Today, the Swedish Armed Forces are using mainly two sonobuoys targeting objects in the water, Sonobuoy 225B and Sonobuoy 225C. The products are obsolete and in need of modernisation. The purpose of the project was to design, develop and test concepts related to the next generation sonobuoy, where the whole process was performed in close collaboration with EmbeddedArt as well as two master students from Integrated Product Design. The authors’ work focused on hydroacoustic optimisation of the two most acoustically crucial subsystems, being the housing attaching the hydrophones to the acoustic array as well as the casing protecting the element from impacts. The other group focused on the overall design of the buoy, involving the body itself and folding mechanism.

Two main goals were defined to achieve the project’s purpose. First, to construct a prototype of the sonobuoy, focused on material choices, design, and construction of critical subsystems taking a hydroacoustic point of view, and CAD modelling to finalise the prototype. Second, experiments were conducted to investigate acoustic windows of materials in water, acoustic shadowing and sound propagation through the prototype, as well as an acoustic comparison between the existing casing and our casing.

Knowing the sound needed to be absorbed between the hydrophone and housing, a material with high sound absorption and an impedance mismatch from water’s impedance, representing how easy it is for the sound wave to propagate through the material, was required. This resulted in three different material choices, being natural rubber, cellular EPDM rubber and silicone. Furthermore, the casing needed to be rigid and robust while still ensuring an efficient transmission of sound waves, which resulted in PPA, PC and ABS+PC.

The first experiment investigated the acoustic properties of different materials underwater, resulted in PC as the choice of material for the casing due to least impact on the stable peak of voltage amplitude compared to its corresponding measurement with no material. Furthermore, cellular EPDM rubber was chosen as adapter between housing and hydrophone revealing the biggest mismatch in voltage amplitude from water.

The prototype was CAD-modelled and built in order to perform the second and third experiments, investigating the acoustic shadowing and sound propagation through the prototype, as well as an acoustic comparison between the existing casing and our designed casing. The experiments showed that the casing did not reduce the incoming signal significantly. However, the central hub did reduce signals by around 5 dB. The work laid a solid foundation for further research and development within the field, suggesting that conducting experiments at lower frequencies and performing a Finite Element Method analysis of the design would provide deeper insights into the development of the next generation sonobuoy.

Idag använder Försvarsmakten huvudsakligen två sonarbojar för att upptäcka objekt i vattnet, Sonarboj 225B och Sonarboj 225C. Produkterna är utdaterade och behöver moderniseras. Syftet med projektet var att designa, utveckla och testa koncept relaterade till nästa generations sonarboj, där arbetet genomfördes i samarbete med EmbeddedArt samt två masterstudenter från Integrerad Produktdesign. Författarnas arbete fokuserade på hydroakustisk optimering av de två mest akustiskt kritiska delsystemen - höljet som fäster hydrofonerna till den akustiska uppställningen samt buren som skyddar elementet från slag. Den andra gruppen fokuserade på den övergripande designen av bojen, vilket inkluderade bojkroppen och fällningsmekanismen.

Två huvudmål definierades för att uppnå projektets syfte. För det första, att konstruera en prototyp av sonarbojen, med fokus på materialval, design och konstruktion av kritiska delsystem ur ett hydroakustiskt perspektiv, samt CAD-modellering för att färdigställa prototypen. För det andra genomfördes experiment för att undersöka akustiska fönster av material i vatten, akustisk skuggning och ljudets fortplantning genom prototypen, samt en akustisk jämförelse mellan den befintliga buren och vår bur.

Då ljudet måste absorberas mellan hydrofonen och höljet krävdes ett material med hög ljudabsorption och en stor impedansskillnad gentemot vattnets, vilket representerar hur lätt ljudvågen kan fortplanta sig genom materialet. Detta resulterade i tre olika materialval: naturgummi, cellgummi av EPDM och silikon. Fortsättningsvis behövde buren vara styv och robust samtidigt som det säkerställde överföring av ljudvågor likt vatten, vilket resulterade i materialvalen PPA, PC och ABS+PC.

Det första experimentet undersökte de akustiska egenskaperna hos olika material under vatten, vilket resulterade i valet av PC som material för buren på grund av dess minsta påverkan på voltutslag jämfört med motsvarande mätning utan material. Vidare valdes cellgummi av EPDM som adapter mellan höljet och hydrofonen då det visade den största skillnaden i voltutslag jämfört med vatten.

Prototypen CAD-modellerades och tillverkades för att genomföra det andra och tredje experimentet som undersökte den akustiska skuggningen och ljudets fortplantning genom prototypen, samt en akustisk jämförelse mellan den befintliga buren och vår designade bur. Experimenten visade att buren inte minskade den inkommande signalen nämnvärt. Däremot reducerade den centrala kroppen signalerna med cirka 5 dB. Arbetet lade en god grund för vidare forskning och utveckling inom området, och föreslår att utföra experiment vid lägre frekvenser och genomföra en FEM-analys av konstruktionen. Detta skulle ge djupare insikter i utvecklingen av nästa generations sonarboj.