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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbundvorrichtung, die für den Einsatz unter Wasser geeignet ist und eine äußere mechanische Anregung dämpft, d.h. diese nur in geringem Maße in eine Eigenschwingung umsetzt.
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Insbesondere im Bereich der Sonartechnik sind unter Wasser Materialien gefordert, die auch in unmittelbarer Nähe zu den Wasserschallwandlern (Hydrophonen) eingesetzt werden können, ohne dass diese durch eigene Vibrationen Schall erzeugen, der den eigentlich zu detektierenden Wasserschall überlagert und die Signalqualität somit verschlechtert. Das Material kann z.B. durch das Wasserfahrzeug, an dem die Wasserschallwandler angeordnet sind oder von turbulenten Wasserströmungen an Grenzflächen des Wasserfahrzeugs zur Eigenschwingungen angeregt werden. Derzeitige Materialien weisen zur Dämpfung beispielsweise eine dicke Gummischicht in der Mitte auf, dann werden die Materialien jedoch auch insgesamt dicker. Alternativ können komplizierte Schichtaufbauen verwendet werden, die jedoch in der Herstellung aufwendig zu fertigen sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Konzept für Materialien, die für Sonaranwendungen unter Wasser eingesetzt werden, zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Ausführungsbeispiele zeigen eine Verbundvorrichtung für den Einsatz unter Wasser. Die Verbundvorrichtung umfasst einen Stapel, der einen ersten und einen zweiten Verbundpartner aufweist. Zwischen dem ersten und dem zweiten Verbundpartner ist eine Dämpfungsschicht angeordnet, wobei die Dämpfungsschicht Polyvinylbutyral (PVB) aufweist. Die Stirnflächen des Stapels sind zum Schutz vor eindringendem Wasser in die Dämpfungsschicht versiegelt. Aufgrund des Stapelaufbaus aus verschiedenen Materialien wird die Vorrichtung als Verbundvorrichtung bezeichnet. Der Stapel kann auch weitere Schichten aufweisen, wobei abwechselnd Verbundpartner und Dämpfungsschicht angeordnet sind. Die jeweils abschließende Schicht ist jedoch typischerweise jeweils ein Verbundpartner. Somit kann ein einfacher Schichtaufbau realisiert werden.
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Durch diese Anordnung weist die Verbundvorrichtung bei einer äußeren Anregung eine gedämpfte Eigenschwingung auf. Die Dämpfung der Eigenschwingung bezieht sich auf eine äquivalente Vorrichtung ohne Dämpfungsschicht. Die Verbundpartner umfassen jeweils eine Platte mit einer Kontaktfläche, die mittels der Dämpfungsschicht mechanisch miteinander verbunden sind. In anderen Worten sind der erste und der zweite Verbundpartner mittels der Dämpfungsschicht mechanisch miteinander verbunden. Eine Verbindung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Dämpfungsschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Verbundpartner eingezwängt ist, also während dass der Stapel während des Herstellungsverfahrens unter Druckeinwirkung zusammengepresst worden ist.
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Idee ist es, als Dämpfungsschicht ein Material einzusetzen, das Polyvinylbutyral aufweist. Eine solche Dämpfungsschicht weist als eingezwängte Schicht zwischen zwei Platten sehr gute Dämpfungseigenschaften gegen eine Verformung der Platten auf. Eine solche Dämpfungsschicht hat allerdings den Nachteil, dass es sehr hydrophil ist und in Kontakt mit Wasser quillt. Im gequollenen Zustand verliert es jedoch seine Dämpfungseigenschaften. Daher ist für den Einsatz unter Wasser eine explizite Versiegelung notwendig, damit die Dämpfungsschicht so gut wie möglich vor dem Eindringen von Wasser geschützt ist.
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In Ausführungsbeispielen spart die Dämpfungsschicht einen umlaufenden Randbereich des Stapels aus. Ein Material des ersten und des zweiten Verbundpartners ist in dem Randbereich des Stapels als Versiegelung umlaufend zu einem gemeinsamen Verbundpartner verbunden. So können die Verbundpartner bereits ein Verbundmaterial, beispielsweise glasfaserverstärkten Kunststoff, aufweisen oder daraus bestehen. Der glasfaserverstärke Kunststoff (GFK) kann eine Matrix aus Epoxidharz aufweisen, in die die Glasfasern eingebettet sind. Während des Herstellungsprozesses der Verbundvorrichtung ist das Epoxidharz flüssig und bildet somit im Randbereich keine separaten Schichten aus. Das Epoxidharz bildet nun einen umlaufenden Rand des Stapels, in dem keine Dämpfungsschicht angeordnet ist. Während des Herstellungsprozesses entsteht so ein durchgehender, um die Dämpfungsschicht umlaufender Rand eines Materials der Verbundpartner, beispielsweise Epoxidharz, der die Dämpfungsschicht versiegelt. Statt glasfaserverstärker Kunststoffe können auch beliebige faserverstärkte Kunststoffe, beispielsweise kohlefaserverstärkte Kunststoffe, eingesetzt werden.
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Ausführungsbeispiele zeigen ferner, dass die Stirnflächen des Stapels im Bereich der Dämpfungsschicht mittels einer Lackschicht versiegelt sind. Dies ermöglicht die Versiegelung von Verbundvorrichtungen, die Verbundpartner aufweisen, die als Feststoff verarbeitet werden und somit im Randbereich nicht verschmelzen können. Hier kann eine Lackschicht auf die Stirnfläche des Stapels, an der die Dämpfungsschicht nicht von den Verbundpartnern geschützt ist, aufgebracht, insbesondere aufgesprüht werden, um die Dämpfungsschicht vor eindringendem Wasser zu schützen. Der eingesetzte Lack kann ein Epoxidharz aufweisen.
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Allgemein ausgedrückt kann die Versiegelung des Stapels mittels eines Epoxidharzes erfolgen.
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In Ausführungsbeispielen weist der erste und der zweite Verbundpartner in Dickenrichtung eine gleiche Ausdehnung auf. Die Dickenrichtung der Verbundpartner bzw. des Stapels verläuft insbesondere senkrecht zu den Kontaktflächen zwischen den Verbundpartnern und der Dämpfungsschicht. Um bestmögliche Dämpfungseigenschaften zu erhalten ist es vorteilhaft, die Dämpfungsschicht mittig, d.h. in die neutrale Faser, der Verbundpartner zu legen. Dazu ist es vorteilhaft, wenn die Verbundpartner die gleiche Dicke aufweisen. Ferner ist es vorteilhaft, wenn das erste und das zweite Verbundmaterial aus einer gleichen Materialgruppe stammen, insbesondere wenn beide die gleiche Materialzusammensetzung aufweisen. Werden unterschiedliche Materialien miteinander verbunden, wird die Dämpfungseigenschaft typischerweise reduziert.
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In Ausführungsbeispielen wird die Verbundvorrichtung als Wasserschallreflektor verwendet.
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Ausführungsbeispiele zeigen die Verwendung der Verbundvorrichtung als Wasserschallreflektor, wobei der Wasserschallreflektor mit einem Wasserfahrzeug, z.B. einem Schiff oder einem U-Boot, verbunden ist. Dieser soll Schallwellen auf benachbart zu dem Reflektor angeordnete Wasserschallwandler reflektieren, um die resultierende Signalstärke der Wasserschallwellen zu erhöhen. Dies ermöglicht eine verbesserte Detektion mittels der Wasserschallwandler. Durch äußere Einflüsse, beispielsweise eine Vibration des Wasserfahrzeugs, an dem der Reflektor angeordnet ist, kann das Material des Reflektors jedoch zu einer Eigenschwingung anregen. Wird das Material des Wasserschallreflektors zum Schwingen angeregt, emittiert der Reflektor selber Schallwellen, die die einfallenden (zu reflektierenden) Wasserschallwellen überlagern. Die emittierten Schallwellen sind über die Länge des Reflektors jedoch nicht konstant, so dass die vor dem Reflektor angeordneten Wasserschallwandler gestörte reflektierte Wasserschallsignale empfangen. Somit ist es vorteilhaft, die Verbundvorrichtung als Wasserschallreflektor zu verwenden, da dieser die einfallenden Schallwellen nur gedämpft in eine Eigenschwingung umsetzt. Die Störungen werden somit reduziert. Die Verbundpartner können (jeweils) als Material beispielsweise Aluminium oder ein anderes geeignetes schallreflektierendes Material umfassen.
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Weitere Ausführungsbeispiele zeigen die Verwendung der Verbundvorrichtung als Wasserschallfenster. Das Wasserschallfenster ist ein Bereich des Wasserfahrzeugs, hinter dem Wasserschallwandler angeordnet sind. Wasserschallfenster weisen eine akustische Impedanz auf, die in der Nähe der akustischen Impedanz von Wasser liegt. Dann sind die Wasserschallfenster durchgängig für einfallende Schallwellen. Insbesondere während der Fahrt entstehen jedoch Verwirbelungen an den Grenzflächen zwischen dem Wasserfahrzeug und dem umgebenden Wasser, so auch am Schallfenster. Die Verwirbelungen regen die Wasserschallfenster zu einer Eigenschwingung an, die ihrerseits Schallwellen erzeugen, die der Wasserschallwandler detektiert. Die das Wasserschallfenster durchdringenden Wasserschallwellen werden überlagert und gestört. Somit ist es vorteilhaft, die Verbundvorrichtung als Wasserschallfenster zu verwenden, da dieser die Strukturschwingungen oder Vibrationen des Wasserfahrzeugs oder durch verwirbeltes Wasser nur gedämpft in eine Eigenschwingung umsetzt. Die Störungen durch die Eigenschwingung des Wasserschallfensters werden reduziert. Die Verbundpartner können z.B. glasfaserverstärken Kunststoff, kohlefaserverstärken Kunststoff, Aramid, Stahl oder ein anderes, für Wasserschall durchlässiges, Material, aufweisen.
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Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer Verbundvorrichtung für den Einsatz unter Wasser mit folgenden Schritten offenbart. Bilden eines Stapels umfassend einen ersten und einen zweiten Verbundpartner und einer Schicht umfassend Polyvinylbutyral (PVB) als Dämpfungsschicht, wobei die Dämpfungsschicht zwischen dem ersten Verbundpartner und dem zweiten Verbundpartner angeordnet ist; Erhitzen des Stapels; Pressen des erhitzten Stapels in Stapelrichtung; Versiegeln von Stirnflächen des Stapels zum Schutz vor eindringendem Wasser. Das Pressen des Stapels kann ferner unter weiterer Zuführung von Hitze erfolgen. Anders ausgedrückt können die Schritte des Erhitzens und des Pressens sich überlappen.
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Darüber hinaus ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer Verbundvorrichtung für den Einsatz unter Wasser umfassend folgende Schritte: Bilden eines Stapels umfassend ein Verbundmaterial eines ersten Verbundpartners, das Verbundmaterial eines zweiten Verbundpartners und einer Schicht umfassend Polyvinylbutyral als Dämpfungsschicht, wobei die Dämpfungsschicht zwischen dem Verbundmaterial des ersten Verbundpartners und dem Verbundmaterial des zweiten Verbundpartners angeordnet ist; Umgeben des Stapels mit einer Form, wobei die Form lateral zur Stapelrichtung umlaufend einen Abstand zu dem Stapel einhält; Füllen der Form mit einem weiteren Verbundmaterial des ersten und des zweiten Verbundpartners. Das weitere Verbundmaterial ist beispielsweise ein Epoxidharz. Optional kann vor dem Füllen der Form ein Vakuum in der Form erzeugt werden. Das Vakuum kann während des Befüllens aufrechterhalten werden, bis die Form ausgefüllt ist. Weiter optional kann die Form nach dem Befüllen entfernt werden. Die Form ist beispielsweise eine Gießform oder ein Vakuumsack.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1: eine schematische perspektivische Darstellung einer Verbundvorrichtung;
- 2: eine schematische Schnittdarstellung der Verbundvorrichtung in einer Seitenansicht.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
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1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung einer Verbundvorrichtung 20. Die Verbundvorrichtung 20 umfasst einen Stapel 21 aus einem ersten und einem zweiten Verbundpartner 22a, 22b. Zwischen dem ersten und dem zweiten Verbundpartner 22a, 22b ist eine Dämpfungsschicht 24 angeordnet. Die Dämpfungsschicht weist Polyvinylbutyral (PVB) auf. Die Stirnflächen des Stapels 21 sind zum Schutz vor eindringendem Wasser in die Dämpfungsschicht 24 versiegelt. Die Versiegelung 26 ist durch die Musterfüllung der Stirnflächen kenntlich gemacht. Hier ist die Versiegelung 26 über die gesamte Stirnfläche dargestellt, es ist jedoch auch ausreichend, nur den Teilbereich, in dem die Dämpfungsschicht 24 zwischen den Verbundpartnern (an den Stirnflächen) zwischen den Verbundpartnern 22a, 22b hervortritt, zu versiegeln. Bei der Versiegelung 26 kann es sich um eine Lackschicht handeln.
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Pfeil 28 zeigt die Dickenrichtung des Stapels an. Diese verläuft senkrecht zu der Schichtausrichtung, insbesondere senkrecht zu einer Hauptausbreitungsrichtung der Dämpfungsschicht 24. Vorteilhafterweise weisen der erste und der zweite Verbundpartner in Dickenrichtung die gleiche Ausdehnung, insbesondere die gleiche Höhe, auf.
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2 eine schematische Schnittdarstellung der Verbundvorrichtung 20 in einer Seitenansicht. Hier ist ein Randbereich 30 sichtbar, der die Abwesenheit der Dämpfungsschicht 24 aufweist. In dem Randbereich 30 ist ein Verbundmaterial des ersten und des zweiten Verbundpartners 22a, 22b zu einem gemeinsamen Verbundmaterial verbunden. Das gemeinsame Verbundmaterial bildet hier die Versiegelung 26.
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Die offenbarten (Wasser-) Schallwandler sind für den Einsatz unter Wasser, insbesondere im Meer, ausgelegt. Die Schallwandler sind ausgebildet, Wasserschall in eine dem Schalldruck entsprechenden elektrischen Signal (z.B. Spannung oder Strom), das Wasserschallsignal, umzuwandeln. Überdies sind die Schallwandler ausgebildet, eine anliegende elektrische Spannung in Wasserschall umzuwandeln. Die Schallwandler können demnach als Wasserschallwandler und/oder als Wasserschallsender verwendet werden. Als sensorisches Material weisen die Schallwandler ein piezoelektrisches Material, beispielsweise eine Piezokeramik, auf. Die Schallwandler können für (Aktiv- und/oder Passiv-) Sonar (sound navigation and ranging, dt.: Schall-Navigation und -Entfernungsbestimmung) eingesetzt werden. Die Schallwandler sind nicht für medizinische Anwendungen geeignet.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Verbundvorrichtung
- 21
- Stapel
- 22
- Verbundpartner
- 24
- Dämpfungsschicht
- 26
- Versiegelung
- 28
- Dickenrichtung
- 30
- Randbereich
