Das in 1 in Seitenansicht schematisch dargestellte, autonom agierende Unterwasserfahrzeug 10 trägt eine Unterwasserantenne 11 mit einer Sende- und Empfangscharakteristik, auch Richtcharakteristik gennant, deren Hauptrichtung 12 unter einem Neigungswinkel zur Antennenebene zum Meeresboden 14 hin gerichtet ist, so dass auf dem Meeresboden 14 ein Streifen 15 mit Schall "beleuchtet" wird, der in Vorausrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 sehr schmal und quer dazu breiter ist. In Verbindung mit einer entsprechenden Signalverarbeitung kann mit einer solchen Unterwasserantenne 11 z.B. der Meeresboden 14 abgetastet und dessen Topographie vermessen werden oder auf dem Meeresboden 14 liegende Objekte detektiert, geortet und ggf. klassifiziert werden.

Die an der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs 10 angeordnete Unterwasserantenne 11 ist in 2 in Draufsicht schematisiert dargestellt. Die Unterwasserantenne 11 umfasst eine elektroakustische Wandleranordnung 30, die einen flachen Composite-Körper 16 aus Composite- oder Verbundwerkstoff, mit in einem Polymer eingebetteten Keramikelementen aus piezoelektrischer oder elektrostriktiver Keramik aufweist. Zur Ausbildung der einzelnen elektroakustischen Wandler 13 der Wandleranordnung 30 sind mehrere Keramikelemente auf jeder Stirnseite von jeweils einer gemeinsamen Elektrode überdeckt. In den Schnittdarstellungen der 4 und 5 ist jeweils der Aufbau des Composite-Körpers 16 zu erkennen. Die säulenartigen Keramikelemente 18 sind rechtwinklig zu den Außenflächen des Composite-Körpers 16 polarisiert, beispielsweise matrixartig in Spalten und Reihen angeordnet und durch das Polymer 17 gegeneinander isoliert. Auf die obere Außenfläche des Composite-Körpers 16 ist eine obere Elektrodenvollfläche 19 und auf die untere Außenfläche des Composite-Körpers 16 eine untere Elektrodenvollfläche 20 aufgebracht. Jede Elektrodenvollfläche 19 bzw. 20 kontaktiert alle Stirnenden der Keramikelemente 18. Zur Ausbildung der elektroakustischen Wandler 13 der Wandleranordnung 30 werden die Elektrodenvollflächen 19, 20, z.B. durch Ätzen in einem nasschemischen Prozess, so aufgetrennt, dass jeweils mehrere Keramikelemente 18 auf jeder Stirnseite von einer gemeinsamen oberen Elektrode 21 und einer gemeinsamen unteren Elektrode 22 überdeckt sind. Dabei werden, wie in der Draufsicht in 2 und in der Schnittdarstellung in 4 zu sehen ist, die Elektroden 21, 22 auf den Stirnseiten der Keramikelemente 18 streifenförmig mit großer Streifenlänge und kleinerer Streifenbreite ausgeführt, wobei die Elektroden 21 bzw. 22 in Richtung der Streifenbreite gesehen mit Spaltabstand aneinandergereiht sind. In 4 sind die geradlinig verlaufenden Spalte zwischen den Elektroden 21 auf der oberen Außenfläche des Composite-Körpers 16 mit 23 und die geradlinig verlaufenden Spalte zwischen den Elektroden 22 auf der unteren Außenfläche des Composite-Körpers 16 mit 24 gekennzeichnet. Alternativ ist es möglich, die streifenförmigen Elektroden 21 oder 22 nur in einer der beiden Elektrodenvollflächen 19 oder 20 durch Einätzen der Spalte 23 bzw. 24 auszuarbeiten. Die Streifenbreite der streifenförmigen Elektroden 21, 22 wird gleich gewählt, während die Streifenlänge der Elektroden 21, 22 von den beiden mittleren Elektroden 211 zu jeweils den äußeren Elektroden 212 hin abnimmt. Dabei erfolgt die Abnahme der Streifenlänge spiegelsymmetrisch zur Streifenmitte, d.h. der in Streifenbreite verlaufenden Längsachse 25 der Wandleranordnung 30 bzw. des Composite-Körpers 16. Durch diese Reduzierung der Streifenlänge der Elektroden 21, 22 besitzen die in Längsachse 25 des Composite-Körpers 16 aneinandergereihten Wandler 13 unterschiedlich viele Keramikelemente 18, so dass die akustische Leistungsabgabe der Unterwasserantenne 11 von der Antennenmitte zum Antennenrand hin abfällt. Durch dieses auf mechanischem Wege erreichte sog. Shading werden unvermeidliche Nebenpegel oder Nebenkeulen oder Nebenzipfel der Sende- und Empfangscharakteristik der Unterwasserantenne 11 in Hauptrichtung 12 weitgehend unterdrückt. Um auch quer zur Hauptrichtung 12 der Unterwasserantenne 11 auftretende Nebenpegel zu reduzieren, wird der Composite-Körper 16 in Richtung der Streifenlänge konkav gekrümmt, wie dies in der in 3 dargestellten Seitenansicht des Composite-Körpers 16 zu sehen ist.

Bei dem in 6 in Draufsicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Unterwasserantenne 11 ist der vorstehend beschriebene Composite-Körper 16 der Wandleranordnung 30 mit den Wandlern 13 in einem Sektor einer Platte 26 aus Composite- oder Verbundmaterial ausgebildet, die die gleiche Struktur wie der Composite-Körper 16 aufweist. Die Composite-Platte 26 hat den gleichen Aufbau wie er in 4 und 5 dargestellt ist und ist auf ihren Außenflächen ebenfalls mit den Elektrodenvollflächen 19, 20 belegt, die die Stirnseiten der Keramikelemente 18 kontaktieren. Im Ausführungsbeispiel der 6 besitzt die Composite-Platte 26 vier solche Sektoren mit Wandleranordnungen 30, wie eine in 2 dargestellt und vorstehend beschrieben ist. Die vier Wandleranordnungen 30, genauer gesagt die in Radialrichtung der kreisrunden Platten 26 sich erstreckenden Längsachsen 25 der Wandleranordnungen 30, sind um einen Umfangswinkel von 90° gegeneinander versetzt, so dass die streifenförmigen Elektroden 21 von jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Wandleranordnungen parallel zueinander verlaufen. Die streifenförmigen Elektroden 21 sind wiederum aus den Elektrodenvollflächen 19, 20 der Composite-Platte 26 ausgeschnitten, wobei die verbleibenden, von den streifenförmigen Elektroden 21, 22 abgetrennten Bereich der Elektrodenvollfläche 19 auf der Composite-Platte 26 verbleiben können, da sie elektrisch nicht belegt werden. Zur Reduzierung der quer zur Hauptrichtung 12 der Unterwasserantenne 11 auftretenden Nebenpegel oder -zipfel wird wiederum eine Krümmung der kreisförmigen Composite-Platte 26 vorgenommen, wobei die Composite-Platte 26 eine hohlspiegelartige Form annimmt.

Die in 6 skizzierte Unterwasserantenne 11 wird vorzugsweise so am Unterwasserfahrzeug 10 befestigt, dass von den Längsachsen 25 der insgesamt vier Wandleranordnungen 30 zwei miteinander fluchtende Längsachsen 25 parallel zur Längsachse des Unterwasserfahrzeugs 10 und zwei miteinander fluchtende Längsachsen 25 rechtwinklig dazu ausgerichtet sind. Dadurch besitzt die Unterwasserantenne 11 insgesamt vier Hauptrichtungen 12, von denen eine nach Voraus, eine nach Achtern, eine nach Steuerbord und eine nach Backbord weist. Mit einer solchen Antennenkonfiguration kann beispielsweise ein Dopplerlog nach dem "Janus-Prinzip" realisiert werden.

Selbstverständlich ist es möglich, auf der Composite-Platte 26 eine andere Zahl von Wandleranordnungen 30 in entsprechenden Sektoren der Composite-Platte 26 auszubilden. Der Umfangswinkel, um die dann die Wandleranordnungen 30 zueinander versetzt sind, ist von der Zahl der vorhandenen Wandleranordnungen 30 abhängig. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Composite-Platte 26 quadratisch oder rechteckförmig oder mit einer sonstigen Form zu gestalten. Die Unterwasserantenne kann an beliebigen, schwimmenden und/oder tauchenden Trägern angeordnet werden, z.B. auch an Überwasserschiffen oder an U-Booten.

Die in 7 in Draufsicht dargestellte Unterwasserantenne ist für ein Seitensichtsonar konzipiert und ist an der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs 10 (1) angeordnet, wobei in 7 die Fahrzeuglängsachse des Unterwasserfahrzeugs 10 durch den Pfeil 29 symbolisiert ist. Die Composite-Platte 26 hat den gleichen Aufbau wie zu 6 beschrieben, wobei sie jedoch rechteckförmig ausgebildet ist und nur zwei Wandleranordnungen 30 aufweist, die jeweils in einem Sektor der Platte 26 ausgebildet sind. Die Wandleranordnungen 30 sind auf der Platte 26 so angeordnet, dass ihre Längsachsen 25 miteinander fluchten und somit die Elektroden 21 mit ihren parallelen Streifenlängen in beiden Wandleranordnungen 30 parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Platte 26 ist so am Boden bzw. an der Unterseite des Unterwasserfahrzeugs 10 befestigt, dass die miteinander fluchtenden Längsachsen 25 der Wandleranordnungen 30 quer, vorzugsweise rechtwinklig zur Fahrzeuglängsachse 29 des Unterwasserfahrzeugs 10 ausgerichtet sind. Jede Wandleranordnung 30 "beleuchtet" bei entsprechender phasenversetzter Ansteuerung der Wandler 13 backbords bzw. steuerbords einen Streifen 15 auf dem Meeresboden 14 mit Schall, wie er in 1 Vorausrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 dargestellt ist. Aufgrund des vorstehend ausführlich beschriebenen mechanischen "shading" der Wandleranordnungen 30 weist die Richtcharakteristik der Unterwasserantenne 11 keine bzw. sehr stark reduzierte, insbesondere zum Meeresboden 14 gerichtete Nebenzipfel auf.

Der Neigungswinkel &agr; der Hauptrichtung 12 der Richtcharakteristik der beiden Wandleranordnungen 30 nach Steuer- bzw. Backbord wird durch phasenverschobenes Ansteuern der Wandler 13 eingestellt, wie dies in 8 schaltungstechnisch illustriert ist. Dabei ist beispielhaft angenommen, dass in jedem der beiden Wandleranordnungen 30 jeweils sechs Wandler Nr. 1 bis 6 in parallelbetriebenen Gruppen 31 zusammengefasst sind und über Leistungsverstärker 32 mit Sendefrequenz f_S phasenverschoben angesteuert werden. Mit dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Wandleranordnungen 30 mit insgesamt vierundzwanzig Wandlern 13 ergeben sich dann vier parallelbetriebene Gruppen 31 mit jeweils sechs Wandlern 13. Der Neigungswinkel &agr; der Hauptrichtung 12 der Richtcharakteristik jeder Wandleranordnung 30 nach Steuer- bzw. Backbord ergibt sich in bekannter Weise gemäß wobei &phgr; die Phasenverschiebung gegenüber der Bezugsphase 0°, c die Schallgeschwindigkeit im Wasser und d der geometrische Abstand der Wandler 13 voneinander ist. Bei sechs Wandlern 13 pro Gruppe 31 ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den an aufeinanderfolgenden Wandlern 13 anzulegenden Speiseströmen mit der Sendefrequenz f_S von jeweils 60°. Entsprechend dem festen geometrischen Abstand d der Wandler 13 voneinander liegt der Neigungswinkel &agr; unveränderlich fest. Eine Veränderung des Neigungswinkels &agr; lässt sich nur durch Verändern der Zahl der Wandler 13 innerhalb der Gruppen 31 bewirken, was allerdings eine neu Konfiguration der Verdrahtung der Wandler 13 und eine veränderte Phasenansteuerung erfordert.

Die Wandler 13 sind über die Leistungsverstärker 32 phasenrichtig angesteuert. Hierzu sind zwischen einem Sendegenerator 34 mit der Sendefrequenz f_S und den Leistungsverstärker 32 Phasendrehglieder 33 angeordnet, die die Phasenlage der den Leistungsverstärkern 32 zugeführten Speiseströme richtig einstellen. Vorteilhaft werden zur Ansteuerung der beiden Wandleranordnungen 30 die gleichen Leistungsverstärker 32 verwendet, so dass für beide Wandleranordnungen 30 nur ein einziger Satz von Leistungsverstärkern 32 erforderlich ist, dessen Anzahl an Leistungsverstärkern 32 von der Zahl der in einer Wandleranordnung 30 vorhandenen, parallelbetriebenen Gruppen 31 von Wandlern 13 abhängig ist. Dadurch kann die Zahl der Leistungsverstärker 32 niedrig gehalten und erhebliche Kosten eingespart werden, da Leistungsverstärker recht teuere Bauteile darstellen. Um beide Wandleranordnungen 30 mit demselben Satz von Leistungsverstärkern 32 ansteuern zu können, sind die Ausgänge der Leistungsverstärker 32 sowohl mit den Wandlern 13 der einen Wandleranordnung 30 als auch mit den Wandlern 13 der anderen Wandleranordnung 30 verbunden. Da die Hauptrichtung der Richtcharakteristik der einen Wandleranordnung 30 einen Neigungswinkel &agr; zu Plattenebene der Composite-Platte 26 und die Hauptrichtung 12 der Richtcharakteristik der anderen Wandleranordnung 30 einen Neigungswinkel von 180°-&agr; aufweisen soll, müssen die Wandler 13 für die Steuerbordseite mit einer anderen Phasenverschiebung angesteuert werden, als die Wandler 13 für die Backbordseite, was sich durch eine geeignete Verdrahtung der Wandler 13 der beiden Wandleranordnungen 30 realisieren lässt, wie dies in 8 dargestellt ist. Wird die Reihenfolge der Wandler 13 in jeder Wandleranordnung 30 jeweils beginnend an der schmalen Außenseite der Composite-Platte 26 so festgelegt, dass aufeinanderfolgende Wandler 13 mit steigender Nummer (Nr. 1, Nr. 2, .... Nr. 6; Nr. 1, Nr. 2, ... Nr. 6; Nr. 1 ...) belegt sind, so sind alle Wandler 13 mit gleicher Nummerierung an demselben Leistungsverstärker 32 anzuschließen. In 7 sind beispielhaft die beiden äußeren Wandler 13 mit Nr. 1 gekennzeichnet. Die Nummerierung der weiteren Wandler 13 ergibt sich aus 8. Die Phasen, mit denen die einzelnen Leistungsverstärker 32 angesteuert werden, sind in 8 in den den Leistungsverstärker 32 vorgeordneten Phasendrehglieder 33 eingetragen.

Die in 9 in Unteransicht zu sehende Unterwasserantenne 11 besitzt mehrere Wandleranordnungen 30 deren Längsachsen 25 parallel zueinander und zur Fahrzeuglängsachse 29 ausgerichtet sind. Die vier Wandleranordnungen 30 sind wiederum in Sektoren einer Platte 26 aus Composite- oder Verbundmaterial realisiert, die die gleiche Struktur wie der Compositekörper 16 in 2 aufweist. Sind in jeder Wandleranordnung 30 die einzelnen Wandler 13 phasenverschoben so angesteuert, wie das für eine Wandleranordnung 30 in 8 dargestellt ist, so ist die Hauptrichtung 12 der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne 11 unter einem Neigungswinkel &agr; gegen die von der Fahrzeugslängs- und -querachse aufgespannte Ebene geneigt, wie dies in 1 dargestellt ist. Der von der Antenne 11 mit Schall "beleuchtete" Streifen 15 auf dem Meeresboden 14 ist sowohl in Vorausrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 als auch quer dazu recht schmal. Werden nunmehr alle Wandler 13 einer Wandleranordnung 30 unter Beibehaltung der Phasenansteuerung der einzelnen Wandler 13 in den Gruppen 31, wie dies zu 8 illustriert ist, zusätzlich mit einer konstanten Phasenverschiebung angesteuert und die konstante Phasenverschiebung von der einen Wandleranordnungen 30 zur nächstfolgenden Wandleranordnung 30 passend verändert, so kann die Hauptrichtung 12 der Unterwasserantenne 11 um die Hochachse des Unterwasserfahrzeugs 10, also quer zur Längsachse 29 des Unterwasserfahrzeugs 10 in 9, geschwenkt werden, wobei der Schwenkwinkel durch die Phasenverschiebungen von Wandleranordnungen 30 zu Wandleranordnung 30 bestimmt wird. Der zusätzliche Phasenversatz wird dadurch erreicht, dass allen Phasendrehgliedern 33 für die Wandler 13 in den Gruppen 31 einer Wandleranordnung 30, wie diese in 8 illustriert sind, ein gemeinsames Phasendrehglied vorgeschaltet wird, das die entsprechende Phasenverschiebung des vom Sendegenerator 34 kommende Speisestroms vorab durchführt. Mit dieser besonderen Antennenkonfiguration kann ein hochauflösendes, quer zur Fahrtrichtung des Unterwasserfahrzeugs 10 scannendes Detektionssonar (forward looking sonar) mit relativ geringem Fertigungsaufwand realisiert werden. Durch das mit der Geometrie der Wandleranordnungen 30 erzielte "mechanische shading" sind insbesondere die störenden Nebenzipfel senkrecht zur Schwenkebene der Richtcharakteristik der Unterwasserantenne 11 weitgehend unterdrückt.