DE1105211B - Underwater transmitter for sound and ultrasonic vibrations - Google Patents
Underwater transmitter for sound and ultrasonic vibrationsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Unterwasserübertrager mit einem wasserdichten Gehäuse, das zwischen einer Vorder- und einer Rückwand einen Hohlraum enthält, in dem sich ein Schwingungskörper befindet, der aus einem longitudinal schwingenden, elektromechanisch ansprechenden Keramikelement besteht, dessen parallel zueinander verlaufende, ebene Vorder- und Rückseiten mit Elektroden bedeckt sind.The invention relates to an underwater transmitter with a waterproof housing between a Front and a rear wall contains a cavity in which a vibrating body is located, which consists of consists of a longitudinally oscillating, electromechanically responsive ceramic element whose parallel mutually extending, flat front and rear sides are covered with electrodes.
Derartige Übertrager sind bekannt. Beispielsweise ist für die Anwendung auf medizinischem Gebiet ein Übertrager bekanntgeworden, der zur Schwingungserzeugung einen Piezokristall benutzt. Der Kristall liegt eingefügt zwischen einem vorderen und einem hinteren Masseteil; beide Massen bestehen aus dem gleichen Material. Weiter sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden, welche die Verbindung zwischen der Gehäuserückwand und dem Schwingungskörper in-Gestalt eines Piezokristalls betreffen. Der Piezokristall ist bei diesen Fällen zur Erzielung eines besseren Energieumsatzes mechanisch in einem bestimmten Ausmaß unter Druck gesetzt. Dabei ist zwischen der Masse an der Rückseite des Piezokristalls und der Gehäuserückwand eine elastische Verbindungszone vorgesehen, die entweder aus einer Kugel oder einem mit der Spitze zur Rückwand gekehrten und sich dort abstützenden Massenkegel besteht. Im Zuge der technischen Entwicklung sind dann zur Erzielung größerer Energieumsetzungen vorzugsweise keramische Schwingungselemente verwendet worden, insbesondere solche aus Bariumtitanat. Zur Steigerung der Leistung von Übertragern, die auch als Unterwasserübertrager verwendet werden können, ist es bekannt, keramische, Schwingelemente in verschiedenen Anordnungen zu Schwingungserzeugern bzw. Empfängern zusammenzusetzen. Die Schwingelemente werden z. B. in einer bekannten Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht, dessen Vorderöffnung mit einer Aluminiumplatte verschlossen ist, wobei die Gruppe der Schwingelemente jedoch ohne Massenabdeckung an der zur Gehäuserückwand gekehrten Seite bleiben.Such transformers are known. For example, one is for use in the medical field Transmitter became known that uses a piezo crystal to generate vibrations. The crystal is inserted between a front and a rear mass part; both masses consist of the same material. Next, various possibilities have already become known, which the connection concern between the rear wall of the housing and the vibrating body in the form of a piezo crystal. In these cases, the piezo crystal is mechanically in one to achieve a better energy conversion pressured to a certain extent. There is between the mass on the back of the piezo crystal and the rear wall of the housing provided an elastic connection zone, which either consists of a ball or a mass cone that is turned with the tip towards the rear wall and is supported there. In the course of technical developments are then preferably ceramic in order to achieve greater energy conversions Vibrating elements have been used, especially those made of barium titanate. To increase the Performance of transformers that can also be used as underwater transformers, it is known ceramic, vibrating elements in various arrangements for vibration generators or receivers put together. The vibrating elements are z. B. housed in a known device in a housing, whose front opening is closed with an aluminum plate, the group of Vibrating elements, however, remain on the side facing the rear wall of the housing without a mass cover.
Der Gedanke, ein piezoelektrisches Element zwischen zwei Massenelemente einzuklemmen, ist bereits
von P. Langevin vor 1918 ausgeführt worden. Dabei wurde jedoch bislang für die Front- und Rückenmassenteile
dasselbe Material, z. B. Stahl, benutzt. Um im Rahmen technisch vernünftiger Abmessungen einen
günstigen Wirkungsgrad für die Energieumsetzung in der Übertragungsanlage zu erzielen, wurde bisher der
Weg beschütten, daß mehrere Schwingungselemente in einer bestimmten Anordnung in einem Schwingungskörper
vereinigt wurden. Bei der Zusammenfassung mehrerer stabförmiger Schwingungselemente nebeneinander
in einem Übertrager ist es auch bekannt, daß die nebeneinander angeordneten Elemente von der
Unterwasserübertrager für Sctiall-
und UltraschallschwingungenThe idea of wedging a piezoelectric element between two mass elements was already carried out by P. Langevin before 1918. So far, however, the same material has been used for the front and back bulk parts, e.g. B. steel is used. In order to achieve a favorable degree of efficiency for the energy conversion in the transmission system within the framework of technically reasonable dimensions, the way has hitherto been poured in that several vibration elements were combined in a specific arrangement in a vibration body. When combining several rod-shaped vibration elements side by side in one transmitter, it is also known that the elements arranged side by side are used by the underwater transmitter for Sctiall-
and ultrasonic vibrations
Anmelder:Applicant:
The Bendix Corporation,
New York, ISLY. (V. St. A.)The Bendix Corporation,
New York, ISLY. (V. St. A.)
Vertreter: Dr,-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41Representative: Dr, -Ing. H. Negendank, patent attorney,
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Juni 1956Claimed priority:
V. St. v. America June 15, 1956
Brownlee Bensei Gauld, Tucson, Ariz. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt wordenBrownlee Bensei Gauld, Tucson, Ariz. (V. St. Α.),
has been named as the inventor
Front- und der Rückenmassenplatte überdeckt werden, deren Durchmesser größer als der der einzelnen Schwingungselemente ist...Front and back mass plate are covered, the diameter of which is greater than that of the individual Vibration elements is ...
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Aussendung und Aufnahme von Schwingungen bei einem Unterwasserübertrager der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß dadurch die mit einem keramischen Schwingungselement bestimmter Größe erzielbare Leistungsumsetzung gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich besser ausgenutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Keramikteil zwischen einem vorderen und einem hinteren Massenteil von verschiedener Dichte eingefügt ist, die mechanisch mit dem Keramikteil verbunden sind, und daß der vordere Massenteil eine geringere Dichte als der hintere Massenteil und einen größeren Durchmesser als der Keramikteil hat, und die vorderen und hinteren Massenteile mit der entsprechenden Vorder- bzw. Rückwand des Gehäuses verbunden sind.The present invention is based on the task of transmitting and absorbing vibrations to improve in an underwater transmitter of the type described above so that thereby the performance conversion achievable with a ceramic vibration element of a certain size the known devices can be used much better. To this end, according to the Invention provided that the ceramic part between a front and a rear mass part of different density is inserted, which are mechanically connected to the ceramic part, and that the front Mass part has a lower density than the rear mass part and a larger diameter than the ceramic part has, and the front and rear mass parts with the corresponding front and rear wall of the Housing are connected.
Der Übertrager erhält durch die neue Anordnungsweise eine wesentlich verbesserte Ankopplungswirkung, so daß sich damit der Wirkungsgrad der Übertragung von akustischer Energie von dem Schwingelement auf die vordere Masse und von dieser auf das umgebende Medium bzw. umgekehrt wesentlich verbessert. Auch die Richtcharakteristik des. Übertragers erfährt durch die neue Anordnung eine Verbesserung. Der Gebrauch eines Frontteiles mit größerem Durchmesser als dem des Keramikteiles hat ferner den Vorteil, daß damitThe new arrangement gives the transformer a significantly improved coupling effect, so that this increases the efficiency of the transmission of acoustic energy from the vibrating element the front mass and from this to the surrounding medium and vice versa are significantly improved. Even the directional characteristic of the transformer is improved by the new arrangement. The use a front part with a larger diameter than that of the ceramic part also has the advantage that it
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ein verhältnismäßig kleines und billiges keramisches Element benutzt werden kann, wobei außerdem das Auftreten von Biegespannungen in dem als Kolben schwingenden Frontmassenteil und die Neigung dieses Teiles zu Sekundärschwingungen verringert werden.a relatively small and cheap ceramic element can be used, in addition, the Occurrence of bending stresses in the front mass part swinging as a piston and the inclination of this Part to be reduced to secondary vibrations.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der hintere Massenteil mit der Rückwand des Gehäuses mittels einer Schicht von akustisch isolierendem Material verbunden ist. Ferner wird die grundsätzliche Wirkung der Erfindung dadurch verbessert, daß der vordere Massenteil dicker als der hintere Massenteil ist.Another embodiment of the invention is that the rear mass part with the rear wall of the housing is connected by means of a layer of acoustically insulating material. Furthermore, the fundamental effect of the invention is improved in that the front mass part is thicker than the rear mass part is.
Vorzugsweise kann die Erfindung so ausgeführt werden, daß das vordere Massenelement dicker als das hintere Massenelement ist und daß der elektromechanisch ansprechende Schwinger als Hohlzylinder ausgebildet ist, während das vordere Massenelement ein Vollzylinder ist. Dadurch läßt sich die Herstellung des nach der Erfindung ausgeführten Übertragers weiter verbilligen. Eine Weiterbildung sieht außerdem vor, daß auch das untere Massenelement als Hohlzylinder ausgebildet ist, wodurch sich neben einer Materialersparnis eine damit verbundene Gewichtsverringerung ergibt.Preferably, the invention can be carried out so that the front mass element is thicker than that is rear mass element and that the electromechanically responsive transducer is designed as a hollow cylinder while the front mass element is a solid cylinder. This allows the production of the further cheaper transformer executed according to the invention. Further training also provides that the lower mass element is designed as a hollow cylinder, which in addition to a material saving an associated weight reduction results.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigtFor a better understanding of the invention, a preferred embodiment of the invention is described below described on the basis of the drawing. It shows
Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Übertragers undFig. 1 is a front view of a transformer according to the invention and
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der Fig, I.Fig. 2 is a section along the line H-II of Fig, I.
Der in den Zeichnungen dargestellte Übertrager besteht aus einem Gehäuse 11, welches aus Gummi oder ähnlichem Werkstoff gepreßt oder geformt ist und eine geschlossene Aussparung 11 α umgibt, in welcher ein Schwinger 10 gelagert ist. In der Nähe der Gehäusemitte sind zwei Montagebohrungen 11b vorgesehen, mit deren Hilfe das Übertragungsgehäuse an der Unterseite eines Schiffes so befestigt werden kann, daß die Rückseite 11 c des Gehäuses am Schiffskörper anliegt und die Gehäusevorderfläche 11 d nach unten zeigt.The transformer shown in the drawings consists of a housing 11 which is pressed or molded from rubber or similar material and surrounds a closed recess 11 α in which a transducer 10 is mounted. In the vicinity of the center of the housing two mounting holes 11b are provided in the transmission housing can be secured to the underside of a ship so with the help of that the rear side 11 c abuts the housing on the vessel body and the housing front face 11 is d downwards.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich die Ausnehmung 11 α an dem einen Ende des Gehäuses befindet und das letztere keilförmig ausgebildet ist, um in eine Spitze 11 e auszulaufen, die in Fahrtrichtung des Schiffes zeigt, so daß die Wasserströmung geteilt und eine Turbulenz an der Arbeitsfläche 11 d des Übertragers vermindert wird. Am hinteren Ende des Gehäuses, d. h. an dem von der Vorderkante oder Spitze 11 e abgelegenen Ende, ist ein Kabel 12 angeschlossen, »über welches der elektrische Anschluß vorgenommen wird. Das Kabel 12 erstreckt sich durch eine öffnung im Halsteil 11 / des Gehäuses, welcher mit Hilfe einer Klemme 13 fest gegen das Kabel angedrückt wird.From Fig. 1 it can be seen that the recess 11 α is located at one end of the housing and the latter is wedge-shaped to run out into a tip 11 e , which points in the direction of travel of the ship, so that the water flow is divided and one Turbulence on the working surface 11 d of the transformer is reduced. At the rear end of the casing, ie at the end remote from the leading edge or tip 11 e end, a cable 12 is connected, "via which the electrical connection is made. The cable 12 extends through an opening in the neck part 11 / of the housing, which is pressed firmly against the cable with the aid of a clamp 13.
Die Vorderseite der Aussparung 11 α ist mit einem aus Gummi bestehendem Schallfenster 14 so verschlossen, daß dessen Außenfläche mit der Vorderfläche 11 d des übrigen Teiles des Gehäuses gleichflächig verläuft. The front of the recess 11 α is closed with a sound window 14 made of rubber so that its outer surface is flush with the front surface 11 d of the remaining part of the housing.
Der Schwinger 10 ist ein zusammengesetztes Bauelement und besteht aus einem elektromechanisch ansprechenden Ring 10 a, einer vorderen Aluminumscheibe 10 b und einem hinteren Bleiring 10 c. Die Teile 10 a, 10 b und 10 c sind an ihren Berührungsflächen fest miteinander verbunden. Der Keramikring 10 α und der Bleiring 10 c sind mit zylindrischen Innen- und Außenflächen und flachen Stirnflächen versehen. Die inneren und äußeren Durchmesser der beiden genannten Ringe sind im wesentlichen gleich. Um die axiale Ausrich- - tung des Keramikringes mit dem Bleiring beim Zusammenbau (beispielsweise durch Verwendung eines Führungsdornes) zu erleichtern, können ihre Innendurchmesser auch exakt einander gleich gemacht werden. In gleicher Weise können die Außendurchmesser der Scheibe 10 & und des Bleiringes 10 c gleich groß gemacht werden, um die axiale Ausrichtung der ScheibeThe transducer 10 is a composite component and consists of an electromechanically responsive ring 10 a, a front aluminum disc 10 b and a rear lead ring 10 c. The parts 10 a, 10 b and 10 c are firmly connected to one another at their contact surfaces. The ceramic ring 10 α and the lead ring 10 c are provided with cylindrical inner and outer surfaces and flat end faces. The inner and outer diameters of the two rings mentioned are essentially the same. In order to facilitate the axial alignment of the ceramic ring with the lead ring during assembly (for example by using a guide pin), their inner diameters can also be made exactly the same as one another. In the same way, the outer diameter of the disk 10 & and of the lead ring 10 c can be made the same size in order to ensure the axial alignment of the disk
10 & mit den Ringen 10 a und 10 c zu erleichtern.
Die Schwingkräfte des Keramikringes werden vorzugsweise auf eine Ringzone der Scheibe 10 b übertragen,
welche von deren zylindrischer Außenfläche radial nach innen versetzt ist, um die mit einem Keramikring
von vorgegebener Größe verwendbare Scheibenfläche zu vergrößern, ohne die Biegekräfte in der
Scheibe zu vergrößern. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß ein großer Scheibendurchmesser
erwünscht ist, um den Übertragungswirkungsgrad für die akustische Energie zwischen der Scheibe
und dem Wasser zu vergrößern und die Richtcharakteristik zu verbessern. Die Verwendung einer Scheibe
mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Keramikringes hat den weiteren Vorteil,
daß es hierdurch möglich wird, kleinere und billigere Keramikringe zu verwenden und auch die Biegungskräfte in der Scheibe und deren Neigung zu Schwingungen
in sekundären Schwingungsformen zu vermindern. 10 & with rings 10 a and 10 c to facilitate.
The oscillating forces of the ceramic ring are preferably transmitted to an annular zone of the disc 10b , which is offset radially inward from its cylindrical outer surface in order to enlarge the disc surface that can be used with a ceramic ring of a predetermined size without increasing the bending forces in the disc. In this connection, it should be noted that a large disk diameter is desirable in order to increase the transmission efficiency for the acoustic energy between the disk and the water and to improve the directivity. The use of a disk with a diameter which is larger than the diameter of the ceramic ring has the further advantage that it makes it possible to use smaller and cheaper ceramic rings and also to reduce the bending forces in the disk and its tendency to vibrate in secondary modes .
Der Keramikring ist an seinen vorderen und hinteren Ringflächen mit den üblichen Silberelektroden 10 d und 1Oe versehen, welche mit den Leitern des Kabels 12 verbunden sind. Die Elektroden können dadurch erzeugt werden, daß man die vordere und hintere Fläche des Keramikelementes mit S über farbe bestreicht und den Keramikkörper dann einer Wärmebehandlung aussetzt, bei der ein dünner Film metallischen Silbers zurückbleibt.The ceramic ring is provided on its front and rear annular surfaces with the usual silver electrodes 10 d and 1 NC, which are connected to the conductors of the cable 12th The electrodes can be produced by painting the front and rear surfaces of the ceramic element with S and then subjecting the ceramic body to a heat treatment which leaves a thin film of metallic silver.
Die Längs- oder Axialabmessung der Schwingungsanordnung ist geringer als die Tiefe der Aussparung The longitudinal or axial dimension of the oscillating arrangement is less than the depth of the recess
11 a. Der Schwinger berührt mit der Vorderfläche der Scheibe 10 & das Schallfenster 14 und stützt sich mit der Rückseite auf einer Scheibe 15 aus akustisch weichem Werkstoff, wie beispielsweise Schaum- oder porenförmigem Neopren ab. Diese Scheibe 15 füllt den Raum zwischen der Rückwand der Aussparung 11« und den Bleiring 10 c aus, so daß der Schwinger 10 innerhalb des Gehäuses durch die Scheibe 15 und die Membrane 14 gehalten wird. Die Vorderfläche der Scheibe 10 & ist fest mit dem Schallfenster 14 verbunden, so daß das letztere jegliche seitlichen Verschiebungen des Schwingers innerhalb der Aussparungen 11a verhindert.11 a. The transducer touches the front surface of the disc 10 & the sound window 14 and is supported with the rear on a disc 15 made of acoustically soft material, such as foam or pore-shaped neoprene. This disk 15 fills the space between the rear wall of the recess 11 ″ and the lead ring 10 c, so that the oscillator 10 is held within the housing by the disk 15 and the membrane 14. The front surface of the disk 10 & is firmly connected to the sound window 14, so that the latter prevents any lateral displacement of the transducer within the recesses 11a.
Es ist im allgemeinen erwünscht, in dem Kabel 12 einen Mittelleiter 12 α vorzusehen, welcher konzentrisch von einem Hohlleiter 12 b umgeben ist. Der MittelleiterIt is generally desirable to provide a central conductor 12 α in the cable 12, which is concentrically surrounded by a waveguide 12 b . The middle conductor
12 α wird mit der hinteren Elektrode 11 e des Keramikelementes 10 a und der äußere Leiter 12 & mit der vorderen Elektrode 10 d verbunden. Der konzentrisch angeordnete Leiter 12 b liegt vorzugsweise auf Erdpotential, und es ist zur Abschirmung der Elektrode 10 e von elektrischen Fremdfeldern zwischen der Scheibe 15 und der Rückwand der Aussparung 11a eine metallische Abschirmscheibe 16 vorgesehen, welche mit dem Leiter 12 b des Kabels verbunden ist.12 α is connected to the rear electrode 11 e of the ceramic element 10 a and the outer conductor 12 & to the front electrode 10 d . The concentrically arranged conductor 12 b is preferably at ground potential, and a metallic shielding disk 16 is provided to shield the electrode 10 e from external electrical fields between the disk 15 and the rear wall of the recess 11 a, which is connected to the conductor 12 b of the cable.
Das Keramikelement 10 α kann aus beliebigem bekanntem Werkstoff, wie beispielsweise Bariumtitanat bestehen und in Übereinstimmung mit bekannter Praxis vorpolarisiert sein, so daß es auf über das Schallfenster 14 zugeführte mechanische Schwingungen anspricht, um Potentialunterschiede zwischen den Elektroden 10 d und 10 e zu erzeugen und auch aufThe ceramic element 10 α can consist of any known material, such as barium titanate, and can be pre-polarized in accordance with known practice so that it responds to mechanical vibrations supplied via the acoustic window 14 in order to generate potential differences between the electrodes 10 d and 10 e and also on
den Elektroden zugeführte elektrische Wechselspannungspotentiale anspricht, um sich in Längsrichtung auszudehnen und zusammenzuziehen und dadurch den gesamten Schwinger 10 durch Kontraktion und Expansion in Longitudinalschwingungen zu versetzen mit einer resultierenden Schwingungsbewegung an der Vorderfläche der Scheibe 10 b. electrical alternating voltage potentials supplied to the electrodes responds in order to expand and contract in the longitudinal direction and thereby set the entire oscillator 10 through contraction and expansion in longitudinal oscillations with a resulting oscillatory movement on the front surface of the disk 10 b.
Die gesamte Schwingungsanordnung hat vorzugsweise die Länge einer halben Schallwellenlänge bei Betriebsfrequenz. Bei einer Frequenz im Bereich von 100 kHz kann das Keramikelement 10 α 6,3 mm dick, die Aluminiumscheibe 7,7 mm dick und der Bleiring 3,2 mm dick gemacht werden.The entire oscillation arrangement preferably has the length of half a sound wavelength at the operating frequency. At a frequency in the range of 1 00 kHz, the ceramic member 10 can α 6.3 mm thick, the aluminum disk 7.7 mm thick, and the lead ring be made thick 3.2 mm.
Die besonderen Vorteile der vorstehend beschriebenen Konstruktion lassen sich wie folgt zusammenfassen: The particular advantages of the construction described above can be summarized as follows:
a) Die Verwendung des hohlen Keramikzylinders ermöglicht eine Verminderung der Kapazität, ohne die wirksame schwingende, mit dem Wasser akustisch gekoppelte Fläche zu verkleinern.a) The use of the hollow ceramic cylinder enables the capacity to be reduced, without reducing the effective oscillating surface acoustically coupled with the water.
b) Der hohle hintere Massenkörper in der Gestalt eines Bleiringes 10 c hat den Vorteil, daß man die erwünschte Masse am hinteren Ende des Schwingers aus relativ weichem Material (in bezug auf Biegungsbeanspruchungen) ausbilden kann.b) The hollow rear mass body in the form of a lead ring 10 c has the advantage that you can form the desired mass at the rear end of the transducer from relatively soft material (with respect to bending stresses).
c) Die Kombination des Keramikringes mit der vorderen Scheibe von großem Durchmesser führt zu einem wirksamen Schwinger mit einer relativ kleinen Materialmenge und einer relativ großen Arbeitsfläche.c) The combination of the ceramic ring with the front disk of large diameter results in an effective transducer with a relatively small amount of material and a relatively large work surface.
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