DE1058410B - UEbertrager mit Richtwirkung aus einer Gruppierung magnetostriktiver Schwingvorrichtungen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf einen Übertrager «nt Rkhtwirkung aus einer Gruppierung elementarer magnetostriktiver Schwingvorrichtungen, die voneinander getrennt sind und entsprechend ihrer räumlichen Stellung in der Gruppierung verschiedene Empfindlichkeiten aufweisen, wobei jede elementare Schwingvorrichtung mit einer Wicklung versehen ist und einen Kern besitzt
enthält.

Es ist seit langem bekannt, daß die Richtwirkung eines Uberwasserübertragers dadurch vergrößert wird, daß die Sendefläche im Verhältnis zur Wellenlänge im Wasser groß gemacht wird. Es ist gleichfalls bekannt, daß die Wirkung einer großen Fläche dadurch erreicht werden kann, daß eine große Anzahl kleiner Schwingeinheiten benutzt wird, die in einer gemeinsamen Oberfläche angeordnet sind, und daß die Richtcharakteristiken für einige Zwecke in mancher Hinsicht dadurch verbessert werden können, daß die Einheiten von der Mitte aus nach der Außenkante zu fortschreitend unempfindlicher gemacht werden. Dies wird allgemein als »shading« (Empfindlichkeitsabstufung) bezeichnet.

Es sind Anordnungen von keramischen Schwingungseinheiten bekannt, die gleiche räumliche Abmessungen aufweisen. Hierbei handelt es sich um keramische Ringe, die an ihrem äußeren Umfang Massenanhäufungen besitzen, die vorzugsweise aus

der magnetostriktiven Werkstoff

einem Material größerer Dichte als das keramische Material hergestellt sind. Hierdurch sollen die Resonanzfrequenzen der Ringe ohne Veränderung des äußeren Durchmessers vermindert werden.

Ferner ist eine aus Lamellen, und zwar magnetostriktiven Einzelschwingern, die auf verschiedene Frequenzen verteilt sind, aufgebaute magnetostriktive Schwingeinheit bekannt, die ein weiteres Frequenzband hat oder sich in Resonanz zu verschieden dicht nebeneinanderliegenden Frequenzen befindet. Ein bekanntes elektroakustisches Wandlergebilde, das mit einer oder mehreren Wicklungen versehen ist, besteht aus paketförmig aufeinandergeschichteten, unter sich gleichen Blechen aus magnetostriktivem Material. In bestimmten Teilabschnitten dieses Gebildes sind unter Wahrung des körperlichen Zusammenhanges und der Form des Gesamtpaketes die magnetostriktiven Bleche durch einen magnetostriktiv unwirksamen Stoff derart ersetzt, daß eine bestimmte Richtcharakteristik erzielt wird. Bei dieser bekannten Ausführung weisen die Schwingvorrichtungen zwar gleiche Flächengröße aber verschiedene Länge auf, so daß im ganzen verschiedene Abmessungen vorhanden sind. Die einzelnen Schwingvorrichtungen bestehen vollständig aus dem magnetostriktiven Werkstoff und sind durch beispielsweise mit einem Kunststoff ausgefüllten Raum vonüb ertrager mit Richtwirkung
aus einer Gruppierung magnetostriktiver Schwingvorrichtungen

Anmelder:

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

Vertreter: Dr.-Ing. Η. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Leon Walton Camp, Glendale, Calif. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

einander getrennt. Die Unterteilung des Gebildes durch Füllstücke erfolgt, um einzelne Abschnitte, die unter sich verschiedene Abmessungen aufweisen, mit verschiedenen Schwingeigenschaften zu erzeugen.

Bei einer Gruppierung elementarer magnetostriktiver Schwingvorrichtungen, die voneinander durch Luft getrennt sind, ist eine Empfindlichkeitsabstufung in der Anordnung bisher dadurch erreicht worden, daß magnetostriktive Einheiten mit gleichem Kern, aber mit kleineren, d. h. weniger Windungen aufweisenden Wicklungen auf den weniger empfindlichen Einheiten als auf den empfindlicheren Einheiten verwendet worden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige bekannte Übertrager im Aufbau zu vereinfachen und insbesondere eine Massenherstellung zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elementaren Schwingvorrichtungen alle gleiche räumliche Abmessungen und die Kerne der elementaren Schwingvorrichtungen von geringerer Empfindlichkeit weniger magnetostriktiven Werkstoff haben als diejenigen mit größerer Empfindlichkeit, wobei das Fehlen des magnetostriktiven Werkstoffes durch einen nicht magnetostriktiven Werkstoff ausgeglichen ist, und daß das Verhältnis der Menge an magnetostriktivem Werkstoff zu der Menge an nicht magnetostriktivem Werkstoff für jeden Kern von der Mitte der Gruppierung zu ihren Rändern hin abnimmt.

909 528/145

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform hat der nicht magnetostrictive Werkstoff im wesentlichen die gleiche Festigkeit wie der magnetostriktive. Gewöhnlich wird als Magnetostriktionswerkstoff Nickel verwendet; ein für die Verwendung mit Nickel einwandfrei brauchbarer, nicht magnetostriktiver Werkstoff ist Aluminium. Es können auch verschiedene andere Werkstoffe, wie etwa Messing, Verwendung finden.

Zur Verringerung der Wirbelstromverluste wird bei den meisten Magnetostriktionsübertragern als Kern allgemein ein Paket aus gleichen Blechen (Lamellen) verwendet. Bei der Durchführung der Erfindung werden einige Nickellamellen durch Aluminiumlamellen ersetzt. Alle Nickellamelleii können in einer Gruppe miteinander verbunden werden, und alle Aluminiumlamellen können in eine andere Gruppe miteinander verbunden werden; die beiden Gruppen müssen jedoch nicht miteinander verbunden werden und schwingen nicht notwendigerweise wie eine Einheit. Es empfiehlt sich manchmal, die magnetostriktiven und die nicht magnetostriktiven Schichten in mehrere Gruppen aufzuteilen und diese zusammenzuschichten.

Der Ausdruck »miteinander verbunden« bedeutet, so wie er hier gebracht wird, daß die Bleche mit einer solchen Adhäsion aneinander befestigt sind, daß sie gezwungen sind, im Gleichgang zu schwingen. Dies geschieht allgemein durch Aufeinanderkitten der Lamellen. Es kann gleichfalls dadurch erreicht werden, daß die Lamellen so fest zusammen gespannt werden, daß diezwischen ihnen auftretende Oberflächenreibung die Schwingung zum Gleichgang zwingt.

Die Erfindung hat folgende Vorteile:

1. Da die Wicklungen auf allen Einheiten gleich sind, wird die Herstellung der Wicklungen vereinfacht.

2. Teurer Magnetostriktionswerkstoff wird eingespart.

3. Der Magnetostriktionswerkstoff wird in allen Einheiten eines empfiudlichkeitsgestuften Richtübertragers mit der gleichen magnetischen Induktion betrieben, da die letztere eine von der Vorhändenen Werkstoffmenge des magnetostriktiven Werkstoffes unabhängige Funktion der Amperewindungen der Wicklung ist. Dies ruft eine einheitliche Richtcharakteristik bei jeder Stromstärke hervor, da sich alle Kerne bei der gleichen Stromstärke sättigen.

Das vollständige Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der eingehenden Beschreibung, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Magnetostriktions-Übertragers mit einer in einer Ebene liegenden Gruppierung von Einheiten gemäß der Erfindung, zur Erzeugung einer hohen, nach unten gerichteten Richtwirkung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene II-II der Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer der Einheiten in dem Übertrager nach den Fig. 1 und 2,

Fig. 4 eine Draufsicht eines zylindrischen Übertragers nach der Erfindung zur Erzeugung einer großen Richtwirkung in allen Richtungen einer horizontalen Ebene,

Fig. 5 eine Draufsicht und Fig. 6 eine Seitenansicht einer einzelnen vertikalen Reihe der magnetostriktiven Einheiten in dem Übertrager der Fig. 4.

Der Übertrager nach Fig. 1 besteht aus einem topfförmigeu Gehäuse 10, dessen offene Seite von einem Gummifenster verschlossen ist, das mittels einer Bandschelle 12 abdichtend auf dem Topf befestigt ist. In dem Gehäuse 10 sind mehrere (in diesem Beispiel

zweiunddreißig) magnetostriktive Einheiten 13 angeordnet und werden dadurch in dem Gehäuse gehalten, daß sie mit der Innenfläche des Gummifensters 11 verbunden sind.

Wie am besten aus Fig. 3 zu ersehen ist, besitzt jede Einheit 13 einen geblechten Kern 14 von allgemeinem U-Schnitt, wobei auf jedem Schenkel des Kernes Wicklungen 15 angebracht sind. Der aus den Zeichnungen ersichtliche Schnitt des Kernes 14 entspricht den USA.-Patentschriften 2 550 771, ausgegeben am 1.5.1951, und 2 530224, ausgegeben am 14. 11. 1950, auf die Bezug genommen wird. Es versteht sich jedoch, daß die vorliegende Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die magnetostriktiven Kerne der besonderen dargestellten Form beschränkt ist, sondern daß sie auch auf die verschiedenen bekannten Arten magnetostriktiver Kerne angewendet werden kann.

Die besondere, in der Fig. 3 dargestellte Einheit weist einen Kern 14 auf, der aus einer Anzahl Aluminiumlamellen 16 a und Nickellamellen 16 η gebildet ist, wobei alle Lamellen die gleichen Abmessungen haben können, obgleich es nicht wesentlich ist, daß die Stärke der Aluminiumlamellen gleich der der Nickellainellen ist.

Wie Fig. 3 zeigt, sind alle Nickellamellen 16η zu einer Gruppe zusammengefaßt und zwischen zwei Gruppen von Aluminiumlamellen 16 a eingeschichtet. Alle Nickelbleche 16 η sind miteinander verbunden, damit sie im Gleichgang schwingen, und alle Aluminiumbleche in jeder der beiden Gruppen 16a, 16a sind gleichfalls untereinander verbunden. Die Gruppe der Nickelbleche 16a ist jedoch nicht mit den Gruppen der Aluminiumbleche 16 a, 16 a verbunden, so daß die verschiedenen Gruppen nicht zwangläufig miteinander im Gleichgang schwingen. In dieser Verbindung bilden die Wicklungen 15 die Bleche nicht zusammen. Es ist seit langem üblich, die Wicklungen, locker auf dem Magnetostriktionsvibrator anzubringen, so daß sie nicht mit dem Kern schwingen.

In der in der Fig. 3 gezeigten Konstruktion wird das untere, feste Ende des Kernes 14 als Arbeitsfläche benutzt und ist mit der Oberfläche des Gummifensters 11 verbunden. Auf diese Weise sind die getrennten Einheiten nicht nur bezüglich des Fensters 11, sondern auch in bezug auf ihre Lage zueinander gehalten.

So, wie die Arbeitsfläche der Einheit oder des Kernes hier verwendet wird, bietet sie die Fläche zur direkten Schallabstrahlung und -aufnahme in das bzw. aus dem Medium, auf das der Schall übertragen oder aus welchem er empfangen werden soll. Bekanntlich weist ein Gummischallfenster, wie etwa das Fenster 11, im wesentlichen den gleichen akustischen Wellenwiderstand wie Wasser auf und breitet die Schallwellen in gleicher Weise aus. Übertrager mit Schwermetallmembranen, mit denen die magnetostriktiven Elemente fest verbunden sind, arbeiten anders; die magnetostriktiven Elemente dienen als Antriebselement für die Membranen, deren Außenfläche die Arbeitsfläche für die Sendung und den Empfang des Schalles in bzw. aus dem Medium darstellt. Vorliegende Erfindung ist auf die letztgenannte Übertragerart nicht anwendbar, sondern nur auf die hier beschriebene Art, bei der die Oberflächen der jeweiligen Magnetostriktionseinheiten selbst die Arbeitsflächen bilden.

Zur Fig. 2 ist zu bemerken, daß die Anzahl der Nickel- und Aluminiumbleche in den verschiedenen Einheiten je nach der Stellung der Einheit in der Gruppierung unterschiedlich ist. Die vier Mittelein¹-heiten 13 a, die die größte Empfindlichkeit haben

Claims (1)

sollen, besitzen Kerne, die ausschließlich aus Nickelblechen bestehen. Die acht Einheiten 13 b, die längs den Seiten der vier Einheiten 13 a angeordnet sind, weisen eine etwas geringere Empfindiichkeit auf; in diesen Einheiten ist die Anzahl der Nickelbleche 16η f gegenüber der Zahl der Aluminiumbleche 16 a verhältnismäßig groß. Die vier Einheiten 13 c an den Ecken der inneren, aus den vier Einheiten 13 a bestehenden Gruppierung sind weniger empfindlich als die Einheiten 13 b und enthalten eine geringere Anzahl von iSTickeJblechen und eine verhältnismäßig große Anzahl von Aluminiumblechen. Die acht äußeren Einheiten 13 a* haben eine noch kleinere Anzahl von Nickelblechen und eine größere Zahl von Aluminiumblechen. Die acht an den Außenecken liegenden Einheiten 13 e sind die unempfindlichsten von allen und weisen eine kleinere Anzahl von Nickelblechen und eine größere Zahl von Aluminiumblechen auf als die Einheiten 13 d. Der Kern 14 einer jeden Einheit hat ohne Rücksicht auf die relative Zahl von Nickel- und Aluminiumblechen in jedem Kern 13 die gleichen Gesamtabmessungen wie alle anderen Einheiten, und die Wicklungen 15 können für alle Einheiten gleich sein. Dieses gestattet, die Wicklungen hineinanderzuschalten und für alle Einheiten den gleichen Strom und die gleiche Durchflutung vorzusehen. Wenn es gewünscht wird, die Einheiten in Parallelschaltung oder Reihenparallelschaltung zu verbinden, kann die Zahl der Windungen verändert werden, um für jede Einheit die gewünschten Amperewindungen zu erhalten. Die Zahl der Windungen kann auch verändert werden, um die durch die verschieden großen Nickelmengen in den verschiedenen Kernen hervorgerufene Wirkung der Empfindlichkeitsabstufung zu verstärken oder zu vermindern. Obgleich die Aluminiumbleche 16 a nicht in der Lage sind, magnetostriktiv auf den Strom in den Wicklungen 15 anzusprechen, haben sie annähernd die gleichen mechanischen Resonanzeigenschaften wie die Nickelbleche 16n. Sie schwingen deshalb durch Anregung durch die Schwingung, die über das Fenster 11 übertragen wird, und scheinen insofern eine günstige Wirkung zu haben, als sie die Empfindlichkeit des Übertragers auf mechanische Schwingungen erhöhen. Wenn der Übertrager dazu verwendet wird, elektrische Wellen in mechanische Schwingungen umzuformen, werden nur die Nickelbleche 16 ti unmittelbar durch den Strom in den Wicklungen 15 erregt; die Aluminiumbleche 16 a scheinen jedoch eine günstige mechanische Wirkung auf das Fenster 11 auszuüben, indem sie die Amplitude der durch das Fenster 11 von den Nickelblechen auf das Wasser übertragenen Wellen vergrößern. Der in der Fig. 4 gezeigte zylindrische Übertrager hat eine zylindrische Gummiwand oder ein zylindrisches Gummifenster 20, das in schwingungsleitender Beziehung zu den Außenenden einer Mehrzahl magnetostriktiver Einheiten 21 steht, die ihrerseits radial von der zentralen, vertikalen Achse des Übertragers abstehen. Die Einheiten 21 sind in einer Mehrzahl vertikaler Reihen oder Sprossen angeordnet; die Sprossen sind in Umfangsrichtung um die Achse des Übertragers gleichmäßig verteilt. Die Übertragungseigenschaften aller Sprossen sind gleich, so daß dann, wenn alle Sprossen gleichzeitig betrieben werden, der Übertrager in allen Richtungen in einer horizontalen Ebene gleiche Sende- und Empfangseigenschaften aufweist. Durch Verwendung von nur einigen dieser Sprossen in der Gesamtgruppierung können innerhalb der horizontalen Ebene Richtwirkungen erzielt werden. Solche Anordnungen sind sehr bekannt, und es ist nicht notwendig, sie hier zu beschreiben, da sie keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellen. Es ist oft erwünscht, bei einem Übertrager der in der Fig. 4 angegebenen Art die Richtwirkung einer jeden Sprosse so eng wie möglich auf die horizontale Ebene zu beschränken, um unnötige Verluste der Energie nach oben oder unten, wo sie nicht gebraucht wird, zu verhindern. Zu diesem Zwecke ist es seit langem üblich, die in der Mitte gelegenen Einheiten in jeder Sprosse empfindlicher als die Einheiten am oberen und unteren Ende zu machen; diese Empfindlichkeitsabstufung wurde bisher dadurch erreicht, daß auf den verschiedenen magnetostriktiven Einheiten 21 in jeder Sprosse verschieden viele Wicklungen, verwendet wurden. Erfindungsgemäß wird die gewünschte Empfindlichkeitsabstufung dadurch erreicht, daß in den Übertragereinheiten 21 verschiedene Nickelmengen verwendet werden, wobei jedoch alle Übertrager in gleicher Weise erregt werden. Eine solche gleiche Erregung kann durch Benutzung getrennter Wicklungen mit der gleichen Windungszahl auf jeder einzelnen Einheit 21 erreicht werden. Weiterhin kann jedoch der Aufbau erfindungsgemäß durch Verwendung seiner einzelnen Wicklung 22 (Fig. 6), die rund um alle Einheiten 21 in der ganzen Sprosse angeordnet ist, vereinfacht werden. Gemäß Fig. 6 sind acht magnetostriktive Einheiten in jeder Sprosse angeordnet, die durch sieben Abstandshalter 24 aus irgendeinem Isolierstoff, wie etwa Plastik, in geringerem Abstand voneinander getrennt gehalten werden. Die beiden mittleren Einheiten 21 a bestehen vollständig aus Nickelblechen. Die nächstbenachbarten Sprossen 21 b oberhalb und unterhalb der Einheiten 21 a weisen eine geringere Anzahl von Nickelblechen auf, die zwischen eine geringe Zahl von Aluminiumblechen eingeschichtet sind. Die nach außen nächstfolgenden Einheiten 21 c besitzen eine kleinere Anzahl zwischen einer größeren Anzahl von Aluminiumblechen eingeschichtete Nickelbleche, und die äußersten, oberen und unteren Einheiten 21 d enthalten die geringste Zahl von Nickel- und die größte Zahl von Aluminiumblechen. Es muß festgehalten werden, daß das in den Fig. 5 und 6 dargestellte, für eine Gesamtreihe magnetostriktiver Einheiten eine einzelne Wicklung 22 benutzende Verfahren auch auf die Übertrager der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art angewendet werden kann. So kann die in der Fig. 2 angegebene Gruppierung in sechs vertikale oder in sechs horizontale Reihen- ausgespalten werden. Alle Einheiten in jede dieser Reihen können ähnlich der in Fig. 6 gezeigten Wicklung mit einer gemeinsamen Wicklung versehen werden, und die sechs Wicklungen können hintereinandergeschaltet werden. Obgleich zum Zwecke der Erklärung dieser Erfindung einige besondere Ausführungsformen derselben abgebildet und beschrieben worden sind, können vom Fachmann naheliegende Abwandlungen ausgeführt werden; es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung nur auf die abgebildeten und beschriebenen genauen Einzelheiten zu beschränken. Patentansprüche:

1. Übertrager mit Richtwirkung aus einer Gruppierung elementarer magnetostriktiver Schwingvorrichtungen, die voneinander getrennt sind und entsprechend ihrer räumlichen Stellung in der Gruppierung verschiedene Empfindlichkeiten auf-