DE2606951A1 - Piezoelektrischer wandler - Google Patents

Description

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Paris /Frankreich

Piezoelektrischer Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler für niedrige Frequenzen.

Das technische Gebiet der Erfindung ist das der Unterwasserakustik und insbesondere das der Konstruktion von Sendeantennen für Hochleistungs-Sonarsysteme«

Zur Herstellung von Verbindungen unter Wasser oder zur Feststellung von Objekten auf große■Entfernung besteht ein Interesse daran, akustische Niederi'requenzwellen unter 2 kHz zu verwenden.

Bei der Konstruktion von Hochleistungs-Sonarsendeantennen auf dem Niederfrequenzgebiet treten schwierige Probleme auf.

Die Abmessungen und das Gewicht der bekannten Wandler zum Senden bei niedrigen Frequenzen sind beträchtlich, und die Hochleistungsantennen sind sehr schwer und sehr Schw/Ba platzraubend. _:

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Die aufgetretenen Probleme sind noch größer, wenn es sich darum handelt, Antennen zu konstruieren, die für ein Untertauchen in große Tiefen bestimmt sind.

Mit Hilfe der Erfindung soll ein piezoelektrischer Wandler geschaffen werden, der es ermöglicht, die Sendeantennen leichter zu machen und ihren Platzbedarf zu reduzieren, auch wenn es sich um Antennen handelt, die tief untergetaucht werden sollen.

Derzeit verwendete piezoelektrische Leistungswandler sind sogenannte Tonpilz-Wandler, die aus einem Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen aufgebaut sind, der zwischen einem Schalltrichter, dessen Außenfläche die Strahlungsilache ist, und einer Gegenmasse angeordnet ist. Der Schalltrichter und die Gegenmasse sind mittels einer vorgegespannten Zugstange verbunden, die diese beiden Teile in Anlage an die zwei Enden des Stapels hält.

Die Länge eines solchen Wandlers beträgt allgemein λ/2, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Welle in den den Wandler bildenden Materialien ist, was zu einer Länge in der Größenordnung von 500 mm fiix· Wandler führt, die mit einer Frequenz von 1300 Hz senden.

Zum Aufbau einer Antenne, die unter einem weiten Winkel mit hoher Leistung strahlt, wird auf eine zylindrische Struktur aus Reihen solcher Wandler zurückgegriffen, Zur Erzielung einer Rundstrahlantenne oder einer in zwei diametral gegenüberliegenden Richtungen strahlenden Antenne müssen Wandlerreihen diametral gegenüber angeordnet werden, was zu einem Antennendurchmesser von mehr als einem Meter einer beispielsweise bei 1300 Hz strahlenden Antenne führt.

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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers gelöst, der aus wenigstens zwei Elementarwandlern besteht, die jeweils einen Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen und einem Schalltrichter bestehen und die in Ausrichtung aufeinander angeordnet sind, wobei die Schalltrichter an ihren äußeren Enden angebracht sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung besteht ein erfindungsgemäßer Wandler aus zwei gleichen Wandlerhälften, die bezüglich einer Mittelebene mittels einer Vorspannungsstange, die sie von Hälfte zu Hälfte durchläuft, symmetrisch zueinander zusammengefügt sind.

Eine Abwandlung besteht darin, daß der erwähnte Wandler ein Zwischenteil zwischen den zwei von der Vorspannungsstange durchdrungenen Wandlerhälften enthält.

Dieses Zwischenteil spielt die Rolle der für die zwei Elementarwandler gemeinsamen Gegenmasse, doch können seine Abmessungen wesentlich geringer sein, als die einer üblichen Gegenmasse, da jeder Elementarwandler für den anderen Elementarwandler als Gegenmasse wirkt.

Dieses Zwischenteil kann auch ganz weggelassen werden, da es nicht unbedingt erforderlich ist.

Die Möglichkeit, die Gegenmasse wegzulassen oder beträchtlich zu reduzieren, stellt einen wichtigen Vorteil der Erfindung dar, und erklärt den Gewichtsund Platzgewinn, der mit Hilfe der Erfindung geschaffenen Wandler.

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Eine abgewandelte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers kann aus s". si unsymmetrischen Slementarwandlern bestehen, die am. selben festen Zwischenteil befestigt sind. Diese Ausführungsform gestattet es, bidirektionale Antennen zu bauen, die in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen entsprechend der Resonanzfrequenz jedes der Elementarwandler strahlen. Solche Antennen sind
von Interesse, wenn es gilt, zunächst ein Objekt auf
große Entfernung mit niedriger Frequenz festzustellen und dann mit größerer Genauigkeit bei höherer Frequenz zu beobachten, indem die Antennebeispielsweise um
180° gedreht wird.

Ein erfindungsgemäßer Wandler mit Rundstrahlcharakteristik besteht aus vier Elementarwandlern, die kreuzförmig
an einem festen Mittelteil befestigt sind.

Ein-erfindungsgemäßer Wandler mit bidirektionalem
Strahlungsdiagramm, der sehr großen loichtiefen widerstehen kann, besteht aus zwei Elementarwandlern, die in eine Schicht aus wasserdichtem Elastomermaterial eingehüllt sind, wobei diese Schicht direkt auf die Außenfläche des Wandlers aufgebracht ist, ohne daß es notwendig ist, zwischen der Außenfläche und der Schicht
eine Luftschicht zur Erzielung einer akustischen Entkopplung aufrecht zu erhalten.

Ein erfindungsgemäßer Wandler mit Rundstrahlcharakteristik besteht aus zwei Halbwandlern, deren Seitenflächen mit einer akustisch reflektierenden Schicht überzogen sind.

Ein solcher Wandler mit Rundstrahlcharakteristik, der eine große Widerstandsfähigkeit für große Eintauchtiefen aufweist, besteht aus zwei Halbwandlern, deren Seitenflächen mit einem Reflektor überzogen sind, der aus wenigstens einer verformbaren, dichten Hülle

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besteht, in deren Innerem zwei starre zylindrische Einlagen angebracht sind, die mittels Netzgeweben aus ineinander verflochtenen Drähten miteinander verbunden sind.

Das Ergebnis der Erfindung ist ein neuartiges Produkt,das aus einem piezoelektrischen Wandler für niedrige Frequenzen besteht.

Dieser Wandler eignet sich besonders für die Konstruktion von Hochleistungsantennen, die bei niedrigen Frequenzen strahlen, wobei ihr Gewicht und ihr Platzbedarf reduziert werden können. Eine gemäß der Erfindung ausgebildete Antenne, die bei 1300 Hz strahlt, hat dabei einen Durchmesser von etwa 500 mm, während sie einen Durchmesser von über 1 m Jtiat, wenn sie mit Tonpilz-Wandlern aufgebaut ist.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wandler besteht darin, daß sie eine bidirektionale Richtcharakteristik haben, ohne daß spezielle Vorrichtungen zur Unterdrückung der seitlichen Abstrahlung wie ein starres dichtes Gehäuse oder eine elastische, von der vibrierenden Anordnung mittels einer Luftschicht getrennte Umhüllung aufweisen müssen. Es ist daher einfach, erfindungsgemäße Wandler aufzubauen, die starken hydrostatischen Drücken widerstehen und die daher tief untergetaucht werden können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wandler besteht darin, daß eine hinsichtlich des Seitenwinkels richtwirkungsfreie Sendeantenne erhalten werden kann, die aus einer einzigen vertikalen Wandlerreihe aus zwei Halbwandlern zusammengesetzt ist, die seitlich von einem akustischen Reflektor umhüllt sind, oder die aus einer einzigen vertikalen Wandlerreihe aus vier kreuzförmig angeordneten Elementarwandlern aufgebaut ist.

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Ein Vorteil der erfiridungsgemäßen Wandler, die aus unsymmtrisehen Elementarwandlern zusammengesetzt sind, besteht auch darin, daß mit ihrer Hilfe Antennen gebaut werden können, die auf zwei unterschiedlichen Frequenzen strahlen. Bei einer um eine vertikale Achse drehbaren Lagerung ermöglichen solche Antennen zunächst die Feststellung eines Objekts durch Absuchen eines weiten Gebiets bei einer niedrigen Frequenz und dann die exakte Beobachtung bei einer höheren Frequenz bei Einschränkung auf ein begrenzteres Gebiet.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispislshalber erläutert. Es zeigen:

Fig.1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig.2 einen Längsschnitt 'eines erfindungsgemäßen Wandlers, mit Rundstrahlcharakteristik,

Fig.3 einen Querschnitt eines kreuzförmigen Wandlers gemäß der Erfindung,

Fig.4 ein Diagramm der Strahlungskeulen des Wandlers von Fig.1 und

Fig.5 ein Diagramm der Strahlungskeulen des Wandlers von Fig.2. !

Fig.1 zeigt einen Wandler 1 mit der Achse xx1, der aus zwei gleichen Halbwandlern 1a und 1b zusammengesetzt ist. Jeder Halbwandler enthält .einen Stapel 2 und 3 aus piezoelektrischen Elementen 2a bzw. 3a, die abwechselnd mit Elektroden 2b und 3b angeordnet sind. Die Elektroden 2b, 3b sind mit Hilfe von Leitern 2c, 3c für die eine Polarität und mit Hilfe von Leitern 2d, 3d für die

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andere Polarität parallel zueinander miteinander verbunden. Die aufeinanderfolgenden Elektroden haben abwechselnd jeweils die eine und die andere Polarität. Jeder Halbwandler ist auch mit einem Schalltrichter 4 bzw. 5 versehen, der aus einem starren Teil besteht, das in Kontakt mit einem Ende des Stapels angebracht ist und zu der vom Stapel weg gerichteten Seite divergierend ausgebildet ist, damit die akustischen Wellen zum Umgebungsmedium übertragen werden.

Die zwei Halbwandler sind in einer Richtung angeordnet, und die Schalltrichter sind an den Außenseiten, d.h. an den zwei freien Enden der von den zwei rückseitig aneinander gefügten Halbwandlern gebildeten Anordnung angebracht. Die zwei Halbwandler sind symmetrisch bezüglich einer Mittelebene yy1 senkrecht zur Achse xx1 mit Hilfe einer Vorspannungsstange 6 zusammengefügt, die die zwei Stapel und die zwei Schalltrichter durchdringt, und die mit Hilfe von zwei Schrauben 7 und 8 gespannt wird, von denen jeweils eine in eine Ausnehmung jedes Schalltrichters eingefügt ist.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Wandler außerdem ein Mittelteil 9, das dazu dient, den Wandler auf seinem Träger zu befestigen und die elektrischen Verbindungen zwischen den Leitern 2c, 2d, 3c, 3d und dem die elektrischen Versorgungsleiter enthaltenden Kabel 10 herzustellen.

DieserMittelteil 9 übernimmt die Funktion der Gegenmasse gemeinsam für die zwei Halbwandler. Die Abmessungen dieses Mittelteils sind jedoch kleiner als die der Gegenmasse, die für einen einzigen der Halbwandler in einer Anordnung des Tonpilz-Typs verwendet werden müßte.

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Tatsächlich hat jede der zwei Halbwandler die Funktion der Gegenmasse für *: en anderen Halbwandler, so daß auch das Gewicht dsr Gegenlasse verringert werden kann. Dieses Mittelteil ist nicht unbedingt erforderlich^ es kann bei gewissen Ausführungsformen sogar weggelassen werden.

In diesem Fall entsteht in den zwei Halbwandlern ein System stehender Wellen. Der Verbindungspunkt der zwei Halbwandler bildet einen Knoten dieses Systems stehender Wellen, und die Außenflächen der zwei Schalltrichter werden an einen Schwingungsbauch gelegt und schwingen gegenphasig zueinander.

Die Gesamtlänge des Wandlers, die gleich dem Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schwingungsbäuchen ist, hat den Wert λ/2, wobei λ die Wellenlänge der akustischen Grundschwingung in dem von den Stapeln und den Schalltrichtern gebildeten Medium ist.

Fig.1 zeigteine Ausführungsform, bei der die zwei Halbwandler 1a und 1b gleich und symmetrisch bezüglich einer Mittelebene yy1 angeordnet sind.

Die zwei Elementarwandler 1a und 1b können auch unterschiedlich sein, wobei jeder von ihnen auf einer Eigenfrequenz f1 bzw. f2 strahlt. In diesem Fall sind die zwei Elementarwandler an einem Mittelteil 9 befestigt, das unbedingt stationär ist, damit Interferenzen zwischen den zwei Grundfrequenzen vermieden werden.

Der in Fig.1 dargestellte Wandler ist mit einer dichten Schicht 11 aus einem Elastomermaterial, beispielsweise einer Polyurethanschicht überzogen. Diese Schicht ist direkt auf die Außenflächen der Stapel und der Schalltrichter aufgebracht. Sie bewirkt eine elektrische Isolierung dieser Teile vom Umgebungsmedium, jedoch bildet sie keine

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akustische Isolierung. Die Schicht ist ausreichend nachgiebig, damit die hydrostatischen Drucke so übertragen werden, daß die piezoelektrischen Elemente einem isotropen Druck ausgesetzt werden, der auf alle ihre Flächen einwirkt.

Ein solcher Wandler enthält somit kein starres hohles Gehäuse zur Erzielung der Widerstandsfähigkeit gegen hydrostatische -Drücke; er kann in großen Tauchtiefen von mehreren tausend Metern eingesetzt werden.

Fig.4 zeigt in einem Polarkoordinatendiagramm die Strahlungskeulen eines Wandlers nach Fig.1, der bei einer Frequenz von 1000 Hz strahlt. Aus diesem Diagramm ist zu erkennen, daß ein solcher Wandler eine Richtwirkung in zwei einander entgegengesetzten Richtungen längs seiner Achse xx1 hat.

Der Intensitätsunterschied der längs der Achse xx1 und in der Richtung senkrecht zu dieser Achse abgestrahlten Wellen beträgt 20 dB.

Fig.2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Rundstrahlcharakterstik für große Eintauchtiefen. Dieser Wandler besteht wie der von Fig.1 aus zwei gleichen Halbwandlern 12a und 12b mit der Achse xx1, die mit Hilfe einer Vorspannungsstange 13 und eines Mittelteils 14 in einer Richtung angeordnet sind. Diese Anordnung ist von einer wasserdichten Harzschicht 15 umgeben.

Um die Seitenflächen des Stapels und um die Schalltrichter 16 und 17 ist ein Überzug 18 angebracht, der aus einem Material mit Reflexionseigens chaften für akustische Wellen besteht. Beispielsweise besteht der Überzug 18 aus einem Material mit Zellenstruktur

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oder aus geschäumtem Polyvinylchlorid.

Die in ^ig.2 dargestellte Anordnung ist für die Verwendung bei großen Eintauchtiefen bestimmt.

Bei dieser Ausführungsform ist der Überzug 18 ein zusammengesetzter Überzug, der gegen Zusammendrücken widerstandsfähig ist und seine Reflexionseigenschaften auch unter starken Drücken beibehält. Dieser Überzug besteht aus einer dichten und verformbaren Hülle 19, die im Inneren zwei starre zylindrische Einlagen 20 und 21 mit der Achse xx1 enthält, die mittels Netzgeweben aus ineinander verflochtenen Drähten voneinander getrennt sind. Ein solcher akustischer Reflektor ist bekannt; die Erfindung stellt eine neue Anwendung eines solchen Reflektors dar.

Fig.5 zeigt die Richtstrahlungskeulen eines Wandlers gemäß Fig.4, der bei einer Frequenz von 1000 Hz strahlt. Wie zu erkennen ist, ist das Diagramm ein Rundstrahldiagramm, wobei die Differenz zwischen den Intensitäten entsprechend den Richtungen maximal in der Größenordnung von 3 dB bleibt. Fig.3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers mit Rundstrahlcharakteristik, der sehr große Eintauchtiefen aushalten kann. Dieser Wandler enthält ein festes Mittelteil 23, an dem vier gleiche Elementarwandler 24a, 24b, 24c und 24d kreuzförmig befestigt sind. Jeder der Elementarwandler enthält einen Stapel aus piezoelektrischen Elementen 25, die abwechselnd mit Elektroden angeordnet sind, sowie einen Schalltrichter 26 am freien Ende. Jeder Stapel 25 wird mit Hilfe einer Gewindestange 27 auf Druckbeanspruchung vorgespannt, die den Schalltrichter und den Stapel durchdringt und in das Mittelteil 23 geschraubt ist, und

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mi-t-fcels einer Mutter 28 gespannt ist, die in einer Ausnehmung im Schalltrichter angebracht ist. Die gesamte Anordnung ist mit einer dichten Harzschicht 29 umhüllt.

Die Richtstrahlungskeulen dieses Wandlers zeigen, daß der Wandler richtwirkungsfrei ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Wandler können Sendeantennen konstruiert werden, die hinsichtlich des Seitenwinkels richtwirkungsfrei sind. Diese Antennen v/erden mittels eines vertikalen Mittelträgers gebildet, der gleichzeitig als gemeinsames Mittelteil 9 für mehrere übereinander angeordnete symmetrische oder unsymmetrische Wandler gemäß Fig.1 oder als gemeinsames Mittelteil für mehrere übereinander angeordnete Wandler gemäß Fig.3 dient.

Im Rahmen der Erfindung könnten verschiedene Teile der beschriebenen Wandler ohne weiteres durch dem Fachmann bekannte äquivalente Bauteile ersetzt werden.

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Claims (8)

Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Wandler mit wenigstens einem Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Stapel in zwei Elementarwandler unterteilt ist, die jeweils an ihren Enden mit einem Schalltrichter versehen sind und rückseitig, das heißt umgekehrt gerichtet angebracht sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel in zwei gleiche Elementarwandler unterteilt ist, die bezüglich einer Mittelebene geometrisch und elektrisch symmetrisch sind und deren Schalltrichter mittels einer Vorspannungsstange miteinander verbunden sind, die die Gesamtanordnung miteinander verbindet.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Elementarwandlern eine von der Vorspannungsstange durchdrungene Gegenmasse vorgesehen ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daP zwei unsymmetrische Elementarwandler vorgesehen sind, die einzeln an einem festen Mittelteil befestigt sind.

5» Wandler nach Anspruch 1 mit Rundstrahlcharakteristik, bestehend aus vier kreuzförmig angeordneten Elementarwandlern, dadurch gekennzeichnet, daß die vier Elementarwandler am selben Mittelteil jeweils mittels einer Vorspannungsstange befestigt sind, die den Schalltrichter und das Mittelteil verbindet.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit bidirektionaler Charakteristik zum Eintauchen in sehr große Tiefen,

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dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elementarwandler vorgesehen sind, die vollständig von einer Schicht aus wasserdichtem Elastomermaterial umhüllt sind, die direkt auf die Wandleraußenfläche aufgebracht ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Rundstrahlcharakteristik, gekennzeichnet durch zwei Elementarwandler, deren Seitenflächen in einen einen akustischen Reflektor bildenden Überzug eingehüllt sind.

8. Wandler nach Anspruch 7 mit großer Widerstandsfähigkeit gegen große Eintauchtiefen, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierende Überzug aus wenigstens einer verformbaren, dichten Hülle besteht, in deren Innerem zwei starre zylindrische Einlagen angebracht sind, die mittels Netzgeweben aus ineinander verflochtenen Drähten miteinander verbunden sind.

9* Hinsichtlich des Seitenwinkels richtwirkungsfreie oder in zwei Richtungen strahlende Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß ein fester vertikaler Träger vorgesehen ist, der gleichzeitig als Mittelteil für mehrere übereinander angeordnete Wandler dient.

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