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hsustisches Sensorelement
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Die Erfindung betrifft ein akustisches Sensorelement der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art.
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Ein solches akustisches Sensorelement ist als Lichtleiterhydrophon
verwendbar1 mit dem man den Wechseldruck eines Schallfeldes messen kann.
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In dem Aufsatz "Optical Fiber Sensor Technology" von Thomas G. Giallorenzy
et al., der in der Zeitschrift IEEE Transactions on Mierowave Thecry and Techniques,
Vol. MTT-30, No. 4, April 1982 veröffentlicht ist, ist ein solches Lichtleiterhydrophon
nach dem Mach-Zehnder-Prinzip beschrieben, das als Interferometer arbeitet. Zwei
Lichtleitfasern bilden Lichtwege des Mach-Zehnder-Interferometers. Eine der Lichtleitfasern
wird dem Schallfeld ausgesetzt und bildet ein Meßsystems die zweite Lichtleitfaser
wird als Referenzsystem benutzt und nicht vom Schallfeld beeinflußt. Durch beide
Lichtleitfasern werden kohärente Lichtwellen geschickt, Durch die Einwirkung des
Schallfeldes wird eine Langenänderung der Lichtleitfaser und eine änderung ihres
Brechungsindexes bewirkt. Beide Änderungen führen zu einer Phasenverschiebung der
Lichtwelle im Meßsystem gegenüber der Lichtwelle im Referenzsystem. Zum Nachweis
dieser
Phasenverschiebung werden beide Lichtwellen am Ende der Lichtleitfaser
überlagert und einem Fotodetektor zugeführt.
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In dem gleichen Artikel ist auf Seite 493 ein akustisches Sensorelement
für ein Lichtleiterhydrophon beschrieben, bei dem auf einen Trägerzylinder ein polarisationserhaltender
Lichtleiter aufgewickelt ist, Die Wirkungsweise dieses Lichtleiterhydrophons beruht
auf der Doppelbrechung des eine Lichtwelle führenden Lichtleiters. Eine Änderung
der Doppelbrechung wird durch Druckbeanspruchung des Trägerzylinders bewirkt und
als Lichtintensitätsänderung analysiert.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift 30 47 308 ist eine Anordnung
bekannt, bei der auf einen mit einer Bohrung versehenen Trägerzylinder eine Lichtleitfaser
aufgewickelt ist. Die Empfindlichkeit eines solchen akustischen Sensorelements wird
entscheidend durch das Material des Trägerzylinders vergrößert, wenn das Material
des Trägerzylinders gegenüber dem Elastizitätsmodul der Lichtleitfaser einen geringeren
Elastizitätsmodul aufweist. Die Empfindlichkeitssteigerung beruht darauf, daß die
Beanspruchung und Dehnung in der Lichtleitfaser durch den geringeren Elastizitätsmodul
des Trägerzylinders verändert werden. Die axiale Beanspruchung wird in der eingebetteten
Lichtleitfaser erhöht.
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Die zugeführte Druckkraft ruft eine Formänderung im Trägerzylinder
hervor, die wiederum in Form einer Längenänderung auf die Lichtleitfaser übertragen
wird, so daß die axiale Beanspruchung und die Längenänderung sehr viel größer als
bei einer blanken Lichtleitfaser werden. Problematisch bei einer solchen Anordnung
sind Gleichdruckeinflüsse.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem akustischen Sensorelement
der eingangs genannten Art die Empfindlichkeit unabhängig von vorhandenen Gleichdrucken
zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird bei einem akustischen Sensorelement der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art erfindungsgemaß durch die Merkmale im Kennzeichenteil
des Anspruchs 1 gelöst.
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Im Innenraum, der durch eine aufgewickelte Lichtleitfaser gebildet
wird, befindet sich erfindungsgemäß mindestens ein Körper, der vom Material her
und seiner Form so ausgebildet ist, daß er das einfallende Schallfeld transformiert.
Der nicht von dem oder den Körpern ausgefüllte Innenraum des Sensorelements ist
mit einem schallübertragenden Medium gefüllt, bei Anwendung in der Wasserschalltechnik
beispielsweise Wasser.
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Die durch das Einbringen des erfindungsgemäßen Körpers in den Innenraum
erzielte Empfindlichkeitssteigerung des Sensorelements kann man sich dadurch verursacht
vorstellen, daß der Körper wie ein Sekundärstrahler wirkt, der die einfallenden
Schallwellen geometrisch so beeinflußt, daß eine Anpassung der Schallfeldstruktur
an die Sensorgeometrie erreicht wird. Der besondere Vorteil besteht darin, daß die
Empfindlichkeitssteigerung bei gewähltem,druckbeständigem, mechanisch robustem Aufbau
der Lichtleitfaser nur durch den im Innenraum befindlichen Körper verursacht wird.
Auch bei Verwendung eines hohlen Trägerzylinders für die Lichtleitfaser ist eine
Unabhängigkeit van äußeren Gleichdrucken erreicht, da das Material des Trägers nicht
zur Empfindlichkeitsstei-
gerung beitragen muß, sondern nur dem
kompakten und .mechanisch ströunanfälligen Aufbau der Lichtleitfaser dient.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des Sensorelements nach Anspruch
2 wird erreicht, daß der schallfeldtransformierende Körper sich in einem Feld ebener
Schallwellen ähnlich wie ein Kugelstrahler verhält.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Lichtleitfaser des Sensorelements
auf einer Kugeloberfläche oder einem Zylindermantel aufgewickelt ist, da sich dann
das Sensorelement unter dem Einfluß des in seinem Innenraum befindlichen schallabstrahlenden
Körpers in radialer Richtung ausdehnen bzw. zusammenziehen wird.
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Die hierdurch hervorgerufene Längenänderung in der Lichtleitfaser
führt zu der gmpfindlichkeitssteiges rung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung gibt Anspruch 3 an.
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Versuche haben gezeigt, daß Empfindlichkeitssteigerungen von 30 dB
möglich sind.
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Eine besonders effiziente Schallfeldtransformation wird durch die
erfindungsgemäße Weiterbildung des Sensorelements nach Anspruch 4 erreicht, da ein
solcher Körper das Verhältnis von Schalldruck und Schallschnelle wesentlich beeinflußt.
Durch eine Materialauswahl, die eine geringe Dämpfung des Schallfeldes im Innern
des Körpers garantiert, wird erreicht, daß an der Lichtleitfaser gemessene Phasenänderungen
der durch sie geführten Lichtwelle allein durch das Schallfeld und nicht durch Temperaturänderung
hervorgerufen werden, da durch den Körper keine Umsetzung der Schallenergie in Wärme
erfolgt.
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Nach einer erfindungsgemäßen Weiterbildung des akustischen Sensorelements
gemäß Anspruch 5 besteht der Körper beispielsweise aus einem porösen Stoff, bei
dem sich kleine Hohlräume im Material befinden.
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Bei Einsatz eines solchen akustischen Sensorelements in der Wasserschalltechnik
wurde man den Körper beispielsweise aus Hartschaum herstellen, dessen akustischer
Wellewiderstand wesentlich kleiner ist als Wasser. Der Einsatz von Materialien mit
größeren geschlossenen Hohlräumen oder mit metallischen Einschlüssen ist ebenfalls
möglich.
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Ein besonderer Vorteil dieser erfindungsgemäßen Weiterbildung nach
Anspruch 5 besteht darin, daß durch unterschiedliche Formgebung des Körpers llud
Zusammensetzung- seines Materials die Empfindlichkeit des Sensorelements und der
spektrale Verlauf der Empfindlichkeit einstellbar ist Z B, läßt sich der Körper
als Resonator durch die inneren Hohlräume in seinem Material ausbilden, wodurch
eine schmalbandige Funktion des akustischen Sensorelements gegeben ist. Durch mehrere
solche Resonatoren innerhalb eines oder mehrerer Körper läßt sich in einfacher Weise
ein vorgebbares breitbandiges Detektionsverhalten erzielen.
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Ein breitbandiges Verhalten des akustischen Sensorelements ist erfindungsgemäß
ebenfalls durch metallische Einschlüsse in einem schallweichen Material realisierbar.
Die äußere Kontur des Körpers beeinflußt auch hier das Frequenzverhalten des Sensorelements.
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Durch eine Dimensionierung des die Lichtleitfaser
aufnehmenden
Trägers gemäß einer erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 6 wird erreicht,
daß eine Übertragung des einfallenden Schallfeldes auf den Körper praktisch nicht
gestört wird und der Träger den Auslenkungen des durch den Körper transformierten
Schallfeldes folgen kann. Bei Anwendung eines solchen Sensorelements als Lichtleiterhydrophon
wird durch das verwendete Trägermaterial, das schallphysikalisch wasserähnliche
Eigenschaften aufweist, gewährleistet, daß ein Einsatz in unterschiedlichen Wassertiefen
und damit bei unterschiedlichen Gleichdrucken praktisch keine Beeinflussung der
Meßeigenschaften hervorruft. Ein solcher Träger wird beispielsweise aus Polyurethan
geformt, wobei es gemäß Anspruch 7 besonders vorteilhaft ist, die Lichtleitfaser
mit verflüssigtem Trägermaterial zu umgießen, so daß eine Klebeverbindung zwischen
Träger und Lichtleitfaser das gleiche Material wie der Träger aufweist.
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Aus fertigungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, dem
Sensorelement eine Form gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 zu geben.
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Bei einem Aufbau des Sensorelements gemäß Anspruch 9 hat es sich als
besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Innendurchmesser des Vollzylinders so dimensioniert
ist, daß er den Innenraum des Hohlzylinders nahezu völlig ausfüllt und das schallüb
er tragende Medium zwischen Träger und Körper nur eine geringe Schichtdicke aufweist.
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Ein vereinfachter Aufbau und eine störungsfreie Funktion des Sensorelements
läßt sich durch die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 10 erreichen, da
eine
Abkapselung gegenüber dem Übertragungsmedium überflüssig ist. Bei Anxfendung in
der Wasserschalltechnik befindet sich auch im verbleibenden Innenraum Wasser als
schallübertragendes Mediums Eine Anwendung des Sensorelements als Lichtleiterhydrophon
gibt die vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 11 an. Durch Einsatz eines polarisationserhaltenden
Lichtwellenleiters ist eine einfache Herstellung eines störunanfälligen Lichtleiterhydrophons
möglich. Die beiden übertraglangsfähigen Polarisa tionsebenen der Lichtwelle bilden
das Meßsystem und das Referenzsystem eines Interferometers, das ähnlich wie das
Mach-Zehnder-Interferometer arbeitet.
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Die durch den erfindungsgemäßen schalltransformierenden Körper, der
sich in dem von dem polarisationserhaltenden Lichtwellenleiter umgebenden Innenraum
befindet, erzielten Längenänderungen in dem Lichtlfel lenleiter bewirken in den
beiden polarisationsunterschiedenen Lichtwegen unterschiedliche optische Phasenänderungen.
Durch Phasenvergleich werden die Phasenänderungen ausgewertet und geben das einfallende
Schallfeld wieder Der besondere Vorteil besteht darin, daß das Meß und Referenz
system gleichen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind und dadurch bedingte Längenänderungen
in beiden Systemen gleichermaßen auftreten, so daß sie nicht das durch Phasenvergleich
gewonnene Meßergebnis verfälschen können. Die bei einem üblichen Interferometer
nach dem Mach-Zehnder-Prinzip auftretenden Gleichdruckprobleme werden durch Einsatz
des erfindungsgemäßen Sensorelements überwunden ohne Beeinträchtigung der akustischen
Empfindlichkeit, da die Empfindlichkeitszunahme nicht durch die elastischen Eigenschaften
des Tragers,sondern nur durch den schallfeld-
transformierenden
Körper erreicht wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 12 gibt ein akustisches
Sensorelement an, das aus mehreren Einzelelementen aufgebaut ist. Jedes Einzelelement
besteht aus einer ggf. auf einen hohlen Trägerzylinder aufgewickelten Lichtleitfaser,
wobei mindestens ein Einzelelement in dem von seiner Lichtleitfaser umschlossenen
Innenraum einen schalltransformierenden Körper aufweist. Die Einzelelemente können
beliebig zueinander angeordnet werden, beispielsweise äquidistant nebeneinander
auf einer Geraden, einer Kreislinie, auf einer Ebene oder gekrümmten Fläche.
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Ein solches aus vielen Einzelelementen aufgebautes Sensorelement ist
besonders vorteilhaft in der Wasserschalltechnik zum Bilden von Richtcharakteristiken
einzusetzen. Bei Verwendung von Einzelelementen, die gemäß dem Kennzeichenteil des
Anspruchs 11 ausgebildet sind und mit einer Phasenauswertung ihrer polarisationsunterschiedenen
Lichtwellen versehen sind, ist das gesamte Sensorelement als Hydrophonbasis zu verwenden.
Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Einzelelemente zueinander, der ungefähr
gleich der halben Wellenlänge der kleinsten noch auszuwertenden Wellenlänge des
einfallenden Schallfeldes ist Durch die kleinen Abmessungen der Einzelelemente ist
ein dicht benachbarter Aufbau realisierbar, der auch eine Auswertung eines hochfrequenten
Schallfeldes ermöglicht.
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Der besondere Vorteil dieser Weiterbildung des akustischen Sensorelements
nach Anspruch 12 besteht darin, daß die Empfindlichkeit und das Frequenzverhalten
jedes
Einzelelements allein dur:ch Aufbau und Abmessungen seines schalltransformi er enden
Körpers getrennt einstellbar sind, so daß akustische Eigenschaften eines solchen
Sensorelements unabhangig vom optischen Aufbau und von einer Auswertung der von
den Lichtleitfasern geführten Lichtwellen der Einzelelemente allein durch seine
Konfiguration realisiert und ggfO geändert werden können.
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Die erfindungsgemäßen Weiterbildungen nach den Ansprüchen 13, 14 und
15 geben fertigungstechnische Vereinfachungen an. Der gleichartige Aufbau der Einselelemente
bringt weiterhin den Vorteil mit sich, daß die Lichtleitfasern gleichen Temperatureinflüssen
unterliegen, so daß eine Phasenauswertung der von ihnen geführten Lichtwellen temperaturunabhängig
ist Durch unterschiedliche Formgebung und Materialwahl der Körper jedes Einzelelements
gemäß Anspruch 16 wird seine Empfindlichkeit und der spektrale Verlauf der Empfindlichkeit
eingestellt. Der Vorteil eines solchen aus Einzelelementen unterschiedlicher akustischer
Eigenschaften aufgebauten Sensorelements besteht darin, daß diese Hydrophonkonfiguration,
die zum~Bilden von Richtcharakteristiken eingesetzt werden kann1 durch unterschiedliche
Empfindlichkeit der Einzelelemente eine gute Nebenzipfeldämpfung aufweist Bei einem
praktischen Einsatz eines solchen akustischen Sensorelements, beispielsareise in
der Peiltechnikjvon einem sich im Wasser bewegenden Fahrzeug aus, ist ein Aufbau
gemäß Anspruch 17 besonders vorteilhaft, da ein Hüllkörper dem Sensor-
element
ein strömungstechnisch günstiges Verhalten gibt. Dieser Hüllkörper ist dann mit
dem schallübertragenden Medium gefüllt, das sich auch in den Innenräumen der Einzelelemente
befindet. Das schallübertragende Medium kann beispielsweise das Übertragungsmedium
des einfallenden Schallfeldes sein, nämlich das das Fahrzeug umgebende Wasser. Im
Hüllkörper ist eine entsprechende Öffnung mit Druckausgleich vorzusehen. Der Vorteil
eines solchen Sensorelements besteht darin, daß durch eine Umspülung der Einzelelemente
die Lichtleitfasern gleichartigen Temperaturverläufen ausgesetzt sind und eine Phasenauswertung
der von ihnen geführten Lichtwellen temperaturunabhängig ist Die erfindungsgemäße
Möglichkeit des Einstellens der Empfindlichkeit der Einzelelemente des Sensorelements
bringt weiterhin den Vorteil mit sich, daß sich aus zwei Einzelelementen gemäß dem
Kennzeichenteil des Anspruchs 18 in einfacher Weise ein Lichtleiterhydrophon nach
dem Mach-Zehnder-Prinzip realisieren läßt. Die beiden Einzelelemente bilden das
Meß-und Referenzsystem, die sich im gleichen Übertragungsmedium befinden und das
gleiche schallübertragende Medium aufweisen. Däs Meß- und Referenzsystem besteht
aus zwei identischen Lichtleitfaser-Anordnungen. Jede Lichtleitfaser-Anordnung weist
beispielsweise einen zylinderförmigen Träger mit einem gleich langen Mono-Mode-Lichtwellenleiter
auf,Nur in der einen Lichtleitfaser-Anordnung befindet sich als schalltransformierender
Körper ein Vollzylinder. Durch Einbringen des Vollzylinders in den Trägerzylinder
wird ein so großer Empfindlichkeitsunterschied gegenüber dem Einzelelement ohne
schalltransformierenden Körper erzeugt, daß das Einzelelement mit Körper im
Innenraum
das Meßsystem und das Einzelelement ohne Körper im Innenraum das Referenzsystem
bilden Meß-und Referenz system sind ebenfalls durch schalltransformi er enden Körper
mit unterschiedlichem akustischen Wellenwiderstand realisierbar Ein besonders einfacher
und kompakter Aufbau des Lichtleiterhydrophons ergibt sich, wenn die Trägerzylinder
der Einzelelemente fluchtend angeordnet werden.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Aufbau des Lichtleiterhydrophons nach
dem Mach-Zehader Prinzip gemäß Anspruch 18 sind umweltbedingte Einflüsse, wie z.
B.
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Temperaturschwankungen, für das Meßergebnis vernachlässigbar. Eine
Beeinflussung wie bei bekannten Anordnungen mit verschiedenen Trägerwerkstoffen
und akustischer Abschirmung des Referenzsystems ist nicht vorhanden Beide Lichtleitfasern
sind bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement dem gleichen äußeren statischen Druck
ausgesetzt, so daß dadurch hervorgerufene Verformungen und somit änderungen der
sensitiven Lichtleitfaser nicht in das Meßergebnis, nämlich die Wiedergabe des Wechseldrucks
des einfallenden akustischen Schallfelds, eingehen Besonders vorteilhaft ist es,
daß die Empfindlichkeit des als Lichtleiterhydrophons arbeitenden Sensorelements
allein durch den das Schallfeld transformierenden Körper bestimmt wird, so daß Lichtleiterhydrophone
unterschiedlicher akustischer MeBeigenschaften sich ohne Veränderung ihrer optischen
Komponenten lediglich durch Auswechseln der schallfeldtransformierenden Körper mit
unterschiedlichen akustischen Wellenwiderständen in den Innenräumen des Meß- und
Referenzsystems herstellen lassen
Ein Sensorelement aus vielen
Einzelelementen, von denen zwei zusammen jeweils ein Lichtleiterhydrophon nach dem
Mach-Zehnder-Prinzip bilden, ist ebenfalls realisierbar und in der Wasserschalltechnik
zum Peilen verwendbar. Besonders vorteilhaft ist es, bei einer kreisförmigen Konfiguration
zylinderförmige Einzelelemente zu verwenden. Die beiden ein Lichtleiterhydrophon
bildenden Einzelelemente werden mit ihren Zylinderachsen fluchtend hintereinander
angeordnet und die so gebildeten Lichtleiterhydrophone im Abstand der kleinsten
auszuwertenden halben Wellenlänge mit ihren Achsen in radialer Richtung weisend
auf der Kreislinie angeordnet. Ein so gebildetes erfindungsgemäßes Sensorelement
ist mit einer Kreisbasis mit piezokeramischen Wandlerelementen vergleichbar.
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
näher beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Sensorelements,
Fig. 2 ein Lichtleiterhydrophon nach dem Mach-Zehnder-Prinzip, Fig. 3 ein Sensorelement
bestehend aus vielen Einzelelementen auf einer Kreislinie, Fig. 4 ein Sensorelement
bestehend aus vielen Einzelelementen unterschiedlicher akustischer Empfindlichkeit.
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Das in Fig. 1 gezeigte akustische Sensorelement befindet sich in einem
Übertragungsmedium für ein einfallendes Schallfeld, z. B. Wasser. Es weist eine
Lichtleitfaser 11 auf, die auf einen Träger 12 in Form eines Hohlzylinders spulenförmig
aufgewickelt ist. Der akustische Wellenwiderstand des Trägers 12 ist ähnlich dem
Wellenwiderstand des Übertrågungsmediums gewählt. Die Lichtleitfaser 11 ist auf
dem Träger 12 mit Hilfe eines Umgusses 13 fixiert. Der Umguß 13 besteht vorzugsweise
aus dem gleichen Material wie der Träger 12, beispielsweise aus Polyurethan. Im
Innenraum 14 des Trägers 12 befindet sich ein schallfeldtransformierender Körper
15 in Form eines Vollzylinders und ein schallübertragendes Medium, das gleich dem
Übertragungsmedium ist. Der akustische Wellenwiderstand des Körpers 15 ist kleiner
als der akustische Wellenwiderstand des schallübertragenden Mediums im Innenraum
gewählt. Der Körper 15 ist beispielsweise aus Hartschaum hergestellt.
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Der Träger 12 und der Körper 15 sind rotationssymmetrisch zur Zylinderachse
16.
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Der Körper 15 transformiert ein einfallendes Schallfeld aufgrund seiner
Formgebung in ein zur Zylinderachse 16 rotationssymmetrisches Schallfeld, dessen
Verhältnis von Schalldruck und Schall schnelle durch die unterschiedlichen akustischen
Widerstände des Körpers 15 und des schallübertragenden Mediums bestimmt ist.
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Der Körper 15 ist mit einem Halteelement 17 auf einer Trägerplatte
18 angebracht, die auch zur Befestgung des Trägers 12 dient. Als Lichtleitfaser
11 dient ein Mono-Mode-Lichtwellenleiter.
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Bei Verwendung eines polarisationserhaltenden Lichtwellenleiters,
der die Lichtwelle in zwei Polarisa-
sationsebenen führt, kann
das Sensorelement gemäß Fig. 1 als Lichtleiterhydrophon in Form eines Interferometers
verwendet werden, bei dem jede Polarisationsebene einen Lichtweg darstellt und beide
Lichtwege als Arme eines Interferometers verwendet werden.
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Fig. 2 zeigt ein Sensorelement mit zwei Einzelelementen, das als Lichtleiterhydrophon
nach dem Mach-Zehnder-Prinzip einsetzbar ist. Das Sensorelement weist ein Meßsystem
20 und ein Referenzsystem 21 auf, die mit kohärentem Licht gespeist werden.
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Das Meßsystem 20 und das Referenzsystem 21 weisen beide Lichtleitfasern
31 und 32 vom gleichen Lichtwellenleitertyp auf. Die Lichtleitfaser 31 befindet
sich auf einem Träger 33 in Form eines Hohlzylinders und ist mit einem Umguß 34
am Träger 33 fixiert. Das Referenz system 21 weist einen in seinen geometrischen
Abmessungen identischen Träger 35 mit Umguß 36 auf, innerhalb dessen sich die Lichtleitfaser
32 befindet.
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Die Träger 33 und 35 sind aus gleichem Material und beispielsweise
durch eine Nut 37 akustisch entkoppelt.
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Im Innern der Hohlzylinder befindet sich als schallübertragendes Medium
das das Sensorelement umgebende Übertragungsmedium. Im Innenraum des Meßsystems
20 ist ein schalltransformierender Körper 40 angeordnet, dessen akustischer Wellenwiderstand
kleiner als der des schallübertragenden Mediums ist. Der Körper 40 wird von einem
Halteelement 41 konzentrisch zum Träger 33 gehalten. Das Halteelement 41 befindet
sich in einer vom Schalldruck nicht beeinflußten Faser des Körpers 40 und ist an
einer Tragerplatte 42 angebracht, an die auch der Träger 35 des Referenzsystems
21 befestigt ist.
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Im Innenraum des Referenzsystems 21 befindet sich kein schalltransformierender
Körper wie im Innenraum des Meßsystems 20, Der große Unterschied in der Empfindlichkeit
des Meßsystems 20 mit seinem schalltransformi er enden Körper 40 und des Referenzsystems
21 erlaubt es, beide Systeme dem einfallenden Schallfeld im gleichen schallübertragenden
Medium auszusetzen und trotzdem eine Phasenauswertung der in den Lichtleitfasern
31 und 32 des Meßsystems 20 und des Referenzsystems 21 geführten Lichtwellen nach
dem Mach-Zehnder-Prizzip vornehmen zu können, die das einfallende Schallfeld wiedergibt.
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Fig. 3 zeigt ein Sensorelement, bei dem einzelne Lichtleiterhydrophone
101, 102, ... mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 auf einer Kreislinie angeordnet
sind. Ihre Zylinderachsen 161, 162, weisen in radiale Richtung und sind im Abstand
2 angeordnet, wobei X die kleinste auszuwertende Wellenlänge des einfallenden Schallfeldes
kennzeichnet. Ein Hüllkörper 180 gibt -dem Sensorelement seine äußere Kontur, der
Hüllkörper 180 ist mit dem schallübertragenden Medium gefüllt, das sich auch in
den von Lichtleitfasern umgebenden Innenräumen der Lichtleiterhydrophone 161, 162,
... befindet. Ein solches Sensorelement ist zum Bilden von Richtcharakteristik in
gleicher Weise einsetzbar wie eine in der Wasserschalltechnik übliche, mit piezokeramischen
Wandlerelementen bestückte Kreisbasis.
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Fig. 4 zeigt ein als lineare Basis aufgebautes Sensorelement mit zehn
Lichtleiterhydrophonen 201 bis 210, die entsprechend Fig. l oder 2 aufgebaut sind.
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Die Lichtleiterhydrophone 201 bis 210 weisen unterschiedliche schalltransformierende
Körper auf, deren
akustische Wellenwiderstände und/oder Abmessungen
so gewählt sind, daß die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 205 und 206 am
größten ist und die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 204 bis 201 in gleicher
Weise wie die Empfindlichkeit der Lichtleiterhydrophone 207 bis 210 abnimmt. Mit
diesem Sensorelement ist eine Richtcharakteristik zu erreichen, die gegenüber einer
Richtungsbildung mit Hydrophonen gleicher Empfindlichkeit eine erhöhte Nebenzipfeldämpfung
aufweist, ohne daß eine Bewertung der Ausgangssignale der einzelnen Lichtleiterhydrophone
201 bis 210 durch entsprechende Signalverarbeitung vorgenommen werden muß. Diese
sonst übliche Signalverarbeitung wird durch die in den Lichtleiterhydrophonen 201
bis 210 befindlichen unterschiedlichen schalltransformierenden Körper und dadurch
bedingte Empfindlichkeitsunterschiede realisiert.
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Die Lichtleiterhydrophone 201 bis 210 sind an einer Trägerplatte 211
befestigt und von einem Hüllkörper 212 umgeben, der dem Sensorelement eine strömungstechnisch
günstige Form verleiht. Das Sensorelement ist mit einem schallübertragenden Medium
213 gefüllt, das sich auch in den Lichtleiterhydrophonen 201 bis 210 und in den
von ihren Lichtleitfasern umschlossenen Innenräumen befindet. Das schallübertragende
Medium 213 ist das gleiche wie das Ubertragungsmedium außerhalb des Hüllkörpers
212 und über eine Öffnung 214 mit Druckausgleich damit verbunden.