DE1042436B

DE1042436B - Sende-Empfangs-Geraet fuer Unterwasserschallzeichen

Info

Publication number: DE1042436B
Application number: DEB22208A
Authority: DE
Inventors: Leon W Camp
Original assignee: Bendix Aviation Corp
Current assignee: Bendix Aviation Corp
Priority date: 1951-10-08
Filing date: 1952-09-26
Publication date: 1958-10-30
Also published as: GB717222A; FR1063675A

Description

Die Erfindung bezieht sieb auf ein Sende- und Empfangsgerät für Unterwasserschallzeichen im Hörbereich und außerhalb desselben, bestehend aus einem ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, radial gleichmäßig schwingenden Schwingelement aius einem elektromechanisch empfindlichen, vorzugsweise keramischen Werkstoff, welches an seiner Innen- und Außenfläche je eine geteilte Elektrode aufweist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die wirksame elektrische Impedanz eines Geräteis dieser Art zu verändern, ohne die Abmessungen undSehwingungseigenschaften des elektromechanischen Elementes zu verändern.

Es ist ein piezoelektrisches Schwingelement bekannt, an dessen Längsseiten eine Vielzahl von Elektrodenpaaren angebracht ist. Mit dieser Ausführung, bei welcher das nach mechanischen Gesichtspunkten vorgegebene Element für einen bestimmten Kapazitätswert bzw. für eine entsprechende elektrische Anpassung an den elektrischen Kreis ausgelegt werden kann, wird die Richtung des elektrischen Feldes bei Anlegen einer Spannung von Abschnitt zu Abschnitt entlang der Vorzugsrichtung des gesamten Elementes geändert. In jedem Abschnitt zwischen den Tei!elektroden sind die Feldlinien verschieden gerichtet, so daß Kontraktionen bzw. Ausdehnungen des Keramikkörpers an verschiedenen Stellen verschieden sind.

Ferner ist ein piezoelektrischer Übertrager bekannt, bei welchem auf einem langgestreckten Körper aus polykristallinem Keramikmaterial mit kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt eine Innen- und zwei Außenelektroden angeordnet sind. Hierbei ergibt sich eine Arbeitsweise, bei welcher in einem gewissen· Zeitpunkt der Teil des Körpers zwischen' der Innienelektrode und einer Außenelektrode sich ausdehnt, während sich der zwischen der Innen- und der Außenelektrode liegende Teil zusammenzieht. Eine gleichmäßige und radialsymmetrische Schwingung liegt daher nicht vor.

Weiterhin ist es bei Unterwasser-Überscballmeldegeräten bekannt, ein ungerichtetes Element in der Mitte elektrisch mit zwei zweigeteilten richtungsempfindlichen Kristallelementen so- zueammenzuschalten, daß ein in vier Richtungen symmetrisch ausgebildetes Ansprechdiagramm für ankommende¹ Übersehallwellen erreicht wird. Hierbei wird durch die Abstände zwischen den Elementen die mittlere Frequenz des Arbeitsfrequemzban'des festgelegt. Dieses Gerät besteht aus mehreren' Körpern mit verschiedenen physikalischen und geometrischen Daten, die elektrisch zusammengesdhalteit sind.

Ferner sind besonder© Ausbildungen von Schwingelementen bekannt, bei weichen die Abmessungen des Elementes die mechanischen Eigenfrequenzen: fest-Sende-Empfangs-Gerät
für Unterwasserschallzeictien

Anmelder:

Bendix Aviation Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter; Dr.-Ing. H, Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 8. Oktober 1951

Leon W. Camp, Glendale» Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

legen und zugleich die elektrische Impedanz zwischen den auf gegenüberliegenden Seiten eines Schwingelementes angebrachten Elektroden bestimmen. Bei diesen Schwingelementen kann, die elektrische Impedanz nicht ohne gleichzeitige Änderung der Frequenz abgeändert werden.

Bei der Ausstattung eines Gerätes mit mehreren Elementen, in einer ebenen Anordnung in der Weise, daß rings um ein zentrales Element herum sechs Elemente von ausnahmslos gleicher Größe gruppiert werden, konnten Änderungen der Impedanz bisher lediglich dadurch; erreicht werden, daß entweder alle sieben Elemente parallel oder in Reihe geschaltet worden sind. Bei der Reihenschaltung wird die Impedanz siebenmal so groß wie die eines: einzelnen. Elementes, während bei Parallelschaltung die Impedanz nur Vt eines Einzelelementes beträgt.

Hierbei· hat ein. Gerät mit in Reihe geschalteten Elementen die 49fache Impedanz im Vergleich zu einem Gerät in Parallelschaltung. Zwischenwerte lassen sich jedoch nicht erreichen, da eine Aufteilung eines beispielsweise aus sieben Elementen bestehenden Gerätes in einer Reihenparallelschaltang nicht möglich ist. Diese Schwierigkeiten treten immer auf, wenn die Anzahl der Elemente einer Primzahl entspricht.

Eine derartige Anordnung ist aber zur Erzielung einer Richtwirkung außerordentlich vorteilhaft. Eine ReihenparaHelschaltung weist mehrere parallel geschaltete Kreise in einer Reihe bzw. in Reihe geschaltete Kreise parallel zueinander auf.

IW 661/40

Die Erfindung betrifft ein Sende-Empfangs-Gerät für Unterwasserschallzeichen im Hörbereich und außerhalb desselben, das aus einem ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, radial gleichmäßig schwingenden Element aus einem elektromechanisch empfindlichen, vorzugsweise keramischen Werkstoff besteht, welches an seiner Innen- und Außenfläche je eine geteilte Elektrode mit einander gegenüberliegenden Teilen gleicher Anzahl aufweist. Um gegenüber den bekannten Anordnungen durch Schaltmaßnahmen eine weitere Impedanzstufe des Gerätes zu erhalten, ist gemäß der Erfindung jeder Teil mit einem ihm auf der Gegenfläche nicht _ unmittelbar gegenüberliegenden Teil der anderen Elektrode galvanisch verbunden und somit jedes dieser auf gleichem Potential befindlichen Teilelektrodenpaare mit einem anderen Teilelektrodenpaar so in Reihe geschaltet, daß das zwischen den Teilelektroden verschiedenen Potentials gebildete elektrische Feld im ganzen Bereich des kreisringförmigen elektromechanisch empfindlichen Werkstoffes in radialer Richtung gleichsinnig verläuft, wenn an die Reihenschaltung der Teilelektroden eine elektrische Erregerspannung angelegt wird.

Hierdurch wird ermöglicht, die Impedanz des Schwingelementes zu verändern bei Beibehaltung der Form und Größe und damit auch der Frequenz des elektromechanisch empfindlichen Körpers. Die hiermit erzielte Änderung der Impedanz gestattet außerordentlich genaue Anpassungen in Abhängigkeit von der gewählten Unterteilung der Elektroden. Der Impsdanzwert wird mit dem Quadrat der gewählten Anzahl der Elektrodenabschnitte verändert, d. h., wenn eine Unterteilung der Elektroden in zwei Teile erfolgt, wird die Impedanz vervierfacht. Bei einer Unterteilung der Elektroden in jeweils drei'Teile wird die Impedanz verneunfacht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besteht jede der zylinderförmigen Elektroden des Schwingelementes aus zwei Teilen, die jeweils als Halbringe ausgeführt sind.

Die Erfindung läßt sich ferner bei der Reihenparallelschaltung der unterteilten Elektroden in einem Gerät anwenden, das aus mehreren Einheiten, insbesondere in einer Anzahl besteht, bei welcher eine Reihenparallelschaltung bisher undurchführbar war. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in einem Gerät mit mehreren Schwingelementen das zentrale Schwingelement mit unterteilten Elektroden ausgebildet, während die nicht unterteilten Elektroden der anderen Elemente, die symmetrisch zu dem zentralen Element liegen, in einem zweiten Schaltungszweig angeordnet sind. Die beiden Schaltungszweige sind zwischen zwei Anschlußklemmen parallel geschaltet. In einer Ausführungsform sind hierbei im zweiten Schaltungszweig sechs Elemente vorgesehen, welche in zwei zwischen den Anschlußklemmen in Reihe geschaltete Gruppen aufgeteilt sind, die je drei einander parallel liegende Elemente umfassen. In einer anderen Ausführungform sind sechs im Schaltungszweig vorgesehene Elemente in drei zwischen den Anschlußklemmen in Reihe geschaltete Gruppen aufgeteilt, die je zwei einander parallel liegende Elemente aufweisen.

Die Impedanz der sechs Elemente beträgt bei diesen Ausführungsformen im Verhältnis zu der des zentralen Elementes entweder ²/s oder ^sh. Bei der zuerst erwähnten Ausführungsform läßt sich dabei die gleiche Energieverteilung in allen sieben Elementen erreichen. Die Gesamtimpedanz beläuft sich dann auf ⁴A eines Einzelelementes oder auf das·-Vierfache einer Anordnung, bei welcher alle Elemente parallel zueinander liegen.

Wenn die sechs Außenelemente bei der an zweiter Stelle erwähnten Weise geschaltet sind und die I¹MaChC Impedanz eines Einzelelementes haben, beträgt die Gesamtimpedanz ¹²Ai eines Einzelelementes, und die Energieverteilung ist im Zentralelement größer als in jenen der sieben Außenelemente. Dies ist zuweilen erwünscht, um eine schärfere Bündelung der

ίο Abstrahlrichtung der Schallwellen zu erreichen.

Die Zeichnung veranschaulicht einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes, und zwar zeigt Fig. 1 einen¹ Diametralschnitt durch ein Gerät mit nur einem Element,

Fig. 2 eine Stirnansicht des Schwingelementes im Gerät nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Stirnansicht eines Gerätes mit sieben Elementen in Planetenanordnung, die je die Ausführung nach Fig. 1 und 2 haben,

Fig. 4 und 5 je eine Schaltungsanordnung zu dem Gerät nach Fig. 3,

Das in den Fig. 1 .und 2 veranschaulichte Sende- und Empfangsgerät zeigt ein, topfförmiges Gehäuse 10 mit einem deckelartigen, Fenster 11, das für den Schall durchlässig ist und aus Gummi od. dgl. besteht. Das Fenster wird bei der dargestellten Ausführung mittels eines Spannbandes 12 auf dem Gehäuse 10 gehalten. In diesem ist ein einziges elektromechanisch empfindliches Element, z. B. in Gestalt eines Ringes 13, untergebracht, der aus einem keramischen Werkstoff wie etwa Bariumtitan besteht. An der Rückseite des Ringes 13 liegt eine Vollscheibe 14 aus Stahl od. dgl. an. Diese wird zusammen mit dem Ring 13 in dem Gehäuse 10 von einer Einlage 15 getragen, die aus schallaibsorbierendem Werkstoff, wie Gummi, einer Mischung aus Kork und Gummi od. dgl., besteht. Der Raum innerhalb des Ringes und auf dessen Vorderseite ist mit einer Flüssigkeit 16 gefüllt, die zur Übertragung der Schwingungen von der Innenringfläche 13 a. des Ringes 13 an das Fenster 11 und durch dieses hindurch an die Flüssigkeit (z. B. Wasser) dient, in die das Gerät eingetaucht ist.

Die Innenringfläche 13 a des Ringes 13 ist mit einer Innenelektrode bedeckt, die aus zwei Halbzylindern 17α und 17 & besteht. Sinngemäß nimmt die Außenringfläche 13 & zwei halbzylindrische Elektrodenabschnitte 18 α und 18 b auf. Diese Ausführung unterscheidet sich von den bisherigen Geräten dadurch, daß bei diesen die Innenelektrode sowohl als auch die Außenelektrode einteilig sind. Die Elektrodenabschnitte 17 α und 17 & bedecken nahezu vollständig die Innenringfläche 13 a. Der zwischen den beiden Abschnitten verbleibende Zwischenraum genügt zur Anbringung einer elektrischen Isolierung. Dasselbe gilt für die äußeren Elektrodenabschnitte 18 α und 18 b.

Die beiden Abschnitte 17 b und 18 b sind mit den beiden Abschnitten 18 a und 17 a in einer gleichsinnigen Reihenanordnung, d. h. derart geschaltet, daß eine in allen Teilen des keramischen Elementes gleichmäßige, radialsymmetrisch gerichtete piezoelektrische Kraft und elektrische Feldstärke entsteht. Hierbei verbinden die Teildielektrika die Elektrodenpaare zu einer Reihenschaltung. Demgemäß ist eine der beiden Zuleitungen 20 unmittelbar an den äußeren Elektrodenabschnitt 18 & angeschlossen und dier diesem paarweise zugeordnete innere Elektrodenabschnitt 17 b mittels einer Verbindungsleitung 21 mit der anderen Außenelektrode 18 α verbunden. Von der Innenelektrode 17a führt eine Gurtleituing 22 zur Scheibe

14, die ihrerseits an die andere Elektrodenleitung 23 angeschlossen ist.

Dk. elektrische Impedanz zwischen den Geräteleitungen 20 und 23 ist viermal so groß wie bei dem üblichen Gerät derselben Art mit einteiliger Innen- und Außenelektrode. Dies erklärt sich daraus, daß die beiden einander gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte 17 b und 18 b nur die halbe Fläche einer vollen Ringelektrode haben und die Impedanz zwischen diesen Elektroden sowohl als auch zwischen, den beiden Elektrodenabschnitte!! 17α und 18 a doppelt so groß ist wie jene zwischen Innen- und Außenelektrode der üblichen Ausführung. Da nun die beiden Abschnittpaare mit je doppelter Impedanz der üblichen Ausführung miteinander in Reihe geschaltet sind, so wird die· Gesamtimpedanz wieder verdoppelt.

Die Ausführung gemäß der Erfindung erweist sich häufig in ihrer Anwendung auf das dargestellte Gerät mit nur einem Einzelelement als nützlich, weil die Impedanz des elektrischen Kreises, an den das Gerät angeschlossen ist, größer sein kann als bei dem üblichen Gerät. Es ist im Interesse einer größtmöglichen Wirksamkeit erwünscht, die Impedanz des Gerätes jener des Anschlußkreises anzupassen.

Gleichwohl hat die Erfindung besondere Bedeutung in Anwendung auf Geräte mit mehreren Einzelelementen, wie z. B. jenes nach Fig. 3. Nach dieser sind sieben Ringe 25 vorgesehen, die je dem Ring 13 nach Fig. 1 und 2 entsprechen. Einer der Ringe, nämlich der Ring 25 α, ist neutral angeordnet, und die anderen sechs Ringe 25 & sind um den Zentralring herum gruppiert, und zwar unter Vermeidung einer gegenseitigen Berührung so dicht wie möglich·. Die Gruppierung sieben gleicher Ringe in dieser Weise ergibt bekanntlich eine besonders geschlossene An-Ordnung der Ringe, die mit einer anderen Ringzahl nicht erreicht werden kann und die sich als besonders geeignet für Geräte erwiesen hat, bei denen eine Richtwirkung erwünscht ist. Bisher war bei einer Anordnung nach Fig. 5 üblich, für jeden der sieben Ringe nur eine Innen- und nur eine Außenelektrode vorzusehen. Dabei können diese Elektroden entweder nur in Reihe oder parallel geschaltet werden. Wie oben dargetan, beträgt die Gesamtimpedanz bei Parallelschaltung aller Ringe nur ¹Zr der Impedanz des Einzelringes und ist siebenmal so groß wie diese, wenn die Ringe in Reihe geschaltet sind, während sich der 49fache Wert im Vergleich zu einem Gerät ergibt, dessen Ringe parallel angeordnet sind. Es ist nicht möglich, sieben gleiche Ringe vorzusehen und diese in einer Reihenparallelschaltung aufzuteilen, weil 7 eine Primzahl und also nur durch 7 und 1 teilbar ist.

Di© sechs Außenringe 25 b erhalten erfindungsgemäß je nur eine Innen- und Außenelektrode, wogegen das Zentral element 25 a mit mehrteiligen Elektroden gemäß der Fig. 2 ausgeführt wird.

Die sechs Außenelemente 25 b können entweder in drei Gruppen mit je zwei oder in zwei Gruppen mit je drei Einheiten unterteilt werden. Demgemäß sind die Schaltungen nach den Fig. 4 und 5 möglich. In jedem Kreis sind die beiden Elektrodengruppen des zentralen Elementes 25 α zwischen den beiden. Klemmen 27 und 28 miteinander in Reihe geschaltet.

Nach Fig. 4 sind die sechs Elemente 25 b in zwei Gruppen zu je drei aufgeteilt und die drei Elemente jeder Gruppe zueinander parallel geschaltet, während die beiden Gruppen zwischen den Anschlußleitungen der Klemmen 27 und 28 miteinander in Reihe liegen.

Fig. 5 zeigt eine Unterteilung der sechs Elemente 25 & in drei Gruppen mit je zwei Elementen, wobei

die drei Gruppen zwischen den Anschlußleitungen der Klemmen 27 und 28 miteinander in Reihe geschaltet sind.

Eine rechnerische Untersuchung der Schaltung nach Fig. 4 ergibt folgendes:

Es sei Z_A die Impedanz des Zweigest mit dem Element 25 a, dessen Elektrodenabschnitt in Reihe liegen; Zg die Impedanz des Zweiges B mit den sechs Elementen25b; Z die Impedanz eines Einzelelementes. 25 b; E das Potential zwischen den Klemmen 27 und 28; I_A der Strom im Zweigt; /g der Strom im Zweig B.

Dann ist

= 4Z

Ia= =

Z^

E _ E ~ AZ E ZE

Zb 2 Z

Da die Leistung W bekanntlich:

W = EI
ist, so ergibt sich für die Leistung W_A im Zweig A:

und für die Leistung W_B im Zweig B:

r _{r r} 3 E 3 E²

Wb = E · Jb = E = — ·

2 Z 2 Z

Da die Leistung im Zweig B sich auf sechs Elemente 25 & verteilt, so entfällt auf jedes einzelne Element nur:

1 3 E² 1 E² ' 6 ' 2 ' Z ~ 4 Z

Im Zweig A entfällt die Leistung W_Ä auf das Element 25 α allein, so daß sich folgendes Verhältnis der Leistung in 25a und in jedem Element 25& ergibt:

Wa

E² E²

~Äz'~Äz

__ i

Es werden also mit anderen Worten alle sieben Elemente gleichmäßig mit Energie versorgt.

Die Impedanz Z₄ des Gesamtgerätes in der Schaltung nach Fig. 4 folgt aus:

= ι

Diese Gleichung geht unter Einführen der Werte für X_A und Z# über in:

—+ —
4Z 2Z

so daß:

Z-^-Z

Dieselbe Betrachtung zu Fig. 5 läßt zunächst erkennen, daß die Impedanz und die Leistung des Zweiges A dieselben sind wie bei der Schaltung nach Fig. 4. Dagegen wird die Impedanz des Zweiges B größer und die auf ihn entfallende Leistung kleiner.

Es wird nämlich die Impedanz des Zweiges S=-Z und die Gesamtimpedanz des vollständigen Gerätes ¹²IuZ. Der Strom im Zweig B ist -5- -=■ und die Lei- _g

2 £²
stung-γ—. Dabei entfällt ein Sechstel dieser Leistung

auf jedes Element 25 b, d. h.— -γ-. Damit hat das Verhältnis der Leistung des zentralen Elementes 2$<? und xo jedes Außenelementes den Wert:
E² £² _ 9

4Z ' 9Z ~ 4

Wie schon erwähnt, ist es häufig im Interesse einer Minderung der Abmessungen der Sei'tenlappen des Leitmodells zweckmäßig, die äußeren sechs Elemente mit kleinerem Anteil zu betreiben als das zentrale Element.

Die beschriebenen! und dargestellteni Ausführungen zo gelten nur als beispielweise Verwirklichungen der Erfindung, so daß diese auf die näher behandelten Beispiele nicht beschränkt ist. Vielmehr sind mancherlei Abwandlungen und andere Anwendungen im Rahmen der Erfindung möglich.

Claims

Patentansprüche:

1. Sende-Empfangs-Gerät für Unterwasserschallzeichen im Hörbereich und außerhalb desselben, bestehend aus einem ringförmigen, insbesondere kreisringförmigen, radial gleichmäßig schwingenden Element aus einem elektromechanisch empfindlichen, vorzugsweise keramischen Werkstoff, welches an seiner Innen- und Außenfläche je eine geteilte Elektrode mit einander gegenüberliegenden Teilen in gleicher Anzahl aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teil mit einem ihm auf der Gegenfläche nicht unmittelbar gegenüberliegenden Teil der anderen Elektrode 4» galvanisch verbunden ist trad daß somit jedes dieser auf gleichem Potential befindlichen Teilelektrodenpaare mit einem anderen TeiMektrodenpaar so in Reih© geschaltet ist, daß das zwischen den Teilete'ktroden verschiedenen Potentials gebildete elektrische Feld im ganzen Bereich des kreisringförmjgen, eMittomeahanisch empfindlichen Werkstoffes in radialer Richtung gleichsinnig verläuft, wenn an die Reihenschaltung der Teil-■elektrodeti eine elektrisch Erregerspannung angelegt wird,

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnetj d'aß jede der zylinderförmigeni Elektroden aus zwei Teilen besteht, die jeweils ate Halbringe ausgeführt sind.

3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu dem Element mit unterteilten- Elektroden weitere Elemente mit nicht unterteilten Elektroden vorgesehen sind, wobei die Elektrodenteite des zentralen Elementes in einen ersten Schaltumgszwejg und die Elektroden der anderen Elemente¹ in einem zweiten Schaltungszweig angeordnet sind!, dear mit dem ersten Schaltuogszwdg parallel geschaltet zwischen zwei Ansdhlußklemmen angeordnet ist.

4. Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten Sch&Itungszwejg sechs Elemente vorgesehen sind und diese in zwei zwischen den Anschlußklemmen, te Reihe geschaltete Gruppen aufgeteilt sind, die je drei einander parallel liegende Elemente umfassen.

5. Gerät nach Anspruch! 3, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten, Sehaltungszweig sechs Elemente vorgesehen sind und in drei zwischen den AnscMiißklemmen in Reihe- geschaltete Gruppen aufgeteilt sind, die je zwei einander parallel liegende Elemente umfassen.

In Betracht gezogene- Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 377 921, 808 006;
USA.-Patentsehriftejl· H*. 25404R 2 405 604.,
420 864.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen