DE102015103295A1 - Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, Wandlervorrichtung, Sonar und Wasserfahrzeug - Google Patents

Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, Wandlervorrichtung, Sonar und Wasserfahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welcher ein akustisches Wandlerelement, mindestens ein erstes Federelement, eine Verfüllmasse und einen Wandlerträger aufweist, wobei das akustischen Wandlerelement als eine erste Masse ausgebildet ist und in einer Schalldruckrichtung hinter dem akustischen Wandlerelement das erste Federelement und anschließend der Wandlerträger angeordnet sind, sodass ein Schwingsystem eingestellt und somit eine akustische Empfindlichkeit des Schallwandlers verbessert ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wandlervorrichtung, ein Sonar zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen und ein Wasserfahrzeug.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welcher ein akustisches Wandlerelement, mindestens ein erstes Federelement, eine Verfüllmasse und einen Wandlerträger aufweist, wobei dem akustischem Wandlerelement das mindestens eine erste Federelement zugeordnet ist. Des Weiteren betriff die Erfindung eine Wandlervorrichtung, ein Sonar und ein Wasserfahrzeug.
  • Nach dem Stand der Technik werden Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen steif ausgelegt, insbesondere wird das akustische Wandlerelement fest eingebaut.
  • Häufig ist ein derartiger Schallwandler nach dem Prinzip des Tonpilzes aufgebaut. Beispielsweise ist dazu eine piezoelektrische Keramik zwischen zwei starren Platten verspannt. Die piezoelektrische Keramik wirkt dabei als Feder, welche beispielsweise durch eine elektrische Spannung „eingestellt“ wird. Bei Verwendung des Schallwandlers als Sender wird der piezoelektrischen Keramik eine Spannung aufgeprägt, wodurch diese eine mechanische Bewegung ausführt. Die Keramik dehnt sich aus und „schwingt“. Die Schwingung wird auf die mechanisch gekoppelten Platten als Massen übertragen. Dadurch wird der Druck und somit das ausgesandte akustische Signal verstärkt.
  • Durch den Tonpilz wird ein geschlossenes Schwingungsgebilde aus zwei Massen (im obigen Beispiel die Platten) ausgebildet, welche durch eine „Elastizität“ (im Beispiel die piezoelektrische Keramik) als Feder verbunden sind. Die Massen sind dabei elastizitätsfrei ausgelegt und die Elastizität ist idealerweise massenfrei. Die Schwingungsamplituden der beiden Massen fallen hierbei in die Richtung der Verbindungslinie der Angriffspunkte der Elastizität.
  • In einer üblichen Ausführungsform des Tonpilzes als Schallsender in ein umgebendes Medium ist ein Piezo-Ringstapel zwischen einer massiven Schwanz- und Kopfmasse durch einen Bolzen vorgespannt. Durch die Schwanz- und die Kopfmasse wird die Resonanzfrequenz unter der des Piezostapels vermindert. Die Vorspannung bewirkt eine hohe Intensitätsübertragung und -abgabe. Hierbei weist die Kopfmasse üblicherweise eine geringere Masse als die Schwanzmasse auf. Zudem ist die Kopfmasse auf der dem Piezostapel abgewandten Seite aufgeweitet und weist am aufgeweiteten Ende einen Schaumstoff auf, um eine bessere Kopplung der Schallenergie zu der niedrigen Impedanz des umgebenden Mediums (Luft und/oder Wasser) zu erreichen.
  • Durch die festgelegte Anordnung mit der Verspannung des akustischen Wandlerelementes zwischen zwei starren Massen ist ein derartiger ausgeführter Schallwandler auf niedrige Frequenzen und hohe Intensitäten beschränkt.
  • Somit ist es praktisch nicht möglich, einen derartigen Schallwandler hinsichtlich der Frequenz, der Intensität und seiner Empfindlichkeit frei anzupassen.
  • Weiterhin besteht der Nachteil, dass beim Auftreffen einer Schalldruckwelle mit insbesondere sehr hohem Schalldruck ein Tonpilz aufgrund seiner Steifigkeit den Druck im hohen Maße direkt an nachfolgendes Material überträgt.
  • In Unterwasserfahrzeugen weist ein Sonar üblicherweise hinter dem akustischen Wandlerelement einen akustischen Absorber auf, welcher die Aufgabe hat, den Schalldruck auf der Rückseite des akustischen Wandlerelementes zu „schlucken“ und deshalb druckempfindlich ist. Somit besteht bei der Verwendung eines Tonpilzes die Gefahr, dass der akustische Absorber aufgrund der direkten Übertragung mit hoher Schallintensität zerstört wird. Dadurch wird die Kommunikation, Navigation und/oder Ortung an Bord des Unterwasserfahrzeuges gestört.
  • Folglich kann sowohl die Empfindlichkeit als auch die generelle Funktionsfähigkeit von Sonaren an Bord eingeschränkt sein.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch einen Schallwandler zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welcher ein akustisches Wandlerelement, mindestens ein erstes Federelement, eine Verfüllmasse und einen Wandlerträger aufweist, wobei dem akustischem Wandlerelement das mindestens eine erste Federelement zugeordnet ist, wobei das akustische Wandlerelement als eine erste Masse ausgebildet ist und in einer Schalldruckrichtung hinter dem akustischem Wandlerelement das erste Federelement und anschließend der Wandlerträger angeordnet sind, sodass ein Schwingsystem eingestellt und somit eine akustische Empfindlichkeit des Schallwandlers verbessert ist.
  • Durch die Ausführung des akustischen Wandlerelementes als Masse mit einem zugeordneten Federelement wird die akustische Wirksamkeit des Schallwandlers erhöht.
  • Zudem wird durch das akustische Wandlerelement als Masse, welches elastisch über das erste Federelement mit dem Wandlerträger verbunden ist, ein offenes, elastisches Schwingsystem eingestellt.
  • Da das akustische Wandlerelement als erstes Federelement ausgelegt und entgegen der Ausgestaltung als Tonpilz verspannungsfrei ausgestaltet ist, kann dieses frei schwingen und somit insbesondere auch für höhere Frequenzen und Intensitäten gezielt eingestellt werden.
  • Es kann durch die Ausgestaltung des akustischen Wandlerelementes in Verbindung mit dem Federelement und dem Wandlerträger die größtmögliche akustische Empfindlichkeit (Empfänger) und/oder das größtmögliche Sendemaß (Sender) in einem gewünschten Frequenzbereich erreicht, gezielt eingestellt und optimiert werden.
  • Durch die elastische Ausführung bleibt zudem ein akustischer Absorber intakt, welcher üblicherweise in einem Sonar eines Wasserfahrzeuges dem Schwallwandler nachfolgt.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass das akustische Wandlerelement nicht steif verspannt ausgelegt wird, sondern dass das akustische Wandlerelement an einem elastischen Federelement und dem Wandlerträger angeordnet ist, welche insbesondere mechanisch schwingfähig sind.
  • Durch die mechanische Schwingfähigkeit des Federelements und/oder des Wandlerträgers findet nicht nur eine Entkopplung zum hinter dem Wandlerträger üblicherweise gelagertem akustischen Absorber statt, sondern auch eine Rückkopplung zum akustischem Wandlerelement, sodass ein Teil der Ausgangsgröße der auftreffenden Schalldruckwelle direkt oder in modifizierter Form auf das akustische Wandlerelement zurückgeführt wird. Dadurch tritt insbesondere eine Verstärkung auf.
  • Durch die Ausprägung des akustischen Wandlerelementes als Masse mit dem zugeordneten Federelement ist das Schwingsystem nicht durch Steifigkeit und/oder Verspannung in seiner Schwingfähigkeit und dadurch seiner Amplitude und/oder Frequenz begrenzt. Dadurch kann das Schwingsystem gezielt nach den Bedürfnissen des Benutzers eingestellt werden.
  • Zudem werden die elastischen Eigenschaften des Schwingsystems insbesondere beim Auftreffen von Schallschockdruckwellen mit großer Amplitude genutzt und bewirken eine Schalldruckminderung (Dämpfung), während bei akustischen Schalldruckwellen mit kleiner Amplitude das elastische System, insbesondere das Federelement und der Wandlerträger, im Wesentlichen akustisch transparent ist.
  • Folgendes Begriffliche sei erläutert:
    Ein „Schallwandler“ ist insbesondere ein Gerät zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, wie dieses beim Verwenden von aktiven und passiven Sonaren eingesetzt wird. Der Schallwandler empfängt Unterwasserschallsignale und wandelt diese in ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung um (Empfänger) und/oder wandelt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um, wobei letzteres ausgesandt wird (Sender). Beispielsweise werden als Schallwandler Hydrophone unter Wasser eingesetzt, um dort Unterwasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrophon den Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Größe. Bei Einsatz unter Wasser wird insbesondere ein Frequenzbereich zwischen ca. 10 Hz und 1 MHz verwendet.
  • Ein „akustisches Wandlerelement“ ist insbesondere ein Bauelement eines Schallwandlers oder eines Hydrophons, welches akustische Signale als Schallwechseldrücke in elektrische Spannung umwandelt oder umgekehrt elektrische Spannung in akustische Signale umwandelt. Insbesondere im Ultraschallbereich unter Wasser werden heutzutage als akustisches Wandlerelement Piezowandler eingesetzt. Neben piezoelektrischen Keramiken sind auch Piezoelemente aus Kunststoff bekannt, insbesondere wird Polyvinylidenfluorid (PVDF) in Hydrophonen eingesetzt.
  • Ein „Federelement“ ist insbesondere ein Bauteil und/oder ein Material, welches unter Belastung (Zug oder Druck) nachgibt und nach Entlastung in die ursprüngliche Form zurückkehrt, sich also, im Idealfall, elastisch rückstellend verhält. Das Federelement weist insbesondere eine hohe Elastizität und eine geringe Masse auf.
  • „Elastisch“ in diesem Sinne bedeutet insbesondere, dass sich das Federelement oder ein anderes elastisches Material bei einem einwirkenden Druck verformt, sodass dieses eine andere Form als vor der Druckeinwirkung einnimmt. Diese Verformung ist im Wesentlichen reversibel und nach Ende der einwirkenden Kraft-/Druckbeanspruchung nimmt das Federelement oder das andere Material wieder seine ursprüngliche Form ein. Mithin wird ein Schalldruck in eine mechanische Verformung überführt.
  • Unter einer „Verfüllmasse“ wird insbesondere eine Masse zum Verfüllen des Raumes zwischen dem akustischen Wandlerelement und dem Wandlerträger sowie den weiteren Bauteilen des Schallwandlers verstanden. Hierbei kann es sich um eine Kunststoffmasse und/oder Kork und/oder einem anderen Verfüllmaterial handeln. Als Kunststoff kann insbesondere weiches Polyurethan oder Polyoxymethylen eingesetzt werden. Als „weich“ wird hier Material mit einer Härte von 40shore A bis 60shore A und/oder einem Elastizitätsmodul zwischen 5MPa und 250MPa verstanden. Die Härte ist entsprechend der Masse des Systems und dem Einsatzfrequenzbereich zu wählen. Die Verfüllmasse hat insbesondere die Aufgabe, die Bauteile eines Schallwandlers zu verkleben und dadurch Stabilität zu gewährleisten. Zudem kann die Verfüllmasse insbesondere auch elastisch und schalldämpfend wirken. Zudem verhindert die Verfüllmasse, dass Meerwasser in den Schallwandler eindringt und insbesondere korrosive Schäden verursacht.
  • Ein „Wandlerträger“ steht insbesondere in Verbindung zu dem akustischen Wandlerelement und/oder umschließt zumindest teilweise das akustische Wandlerelement. Der Wandlerträger ist insbesondere in Schalldruckrichtung hinter und/oder neben dem akustischen Wandlerelement angeordnet. Der Wandlerträger ist insbesondere elastisch ausgestaltet.
  • Unter einer „Masse“ wird insbesondere die Masse eines Schwingsystems verstanden, welche starr und elastizitätsfrei ist. Die Masse wird insbesondere in sich durch ein Schallfeld zur Schwingung angeregt und erzeugt ein elektrisches Nutzschallsignal und/oder als Sender einen Schallfeldabgabe.
  • Unter „Schalldruckrichtung“ wird vorliegend die Richtung verstanden, aus welcher der Schalldruck mit der höchsten Intensität von einer Schallquelle auf den Schallwandler auftrifft. Bei einem Empfänger ist die Schalldruckrichtung insbesondere identisch mit der Hauptempfangsrichtung. Bei einem Sender ist die Schalldruckrichtung insbesondere entgegengesetzt zur Hauptsenderichtung.
  • Ein „Schwingsystem“ ist insbesondere die Anordnung des akustischen Wandlerelementes und weiterer Bauteile des Schallwandlers zur akustisch-mechanischen und/oder mechanisch-akustischen Umwandlung. Im Schwingsystem wird insbesondere das Feder-Masse-Prinzip genutzt.
  • Die „Empfindlichkeit“ eines Schallwandlers ist insbesondere ein Maß der erzeugten elektrischen Spannung bezogen auf den einwirkenden Schalldruck bei einer bestimmten Frequenz bei einem Schallempfänger oder ein Maß für die angelegte Spannung bezogen auf den erzeugten Schalldruck bei einer bestimmten Frequenz bei einem Schallsender. Die Empfindlichkeit lässt sich insbesondere auch als Übertragungsfaktor angeben, bei dem die Ausgangsspannung (als Leerlaufspannung) im Verhältnis zum einfallenden Schalldruck für einen Empfänger angegeben.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers ist in der Schalldruckrichtung hinter dem akustischen Wandlerelement eine mechanisch direkt gekoppelte Impedanzmasse angeordnet, wobei in der Schalldruckrichtung hinter der Impedanzmasse das erste Federelement und anschließend der Wandlerträger angeordnet sind.
  • Durch die direkte mechanische Kopplung einer Impedanzmasse an das akustische Wandlerelement kann das Schwingsystem gezielt eingestellt werden.
  • Insbesondere kann durch diese direkte mechanische Kopplung eine Schalldruckerhöhung und somit eine Verstärkung erzielt werden.
  • Durch das lokale Einbringen der Impedanzmasse kann die akustische Empfindlichkeit des akustischen Wandlerelementes (als Empfänger) und/oder die abgestrahlte Schallenergie (als Sender) durch Schalldruckerhöhung vergrößert werden.
  • Auch kann durch die Anordnung des ersten Federelementes und des anschließenden Wandlerträgers hinter der Impedanzmasse ein Impedanzsprung und somit eine Schalldämmung, insbesondere vor dem nachgeschalteten akustischem Absorber, erreicht werden.
  • Somit kann die akustische Wirksamkeit der Anordnung durch eine zusätzliche Anbringung einer elastisch gelagerten Impedanzmasse erhöht werden. Die Wirksamkeit des Schwingsystems kann durch Wahl und Anordnung der Impedanzmasse und/oder des Federelements und/oder der Federsteifigkeit für den gewählten Frequenzbereich optimiert werden.
  • Unter einer „Impedanzmasse“ wird insbesondere eine Masse aus einem spezifisch schweren Material im Vergleich zum umgebenen Material insbesondere dem umgebenden akustischen Wandlerelement, der Verfüllmasse und/oder dem Federelement, verstanden, wodurch ein Sprung der akustischen Impedanz auftritt. Durch die Impedanzmasse erfolgt insbesondere eine Reflektion und/oder eine Verzögerung des auftreffenden Schall(druck)s statt, sodass auf der Seite des auftreffenden Schall(druck)s eine Schalldruckerhöhung auftritt.
  • Dagegen tritt insbesondere durch den Impedanzsprung bei Übergang auf ein spezifisch leichteres Material hinter der Impedanzmasse eine Schalldruckdämpfung statt. Als Impedanzmasse kann beispielsweise Messing mit einer Dichte von ca. 8,41g/cm3 bis 8,86g/cm3 für eine größere Schalldruckerhöhung oder Aluminium mit einer Dichte von ca. 2,7g/cm3 für eine geringere Schalldruckerhöhung eingesetzt werden.
  • Eine Impedanzmasse kann in Schalldruckrichtung vor und/oder hinter dem akustischen Wandlerelement eingesetzt werden.
  • Um das Schwingsystem weiter einzustellen sowie die Schalldämpfung und die schwingungstechnische Entkopplung weiter zu verbessern, ist in der Schalldruckrichtung vor und/oder hinter dem akustischen Wandlerelement eine zweite Masse angeordnet, wobei zwischen der zweiten Masse und dem akustischem Wandlerelement ein zweites Federelement angeordnet ist.
  • Durch das zusätzliche Anbringen einer zweiten elastisch gelagerten Masse wird die akustische Wirksamkeit der Anordnung weiter erhöht.
  • Zudem kann durch Wahl und Anordnung der zweiten Masse zum akustischen Wandlerelement als erste Masse die Wirksamkeit des Systems für den gewählten Frequenzbereich weiter optimiert werden. Die Wahl der Massen wie auch der Federsteifigkeiten ergibt sich aus dem gewünschten Frequenzeinsatzbereich.
  • Das Einbringen einer zweiten Masse vor dem akustischen Wandlerelement ist insbesondere zur Kompensation gegen hohen hydrostatischen Druck und hohen Schalldruck vorteilhaft.
  • Somit ist diese Anordnung bei einer Schall- schockdruckwelle vorteilhaft, da die Schallschockdruckwelle mit hoher Intensität zunächst auf die vorgelagerte zweite Masse trifft. Durch die vorgelagerte und elastisch angeordnete zweite Masse tritt eine Schockdämpfung des Schalldrucks auf.
  • Aus dieser Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass zwei Resonanzzustände (Zweimassenschwinger) des akustischen Wandlerelementes genutzt werden können, um einerseits die akustische Wirksamkeit zu erhöhen und gleichzeitig eine direkte Schockdruckbeanspruchung auf das akustische Wandlerelement zu reduzieren.
  • Dieser „Mehrmassenschwinger“ kann durch Wahl von Materialparametern wie Masse (spezifische Dichte, Abmessung, akustische Impedanzeigenschaften) und Wahl der Federsteifigkeiten der Federelemente auf den jeweiligen Einsatzfall und den geforderten Frequenzbereich abgestimmt werden.
  • Sowohl bei Vor- als auch bei Nachschaltung einer zweiten Masse wird durch das Einbringen eines zweiten Federelements die Elastizität des Gesamtsystems erhöht, sodass die Schalldämpfung und die schwingungstechnische Entkopplung verbessert werden.
  • Die „zweite Masse“ entspricht in ihren Eigenschaften weitgehend der oben beschriebenen Masse.
  • Das „zweite Federelement“ entspricht in seinem Aufbau und in seinen Eigenschaften insbesondere dem oben beschriebenen ersten Federelement.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers sind die Impedanzmasse und/oder die zweite Masse größer als die erste Masse des akustischen Wandlerelementes.
  • Dadurch tritt einerseits ein stärkerer Impedanzsprung zwischen dem akustischen Wandlerelement und der Impedanzmasse sowie der Impedanzmasse und dem Federelement sowie der zweiten Masse und dem Federelement auf.
  • Mithin wird andererseits durch die größere Masse durch Reflektion und/oder Verzögerung der auftreffende Schalldruck erhöht.
  • Somit kann auf der Vorderseite der Schalldruck durch die größere Masse erhöht werden, während in Schalldruckrichtung hinter der Impedanzmasse und/oder der zweiten Masse aufgrund des Impedanzsprunges eine Schalldruckdämpfung erfolgt.
  • Zudem wird dadurch sichergestellt, dass der größere Betrag der Schwingungsenergie in der kleineren Masse des akustischen Wandlerelementes besteht, jedoch gleichzeitig durch die Impedanzmasse und/oder die zweite Masse eine Schalldruckerhöhung und/oder Schalldämpfung erzielt wird.
  • Um ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und/oder ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umzuwandeln, weist das akustische Wandlerelement eine Piezo-Keramik und/oder eine Piezokomposit-Keramik auf.
  • Unter einer „Piezo-Keramik“ und/oder einer „Piezokomposit-Keramik“ werden insbesondere eine Vollkeramik oder ein Verbundwerkstoff als Wandlerelement verstanden. Während eine Piezokeramik eine Vollkeramik ist, besteht eine Piezokomposit-Keramik aus einem Verbundwerkstoff, welcher insbesondere piezoelektrische, keramische Filamente und eine Verfüllmasse aufweist.
  • Beide Keramiken wirken als Piezowandler und erzeugen beim Einwirken eines mechanischen Drucks eine elektrische Spannung oder führen bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung aus.
  • Die keramischen Filamente in der Piezokomposit-Keramik sind insbesondere dünne und/oder fadenförmige Strukturen. Diese können insbesondere die Formen von Stäbchen, Zylindern, Rohren und/oder Platten annehmen.
  • Bei Auftreffen und/oder Aufprägen eines Schalldrucks werden die keramischen Filamente elastisch verformt, wobei eine Änderung der elektrischen Polarisation erfolgt und somit eine elektrische Spannung am keramischen Feststoff erzeugt wird. Somit ist der Schallwandler hier als Schallempfänger ausgebildet.
  • Die Piezokeramik und/oder Piezokomposit-Keramik sind üblicherweise mit zwei leitenden Schichten ausgeführt, worüber eine Spannung aufgeprägt oder abgeführt wird. Die Dichte von Piezokeramik liegt bei ca. 7,7g/cm3, während die Dichte von Piezokomposit-Keramik niedriger liegt und vom Anteil der keramischen Filamente und der Verfüllmasse abhängt.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Schallwandlers weist oder weisen das erste Federelement und/oder das zweite Federelement ein Elastomer auf und/oder weist der Wandlerträger einen Faserverbundwerkstoff auf.
  • Durch diese Materialwahl kann eine elastische Anordnung des akustischen Wandlerelementes und/oder der Impedanzmasse und/oder der zweiten Masse erfolgen.
  • Dadurch können das Schwingsystem und die akustischen Eigenschaften insbesondere die Empfindlichkeit des Schallwandlers für einen bestimmten Frequenzbereich optimal eingestellt werden.
  • Auch können dadurch die Schwingungseigenschaften des Systems, die Dämpfungseigenschaften und die akustische Entkopplung weiter verbessert werden.
  • Ein „Elastomer“ ist insbesondere ein formfester, aber elastisch verformbarer Kunststoff. Elastomere können sich bei Zug- und Druckbelastung elastisch verformen, finden anschließend wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Als Elastomer kann insbesondere Gummi und/oder Polyurethan eingesetzt werden. Neben schalldämpfenden Eigenschaften kann ein Elastomer auch isolierende Eigenschaften aufweisen.
  • Ein „Faserverbundswerkstoff“ ist insbesondere ein aus üblicherweise zwei Hauptkomponenten bestehender Mehrphasen- und/oder Mischwerkstoff, wobei die eine Komponente eine Matrix und die andere verstärkende Fasern sind.
  • Eine „Faser“ ist insbesondere ein im Verhältnis zu seiner Länge dünnes und flexibles Gebilde, welches aus einem Faserstoff besteht. Vorliegend ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser mindestens 3:1 oder bevorzugt mindestens 10:1. Insbesondere haben Fasern ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1.000:1. Durch das Längen-Durchmesser-Verhältnis verleihen die Fasern dem Werkstoff die nötige reversible Flexibilität. Als Fasern können insbesondere Glasfasern und/oder Kohlefasern eingesetzt werden. Als Kunststoffmatrix wird duroplastischer Kunststoff wie z. B. Polyesterharz und/oder Epoxidharz und/oder thermoplastische Kunststoffe wie z. B. Polyamid eingesetzt.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass durch die Wahl und Anzahl des Fasermaterials wie auch des Matrixmaterials die erforderlichen Materialeigenschaften und somit das elastische Verhalten des Wandlerträgers eingestellt werden kann.
  • Zusätzlich ist das Korrosionsverhalten von faserverstärktem Kunststoff im Meerwasser vorteilhaft.
  • In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Wandlervorrichtung mit einem zuvor beschriebenen Schallwandler.
  • Dadurch können mehrere Schallwandler parallel und/oder in Reihe angeordnet und auf verschiedene Frequenzbereiche abgestimmt werden. Somit kann die Wandlervorrichtung nach den Bedürfnissen des Benutzers ausgeführt werden, insbesondere kann die Wandlervorrichtung verschiedene Schallwandler zum Senden und/oder Empfangen aufweisen.
  • Insbesondere können auch mehrere Schallwandler mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten und unterschiedlichen Frequenzbereichen in der Wandlervorrichtung senden und/oder empfangen.
  • In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Sonar zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, wobei das Sonar ein Schallwandler oder mehrere Schallwandler wie zuvor beschrieben oder eine Wandlervorrichtung oder mehrere Wandlervorrichtungen wie zuvor beschrieben aufweist.
  • Unter „Sonar“ wird ein System zur Ortung von Gegenständen in Raum und unter Wasser mittels empfangener Schallimpulse verstanden. Dabei kann es sich um ein aktives Sonar handeln, welches selbst ein Signal ausstrahlt, oder um ein passives Sonar, welches nur ausgestrahlte Schallimpulse empfängt. Ebenso kann es sich hierbei um ein bi- oder multistatisches Sonar handeln, welches gleichzeitig auf verschiedenen Plattformen senden und empfangen kann.
  • Diese Schallwandler und/oder Wandlervorrichtung sind insbesondere für ein Sonar vorteilhaft, da eine Ortung von unbekannten Objekten mit hoher Empfindlichkeit und bei unterschiedlichen Frequenzen erfolgen kann.
  • Zudem ist eine Schalldämpfung insbesondere bei Schallschockdruckwellen notwendig, wie diese beispielsweise bei einer nah gelegenen Explosion auftreten. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der akustische Absorber des Sonars intakt bleibt.
  • In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, welches ein Sonar wie zuvor beschrieben aufweist.
  • Insbesondere für ein U-Boot ist es notwendig, dass die Ortung, Navigation und Kommunikation mit hohen Empfindlichkeiten und unterschiedlichen, weiten Frequenzbereichen des Sonars erfolgen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da ein U-Boot unbekannte Schallquellen unter Wasser detektieren und identifizieren sowie mögliche Gefahren erkennen muss.
  • Des Weiteren ist es auch hier vorteilhaft, dass der akustische Absorber des Sonars nicht durch eine Schallschockdruckwelle zerstört wird, da ansonsten oben genannte Funktionen nicht mehr bestehen und das U-Boot gefährdet wird.
  • Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Schallsenders mit einer nachfolgenden Gummischicht und einem Wandlerträger sowie das zugehörige Masse-Feder-Schema,
  • 2 eine stark schematische Schnittdarstellung eines Hydrophons mit einer piezoelektrischen Keramik, einem Messing-Block und einer Gummischicht sowie das zugehörige Masse-Feder-Schema,
  • 3 einen schematischen, halbseitigen Schnitt durch ein aktives Bugsonar mit einer beispielhaft gezeigten Piezokomposit-Keramik, einem nachgeschalteten Messing-Block und zwei Gummischichten sowie das dazugehörige Masse-Feder-Schema und
  • 4 ein schematischen, halbseitigen Schnitt durch ein aktives Bugsonar mit beispielhaft gezeigter Piezokomposit-Keramik mit einem vorgelagerten Messing-Block und zwei Gummischichten sowie das zugehörige Masse-Feder-Schema.
  • Ein Schallsender 101 weist eine piezoelektrische Keramik 105 auf, welche eine vordere Kupferschicht 106 und eine hintere Kupferschicht 107 aufweist. In Schalldruckrichtung 102 folgt hinter der piezoelektrischen Keramik 105 eine Gummischicht 108, welche direkt auf einem GFK-Träger 103 aufsitzt. Seitlich von der piezoelektrischen Keramik 105 und der Gummischicht 108 ist eine PU-Masse 111 angeordnet, welche die piezoelektrische Keramik 105 und die Gummischicht 108 mit dem GFK-Träger 103 verbindet. In Schalldruckrichtung 102 hinter dem GFK-Träger 103 ist ein PU-Hochfrequenz-Absorber 104 angeordnet.
  • Die piezoelektrische Keramik 105 entspricht einer ersten Masse 120. Die erste Masse 120 ist direkt mit der Gummischicht 108 verbunden, wobei die Gummischicht 108 einer Feder 123 entspricht. Auf der der Schalldruckrichtung 102 abgewandten Seite, ist die Feder 123 mit dem GFK-Träger 103 als elastische Halterung 125 verbunden. Die dünne vordere Kupferschicht 106 und hintere Kupferschicht 107 sind hierbei der ersten Masse 120 zugeordnet.
  • Der Schallsender 101 sendet ein akustisches Signal entgegen der Schalldruckrichtung 102 aus. Dazu wird eine Spannung zwischen der vorderen Kupferschicht 106 und der hinteren Kupferschicht 107 aufgeprägt, wodurch die piezoelektrische Keramik 105 sich ausdehnt und mechanisch bewegt. Der Bewegungsdruck wird als Schalldruck in das umgebende Wasser abgegeben. Hierbei wird eine Frequenz von 150kHz verwendet, welche mit einem hohen Sendemaß ausgestrahlt wird.
  • Dies ist möglich, da die piezoelektrische Keramik 105 als Masse 120 ausgeführt ist und durch die in Schalldruckrichtung 102 folgende Gummischicht 108 und den GFK-Träger 103 elastisch angeordnet sind. Somit stellt der Schallwandler ein einfach elastisch gekoppeltes System dar.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist ein Hydrophon 201 als Empfänger eine piezoelektrische Keramik 205 auf, welche in Schalldruckrichtung 202 zunächst eine vordere Kupferschicht 206 und eine hintere Kupferschicht 207 aufweist. Anschließend folgt in Schalldruckrichtung 202 ein Messing-Block 209 sowie eine Gummischicht 208, welche direkt auf dem GFK-Träger 203 aufsitzt. Seitlich sind die piezoelektrische Keramik 205, der Messing-Block 209 und die Gummischicht 208 über die PU-Masse 211 mit dem GFK-Träger 203 verbunden. In Schalldruckrichtung 202 hinter dem GFK-Träger 203 ist der PU-Hochfrequenz-Absorber 204 angeordnet.
  • Dabei entspricht die piezoelektrische Keramik 205 der ersten Masse 220, welche direkt mechanisch mit einer Impedanzmasse 221 verbunden ist. Die Impedanzmasse 221 ist durch den Messing-Block 209 ausgeführt. Die Gummischicht 208 entspricht einer Feder 223, welche die Impedanzmasse 221 mit einer elastischen Halterung 225 verbindet, wobei die elastischen Halterung 225 als GFK-Träger 203 ausgeführt ist.
  • Aufgrund der Massenverhältnisse der piezoelektrischen Keramik 205 und des GFK-Trägers 203 ist ein Messing-Block 209 als Zusatz- und Impedanzmasse mit der piezoelektrischen Keramik 205 verbunden und diese sind elastisch auf den ebenfalls elastischen GFK-Träger 203 angeordnet.
  • Durch die Massen und die Federsteifigkeit wird insbesondere der Frequenzeinsatzbereich definiert.
  • Da der Messing-Block 209 eine höhere spezifische Masse als die piezoelektrische Keramik 205 aufweist, tritt ein Sprung der akustischen Impedanz auf. Durch den Messing-Block 209 findet eine Reflektion und Verzögerung des auftreffenden Schalldrucks statt, sodass auf der Seite des auftreffenden Schalldrucks eine Schalldruckerhöhung auftritt.
  • Zum anderen findet durch den Impedanzsprung beim Übergang vom Messing-Block 209 auf das spezifisch leichtere Material der Gummischicht 208 eine Schalldruckdämpfung statt, sodass der in Schalldruckrichtung 202 dem GFK-Träger 203 nachgeschaltete PU-Hochfrequenz-Absorber auch bei Auftreffen einer Schallschockdruckwelle intakt bleibt.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist ein aktives Bugsonars 301 eine Vielzahl von Piezokomposit-Keramiken 305 auf, wobei hier beispielhaft ein Schallwandlersegment beschrieben wird.
  • In Schalldruckrichtung 302 folgt zunächst ein Kupfergitter 306 als leitende Schicht, eine Piezokomposit-Keramik 305, eine Gummischicht 308, ein nachgeschalteter Messing-Block 309 und eine Gummischicht 310. Seitlich ist eine PU-Masse 311 angeordnet, welche dieses Schallwandlersegment mit dem nächsten, nicht gezeigten Segment, verbindet.
  • Die Gummischicht 310 verbindet diese Anordnung mit dem Schwingträger 303, welcher halbkreisförmig ausgebildet ist (hier ist nur eine Hälfte des Halbkreises gezeigt) und sowohl in Schalldruckrichtung 302 als auch quer zur Schalldruckrichtung 302 schwingen kann. Die Gummischicht 308 hat hier sowohl die Aufgabe der Dämpfung als auch der Isolation, während die Gummischicht 310 zur Dämpfung und akustischen Entkopplung dient.
  • Die Piezokomposit-Keramik 305 entspricht einer ersten Masse 320. Die Gummischicht 308 entspricht einer zweiten Feder 324 und der Messing-Block 309 einer zweiten Masse 321. Die erste Masse 320 ist über die zweite Feder 324 mit der zweiten Masse 321 verbunden. Die zweite Masse 321 ist wiederrum über eine erste Feder 323, welche durch die Gummischicht 310 ausgeführt ist, mit einer elastischen Halterung 325 verbunden, wobei letztere durch den Schwingträger 303 ausgeführt ist.
  • In dieser Alternative ist der Messing-Block 309 als zusätzliche zweite Masse 321 durch die Gummischichten 308 und die Gummischicht 310 entkoppelt hinter der piezoelektrischen-Keramik 305 in der Schalldruckrichtung 302 angeordnet.
  • Hierbei ist dieses System wiederum elastisch gelagert auf dem Schwingträger 303 angeordnet. Dadurch werden zwei Resonanzzustände (Zweimassenschwinger) der piezoelektrischen Keramik 305 genutzt, um einerseits die akustische Wirksamkeit zu erhöhen und gleichzeitig die Schallschockwellenbeanspruchung zu reduzieren.
  • In Schalldruckrichtung 302 tritt durch eine Explosion 50m vor dem aktiven Bugsonar 301 eine Schallschockdruckwelle auf. Durch die doppelte, elastische Anordnung der Piezokomposit-Keramik 305 über die Gummischichten 308 und 310 sowie durch den Impedanzsprung von dem Messing-Block 309 zu der Gummischicht 310 tritt eine Schalldämpfung auf. Dadurch und durch die weitere elastische Auslegung des Schwingträgers 303 wird die Schallschockdruckbeanspruchung reduziert und der Druck, welcher vom Schwingträger 303 weitergegeben wird, soweit reduziert, dass ein nachgelagerter akustischer Absorber (nicht dargestellt) intakt bleibt.
  • In einem alternativen Ausführungsbeispiel weist ein aktives Bugsonar 401 eine Mehrzahl von Piezokomposit-Keramiken auf, wobei beispielhaft nur eine Piezokomposit-Keramik 405 betrachtet wird.
  • In Schalldruckrichtung 402 trifft ein Schalldruck zunächst auf einen Messing-Block 409, gefolgt von einer Gummischicht 408, der Piezokomposit-Keramik 405 und einer nachfolgenden Gummischicht 410.
  • Die Gummischicht 410 verbindet diese Wandleranordnung mit dem Schwingträger 403, welcher in Schalldruckrichtung 402 und quer zur Schalldruckrichtung bei Beanspruchung schwingt.
  • Der Messingblock 409 als zweite Masse 421 ist über die Gummischicht 408 als zweite Feder 424 mit der Piezokomposit-Keramik 405 als erste Masse 420 verbunden.
  • Die Piezokomposit-Keramik 405 als erste Masse 420 ist wiederum über die Gummischicht 410 als erste Feder 423 mit dem Schwingträger 403 als elastische Halterung 425 verbunden.
  • Aufgrund des Frequenzeinsatzbereiches und der Masse der Piezokomposit-Keramik 405 ist in dieser Alternative der Messing-Block 409 als Zusatzmasse elastisch vor der Piezokomposit-Keramik 405 gelagert.
  • Die Piezokomposit-Keramik 405 ist wiederum auf der Rückseite elastisch auf dem Schwingträger 403 angeordnet. Dadurch besteht auch in dieser Alternative ein Mehrmassenschwinger, welcher durch die Wahl der Materialparameter der ersten und der zweiten Masse 420 und 421 und der Federsteifigkeiten der Gummischichten 408 und 410 auf den Einsatzfall und den geforderten Frequenzbereich abgestimmt ist.
  • Die Vorschaltung der zweiten Masse 421 ist für folgenden Einsatzfall vorteilhaft, bei dem in unmittelbarer Umgebung des aktiven Bugsonars 401 im geringen Abstand von 20m eine Explosion auftritt und eine sehr starke Schallschockdruckwelle zunächst auf den Messing-Block 409 als zweite Masse 421 trifft. Durch den Impedanzsprung vom Messing-Block 409 auf die elastische Gummischicht 408 findet eine Schalldruckdämpfung statt, bevor der Schalldruck weiter auf die in Schalldruckrichtung 402 nachfolgende Piezokomposit-Keramik 405 auftrifft. Dadurch wird eine zu hohe Beanspruchung der Piezokomposit-Keramik 405 bei Auftreffen der Schallschockdruckwelle auf das aktive Bugsonar 401 vermieden.
  • Durch die nachfolgende elastische Anordnung der Piezokomposit-Keramik 405 auf der Rückseite über die Gummischicht 410 und den elastischen Schwingträger 403 wird auch eine Zerstörung des nicht gezeigten nachgeschalteten akustischen Absorbers vermieden.
  • Bezugszeichenliste
    • 101
    Schallsender
    102
    Schalldruckrichtung
    103
    GFK-Träger
    104
    PU-Hochfrequenz-Absorber
    105
    Piezoelektrische Keramik
    106
    vordere Kupferschicht
    107
    hintere Kupferschicht
    108
    Gummischicht
    111
    PU-Masse
    120
    Masse 1
    123
    Feder
    125
    elastische Halterung
    201
    Hydrophon (Empfänger)
    202
    Schalldruckrichtung
    203
    GFK-Träger
    204
    PU-Hochfrequenz-Absorber
    205
    Piezoelektrische Keramik
    206
    vordere Kupferschicht
    207
    hintere Kupferschicht
    208
    Gummischicht
    209
    Messing-Block
    211
    PU-Masse
    220
    Masse 1
    221
    Impedanzmasse
    223
    Feder
    225
    elastische Halterung
    301
    aktives Bugsonar
    302
    Schalldruckrichtung
    303
    Schwingträger
    305
    Piezokomposit-Keramik
    306
    Kupfergitter
    308
    Gummischicht
    309
    Messing-Block
    310
    Gummischicht
    311
    PU-Masse
    320
    erste Masse
    321
    zweite Masse
    323
    erste Feder
    324
    zweite Feder
    325
    elastische Halterung
    401
    aktives Bugsonar
    402
    Schalldruckrichtung
    403
    Schwingträger
    405
    Piezokomposit-Keramik
    408
    Gummischicht
    409
    Messing-Block
    410
    Gummischicht
    411
    PU-Masse
    420
    erste Masse
    421
    zweite Masse
    423
    erste Feder
    424
    zweite Feder
    425
    elastische Halterung

Claims (9)

  1. Schallwandler (101, 201) zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welcher ein akustisches Wandlerelement (105, 205, 305, 405), mindestens ein erstes Federelement (123, 223, 323, 423), eine Verfüllmasse (111, 211, 311, 411) und einen Wandlerträger (103, 203, 303, 403) aufweist, wobei dem akustischen Wandlerelement das mindestens eine erste Federelement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Wandlerelement als eine erste Masse (120, 220, 320, 420) ausgebildet ist und in einer Schalldruckrichtung (102, 202, 302, 402) hinter dem akustischen Wandlerelement das erste Federelement und anschließend der Wandlerträger angeordnet sind, sodass ein Schwingsystem eingestellt und somit eine akustische Empfindlichkeit des Schallwandlers verbessert ist.
  2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schalldruckrichtung hinter dem akustischen Wandlerelement eine mechanisch direkt gekoppelte Impedanzmasse (209, 221) angeordnet ist, wobei in der Schalldruckrichtung hinter der Impedanzmasse das erste Federelement und anschließend der Wandlerträger angeordnet sind.
  3. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schalldruckrichtung vor und/oder hinter dem akustischen Wandlerelement eine zweite Masse (309, 321, 409, 421) angeordnet ist, wobei zwischen der zweiten Masse und dem akustischen Wandlerelement ein zweites Federelement (308, 324, 408, 424) angeordnet ist.
  4. Schallwandler nach einem der Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmasse und/oder die zweite Masse größer ist als die erste Masse des akustischen Wandlerelementes.
  5. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Wandlerelement eine Piezo-Keramik (105, 205) und/oder eine Piezokomposit-Keramik (305, 405) aufweist.
  6. Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Federelement und/oder das zweite Federelement ein Elastomer aufweist oder aufweisen und/oder der Wandlerträger einen Faserverbundwerkstoff aufweist.
  7. Wandlervorrichtung mit einem Schallwandler nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 6.
  8. Sonar (301, 401) zum Senden und/oder zum Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonar einen Schallwandler oder mehrere Schallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder eine Wandlervorrichtung oder mehrere Wandlervorrichtungen nach Anspruch 7 aufweist.
  9. Wasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, welches ein Sonar nach Anspruch 8 aufweist.
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