DE2121236A1 - Elektroakustischer Übertrager - Google Patents
Elektroakustischer ÜbertragerInfo
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Description
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Anmelder: Otto BRANDT, Villa Aurora - Quartier les
Faysses - 83 - JiE BRUSC und Bernard TOGQUET,
2, Hameau La Poussaraque - 83 - SANARY (Frankreich)
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Übertrager nach dem piezoelektrischen Prinzip, der eine
hohe Schalleistung besitzt und in großer Wassertiefe arbeiten kann.
Das Verhalten derartiger Übertrager verändert sich mit unterschiedlicher Eintauchtiefe in schwer vorhersehbarem
Umfang, wenn die piezoelektrischen Keramikteile, welche den Wandler des Übertragers bilden, ungleichmäßigen
Beanspruchungen unterworfen sind. Bekanntlich verändern sich die Eigenschaften derartiger Keramikteile
bedeutend, wenn diese anisotropen Beanspruchungen unterworfen werden und namentlich wenn die Beanspruchungen
in Polarisationsrichtung aufgebracht werden. Dieses Phänomen ist besonders bei Übertragern von Nachteil,
die in großen Wassertiefen im Meer eingesetzt werden sollen, wo die Kräfte infolge des hydrostatischen
Druckes linear mit der Eintauchtiefe wachsen und
1098S3/1126
Für Ί' f A f
29.4··71 Blatt 2 . Dipl.-lng. G. Schliebs
das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt
über die abstrahlende Fläche des Übertragers in der ungünstigsten Richtung aufgebracht werden.
Außerdem strahlt ein solcher Übertrager bei großer Eintauchtiefe einen beträchtlichen Anteil seiner Energie
in unerwünschte Richtungen ab, weil die infolge des Außendrueks auftretenden Kräfte ein ausreichendes Entkoppeln
der schwingenden Einheit des Übertragers von seinem Gehäuse nicht erlauben.
Bisherige Lösungsversuche führten zu extrem schweren
Konstruktionen mit geringem elektroakustischer]! Wirkungsgrad
und hohen mechanischen Verlusten. Eines der weitest verbreiteten Beispiele für solche Losungen besteht
darin, den Wandler im Übertragergehäuse in öl zu lagern, welches den hydrostatischen Druck auf die piezoelektrischen
Keramikteile überträgt. Hierbei besteht eine Koppelung zwischen dem Wandler und dem Übertragergehäus©3
und @@ treten innerhalb des Gehäuses stationäre Wellen auf, welche die elektroakustischen Eigenschaften
des Übertragers verändern.
Der Einsatz besonderer Werkstoffe zur akustischen Entkopplung
ist nur bei kleinen ümgebungsdrucken möglich. Außerdem haben alle heute bekannten Werkstoffe, die
hierzu geeignet sind, zeitlich veränderliche Eigenschaften.
Die Erfindung setzt sich einen elektroakustischen Übertrager nach dem piezoelektrischen Prinzip zum Ziel, bei
dem durch eine neuartige Kombination an sich bekannter und erprobter Bauteil®, von denen einige neue Funktionen
erfüllen, die Nachteile bisheriger Lösungen vermieden werden.
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29.4·71 Blatt 3 Dipl.-Ing. G. Schliebs
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Demgemäß schlägt die Erfindung insbesondere für den Einsatz unter Wasser bei hohem hydrostatischem Druck
einen elektroakustischen Übertrager nach des piezoelektrischen Prinzip mit einer Vorzugsaende- ods?? -empfangsrichtung
bei gleichmäßiger Einwirkung des Druckes des Eintauchmediums vor. Erfindungsgemäß befindet sieh eine
von einem Schallkopf, einem piezoelektrischen Wandler und einer Gegenmasse gebildete schwingende linheit (Tonpilz),
durch eine Luftschicht getrennt» in einer luft- und wasserundurchlässigen elastischen Hülles mit der
sie nur an der schallabstrahlenden oder -empfangenden
Fläche des Schallkopfes direkten Kontakt hat«,
Durch die Unterbringung des Tonpilzes in einer balgartigen
elastischen Hülle wird das traditionelle Metallgehäuse derartiger übertrager abgelöst. Die dünne Luftschicht,
die den Tonpilz mit Ausnahme seiner schailabstrahlenden oder -empfangenden 31IaCbS itmgibt, spielt
eine doppelte Rolle» Einerseits wird ^ede störende
Schallübertragung durch akustische Entkopplung weitgehend unterbunden, woraus sich ein erhöhtes akustisches
Leistungsgewicht des erfindungsgemäßen Übertragers bei
ausgeprägter Vorzugsrichtung der Schallabstrahlung bzw. des Schallempfanges ergibt. Andererseits wird der Druck
des umgebenden Mediums vollkommen gleichmäßig auf den piezoelektrischen Wandler übertragen, dessen Eigenschaften
so unabhängig von der Eintauchtiefe werden.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die elastische Hülle einerseits an einem akustisch entkoppelt
in die Gegenmasse hineinragenden Endstück und andererseits am Hand der abstrahlenden Fläche des Schalliropfes
hermetisch gegen diese Teile abgedichtet. Dicke und Druck der Luftschicht sind mit der Geometrie und
Elastizität der beispielsweise aus Kautschuk bestehenden
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29.4.71 Blatt 4 Dipl.-Ing. G. Schliebs
das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt
Hülle und der Geometrie des Tonpilzes derart abgestimmt,
daß im vorgesehenen Umgebungsdruckbereich keine Berührung zwischen Hülle und Tonpilz, außer an dessen abstrahlenden
Fläche, auftritt. Durch-diesen besonderen Aufbau ist höchste Funktionssicherheit im vorgesehenen Eintauchtiefenbereich
gewährleistet.
Vorteilhaft besteht der piezoelektrische Wandler aus einer Säule aus piezoelektrischen Keramikscheiben und
Elektroden, die zentrale Bohrungen für die Anschlußdrähte aufweisen und durch ein Isolierrohr geschützt in
einem Vorspannrohr untergebracht sind, das den Schallkopf über den Wandler mit der Gegenmasse vorgespannt
verbindet, wobei zentrale Bohrungen in der Gegenmasse und in dem luftdicht in die Gegenmasse führenden Endstück
für den Durchgang der gegen Wasser abgedichteten Anschlußdrähte vorgesehen sind.
Hierdurch entsteht eine besonders einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Übertragers, die weitgehend auf
bekannte Bauteile zurückgreift. Durch die zentrale Führung
der Anechlußdrähte entsteht ein raumsparender Aufbau, und das Vorspannrohr kann außen vollkommen glatt
ausgebildet sein, was eine dünnstmögliche druckübertragende Luftschicht gestattet, überdies verhindert das
Vorspannrohr, daß sich im vorgesehenen Amplitudenbereich des piezoelektrischen Wandlers Keramiksoheiben und Elektroden
voneinander lösen können.
Die erfindungsgemäßen elektroakustischen Übertrager sind speziell zur Emission von Schallschwingungen ausgebildet;
sie können aber entsprechend den Reziprozitätsgesetzen des piezoelektrischen Phänomens auch zur
Aufnahme derartiger Schwingungen aus dem umgebenden Medium dienen.
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29.4.71 Blatt 5 Dipl.-lng. G. Schlieb«
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Die folgende Beschreibung anhand der Zeichnung bezieht sich auf eine besondere, aber nicht ausschließliche Ausführungsform
der Erfindung. Es handelt sich um einen elektroakustischen Übertrager kleinen Gewichts, der unter
hohem hydrostatischem Druck eine hohe akustische Leistung abstrahlt. Eine Gruppierung derartiger Übertrager
kann z. B. "Richtantennen" in quadratischer oder rechteckiger Form bilden oder auch "Panoramaantennen"
in zylindrischer Form.
In der Zeichnung zeigen
Pig. 1 einen elektroakustischen Übertrager im Längsschnitt und
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild dieses Übertragers.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hat folgende, hauptsächlich elektroakustische Eigenschaften: Frequenzband
um 3500 Hz, Koeffizient Q1n von 4, Leistung 1500 W, Stabilität
der elektroakustischen Eigenschaften zwischen 0 und 1500 m Eintauchtiefe, Übertragung der akustischen
Schwingungen ausschließlich durch die Stirnfläche des Schallkopfe s.
Ein kreisförmiger Schallkopf 1 mit einem Durchmesser von 200 mm, also in der Nähe einer halben Wellenlänge, dient
dazu, die Impedanz des Meerwassers an die Impedanz der piezoelektrischen Teile anzupassen. Der Schallkopf besteht
aus einer Aluminiumlegierung und wiegt 2060 g.
Dem Schallkopf steht eine hintere Gegenmasse 2 gegenüber.
Sie besteht aus hochfestem Messing und wiegt 3350 g.
Zwischen Schallkopf und Gegenmasee befindet sich ein
piezoelektrischer Wandler aus zwölf Keramikscheiben 3
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29.4.71 Blatt 6 Dipl.-Ing. G. Schliebs
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und elf Elektroden 4. Die Keramikscheiben bestehen aus
Bleititanzirkonat und haben einen Außendurchmesser von 50 mm, die Elektroden haben den gleichen Außendurchmesser
und bestehen aus der Leichtmetallegierung AU4-G. Das
Gewicht des Wandlers beträgt 2,900 kg.
Der Wandler befindet sich im Inneren eines Vorspannrohres 5 aus Metall, das den Schallkopf über den Wandler
mit der Gegenmasse verbindet und den Wandler ständig unter Vorspannung hält. Auf diese Weise wird ein mögliches
Abheben zwischen den Keramikscheiben und ihren Elektroden vermieden, gleichgültig wie hoch die Schwingungsamplitude dieser Elemente ist.
Der von Schallkopf, Vorspannrohr mit Wandler und Gegenmasse gebildete Tonpilz befindet sich, durch eine Luftschicht
getrennt, in einer balgartigen elastischen Hülle 9, die z. B. aus Kautschuk besteht, und hat mit dieser
nur an der abstrahlenden Fläche 10 des Schallkopfes direkten Kontakt. Die Oberfläche des Vorspannrohres ist
so glatt wie möglich gestaltet, damit die dieses Rohr umgebende Luftschicht 11 sehr dünn sein kann, ohne daß
die Hülle unter dem Einfluß des hydrostatischen Druckes an irgendeinem Punkt in Kontakt mit dem Vorspannrohr
kommen kann.
Die Dicke dieser unter hohem Druck stehenden Luftschicht 11 bedingt die Abmessungen der Hülle 9· Diese soll aus
Gründen des Platzbedarfes und insbesondere der mechanischen Ermüdung ein möglichst kleines Volumen besitzen.
Alle piezoelektrischen Keramikscheiben 3 sind elektrisch
parall^lgeschaltet. Anscnlußdräht· $ laufen hierzu durch
eine zentrale Bohrung in den Keramikscheiben· Ein Isolierrohr 7 aus elektrisch isolierendem Werkstoff trennt
das metallische Vorspannrohr 5 Ton den Keramikscheiben.
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Dipl.-Ing. G. Sdilieb«
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Die Befestigung des Übertragers auf seinem Träger erfolgt über ein Endstück 8, das in die Gegenmasse 2 hineinragt,
ohne deren Schwingungen dank einer entsprechenden, luftdichten Entkopplung zu übertragen. Dieses Endstück und
die Gegenmasse sind mit axialen Bohrungen versehen, durch welche die Anschlußdrähte, gegen Wasser abgedichtet, hindurchgeführt
sind.
Der von Schallkopf 1, Vorspannrohr 5 und Gegenmasse 2 gebildete Tonpilz ist so entworfen, daß er die Bewegungen
der balgartigen Hülle 9 maximal erleichtert und gleichzeitig immer eine Luftschicht minimaler Dicke erhalten
bleibt, die gleichmäßig um seine Teile verteilt ist.
An dem beschriebenen übertrager wurden elektroakustische
Messungen ausgeführt, die zu folgenden Ergebnissen führten : Resonanzfrequenz in Luft: 3616 Hz; Resonanzfrequenz
in Wasser: 3110 Hz; Koeffizient Q1n in Wasser 4; Kennelly-Wirkungsgrad:
78 % j R^ in Wasser bei Resonanz: 570041;
0 in Wasser bei Resonanz: 24 nP; elektrische Leistung:
1580 Wj akustisches Leistungsgewicht: I30 WAg. Der angenäherte
Wert dieser Kenngrößen kann nach dem Ersatzschaltbild in Fig. 2 berechnet werden. Namentlich lassen
sich hieraus die Werte für die Resonanzfrequenz und für den Koeffizienten Q_ ableiten:
m1 m2
*o *1 (m1 + m2) r1 m2
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29.4·. 71 Blatt 8 Dipl.-lng. G. Schliebs
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Hierin bedeuten F die Resonanzfrequenz des Übertrager,
e die Gesamtelastizität des Wandlers, m. die Masse des Schallkopfes,
m~ die Masse der Gegenmasse, r„j der mechanische Abstrahlwiderstand.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Änderungen möglich,
insbesondere bezüglich der Art, Form und physikalischen Eigenschaften der den Übertrager bildenden Bauteile.
1 0 9 85.3/1 126
Claims (3)
1.1 Elektroakustischer Übertrager nach dem piezoelektri-
^ sehen Prinzip, insbesondere.zum Einsatz unter Wasser
bei hohem hydrostatischem Druck, mit einer Vorzugssenäe-
oder -empfangsrichtung bei gleichmäßiger Einwirkung des Druckes des Eintauchmediums, gekennzeichnet
durch eine von einem Schallkopf (1), einem piezoelektrischen Wandler (3» 4·, 5) und einer Gegenmasse
(2) gebildete schwingende Einheit (Tonpilz), die sich, durch eine Luftschicht (11) getrennt, in einer luft-
und wasserundurchlässigen elastischen Hülle (9) befindet und nur an der schallabstrahlenden oder -empfangenden
Fläche (10) des Schallkopfes direkten Kontakt mit dieser hat.
2. Elektroakustischer Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Hülle (9) einerseits
an einem akustisch entkoppelt in die Gegenmasse (2) hineinragenden Endstück (8) und andererseits am
Rand der abstrahlenden Fläche (10) des Schallkopfes hermetisch gegen diese Teile abgedichtet ist und daß
Dicke und Druck der Luftschicht (11) mit der Geometrie und der Elastizität der Hülle und der Geometrie
des Tonpilzes (1 bis 5) derart abgestimmt sind, daß im vorgesehenen Umgebungsdruckbereich keine Berührung
zwischen Hülle und Tonpilz, außer an dessen abstrahlender Fläche (10), auftritt.
3. Elektroakustischer übertrager nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Wandler aus einer Säule aus piezoelektrischen Keramikscheiben
(3) und Elektroden (4) besteht, die zentrale Bohrungen für die Anschlußdrähte (6) aufweisen
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und durch ein Isolierrohr (7) geschützt in einem Vorspannrohr (5) untergebracht sind, das den Schallkopf
(1) über den Wandler mit der Gegenmasse (2) vorgespannt verbindet, wobei zentrale Bohrungen in der Gegenmasse
und in dem luftdicht in die Gegenmasse führenden Endstück (8) für den Durchgang der gegen Wasser
abgedichteten Anschlußdrähte vorgesehen sind.
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