DE1773384B2 - Druckwellenempfänger - Google Patents

Description

to Die Erfindung betrifft einen Druckwellenempfänger mit mindestens einem Empfangsteil, bestehend aus einem Empfängerkörper von im wesentlichen zylindrischer Form mit einem Endteil und einem empfindlichen, scheibenförmigen Empfangselement, das sich zwischen einer ersten und einer zweiten, kreisdeckelförmigen Elektrode befindet, welche aus einem zylindrischen, fest am Endteil des Empfängerkörpers befestigten und aus einem kreisförmigen, ebenen Teil besteht, auf dem das Empfangselement befestigt ist

Durch die US-PS 3158 763 ist ein derartiger Druckwellenempfänger bekanntgeworden, der zur Messung von Druckwellen in Explosionsmotoren dient Innerhalb eines Zylinderkörpers ist ein zylindrischer Kopf relativ beweglich gegenüber dem Zylinderkörper angeordnet, der mittels einer ringförmigen Membran gehalten ist. Der Kopf trägt in seinem Innern einen Sandwich, bestehend aus Elektrode, Empfangselement und wiederum einer Elektrode, wobei die letztgenannte eine isolierte Mittelanzapfung aufweist. Die erste Elektrode steht mit dem Kopf in leitender Verbindung, der als leitende Hülse ausgestaltet ist. Das Empfangselement ist ein Piezo-Kristall, der nur auf Druck beansprucht werden kann, so daß der Kristall nur eine Stauchung erfährt. Als Druck-Weiterleitungsfläche dient nur eine Ringfläche der Membran, um die wirksame Fläche klein zu halten. Diese Anordnung ist nicht sehr empfindlich, da in der Regel die größte elektromotorische Kraft eines Piezo-Kristalls bei dessen Beanspruchung auf Biegung gewonnen wird.

Eine große Empfindlichkeit ist hier auch nicht notwendig, da die Anordnung zum Messen von Druckwellen hoher Energie dient

Des weiteren ist durch die US-PS 3198 013 ein weiterer Druckwellenempfänger bekanntgeworden, bei dem innerhalb eines Gehäuses auf einem Sockel ein ungefähr kubischer Piezo-Kristall angeordnet ist, auf dem eine Platte aufliegt, die von zwei Zugfedern in ihrer Lage gehalten wird. Dieser Druckwellenempfänger ist empfindlicher als der erstgenannte, da dessen wirksame Druckübertragungsfläche durch die Platte vergrößert ist. Jedoch wird auch hier der Piezo-Kristall nur auf Druck, also auf Stauchung beansprucht. Des weiteren ist der Piezo-Kristall relativ massiv ausgeführt, da er zusätzlich unter der Druckwirkung der beiden Vorspann-Federn steht Das aber bedingt einen Piezo-Kristall, der nicht optimal empfindlich ist. Darüber hinaus müssen die Druckwellen Bohrungen innerhalb eines Deckels des Druckwellenempfängers passieren, so daß innerhalb des Raumes zwischen dem Deckel und der Absperrmembran Reflektionen auftreten können, die bei empfindlichen Messungen das Meßergebnis verfälschen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, einen Druckwellenempfänger der eingangs genannten Gattung für Druckwellen, insbesondere zur Aufnahme von in Wasser ausgesendeten Druckwellen zu schaffen, der eine größere Empfindlichkeit als die bekannten Druckwellenempfänger aufweist und der einfach aufge-

baut sein solL

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die Elektroden über dem Endteil angeordnet sind, dem die zweite Elektrode direkt benachbart ist, deren zylindrischer Teil den Endteil des Empfängerkörpers umfaßt und an diesem befestigt ist und deren ebener Teil flexibel ist und mit dem Endteil einen freien Raum bildet.

Der hervorstechende Vorteil des erfindungsgemäßen Druckwellenempfängers besteht darin, daß dieser gegenüber den bekannten Druckwellenempfängern eine höhere Empfindlichkeit aufweist. Diese wird dadurch erreicht, daß der Piezo- Kristall auf Biegung beansprucht wird und nicht auf Druck. Denn die Biegeempfindlichkeit ist bei gleichem Kristallgitter um ein Vielfaches höher als die Druckempfindlichkeit. Darüber hinaus steht auf Grund der scheibenförmigen Ausdehnung des Piezo-Kristalls eine sehr große Energieempfangsfläche zur Verfügung. Eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit wird dadurch erreicht, daß die Abdeckung des Kristalls nur durch eine dünne und äußerst flexible Gummimembran erfolgt, so daß die ankommende Druckenergie fast ungehindert das Empfangselement erreichen kann. Dadurch ist auch eine Verfälschung des Meßergebnisses durch Reflektionen der ankommenden Druckwellen nicht mehr möglich.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Höhe des freien Raumes geringer ist als der Maximaldurchhang der elastischen Verformung des ebenen Teils der zweiten Elektrode, so daß bei stärksten Druckwellen die Elektrode einfach auf der Oberfläche des Endteils aufliegt, ohne daß eine weitere Verformung und dadurch ein Zerstören des Piezo-Kristalls erfolgen kann.

Des weiteren zeichnet sich der erfindungsgemäße Druckwellenempfänger durch einen sehr einfachen Aufbau und Zusammenbau aus, so daß jederzeit Teile leicht ausgewechselt werden können.

Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Druckwellenempfängers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand dreier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer ersten Konstruktionsart des Empfängers,

Fig.2 eine Schnittansicht einer zweiten Konstruktionsart des Empfängers,

F i g. 3 eine Schemazeichnung einer Empfängergruppe,

Fig.4 eine Schemazeichnung der Stellung des empfindlichen Elements bezüglich der Trägerelektrode und

F i g. 5 einen Teilschnitt einer dritten Konstruktionsart des Empfängers.

Gemäß F i g. 1 umfaßt der Druckwellenempfänger in der Hauptsache einen Empfängerkörper 1 von im wesentlichen zylindrischer Form, der als Träger einer Anzahl von Elementen dient und der Ausnehmungen für die Aufnahme und Befestigung dieser Elemente besitzt.

In der Endfläche des Empfängerkörpers 1 ist eine ringförmige Rille 2 vorgesehen, so daß durch diese ein zylindrisches Endteil la gebildet wird, welches auf dem Empfängerkörper 1 aufsitzt. Eine erste Elektrode 3a in Gestalt eines kreisförmigen Deckels umfaßt eine zylindrische und eine flache Wandung. Die zylindrische Wandung ist fest am Empfängerkörper 1 befestigt. Die flache Wandung muß sehr dünn sein, während andererseits die zylindrische Wandung möglichst stärker sein soll, um die Festigkeit der Elektrode zu gewährleisten. Diese Elektrode, die aus Metall sein kann, wird in den Endteil la des Empfängerkörpers 1 angepaßt, der durch die ringförmige Rille 2 abgegrenzt ist, und zwar so, daß ein freier Raum 4 zwischen der Elektrode 3a und dem Endteil la verbleibt Die Elektrode 3a weist des weiteren einen kreisförmigen Rand auf, der durch eine torusförmige Dichtung 6 vom

ίο Empfängerkörper eingegrenzt ist, welch letztere sich im Unterteil der ringförmigen Rille 2 befindet. Eine Ringmutter 7 wird in diese Rille 2 eingeschraubt, um die Elektrode 3a im Empfängerkörper nieder zu halten.

Ein empfindliches Empfangselement 8, beispielsweise

)5 ein sehr dünner piezoelektrischer Kristall, ist in dem kreisförmigen Mittelteil der Elektrode 3a befestigt Eine zweite Elektrode 3b, etwa ein kreisförmiges Metallstück, ist an dem Empfängerelement auf der der Elektrode 3a entgegengesetzten Seite befestigt

Zwei zylindrische Ausnehmungen 9a, 9b sind in der Seitenwand des Empfängerkörpers 1 eingelassen; diese Ausnehmungen haben je einen Niet 10a, 106 aus leitendem Material. Diese sind jeweils mit den Elektroden 3a, 3b durch die Leiter 11 a, 11 b verbunden.

Das durch die vorgenannten Elemente gebildete Aggregat wird von einer Hülse 12 umgeben, die aus elastischem und isolierendem Material besteht, das für Schallwellen durchlässig ist; die Hülse hat Öffnungen, die mit den Ausnehmungen 9 im Empfängerkörper korrespondieren. Ein Toruswulst 13 aus dem gleichen Material umgibt jede dieser öffnungen. Die Hülse besitzt außerdem einen Toruswulst 14 an ihrem kreisförmigen Rand zur Angrenzung gegen die dem Kristall gegenüberliegende Seite des Empfängerkörpers 1.

Die Ausnehmungen 9a, 9b sind jeweils mit einem Stopfen 15a, 15i> möglichst aus Isoliermaterial verschlossen, wobei jeder Stopfen einen leitenden Teil 16a, 166 hat, der mit den Nieten 10a, \0b in Verbindung steht.

Nicht eingezeichnete Leiter, die mit diesen Kontakten verbunden sind, dienen als elektrische Ausgänge des Empfängers. Die durch den Kopf der Stopfen 15 gequetschten Toruswülste 13 sichern die ordnungsgemäße Dichtigkeit zwischen den Teilelementen an beiden Seiten der Hülse 12.

Der Empfängerkörper 1 ist an der dem Kristall entgegengesetzten Seite an einem Zylinderteil 17 befestigt, der eine zentrale Höhlung 18 hat, welche an der dem Empfängerkörper gegenüberliegenden Seite des Teils 17 durch eine Membran 19 aus elastischem, wasserundurchlässigem Material verstöpselt ist, die durch eine Ringmutter 20 gehalten wird. Ein Kanal 21 in der Wand des Teiles 17 wird nach Bedarf durch den Stopfen 22 verschlossen. Ein ringförmiger Raum oder Kammer 23 verbleibt zwischen dem Empfängerkörper 1 und dem Teil 17. An seiner Peripherie ist er durch den Toruswulst 14 der Hülse 12 begrenzt, wodurch die Undurchlässigkeit zwischen diesem Raum 23 und dem Außenmedium gewährleistet ist.

Ein Kanal 24 in dem gleichen Teil 17 verbindet die Kammer oder den Raum 23 mit der Höhlung 18. Ein sehr dünner Kapillarkanal 25 im Empfängerkörper 1 bewirkt die Verbindung der Höhlung 18 mit der KamTier 4.

Nach dem Zusammenbau der verschiedenen Bauelemente des Empfängers kann man vorteilhaft in den Kanal 21 eine Flüssigkeit einfüllen, die eine gute Übertragung der Druckwellen gewährleistet, u. a. etwa

öl. Die Flüssigkeit breitet sich in der Kammer bzw. dem Raum 23 aus, dringt dann in die Höhlung 18 durch den Kanal 24 und schließlich durch den Kanal 23 in den Raum 4.

Die das Innere des Empfängers umspülende Flüssigkeit unterliegt einem äußeren Druck (hydrostatischer Druck) über die Membrane 19. Dieser Flüssigkeitsdruck wirkt auf die Innenfläche der Elektrode 3a und bewirkt die Biegebeanspruchung des Kristalls 8. Der Kapillarkanal 25 wirkt so, daß nur die niederen Frequenzen des akustischen Signals durchgehen können, wie bei schon bekannten Konstruktionen.

Der oben beschriebene und in dem angeführten Beispiel dargestellte Empfänger umfaßt, wie erwähnt, einen ölbehälter, der mit dem freien Raum zwischen der Elektrode 3a und dem Mittelteil des Empfängerkörpers kommuniziert.

Nach einer anderen Konstruktionsmethode des Empfängers, die in F i g. 2 dargestellt ist, fällt der ölbehälter weg, was die Anordnung weiter vereinfacht. Eine neuartige Form der Elektrode 3a bewirkt noch weitere Vereinfachungen.

Bezugnehmend auf F i g. 2 ist ein Gerät gezeigt, das grundsätzlich aus einem Empfängerkörper 1 von im wesentlichen zylindrischer Form besteht, welcher die einzelnen Konstruktionselemente trägt, wie dies bereits bei der ersten Konstruktionsform gezeigt wurde.

Der Körper 1 kann z. B. aus Plastikmaterial bestehen; seine Zylinderwand zeigt eine ringförmige Rille 2, in welcher eine Torusdichtung 6 eingelassen ist. Eine erste Elektrode 3a in Form eines kreisförmigen Deckels mit einer zylindrischen und einer flachen Wandung wird in den Empfängerkörper 1 eingepaßt z. B. durch Verschraubung oder durch Einklinken, wobei ein freier Raum 4 zwischen der flachen Wandung und dem Element 1 verbleibt. Die Abdichtung dieses Raums wird durch die Torusdichtung 6 bewirkt. Die Elektrode 3a kann aus leitendem Material oder auch z. B. aus Plastikmaterial bestehen, das geformt ist und an der ebenen Außenfläche einen leitenden Überzug besitzt. Die ebene Fläche muß sehr dünn sein, während der zylindrische Teil stärker ist. Die besondere Formgebung dieser Elektrode verleiht ihr eine Festigkeit, die alle Formänderungen, ausgenommen der durch die ankommenden Druckwellen verursachten, verhindert. Der freie Raum zwischen dem ebenen Teil der Elektrode 3a und dem Empfängerkörper muß so beschaffen sein, daß die Elastizitätsgrenze dieser Elektrode nicht erreicht wird, wenn dieselbe mit dem Empfängerköiper in Berührung kommt.

Ein empfindliches Element 8, z. B. ein piezoelektrischer, sehr dünner Kristall, ist in den Mittelteil der ebenen Fläche der Elektrode 3a eingelassen.

Eine zweite Elektrode 3b, z. B. aus einem kreisförmigen Metallstück bestehend, ist an dem Detektorelement an der der Elektrode 3a entgegengesetzten Seite befestigt. In der Zylinderwandung der Elektrode 3a sind zwei Durchgänge 26a, 26b für die Durchführung der Leiter 11a, lift vorgesehen, welche jeweils die Elektroden 3a, 3b mit den Klemmen 27a, 27b verbinden, welch letztere mit dem Empfängerkörper 1 verblockt sind. Diese Klemmen können z. B. als leitende Teile ausgebildet sein, die an der dem Detektorelement entgegengesetzten Seite in dem Empfängerkörper eingelassen sind.

Das Aggregat aus den oben beschriebenen Elementen wird von einer Hülse 12 aus elastischem Isoliermaterial umschlossen, die für Schallwellen durchlässig ist und mit einem Flansch 13 versehen ist, der auf der dem Detektorelement entgegengesetzten Fläche des Empfängerkörpers aufliegt und die Hülse festhält.
Der Flansch 13 der Hülse ist zwischen dem Empfängerkörper 1 und einem Zylinderteil 17 eingeklemmt, der zwei Höhlungen 28a, 28b besitzt, die jeweils einen Stutzen 29a, 29b aus leitendem Material aufnehmen, in welche jeweils die Klemmen 27a, 27b passen. Die Stutzen 29a, 29b sind andererseits mit weiteren Klemmen 30a, 3OZ? verbunden, die an die elektrischen Ausgänge des Empfängers (hier nicht dargestellt) hinführen. Es geht daraus hervor, daß die Montage eines solchen Unterwasser-Schallempfängers gegenüber derjenigen der oben beschriebenen Ausführungsform wesentlich vereinfacht ist und die Verwendung sehr viel geringer dimensionierter Teile gestattet. Es ist insbesondere festzustellen, daß bei dieser Konstruktionsweise die besondere Formgebung der Elektrode 3a und des Empfängerkörpers 1 die Verwendung eines besonderen Zwischenhaltestücks (Mutter 7 der ersten Konstruktionsart) überflüssig macht.

Ein Empfänger wie in der ersten oder der zweiten Konstruktionsform beschrieben, bietet neben den besonderen Eigenschaften wie: große Empfindlichkeit, sehr einfache Bauweise, und vollständige Auseinandernehmbarkeit, noch weitere Vorteile. In der Praxis gestattet diese Konstruktion die Zusammenfassung mehrerer Empfänger des gleichen Typs in einer gemeinsamen Längsachse, wodurch gleichzeitig die statischen Druckkomponenten und die Wirkung der Beschleunigung ausgeschaltet werden, welch letztere auf die Empfänger wirkt, wenn sie von einem beweglichen Zugelement geschleppt werden.

Während der Grundsatz der Kompensierung der Beschleunigung von solchen Empfängern an sich bekannt ist, gestatten diese Geräte eine besonders einfache Anwendung dieses Grundsatzes, wie es schematisch in Fig.3 gezeigt wird. Nach diesem Schema sind vier Empfänger 31, 32, 33, 34 in einer gemeinsamen Längsachse zusammengefaßt und untereinander starr durch eine gemeinsame Hülse 35 verbunden, die für Schallwellen durchlässig ist, wie in F i g. 2 gezeigt. Ihre elektrischen Ausgänge sind se miteinander verbunden, daß in einem Empfängerpaar deren Detektoren 8 einander gegenüberliegen, die Außenelektroden 3b untereinander und mit einer Negativklemme verbunden sind, während die untereinander verbundenen inneren Elektroden 3a zu einei Positivklemme gehören, wobei in dem aufeinanderfolgenden Empfängerpaar, deren Elementdetektoren einander gleichfalls gegenüberliegen, die Außenelektroder 3b untereinander und mit einer Positivklemme verbunden sind, während hier die Innenelektroden 3i untereinander und mit einer Negativklemme ir Verbindung stehen.

Da die Empfänger dieser Gruppe unter sich völlig gleich sind, ist es einfach und wenig arbeitsaufwendig, irr Bedarfsfall einen defekten Empfänger auszuwechseln Bei sonst gleichen Bedingungen läßt sich die Empfind lichkeit dadurch steigern, daß der Detektor 8 in Fig.' mit einem Durchmesser gebaut wird, der höchstem gleich ist demjenigen des kreisförmigen Umfangs de: Mittelteils der Elektrode 3a. Dieser Mittelteil ist durcl die Stellen der Wendepunkte dieser Elektrode unter dei Wirkung des Maximaldrucks begrenzt, den der Empfän ger unter Betriebsverhältnissen auszuhalten hat. So laß sich beispielsweise sagen, daß für eine Elektrode 3i

deren Mittelteil einen Durchmesser von 26 mm hat, ein Detektorelement von 20 mm Durchmesser gute Ergebnisse erzielt hat.

Des weiteren wurde festgestellt, da.3 die Empfindlichkeit des Empfängers dadurch erhöht wird, daß man ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Stärke des Mittelteils der Elektrode 3a und derjenigen des Detektorelements einhält.

Bezeichnet man mit eje die Stärke der Elektrode und mit es diejenige des Detektors, dann soll das Verhältnis ee: e3a möglichst zwischen 1,5 und 1 liegen. So gibt z. B. eine Messingelektrode von 16 mm Durchmesser und 0,2 mm Stärke im Verein mit einem Detektorelement von 0,3 mm Stärke gute Resultate.

Eine weitere Sonderkonstruktion des Empfängers nach folgender Beschreibung gestattet eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit dieses Empfängers.

Bekanntlich wird im Falle des Unterwasser-Schall-

empfängers nach der ersten Ausführungsform der Druck der Schallwellen durch die Hülse 12 auf ein Aggregat übertragen, das aus dem Detektor 8 und den Elektroden 3a, 3b über deren gesamte Fläche besteht.

Nach der in F i g. 5 veranschaulichten Konstruktionsweise wird der Schallwellendruck auf das Detektorelement in der Mitte des Geräts gelenkt. Ein Ringstück 36 mit in der Hauptsache gleichem Durchmesser wie die Elektrode 3b, das einen zentralen Vorsprung 37 aufweist, wird zwischen der Hülse 12 und der Elektrode 3b eingeschaltet, wobei der Vorsprung 37 gegen die Elektrode zu liegen kommt, und zwar in deren Mittelteil.

Der Schallwellendruck, der auf die ganze Fläche der Scheibe 36 einwirkt, konzentriert sich somit auf den zentralen Teil der Elektrode 3b, und zwar in der Hauptsache auf den Mittelteil des eingebauten Detektors, woraus sich eine wesentliche Erhöhung der Empfindlichkeit des Empfängers ergibt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Druckwellenempfänger mit mindestens einem Empfangsteil, bestehend aus einem Empfängerkörper von im wesentlichen zylindrischer Form mit einem Endteil und einem empfindlichen, scheibenförmigen Empfangselement, das sich zwischen einer ersten und einer zweiten, kreisdeckelförmigen Elektrode befindet, welche aus einem zylindrischen, fest am Endteil des Empfängerkörpers befestigten und aus einem kreisförmigen, ebenen Teil besteht, auf dem das Empfangselement befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (3a, 3b) über dem Endteil (ia) angeordnet sind, dem die zweite Elektrode (3a) direkt benachbart ist, deren zylindrischer Teil den Endteil (ia) des Empfängerkörpers (1) umfaßt und an diesem befestigt ist und deren ebener Teil flexibel ist ur;d mit dem Endtei! (1 a^einen freien Raum (4) bildet.

2. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des freien Raums (4) geringer ist als der Maximaldurchhang der elastischen Verformung des ebenen Teils der zweiten Elektrode (3a).

3. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandung der zweiten Elektrode in über Längserstreckung Durchlässe (26a, 266,) für die elektrischen Leiter (Ha, 11 b) besitzt, welche mit der ersten und der zweiten Elektrode verbunden sind.

4. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene Teil der zweiten Elektrode (3a) im Vergleich zu deren zylindrischem Teil dünnwandig ist.

5. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderwandung des Empfängerkörpers eine Rille (2) aufweist in welcher eine Torusdichtung (6) in dauernder Berührung mit dem Zylinderteil der zweiten Elektrode steht.

6. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode einen ringförmigen Wulst (6) in einer ihrem flachen Wandungsteil im wesentlichen parallelen Ebene aufweist, und daß der Wulst am Empfängerkörper mittels elastischer Glieder befestigt ist.

7. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Empfangselements (8) möglichst gleich dem Durchmesser des Umfangs ist, welcher durch die Wendepunkte der zweiten Elektrode (3a^ unter der Wirkung des im Betrieb auftretenden Maximaldrucks begrenzt wird.

8. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des Empfangselements (8) im wesentlichen zwischen dem 1- und dem l,5fachen der Stärke des ebenen Teils der zweiten Elektrode (3a) liegt.

9. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfängerkörper (1), das Empfangselement (8) und die Elektroden (3a, 3b) von einer geschmeidigen und verformbaren Hülse (12) umschlossen sind, die mit mindestens einem torusförmigen Dichtwulst (13, 14) versehen ist.

10. Druckwellenempfänger nach Anspruch 1, bestehend aus einer Anordnung von mehreren Empfangselementen, die elektrisch parallel geschaltet und sich gegenüberliegend angeordnet sind, wobei die Polarität zweier benachbarter Elemente entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangselemente durch einen gemeinsamen Träger miteinander verbunden sind.