DE102015105430A1 - Converter device, converter device, sonar and watercraft - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welche einen Wandlerträger und einen akustischen Absorber aufweist, wobei an dem Wandlerträger ein akustisches Wandlerelement angeordnet ist und in einer Schalldruckrichtung hintereinander zuerst der Wandlerträger und dahinter der akustische Absorber angeordnet sind, wobei der Wandlerträger elastisch ausgestaltet ist, sodass der elastische Wandlerträger mechanisch schwingfähig ist und vom akustischen Absorber im Wesentlichen entkoppelt ist, sodass der akustische Absorber bei einem Auftreffen einer Schockschalldruckwelle auf die Wandlereinrichtung intakt bleibt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wandlervorrichtung aus zwei oder mehr Wandlereinrichtungen, ein Sonar und ein Wasserfahrzeug.The invention relates to a transducer device for transmitting and / or receiving acoustic underwater signals, which has a transducer carrier and an acoustic absorber, wherein on the transducer carrier an acoustic transducer element is arranged and in a sound pressure direction behind each other first the transducer carrier and behind the acoustic absorber are arranged the transducer carrier is designed to be elastic, so that the elastic transducer carrier is mechanically oscillatable and is substantially decoupled from the acoustic absorber, so that the acoustic absorber remains intact when a shock-sound pressure wave impinges on the transducer device. Furthermore, the invention relates to a converter device comprising two or more converter devices, a sonar and a watercraft.
Description
Die Erfindung betrifft eine Wandlereinrichtung zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welche einen Wandlerträger und einen akustischen Absorber aufweist, wobei an dem Wandlerträger ein akustisches Wandlerelement angeordnet ist und in einer Schalldruckrichtung hintereinander zuerst der Wandlerträger und dahinter der akustische Absorber angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Wandlervorrichtung, ein Sonar sowie ein Wasserfahrzeug.The invention relates to a transducer device for transmitting and / or receiving acoustic underwater signals, which has a transducer carrier and an acoustic absorber, wherein on the transducer carrier an acoustic transducer element is arranged and in a sound pressure direction behind each other first the transducer carrier and behind the acoustic absorber are arranged. Furthermore, the invention relates to a converter device, a sonar and a watercraft.
Nach dem Stand der Technik werden Wandler zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen steif, insbesondere biege- und/oder torsionssteif, ausgelegt. Hierzu wird zum Beispiel in Schalldruckrichtung vor und hinter dem Wandlerelement eine verbundene Stahlplatte angeordnet und/oder das Wandlerelement fest eingebaut.According to the prior art converters for transmitting and / or receiving acoustic underwater signals are stiff, in particular flexurally and / or torsionally stiff, designed. For this purpose, in front of and behind the transducer element, for example, a connected steel plate is arranged in the direction of the sound pressure and / or the transducer element is permanently installed.
Dies hat den Nachteil, dass beim Auftreffen einer Schalldruckwelle der Wandler aufgrund seiner Steifigkeit den Druck direkt auf den dahintergelegenen akustischen Absorber überträgt.This has the disadvantage that upon impact of a sound pressure wave, the transducer, due to its rigidity, transmits the pressure directly to the acoustic absorber located behind it.
Das akustische Absorbermaterial ist üblicherweise stark (über)druckempfindlich, da es ja gerade die Aufgabe des Absorbers ist, den Schall zu „schlucken“. Da am Absorbermaterial keine oder nur sehr geringe Rückreflexion auftritt, wird es bei starkem Druck, wie zum Beispiel bei einer Schockschalldruckwelle aufgrund einer naheliegenden Explosion, zerstört.The acoustic absorber material is usually strong (over) pressure sensitive, since it is precisely the task of the absorber to "swallow" the sound. Since no or very little back reflection occurs at the absorber material, it is destroyed under heavy pressure, such as a shockwave due to an obvious explosion.
Zum Ersatz des zerstörten Absorbers entstehen hohe Material- und Wartungskosten.To replace the destroyed absorber high material and maintenance costs.
Zudem müssen Unterwasserfahrzeuge zunächst erst geborgen und dann in eine Werft gebracht werden, um die notwendigen Reparaturen durchführen zu können.In addition, underwater vehicles must first be salvaged and then brought to a shipyard to carry out the necessary repairs.
Da der akustische Absorber hinter der Wandlereinrichtung angeordnet ist, muss erst aufwendig die Wandlereinrichtung demontiert und anschließend der akustische Absorber ausgetauscht werden.Since the acoustic absorber is arranged behind the transducer device, the transducer device must first be disassembled and then the acoustic absorber exchanged.
Insbesondere nachteilig ist es bei einer Wandlereinrichtung nach dem Stand der Technik, dass bei Schädigung durch eine Schockschalldruckwelle sämtliche Sonare an Bord ausfallen können oder in ihrer Funktionsweise eingeschränkt sind. Dadurch kann die Navigation eingeschränkt sein, sodass eine Gefährdung insbesondere bei bemannten Unterwasserfahrzeugen auftreten kann. Dies kann zum Verlust des gesamten Unterwasserfahrzeuges führen.In particular, it is disadvantageous in a converter device according to the prior art that, if damaged by a shock-sound pressure wave, all sonars on board can fail or are restricted in their mode of operation. As a result, the navigation can be restricted, so that a danger can occur especially in manned underwater vehicles. This can lead to the loss of the entire underwater vehicle.
Aufgabe der Erfindung ist es den Stand der Technik zu verbessern.The object of the invention is to improve the prior art.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Wandlereinrichtung zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, welche einen Wandlerträger und einen akustischen Absorber aufweist, wobei an dem Wandlerträger ein akustisches Wandlerelement angeordnet ist und in einer Schalldruckrichtung hintereinander zuerst der Wandlerträger und dahinter der akustische Absorber angeordnet sind, wobei der Wandlerträger elastisch ausgestaltet ist, sodass der elastische Wandlerträger mechanisch schwingfähig ist und vom akustischen Absorber im Wesentlichen entkoppelt ist, sodass der akustische Absorber bei einem Auftreffen einer Schockschalldruckwelle auf die Wandlereinrichtung intakt bleibt.The object is achieved by a transducer device for transmitting and / or receiving acoustic underwater signals, which has a transducer carrier and an acoustic absorber, wherein on the transducer carrier an acoustic transducer element is arranged and in a sound pressure direction behind each other first the transducer carrier and behind the acoustic absorber are arranged wherein the transducer carrier is configured to be resilient such that the transducer transducer is mechanically oscillatable and substantially decoupled from the acoustic absorber so that the acoustic absorber remains intact upon impact of a shock wave pressure wave on the transducer means.
Das Intaktbleiben des akustischen Absorbers hat den Vorteil, dass dieser eine viel längere Nutzungsdauer gegenüber dem Stand der Technik hat. Zudem kann so beispielsweise ein Bugsonar bereitgestellt werden, welches einen „Blick“ vor dem Schiff ermöglicht und auch bei beispielsweise einer nahegelegenen Minenexplosion einsatzfähig bleibt.The keeping intact of the acoustic absorber has the advantage that it has a much longer service life compared to the prior art. In addition, for example, a Bugsonar can be provided, which allows a "view" in front of the ship and also remains operational in, for example, a nearby mine explosion.
Insbesondere wird dadurch verhindert, dass der akustische Absorber unvorhergesehen und plötzlich durch eine Schockschalldruckwelle zerstört oder funktionseingeschränkt wird und das Senden und Empfangen von akustischen Unterwassersignalen des Unterwasserfahrzeugs mittels der Wandlereinrichtung nicht mehr möglich ist.In particular, this prevents the acoustic absorber from being unexpectedly and suddenly destroyed or functionally restricted by a shock-sound pressure wave and the transmission and reception of underwater vehicle acoustic signals by means of the converter device no longer being possible.
Des Weiteren wird verhindert, dass die Navigation des Unterwasserfahrzeuges und das Erkennen von Gefahren für das Unterwasserfahrzeug beeinträchtigt sind.Furthermore, it prevents the navigation of the underwater vehicle and the detection of dangers for the underwater vehicle are impaired.
Zudem sind durch die längere Nutzungsdauer des akustischen Absorbers gegenüber dem Stand der Technik die Material-, Wartungs- und Montagekosten geringer.In addition, the material, maintenance and installation costs are lower due to the longer service life of the acoustic absorber over the prior art.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass entgegen dem Stand der Technik das akustische Wandlerelement nicht steif ausgelegt wird, sondern dass das akustische Wandlerelement an einem elastischen Wandlerträger angeordnet ist, welcher mechanisch schwingfähig ist. Durch die mechanische Schwingfähigkeit des Wandlerträgers und die Entkopplung zum dahinterliegenden akustischen Absorber wird verhindert, dass der akustische Absorber beim Auftreffen einer Schockschalldruckwelle zerstört wird.An essential idea of the invention is based on that contrary to the prior art, the acoustic transducer element is not designed stiff, but that the acoustic transducer element is disposed on an elastic transducer carrier, which is mechanically oscillatable. Due to the mechanical vibration capability of the transducer carrier and the decoupling to the underlying acoustic absorber prevents the acoustic absorber is destroyed when hitting a shock pressure wave.
Grundsätzlich wird das Verringern der Schockschalldruckwelle dadurch realisiert, dass ein Teil des Schockschalldrucks in eine mechanische Schwingung des Wandlerträgers oder weiterer mechanischer Bauteile überführt wird.Basically, the reduction of the shock-sound pressure wave is realized in that a part of the shock sound pressure in a mechanical Oscillation of the transducer carrier or other mechanical components is transferred.
Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Eine „Wandlereinrichtung“ ist insbesondere eine Einrichtung zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen, wie sie beim Verwenden von aktiven und passiven Sonaren verwendet wird. Die Wandlereinrichtung empfängt Unterwasserschallsignale und wandelt diese in ein elektrisches Signal zur Weiterverarbeitung um und/oder wandelt ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal um, welches ausgesandt wird.The following concept is explained:
A "transducer device" is in particular a device for transmitting and / or receiving underwater acoustic signals, as used in the use of active and passive sonars. The transducer device receives underwater sound signals and converts them into an electrical signal for further processing and / or converts an electrical signal into an acoustic signal which is transmitted.
Ein „akustisches Wandlerelement“ ist insbesondere ein Schallwandler oder ein Hydrofon, der oder das akustische Signale als Schallwechseldrücke in elektrische Spannungen umwandelt oder umgekehrt elektrische Signale in akustische Signale umwandelt. Beispielsweise werden Hydrofone Unterwasser eingesetzt, um dort Wasserschallgeräusche aufzunehmen. Hierbei wandelt ein Hydrofon den Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechende elektrische Größe. Insbesondere im Ultraschallbereich unter Wasser werden heutzutage als akustisches Wandlerelement Piezo-Wandler eingesetzt. Das Piezoelement erzeugt bei Einwirken eines mechanischen Drucks eine elektrische Spannung oder führt bei Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Bewegung aus. Bei industriell hergestellten Piezoelementen handelt es sich häufig um piezoelektrische Keramiken. Es sind jedoch auch Piezoelemente aus Kunststoff bekannt, insbesondere wird Polyvinylidenfluorid (PVDF) in Hydrofonen eingesetzt.An "acoustic transducer element" is in particular a sound transducer or a hydrophone, which converts the acoustic signals as acoustic pressure into electrical voltages or conversely converts electrical signals into acoustic signals. For example, hydrophones are used underwater to absorb waterborne noise. Here, a hydrophone converts the water sound into an electrical variable corresponding to the sound pressure. Especially in the ultrasonic range under water nowadays piezoelectric transducers are used as the acoustic transducer element. The piezoelectric element generates an electrical voltage upon the action of a mechanical pressure or performs a mechanical movement upon application of an electrical voltage. Industrially produced piezoelectric elements are often piezoelectric ceramics. However, piezoelectric elements made of plastic are also known, in particular polyvinylidene fluoride (PVDF) is used in hydrophones.
Bei Auftreffen des Schalldrucks wird die piezoelektrische Keramik elastisch verformt, wobei eine Änderung der elektrischen Polarisation und somit ein Auftreten einer elektrischen Spannung am keramischen Festkörper erfolgt. Umgekehrt verformt sich das keramische Piezoelement bei Anlegen einer elektrischen Spannung und gibt einen mechanischen Druck ab.Upon impact of the sound pressure, the piezoelectric ceramic is elastically deformed, wherein a change in the electrical polarization and thus an occurrence of an electrical voltage on the ceramic solid takes place. Conversely, the ceramic piezoelectric element deforms upon application of an electrical voltage and gives off a mechanical pressure.
Ein „Wandlerträger“ steht insbesondere in Verbindung zu dem akustischen Wandlerelement und trägt und/oder umschließt zumindest teilweise das akustische Wandlerelement. Der Wandlerträger ist in Schalldruckrichtung hinter und/oder neben dem akustischen Wandlerelement angeordnet. Der Wandlerträger ist insbesondere elastisch ausgestaltet.A "transducer carrier" is in particular connected to the acoustic transducer element and at least partially surrounds and / or surrounds the acoustic transducer element. The transducer carrier is arranged behind the sound pressure direction and / or next to the acoustic transducer element. The transducer carrier is designed in particular elastically.
„Elastisch“ in diesem Sinne bedeutet insbesondere, dass der Wandlerträger sich bei einwirkendem Druck biegt, sodass dieser eine andere Form als vor der Druckeinwirkung einnimmt. Diese Verformung ist im Wesentlichen reversibel und nach Ende der einwirkenden Kraft nimmt der Wandlerträger wieder seine ursprüngliche Form ein. Mithin wird Schalldruck in eine mechanische Verformung überführt."Elastic" in this sense means in particular that the transducer carrier bends under pressure, so that it takes a different shape than before the pressure. This deformation is essentially reversible and after the end of the applied force, the transducer carrier returns to its original shape. Consequently, sound pressure is converted into a mechanical deformation.
Als „Schalldruck“ werden die Druckschwankungen eines kompressiblen Schallübertragungsmediums (wie Luft oder Wasser) bezeichnet, die bei der Ausbreitung von Schall auftreten. Der Schalldruck ist insbesondere der Wechseldruck, der den statischen Druck des umgebenden Mediums überlagert ist."Sound pressure" refers to the pressure fluctuations of a compressible sound transmission medium (such as air or water) that occur when sound propagates. The sound pressure is in particular the alternating pressure, which is superimposed on the static pressure of the surrounding medium.
Unter „Schalldruckrichtung“ wird vorliegend die Richtung verstanden, aus der der Schalldruck mit der höchsten Intensität auf die Wandlereinrichtung auftrifft.In the present case, the term "sound pressure direction" is understood to mean the direction from which the sound pressure with the highest intensity impinges on the transducer device.
Eine „Schockschalldruckwelle“ ist insbesondere eine Schalldruckwelle, die sehr plötzlich (sprunghaft) und/oder mit sehr hoher Amplitude auftritt. Eine Schockschalldruckwelle liegt insbesondere vor, wenn der Schalldruck größer ist als der Umgebungsdruck. Eine Schockschalldruckwelle kann jedoch auch vorliegen, wenn eine Schalldruckwelle mit niedriger Intensität in unmittelbarer Entfernung zu einer Wandlereinrichtung auftritt. Beispielsweise kann eine derartige Schockschalldruckwelle durch eine Explosion einer Unterwassermine in einer Entfernung von 100m vom Wandlerträger initiiert werden.A "shock-sound pressure wave" is in particular a sound pressure wave that occurs very suddenly (erratic) and / or with a very high amplitude. A shock-sound pressure wave is present in particular when the sound pressure is greater than the ambient pressure. However, a shock wave pressure wave may also be present when a low intensity sound pressure wave occurs in close proximity to a transducer device. For example, such a blast sound pressure wave may be initiated by an underwater mine explosion at a distance of 100 m from the transducer carrier.
Ein „akustischer Absorber“ vermindert die Schallenergie insbesondere durch Umwandlung in thermische Energie. Neben der Umwandlung in Wärme können aber auch andere Arten der Aufnahme der Schallenergie auftreten. Wird der einfallende Schall komplett absorbiert, so findet keine Reflexion mehr statt. Bei Absorbern kann es sich um poröse Schallschluckstoffe handeln, welche in den Poren den kinetischen Anteil der Schallenergie durch Reibung in Wärmeenergie umwandelt und somit die Schallenergie verringert. Zum Beispiel ist der Einsatz von mineralischen Fasern in Absorbern bekannt. Für die Absorption von Ultraschall wird insbesondere ein Absorber auf Polyurethanbasis eingesetzt.An "acoustic absorber" reduces the sound energy, in particular by converting it into thermal energy. In addition to the conversion into heat but also other ways of recording the sound energy can occur. If the incident sound is completely absorbed, no reflection takes place. Absorbers may be porous sound-absorbing substances which convert the kinetic component of the sound energy into heat energy in the pores by friction and thus reduce the sound energy. For example, the use of mineral fibers in absorbers is known. For the absorption of ultrasound, in particular a polyurethane-based absorber is used.
Unter „Entkoppeln“ wird insbesondere verstanden, dass keine oder nur sehr geringe durch den Schalldruck verursachte Wechselwirkung zwischen dem Wandlerträger und dem akustischen Absorber auftreten. Auch kann eine Entkopplung räumlich und/oder durch Lagerung und/oder Verbindung so ausgeführt werden, dass die Schwingungen des Wandlerträgers nicht oder nur im geringen Maße auf dem akustischen Absorber übertragen werden.By "decoupling" is meant, in particular, that no or only very small caused by the sound pressure interaction between the transducer carrier and the acoustic absorber occur. Also, a decoupling spatially and / or by storage and / or connection can be carried out so that the vibrations of the transducer carrier are not transmitted or only to a small extent on the acoustic absorber.
In einer weiteren Ausführungsform der Wandlereinrichtung sind an dem Wandlerträger mehrere akustische Wandlerelemente angeordnet.In a further embodiment of the converter device a plurality of acoustic transducer elements are arranged on the transducer carrier.
Durch die Anordnung von mehreren akustischen Wandlerelementen an dem Wandlerträger kann die Wandlereinrichtung platzsparend ausgeführt werden. Des Weiteren wird Material gespart, in dem nicht jedes einzelne Wandlerelement von einem einzelnen Wandlerträger getragen wird.By arranging a plurality of acoustic transducer elements on the transducer carrier, the transducer device can save space be executed. Furthermore, material is saved in which not every single transducer element is supported by a single transducer carrier.
Insbesondere kann durch die Verwendung von mehreren Wandlerelementen eine höhere Ortsauflösung erreicht und dadurch die Navigation verbessert werden.In particular, a higher spatial resolution can be achieved by the use of a plurality of transducer elements and thus the navigation can be improved.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Wandlerträger ein Wandlerträgerlager oder mehrere Wandlerträgerlager auf, sodass der Wandlerträger mechanisch schwingfähig durch dieses oder diese gelagert ist.In a further embodiment, the transducer carrier has a transducer carrier bearing or a plurality of transducer carrier bearings, so that the transducer carrier is supported by this or this mechanically oscillatable.
Unter einem „Wandlerträgerlager“ wird insbesondere ein Bauteil verstanden, dass die Last des Wandlerträgers aufnimmt und gegebenenfalls weiter überträgt. Hierbei kann es sich um ein allseits festes und damit nicht verschiebbares Lager handeln oder um ein bewegliches Lager. Zum Beispiel kann es sich bei dem Wandlerträgerlager in einfacher Weise um eine Stütze handeln, welche als vertikales Bauteil die Last hauptsächlich in Richtung seiner Längsachse aufnimmt und weiterleitet. Das Wandlerträgerlager kann auch so ausgeführt sein, dass es sowohl mit dem Wandlerträger als auch mit dem akustischen Absorber in Verbindung steht.A "transducer carrier" is in particular a component understood that receives the load of the transducer carrier and optionally further transmits. This can be a solid and therefore non-displaceable bearing on all sides or a movable bearing. For example, the transducer carrier bearing may simply be a support which as a vertical component receives and transmits the load primarily in the direction of its longitudinal axis. The transducer carrier bearing may also be configured to communicate with both the transducer carrier and the acoustic absorber.
Durch die Lagerung mit einem oder mehreren Wandlerträgerlager kann der elastische Wandlerträger bei Einwirken eines Drucks, insbesondere Schockdrucks, sich nicht nur verbiegen sondern auch schwingen.By storing with one or more transducer carrier bearing, the elastic transducer carrier can not only bend but also swing when exposed to a pressure, in particular shock pressure.
Durch das Schwingen wird insbesondere der Schockschalldruck gedämpft oder in mechanische Schwingung umgewandelt und nur teilweise vom Wandlerträgerlager weitergeleitet. Grundsätzlich wird die am akustischen Absorber anliegende Schallintensität verringert.Due to the vibration, in particular the shock sound pressure is attenuated or converted into mechanical vibration and only partially forwarded from the transducer carrier bearing. Basically, the sound intensity applied to the acoustic absorber is reduced.
Damit der Wandlerträger bei im Wesentlichen mittiger Lagerung an den äußeren Rändern oder auf der der gelagerten Seite entgegengesetzten Seite mechanisch schwingfähig ist, kann die Wandlereinrichtung so ausgeführt sein, dass eines der Wandlerträgerlager im Wesentlichen mittig oder an einer Position bis an den äußeren Rand des Wandlerträgerlagers angeordnet ist.In order for the transducer carrier to be able to vibrate mechanically when the bearing is substantially centrally located on the outer edges or on the side opposite the mounted side, the transducer device can be designed such that one of the transducer carrier bearings is arranged substantially centrally or at a position up to the outer edge of the transducer carrier bearing is.
Durch die Positionierung eines Wandlerträgerlagers kann die Schwingung gezielt ermöglicht werden, zum Beispiel an den äußeren Rändern oder in der Mitte des Wandlerträgers.By positioning a transducer carrier bearing, the vibration can be specifically made possible, for example, at the outer edges or in the middle of the transducer carrier.
Somit kann je nach konstruktiver Ausführung der Wandlereinrichtung die höchste Schwingungsamplitude dort vorgesehen werden, wo am meisten Platz für die Schwingungsauslenkung besteht.Thus, depending on the structural design of the transducer device, the highest vibration amplitude can be provided where most of the space for the vibration deflection exists.
In einer weiteren Ausführungsform sind zwei Wandlerträgerlager im Wesentlichen mittig oder jeweils an den entgegengesetzten äußeren Rändern des Wandlerträgerlagers angeordnet, sodass der Wandlerträger an den äußeren Rändern oder in der Mitte mechanisch schwingfähig ist.In a further embodiment, two transducer carrier bearings are arranged substantially centrally or respectively at the opposite outer edges of the transducer carrier bearing so that the transducer carrier is mechanically oscillatable at the outer edges or in the middle.
Indem zwei Wandlerträgerlager im Wesentlichen mittig angeordnet werden, wird die Lastaufnahme in der Mitte verstärkt und der Wandlerträger ist an den beiden entgegengesetzten äußeren Rändern stärker mechanisch schwingfähig.By placing two transducer carrier bearings substantially centrally, the load bearing in the middle is reinforced and the transducer carrier is more mechanically vibratable at the two opposite outer edges.
Dadurch, dass jeweils ein Wandlerträgerlager an den entgegengesetzten beiden äußeren Rändern des Wandlerträgers angeordnet ist, ist die Mitte des Wandlerträgers schwingfähig. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die höchste Schalldruckintensität auf die Mitte der Wandlereinrichtung auftrifft, wie dies zum Beispiel bei einem Bugsonar zu erwarten ist.Characterized in that a respective transducer carrier bearing is arranged at the opposite two outer edges of the transducer carrier, the center of the transducer carrier is oscillatable. This is particularly advantageous when the highest sound pressure intensity impinges on the center of the transducer device, as is to be expected for example in a Bugsonar.
Um Informations- oder sonstige Signale zu den Wandlerelementen zu leiten, können die Wandlerträgerlager durch einen Führungsspalt zueinander beabstandet sein.To direct information or other signals to the transducer elements, the transducer carrier bearings may be spaced apart by a guide gap.
Dies hat den Vorteil, dass zum einen durch den Führungsspalt ein Kabel oder mehrere Kabel zur Stromversorgung der Wandlerelemente angeordnet werden können. Zum anderen verbessert dies insbesondere die Schwingfähigkeit der Wandlerträgerlager selbst, da dadurch beispielsweise eine Doppellagerung realisierbar ist.This has the advantage that, on the one hand, a cable or a plurality of cables for supplying power to the transducer elements can be arranged through the guide gap. On the other hand, this improves in particular the ability to vibrate the transducer carrier bearing itself, since this example, a double bearing is feasible.
Unter einem „Führungsspalt“ wird insbesondere ein Raum zwischen zwei Wandlerträgerlagern verstanden, welcher nicht mit Wandlerträgermaterial ausgefüllt ist und durch welchen beispielsweise Kabel frei geführt werden können.A "guide gap" is understood in particular to mean a space between two transducer carrier bearings, which is not filled with transducer carrier material and through which, for example, cables can be guided freely.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Wandlerträger über das Wandlerträgerlager oder die Wandlerträgerlager mit einem Schwingträger mechanisch verbunden, sodass insbesondere die Wandlereinrichtung mindestens doppelt mechanisch schwingfähig ausgeführt ist.In a further embodiment, the transducer carrier is mechanically connected via the transducer carrier bearing or the transducer carrier bearing with a vibrating carrier, so that in particular the transducer device is at least twice performed mechanically vibratory.
Ein „Schwingträger“ ist insbesondere ein Träger der mechanische Schwingungen aufnehmen, selbst mechanisch schwingen kann und dadurch die Intensität des Schockschalldrucks weiter reduziert.A "vibrating carrier" is in particular a carrier that absorbs mechanical vibrations, can itself vibrate mechanically and thereby further reduces the intensity of the shock-sound pressure.
Die doppelt mechanisch schwingfähige Ausführung der Wandlereinrichtung gibt insbesondere den Vorteil, dass der nachgelagerte Absorber besser vom Wandlerträger entkoppelt ist.The double mechanical oscillating design of the transducer device gives the particular advantage that the downstream absorber is better decoupled from the transducer carrier.
Zudem wird durch die bessere mechanische Schwingfähigkeit im Vergleich zur einfachen schwingfähigen Ausführung mehr Schallenergie gedämpft.In addition, the better mechanical vibration capability compared to the simple vibratory design more sound energy attenuated.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wandlerträger nicht nur elastisch sondern bereits selbst schwingfähig ist, insbesondere wenn der Wandlerträger auch quer zur Schalldruckrichtung schwingen kann. Dies ist insbesondere von Vorteil, da der Schalldruck sich nicht nur in Schalldruckrichtung sondern auch quer zur Schalldruckrichtung ausbreitet.It is particularly advantageous if the transducer carrier is not only resilient but is itself capable of vibrating itself, in particular if the transducer carrier can also oscillate transversely to the direction of the sound pressure. This is particularly advantageous since the sound pressure propagates not only in the sound pressure direction but also transversely to the sound pressure direction.
Somit ist es vorteilhaft, wenn sowohl der Wandlerträger als auch das Wandlerträgerlager und der Schwingträger elastisch schwingfähig sind, sodass ein mindestens doppelt oder sogar dreifach schwingfähiges System besteht.Thus, it is advantageous if both the transducer carrier and the transducer carrier bearing and the vibrating carrier are elastically oscillatable, so that there is a system capable of oscillating at least twice or even three times.
Vorteilhaft kann die Wandlereinrichtung so ausgeführt sein, dass in der Schalldruckrichtung der Schwingträger schwingfähig vor dem akustischen Absorber gelagert ist und/oder auf einer schwingfähigen Platte befestigt ist.Advantageously, the transducer device can be designed so that in the sound pressure direction of the vibrating carrier is mounted vibrationally in front of the acoustic absorber and / or mounted on a vibratory plate.
Durch die schwingfähige Lagerung des Schwingträgers erfolgt insbesondere eine weitere Dämpfung des Schalldrucks, sodass der akustische Absorber nachfolgend intakt bleibt.Due to the oscillatory mounting of the oscillating carrier, in particular a further damping of the sound pressure takes place, so that the acoustic absorber remains intact subsequently.
Insbesondere ist es von Vorteil, wenn dadurch der akustische Absorber im Wesentlichen nicht komprimiert wird. Unter einem „nicht komprimieren“ wird insbesondere eine Volumenänderung kleiner 3%, besonders bevorzugt kleiner 1,5% oder kleiner 1%, eines Normalvolumens des akustischen Absorbers verstanden.In particular, it is advantageous if, as a result, the acoustic absorber is essentially not compressed. A "non-compressing" is understood in particular to mean a volume change of less than 3%, particularly preferably less than 1.5% or less than 1%, of a normal volume of the acoustic absorber.
Um die Schalldämpfung zu verbessern, kann der Schwingträger auf einer schwingfähigen Platte befestigt sein. Insbesondere wenn der Schwingträger so auf der Platte befestigt ist, dass er zwischen Schlitzen in der Platte befestigt und nachfolgend ein Luftpolster angeordnet ist, wird nach dem Federmasseprinzip dadurch eine gute schalldämpfende Wirkung erreicht.In order to improve the sound attenuation, the vibrating carrier can be mounted on a swingable plate. In particular, when the vibrating support is mounted on the plate so that it is mounted between slots in the plate and subsequently an air cushion is arranged, a good sound-damping effect is achieved by the spring mass principle.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Wandlereinrichtung so ausgeführt, dass die Wandlereinrichtung weitere Wandlerträger und/oder weitere Wandlerträgerlager und/oder weitere Schwingträger aufweist.In a further embodiment, the converter device is designed such that the converter device has further converter carriers and / or further converter carrier bearings and / or further oscillating carriers.
Dadurch kann die Schwingfähigkeit der Wandlereinrichtung der Druckempfindlichkeit des akustischen Absorbers angepasst werden.As a result, the oscillation capability of the converter device can be adapted to the pressure sensitivity of the acoustic absorber.
Zudem kann die Wandlereinrichtung so ausgeführt werden, dass sie zum Senden und/oder Empfangen von akustischen Unterwassersignalen optimal genutzt werden kann.In addition, the converter device can be designed so that it can be used optimally for transmitting and / or receiving acoustic underwater signals.
Um die Stabilität der Wandlereinrichtung zu erhöhen, können in Schalldruckrichtung nach dem Wandlerträger eine erste Verfüllmasse und/oder ein weiterer akustischer Absorber vorgesehen sein, welche zumindest teilweise zwischen dem Wandlerträger und dem Schwingträger angeordnet sind.In order to increase the stability of the converter device, a first filling compound and / or a further acoustic absorber can be provided in the direction of the sound pressure downstream of the converter carrier, which are arranged at least partially between the converter carrier and the oscillating carrier.
Unter einer „Verfüllmasse“ wird insbesondere eine Masse zum Verfüllen des Raumes nach dem Wandlerträger verstanden. Hierbei kann es sich um eine Kunststoffmasse und/oder Kork und/oder einem anderen Verfüllmaterial handeln. Als Kunststoff kann insbesondere weiches [An den Erfinder: Was genau charakterisiert „weich“?] Polyurethan und Polyoxymethylen eingesetzt werden.A "filling compound" is understood in particular to mean a mass for filling the space downstream of the transducer carrier. This may be a plastic compound and / or cork and / or another backfill material. In particular soft [to the inventor: what exactly characterizes "soft"?) Polyurethane and polyoxymethylene can be used as plastic.
Die Verwendung einer Verfüllmasse ist vorteilhaft, da diese zum einen die Bauteile verkleben kann, wodurch diese Stabilität bietet. Zum anderen kann die Verfüllmasse elastisch und dadurch dämpfend wirken. Zudem verhindert die Verfüllmasse, dass Meerwasser in die Wandlereinrichtung eindringt und insbesondere korrosive Schäden verursacht.The use of a filling compound is advantageous because it can on the one hand adhere the components, which provides stability. On the other hand, the filling compound can be elastic and thus dampening. In addition, the filling mass prevents seawater from penetrating into the transducer device and in particular causing corrosive damage.
Für den Fall, dass der ersten Verfüllmasse ein weiterer akustischer Absorber folgt, kann insbesondere die Verfüllmasse den Wandlerträger mit dem akustischen Absorber „verkleben“.In the event that the first filling compound is followed by another acoustic absorber, in particular the filling compound can "glue" the transducer carrier to the acoustic absorber.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Verfüllmasse weicher oder entsprechend komprimierbarer ist als das Material des Absorbers.It is particularly advantageous if the filling compound is softer or correspondingly more compressible than the material of the absorber.
Die Anordnung eines weiteren akustischen Absorbers zwischen den Wandlerträger und dem Schwingträger hat den Vorteil, dass hier zusätzlich Schall durch den weiteren akustischen Absorber geschluckt wird. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Schalldruck auch quer zur Schalldruckrichtung auf den Wandlerträger auftrifft und der Wandlerträger auch in Querrichtung schwingfähig ist.The arrangement of a further acoustic absorber between the transducer carrier and the oscillating carrier has the advantage that in this case additional sound is swallowed by the further acoustic absorber. This is particularly advantageous if the sound pressure impinges transversely to the direction of sound pressure on the transducer carrier and the transducer carrier is also oscillatable in the transverse direction.
Um ein besonders geeignetes Material für den Wandlerträger bereitzustellen, können der Wandlerträger und/oder das Wandlerträgerlager und/oder der Schwingträger einen Faserverbundwerkstoff aufweisen.To provide a particularly suitable material for the transducer carrier, the transducer carrier and / or the transducer carrier bearing and / or the vibrating carrier may comprise a fiber composite material.
Ein „Faserverbundwerkstoff“ ist insbesondere ein aus üblicherweise zwei Hauptkomponenten bestehender Mehrphasen- und/oder Mischwerkstoff, wobei die eine Komponente eine Matrix sowie die andere verstärkende Fasern sind.In particular, a "fiber composite material" is a multiphase and / or mixed material consisting of usually two main components, one component being a matrix and the other reinforcing fibers.
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 zu 1 oder bevorzugt mindestens 10 zu 1. Insbesondere haben Fasern ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 1000 zu 1. Durch das Längen-Durchmesser-Verhältnis verleihen die Fasern dem Werkstoff die nötige (reversible) Flexibilität.A "fiber" is in particular a thin and flexible structure which is made of a fibrous material in relation to its length. In the present case, the ratio of length to diameter is at least 3 to 1 or preferably at least 10 to 1. In particular, fibers have a length to diameter ratio of 1000 to 1. Due to the length to diameter ratio, the fibers give the material the necessary (reversible) flexibility.
Besonders vorteilhaft ist, dass durch Einstellung der Anzahl der Fasern im Faserverbundwerkstoff die Elastizitäten des Wandlerträgers und/oder Wandlerträgerlagers und/oder des Schwingträgers eingestellt werden können.It is particularly advantageous that the elasticities of the transducer carrier and / or transducer carrier bearing and / or the vibrating carrier can be adjusted by adjusting the number of fibers in the fiber composite material.
Insbesondere ist es vorteilhaft, als Faserverbundwerkstoff glasfaserverstärkten Kunststoff zu verwenden. Bei diesem werden Glasfasern und duroplastischer Kunststoff wie zum Beispiel Polyesterharz oder Epoxidharz und/oder thermoplastische Kunststoffe wie zum Beispiel Polyamid zusammen eingesetzt. Zudem hat glasfaserverstärkter Kunststoff im Vergleich zu anderen Faserverbundwerkstoffen eine relativ leichte elastische Verformbarkeit.In particular, it is advantageous to use fiber-reinforced plastic as the fiber composite material. In this glass fibers and thermosetting plastic such as polyester resin or epoxy resin and / or thermoplastics such as polyamide are used together. In addition, glass fiber reinforced plastic has a relatively low elastic deformability compared to other fiber composites.
Der Vorteil der Glasfaser im Verbund mit der Kunststoffmatrix ist deren hohe Bruchdehnung und die elastische Energieaufnahme. Zusätzlich ist das Korrosionsverhalten von glasfaserverstärktem Kunststoff in Meerwasser vorteilhaft.The advantage of the glass fiber in combination with the plastic matrix is its high elongation at break and the elastic energy absorption. In addition, the corrosion behavior of glass fiber reinforced plastic in seawater is advantageous.
In einer weiteren Ausführungsform weist in der Schalldruckrichtung der Wandlerträger hinter dem akustischen Wandlerelement eine Materialdicke von 1/4 bis 1/12 einer Gesamtmaterialdicke des Wandlerträgers auf.In a further embodiment, in the sound pressure direction of the transducer carrier behind the acoustic transducer element has a material thickness of 1/4 to 1/12 of a total material thickness of the transducer carrier.
Eine dünnere Materialdicke des Wandlerträgers hinter dem akustischen Wandlerelement in Schalldruckrichtung ist vorteilhaft im Vergleich zur Gesamtmaterialdicke des Wandlerträgers, weil dadurch der Wandlerträger in der Mitte hinter dem akustischen Wandlerelement besser elastisch verformbar ist. Dadurch können die Ränder mit einer höheren Materialdicke besser schwingen oder als (Zug)Lager wirken. Dadurch kann der Wandlerträger besser quer, insbesondere orthogonal, zur Schalldruckrichtung mechanisch schwingen.A thinner material thickness of the transducer carrier behind the acoustic transducer element in the sound pressure direction is advantageous in comparison to the total material thickness of the transducer carrier, because thereby the transducer carrier in the middle behind the acoustic transducer element is better elastically deformable. This allows the edges to vibrate better with a higher material thickness or act as a (train) bearing. As a result, the transducer carrier can vibrate better transversely, in particular orthogonally, mechanically to the sound pressure direction.
Um eine zusätzliche Schalldämpfung zu erzielen, kann der Wandlerträger neben dem akustischen Wandlerelement parallel zur Schalldruckrichtung eine Absorberschicht oder mehrere Absorberschichten aufweisen.In order to achieve additional sound attenuation, the transducer carrier can have, in addition to the acoustic transducer element, an absorber layer or several absorber layers parallel to the sound pressure direction.
Durch die zusätzlichen Absorberschichten im Wandlerträger neben dem akustischen Wandlerelement wird auch der Schalldruck quer, insbesondere orthogonal, zur Schalldruckrichtung gedämpft.Due to the additional absorber layers in the transducer carrier in addition to the acoustic transducer element and the sound pressure is transverse, in particular orthogonal, attenuated to the sound pressure direction.
Zudem wird durch die Absorberschichten der hinter dem Wandlerträger angeordnete Absorber entlastet.In addition, the absorber layers relieve the absorber arranged behind the transducer carrier.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine weitere Verfüllmasse um ein Wandlerelement und/oder zwischen zwei Wandlerelementen angeordnet.In a further embodiment, a further filling compound is arranged around a transducer element and / or between two transducer elements.
Die weitere Verfüllmasse ist in ihren Eigenschaften ähnlich zur oben definierten ersten Verfüllmasse, nur dass diese hier ein Wandlerelement oder mehrere Wandlerelemente betrifft.The further filling compound is similar in properties to the above-defined first filling compound, except that it relates here to a transducer element or a plurality of transducer elements.
Die Verfüllmasse hat insbesondere die Aufgabe ein Wandlerelement mit dem Wandlerträger elastisch (klebend) zu verbinden und/oder in Schalldruckrichtung vor und hinter dem Wandlerelement Druckplatten und/oder Impedanzblöcke und/oder weitere Schichten, insbesondere elastische Schichten, (klebend) zu verbinden. Zudem hat diese die Aufgabe zu verhindern, dass Meerwasser an das Wandlerelement gelangt. Auch kann sie zur Verklebung von leitenden Schichten vor und hinter dem Wandlerelement in Schalldruckrichtung genutzt werden.In particular, the filling compound has the task of elastically bonding an transducer element to the transducer carrier and / or of connecting printing plates and / or impedance blocks and / or further layers, in particular elastic layers, (adhesive) in front of and behind the transducer element. In addition, this has the task of preventing seawater from reaching the transducer element. It can also be used for bonding conductive layers in front of and behind the transducer element in the sound pressure direction.
Zwischen zwei Wandlerelementen ist die Anordnung der weiteren Verfüllmasse vorteilhaft, um elastisch die Schwingungen der Wandlerelemente zu dämpfen und diese zu verkleben.Between two transducer elements, the arrangement of the further filling compound is advantageous in order to elastically damp the vibrations of the transducer elements and to bond them.
In einer weiteren Ausführungsform sind ein Wandlerelement oder mehrere Wandlerelemente auf der Seite des auftreffenden Schalldrucks mit einer leitenden Schicht, insbesondere einem leitenden Gitter aus Kupfer, überzogen.In a further embodiment, one or more transducer elements on the side of the incident sound pressure are coated with a conductive layer, in particular a conductive grid made of copper.
Eine leitende Schicht ist insbesondere zur Zu- oder Abführung der Spannung bei einem piezoelektrischen Element notwendig.A conductive layer is necessary in particular for supplying or removing the voltage in a piezoelectric element.
Vorteilhaft ist, wenn die leitende Schicht direkt auf das piezoelektrische Element aufgedampft ist.It is advantageous if the conductive layer is vapor-deposited directly on the piezoelectric element.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein leitendes Gitter insbesondere ein Kupfergitter auf der Seite des auftreffenden Schalldrucks über die Wandlerelemente gezogen ist, da dadurch die Wandlerelemente auf dieser Seite schwingen können jedoch weiterhin die Spannungsversorgung gesichert ist.It is particularly advantageous if a conductive grid, in particular a copper grid, has been pulled over the transducer elements on the side of the impinging sound pressure, since this allows the transducer elements to oscillate on this side, however, the voltage supply is still secured.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Wandlervorrichtung mit zwei Wandlereinrichtungen oder mehr Wandlereinrichtungen wie zuvor beschrieben, wobei die Wandlereinrichtungen parallel und/oder in Reihe angeordnet sind.In a further aspect, the object is achieved by a converter device with two converter devices or more converter devices as described above, wherein the converter devices are arranged parallel and / or in series.
Dadurch kann eine Wandlervorrichtung nach den Bedürfnissen des Benutzers ausgeführt werden. Insbesondere kann eine Wandlereinrichtung zum Senden und eine andere Wandlereinrichtung zum Empfangen von Unterwassersignalen verwendet werden.Thereby, a conversion device can be executed according to the needs of the user. In particular, a transducer means for transmitting and another transducer means for receiving underwater signals may be used.
Zudem können durch die Parallel- und/oder Reihenschaltung von Wandlereinrichtungen die Schwingfähigkeit der Wandlervorrichtung optimiert werden, indem beispielsweise mehrere Wandlereinrichtungen auf einer geschlitzten Platte angeordnet werden. In addition, the oscillation capability of the converter device can be optimized by the parallel and / or series connection of converter devices, for example, by arranging a plurality of converter devices on a slotted plate.
In einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Sonar, insbesondere Bugsonar, wobei das Sonar eine Wandlervorrichtung oder mehrere Wandlervorrichtungen wie vorher beschrieben oder eine Wandlereinrichtung oder mehrere Wandlereinrichtungen wie vorher beschrieben aufweist.In a further aspect, the object is achieved by a sonar, in particular Bugsonar, wherein the sonar has a transducer device or several transducer devices as described above or a transducer device or a plurality of transducer devices as previously described.
Unter „Sonar“ wird ein System zur Ortung von Gegenständen im Raum und unter Wasser mittels ausgesandter 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."Sonar" means a system for locating objects in space and under water by means of emitted sound pulses. This can be an active sonar, which itself emits a signal, or a passive sonar, which receives only emitted sound pulses. It can also be a bi- or multistatic sonar, which can simultaneously send and receive on different platforms.
Diese Wandlereinrichtung und/oder -vorrichtung ist insbesondere für ein Bugsonar vorteilhaft, da eine Schockschalldruckwelle üblicherweise direkt auf ein Bugsonar am Schiffsrumpf trifft. Bei einem Bugsonar ist es insbesondere wichtig, dass der Absorber intakt bleibt.This transducer device and / or device is particularly advantageous for a Bugsonar, since a shock-sound pressure wave usually hits directly on a Bugsonar on the hull. With a Bugsonar it is particularly important that the absorber remains intact.
In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein U-Boot, welches ein Sonar wie zuvor beschrieben aufweist.In an additional aspect of the invention, the object is achieved by a watercraft, in particular a submarine, which has a sonar as described above.
Insbesondere für ein U-Boot ist es notwendig, dass die akustischen Absorber der Wandlereinrichtungen und Sonare nicht durch Schalldruckwellen zerstört werden, da ansonsten die Navigation und Ortung durch das U-Boot gestört und das U-Boot gefährdet wird.In particular, for a submarine, it is necessary that the acoustic absorber of the converter devices and sonars are not destroyed by sound pressure waves, otherwise disturbed navigation and positioning by the submarine and the submarine is at risk.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigenFurthermore, the invention will be explained in more detail with reference to embodiments. Show it
Ein Hydrofon
Die Materialdicke
Der GFK-Träger
In der Mitte des GFK-Trägers
In Schalldruckrichtung
Der GFK-Träger
Das Hydrofon
In Schalldruckrichtung
In Schalldruckrichtung
Die beiden Absorber
Dadurch, dass der GFK-Träger
Da in Schalldruckrichtung
In einer Alternative weist ein Bugsonar
In Schalldruckrichtung
Der GFK-Träger
Der Bugsonar
Aufgrund der auftretenden Querwellen schwingt der GFK-Träger
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 101101
- Hydrophon hydrophone
- 102102
- Schalldruckrichtung SPL direction
- 103103
- GFK-Träger GRP carrier
- 104104
- PU-Hochfrequenz-Absorber PU RF absorber
- 105105
- Piezoelektrische Keramik Piezoelectric ceramic
- 107107
- Aluminium-Platte Aluminum plate
- 108108
- GFK-Platte GRP panel
- 109109
- vordere Kupferschicht front copper layer
- 110110
- hintere Kupferschicht rear copper layer
- 111111
- PU-Platte PU board
- 112112
- GFK-Platte GRP panel
- 113113
- Messing-Block Brass block
- 114114
- Gummischicht rubber layer
- 115115
- PU-Masse PU composition
- 116116
- Absorberschicht absorber layer
- 117117
- Materialdicke des GFK-Trägers hinter der piezoelektrische Keramik Material thickness of the GRP carrier behind the piezoelectric ceramic
- 118118
- Gesamtmaterialdicke des GFK-Trägers Total material thickness of the GRP carrier
- 119119
- PU-Masse PU composition
- 120120
- GFK-Halter GFK-holder
- 121121
- Stahlabdeckung steel cover
- 122122
- Gummischicht rubber layer
- 201201
- Bugsonar Bugsonar
- 202202
- Schalldruckrichtung SPL direction
- 203203
- GFK-Träger GRP carrier
- 204204
- PU-Hochfrequenz-Absorber PU RF absorber
- 205205
- Piezoelektrische Keramik Piezoelectric ceramic
- 206206
- Schwingträger rocking beam
- 207207
- Mittelträger center support
- 208208
- Führungsspalt guide gap
- 209209
- Kupfergitter copper grid
- 210210
- Kabeldurchführung Grommet
- 211211
- PU-Masse PU composition
- 212212
- Polyoxymethylenschicht Polyoxymethylenschicht
- 213213
- Messing-Block Brass block
- 214214
- PU-Absorber PU absorber
- 215215
- PU-Masse PU composition
- 216216
- Halter holder
Claims (18)
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