DE3419256C2

DE3419256C2 - Electroacoustic transducer device

Info

Publication number: DE3419256C2
Application number: DE19843419256
Authority: DE
Inventors: Donald Ricketts
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1983-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2004-05-24
Also published as: GB8412335D0; GB2141902B; JPS6018096A; DE3419256A1; JPH0562513B2; GB2141902A

Description

Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Wandlereinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Eine solche Wandlereinrichtung ist aus der US-Patentschrift 3 716 828 bekannt. Zunächst seien zum besseren Verständnis der Erfindung folgende allgemeine Betrachtungen vorausgeschickt:The invention relates to an electroacoustic Converter device with the features of the preamble of Claim 1. Such a converter device is from U.S. Patent 3,716,828. First of all better understanding of the invention following general Sent considerations ahead:

In Längsrichtung schwingende Wandler 10 der in Fig. 1 gezeigten Art sind bekanntermaßen als Sendewandler und Empfangswandler in der Sonartechnik weit verbreitet. Der Wandler besteht im wesentlichen aus einem elektromechanisch aktivem Element 11, beispielsweise einem piezoelektrischen Keramikkörper, einem Kopfteil 12 mit bestimmter Masse, einem Rückenteil 13 mit bestimmter Masse, einem Zuganker 14 zum Zusammenspannen der Anordnung, einem System 15 zur Druckbeaufschlagung sowie einem wasserdichten Gehäuse 16, wie aus Fig. 1 ohne weiteres hervorgeht. Der Zuganker 14 bewirkt eine Druckvorspannung, welche auf das elektromechanisch aktive Element 11 und das System 15 zur Druckbeaufschlagung wirkt. Das System 15 zur Druckbeaufschlagung dient zur akustischen Entkopplung der Anordnung aus den vorgenannten Bauteilen und des Gehäuses 16. Es existieren viele Abwandlungen des in Fig. 1 gezeigten Wandlers, doch haben Wandler dieser allgemeinen Art zwei charakteristische Frequenzen, welche die Empfangscharakteristik nachteilig beeinflussen. Diese zwei Frequenzen sind die Resonanzfrequenzen für die Halterung des Kopfteiles und des Rückenteiles.Longitudinally oscillating transducers 10 of the type shown in FIG. 1 are known to be widely used as transmit transducers and receive transducers in sonar technology. The transducer essentially consists of an electromechanically active element 11 , for example a piezoelectric ceramic body, a head part 12 with a certain mass, a back part 13 with a certain mass, a tie rod 14 for clamping the arrangement, a system 15 for pressurizing and a watertight housing 16 , as is clear from Fig. 1. The tie rod 14 causes a prestress, which acts on the electromechanically active element 11 and the system 15 for pressurizing. The system 15 for pressurization serves to acoustically decouple the arrangement from the aforementioned components and the housing 16 . There are many variations of the transducer shown in Fig. 1, but transducers of this general type have two characteristic frequencies which adversely affect the reception characteristics. These two frequencies are the resonance frequencies for holding the head part and the back part.

Wegen der Phasenverschiebungen, die durch Resonanzen verur sacht werden und wegen der Verschlechterung eines von einer Wandleranordnung erzeugten Schallstrahles als Folge von Pha senverschiebungsunterschieden zwischen den Wandlern ist eine verhältnismäßig flache Empfangscharakteristik über eine große Bandbreite hinweg erwünscht. Eine charakteristische Wandler empfangscharakteristik von Wandlern bekannter Art besitzt je doch unkontrollierte Resonanzspitzen 20 und 21 aufgrund der Kopfteilhalterung und der Rückteilhalterung, wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. Fig. 2 zeigt eine Graphik der Empfangs empfindlichkeit, aufgetragen über einer normierten Frequenz n = f/f_r, worin f_r die Leerlauf-(Konstantstrom-)Resonanz frequenz 21 ist. Die Resonanzspitze 22 in der Kennlinie un terhalb der Resonanz beruht auf einer Resonanz der Kopfteil masse und des Zugankers. In entsprechender Weise beruht das Empfindlichkeitsminimum 23 auf einer Resonanz zwischen einer Feder und einer Masse, nämlich einer Resonanz zwischen dem Federpaket 15 zur Druckbeaufschlagung und der Rückenteilmas se 13.Because of the phase shifts caused by resonances and because of the deterioration of a sound beam generated by a transducer arrangement as a result of phase displacement differences between the transducers, a relatively flat reception characteristic over a wide bandwidth is desirable. A characteristic transducer receiving characteristic of transducers of known type, however, has uncontrolled resonance peaks 20 and 21 due to the head part holder and the back part holder, as can be seen from FIG. 2. Fig. 2 shows a graph of the reception sensitivity, plotted against a normalized frequency n = f / f _r , where f _{r is} the idle (constant current) resonance frequency 21 . The resonance peak 22 in the characteristic un below the resonance is based on a resonance of the head part mass and the tie rod. Correspondingly, the minimum sensitivity 23 is based on a resonance between a spring and a mass, namely a resonance between the spring assembly 15 for pressurizing and the back part of the body 13 .

Um eine gleichförmige oder flache Empfangscharakteristik zu erhalten, müssen die Resonanzen aufgrund der Kopfteilhalte rung und der Rückteilhalterung gleichgemacht werden und die Amplituden der Resonanzen müssen ebenfalls gleich sein. Nach dem es sehr schwierig ist, diesen Ausgleich bei Großserien fertigung herzustellen, sieht man im allgemeinen zur Kompen sation eines fehlenden Ausgleiches eine entsprechende Dämpfung vor. Die Dämpfung wird oft durch Gummipuffer 17 erreicht, welche an der Rückenteilmasse 13 befestigt sind und reibend am Gehäuse 16 anliegen. Ein empfindlich abgeglichener Wandler erfordert die Einhaltung strenger Toleranzen sowohl bezüglich der Werkstoffparameter als auch bezüglich der körperlichen Ab messungen des Wandlers. Dies trägt beträchtlich zu den Kosten für die Herstellung derartiger Wandler bei, insbesondere, wenn es sich um eine Großserienfertigung handelt.In order to obtain a uniform or flat reception characteristic, the resonances due to the head part holder and the back part holder must be made the same and the amplitudes of the resonances must also be the same. After it is very difficult to manufacture this compensation in large-scale production, one generally provides appropriate damping to compensate for a lack of compensation. The damping is often achieved by rubber buffers 17 , which are attached to the back mass 13 and abut the housing 16 . A sensitively balanced transducer requires compliance with strict tolerances with regard to both the material parameters and the physical dimensions of the transducer. This adds significantly to the cost of manufacturing such transducers, especially when it is mass-produced.

Zusätzlich zu der Gleichförmigkeit der Empfangsempfindlich keit ist der Eigenstörpegel des Wandlers eine außerordentlich wichtige Kenngröße zur Beschreibung der Eigenschaften. Wand ler mit hohem Störpegel innerhalb einer Sonarwandleranordnung können eine Verschlechterung der Wirkungsweise des Sonarsy stems herbeiführen und das Vorhandensein der Sonarplattform verraten. In Längsrichtung schwingende Wandler der in Fig. 1 gezeigten Art zeigen insbesondere die Neigung zur Erzeugung eines äußeren Rauschens, wenn sie mit dem Kopfteil einem wech selnden hydrostatischen Druck ausgesetzt sind. Beispielsweise wird das äußere Rauschen oder der äußere Störpegel dadurch bestimmt, daß die Leerlaufspannung des Wandlers gemessen wird, welche auftritt, wenn man den Druck schwanken läßt. Polierte Berührungsflächen der Kopfteilmasse 12, der Keramikkörper 11 und der Rückenteilmasse 13, sehr genaue Toleranzen der bear beiteten Einzelteile sowie eine sorgfältige Ausrichtung sind erforderlich, um sogenannte ruhige Wandler der in Längsrich tung schwingenden Bauart herzustellen. Auch diese Maßnahmen zur Unterdrückung des Störpegels tragen beträchtlich zu den Herstellungskosten von Wandlern der hier betrachteten Art bei.In addition to the uniformity of the reception sensitivity, the self-interference level of the converter is an extremely important parameter for describing the properties. Transducers with a high level of interference within a sonar converter arrangement can bring about a deterioration in the mode of operation of the sonar system and reveal the presence of the sonar platform. Longitudinal vibrating transducers of the type shown in Fig. 1 show in particular the tendency to generate an external noise when they are exposed to a changing hydrostatic pressure with the head part. For example, the external noise or noise level is determined by measuring the open circuit voltage of the converter, which occurs when the pressure is allowed to fluctuate. Polished contact surfaces of the head part mass 12 , the ceramic body 11 and the back part mass 13 , very precise tolerances of the processed individual parts and careful alignment are required in order to produce so-called quiet transducers of the type vibrating in the longitudinal direction. These measures to suppress the interference level also contribute significantly to the manufacturing costs of transducers of the type considered here.

Es ist auch ein piezoelektrisches Polymer bekannt, welches eine geringe Dichte aufweist und mechanisch flexibel ist. Diese Eigenschaften machen dieses Polymer widerstandsfähiger gegen Stoß, als dies bekannte piezokeramische Körper sind. Außerdem entspricht der Wellenwiderstand des Polymers ge nauer demjenigen von Wasser. Ein Film aus piezoelektrischem Polymer wird gegenwärtig aus Polyvinylidenfluorid (PVF₂) her gestellt. Um das Polymer in nutzbarer Weise piezoelektrisch zu machen, muß ein Polarisationsverfahren durchgeführt wer den. Bei einer solchen Polarisation werden beide Oberflächen des Polymerfilms metailisiert, um Elektroden vorzusehen und es wird eine hohe Gleichspannung an die Elektroden angelegt und während einer Stunde bei einer Temperatur von 100°C aufrecht erhalten. Eine nachfolgende Abkühlung auf Raumtemperatur bei noch anliegendem elektrischem Feld führt zu einer dauerhaften Polarisation mit dem stärksten piezoelektrischen Effekt in Richtung quer zu den metallisierten Oberflächen des Films.A piezoelectric polymer is also known, which has a low density and is mechanically flexible. These properties make this polymer more resistant against shock, as these are known piezoceramic bodies. In addition, the wave impedance of the polymer corresponds to ge closer to that of water. A film made of piezoelectric Polymer is currently made from polyvinylidene fluoride (PVF₂) posed. To use the polymer piezoelectrically to make a polarization process must be carried out who the. With such a polarization, both surfaces of the polymer film is detailed to provide electrodes and a high DC voltage is applied to the electrodes and for one hour at a temperature of 100 ° C maintained. A subsequent cooling down Room temperature with an electric field still present to permanent polarization with the strongest piezoelectric effect in the transverse direction metallized surfaces of the film.

Beispiele für Sende- und Empfangswandler, welche aus piezoelektrischen Schichten aufgebaut sind, von denen eine aus einem piezoelektrischen Polymer besteht, wobei die Schichten Anschlußelektroden zum Zuführen von Signalen bzw. zur Abnahme von Signalen aufweisen, sind in der Europäischen Patentschrift 0 021 534 beschrieben.Examples of transmit and receive converters, which are from piezoelectric layers are built, one of which consists of a piezoelectric polymer, the Layers of connection electrodes for feeding signals or have for the acceptance of signals are in the European Patent 0 021 534.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine elektroakustische Wandlereinrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sich mit ihr eine verhältnismäßig flache Empfindlichkeitskennlinie über einen großen Bandbreitebereich erzielen läßt, die betreffende Wandlereinrichtung jedoch im wesentlichen denselben Raum einnimmt, wie entsprechende herkömmliche Wandlereinrichtungen.The object of the invention is to be achieved an electroacoustic transducer device at the beginning mentioned type so that with her a relatively flat sensitivity characteristic over one can achieve a large bandwidth range, the relevant one However, the converter device is essentially the same space occupies like corresponding conventional Converter devices.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the in claim 1 mentioned features solved.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.Appropriate refinements and developments are Subject of claims subordinate to claim 1, the content of which hereby expressly forms part of the Description is made without the Repeat wording.

Erfindungsgemäß wird also eine zusammengesetzte Wandlereinrichtung geschaffen, welche einen an sich bekannten, in Längsrichtung schwingenden Wandler für die Sendefunktion, nicht jedoch für die Empfangsfunktion verwendet, welche bei der erfindungsgemäßen Wandlereinrichtung durch einen gesonderten Wandler aus piezoelektrischem Polymer verwirklicht wird. Im einzelnen enthält die zusammengesetzte Wandlerein richtung der vorliegend angegebenen Art einen in Längsrich tung schwingenden Wandler 10, wie in Fig. 1 gezeigt, an des sen abstrahlender Stirnfläche 121 ein piezoelektrisches Poly mer 60 als Empfangswandler befestigt ist. Während der Sende phase wird der Empfangswandler kurzgeschlossen und während der Empfangsphase wird der Sendewandler 10 mit einer elektri schen Impedanz abgeschlossen, welche die Empfangsempfindlich keit optimiert und einen minimalen Eigenstörungspegel des Wandlers ergibt. Die zugehörigen Schalteinrichtungen zum Um schalten zwischen Empfangsbetrieb und Sendebetrieb können in nerhalb der Wandlereinrichtung vorgesehen sein.According to the invention, therefore, a composite transducer device is created, which uses a known, longitudinally oscillating transducer for the transmit function, but not for the receive function, which is implemented in the transducer device according to the invention by a separate transducer made of piezoelectric polymer. Specifically, the composite transducer device of the type specified herein includes a transducer 10 which vibrates in the longitudinal direction, as shown in FIG. 1, to which a piezoelectric poly mer 60 is attached to the radiating end face 121 as a receiving transducer. During the transmission phase, the receive transducer is short-circuited and during the receive phase, the transmit transducer 10 is completed with an electrical impedance which optimizes the sensitivity to reception and results in a minimum intrinsic interference level of the transducer. The associated switching devices for switching between receiving mode and transmitting mode can be provided within the converter device.

Ein wichtiges Merkmal einer Wandlereinrichtung der vorlie gend beschriebenen Art ist es, daß die zusammengesetzte Wandlereinrichtung im wesentlichen denselben Raum einnimmt, welcher auch für einen Wandler der in Längsrichtung schwin genden Art nach dem Stande der Technik eingenommen wird. Wandlereinrichtungen der hier angegebenen Art können also anstelle der bekannten Wandler in Sonarsystemen im Austausch eingesetzt werden, ohne daß eine Änderung an der Haltekon struktion für die Wandler vorgenommen werden muß.An important feature of a converter device of the present The type described is that the compound Converter device occupies essentially the same space, which also for a transducer that swings in the longitudinal direction is taken according to the state of the art. Converter devices of the type specified here can therefore instead of the known transducers in sonar systems in exchange be used without a change to the Haltkon structure for the converter must be made.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:Exemplary embodiments are described below with reference to the drawing explained in more detail. They represent:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer zu sammengesetzten Wandlereinrichtung der hier angegebenen Art, Fig. 1 is a perspective view of a transducer to sammengesetzten device of the type specified here,

Fig. 2 eine Frequenz-/Empfindlichkeitscharakteri stik für einen in Längsrichtung schwingen den Wandler nach dem Stande der Technik, Fig. 2 shows a frequency / Empfindlichkeitscharakteri stic for a swing in the longitudinal direction of the transducer according to the prior art,

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines piezoelektrischen Films aus Poly vinylidenfluorid (PVF₂) und Fig. 3 is an exploded perspective view of a piezoelectric film made of poly vinylidene fluoride (PVF₂) and

Fig. 4 eine perspektivische Schnittdarstellung eines zusammengesetzten Hydrophons mit einem Poly vinylidenfluoridfilm. Fig. 4 is a perspective sectional view of an assembled hydrophone with a poly vinylidene fluoride film.

Die zusammengesetzte Wandlereinrichtung 100 nach Fig. 1 ver wendet gesonderte Wandlerelemente für die Aussendung und für den Empfang von Schall. Zum Senden wird eine elektrische Span nung von einem Sender 101 erzeugt und über einen Sende-/ Empfangsschalter 102 einem piezoelektrischen Keramikkörper 11 zugeführt. Ein Transformator 111 dient zur Impedanzanpassung des Keramikkörpers oder Wandlerorgans 11 an den Sender 101. In der Zeit, während welcher der Sender 101 Leistung an den Keramikkörper 11 lie fert, bewirkt der Sende-/Empfangsschalter 103 einen Kurzschluß der Leitungen 631, welche zu dem Wandler 601 aus piezoelektri schem Polymer führen. Wenn die Sendeleistung ausgeschaltet wird, so verbindet der Sende-/Empfangsschalter 103 den Empfän ger 104 mit dem aus dem piezoelektrischem Polymer gefertigten Wandler 601 und der Sende-/Empfangsschalter 102 verbindet eine Impedanz 105 mit den Leitungen 632, so daß der piezoelektrische Keramikkörper 11 mit einer entsprechenden Impedanz abgeschlos sen wird.The composite transducer device 100 of FIG. 1 uses separate transducer elements for the transmission and for the reception of sound. For transmission, an electrical voltage is generated by a transmitter 101 and fed to a piezoelectric ceramic body 11 via a transmission / reception switch 102 . A transformer 111 is used to match the impedance of the ceramic body or converter element 11 to the transmitter 101 . During the time during which the transmitter 101 supplies power to the ceramic body 11 , the transmit / receive switch 103 causes a short circuit in the lines 631 , which lead to the converter 601 made of piezoelectric polymer. When the transmission power is switched off, the transmission / reception switch 103 connects the receiver 104 to the transducer 601 made of the piezoelectric polymer and the transmission / reception switch 102 connects an impedance 105 to the lines 632 , so that the piezoelectric ceramic body 11 is connected a corresponding impedance is completed.

Der Senderteil der zusammengesetzten elektrisch-akustischen Wandlereinrichtung 100 ist also der an sich bekannte in Längsrichtung schwingende elektrisch-mechanische Wandler 10, der bei bekannten Systemen dieser Art sowohl die Funktion des Sendewandlers als auch diejenige des Empfangswandlers erfüllt. Im vorliegenden Falle ist jedoch der Empfangswandler bzw. das Hydrophon eine Dickfilmschicht aus piezoelektri schem Polymer 601, nämlich aus Polyvinylidenfluorid, welches in einem modifizierten hydrostatischen Modus verwendet wird. In dem hydrostatischen Arbeitsmodus wirkt der Schalldruck in gleicher Weise in Richtung aller drei Achsen, so daß keine Notwendigkeit besteht, ein Druckbeaufschlagungssystem und zu gehörige Gehäuse zur Entkopplung einer Seite der Aufnahme einrichtung von dem Schallenergiefeld vorzusehen. In dem hy drostatischen Betriebsmodus gibt es keine Druckgradienten über das Hydrophon hinweg, so daß praktisch die Möglichkeit besteht, in einem unbegrenzten Bereich von Betriebsdrücken zu arbeiten. Im vorliegenden Falle handelt es sich um eine modifizierte hydrostatische Betriebsweise, da eine Oberfläche des Polymers in unmittelbarer Berührung mit der abstrahlenden Stirnfläche 121 des Wandlers 10 steht und daher nicht dem Wasserdruck ausgesetzt ist. Da Polyvinylidenfluorid einen dem Wellenwiderstand von Wasser recht genau angepaßten Wellenwi derstand besitzt, gelangt Schall, der von dem Wandler 10 abge strahlt wird, durch die Polyvinylidenfluoridschicht des Poly merhydrophons 601 mit vernachlässigbarer Abdämpfung. Während des Sendebetriebes ist das Hydrophon 601 kurzgeschlossen. Das Polymerhydrophon 601, welches an der abstrahlenden Stirnflä che 121 des Wandlers 10 befestigt ist, beeinflußt die Sende eigenschaften der Wandlereinrichtung nicht nachteilig. Während des Empfangs ist der Wandler 10 vorzugsweise mit einer Impe danz abgeschlossen, welche den Rauschpegel im Signal des Hydro phons 601 minimal hält oder der Wandler 10 wird kurzgeschlos sen, ohne daß ein Verlust des Signal-/Rauschverhältnisses im Empfangssignal auftritt. Die nutzbare Empfangsempfindlichkeit des Hydrophons 601 erstreckt sich darüberhinaus bis in den Bereich von 100 kHz. Messungen der Empfindlichkeit des Poly merhydrophons bei Leerlauf und bei Kurzschluß des Wandlers 10 zeigen, daß der Kurzschlußbetrieb zu einer gleichförmigeren Empfindlichkeitskurve führt, welche im wesentlichen von 10 kHz bis 100 kHz flach verläuft. Eine größere Gleichförmig keit, insbesonders im Bereich unterhalb von 10 kHz, ist für einen optimalen angepaßten Abschluß des Wandlers 10 zu erwar ten.The transmitter part of the composite electrical-acoustic transducer device 100 is thus the known longitudinally vibrating electro-mechanical transducer 10 , which in known systems of this type fulfills both the function of the transmit transducer and that of the receive transducer. In the present case, however, the receiving transducer or the hydrophone is a thick film layer made of piezoelectric polymer 601 , namely polyvinylidene fluoride, which is used in a modified hydrostatic mode. In the hydrostatic working mode, the sound pressure acts in the same way in the direction of all three axes, so that there is no need to provide a pressurization system and associated housing for decoupling one side of the receiving device from the sound energy field. In the hy drostatic operating mode there are no pressure gradients across the hydrophone, so that there is practically the possibility of working in an unlimited range of operating pressures. In the present case, it is a modified hydrostatic mode of operation, since a surface of the polymer is in direct contact with the radiating end face 121 of the transducer 10 and is therefore not exposed to the water pressure. Since polyvinylidene fluoride has a wave resistance of the wave resistance of water which is very precisely matched, sound which is emitted by the transducer 10 passes through the polyvinylidene fluoride layer of the polymer hydrophone 601 with negligible damping. The hydrophone 601 is short-circuited during transmission. The polymer hydrophone 601 , which is attached to the radiating face 121 of the transducer 10 , does not adversely affect the transmission properties of the transducer device. During reception, the converter 10 is preferably completed with an impedance, which keeps the noise level in the signal of the hydrophone 601 to a minimum, or the converter 10 is short-circuited without a loss of the signal / noise ratio in the received signal. The usable reception sensitivity of the hydrophone 601 also extends into the range of 100 kHz. Measurements of the sensitivity of the poly merhydrophons at idle and when the converter 10 is short-circuited show that the short-circuit operation leads to a more uniform sensitivity curve which is essentially flat from 10 kHz to 100 kHz. A larger uniform speed, especially in the range below 10 kHz, is expected for an optimally adapted completion of the converter 10 .

Einrichtungen zur Geschwindigkeitssteuerung, Einrichtungen zur Geräuschunterdrückung sowie Empfänger zur Peilung sind unter anderen Anwendungsmöglichkeiten Beispiele für Anwen dungsgebiete der Wandlereinrichtung.Speed control facilities, facilities for noise suppression and receivers for bearing among other possible uses examples of applications areas of application of the converter device.

Eine gemessene Richtcharakteristik eines PVF₂-Hydrophons 601 in Gestalt eines Blattes oder eines Films von 10 × 10 cm Seitenlänge zeigte einen Öffnungswinkel eines 3 dB-Richt strahls von 4,5°, woraus die hervorragenden Eigenschaften von Polymerhydrophonen bei hohen Frequenzen bezüglich der Richtcharakteristik ersichtlich sind. Die Ergebnisse von Ver suchen mit Wandlern 10 bei hohen Sendeleistungen zeigen, daß die Einwirkung von Schallenergiefeldern hoher Intensität auf das Polymerhydrophon keine meßbare Wirkung auf dessen Be triebseigenschaften hat. Weiter zeigten Versuche zur Untersu chung des Störverhaltens, daß das Einwirken von hydrostati schen Druckschwankungen keinen nachteiligen Einfluß auf das Polymerhydrophon ausübt.A measured directional characteristic of a PVF₂ hydrophone 601 in the form of a sheet or a film of 10 × 10 cm side length showed an opening angle of a 3 dB directional beam of 4.5 °, from which the excellent properties of polymer hydrophones at high frequencies with respect to the directional characteristic can be seen . The results of United searches with transducers 10 at high transmission powers show that the action of high-intensity acoustic energy fields on the polymer hydrophone has no measurable effect on its operating properties. Furthermore, tests to investigate the interference behavior showed that the action of hydrostatic pressure fluctuations has no adverse effect on the polymer hydrophone.

Bei der Fertigung der zusammengesetzten Wandlereinrichtung 100 gemäß Fig. 1 geht man in der Weise vor, daß man zunächst einen quadratischen Ausschnitt von der aufvulkanisierten Gum miabdeckung 34 entfernt, welche vor der Stirnfläche 121 der Kopfteilmasse 12 des Wandlers 10 liegt, um die Aluminiumober fläche des Kopfteiles 12 freizulegen. In der perspektivischen, teilweise im Schnitt wiedergegebenen Darstellung von Fig. 1 ist die Stirnfläche 121 erkennbar. Der quadratische Ausschnitt 123 in der Gummiabdeckung 34 erstreckt sich über einen wesent lichen Teil der rechteckigen Stirnfläche 121 der Kopfteilmas se. Um eine flache, glatte Oberfläche an der Stirnfläche 121 vorzusehen, wird die Stirnfläche abgedreht oder abgeschlif fen und es werden einige tausendstel Millimeter von der Ober fläche abgetragen. Eine Bohrung 124 ist durch die Kopfteil masse 12 von der Stirnfläche 121 aus bis zu einem Raum 125 innerhalb des Gehäuses 16 des Wandlers 10 geführt. Ein recht eckiger Kanal 126 wird am Orte der Bohrung 124 in die Stirn fläche 121 eingefräst. Die freiliegenden Bereiche der Stirn fläche 121 werden angeschliffen oder gesandstrahlt ebenso wie die entsprechende Oberfläche eines Blattes aus einer glasfa serverstärkten, epoxyimprägnierten, elektrisch isolierenden Matte 32. Ein hierfür geeignetes Material, welches im Handel erhältlich ist, besitzt die Bezeichnung G-10. Die Matte 32 und die Stirnfläche 121 werden mit einem Epoxykleber 50′ un ter Anwendung von erhöhter Temperatur und Druck zusammenge klebt, um eingeschlossene Luft zu vermeiden und eine starke Klebeverbindung herzustellen. Das Hydrophon 601 mit dem piezo elektrischen Polymer PVF₂ wird beispielsweise aus zwei Poly vinylidenfluoridfilmen 60′ und 60′′ zusammengesetzt, welche je weils eine Abmessung von 10 × 10 cm bei einer Dicke von 0,58 mm haben wobei die einander zugekehrten Oberflächen mit Epoxykle ber 50′′ versehen werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Jede der Schichten 60′ und 60′′ hat auf beiden Seiten Metallbeläge 62′ bzw. 62′′, an welche jeweils Anschlußdrähte 63′ bis 63′′′′ gelegt sind. Der elektrische Anschluß kann durch Schweißen unter Vakuum oder durch Löten bei niedriger Temperatur hergestellt werden. Beispielsweise bestehen-die Metallbeläge 62′ und 62′′ aus Kupfer und die Anschlußdrähte 63′ bis 63′′′′ werden aus Kovar-Bandmaterial von 0,08 × 0,25 mm gebildet. Andere metalli sche Werkstoffe können sowohl für die Beläge als auch für die Anschlußleitungen verwendet werden, solange sichergestellt ist, daß die elektrischen Anschlüsse zwischen Belag und Anschlußlei tung bei einer Temperatur hergestellt werden können, welche das piezoelektrische Polymer nicht zerstört. Unter Verwendung geeigneter Befestigungsmittel werden also die piezoelektri schen Polymerschichten 60′ und 60′′ mit dem Epoxykleber 50′′ zusammengeklebt und in Luft zur Aushärtung gebracht, um das in Fig. 4 gezeigte Polymerhydrophon 601 zu erzeugen.In the manufacture of the composite transducer device 100 according to FIG. 1, one proceeds in such a way that first a square section is removed from the vulcanized rubber cover 34 , which lies in front of the end face 121 of the head part mass 12 of the transducer 10 , around the aluminum surface of the Expose headboard 12 . The end face 121 can be seen in the perspective illustration of FIG. 1, partly in section. The square cutout 123 in the rubber cover 34 extends over a substantial part of the rectangular end face 121 of the Kopfteilmas se. In order to provide a flat, smooth surface on the end face 121 , the end face is turned or sanded and there are a few thousandths of a millimeter of the Surface removed. A bore 124 is guided through the head mass 12 from the end face 121 to a space 125 within the housing 16 of the transducer 10 . A right-angled channel 126 is milled at the location of the bore 124 in the end face 121 . The exposed areas of the end face 121 are ground or sandblasted, as is the corresponding surface of a sheet made of a glass fiber-reinforced, epoxy-impregnated, electrically insulating mat 32 . A suitable material that is commercially available has the designation G-10. The mat 32 and the end face 121 are glued together with an epoxy adhesive 50 'using the application of elevated temperature and pressure in order to avoid trapped air and to produce a strong adhesive connection. The hydrophone 601 with the piezoelectric polymer PVF₂ is composed, for example, of two poly vinylidene fluoride films 60 'and 60 '', each of which has a dimension of 10 × 10 cm with a thickness of 0.58 mm, the facing surfaces with epoxy adhesive 50 '' are provided, as shown in Fig. 3. Each of the layers 60 'and 60 ''has on both sides metal coverings 62 ' and 62 '', to each of which connecting wires 63 'to 63 ''''are placed. The electrical connection can be made by welding under vacuum or by soldering at low temperature. For example, the metal coverings 62 'and 62 ''are made of copper and the connecting wires 63 ' to 63 '''' are formed from Kovar tape material of 0.08 × 0.25 mm. Other metallic materials can be used for both the linings and the connecting lines, as long as it is ensured that the electrical connections between the lining and the connecting line can be produced at a temperature which does not destroy the piezoelectric polymer. Using suitable fasteners, the piezoelectric polymer layers 60 'and 60 ''are glued together with the epoxy adhesive 50 ''and are cured in air to produce the polymer hydrophone 601 shown in FIG. 4.

Der nächste Schritt bei der Herstellung der zusammengesetzten Wandlereinrichtung ist das Befestigen des piezoelektrischen Polymerhydrophons 601 an der glasfaserverstärkten Matte 32. Um einen Kurzschluß der Anordnung aus dem piezoelektrischen Polymer an der Stirnfläche 121 des Wandlers 10 oder über die Anschlußdrähte 63 zu vermeiden, wird ein elektroisolierendes Band 63 über die vier Ränder der quadratischen Anordnung des Hydrophons gelegt, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Die Anschlußdrähte 63′ bis 63′′′′ werden außerdem mit einem gerin ges Gewicht aufweisenden Polyolephin-Schrumpfschlauch überzo gen. Die freiliegende Oberfläche der Glasfaser-Epoxy-Isolier matte 32 wird aufgerauht, um glänzende Stellen zu entfernen. Außerdem wird danach etwaiger Staub mit Druckluft entfernt. The next step in manufacturing the composite transducer device is attaching the piezoelectric polymer hydrophone 601 to the glass fiber reinforced mat 32 . To avoid short circuiting the piezoelectric polymer assembly on the face 121 of the transducer 10 or over the lead wires 63 , an electro-insulating tape 63 is placed over the four edges of the square array of the hydrophone, as shown in FIG . The connecting wires 63 'to 63 ''''are also coated with a low weight polyolephine shrink tube. The exposed surface of the glass fiber epoxy insulating mat 32 is roughened to remove shiny spots. Any dust is then removed with compressed air.

Die Oberfläche 602 des aus einem piezoelektrischen Polymer bestehenden Hydrophons 601 wird durch Abwischen mit Methyl äthylketon gereinigt, wobei dieses Mittel den Kupferbelag 62 des piezoelektrischen Polymerhydrophons nicht angreift.The surface 602 of the hydrophone 601 made of a piezoelectric polymer is cleaned by wiping with methyl ethyl ketone, this agent not attacking the copper coating 62 of the piezoelectric polymer hydrophone.

Die Isoliermatte 32 und die Oberfläche 602 des Hydrophons 601 werden dann mit Epoxykleber 50′′′ bestrichen und zusammenge fügt, wonach eine Aushärtung in freier Umgebung vorgenommen wird, wobei die mit Isolierung versehenen Anschlußdrähte 63′ ′bis 63′′′′ in dem ausgefrästen Kanal 126 zusammengelegt und durch die Bohrung 124 gefädelt werden, wie Fig. 1 erkennbar macht. Der Kanal 126 bietet also Raum für die aus dem Hydro phon 601 austretenden Anschlußdrähte 63′ bis 63′′′′ und ge stattet dadurch ein flaches Aufliegen des Hydrophons auf der Stirnfläche 121 des Wandlers 10.The insulating mat 32 and the surface 602 of the hydrophone 601 are then coated with epoxy adhesive 50 '''and put together, after which curing is carried out in an open environment, the insulated connecting wires 63 ''to63''''in the milled out Channel 126 are folded and threaded through the bore 124 , as shown in FIG. 1. The channel 126 thus provides space for the connecting wires 63 'to 63 ''''emerging from the hydro phon 601 and thereby equips the hydrophone to lie flat on the end face 121 of the transducer 10 .

Die letzten Maßnahmen beim Zusammensetzen der Wandlereinrich tung 100 gemäß Fig. 1 sind das Reinigen der nach außen wei senden Oberfläche des Hydrophons 601 mit Methyläthylketon, das Beschichten mit flüssigem Neopren und das Trocknenlassen in Luft. Ein quadratischer Ausschnitt 33 aus Gummi oder Kautschuk im wesentlichen in der Dicke und in der Flächen größe der verbleibenden Vertiefung am Orte des Ausschnittes 123 und die äußere Oberfläche des Hydrophons 601 werden mit dem Neopren beschichtet und durch das Aushärten in Luft fest miteinander verbunden. Die resultierende Außenfläche des Tei les 33 und der Abdeckung 34 aus Gummi werden abgeschliffen, so daß sich insgesamt eine flache Außenfläche darbietet.The last steps in assembling the Wandlereinrich processing 100 of FIG. 1, the cleaning of the outside surface of the white send hydrophone 601 with methyl ethyl ketone, coating with liquid neoprene and allowing it to dry in air. A square cutout 33 made of rubber or rubber essentially in the thickness and in the area size of the remaining depression at the location of the cutout 123 and the outer surface of the hydrophone 601 are coated with the neoprene and firmly connected to one another by curing in air. The resulting outer surface of Tei les 33 and the cover 34 made of rubber are ground off, so that there is a flat outer surface overall.

Die Anschlußdrähte 63 erstrecken sich durch den Raum 16 zwi schen dem Wandlergehäuse 17 und dem Kopfteil 12, dem piezo elektrischen Keramikkörper 11 und schließlich vorbei an der Rückenteilmasse 13 zu dem Kabel 18. Das Kabel 18 ist vier adrig und enthält auch die beiden Anschlußleiter 632 für den von dem piezoelektrischen Keramikkörper 11 gebildeten Wand ler, wobei diese Anschlußleitungen von dem an einem entfern ten Ort aufgestellten Sender 101 herbeigeführt sind. Ein Empfangsvorverstärker (nicht dargestellt) kann innerhalb der zusammengesetzten Wandlereinrichtung 100 vorgesehen sein, um das Signal vor Weitergabe an die beiden Adern des Kabels 18 zu verstärken, welche mit einem Empfänger verbunden sind.The connecting wires 63 extend through the space 16 between the converter housing 17 and the head part 12 , the piezoelectric ceramic body 11 and finally past the back mass 13 to the cable 18th The cable 18 has four cores and also contains the two connecting conductors 632 for the wall formed by the piezoelectric ceramic body 11 , these connecting lines being brought about by the transmitter 101 set up at a remote location. A receive preamplifier (not shown) may be provided within the composite transducer device 100 to amplify the signal prior to transmission to the two wires of the cable 18 which are connected to a receiver.

Das Polyvinylidenfluoridmaterial 60′ bzw. 60′′ besitzt eine interne Polarisation, wenn es als piezoelektrisches Element eingesetzt ist. Die Polarisation wird durch die Bezeichnung der Polarität von Spannungen an dem piezoelektrischen Mate rial in Fig. 3 angedeutet. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß eine Parallelschaltung vorgenommen ist, indem der Anschluß draht 63′ mit dem Anschlußdraht 63′′′′ und der Anschlußdraht 63′′ mit dem Anschlußdraht 63′′′ verbunden ist, so daß man schließlich ein Paar von Anschlußleitungen 631 erhält, welche zu dem Empfänger führen. Die Parallelschaltung verdoppelt die Kapazität, welche durch jede der Polyvinylidenfluorid schichten 60 gebildet wird, wodurch man eine bessere Impedanz anpassung an das Kabel verwirklicht. Wird ein Vorverstärker innerhalb der Wandlereinrichtung 1000 vorgesehen, so ist die Kapazität des Hydrophons 601 von geringerer Bedeutung. Die Dicke der einzelnen Schichten des Hydrophons 601, die An zahl der Schichten und ihre elektrische Serien- oder Parallel schaltung sind von Fall zu Fall vom Fachmann entsprechend zu wählen.The polyvinylidene fluoride material 60 'or 60 ''has an internal polarization when it is used as a piezoelectric element. The polarization is indicated by the designation of the polarity of voltages on the piezoelectric material in FIG. 3. From Fig. 4 it is seen that a parallel connection is made by wire, the terminal is connected 63 'with the lead wire 63' '''and the connecting wire 63' 'to the terminal wire 63' '', so that eventually a pair of Receives connecting lines 631 , which lead to the receiver. The parallel connection doubles the capacitance which is formed by each of the polyvinylidene fluoride layers 60 , thereby realizing a better impedance matching to the cable. If a preamplifier is provided within the converter device 1000 , the capacity of the hydrophone 601 is of lesser importance. The thickness of the individual layers of the hydrophone 601 , the number of layers and their electrical series or parallel connection are to be chosen by the person skilled in the art from case to case.

Abwandlungen des beschriebenen Ausführungsbeispiels ergeben sich für den Fachmann unter Berücksichtigung der vorstehen den Ausführungen. Beispielsweise können die Kupferbeläge auf den beiden Seiten jeder Polymerschicht im Bereich der Ränder durch Abätzen oder in anderer geeigneter Weise entfernt wer den. Hierdurch wird die Gefahr möglicher Kurzschlüsse zwi schen der Anordnung der Polymerschichten und den Anschlußdräh ten vermieden, so daß die Schichtenanordnung nicht mit einem Band an den Rändern umkleidet werden muß. Die Verwendung stär kerer Kupferdrähte anstelle der verhältnismäßig brüchigen Kovar-Anschlußdrähte führt gegenüber dem beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel zu einer widerstandsfähigeren Konstruktion. Zum Befestigen der Anschlußdrähte 63 kann außerdem ein elektrisch leitender Epoxykleber verwendet werden, welcher die Drähte an den Metallbelägen 62 festhält, anstatt hier eine Schweißung oder Lötung vorzunehmen.Modifications of the described embodiment result for the person skilled in the art taking into account the above explanations. For example, the copper deposits on the two sides of each polymer layer in the region of the edges can be removed by etching or in another suitable manner. This avoids the risk of possible short circuits between the arrangement of the polymer layers and the connecting wires, so that the layer arrangement does not have to be clad with a band at the edges. The use of stronger copper wires instead of the relatively brittle Kovar connection leads leads to a more robust construction compared to the exemplary embodiment described. An electrically conductive epoxy adhesive can also be used to fasten the connecting wires 63 , which holds the wires to the metal coverings 62 instead of welding or soldering here.

Claims

1. Electroacoustic transducer device with a transducer ( 10 ) which vibrates in the longitudinal direction and which, arranged in the longitudinal direction one behind the other, has a head part mass ( 12 ) with a front surface ( 121 ) which emits acoustic energy during transmission, a ceramic piezoelectric transducer element and a back part mass, which by means of a tie rod ( 14 ) is clamped together with the transducer element ( 11 ) and the head part mass, and with electrical excitation means for the transducer element, characterized in that on the end face ( 121 ) of the head part mass by means of an adhesive, a glass fiber-reinforced electrically insulating mat ( 32 ) and on this by means of a a hydrophone ( 601 ) in the form of a layer of a piezoelectric polymer ( 60 ) is attached.

2. converter device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric Polymer is formed from polyvinylidene fluoride.

3. Converter device according to claim 1 or 2, characterized in that the piezoelectric polymer ( 60 ) is provided on two sides each with a metallization coating ( 62 ', 62 '') and that on the metallization coverings electrical connection lines ( 63 ' - 63 '''') Are attached.

4. An apparatus according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the piezoelectric polymer is selected from a plurality of respectively Metallisierungsbelägen (62 ', 62' ') provided with layers (60', 60 '') is constructed.

5. converter device according to claim 4, characterized in that at least two layers ( 60 ', 60 '') are provided, each having a polarization perpendicular to their surfaces and that the metallization ( 62 ', 62 '') each on both sides the layers are provided and can be electrically connected in parallel to increase the capacitance of the piezoelectric polymer for the purpose of better impedance matching.

6. Converter device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the head part mass ( 12 ) and the piezoelectric polymer ( 60 ) are surrounded by a waterproof encapsulation ( 33 , 34 , 17 ).