DE3151028C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einer bekannten Antenne dieser Art, die ausschließlich als Empfangsantenne Verwendung findet, sind die Schallwandler der Hydrophone in einer langgestreckten Anordnung nebeneinander etwa kettenartig aufgereiht. Die Schallwandler sind jeweils rundum empfindlich, besitzen also jeweils ein kreisförmiges Richtdiagramm. Diese als sog. Schleppantenne bezeichnete Empfangsantenne von relativ großer Länge wird zum Zwecke der passiven akustischen Ortung von Geräuschquellen von einem Wasserfahrzeug geschleppt. Zur Erzeugung der Antennen-Richtcharakteristik werden die Empfangssignale der einzelnen Schallwandler addiert, wodurch eine sehr gute Bündelung der Hauptkeule quer zur Längsrichtung der Antenne erzielt wird. Die Antenne ist jedoch in Radialrichtung gleichmäßig empfindlich und somit nicht in der Lage, eine Rechts-/Links-Unterscheidung vorzunehmen, also festzustellen, ob die geortete Geräuschquelle steuer- oder backbordseitig zur Schlepprichtung liegt. Für diese Unterscheidung sind zusätzliche Einrichtungen notwendig.

Es ist auch bereits eine Antenne der eingangs genannten Art (z. B. DE 26 15 571 A1) bekannt, die auf Grund einer kreisförmigen räumlichen Anordnung der Schallwandler nur in einer Richtung empfindlich ist. Auch hier weisen die einzelnen Schallwandler - losgelöst von der Einbaulage in der Antenne - eine Rundumcharakteristik auf. Die Schallwandler sind auf einem Zylindermantel angeordnet. Zur Bildung der Antennen-Richtcharakteristik werden jeweils die Empfangs- bzw. Sendesignale einer Gruppe von Schallwandlern, die z. B. über einen Umfangswinkel von ca. 100° verteilt sind, über ein Verzögerungsnetzwerk zusammengefaßt. Auch diese als sog. Zylinderbasis bezeichnete Antenne weist eine gute Bündelung der Hauptkeule in einer Ebene quer zur Zylinderachse auf, wobei jedoch auch hier sog. Nebenkeulen auftreten. Durch Vorsehen schallharter Reflektoren auf der zur Zylinderachse weisenden Seite der Schallwandler, die üblicherweise von dem Zylindermantel selbst gebildet werden, können die Nebenkeulen reduziert werden, so daß z. B. das Nebenmaß von 14 dB auf etwa 30 dB angehoben wird. (Unter Nebenmaß wird die Differenz zwischen den maximalen Schalldruckpegeln von Haupt- und größter Nebenkeule verstanden.) Voraussetzung hierfür ist jedoch eine minimale vertikale Ausdehnung der Zylinderbasis, die größer als ein Viertel der Wellenlänge der Sende- bzw. Empfangsfrequenz sein muß. Bei relativ niedrigen Frequenzen bedeutet dies eine erhebliche Ausdehnung der Zylinderbasis in Vertikalrichtung, die häufig aus verschiedenen Gründen, z. B. Tiefgang des Schiffs, nicht akzeptabel ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine eindeutige Richtungsempfindlichkeit aufweist, ohne daß hierfür zusätzliche Einrichtungen erforderlich sind, und dabei in Ausgestaltung als Zylinderbasis eine nur geringe Ausdehnung in vertikaler Richtung erfordert.

Diese Aufgabe wird bei einer akustischen Unterwasserantenne der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Durch das große Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis der einzelnen Schallwandler der Antenne - was bedeutet, daß die einzelnen Schallwandler in einem rückwärtigen Winkelbereich keine oder nur eine gegenüber dem gegenüberliegenden Voraus-Winkelbereich erheblich reduzierte akustische Empfindlichkeit besitzen - und durch die gleichsinnige Ausrichtung der Schallwandler in der Anordnung, derart, daß der empfindliche Voraus-Winkelbereich aller Schallwandler im wesentlichen in die beabsichtigte Abstrahl- bzw. Empfangsrichtung der Antenne weist, hat die erfindungsgemäße Antenne eine eindeutige Richtungsempfindlichkeit, ohne daß hierfür zusätzlich Einbaumaßnahmen erforderlich wären. Die erfindungsgemäße Antenne kann sehr breitbandig senden bzw. empfangen. Die Antenne ist bei hohen Frequenzen sehr empfindlich und bei ausreichender Empfindlichkeit noch bis herunter zu 100 Hz brauchbar.

In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne als Schleppantenne sind die Schallwandler kettenartig nebeneinander in Längsrichtung der Antenne aufgereiht, wobei die Winkelbereiche mit keiner oder stark reduzierter Empfindlichkeit zu einer Längsseite der Antenne weisen.

In Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne als Zylinderbasis sind die Schallwandler auf einem Kreis angeordnet. Sie sind dabei so auszurichten, daß die Winkelbereiche mit keiner oder geringfügiger Empfindlichkeit zum Kreismittelpunkt weisen. Durch die bekannte Zusammenfassung der Signale einer Gruppe von Schallwandlern über ein Verzögerungsnetzwerk läßt sich eine sehr gute Bündelung der in Radialrichtung weisenden Hauptkeule erreichen. Die Ausdehnung der erfindungsgemäßen Antenne quer zur Kreisebene, in Einbaulage also im wesentlichen in Vertikalrichtung, ist dabei allein bestimmt durch die geometrischen Abmessungen der Schallwandler. Die erfindungsgemäße Antenne hat in ihrer Ausgestaltung als Zylinderbasis somit alle gewünschten Eigenschaften einer herkömmlichen Zylinderbasis und dabei eine Höhe in Achsrichtung, die nicht größer ist als die einer ebenen Flachbasis. Das bevorzugte Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Antenne in Ausgestaltung als Zylinderbasis ist somit auch dort zu sehen, wo ein geforderter geringer Tiefgang oder ein geforderter geringer Strömungskoeffizient eines mit einer solchen Unterwasserantenne ausgerüsteten Schiffes die Verwendung von herkömmlichen Zylinderbasen verbietet.

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus Anspruch 2 und 3. Durch die jeweils angegebenen Merkmale läßt sich die erfindungsgemäße Antenne mit herkömmlichen rundumempfindlichen Wandlerelementen aufbauen, die durch ihre geometrische Anordnung und elektrische Verschaltung die gewünschte Einzel-Richtcharakteristik ergeben. Dabei wird die Ausführungsform gemäß Anspruch 2 vorzugsweise für Schallwandler verwendet, die aus zwei, höchstens jedoch drei Wandlerelementen gebildet sind. Die Ausführungsform gemäß Anspruch 3 wird vorzugsweise dann angewendet, wenn die Schallwandler aus mindestens drei oder mehr Wandlerelementen zusammengesetzt sind. Ein von zwei rundumempfindlichen Wandlerelementen gebildeter Schallwandler besitzt eine nierenförmige Einzel-Richtcharakteristik, deren Richtdiagramm eine Kardioide ist. Mit zunehmender Anzahl von Wandlerelementen pro Schallwandler nimmt sowohl das Vorwärts-Rückwärts- Verhältnis zu, als auch die Breitenabmessung des Richtdiagramms, also die Abmessung quer zur Hauptachse der maximalen Empfindlichkeit, ab.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 4. Bei dieser Anordnung der einzelnen, jeweils einen Schallwandler bildenden Wandlerelemente und durch entsprechende Zusammenfassung der Schallwandlersignale in bekannter Weise über ein Verzögerungsnetzwerk ergibt sich eine Richtcharakteristik, wie sie von herkömmlichen Zylinderbasen mit ausgedehnter Höhenabmessung bekannt sind.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 6. Mit dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne lassen sich Schleppantennen beliebiger Länge realisieren, die in Schlepprichtung entweder backbord- oder steuerbordseitig empfindlich sind. Durch Umschalten der Wandlerelemente, z. B. Vertauschen der Wandleranschlüsse bei nur zwei Wandlerelementen, kann die Richtung der Empfindlichkeit um 180°C geändert werden.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer akustischen Unterwasserantenne, schematisch dargestellt,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Schallwandlers der Antenne in Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Schallwandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Schallwandlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Darstellung von Richtdiagrammen der Schallwandler in Fig. 2 und 3,

Fig. 6 eine Darstellung der Binomialkoeffizienten des Pascalschen Dreiecks zur Bestimmung der Verstärkungsfaktoren von Amplitudenbewertern in dem Blockschaltbild gemäß Fig. 4 für insgesamt sieben Wandlerelemente,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht der akustischen Unterwasserantenne gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit Blockschaltbild,

Fig. 8 ein Blockschaltbild der akustischen Unterwasserantenne gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht einer akustischen Unterwasserantenne gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel mit Blockschaltbild für den Empfangsbetrieb, schematisch dargestellt.

Die in Fig. 1 als Empfangsantenne dargestellte akustische Unterwasserantenne weist eine langgestreckte Anordnung von Schallwandlern 10 auf, die etwa kettenartig nebeneinander aufgereiht sind. Eine solche Konfiguration der Schallwandleranordnung wird vorzugsweise bei sog. Schleppantennen verwendet. Die Schallwandler 10 sind dabei auf einem Träger 11 befestigt, der von einem Wasserfahrzeug geschleppt wird. Zur Bildung der Antennen-Richtcharakteristik sind die am Ausgang 12 der Schallwandler 10 anliegenden Empfangssignale einem Addierwerk 13 zugeführt, an dessen Ausgang 14 das Antennenausgangssignal als Summensignal der Empfangssignale ansteht. Zur Schwenkung der Richtcharakteristik ist zwischen den Ausgängen 12 der Schallwandler 10 und den Eingängen des Addierwerks 13 ein Verzögerungsnetzwerk 15 vorgesehen, durch welches die Empfangssignale eine vorbestimmte zeitliche Verzögerung gegeneinander erfahren, so daß die exakt quer zur Längsrichtung des Trägers 11 ausgerichtete Hauptkeule der Richtcharakteristik um einen gewünschten Winkelbetrag in Längsrichtung des Trägers 11 geneigt werden kann.

In der Regel wird die in Fig. 1 dargestellte Unterwasserantenne als Empfangsantenne verwendet. Es ist jedoch in Ausnahmefällen auch möglich, diese als Sendeantenne zu betreiben. Hierzu ist lediglich das Addierwerk 13 durch ein Verteilungsnetzwerk 16 zu ersetzen, das in Fig. 1 strichliniert eingezeichnet ist. Am Eingang 17 des Verteilungsnetzwerks 16 liegt dann ein Generatorsignal an, das als Sendesignal an den Eingängen 18 der Schallwandler 10, die identisch mit den Ausgängen 12 sind, jeweils ansteht.

Jeder Schallwandler 10 weist eine von seiner Einbaulage in der Schallwandleranordnung auf dem Träger 11 unabhängige Einzel-Richtcharakteristik mit großem Vorwärts-Rückwärtsverhältnis auf. Richtdiagramme von zwei Ausführungsformen von Schallwandlern sind in Fig. 5 dargestellt. Das strichlinierte Richtdiagramm hat die Form einer Kardioide. Aus diesen Richtdiagrammen ist zu erkennen, daß der Schallwandler 10 unter dem Richtungswinkel ϑ=0° eine maximale Empfindlichkeit und in der hierzu entgegengesetzten Richtung ϑ=180° eine Empfindlichkeits- Nullstelle aufweist. Die Vorwärts-Empfindlichkeit des Schallwandlers 10 in dem Bereich ϑ=0° bis ±90° ist insgesamt erheblich größer als die Rückwärts- Empfindlichkeit in dem Bereich ϑ=+90° bis 270°.

Die Anordnung der Schallwandler 10 auf dem Träger 11 ist so getroffen, daß Zonen oder Winkelbereiche gleicher Empfindlichkeit im wesentlichen in die gleiche Richtung weisen. Die Empfindlichkeits-Nullstelle aller Schallwandler 10 zeigen dabei zu der gleichen Längsseite des Trägers 11.

Zur Erzeugung einer solchen Einzel-Richtcharakteristik mit großem Vorwärts-Rückwärtsverhältnis weist jeder Schallwandler 10 mehrere, wenigstens zwei herkömmliche rundumempfindliche Wandlerelemente 19 auf, die auf einer zur Schallwandlerreihe quer ausgerichteten Achse 20 hintereinander äquidistant im Abstand d voneinander angeordnet und in der nachfolgend beschriebenen Weise elektrisch miteinander verbunden sind.

Als bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Schallwandlers 10 ist in Fig. 2 ein Schallwandler 210 dargestellt, der zwei solche rundumempfindliche Wandlerelemente 19 aufweist. Das eine Wandlerelement 19 ist unmittelbar und das andere Wandlerelement 19 über ein Zeitverzögerungsglied 21 mit einer Koppelstelle 39 verbunden. Das Zeitverzögerungsglied 21 besitzt eine Zeitkonstante τ, die gleich dem Quotienten aus dem Abstand d der beiden Wandlerelemente 19 und der Schallgeschwindigkeit c im Wasser ist. Im Empfangsbetrieb ist die Koppelstelle 39 als Differenzbildner 22 realisiert, deren Ausgang den Ausgang 12 des Schallwandlers 10 bildet. Anstelle des Differenzbildners 22 kann auch ein Addierglied gesetzt werden, dessen einem Eingang ein Inverter vorgeschaltet ist. Im Sendebetrieb ist die Koppelstelle 39 - wie in Fig. 3 dargestellt - als Verzweigungsstelle 23 ausgebildet, in deren einem von zwei Abzweigen ein Inverter 24 - oder ein Multiplizierglied, welches das über diesen Abzweig übertragene Sendesignal mit dem Faktor -1 multipliziert, - enthalten ist. Der Eingang der Verzweigungsstelle 23 bildet den Eingang 18 des Schallwandlers 210.

Der gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ausgebildete Schallwandler 10 bzw. 210 weist eine nierenförmige Einzel-Richtcharakteristik auf, deren Richtdiagramm in Fig. 5 strichliniert dargestellt ist und die Form einer Kardioide hat. Durch die Zusammenfassung aller Einzel-Richtcharakteristiken der Schallwandler 10 mittels des Addierwerks 13 im Empfangsbetrieb bzw. mittels des Verteilungsnetzwerks 16 im Sendebetrieb wird eine Antennen- Richtcharakteristik erzeugt, deren Hauptkeule quer zur Längserstreckung des Trägers 11 in Richtung des in Fig. 1 eingezeichneten Pfeils ϑ=0° weist und einen relativ kleinen Öffnungswinkel aufweist. Zur Verringerung der Größe der Nebenkeule ist in bekannter Weise Amplitudenstaffelung möglich, was jedoch hier nicht besonders dargestellt ist.

Als weiteres Ausführungsbeispiel der Schallwandler 10 ist in Fig. 3 ein Schallwandler 310 dargestellt, der insgesamt drei Wandlerelemente 19 aufweist, die auf der Achse 20 im gleichen Abstand d voneinander angeordnet sind. Die Achse 20 ist auch gleichzeitig der Ort der Empfindlichkeits-Nullstelle und des Empfindlichkeits- Maximums der Einzel-Richtcharakteristik des Schallwandlers 310. Zur Vereinfachung der Beschreibung sind den Wandlerelementen 19 eines jeden Schallwandlers 310 Ordnungszahlen zugeteilt, und zwar dem ersten Wandlerelement 19 die Ordnungszahl 0, dem zweiten die Ordnungszahl 1 und dem dritten die Ordnungszahl 2. Jedem Wandlerelement 19, mit Ausnahme des in der Reihenfolge ersten Wandlerelements mit der Ordnungszahl 0, ist ein Zeitverzögerungsglied 21 zugeordnet, dessen Zeitkonstante τ - ebenso wie die Zeitkonstante des Verzögerungsglieds 21 in Fig. 2 - gleich dem Quotienten aus dem Abstand d benachbarter Wandlerelemente 19 und der Schallgeschwindigkeit c im Wasser ist. Von benachbarten Wandlerelementen 19 ist jeweils immer ein Wandlerelement unmittelbar und das in aufsteigender Reihenfolge folgende Wandlerelement über das Verzögerungsglied 21 mit einer Koppelstelle 39 verbunden. So ist das Wandlerelement 19 mit der Ordnungszahl 0 unmittelbar und das Wandlerelement 19 mit der Ordnungszahl 1 über das Verzögerungsglied 21 mit einer Koppelstelle 39, das Wandlerelement 19 mit der Ordnungszahl 1 unmittelbar und das Wandlerelement 19 mit der Ordnungszahl 2 wiederum über ein Verzögerungsglied 21 mit gleicher Zeitkonstante τ mit der nächsten Koppelstelle 39 verbunden. Die erste Koppelstelle 39 ist unmittelbar und die nächste Koppelstelle 39 wiederum über ein Zeitverzögerungsglied 21 mit gleicher Zeitkonstante mit einer Endkoppelstelle 25 verbunden. Wie hier für den Sendebetrieb gezeigt, sind die Koppelstellen 39 und die Endkoppelstelle 25 als gleichartige Verzweigungsstellen 23 ausgebildet, die in einem von beiden Abzweigen, und zwar jeweils immer in dem gleichen Abzweig, einen Inverter 24 aufweisen. Der Eingang der Endkoppelstelle 25 bildet den Eingang 18 der Schallwandler 310.

Im Empfangsbetrieb sind die Koppelstellen 39, einschließlich der Endkoppelstelle 25, - wie in Fig. 2 gezeigt - als Differenzbildner ausgebildet. Der Ausgang der Endkoppelstelle 25 bildet dabei den Ausgang der Schallwandler 310.

Dieses für drei Wandlerelemente 19 vorstehend beschriebene elektrische Verschaltungssystem läßt sich für eine beliebige Anzahl von Wandlerelementen 19 fortsetzen. Dabei wird jedem folgenden Wandlerelement 19 jeweils ein Zeitverzögerungsglied 21 mit gleicher Zeitkonstante τ zugeordnet und aufeinanderfolgende Wandlerelemente, wie beschrieben, zu einer Koppelstelle 39 zusammengefaßt. Den Koppelstellen 39 - mit Ausnahme der sich aus der Zusammenfassung des in der Reihenfolge ersten und zweiten Wandlerelements 19 mit der Ordnungszahl 0 bzw. 1 ergebenden ersten Koppelstelle - werden jeweils weitere Verzögerungsglieder 21 mit derselben Zeitkonstante zugeordnet. Die Koppelstellen 39 werden - wie beschrieben - in gleicher Weise wie die Wandlerelemente 19 mit weiteren Koppelstellen 39 verbunden, die wiederum in der gleichen Weise über Verzögerungsglieder 21 zu Koppelstellen 39 so lange zusammengefaßt sind, bis eine einzige Endkoppelstelle 25 vorhanden ist, an welcher im Empfangsbetrieb das Ausgangssignal und im Sendebetrieb das Eingangssignal des Schallwandlers ansteht.

Bei Schallwandlern mit mehreren Wandlerelementen 19 läßt sich die elektrische Schaltung des Schallwandlers gemäß Fig. 4 wesentlich vereinfachen. Als Beispiel ist hier ein Schallwandler 410 dargestellt, der insgesamt sieben Wandlerelemente 19 aufweist. Alle Wandlerelemente 19 sind wiederum auf der Achse 20 im gleichen Abstand d hintereinander angeordnet. Jedes Wandlerelement 19 ist jeweils über eine Reihenschaltung aus einem Amplitudenbewerter 26 und einem Verzögerungsglied 27 mit einem Koppelnetzwerk 28 verbunden. Die Verzögerungsglieder 27 weisen eine Zeitkonstante auf, die sich aus der Ordnungszahl n des dem jeweiligen Verzögerungsglied 27 zugeordneten Wandlerelements 19 multipliziert mit dem Quotienten τ aus dem Abstand d benachbarter Wandlerelemente 19 und der Schallgeschwindigkeit c im Wasser ergibt. Somit hat das dem Wandlerelement 19 der Ordnungszahl 0 zugeordnete Verzögerungsglied 27 ein Zeitkonstante 0, das dem Wandlerelement 19 der Ordnungszahl 1 zugeordnete Verzögerungsglied 27 die Zeitkonstante τ, das dem Wandlerelement 19 mit der Ordnungszahl 2 zugeordnete Verzögerungsglied 27 die Zeitkonstante 2τ usw. Die Verstärkungsfaktoren A₀ bis A₆ der Amplitudenbewerter 26 sind entsprechend den Binomialkoeffizient des Pascalschen Dreiecks bestaffelt, wie es in Fig. 6 für insgesamt sieben Wandlerelemente 19 mit den Ordnungszahlen 0 bis 6 dargestellt ist. Danach weisen die Amplitudenbewerter 26 Verstärkungsfaktoren A₀ bis A₆ auf, die entsprechend der Ordnungszahlen der ihnen zugeordneten Wandlerelemente 19 - beginnend mit der Ordnungszahl 0 - wie folgt gestaffelt sind:

1 6 15 20 15 6 1.

In die den Wandlerelementen 19 ungeradzahliger Ordnungszahl zugeordnete Reihenschaltung aus Zeitverzögerungsglied 27 und Amplitudenbewerter 26 ist jeweils ein Inverter 29 eingeschaltet, so daß die Phasen der Signale in aufeinanderfolgenden Wandlerelementen 19 zusätzlich um 180° gedreht werden. Die Inverter 29 können auch den Wandlerelementen 19 geradzahliger Ordnungszahl zugeordnet werden. Das Koppelnetzwerk 28 ist im Empfangsbetrieb - wie in Fig. 4 dargestellt - als Summierer 30 ausgebildet. Im Sendebetrieb ist das Koppelnetzwerk 28 als Verzweigungsnetzwerk - das gleich ausgebildet ist wie das Verteilungsnetzwerk 16 in Fig. 1 - zu realisieren.

Ein Schallwandler 310 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 oder ein Schallwandler 410 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 4, allerdings nur mit drei Wandlerelementen 19, weist eine Richtcharakteristik auf, deren Richtdiagramm in Fig. 5 ausgezogen dargestellt ist. Wie aus Fig. 5 ohne weiteres ersichtlich, vergrößert sich das Vorwärts-Rückwärtsverhältnis des Schallwandlers mit zunehmender Anzahl der Wandlerelemente 19. Ist der Richtfaktor des Schallwandlers 210 mit zwei Wandlerelementen Γ, so ist der Richtfaktor eines Schallwandlers mit n+1 Wandlerelementen Γⁿ. Der Richtfaktor für einen Schallwandler 210 mit zwei Wandlerelementen 19, welcher der Bedingung

genügt, ergibt sich unter der Voraussetzung, daß das Produkt aus Wellenzahl k und Abstand d der Wandlerelemente 19 sehr viel kleiner als Eins ist. Diese Voraussetzung ist bei Frequenzen von 100 Hz bis 10 kHz, wie sie vornehmlich im Empfangsbetrieb auftreten, erfüllt.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer akustischen Unterwasserantenne dargestellt. Hier ist die Anordnung der Schallwandler 710 kreisförmig, und die jeweils den Schallwandlern 710 zugeordneten Wandlerelemente 19 sind auf radialen Speichen 31 angeordnet. Verschiedenen Schallwandlern 710 zugehörige Wandlerelemente 19 mit gleicher Ordnungszahl liegen jeweils auf einem Kreis 32-34. Die konzentrischen Kreise 32-34 weisen jeweils einen gegenseitigen Abstand d auf. Die Wandlerelemente 19 der größten Ordnungszahl liegen auf dem innersten Kreis 34 mit kleinstem Durchmesser und die Wandlerelemente 19 der Ordnungszahl 0 auf dem äußersten Kreis 32 mit größtem Durchmesser.

Bei dem hier gezeigten Beispiel weisen die Schallwandler 710 jeweils drei Wandlerelemente 19 auf. Der Aufbau der Schallwandler 710 ist somit identisch mit Fig. 3. Er kann aber auch Fig. 4 entsprechen mit nur drei Wandlerelementen 19 der Ordnungszahl 0, 1, 2 und den Verstärkungsfaktoren A₀, A₁, A₂ der Amplitudenbewerter 28, die sich aus dem Pascalschen Dreieck für N=3 in der Staffelung 1 2 1 ergeben. Das Richtdiagramm der Einzel-Richtcharakteristik der Schallwandler 710 ist somit das in Fig. 5 ausgezogen dargestellte Richtdiagramm mit dem Richtfaktor Γ². Die Ausrichtung der Schallwandler 710 ist dabei derart, daß die Empfindlichkeits- Nullstelle zum gemeinsamen Mittelpunkt aller Kreise 32-34 weist.

In dem in Fig. 7 dargestellten Sendebetrieb der Unterwasserantenne sind zur Erzeugung der Antennen-Richtcharakteristik der Eingang 35 der Schallwandler 710 über ein Verzögerungsnetzwerk 36 mit einem Verteilungsnetzwerk 37 verbunden, dessen Eingang 38 mit einem Generatorsignal belegt wird. Die Eingänge 35 der Schallwandler 710 werden im Falle der Ausbildung der Schallwandler 710 gemäß Fig. 3 von dem Eingang 18 der Endkoppelstelle 25 und im Falle der Ausbildung der Schallwandler 710 gemäß Fig. 4 von dem Eingang des Koppelnetzwerks 28 gebildet.

Auch die Antenne gemäß Fig. 7 kann ohne weiteres als Empfangsantenne betrieben werden. In diesem Fall ist das Verteilungsnetzwerk 37 durch ein Addierwerk, identisch dem Addierwerk 13 in Fig. 1, zu ersetzen. Die Koppelstellen 39, einschließlich der Endkoppelstelle 25 in der Ausbildung der Schallwandler 710 gemäß Fig. 3 sind dann durch Differenzbildner identisch dem Differenzbildner 22 in Fig. 2 zu realisieren, während das Koppelnetzwerk 28 bei der Ausbildung der Schallwandler 710 gemäß Fig. 4, wie dort gezeichnet, als Summierer 30 auszubilden ist.

Eine schaltungstechnische Vereinfachung der Unterwasserantenne in Fig. 1 und 4 bzw. 4 und 7 läßt sich dadurch erreichen, daß gemäß Fig. 8 zum Schwenken der Antennen-Richtcharakteristik bei kettenartiger Aufreihung der Schallwandler 10 (Schleppantenne) bzw. zum Erzeugen und ggf. Schwenken der Antennen-Richtcharakteristik bei kreisförmiger Anordnung der Schallwandler 710 (Flachbasis) die Koppelnetzwerke 28 aller Schallwandler 810 zu einem einzigen Antennen- Koppelnetzwerk 40 zusammengefaßt werden. Das Antennen- Koppelnetzwerk 40 ist im Empfangsbetrieb als Summierer 41 (in Fig. 8 ausgezogen dargestellt) und im Sendebetrieb als Verzweigungsnetzwerk 42 (in Fig. 8 strichliniert dargestellt) ausgebildet. Der Summierer 41 weist eine der Anzahl aller vorhandenen Wandlerelemente 19 der Schallwandler 810 entsprechende Zahl von Eingängen und das Verzweigungsnetzwerk 42 eine gleiche Anzahl von Abgängen auf, die von einem einzigen Zugang abgehen. In Fig. 8 weist jeder Schallwandler 810 (I)-810 (M) zwei Wandlerelemente 19 mit der Ordnungszahl 0 und 1 auf. Wie bei dem Schallwandler 310 gemäß Fig. 3 ist jedem Wandlerelement 19 eines Schallwandlers 810 ein Verzögerungsglied 27 mit der Zeitkonstante n · τ nachgeschaltet, wobei sich τ wie beschrieben berechnet und n die Ordnungszahl des jeweiligen Wandlerelements 19 ist, hier also die Werte 0 und 1 annimmt, je nachdem, welchem Wandlerelement die Ordnungszahl 0 bzw. 1 zugeordnet wird. In Reihe mit Wandlerelement 19 und Verzögerungsglied 27 liegt noch ein Multiplikator 45, in welchem das Signal mit dem Faktor +1 oder -1 multipliziert werden kann. Die Multiplikatoren 45 sind dabei so geschaltet, daß alle mit Wandlerelementen 19 geradzahliger Ordnungszahl verbundenen Multiplikatoren 45 gleichzeitig den Faktor -1 und alle mit Wandlerelementen 19 ungeradzahliger Ordnungszahl verbundene Multiplikatoren 45 gleichzeitig den Faktor +1 aufweisen, oder umgekehrt.

Zwischen den Wandlerelementen 19 und dem Koppelnetzwerk 40 ist jeweils noch ein weiteres Verzögerungselement 43 in Reihe mit dem Multiplikator 45 und dem Verzögerungsglied 27 geschaltet. Die Zeitkonstante des weiteren Verzögerungsglieds 43 wird in bekannter Weise aus der Empfangs- bzw. Senderichtung der Unterwasserantenne (Schleppantenne) bzw. aus der Empfangs- bzw. Senderichtung der Unterwasserantenne und der Lage des zugehörigen Schallwandlers 810 innerhalb der Gruppe der zur Richtungsbildung herangezogenen Schallwandler 810 (Flachbasis) bestimmt. Für alle weiteren Verzögerungsglieder 43, die mit dem Wandlerelement 19 verbunden sind, die demselben Schallwandler 810(I)-810(M) angehören, ist die Zeitkonstante gleich. Zweckmäßigerweise sind die weiteren Verzögerungsglieder 43 mit den Verzögerungsgliedern 27 jeweils zu einem gemeinsamen Verzögerungsglied 44 zusammengefaßt, dessen Zeitkonstante gleich der Summe der Zeitkonstanten beider Einzel-Verzögerungsglieder 27, 44 ist.

In Fig. 9 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Unterwasserantenne mit dazugehörigem Blockschaltbild schematisch dargestellt. In der sog. Schleppantenne sind die Schallwandler 910 in Längserstreckung eines flexiblen Schlauchs 46 nebeneinander kettenartig aufgereiht. Die zu einem Schallwandler 910 gehörigen Wandlerelemente 19 sind in zur Längsrichtung der Schallwandleranordnung, also in Längsrichtung des Schlauchs 46, quer liegenden Ebenen 47 so angeordnet, daß die jeweils in einer Ebene 47 liegenden drei Wandlerelemente 19 auf den Eckpunkten eines gleichseitigen Dreiecks liegen, also gleichen Abstand voneinander haben. Jedes Wandlerelement 19 ist über eine Reihenschaltung aus einem Schaltelement 48, einem Verzögerungsglied 49 und einem Multiplikator 50 mit einem Summierer 51 verbunden. (Im Sendebetrieb wird der Summierer wie zu Fig. 8 beschrieben durch ein Verzweigungsnetzwerk ersetzt.) Die Zeitverzögerungsglieder 49 haben eine Zeitkonstante τ, die sich wie beschrieben berechnet, und auf Null umgeschaltet werden kann. Die Faktoren der Multiplikatoren 50 betragen umschaltbar +1 und -1. Durch die Schaltelemente 48 können jeweils zwei von drei Wandlerelementen 19 zu einem Schallwandler 910 zusammengefaßt werden, dessen Funktionsweise identisch mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist. Die Multiplikatoren 50 müssen dabei so geschaltet sein, daß jeweils der mit dem einen Wandlerelement 19 eines Schallwandlers 910 verbundene Multiplikator 50 den Faktor -1 und der mit dem anderen Wandlerelement 19 desselben Schallwandlers 910 verbundene Multiplikator 50 den Faktor +1 aufweist. Werden jeweils gleichartige Schaltelemente 48 geschlossen, so daß in jeder Ebene 47 gleichlagige Wandlerelemente 19 an den Summierer 51 angeschlossen sind, so kann die Schleppantenne insgesamt sechs verschiedene Empfangs- bzw. Senderichtungen erhalten, die alle senkrecht zur Längsachse des Schlauchs 46 ausgerichtet sind. Die Ebenen der Empfangs- bzw. Senderichtungen schneiden die Ebenen 47, in welchen jeweils drei der Wandlerelemente 19 liegen, jeweils in der Verbindungsgeraden zweier Wandlerelemente 19.

Claims (10)

1. Akustische Unterwasserantenne mit einer Anordnung von nebeneinander längs einer Linie aufgereihten Schallwandlern, deren Wandlersignale (Sende- oder Empfangssignale) zur Bildung einer Antennen-Richtcharakteristik zumindest teilweise zusammengefaßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Schallwandler (10; 210; 310; 410; 710; 910) mehrere rundumempfindliche Wandlerelemente (19) aufweist, die auf einer zu der Linie quer ausgerichteten Achse (20) hintereinander äquidistant angeordnet sind, und daß die Wandlerelementsignale (Sende- oder Empfangssignale) der jeweils auf einer Achse (20) liegenden Wandlerelemente (19) derart miteinander verknüpft sind, daß die Einzel-Richtcharakteristiken der Schallwandler (10; 210; 310; 410; 710; 910) ein großes Vorwärts-Rückwärts-Verhältnis besitzen und mit Zonen gleicher Empfindlichkeit im wesentlichen in die gleiche Richtung weisen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Wandlerelement (19) - mit Ausnahme des in der Reihenfolge ersten Wandlerelements (Ordnungszahl 0) - ein Zeitverzögerungsglied (21) zugeordnet ist, das eine Zeitkonstante (τ) aufweist, die gleich dem Quotienten aus dem Abstand (d) benachbarter Wandlerelemente (19) und der Schallgeschwindigkeit im Wasser ist, daß von benachbarten Wandlerelementen (19) jeweils immer ein Wandlerelement (19) unmittelbar und das in aufsteigender Reihenfolge der Wandlerelemente (19) folgende Wandlerelement (19) über das Verzögerungsglied (21) mit einer Koppelstelle (39) verbunden ist, daß den Koppelstellen (39) - mit Ausnahme der sich aus der Zusammenfassung des in der Reihenfolge ersten und zweiten Wandlerelements (Ordnungszahl 0 und Ordnungszahl 1) ergebenden ersten Koppelstelle (39) - jeweils weitere Verzögerungsglieder (21) mit derselben Zeitkonstante (τ) zugeordnet sind, daß die Koppelstellen (39) in gleicher Weise wie die Wandlerelemente (19) mit weiteren Koppelstellen (39) verbunden sind, die wiederum in der gleichen Weise über Verzögerungsglieder (21) zu Koppelstellen (39) so lange zusammengefaßt sind, bis eine einzige Endkoppelstelle (25) vorhanden ist, an welcher im Empfangsbetrieb das Ausgangssignal und im Sendebetrieb das Eingangssignal des Schallwandlers (210; 310) anliegt, und daß die Koppelstellen (39) einschließlich der Endkoppelstelle (25) im Empfangsbetrieb als Differenzbildner (22) und im Sendebetrieb als gleichartige Verzweigungsstellen (23) mit in einem von zwei Abzweigen enthaltenen Inverter (24) ausgebildet sind (Fig. 3).

3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (19) über jeweils eine Reihenschaltung aus einem Amplitudenbewerter (28) und einem Verzögerungsglied (27) mit einem Koppelnetzwerk (28) verbunden sind, daß die Verzögerungsglieder (27) eine Zeitkonstante (n · τ) aufweisen, die sich aus der Ordnungszahl n des dem jeweiligen Verzögerungsglied (27) zugeordneten Wandlerelements (19) multipliziert mit dem Quotienten aus dem Abstand (d) benachbarter Wandlerelemente (19) und der Schallgeschwindigkeit im Wasser ergibt, wobei dem in der Reihenfolge ersten Wandlerelement (19) die Ordnungszahl 0 zugehörig ist, daß die Amplitudenbewerter (28) Verstärkungsfaktoren (A_n) aufweisen, die entsprechend den Binominalkoeffizienten des Pascalschen Dreiecks gestaffelt sind, wobei n die Ordnungszahl des dem jeweiligen Amplitudenbewerter (28) zugeordneten Wandlerelements (19) ist, daß den Wandlerelementen (19) ungeradzahliger oder geradzahliger Ordnungszahl jeweils ein Inverter (29) zugeordnet ist und daß das Koppelnetzwerk (28), an welchem im Empfangsbetrieb das Ausgangssignal und im Sendebetrieb das Eingangssignal des Schallwandlers (410) ansteht, im Empfangsbetrieb als Summierer (30) und im Sendebetrieb als Verzweigungsnetzwerk mit einer der Anzahl der Wandlerelemente (19) entsprechenden Vielzahl von Abzweigen ausgebildet ist (Fig. 4).

4. Antenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Schallwandler (710) kreisförmig ist und die jeweils den Schallwandlern (710) zugeordneten Wandlerelemente (19) auf radialen Speichen (31) angeordnet sind, wobei verschiedenen Schallwandlern (710) zugehörige Wandlerelemente (19) mit gleicher Ordnungszahl (0, 1, 2) jeweils auf einem Kreis (32-34) liegen, und daß der Durchmesser der konzentrischen Kreise (32-34) mit Anwachsen der Ordnungszahl (0, 1, 2) der auf ihnen liegenden Wandlerelemente (19) abnimmt (Fig. 7).

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen und ggf. zum Schwenken der Antennen-Richtcharakteristik die Endkoppelstellen (25) bzw. das Koppelnetzwerk (28) der Schallwandler (710) über ein Verzögerungsnetzwerk (36) im Empfangsbetrieb mit einem Addierwerk, an dessen Ausgang das Antennen-Ausgangssignal abnehmbar ist, und im Sendebetrieb mit einem Verteilungsnetzwerk (37), an welchem ein Generatorsignal anliegt, verbunden ist.

6. Antenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Schallwandler (10) langgestreckt mit etwa kettenartiger Aufreihung der Schallwandler (10) ist und daß zur Erzeugung der Antennen-Richtcharakteristik die Endkoppelstelle (25) bzw. das Koppelnetzwerk (28) der Schallwandler (10) im Empfangsbetrieb mit einem Addierwerk (13), an dessen Ausgang das Antennen-Ausgangssignal abnehmbar ist, bzw. im Sendebetrieb mit einem Verteilungsnetzwerk (16), an welchem ein Generatorsignal anliegt, verbunden ist (Fig. 1).

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schwenken der Antennen-Richtcharakteristik zwischen der Endkoppelstelle (25) bzw. dem Koppelnetzwerk (28) der Schallwandler (10) und dem Summierer (13) bzw. dem Verteilungsnetzwerk (16) ein Verzögerungsnetzwerk (15) eingeschaltet ist.

8. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen und/oder Schwenken der Antennen-Richtcharakteristik die Koppelnetzwerke (28) aller Schallwandler (810) zu einem Antennen-Koppelnetzwerk (40) zusammengefaßt sind, das im Empfangsbetrieb als Summierer (41) mit einer der Anzahl aller vorhandenen Wandlerelemente (19) entsprechenden Zahl von Eingängen und im Sendebetrieb als Verzweigungsnetzwerk (42) mit einem Zugang und einer der Anzahl aller vorhandenen Wandlerelemente (19) entsprechenden Zahl von Abgängen ausgebildet ist, und daß zwischen dem Antennen-Koppelnetzwerk (40) und den Wandlerelementen (19) jeweils ein weiteres Verzögerungsglied (43) eingeschaltet ist, dessen Zeitkonstante sich aus der Lage des zugeordneten Schallwandlers (810) und/oder aus der Empfangs- bzw. Senderichtung der Antenne bestimmt und für alle weiteren Verzögerungsglieder (43), die demselben Schallwandler (810) zugehörigen Wandlerelementen (19) zugeordnet sind, gleich ist (Fig. 8).

9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Wandlerelement (19) eines Schallwandlers (810) das zugehörige Verzögerungsglied (27) und das zugeordnete weitere Verzögerungsglied (43) zu einem einzigen Verzögerungsglied (44) zusammengefaßt sind (Fig. 8).

10. Antenne nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in quer zur Erstreckungsrichtung der Schallwandleranordnung liegenden parallelen Ebenen (47) jeweils drei Wandlerelemente (19) derart angeordnet sind, daß sie gleichen Abstand voneinander haben, und daß zum Einstellen der Richtcharakteristik wahlweise jeweils zwei Wandlerelemente (19) zu einem Schallwandler (910) zusammengeschaltet sind (Fig. 9).