WO2021165146A1 - Wasserschallwandler - Google Patents

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WO2021165146A1
WO2021165146A1 PCT/EP2021/053379 EP2021053379W WO2021165146A1 WO 2021165146 A1 WO2021165146 A1 WO 2021165146A1 EP 2021053379 W EP2021053379 W EP 2021053379W WO 2021165146 A1 WO2021165146 A1 WO 2021165146A1
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WO
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water
transducer
borne sound
units
transducer units
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PCT/EP2021/053379
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English (en)
French (fr)
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Nils Theuerkauf
Christoph Zimmer
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ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
    • B06B1/0637—Spherical array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/521—Constructional features
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device
    • G10K11/006—Transducer mounting in underwater equipment, e.g. sonobuoys
    • G10K11/008—Arrays of transducers
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K2200/00—Details of methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general
    • G10K2200/11—Underwater, e.g. transducers for generating acoustic waves underwater

Definitions

  • the invention relates to the optimization of waterborne sound converters for specific tasks.
  • water-borne sound converters both transmitter and receiver
  • water-borne sound converters are designed for a certain frequency range with regard to their directional characteristic. Outside this frequency range, the converters deviate from the desired behavior, so that, for example, the required coverage and detection performance are no longer given.
  • water-borne sound converters also known as flydrophones
  • flydrophones are optimized to achieve the greatest possible sensitivity in a frequency range that is limited depending on the area in which the hydrophones are used.
  • Such hydrophones are then designed to receive water-borne sound signals, so-called pings, emitted by an active sonar, or to record signatures from watercraft using passive sonar.
  • the water-borne sound converters have the disadvantage for certain applications that they are only optimized for a predetermined, narrow frequency range of, for example, ⁇ 10% of a center frequency.
  • the frequency response is then heavily dependent on frequency and direction. In this way, frequencies that are poorly detected can be superimposed by frequencies that are better detected. This creates an image that distorts reality when the environment is to be searched over a large frequency range.
  • the object of the present invention is therefore to create an improved concept for water-borne sound converters.
  • Embodiments show a water-borne sound transducer with a multiplicity of transducer units which are arranged two-dimensionally, the transducer units each having a first and a second contact surface.
  • the first contact surfaces of the converter units are each connected to a (in particular common) first electrode (in particular at least electrically) and the second contact surfaces of the converter units are each connected to a (in particular common) second electrode (in particular at least electrically).
  • the converter units are arranged in such a way that an envelope of the first contact surfaces of the converter units is pillow-shaped.
  • the envelope is also known as the contour of the water-borne transducer.
  • Cushion-shaped means that the envelope is convex, i.e. curved outwards.
  • the pillow shape can be symmetrical, in particular symmetrical in the vertical and / or in the horizontal extent of the water-borne sound transducer.
  • the vertical or horizontal expansion relates to the specified orientation when using the water-borne sound transducer.
  • the converter units are, for example, rods made of a piezoelectric material, in particular a piezoceramic, for example lead zirconate titanate (PZT).
  • the converter units can be cast with a potting compound, for example a Flarz or a plastic, to form a piezocomposite matrix, in particular a piezocomposite ceramic.
  • the cushion shape is an envelope that is curved in two dimensions (x, y). This creates an elevation of the water-borne sound transducer in both dimensions. A directional characteristic of the water-borne sound transducer can thus be set independently of one another for both dimensions.
  • the idea is to arrange the converter units not only flat, but also spatially.
  • a desired behavior, for example a frequency response, of the water-borne sound transducer can be set by the spatial arrangement of the transducer units.
  • the sensitivity (idealized) decreases linearly for adjacent reception angles.
  • the result is a triangular shape idealized Sensitivity versus direction for all frequencies in the working range.
  • the attenuation at 15 ° is, for example, approx.
  • the triangular-shaped sensitivity ideally has the shape of a straight prism with a triangular base and top surface.
  • a water-borne sound transducer can thus receive sound waves horizontally over a (single) transmission or reception angle and a large frequency range without the sound waves being influenced by the transducer characteristics. In order to achieve this, a reduction in the sensitivity of the water-borne sound transducer for some frequencies is accepted.
  • the vertical frequency response of the water-borne sound transducer is also adjusted by the spatial arrangement of the transducer units in accordance with a desired behavior.
  • An idealized trapezoidal sensitivity is created over the direction for all frequencies in the working range. To put it more precisely, the trapezoidal sensitivity ideally has the shape of a straight prism with a trapezoidal base and top surface.
  • the water-borne sound transducer can vertically over a large send or receive angle of, for example, 30 ° and a large Frequency range Receive sound waves without the sound waves being influenced by the transducer characteristics.
  • the converter units are arranged on a base element.
  • An upper side of the base element, which points in the direction of the transducer units, and an underside of the base element opposite the upper side, and the envelope, have the same shape. That is, in the case of a parallel displacement of the envelope onto the upper side or the underside of the base element, the envelope and the upper side or the underside of the base element are congruent.
  • Such a configuration is advantageous if the water-borne sound transducer is exposed to different ambient pressures, for example under water at different water depths.
  • the envelope (contour) of the contact surfaces should not change due to external pressure, in particular also due to water pressure as a function of the immersion depth.
  • the properties of the water-borne sound transducer in particular its sensitivity, would change as a function of frequency and / or direction. It is advantageous to choose the shape of the bottom of the base element as well as the shape of the top of the base element. Then a constant, i.e. frequency- and / or direction-independent change in the properties of the water-borne transducer can be obtained with changes in pressure. The base element is then compressed to the same extent over the entire surface when the pressure increases.
  • one embodiment of a second aspect shows a water-borne sound transducer with a multiplicity of transducer units which are arranged two-dimensionally on a base element.
  • the converter units each have a first and a second contact surface.
  • the first contact surfaces of the converter units are connected to a first electrode (advantageously electrical and mechanical) and the second contact surfaces of the converter units are connected to a second electrode (advantageously electrical and mechanical).
  • An upper side of the base element pointing in the direction of the transducer units and an underside of the base element opposite the upper side and an envelope of the first contact surfaces have the same shape.
  • the water-borne transducer of the second Aspect differs from the aforementioned water-borne sound transducer only in that the shape of the envelope of the transducer units is arbitrary and that this shape is mandatory (and not optional) transferred to the upper side and the lower side of the base element.
  • the pillow shape is also a possible configuration in the second exemplary embodiment.
  • the following exemplary embodiments can relate to both water-borne sound transducers - with exemplary embodiments relating to the cushion shape relating to the exemplary embodiment of the second aspect, which introduces the cushion shape.
  • the water-borne sound transducers can be stacked.
  • the water-borne sound transducers have a stack with the following layers: the stack comprises the base element in a first layer, the second electrode is arranged in a second layer above the top of the base element, and the transducer units are two-dimensional in a third layer above the second electrode arranged, the first electrode is arranged in a fourth layer above the converter units.
  • the converter units can each make electrical contact with the first electrode with a first contact and electrically contact the second electrode with a second contact.
  • the converter units are also mechanically connected to the first or the second electrode when there is electrical contact.
  • Embodiments show that the pillow shape z h (x) has a contour in a first (eg horizontal) dimension (x) which is defined by the polynomial
  • Z h (x) X 2 ⁇ x 2 + X 4 ⁇ X 4 + X 6 ⁇ X 6 + X 8 ⁇ X 8 + X 10 ⁇ X 10 + X 12 ⁇ x 12 + X 14 ⁇ X 14 + X 16 ⁇ x 16 x with
  • X 2 -1.102248436127560E - 01
  • X 4 -7.798252809214000
  • 04 X 6 3.080405149858780E + 08
  • X 8 4.015851040327540E + 11
  • X 10 -4.977431310325020
  • 15 X 12 2, 614009340410490E + 18
  • X 14 2.687463597223600
  • X 16 -3.790562133342640 E + 25 and a tolerance of 0.001m, preferably 0.0005m, particularly preferably 0.0001m.
  • the tolerance describes an offset of the function z h (x), ie a shift along the z-axis.
  • the tolerance is added to or subtracted from the function as a constant term. That is, the contour in the first dimension lies within the area which is enclosed by the polynomial and the maximum tolerance, in particular the contour in the first dimension has the form of the polynomial z h (x).
  • An extension of the cushion in the first dimension is preferably between 0.03 m and 0.05 m, preferably between 0.035 m and 0.045 m, particularly preferably between 0.038 and 0.040 m, for example 0.039 m.
  • a water-borne sound transducer results which has a triangular sensitivity over frequency in the first dimension. This is advantageous if water-borne sound transducers are arranged in an array so that, in total, they have a constant sensitivity over the direction.
  • the contour is optimized for a water-borne sound transducer, for example, whose transducer units are arranged equidistantly and / or whose transducer units have a density of 40 to 60 transducer units per square centimeter.
  • the first dimension is, for example, the horizontal.
  • Y 2 -15.6474404327660
  • Y 4 81025.7633563034
  • Y 6 -1246494097.34679
  • Y 8 13481472680661.9
  • Y 10 - 8.53691186195647e + 16
  • Y 12 2.29508952803708e + 20
  • Y 14 -2.12497987038051
  • the tolerance describes an offset of the function z v (y), ie a shift along the z-axis. In other words, the tolerance is added to or subtracted from the function as a constant term.
  • the contour lies within the area which is enclosed by the polynomial and the maximum tolerance; in particular, the contour in the second dimension has the shape of the polynomial z v (y).
  • An extension of the cushion in the second dimension is preferably between 0.023 m and 0.04 m, preferably between 0.027 m and 0.035 m, particularly preferably between 0.030 and 0.032 m, for example 0.031 m.
  • a water-borne sound transducer which has a trapezoidal sensitivity over frequency in the second dimension.
  • the contour is optimized for a water-borne sound transducer, for example, whose transducer units are arranged equidistantly and / or whose transducer units have a density of 40 to 60 transducer units per square centimeter.
  • the second dimension is, for example, the vertical.
  • the first dimension is arranged perpendicular to the second dimension, for example.
  • the first and second dimensions span a surface from which the pillow shape stands out in a third dimension.
  • this means that an elevation ( third dimension) of the pillow shape results from the superposition of the pillow shape in the first dimension and the pillow shape in the second dimension.
  • the tolerances can also add up here.
  • the resulting pillow shape can be located within a volume that is formed by the function z (x, y) with the tolerance in the z-direction.
  • the pillow shape can have the form of the function z (x, y).
  • the pillow shape for example, has a maximum elevation of less than 0.007 m.
  • a converter unit that is centered (in the xy direction) in the Pillow shape is arranged to be arranged up to 0.007m higher (in the z-direction) than a transducer element that is arranged at the edge (in the xy-direction) of the pillow shape.
  • the shape of the envelope i.e. the pillow shape
  • the contour is optimized for a water-borne sound transducer, for example, whose transducer units are arranged equidistantly and / or whose transducer units have a density of 40 to 60 transducer units per square centimeter.
  • the transducer units (of the plurality of transducer units) have the same distance between the first and the second contact surface. In other words, all converter units have the same length. This is advantageous in order to prevent non-linear effects due to the transducer units per se, which would have to be taken into account when dimensioning the water-borne sound transducer. If the converter units were of different lengths, they would output a different output voltage with the same incident sound pressure. However, this should be avoided.
  • the base element is designed to absorb sound waves.
  • the base element can have a material that dampens and thus absorbs sound.
  • the water-borne sound converter can be designed to generate as little scattered sound as possible through reflections in order not to worsen the set properties of the water-borne sound converter. In principle, however, it is also possible to design the water-borne sound converter in such a way that reflections are taken into account.
  • the base element can then also be designed as a sound reflector. It has already been discussed above that the water-borne sound transducers can advantageously be arranged in an array. Thus, an array of water-borne sound transducers is disclosed which has a multiplicity of the water-borne sound transducers described.
  • the water-borne transducers of the plurality of water-borne transducers are arranged in a ring to form the array.
  • the first contact surfaces each face outwards and the second contact surfaces each point towards the center of the ring. Due to the flat design of the water-borne sound transducer, the ring can of course only be approximated.
  • the water-borne sound transducers are arranged in a (regular) polygon. Adjacent water-borne sound transducers advantageously adjoin one another, ie the ring or the polygon is closed.
  • Embodiments also show the array, further water-borne sound converters, in particular further water-borne sound converters, being arranged separately from the ring of the water-borne sound converters, the further water-borne sound converters being arranged at an angle between 20 degrees to 50 degrees to the water-borne sound converters of the ring.
  • This is advantageous so that sound waves that hit the ring laterally, i.e. vertically on the water-borne sound transducer, can be better detected.
  • the additional water-borne sound transducers cover the upper hemisphere of the array.
  • a method for producing a water-borne sound transducer with the following steps: two-dimensional arrangement of a plurality of transducer units, the transducer units each having a first and a second contact surface; Connecting the first contact surfaces of the transducer units each to a first electrode; Connecting the second contact surfaces of the transducer units each to a second electrode; wherein the transducer units are arranged such that an envelope of the first contact surfaces of the transducer units is pillow-shaped; and / or wherein the transducer units are arranged on a base element, a top side of the base element pointing in the direction of the transducer units and an underside of the base element opposite the top side, and the envelope, having the same shape.
  • a method for optimizing a water-borne sound transducer is shown with the following steps: calculating an output signal of a water-borne sound transducer with a plurality of transducer units for a plurality of sound waves which impinge on the water-borne sound transducer from different directions; Varying an elevation of a selection of transducer units of the plurality of transducer units; Repeat the calculation of the output signal and the variation of the elevation until the water-borne sound transducer is optimized for the given boundary conditions.
  • a computer model of the same is advantageously used as the water-borne sound converter, which model depicts the properties of a real water-borne sound converter.
  • the calculation can therefore also be referred to as a simulation.
  • the elevation of the individual transducer units can also be carried out in the model.
  • the model of the water-borne sound converter can also include the (evaluation) electronics of the same.
  • the boundary conditions can be the constant sensitivity described in this disclosure for the array of water-borne sound transducers.
  • a further or alternative boundary condition can be the reduction of the influence of interfering noises, for example for the selection of the basic element.
  • the deviation of the real directional characteristic from the desired directional characteristic of the transducer element is minimized by varying the elevation.
  • the directional characteristic can be a predefined boundary condition, so that the minimization represents the optimization of the predefined boundary condition.
  • the directional characteristic is the frequency and angle-dependent sensitivity. This means that the directional characteristic is optimized over all frequencies in the working range. In other words, the frequency- and angle-dependent sensitivity is adapted to the desired directional characteristic.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a water-borne sound transducer, FIG. 1a showing a schematic sectional illustration and FIG. 1b showing a schematic perspective illustration of the water-borne sound transducer;
  • FIG. 4 a schematic perspective illustration of an array of the water-borne sound transducers
  • FIG. 5 a schematic, idealized representation of a plot of the sensitivity of the array of water-borne sound transducers over the frequency and the direction of the incident sound waves.
  • FIG. 1a shows a schematic sectional illustration of a water-borne sound converter 20.
  • the water-borne sound converter 20 has a plurality of converter units 22, a first one Electrode 24a and a second electrode 24b. Furthermore, an optional base element 26 and an optional structural element 28 are shown.
  • the converter units 22 have a first and a second contact surface which is at least electrically connected to the first and the second electrode 24a, 24b, respectively.
  • the contact surfaces are formed e.g. by the (opposite) end surfaces of the converter units.
  • the converter units 22 are arranged two-dimensionally (x, y) (cf. FIG. 1b).
  • the transducer units 22 also have an elevation (z) in a third dimension (perpendicular to the first and the second dimension).
  • the elevation creates a pillow-shaped, i.e. convex, envelope of the transducer units.
  • the shape of the envelope here corresponds to the shape of the first electrode 24a.
  • the pillow-shaped envelope is advantageous, however, in order to obtain a sensitivity as constant as possible over the direction and the frequency (within a working range of the transducer units).
  • the converter units 22 are encapsulated by means of a potting compound 30, for example a Flarz or a plastic.
  • the potting compound 22 fills the spaces between the converter units 22.
  • the optional base element 26 is designed to exert a defined influence on the incident sound waves. Typical influences are the reflection or absorption of the sound waves.
  • the choice of the base element depends on the optimization of the envelope of the converter units. In other words, when optimizing the envelope of the converter units, the basic element must already be taken into account. Otherwise, reflected or non-reflected sound waves could destroy the set properties of the water-borne sound transducer.
  • the optional structural element 28 offers the necessary strength for the water-borne sound transducer. Furthermore, the structural element 28 offers the possibility of a simpler attachment of the water-borne sound transducer, for example to a watercraft, in particular a submarine.
  • FIG. 1b shows a schematic perspective illustration of the water-borne sound transducer 20.
  • the converter units 22 can be arranged equidistantly.
  • the pillow-shaped envelope of the converter units 22 can also be seen.
  • the first electrode 24a is not shown so that the view of the transducer units 22 is cleared.
  • the transducer units can have a density of 40 to 60 transducer units per square centimeter (in the x-y plane). The density or the size of the transducer units depends largely on the working range (frequency range) for which the water-borne transducer is used.
  • the shape of the envelope i.e. the pillow shape, is, for example, due to the superposition of the polynomials
  • Y 2 -15.6474404327660
  • Y 4 81025.7633563034
  • Y 6 -1246494097.34679
  • Y 8 13481472680661.9
  • Y 10 - 8.53691186195647e + 16
  • Y 12 2.29508952803708e + 20
  • Y 14 -2.12497987038051 E + 22
  • Y 16 -6.32568522314303 E + 26 implemented.
  • the stack has the following layers: on the structural element (optional) as the starting layer, the stack comprises the base element 26 (optional) in a first layer, in a second layer above The second electrode 24b is arranged on an upper side of the base element 26, the converter units 22 are arranged two-dimensionally in a third layer above the second electrode, and the first electrode 24a is arranged in a fourth layer above the converter units 22.
  • the layers are stacked in such a way that an underside of the current layer is opposite the upper side of the previous layer, in particular with mechanical contact.
  • FIG. 2a shows an exemplary smoothed sensitivity curve 32 of the water-borne sound transducer over the frequency and the horizontal direction (azimuth) of the sound waves incident on the water-borne sound transducer.
  • the water-borne sound transducer is optimized in such a way that it has as constant a sensitivity as possible for the same direction of incidence in the frequency range between 100kHz and 600kHz. This results in the triangular design of the horizontal sensitivity curve.
  • 2b shows an exemplary smoothed sensitivity curve 32 of the water-borne sound transducer over the frequency and the vertical direction (elevation) of the sound waves incident on the water-borne sound transducer.
  • the water-borne sound transducer is optimized in such a way that it has a sensitivity that is as constant as possible for as many directions of incidence as possible in the frequency range between 100 kHz and 600 kHz. This results in the trapezoidal design of the horizontal sensitivity curve.
  • 3 shows a schematic perspective illustration of two converter units 22a, 22b.
  • the converter units 22a, 22b have a (center) distance x from one another.
  • Water-borne sound waves S (t) impinge on the transducer units 22a, 22b.
  • the converter units are very small, so that a separate connection of the individual converter units is not possible or only possible with great difficulty.
  • the sum signal is therefore preferably evaluated so that the converter units each have a common first and second electrode. In this case, however, separate signal processing of the individual signals from the converter units is not possible.
  • the distance d in other words the transit time difference that the water-borne sound S (t) travels after hitting the first transducer unit 22a until it arrives at the second transducer unit 22b, can be achieved by moving the second transducer unit 22b in the direction of arrow 34, ie an elevation of the same , be reduced.
  • the displaced second converter unit 22b is shown in dashed lines.
  • the 4 shows an array 36 of water-borne transducers 20.
  • the array 36 has a plurality of water-borne transducers 20a-20e, which are arranged in a ring to form the array.
  • the first contact surfaces of the water-borne transducers point outwards, the second contact surfaces of the water-borne sound transducers point inward.
  • the pillow shape, ie the elevation, of the water-borne sound transducer faces outwards.
  • the A constant sensitivity over a large frequency range approximately 100-600kHz
  • Further water-borne sound converters 20f, 20g, 20h are arranged separately from the ring of the water-borne sound transducers. These have an angle of inclination ⁇ to the water-borne sound transducers 20a-20e of the ring.
  • the angle of inclination ⁇ is preferably between 20 ° and 50 °.
  • the elevation i.e. the upper hemisphere, is also imaged by the array.
  • the coverage of the elevation angle for the array in which the sensitivity is constant is then between -15 ° and 90 °.
  • FIG. 5 shows an exemplary smoothed sensitivity curve 32 of the array of water-borne sound transducers over the frequency and the horizontal direction (azimuth) of the sound waves incident on the water-borne sound transducer.
  • the water-borne sound transducer is optimized in such a way that it has as constant a sensitivity as possible for the same direction of incidence in the frequency range between 100kHz and 600kHz. This results in the triangular design of the horizontal sensitivity curve.
  • Received waterborne sound waves were targeted in all of the exemplary embodiments. However, the disclosure can also be applied analogously to transmitted water-borne sound waves.
  • the disclosed (water) sound transducers are designed for use under water, in particular in the sea.
  • the sound transducers are designed to convert water-borne sound into an electrical signal (eg voltage or current) corresponding to the sound pressure, the water-borne sound signal.
  • the sound transducers are designed to convert an applied electrical signal (water-borne sound signal) into water-borne sound.
  • the sound transducers can therefore be used as water-borne sound receivers and / or as water-borne sound transmitters.
  • the sound transducers cannot be used for medical applications.
  • the ratio of the sound intensity to the resulting output signal of the water-borne sound converter e.g. output voltage
  • the output signal of the water-borne sound converter is also known as the water-borne sound signal.

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  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)

Abstract

Es ist ein Wasserschallwandler (20) mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten (22) offenbart. Die Wandlereinheiten sind zweidimensional angeordnet, wobei die Wandlereinheiten (22) jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen. Die ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) sind jeweils mit einer ersten Elektrode (24a) verbunden. Die zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) sind jeweils mit einer zweiten Elektrode (24b) verbunden. Die Wandlereinheiten (22) sind derart angeordnet, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) kissenförmig ist.

Description

WassePschallwandler
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf die Optimierung von Wasserschallwandlern für bestimmte Aufgaben.
Typischerweise sind Wasserschallwandler (sowohl Sender als auch Empfänger) hinsichtlich ihrer Richtcharakteristik für einen gewissen Frequenzbereich ausgelegt. Außerhalb dieses Frequenzbereichs weichen die Wandler von dem gewünschten Verhalten ab, so dass z.B. die erforderliche Abdeckung und Detektionsleistung nicht mehr gegeben ist. D.h., Wasserschallwandler, auch als Flydrophone bezeichnet, sind dazu optimiert, in einem je nach Einsatzgebiet der Hydrophone begrenzten Frequenzbereich eine möglichst große Empfindlichkeit zu erreichen. Solche Hydrophone sind dann dazu ausgelegt, z.B. von einem Aktivsonar ausgesendete Wasserschallsignale, sogenannte Pings, zu empfangen, oder mittels Passivsonar Signaturen von Wasserfahrzeugen aufzunehmen. Die Wasserschallwandler haben jedoch für gewissen Anwendungen den Nachteil, dass diese nur für einen vorgegebenen, engen Frequenzbereich von beispielsweise ±10% einer Mittenfrequenz optimiert sind. Der Frequenzgang ist dann stark frequenz- und richtungsabhängig. So können Frequenzen, die schlechter detektiert werden durch Frequenzen, die besser detektiert werden, überlagert werden. Somit wird eine Abbildung erzeugt, die die Wirklichkeit verzerrt, wenn über einen großen Frequenzbereich die Umgebung abgesucht werden soll.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Wasserschallwandler zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Ausführungsbeispiele zeigen einen Wasserschallwandler mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Wandlereinheiten jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen. Die ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten sind jeweils mit einer (insbesondere gemeinsamen) ersten Elektrode (insbesondere zumindest elektrisch) verbunden und die zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten sind jeweils mit einer (insbesondere gemeinsamen) zweiten Elektrode (insbesondere zumindest elektrisch) verbunden. Ferner sind die Wandlereinheiten derart angeordnet, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten kissenförmig ist. Die Einhüllende wird auch als Kontur des Wasserschallwandlers bezeichnet.
Kissenförmig bedeutet, dass die Einhüllende konvex, also nach außen gewölbt, geformt ist. Ferner kann die Kissenform symmetrisch sein, insbesondere symmetrisch in vertikaler und/oder in horizontaler Ausdehnung des Wasserschallwandlers. Die vertikale bzw. horizontale Ausdehnung bezieht sich auf die vorgegebene Orientierung bei der Verwendung des Wasserschallwandlers. Die Wandlereinheiten sind beispielsweise Stäbchen aus einem piezoelektrischen Material, insbesondere einer Piezokeramik, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die Wandlereinheiten können mit einer Vergussmasse, beispielsweise einem Flarz oder einem Kunststoff, zu einer Piezokompositmatrix, insbesondere einer Piezokompositkeramik, vergossen sein. In Ausführungsbeispielen ist die Kissenform eine in zwei Dimensionen (x,y) gekrümmte Einhüllende. So entsteht eine Elevation des Wasserschallwandlers in beiden Dimensionen. Somit kann eine Richtcharakteristik des Wasserschallwandlers für beide Dimensionen unabhängig voneinander eingestellt werden.
Idee ist es, die Wandlereinheiten nicht nur flächig, sondern auch räumlich anzuordnen. So kann ein gewünschtes Verhalten, beispielsweise ein Frequenzgang, des Wasserschallwandlers, durch die räumliche Anordnung der Wandlereinheiten eingestellt werden. Die Kissenform führt dazu, dass der horizontale Frequenzgang des Wasserschallwandlers dahingehend optimiert wird, dass die Empfindlichkeit des Wasserschallwandlers über einen großen Frequenzbereich von beispielsweise 350kHz ± 70% (=der Arbeitsbereich des Wasserschallwandlers) über einen Empfangswinkel konstant bleibt. Für benachbarte Empfangswinkel nimmt die Empfindlichkeit (idealisiert) linear ab. Es entsteht idealisiert eine Dreieck-förmige Empfindlichkeit über der Richtung für alle Frequenzen in dem Arbeitsbereich. Die Dämpfung bei 15° beträgt beispielsweise ca. 6dB. Präziser ausgedrückt weist die Dreieck-förmige Empfindlichkeit idealisiert die Form eines geraden Prismas mit dreieckiger Grund- und Deckfläche auf. Somit kann ein Wasserschallwandler horizontal über einen (einzelnen) Sende- bzw. Empfangswinkel und einen großen Frequenzbereich Schallwellen empfangen, ohne dass die Schallwellen durch die Wandlercharakteristik beeinflusst wird. Um dies zu erreichen, wird auch eine Reduzierung der Empfindlichkeit des Wasserschallwandlers für einige Frequenzen in Kauf genommen.
Das Potential eines solchen Wasserschallwandlers wird deutlich, wenn eine Vielzahl von Wasserschallwandlern kreisförmig, genauer in einem regelmäßigen Vieleck, zu einem Array angeordnet sind. Das heißt, dass beispielsweise 12 Wasserschallwandler zu einem regelmäßigen 12-eck angeordnet sind. Eine solche Anordnung ermöglicht es, über den vollständigen Azimut, also über einen Florizontalwinkel von 360°, eine im Wesentlichen konstante Empfindlichkeit des Arrays von Wasserschallwandlern zu erhalten. Die konstante Empfindlichkeit des Arrays der Wasserschallwandler wird hierbei über die räumliche Anordnung der Wandlereinheiten zueinander geschaffen. Anders ausgedrückt addieren sich die Dreieck-förmige Empfindlichkeit von benachbarten Wasserschallwandlern zu einer (idealisiert) konstanten Empfindlichkeit.
Ferner wird durch die Kissenform auch der vertikale Frequenzgang des Wasserschallwandlers durch die räumliche Anordnung der Wandlereinheiten gemäß einem gewünschten Verhalten eingestellt. Die Kissenform führt dazu, dass der Frequenzgang des Wasserschallwandlers dahingehend optimiert wird, dass die Empfindlichkeit des Wasserschallwandlers über einen großen Frequenzbereich von beispielsweise 350kHz ± 70% (=der Arbeitsbereich des Wasserschallwandlers) über einen großen Empfangswinkel von beispielsweise ± 15° konstant bleibt. Es entsteht idealisiert eine Trapez-förmige Empfindlichkeit über der Richtung für alle Frequenzen in dem Arbeitsbereich. Präziser ausgedrückt weist die Trapez-förmige Empfindlichkeit idealisiert die Form eines geraden Prismas mit trapezförmiger Grund- und Deckfläche auf. Somit kann der Wasserschallwandler vertikal über einen großen Sende- bzw. Empfangswinkel von beispielsweise 30° und einen großen Frequenzbereich Schallwellen empfangen, ohne dass die Schallwellen durch die Wandlercharakteristik beeinflusst wird.
In Ausführungsbeispielen sind die Wandlereinheiten auf einem Basiselement angeordnet. Eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten zeigt, und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements, und die Einhüllende, weisen die gleiche Form auf. Das heißt, bei einer Parallelverschiebung der Einhüllenden auf die Oberseite bzw. die Unterseite des Basiselements sind die Einhüllende und die Oberseite bzw. die Unterseite des Basiselements deckungsgleich. Eine solche Ausgestaltung ist vorteilhaft, wenn der Wasserschallwandler verschiedenen Umgebungsdrücken ausgesetzt ist, beispielsweise unter Wasser in verschiedenen Wassertiefen. Einhüllende (Kontur) der Kontaktflächen soll sich durch äußeren Druck, insbesondere auch durch Wasserdruck in Abhängigkeit von der Tauchtiefe, nicht ändern. Andernfalls würde sich die Eigenschaften des Wasserschallwandlers, insbesondere dessen Empfindlichkeit, frequenz- und/oder richtungsabhängig verändern. Es ist vorteilhaft, die Form der Unterseite des Basiselements ebenfalls so zu wählen wie die Form der Oberseite des Basiselements. Dann kann eine konstante, d.h. frequenz- und/oder richtungsunabhängige Veränderung der Eigenschaften des Wasserschallwandlers bei Druckänderungen erhalten werden. Das Basiselement wird dann bei einer Druckerhöhung über der gesamten Fläche im gleichen Ausmaß gestaucht.
Diese Erkenntnis ist jedoch auch für nicht kissenförmig angeordnete Wandlereinheiten zutreffend. So zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Aspekts einen Wasserschallwandler mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die zweidimensional auf einem Basiselement angeordnet sind. Die Wandlereinheiten weisen jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche auf. Die ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten sind mit einer ersten Elektrode (vorteilhafterweise elektrisch und mechanisch) verbunden und die zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten sind mit einer zweiten Elektrode (vorteilhafterweise elektrisch und mechanisch) verbunden. Eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten zeigt und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements und eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen weisen die gleiche Form auf. Der Wasserschallwandler des zweiten Aspekts unterscheidet sich von dem vorgenannten Wasserschallwandler einzig dahingehend, dass die Form der Einhüllenden der Wandlereinheiten beliebig ist und dass diese Form obligatorisch (und nicht fakultativ) auf die Oberseite und die Unterseite des Basiselements übertragen wird. Die Kissenform ist jedoch auch in dem zweiten Ausführungsbeispiel eine mögliche Ausgestaltung. Die folgenden Ausführungsbeispiele können sich auf beide Wasserschallwandler beziehen - wobei Ausführungsbeispiele zur Kissenform sich auf das Ausführungsbeispiel des zweiten Aspekts bezieht, der die Kissenform einführt.
Die Wasserschallwandler können gestapelt aufgebaut sein. So weisen die Wasserschallwandler in Ausführungsbeispielen einen Stapel mit folgenden Schichten auf: in einer ersten Schicht umfasst der Stapel das Basiselement, in einer zweiten Schicht oberhalb der Oberseite des Basiselements ist die zweite Elektrode angeordnet, in einer dritten Schicht oberhalb der zweiten Elektrode sind die Wandlereinheiten zweidimensional angeordnet, in einer vierten Schicht oberhalb der Wandlereinheiten ist die erste Elektrode angeordnet. Die Wandlereinheiten können jeweils mit einem ersten Kontakt die erste Elektrode elektrisch kontaktieren und mit einem zweiten Kontakt die zweite Elektrode elektrisch kontaktieren. Typischerweise sind die Wandlereinheiten bei einer elektrischen Kontaktierung auch mechanisch mit der ersten bzw. der zweiten Elektrode verbunden.
Ausführungsbeispielen zeigen, dass die Kissenform zh(x) in einer ersten (z.B. horizontalen) Dimension (x) eine Kontur aufweist, die durch das Polynom
Zh (x ) = X2 · x2 + X4 · x4 + X6 · x6 + X8 · x8 + X10 · x10 + X12 · x12 + X14 · x14 + X16 · x16· mit
X2 = -1,102248436127560E - 01 X4 = —7,798252809214000 E + 04 X6 = 3,080405149858780E + 08 X8 = 4,015851040327540E + 11 X10 = —4,977431310325020 E + 15 X12 = 2,614009340410490E + 18 X14 = 2,687463597223600 E + 22 X16 = —3,790562133342640 E + 25 und einer Toleranz von 0,001m, bevorzugt 0,0005m, besonders bevorzugt 0,0001m begrenzt ist. Die Toleranz beschreibt einen Offset der Funktion zh(x), d.h. eine Verschiebung entlang der z-Achse. In anderen Worten wird die Toleranz als konstanter Term zu der Funktion addiert oder von dieser subtrahiert. D.h., die Kontur in der ersten Dimension liegt innerhalb der Fläche, die durch das Polynom und die maximale Toleranz eingeschlossen ist, insbesondere weist die Kontur in der ersten Dimension die Form des Polynoms zh(x) auf. Bevorzugt beträgt eine Ausdehnung des Kissens in der ersten Dimension zwischen 0,03m und 0,05m, bevorzugt zwischen 0,035m und 0,045m, besonders bevorzugt zwischen 0,038 und 0,040m, beispielsweise 0,039m.
Liegt die Kissenform innerhalb der beschriebenen Grenzen für die erste Dimension, ergibt sich ein Wasserschallwandler, der in der ersten Dimension eine Dreieck- förmige Empfindlichkeit über der Frequenz aufweist. Dies ist vorteilhaft, wenn Wasserschallwandler in einem Array angeordnet werden, so dass diese in Summe eine konstante Empfindlichkeit über der Richtung aufweisen. Die Kontur ist beispielsweise für einen Wasserschallwandler optimiert, dessen Wandlereinheiten äquidistant angeordnet sind und/oder dessen Wandlereinheiten eine Dichte von 40 bis 60 Wandlereinheiten pro Quadratzentimeter aufweisen. Die erste Dimension ist beispielsweise die Horizontale.
Analog zeigt ein Ausführungsbeispiel, dass die Kissenform zv(y ) in einer zweiten (z.B. vertikalen) Dimension (y) eine Kontur aufweist, die durch das Polynom zv(y) = Y2 · y2 + Y4 · y4 + Y6 · y6 + Y8 · y8 + Y10 · y10 + Y12 · y12 + Y14 · y14 + Y16 · y16. mit
Y2 = -15,6474404327660 Y4 = 81025,7633563034 Y6 = -1246494097,34679 Y8 = 13481472680661,9 Y10 = — 8,53691186195647e + 16 Y12 = 2,29508952803708e + 20 Y14 = —2,12497987038051 E + 22 Y16 = —6,32568522314303 E + 26 und einer Toleranz von 0,001m, bevorzugt 0,0005m, besonders bevorzugt 0,0001m begrenzt ist. Die Toleranz beschreibt einen Offset der Funktion zv(y), d.h. eine Verschiebung entlang der z-Achse. In anderen Worten wird die Toleranz als konstanter Term zu der Funktion addiert oder von dieser subtrahiert. D.h., die Kontur liegt innerhalb der Fläche, die durch das Polynom und die maximale Toleranz eingeschlossen ist, insbesondere weist die Kontur in der zweiten Dimension die Form des Polynoms zv(y ) auf. Bevorzugt beträgt eine Ausdehnung des Kissens in der zweiten Dimension zwischen 0,023m und 0,04m, bevorzugt zwischen 0,027m und 0,035m, besonders bevorzugt zwischen 0,030 und 0,032m, beispielsweise 0,031m.
Liegt die Kissenform innerhalb der beschriebenen Grenzen für die zweite Dimension, ergibt sich ein Wasserschallwandler, der in der zweiten Dimension eine Trapez- förmige Empfindlichkeit über der Frequenz aufweist. Die Kontur ist beispielsweise für einen Wasserschallwandler optimiert, dessen Wandlereinheiten äquidistant angeordnet sind und/oder dessen Wandlereinheiten eine Dichte von 40 bis 60 Wandlereinheiten pro Quadratzentimeter aufweisen. Die zweite Dimension ist beispielsweise die Vertikale.
Die erste Dimension ist beispielsweise senkrecht zu der zweiten Dimension angeordnet. In anderen Worten spannen die erste und die zweite Dimension eine Fläche auf, von der sich die Kissenform in eine dritte Dimension abhebt. Das heißt in nochmals anderen Worten, dass sich eine Elevation (=dritte Dimension) der Kissenform aus der Superposition der Kissenform in der ersten Dimension und der Kissenform in der zweiten Dimension ergibt. Mathematisch ist die Kissenform z(x,y ) wie folgt beschrieben: z(x,y ) = zh(x) + zv(y). Hierbei können sich auch die Toleranzen addieren. So kann sich die resultierende Kissenform innerhalb eines Volumens befinden, das durch die Funktion z(x,y ) mit der Toleranz in z-Richtung gebildet ist. Insbesondere kann die Kissenform die Form der Funktion z(x,y ) aufweisen.
Die Kissenform hat beispielsweise eine maximale Elevation von weniger als 0,007m. Anders ausgedrückt kann eine Wandlereinheit, die mittig (in x-y-Richtung) in der Kissenform angeordnet ist, bis zu 0,007m höher (in z-Richtung) angeordnet sein, als ein Wandlerelement, dass am Rand (in x-y-Richtung) der Kissenform angeordnet ist.
Die Form der Einhüllenden, also die Kissenform, kann demnach durch ein Polynom aber auch z.B. durch eine Fourierreihe oder eine abschnittsweise definierte Funktion wie z.B. eine Treppenfunktion, beschreibbar sein. Liegt die Kissenform innerhalb der beschriebenen Grenzen für das Volumen, ergibt sich ein Wasserschallwandler, der bereits anhand der Geometrie eine Dreieck-förmige Empfindlichkeit über der Frequenz aufweist in der ersten Dimension und eine Trapez-förmige Empfindlichkeit über der Frequenz in der zweiten Dimension innerhalb eines Frequenzbereichs von 100 kHz bis 600 kHz aufweist. Die Kontur ist beispielsweise für einen Wasserschallwandler optimiert, dessen Wandlereinheiten äquidistant angeordnet sind und/oder dessen Wandlereinheiten eine Dichte von 40 bis 60 Wandlereinheiten pro Quadratzentimeter aufweisen.
In Ausführungsbeispielen weisen die Wandlereinheiten (der Vielzahl von Wandlereinheiten) den gleichen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche auf. Anders ausgedrückt haben alle Wandlereinheiten die gleiche Länge. Dies ist vorteilhaft, um nichtlinearen Effekte durch die Wandlereinheiten an sich vorzubeugen, die bei der Dimensionierung des Wasserschallwandlers berücksichtigt werden müssten. Wären die Wandlereinheiten unterschiedlich lang, würden diese bei gleichem einfallenden Schalldruck eine unterschiedliche Ausgangsspannung ausgeben. Dies soll jedoch vermieden werden.
In Ausführungsbeispielen ist das Basiselement ausgebildet, Schallwellen zu absorbieren. In anderen Worten kann das Basiselement ein Material aufweisen, dass Schall dämpft und somit absorbiert. So kann der Wasserschallwandler dazu ausgebildet sein, möglichst keinen Streuschall durch Reflexionen zu generieren, um die eingestellten Eigenschaften des Wasserschallwandlers nicht zu verschlechtern. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, den Wasserschallwandler so auszulegen, dass Reflexionen berücksichtigt sind. Dann kann das Basiselement auch als Schallreflektor ausgelegt sein. Obenstehend wurde bereits darauf eingegangen, dass die Wasserschallwandler vorteilhafterweise zu einem Array angeordnet sein können. So ist ein Array von Wasserschallwandlern offenbart, das eine Vielzahl der beschriebenen Wasserschallwandler aufweist. Die Wasserschallwandler der Vielzahl von Wasserschallwandler sind ringförmig angeordnet um das Array zu bilden. Die ersten Kontaktflächen sind jeweils nach außen gewandt und die zweiten Kontaktflächen zeigen jeweils zur Ringmitte. Aufgrund der flächigen Ausgestaltung der Wasserschallwandler kann der Ring natürlich nur angenähert werden. Präziser ausgedrückt sind die Wasserschallwandler zu einem (regelmäßigen) Vieleck angeordnet. Vorteilhafterweise grenzen benachbarte Wasserschallwandler aneinander an, d.h. der Ring bzw. das Vieleck ist geschlossen.
Ausführungsbeispiele zeigen ferner das Array, wobei separat von dem Ring der Wasserschallwandler weitere Wasserschallwandler, insbesondere weitere der vorgenannten Wasserschallwandler, angeordnet sind, wobei die weiteren Wasserschallwandler in einem Winkel zwischen 20 Grad bis 50 Grad zu den Wasserschallwandlern des Rings angeordnet sind. Dies ist vorteilhaft, damit Schallwellen, die seitlich auf den Ring, also vertikal auf die Wasserschallwandler, auftreffen, besser detektiert werden können. In anderen Worten decken die weiteren Wasserschallwandler die obere Hemisphäre des Arrays ab.
Analog ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten offenbart: zweidimensionales Anordnen einer Vielzahl von Wandlereinheiten, wobei die Wandlereinheiten jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen; Verbinden der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten jeweils mit einer ersten Elektrode; Verbinden der zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten jeweils mit einer zweiten Elektrode; wobei die Wandlereinheiten derart angeordnet werden, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten kissenförmig ist; und/oder wobei die Wandlereinheiten auf einem Basiselement angeordnet werden, wobei eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten zeigt, und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements, und die Einhüllende, die gleiche Form aufweisen. Ferner ist ein Verfahren zur Optimierung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten gezeigt: Berechnen eines Ausgangssignals eines Wasserschallwandlers mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten für eine Vielzahl von Schallwellen, die aus unterschiedlichen Richtungen auf den Wasserschallwandler auftreffen; Variieren einer Elevation einer Auswahl von Wandlereinheiten der Vielzahl von Wandlereinheiten; Wiederholen des Berechnens des Ausgangssignals und des Variierens der Elevation bis der Wasserschallwandler für vorgegebene Randbedingungen optimiert ist.
Als Wasserschallwandler wird vorteilhafterweise ein Computermodell desselben verwendet, dass die Eigenschaften eines realen Wasserschallwandlers abbildet. Die Berechnung kann daher auch als Simulation bezeichnet werden. Die Elevation der einzelnen Wandlereinheiten kann ferner ebenfalls in dem Modell durchgeführt werden. Das Modell des Wasserschallwandlers kann ferner auch die (Auswerte-) Elektronik desselben umfassen. Die Randbedingungen können die in dieser Offenbarung beschriebene konstante Empfindlichkeit für das Array der Wasserschallwandler sein. Eine weitere oder alternative Randbedingung kann die Reduktion des Einflusses von Störgeräuschen sein, beispielsweise für die Auswahl des Basiselements.
Rechnerisch wird beispielsweise die Abweichung der realen Richtcharakteristik von der gewünschten Richtcharakteristik des Wandlerelements durch die Variation der Elevation minimiert. Die Richtcharakteristik kann eine vorgegebene Randbedingung sein, so dass die Minimierung die Optimierung der vorgegebenen Randbedingung darstellt. Als Richtcharakteristik wird die frequenz- und winkelabhängige Empfindlichkeit bezeichnet. D.h. über alle Frequenzen des Arbeitsbereichs wird die Richtcharakteristik optimiert. In anderen Worten wird die frequenz- und winkelabhängige Empfindlichkeit an die gewünschte Richtcharakteristik angepasst.
Entsprechend ist ebenfalls ein Verfahren zur Optimierung eines Arrays von Wasserschallwandlern offenbart, wobei das Ausgangssignal einer Vielzahl von Wasserschallwandlern berechnet wird und wobei die Elevation der Auswahl von Wandlereinheiten für die entsprechenden Wandlereinheiten jedes Wasserschallwandlers in dem Array durchgeführt wird. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: eine schematische Darstellung eines Wasserschallwandlers, wobei Fig. 1a eine schematische Schnittdarstellung und Fig. 1b eine schematische perspektivische Darstellung des Wasserschallwandlers zeigt;
Fig. 2: eine schematische idealisierte Darstellung eines Plots der Empfindlichkeit des Wasserschallwandlers über der Frequenz und der Richtung der einfallenden
Schallwellen, wobei Fig. 2a die horizontale Empfindlichkeit und Fig. 2b die vertikale Empfindlichkeit darstellt;
Fig. 3: eine schematische Darstellung zweier Wandlereinheiten, auf die Schallwellen S(t) auftreffen;
Fig. 4: eine schematische perspektivische Darstellung eines Arrays der Wasserschallwandler; und Fig. 5: eine schematische idealisierte Darstellung eines Plots der Empfindlichkeit des Arrays von Wasserschallwandlers über der Frequenz und der Richtung der einfallenden Schallwellen.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Fig. 1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Wasserschallwandlers 20. Der Wasserschallwandler 20 weist eine Vielzahl von Wandlereinheiten 22, eine erste Elektrode 24a und eine zweite Elektrode 24b auf. Ferner ist ein optionales Basiselement 26 sowie ein optionales Strukturelement 28 gezeigt.
Die Wandlereinheiten 22 weisen eine erste und eine zweite Kontaktfläche auf, die mit der ersten bzw. der zweiten Elektrode 24a, 24b zumindest elektrisch verbunden ist. Die Kontaktflächen werden z.B. durch die (gegenüberliegenden) Stirnflächen der Wandlereinheiten gebildet. Die Wandlereinheiten 22 sind zweidimensional (x, y) angeordnet (vgl. Fig. 1b). Ferner weisen die Wandlereinheiten 22 auch eine Elevation (z) in einer dritten Dimension (senkrecht zu der ersten und der zweiten Dimension) auf. Durch die Elevation entsteht hier eine kissenförmige, d.h. konvexe, Einhüllende der Wandlereinheiten. Die Form der Einhüllenden entspricht hier der Form der ersten Elektrode 24a. Prinzipiell ist die Wahl der Einhüllenden für Wasserschallwandler, die anders optimiert sind, frei wählbar. Die kissenförmige Einhüllende ist jedoch vorteilhaft, um eine möglichst konstante Empfindlichkeit über der Richtung und der Frequenz (innerhalb eines Arbeitsbereichs der Wandlereinheiten) zu erhalten.
In Ausführungsbeispielen sind die Wandlereinheiten 22 mittels einer Vergussmasse 30, beispielsweise einem Flarz oder einem Kunststoff, vergossen. Die Vergussmasse 22 füllt die Zwischenräume zwischen den Wandlereinheiten 22 aus. Die Kontaktflächen der Wandlereinheiten 22 bleiben jedoch frei oder werden nachträglich freigelegt. So entsteht eine Piezokompositmatrix. Sind die Wandlereinheiten aus einer Piezokeramik geformt, wird die Matrix auch als Piezokompositkeramik bezeichnet.
Das optionale Basiselement 26 ist ausgebildet, eine definierte Beeinflussung der auftreffenden Schallwellen auszuüben. Typische Beeinflussungen sind die Reflexion oder die Absorption der Schallwellen. Die Wahl des Basiselements ist abhängig von der Optimierung der Einhüllenden der Wandlereinheiten. D.h., bei der Optimierung der Einhüllenden der Wandlereinheiten ist das Basiselement bereits mit zu berücksichtigen. Andernfalls könnten reflektierte oder nicht reflektierte Schallwellen die eingestellten Eigenschaften des Wasserschallwandlers zunichtemachen. Das optionale Strukturelement 28 bietet die notwendige Festigkeit für den Wasserschallwandler. Ferner bietet das Strukturelement 28 die Möglichkeit einer einfacheren Befestigung des Wasserschallwandlers z.B. an einem Wasserfahrzeug, insbesondere einem U-Boot.
Fig. 1b zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Wasserschallwandlers 20. H ier ist auch die zweidimensionale Anordnung der Wandlereinheiten 22 in der x-y-Ebene sichtbar. Die Wandlereinheiten 22 können äquidistant angeordnet sein. Auch die kissenförmige Einhüllende der Wandlereinheiten 22 ist zu erkennen. Die erste Elektrode 24a ist nicht gezeigt, damit die Sicht auf die Wandlereinheiten 22 freigegeben ist. Die Wandlereinheiten können eine Dichte von 40 bis 60 Wandlereinheiten pro Quadratzentimeter (in der x-y- Ebene) aufweisen. Die Dichte bzw. die Größe der Wandlereinheiten hängt jedoch maßgeblich von dem Arbeitsbereich (Frequenzbereich) ab für den der Wasserschallwandler eingesetzt wird.
Die Form der Einhüllenden, d.h. die Kissenform ist beispielsweise durch die Überlagerung der Polynome
Zh(x ) = X2 · x2 + X4 · x4 + X6 · x6 + X8 · x8 + X10 · x10 + X12 · x12 + X14 · x14 + X16 · x16 · mit
X2 = -1,102248436127560E - 01 X4 = —7,798252809214000 E + 04 X6 = 3,080405149858780E + 08 X8 = 4,015851040327540E + 11 X10 = —4,977431310325020 E + 15 X12 = 2,614009340410490E + 18 X14 = 2,687463597223600 E + 22 X16 = —3,790562133342640 E + 25 und zv(y) = Y2 · y2 + Y4 · y4 + Y6 · y6 + Y8 · y8 + Y10 · y10 + Y12 · y12 + Y14 · y14 + Y16 · y16. mit
Y2 = -15,6474404327660 Y4 = 81025,7633563034 Y6 = -1246494097,34679 Y8 = 13481472680661,9 Y10 = — 8,53691186195647e + 16 Y12 = 2,29508952803708e + 20 Y14 = -2,12497987038051 E + 22 Y16 = -6,32568522314303 E + 26 realisiert.
Fig. 1a und Fig. 1b offenbaren ferner einen stapelförmigen Aufbau des Wasserschallwandler 22. Der Stapel weist folgende Schichten auf: auf dem Strukturelement (optional) als Ausgangsschicht umfasst der Stapel das Basiselement 26 (optional) in einer ersten Schicht, in einer zweiten Schicht oberhalb einer Oberseite des Basiselements 26 ist die zweite Elektrode 24b angeordnet, in einer dritten Schicht oberhalb der zweiten Elektrode sind die Wandlereinheiten 22 zweidimensional angeordnet, in einer vierten Schicht oberhalb der Wandlereinheiten 22 ist die erste Elektrode 24a angeordnet. Die Schichten werden so gestapelt, dass eine Unterseite der aktuellen Schicht der Oberseite der vorangegangenen Schicht gegenüberliegt, insbesondere mechanisch kontaktiert.
Fig. 2a zeigt eine beispielhafte geglättete Empfindlichkeitskurve 32 des Wasserschallwandlers über der Frequenz und der horizontalen Richtung (Azimut) der einfallenden Schallwellen auf den Wasserschallwandler. Der Wasserschallwandler ist derart optimiert, dass dieser im Frequenzbereich zwischen 100kHz und 600kHz eine möglichst konstante Empfindlichkeit für die gleiche Einfallsrichtung aufweist. Somit ergibt sich die Dreieck-förmige Ausgestaltung der horizontalen Empfindlichkeitskurve.
Fig. 2b zeigt eine beispielhafte geglättete Empfindlichkeitskurve 32 des Wasserschallwandlers über der Frequenz und der vertikalen Richtung (Elevation) der einfallenden Schallwellen auf den Wasserschallwandler. Der Wasserschallwandler ist derart optimiert, dass dieser im Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 600kHz eine möglichst konstante Empfindlichkeit für möglichst viele Einfallsrichtungen aufweist. Somit ergibt sich die Trapez-förmige Ausgestaltung der horizontalen Empfindlichkeitskurve. Fig. 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung zweier Wandlereinheiten 22a, 22b. Die Wandlereinheiten 22a, 22b weisen einen (Mitten-) Abstand x zueinander auf. Auf die Wandlereinheiten 22a, 22b treffen Wasserschallwellen S(t) auf. Aufgrund der Einfallsrichtung, d.h. einem Einfallswinkel α zwischen den Wandlereinheiten und der Wellenfront der Wasserschallwellen, ergibt sich eine Wegstrecke d, die die Wasserschallwellen zwischen dem Auftreffen der Wasserschallwellen auf die erste Wandlereinheit 22a und die zweite Wandlereinheit 22b zurücklegt. Diese Wegstrecke führt dazu, dass Wasserschallwellen mit einer Frequenz f, die ein Vielfaches von der doppelten Wasserschallgeschwindigkeit c geteilt durch die Wegstrecke d
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zurücklegen, sich auslöschen. Die
Wasserschallwellen interferieren. Dies ist der Grund, warum Wasserschallwandler mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten, eine richtungsabhängige Empfindlichkeit aufweisen. Dies kann durch eine entsprechende Signalverarbeitung der einzelnen Wandlereinheiten ausgeglichen werden.
Insbesondere für den Empfang von hohen Frequenzen sind die Wandlereinheiten jedoch sehr klein, so dass ein separater Anschluss der einzelnen Wandlereinheiten nicht oder nur sehr schwer möglich ist. Daher wird bevorzugt das Summensignal ausgewertet, so dass die Wandlereinheiten jeweils eine gemeinsame erste und zweite Elektrode aufweisen. In diesem Fall ist eine separate Signalverarbeitung der einzelnen Signale der Wandlereinheiten jedoch nicht möglich. Die Wegstrecke d, anders ausgedrückt die Laufzeitdifferenz, die der Wasserschall S(t) nach dem Auftreffen auf die erste Wandlereinheit 22a bis zum Eintreffen auf die zweite Wandlereinheit 22b zurücklegt, kann durch ein Verschieben der zweiten Wandlereinheit 22b in Pfeilrichtung 34, d.h. eine Elevation desselben, reduziert werden. Die verschobene zweite Wandlereinheit 22b ist gestrichelt dargestellt.
Fig. 4 zeigt ein Array 36 von Wasserschallwandlern 20. Das Array 36 weist eine Vielzahl von Wasserschallwandlern 20a - 20e auf, die ringförmig angeordnet sind um das Array zu bilden. Die ersten Kontaktflächen der Wasserschallwandler zeigt nach außen, die zweiten Kontaktflächen der Wasserschallwandler zeigen nach innen. Anders ausgedrückt ist die Kissenform, d.h. die Elevation, der Wasserschallwandler nach außen gewandt. In dieser Anordnung wird mit den beschriebenen Wasserschallwandlern eine konstante Empfindlichkeit über einen großen Frequenzbereich (ca. 100-600kHz) über den gesamten Azimut erreicht.
Separat von dem Ring der Wasserschallwandler sind weitere Wasserschallwandler 20f, 20g, 20h angeordnet. Diese weisen einen Neigungswinkel ß zu den Wasserschallwandlern 20a - 20e des Rings auf. Der Neigungswinkel ß beträgt bevorzugt zwischen 20° und 50°. In dieser Anordnung wird ferner die Elevation, d.h. die obere Hemisphäre von dem Array mit abgebildet. Die Abdeckung des Höhenwinkels für das Array, in dem die Empfindlichkeit konstant ist, beträgt dann zwischen -15° und 90°.
Fig. 5 zeigt eine beispielhafte geglättete Empfindlichkeitskurve 32 des Arrays von Wasserschallwandlern über der Frequenz und der horizontalen Richtung (Azimut) der einfallenden Schallwellen auf den Wasserschallwandler. Der Wasserschallwandler ist derart optimiert, dass dieser im Frequenzbereich zwischen 100kHz und 600kHz eine möglichst konstante Empfindlichkeit für die gleiche Einfallsrichtung aufweist. Somit ergibt sich die Dreieck-förmige Ausgestaltung der horizontalen Empfindlichkeitskurve.
In allen Ausführungsbeispielen wurde auf empfangene Wasserschallwellen abgezielt. Die Offenbarung ist aber ebenso analog auf gesendete Wasserschallwellen anwendbar.
Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, ein anliegendes elektrisches Signal (Wasserschallsignal) in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallempfänger und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen verwendbar. Als Empfindlichkeit des Schallwandlers wird das Verhältnis von Schallintensität zum resultierenden Ausgangssignal des Wasserschallwandlers (z.B. Ausgangsspannung) verstanden. Das Ausgangssignal des Wasserschallwandlers wird auch als Wasserschallsignal bezeichnet.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Bezugszeichenliste
20 Wasserschallwandler 22 Vielzahl von Wandlereinheiten 24 Elektroden
26 Basiselement
28 Strukturelement 30 Vergussmasse
32 Empfindlichkeitskurve 34 Pfeilrichtung
S(t) Wasserschallwellen x (Mitten-) Abstand zwischen zwei Wandlereinheiten d Wegstrecke für die Wasserschallwellen α Einfallswinkel

Claims

Patentansprüche
1. Wasserschallwandler (20) mit folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von Wandlereinheiten (22) die zweidimensional angeordnet sind, wobei die Wandlereinheiten (22) jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen; wobei die ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) jeweils mit einer ersten Elektrode (24a) verbunden sind; wobei die zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) jeweils mit einer zweiten Elektrode (24b) verbunden sind; wobei die Wandlereinheiten (22) derart angeordnet sind, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) kissenförmig ist.
2. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 1 , wobei die Wandlereinheiten (22) auf einem Basiselement (26) angeordnet sind; wobei eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten (22) zeigt, und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements, und die Einhüllende, die gleiche Form aufweisen.
3. Wasserschallwandler (20) mit folgenden Merkmalen: einer Vielzahl von Wandlereinheiten, die zweidimensional auf einem Basiselement (26) angeordnet sind, wobei die Wandlereinheiten (22) jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen; wobei die ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) mit einer ersten Elektrode (24a) verbunden sind; wobei die zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) mit einer zweiten Elektrode (24b) verbunden sind; wobei eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten (22) zeigt und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements und eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen die gleiche Form aufweisen.
4. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 3, wobei die Wandlereinheiten (22) derart angeordnet sind, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) kissenförmig ist.
5. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der Ansprüche 1 , 2 oder 4, wobei die Kissenform eine in zwei Dimensionen gekrümmte Einhüllenden ist.
6. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der Ansprüche 1 , 2, 4 oder 5, wobei die Kissenform zh(x) in einer ersten (z.B. horizontalen) Dimension (x) eine Kontur aufweist, die durch das Polynom
Zh (x ) = X2 · x2 + X4 · x4 + X6 · x6 + X8 · x8 + X10 · x10 + X12 · x12 + X14 · x14 + X16 · x16 mit
X2 = -1,102248436127560E - 01 X4 = —7,798252809214000 E + 04 X6 = 3,080405149858780E + 08 X8 = 4,015851040327540E + 11 X10 = —4,977431310325020 E + 15 X12 = 2,614009340410490E + 18 X14 = 2,687463597223600 E + 22 X16 = —3,790562133342640 E + 25 und einer Toleranz von 0,001 m, insbesondere 0,0005m oder insbesondere 0,0001 m, begrenzt ist.
7. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der Ansprüche 1 , 2, 4, 5 oder 6, die Kissenform zv(y) in einer zweiten (z.B. vertikalen) Dimension (y) eine Kontur aufweist, die durch das Polynom zv(y) = · Y2 · y2 + Y4 · y4 + Y6 · y6 + Y8 · y8 + Y10 · y10 + Y12 · y12 + Y14 · y14 + Y16 · y16 mit
Y2 = -15,6474404327660 Y4 = 81025,7633563034 Y6 = -1246494097,34679 Y8 = 13481472680661,9 Y10 = — 8,53691186195647e + 16 Y12 = 2,29508952803708e + 20 Y14 = -2,12497987038051 E + 22 Y16 = —6,32568522314303 E + 26 und einer Toleranz von 0,001m, bevorzugt 0,0005m, besonders bevorzugt 0,0001m begrenzt ist.
8. Wasserschallwandler (20) gemäß Anspruch 6 und 7, wobei sich die Kissenform z(x,y) aus der Superposition der Kissenform in der ersten Dimension zh(x) und der zweiten Dimension zv(y ) ergibt.
9. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wandlereinheiten (22) den gleichen Abstand zwischen der ersten und der zweiten Kontaktfläche aufweisen.
10. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wandlereinheiten (22) eine Piezokeramik aufweisen, insbesondere wobei die Vielzahl der Wandlereinheiten (22) zu einer Piezokompositkeramik angeordnet sind.
11. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Basiselement (26) ausgebildet ist, Schallwellen zu absorbieren.
12. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Wasserschallwandler (20) einen Stapel mit folgenden Schichten aufweist: in einer ersten Schicht umfasst der Stapel ein Basiselement, in einer zweiten Schicht oberhalb einer Oberseite des Basiselements ist die zweite Elektrode (24b) angeordnet, in einer dritten Schicht oberhalb der zweiten Elektrode (24b) sind die Wandlereinheiten (22) zweidimensional angeordnet, in einer vierten Schicht oberhalb der Wandlereinheiten (22) ist die erste Elektrode (24a) angeordnet.
13. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wandlereinheiten (22) jeweils mit einem ersten Kontakt die erste Elektrode (24a) elektrisch kontaktieren und mit einem zweiten Kontakt die zweite Elektrode (24b) elektrisch kontaktieren.
14. Wasserschallwandler (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wandlereinheiten (22) äquidistant angeordnet sind und/oder eine Dichte von 40 bis 60 Wandlereinheiten (22) pro Quadratzentimeter aufweisen
15. Array von Wasserschallwandlern, mit einer Vielzahl von Wasserschallwandlern gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vielzahl der Wasserschallwandler (20) ringförmig angeordnet sind um das Array zu bilden und wobei die erste Kontaktfläche jeweils nach außen gewandt ist und die zweiten Kontaktflächen jeweils zur Ringmitte zeigen.
16. Array gemäß Anspruch 15, wobei separat von dem Ring der Wasserschallwandler (20) weitere Wasserschallwandler (20) gemäß einem der Ansprüche 1-15 angeordnet sind, wobei die weiteren Wasserschallwandler (20) in einem Winkel zwischen 20 Grad bis 50 Grad zu den Wasserschallwandlern des Rings angeordnet sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten: zweidimensionales Anordnen einer Vielzahl von Wandlereinheiten, wobei die Wandlereinheiten (22) jeweils eine erste und eine zweite Kontaktfläche aufweisen;
Verbinden der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) jeweils mit einer ersten Elektrode;
Verbinden der zweiten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) jeweils mit einer zweiten Elektrode; wobei die Wandlereinheiten (22) derart angeordnet werden, dass eine Einhüllende der ersten Kontaktflächen der Wandlereinheiten (22) kissenförmig ist; und/oder wobei die Wandlereinheiten (22) auf einem Basiselement (26) angeordnet werden, wobei eine Oberseite des Basiselements, die in Richtung der Wandlereinheiten (22) zeigt, und eine der Oberseite gegenüberliegende Unterseite des Basiselements, und die Einhüllende, die gleiche Form aufweisen.
18. Verfahren zur Optimierung eines Wasserschallwandlers mit folgenden Schritten:
Berechnen eines Ausgangssignals eines Wasserschallwandlers mit einer Vielzahl von Wandlereinheiten (22) für eine Vielzahl von Schallwellen, die aus unterschiedlichen Richtungen auf den Wasserschallwandler (20) auftreffen;
Variieren einer Elevation einer Auswahl von Wandlereinheiten (22) der Vielzahl von Wandlereinheiten;
Wiederholen des Berechnens des Ausgangssignals und des Variierens der Elevation bis der Wasserschallwandler (20) für vorgegebene Randbedingungen optimiert ist.
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