DE2539246A1

DE2539246A1 - Piezoelektrischer wandler

Info

Publication number: DE2539246A1
Application number: DE19752539246
Authority: DE
Inventors: Philippe Cluzel; Michel Georges Quivy; Bernard Tocquet
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1974-09-09
Filing date: 1975-09-03
Publication date: 1976-03-18
Also published as: US4031418A; FR2284242B1; GB1515555A; FR2284242A1

Description

L'ETAT FRANQAIS represents par Ie Delegu§ Ministeriel pour l'Armement

14 Rue Saint-Dominique Paris / Frankreich

Unser Zeichen: E 849

Piezoelektrischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler, der als Empfänger oder Sender von niederfrequenten Schallwellen d ient.

Bei dem technischen Gebiet der Erfindung handelt es sich um den Aufbau von Schallwellensende- und -empfangsantennen, die unter Wasser verwendet werden.

Es sind bereits piezoelektrische Wandler vom Typ Tonpilz bekannt, die eine Säule von mit Elektroden abwechselnden piezoelektrischen Elementen enthalten. Diese Säule ist zwischen einem Schalltrichter, dessen Aussenseite die Sende- oder Empfangsseite ist, einerseits und einer Gegenmasse andererseits

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angeordnet. Diese Wandler haben im allgemeinen eine Gesamtlänge, die in der Grössenordnung der halben Wellenlänge der Grundwelle in dem den Wandler bildenden Material liegt.

Infolgedessen haben die Wandler vom Typ Tonpilz, die zum Senden oder Empfangen von Schallwellen bestimmt sind, deren Frequenz niedrig ist, verhältnismässig grosse Abmessungen. Beispielsweise hat ein Wandler, der zum Senden von Schallwellen bestimmt ist, die eine Frequenz von 1 300 Hz haben, eine Länge in der Grössenordnung von einem Meter, und die Antennen, die zahlreiche Wandler dieses Typs enthalten, sind sehr schwer und sehr sperrig. Andererseits sind die Säule von piezoelektrischen Elementen und die Gegenmasse im allgemeinen in einem dichten Gehäuse angeordnet, welches mit Luft gefüllt ist, um das Aussenden von Schallwellen nach hinten zu vermeiden und um Wandler zu erhalten, die eine gute Eigenrichtcharakteristik haben. Wenn die Abmessungen der Säule und des Gehäuses gross sind, wird es sehr schwierig, Gehäuse herzustellen, welche die durch grosse Eintauchtiefen hervorgerufenen hydrostatischen Drücke aushalten.

Es ist bereits versucht worden, die Länge der mit niedriger Frequenz arbeitenden Wandler vom Typ Tonpilz zu verringern, indem Gegenmassen aus einem sehr dichten Metall verwendet worden sind, die eine geringe mechanische Steifigkeit haben, beispielsweise durch Herstellen derselben aus Wolfram. Diese Lösung erlaubt aber nicht das Verringern der Länge in grossem Ausmass und erhöht das Gewicht.

Eines der Ziele der Erfindung ist es, mit einem guten Wirkungsgrad niederfrequente Schallwellen mittels eines Wandlers zu erzeugen oder zu empfangen, der ein geringeres Gewicht und eine geringere Länge hat und in grosse Tiefe eingetaucht werden kann.

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Weiter ist es Ziel der Erfindung, einen Niederfrequenzwandler zu schaffen, der leicht auf eine bestimmte Gr und freguenz einstellbar ist, ohne dass die Gesamtlänge der Vorrichtung verändert wird.

Ein piezoelektrischer Wandler nach der Erfindung, der zum Empfangen oder Aussenden von Schallwellen mit niedriger Frequenz bestimmt ist, ist ein Wandler vom Typ Tonpilz, der aus einem Stapel von mit Elektroden abwechselnden piezoelektrischen Elementen besteht, der zwischen einem Schalltrichter vorn und einer Gegenmasse hinten angeordnet ist.

Die Ziele der Erfindung werden·mit Hilfe einer Gegenmasse erreicht, die, zumindest zum Teil, vor dem hinteren Ende des Stapels von piezoelektrischen Elementen und um denselben herum angeordnet ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht die Gegenmasse aus einem starren Block in Form eines Ringes, der um den Stapel herum angeordnet ist, und aus einer elastischen Verbindungseinrichtung zwischen dem Block und dem hinteren Ende des Stapels.

Die elastische Verbindungseinrichtung besteht vorzugsweise aus einem Rohr, welches den Stapel enthält, oder aus Stiften.

Das Rohr kann mit einem Aussengewinde versehen sein und der Ring besteht aus einer Mutter, die auf das Rohr aufgeschraubt ist, so dass er in Längsrichtung bewegt werden kann, was das Abstimmen der Grundfrequenz des Wandlers erlaubt.

Das Rohr und der die Gegenmasse bildende Ring können ein Gehäuse bilden, in welches der Stapel von piezoelektrischen

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Elementen eingeschlossen ist, wobei dieses Gehäuse am Vorderende durch den Schalltrichter und am Hinterende durch einen Deckel dicht verschlossen ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umschliesst der Ring der Gegenmasse die Hinterseite des Schalltrichters vollständig, von der er durch eine Luftschicht getrennt ist. Die Hinterseite des Schalltrichters kann Verlängerungen aufweisen, die in , in der Gegenmasse ausgesparte Löcher eingreifen.

Das Ergebnis der Erfindung ist ein neues Produkt, welches einen elektroakustischen Wandler bildet, der zum Empfangen oder zum Senden von Schallwellen mit vorzugsweise niedriger Frequenz bestimmt ist, die beispielsweise in dem Bereich zwischen 500 Hz und 5 000 Hz liegt.

Einen ersten Vorteil dieses neuen Wandlers bildet sein Gewicht und seine Länge, die gegenüber den bekannten Leistungswandlern desselben Typs, die für dieselben Frequenzbänder bestimmt sind, geringer sind.

Diese Verringerung des Gewichts und der Abmessungen erlaubt seine Verwendung zum Bau von bei der Unterwasserschallortung benutzten Sonarantennen, die in grössere Tiefen eingetaucht werden können, weil man dichte Gehäuse, die den Druck aushalten, umso leichter herstellen kann, je geringer die Abmessungen dieser Gehäuse sind.

Das Vorhandensein eines Rohres aus elastischem Material, welches den starren Block der Gegenmasse mit dem Hinterende des Stapels verbindet, erlaubt ohne Vergrösserung der Gesamtlänge eine sehr wesentliche Verringerung der Grundfrequenz

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gegenüber der einer Vorrichtung desselben Typs, deren Gegenmasse aus dem hinter dem Stapel angeordneten gleichen Block bestünde. Wenn die Länge des Rohres und die Elastizität desselben in derselben Grössenordnung wie die des Stapels liegen, erlaubt nämlich das Vorhandensein des Rohres, die Grundfreguenz durch V2 zu teilen.

Man kann sie noch weiter reduzieren, indem man ein Rohr verwendet, dessen Steifigkeit kleiner als die des Stapels ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform, bei welcher man eine Gegenmasse verwendet, die aus einem auf ein mit Aussengewinde versehenes Rohr aufgeschraubten Ring besteht, ist es leicht, die Grundfreguenz in einem verhältnismässig breiten Band, welches beispielsweise von 1 0OO Hz bis 1 500 Hz reicht, entsprechend der Position des Ringes auf dem Rohr zu verändern. Diese Ausführungsform eignet sich besonders gut für Laborvorrichtungen, die für unterschiedliche Frequenzen benutzt werden können, oder zur Herstellung von Antennen, die genau auf eine genau festgelegte Frequenz abgestimmt werden sollen.

Die Wandler vom Typ Tonpilz sind im allgemeinen (λ/2)-Wandler, deren Gesamtlänge gleich einer halben Wellenlänge ist.

Folglich schwingen die Vorderseite des Schalltrichters und die Hinterseite der Gegenmasse im wesentlichen in Phasenoposition.

Zur Erzielung einer guten Richtcharakteristik dieser Vorrichtungen müssen das Aussenden oder das Empfangen von Schallwellen - mit Ausnahme an der Vorderseite des Schalltrichters maximal unterdrückt werden.

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Wenn das schwingende System in ein Gehäuse eingeschlossen ist, aus welchem einzig und allein die Vorderseite des Schalltrichters hervortritt, schafft die in dem Gehäuse enthaltene Luft die akustische Entkopplung der Teile des schwingenden Systems, mit Ausnahme der Vorderseite des Schalltrichters. Es ist aber schwierig, dichte Gehäuse mit grossen Abmessungen zu bauen, welche die starken hydrostatischen Drücke aushalten, und eine gute akustische Entkopplung zwischen dem Gehäuse und dem schwingenden System zu erzielen.

Ein Vorteil der Wandler nach der Erfindung rührt daher, dass das Ende der Gegenmasse, das normalerweise entgegengesetzt zu dem Schalltrichter angeordnet ist, dem Schalltrichter zugewandt ist. Auf diese Weise kann man Wandler bauen, deren Gegenmasse die Hinterseite des Schalltrichters vollkommen umschliesst und dabei von derselben durch eine Luftschicht getrennt ist, so dass die Gegenmasse die Schwingungen auffängt, die von der Hinterseite des Schalltrichters. herkommen oder die durch dieselbe aufgefangen würden. Diese Schallisolierwirkung der Hinterseite des Schalltrichters wird durch die Tatsache verstärkt, dass die beiden Seiten, die beiderseits der Zwischenluftschicht angeordnet sind, im wesentlichen in Phasenoposition schwingen, wag das Dämpfen der Abstrahlung nach hinten erlaubt.

Mehrere Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung nicht beschränkt ist, sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste

Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung,

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Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite

Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung, und

Fig. 3 einen Teilschnitt durch eine dritte

Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen vom Tonpilz-Typ abgeleiteten elektroakustischen Wandler, der in seiner Gesamtheit mit der Bezugszahl 1 bezeichnet ist Dieser zylindrische Wandler mit der Achse x-xl besteht aus einem Stapel von piezoelektrischen Elementen 2, beispielsweise aus Keramik, die mit Elektroden 3a und 3b abwechseln, welche abwechselnd mit zwei Leitern 4a und 4b verbunden sind, die sich in einem Kabel 5 fortsetzen. Die piezoelektrischen Elemente und die Elektroden werden zwischen einem Schalltrichter 6 und einer hinteren Platte 7 zusammengefügt gehalten und durch einen Vorspannstift 8 zusammengedrückt, der in den Schalltrichter 6 eingeschraubt ist und auf den eine Mutter 9 aufgeschraubt ist.

Dieses schwingende System ist im Innern eines Gehäuses 10 angeordnet, welches durch einen Deckel 11 hinten dicht verschlossen ist.

Die Vorderseite 12 des Schalltrichters bildet den Boden des Gehäuses, der die Schallwellen aussendet oder empfängt. Der Schalltrichter 6 stützt sich auf dem Gehäuse 10 mittels Dichtungen 13 ab, die eine akustische Entkopplung zwischen dem Schalltrichter und dem Gehäuse bewirken.

Die Vorderseite des Schalltrichters 6 ist mit einer biegsamen Umhüllung 14 aus einem Material bedeckt, welches dieselbe

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Schallimpedanz wie das Wasser hat, die somit die Schallwellen überträgt. Gewöhnlich ist das hintere Ende des Stapels, d.h. das zu dem Schalltrichter entgegengesetzte Ende mit einer starren Gegenmasse in Berührung.

Gemäss der Erfindung besteht die Gegenmasse aus einem starren Block 15 in Form eines Ringes, der um den Stapel der Elemente 2, 3 herum angeordnet ist, und aus einem elastischen Verbindungsteil 16, welches den Ring 15 mit der hinteren Platte 7 verbindet. Dieses Verbindungsteil besteht beispielsweise aus einem metallischen Rohr mit der Achse x-xl,. in dessen Innerem der Stapel 2, 3 angeordnet ist. Das Rohr 16 kann durch Stifte oder durch jede andere äquivalente Einrichtung zur elastischen Verbindung zwischen dem Block 15 und der hinteren Platte 7 ersetzt werden.

Bekanntlich gilt für die Grundfrequenz fo eines mechanischen Systems, welches aus zwei miteinander durch eine elastische Verbindung mit einer Gesamtelastizität e verbundenen Massen

Ml und M2 besteht, fo² =

Das Vorhandensein einer Verbindung 16, die eine Gesamtelastizität e hat, zwischen dem Stapel und der Gegenmasse hat somit zur Folge, dass die Grundfreguenz verringert wird, und zwar um so mehr, je grosser die Gesamtelastizität oder Verformbarkeit des Teils 16 ist, d.h. um so mehr, je geringer die mechanische Steifigkeit des Teils 16 ist.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei welcher das Rohr 16 mit Aussengewinde versehen ist und der Ring aus einer Mutter besteht, die auf das Rohr aufgeschraubt ist,

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so dass man diese Mutter in Längsrichtung verstellen kann, um die Grundfrequenz zu verändern, wobei weder das Gewicht noch die Gesamtlänge des Wandlers verändert werden.

Beispielsweise hat ein Wandler gemäss Fig. 1_# der eine Grundfreguenz in der Grössenordnung von 1 300 Hz hat, eine Gesamtlänge von 30 cm und man kann die Grundfrequenz zwischen 1 OOO Hz und 1 5OO Hz verändern, indem man die Mutter 15 verstellt.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen anderen Wandler, in welchem die analogen Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei dieser zweiten Ausführungsform besteht die Gegenmasse aus einem Block 15, einem Rohr 16 und einer Platte 7, welche ein dem hydrostatischen Druck widerstehendes Gehäuse bilden, in dessen Innerem der Stapel von piezoelektrischen Elementen 2 und Elektroden 3a, 3b angeordnet ist. Dieses Gehäuse ist hinten durch einen Deckel 11 dicht verschlossen, durch den das Kabel 5 hindurchgeht.

Der Boden des Gehäuses besteht aus dem Schalltrichter 6, der mit der Gegenmasse 15 ineinandergreift, von der er durch Dichtungsverbindungen 13 getrennt ist, die eine akustische Entkopplung schaffen. Der Stapel und der Schalltrichter einerseits bzw. das Gehäuse andererseits haben derartige Längen, dass eine dünne Luftschicht 17 vorhanden ist, welche die Hinterseite 18 des Schalltrichters von der Seite 19 der Gegenmasse trennt. Diese Luftschicht reduziert die Übertragung oder den Empfang der Schallwellen durch die Hinterseite des Schalltrichters.

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Zur Verbesserung der Richtcharakteristik der Vorrichtung durch Verringerung des Aussendens von Wellen nach hinten oder des Empfangs von Wellen, die von hinten kommen, ordnet man das Gehäuse in einer verformbaren Hülle 2O aus einem die Schallwellen absorbierenden Material oder aus einem Material an, welches eine Schallimpedanz hat, die von der des Wassers sehr verschieden ist.

Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch das Vorderende eines weiteren Wandlers nach der Erfindung, der vom selben Typ wie der vorhergehende ist und bei welchem die Gegenmasse 15 und das Rohr 16 gleichzeitig ein dichtes Gehäuse bilden. Diejenigen Teile, die denen der Fig.1 und 2 analog sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Schalltrichter 6 hat nach hinten vorspringende Verlängerungen 21, die in Ausnehmungen eingreifen, welche zwischen den Teilen 15 und 15a der Gegenmasse angeordnet sind, die von dem Schalltrichter durch eine Luftschicht 23 getrennt ist. Die Verlängerungen 21, die um die zentrale Achse x-xl herum angeordnet sind, können entweder zylindrisch oder sektorförmig sein.

Diese Ausführungsform ist grossen Eintauchtiefen besonders angepasst, bei welchen die Hülle 20 von Fig. 2 ihre Wirksamkeit verliert.

Ein Wandler gemäss Fig. 3 ist derart aufgebaut, dass die Gegenmasse 15 und der Schalltrichter 6 in Phasenoposition schwingen.

Sie sind so aufgebaut, dass die hinteren Enden der Verlängerungen 21, die sich in der Ebene 22 der Hinterseite der Gegenmasse

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befinden, im wesentlichen die Hälfte der Fläche der Ebene einnehmen. Folglich wird die nach hinten gerichtete Abstrahlung dieses Wandlers sehr gedämpft und man erhält eine gute Richtwirkung selbst bei grossen Eintauchtiefen.

Im Rahmen der Erfindung bieten sich dem Fachmann über die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus verschiedene äquivalente Abwandlungsmöglichkeiten.

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Claims

Patentanspruch :

IJ Piezoelektrischer Wanlder vom Typ Tonpilz, zum Empfangen oder Senden von Schallwellen mit niedriger Frequenz, mit einem Stapel von mit Elektroden abwechselnden piezoelektrischen Elementen, der zwischen einem Schalltrichter vorn und einer Gegenmasse hinten angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenmasse, zumindest zum Teil, vor dem hinteren Ende des Stapels und um denselben herum angeordnet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenmasse aus einem starren Block in Form eines um den Stapel herum angeordneten Ringes und aus einer elastischen Verbindungseinrichtung zwischem dem Block und einer am hinteren Ende des Stapels angeordneten Platte besteht.
3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Verbindungseinrichtung aus einem Rohr besteht, in dessen Innerem der Stapel angeordnet ist.
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr mit Aussengewinde versehen ist und dass der Ring aus einer auf das Rohr aufgeschraubten Mutter besteht, so dass er in Längsrichtung bewegt werden kann, was das Abstimmen der Grundfrequenz des Wandlers gestattet.
5. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr und der Ring, welche die Gegenmasse darstellen, ein Gehäuse bilden, in welches der Stapel eingeschlossen ist und welches am vorderen Ende durch den Schalltrichter und am hinteren Ende durch einen Deckel dicht verschlossen ist.
6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das

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Gehäuse in einer biegsamen Hülle angeordnet ist, die eine akustische Entkopplung mit dem umgebenden Medium erzeugt.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring die hintere Seite des Schalltrichters, von dem er durch eine Luftschicht getrennt ist, vollständig umschliesst.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenmasse Ausnehmungen aufweist, in die nach hinten gerichtete Verlängerungen des Schalltrichters eingreifen, um das Senden nach hinten zu verringern.
9. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,dass die elastische Verbindungseinrichtung aus Stiften besteht.
10. Wandler nach· Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Fläche der Verlängerungen im wesentlichen gleich der hinteren Fläche der Gegenmasse ist.

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