DE1951999A1

DE1951999A1 - Unterwasser-Schallwandler

Info

Publication number: DE1951999A1
Application number: DE19691951999
Authority: DE
Inventors: Bozich Daniel J
Original assignee: Wyle Laboratories Inc
Current assignee: KBR Wyle Services LLC
Priority date: 1968-10-15
Filing date: 1969-10-15
Publication date: 1970-04-16
Also published as: FR2020725A1; JPS5018774B1; GB1281945A; US3500304A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

DiPL.-InG. H.WeICKMANN, D1PL.-PHYS. DR. K. FlNCKE

D1PL.-ING. F. A-Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

WYLE LABORATORIES

128 Maryland, El Segundo, California, V.St.A.

Unterw as s er-Schallw andl er

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf die Erzeugung und/oder den Empfang von sich über einen weiten Bereich erstreckenden Schalldrücken in einem flüssigen Medium bzw. insbesondere auf eine Anordnung zum Betrieb von Unterwasser-Breitband-Schallwandlern. ·

Das Übertragungsfrequenzspektrum von im folgenden beschriebenen impulsweise arbeitenden Unterwasser-Schallwandlern hängt von den Gesamtabmessungen der Strahlungsflächen, von den mechanischen Eigenschaften der dynamischen Wandleranordnungen, durch die die Strahlungsimpedanzkurven der Kopplung zwischen den Oberflächen und dem Schallmedium festgelegt werden, und von den mechanischen Impedanzeigen'schaften der ^Anordnungen ab, die die Wandlerflächen ansteuern. Die Frequenzbandbreite os^e^? Wandleranordnung hängt von der geeigneten Anpassung der Strahlungsimpedanζ der impulsweise arbeitenden

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Wandleroberfläche und von der gesamten mechanischen Impedanz der Steuer-Wandleranordnung ab. Die Gesamtgröße der Strahlungsoberfläche bestimmt die Arbeitsfrequenz des jeweiligen Wandlers.

Die Strahlungsreaktanzmasse kommt zu der baulichen Masse der jeweiligen pulsierenden Oberfläche hinzu und bewirkt damit eine erhebliche Absenkung der Resonanzfrequenz eines geeignet ausgelegten Wandlers und eine besonders schnelle Abnahme der Massenbelastung mit steigender Frequenz über ein ziemlich breites Frequenzband hinweg. Der Strahlungswiderstand auf der anderen Seite steigt mit zunehmender Frequenz bei Betrachtung über dasselbe breite Frequenzband (v/ie es für die Reaktanzmassenlast gilt) an. Das insgesamt erzielte Ergebnis ist eine leichte Unterwasser-Schallquelle mit einem ziemlich

flachen Leistungs-Breitband-Frequenzspektrum bzw. umgekehrt ein Breitband-Hydrophon.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Unterwasser-Schallwandler zu schaffen, der über einen weiten Frequenzbereich wirksam zu arbeiten imstande ist. Der neu zu schaffende Unterwasser-Schallwandler soll ferner eine hohe Abgabeleistung besitzen und durch Anwendung neuer Prinzipien verschiedene Formen zu erzielen erlauben.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe mit Hilfe eines Unterwasser-Schallwandlers, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Vielzahl von Bauelementen unter Bildung einer Wandlerstrahlerfläche derart nebeneinander angeordnet ist, daß sich die Oberkanten der Bauelemente einander berühren, daß οedes Bauelement eine Oberkante und eine von dieser durch einen Mittelsteg getrennte Unterkante besitzt, daß der Mittelsteg länglich ausgebildet und auf gegenüberliegenden Seiten mit Längsnuten versehen ist, daß eine Vielzahl von elektro-

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striktiven Elementen mit den Bauelementen im Bereich der in·diesen gebildeten Längsnuten verbunden ist, daß zwischen den elektrostriktiven Elementen vorgesehene und mit diesen in Kontakt befindliche Sammelschienen auf benachbarten Bauelementen angeordnet sind und daß an die Sammelschienen und an die Bauelemente ein Signal mit einer bestimmten Frequenz anlegbar ist, derart, daß die Bauelemente Schwingungen mit der bestimmten Frequenz ausführen.

Bei einer besonderen Ausführungsform ist eine Zylinderwand gebildet, die in radialer Richtung pulsiert. Dies ist dadurch erreicht, daß die Zylinderwand aus einer Vielzahl länglicher Teile besteht, die als Strahler dienen. Diese Strahler sind unter Bildung des Zylinders zusammengesetzt, wobei an den Strahlerwänden keramische piezoelektrische Elemente befestigt sind, und zwar derart, daß sie sich zwischen den Strahlern erstrecken und auf diese radiale Antriebskräfte ausüben. Die Enden der Zylinder sind von festen Stirnplatten abgedeckt, und die Zylinderwand ist von einer Gummihaut überzogen, die außerdem als Abdichtung dient und einen Unterwasserbetrieb ermöglicht.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung mit den ihr anhaftenden Merkmalen und Vorteilen nachstehend näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit zum Teil weggelassener Seitenwand, um den Innenaufbau der Anordnung zu veranschaulichen. .

Fi^. 2 zeigt eine Schnittansieht entlang der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie 2-2.

Fig. 5 zeigt eine bei dem erfindungsgemäßen Unterwasser-Wandler verwendete Deckplatte.

Fig. 4- zeigt eine bei dem erfindungsgeraäßen Unterwasser-Wandler verwendete Boden-Platte.

Fig. 5 zeigt in einer vergrößerten Schnittansicht ein in der Wand des Wandlern verwendetes Strahlungselement.

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Fig.'6 zeigt in einer Draufsicht einen typischensphärischen Drei%ks-Wandler entsprechend einer anderen möglichen Anordnung, die die erfindungsgemäßen Prinzipien anwendet. Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang der in Fig. 6 eingetragenen Schnittlinien 7-7·

Fig. 8 zeigt ein typisches Bauelement sowie den Zusammenbau eines elektrostriktiven Elementes.
Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht von Fig. 8.

Fig. 10 zeigt eine bei der in Fig. 7 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführuhgsform verwendete Sammelschiene.

^ Im folgenden wird an Hand eines Au-sführungsbeispiels die Erfindung als zylindrischer Wandler näher erläutert, ohne daß damit eine Beschränkung der Erfindung verbunden sein soll. Die Erläuterung des erwähnten Ausführungsbeispiels soll lediglich dem Verständnis der Erfindung dienen. In Fig. 1 ist in näheren Einzelheiten eine Wandleranordnung gemäß der Erfindung aargestellt. In Fig. 2 bis 5 sind konstruktive Einzelheiten dieser Anordnung dargestellt. Bei einer tatsächlich ausgeführten V/andleranordnung gemäß der Erfindung besaß die aktive Außenoberfläche einen Außendurchmesser von 762 mm und eine Länge von 762 mm. Die aktive Oberfläche dieser Anordnung bestand aus 60 vertikal um eine Umfangslinie herum angeordneten Strahlern 10, durch die ein zu den Seitenwänden hin offener Zylinder gebildet wurde. Als Strahler dienten etwa 1800 miteinander verklebte Blei-Zirkonat-Keramikblöcke 12 mit den Abmessungen 25,4 mm zu 25,4 mm zu 12,7 mm. Die Verbindung erfolgte mittels eines schlecht leitenden Klebemittels; der mittlere Radius der Klebverbindung von der Zylindermitte aus betrug etwa 540 mm. In Fig. 2, in der eine Schnittansicht entlang der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie 2-2 dargestellt ist, sind die Strahler geschnitten dargestellt, und außerdem ist die Art und Weise ersichtlich, in der die Keramikblöoke 12 an diesen Strahlern befestigt sind. Fig. 5 zeigt in einer vergrößerten Schnittansieht einen Strahler mit auf beiden Seiten des

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Strahlermittelteiles angeordneten Keramikblöcken.

Wie aus Fig. 2 und 5 ersichtlich ist, besitzt der Strahler ein I-förmiges Aussehen-, wobei die Grundseite des "I" die Außenwand des Zylinders bildet und nach außen wegstehende Bereiche 14 und 16 aufweist. Diese Bereiche 14 und 16 dienen dazu, in entsprechende Bereiche benachbarter Strahler einzugreifen. Der Mittelteil oder Steg 18 des "I" weist Nuten auf, an welchen die Keramikblöcke befestigt werden können* Der Strahler kann aus gespritztem Aluminium hergestellt sein.

Bei der tatsächlich ausgeführten Ausführungsform der Erfindung waren die Strahler zu einem Zylinder mit einem Außendurchmesser von 762 mm zusammengesetzt. Der Innendurchmesser des Zylinders betrug ca. 584 mm, und die Länge des Zylinders betrug 762 mm. Benachbarte Strahler waren durch Kupfer-Sammelschienen 20 voneinander getrennt, welche sich mit den Strahlern nahezu gemeinsam ausdehnen. Die Sammeischienen erstrecken sich dabei zwischen den Keramikblöcken, wodurch eine kompakte Einheitskonstruktion geschaffen ist. Jede Sammelschiene berührt die Keramikblöcke , die auf den Strahlern zu beiden Seiten der betreffenden Sammelschiene angeordnet sind. Dies sind etwa

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19,4 cm Oberfläche auf ca. 6,5 cm Keramik-Querschnittsfläche.

Die Keramikblöcke sind auf ihren gegenüberliegenden Seiten versilbert, die eine Abmessung von 25,4 zu 25,4 mm besitzen. Die Keramikblöcke sind so polarisiert, daß eine maximale Spannung von JO 000 V„q für einen linearen Frequenzbereich angelegt werden kann. Die Sammelschienen sind an.jedem Ende mittels flexibler Kupferbänder (nicht dargestellt) miteinander verbunden, v/eiche ihrerseits mit dem Band 22 verbunden sind und als eine ein Potential an die Keramikblöcke anlegende Elektrode dienen. Jedes Ende dedes Strahlers ist mittels eines nachgiebigen Bandes 24 aus rostfreien Stahl mit der Abdeckplatte 26 verbunden. Die Abdeckplatte ist ferner mit einem Band 28 verbunden. Die Bänder 22 und 28 sind an Durchführungsklemmen 23 bzw. 29 angeschlossen.

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. Die nachgiebigen Bänder 24 aus rostfreiem Stahl, welche die Strahler mit der Abdeckplatte verbinden, ermöglichen eine radiale Bewegung der Strahler-Zylinderanordnung, ohne in Bezug auf die Wandler-Traganordnung einem Zwang ausgesetzt zu sein. Dadurch ist es ferner möglich, daß sämtliche Strahler das gleiche Erdpotential annehmen.

Sämtliche Metallflächen, die mit Wasser in Berührung sind, bestehen aus korrosionsfestem rostfreien Stahl. Die Abdeckplatte 26 weist eine öffnung auf, die von einer kleinen Abdeckplatte 30 abgedeckt ist. In der kleinen Abdeckplatte 30 befindet sich eine Öffnung, die einen Stöpsel 31 trägt, durch welchen die Zuführungsanschlußklemmen laufen. Ein gegenüberliegender Stöpsel 32 sitzt in einer Kabel-EinführungsÖffnung, die durch, ein Metallrohr 35 gebildet ist, das an der Oberseite der kleinen Abdeckplatte angeschweißt ist. Das Speisekabel ist mit dem Stöpsel 32 verbunden. Der Stöpsel 32 wird durch einen Dichtungsstöpsel 37 in seiner Stellung festgehalten. Der Dichtungsstöpsel 37 ist dabei auf das Metallrohr 35 aufgeschraubt. Die Abdeckplatten 26 und 30 sind aus ca. 25,4 mm dicken rostfreien Stahl.hergestellt.

Das in Jig. 1 dargestellte Rohr 40 aus rostfreiem Stahl besitzt einen Innendurchmesser von ca. 304 mm und eine Wanddickevon 25,4 mm. Dieses Rohr 40 dient als Mitteltragteil. Es ist an der Bodenplatte 42 angeschweißt, und an der Oberseite des Rohres 40 ist an diesem ein Hansen 44 angeschweißt. Die obere Abdeckplatte 26 liegt mittels einer Dichtungs-Kreisscheibe 48 auf dem Flansch 44 auf; sie ist an dem Flansch mittels Schrauben 50 angeschraubt. Der Mittelteil des Rohres ist offen, so daß in diesen Teil Wasser eindringen und den Auftrieb des Wandlers herabsetzen kann.

Auf der oberen Abdeckplatte ist eine Schwenkverschraubungs-

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anordnung 52 ausgerichtet und angeschweißt. Diese Schwenkvers ehraubungsanordnung 52 dient dazu, den Wandler anzuheben bzw. abzusenken. Ferner dient diese Schwenkversehraubungsanordnung 52 dazu, die obere Abdeckplatte zum Zwecke des Zusammenbaus oder des Auseinandernehmens des Wandlers anzuheben. Die betreffende Spannschraube verhindert dabei ein Verdrehen des Speisekabels, indem es Tragkabeln ermöglicht, sich aufzudrehen. Die gesamte Anordnung kann von Stickstoffgas umströmt sein, das durch einen Gaseinlaß und ein Auslaßventil hindurchtritt. Auf diese Weise ist ein vollkommen trockener Betrieb sichergestellt, und außerdem ist die Funkenbildung zufolge von Feuchtigkeit verhindert.

Die äußere Zylinderfläche der Strahler ist mit einer hinsichtlich der Impedanz angemessenen zylindrischen Gummihaut. . überzogen, die an der oberen und unteren Abdeckplatte jeweils mittels Druckbänder 62, 64- befestigt ist. Um die Außenfläche herum ist ein Gitter 66 aus rostfreiem Stahl angeordnet. Dieses Gitter verhindert eine Beschädigung des Gummis. Um die obere und untere Abdeckplatte herum sind voneinander versetzt Befestigungsansätze 68 angeschraubt. Diese Befestigungsansätze dienen dazu, das Gitter aus rostfreiem Stahl festzuhalten. An der unteren Abdeckplatte sind Füße 70 angesehweißt. Diese Füße dienen dazu, eine Beschädigung des Gitters und des Gummis während des Transportes zu verhindern.

Der Wandler strahlt horizontal nach allen Richtungen mit einer Frequenz, die unterhalb von etwa 2000 Hz liegt. Der Wandler arbeitet über einen Frequenzbereich von zumindest zwei Oktaven wirksam, der einen Frequenzbereich von 100 Hz bis über 10 000 Hz überdeckt. Die Verwendung der Reaktanzmassenlast zur Erzielung eines Betriebs bei niedriger Frequenz anstatt der Verwendung der eigentlichen dynamischen Baumasse führt zu einem leichteren, billigeren und wirksamer arbeitenden Wandler.

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Aus der Erläuterung der Grundkonstrüktion des Wandlers dürfte hervorgehen, daß auch andere Wandlerformen möglich sind, die bisher nicht erzielt werden konnten. Dies kann einfach dadurch erfolgen, daß die Strahler in geeigneter Weise bogenförmig ausgebildet und in ihrer Länge gekürzt werden, wenn ihr Frequenzbereich erhalten bleiben und die Möglichkeit gegeben sein soll, eine Übereinstimmung mit einer gewünschten Umfangsform herbeizuführen. So kann z.B., wie Fig. 6 bis 10 erkennen lassen, ein gleichseitiger spärisch gekrümmter Dreiecks-Wandler hergestellt werden. Ein sphärisches Dreieck ist eine radiale Projektion eines gleichseitigen Dreiecks auf eine Kugel. Dies kann zur Bildung der Seiten eines regelmäßigen Polyeders, wie eines Tetraeders, Oktaeders oder Ikosaeders benutzt werden. In Fig. 6 ist dabei eine Draufsicht auf ein gleichseitiges sphärisches Dreieck dargestellt. Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht entlang der in Fig. eingetragenen Schnittlinie 7-7· In Fig. 8 ist schließlich die Anordnung eines Elementes gezeigt, zu dessen beiden Seiten Keramikplättchen an diesem befestigt sind. In Fig. 9 ist eine Draufsicht dieses Elementes "wiedergegeben, -und Fig.. 10 zeigt eine Kupfersammeischiene, die mit dem in Fig. 8 dargestellten Element verwendet wird.

Das in Fig. 6 dargestellte sphärische Dreieck 72 besteht aus bogenförmigen Strahlern 74·, bei denen auf gegenüberliegenden-Seiten des Elementes JH- an versetzten Stellen längs dieses Elementes Keramikplättchen 76 befestigt sind. Jedes dieser Elemente läuft zu einem-Anschlußteil 75. aus-, in 'welchem sich ein Loch befindet. Damit ist, sofern erforderlich, eine Verbindung zu einem benachbarten Element ermöglicht.

Die Keramikplättchen sind an dem Element 74- leitend befestigt. Um sicherzustellen, daß zwischen benachbarten Elementen keine Potentialdifferenz vorhanden ist, sind, wie aus Fig. 7 hervorgeht, benachbarte Elemente durch Bänder 78 miteinander verbunden,

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Wie aus Fig. 10 hervorgeht, wird ein bogenförmiger Kupferstreifen 80 als Gegenelektrode für das an die Keramikplättchen angelegte Potential benutzt, welche an dem bogenförmigen Strahlerteil befestigt sind. Diese Kupferstreifen sind ebenfalls an die Außenseiten der Keramikplättchen leitend angeklebt und durch Bänder elektrisch miteinander verbunden. Die oberen Enden der Strahler und der Kupferelektroden sind über Leitungen 82, 84 mit einer druckdichten Stopfbuchsen-Stöpselanordnung 86 verbunden, welche zur Kabeltrennung dient. Sofern erwünscht, ist eine Anhebe-Schraubenanordnung 88 vorgesehen.

Es sei bemerkt, daß die die Keramikplättchen tragenden Strahlerteile so angeordnet sind, daß die Keramikplättchen auf benachbarten Strahlern durch eine gemeinsame Kupferelektrode beabstandet sind, welche mit benachbarten Keramikplättchen leitend verbunden ist. Die Außenfläche dieser Strahlerteile ist natürlich mit einer kompatiblen. Impedanz-Gummischicht überzogen, und zwar in der Weise, wie es im Zusammenhang mit dem zylinderförmigen Wandler erläutert worden ist. Diese Gummihaut kann, sofern erforderlich, von einem Drahtnetz geschützt sein.

Auf die elektrische Erregung des Wandlers hin erfahren die Keramikplättchen in an sich bekannter Weise eine Änderung in ihren Abmessungen, und zwar derart, daß das jeweilige Strahlerteil zusammengedrückt wird, wodurch sich die radialen Abmessungen ändern. Auf diese Weise dehnt sich die Oberfläche des Wandlers aus, bzw. sie bewegt sich nach außen. Mit Verschwinden der Erregung kehrt die Oberfläche in ihre Ursprungsform zurück.

Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens können von der Dreiecksform abweichende Wandleroberflächenformen hergestellt werden. So.^können ζ,.Bv sphärisch gekrümmte Vierecke hergestellt werden, bei denen es sich um Projektionen der

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Seiten eines Würfels auf die Oberfläche einer Kugel handelt. Es können auch regelmäßige sphärische Pentagone hergestellt werden, bei denen es sich um die Projektionen der Seiten eines Dodekaeders auf die Oberfläche einer Kugel handelt. Die Art und Weise, in der diese !Formen erreicht v/erden können, entspricht der Art und Weise, in der die dreieckförmigen Elemente hergestellt wurden, wie sie in Fig. 6 bis 10 dargestellt sind. Eine Ausnahme hiervon bildet jedoch der Austausch der sphärischen Dreiecke durch ein sphärisches Viereck oder durch ein sphärisches Fünfeck.

Sofern erwünscht, können auch andere geometrische Formen hergestellt werden, indem eine große Anzahl von elektrostriktiven Elementen an aktive Schwingungs-Bauteile befestigt wird, die dann entsprechend der jeweiligen Wandlerform zusammengestellt werden. Ein auf diese Weise hergestellter Wandler besitzt eine große Arbeitsbandbreite, wodurch er nicht nur für die normalen Anwendungsfälle von Wandlern in Verbindung mit der Schallmessung verwendet werden kann, sondern auch für Nachrichtenverbindungen durch Sprachfrequenzübertragung und zur Aufnahme von akustischen Signalen als Hydrophon. Auf Grund der durch die erfindungsgemäße Grundkonstruktion erzielbaren erhöhten Abgabeleistung kann der Unterwasser-Nachrichtenübertragungsbereich erheblich erweitert werden.

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Claims

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/1 .J Unterwasser-Schallwandler, dadurch gekennzeichnet, daß ■ ' eine Vielzahl von Bauelementen (10) unter Bildung einer ¥andlerstrahlerflache derart nebeneinander angeordnet ist, daß sich die Oberkanten (14,16) der Bauelemente (10) einander berühren, daß jedes Bauelement· (10) eine von seiner Oberkante durch einen Mittelsteg (18) getrennte Unterkante besitzt, daß der Mittelsteg (18) länglich ausgebildet und auf gegenüberliegenden Seiten mit Längsnuten versehen ist, daß eine Vielzahl von elektrostriktiven Elementen (12) mit den Bauelementen (10) im Bereich der in diesen gebildeten Längsnuten verbunden ist, daß zwischen den elektrostriktiven Elementen (12) .vorgesehene und mit diesen in Eontakt befindliche Sammelschienen (20) auf benachbarten Bauelementen (10) angeordnet sind und daß an die Sammelschienen (20) und an die Bauelemente (10) ein Signal mit einer bestimmten Frequenz anlegbar ist, derart, daß die Bauelemente (10) Schwingungen mit der bestimmten Frequenz ausführen.
2. Unterwasser-Schallwandler nach Anspimch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (10) aus Aluminium bestehen, und daß die elektrostriktiven Elemente (12) aus einem polarisierten keramischen Material bestehen.
3* Unterwasser-Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerstrahlerfläche mit einer Impedanzanpassungs-Gummischicht (60) überzogen ist.
4. Unterwasser-Schal!wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsoberfläche kurvenförmig ausgebildet ist.

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5. Unterwasser-Schallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauelemente (10) umfassende Vibrationselemente auf einem Kreis unter Bildung einer zylindrischen Strahlungsoberfläche angeordnet sind, daß ein Zylindertragteil (40) zentrisch in diesem Kreis angeordnet ist, daß die Bodenkanten der die Bauelemente (10) umfassenden Vibrationselemente an dem zylindrischen Teil (42) befestigt sind, daß eine Abdeckplatte (26)

an dem Zylindertragteil (40) befestigt ist und den |t _. Bereich zwischen diesem Zylindertragteil (40) und der zylindrischen Strahlungsoberfläche umschließt, und deß die durch die Vielzahl von Vibrationselementen gebildete Oberfläche von einer elastischen Schicht (60) überzogen ist. -■"·..'
6. Ünterwasser-Schallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen Bauelemente (-10) in Längsrichtung derart gekrümmt sind, daß die einander benachbarten Vibrationselemente eine kruvenförmige Strahlungsoberfläche besitzen, die zumindest ein Teil einer Kugeloberfläche ist.

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