DE2215849B2 - Unterwasser-Schallwandler - Google Patents

Description

Druckausgleich zwischen einer Flüssigkeit in einem

Tank, in welchem der Unterwasser-Schallschwinger angeordnet ist, und dem Außenwasser außerhalb eines Schiffes mit Hilfe eines Gummibalges, der eine 40 Ausdehnung zuläßt, vorgenommen wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaf-

Die Erfindung betrifft einen Unterwasser-Schall- fung eines Unterwasser-Schallwandlers, bei dem die wandler mit einem Resonator, dessen offene Vorder- von der Rückseite des Resonators abgestrahlte Enerfläche dem Wasser ausgesetzt ist und dessen Rück- gie mit einfachen Mitteln weggedämpft wird und der fläche durch ein Gehäuse unter Bildung einer Schall- 45 sich auch in großen Wassertiefen, also bei hohem kammer abgeschlossen ist, welche über mindestens Wasserdruck, betriebssicher verwenden läßt. Inseinen Kanal mit einer Resonanzkammer in Verbin- besondere soll er in seinem Aufbau wesentlich eindung steht. fächer und robuster als die bekannten Unterwasser-

Derartige Schallwandler werden in der Tiefsee- Schallwandler für derartige Wassertiefen sein,
forschung benutzt und haben zumeist einen kerami- 5° Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 ansehen piezoelektrischen Resonator. Von diesem Re- gegebenen Merkmale gelöst.

sonator wird jedoch nur eine Abstrahlfläche benötigt, Durch den Abschluß der Rückseite des Resonators

nämlich die Vorderseite, während die von der rück- durch eine Schallkammer, durch die Verbindung des wärtigen Fläche abgestrahlte Energie, wenn keine Inneren der Schallkammer durch einen ersten Kanal besonderen Maßnahmen getroffen werden, die von 55 mit dem Umgebungsmedium, durch Vorsehen einer der Vorderseite abgestrahlte Energie teilweise wieder Resonanzkammer und durch Verbindung dieser Reauslöscht, so daß der Wirkungsgrad verschlechtert sonanzkammer durch mindestens einen zweiten Kawird. nal mit dem ersten Kanal läßt sich eine Weg-

Bei einem bekannten zylindrischen keramischen dämpfung der von der Rückseite des Resonators abResonator ist die nicht benötigte Abstrahlfläche, die 60 gestrahlten Schallenergie erreichen, so daß diese Innenfläche des Zylinders, mit Schaum- oder Kork- nicht die von der Vorderseite abgestrahlte Energie gummi, in den eine Anzahl von einzelnen Schaum- teilweise wieder auslöscht: Dadurch wird der Wirstoffteilchen als akustisches Dämpfungsmaterial ein- kungsgrad erhöht. Die Dimensionierung und Realigebaut sind, bedeckt, und der Resonator ist in einem sierung der Resonanzkammer ist relativ unkritisch mit Rizinus gefüllten Gummigehäuse untergebracht. 65 und führt in der Praxis zu einer besseren Wirkungs-Zwar erhöht sich durch diese Auskleidung der In- gradsteigerung für die Betriebsfrequenz, als es bei nenfläche und Wegdämpfung der von dieser abgc- den bekannten Schallwandlern der Fall ist. Der von strahlten Energie der Wirkungsgrad dieses Reso- der Resonator-Rückseite abgestrahlte Teil der Ener-

gie wird durch die Wirkung der Resonanzkammer und ihre erfindungsgemäße akustische Ankopplung an die Schallkammer unabhängig vom jeweiligen Wasserdruck wirkungsvoll weggedämpft.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Uuteransprüchen gekennzeichnet.

Nachstehend wird an Hand der Zeichnung eine spezielle Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 (A) eine Horizontalschnittdarstellung, entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1 (B), eines Schallwandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 1 (B) eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht des Schallwandlers nach F i g. 1 (A) und

F i g. 2 ein Empfindlichkeitsdiagramm des erfindungsgemäßen Schallwandlers.

Der in Fig.l(A) und (B) gezeigte Schallwandler besteht aus einer statischen Wasserdruckkammer 10 und einem Resonanzhohlraum 20, die gleichachsig miteinander angeordnet sind und als Schalldämpfer für die Innenfläche des Resonators oder Schwingers 1 wirken. Die statische Wasserdruckkammer 10 besteht aus dem hohlzylindrischen keramischen Resonator 1, der an seinen beiden Enden durch je eine Rundplatte 2 bzw. 3 abgeschlossen ist. Die obere Platte 2 ist in ihrer Mitte von einer Bohrung S durchsetzt, die mit der Innenwand eines an die Platte 2 angeschlossenen Rohres 4 fluchtet. Auf der oberen Platte 2 ist konzentrisch zum Rohr 4 ein zylindrischer Resonanzhohlraum 20 vorgesehen, der durch einen zylindrischen Mantel 6 und eine Dachplatte 7 abgeschlossen ist. Das Innere des Rohres 4 steht über mehrere kleine Bohrungen 8 in der Rohrwandung mit dem Resonanzhohlraum 20 in Verbindung.

Da der Wasserdruck die Außenseite und die Innenseite der statischen Wasserdruckkammer, d. h., auf Grund des Vorhandenseins der Verbindungsbohrung 5 die beiden Stirnseiten des keramischen Resonators 1 in gleichem Maße baufschlagt, kann der vorliegende Schallwandler einem Wasserdruck standhalten, der erheblich oberhalb der mechanischen Druckfestigkeit des keramischen Resonators selbst liegt, die ungefähr 800 kg/cm² beträgt und dem Wasserdruck in einer Tiefe von 8000 Metern entspricht. Bekanntlich ist die Dämpfung L_R des Resonanzhohlraums 20 durch die folgende Gleichung gegeben:

Darin sind:
/ = Schallfrequenz

ίο /_r = Resonanzfrequenz = ^G\V

In

V = Volumen des Resonanzhohlraums 20 5 = innere Querschnittsfläche des Rohres 4 C = Schallgeschwindigkeit

G= ηπβ'-/(ί+_τ2

a
η

Wanddicke des Rohres 4 Radius der kleinen Bohrungen 8 Anzahl der kleinen Bohrungen 8.

Diese Gleichung ist in F i g. 2 graphisch dargestellt, indem f/f_r auf der Abszisse und L_R auf der Ordinate, bezogen auf VUV/2S als Parameter, aufgetragen sind.

as Wie sich aus den Kennlinien des Diagramms deutlich ergibt, erhöht sich die Dämpfung beträchtlich, wenn / gleich f_r wird oder der Resonanzhohlraum ;n Resonanz mit dem Schall ist. Daraus ergibt sich, daß durch entsprechende Wahl der Form und Abmessun-

gen der verschiedenen Teile des Schalldämpfers eine starke Verbesserung der Empfangsempfindlichkeit in einem speziellen Frequenzband, d. h., ein sogenannter Filtereffekt, erhalten werden kann.

Da der Resonator erfindungsgemäß bei einem hohen Wasserdruck ohne Verringerung der Empfindlichkeit betrieben werden kann, erhält man auf diese Weise einen Ultraschallwandler, der sich außerordentlich gut für Tiefseeforschungszwecke eignet. Während vorstehend die Erfindung in Anwendung auf einen zylindrischen Resonator beschrieben wurde, lassen sich erfindungsgemäß auch bei andersartigen Resonatoren mit Lateralschwingung die Oberflächen mit Ausnahme der Abstrahlfläche akustisch abschirmen und ein Druckausgleich zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Abschirmgehäuses herstellen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

nators, jedoch läßt er sich nur in rejativ flachen Gewässern bis maximal 200 m Tiefe verwenden, da in Patentansprüche: größerer Tiefe das Schaumstoffmaterial der Aus kleidung zerreißt und dadurcli an Wirkung verliert.

1. Unterwasser-Schallwandler mit einem Reso- 5 Ferner ist aus der britischen Patentschrift 148 428 nator, dessen offene Vorderfläche dem Wasser ein Unterwasser-Resonator bekannt, bei dem auf eier ausgesetzt ist und dessen Rückfläche durch ein Rückseite der Membrane eine Schallkamraer vorGehäuse unter Bildung einer Schallkammer ab- gesehen ist, die über einen Kanal mit einer Resogeschlossen ist, welche über mindestens einen nanzkammer verbunden ist. Jedoch befindet sich das Kanal mit einer Resonanzkammer in Verbindung io Wasser nur außerhalb dieser Kammern in Berührung steht, dadurch.gekennzeichnet, daß die mit der äußeren Membranseite, während sich in der Schallkammer (Wasserdruckkammer 10) über Schallkammer und der Resonanzkammer nur Luft einen ersten Kanal (5) unmittelbar mit dem Was- befindet. Ebenso sind bei den aus der französischen ser in Verbindung steht und daß von dem ersten Patentschrift 1 462 869 und der deutschen Auslege-Kanal (5) mindestens ein zweiter Kanal (8) zu der 15 schrift 1 101 831 die auf der Rückseite der Resona-Resonanzkammer führt. toren vorgesehenen Hohlräume gegen die auf der

2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch ge- anderen Seite des Resonators befindliche Flüssigkeit kennzeichnet, daß der erste Kanal (5) durch abgedichtet.

einen an die Schallkammer (10) angesetzten Ein für größere Wassertiefen geeigneter Resonator

Stutzen (4) gebildet wird, der die ihn umgebende 20 ist weiterhin aus der USA.-Patentschrift 3 018 466 Resonanzkammer (20) durchsetzt und mehrere, bekannt, der zum Druckausgleich ein Tiefenkompreszweite Kanäle (8) bildende Bohrungen aufweist. sionsreservoir hat, welches über eine Drosselöffnung

3. Schallwandler nach Anspruch 1 und 2, da- und gegebenenfalls ein Kapillarrohr mit einem Hohldurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) als raum in Verbindung steht, der eine kompressible Hohlzylinder ausgebildet ist, der zusammen mit 35 Flüssigkeit enthält, welche Druckunterschiede in verzwei runden Abschlußplatten (2, 3) die schiedenen Wasscrtiefen kompensiert. Durch diese Schallkammer (10) bildet, und daß außen an die Drosselöffnungsverbindung läßt sich zwar theoretisch eine Abschlußplatte (2) der über eine Bohrung die Empfindlichkeit im gesamten Frequenzgebiet ermit dem Inneren der Schallkammer (10) verbun- höhen, in der Praxis treten jedoch erhebliche Schwiedene Stutzen (4) und die Resonanzkammer (20) 30 rigkeiten hinsichtlich der genauen Bemessung und in konzentrischer Anordnung angesetzt sind. geometrischen Gestaltung dieser Verbindung auf,

welche die Erreichung der theoretisch zu erwartenden Ergebnisse verhindern. Mit dem Druckausgleich befaßt sich auch ein in der deutschen Auslegeschrift 35 1 284 332 beschriebener Resonator, bei welchem der