Onderwaterakoestiek: periode (1957 – 1980)

Onderwaterakoestiek, periode 1957 – 1980

Dopplerverschuiving (1957  – )

Bij de vroege sonarinstallaties heeft het gehoor van de waarnemer altijd een belangrijke rol gespeeld, in het bijzonder als het ging om bewegende doelen die een Doppler frequentieverschuiving vertoonden. Het lag voor de hand om de frequentie-onderscheidende eigenschap van het menselijk oor na te bootsen met een reeks smalbandige filters. Dit zou dan in meervoud gebruikt kunnen worden bij panoramische installaties. De benodigde filters werden omstreeks 1957 vervaardigd met behulp van elektronenbuizen; in een later stadium vond de transistor hierin toepassing.

Een van de 25 filters uit een filterbank ontvanger (uitvoering met buizen)
Een van de 25 filters uit een filterbank ontvanger (uitvoering met buizen)

Het was overigens niet alleen in analoge schakelingen dat de transistor zijn intrede deed. Het was met transistoren mogelijk om digitale schakelingen te vervaardigen die met buizen veel te veel ruimte zouden vergen (om van opgenomen vermogen en warmteontwikkeling maar te zwijgen). Zo werd zelf een ringkerngeheugen vervaardigd dat samenwerkte met de bovengenoemde filterelementen. Dit ringkernzelf geheugen maakte het mogelijk om het resultaat van een aantal uitzendingen visueel waar te nemen.

Filterbank met ringkerngeheugen
Filterbank met ringkerngeheugen

In zo’n geheugen worden de Doppler-echo’s van vier achtereenvolgende uitzendingen als functie van de afstand in een geheugen opgeslagen. Alleen Dopplerecho’s die in alle vier de uitzendingen resultaat geven, worden aangemerkt als doel. Valse echo’s worden op deze manier zoveel mogelijk uitgebannen. Onderzeeboten die naderen of wegvaren geven in hun echo’s een frequentieverschuiving door het Dopplereffect. Deze frequentieverschuiving is hoorbaar als een toonhoogteverschil. In de ADI-, PAE- en CWE-sonars werd deze weergegeven door de helling van de echo op het indicatorscherm. Deze aflezing was echter niet erg nauwkeurig. Een grote verbetering werd verkregen door het echosignaal te leiden door een aantal elektronische bandfilters met aan elkaar grenzende smalle frequentiebanden van elk 10 Hz breed in de “filterbank-ontvanger”. Als bandfilter zijn in de loop der jaren achtereenvolgens gebruikt frequentierelais, filters type Q-multiplier met elektronenbuizen, filters type Q-multiplier uitgerust met transistoren, en magnetostrictieve filters.

De signalen afkomstig uit deze bandfilters werden op het indicatorscherm weergegeven aan weerzijden van de centrale lijn. Nadat het sonarsignaal onder water is uitgezonden loopt er een lichtstip van links naar rechts over dit scherm. Komt er nu een echo binnen dan licht de stip helder op. De plaats waar die echo optreedt, geeft dan de afstand van de onderzeeboot terwijl de mate waarin de echo boven of onder die centrale lijn verschijnt een maat is voor de Dopplerverschuiving. De zwarte geregistreerde signalen in de figuur zijn van een echt doel, de rode signalen zijn valse detecties. Voor een maximum Dopplerverschuiving van + en – 400 HZ zijn 80 filters met een bandbreedte van 10 Hz nodig.

Sonar-dopplerindicator schematisch
Sonar-dopplerindicator schematisch
Multi Beam Doppler Indicator
Multi Beam Doppler Indicator

 

Kleurendisplay voor sonarbeelden

Begin jaren zestig deed de Nederlandse marine mee met een NAVO-oefening op de Middellandse Zee. Een Zweedse onderzeeboot bleek onder een Nederlands marineschip te zijn doorgevaren zonder dat dit op de sonar zichtbaar was. De oorzaak was dat het lichtgroen nalichtende sonarbeeld werd verstoord door zeeclutter en reflecties van bodem en golven. Dat veroorzaakte lichte vlekken op het scherm waardoor de stip van de onderzeebootecho niet opviel in de grotere echo’s van de omgeving. Het LEOK bedacht een methode om gebruik te maken van dopplerinformatie gecombineerd met kleur. De bewegende onderzeeboot kon met een andere kleur zichtbaar gemaakt worden dan de rommelige omgeving van echo’s van niet bewegende voorwerpen. Het toen gebruikte sonarsysteem gebruikte 36 in een kring staande hydrofoons rondom het schip. Door sommatie van naastgelegen hydrofoonsignalen konden met 36 bundels van 10 graden de richting bepaald worden van de echo’s.
Deze signalen werden gebruikt voor de presentatie van het sonarbeeld. Voor de kleureninformatie kon het LEOK gebruik maken van dopplerfilters die ontwikkeld waren door het Physisch Laboratorium TNO in Den Haag. En om het beeld permanent weer te geven werd gekozen voor TV-presentatie waarbij het oorspronkelijke beeld omgezet moest worden van ronddraaiend naar TV. Voor de kleurenbuis werd een pas op de markt verschenen Sony TV gebruikt waarvan alleen de beeldbuis en de hoogspanning werden gebruikt. Naast een digitaal geheugen voor het TV-beeld werd elektronica ontwikkeld die zorgde voor de afbuiging van de elektronenstraal. Na de proefvaart was de marine enthousiast en zei de Commandant Zeemacht: “Dat moet op alle schepen komen!” Politiek werd dat niet goedgekeurd omdat juist een bezuiniging was afgesproken. Uiteindelijk zijn tien exemplaren van de Kleurenbuis zijn in eigen beheer gebouwd bij het MEB (Marine Electronisch bedrijf) in Oegstgeest; negen exemplaren voor de schepen en een voor de marineschool in Den Helder.

Panoramische sonar

Een panoramische sonar is in staat om echo’s van onderzeeboten uit verschillende richtingen tegelijk te ontvangen. Om van deze echo’s niet alleen de richting en de afstand te kennen maar ook de Dopplerverschuiving werd er in 1965 een sonarontvanger ontwikkeld die echo’s gelijktijdig kon weergeven in verschillende geluidbundels onder water. Verdeeld over twee beeldschermen worden er op elk scherm de echo’s getoond in zes naast elkaar gelegen bundels van elk 10o breed. Samen bestrijken deze bundels een sector van 120o. Op het rechterscherm zijn in wit op zwart zes bundels weergegeven. In elke bundel is de weergave van de echo’s gelijk aan die van het prototype Doppler Indicator dat voor de CWE-10 werd gebruikt, maar daar lopen de lichtstippen van beneden naar boven in plaats van links naar rechts. De beeldbuizen werden omstreeks 1965 speciaal voor dit apparaat vervaardigd door Sylvania, Syracuse, U.S.A., elk met zes elektronenkanonnen. De platte beeldbuis is gebruikt in de Dopplerindicator.

Omstreeks 1965 bleek dat de Koninklijke Marine helaas van mening was dat Nederland te klein zou zijn om eigen sonars, zowel actief als passief, te ontwikkelen. In plaats daarvan zou aansluiting gezocht worden bij andere (grotere) landen. Hierin speelde tevens de omstandigheid mee dat, speciaal voor passieve sonars, er slechts zeer weinig of geen vaartijd voor beproevingen ter beschikking was. Na deze beslissing kwam de nadruk bij de groep Onderwaterakoestiek van het TNO laboratorium dus te liggen op studie en onderzoek van die delen van de sonar die de kwaliteit ervan bepalen, zoals de transducent, het signaalontwerp (voor actieve sonars), de signaalverwerking en de daarbij behorende presentatie. Door het op deze wijze onderhouden van de deskundigheid kon het laboratorium op velerlei punten van advies dienen. Dit was speciaal van belang toen de sonaruitrusting van de “Van Speijk”-klasse fregatten gespecificeerd en in een later stadium technisch beproefd moest worden.

Geluidvoortplanting in zee

De kwaliteit van een sonar wordt niet alleen bepaald door de technische eigenschappen van de onderdelen daarvan. Met het beter worden van die eigenschappen, soms tot aan de grens van het fysisch mogelijke, valt de aandacht steeds meer op de eigenschappen van de voortplanting van het geluid in (zee)water. Afgezien van storingen vormt ook de geluidvoortplanting een beperking van de mogelijkheden. Dit laatste leidde ertoe dat omstreeks 1970 de eerste voorzichtige stappen werden gezet op het onbekende gebied van het “mediumonderzoek”. Het onbekende school niet alleen in het onderzoek zelf, maar tevens in de methoden voor het verkrijgen van grote aantallen meetwaarden, de computerverwerking daarvan en de interpretatie van de resultaten.

Vanaf de aanvang stond vast dat het werk zich zou concentreren rond enkele specifieke punten die van belang werden geacht en nog onvoldoende waren onderzocht. Met name werd gedacht aan de factoren die op enigerlei wijze vervorming van het signaal teweegbrengen. Een aantal omstandigheden hebben de vlotte aanvang van dit werk bevorderd. Zo steunde de Koninklijke Marine dit werk ideëel met een opdracht en materieel door het beschikbaar stellen van faciliteiten. Dit laatste betreft de AFAR (Azores Fixed Acoustic Range) waar de eerste uitgebreide serie metingen werd uitgevoerd. Tevens werd vaartijd ter beschikking gesteld van het nieuwe oceanografische vaartuig Hr.Ms. Tydeman (A906). Dit onderzoeksschip werd, in goede samenwerking, uitgerust met een aantal voorzieningen speciaal voor mediumonderzoek. Het vlotte begin is tenslotte ook in grote mate het gevolg van het feit dat de benodigde kostbare elektronische uitrusting kon worden aangekocht. Sommige onderdelen daarvan (transducenten, hydrofoons en elektronische circuits) die niet te koop waren werden in eigen beheer vervaardigd. Het is duidelijk dat de contacten met buitenlandse laboratoria, die overigens al een aantal jaren eerder met dergelijk onderzoek waren begonnen, van groot belang waren bij dit propagatieonderzoek. Dank zij de activiteit op dit nieuwe gebied kon een begin worden gemaakt met een nieuwe mogelijkheid om de reikwijdte van een sonar te voorspellen. Tevens werd het gebruik van bijzondere geluidspaden bestudeerd.

Teneinde de noodzaak van het beschikbaar hebben van twee schepen voor propagatieproeven te ondervangen werd in dit kader een speciaal vlot vervaardigd. Dit vlot kon, op volle zee en onbemand, de vroegere taak van één schip overnemen: aangestuurd via radiocommando’s zond het vlot te kiezen geluidsignalen onder water uit. Deze signalen werden dan door het meetschip op afstand ontvangen en verwerkt. Dit vlot, NEREUS genoemd (Netherlands Experimental Raft-Suspended Electromagnetically controlled Underwater Sound-source), dat uniek was in zijn soort, vormde een grote besparing in scheepstijd.

NEREUS-vlot gekoppeld aan de Hr. Ms. Tydeman
NEREUS-vlot gekoppeld aan de Hr. Ms. Tydeman

Bij de voortplanting van geluid in water is een zogenaamd niet-lineair effect aanwezig. Dit effect, betrekkelijk klein en daarom vroeger verwaarloosd, is later in de aandacht gekomen wegens de bijzondere mogelijkheden. In dit kader heeft het laboratorium een speciale transducent vervaardigd waarmee de eigenschappen van “niet lineaire akoestiek” nader worden bestudeerd.
Dit werk leidde tot de opbouw van een groot potentieel wat betreft het ontwerpen en vervaardigen van sonartransducenten en hydrofoons, waarvan ook door civiele instanties gebruik gemaakt wordt. Een aanzienlijke ervaring is ook verkregen met het ontwerp en de vervaardiging van elektronische circuits, zowel voor sonar als voor meet- en hulpapparatuur. Met propagatiestudies en -proefnemingen tenslotte werd een nieuw terrein betreden dat ook nieuwe activiteiten vereist zowel in theoretisch als in technisch opzicht. De voorheen opgedane ervaring vormt daarin een onmisbaar element.

 

Sonararray

Omstreeks 1980 werd er begonnen met een nieuw principe van onderzeebootdetectie. Men spoorde de onderzeeboten niet meer op door zelf sonarsignalen uit te zenden maar door met gevoelige hydrofoons te luisteren naar het geruis dat een onderzeeboot zelf veroorzaakt. Deze hydrofoons werden dan in een slang (lengte 150 meter) aan een lange kabel (1200 meter) ver achter het schip aan gesleept. Hiermee kan men onderzeeboten op zeer grote afstanden beluisteren en dit houdt ook de hydrophones ver weg van de eigen geluidsbronnen van het schip. Deze methode heeft echter het nadeel dat, als men een onderzeeboot hoort, men dan nog niet weet of deze zich rechts of links van de slang bevindt. Om dat probleem op te lossen sleept men niet één slang maar twee slangen naast elkaar. Het geluid treft de ene slang eerder dan de andere waardoor uitgemaakt kan worden of het geluid van links of rechts komt. Ook deze “Towed Array Sonar” werkt alleen maar goed dank zij de toepassing van moderne technieken van signaalverwerking.

In één onderzoek zijn 32 akoestische sensoren op gelijke afstand in de slang gemonteerd aangevuld door twaalf non-akoestische sensoren. Iedere sensor is met een draadverbinding van ruim 1200 meter met de dekunit verbonden. Omdat dit groot aantal verbindingen het systeem kwetsbaar maakt, is later overgegaan op het transfibersysteem, waarbij aan het eind van de slang een multiplexer-unit (“pod”) is aangebracht die de sensorsignalen met een hoge samplefrequentie in tijdmultiplex toevoert aan een enkele optische glasfiber die het signaal via de 1200 meter lange sleepkabel overbrengt naar het schip, waar een dekunit het ontvangen signaal weer omzet in parallelle sensorsignalen.

 

Dekunit transfibersysteem
Dekunit van het transfibersysteem

 

De transmissiefiber tussen de hydrofoonslangen en het schip
De transmissiefiber tussen de hydrofoonslangen en het schip