DD301144A7 - Piezoelektrischer breitbandschallwandler - Google Patents

Abstract

Patentanspruch 1:.Piezoelektrischer Breitbandschallwandler für die Übertragung hoher Leistungen im Wasser, bestehend aus aktiven Elementen aus piezoelektrischem Material und metallischen Endmassen, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Resonanzabstimmung auf die Länge Lambda/2 der ausstrahlenden/zu empfangenden Schallwellenlänge erforderlichen, durch das gemeinsame Endmassenstück zentral verbundenen und zentral statisch vorgespannten Endmassen (2, 3) in ihren Querschnitten unterteilt und die so entstandenen Teilendmassen auf verschiedene, in geeignetem Abstand gelegene Frequenzen abgestimmt sind.

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Breitbandschallwandler hoher Leistung zur Erzeugung bzw. zum Empfang von Unterwasserschall nach dem Sandwichprinzip. . ' Verbundschwinger auf piezoelektrischer Basis, auch Sandwichwandler genannt, bestehen aus einem oder mehreren aktiven Strahlerelementen aus piezoelektrischem Material und zwei metallischen Endmassen, mit denen der Strahler zur Länge λ/2

ergänzt wird. Da infolge der elastischen Eigenschaften der Metalle bei Ankopplung an das Medium Wasser eine beträchtliche

Fehlanpassung vorliegt, wird der in Resonanznähe als Reihenresonanzkreis auffaßbare derartig aufgebaute Wandler durch das Medium Wasser sehr gering gedämpft, so daß er eine hohe Güte und damit aber eine geringe Bandbreite aufweist. Solche Wandler sind für viele Anwendungszwecke der Kydroakustik ungeeignet. Deshalb wurde dem Schallwandler ein λ/4-Transformatorglied vorgesetzt und dadurch die akustische Anpassung verbessert. Auf Grund der erforderlichen Schallimpedanz werden für das λ/4-Transferglied Plaste eingesetzt. Machteilig ist, daß die Verbindung des Anpassungsstückes mit der strahlenden Wandlerendmasse den Belastungen,

insbesondere bei der Übertragung hoher Leistungen nicht standhält, so daß dadurch die Einsatzbereitschaft des Gerätesbeeinträchtigt wird. Es sind auch Schallwandler bekannt bei denen die vordere, zur Ankopplung an das Medium Wasser dienende

Endmasse zur Verbesserung der Anpassung aus einem Werkstoff geringer Schallimpedanz hergestellt ist. Von Nachteil ist, daß die hierfür geeigneten Metalle Aluminium und Magnesium die Bandbreite des Schallwandlers nur gering

vergrößern und besondere Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern.

Weiterhin sind Wandlersysteme bekannt, bei denen die Gesamtanordnung aus einer Vielzahl von Einzelwandlern besteht, die in

ihrer Frequenz entsprechend ihrer Bandbreite gegeneinander verschoben sind.

Solche Wandlersysteme sind in ihrer Herstellung sehr teuqr, besitzen eine große Masse und erfordern viel Raum für ihren Einbau. Zweck der Erfindung ist es, einen einfach aufgebauten, breitbandigen Schallwandler zu schaffen, der sich mit geringem Materialaufwand herstellen läßt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen betriebssicheren piezoelektrischen Breitbandschallwandler für die Übertragung

hoher Leistungen im Wasser zu entwickeln, der bei hohem Masse-Leistungsverhältnis eine breitbandige

Strahlungscharakteristik aufweist. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die mit dem aus piezoelektrischen Elementen zusammengesetzten

aktiven Teil des Strahlers verbundenen Endmassen in ihrem Querschnitt ι mterteilt sind. Um eine besonders kraftschlüssige

Verbindung und damit eine hohe statische Vorspannung zwischen den einzelnen Elementen des Breitbandschallwandlers zu

erreichen, sind die Teilendmassen aus einem Stück herausgearbeitet und besitzen ein gemeinsames am aktiven Teil des

Broitbandschallwandlers anliegendes Endstück. Die Teilendmassen ergänzen den aktiven Teil des Breitbandschallwandlers zur Länge λ/2 der jeweiligen Frequenz und stellen somit für diese Frequenzen Resonanz her. Die Resonanzfrequenzen sind dabei so gewählt, daß die zwischen den Maxima der Ortskurve liegenden Minima nicht tiefer als

3 dB, bezogen auf den höchsten Maximalwert der Ortskurve, liegen. Die Teilendmassen sind dabei, im Querschnitt gesehen, als

Sektor oder Sektorring ausgebildet und können aus Metallen mit unterschiedlichen elastischen Eigenschaften bestehen, wobei

der Übergang dorr Teilendmassen kontinuierlich oder gestuft erfolgt. Zum Aufbringen Her erforderlichen statischen

Vorspannung sind Verbindungselemente zentral oder an der Perepherie der Endmassen angeordnet, bzw. die Endmassen sind

so ausgebildet, daß sie untereinander kraftschlüssig verbindbar sind.

Zum Einbau des Breitbandschallwandlers sind entweder Verbindungselemente in den Wandlerverband eingebaut, oder eine der Endmassen ist so ausgebildet, daß sie mit einer Aufnahme kraftschlüssig verbindbar ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des piezoelektrischen Breitbandschallwandlers werden, da nur ein aktiver Teil benötigt

wird, Einsparungen hinsichtlich der Kosten, der Masse und des Einbauvolumens erreicht.

Eine hohe Betriebssicherheit, insbesondere durch das Vermeiden von Brüchen im Bereich der Verbindung Strahler-Endmasse,

wird dadurch gesichert, daß die aus einem Stück herausgearbeiteten Teilendmassen ein gemeinsames, am Strahler anliegendes

Masseendstück besitzen, mit dem eine kraftschlüssige Verbindung StrHhler-Endmasse möglich und eine hohe Vorspannung

aufbringbar ist.

Durch das Ausfüllen der Schlitze und konzentrischen Einschnitte mit elastischem Material wird die Bruchgefährdung durch die

bei der Übertragung hoher Leistungen auftretende hohe dynamische Beanspruchung weiter vermindert und das Eindringen von

Fremdkörpern vermieden. Boim Einbau in schwimmende Anlagen, beispielsweise auf Schiffen, wird infolge der kompakten Ausbildung der Strömungswiderstand des Ausfahrkörpers und dessen Stabilität verbessert. Der Erfindungsqedanke ist an Hand von 5 Figuren erläutert, die die grundsätzliche Funktion erklären, und 3 Ausführungsbeispielen wiedergeben. Es bedeuten Fig. 1: Ortskurve und Resonanzkurve eines üblichen Sandwichwandlers. Fig. 2: Ortskurve und Resonanzkurve des erfindungsgemäßen Breitbandschallwandlers. Fig.3: Ausführungsbeispiel mit in Sektoren unterteilten Endmassen. Fig.4: Ausführungsbeispiel mit in konzentrische Zylinder unterteilten Endmassen. Fig. 5: Ausführungsbeispiel mit konzentrischen, aus Metallen unterschiedlicher Elastizität zusammengesetzten Teilendmassen.

Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens sind die Ortskurve des Scheinleitwertes und die Resonanzkurve eines bekannten Verbundschwingers Fig.1 den entsprechenden Kurven des erfindungsgemäßen Breitbandschallwandlers Fig. 2 gegenübergestellt. Durch die Abstimmung der Teilendmassen auf verschiedene Resonanzfrequenzen entsteht eine mfihrschleifige Ortskurve bzw. eine Resonanzkurve mit mehreren Maxima.

Der gewünschte Breitbandeffekt wird erreicht, wenn durch geeignete Wahl der Resonanzfrequenzen die zwischen dem Maxima liegenden Minima nicht tiefer als 3dB bezogen auf das höchste Maxima liegen. In der Ausführung des Erfindungsgedankens nach Fig. 3 besteht der Breitbandschallwandler aus 2 aktiven Elementen 1 und 2 Endmassen 2 und 3, die durch bekannterweise zur Verringerung von Querdehnungen angebrachte Einschnitte 9 in eine Anzahl von sektorenförmige Teilendmassen 4,5,6,7 unterteilt sind, von denen jeder in seiner Länge einer bestimmten Resonanzfrequenz zugeordnet ist.

Zur Zuführung der elektrischen Energie sind zwischen aktivem Element 1 und den Endmassen 2,3 Elektroden 8 eingelegt. Die Einschnitte 9 können dabei zur Verhütung des Eindringens von Fremdstoffen mit einem dafür geeigneten Material vergossen sein, das at ;r elastische Parameter aufweist, die sich von dem jeweiligen Endmassenmateriai stark unterscheiden. In einer weiteren Ausführung der Erfindung nach Fig.4 sind die den verschiedenen Resonanzfrequenzen zugeordneten Teilendmassen 10,11,12,13 als konzentrische Teilquerschnitte ausgebildet. Hier können außer den Einschnitten 9 zur Verringerung der Querdehnungen noch zum gleichen Zweck zwischen den Teilquerschnitten konzentrische Einschnitte 14,15,16 angebracht bzw. entsprechende Zwischenräume vorgesehen .verden.

In der3.Ausführung des Erfindungngedankens nach Fig.5 werden dioden einzelnen, den jeweiligen Resonanzfrequenzen zugeordneten Teilendmassen 17,18,19,20 aus verschiedenen Werkstoffen so zusammengesetzt, daß für die verschiedenen Frequenzen jeweils eine Ergänzung zur Länge λ/2 erfolgt, jedoch trotzdem eine ebene Strahleroberfläche entsteht. Die Anordnung gemäß Fig. 5 lehnt sich dabri an den konzentrischen Aufbau nach Fig.4 an. Das Prinzip der Zusammensetzung der Teilendmassen aus verschiedenen Stoffen läßt sich auch auf die Zerlegung in Sektoren gemäß Fig.3 anwenden. In weiteren Ausführungen des Erfindungsgedankens kann der Breitbandschallwandler so ausgebildet sein, daß die Endmassen nicht abgestuft sind, sondern eine kontinuierliche Längenanordnung vorgenommen ist. Dabei können konvexe, konkave oder einfach schräggefräste Endmassen entstehen. Auch eine spiralförmige Oberfläche bewirkt den gleichen Breitbandeffekt. Der Zusammenbau und die Erzeugung der statischen Vorspannung erfolgt zentral durch Verbindungselemente oder durch eine kraftschlüssige Verbindung der Endmassen untereinander. Der Einbau des Breitbandschallwandlers wird durch Einfügen eines Einbauelementes in den Wandlerverband oder durch besondere Ausbildung einer der Endmassen 2,3 vorgenommen, so daß diese selbst als Einbauhalterung dient ,

Claims (9)

1. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler für die Übertragung hoher Leistungen im Wasser, bestehend aus aktiven Elementen aus piezoelektrischem Material und metallischen Endmassen, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Resonanzabstimmung auf die Länge λ/2 der ausstrahlenden/ zu empfangenden Schallwellenlänge erforderlichen, durch das gemeinsame Endmassenstück zentral verbundenen und zentral statisch vorgespannten Endmassen (2,3) in ihren Querschnitten unterteilt und die so entstandenen Teilendmassen auf verschiedene, in geeignetem Abstand gelegene Frequenzen abgestimmt sind.

2. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzabstimmung auf verschiedene, benachbarte Frequenzen dadurch erfolgt, daß die Teilendmassen (4,5,6,7) sektorenförmig unterteilt sind, die, jeder für sich in seiner Länge auf eine der benachbarten Frequenzen abgestimmt sind.

3. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endmassen (2,3) aus Teilendmassen (10,11,12,13) konzentrischen Teilquerschnitts bestehen und jeder Teilquerschnitt in seiner Länge auf eine der benachbarten Frequenzen abgestimmt ist.

4. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach Anspruch 1 und 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Teilendmasse (17,18,19,20) Metalle mit verschiedenen elastischen Eigenschaften verwendet werden bzw. diese ausTeillängen von Metallen mit verschiedenen elastischen Eigenschaften zusammengesetzt sind. '

5. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß für unendlich viele Frequenzen Resonanz besteht und ein kontinuierlicher Übergang der kürzesten zur längsten Teilendmasse erfolgt.

6. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der statischen Vorspannung durch an der Perepherie angebrachte Verbindungselemente erfolgt.

7. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Ausbildung der Endmassen die statische Vorspannung durch eine kraftschlüssige Verbindung der Endmassen untereinander erfolgt.

8. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach den Ansprüchen i bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Endmassen so ausgebildet ist, daß sie gleichzeitig als Einbauhalterung dienen kann.

9. Piezoelektrischer Breitbandschallwandler nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wandlerverband ein zusätzliches Einbauelement eingefügt ist.