Marinewandler sind elektroakustische Geräte, die elektrische Signale in akustische Druckwellen und eingehende Druckschwankungen in Signale zur Weiterverarbeitung umwandeln und so Kommunikation, Sensorik, Navigation und Ortung auf unbemannten maritimen Plattformen ermöglichen.
In dieser Kategorie werden führende Anbieter von Unterwasser- und maritimen Wandlern vorgestellt, die Lösungen für AUVs, UUVs, ROVs und USVs liefern.
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Wetterbeobachtungsstationen, Schallwandler für den maritimen Einsatz, Seitensichtsonare und Unterwasserhöhenmesser
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Marine-Wandler stellen die elektroakustische Verbindung zwischen unbemannten Meeresplattformen und dem umgebenden Wasser her. Beim Senden wandeln diese akustischen Wandler elektrische Signale in akustische Druckwellen um. Im Empfangsmodus wandeln sie eingehende Druckschwankungen in elektrische Signale zur Weiterverarbeitung um. Dies unterstützt die Sensorik, Kommunikation, Navigation und Positionierung bei autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs), unbemannten Unterwasserfahrzeugen (UUVs), ferngesteuerten Unterwasserfahrzeugen (ROVs) und unbemannten Oberflächenfahrzeugen (USVs).
Bei der Integration eines Unterwasser-Sonarwandlers müssen akustische Leistung, verfügbarer Platz, Stromverbrauch und Montageanforderungen gegeneinander abgewogen werden. Die richtige Wandlerarchitektur hängt vom Plattformlayout, der Einsatztiefe, der akustischen Umgebung und den Missionszielen ab.
Ultraschallwandler „M190 Survey“ von Airmar Technology Corporation
Ein Unterwasser-Akustikprojektor ist ein aktiver Sonarwandler, der dazu dient, hochenergetische Schallwellen in die Meeresumgebung auszustrahlen. Angetrieben von Leistungsverstärkern erzeugen diese Sender kontrollierte Druckwellen für aktive Sonarsysteme, akustische Modems, Ortungstransponder und Unterwasserauslösevorrichtungen. Hochfrequenz-Sender verwenden häufig kompakte piezokeramische Platten oder Verbundwerkstoffe, während Niederfrequenzgeräte in der Regel größere Abstrahlflächen oder Resonanzstrukturen erfordern.
Ein Hydrofonwandler ist ein passives Empfangsgerät, das Druckschwankungen in elektrische Signale umwandelt. Diese Sensoren erfassen Schiffsspuren, biologische Laute, seismische Aktivitäten und Echos von aktivem Sonar über weite Frequenzbereiche hinweg. Moderne Geräte verwenden Blei-Zirkonat-Titanat-Keramiken, Piezopolymerfolien oder Lichtleiter, die an rauscharme Vorverstärker gekoppelt sind.
Ein akustischer Transceiver vereint Sende- und Empfangsfunktionen in einem einzigen Gehäuse und vereinfacht so die Installation auf Plattformen mit begrenztem Platzangebot. Zu den gängigen Anwendungen zählen akustische Modems, Höhenmesser und Echolot-Wandlerbaugruppen. Sende-/Empfangs-Umschaltkreise schützen empfindliche Vorverstärker vor Hochspannungsimpulsen, während digitale Filterung und Empfänger-Ausblendung das Nachschwingen der Wandler reduzieren.
Ein Wandlerarray kombiniert mehrere akustische Elemente in einer bekannten Geometrie, um fokussierte Strahlen zu erzeugen, Signalankunftswinkel zu bestimmen und unerwünschte Störgeräusche auszusenden. Die Systeme können Sendeimpulse elektronisch steuern oder mehrere Empfangsstrahlen bilden, ohne dass mechanische Schwenk- und Neigevorrichtungen erforderlich sind. Moderne Plattformen können ein mehrachsiges Unterwasser-Wandlerarray, eine an den Rumpf angepasste Anordnung oder ein geschlepptes Hydrofonarray verwenden.
M194-Breitband-Wandler mit 200 kHz von Airmar Technology Corporation
Da sich Hochfrequenzsignale im Meerwasser rasch abschwächen, ist die akustische Kommunikation die wichtigste Methode für den drahtlosen Datenaustausch über große Entfernungen mit untergetauchten Plattformen. Ein akustisches Modem nutzt einen speziellen Wandler, um Telemetriedaten, Steuerbefehle und Sensordaten durch die Wassersäule zu übertragen. Niedrigere Frequenzen ermöglichen größere Reichweiten, während höhere Frequenzen Verbindungen mit kürzerer Reichweite und höherer Bandbreite ermöglichen.
Unterwasser-Drohnen sind zur Positionsbestimmung auf akustische Wandler angewiesen, wenn keine kontinuierliche Satellitenverbindung verfügbar ist. USBL-Wandlerköpfe (Ultra-Short Baseline) messen Phasen- oder Zeitunterschiede, um Zieltransponder zu orten, während LBL-Netzwerke (Long Baseline) Transponder auf dem Meeresboden als Positionsreferenz nutzen. Doppler-Geschwindigkeitslogs (DVLs) messen Doppler-Verschiebungen zur Geschwindigkeitserfassung, Höhenmesser messen die Höhe des Meeresbodens mithilfe eines Einstrahl-Wandlers, und Unterwasser-Druckwandler liefern Tiefendaten.
Aktive Sonarsysteme nutzen Unterwasserwandler zur Kartierung, Zielerfassung und Hindernisvermeidung. Side-Scan-Sonar-Schallköpfe erzeugen schmale horizontale Strahlen zur Kartierung der Rückstreuung vom Meeresboden, während Multibeam-Schallköpfe breite akustische Erfassungsbereiche für bathymetrische Vermessungen erzeugen. Vorwärtsgerichtete Sonare nutzen Unterwasser-Arrays aus hochfrequenten Ultraschall-Schallköpfen, um Gefahren und Hindernisse in Echtzeit zu identifizieren.
Die passive akustische Überwachung ermöglicht es unbemannten Plattformen, Schallquellen zu verfolgen, ohne selbst akustische Energie abzugeben. Kalibrierte Hydrophone unterstützen die Überwachung von Meeressäugetieren, die ozeanografische Forschung sowie die verdeckte Marineüberwachung. Durch die Verarbeitung an Bord können Rohaufzeichnungen in gezielte Datenzusammenfassungen umgewandelt werden, wodurch Speicher- und Übertragungsanforderungen reduziert werden.
Autonome Unterwasserfahrzeuge (AUVs) und unbemannte Unterwasserfahrzeuge (UUVs) erfordern kompakte, energieeffiziente Wandler, die in begrenzte Nutzlasträume passen, ohne die hydrodynamische Leistung zu beeinträchtigen. Akustikfenster und bündig montierte Wandler schützen die Sensoroberflächen und sorgen gleichzeitig für glatte Rumpflinien. Eine angemessene Erdung, Abschirmung und Trennung von leistungsstarken Motorantrieben tragen dazu bei, elektromagnetische Störungen zu verhindern.
Ferngesteuerte Unterwasserfahrzeuge (ROVs) nutzen die über das Verbindungskabel zugeführte Energie, um leistungsstarke Bildgebungssonare, mehrachsige Sonarsysteme, akustische Kameras und rechenintensive Sensorsysteme zu betreiben. Geräusche der Triebwerke, strukturelle Schwingungen und das Schwingen des Verbindungskabels können die akustische Leistung beeinträchtigen. Die Positionierung der Sonarköpfe abseits der Strahlungsfelder der Triebwerke sowie der Einsatz von Schwingungsdämpfern tragen dazu bei, die Bildschärfe zu erhalten.
Unbemannte Oberflächenfahrzeuge (USVs) tragen hydrografische Wandler, Strömungsprofiler und Unterwasser-Akustik-Gateways, müssen jedoch unter den Einflüssen von Rumpfschlägen, Wellenbewegung und mitgerissenen Luftblasen operieren. USV-Betreiber können ausfahrbare Stangen, starre Abwurfkiele oder Schleppkörper einsetzen, um die Wandler unterhalb der mit Luftbläschen durchsetzten oberflächennahen Grenzschicht zu positionieren.
Auftriebsgetriebene Gleiter und Profiling-Schwimmer nutzen Wandler mit extrem geringem Stromverbrauch sowie passive Hydrophone zur langfristigen Erfassung von Umweltdaten. Da sie keine aktiven Propeller besitzen, sorgen sie während der Gleitphasen für ruhige Abhörbedingungen. Puls-Breitband-Betrieb, ereignisgesteuerte Verarbeitung und druckfeste Gehäuse tragen dazu bei, Energie zu sparen und die Leistung bei wiederholten Tauchgängen aufrechtzuerhalten.
Unterwasser-Landegeräte bieten statische Plattformen für die langfristige passive akustische Überwachung und ozeanografische Messungen. Da sie keine Plattformbewegungen und keine Triebwerksgeräusche aufweisen, liefern sie klare akustische Daten – vorausgesetzt, die Struktur ist gegen Vibrationen des Meeresbodens und Kabelbewegungen isoliert. Für längere Einsätze sind Schutz vor Biofouling, korrosionsbeständige Gehäuse und präzise Zeitgeber erforderlich.
Fortschritte bei akustischen Materialien, der Siliziumfertigung und der additiven Fertigung verbessern die Leistung moderner mariner Wandler.
Diese Technologien erweitern die Sensorfähigkeiten unter Wasser kontinuierlich und reduzieren gleichzeitig die Anforderungen an die Plattformintegration.
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