DE2617702A1

DE2617702A1 - Verfahren und piezoelektrischer wandler zum senden oder empfangen von schallwellen

Info

Publication number: DE2617702A1
Application number: DE19762617702
Authority: DE
Inventors: Philippe Henri Maurice Cluzel; Michel Georges Quivy
Original assignee: Etat Francais
Current assignee: Etat Francais
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1976-04-23
Publication date: 1976-11-04
Also published as: FR2309105A1; FR2309105B1; US4085400A; GB1518592A

Description

	Patentanwälte	2617702	DipL-lng. G. Leiser
Dipl.-lng. E. Prinz	Dipl.-Chem. Dr. G. Hauser
	Ernsbergerstrasse 19
	8 München 60

23. April 1976

L¹Etat Fran^ais represents par Ie Delegue Ministeriel pour l'Armement

14, rue Saint-Dominique

75997 P A RIS / Frankreich.

Unser Zeichen: E 867

Verfahren und piezoelektrischer Wandler zum Senden oder Empfangen

von Schallwellen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf piezoelektrische Wandler.

Bei dem technischen Gebiet der Erfindung handelt es sich um den Aufbau von piezoelektrischen Wandlern, welche in der Unterwasserakustik insbesondere zur Herstellung von Unterwasserschallempfängern oder Hydrophonen benutzt werden, welche eine geringe G^öße haben und sehr empfindlich und ungerichtet sind.

Es ist bekannt, daß die piezoelektrischen Materialien durch das

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Vorhandensein eines Polarisationsvektors, der eine elektrische Achse festlegt, und durch piezoelektrische Moduln gekennzeichnet sind.

Der Längsmodul d 33 ist das konstante Verhältnis zwischen der elektrischen Ladungsdichte σ , die an zwei Elektroden auftritt, welche auf zwei zu der elektrischen Achse senkrechten Flächen angeordnet sind, und einem Druck P, der parallel zu der elektrischen Achse ausgeübt wird; es gilt σ = d33 · P.

Der Quermodul d3i ist das Verhältnis zwischen der elektrischen Ladungsdichte σ', die an zwei Elektroden auftritt, welche auf zwei zu der elektrischen Achse senkrechten Flächen angeordnet sind, und einem Druck P⁵, welcher senkrecht zu der akustischen Achse ausgeübt wird; es gilt σ* = d31 · P^J .

Der hydrostatische Modul dH ist das konstante Verhältnis zwischen der elektrischen Ladungsdichte σΉ, die auf zwei Elektroden auftritt, welche auf zwei zu der elektrischen Achse senkrechten Flächen angeordnet sind, und einem hydrostatischen Druck H, der auf alle Flächen ausgeübt wird; es gilt σΗ = dH · H.

Bei den piezoelektrischen Keramiken der Familie der Bariumtttanate und anderer Erdalkalien, welches die meist verwendeten sind, ist der Modul d33 größer als der Modul d3i und hat das umgekehrte Vorzeichen.

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Der Modul dH hat dasselbe Vorzeichen wie der Modul d33, ist aber ungefähr fünfmal kleiner. Wenn ein hydrostatischer Druck ausgeübt wird, unterdrücken sich nämlich die Wirkungen der Moduln d33 und d31, die entgegengesetzte Vorzeichen haben, gegenseitig.

Die piezoelektrischen Elemente, die in der Unterwasser akustik benutzt werden, haben im allgemeinen die Form von rotationssymmetrischen Scheiben oder Zylindern, deren geometrische Achse mit der elektrischen Achse zusammenfällt und die auf ihren zu der Achse senkrechten Flächen zwei Elektroden tragen.

Diese Elemente werden meistens in der Longitudinalmode, d.h. zum.Auffangen oder zum Senden von Schallwellen benutzt , die eine Ausbreitungsrichtung parallel zu der Achse haben, wobei die Seitenflächen dann akustisch isoliert sind.

Außerdem wird bei ihnen als Schwingungsform die Transversalmode zum Auffangen oder Senden von Schallwellen benutzt, die sich senkrecht zu der elektrischen Achse fortpflanzen, wobei die ebenen Flächen dann akustisch isoliert sind.

Die Empfindlichkeit ist dann zwar kleiner, die zylindrischen Wandler mit vertikaler Achse sind jedoch vollkommen ungerichtet.

Zur Erhöhung der Empfindlichkeit der in Longitudinalmode arbeitenden Wandler hat man Wandler mit Kolben gebaut, die aus einem oder aus mehreren piezoelektrischen Elementen mit dem Querschnitt

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s bestehen und zwischen zwei starre Kolben eingefügt sind, deren Fläche S größer ist als der Querschnitt s. Der Schandruck, der auf die Außenfläche der Kolben ausgeübt wird, wird durch die Innenfläche auf die piezoelektrischen Scheiben übertragen, und der Druck, der auf dieselben in der elektrischen Achse ausgeübt wird, wird mit dem Verhältnis — >1 multipliziert.

Die Unterwasserschallempfänger oder Hydrophone mit Kolben gestatten, die Empfindlichkeit zu verbessern. Dagegen sind sie bei höheren Frequenzen nicht ungerichtet, was ihre Anwendung begrenzt.

Ziel der Erfindung ist es, piezoelektrische Wandler zu schaffen, welche sowohl eine gute Empfindlichkeit in derselben Größenordnung wie die der Wandler mit Kolben aufweisen als auch bei hohen Frequenzen ungerichtet bleiben.

Dieses Ziel wird mit Hilfe eines Verfahrens zum Senden oder Empfangen von Schallwellen mittels eines piezoelektrischen Wandlers erreicht, der aus einem piezoelektrischen Element besteht, welches zwischen zwei starren Kolben angeordnet ist, defen Querschnitt größer ist als der des Elements und deren ebene Flächen senkrecht zu der elektrischen Achse des Elements sind, wobei gemäß diesem Verfahren in dem Element gleichzeitig eine Transversalmode und eine Longitudinalmode angeregt werden und wobei die aktiven Flächen einzig und allein die Seitenflächen des Elements

und die Innenfläche der Kolben, die über das Element hinausragt, sind.

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Die Durchführung dieses Verfahrens erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines piezoelektrischen Wandlers, welcher einerseits einen zu der elektrischen Achse rotationssymmetrischen piezoelektrischen Zylinder, der zwischen zwei zu der Achse senkrechten, starren Kolben angeordnet ist, deren Querschnitt größer ist als der des Zylinders, und andererseits Einrichtungen zum akustischen Entkoppeln der Außenflächen und der Seitenflächen der Kolben voneinander hat, so daß allein die Seitenfläche des Zylinders und die Innenfläche der Kolben, d ie über den Zylinder herausragt, Schallwellen empfangen oder senden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Kolben aus einem leitenden Material und bilden die Elektroden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Kolben und der Zylinder aus ein und demselben Block piezoelektrischen Materials.

Das Ergebnis der Erfindung ist ein neuer Wandler und außerdem, als neues Produkt, ein piezoelektrisches Einblockelement, welches aus einem zu der elektrischen Achse rotationszylindrischen Zylinder besteht, welcher zwischen zwei Scheiben eingefügt ist, die einen größeren Durchmesser haben und zu dem Zylinder koaxial sind.

Ein Wandler nach der Erfindung weist folgende Vorteile auf:

Die Empfindlichkeit eines Unterwasserschallempfängers oder Hydrophons nach der Erfindung liegt in derselben Größenordnung

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C*

wie die eines Unterwasserschallempfängers oder Hydrophons mit Kolben. Er wird nämlich gleichzeitig mit zu der Schallachse transversalen Drücken, welche den Transversalmodul d3i ins Spiel bringen, und mit auf die Innenfläche der Kolben einwirkenden Drücken beaufschlagt welche bestrebt sind, den Zylinder auszudehnen und somit einen Modul mit zu dem Vorzeichen des Moduls d33 umgekehrtem und somit mit demselben Vorzeichen wie der Modul d31 ins Spiel bringen. Die Wirkungen dieser beiden Drücke addieren sich somit. Die Kapazität eines Unterwasserschal I-empfängers oder Hydrophons nach der Erfindung ist mit der eines Unterwasserschallempfangers oder Hydrophons mit Kolben derselben Abmessungen identisch.

Dagegen bietet ein Wandler nach der Erfindung, bei gleichen Abmessungen wie ein Wandler mit Kolben, den Vorteil, bei hohen Frequenzen ungerichtet zu bleiben.

Es ist nämlich bekannt, daß ein Wandler mit Kolben ungerichtet ist, solange seine größte Abmessung - je nach Anwendungsfall kleiner ist als die Wellenlänge oder die halbe Wellenlänge der der oberen Grenze des Frequenzbandes entsprechenden Schwingung. Zur Erzielung von Wandlern mit Kolben, die bei den hohen Frequenzen ungerichtet sind, muß man somit Wandler mit kleinen Abmessungen schaffen, was technologische Probleme ergibt und zu Wandlern führt, die eine sehr geringe Empfindlichkeit haben.

Die Wandler nach der Erfindung mit vertikaler Achse gestatten,

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Unterwasserschallempfänger oder Hydrophone mit vertikaler Achse herzustellen^ die in einem ausgedehten Frequenzband ungerichtet sind und dabei ausreichende Abmessungen haben, so daß sie eine gute Empfindlichkeit aufweisen, die zu der Höhe der Wandler proportional ist.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Längsan

sicht eines Unterwasserschallempfängers oder Hydrophons nach der Erfindung, und

Fig« 2 einen Schnitt auf der Linie H-II von

Fig. 1.

Die Figuren zeigen einen zu einer Achse χ χ. rotationssymmetrischen Unterwasserschallempfänger, der benutzt wird, um im Wasser Schallwellen aufzufangen, indem er an dem Ende eines Seils vertikal hinabgelassen wird, so daß die Achse χ χ vertikal ist. Er soll Schallwellen auffangen, die aus irgendeiner Richtung kommen können, so daß es wichtig ist, daß der Unterwasserschallempfänger ungerichtet ist.

Der Unterwasserschallempfänger besteht aus einem dichten Gehäuse 1, in welchem die nicht dargestellten elektronischen Vorverstärkungsschaltungen und eine zu der Achse χ χ rotationssymmetrische

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piezoelektrische Keramik 2 angeordnet sind. Die Keramik 2 besteht aus einem Block und hat die Form eines Zylinders 3, der zwischen zwei Scheiben oder Kolben 4 und 5 eingefügt ist, deren Querschnitt größer ist als der des Zylinders. Die elektrische Achse dieser Keramik fällt mit der Achse χ χ, zusammen.

Diese Keramik ist an ihren beiden Enden durch zwei starre Flansche 6 und 7 abgestützt, welche durch, beispielsweise drei, starre Verstrebungen 8 zusammengehalten werden, welche auf den Trägern 6 und 7 durch Schrauben 9 befestigt sind. Die Verstrebungen 8 verhindern, daß die Keramik 2 durch Beanspruchungen, welche über die Träger 6 und 7 übertragen werden, auf axialen Druck beansprucht wird.

Die Flansche 6 und 7 sind durch biegsame Träger 10 gehaltert, welche auf starren Stangen 11 montiert sind, die mit dem Gehäuse 1 fest verbunden sind. Diese Stangen 11, von denen beispielsweise drei vorhanden sind, sind an ihrem von dem Gehäuse abgewandten Ende an einem Ring 12 befestigt, auf welchem sich eine Hülle aus akustisch durchlässigem Material, wie beispielsweise sogenanntem ρ..C.-Kautschuk, abstützt.

Die Hülle 13 ist dicht und umhüllt den gesamten Unterwasserschallempfänger einschließlich des Gehäuses, so daß sie ein Flüssigkeitsvolumen einschließt, welches mit dem umgebenden Medium in Gleichdruck ist und dabei die Schallwellen überträgt, ohne sie zu absorbieren oder zu reflektieren.

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Diese Art von Aufbau ist für Unterwasserschallempfänger bekannt und braucht deshalb nicht näher beschrieben zu werden.

Die Orginalität des Unterwasserschallempfängers nach der Erfindung beruht in der Form der Keramik 2 und in der Mode derselben.

Die Seitenflächen der Kolben 4 und 5 sind durch die Flansche 6 und 7 vollkommen umhüllt und Ringdichtungen 14 und 15 sind zwischen den Seitenflächen und den Flanschen 6 und 7 angeordnet. Die Keramik 2 kann in diesen Dichtungen gleiten. Kammern 16 und 17, welche Luft enthalten, sind im Innern der Flansche 6 und 7 gebildet und in ihnen sind elastische axiale Anschläge angeordnet, beispielsweise Dichtungen 18 und 19.

Elektroden 20 sind auf den Stirnflächen der Kolben 4 und 5 befestigt. Die aktiven Flächen der Keramik 2, die den Schallwellen ausgesetzt sind, bestehen somit einzig und allein aus der Seitenfläche oder Mantelfläche des Zylinders 3 und den beiden Ringen 4a und 5a, welche aus den Innenflächen der Kolben 4 und 5 bestehen, die über den Zylinder 3 herausstehen.

Der Zylinder 3 arbeitet gleichzeitig unter der Wirkung der zu der Achse χ χ senkrechten Druckwellen in der Transversalmode und unter der Wirkung der auf die Ringe 4a und 5a einwirkenden Druckwellen in der Longitudinalmode.

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Wenn ein positiver Druck H* auf die Mantelfläche des Zylinders 3 einwirkt, verursacht er auf den Elektroden 20 eine elektrische Ladungsdichte a*, die proportional zu d3i · H' ist.

Derselbe positive Druck H', der auf die Ringe 4a und 5a einwirkt, übt auf den Zylinder 3 eine Dehnungsbeanspruchung aus, welche auf den Elektroden 20 eine elektrische Ladungsdichte σ" verursacht, die zu - d33 · H' proportional ist. Da die Moduln d31 und d33 entgegengesetzte Vorzeichen haben, addieren sich die Ladungsdichten a^s und σ".

Wenn beispielsweise die Ringe 4a und 5a den gleichen Flächeninhalt wie der Querschnitt des Zylinders 3 haben, erhält man auf diese Weise eine Ladungsdichte, die zweimal größer ist als die Ladungsdichte, die man mit einem piezoelektrischen Zylinder ohne Kolben erhalten würde, der in Transversalmode arbeitet.

In einer abgewandelten Ausführungsform könnten die Kolben 4 und 5 aus starren und leitenden metallischen Scheiben bestehen, die als Elektroden dienen.

Es ist wichtig, daß die Scheiben 4 und 5 sich axial verschieben können, so daß die Axialdrücke, die auf die Ringe 4a und 5a ausgeübt werden, sich durch eine Zugbelastung des Zylinders 3 ausdrucken, welche diese Axialdrücke ausgleicht. In dem in der Figur dargestellten Fall, in welchem die Scheiben 4 und 5 mit

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dem Zylinder 3 ein einziges Teil aus piezoelektrischem Material bilden, verhindert die Tatsache, daß die Außenflächen der Scheiben 4 und 5 frei sind, daß es in diesen Scheiben unter der Einwirkung einer axialen Zusammendrückung derselben durch die Drücke, die auf die Ringe 4a und 5a ausgeübt werden, zum Entstehen von parasitären elektrischen Ladungen kommt.

Als Zahlenbeispiel sei angegeben, daß an einem Unterwasserschallempfänger nach der Erfindung Messungen ausgeführt worden sind, welcher eine piezoelektrische Keramik enthält, die aus einem Zylinder mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Höhe von 20 mm gebildet ist, der zwischen zwei Scheiben mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm eingefügt ist. Diese Messungen haben gezeigt, daß die Empfindlichkeit Sh (Bezugsspannung/Mikrobar) -80 dB und die Kapazität 66 pF betrug und daß ein solcher Unterwasserschallempfänger für Frequenzen, die bis zu 40 kHz und darüber hinausgingen, ungerichtet war.

Eine piezoelektrische Keramik mit denselben Abmessungen und derselben Art, die zwischen zwei Kolben mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 5 mm eingefügt ist, weist eirP Empfindlichkeit und eine Kapazität derselben Größenordnung auf.

Dagegen werden in diesem letztgenannten Fall die Druckwellen nur auf die Stirnflächen der Kolben ausgeübt und der Unterwasset— schallempfänger ist nur für Frequenzen unterhalb von ungefähr

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10 kHz eingerichtet.

Im Rahmen der Erfindung könnten verschiedene Teile des Unterwasserschallempfängers, der oben lediglich als Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, durch äquivalente Teile ersetzt werden.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Senden oder Empfangen von Schallwellen mittels eines piezoelektrischen Wandlers, der aus einem piezoelektrischen Element besteht, welches zwischen zwei starren Kolben mit größerem Querschnitt angeordnet ist, deren ebene Flächen senkrecht zu der elektrischen Achse des.Elements sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Element gleichzeitig in Transversalmode und in Longitudinalmode angeregt wird, wobei die aktiven Flächen einzig und allein die seitlichen Flächen des Elements und die Innenflächen der Kolben sind, die über das Element herausstehen.

2. Piezoelektrischer Wandler zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , mit einem zu der elektrischen Achse rotationssymmetrischen piezoelektrischen Zylinder, der zwischen zwei starren Kolben angeordnet ist, die zu der Achse senkrecht sind und deren Querschnitt größer ist als der des Zylinders, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur gegenseitigen akustischen Entkopplung der Außenflächen und der Seitenflächen des Kolbens.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben aus einem leitenden Material bestehen und die Elektroden bilden.

4. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben und der Zylinder aus ein und demselben Block piezoelektrischen Materials bestehen.

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5. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem piezoelektrischen Einblockelement besteht, welches aus einem Zylinder besteht, der zu der elektrischen Achse rotationssymmetrisch ist und zwischen zwei Scheiben eingefügt ist, welche einen größeren Durchmesser haben und zu dem Zylinder koaxial sind.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben jeweils durch einen starren Flansch abgestützt sind, welcher ihre Außenfläche und ihre Seitenfläche vollkommen umschließt, und daß die Flansche durch starre Verstrebungen miteinander verbunden sind.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang jedes Kolbens sich auf einer Dichtung abstützt, die in einer Nut jedes Flansches angeordnet ist, und daß ein mit Luft gefüllter freier Raum zwischen der Außenfläche jedes Kolbens und der Innenfläche jedes Flansches gebildet ist, so daß sich die Kolben axial ausdehnen und verschieben können.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastischer Längsanschlag in dem freien Raum angeordnet ist.

9. Eingetauchtes ungerichtetes Hydrophon, welches aus einem Wandler nach einem der Ansprüche 6 bis 8 besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche auf biegsamen Trägern montiert sind, welche durch vertikale Stangen gehaltert sind, die an einem ihrer Enden unter einem Gehäuse befestigt sind, welches an einem Seil aufgehängt ist und die elektronischen Schaltungen enthält; und die an dem anderen Ende einen Ring tragen, wobei die aus dem

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Gehäuse, dem Wandler und dem Ring bestehende Gesamtan— Ordnung im Innern einer biegsamen und dichten, für die Schallwellen durchlässigen Hülle untergebracht sind.

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L e e r sei t e