DE2507956A1

DE2507956A1 - Unterwassermikrophon

Info

Publication number: DE2507956A1
Application number: DE19752507956
Authority: DE
Inventors: Monique Jeanne-Marie Richard
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1974-03-05
Filing date: 1975-02-25
Publication date: 1975-09-11
Also published as: AU7882475A; FR2263656A1; GB1493840A; US4010441A; FR2263656B1

Description

Unt erwass eraikr or-nou

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der ünterwassermikrophone mit Biegeplatten oder Blege^ambranen der Bauart mit zweilagiger oder dreilagiger Biegeplatte, die auf ein Druckgefälle ansprechen.

Der technische Bereich der Erfindung ist der Bau von Unterwassermikrophonen mit geringem Volumen, die in abwerfbaren Bojen eingesetzt werden können und eine gute Empfindlichkeit in einem Niederfrequenzbereich zwischen 5 und 12 KHz haben und deren Richtcharakteristik die Form einer aus Keulen bestehenden Acht hat, wodurch das Auffinden der Richtung einer Schallquelle ermöglicht wird.

Es sind bereits Unterwassermikrophone der Bauart mit zweilagiger oder dreilagiger Membran bekannt, wobei die ebene flexible, im allgemeinen aus Metall bestehende Membran an ihrem Umfang eingespannt ist, wobei auf eine ihrer Seiten oder auf beide Seiten eine

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Brief vom Blatt 2 Dipl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Scheibe aus piezoelektrischem Material aufgeklebt ist, beispielsweise Blei-Titan-Zirkonat.

Bei diesen Unterwassermikrophonen führt die Membran Biegeschwingungen unter der Wirkung der Schalldruckdifferensen aus, die auf die beiden Seiten einwirken, und die piezoelektrischen Scheiben, die auf die Membran geklebt sind, führen ebenso BiegeSchwingungen aus und bewirken Potentialunierschiede.

Es ist bekannt, daß derartige Uiiterwass ermikr ophone eine gute Richtcharakteristik haben, weil sie praktisch unempfindlich sind für Schallwellen, die sich in der Ebene der Membran ausbreiten und keinen Druckunterschied zwischen den beiden Seiten der Membran bewirken, während die Unterwassermikrophone aine gute Empfindlichkeit für Schallwellen haben, die sich senkrecht zur Ebene der Membran ausbreiten„

Bei dreilagigen Membranen ist es bekannt, die beiden piezoelektrischen Keramikbauteile in gleicher Weise zu schalten, und zwar entweder in Reihe, wobei die beiden Keramikbauteile dann in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind, oder parallel zu schalten, wobei die beiden Keramikbauteile dann in gleicher Richtung polarisiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Unterwassermikrophon mit einer Biegemembran zu schaffen, die von der zweilagigen oder dreilagigen Bauart sein kann, das bei geringem Raumbedarf eine gute Empfindlichkeit in einem Frequenzband hat, das eine Breite von mehreren KHz hat und im Bereich der Tonfrequenzen liegt, beispielsweise zwischen 5 und 12 KHz.

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an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Das Unterwasserraikrophon soll eine ausgeprägte Richtcharakteristik haben und seine Eigenschaften auch nach einem Temperaturschock in einem Temperaturbereich "beibehalten, der zwischen -30° G und + 50° C liegen kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Unterwassermikrophon sollen alle schwingenden Bauteile vor jeder Berührung mit dem Wasser geschützt sein; das Unterwassermikrophon soll versenkt werden können und hohe hydrostatische Drücke aufnehmen können, beispielsweise in der Größenordnung von 300 bar.

Bei einem Unterwassermikrοphoη mit zweiseitiger Richtcharakteristik mit Biegeplatten, bestehend aus einer einzigen flexiblen Membran, die an ihrem Umfang eingespannt ist und auf mindestens einer Seite eine piezoelektrische Scheibe trägt, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die aus der Membran, der oder den piezoelektrischen Scheiben und der Einspanneinrichtung bestehende Baugruppe vollständig mit einem Elastomermaterial umhüllt ist.

Die Einspanneinrichtung besteht vorzugsweise aus zwei Ringen, zwischen denen der Umfang der Membran eingespannt ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Unterwassermikrophon, das auf einem starren Träger befestigt ist, kann in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen sein, daß die mechanische Verbindung zwischen dem Träger und dem Mikrophon nur durch das Elastomermaterial gebildet ist.

Die Dicke des Elastomermaterials ist beiderseits der Membran vorzugsweise gleichförmig und mit Rücksicht auf die piezoelektrischen Scheiben verringert. Beispielsweise beträgt die Dicke zwischen 0,5 und 2 mm.

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Brief vom Blatt 4 Dipl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Bei einem Unterwassermikrophon, bei dem der Innendurchmesser der Einspanneinrichtung ungefähr 24 am ist, beträgt die verringerte Dicke des Elastemerraaterials bei einer bevorzugten Ausfiihrungsforsa ungefähr ι am. Vorzugsweise besteht das Elastomermaterial aus Polyurethan und die piezoelektrischen Scheiben sind Keramikbauteile aus Blei-Titan-Zirkonat.

Mit der Erfindung wird ein neues Unterlassermikrophon mit geringen Abmessungen geschaffen, das eine hohe Empfindlichkeit für Tonfrequenzen hat, das in große Tiefe abgesenkt werden kann und da3 Temperaturen unter O⁰ ertragen kann..

Es sind bereits versenkbare 'ünterwaasermikrophone mit flexiblen Membranen bekannt, bei denen die flexible Membran und die piezoelektrischen Scheiben in einen dichten Behälter eingeschlossen sind, der mit Luft oder mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, beispielsweise SilikonÖl.

Die in dem Gehäuse oder der Kapsel eingeschlossene Luft bewirkt den Nachteil, daß die Richtcharakteristik beeinträchtigt wird; die bekannten Unterwassermikrophone mit in Luft angeordneter flexibler Membran haben daher eine sehr schlechte Richtcharakteristik, während die mit den in Polyurethan-Elastomer eingehüllten erfindungsgemäßen TJnterwassermikrophonen durchgeführten Messungen gezeigt haben, daß die Richtcharakteristik im Frequenzband zwischen 1 und 30 KHz sehr gut ist.

Bei einigen bekannten Ausführungsformen sind die flexiblen Membranen in einem Gehäuse angeordnet, das mit einem verformbaren Deckel derart dicht verschlossen ist, daß die in der Kapsel enthaltene Luft oder flüssigkeit in Druckgleichgewicht mit der Umgebung steht;' dies hat den Vorteil, daß die Gehäuse mit geringem Gewicht und Raumbedarf

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Brief vom Blatt 5 Dipl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

ausgeführt werden können, weil sie dem hydrostatischen Druck nicht widerstehen müssen.

In diesem Falle ändern sich jedoch die Eigenschaften der Unterwassermikrophone, insbesondere ihre Resonanzfrequenz, mit dem hydrostatischen Druck.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Membranen und die Keramikbauteile vor j eier Berührung mit dem Wasser zu schützen; dies geschieht mit einer Einrichtung von geringem Raumbedarf, wobei die Eigenschaften durch den hydrostatischen Druck kaum beeinflußt v^erden.

Das Umhüllen der Membran und äer piezoelektrischen Scheiben mit einem Elast omerrnaterxsi feat άίίΐ Vorteil, daß die Empfindlichkeitsspitze um die Resonanzfrequenz abgeflacht wird und man somit ein sehr breites Empfangsband erhält.

Die Tatsache, daß der schwingende Seil des Unterwassermikrophons mit dem starren Träger ausschließlich über das Elastomermaterial verbunden ist, bewirkt eine gute akustische Entkoppelung zwischen dem schwingenden Seil und dem Träger und verringert die Energieverluste durch Übertragung auf den Träger, was zu der guten Empfindlichkeit beiträgt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Unterwassermikrophons näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist, wobei die erhaltenen Meßergebniase dargestellt sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Unterwassermikrophons,

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Brief vom Blatt 6 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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Pig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 eine Einzelheit in größerem Maßstab im Schnitt,

Fig. 4 ein Diagramm der Empfindlichkeit (in dB) einer

Reihe von erfindungsge-aäßen Unterwassermikrophonen und.

Fig. 5 die Keulen der Ri clit charakteristik eines erfin- und 6 öungsgemäßen Unterwassermikrophons bei Frequenzen von 3,5 KKz und 30 KHz.

Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Unterwasaermikrophons. Es hat eine im wesentlichen kreisförmige Gestalt und in der Mitte ein kreisförmiges Fenster 15 das von einem kreisringförmigen Rand 2 umgeben ist, der mit einer Einrichtung 3 zur Befestigung an einem starren Träger verbunden ist. Ein Kabel 4 enthält die elektrischen Leitungen, die ε,η Elektroden angeschlossen sind» Das gesamte Unterwassermikrophon ist in Polyurethan-Elastomer 5 eingegossen, das Versteifungsrippen 6 in dem das zentrale Fenster mit der Befestigungseinrichtung 3 verbindenden Teil aufweist.

Die Abmessungen dieses Unterwassermikrophons können beispielsweise wie folgt sein: Außendurchmesser des Randes 2: 34 mm; Länge über alles: 46 mm; Dicke über alles: 6,5 mm.

In Fig. 2 sind dieselben Bauteile mit den selben Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 2 zeigt den Aufbau des Unterwassermikrophons, das eine flexible Membran 7 aufweist, die von einer kreisförmigen Scheibe aus Aluminiumlegierung (AU/j,G) gebildet wird und beispielsweise eine Dicke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 32 mm hat. Diese Membran ist zwischen zwei Ringen oder Reifen 8a und 8b eingespannt, die einen Auß.endurchmesser von 32 mm, einen Innendurchmesser von 24 mm und eine Dicke von 2 mm haben.

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Brief vom Blatt 7 Dipl.-Ing. G. Sdiliebs

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Die Ringe 8 und die Membran 7 sind mittels sechs Schrauben 9 verbunden und verklebt. Die Membran 7 ist somit am Umfang eingespannt und kann unter der Wirkung von ächalldruekunterschieden, die auf ihre beiden Seiten wirken, Biegeschwingungen ausführen.

Auf beiden Seiten der Membran 7 sind zwei Scheiben 10a und 10b aus piezoelektrischem Keramikwerkstoff aufgeklebt; ihr Außendurchmesser ist kleiner als der Durehmesser der Einspannung, beispielsweise haben die beiden aus Blei-Titan-Zirkonat bestehenden Scheiben einen Durchmesser von 20 mm und eine Dicke von 0,5 πιπί.

Die beiden Keramikbauteile 10a und 10b sind entgegengesetzt polarisiert und in Reihe geschaltet, wie in Pig. 3 gezeigt.

Die Membran 7 bildet eine Elektrode und liegt ebenso wie die Ringe 8a, 8b auf dem mittleren Spannungspotential des Ausgangs des Unterwassermikrophons.

Abweichend davon können die beiden Keramikbauteile auch parallel geschaltet sein, wobei ihre beiden freien !lachen entgegengesetzte Polaritäten aufweisen.

Das dargestellte Unterwassermikrophon gehört zu der Bauart mit einer dreilagigen Biegeplatte: Die Membran und die beiden Keramikbauteile. Abweichend davon kann man auch ein Unterwassermikrophon der zweilagigen Bauart verwenden, das nur die flexible Membran 7 und ein einziges Keramikbauteil 10 aufweist.

Die aus der flexiblen Membran 7, dem oder den piezoelektrischen Keramikbauteilen 10 und der Einspanneinrichtung 8 bestehende Baugruppe ist in Elastomermaterial 5 eingehüllt, beispielsweise aus Polyurethan, das die Baugruppe

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Brief vom BIaH δ Dipl.-lng. G. Schliebs

_an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

umhüllt; diese Umhüllung erhält man, indem man die schwingende Baugruppe in einer form anordnet, in die man das Polyurethan gießt.

Das Polyurethan oder ein anderes entsprechendes Elastomermaterial überträgt die Schalldruckunterschiede; infolge seiner Verformbarkeit unterdrückt es die Biegeschwingungen der Membran 7 nicht, sondern dämpft sie nur etwas; diese Dämpfung hat jedoch den Vorteil, daß die Spitze der Empfindlichkeit im Bereich der Resonanzfrequenz verbreitert wird.

Damit diese Dämpfung noch annehmbar bleibt, gießt man im Bereich der Keramikbauteile 10a und 10b das Polyurethan mit geringerer gleichförmiger Dicke, beispielsweise mit einer Dicke zwischen 0,5 und 1,3 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 1 msa.

Die Fläche mit verringerter Dicke bildet das zentrale Fenster 1, das von dem Kreisring oder Ringwulst 2 umgeben ist, der die Ringe 8a und 8b einhüllt.

Fig. 2 zeigt eine Befestigungseinrichtung 3, die von einer starren eingesetzten Platte gebildet wird, die Gewindebohrungen 11 aufweist, in die Schrauben zur Befestigung an einem starren träger eingeschraubt werden.

Die Befestigungseinrichtung kann auch durch eine andere gleichwertige Einrichtung ersetzt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht keine starre mechanische Verbindung zwischen dieser Platte 3 und den Ringen 8a, 8b, die nur durch das Polyurethan-Elastomer verbunden sind, das die Verstärkungsrippen aufweist, um seine Biegesteifigkeit zu erhöhen. Diese Art der Befestigung bewirkt, daß man eine gute akustische

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Brief vom Blatt 9 Dipl.-lng. G. Sditiebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Entkoppelung zwischen den lint erwass ermikr ophonen und ihren Trägern erhält. Die an die Keramikbauteile angeschlossenen elektrischen Leitungen sind in das Poljrurethan eingelegt.

Das gesamte Gewicht des "beschriebenen Unterwasserniikrophons beträgt ungefähr 22 Grairn; seine Kapazität ohne das Verbindungskabel beträgt ungefähr 39OC pF und die Isolierung hat 10 OOO MA.

Fig. 4 zeigt den Verlauf der Empfrindliehkeitskurven, die an einer Gruppe von erfindungs gemäßer. Cnt. erwass ermikr ophonen gemessen wurden»

Das Diagramm zeigt auf der Ordinate die. üspfindlichkeit in Decibel, ausgedrückt in Spannung in Volt/Schalldruck in Mikrobar und auf der Abszisse öle Frequenz in KHz. Das Diagramm zeigt, daß man eine Empfindlichkeit zwischen -87 dB und -86 dB bei der Resonanzfrequenz von 6 KHs erhält.

Die Empfindlichkeit bleibt in einem Frequenzband zwischen 6 KHz und 11 KHz über -96 dB.

Fig. 5 zeigt für eine Frequenz von 3*5 KHz den keulenförmigen Kurvenverlauf der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von dem Winkel der Schallquelle zur Achse dea Unterwassermikrophons, wobei der Winkel 0 der Stellung entspricht, bei der eine Schallquelle in einer Richtung senkrecht zur Membran angeordnet ist. In dem Diagramm ist für jeden Winkel die in Volt/Mikrobar gemessene Empfindlichkeit angegeben.

Fig. 6 zeigt denselben keulenförmigen Kurvenverlauf der Empfindlichkeit, gemessen bei einer Frequenz von 30 KHz. Für die dazwischenliegenden Frequenzen erhält man ebenfalls diese keulenförmige Richtcharakteristik derselben Form.

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Brief vom Blatt 10 Dipl.-Ing. G. Schliebs

^an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Diese Diagramme zeigen deutlich die gute Sichtcharakteristik der erfindungsgemäßen Unterwassermikrophone in einem großen Bereich von Schallfrequenzen.

Ss wurcen Messungen ausgeführt, um den Einfluß eines Temperatur scliocks auf die er£induE.£3g-?n:äßen Unterwassermikrophone su untersuchen.

Uachäee die llikrophons während ungefähr einer Stunde auf einer Temperatur von -25° C gehalten wurden, wurden sie plötzlich auf die Umgebungstemperatur gebracht. Uaeh einer Wartezeit von ungefähr 15 Minuten., um die Temperatur der Unterwasseriailarcphone zu stabilisieren, wurden Eapfindlichkeitsmessungen ausgeführt, die zeigten, daß sich die Empfindlichkeit nicht mer-fcbar verändert hatte.'

Ein spezieller Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Unter-WGssermikrophone iet die Ausrüstung von Horchbojen, die im Meer versenkt werden, um die Anwesenheit und Richtung einer Schallquelle zu ermitteln. Die Unterwassermikrophone sind für diesen Anwendungsfall besonders durch die folgenden Eigenschaften geeignet: Ihr geringer Raumbedarf ermöglicht es, sie in Bojen von geringem Volumen unterzubringen? ihre gute Richtcharakteristik; ihre gute Empfindlichkeit in einem Frequenzband, das die üblichen Schallfrequenzen umfaßt j ihre gute Widerstandsfähigkeit gegen das Tauchen und hohe hydrostatische Drücke, die durch öas Umhüllen mit einem Elastomermaterial erreicht wird, sowie ihre Unempfindlichkeit gegen niedrige Temperaturen und Wärmeschocks, denen sie bei vom Flugzeug abgeworfenen Bojen ausgesetzt sein können.

Im Laboratorium wurden Versuche durchgeführt, um die Widerstandsfähigkeit eines erfindungsgemäßen Unterwassermikrophons gegen Druck zu prüfen. Diese Versuche haben eine gute Widerstandsfähigkeit bis zu Drücken von 300 bar gezeigt.

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Brief vom Blatt 1 1 Dipl.-Ing. G. Schliebs

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Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen, sind verschiedene Abwandlungen gegenüber dem beschriebenen Ausführungs-. beispiel eines Unterwassermikrophons möglich. Insaesondere können die Abmessungen und die verwendeten Materialien geändert werden.

Es wurde ein neuartiges Unterwassermikrophon mit flexiblen Platten beschrieben, das eine flexible Membran 7 aufweist, die an ihrem Umfang in zwei Singen 8a, 8b eingespannt ist und auf die zwei Scheiben 10a, 10b aus piezoelektrischem Keramikmaterial aufgeklebt sind. Diese Baugruppe ist in ein Elastomermaterial 5 eingehüllt, beispielsweise aus gegossenem oder gespritztem Polyurethan. Dieses bildet ein Fenster 1 von geringerer Dicke im Bereich der Keramikbauteile 10 und bildet die einzige mechanische Verbindung mit einer Befestigungseinrichtung 3 an einem starren Träger. Die Unterwassermikrophone haben eine sehr gute Sichtcharakteristik und eine gute Empfindlichkeit in einem Tonfrequenzband mit einer Breite von mehreren KHz. Ein Anwendungsfall ist die Ausrüstung von versenkten Horchbojen.

- Patentansprüche -

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Claims

Brief vom Blatt 1 2 Dipl.-Ing. G. Schliebs

an das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt

Patentansprüche

Unterwassermikrofon mit zweiseitiger Hichtcharakteristik mit Biegeplatten, bestehend aus einer einzigen flexiblen Membran, die an ihrem Umfang eingespannt ist und auf mindestens einer Seite eine piezoelektrische Scheibe trägt, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Membran (7), der oder den piezoelektrischen Scheiben (10a, 10b) und der Einspanneinrichtung (8a, 8b) bestehende Saugrappe vollständig mit einem SIastomermaterial (5) ohne dazwischenliegende Luftschicht umhüllt ist.
2. Unterlassermikrophon nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (Ij kreisförmig ist und an ihrem Umfang zwischen zwei Eingen (8a, 8b) eingespannt ist.
3. Unterwassermikrophon nach Ansprüchen 1 und 2, das auf einem starren Träger befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Verbindung zwischen dem Träger und dem Mikrophon nur durch das Elastomermaterial (5) gebildet wird.
4. Unterwassermikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Elastomermaterials (5) gleichförmig und beiderseits der Membran (7) im Bereich der piezoelektrischen Scheiben (10a, 10b) verringert ist.
5. Unterwassermikrophon nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verringerte Dicke zwischen 0,5 und 2 mm liegt.

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Brief vom Blatt 1 3 Dipl.-Ing. G. Sdhliebs

on das Deutsche Patentamt, München Patentanwalt
6. Unterwassermikrophon nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die verringerte Dicke ungefähr 1 mm beträgt bei einem Innendurchmesser der Einspannringe (8a, 8b) von ungefähr 24 mm.
7. TJ nt erwass ermikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Blastomermaterial (5) Polyurethan ist.
8. Unterwassermikrophon nach e^:nem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß ie piezoelektrischen Scheiben (10a, 1Ob) Ker^ikbauteile aus Blei-Titan-Zirkonat sind.

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