DE2100473B2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents
Elektroakustischer WandlerInfo
- Publication number
- DE2100473B2 DE2100473B2 DE19712100473 DE2100473A DE2100473B2 DE 2100473 B2 DE2100473 B2 DE 2100473B2 DE 19712100473 DE19712100473 DE 19712100473 DE 2100473 A DE2100473 A DE 2100473A DE 2100473 B2 DE2100473 B2 DE 2100473B2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- piezoelectric
- vibration
- housing part
- ring
- active
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 3
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 230000002706 hydrostatic effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000009931 pascalization Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler zur Unterwasserschallabstrahlung von zwei
verschiedenen Frequenzen mit einem widerstandsfähigen, metallischen, wasserdicht ausgeführten Gehäuse 4»
mit einem schwingungsaktiven Gehäuseteil, und mindestens einem im Inneren des Gehäuses angeordneten
piezoelektrischen Geber mit einer Eigenfrequenz fm
wobei das schwingungsaktive Gehäuseteil eine von dem oder den piezoelektrischen Gebern unterschiedliche ■»■>
Eigenfrequenz fa aufweist.
Derartige piezoelektrische Windler sind gegen Beanspruchungen durch den statischen Umgebungsdruck
sehr empfindlich, namentlich wenn diese Beanspruchungen nicht vollkommen gleichmäßig auf die ■">
<> piezoelektrischen Bauelemente verteilt sind. Dieses Phänomen ist besonders bei Wandlern von Nachteil,
welche für große Meerestiefen verwendet werden, wo der hydrostatische Druck linear mit der Eintauchtiefe
wächst. Die elektrostatischen Eigenschaften des Wand- >ri
lers werden in diesem Falle in großem und schwer vorhersehbarem Ausmaß verändert.
Der Wirkungsgrad solcher Wandler ist außerdem nur in einem einzigen schmalen Frequenzband beiderseits
der Hauptresonanzfrequenz oder Eigenfrequenz ausrei- «> chend. Diese Eigenfrequenz ist abhängig von den
Abmessungen und dem Aufbau des Wandlers. Für niedrige Frequenzen, 7. B. in der Größenordnung
einiger kHz, und für hohe akustische Abstrahlleistungen ergeben sich für gegenwärtige Wandler ein großes i>
Gewicht und Bauvolumen.
Aus der DE-AS 10 36 120 ist bereits ein elektroakustischer
Wandler bekannt, in dessen Gehäuse ein piezoelektrischer Impulsgeber angeordnet ist Die von
diesem Geber ausgesandten transversalen und longitudinalen Schwingungen können einerseits den Gehäusemantel
und andererseits das Boden- und Verschlußstück des zylindrischen Gehäuses zum Schwingen anregen.
Die beiden Eigenfrequenzen des schwingungsaktiven Gehäuses werden dabei durch den einzigen in dem
Gehäuse angeordneten Impulsgeber bestimmt
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektroakustischen Wandler der eingangs genannten Art derart
auszubilden, daß sein Arbeitsverhalten durch starke Änderungen des äußeren hydrostatischen Druckes
möglichst unbeeinflußt bleibt wobei an sich bekannte und erprobte Bauteile auf neuartige Weise zusammengestellt
sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der piezoelektrischen Geber nur über eine
einzige mechanische Verbindung allein mit dem schwingungsaktiven Gehäuseteil mechanisch und
schwingungsmäßig in einer solchen Weise verbunden ist daß das aus schwingungsaktivem Gehäuseteil und
piezoelektrischen Gebern bestehende System zwei Resonanzfrequenzen f\ und h aufweist, die von den
Eigenfrequenzen /j, des schwingungsaktiven Gehäuseteils
und fm der piezoelektrischen Geber verschieden sind.
Dadurch, daß jeder Geber nur eine einzige mechanische Verbindung mit einem Teil des Gehäuses hat,
werden die Geber voneinander und von eventuellen Gehäusedeformationen unabhängig. Ferner kann die
Eigenfrequenz des akustisch aktiven Gehäuseteils derart auf die Eigenfrequenz der Geber abgestimmt
werden, daß der Wandler zwei Resonanzbereiche aufweist, von denen der eine unterhalb der niedrigen
Eigenfrequenz und der andere in der Nähe der höheren Eigenfrequenz der beiden Systemkomponenten liegt.
Die mit /j bezeichnete Eigenfrequenz des Gehäuses
ist im allgemeinen kleiner als die mit fm bezeichnete
Eigenfrequenz der piezoelektrischen Geber. Ein erfindungsgemäßer Wandler kann daher als ein aus zwei
mechanischen Schwingern gekoppeltes System betrachtet werden, welches zwei Hauptresonanz- oder
Eigenfrequenzen aufweist, von denen die eine /Ί kleiner
als f„ ist und von denen die andere h in der Nähe von fm
liegt. Durch entsprechende Wahl der Werte f, und fm,
der Anzahl η von Gebern und durch entsprechende Verteilung von Masse und Elastizität lassen sich daher
die Frequenzen f\ und h in weiten Ausmaßen beeinflussen.
Das gleiche gilt für die Gütekoeffizienten Q und in allgemeinerer Weise für alle elektroakustischen Eigenschaften
des erfindungsgemäßen Wandlers. Zudem ermöglicht das Vorhandensein einer Eigenfrequenz
unterhalb der niedrigsten Eigenfrequenz der Systemkomponenten, Gewicht und Bauvolumen zu verringern.
In einer Ausgestaltung der Erfindung für eine allseitige Schallabstrahlung in einer Ebene ist vorgesehen,
daß das schwingungsaktive Gehäuseteil als Ring ausgebildet und mittels zweier akustisch inaktiver,
runder Deckel zu einem Gehäuse verschlossen ist, und daß mehrere piezoelektrische Geber in radialer
Ausrichtung an der Innenseite des Ringes angeordnet sind.
Mit dieser besonderen Bauform entsteht ein elektroakustischer Wandler, der bei geringstem Gewicht und
Platzbedarf außerordentlich hohen hydrostatischen Druck erträgt und eine frequenzkonstante Abstrahlleistung
in einer Ebene quer zur Ringachse bietet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigt
F i g. 1 einen elektroakustischen Windler in perspektivischer
Ansicht ohne die beiden akustisch inaktiven Deckel und
Fig.2 ein Ersatzschaltbild zur Berechnung der Eigenschaften dieses Wandlers.
Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsfonn besteht
das Gehäuse des Wandlers aus einem akustisch aktiven Ring i, welcher durch zwei nicht dargestellte seitliche
Deckel druckdicht abgeschlossen ist, die akustisch inaktiv sind. Im Inneren des Ringes 1 sind sternförmig
piezoelektrische Geber 2 angeordnet. Diese sind ausschließlich an der Innenseite des Ringes befestigt
und dienen dazu, den Ring akustisch zu erregen. Jeder Geber ist mit einer Gegenmasse 3 versehen, sein aktiver
Teil 4 besteht z. B. aus piezoelektrischen Keramikscheiben.
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht der Ring
aus Stahl, hat einen Außendurchmesser von 20 cm, einen Innendurchmesser von 17 cm und eine Höhe von 4,2 cm.
Es sind acht piezoelektrische Geber vorgesehen, deren Gegenmasse jeweils 170 g beträgt. Der aktive Teil der
Geber besteht aus zwei piezoelektrischen Keramikscheiben von 1 cm Dicke, 3,6 cm Außendurchmesser und
1,2 cm Innendurchmesser. Die Scheiben können mit einer elektrischen Spannung von 2.500 \ cff betrieben
werden.
Der so gebildete Wandler besitzt zwei Eigenfrequenzen von 6 und 26 kHz, während die Eigenfrequenz des
Ringes allein 8,5 kHz und die Eigenfrequenz eines Gebers alleine 24 kHz beträgt. Der Gütekoeffizient für
die untere Frequenz (6 kHz) beträgt 14, der Wirkungsgrad 0,84 und die abgestrahlte akustische Leistung
180 W bei einer Erregerspannung von 2500 V. Der Innenwiderstand Rp beträgt 27 kOhm. Die angeführten
Eigenschaften des Wandlers sind praktisch unabhängig vom Außendruck, der bis 400 bar reichen kann. Die
Ringdicke eft die zum Ertragen eines hydrostatischen Außendruckes ρ erforderlich ist, läßt sich durch
folgende Gleichung berechnen:
Ri s-2p
RIs
elektroakustischen Eigenschaften angepaßt werden kann.
Dieses zweite Ausführungsbeispiel bildet eine Abwandlungsform des ersten AusführungsbeispielE, die
τ einzelnen Bauteile sind gleichartig angeordnet Der Ring 1 hat jetzt einen Außendurchmesser von 33 cm und
eine Dicke von 4 cm. Er besteht aus der Legierung A U 4 G. Es sind zehn Geber vorgesehen, deren
Gegenmasse 596 g beträgt Der aktive Teil der Geber
ίο wird von vier piezoelektrischen Keramikscheiben aus
Bleizirkonat mit einem Außendurchmesser von 3,6 cm, einem Innendurchmesser von 1,2 cm und einer Dicke
von 1 cm gebildet Die untere Eigenfrequenz des Wandlers beträgt 2,5 kHz, die obere Eigenfrequenz 9,5
kHz, während die Eigenfrequenz eines Gebers allein 5 kHz und die des Ringes allein 10 kHz beträgt Der
Innenwiderstand beträgt 7.560 Ohm, und der Wirkungsgrad liegt bei 97%. Die abgestrahlte akustische Leistung
erreicht 4 kW bei einer Erregerspannung von 5.500 V.
Der Gütekoeffizicnt Q beträgt 4,8 bei der unteren Eigenfrequenz. Der Ring mit seinen beiden Deckeln
kann einem Druck von 200 bar widerstehen.
Die Eigenfrequenzen eines erfindungsgemäßen Wandlers lassen sich durch folgende Berechnung
2ϊ ermitteln. Es sei fa die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz
des schallabstrahlenden oder schwingenden Teils des Wandlergehäuses. Im Sonderfall eines Ringes ist
Hierin ist R die Zugfestigkeit des Ringwerkstoffes, s
die gewählte Sicherheit gegen Bruch und d der Ringdurchmesser. Allgemein läßt sich sagen, daß die
Außendruckunempfindlichkeit des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers es gestattet, entweder
seinen Einsatzbereich z. B. in Richtung auf größere Meerestiefen zu erweitern, oder eine Gewichtseinsparung
zu erzielen und gegebenenfalls die akustischen Eigenschaften zu verbessern.
Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt den weiten Bereich, in dem der Wandler den gewünschten
C1,
.-7 · d
wobei Cg die Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen
ist und dder Durchmesser des Ringes; fm sei die
ji Eigenfrequenz eines Gebers. Für einen Geber, wie er in
F i g. 1 dargestellt ist, gilt
Hierbei ist Em die Elastizität des Gebers, M1 ist der
Massenanteil, den man erhält, wenn die Masse des schwingenden Teils des Wandlergehäuses auf alle
Geber gleichmäßig aufgeteilt wird, und Mi ist die
Gegenmasse eines Gebers. Der Ring und die gekoppelten Geber können durch ein Ersatzschaltschild (F i g. 2)
dargestellt werden. In dieses Ersatzschaltbild sind die oben definierten Größen eingetragen und zusätzlich
einige weitere Hilfsrechengrößen, wie die Erregerkraft Fm des aktiven Teils (piezoelektrische Elemente), die
Schwinggeschwindigkeit V der Masse M\ und die Elastizität E3 des Ringes. Die Eigenfreouenzen /", und f2
erhält man durch Auflösung des Gleichungssystems, das den Ersatzschaltkreis beschreibt. Indem man fm = a · fa
setzt, erhält man eine Lösung in folgender Form:
/■
+ ir
(1 +er M,
M1 + M2
M1 + M2
Selbstverständlich können die Formen und physikalischen Eigenschaften der Bauteile des Wandlers im
Rahmen der Erfindung weitgehend verändert werden. Außerdem kann der statische Druck im Inneren des
Wandlergehäuses, der unabhängig vom Außendruck ist, auf einen beliebigen Wert oberhalb des Atmosphärendrucks
gebracht werden, wodurch entweder der Einsatzbereich des Wandlers erweitert oder eine
5 6
Gewichis^insparung erzielt wird und gegebenenfalls Im weiteren Sinne können sie aber nach dem
eine Verbesserung der elektroakustischen Eigenschaf- Reziprozitätsgesetz zur Aufnahme von Schwingungen
ten. aus dem umgebenden Medium und zur Umwandlung
Erfindungsgemäße Wandler im engeren Sinne sind dieser Schwingungen in elektrische Schwingungen
zur Abstrahlung akustischer Schwingungen bestimmt. 5 dienen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Elektroakustischer Wandler zur Unterwasserschallabstrahlung von zwei verschiedenen Frequenzen
mit einem widerstandsfähigen, metallischen, wasserdicht ausgeführten Gehäuse mit einem
schwingungsaktiven Gehäuseteil, und mindestens einem im Inneren des Gehäuses angeordneten
piezoelektrischen Geber mit einer Eigenfrequenz fm
wobei das schwingungsaktive Gehäuseteil eine von dem oder den piezoelektrischen Gebern unterschiedliche
Eigenfrequenz fa aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß jeder der piezoelektrischen Geber (2, 3, 4) nur über eine einzige
mechanische Verbindung allein mit dem schwingungsaktiven Gehäuseteil (1) mechanisch und
schwingungsmäßig in einer solchen Weise verbunden ist, daß das aus schwingungsaktivem Gehäuseteil
(1) und piezoelektrischen Gebern (2, 3, 4) χ bestehende System zwei Resonanzfrequenzen f\ uryd
/j aufweist, die von den Eigenfrequenzen fa des
schwingungsaktiven Gehäuseteils (1) und fm der piezoelektrischen Geber verschieden sind.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 für eine allseitige Schallabstrahlung in einer Ebene,
dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungsaktive Gehäuseteil (1) als Ring ausgebildet und mittels
zweier akustisch inaktiver, runder Deckel zu einem Gehäuse verschlossen ist, und daß mehrere piezoelektrische
Geber (2,3,4) in radialer Ausrichtung an der Innenseite des Ringes angeordnet sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7000220A FR2076200A5 (de) | 1970-01-06 | 1970-01-06 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2100473A1 DE2100473A1 (de) | 1971-07-15 |
DE2100473B2 true DE2100473B2 (de) | 1980-06-04 |
DE2100473C3 DE2100473C3 (de) | 1981-02-19 |
Family
ID=9048606
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19712100473 Expired DE2100473C3 (de) | 1970-01-06 | 1971-01-07 | Elektroakustischer Wandler |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS5015143B1 (de) |
CA (1) | CA941954A (de) |
DE (1) | DE2100473C3 (de) |
FR (1) | FR2076200A5 (de) |
GB (1) | GB1329953A (de) |
NL (1) | NL171649C (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2307277A1 (fr) * | 1975-04-11 | 1976-11-05 | France Etat | Antennes de sonar emettrices et directives de faible encombrement |
FR2570915B1 (fr) * | 1982-05-13 | 1989-06-30 | France Etat Armement | Transducteur electro-acoustique multifrequence et procede de construction |
DE3620085C2 (de) * | 1986-06-14 | 1994-03-10 | Honeywell Elac Nautik Gmbh | Rohrförmiger elektroakustischer Wandler |
-
1970
- 1970-01-06 FR FR7000220A patent/FR2076200A5/fr not_active Expired
- 1970-12-11 NL NL7018105A patent/NL171649C/xx not_active IP Right Cessation
- 1970-12-24 JP JP11853070A patent/JPS5015143B1/ja active Pending
-
1971
- 1971-01-05 GB GB50071A patent/GB1329953A/en not_active Expired
- 1971-01-05 CA CA102,145*7A patent/CA941954A/en not_active Expired
- 1971-01-07 DE DE19712100473 patent/DE2100473C3/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS5015143B1 (de) | 1975-06-03 |
GB1329953A (en) | 1973-09-12 |
DE2100473A1 (de) | 1971-07-15 |
NL171649C (nl) | 1983-04-18 |
DE2100473C3 (de) | 1981-02-19 |
NL171649B (nl) | 1982-11-16 |
CA941954A (en) | 1974-02-12 |
FR2076200A5 (de) | 1971-10-15 |
NL7018105A (de) | 1971-07-08 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE3214789C2 (de) | ||
DE69617000T2 (de) | Antriebsanordnung für akustische quellen | |
DE3515798A1 (de) | Vorrichtung und verfahren zur einleitung akustischer wellen in eine erdformation | |
DE2541492B2 (de) | Ultraschallwandler | |
DE2949930A1 (de) | Elektro-akustischer wandler fuer akustische abbildungseinrichtungen | |
DE2322499A1 (de) | Lautsprecher | |
DE3443869C2 (de) | ||
DE2853857A1 (de) | Ultraschall-ortungseinrichtung | |
DE3812244C1 (de) | ||
DE2539246A1 (de) | Piezoelektrischer wandler | |
DE2134706B2 (de) | Elektrostatisch-elektroakustischer Wandler mit einer in Teile mit unterschiedlichen Eigenresonanzen unterteilten Membran | |
DE3732412A1 (de) | Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristik | |
DE69010962T2 (de) | Akustischer Sender für Bohrlöcher. | |
EP0763232B1 (de) | Piezoelektrischer ultraschallwandler | |
DE2100473C3 (de) | Elektroakustischer Wandler | |
DE2615593C3 (de) | Ultraschallkeramikmikrophon | |
DE3620085C2 (de) | Rohrförmiger elektroakustischer Wandler | |
DE60124314T2 (de) | Rumpfsonar für seeschiff | |
DE69317616T2 (de) | Akustischer Wandler | |
DE3401979C2 (de) | ||
DE2914434C2 (de) | Stab-Ultraschallschwinger | |
DE19833213C2 (de) | Ultraschall-Sendeanordnung | |
DE3312318A1 (de) | Explosionsgeschuetzter elektroakustischer wandler | |
DE977407C (de) | Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen | |
DE2920087C2 (de) | Tastatur für ein Dateneingabegerät o.dgl |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OD | Request for examination | ||
OGA | New person/name/address of the applicant | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: ZINNGREBE, H., DR.RER.NAT., PAT.-ANW., 6100 DARMSTADT |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |