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Die Erfindung bezieht sich auf
Niederfrequenz-Hydrophone, die in linearen Schleppantennen verwendet werden
sollen, und auf mit solchen Hydrophonen versehene Sonarantennen.
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Die linearen Schleppantennen werden aufgrund ihrer
großen Länge bei sehr niedrigen Frequenzen verwendet, typisch
zwischen 500 Hz und 2000 Hz. Sie bestehen aus einer großen
Anzahl von Hydrophonen, die eine hohe Empfindlichkeit, ein
geringes Eigenrauschen, eine Druckfestigkeit bis jenseits von
150 Bar, geringe Herstellungskosten wegen der großen Anzahl
und einen geringen Raumaufwand aufweisen sollen, d.h.
Abmessungen unterhalb von 50 mm.
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In dem Frequenzband zwischen 50 und 2000 Hz ist die
Dynamik der Rauschsignale erheblich. Beispielsweise verringert
sich das Meeresrauschen zwischen 50 Hz und 1000 Hz um 30 dB.
Daher ist einem Hydrophon stets ein Hochpaßfilter
nachgeschaltet, das das Rauschen bei sehr niedrigen Frequenzen blockiert,
und ein Filter, das das Meeresrauschen nivelliert und auch
Nivellierfilter genannt wird. Die vom Hydrophon aufgefangenen
Signale werden jedoch eingangsseitig in einem Vorverstärker
verstärkt, der vor den Filtern liegt. Da die Dynamik der
Signale erheblich ist, gelangt dieser Vorverstärker im
allgemeinen in die Sättigung, so daß die Filteroperationen nicht
wirksam sind.
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Es ist bekannt, daß die Sättigung des Vorverstärkers
durch ein vorgeschaltetes Filter in Höhe des Hydrophons
beseitigt werden kann, wodurch die Dynamik der Signale am Eingang
des Vorverstärkers verringert werden kann.
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Figur 1 zeigt ein Kapillar-Hydrophon nach dem Stand
der Technik. Dieses Hydrophon enthält ein hohles Rohr 1 aus
piezoelektrischer Keramik wie z.B. PZT, das an seinen beiden
Enden durch zwei starre Stopfen 2 verschlossen ist, welche so
einen Hohlraum 1 begrenzen. Dieses Hydrophon wird druckmäßig
mit einem Kapillarrohr 4 äquilibriert, das in einem der
Stopfen
befestigt ist und den inneren Hohlraum 3 mit der
Außenumgebung des Hydrophons in Verbindung bringt, um die langsamen
Druckveränderungen auszugleichen. Dieses Kapillarrohr 4 dient
auch als mechanisches Filter und ermöglicht die Verringerung
der Dynamik der Signale am Eingang des Vorverstärkers.
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Ein Kapillar-Hydrophon bereitet aber
Herstellungsschwierigkeiten, ist teuer und zu raumaufwendig, um in
geschleppten linearen Antennen untergebracht zu werden.
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Es ist auch bekannt, sehr einfache Hydrophone mit
trockenen Leerstellen-Keramikmaterialien herzustellen, die
sehr wirkungsvoll sind. Ein solches Hydrophon ist aus der
Druckschrift WO-A-86 05 350 bekannt.
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Ein Leerstellen-Keramikmaterial ist ein
Verbundmaterial, dessen eine Phase piezoelektrisch ist (hohe Dichte, große
Dielektrizitätskonstante und großer Young-Modul) und dessen
andere Phase gasförmig ist (Luft). Diese Keramikmaterialien,
die mit dem Begriff "trockene Leerstellen-Keramik" versehen
werden, sind porös, und die Porosität bildet den gasförmigen
Volumenanteil. Gemäß einem bekannten Herstellungsverfahren ist
es auch möglich, ein Material mit offener Porosität zu
erhalten.
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Diese Keramiken sind durch eine verbesserte
hydrostatische Empfindlichkeit gegenüber einer kompakten Keramik
ausgezeichnet und besitzen eine geringere Dichte als die
klassischen Keramiken, beispielsweise hat die Keramik PZT eine
Dichte in der Größenordnung von 7,3 und eine hydrostatische
Empfindlichkeit in der Größenordnung von 47 pC/N, während eine
trockene Leerstellen-Keramik einer Dichte von etwa 4 eine
Empfindlichkeit in der Größenordnung von 186 pC/N besitzt.
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Zur Herstellung eines Hydrophons muß man nur auf eine
trockene Leerstellen-Keramik Elektroden aufbringen, die
Elektroden anschließen und eine Umhüllung herstellen, die die
Öffnungen der Poren verschließt. Ein Schwachpunkt dieses
Materials ist aber seine Zerbrechlichkeit, die die Anwendung
derartiger Hydrophone bei großem hydrostatischem Druck und sehr
niedriger Frequenz unmöglich macht.
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Die Erfindung betrifft ein druckmäßig äquilibriertes
Niederfrequenz-Hydrophon, das sich wie ein mechanisches Filter
bei den niedrigen Frequenzen verhält und nicht die Nachteile
der Kapillar-Hydrophone aufweist, d.h. daß es einfach und
billig hergestellt werden kann und Abmessungen besitzt, die an
die linearen Schleppantennen angepaßt werden können, indem
eine gesättigte Leerstellen-Keramik verwendet wird, die
widerstandsfähig gegenüber großen hydrostatischen Drücken ist.
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Das Niederfrequenz-Hydrophon gemäß der Erfindung ist
dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens eine Leerstellen-
Keramik mit offener Porosität besitzt, die mit einem viskosen
Fluid gesättigt ist und auf die Elektroden aufgebracht sind.
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Die Erfindung betrifft auch eine Sonarantenne mit
derartigen Hydrophonen.
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Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen
klarer aus der nachfolgenden Beschreibung eines nicht
beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispiels mit Hilfe der
beiliegenden Zeichnungen hervor.
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Figur 1 wurde bereits erläutert und zeigt ein
Kapillar-Hydrophon nach dem Stand der Technik.
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Figur 2 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße
Leerstellen-Keramik, auf die Elektroden aufgebracht worden sind.
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Figur 3 zeigt die Veränderung der Empfindlichkeit
einer gesättigten Leerstellen-Keramik abhängig von der
Frequenz.
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Figur 4 zeigt ein plattenförmiges Hydrophon gemäß der
Erfindung.
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Figur 5 zeigt ein symmetrisches Scheibenhydrophon
gemäß der Erfindung mit niedriger Grenzfrequenz.
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Figur 6 zeigt ein symmetrisches Hydrophon gemäß der
Erfindung mit hoher Grenzfrequenz.
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Figur 2 zeigt im Schnitt eine Leerstellen-Keramik mit
offener Porosität, auf die Elektroden aufgebracht worden sind.
Die Leerstellen-Keramik 10 mit ihrer offenen Porosität besitzt
die Form einer Scheibe oder Platte, die in Richtung einer
sogenannten "Achse 3" polarisiert ist. Die Richtung der
Polarisation an der Keramik ist durch einen Pfeil 11 angedeutet.
Während der Herstellung der Keramik wurde eine poröse
Silberschicht 12 auf die beiden zur Achse 3 senkrechten Oberflächen
der Keramik aufgebracht, um später leichter die beiden
Metallelektroden 13 aufbringen zu können. Diese Elektroden 13
verschließen einen Teil der Poren der Keramik. Unter der Wirkung
einer äußeren Kraft, wie z.B. eines Drucks, die senkrecht zur
Ebene der Elektroden angewandt wird, ergibt sich eine
Potentialdifferenz VS zwischen den beiden Elektroden 13 aufgrund des
Auftretens von piezoelektrisch bedingten Ladungen.
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Diese Leerstellen-Keramiken mit offener Porosität sind
recht druckfest, da die offene Porosität einen hydrostatischen
Druckausgleich des Materials ergibt und die Akkumulierung von
statischen Kräften verhindert, die im allgemeinen zu einer
Depolarisation des Materials führen.
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Figur 3 zeigt die Abhängigkeit der Empfindlichkeit
einer gesättigten Leerstellen-Keramik gemäß der Erfindung von
der Frequenz. Die hydrostatische Empfindlichkeit dh einer
Keramik ist ein piezoelektrischer Koeffizient, der die Ladung
auf den Elektroden für eine hydrostatische Belastung von 1 N
mißt. Sättigt man die Leerstellen-Keramik mit offener
Porosität durch ein viskoses Fluid, dann nimmt die hydrostatische
Empfindlichkeit dh der Keramik mit der Frequenz zu, so daß
sich intrinsisch ein aus einer solchen Keramik bestehendes
Hydrophon wie ein Hochpaßfilter verhält, da das Material eine
dreidimensionale kapillare Struktur mit zahlreichen
Verbindungen darstellt, die von den Poren in einem Skelett gebildet
werden, das von dem piezoelektrischen Teil der Keramik
gebildet wird und eine gewisse Elastizität besitzt. Die
Grenzfrequenz f&sub1; des Filters hängt von der dynamischen Viskosität η des
Fluids, dem Elastizitätsmodul s des Skelettes, dem wirksamen
Querschnitt c der dreidimensionalen Kapillarstruktur und der
effektiven Länge Le der dreidimensionalen Kapillarstruktur ab.
Im Fall einer parallelepipedischen Keramik mit den Abmessungen
L1, L2, L3 gilt: Le&supmin;² = L1&supmin;² + L2&supmin;² + L3&supmin;².
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Der Absolutwert der Empfindlichkeit dh einer
gesättigten Leerstellen-Keramik ergibt sich aus folgender Beziehung:
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dh = dh0(1+f²/f²&sub1;)½x(1+f²/f²&sub2;)-½
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Hierbei gilt: f&sub2; = f&sub1;.dhM/dh&sup0; und dh&sup0; ist die hydrostatische
Empfindlichkeit der Keramik bei niederer Frequenz, während dhM
die hydrostatische Empfindlichkeit der Keramik bei hoher
Frequenz ist.
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Bei niedrigen Frequenzen, d.h. f< f&sub1;, bilden die Poren
der Leerstellen-Keramik eine niedrige akustische Impedanz, und
der dynamische Druck aufgrund einer ankommenden akustischen
Welle dringt in alle Poren ein und breitet sich ohne
Phasenverschiebung im Volumen des Materials aus. Es ergibt sich so
ein Gleichgewicht der Drücke zwischen außerhalb und innerhalb
der Keramik; die Empfindlichkeit der Keramik ist gering und
besitzt den Wert dh&sup0;.
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Bei hohen Frequenzen, d.h. f> f&sub2;, bieten die Poren der
Leerstellen-Keramik eine große akustische Impedanz, das
Skelett der Keramik wird komprimiert und die Empfindlichkeit der
gesättigten Leerstellen-Keramik ist hoch und beträgt dhM.
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Für mittlere Frequenzen f&sub1;< f< f&sub2; ergeben sich die obigen
Erscheinungen gleichzeitig, und es gibt einen Antagonismus
zwischen dem dynamischen Druck, der die Tendenz hat, sich
auszugleichen, und dem Skelett, das komprimiert wird. Die
Empfindlichkeit dh der gesättigten Leerstellen-Keramik nimmt
linear zwischen dh&sup0; und dhM mit einer Steigung von etwa -3dB/
Oktave zu.
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Die Grenzfrequenz f&sub1; kann eingestellt werden, indem die
Oberfläche der Keramik mehr oder weniger verschlossen wird, um
so die mit dem viskosen Fluid in Kontakt stehende Oberfläche
zu verringern, insbesondere indem die Oberfläche der
Elektroden vergrößert oder verkleinert wird. So ist es für eine
gegebene Geometrie möglich, die Grenzfrequenz f&sub1; abzusenken, ohne
die Viskosität durch Vergrößerung der Oberfläche der
Elektroden zu variieren, da f&sub1; proportional ist zu c/Le². Im Fall
einer linearen Schleppantenne mit einer äußeren dichten Hülle
und einem viskosen Fluid im Inneren wird dieses innere
Füllfluid als viskoses Fluid für die Sättigung der
Leerstellen-Keramik verwendet. Die Herstellungskosten eines solchen
Hydrophons sind also sehr gering.
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Es sei nun ein Zahlenbeispiel angegeben: Ein Hydrophon
mit einer Leerstellen-Keramik wurde in Form einer Scheibe
eines Durchmessers von 36 mm und einer Höhe von 10 mm
hergestellt, die mit einem Öl einer dynamischen Viskosität von 0,03
Pas gesättigt wurde. Die Dichte der Leerstellen-Keramik hat
den Wert 4 und die Porosität den Wert 0,46. Die Grenzfrequenz
f&sub1; ist gleich 600 Hz, die Dynamik dhM/dh&sup0;, die nur vom
Basismaterial und der Porosität abhängt, hat etwa den Wert von 10 (20
dB).
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Figur 4 zeigt ein unsymmetrisches plattenförmiges
Hydrophon 40, das in einer linearen zylindrischen Antenne mit
einer äußeren dichten Hülle 41 aus beispielsweise Polyurethan
untergebracht ist, wobei diese Antenne mit einem viskosen
Fluid 42 gefüllt ist.
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Das Hydrophon 40 besteht aus einer Leerstellen-Keramik
48 in Form einer Platte, die mit dem viskosen Füllfluid 42 der
Antenne gesättigt ist. Auf den beiden zur Längsachse der
Antenne parallelen Oberseiten der Keramik wurden zwei Elektroden
43 aufgebracht. Die Polarisationsachse 44 der Keramik oder
"Achse 3" verläuft senkrecht zur Längsachse der Antenne, um
das Hydrophon 40 gegenüber Querbeschleunigungen der Antenne
unempfindlich zu machen. Dieses Hydrophon 40 wird mit zwei
Befestigungs- und Entkopplungselementen 45 gehalten, die
ihrerseits auf zwei entlang der Hülle 41 parallel zur
Antennenachse verlaufenden Trägerseilen 46 befestigt sind. Dieses
Hydrophon ist an einen an die Elektroden 43 angeschlossenen
Vorverstärker 47 angeschlossen.
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Figur 5 zeigt im Schnitt ein symmetrisches Hydrophon
50, das in einer mit einem viskosen Fluid 52 gefüllten
linearen zylindrischen Antenne 51 untergebracht ist. Dieses
Hydrophon 50 wird von einer zentralen Metallscheibe 53 gebildet,
die eine Elektrode darstellt und auf deren beiden Seiten zwei
Scheiben 54 aus Leerstellen-Keramik mit offener Porosität
befestigt sind. Diese Keramik ist mit dem Füllfluid der
Antenne gesättigt, derart, daß die auf den Oberflächen der Scheiben
53 und 54 senkrecht stehende Achse parallel zur Längsachse der
Antenne verläuft. Das Hydrophon 50 ist in der Antenne mit zwei
mechanischen Zentrier- und Entkopplungselementen 55 zentriert,
die auf zwei parallel zur Längsachse der Antenne und
symmetrisch bezüglich dieser Achse verlaufenden Trägerseilen 56
befestigt sind. Die Außenseite jeder der beiden Scheiben 54
aus Leerstellen-Keramik ist völlig mit einer Elektrode 57
bedeckt, so daß die Grenzfrequenz f&sub1; niedrig ist. Die
Keramikscheiben 54 sind in einer Richtung parallel zur Achse der
Linearantenne polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung von
den äußeren Elektroden 57 zur zentralen Metallscheibe 53 hin
gerichtet ist. Das Ausgangssignal des Hydrophons 50 wird in
einem Vorverstärker 58 verstärkt.
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Figur 6 zeigt im Schnitt ein symmetrisches Hydrophon,
das in einer linearen zylindrischen und mit einem viskosen
Fluid 67 gefüllten Antenne angeordnet ist. Dieses Hydrophon
enthält zwei getrennte Scheiben 61 aus Leerstellen-Keramik mit
offener Porosität, die mit dem Füllfluid der Antenne gesättigt
sind, wobei zwei Elektroden 62 geringer Länge auf jede der
Oberseiten dieser Scheiben 61 aufgebracht sind. Diese Scheiben
61 sind so angeordnet, daß die auf ihren Oberflächen senkrecht
stehende Achse parallel zur Längsachse der Antenne verläuft,
und sie werden in einer Richtung parallel zur Achse der
Antennen polarisiert, wobei die Polarisationsrichtungen einander
entgegengerichtet sind. Die vier Elektroden 62 sind an einen
Vorverstärker 63 angeschlossen, der von einem einen Faraday-
Käfig bildenden Metallgitter 64 bedeckt ist und zwischen den
beiden Scheiben 61 aus Leerstellen-Keramik angeordnet ist.
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Zwei mechanische Zentrier- und Entkopplungselemente 65 halten
die Keramikscheiben 61 und den Vorverstärker 63 in der Antenne
an ihrem Platz. In diesem Hydrophon ist die mit dem viskosen
Fluid in Berührung stehende Oberfläche der
Leerstellen-Keramiken optimal und die Elektroden 62 haben eine möglichst geringe
Oberfläche, so daß die Grenzfrequenz f&sub1; hoch ist.
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In anderen Anwendungsfällen können insbesondere
Hydrophone mit rohrförmiger Geometrie und radialer Polarisation in
Betracht gezogen werden.
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Wenn die Grenzfrequenz auf einen hohen Wert
eingestellt wird, d.h. wenn die Elektroden eine kleine Oberfläche
besitzen, dann wird das Hydrophon gegen Unterwasserexplosionen
widerstandsfähig.
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Die Erfindung ist nicht auf die im einzelnen
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Insbesondere kann ein
Hydrophon mit einer Leerstellen-Keramik hergestellt werden,
die mit dem viskosen Füllfluid der linearen Antenne gesättigt
ist, wodurch sich ein Hydrophon mit geringen Kosten und
besonders einfach herstellen läßt, aber jedes andere sich vom
Füllfluid unterscheidende Viskosefluid kann zum Sättigen der
Leer-Stellen-Keramik verwendet werden.
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Andere Anwendungsfälle können ebenfalls in Betracht
gezogen werden: in passiven Sonarantennen, für die das
Lauschfrequenzband Probleme der Sättigung und des Nivellierens des
Meeresrauschens bringt, können die oben beschriebenen
Hydrophone verwendet werden.