DE2607672A1

DE2607672A1 - Piezoelektrischer wandler

Info

Publication number: DE2607672A1
Application number: DE19762607672
Authority: DE
Inventors: Bernard Tocquet
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1975-02-27
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1976-09-09
Also published as: FR2302655B1; GB1522904A; US4100527A; FR2302655A1

Description

Unser Zeichen: E 864

Ii'Etat Francais represent! par Ie Delegue Ministeriel pour l'Armement

14, Rue Saiut-Dominique
Pari s/Frankreich

Piezoelektrischer Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Wandler mit mehreren. Erregern und mit einer einzigen Gegenmasse.

Dus technische Gebiet der Erfindung ist das der Konstruktion von piezoelektrischen Wandlern, die in der Unterseeakustik zur Bildung von Sonar-Antennen verwendet werden.

Sonar-Antennen and insbesondere Hochleistungs-Sendeantennen, die hinsichtlich des Seitenwinkels richtwirkungsfrei sind, sind umso schwerer und umfangreicher, je niedriger die Sendefrequenz ist.

Zur Verringerung des Gewichts solcher Antennenkonstruktionen sind bereits piezoelektrische Wandler mit Rundstrahlcharakteristik bekannt, die einen zylindrischen Mantel aufweisen, in dessen Innerem radiale, regelmässig verteilte piezoelektrische

609837/0885

Erreger angebracht sind, die außer dem Mantel keine mechanische Verbindung miteinander haben. Es ist bekannt, daß derartige Wandler zwei Hauptresonanzfrequenzen haben, von denen eine unter der Eigenfrequenz des Mantels liegt, was ermöglicht, für das gleiche Gewicht und den gleichen Platzbedarf niedrigere Frequenzen zu erhalten.

Ier Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige piezoelektrische Wandler so zu verbessern, daß ein breiteres Durchlaßband mit einer noch niedrigeren Resonanzfrequenz oder mit reduziertem Gewicht und Platzbedarf erhalten wird.

Ein piezoelektrischer Wandler nach der Erfindung erhält in bekannter Weise einen starren zylindrischen Mantel, an dessen Innenwand piezoelektrische Erreger radial angebracht sind, die jeweils aus einem Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen bestehen, die mittels einer Vorspannungsstange zusammengepreßt gehalten sind.

Das Wort "zylindrisch" ist hier im allgemeinen Sinn ohne Beschränkung auf kreisförmige Querschnittsflächen verwendet.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder der Erreger mittels der Vorspannungsstange an einem Mittelteil befestigt ist, das für alle Erreger als gemeinsame Gegenmasse dient. Der zylindrische Mantel bildet einen Schrumpfring, der die Erreger zusammengepreßt hält. '

Eine Sonar-Antenne nach der Erfindung enthält mehrere gleichachsig nebeneinander angeordnete Wandler, und in einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittelteil

809837/0885

gemeinsam für alle Wandler vorgesehen. Der äußere Mantel kann gleichfalls ein für alle Wandler gemeinsam vorgesehener Schrumpfring sein.

Ein für große Eintauchtiefen bestimmter Wandler nach der Erfindung enthält ein von dem zylindrischen Mantel umschlossenes Gehäuse, das von zwei Seitendeckeln dicht abgeschlossen ist und das mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, die in einem Druckgleichgewicht mit dem Umgebungsmedium gehalten ist.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung von Wandlern und von Antennen nach der Erfindung.

Bei solchen Wandlern dient der äußere Mantel als gemeinsamer Schallabstrahler für alle Elementarerreger, d.h. als schwingende Fläche, die die übertragung der akustischen Wellen zwischen den Erregern und dem Wasser gewährleistet, in das der Wandler getaucht ist.

Es ist vorteilhaft, einen erfindungsgemäßen Wandler ohne Befestigen des Elementarerregers am äußeren Mantel aufzubauen, damit in dem Mantel keine Befestigungslöcher mit großer Präzision angebracht werden müssen. Der äußere Mantel wird mit den Erregern allein durch Verkleben und durch einen Schrumpfungseffekt .zusammengefügt, was den Vorteil hat, daß die Erregftr ohne irgendeine Biege- oder Torsionsvorspannung unter einem Vorspannungsdruck gehalten werden, was ermöglicht, die Vorspannungsstangen mit geringeremGewicht auszuführen.

609837/0885

Die Verbindung zwischen dem Mantel und jedem Erreger muß jedoch über eine einwandfreie Kontaktfläche erfolgen, damit eine gute Übertragung der akustischen Drücke erhalten wird.

Dieses Ergebnis wird mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens erzielt, bei dem zunächst jeder piezoelektrische Erreger am Mittelteil angebaut wird,in den die Vorspannungsstange jedes Erregers in das Mittelteil geschraubt wird, worauf der Stapel jedes Erregers zwischen dem Mittelteil und einem Widerlager in gleicher Weiss.zusammengepreßt wird, das am. anderen Ende des Stapels durch Aufschrauben einer in einer Ausnehmung im Widerlager auf das Gewindeende der Vorspannungsstange geschraubten Spannmutter . . : angebracht wird, worauf die Außenflächen der Widerlager und der Spannmuttern zur Erzielung einer gem samen zylindrischen Außenfläche mit sehr großer Genauigkeit bearbeitet werden, worauf dann auf der zylindrischen Außenfläche der zylindrische, zuvor erwärmte Mantel durch Aufschrumpfen angebracht wird, dessen Innendurchmesser im kälten Zustand geringfügig kleiner als der Durchmesser 'der Außenfläche ist, so daß die piezoelektrischen Erreger von dem Mantel nach dessen Abkühlen.zusammengepreßt werden.

Dieses Herstellungsverfahren hat den Vorteil, daß jede Vorspannungsstange getrennt gespannt wird, was ermöglicht, die Spannungen mitgroßer Genauigkeit so'einzustellen, daß jeder Erreger genau die gleiche Resonanzfrequenz hat.

Mit Hilfe der Erfindung wird ein neuartiger piezoelektrischer Wandler mit einem äußeren zylindrischen Mantel und mit darin radial angebrachten piezoelektrischen Erregern

609837/0885

■ · · 2607R72

geschaffen, wobei der Mantel als gemeinsamer Schallabstrahler für alle Erreger dient.

Bei bekannten Wandlern dieser Art enthält jeder piezoelektrische Erreger eine Gegenmasse an dem in der Mitte liegenden Ende, und diese Gegenmassen haben eine kegelstumpfförmige Gestalt, damit sie sich an keiner Stelle gegenseitig berühren,

Im Vergleich zu diesen bekannten Wandlern ermöglicht ein erfindungsgemäßer Wandler einen Gewinn hinsichtlich des Gewichts und des Platzbedarfs. Die einzelnen Gegenmassen sind durch ein einziges Mittelteil ersetzt, das allen Wandlern gemeinsam angehört, und die Abmessungen dieses Mittelteils können kleiner als die einer einzelnen Gegenmasse der bekannten Wandler sein.

Vergleichsversuche mit einem bekannten Wandler haben gezeigt, daß bei gleichen Abmessungen des zylindrischen Mantels und der piezoelektrischen Erreger die Resonanzfrequenz eines erfindungsgemäßen Wandlers um etwa 1,5 kHz bezüglich der hohen Frequenz des bekannten Wandlers reduziert ist. Bei gleicher Frequenz hat ein nach der Erfindung ausgebildeter Wandler verringerte Abmessungen.

Die gleichen Vergleichsversuche haben gezeigt, daß das Durchlaßband eines erfindungsgemäßen Wandlers erweitert ist. .

Schließlich ist das Antwortsignal pro Watt eines erfindungsgemäßen Wandlers, d.h. das Verhältnis zwischen dem abgestrahlten akustischen Druck und der Anzahl der dem Wandler in Form elektrischer Energie zugeführten Watt bezüglich bekannten Wandlern deutlich verbessert·

609837/0885

Die mit einem gemeinsamen Mittelteil versehenen erfindungsgemäßen Wandler können einen Nachteil gegenüber bekannten Wandlern dieser Art aufweisen, der darin besteht, daß beim Untertauchen in große Tiefen der vom hydrostatischen Druck zusammengepreßte zylindrische Mantel auf die piezoelektrischen Elemente einen in einer Richtung längs ihrer Polarisationsachse wirkenden Druck überträgt, was dazu führen kann, daß änderungen der elektroakuiischen Eigenschaften herbeigeführt werden·

Dieser Nachteil wird dadurch beseitigt, daß der Mantel mit einer dielektrischen Flüssigkeit, beispielsweise mit Öl, gefüllt wird, und daß diese Flüssigkeit auf gleichen Druck wie der Außendruck, beispielsweise mit Hilfe eines verformbaren Balgs gebracht wird, der direkt mit dem Wasser in Kontakt steht.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Bs zeigen:

Fig.1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines .erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig.2 einen Querschnitt des Wandlers von Fig.1,. Fig.3 einen Längsschnitt einer Sonar-Antenne und

Fig.4 und Fig.5 Yergleichsdiägramme des Antwortsignals pro Volt und pro Watt eines erfindungsgemäßen Wandlers sowie eines bekannten Wandlers.

Fig.1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemgßen Wandler mit einem äußeren Mantel 1, der die F.Orm eines zylindrischen Rings mit der Achse xxi hat und von zwei Seitendeckeln 2 und 3 verschlossen ist,

809837/0885

die mit den Mantel durchdringenden Gewindestangen 4 zusammengehalten werden.

Die Gewindestangen 4, von denen beispielsweise acht vorhanden sind, durchlaufen Öffnungen 4a in den Deckeln, und sie werden mit Hilfe von Hutmuttern 4b gespannt. Zwischen den Hutmuttern und den Deckeln sind Dichtungen 4c angebracht. Die Gewindestangen 4 sind mit Ansätzen 4d versehen, auf denen die Deckel in Anlage kommen; der Abstand zwischen diesen Ansätzen ist dabei so bemessen, daß die Deckel nicht in Anlage gegen den Mantel 1 kommen können.

Zwischen die Deckel und den Mantel 1 sind Dichtungsringe eingefügt..Sie sitzen in Halbnuten 5a bzw. 5b, die in die Deckel bzw. in die Stirnflächen des Mantels geschnitten sind. Diese Dichtungsringe dienen dazu, die Deckel vom Mantel akustisch zu entkoppeln. Sie können in gleicher Weise als Abdichtungen zwischen dem Deckel und dem Mantel 1 dienen. In einer Abwandlung könnte die Abdichtung auch mit Hilfe einer nachgiebigen Umhüllung gebildet werden, beispielsweise einer Umhüllung aus ρ· c-Kautschuk, bei dem die Dichte P gleich der Dichte des Wassers ist und indem die Schallausbreitungsgeschwindigkeit c die gleiche Geschwindigkeit wie in Wasser ist, so daß diese nachgiebige Umhüllung für akustische Wellen vollkommen durchlässig ist. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig.3 dargestellt.

Im Inneren des Mantels 1 sind piezoelektrische Erreger 6 angebracht. Diese Erreger, von denen in der Zeichnung beispielsweise acht verwendet sind, sind radial angeordnet und an einem gemeinsamen Mittelteil 7 befestigt.

Fig.2 zeigt in einem Querschnitt den Mantel 1, das Mittelteil 7 und die acht piezoelektrischen Erreger 6.

' 609837/0.885

Jeder piezoelektrische Erreger besteht in bekannterweise aus einem Stapel aus piezoelektrischen Elementen 8, beispielsweise aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Keramikelementen, die an elektrische Leiter mit abwechselnden Folaritäten angeschlossen sind, die sie mit den elektronischen Anregungsschaltungen verbinden.

Der Stapel aus piezoelektrischen Elementen wird zwischen dem Mittelteil 7 und einem am äußeren Ende angebrachten Widerlager 9 mit Hilfe einer in der Mitte verlaufenden Stange 10 zusammengefügt und zusammengepreßt gehalten, die in das Mittelteil 7 geschraubt ist und mit Hilfe einer auf das äußere Ende der Stange 10 geschraubten Mutter 11 unter, Spannung gesetzt ist. Die Mutter 11 ist in einer Ausnehmung im Widerlager 9 angebracht.

Bei der Herstellung eines Wandlers gemäß den Figuren 1 und wird zunächst Jeder der Erreger 6 am Mittelteil 7 befestigt, indem die Vorspannungsstange 10 in eine im Mittelteil angebrachte Gewindebohrung geschraubt wird.

Die Vorspannungsstangen 10 werden dann einzeln gespannt, indem die Muttern 11 aufgeschraubt werden, und die Spannung wird so eingestellt, da.O alle Erreger genau auf der gleichen Grundfrequenz schwingsn. Mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von 0,01 mm werden dann die Außenflächen der Widerlager 9 und der Muttern 11 bearbeitet, damit eine gemeinsame zylindrische Außenfläche mit dem Zentrum 0 erhalten wird, deren Durchmesser geringfügig über dem Innendurchmesser des Mantels 1 liegt, der selbst mit Präzision bearbeitet ist. Der Mantel 1 wird dann erwärmt, damit er sich ausdehnt, und er wird um die Außenfläche gelegt. Beim Abkühlen bildet der Mantel 1 einen Schrumpfring, der sich gegen die Widerlager

' 609837/0885

und die Köpfe der Muttern 11 legt und der die piezoelektrischen Elemente in axialer Richtung zusammenpreßte

Der Mantel 1 ist somit an der Vorspannung der piezoelektrischen Elemente beteiligt,so daß Vorspannungsstangen 10 mit geringerem Querschnitt gewählt werden können.

Dieses Anbringen des Mantels durch Aufschrumpfen, das auch noch durch Kleben verstärkt werden kann, ermöglicht die Erzielung eines guten Kontakts zvaschen dem Mantel und den piezoelektrischen Erregern, einer guten Übertragung der akustischen Wellen sowie einer genauen Symmetrie der vom Mangel ausgeübten Vorspannung, die auf die piezoelektrischen Erreger keine Biege-oder Torsionsspannung ausübt. Die Erreger müssen nicht einzeln am Mantel befestigt werden, was eine äußerst präzise Bearbeitung erfordern würde.

Fig.3 zeigt eine Hochleistungs-Sendeantenne, die von mehreren nebeneinander angeordneten Wandlern 11, 12 und 13 gebildet ist. Die drei Wandler entsprechen den Wandlern von Fig.1; sie haben die gleiche Achse xx1. Die Eigenart dieser Antenne beruht in der Tatsache, daß das Mittelteil 14 für alle drei Wandler gemeinsam vorgesehen ist. Es weist zwei Gewindeenden 14a und 14b auf, auf die Hutmuttern 15 bzw. 16 geschraubt sind, die unter Zwischenfügung einer in einer Nut sitzenden Dichtung 15a bzw. 16a in Anlage an die Deckel 17 bzw. 18 kommen. Die Deckel 17 und 18 kommen mit Ansätzen 14c und I4d in Anlage, damit vermieden wird, daß sie direkt mit den schwingenden Mänteln in Kontakt kommen. Das Mittelteil 14 hat somit gleichzeitig die Funktion der Gegenmasse und der Befestigungsstange, die die Deckel 17 und 18 mit den Wandlern zusammengefügt hält_o

60 9 8 37/0885

Jeder Wandler enthält einen eigenen ringförmigen Mantel 20, 21 und 22. Diese drei Mantel, die gleiche Durchmesser haben, sind nebeneinander angeordnet und zwischen ihnen sind in Nuten liegende Dichtungen 23 zur akustischen Entkopplung angebracht,Dichtungen 19a und 19b zur akustischen Entkopplung sind auch zwischen die Mäntel 20 und 22 und die Deckel eingefügt. Die Ansätze 14c und I4d verhindern ein übermässiges Zusammendrücken der Dichtungen beim Anziehen der Muttern 15 und 16, was die akustische Entkopplung beeinträchtigen würde. Die Dichtungen 19a, 19b und 23 können gleichzeitig auch als Abdichtungen dienen.

Zur Erzielung der Abdichtung wird jedoch vorzugsweise eine andere Lösung angewendet, die in Fig.3 dargestellt ist und die auch bei einem Elementarwandler nach Fig.1 angewendet werden kann. Die Antenne wird im Inneren einer nachgiebigen Umhüllung 26 angebracht, die die Rolle einer Haut spielt, die die starren Mantel 20, 21 und 22 und den Umfang der Deckel 17 und 18 umgibt. Diese Haut wird mit Hilfe von Reifen 27a und 27b gehalten, die um die zwei Enden festgezogen sind. Sie besteht aus einem nachgiebigen Material, das für akustische Wellen vollkommen durchlässig ist, beispielsweise aus p-c-Kautschuk.

In einer Abwandlung kann der Mantel der verschiedenen Wandler ein einziges Teil sein, das einen Schrumpfring bildet, der nach der präzisen Bearbeitung der Außenfläche der Erreger um die Gesamtheit der piezoelektrischen Erreger angebracht ist.

Die in Fig.3 dargestellte Antenne ist für ein Tauchen in große Tiefen bestimmt.Sie ist .mit einer dielektrischen Flüssigkeit 24 gefüllt, und das Innere des Gehäuses steht mit einem verformbaren Behälter 25 in Form eines Balgs in Verbindung _f der in das Wasser getaucht ist, so daß

609837/0885

die Flüssigkeit 24 im Druckgleichgewicht mit dem Wasser steht und die piezoelektrischen Elemente einem isotropen Druck ausgesetzt sind.

Eine gemäß Fig.3 ausgebildete Antenne ist richtwirkungsfrei, wenn alle Erreger gleichphasig angeregt werden.

Fig.4 zeigt ein Diagramm mit Vergleichsmessungen des Antwortsignals pro Volt Sv, das in Dezibel die Anzahl der für eine Erregungsspannung von 1 V abgestrahlten Mikrobar abhängig von der Frequenz anzeigt. Die zwei Kurven wurden mit zwei Wandlern erhalten, die einen Mantel und gleiche piezoelektrische Erreger aufweisen, wobei die beiden Wandler die Erreger radial innerhalb des Mantels enthielten.

Die Kurve C1 gilt für einen bekannten Wandler, bei dem jeder piezoelektrische Erreger seine eigene Gegenmasse aufweist, die an keiner Stelle in Kontakt mit den Gegenmassen der angrenzenden Erreger steht.

Die Kurve C2 gilt für einen erfindungsgemäßen Wandler, der ein Mittelteil enthält, das für alle Erreger als gemeinsame Gegenmasse dient.

Das Diagramm zeigt, daß die Resonanzfrequenz bei der Kurve C2 in der Größenordnung von 7 kHz liegt, während sJe bei der Kurve C1 in der Größenordnung von 8,5 kHz liegt, so daß also eine Absenkung der Resonanzfrequenz um etwa 1,5 kHz erhalten wird. Außerdem ist das Durchlaßband viel breiter.

609837/0885

Fig.5 zeigt ein Diagramm mit an zwei gleichen Wandlern ausgeführten Yergleichsmessungen des Antwortsignals pro Watt Sv/, das in Dezibel die Änderungen der Anzahl der für eine Leistung von 1 Watt, die in Form elektrischer Energie zugeführt wird,, abgestrahlten Mikrobar abhängig von der Frequenz.

Die Kurve C3 gilt für einen bekannten Wandler mit einzelnen Gegenmassen, und die Kurve C4 gilt für einen erfindungsgemäßen Wandler mit zwei Mänteln und gleichen Erregern.

Dieses Diagramm zeigt,daß im Frequenzband zwischen 5 und 11 kHz eine Verbesserung des Antwortsignals pro Watt Sw von 2 bis 3 dB erhalten wird, die in der Größenordnung von 30 bis 50% liegt. Unter der Frequenz von 5 kHz ist die Verbesserung wesentlich bedeutender.

609837/0885

Claims

Pat en tansprüche

1. Piezoelektrischer Wandler mit einem starren zylindrischen Mantel, an dessen Innenwand piezoelektrische Erreger radial angebracht sind, die jeweils aus einem Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen bestehen, die mittels einer Vorspannungsstange zusammengepreßt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Erreger mittels der Vorspannungsstange an einem Mittelteil befestigt ist,das für alle Erreger als gemeinsame Gegenmasse dient.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel ein Schrumpfring ist.

3. Sonar-Antenne aus mehreren gleichachsig nebeneinander angeordneten Wandlern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittelteil für alle Wandler gemeinsam vorgesehen ist. ^l

4„ Antenne nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel von einem für alle Wandler gemeinsam vorgesehenen Schrumpfring gebildet ist.

5. Wandler und Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit zwei Seitendeckeln, dadurch gekennzeichnet,daß das Mittelteil die Deckel durchdringt und zwei Gewindeenden aufweist, auf die zwei, sich auf den Deckeln abstützende Muttern geschraubt sind, sowie zwei Ansätze aufweisen, gegen die die Deckel in Anlage kommen, so daß das Mittelteil gleichzeitig als Gegenmasse und als Montagespannstange .dient.

609837/088 5

6. Wandler und Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit wasserdichtem Abschluß mittels zwei Seitendeckeln zum Untertauchen in große Tiefen, dadurch gekennzeichnet, daß die von den zylindrischen Mänteln und den Deckeln gebildete abgeschlossene Umhüllung mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist und mit einem verformbaren Behälter in Verbindung steht, der in das Wasser eingetaucht ist, so daß sich die Flüssigkeit im Druckgleichgewicht mit dem Wasser befindet.

7. Verfahren zur Herstellung eines Wandlers oder einer Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst jeder piezoelektrische Erreger am Mittelteil angebaut wird,in den die Vorspannungsstange des Erregers in das Mittelteil geschraubt wird, daß dann der Stapel jedes Erregers zwischen dem Mittelteil und einem Widerlager zusammengepreßt wird, das am anderen Ende des Stapels durch Aufschrauben einer in einer Ausnehmung im Widerlager auf das Gewindeende der Vorspannungsstange geschraubten Spannmutter angebracht wird, daß die Außenflächen aller Widerlager und aller Spannmuttern gleichzeitig zur Erzielung einer gemeinsamen zylindrischen Fläche genau bearbeitet werden und daß dann auf der zylindrischen Fläche der zylindrische, zuvor erwärmte Mantel durch Aufschrumpfen angebracht wird, dessen Innendurchmesser im kalten Zustand geringfügig kleiner als der Durchmesser der zylindrischen Fläche ist.

8. Wandler und elektroakutische Antenne, hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder piezoelektrische Erreger aus einem Stapel aus abwechselnd mit Elektroden angeordneten piezoelektrischen Elementen besteht, daß am äueren Ende jedes Stapels ein Widerlager angebracht ist, und daß sich durch den

609837/0885

Stapel und das Widerlager eine Vorspannungsstange erstreckt, die mit dem für alle Erreger gemeinsam vorgesehenen Mittelteil verschraubt ist und mittels einer in einer Ausnehmung des Widerlagers angebrachten Mutter unter Spannung gesetzt ist.

9. Wandler und'Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Deckel und die starren Mäntel und, im Fall der Antenne, zwischen die nebeneinander angeordneten starren Mäntel, akustisch entkoppelnde Dichtungen eingefügt sind.

609837/0885