DE2215849C3 - Unterwasser-Schallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterwasser-Scha.'lwandler mit einem Resonator, dessen offene Vorderfläche dem Wasser ausgesetzt ist und dessen Rückfläche durch ein Gehäuse unter Bildung einer Schallkammer abgeschlossen ist, welche über mindestens einen Kanal mit einer Resonanzkammer in Verbindung steht.

Derartige Schallwandler werden in der Tiefseeforschung benutzt und haben zumeist einen keramiichen piezoelektrischen Resonator. Von diesem Relonator wird jedoch nur eine Abstrahlfläche benötigt, nämlich die Vorderseite, während die von der rückwärtigen Fläche abgestrahlte Energie, wenn keine besonderen Maßnahmen getroffen werden, die von der Vorderseite abgestrahlte Energie teilweise wieder auslöscht, so daß der Wirkungsgrad verschlechtert wird.

Bei einem bekannten zylindrischen keramischen Resonator ist die nicht benötigte Abstrahlfläche_v die Innenfläche des Zylinders, mit Schaum- oder Korkgummi, in den eine Anzahl von einzelnen Schaumstoff teilchen als akustisches Dämpfungsmaterial eingebaut sind, bedeckt, und der Resonator ist in einem mit Rizinus gefüllten Gummigehäuse untergebracht. Zwar erhöht sich durch diese Auskleidung der Innenfläche und Wegdämpfung der von dieser abgestrahlten Energie der Wirkungsgrad dieses Resonators, jedoch lftßt er sich nur in relativ flachen Gewässern bis maximal 200 m Tiefe verwenden, da in größerer Tiefe das Schaumstoffmaterial der Auskleidung zerreißt und dadurch an Wirkung verliert.

Ferner ist aus der britischen Patentschrift 148 428 ein Unterwasser-Resonator bekannt, bei dem auf der Rückseite der Membrane eine Schallkararaer vorgesehen ist, die über einen Kanal mit einer Resonanzkammer verbunden ist. Jedoch befindet sich das

ίο Wasser nur außerhalb dieser Kammern in Berührung mit der äußeren Membranseite, während sich in der Schallkammer und der Resonanzkamiper nur Luft befindet. Ebenso sind bei den aus der französischen Patentschrift 1 462 869 und der deutschen Auslege-

if schrift 1 101 831 die auf der Rückseite der Resonatoren vorgesehenen Hohlräume gegen die auf der anderen Seite des Resonators befindliche Flüssigkeit abgedichtet.

Ein für größere Wassertiefen geeigneter Resonator

so ist weiterhin aus der USA.-Patentschrift 3 018 466 bekannt, der zum Druckausgleich ein Tiefenkompressionsreservoir hat, welches über eine Drosselöffnung und gegebenenfalls ein Kapillarrohr mit einem Hohlraum in Verbindung steht, der eine kompressible

Flüssigkeit enthält, welche Druckunterschiede in verschiedenen Wassertiefen kompensiert. Durch diese Drosselöffnungsverbindung läßt sich zwar theoretisch die Empfindlichkeit im gesamten Frequenzgebiet erhöhen, in der Praxis treten jedoch erhebliche Schwie-

rigkeiten hinsichtlich der genauen Bemessung und geometrischen Gestaltung dieser Verbindung auf, welche die Erreichung der theoretisch zu erwartenden Ergebnisse verhindern. Mit dem Druckausgleich befaßt sich a.uch ein in der deutschen Auslegeschrift 1 284 332 beschriebener Resonator, bei welchem der Druckausgleich zwischen einer Flüssigkeit in einem Tank, in welchem der Unterwasser-Schallschwinger angeordnet ist, und dem Außenwasser außerhalb eines Schiffeis mit Hilfe eines G'unmibalges, der eine Ausdehnung zuläßt, vorgenommen wird.

Die Aufgabe: der Erfindung besteht in der Schaffung eines Unlerwasser-Schallwandlers, bei dem die von der Rückseite des Resonators abgestrahlte Energie mit einfachen Mitteln weggedämpft wird und der

sich auch in großen Wassertiefen, also bei hohem Wasserdruck, betriebssicher verwenden läßt. Insbesondere soll er in seinem Aufbau wesentlich einfacher und robuster als die bekannten Unterwasser-Schallwandler für derartige Wassertiefen sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch den Abschluß d:r Rückseite des Resonators durch eine Schallkammer, durch die Verbindung des Inneren der Schallkammer durch einen ersten Kanal mit dem Umgebungsmedium, durch Vorsehen einer Resonanzkammer und durch Verbindung dieser Resonanzkammer durch mindestens einen zweiten Kanal mit dem ersten Kanal läßt sich eine Wegdämpfung der von der Rückseite des Resonators ab-

gestrahlten Schallenergie erreichen, so daß diese nicht die von der Vorderseite abgestrahlte Energie teilweise wieder auslöscht: Dadurch wird der Wirkungsgrad erhöht. Die Dimensionierung und Realisierung der Resonanzkammer ist relativ unkritisch

und führt in der Praxis zu einer besseren Wirkungsgradsteigerung für die Betriebsfrequenz, als es bei den bekannten Schallwandlern der Fall ist. Der von 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 Unteransprüchen gekennzeichnet.

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

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

F i g. I (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 Rur.dplatte 2 bzw. 3 abgeschlossen ist. Die obere Plane 2 ist in ihrer Mitte von einer Bohrung 5 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 Resonanzhohlraym 20 in Verbindung.

Da der Wasserdruck die Außenseite und die Innenseite der statischen Wasserdruckkammer, d. h., auf Grund des Vorhandenseins der Verbindungsbohrung S die be^;den 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 3000 Metern entspricht.

Bekanntlich ist die Dämpfung L_R des Resonanzhohlräume 20 durch die
geben:

folgende Gleichung ge

Darin sind:
/ = Schallfrequenz

f. = Resonanzfrequenz = V Gl V

2π '

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

G = ηπά*/

K-)

/ = Wanddicke des Rohres 4
a = Radius der kleinen Bohrungen 8
^ao η = 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 \'GV!2S als Parameter, aufgetragen sii;cl.

as Wie sich aus den Kennlinien des Diagramms deutlich ergibt, erhöht sich die Dämpfung beträchtlich, wenn / gleich /_r wird oder der Resonanzhohlraum in Resonanz mit dem Schall ist. Daraus ergibt sich, daß durch entsprechende Wahl der Form und Abmessungen 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 Tiefseeforschungszwtrke eignet.
Während vorstehend die Erfindung in Anwendung auf einen zylindrischen Resonator beschneben 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)

Patentansprüche:

1. Unterwasser-Schallwandler mit einem Resonator, dessen offene Vorderfläche dem Wasser ausgesetzt ist und dessen Rückfläche durch ein Gehäuse unter Bildung einer Schallkammer abgeschlossen ist, welche über mindestens einen Kanal mit ferner Resonanzkammer in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallkammer (Wasserdruckkammer 10) über einen ersten Kanal (5) unmittelbar mit dem Wasser in Verbindung steht und daß von dem ersten Kanal (5) mindestens ein zweiter Kanal (8) zu der Resonanzkammer führt.

2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (5) durch einen an die Schallkammer (10) angesetzten Stutzen (4) gebildet wird, der die ihn umgebende Resonanzkammer (20) durchsetzt und mehrere, zweite Kanäle (8) bildende Bohrungen aufweist.

3. Schallwandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) als Hohlzylinder ausgebildet ist, der zusammen mit zwei runden Abschlußplatten (2, 3) die Schallkammer (10) bildet, uüd daß außen an die eine Abschlußplatte (2) der über eine Bohrung mit dem Inneren der Schallkammer (10) verbundene Stutzen (4) und die Resonanzkammer (20) in konzentrierter Anordnung angesetzt sind.