Onderwaterakoestiek: Transducenten (1958 – 1964)

 

Onderzoek aan transducenten (1958 – 1964)

 
In de periode 1958-1964 werd door het laboratorium veel werk verricht aan het ontwikkelen van transducenten en hydrofoons. Net na de Tweede Wereldoorlog was hierover zeer weinig bekend in de wetenschappelijke literatuur. Betrouwbare theorieën ontbraken zodat de meeste constructies langs empirische weg tot stand kwamen. Bovendien moest het gebruik worden bestudeerd van de moderne keramische materialen omdat die materialen voordelen boden boven piëzo-elektrische kristallen en magnetostrictieve metalen.

Nikkel transducent van de WARO-10 in meetbasin oude laboratorium
Nikkeltransducent van de WARO-10 wordt uit het meetbasin gehaald

Omstreeks 1960 werd begonnen met het ontwerp van hydrofoons voor een speciale passieve sonar waarbij gebruik gemaakt werd van het principe dat in de radiotechniek bekend staat als “Watson-Watt” om akoestisch een peilingsindicatie te verkrijgen. Ondanks het slagen van dit onderzoek, kwam een industriële productie pas vele jaren later op gang.

Een voorbeeld van de vele ontwikkelde hydrofoons is de sonarinterceptiehydrofoon LWS20 (Luister Waarschuwings Systeem). Als een schip dat op zoek is naar onderzeeboten sonarsignalen uitzendt, dan kunnen die signalen door een onderzeeboot ruim voordat het schip de echo’s waarneemt worden opgevangen. Hiervoor beschikt de onderzeeboot over een sonar interceptie-ontvanger, een luisterapparaat dat van opgevangen sonarsignalen de richting en de frequentie bepaalt. Laagfrequente signalen zijn afkomstig van langeafstand-sonars, middenfrequente signalen van aanvalsonars en de hoogfrequente signalen komen van doelzoekende torpedo’s. De sonar-interceptie-ontvanger moet dus een breed frequentiespectrum kunnen ontvangen.

Proeven met de LWS20 te Nootdorp (1961)
LWS20 proeven te Nootdorp (1961)

De transducent bestaat uit een kubus met daarin vier hydrofoons LWS20 die elk een sector van 90o bestrijken. De hydrofoon bestaat geheel uit titanium en is bestand tegen elke diepte onder water waar een onderzeeboot kan duiken. Elke hydrofoon bevat tien elementen van het door het laboratorium ontwikkelde type ZP84, gerangschikt in een driehoekig patroon. De signalen van deze tien elementen gaan naar acht voorversterkers.

Sonarinterceptiehydrofoon LWS20 (Luister Waarschuwings Systeem) met tien ZP84 elementen
Sonarinterceptiehydrofoon LWS20 (Luister Waarschuwings Systeem) met tien ZP84 elementen
Nummering van de elementen van de LWS20 - zie tekst hieronder
Nummering van de ZP84 elementen van de LWS20 – zie tekst hieronder

Het frequentiespectrum wordt in vier delen gesplitst. Het bovenste hydrofoon-element (1) bestrijkt de hoogste frequentieband van 40 tot 80 kHz. De drie bovenste hydrofoon-elementen (elementen 1, 2 en 3) ontvangen samen de frequentieband van 20 tot 40 kHz. Met het driehoekje van zes elementen (elementen 1 t/m 6) wordt de frequentieband van 10 tot 20 kHz ontvangen. Alle tien hydrofoon-elementen (elementen 1 t/m 10) tezamen verzorgen de laagste frequentieband van 5 tot 10 kHz. 

LWs20 gebaseerde hydrofoon aan boord van een driecilinder onderzeeboot
Een op de LWS20 gebaseerde hydrofoon aan boord van een driecilinder onderzeeboot

Parallel hieraan werd in 1958 werd  begonnen met de constructie van een panoramische transducent voor een lage frequentie met bijbehorende apparatuur. Een dergelijke transducent was toen in Nederland niet aanwezig. De bedoeling van deze omvangrijke onderneming was om eigen ervaring te verkrijgen met de fundamentele problemen die aan een dergelijk ontwerp zijn verbonden. De transducent, die niet bedoeld was als pre-productie model, werd opgebouwd uit 216 zeskantige, elkaar steunende, elementen, verdeeld over 36 kolommen van elk zes elementen, geplaatst in een cilindervorm. 

Drie hydrofoonkolommen van de 216TP5R
Drie transducentkolommen van de 216TP5R

De panoramische transducent 216TP5R kwam in 1964 gereed. Met deze panoramische transducent kon over een bakshoek (=kaarthoek) van 360 graden rondom uitgezonden en ontvangen worden. De resonantiefrequentie was 5 kHz. Het totale gewicht van de transducent was 2800 kg. 
De met deze transducent uitgevoerde metingen hebben aanzienlijk bijgedragen aan de kennis die benodigd was om de toekomstige gebruiker van dergelijke transducenten te kunnen bijstaan met gefundeerde adviezen. Hetzelfde geldt voor de elektronische apparatuur die nodig is om zo’n transducent te kunnen gebruiken.

Panoramische transducent 216TP5R aan boord van een schip
Panoramische transducent 216TP5R aan boord van een schip
Schematic of the 216TP5R
Schematic of the 216TP5R

De werking van de 216TR5R is als volgt: van de kolommen wordt een derde deel, 12 kolommen overeenkomend met 120 graden van de totale omtrek, gebruikt bij uitzending en ontvangst. Door elektronische omschakeling van de 12 kolommen kunnen de geluidbundels rondom in 36 richtingen worden ingesteld. Met vijf vaste vertragingslijnen wordt ervoor gezorgd dat ondanks het gebogen front van de transducent er een vlak golffront aan uitgezonden geluid wordt verkregen. In het schema is de gestippelde boog 120 graden. De vijf vertragingslijnen zijn D kolom 2 en11, D kolom 4 en 9, D kolom 6 en 7, D kolom 5 en 8, D kolom 3 en10. De lengte van de vertragingslijnen D geeft de maat van de vertraging aan.

Het laboratorium produceerde twaalf zenders met ieder een vermogen van circa 1 kW met de daarbij behorende afstemspoelen. De experimentele transducent 216TP5R werd, na afloop van de metingen te Nootdorp, met de bijbehorende apparatuur op het nieuwe meetstation VIANDA van de Koninklijke Marine te Hoek van Holland beproefd.

De 216TP5R klaar voor testen op het proefstation VIANDA te Hoek van Holland
De 216TP5R klaar voor testen op het proefstation VIANDA te Hoek van Holland

Deze ontwikkeling zou hebben geleid tot een sonar-update voor het vliegdekschip de Hr.Ms. Karel Doorman. Omdat de Karel Doorman operationeel zou worden afgestoten ging deze update echter niet door.