DE19623127C1 - Schallabsorber - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Schallabsorber zur Verringerung des Zielmaßes von Unterwasserobjekten, insbesondere von U-Booten oder Teilen davon, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Ein bekanntes Unterwasserschiff (DE 33 32 754 C2) ist zur Verringerung seines Zielmaßes gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen am Bug des Schiffes und an dem dem Bug zugekehrten Turmbereich des Einstiegsturms mit als breitbandige Keilabsorber ausgebildeten Schallabsorbern verkleidet. Diese Schallabsorber sind jeweils von einem der Kontur von Schiffskörper bzw. Einstiegsturm angepaßten Müllkörper aus Kunststoff mit im wesentlichen gleichen akustischen Eigenschaften wie Wasser (z. B. Polyurethan) abgedeckt. Wegen des fertigungstechnischen Aufwands beschränkt man sich darauf, nur diejenigen Teile des Unterwasserschiffs (Bug- und Vorderseite des Einstiegsturms) zu verkleiden, die bei Angriffsfahrt des Unterwasserschiffs sich der Ortungsanlage darbieten. Werden dagegen Manöverfahrten erforderlich, so sind die Schallabsorber weitgehend unwirksam.

Zur Zielmaßreduktion ist es auch bekannt, den Schiffskörper von U-Booten mit Materialien aus Gummi oder verwandten Kunststoffen zu beschichten. Solche Beschichtungen sind jedoch nur in einem kleinen Frequenzbereich bei hohen Sendefrequenzen der Ortungsanlage wirksam. Zur Zielmaßreduktion gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen, die in einem Frequenzbereich zwischen 1 bis 10 kMz senden, können solche Beschichtungen nicht eingesetzt werden, da ihre Schichtdicke sehr groß gemacht werden müßte, z. B. 1,5 m.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallabsorber zur Zielmaßreduktion von Unterwasserobjekten zu schaffen, der in einem großen Frequenzbereich wirksam ist und sowohl gegenüber Ortungsanlagen mit hoher Sendefrequenz als auch gegenüber Tieffrequenz-Ortungsanlagen eine wirksame Tarnung des Unterwasserobjekts ermöglicht, sowie diese Zielmaßreduktion weitgehend unabhängig von der Schalleinfallsrichtung gewährleistet.

Die Aufgabe ist bei einem Schallabsorber der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Schallabsorber hat den Vorteil, daß die Kacheln der Anordnung eine nur relativ geringe Dicke aufzuweisen brauchen, so daß die Beschichtung der Oberfläche des Unterwasserobjekts nicht zu voluminösen Abmessungen führt. Durch entsprechende Größenwahl der Kacheln ist eine Verkleidung beliebig geformter Oberflächen der Unterwasserobjekte möglich.

Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Schallabsorbers beruht auf der Eigenschaft der elektro- bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten, mit der Größe eines elektrischen bzw. magnetischen Feldes, dem sie ausgesetzt werden, ihre Viskosität zu ändern. Damit kann die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Flüssigkeit von ca. 1500 m/s bei fehlendem Hochspannungs- bzw. Magnetfeld durch Anlegen entsprechender Felder bis auf ca. 3200 m/s gesteigert werden. Da die Dichte der rheologischen Flüssigkeit keiner Schwankung unterworfen ist, ist ihre akustische Impedanz p·c ausschließlich von der Schallgeschwindigkeit c abhängig, d. h. die mit rheologischer Flüssigkeit gefüllten Kacheln sind je nach Größe des angelegten Feldes akustisch transparent, absorbierend oder reflektierend, wobei die gewünschte Eigenschaft für jede Frequenz des einfallenden Schalls durch Anpassung des elektrischen oder magnetischen Feldes herbeigeführt werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schallabsorbers mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Kachelanordnung so getroffen, daß die Kacheln mit ihren Schmalseiten weitgehend spaltlos aneinanderliegen und so die gesamte Oberfläche des Unterwasserobjekts oder, je nach Anwendungsfall, auch nur den erforderlichen Teil davon abdecken. Die Kachelform kann dabei quadratisch oder rechteckförmig sein.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Größe der zu den Schmalseiten rechtwinklig ausgerichteten Breitseiten von Kacheln, die in der Anordnung benachbart sind, unterschiedlich groß gemacht. Durch die unterschiedliche Kachelgröße überdeckt die Anordnung bei fest eingestelltem Hochspannungs- oder Magnetfeld einen breiteren Frequenzbereich im Bereich der Sendefrequenz des einfallenden Schalls. Zusätzlich lassen sich wegen der schnellen Reaktionszeit der rheologischen Flüssigkeit gegenüber der Pulsdauer von Aktiv-Ortungsanlagen unterschiedliche Reflexions- oder Absorptionsmuster schalten, die zu einer ständig wechselnden Verzerrung der am Unterwasserkörper reflektierten Schallwellen führen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Größe der Breitseiten der einzelnen Kacheln in der Anordnung und die Größe der an den einzelnen Kacheln liegenden Hochspannungs- oder Magnetfelder so gewählt, daß der Reflexionskoeffizient der Oberfläche der Anordnung einem Barkercode oder einer binären Maximalfolge gehorcht. Bei dieser Ausbildung der Anordnung wird eine einfallende Schallwelle gleichzeitig in alle Richtungen zurückgestreut, wodurch eine sehr große Zielmaßreduktion erzielt wird und sog. Glanzwinkel des Unterwasserobjekts vermieden werden.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ausschnittsweise eine perspektivische Darstellung eines mit einem Schallabsorber verkleideten Unterwasserobjekts,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Kachel im Schallabsorber in Fig. 1, teilweise aufgeschnitten.

Der in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Schallabsorber dient zur Verringerung des Zielmaßes von Unterwasserobjekten. In Fig. 1 ist als Unterwasserobjekt 10 ein Wandausschnitt des Einstiegturms eines U-Bootes dargestellt. Der Schallabsorber besteht aus einer Anordnung von hohlen Kacheln 11, die auf der Oberfläche 101 des Unterwasserobjekts 10 angebracht ist. Die Anordnung der Kacheln 11 folgt dabei der Kontur der Oberfläche 101 des Unterwasserobjekts 10 und deckt diese vollständig ab. Eine Kachel 11 der Anordnung ist in Fig. 2 perspektivisch dargestellt. Die hohle Kachel 11 besteht aus einem schallreflexionsarmen Material, das annähernd die gleiche akustische Impedanz aufweist wie Wasser. Beispielsweise wird als Kachelmaterial Gummi oder ein gummiähnlicher Kunststoff verwendet. Die Schmalseiten 111 der Kacheln 11 sind in der Anordnung einander zugekehrt und die rechtwinklig zu den Schmalseiten 111 ausgerichteten, einander gegenüberliegenden Breitseiten 112 der Kacheln 11 haben eine quadratische oder rechteckige Form. Zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten 111 von den insgesamt vier Schmalseiten 111 sind mit einer Elektrode 12 bzw. 13 belegt, die jeweils auf der Innenfläche der beiden Schmalseiten 111 angebracht ist. Die beiden Elektroden 12, 13 sind über Anschlußleitungen 14, 15 mit einer Hochspannungsquelle verbunden. Die hohle Kachel 11 ist vollständig mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt.

Elektrorheologische Flüssigkeiten sind bekannt und beispielsweise in Technischer Einsatz neuer Aktoren′, D.J. Jenddritza et al., Expert Verlag, 1995, Seite 64 ff. beschrieben. Sie sind Suspensionen aus einer nicht polaren Trägerflüssigkeit mit geringer elektrischer Leitfähigkeit und niedriger Permittivitätszahl (z. B. leichte Öle, wie Transformatorenöle, Silikonöle, Paraphine, Kohlenwasserstoffverbindungen u. a.), in die polarisierbare Feststoffteilchen mit vergleichsweise hoher Permittivitätszahl dispergiert sind. Ohne elektrisches Steuerfeld zwischen den Elektroden 12, 13 liegt die typische Viskosität dieser elektrorheologischen Suspensionen im Bereich von 100 bis einigen 100 mPas. Unter Feldeinfluß zeigen sie eine Zunahme des Fließwiderstandes, die von der Stärke des angelegten Feldes abhängt.

Wie in Fig. 1 skizziert ist, liegen die Kacheln 11 in ihrer Anordnung auf der Oberfläche 101 des Unterwasserkörpers 10 mit ihren Schmalseiten 111 spaltlos unmittelbar aneinander, so daß die Anordnung eine geschlossene Außenfläche zeigt. Die Breitseiten 112 in der Anordnung benachbarter Kacheln 11 sind unterschiedlich groß bemessen. Wird nun an jede Kachel 11 eine Hochspannung gelegt, so nimmt die Viskosität der elektrorheologischen Flüssigkeit mit anwachsender Stärke des Hochspannungsfeldes zu, als deren Folge auch die Schallgeschwindigkeit in der elektrorheologischen Flüssigkeit ansteigt. Im Übergangsbereich von dem flüssigen in den festen Zustand durchläuft dabei der Verlustfaktor ein Maximum. Je nach Größe der angelegten Hochspannung kann dabei die akustische Impedanz der einzelnen Kachel 11 so eingestellt werden, daß die Kachel 11 entweder akustisch transparent oder akustisch absorbierend oder akustisch reflektierend ist, und zwar abgestimmt auf unterschiedliche Schallfrequenzen der an der Anordnung einfallenden Schallwelle. Dabei kann die einfallende Schallwelle entweder weitgehend absorbiert oder gleichmäßig in alle Richtungen zurückgestreut werden, so daß die Anordnung für eine die Schallwelle aussendende Unterwasser-Ortungsanlage ein nur geringes Zielmaß aufweist, und damit sehr schlecht zu lokalisieren ist.

Bevorzugt werden dabei die einzelnen an den Kacheln 11 liegenden Hochspannungsfelder unter Berücksichtigung der unterschiedlich großen Breitseiten 112 der Kacheln 11 so gewählt, daß der Reflexionskoeffizient der Oberfläche der Anordnung einer binären Maximalfolge genügt. Ein Beispiel für eine solche aus der pseudostatistischen Rauschtheorie bekannte, binäre Maximalfolge ist die nachstehend wiedergegebene Maximalfolge der Länge 15:

++------+-+--++-+

Dieser der Maximalfolge gehorchende Reflexionsfaktorverlauf der Anordnung wird durch Wechsel zwischen schallharter und schallweicher Reflexion an den einzelnen Kacheln 11 erreicht, wobei die schallharte Kachel 11 eine große Impedanz und den Reflexionsfaktor +1 und die schallweiche Kachel 11 eine kleine Impedanz und den Reflexionsfaktor -1 aufweist. In dem ersten Fall hat der Schalldruck der reflektierten Welle bei gleichem Betrag das gleiche Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Schallwelle, während im zweiten Fall der Schalldruck der reflektierten Schallwelle bei gleichem Betrag das entgegengesetzte Vorzeichen wie der Schalldruck der einfallenden Schallwelle aufweist. Durch die unterschiedliche Größe der Breitseiten 112 der Kacheln 11 wird ein größerer Frequenzbereich um die Schallfrequenz der einfallenden Schallwelle abgedeckt. Anstelle der binären Maximal folge kann auch der ebenfalls aus der pseudostatistischen Rauschtheorie bekannte Barkercode verwendet werden.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstelle der elektrorheologischen Flüssigkeit auch eine magnetorheologische Flüssigkeit zur Füllung der hohlen Kacheln 11 verwendet werden. In diesem Fall ist an jeder Kachel 11 ein entsprechendes Magnetfeld in gleicher Richtung anzulegen wie das beschriebene Hochspannungsfeld.

Claims (10)

1. Schallabsorber zur Verringerung des Zielmaßes von Unterwasserobjekten (10), insbesondere von U-Booten oder Teilen davon, gekennzeichnet durch eine zur Anbringung auf der Oberfläche (101) des Unterwasserobjekts (10) ausgebildete Anordnung von hohlen Kacheln (11) aus einem schallreflexionsarmen Material, deren Schmalseiten (111) in der Anordnung einander zugekehrt sind, und dadurch, daß jede Kachel (11) mit einer elektro- oder magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt und einem Hochspannungs- bzw. Magnetfeld ausgesetzt ist.

2. Schallabsorber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kacheln (11) mit ihren Schmalseiten (111) unmittelbar aneinanderliegen.

3. Schallabsorber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu den Schmalseiten (111) rechtwinklig ausgerichteten, einander gegenüberliegenden Breitseiten (112) der Kacheln (11) quadratisch oder rechteckförmig sind.

4. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der zu den Schmalseiten (111) rechtwinklig ausgerichteten Breitseiten (112) von in der Anordnung benachbarten Kacheln (11) unterschiedlich ist.

5. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kachel (11) in der Anordnung einem individuell einstellbaren Hochspannungs- bzw. Magnetfeld getrennt aussetzbar ist.

6. Schallabsorber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Breitseiten (112) der einzelnen Kacheln (11) in der Anordnung und die Größe der an den einzelnen Kacheln (11) liegenden Hochspannungs- oder Magnetfelder so gewählt sind, daß der Reflexionskoeffizient der Oberfläche der Anordnung einem Barkercode oder einer binären Maximal folge nach der pseudostatistischen Rauschtheorie gehorcht.

7. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kachelmaterial eine akustische Impedanz aufweist, die etwa gleich der von Wasser ist.

8. Schallabsorber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kachelmaterial Gummi oder ein gummiähnlicher Kunststoff ist.

9. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Hochspannungsfeldes an den einzelnen Kacheln (11) zwei einander gegenüberliegende Schmalseiten (111) der Kacheln (11) mit jeweils einer an der Innenfläche angebrachten Elektrode (12, 13) belegt sind.

10. Schallabsorber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Kacheln (11) der Kontur der Oberfläche (101) des Unterwasserobjekts (10) folgt und diese vollständig abdeckt.