Onderwaterakoestiek: periode (1946 – 1957)

Onderwaterakoestiek (1946 – 1957)

De onderwaterakoestiek heeft tijdens de Tweede Wereldoorlog op vrij grote schaal toepassing gevonden bij het opsporen van onderzeeboten en oppervlakteschepen. De daarvoor gebruikte toestellen, eerst ASDIC (Anti-Submarine Detection Investigation Committee) geheten, later aangeduid met de naam sonar (Sound Navigation and Ranging), waren zowel van het “actieve” en het “passieve” type. Actieve sonar berust op de ontvangst van de echo van een object na de uitzending van een signaal. Passieve sonar gebruikt het door het object zelf voortgebrachte geluid dat een gevolg is van onder andere de voortstuwing.

In 1946 werd in Nederland een schoorvoetend begin met nieuw fundamenteel onderzoek op het gebied van de onderwaterakoestiek gemaakt. Dit betrof proefnemingen betreffende de absorptie van geluid in vloeistoffen. Tegelijkertijd werd gewerkt aan de ontwikkeling van een gestroomlijnde sonardom die minder cavitatie, dus geluid, maakt. Dat laatste in samenwerking met het Scheepsbouwkundig Proefstation, het latere MARIN. Voor de Koninklijke Marine werd ook een uitgebreide sonarinstallatie onderzocht op een achtergebleven Duits oorlogsschip en werd de Amerikaanse sonarinstallatie van het patrouillevaartuig Hr.Ms. Queen Wilhemina (eerder de USS PC 468) gerepareerd.

De Koninklijke Marine was eind 1947 van mening dat, gezien het toekomstige belang van sonar, de vorming van deskundigheid en ervaring binnen Nederland noodzakelijk was. Dientengevolge werd het laboratorium in 1948 belast met het ontwikkelen van een sonar bestemd voor het toenmalige nieuwbouwprogramma van de marine. De Engelsen, noch de Amerikanen waren bereid informatie over sonars te verstrekken. Omdat Frankrijk zich internationaal in een soortgelijke positie als Nederland bevond bleek het mogelijk om tot een goede samenwerking te komen. Dit betrof niet alleen de ontwikkeling van transducenten en hydrofoons (= onderwatermicrofoons), maar omvatte ook de uitwisseling van ervaring met apparatuur in ontwikkeling. Tevens stelde Frankrijk beproevingsfaciliteiten ter beschikking.

De belangrijkste, herna beschreven, ontwikkelingen in de periode 1946 tot de jaren zestig waren:

  • Meetposten en Hr.Ms. Paets van Troostwijk (1947 – )
  • Actieve sonarontwikkelingen: ADI, CWE-1 en CWE-10 (1950 – )
  • Passieve sonarontwikkelingen: PAI en OLA (1951 – 1957)
  • Onderzoek aan transducenten en hydrofoons
  • Meetstation Roeleveense Plas (Nootdorp) (1953 – )

 

Meetposten voor sonar en varend sonarbeproefingslaboratorium Hr.Ms. Paets van Troostwijk

Teneinde ook in eigen beheer experimenten met geluid onder water te kunnen uitvoeren werd midden 1948 een meetvlot met meethut samengesteld uit pontons. Deze pontons hadden tijdens de bezetting gediend als gepantserde deuren ter afsluiting van een Duitse bunker voor Schnellboote (SBB) in de Waalhaven te Rotterdam. Dit vlot werd gestationeerd in dezelfde Waalhaven en onder toezicht geplaatst van de onderzeebootbestrijdingsschool Hr.Ms. Zeearend. Hiermede kon het laboratorium metingen uitvoeren aan de zelf ontwikkelde transducenten. Naast deze beproevingsmogelijkheid kwam er weldra een tweede. De Koninklijke Marine raakte in het bezit van een circa vijftig jaar oude Noorse walvisjager. Aanvankelijk meende men dat dit schip, gezien haar hoge ouderdom, beter voor de sloop kon worden bestemd. Het bleek echter dat de walvisjager door de Duitse Kriegsmarine was verbouwd om het geschikt te maken als beproevings- of opleidingsschip onder de naam “Süd III” en uitgerust was met veel in de Duitse Kriegsmarine gebruikte asdic-apparatuur. Het lag daarom voor de hand het schip in te richten als varend beproevingslaboratorium. In 1948 is de schade aan de aanwezige apparatuur hersteld en zijn een aantal verbeteringen doorgevoerd (o.a. indicatie en reverberation controlled gain). Als zodanig heeft de Paets dan ook vanaf 1950 vele jaren goede diensten bewezen, aanvankelijk als “HE-2”, later onder de naam Hr.Ms. Paets van Troostwijck. In 1950 werden eerst asdic-proeven uitgevoerd in  de Nieuwe Waterweg, daarna is een tocht gemaakt naar Toulon aan de Middenlandse Zee. In 1961 werd het duidelijk dat de oude ”Paets van Troostwijck (A 893)” niet lang meer zijn diensten als varend beproevingsplatform zou kunnen vervullen.

Hr.Ms. Paets van Troostwijck op de rede van Toulon (1950)
Hr.Ms. Paets van Troostwijck op de rede van Toulon (1950)

 

Gered van de brug van de Paets van Troostwijk voorafgaande aan de sloop
Gered van de brug van de Paets van Troostwijk voorafgaande aan de sloop

Toen tenslotte bleek dat de sloop van het schip onafwendbaar was, werd door de Koninklijke Marine als vervanging een vaste beproevingsinstallatie in Hoek van Holland ter beschikking gesteld. Deze bestond uit een steiger met een hijsmechanisme en een onderkomen voor de apparatuur. Deze steiger was via een vaste loopbrug verbonden met een laboratorium aan de vaste wal. Uiteraard werden tevens de nodige voorzieningen getroffen voor het verplaatsen en hijsen van zware lasten. Sinds 1966 deed deze installatie dienst voor proefnemingen met sonarapparatuur.

 

Onderzoek naar actieve sonar 

Omstreeks 1950 kwam, als resultaat van de eerdergenoemde marineopdracht, het laboratoriummodel van een Anti-Duikboot Installatie (ADI) gereed. Op een dikke stalen plaat, die dient als tegenmassa, zijn piezo-elektrische kristallen geplakt, gemaakt van Seignettezout (kalium-natrium tartraat). Deze kristallen resoneren bij een frequentie van 25 kHz. De frequentie van deze actieve sonar was instelbaar tussen 17 en 35 kHz en het zendvermogen 250 W. Deze “zoeklichtsonar” was voor die tijd ultramodern en bevatte alles wat men zich in een dergelijk apparaat kon wensen. De opstelling in diagonaalsgewijs geplaatste vierkanten maakt het mogelijk om tussen het linker en het rechter kwadrant een richtingsbepaling te realiseren in het horizontale vlak, terwijl het bovenste en het onderste kwadrant voor de richtingsbepaling in het verticale vlak zorgt. Met deze opstelling kan men dus de richting van het binnenkomende geluid bepalen. Naast het elektronische deel, dat van een geheel nieuwe opzet was, was ook de transducent een eigen ontwikkeling. Voor de toepassing onder water worden de kristallen opgesloten in een waterdichte behuizing, gevuld met ricinusolie en met een rubberen geluidvenster aan de voorzijde. Hierbij werd gebruik gemaakt van advies door het Rubberinstituut TNO (in het jaarverslag nog aangeduid met de oude naam (Rijks)Rubberdienst). De elektronische apparatuur omvatte een onderdeel dat de beweging van het eigen schip kon elimineren als onderdeel van de snelheidsbepaling van het doelwit, een zogenaamde “eigen Doppler-nullifier”.

Parallel vond onderzoek plaats naar andere piëzeo-elektrische materialen zoals bariumloodtitanaat. Dit gebeurde in samenwerrking met het Centraal Laboratorium van de PTT.

Deze transducent behoorde bij de sonar PAE-1 en werd in 1953 vervaardigd door Van der Heem.
Deze transducent behoorde bij de sonar PAE-1 en werd in 1953 vervaardigd door Van der Heem.

 

Laboratoriummodel van de ADI
Laboratoriummodel van de ADI

Het laboratoriummodel van de werd met succes beproefd aan boord van Hr.Ms. Paets van Troostwijck op de Noordzee, voor de Franse kust bij Brest en in de Middellandse Zee. Daarna viel het besluit dat de Nederlandse industrie de serieproductie van het sonarapparaat ter hand zou nemen onder de technische verantwoordelijkheid van het laboratorium. Het productieprototype (onder de naam DATO: Detectie Apparaat Tegen Onderzeeboten) bleek aan boord van Hr.Ms. Marnix tot volle tevredenheid te werken. Daarop volgde de serieproductie onder de typering PAE-1 door de firma Van der Heem. Deze installaties hebben zeer lang dienst gedaan op schepen van de Koninklijke Marine. Ook internationaal trok deze sonar de aandacht. Dit blijkt uit de verkoop ervan aan de Duitse, Zweedse, en enkele andere buitenlandse marines. Dit succes hield niet alleen verband met de deugdelijkheid van het ontwerp maar ook met enkele bijzondere eigenschappen. Zo was er een bijzondere aanwijzing op een elektronenstraalbuis van het Doppler-effect, dat wil zeggen de frequentieverschuiving die optreedt ten gevolge van de beweging van het doel. Bovendien gaf het apparaat elektronisch direct de gegevens voor vuurleiding en wapens.

 

Productieprototype Detectie Apparaat Tegen Onderzeeboten (DATO)
Productieprototype Detectie Apparaat Tegen Onderzeeboten (DATO)

 

Magnetostrictieve transducent
Magnetostrictieve transducent

In de nacht van 7 op 8 november 1952 strandde het Panamese stoomvrachtschip M.s. Faustus ten noorden van de Noorderpier bij Hoek van Holland. Het wrak sloeg door de Noorderpier heen en zonk dwars op de vaargeul van de Nieuwe Waterweg. Het blokkeerde de toegang tot de Rotterdamse haven.  De experimentele ADI op de Paets van Troostwijk en een experimentele actieve sonar voor opsporing van zeemijnen werd gebruikt om de wrakligging precies af te bakenen. Met betonning kon de helft van de vaargeul na 24 uur weer operationeel gemaakt worden.
De ADI op de Paets van Troostwijk is vanaf eind augustus 1954 ook gebruikt om brokstukken van het op 23 augustus 1954 tussen Egmond en Bergen in zee neergestorte KLM DC-6 toestel De Bontekoe te lokaliseren. Een persoonlijk verslag van die inzet van de Paets van Troostwijk is te vinden op Onze Vloot.

Parallel hieraan werd begin jaren 50 gewerkt aan de ontwikkeling van piezo-elektrische stoffen en een magnetostrictieve sonar op hoge frequenties voor detectie van zwevende en drijvende voorwerpen in rivieren. 

De actieve sonar werd intussen in het laboratorium verbeterd en uitgebreid. Zo ontstond de WARO als waarschuwingsversie van de DATO. De WARO werd door Van der Heem geproduceerd als de CWE-1. Door uitbreiding met een grotere zender ontstond hieruit de CWE-10, die was uitgerust met een nieuw ontwikkelde, magnetostrictieve transducent. Deze grotere zender werd gedreven door de bestaande CWE-1 zender en was dus als moduul geplaatst tussen de oorspronkelijke zender en de transducent. Daarmee werd het oorspronkelijke vermogen van 250 W opgevoerd tot 10 kW.

Als toevoeging aan de actieve sonar werd ook geëxperimenteerd met het Aanslag Correctie Plot (ACP). Dit toestel gaf onder gunstige omstandigheden een aanduiding van de ligging van een doel indien de lengte daarvan groot was ten opzichte van de andere afmetingen. Verbeteringen op verschillende terreinen werden beproefd en soms met succes. Zo ontstond een verbetering van het rendement van de energieoverdracht tussen zender en transducent en van de automatische sterkteregelingen. Mechanische voorzieningen werden vervangen door elektronische circuits en verschillende uitvoeringsvormen voor de visuele presentatie van het signaal werden beproefd.

 

Onderzoek naar passieve sonar periode 1951 – 1957

Vanaf 1951 werd tevens gewerkt aan onderzoek betreffende passieve sonarapparatuur. Bij proefnemingen en wijzigingen is intensief met Frankrijk samengewerkt. Als eerste dient de Passieve Afstand Indication (PAl) genoemd te worden. In de onderzeeër waren op vier vaste posities langs de lengteas van het schip hydrofoons gemonteerd. Het schroefgeruis van een doel komt niet gelijktijdig bij de vier hydrofoons aan. De instelbare vertragingslijnen W1 en twee keer W2 worden zo ingesteld dat het geruis gelijktijdig bij de signaalbehandeling aankomt. De mate van vertraging ingesteld door W2 geeft de richting van het doel. Bij een vlak geluidsgolffront zijn de tijdverschillen van de twee bases gelijk. Een afwijking hierop ontstaat door het kromme golffront. Uit deze afwijking kan de positie van het doel worden berekend.

PAI: Vergelijking van de vertraagde aankomst van het geluid geeft richting van geluidsbron en afstand
PAI: Vergelijking van de vertraagde aankomst van het geluid geeft richting van geluidsbron en afstand

 

PAI
PAI

Latere proefnemingen met de PAI werden nutteloos door het besluit van de Koninklijke Marine om dergelijke sonarapparatuur in het buitenland te kopen.

In 1955 werd begonnen met het meten van het eigen stoorgeruis in de sonar van diverse schepen. Na een aantal metingen op zee werd dit werk in latere jaren overgenomen door de Koninklijke Marine die dit in eigen beheer als routine laat uitvoeren. Het laboratorium was ook later nog betrokken bij de verschillende aspecten van deze metingen. Hetzelfde geldt voor het uitgestraalde geruis. TNO adviseerde bovendien bij de inrichting van een meetbaan voor het meten van scheepsgeruis en leverde de hiervoor benodigde hydrofoons.

In de late 50-er jaren werd nog het elektronische deel van een geruispeiler ontwikkeld: het onderwaterluisterapparaat (OLA). Verbeterde inzichten en gewijzigde technische mogelijkheden resulteerden in de modellen OLA-2 en OLA-3.

OLA-1
OLA-1
OLA-2
OLA-2
OLA-3 (getransistoriseerde uitvoering van OLA-2)
OLA-3 (getransistoriseerde uitvoering van OLA-2)

 

Laboratoriumversie van de OLA-3 (transistorversie OLA-2 met verbeteringen) periode 1958-1960
Laboratoriumversie van de OLA-3 (transistorversie OLA-2 met verbeteringen) periode 1958-196

Elk van deze modellen betekende, bij gelijkblijvende prestaties, een aanzienlijke reductie in volume en gewicht vergeleken met zijn voorganger. Dit leidde echter niet tot een industriële productie, hoewel de laboratoriummodellen wel geruime tijd dienst deden op de onderzeeboten van de Koninklijke Marine. Getracht werd om het omwentelingstal van de schroef van een passerend schip te bepalen door het geluid van de schroef weer te geven op een elektronenstraalbuis. In het centrum van de onderzeeër waren twee hydrofoons gemonteerd op het uiteinde van een staaf, die om het midden in bakshoekrichting draaibaar was. Deze bakshoek werd zo ingesteld dat de hydrofoons gelijke afstand hadden tot de geruisbron. De richting van de bron bevond zich dan loodrecht op de staaf.

 

Onderzoek aan transducenten (1958 – 1964)

Veel werk werd door het laboratorium verricht aan het ontwikkelen van transducenten en hydrofoons. Uit de literatuur was net na de Tweede Wereldoorlog zeer weinig bekend op dit gebied. 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 of magnetostrictieve metalen.

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.

Kristaltransducent
Kristaltransducent

Een voorbeeld van de vele ontwikkelde hydrofoons is de Sonar Interceptie Hydrofoon LWS20. Als een schip, dat op zoek is naar onderzeeboten sonarsignalen uitzendt, dan kunnen die signalen worden opgevangen door een onderzeeboot voordat het schip de echo’s waarneemt. 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. Het apparaat moet dus een breed frequentiespectrum kunnen ontvangen.

Hydrofoon LWS20 met 10 elementen
Hydrofoon LWS20 met 10 elementen

De transducent bestaat uit een kubus met daarin vier hydrofoons LWS20 die elk een sector van 90o bestrijken. Elke hydrofoon bevat tien elementen van het door het laboratorium ontwikkelde type ZP84, gerangschikt in een driehoekig patroon. De signalen van de tien elementen gaan naar acht voorversterkers.

Nummering van de elementen van de LWS20 - zie tekst hieronder
Nummering van de elementen van de LWS20 – zie tekst hieronder

Het frequentiespectrum wordt in vier delen gesplitst. Het enkele 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 en alle tien hydrofoon-elementen (elementen 1 t/m 10) tezamen verzorgen de laagste frequentieband van 5 tot 10 kHz. De hydrofoon bestaat geheel uit titanium en is bestand tegen elke diepte onder water waar een onderzeeboot kan duiken.

In 1958 werd parallel hieraan 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 hydrofoonkolommen 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 en het totale gewicht 2800 kg. De aan en 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
Schematische werking van de 216TP5R
Schematische werking van de 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 van het 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 onder meer 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 in Nootdorp, met de bijbehorende apparatuur op het nieuwe meetstation van de Marine in Hoek van Holland beproefd.

 

Meetstation Roeleveense Plas (Nootdorp)  (1953 – )

Tijdens de ontwikkeling van transducers bleek de meetinrichting op het vlot in de Waalhaven niet meer aan de eisen te voldoen:

  • het water was ter plaatse niet diep genoeg,
  • het achtergrondlawaai was te hoog door de nabijheid van scheepsverkeer en havens, en
  • de afstand tussen het laboratorium in Den Haag en de haven in Rotterdam was onpraktisch groot.

Met gebruikmaking van dezelfde pontons werd daarom in 1953 een nieuw vlot vervaardigd. Dit vlot werd verankerd in de Roeleveense Plas, een kustmatig driehoekig zoetwatermeer van met zijden van 300 en 400m nabij Nootdorp naast de A12. De rustige omgeving en de grote diepte (18.5 meter) kwamen ten goede aan de kwaliteit van de metingen speciaal voor frequenties beneden de 500 Hz. Dit vlot was tevens geschikt gemaakt voor metingen aan sonardoms (een “dom” is een stroomlijnvormige omhulling van de transducent die dient om het stromingsgeruis te verminderen). Hoewel dit meetstation aanvankelijk aan alle wènsen voldeed bleek na een aantal jaren toch dat nogmaals een vervanging nodig was. De ontwikkeling van de sonartechniek leidde van de zoeklichtsonar met één enkele te richten bundel naar de “panoramische” sonar met een combinatie van een aantal vaste bundels in een enkele transducent.
Het tweede element in de ontwikkeling werd gevormd door het gebruik van lagere frequenties. Beide factoren gecombineerd hadden tot gevolg dat transducenten en doms aanzienlijk omvangrijker en zwaarder werden. Het vervoer hiervan naar het vlot kon dus niet meer zoals voorheen per roeiboot geschieden. Daarom werd omstreeks 1960 besloten om een groter vlot (6 x 14 meter) te construeren in dezelfde plas met een vaste vijftig meter lange drijvende brugverbinding met de oever. Deze inrichting werd ontworpen om objecten met maximale afmetingen van 2 x 2 x 4 meter en een gewicht van 5 ton te kunnen beproeven. Daartoe werd een railsysteem op de brug en de oever aangebracht. In de bodem van het ponton was een gat van 2 x 4 meter uitgespaard. Boven het gat bevindt zich een 13 meter hoge hijskolom waarmee objecten tot 1.80 m van de lorrie kunnen worden getild en tot 6 meter onder het wateroppervlakte konden worden gebracht. Dit vlot werd in 1961 in gebruik genomen. TNO heeft deze faciliteiten tot in de jaren ’90 voor experimenten gebruikt.   

Meetstation Nootdorp (Roeleveense plas) met hijstoren en pontonbrug
Meetstation Nootdorp (Roeleveense plas) met hijstoren en pontonbrug

 

 

Acknowledgement

Met dank aan het van der Heem & Bloemsma documentatiecentrum, website: http://www.vanderheem.com/index.html zijn enkele fotoverwijzingen naar de industriële versies van de sonarapparatuur aan deze webpagina toegevoegd.