Sachau, Delf

Sources for underwater sound with large dimensions l, such as a coating on a boat structure, can be suitable for generating low-frequency underwater sound. In this context, low-frequency refers to wavelength λ in water that fall within the range of 40 l>λ>1,5 l . Such low-frequency sources can be applicable for a wide variety of long-range applications, such as communication, navigation and sonar. In this study, an array of 18 circular piezoelectric actuators embedded in a potting compound create an active surface for generating underwater sound. The coating is attached to a plane plate of glass-fiber reinforced plastic, typical for maritime applications. The acoustic propagation is investigated in an underwater test range with free field conditions, specifically for low frequencies. This study focuses on sound radiation and beam steering behaviour (in terms of propagation and vibroacoustics). On the one hand, the test results show the strongly frequency-dependent performance of the coating as an underwater sound source. On the other hand, a significant influence of the vibroacoustic behavior on the sound radiation can be recognized. The beam steering experiment reveals the phase shifts, up to which the coating still emits sound without major losses.

Sources for underwater sound have a wide range of applications, such as active sonar, navigation, and underwater communication. Particularly, sources with large dimensions l, such as a coating on a boat structure, can be suitable for generating low-frequency underwater sound. In this context, low-frequency refers to the range of 0.15 ≤ He ≤ 4.5 with Helmholtz number He = kl. In this study, a sample of an active surface for generating underwater sound is created by attaching an array of 18 circular piezoelectric actuators to a glass-fiber reinforced plastic (GRP) plate as substrate for the coating. The array is coated with an impedance matching layer. The radiation characteristics of the active surface are investigated in an underwater test range with nearly free field conditions. The setup shows suitability for generating low frequency sound, although the vibroacoustic behaviour of the plate has a significant influence on the generated sound pressure. Depending on the frequency range, the sound pressure is either exponentially or linearly dependent on He. The active coating on the GRP-plate proved to be working as expected. For further investigations and improvements, the deviations between the mathematical model and the real behavior of the array must be investigated more intensively.

Marinefahrzeuge, insbesondere Uboote, unterliegen hohen akustischen Anforderungen. Vom Boot ausgehende Störsignale führen einerseits zu einer Gefährdung von Boot und Besatzung im Einsatzfall, andererseits sind sie oftmals ein Zeichen für einen technischen Defekt. Die Störungen breiten sich dabei meistens als Körperschall in komplexer Form in der Schiffsstruktur und von dort ins Wasser aus. Je schneller und eindeutiger die Körperschallquelle lokalisiert werden kann, desto schneller kann die Gefährdung wieder reduziert und technische Defekte behoben werden. Derzeit erfolgt die Lokalisierung von Körperschallquellen in Marinefahrzeugen mit einem manuellen Ansatz über mobile oder fest installierte Körperschallmessnetze. In diesem Papier wird an einem skalierten Stahlschiffsmodell (Maßstab 1:8) ein automatisierungsfähiger Ansatz zur Lokalisierung von Körperschallquellen in Schiffsstrukturen untersucht. Dazu werden an ausgewählten Positionen impulsförmige Signale auf die Bordwand aufgebracht. Der daraus resultierende Körperschall wird mit verteilten Beschleunigungsaufnehmern aufgezeichnet. Über eine Auswertung mittels TDoA-Verfahren können die Differenzen in der Ankunftszeit des Signals ermittelt werden. Mittels einer zweidimensionalen Abwicklung der Rumpfstruktur werden dann die Einleitungspunkte der impulsförmigen Signale grafisch-rechnerisch lokalisiert. Der Vergleich zweier unterschiedlicher TDoA-Verfahren gibt Aufschluss über zukünftiges Verbesserungspotential. Das Experiment am Schiffsmodell bestätigt die gute Anwendbarkeit und die bisherigen Grenzen des Verfahrens.

Ein Ikosaeder, dessen 20 gleiche Dreiecksflächen durch jeweils einen Tripelspiegel ersetzt wurden, kann als Referenzobjekt für die Ermittlung des Zielmaßes unter Wasser verwendet werden. Ein entsprechendes Modell mit einem Durchmesser von ca. 33 cm wird hierfür in der Praxis eingesetzt. In dem Beitrag werden für dieses Modell die Ergebnisse von Zielmaß-Simulationen für verschiedene gängige Lösungsverfahren (schallharte BEM, Schalenrandbedingung mittels BEM-Trägheitskopplung, FEM-Schalenrandbedingung, Raytracing) verglichen und hinsichtlich des verwendbaren Frequenzbereiches diskutiert. Zusätzlich ist ein Vergleich mit entsprechenden Messergebnissen vorgesehen.

This manuscript presents a method for reproducing sound fields actively by using a vibrating submerged structure as the field reproduction source, with the target sound field to be reproduced defined in the frequency domain using the acoustic brightness approach. To balance the predetermination of a mono- or multi-zone target sound pressure field and the control effort required, singular value decomposition of the structural-acoustic system matrix is proposed. The dependency of the radiation efficiency into the target zone on the singular modes representing source and pressure modes is investigated using a wavenumber-domain approach. Furthermore, a feedforward control principle is adopted for adaptive sound-field reproduction with mode matching from the least squares perspective. Finally, an experiment is reported that involve synthesizing a tonal target underwater acoustic signature of a model of a fast attack craft (scale 1:8) at a measurement facility at Lake Plön in Germany. The results show that with the structural-acoustic brightness approach structural modes with radiation coupling into the target zone are excited and related pressure modes exhibit individual focus in the direction of hydrophones in use. Finally, a predetermined narrowband sound pressure field is actively reproduced at the hydrophone positions using inertial actuators and accelerometers on the ship model’s hull.

A cooperation project with the Bundeswehr Technical Center for Weapons and Ammunition (WTD-91) is about the acoustic camouflage of military vehicles. Thus, the properties of active and passive damping materials are investigated. Passive acoustic metamaterials (PAMM) have the possibility to create stop bands of sound transmission within determined frequency ranges. In this contribution, PAMM with face centered cubic (FCC) lattice structure are realized by Computer Aided Design (CAD) and investigated simulatively by the Finite Element Method (FEM).