DE102011121006B4

DE102011121006B4 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE102011121006B4
Application number: DE102011121006.0A
Authority: DE
Inventors: Rainer Busch
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: WO2013060543A2; EP2771133B1; WO2013060543A8; WO2013060543A3; DE102011121006A1; EP2771133A2

Abstract

Elektroakustischer Wandler, insbesondere Sendewandler, zum Unterwasserbetrieb mit einem hohlzylinderförmigen Ringkörper (10) mit einer Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmenten (12), einer Ausgestaltung der Ringsegmente (12) derart, dass die Ringsegmente wenigstens ein Keramik-Segment (20) aufnehmen und einer außen an den Keramik-Segmenten (20) anlegbaren Umwicklung (22) um den Ringkörper [10], insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff, welche derart ausgestaltet ist, die Keramik-Segmente (20) zu fixieren, gekennzeichnet durch eine die Keramik-Segmente (20) umschließende Gelfüllung (30), welche derart ausgebildet ist, die Keramik-Segmente (20) in den Ringsegmenten (12) einzubetten, und eine Ausgestaltung der Gelfüllung (30) mit einem Formgedächtnis-Effekt, wodurch die Gelfüllung (30) nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler für den Unterwasserbetrieb der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art sowie eine akustische Unterwasserantenne gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Ein bekannter Ultraschallwandler für Sonargeräte, welcher zum Aussenden und Empfangen von Schallwellen verwendet wird, ist in DE 195 288 81 C1 gezeigt. In einem aus einem Aluminiumrohr gefertigten Ringkörper sind eine Mehrzahl in gleichen Winkelabständen angeordnete Keramikplatten eingesetzt. Dazu weist der Ringkörper Axialschlitze auf, in denen die Keramikplatten mit entgegensetzter Polarisation paarweise eingesetzt werden.
Ein weiterer bekannter Sendewandler ist in DE 10 2004 038 034 A1 gezeigt. Dieser weist einen Keramikring auf, der aus einzelnen Ringsegmenten zusammengesetzt ist. Mehrere Sendewandler mit einem derartigen Aufbau werden in einem flexiblen Schlauch angeordnet, um eine elektroakustische Sendeantenne, insbesondere eine Schleppantenne, zu bilden, wobei sich die Sendewandler an der Schlauchhülle abstützen.
Des Weiteren offenbart US 4,858,206 A eine direkte Verklebung von piezokeramischen Platten mit Metallkeilen über eine dünne adhäsive Schicht. In der JP 2001-349 757 wird ein elastischer Körper wie Silikongel oder fließfähiges Material wie verschiedene Öle als akustischer Absorber neben einem piezoelektrischen Wandlerelement eingesetzt, um unerwünschte Vibrationen zu schlucken.
Der Erfindung liegt nach alledem das Problem zugrunde, einen besseren elektroakustischen Wandler bzw. eine bessere Unterwasserantenne mit einem höheren Wirkungsgrad zu schaffen.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Merkmale eines elektroakustischen Wandlers gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Unterwasserantenne gemäß Anspruch 6.
Der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler weist als Ringwandler eine übliche Hohlzylinderform auf und wird insbesondere als Sendewandler für den Unterwasserbetrieb eingesetzt. Eine Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmenten bildet einen Ringkörper. In jedem Ringsegment ist ein Keramik-Segment eingebettet, wobei es sich bei dem Keramik-Segment bevorzugt um eine Piezokeramik handelt. Im Sendebetrieb wird somit durch Anlegen einer elektrischen Spannung der Durchmesser des Ringkörpers variiert, wodurch ringsum radial Schallwellen abgestrahlt werden.
Ferner weist der erfindungsgemäße elektroakustische Wandler eine außen an den Keramik-Segmenten anliegende Umwicklung um den Ringkörper auf. Die Umwicklung besteht bevorzugt aus glasfaserverstärktem Kunststoff und dient dazu, die Keramik-Segmente zu fixieren und auftretende Zugspannungen zu reduzieren.
Schließlich sind die Keramik-Segmente innerhalb der Ringsegmente von einem Gel umschlossen. Diese Gelfüllung ist dabei derart ausgebildet, um das Keramik-Segment in dem Ringsegment einzubetten. Vorzugsweise besitzt das Gel ein besseres Sendeübertragungsmaß als herkömmlich für den Aufbau von den Ringwandlern verwendete Materialien.
Erfindungsgemäß weist die Gelfüllung einen Formgedächtnis-Effekt auf und besteht bevorzugt aus einem Silikongel oder einem Wachsgel. Durch den Formgedächtnis-Effekt besitzt die Gelfüllung selbstheilende Kräfte und kehrt nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurück. Das hat zum einen den Vorteil einer Selbstheilung, indem die Ursprungsform des Gels in dem Ringsegment nach einer mechanischen Krafteinwirkung auf die Antenne oder den Ringwandler wieder erhalten wird. Zum anderen weist ein derartiges Gel mit Formgedächtnis-Effekt den Vorteil auf, dass bei einer Beschädigung des Ringkörpers kein Gel nach außen tritt. Im Gegensatz zu anderen denkbaren fluiden Füllmitteln, wie bspw. Öl, bleibt das Gel durch den Formgedächtnis-Effekt am Keramik-Segment haften. Aus einem defekten Ringwandler austretendes Öl birgt hingegen eine Verratsgefahr durch das Auftreten einer Verratsspur im Wasser, was zu einer Detektion des Wasserfahrzeugs führen kann. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Gels mit Formgedächtnis-Effekt als Füllmittel entsteht hingegen keine Verratsspur, selbst bei einer Loslösung des Gels von dem Keramik-Segment.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Ringkörper mit jeweils einer Ringscheibe oben und unten sowie mit einem Schutzmantel auf der Innenseite und Außenseite aufgebaut. Die obere und untere Ringscheibe dient dabei als Flansch zur Befestigung der dazwischenliegenden Keramik-Segmente. Der Schutzmantel ist bevorzugt aus einem akustisch transparentem Material, insbesondere Polyurethan oder Gummi, ausgebildet und dient vorteilhafterweise als Begrenzung der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers. Alternativ ist eine Ausgestaltung des Ringkörpers denkbar, bei der der gesamte Ringkörper mit einem derartigen Schutzmantel umgossen wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Keramik-Segmente über wenigstens zwei Distanzelemente beabstandet am Ringkörper befestigt. Eine derartige Befestigung mittels Distanzelemente hat den Vorteil, die Keramik-Segmente innerhalb des Ringsegmentes zu fixieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkörper oben und/oder unten ein oder mehrere Formschluss-Verbindungen auf. Diese Formschluss-Verbindungen haben den Vorteil, die Gelfüllung innerhalb des Ringsegments an dem Ringkörper fest zu verankern.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Ringkörper eine symmetrische Anordnung der Ringsegmente auf, wobei die Ringsegmente untereinander identisch aufgebaut sind.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist eine akustische Unterwasserantenne, insbesondere Schleppantenne, einen flexiblen, schalltransparenten Schlauch auf, in dem wenigstens zwei vorstehend beschriebene elektroakustische Wandler angeordnet sind. Bevorzugt werden diese Wandler beabstandet innerhalb des Schlauchs angeordnet. Ein Ausdehnen und Zusammenziehen des Ringkörpers aufgrund einer anliegenden Wechselspannung wird hierbei auf die Schlauchhülle übertragen und in Wasserschallenergie umgewandelt.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der anliegenden Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen:
1 eine Draufsicht eines Ringwandlers und
2 einen Querschnitt längs der Schnittlinie II-II in 1.
1 zeigt eine schematische Draufsicht eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers, auch Ringwandler genannt. Dargestellt ist ein Ringkörper 10, welcher in eine Vielzahl von Ringsegmenten 12, hier nur ansatzweise dargestellt, unterteilt ist. Bevorzugt sind alle Ringsegmente 12 identisch ausgebildet.
2 zeigt in einem Querschnitt längs der Schnittlinie II-II aus 1 den Aufbau eines Ringsegments 12. Im Wesentlichen mittig befindet sich ein Keramik-Segment 20. Es handelt sich bei dem Keramik-Segment 20 bevorzugt um eine Piezokeramik, die die Eigenschaft besitzt, sich unter dem Einfluss einer mechanischen Deformation zu polarisieren und umgekehrt sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes zu deformieren.
Eine an die Ringsegmente 12 des elektroakustischen Wandlers angelegte Wechselspannung führt daher zu einer Ausdehnung und Schrumpfung der Ringsegmente 12. Dabei sorgt eine Umwicklung 22 um den Ringkörper 10, welche außen an den Keramik-Segmenten 20 angelegt ist, für eine Fixierung der Keramik-Segmente 20 sowie für eine Reduzierung der auftretenden Zugspannungen auf ein für die Keramik unschädliches Maß. Bevorzugt ist die Umwicklung 22 aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) ausgebildet.
Der in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellte Ringkörper 10 weist jeweils oben und unten eine Ringscheibe 24, auch Flansch genannt, auf, an denen die Keramik-Segmente 20 befestigt sind.
Dabei erfolgt die Befestigung der Keramik-Segmente 20 an dem Ringkörper 10 bzw. dem oberen und unteren Flansch 24 über jeweils mindestens ein Distanzelement 26, wodurch ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Keramik-Segment 20 und dem Flansch 24 erzeugt wird.
Ferner verfügt der hier dargestellte Ringkörper 10 über einen Schutzmantel 28 auf der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers 10, um diesen zu begrenzen. Bevorzugt ist der Schutzmantel 28 aus einem akustisch transparenten Material, insbesondere Polyurethan oder Gummi, ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Schutzmantel 28 an der Innen- und Außenseite begrenzt. Ebenso kann der ganze Ringkörper 10 von dem Schutzmantel 28 umschlossen sein.
Im Inneren des Ringkörpers 10 sind die Keramik-Segmente 20 in einer Gelfüllung 30 eingebettet. Diese Gelfüllung 30 besitzt bevorzugt Eigenschaften zur Selbstheilung. Die Ausgestaltung der Gelfüllung 30 mit einem Formgedächtnis-Effekt sorgt dafür, dass die Gelfüllung 30 nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Dadurch können vorteilhafterweise geringe Positionsänderungen des Keramik-Segments 20 innerhalb des Ringsegments 12, welche bspw. durch einen Aufprall der Antenne entstehen, von selbst wieder korrigiert werden.
Ein weiterer Vorteil des Formgedächtnis-Effekts der Gelfüllung 30 im Gegensatz zu einer denkbaren Ölfüllung ist, dass eine derartig ausgestaltete Gelfüllung 30 bei einer Beschädigung des Wandlers bzw. des Ringkörpers 10 nicht nach außen dringt. Auf diese Weise kann ein Wasserfahrzeug, welches einen erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler mit sich führt, nicht durch austretendes Gel detektiert werden, wie es bspw. bei austretendem Öl der Fall wäre.
Um die Gelfüllung 30 an den Ringkörper 10 fest zu verankern, weist der Ringkörper 10 am oberen und/oder unteren Flansch 24 jeweils mindestens eine Formschluss-Verbindung 32 auf.
Ein derartiger, vorstehend beschriebener elektroakustischer Wandler, insbesondere Ringwandler, besitzt den Vorteil, ein besseres Sendeübertragungsmaß gegenüber einem herkömmlichen Wandler gemäß dem Stand der Technik aufzuweisen. Aufgrund der besseren Sendeübertragungsmaße bei verwendeter Gelfüllung entfällt ein wesentlicher Teil der inneren Verluste. Dadurch wird ein großer Anteil der Sendespannung und der somit benötigten elektrischen Leistung reduziert, obwohl die gleiche akustische Leistung ins Wasser abgegeben wird, wie bei einem herkömmlichen Ringwandler ohne Gelfüllung. Der Wirkungsgrad der Unterwasserantenne wird vorteilhafterweise durch die Verwendung der vorstehend beschriebenen elektroakustischen Wandler mit einer Gelfüllung mit einem Formgedächtnis-Effekt deutlich verbessert.
Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist somit nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.

Claims

Elektroakustischer Wandler, insbesondere Sendewandler, zum Unterwasserbetrieb mit einem hohlzylinderförmigen Ringkörper (10) mit einer Vielzahl von nebeneinander ringförmig positionierbaren Ringsegmenten (12), einer Ausgestaltung der Ringsegmente (12) derart, dass die Ringsegmente wenigstens ein Keramik-Segment (20) aufnehmen und einer außen an den Keramik-Segmenten (20) anlegbaren Umwicklung (22) um den Ringkörper [10], insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff, welche derart ausgestaltet ist, die Keramik-Segmente (20) zu fixieren, gekennzeichnet durch eine die Keramik-Segmente (20) umschließende Gelfüllung (30), welche derart ausgebildet ist, die Keramik-Segmente (20) in den Ringsegmenten (12) einzubetten, und eine Ausgestaltung der Gelfüllung (30) mit einem Formgedächtnis-Effekt, wodurch die Gelfüllung (30) nach einer mechanischen Verformung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt.
Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung des Ringkörpers (10) mit jeweils einer Ringscheibe (24) oben und unten des Ringkörpers (10) zur Befestigung der Keramik-Segmente (20) und mit einem Schutzmantel (28), insbesondere einer Gummimembran, auf der Innenseite und Außenseite des Ringkörpers (10), um diesen zu begrenzen.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Distanzelemente (26), welche derart ausgebildet sind, um das Keramik-Segment (20) beabstandet am Ringkörper (10) zu befestigen.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere Formschluss-Verbindungen (32) zur Verankerung der Gelfüllung (30) an dem Ringkörper (10).
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen symmetrischen Aufbau der Ringsegmente (12), wobei die Ringsegmente (12) einen identischen Aufbau aufweisen.
Akustische Unterwasserantenne, insbesondere Schleppantenne, mit einem flexiblen, schalltransparenten Schlauch und mit wenigstens zwei elektroakustischen Wandlern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine in Reihe liegende, beabstandete Anordnung der elektroakustischen Wandler innerhalb des Schlauches.