vgl. Fig. 4. Ein dielektrisches Gehäuse 44 umgibt das piezoelektrische Material 42. Eine Abfolge von dielektrischen Schleifen 38 verbindet das Kabel 30 mit dem Stahlband 28.

[06] US 20040017129 Al zeigt einen Schallwandler in Form einer kreisrunden Helix, vgl. Fig. 26 und Pars. [0110] und [0111] .

[07] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .

[08] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei der Schallwandler mindestens zwei Schallwandlerschalen aufweist, welche jeweils ein piezokeramisches Material aufweisen und jeweils an einer Außenoberfläche und einer Innenoberfläche elektrisch leitend sind, und die Schallwandlerschalen zusammen eine torusförmige Form ausbilden, sodass ein Unterwasserschallsignal rotationssymmetrisch sendbar und/oder empfangbar ist.

[09] Somit wird ein rotationssymmetrisches Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen mit einem einzigen Schallwandler in torusförmiger Form ermöglicht. Aufgrund dieser Geometrie und der fehlenden, ansonsten jedoch üblichen höheren Sensitivität eines Hydrophons in eine bestimmte Richtung, werden nahe Schiffsgeräusche beispielsweise des Schleppschiffes weniger stark detektiert .

[10] Zudem wird die Schallwandlerfläche deutlich erhöht, welche für ein Senden und/oder Empfangen eines Unterwasserschallsignals notwendig ist, sodass eine höhere Sensitivität vorliegt.

[11] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass eine rotationssymmetrische Richtcharakteristik durch eine torusförmige Form eines einzigen Schallwandlers realisiert wird.

[12] Somit wird auf eine Vielzahl von Kugelhydrophonen um eine Achse für eine rotationssymmetrische Richtcharakteristik sowie auf entsprechende Kontaktierungen, elektrische Verbindungen, Signalaufbereitungen und weitere zugehörige Bauteile verzichtet und diese Bauteile müssen nicht mehrfach angeordnet sein.

[13] Folgendes Begriffliche sei erläutert:

[14] Ein „Schallwandler" ist insbesondere ein Gerät zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwasserschallsignalen. Beispielsweise werden ein oder mehrere Schallwandler beim Verwenden von aktiven und/oder passiven Sonaren eingesetzt. Insbesondere empfängt der Schallwandler Unterwasserschallsignale und wandelt diese in ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung um (Empfänger) und/oder wandelt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um, wobei letzteres ausgesandt wird (Sender) . Beispielsweise kann ein Sendewandler auch hinter einem Schiff hergezogen werden. Unter Wasser können als Schallwandler Hydrophone eingesetzt werden, um dort Unterwasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrophon den Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Größe. Beim Einsatz unter Wasser wird insbesondere ein Frequenzbereich zwischen circa 10 Hz Hertz und 400 kHz verwendet.

[15] Eine „Schallwandlerschale" ist insbesondere eine Hülle des Schallwandlers. Bei der Schallwandlerschale handelt es sich insbesondere um ein flächiges Tragwerk, welches doppelt (räumlich) gekrümmt ist und Belastungen sowohl senkrecht als auch in einer Ebene aufnehmen kann. Mindestens zwei Schallwandlerschalen bilden die torusförmige Form des Schallwandlers aus, wobei aufgrund der Schalenstruktur die torusförmige Form in ihrem Inneren hohl und/oder mit Bauteilen gefüllt ist. Zum Ausbilden der torusförmigen Form können die mindestens zwei Schallwandlerschalen beliebige Stoßflächen aufweisen. Bei den Schallwandlerschalen kann es sich um mittig vertikal oder mittig horizontal geteilte Schalenhälften eines Torus handeln. Ebenso kann der Torus aus mehreren umlaufenden Ringsegmentschalen bestehen.

[16] Unter „piezokeramisch" wird insbesondere verstanden, dass die Schallwandlerschalen aus einer Vollkeramik und/oder einem Verbundwerkstoff bestehen. Eine Piezokomposit-Keramik als Verbundwerkstoff weist insbesondere piezoelektrische, keramische Filamente und eine Füllmasse auf. Die piezokeramischen Schallwandlerschalen wirken insbesondere als Piezowandler und erzeugen beim Einwirken eines mechanischen Drucks eine elektrische Spannung oder führen bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung aus. Beim Auftreffen eines Schalldrucks werden die piezokeramischen Schallwandlerschalen verformt, sodass eine elektrische Spannung an den piezokeramischen Schallwandlerschalen erzeugt wird. Somit ist der Schallwandler in diesem Fall als Schallempfänger ausgebildet. Durch das Beaufschlagen der Schallwandlerschalen mit Druck, erfolgt eine Verformung der Schallwandlerschalen und es bilden sich elektrisch geladene Bereiche an der Außen- und/oder Innenoberfläche der Schallwandlerschalen aus (piezoelektrischer Effekt) .

[17] Eine „Außenoberfläche" ist insbesondere die äußere Begrenzungsfläche einer Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form. Die Außenoberfläche ist insbesondere die außenliegende Oberfläche der Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form, welche von einem Schalldruck getroffen werden kann.

[18] Eine „Innenoberfläche" ist insbesondere die innere Begrenzungsfläche einer Schallwandlerschale und/oder der torusförmigen Form. Beim Ausbilden der torusförmigen Form durch mindestens zwei Schallwandlerschalen ist die Innenoberfläche insbesondere die innere, an den Hohlraum der torusförmigen Form angrenzenden Begrenzungsfläche der torusförmigen Form.

[19] „Elektrisch leitend" bedeutet insbesondere, dass ein Material eine hohe Dichte frei beweglicher Ladungsträger und somit eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand aufweist, sodass das Material zum Transport geladener Teilchen geeignet ist. Insbesondere weisen die Schallwandlerschalen an ihrer Außenoberfläche und ihrer Innenoberfläche jeweils ein elektrisch leitendes Material auf.

[20] Eine „torusförmige Form" ist ein geometrisches Objekt, welches eine wulstartig geformte Fläche mit einem Loch aufweist. Die geometrische Form einer Schallwandlerschale entsteht, wenn eine gekrümmte Kurve, insbesondere ein Halbkreis oder eine Halbellipse, entlang eines Kreises rotiert wird. Ein Torus entsteht, wenn eine geschlossene gekrümmte Kurve, insbesondere ein Kreis oder eine Ellipse, entlang eines Kreises rotiert wird. Insbesondere kann ein Torus die Gestalt eines Rettungsrings, Reifens oder Donuts aufweisen. Ein Torus ist insbesondere ein mathematischer Körper, welcher dadurch entsteht, dass ein senkrecht stehender Kreis um eine vertikale Achse, welche außerhalb des Kreises liegt, rotiert, wobei Kreis und Achse dabei in einer Ebene liegen. Die torusförmige Form wird durch mindestens zwei Schallwandlerschalen ausgebildet und ist in ihrem Inneren hohl und/oder mit zugehörigen Bauteilen des Schallwandlers gefüllt.

[21] „Rotationssymmetrisch" bedeutet insbesondere, dass der Schallwandler um seinen Mittelpunkt gedreht werden kann und genau denselben Platz wie im Ausgangszustand vor der Drehung mehr als einmal annimmt und/oder dabei sich die Winkelabhängigkeit der Stärke der empfangenen und/oder gesendeten Unterwasserschallwellen nicht ändert (rotationssymmetrische Richtcharakteristik) .

[22] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers sind zwei Schallwandlerschalen als Schalenhälften ausgebildet .

[23] Somit kann die torusförmige Form des Schallwandlers durch zwei Schallwandlerschalenhälften ausgebildet werden.

[24] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Schalenhälften achsensymmetrisch zur vertikalen oder horizontalen Symmetrieachse der torusförmigen Form ausgebildet sind.

[25] Um die Schallwandlerschalen zu fixieren und/oder einen Träger für weitere zugehörige Bauteile bereitzustellen, kann zwischen den Schallwandlerschalen und/oder den Schalenhälften eine Trägerplatte angeordnet sein .

[26] Eine „Trägerplatte" ist insbesondere eine Platte, welche Keramik und/oder Kunststoff aufweist. Insbesondere besteht eine Trägerplatte ganz oder teilweise aus Keramik und/oder weist für eine gute Entkopplung eine geringe Schichtdicke beispielsweise zwischen 0,5mm und 2,0mm auf. Neben dem Verbinden der Schallwandlerschalen und/oder zum Schallentkoppeln dient die Trägerplatte insbesondere gleichzeitig auch als Platine und/oder Spannungsversorgung des Schallwandlers und/oder anderer Bauteile. Insbesondere können auf der Trägerplatte im inneren Hohlraum der torusförmigen Form weitere Bauteile angeordnet sein. Bei einer Trägerplatte kann es sich insbesondere auch um eine Folie handeln.

[27] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers weist das piezokeramische Material eine polarisierte piezoelektrische Keramik und/oder keramische Filamente auf.

[28] Die entsprechende Form des piezokeramischen Materials der Schallwandlerschalen ist entsprechend der torusförmigen Form aufgeprägt und/oder vorab ausgerichtet.

[29] „Keramische Filamente" sind insbesondere dünne und/oder fadenförmige keramische Strukturen. Diese können insbesondere die Form von Stäbchen, Zylindern, Rohren und/oder Platten annehmen. Beim Auftreffen und/oder Aufprägen eines Schalldrucks werden die keramischen Filamente elastisch verformt, wobei eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit ein Auftreten einer elektrischen Spannung am keramischen Festkörper erfolgt, wobei in diesem Fall der Schallwandler als Schallempfänger ausgebildet ist.

[30] Um den piezoelektrischen Effekt zu ermöglichen sowie einen elektrischen Kontakt und eine sichere elektrische Verbindung nach außen zu führen, weist oder weisen die elektrisch leitende Außenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Innenoberfläche eine Metallschicht und/oder eine Elektrode auf.

[31] Eine „Elektrode" ist insbesondere ein Elektronenleiter, welcher im Zusammenspiel mit einer Gegenelektrode mit einem zwischen beiden Elektroden befindlichen Medium in Wechselwirkung steht. Eine Elektrode besteht insbesondere aus einem elektrischen Leiter, beispielsweise einem Metall und/oder Graphit. Eine Elektrode kann insbesondere auch als elektrisch leitende Schicht auf den Schallwandlerschalen ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Elektrode als Kupferschicht oder als Silberschicht ausgestaltet sein.

[32] Es ist besonders vorteilhaft, wenn zur zusätzlichen Abschirmung von elektronischen Bauteilen im Hohlkörper der torusförmigen Form die äußeren Elektroden der Schallwandlerschalen auf Nullpotential gelegt werden. Hierbei finden keine Beeinflussungen im Schallwandler durch die Schirmwirkung statt, da die Digitalisierung der Schallsignale üblicherweise erst in den nachfolgenden externen Signalweiterverarbeitungsstufen erfolgt.

[33] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers ist in einem Inneren der torusförmigen Form eine Signalaufbereitungselektronik angeordnet .

[34] Mittels einer „Signalaufbereitungselektronik" wird insbesondere ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal und/oder umgekehrt gewandelt. In der Signalaufbereitungselektronik werden insbesondere analoge Signale weiterverarbeitet. Eine Signalaufbereitungs elektronik weist insbesondere einen Verstärker, eine Verstärkerkette, ein Schaltungsteil zur Umwandlung und/oder Digitalisierung von elektrischen und/oder analogen Signale und/oder eine Datenübertragungseinheit auf. [35] Um einen sicheren elektrischen Kontakt zu ermöglichen, ist die elektrische leitende Innenoberfläche mittels einer leitenden Verbindung auf einen isolierten Bereich zum Kontaktieren auf die Außenoberfläche geführt.

[36] Eine „elektrisch leitende Verbindung" stellt insbesondere einen elektrischen Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Innenoberfläche und der Außenoberfläche her. Bei einer leitenden Verbindung kann es sich insbesondere um eine Lötverbindung, Schweißverbindung, Pressverbindung, Wickelverbindung, Klebeverbindung und/oder Steckverbindung handeln. Die leitende Verbindung kann auch über eine flächig aufgebrachte leitfähige Schicht, einen Kleber, eine Kontaktzunge und/oder einen Leiterdraht erfolgen .

[37] Ein „isolierter Bereich" ist insbesondere ein Bereich und/oder Abschnitt, welcher eine elektrisch leitende Verbindung verhindert.

[38] In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers ist oder sind die elektrisch leitende Innenoberfläche und/oder die elektrisch leitende Außenoberfläche mittels eines Tragseils und/oder einer Leitung kontaktiert.

[39] Somit kann der Schallwandler mit Spannung extern versorgt und/oder elektronische Signale des Schallwandlers an eine externe Auswerteeinheit übertragen werden.

[40] Ein „Tragseil" ist insbesondere ein Seil oder Kabel, welches insbesondere die Gewichtskraft von einem und/oder mehreren Schallwandlern und/oder die Kraft für das Ziehen aller Komponenten einer Schleppantenne inklusive eines oder mehrerer Schallwandler im Wasser aufnimmt. Das Tragseil weist insbesondere mindestens einen elektrischen Leiter auf und/oder ist von einem elektrischen Leiter umgeben. Das Tragseil weist insbesondere Kunststoff und/oder Metall, oder beispielsweise Aramid und/oder Kupfer auf.

[41] In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Unterwasserantenne, wobei die Unterwasserantenne einen zuvor beschriebenen Schallwandler aufweist .

[42] Dadurch ist bereits durch einen einzelnen erfindungsgemäßen Schallwandler eine platzsparende Unterwasserantenne mit Kugelcharakteristik bereitgestellt. Zudem können mehrere erfindungsgemäße Schallwandler in geeigneter Anordnung in der Unterwasserantenne eingesetzt und diese auch als aktiver Schallwandler ausgestaltet werden .

[43] Eine „Unterwasserantenne" ist insbesondere eine technische Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen. Dazu weist eine Unterwasserantenne insbesondere einen oder mehrere Schallwandler und/oder Hydrophone auf. Die Unterwasserantenne wird insbesondere alleine eingesetzt oder ist Bestandteil eines passiven Sonars und/oder eines aktiven Sonars.

[44] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Schleppantenne, wobei die Schleppantenne mindestens zweir zuvor beschriebene Schallwandler, ein Tragseil zum Halten der Schallwandler und einen Schlauch zum Umhüllen des Tragseils und der Schallwandler aufweist, wobei der Schlauch mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist, und das Tragseil durch jeweils ein Loch, welches in einer Mitte der torusförmigen Form des Schallwandlers ausgebildet ist, oder an jedem Schallwandler geführt ist.

[45] Somit wird eine Schleppantenne bereitgestellt, bei der die torusförmigen Schallwandler in einfacher Weise durch ihr jeweiliges mittiges Loch mittels des Tragseils und/oder eines Tragkabels aufgefädelt und in einem Schleppsonar einsetzbar sind. Zudem sind die Schallwandler im Falle eines Defektes in der Schleppantenne schnell und einfach zugängig und/oder reparier- und austauschbar.

[46] Bevorzugt ist das Tragseil durch das mittige Loch jedes torusförmigen Schallwandler geführt, jedoch kann alternative das Tragseil auch außen am Schallwandler geführt und/oder befestigt sein.

[47] Ein „Schlauch" ist insbesondere eine elastische schlauchförmige Hülle der Schleppantenne, welche das Tragseil, die Schallwandler, weitere Formstücke, elektronische Bauteile und/oder Leitungen umhüllt und mit einem schallleitenden Medium gefüllt ist.

[48] Eine „Schleppantenne" ist insbesondere eine lange Linienantenne, welche nach einem Zugkabel (oder Zugseil) hinter einem Schiff geschleppt wird. Insbesondere weist die Schleppantenne einen Schlauch als elastische schlauchförmige Hülle auf, in welcher insbesondere mehrere Schallwandler und/oder Hydrophone angeordnet sind. Die schlauchförmige Hülle kann mit Gel oder Flüssigkeit gefüllt sein. Eine Schleppantenne ist insbesondere Bestandteil eines passiven Schleppsonars und/oder der akustische Empfangsteil eines aktiven Schleppsonars. Insbesondere wird die Schleppantenne in einer geeigneten Tiefe geschleppt und somit entfernt von Geräuschen des Schleppschiffes betrieben. Durch die rotationssymmetrische Richtcharakteristik der Schallwandler wirkt sich eine Drehung der Schleppantenne am Zugseil im Wasser nicht auf die Qualität der empfangenen Signale und der rotationssymmetrischen Richtcharakteristik aus.

[49] In einer weiteren Ausführungsform weist die Schleppantenne einen dritten Schallwandler, einen vierten Schallwandler, einen fünften Schallwandler und/oder weitere Schallwandler auf.

[50] Dadurch kann die Genauigkeit, die Sensitivität sowie die Richtcharakteristik weiter verbessert werden.

[51] Folglich kann eine genauere Positionsbestimmung von Schallquellen im Wasser erfolgen, da mehrere und/oder verschiedene Schallwandler auf die Schallquelle fokussiert sind .

[52] Um die Schallwandler zu fixieren und eine exakte Position jedes Schallwandlers vorzugeben, ist zwischen den Schallwandlern ein Formstück angeordnet. [53] Dadurch kann ein Verfahren zur Positionsbestimmung von Schallquellen (Beam Forming) exakter durchgeführt und somit die Schallquellenlokalisation verbessert werden.

[54] Bei einem „Formstück" handelt es sich um ein Teil mit einer definierten Form. Bei einem Formstück kann es sich insbesondere um ein rohrartiges Teil handeln. Das Formstück weist insbesondere in seiner Mitte ein Loch auf, durch welches es auf einem Tragseil aufgefädelt werden kann. Ein Formstück ist insbesondere zwischen zwei Schallwandlern angeordnet und ist bevorzugt gleich oder etwas größer als das Loch der torusförmigen Form des Schallwandlers, sodass das Formstück die jeweils anliegenden Schallwandler auf einen definierten Abstand zueinander hält. Bei einem Formstück kann es sich auch um einen Endstück handeln, welcher zusätzlich am Anfang und/oder am Ende einer Schleppantenne angeordnet sein kann. Bei einem Formstück kann es sich um einen Schwimmkörper handeln.

[55] Um eine Spannungsversorgung der Schallwandler in der Schleppantenne und/oder der zugehörigen Bauteile sowie eine Signalübertragung zwischen der Schleppantenne und einem Schleppschiff zu ermöglichen, ist das Tragseil als Kabel ausgeführt oder ist um das Tragseil ein Kabel geführt.

[56] Als „Kabel" wird insbesondere ein mit einem Isolierstoff ummantelter ein- oder mehradriger Verbund von Adern (Einzelleitungen) bezeichnet, welcher der Übertragung von Energie oder Information dient.

[57] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von Unterwasserschallsignalen, wobei das Sonar einen zuvor beschriebenen Schallwandler oder mehrere zuvor beschriebene Schallwandler und/oder eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne und/oder eine zuvor beschriebene Schleppantenne aufweist.

[58] Somit wird ein Sonar bereitgestellt, mit welchem eine sehr exakte Ortung von Gegenständen im Raum und/oder unter Wasser bereitgestellt wird, da die empfangenen und/oder ausgesandten Unterwasserschallsignale ohne Beeinflussungen durch Geräusche des Schleppschiffes und mit einer hohen Sensitivität und rotationssymmetrischen Richtcharakteristik verarbeitet werden.

[59] Ein „Sonar" ist insbesondere eine Anlage zum Orten von Gegenständen im Raum und/oder unter Wasser mittels empfangener und/oder ausgesandter Schallsignale. Dabei handelt es sich insbesondere um ein aktives Sonar, welches selbst ein Signal ausstrahlt, oder um ein passives Sonar, welches nur ausgestrahlte Schallsignale empfängt. Ebenso kann es sich hierbei um ein bi- oder multistatisches Sonar handeln, welches gleichzeitig auf verschiedenen Plattformen senden und empfangen kann. Insbesondere weist ein Sonar eine Unterwasserantenne und/oder eine Schleppantenne auf.

[60] In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, wobei das Wasserfahrzeug einen zuvor beschriebenen Schallwandler oder mehrere zuvor beschriebene Schallwandler und/oder eine zuvor beschriebene Unterwasserantenne und/oder eine zuvor beschriebene Schleppantenne und/oder ein zuvor beschriebenes Sonar aufweist.

[61] Dadurch wird ein Wasserfahrzeug bereitgestellt, mit welchem sehr schnell und exakt die Position eines Objektes unter Wasser detektiert und/oder verfolgt wird.

[62] Ein „Wasserfahrzeug" ist ein Fahrzeug, welches sich insbesondere auf dem Wasser, im Wasser und/oder unter Wasser fortbewegen kann. Beim Wasserfahrzeug kann es sich beispielsweise um ein Schleppschiff und/oder um ein U-Boot handeln .

[63] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von

Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Figur 1 eine stark schematische Darstellung eines

Torus-Hydrophons ,

Figur 2 eine stark schematische Draufsicht auf das Torus-Hydrophon aus Figur 1, und

Figur 3 eine stark schematische, nicht maßstabsgerechte Schnittdarstellung eines Schleppschiffes mit einer Schleppantenne und eines Torus-Sendewandlers am Meeresboden .

[64] Ein Torus-Hydrophon 101 weist eine erste Torusschalenhälfte 103 und eine zweite Torusschalenhälfte 105 auf, welche an ihren Kontaktflächen zu einer torusförmigen Form fest verklebt sind. [65] Die erste Torusschalenhälfte 103 und die zweite Torusschalenhälfte 105 bestehen jeweils aus einer piezoelektrischen Keramik 109 und weisen an ihrer Außenoberfläche und ihrer nicht gezeigten Innenoberfläche jeweils eine Silberschicht 107 auf. Die piezoelektrische Keramik 109 der ersten Torusschalenhälfte 103 und der zweiten Torusschalenhälfte 105 sind gleichartig polarisiert .

[66] Entsprechend der torusförmigen Form weist der Torus- Hydrophon 101 in seiner Mitte ein Loch 113 auf. Des Weiteren weist der Torus-Hydrophon 101 einen Kontaktbereich 111 für eine entsprechende Kontaktierung zwischen der Innenoberfläche und der Außenoberfläche der ersten Torusschalenhälfte 103 und der zweiten Torusschalenhälfte 105 auf.

[67] Ein Schleppschiff 331 fährt an einer Wasseroberfläche 317 und weist an seinem Heck eine Winde 333 auf. An der Winde 333 ist mittels eines Schleppkabels 335 eine Schleppantenne 321 verbunden und wird durch das Schleppschiff 331 im Wasser geschleppt.

[68] Die Schleppantenne 321 weist ein Aramidseil 323 auf, welches mit dem Schleppkabel 335 verbunden ist. An der Seite des Schleppkabels 335 ist das Aramidseil 323 durch ein Endstück 329 geführt und an einer entgegengesetzten Seite der Schleppantenne 321 mit einem weiteren Endstück 329 verbunden. Zwischen den beiden Endstücken 329 sind acht Torus-Hydrophone 101 in gleichmäßigen Abständen voneinander auf dem Aramidseil 323 aufgefädelt, welches jeweils durch das Loch 313 der Torus-Hydrophone 101 geführt ist. Zwischen den Torus-Hydrophonen 101 ist jeweils ein Abstandshalter 327 angeordnet, wodurch die Torus-Hydrophone 101 einen gleichmäßigen Abstand zueinander sowie ihre jeweilige Position einhalten.

[69] Die Torus-Hydrophone 101 sind über eine nicht gezeigte Leitung elektrisch kontaktiert, welche um das Aramidseil 323 herumgeführt ist und mit dem Schleppkabel 335 elektrisch verbunden ist.

[70] Das Endstück 329, die Torus-Hydrophone 101 und die Abstandshalter 327 sind an ihrer Außenoberfläche von einem Schlauch 325 umgeben, welcher mit einem schallleitenden Öl gefüllt ist.

[71] Ein aktiver Unterwassersender 212 ist am Meeresboden 215 angeordnet und weist einen Torus-Sendewandler 201 und einen Träger 223 auf, wobei eine Spitze des Trägers 223 im Loch in der Mitte des Torus-Sendewandlers 201 verklebt ist.

[72] Zur Kennzeichnung einer nicht gezeigten Gefahrenquelle sendet der aktive Unterwassersender 221 in regelmäßigen Abständen ein Unterwasserschallsignal aus. Dazu wird mittels einer nicht gezeigten Elektronik im Inneren des Torus-Sendewandlers 201 eine Wechselspannung mit einer geeigneten Frequenz an eine piezoelektrische Keramik des Torus-Sendewandlers 201 angelegt, wodurch sich die piezoelektrische Keramik des Torus-Sendewandlers 201 ausdehnt und ein Unterwasserschallsignal von 75 kHz mit einer rotationssymmetrischen Richtcharakteristik ins Wasser abgegeben wird. [73] Die Unterwasserschallsignale des aktiven Unterwassersenders 221 werden von den Torus-Hydrophonen 101 der Schleppantenne 321 detektiert, wobei durch den auftreffenden Schalldruck die piezoelektrische Keramik 109 der beiden Torusschalenhälften 103 und 105 sich verformt, wodurch sich deren elektrische Polarisation ändert und eine elektrische Spannung an den Silberschichten 107 der beiden Torusschalenhälften 103 und 105 auftritt. Die auftretende elektrische Spannung wird im Inneren der Torus-Hydrophone 101 mittels einer nicht gezeigten Signalaufbereitungselektronik in ein analoges Signal überführt und über die nicht gezeigte Leitung um das Aramidseil 323 und das Schleppkabel 335 zu einer nicht gezeigten, extern auf dem Schleppschiff 331 angeordneten Signalweiterverarbeitungseinrichtung geleitet .

[74] Trotz einer Drehung der Schleppantenne 321 am Schleppkabel 335 aufgrund einer Wasserströmung werden die Unterwasserschallsignale des aktiven Unterwassersenders 221 rotationssymmetrisch von den Torus-Hydrophonen 101 der Schleppantenne 321 mit eine hohen Sensitivität erfasst, ohne das die Schiffsgeräusche des Schleppschiffes 331 stören. Somit wird die Position des aktiven Unterwassersenders 221 exakt lokalisiert und die Gefahrenstelle erkannt. Bezugszeichenliste

101 Torus-Hydrophon

103 erste Torusschalenhälfte

105 zweite Torusschalenhälfte

107 Silberschicht

109 piezoelektrische Keramik

111 Kontaktbereich

113 Loch

201 Torus-Sendewandler

215 Meeresboden

221 aktiver Unterwassersender

223 Träger

317 Wasseroberfläche

321 Schleppantenne

323 Aramidseil

325 Schlauch

327 Abstandhalter

329 Endstück

331 Schleppschiff

333 Winde

335 Schleppkabel