DE1487569A1

DE1487569A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE1487569A1
Application number: DE19661487569
Authority: DE
Inventors: Supernaw Dwight L; Wilson Charles R
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1965-09-13
Filing date: 1966-08-25
Publication date: 1969-04-30
Also published as: DE1487569B2; BE686513A; GB1162802A; US3325779A; GB1162801A

Description

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TeLfiOSiao W 469 - Dr. Hk/Ni

Westinghouse Electric Corporation in East Pittsburgh, Pa,, V.ST.A,

ültraschallvandler

Die Erfindung betrifft einen Ültraschallvandler, insbesondere zur Anvendung in der Tiefsee. Die bekannten ültraschallvandler enthalten ein oder mehrere Wandlerelemente, um die Schallenergie auf das Wasser zu übertragen oder aus diesem zu empfangen. Die Wandlerelemente erzeugen an ihren Flächen entgegengesetzt gleiche Reaktionen. Die beste Kopplung des Wandlers mit dem umgebenden Medium ist theoretisch dann gegeben, venn die Vorderfläche des Wandlerelements unmittelbar mit dem Wasser gekoppelt ist, vährend die Hinterfläche oder veitere aktive Flächen des Wandlerelements unmittelbar an Luft oder noch besser an ein Vakuum anstoßen. Diese theoretische Forderung ist aber in der Praxis nur schver zu vervirklichen.

Bei den üblichen Wandlern ist das Wandlerelement mit einem nachgiebigen Material hinterlegt, das die Luftpolsterung möglichst gut nachahmen soll, so daß ein Maximum von Schallenergie an der Vorderseite abgestrahlt vird und der Rest der Energie in dem nachgiebigen Material absorbiert vird. Als nachgiebiges Material vird z. B. eine Mischung von Kork und Gummi, Schaumstoff oder Seiden-

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papier in mehreren Lagen verwendet. Der Wandler befindet sich in einem Gehäuse, dessen Deckel die gleichen Üebertragungseigenschaften vie Seewasser hat. Um die Drücke in verschiedenen Wassertiefen auszugleichen und zu verteilen, kann das Gehäuse mit einer Flüssigkeit gefüllt sein, welche die gleichen üebertragungseigenschaften wie Seewasser hat, so daß im Endeffekt die Vorderseite des Wandlerelements über die Flüssigkeit und den Deckel unmittelbar mit dem _k Seewasser gekoppelt ist, während die Rückseite mit der Nachbildung eines Luftpolsters gekoppelt ist, die gleichzeitig die Halterung für das Wandlerelement bildet.

Derartige Ultraschallwandler lassen sich bis zu mehreren hundert Metern Tiefe mit gutem Erfolg anwenden. In sehr großen Tiefen, z. B. über 3 000 m, wo der Wasserdruck die Größenordnung von 300 kg/cm erreicht, wird die nachgiebige Abstützung des Wandlerelements durch den auf dasselbe ausgeübten Wasserdruck auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Ausdehnung zusammengedrückt. Der Raum zwischen der τ Rückseite des Wandlerelements und dem zusammengedrückten Material wird mit Wasser oder Flüssigkeit ausgefüllt. Dadurch ist ein zufriedenstellender Betrieb des Wandlers nicht mehr möglich.

Aufgabe der Erfindung ist demgemäß die Schaffung eines elektroakustisehen Wandlers, der nicht nur in flachem Wasser, sondern auch in der Tiefsee einwandfrei arbeitet und die Verwendung eines nachgiebigen Materials als Unterlage für das Wandlerelement überflüssig macht.

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Der erfindungsgemäße elektroakustisch Wandler mit einem Wandlerelement, das Schallenergie in mindestens zvei Richtungen abstrahlt, ist gekennzeichnet durch einen Schallreflektor, der die nach hinten abgestrahlte Schallenergie in die gewünschte Richtung reflektiert.

Vorzugsweise ist der Reflektor vorgestagtet, daß er die nach hinten abgestrahlte Schallenergie zweimal umlenkt, um so den Schall an dem aktiven Element vorbeizuleiten.

Die Anordnung ist vorzugsweise so getroffen, daß das nach hinten abgestrahlte Signal, das gegen das nach vorn abgestrahlte Signal um 180 ° phasenverschoben ist, nach der zweimaligen Reflexion am Reflektor ein ganzes Vielfaches einer halben Wellenlänge zurückgelegt hat, wenn es wieder in der Ebene des Primärstrahlers oder in einer sonstigen Fläche ankommt, die je nach der gewünschten Richtcharakteristik gewählt ist.

Ist der Primärstrahler scheiben- oder ringförmig oder zylindrisch ausgebildet und wird als Kolbenstrahler betrieben, so sind die reflektierenden Flächen vorzugsweise legelmäntel, deren Achse mit derjenigen des Primärstrahlers zusammenfällt.

Ist der Primärstrahler ein Stab, der Biegeschwingungen ausführt, so kann der Reflektor aus zwei aneinander angrenzenden Rinnen bestehen, auf deren Mittelrippe der Primärstrahler sitzt und deren Wände eine passende Neigung haben.

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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung verden nachstehend an Hand der Zeichnung beschrieben. Hierin sind:

Fig. 1 eine teilveise geschnittene isometrische Darstellung eines erfindungsgemäßen elektroakustisehen Wandlers,

Fig. 2 ein.Schnitt des Wandlers in Fig. 1,

Fig. 3 eine teilveise geschnittene isometrische Darstellung ψ einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine teilveise geschnittene isometrische Darstellung einer veiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung der reflektierenden Flächen des Wandlers in Fig. 4,

Fig. 6 bis 12 Schnitte verschiedener Reflektoren und Schvingeran-

ordnungen,

Fig. 13 und 14 veitere Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Wandler mit einem Gehäuse 10, dessen Querschnitt im vesentlichen W-förmig ist und zvei schräge Seitenvände 15 und 16, sovie einen vorspringenden Mittelteil 12 mit Seitenvänden 13 und 14 hat. Die Seitenvand 16 bildet eine reflektierende Fläche 16· (nicht sichtbar), die sich längs des Wandlers erstreckt; ebenso bilden die Seitenvände 13 und 14 und 15 reflektierende Flächen 13', 14' (nicht sichtbar) und 15*.

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• ■ - 5 -

Auf dem Scheitel des Mittelteils 12 ist ein Schwinger 20 befestigt. Die Hauptrichtung des Schwingers 20 erstreckt sich in der durch die Schnittgerade der Flächen 13* und 14* gegebenen Sichtung. Der Schwinger 20 strahlt bei Erregung in bekannter Weise eine Schallwelle von seiner Vorderseite 22 und eine zweite Schallwelle von seiner Rückseite 23ab. Der Schwinger 20 wird im vorliegenden Falle als Biegeschwinger betrieben, d. h. die Vorderseite 22 und die Stick sei te 23 bewegen sich stets in gleicher Sichtung. Die von der Vorderseite abgestrahlte Schallwelle hat eine bestimmte Wellenlänge, f die durch die Betriebsfrequenz und das umgebende Medium bestimmt ist. Diese erste Schallwelle ist schematisch durch die Pfeile F bezeichnet. Die von der Bückseite 23 abgestrahlte Schallwelle hat die gleiche Wellenlänge, ist aber um 180 ° gegen die Vorderseitenwellenlänge verschoben. Sie ist durch die Pfeile H bezeichnet.

Die von der Sückseite 23 abgestrahlte Schallwelle trifft auf die reflektierenden Flächen 13* und 14* und wird von diesen zu den Flächen 16« und 15¹ reflektiert. Die reflektierte Welle ist mit S' bezeichnet. Nach nochmaliger Seflexion an den Flächen 16· und 15* läuft die Welle B*' in gleicher Sichtung wie die an der Vorderseite abgestrahlte Welle. Die reflektierenden Flächen sind so angeordnet, daß die nach hinten abgestrahlte Welle von der Sückseite 23 bis zur Ebene der Vorderseite 22 einen Gesamtweg von λ/2 zurücklegt, wobei λ die Schallwellenlänge in dem betreffenden Medium ist. Sie erscheint somit in der Ebene des Schwingers gleichphasig mit der an der Vorderseite abgestrahlten Welle, da sie. nach einer Strecke von λ/2 eine Phasendrehung um 180 ° erfahren hat. Zu diesem Zweck

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schneiden sich die reflektierenden Flächen 16* und 13' bzv. 14¹ und 15¹ unter rechten Winkeln, wobei der Abstand vom Schnittpunkt zu einer Ebene in der Mitte zvischen den Flächen 22 und 23 λ/4 beträgt. Der Schvinger ist relativ zu den reflektierenden Flächen so angeordnet, daß das nach hinten abgestrahlte Signal nur auf die zveite und dritte reflektierende Fläche 13' und 14' gerichtet ist. Im Grundriß ragen also die Seitenkanten des Schvingers 20 nicht über die Schnittlinien der einander benachbarten reflektierenden Flächen hinaus.

Bei der praktischen Ausführung ist der vorspringende Mittelteil 12 als Träger ausgebildet, voran auch der Schwinger befestigt ist. Dies zeigt Fig. 2 im einzelnen. Der Mittelteil 12 ist oben abgeflacht und bildet eine Fläche 17, auf der der Schvinger aufruht und z. B. mittels Schrauben 18 befestigt ist. Die Fläche 17 hat eine Breite X; der entsprechende Teil des Schwingers bleibt inaktiv. Die Gesamtbreite Y des Schvingers umfaßt somit einen inaktiven Teil X und zvei aktive Teile. Die Linie 19 stellt die Phasenfront des nach hinten abgestrahlten Signals dar, nachdem es insgesamt eine halbe Wellenlänge zurückgelegt hat. Diese λ/2-Front 19 liegt, vie man sieht, in gleicher Ebene vie die Oberseite des Schwingers Um dies zu erreichen, muß der horizontale Abstand der Schnittlinie der beiden reflektierenden Flächen von der Mittelachse des Mittelteils 12 λ/4 + i/2 X betragen. Die Breite des Schwingers 20 senkrecht zur Mittelachse darf somit nicht mehr als λ/2 + X betragen. In Fig. 2 sind die Rückseitenvelle und die Phasenfront 19 nur für

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die rechte Hälfte des Wandlers gezeichnet. Auf der anderen Seite sind die Verhältnisse dieselben.

Der Wandler ist in bekannter Weise mit einer passenden Flüssigkeit gefüllt und mit einem Deciel 25 versehen, dessen Werkstoff möglichst gleiche Uebertragungseigenschaften vie das Medium, worin der Wandler arbeiten soll, hat. Für Seewasser besteht der Deckel 25 vorzugsweise aus einem Spezialgummi mit der Bezeichnung Rho-C und das Gehäuse ist mit Rizinusöl gefüllt. Für sehr große Meerestiefen, z. B. 3 000 m oder mehr kann eine andere Flüssigkeit verwendet werden, die den Ausbreitungseigenschaften von Seewasser bei dem Betriebsdruck und der Betriebstemperatur besser entspricht. Hierfür sind Flüssigkeiten auf der Basis von Silikon geeignet.

Aus der Elastizitätstheorie ist bekannt, daß ein kritischer Winkel 0 (gemessen von der Normale zu einer Oberfläche) existiert, oberhalb dessen eine die betreffende Oberfläche treffende Welle total reflektiert wird. 0er kritische Winkel 0 hängt von den Eigenschaften der ( beiden aneinandergrenzenden Medien hinsichtlich der Schallgeschwindigkeit in ihnen ab. Das eine Medium ist hier die Flüssigkeit, mit welcher der Wandler gefüllt ist, während das andere Medium dasjenige des Gehäuses ist. Besteht das reflektierende Gehäuse beispielsweise aus Edelstahl, so hat der kritische Winkel 0 eine Größenordnung von 19 °, Erfindungsgemäß ist die Anordnung stets so getroffen, daß die reflektierenden Flächen unter einem Winkel getroffen werden, der größer als der kritische Winkel ist.

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Der Schwinger 20 ist als tristall dargestellt. Ss können aber die verschiedenen bekannten Arten von Ultrascha11schwingern vervendet verden, z. B. piezoelektrische, piezokeraraische, magnetostriktive Schwinger usw. Sie können entweder aus einem Stück oder aus mehreren aneinanderstoßenden Teilen bestehen. Es können mehrere Anordnungen gemäß Fig. 1 nebeneinander angebracht sein.

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Für gewisse Anwendungen ist es erwünscht, wenn der Öffnungswinkel W der Strahlungskeule in einer zum Meeresboden senkrechten .Ebene möglichst groß, z. B. nahezu 90 ° ist, wahrend in einer zum Meeresboden parallelen Ebene der Oeffnungwinkel weniger als 1 ° betragen soll. Mit der Anordnung nach Fig. 1 läßt sich diese Forderung leicht erfüllen, wenn der Schwinger 20 nur genügend lang, nämlich mehrere Wellenlängen lang gemacht wird.

Bei anderen Anwendungen soll eine rotitationssymmetrische Strahlungskeule erzielt werden. Hierfür ist die Anordnung nach Fig. 3 I

geeignet. Der dort gezeigte Wandler besitzt ein Gehäuse 30 mit ' ebenfalls V-förmigem Querschnitt, das einen vorspringenden Mittel- < teil 32 und Seitenteile 34 und 35 hat. Das Gehäuse ist hier aber im Gegensatz zu Fig. ι nicht prismatisch, sondern zylindrisch, d. h. die dargestellten Seitenlinien des Mittelteils 32 gehören zu einem Kegel 37, während die Linien 34 und 35 in einem reflektierenden kegelstumpfförmigen Teil 39 liegen, der den Kegel 37 in der kreisförmigen Linie 41 schneidet.

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Sin scheibenförmiger Schwinger 44 ist auf der Oberseite des vorspringenden Teilt 32 befestigt. Seine Vorderseite 45 strahlt bei Erregung ein« Welle F ab, während die Rückseite 46 gleichzeitig eine Welle B nach hinten abstrahlt, die 180 ° phasenverschoben gegen die Vorderseitenvelle ist. Der Kreisförmige Schwinger 44 vollführt also schirmartige Biegeschwingungen. Das QerKt ist wieder mit einer passenden Flüssigkeit gefüllt und mit einem Deckel 48 abgeschlossen, der in gleicher Weise wie bei Fig. 1 und 2 ausgebildet ist.

Die Betriebsweise der Anordnung nach Fig. 3 ist grundsätzlich dieselbe wie diejenige der Anordnung nach Fig. 1, da das nach hinten abgestrahlte Schaltsignal zweimal reflektiert wird und schließlich in der Ebene des Schwingers mit gleicher Phase wie die nach vorn abgestrahlte Welle auftritt. Der Durchmesser des Schwingers 44 soll nicht größer als derjenige des Schnittkreises 41 sein, um die zweite reflektierende Fläche 39 nicht zu verdecken. Der Querschnitt in Fig. 2 gilt auch für Fig. 3* Die inaktive Strecke X ist hier (

nicht eine Breite, sondern ein Durchmesser. Der Qesamtdurchmesser Y des Schwingers 44 ist auch hier nicht größer als λ/2 + X.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die einen Rundstrahler betrifft. Die Anordnung ist etwa symmetrisch um eine horizontale Mittelebene durch den Schwinger, wobei zueinander symmetrische Teile mit gestrichelten Bezugszeichen versehen sind. Das Gerät nach Fig. 4 enthält einen Schwinger 50 mit oberer Stirn-

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fläche 52, unterer Stirnfläche 53, innerer zylindrischer Fläche und äußerer zylindrischer Fläche 55. Der Schwinger 50 arbeitet bei entsprechender Erregung als atmender Schwinger, d. h. die zylindrischen Innen- und Außenflächen 54 und 55 bewegen sich stets in gleicher Radialrichtung.

Zwei reflektierende Flächen 58 und 61 befinden sich an konischen ^ Teilen 59 und 62. Zum leichteren Verständnis sind die reflektierenden Flächen und die Schwinger in Fig. 5 nochmals im Achsenschnitt dargestellt. Die Kegel 59 und 62 haben die gleiche Mittelachse und sind mit ihren Scheiteln einander zugekehrt. Der radiale Abstand von der Schnittebene der beiden Kegel zu einer Stelle in der Mitte zwischen den Schwingerflächen 54 und 55 beträgt λ/4. Die Kegel haben je einen Oeffnungswinkel von 9P °, so daß ihre Flächen um 90 ° gegeneinander geneigt sind. Die Länge des Schwingers beträgt λ/4. Durch diese Anordnung ergibt sich eine Rundstrahlcharakteristik in einer Ebene senkrecht zur Wandelachse, vorzugs- * weise in der Horizontalebene. Durch den zweiten, symmetrischen Teil in Achsenrichtung wird die Charakteristik in einer durch die Wandlerachse gehende Ebene, also einer Vertikalebene, beeinflußt. Der Oeffnungswinkel der Richtcharakteristik in der Vertikalebene nimmt ab, wenn die gesamte effektiv strahlende Fläche des Wandlers zunimmt.

Die Seflexionskegel 59, 62, 62' und 59' können aus einzelnen Stücken bestehen und mittels einer axialen Stange 64 zusammengehalten werden.

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Die untere Stirnseite 53 des lingschvingers 50 stößt gegen einen Sitz 66 in der Nähe der Basis des Kegels 59· Der Schvinger reicht nicht höher als bis zur Schnittebene der beiden Reflexionskegel. Ein Ring 69 liegt auf der oberen Stirnfläche 52 und der Schwinger vird mittels eines Halterings 71 festgehalten, der an Stäben 72 sitit, die an einem Endteil 74 befestigt sind. Letzterer kann aus einem Stück mit dem Kegel 59 bestehen oder auch nicht.

Der dargestellte Vandler strahlt auf seinem ganzen Umfang gleich- I phasige Wellen ab und liefert demgemäß eine Rundstrahlcharakteristik in der Horizontalebene, sovie eine kardioidförmige Charakteristik in der Vertikalebene· Bei zunehmender axialer Länge hinsichtlich der Wellenlänge des λ vird die Breite der Kardioide vergrößert.

Als Abänderung können Teile der oberen Hälfte, die mit gestrichelten Bezugszeichen versehen sind, andere Abmessungen haben und mit einer anderen Frequenz betrieben verden als die Teile der unteren Hälfte, so daß sich ein Doppelfrequenzvandler oder auch ein Mehrfachfrequenz vandler in einem gemeinsamen Gehäuse ergibt. Die einzelnen Abschnitte sind hierbei voneinander unabhängig. Zur Vervirklichung des Breitbandvandlers können mehrere Schvinger 50, 50* usv. und die zugehörigen Reflektoren mit passenden Größen koaxial zusammengesetzt und mit verschiedenen Frequenzen betrieben verden, die das gevünschte Frequenzband überdecken.

Um das Ganze zusammenzuhalten, sind Zugstäbe 76 vorgesehen, die

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durch die Haltering« 71 und 71' gehen und an den Endteilen 74 ■und 74* befestigt sind. Ein zylindrischer Deckel 78 ist an den Endteilen befestigt und umgibt die vandlerelereente· Der Deckel kann vieder aus Rho-C- Summi bestehen· Der innere Hohlraum des Wandlers kann mit einer Flüssigkeit durch das Loch 80 gefüllt verden, das mit einer Schraubkappe 61 verschlossen verden kann.

In Fig. 1 waren die beiden gegeneinander geneigten reflektierenden Flächen eben. In Fig. 3 waren sie als konische Flächen ausgebildet, von denen die eine die andere ringförmig umgibt. In Fig. 4 sind die beiden konischen Flächen axial gegeneinander versetzt. Ggf. können die reflektierenden Flächen noch veiter abgeändert verden, um eine andere Charakteristik, kleine Korrekturen von Nebenzipfeln oder eine Anpassung an verschiedene körperliche Ausführungen zu gestatten. Einige Beispiele hierfür sind in Fig. bis 12 schematisch gezeigt.

In Fig. 6 bis 12 sind jeveils ein Schvinger und zvei reflektierende Flächen im Schnitt dargestellt. Bei dem Schvinger ist stets angenommen, daß seine Vorder- und Rückseite in gleicher Sichtung schvingen. Im übrigen kann es um einen plattenförmigen, scheibenförmigen oder ringförmigen Schvinger handeln. Die reflektierenden Flächen haben jeveils die entsprechende Gestalt«

Fig. 6 zeigt nochmals schematisch die in Fig. 1, 3 und 4 herrschenden Verhältnisse. Die von der Rückseite des Schwingers ausgehende

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Welle wird zweimal reflektiert und kommt nach einem Gesamtweg von λ/2 in einer Iben* oder Flüche an, die in gleicher Höhe wie der •chwing erliegt und alt λ/2-Fhasenfront bezeichnet ist. Die Breite des Schwingen ist λ/4 und der Abstand von der Mittelebene des Schwingers sur Schnittlinie der beiden reflektierenden Flächen beträgt ebenfalls λ/4. Die reflektierte Welle ist also gleichphasig mit der direkt abgestrahlten Welle.

In Fig. 7 ist die Anordnung ebenfalls so getroffen, daß die λ/2- ί Phasenfront in gleicher Höhe mit der Vorderseite des Schwingers

liegt, jedoch ist die Breite des Schwingers kleiner als λ/4.

Da der Abstand von der Mittelebene des Schwingers zur Schnittlinie

der reflektierenden Fliehen λ/4 betragen soll, ist der Schwinger in einem geringen Abstand χ oberhalb der ersten reflektierenden

Fläche angeordnet.

In Fig. 8 ist der Schwinger mit der Breite λ/4 derart oberhalb der ersten reflektierenden Fläche angeordnet, daß der Abstand von seiner Mittelebene bis zur Schnittlinie der reflektierenden Flächen größer als λ/4» aber kleiner als λ/2 ist. Die λ/2-Phasenfront befindet sich infolgedessen etwas hinter der Vorderseite des Schwingers, d. h. es tritt «ine Phasennacheilung ein.

In Fig. 9 ist die Breite des Schwingers kleiner als λ/4 und dasselbe gilt fur den Abstand seiner Mittelebene von der Schnittlinie der reflektierenden Flächen, wodurch sich eine vor der Vorderseite des Schwingers liegende λ/2-Phasenfront ergibt.

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Die Wirkungen von Fig. 8 und 9 können gemäß Fig. 1O kombiniert verden, indem die zveite reflektierende Fläche stufenförmig ausgebildet ist. So ergeben sich nach Wunsch voreilende und nacheilende λ/2-Phasenfronten.

In Fig. 11 ist der Schvinger gleich breit oder schmäler als λ/4 und befindet sich in einem Abstand χ oberhalb der ersten reflektierenden Fläche. Die zveite reflektierende Fläche ist derart ge-" krümmt, daß die λ/2-Phasenfront sich stetig an die Vorderseite des Schvingers anschließt und sich allmählich nach unten krümmt, um schließlich die zveite reflektierende Fläche zu treffen.

Fig. 12 zeigt eine Abänderung der Fig. 11, bei der die erste reflektierende Fläche unter einem Winkel von veniger als 45 ° gegen die Vertikale angeordnet ist. Die zveite reflektierende Fläche ist derart gekrümmt, daß die λ/2-Phasenfront von der Vorderseite des Schvingers zu einer Stelle verläuft, die niedriger als in Fig. 11 liegt.

Zahlreiche der in Fig. 6 bis 12 illustrierten Möglichkeiten können zu einer Einheit kombiniert verden. Ein solches Gerät ist in Fig. 13 im Schnitt gezeichnet. Die reflektierenden Flächen sind vie in Fig. 4 konisch ausgebildet und die ganz rechts befindliche reflektierende Fläche stellt einen gevölbten Rotationskörper dar. Der Schvinger gans links und die zugehörigen reflektierenden Flächen entsprechen der Fig, 9} der mittlere Schvinger und die zu-

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gehörigen reflektierenden Flächen entsprechen der Fig. 6 und der rechte Schwinger mit den zugehörigen Flächen entspricht der Fig. 12.

Bs wurde ein Wandler gemäß Fig. 4 für eine Frequenz von 6,72 gebaut. Bei dieser Frequenz betrug die Wellenlänge in der FUIlflttssigkeit 22 cm (λ/2 = 11 cm, λ/4 = 5,5 cm). Der Schwinger 50 war als keramischer lörper aus Bleizink-Titanat ausgebildet und hatte einen mittleren Durchmesser von 12,5 cm mit einer wanddicke von etwa 7 mm; er wurde als Art runder Kingschwinger betrieben· Der Abstand zwischen den Stirnflächen 53 und 52 betrug 5*5 cm, also eine viertel Wellenlänge. Die Gesamtlänge des Wandlers von der unteren Stirnfläche des Schwingers 50bis zur oberen Stirnfläche 53* des Schwingers 50* betrug eine volle Wellenlänge λ, also 22 cm.

Die in Fig. 8 und 9 gezeigten voreilenden und nacheilenden λ/2-Phasenfronten können statt durch konstruktive Mittel auch durch Änderung der Frequenz erzeugt werden. Beispielsweise hatte der obige Wandler bei 6,72 kHz eine halbe Wellenlänge von elf cm. Wenn der gleiche Wandler mit euer Frequenz von 1O kHz betrieben wird, liegt seine Wellenlänge*λ/2 in der Größenordnung von 7,5 cm. ^D±e λ/2-Phasenfront liegt in diesem Falle hinter der Vorderseite des Schwingers. Bei Betrieb mit einer Frequenz kleiner als 6,72 kHz läßt sich umgekehrt eine Phasenvoreilung erzielen.

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Pig·· 14 zeigt noch ein Ausftihrungsbeispiel der Erfindung. Ein .Schwinger 95 ist in Seitenansicht dargestellt« Es kann sich um einen Ringschwinger handeln, oder venn die Seitenteile 96 und des Schvingers unterstützt sind, kann der Schwinger rechteckig oder rund sein, wie es in Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Hinter der Suckseite 102 des Schwingers befindet sich der Reflektor mit den reflektierenden Flächen 1O5 und 106, die einen Vinkel miteinander bilden. Der Abstand von der Rückseite 102 zur Schnittlinie der Flächen 105 und 106 ißt λ/4. Die von der Rückseite 102 abgestrahlte Schallwelle trifft also den Reflektor auf der ersten Fläche 105, wird zur zweiten Flache 106 reflektiert und kehrt von dort zur Rückseite 102 zurück. Ebenso trifft das von der anderen Hälfte des Schwingers ausgehende, nach hinten abgestrahlte Schallsignal zuerst die zweite Fläche 106, wird von dort zur ersten Fläche 105 und dann zur Rückseite 102 reflektiert. Die beiden reflektierenden Flächen 105 und 106 bilden einen Vinkel von 90 miteinander und da der Abstand von der Rückseite 102 des Schwingers zur Schnittlinie λ/4 beträgt, legt die nach hinten abgestrahlte Schallwelle R insgesamt einen Weg von λ/2 zurück und ist dann gleichphasig mit dem ursprünglichen Schallsignal. Der Auftreffwinkel der Schallwelle auf den Reflektor ist stets größer als der kritische Vinkel 0, so daß Totalreflexion stattfindet.

ORDIAL WSPECTED

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Claims

«ph* β. WeMmmn ^ U87569

München gg /ff

ν Wld.nmoy.r.ir.1. 4f München, den 2 S, Aug. 1968

^Tetß9et8e W 469 -Dr. Hk/Ni

Westinghouse Electric Corporation in Bast Pittsburgh, Pa., V.ST.a.

Patentansprüche

?) Blek tromechani scher Wandler mit einem Schwinger, der Schallenergie in mindestens zwei Sichtungen abstrahlt, gekennzeichnet durch einen Schallreflektor (12), der die in der einen Sichtung abgestrahlte Schallenergie in die andere Richtung umlenkt.
2. Wandler nach Anspruch 1, bei dem die beiden AbStrahlungsrichtungen entgegengesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor die empfangene Schallenergie zweimal umlenkt.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierte Schallenergie im Anschluß an die unmittelbar abgestrahlte Schallenergie aus dem Wandler austritt.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (23) aktive Vorder- und Rückseiten hat und daß die Vorderseite (22) die Schallenergie unmittelbar abstrahlt,
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor mindestens zwei schallreflektierende Fliehen besitzt,

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-I-it

die je einen Winkel mit der einfallenden Schallenergie bilden, der größer als der kritische Winkel O ist, bei dem akustische Totalreflexion eintritt.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallenergie von der Rückseite des Schvingers nacheinander auf die reflektierenden Flächen auftrifft.
7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallenergie von der Rückseite des Schwingers eine ungerade Anzahl von halben Wellenlängen zurücklegt, bevor sie in gleicher Höhe vie die unmittelbar abgestrahlte Schallenergie aus dem Wandler austritt.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenfront der reflektierten Energie eine stetige Fortsetzung der Phasenfront der vorn abgestrahlten Energie des Schvingers bildet.
9. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenfront vor der Vorderfläche des Schvingers liegt.
10. Wandler nach Anspruch J₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenfront hinter der Vorderfläche des Schvingers liegt.

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11. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen eine resultierende Phasenfront erzeugen, die vom Schwinger weg gekrümmt ist.
12. Wandler nach einen der Ansprüche J,bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flachen unte r einem Winkel von 90 ° zusammenstoßen,
13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwinger nebeneinander und mehrere reflektierende Flüchen nebeneinander vorgesehen sind, wobei die reflektierenden Flächen paarweise den Schwingern zugeordnet sind.
14. wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite reflektierende Fläche jedes Paares an die zweite reflektierende Fläche eines anderen Paares anschließt und daß die zugeordneten Schwinger solcher anschließender Paare beiderseits derselben angeordnet sind.
15. Wandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger eben ausgebildet sind und in einer gemeinsamen Ebene liegen.
16. Wandler nach Anspruch 15· dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger und die reflektierenden Flächen rotationssymmetrisch zu einer gemeinsamen Achse sind.

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17. Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwinger zylindrisch sind.
18. Wandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flüchen konisch ausgebildet sind.
19. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger sich vollständig im Wege der

ψ reflektierten Schallenergie befindet, die so gerichtet ist, daß sie gleichphasig mit der unmittelbar vom Schvinger abgestrahlten Schallenergie ist.
20. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schvinger sich außerhalb des Weges der reflektierten Schallenergie befindet, so daß diese gleichphasig mit der unmittelbar vom Schwinger abgestrahlten Schallenergie austritt.
. 21. Wandler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schvinger in einem gevissen Abstand vom Reflektor angeordnet ist.
22. Wandler nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger auf dem Reflektor in einem solchen Winkel befestigt ist, daß die zum Reflektor gerichtete Schallenergie auf diesem unter einem größeren Winkel als dem kritischen Winkel der Totalreflexion -auftrifft.

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23. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kaum ζvischen dem Schvinger und dem Reflektor mit einem Stoff ausgefüllt ist, der im wesentlichen die gleichen Uebertragungseigenschaften hat wie das Medium, durch das die vom Wandler ausgehenden Schallwellen laufen sollen.
24. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Schallempfänger betrieben werden i kann, auf dessen Reflektor die ankommende Schallenergie auftrifft und dessen Schwinger die reflektierte und die unmittelbar aufgenommene Schallenergie in ein/ elektrisches Signal umwandelt.

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