DE1272780B

DE1272780B - Echosounder for underwater sound

Info

Publication number: DE1272780B
Application number: DE1964S0092390
Authority: DE
Inventors: William Halliday; Peter Roy Hopkin
Original assignee: S Smith and Sons Ltd
Current assignee: S Smith and Sons Ltd
Priority date: 1964-07-31
Filing date: 1964-07-31
Publication date: 1968-07-11

Description

Echolotgerät für Unterwasserschall Die Erfindung bezieht sich auf Echolotgeräte, bei denen Wandler zur Aussendung eines pulsierenden Strahles von Druckwellenenergie einzeln von einem elektrisch umgeschalteten Gerät erregt werden und bei denen dieses Umschaltgerät entsprechend einem Ausgangssignal einer auf eine räumliche Stellung ansprechenden Vorrichtung betätigt wird, so daß die Richtung des ausgesendeten Strahles stabilisiert wird.Echosounder for underwater sound The invention relates to Echosounders in which transducers are used to emit a pulsating beam from Pressure wave energy can be excited individually by an electrically switched device and in which this switching device according to an output signal one to one spatial position responsive device is actuated so that the direction of the emitted beam is stabilized.

Echolotgeräte des oben beschriebenen Typs, die für Tiefenlotung oder zur Erkennung von Fischen von einem Fahrzeug aus verwendet werden können, sind schon früher mit Einrichtungen zur Stabilisierung der Richtung des ausgesendeten Strahles gegen Rollbewegungen des Fahrzeugs versehen worden. Dabei werden getrennte Wandler in einem gewissen Abstand voneinander auf der Außenseite des Fahrzeugs angebracht, so daß die verschiedenen Einheiten bei Erregung ihre Energie von dem Fahrzeug in verschiedene Richtungen um die Rollachse des Fahrzeugs ausstrahlen. Ein elektrisches Schaltersystem wird so betrieben, daß stets nur einer der Wandler erregt wird, wobei die Auswahl des betreffenden Wandlers, welcher erregt wird, entsprechend dem Ausgangssignal eines Gyroskops erfolgt, welches auf den Rollwinkel des Fahrzeugs anspricht. Das Schaltersystem ist in letzterer Hinsicht durch das Ausgangssignal des Gyroskops derart gesteuert, daß es denjenigen Wandler erregt, dessen Stellung in der jeweiligen Bedingung des Rollwinkels am günstigsten zur Aussendung eines Signals in vertikaler Richtung von dem Fahrzeug nach unten ist. Da die Anzahl der in Abständen voneinander angeordneten Wandlerelemente notwendig beschränkt ist, so arbeitet die Stabilisierung nicht kontinuierlich, sondern stufenweise dementsprechend, wie das Schaltersystem während der Rollbewegung die Erregung von einem zum nächsten Wandler weiterschaltet. Es besteht daher der Nachteil, daß die Richtung des Sendestrahls nur teilweise stabilisiert ist und die Tendenz hat, während einer Rollbewegung des Fahrzeugs um die gewünschte Vertikalrichtung hin-und herzuschwingen. Diese Erscheinung kann leicht Unsicherheiten in der Aufzeichnung oder anderweitigen Wiedergabe der von dem Strahl ausgelösten Echosignale ergeben.Depth sounders of the type described above, which are used for depth sounding or can be used to detect fish from a vehicle are already earlier with devices to stabilize the direction of the emitted beam been provided against rolling movements of the vehicle. There are separate converters mounted at a certain distance from each other on the outside of the vehicle, so that the various units, when energized, draw their energy from the vehicle emit different directions around the roll axis of the vehicle. An electric one The switch system is operated in such a way that only one of the transducers is energized at a time, with the selection of the transducer concerned, which is energized, according to the output signal a gyroscope, which responds to the roll angle of the vehicle. That The switch system is in the latter respect through the output of the gyroscope controlled in such a way that it excites that transducer whose position in the respective Condition of the roll angle most favorable for sending a signal in a vertical direction Direction from the vehicle is downwards. As the number of spaced apart arranged transducer elements is limited necessary, the stabilization works not continuously, but gradually according to the switch system during the rolling movement the excitation switches from one transducer to the next. There is therefore the disadvantage that the direction of the transmission beam is only partially stabilized and has the tendency to during a roll movement of the vehicle around the desired Swing back and forth in the vertical direction. This phenomenon can easily create uncertainties in the recording or otherwise reproducing the triggered by the beam Echo signals result.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Echolotgerät des angegebenen Typs zu schaffen, in welchem dieser Nachteil des bekannten Gerätes überwunden ist.It is the object of the invention to provide an echo sounder of the specified To create type in which this disadvantage of the known device is overcome.

Ein Echolotgerät des angegebenen Typs ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler Einzelelemente eines aus vielen Elementen bestehenden Wandlerbündels sind und gemeinsam zur Aussendung des Strahles beitragen, daß die Um-Schaltanordnung dem ganzen Bündel von Wandlerelementen während der Aussendung eines jeden Energieimpulses Erregungsimpulse zuführt, daß die einzelnen Phasen der Impulse, mit denen die einzelnen Wandlerelemente von dem Schaltersystem erregt werden, variabel sind derart, daß die Senderichtung des pulsierenden Energiestrahles variiert wird, und daß das Schaltersystem die relativen Schaltmomente der erregenden Impulse entsprechend der Ausgangsspannung des auf die Winkelstellung ansprechenden Gerätes einregelt. .An echo sounder of the specified type is characterized in accordance with the invention characterized in that the transducers are single elements of one consisting of many elements Are transducer bundles and together contribute to the emission of the beam that the Um-switching arrangement of the whole bundle of transducer elements during the transmission of each energy pulse supplies excitation pulses that the individual phases of the Pulses with which the individual transducer elements are excited by the switch system, are variable such that the direction of transmission of the pulsating energy beam varies is, and that the switch system the relative switching moments of the exciting pulses according to the output voltage of the device responding to the angular position regulates. .

Die elektrische Änderung der übertragungsrichtung eines von einem Wandlerbündel ausgesendeten Schallstrahles für sich ist zwar bekannt. Dabei sind jedoch die Vorteile, die sich bei der Richtungsstabilisierung des Strahles ergeben, nicht erkannt worden.The electrical change in the direction of transmission one by one The transducer bundle emitted sound beam is known per se. Are there however, the advantages that result from the directional stabilization of the beam, not recognized.

Die Erfindung wird nun an Hand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Von diesen zeigt F i g. 1 ein Blockschaltbild eines Echolotgerätes gemäß der Erfindung und F i g. 2 eine perspektivische- Ansicht eines aus vielen Elementen bestehenden andlerbündels des Echolotgerätes, bei dem jedoch die Wicklungen der Wandlerelemente bis auf eine zwecks besserer Erkennbarkeit der Konstruktion weggelassen sind.The invention will now be illustrated with reference to the drawings Embodiment explained in more detail. Of these, FIG. 1 is a block diagram an echo sounder according to the invention and FIG. 2 is a perspective view an andlerbündels of the echo sounder device consisting of many elements, in which however, the windings of the transducer elements except for one for the purpose of better visibility are omitted from the construction.

In F i g. 1 ist 110 das Gerät zur Erzeugung eines vertikalen Bezugswertes; es kann als gedämpftes Pendel ausgebildet sein. Dieses Gerät 110 erzeugt eine Spannung V, die dem Sinus des Mastwinkels, d. h. des Winkels entspricht, um den das Schiff, auf welchem das Gerät angebracht ist, von der Vertikalen abweicht. Das in F i g. 2 gezeigte Wandlerelement ist an dem Schiff in solcher Weise befestigt, daß die Wandlerelemente in einer horizontalen Reihe liegen, wenn sich das Schiff in der Vertikalen befindet. Also ist die Spannung V proportional dem Sinus des Neigungswinkels der Reihe. Die Spannung V wird einem aus Widerständen gebildeten Spannungsteiler 111 zugeführt.In Fig. 1, 110 is the apparatus for generating a vertical reference value; it can be designed as a damped pendulum. This device 110 generates a voltage V which corresponds to the sine of the mast angle, ie the angle by which the ship on which the device is mounted deviates from the vertical. The in Fig. The transducer element shown in Figure 2 is attached to the ship in such a way that the transducer elements are in a horizontal row when the ship is vertical. So the voltage V is proportional to the sine of the angle of inclination of the row. The voltage V is fed to a voltage divider 111 formed from resistors.

Die negativen Pole einer Anzahl von Richtleitern oder Gleichrichtern 112 sind mit den einzelnen Abgriffen längs des Spannungsteilers 111 verbunden. Ihre positiven Pole sind sämtlich an einen Steuerspannungsgenerator 113 angeschlossen, der durch einen Sendetrigger 114 ausgelöst wird. Der Sendetrigger kann von üblicher Konstruktion sein und z. B. aus einer Schaltung bestehen, welche Impulse in festen Intervallen erzeugt, oder durch einen Satz von Kontakten gebildet werden, die in Intervallen durch die Wirkung einer Vorrichtung zum Aufzeichnen der Echosignale geschlossen werden.The negative poles of a number of directional conductors or rectifiers 112 are connected to the individual taps along the voltage divider 111 . Their positive poles are all connected to a control voltage generator 113 , which is triggered by a transmission trigger 114. The send trigger can be of conventional construction and z. B. consist of a circuit which generates pulses at fixed intervals, or are formed by a set of contacts which are closed at intervals by the action of a device for recording the echo signals.

Wenn der Steuerspannungsgenerator 113 durch den Sendetrigger 114 ausgelöst wird, so erzeugt er eine Spannung, die linear mit der Zeit anwächst und den positiven Polen der Gleichrichter 112 zugeführt wird. Die an die negativen Pole der Gleichrichter 112 gelegten Spannungen unterscheiden sich in Stufen und sind nacheinander ansteigende Bruchteile der Spannung V. Wenn nun die Steuerspannung anwächst, so erreicht sie die an den anderen Pol jedes Gleichrichters 112 gelegte Spannung der Reihe nach, und die Gleichrichter 112 beginnen daher in durch die Größe der Spannung V bestimmten zeitlichen Abständen zu leiten. Der Beginn des Stromes in jedem der Gleichrichter 112 bewirkt die Erregung eines entsprechenden Wandlerelementes der Reihe, so daß der relative Zeitpunkt eines jeden der von den Wandlerelementen gesendeten Impulses und damit die Richtung des ausgesendeten Strahles durch die Größe der Spannung V kontrolliert wird. Wenn der Neigungswinkel der Reihe Null ist, so ist die Spannung V ebenfalls Null, und die Wandlerelemente werden gleichzeitig erregt. Wenn der Winkel in einer der beiden Richtungen anwächst, so wächst V ebenfalls, und die Phase ändert sich derart, daß eine konstante Richtung, des Strahles eingehalten wird. Die Richtung ist normalerweise senkrecht nach unten, doch ist es leicht einzusehen, daß sie durch Anlegen einer Vorspannung zusätzlich zu der von der Neigung abhängigen Spannung V geändert werden kann.When the control voltage generator 113 is triggered by the transmission trigger 114 , it generates a voltage which increases linearly over time and is fed to the positive poles of the rectifier 112. The voltages applied to the negative poles of the rectifiers 112 differ in steps and are successively increasing fractions of the voltage V. If the control voltage now increases, it reaches the voltage applied to the other pole of each rectifier 112 in turn, and the rectifiers 112 therefore begin to conduct at time intervals determined by the magnitude of the voltage V. The start of the current in each of the rectifiers 112 causes the excitation of a corresponding transducer element in the series, so that the relative time of each of the pulses transmitted by the transducer elements and thus the direction of the transmitted beam is controlled by the magnitude of the voltage V. When the angle of inclination of the row is zero, the voltage V is also zero and the transducer elements are energized simultaneously. If the angle increases in either direction, then V also increases and the phase changes in such a way that a constant direction of the beam is maintained. The direction is normally perpendicularly downward, but it is easy to see that it can be changed by applying a bias voltage in addition to the slope dependent voltage V.

Die Verbindung jedes Gleichrichters 112 und des entsprechenden Abgriffs des Potentiometers 111 ist über einen Koppelkondensator 115 und einen Verstärker 116 mit einem gesteuerten Siliziumgleichrichter 117 verbunden, der als Schalter wirkt. Bei Durchgang von Strom durch den Gleichrichter wird die Steuerspannung an den Koppelkondensator 115 gelegt und ein Impuls dem Gleichrichter 117 über den Verstärker 116 zugeführt, welcher den Schalter öffnet. Die öffnung des Schalters ermöglicht es einem Kondensator 118, sich durch die Wicklung 119 des entsprechenden Wandlers zu entladen und einen Impuls von Druckwellenenergie zu erzeugen, der in die See ausgesendet wird. Die Kondensatoren 118 werden über mit einer gemeinsamen Hochspannungsquelle verbundene Widerstände 120 aufgeladen.The connection of each rectifier 112 and the corresponding tap of the potentiometer 111 is connected via a coupling capacitor 115 and an amplifier 116 to a controlled silicon rectifier 117, which acts as a switch. When current passes through the rectifier, the control voltage is applied to the coupling capacitor 115 and a pulse is fed to the rectifier 117 via the amplifier 116, which opens the switch. Opening the switch enables a capacitor 118 to discharge through the winding 119 of the corresponding transducer and generate a pulse of pressure wave energy which is sent out into the sea. The capacitors 118 are charged via resistors 120 connected to a common high voltage source.

In dem beschriebenen Gerät wurde das vertikale Bezugssystem 110 dazu benutzt, um die Richtung des Strahles unabhängig von den Bewegungen des Fahrzeugs und den sich ergebenden wechselnden Neigungen der Reihe von Wandlerelementen zu machen. Es ist einleuchtend, daß man statt dessen oder zusätzlich die Richtung des Strahles durch Anlegen einer geeigneten Spannung an das Widerstandspotentiometer 111 ändern und damit die Erregungsphase der Wandlerelemente beeinflussen kann. Beispielsweise könnte der Strahl mit Hilfe einer periodisch variierenden Spannung periodisch durch einen bestimmten Winkelbereich geschwenkt werden, so daß dadurch ein größerer Raum untersucht wird.In the device described, the vertical frame of reference 110 became this used to determine the direction of the beam regardless of the movements of the vehicle and the resulting changing inclinations of the series of transducer elements do. It is evident that instead of this or in addition to this, the direction of the Beam by applying a suitable voltage to the resistance potentiometer 111 can change and thus influence the excitation phase of the transducer elements. For example the beam could periodically pass through with the help of a periodically varying voltage be pivoted a certain angular range, so that thereby a larger space is being investigated.

Weitere Abwandlungen der Erfindung sind möglich. Zum Beispiel können die Gleichrichter im entgegengesetzten Sinne gepolt sein, und die Steuerspannung könnte mit der Zeit abnehmen statt zunehmen. Andererseits können die Gleichrichter durch andere Arten von Vergleichsstufen ersetzt werden, z. B. durch eine Anordnung, die den zugehörigen Schalter nur dann betätigt, wenn die Summe der Steuerspannung und des angelegten Bruchteils der Vergleichsspannung einen gegebenen Wert überschreitet, m. a. W., eine solche, welche die Steuerspannung mit der Differenz zwischen dem zugeführten Bruchteil der Vergleichsspannung und dem vorgegebenen Wert vergleicht.Further modifications of the invention are possible. For example can the rectifiers are polarized in the opposite sense, and the control voltage might decrease over time rather than increase. On the other hand, the rectifier be replaced by other types of comparison stages, e.g. B. by an arrangement, which actuates the associated switch only when the sum of the control voltage and the applied fraction of the equivalent stress exceeds a given value, m. a. W., one which the control voltage with the difference between the the supplied fraction of the reference voltage and the specified value compares.

In der in F i g. 2 gezeigten Wandleranordnung trägt eine Grundplatte 210 an ihren gegenüberliegenden Enden zwei Blöcke 211. In der Mitte zwischen den Endblöcken 211 wird eine Stange 212 freitragend gehalten.In the in F i g. 2, a base plate 210 carries two blocks 211 at its opposite ends. In the middle between the end blocks 211, a rod 212 is held in a cantilevered manner.

Neun magnetostriktive Wandlergruppen 213 a, welche aus Paketen von Nickelblechen bestehen, werden an einer Seite des Stabes 212 zwischen ihm und dem einen Endblock 211 befestigt. Auf der anderen Seite des in der Mittellinie angeordneten Stabes 212 sind neun identische magnetostriktive Wandlergruppen 213 b zwischen ihm und dem anderen Endblock 211 angebracht. Jedes der Wandlerelemente 213 a und 213 b besteht aus Blechen, welche Lappen 214 an ihren Enden aufweisen, die in Vertiefungen 215 in den Endblöcken 211 in Vertiefungen 216 in dem Stab 212 eingreifen. Auf diese Weise sind die Wandlerelemente in der Mitte ihrer Höhenerstreckung unterstützt.Nine magnetostrictive transducer groups 213 a, which consist of packages of nickel sheets, are attached to one side of the rod 212 between it and the one end block 211. On the other side of the rod 212 arranged in the center line, nine identical magnetostrictive transducer groups 213 b are attached between it and the other end block 211. Each of the transducer elements 213 a and 213 b consists of metal sheets which have tabs 214 at their ends which engage in recesses 215 in the end blocks 211 in recesses 216 in the rod 212. In this way, the transducer elements are supported in the middle of their vertical extension.

Die Bleche weisen Öffnungen in Form von Schlitzen 217 und 218 auf, die sich durch das Paket von einer Außenfläche zur anderen in einer im wesentlichen zu dem Stab 212 parallelen Richtung erstrecken. Die Schlitze dienen dazu, die Erregerwicklungen der Wandler aufzunehmen, wobei die mit den Schlitzen 217 abwechselnden Schlitze 218 leer bleiben. Jeder der Schlitze 217 weist an einem Ende eine schmale Fortsetzung auf, in welcher ein Magnet 219 zur Erzeugung einer Vormagnetisierung angebracht ist. Die Schlitze 217 nehmen Spulenwicklungen 220 auf, welche zur Bildung einer Erregerwicklung für das Wandlerelement in Reihe geschaltet sind.The sheets have openings in the form of slots 217 and 218 which extend through the package from one outer surface to the other in a direction substantially parallel to the rod 212. The slots serve to accommodate the excitation windings of the transducers, the slots 218 alternating with the slots 217 remaining empty. Each of the slots 217 has a narrow continuation at one end, in which a magnet 219 for generating a bias is attached. The slots 217 receive coil windings 220 which are connected in series to form an excitation winding for the transducer element.

Die abwechselnde Anordnung der Wandlerelemente 213 a und 213 b auf gegenüberliegenden Seiten des Stabes 212 läßt Zwischenräume 221 zwischen den Elementen auf einer Seite des Stabes gegenüber den Elementen auf der anderen Seite desselben frei. Diese Zwischenräume 221 dienen dazu, die Stirnenden der in den Schlitzen der Wandlerelemente gewickelten Spulen 220 aufzunehmen. Sie dienen ferner zur Aufnahme der Stützwinkel 222, welche den Stab 212 tragen; diese sind in Abständen längs des Stabes und abwechselnd auf beiden Seiten desselben angebracht.The alternating arrangement of the transducer elements 213 a and 213 b on opposite sides of the rod 212 leaves spaces 221 between the elements on one side of the rod relative to the elements on the other side of the same free. These interspaces 221 serve to accommodate the front ends of the coils 220 wound in the slots of the transducer elements. They also serve to accommodate the support brackets 222, which carry the rod 212; these are attached at intervals along the rod and alternately on both sides of it.

Die aus vielen Elementen bestehende Wandleranordnung kann als Sender oder als Empfänger benutzt werden. Die Konstruktion ermöglicht eine solche Aufstellung der Elemente, daß der Abstand zwischen ihnen eine halbe Wellenlänge der üblicherweise bei der Echolotung verwendeten Frequenzen nicht überschreitet.The transducer arrangement, which consists of many elements, can be used as a transmitter or used as a receiver. The construction makes such a thing possible Lineup of the elements that the distance between them is half a wavelength of the usual does not exceed the frequencies used for echo sounding.

Claims

Claims: 1. Echosounder for underwater sound, in which the transducers for emitting a pulsating beam of pressure wave energy one at a time are energized by an electrical switch system and in which the switch system corresponding to the output of a device responsive to changes in direction is operated so that the direction of the emitted beam is stabilized, d a d u r c h g e - indicates that the transducers individual elements (213 in FIG. 2) of a multipart bundle (Fig. 2), which cooperate to form the beam send out that the switch system (112 to 118 in F i g.1) excitation pulses to the whole bundles of transducer elements (213) during the emission of each energy pulse that transmits the relative moments in time of the pulses to which the individual transducer elements (213) are excited by the switch system (112 to 118), are variable such that that the direction of transmission of the pulsating beam can be changed, and that the switch system (112 to 118) the relative time moments of the exciting pulses according to the output signal of the device responding to changes in direction (110 in Fig. 1) regulates.

2. Echosounder according to claim 1 with controlled transmission direction, characterized by a series of switches (117) in F i g.1) for the individual excitation of the transducer elements (213), a voltage divider (111) to which a control signal (V) is fed, which is taken from the device (110) responsive to changes of direction and corresponds to the required deviation of the beam from a direction perpendicular to the plane of the transducer bundle (Fig. 2), by a control voltage generator (113) and by a series of comparison stages (112) , which are connected on the one hand to separate taps of the voltage divider (111) and on the other hand to the control voltage generator (113), whereby each of the rows of switches (117) is operated by a corresponding comparison stage (112) when the control voltage is one to that by means of the voltage divider (111) to the comparison stage (112) applied voltage value reaches a fixed reference value, whereby the converter elements (213) d he sequentially at intervals which are determined by the size of the control signal (V) are excited.

3. Echosounder according to claim 2, characterized in that the comparison stages are rectifiers (112) whose current begins when the control voltage has reached a value which is equal to the value of the voltage applied to the rectifier by the voltage divider (111).

4. echo sounder according to claim 3, characterized characterized in that each switch (117) with the junction between the associated rectifier (112) and its tap on the voltage divider (111) is connected via a coupling capacitor (118) and an amplifier (116), so that a switching pulse is applied to the switch (117) when the rectifier (112) becomes conductive.

5. echo sounder according to claims 2, 3 or 4, characterized in that that the switches are silicon controlled rectifiers (117).

6. Echosounder according to one of claims 2 to 5, characterized in that the transducer elements are magnetostrictive elements (213) and that each of the switches (117) discharges a capacitor (118) through a winding (119) of the corresponding transducer element (213) causes.

7. Echosounder according to one of the preceding claims, characterized in that alternating transducer elements (213 a, 213 b) of the bundle are arranged offset from one another on opposite sides of a center line (F i g. 2). B.

Echosounder according to Claim 7, characterized in that each of the transducer elements (213 a, 213 b) consists of a stack of sheets of magnetostrictive material and a winding (220) is accommodated in slots (217) in the stack.

9. echo sounder according to claim 8, characterized in that the slots (217) extend through the stack in a direction parallel to the center line and that the winding is in the form of a coil or coils (220) , the longitudinal parts of which extend through the slots ( 217) and their ends protrude from the end faces of the stack. Considered publications: German Patent Nos. 934 334, 934 999, 893 769, 949 337, 1097 863; German interpretation No. 1038 460; U.S. Patent Nos. 2,928,068, 2,932,002, 3039079.