DE3423193C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine insbesondere für den Ultra­ schallbereich ausgelegte Wandleranordnung mit Merkmalen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Bekannt sind Wandleranordnungen mit einer Vielzahl von Wandler­ elementen in Form magnetostriktiver oder elektrostriktiver Ul­ traschallwandler, die zur Umwandlung von elektrischer Energie in zur Abstrahlung in Wasser geeignete Ultraschallwellenenergie und umgekehrt eingerichtet und in Reihen und Spalten mit glei­ chen oder unterschiedlichen Abständen gehalten sind und dabei entweder auf einer Ebene in einer oder mehreren zueinander senkrechten Richtungcn eine planare Anordnung bilden oder auf dem Umfang eines Zylinders gruppiert sein können.

Zum Stand der Technik ist in den Fig. 1 bis 3 einer anliegenden Zeichnung eine in der JP 56-25 08 082 beschriebene Ultraschallwandleranordnung dargestellt. Darin sind jeweils dreißig magnetostriktive Wandlerelemente 1 vom x-Typ mit gleichen Abständen auf einer imaginären Kreislinie zur Bildung einer zylindrischen Wandlerelementereihe verteilt und insgesamt zehn solcher Reihen, durch Ebenen bildende konzen­ trisch zwischengelegte ringförmige äußere und innere Zwischen­ lagen 2, 3 aus einem akustischen Isoliermaterial wie Kork oder Urethan-Schaum akustisch gegenseitig isoliert, von oben nach unten übereinander geschichtet, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist. Gemäß Fig. 2 sind in jeder Wandlerelementereihe die nach außen gerichteten akustisch wirksamen Kopfabschnitte 1A aller dreißig Wandlerelemente 1 zwischen den angrenzenden äußeren Zwischenlagen 2 gehalten und daran befestigt. Die durch herum­ geführte Wicklungen 1C in Verbindung mit elektrischen Signalen mit Schwingungsenergie durchsetzbaren hinteren Schenkelab­ schnitte 1B jedes Wandlerelements 1 sind lediglich so zwischen den benachbarten Oberflächen der angrenzenden inneren Zwischen­ lagen 3 gehalten, daß die Schwingungsenergie sich frei entfal­ ten kann. Ein zwischen den Schenkelabschnitten 1b befindlicher Permanentmagnet 4 zum Erzeugen eines Vormagnetisierungsfeldes ist an der inneren Zwischenlage 3 befestigt. Die Frontflächen der so in dreißig geraden Kolonnen und zehn kreisförmigen Rei­ hen verteilten Wandlerelemente 1 mit den Zwischenlagen 2, 3 zwischen den benachbarten Wandler-Reihen sind durch ein die Abgabe und die Aufnahme von Ultraschallwellen in das Wasser und umgekehrt nicht behinderndes Abdeckformteil 5 aus Rho-C-Gummi bzw. Urethangummi bedeckt. Die äußeren Zwischenlagen 2 sind durch das Abdeckformteil 5 gehalten. Der Kopfabschnitt 1A jedes Wand­ lerelements 1 ist fest mit dem Abdeckformteil 5 verbunden. Die gesamte zylindrische Wandleranordnung ist ferner oben durch ein Kopfteil 6 und unten durch ein Fußteil 7, die durch innere Säulen 8 mit Schrauben 9 miteinander verbunden sind, wasser­ dicht verschlossen.

Bei der herkömmlichen Wandleranordnung gemäß Fig. 1 bis 3 wer­ den die in den zehn kreisförmigen Reihen enthaltenen Wandler­ elemente 1 zwischen jeweils zwei äußeren und inneren Zwischen­ lagen 2, 3 unter hohem Anpreßdruck gehalten, der durch das Kopfteil 6 und Fußteil 7 aufrechterhalten wird. Die Zwischen­ lagen 2 und 3 müssen aus einem harten Material wie Kork oder Urethan-Schaum hergestellt sein, damit sie durch den hohen Preßdruck nicht deformiert werden. Da dieses Kork- oder Urethan­ schaummaterial aber seine akustische Abschirmwirkung durch kleine eingeformte Luftlöcher erzielt, schrumpft es naturgemäß etwas unter dem hohen Anpreßdruck. Um dieser Erscheinung vor­ zubeugen, müssen die Zwischenlagen 2 und 3 mit etwas Übermaß in der Höhe hergestellt werden, so daß sie erst im gepreßten Einbauzustand (Fig. 1) etwa ihr richtiges Soll-Höhenmaß er­ reichen.

Es ist aber technisch unmöglich, die Wandler-Zwischenlagen 2, 3 in der Höhe genau gleich und so herzustellen, daß sie im Ein­ bauzustand unter Preßdruckeinwirkung alle genau das gleiche Höhenmaß aufweisen, weil in jeder Zwischenlage unterschied­ lich viele und große Luftlöcher enthalten sind. Folglich kön­ nen in der fertigen Wandleranordnung wegen der unterschiedlich geschrumpften Zwischenlagen 2, 3 auch die senkrechten Abstände zwischen den übereinander positionierten Wandlerelementen 1 nicht gleichförmig sein, sie differieren vielmehr gegenseitig um geringe Höhenbeträge, die sich sehr nachteilig auf die aku­ stischen Qualitäten der Wandleranordnung auswirken.

Bei Ultraschallwandleranordnungen erfolgt die Abstrahlung und Aufnahme von Ultraschallwellen bekanntlich mit einer bestimm­ ten Phasenbeziehung, die voraussetzt, daß ein genauer Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Wandlerelemente-Reihen vor­ handen ist. Unterschiedliche Vertikalabstände verschlechtern bzw. beeinträchtigen die Richtcharakteristik der gesamten An­ ordnung beim Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen durch Erzeugung unerwünschter sog. "Nebenkeulen" in so starkem Maße, daß die Leistung und/oder Auflösung der Wandleranordnung unbefriedigend ist.

Die herkömmliche Wandleranordnung gemäß Fig. 1-3 hat noch andere Nachteile. Die durch Kopf- und Fußteil 6, 7 erzeugten Preß­ kräfte wirken direkt auf die Wandlerelemente 1 und müssen sorg­ fältig so eingestellt werden, daß die Schwingwirkung der Wand­ lerelemente 1 möglichst wenig behindert wird.

Außerdem darf die bekannte Wandleranordnung keiner mechani­ schen Krafteinwirkung von außen her auf das Abdeckformteil 5 ausgesetzt werden, weil solche mechanische Krafteinwirkung die unbedingt einzuhaltende geometrische Reihen- und Kolonnenan­ ordnung der Wandlerelemente 1 mit den Zwischenlagen 2, 3 de­ formieren und nachhaltig verändern würde. Die ganze Wandler­ anordnung gemäß Fig. 1 muß also in einem Hüllkörper geschützt aufgenommen werden, der wesentlich zur Vergrößerung der Ge­ samtabmessungen beiträgt und außerdem die Übertragungsverluste vergrößert, weil die Ultraschallwellen beim Senden und Empfan­ gen jedesmal die Hüllkörperwand durchdringen müssen.

Aus der US 32 43 767 ist eine Wandleranordnung bekannt, bei der ringförmige Wandlerelemente übereinandergestapelt werden. Diese Wandlerelemente sind mittels stirnseitig angeordneter Profil- Stützringe aus Gummi im Abstand voneinander und im Abstand von konzentrisch eingelegten Phenolharzringen gehalten, deren Höhe etwas größer ist als die der Wandlerringe. Die Phenolharzringe bestimmen, gemeinsam mit Stützrohren zwischen den stirnseitigen Abschlußplatten der Wandleranordnung, die Zusammenpressung der Gummi-Stützringe. Zusätzlich ist jeweils noch eine Belagscheibe aus Phenolharz angeordnet. Eine derartige Wandleranordnung er­ fordert einen relativ großen Herstellaufwand.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung zu schaffen, die einfach hergestellt werden kann, die eine hohe Festigkeit aufweist und gleichzeitig eine sehr gute Richtcharakteristik ge­ währleistet.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurz gefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Grundgedanke der Erfindung geht dahin, jeweils die zu ei­ ner Reihe gehörenden Wandlerelemente durch ein akustisches Isoliermaterial abgestützt auf einer zugeordneten festen Platte zu halten, jeweils zwei benachbarte Platten durch Stützelemente in einem vorgegebenen festen Abstand voneinander zu fixieren und alle vorhandenen Platten mit Stützelementen zu einem Eta­ gen bildenden festen Stützgerüst zu vereinigen, in dem in jeder Etage eine akustisch von den anderen isolierte Wandlerelemente- Reihe aufgenommen und wasserdicht aber schalldurchlässig be­ deckt und eingeschlossen sind.

Durch das Stützgerüst werden sämtliche Wandlerelemente unter Einhaltung präziser Abstände gehalten, so daß die Wandleran­ ordnung bei Sendung und Empfang von Ultraschall eine sehr gute Richtcharakteristik bei kleinen Nebenkeulen aufweist.

Außerdem wird der gesamten Anordnung durch das feste innere Stützgerüst so viel Festigkeit verliehen, daß sie frei und ohne zusätzlichen mechanischen Schutz unter Wasser betrieben werden kann.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachstehend unter Bezug auf eine Zeichnung in beispielsweiser Ausführungs­ form näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 je eine halbseitig geschnittene Seiten- und Draufansicht der eingangs gewürdigten herkömmlichen Wandleranordnung,

Fig. 3 in der herkömmlichen Wandleranordnung verwendete Zwischenlagen in Perspektivdarstellung, Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wandler­ anordnung,

Fig. 5 eine auseinandergezogene Darstellung wesentlicher Einzelheiten der Wandleranordnung gemäß Fig. 4, und

Fig. 6 und 7 eine Perspektivansicht und eine geschnittene Teil-Seitenansicht mit Einzelheiten eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind die Wandlerelemente 1 zwischen einem Kopfteil 6 und einem Fußteil 7 in Gestalt von zehn übereinanderliegenden kreisförmigen Reihen angeordnet. Jede kreisförmige Wandler­ elemente-Reihe ist in einer Etage eines aus kreisrunden Plat­ ten 10 und stabförmigen Stützelementen 11, die sämtlich aus einem nicht-magnetischen Material wie Aluminium oder Kupfer hergestellt sind, zusammengesetzten "zehnstöckigen" Stützge­ rüstes aufgenommen. Die Stützelemente 11 sind jeweils an bei­ den benachbarten kreisrunden Platten 10 festgeschraubt und be­ stimmen somit die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Platten 10, d. h. die Etagenhöhe. Erfindungsgemäß sind aus ei­ nem weichen akustischen Isoliermaterial wie Schaumstoff her­ gestellte ringförmige äußere und innere Wandlerzwischenlagen 12 konzentrisch und so an der Unterseite der oberen Platte 10 und der Oberseite der unteren kreisförmigen Platte 10 befestigt (z. B. geklebt), daß die Wandlerelemente 1 jeweils reihenweise mit gleichförmigen Winkelabständen zwischen entsprechenden Wandlereinlagen 12 gehalten und akustisch voneinander isoliert sind.

In Fig. 5 sind die auf der Oberseite der unteren kreisrunden Platte 10A konzentrisch befestigten unteren äußeren und inneren Wandlerzwischenlagen mit 12A, und die konzentrisch auf der Un­ terseite der oberen kreisrunden Platte 10B befestigten oberen äußeren und inneren Wandlerzwischenlagen derselben Etage mit 12B bezeichnet. Die Wandlerelemente 1 jeder kreisförmigen Reihe sind unter Einhaltung gleicher Winkelabstände radial verteilt jeweils mit ihrem Kopfabschnitt 1A auf der äußeren und mit ihren Schenkelahschnitten 1B auf der inneren unteren Wandler­ zwischenlage 12A befestigt (z. B. durch Kleben) und so dimensi­ oniert, daß ihre Erregerwicklungen 1C im fertigen Einbauzu­ stand keinen Berührungskontakt mit den kreisrunden Platten 10A und 10B erhalten.

Gemäß Fig. 5 sind die feste Etagen bildenden Stützelemente 11 mittels Schrauben 13 an der angrenzenden oberen und unteren kreisrunden Platte 10A und 10B fest angeschraubt, und in jeder Etage, deren Höhe durch die Länge des Stützele­ ments vorgegeben ist, sind die Wandlerelemente 1 durch die Wandlerzwischenlagen 12 sicher fixiert. Durch entsprechende Wahl der Länge der Stützelemente 11 kann der Vertikalabstand zwischen jeweils zwei vertikal aufeinanderfolgenden Wandler­ elementen nach Wunsch bestimmt werden.

Das fertige und mit Wandlerelementen bestückte Stützgerüst aus den durch diverse Stützelemente 11 verbundenen elf kreis­ runden Platten 10 wird unter Preßdruck zwischen den durch Säu­ len 8 mit Schrauben 9 verbundenen Kopf- und Fußteilen 6, 7 gehalten, und die der Abstrahlung und dem Empfang dienenden Frontflächen der Wandlerelemente 1 sind mit einer schalldurch­ lässigen Abdeckung 5 aus z. B. Urethangummi bedeckt.

Bei der erfindungsgemäßen Wandleranordnung gemäß Fig. 4 und 5 sind die Wandlerelemente 1 jeder kreisförmigen Reihe auf einer imaginären Kreislinie verteilt auf der jeweils unteren kreis­ runden Platte 10A gehalten, und ihre Vertikalabstände ent­ sprechen genau der festen Länge der Stützelemente 11 des Stütz­ gerüstes. Die auf das Stützgerüst wirkenden Anpreßkräfte durch die Kopf- und Fußteile 6 und 7 haben keine direkte Wirkung auf die Wandlerelemente.

Das aus den Platten 10 und Stützelementen 11 zusammengefügte Stützgerüst ist mechanisch so steif und widerstandsfähig, daß es auf die geformte Abdeckung 5 einwirkende äußere Kräfte auf­ nehmen und von den dazwischenliegenden Wandlerelementen 1 fernhalten kann. Die erfindungsgemäße Wandleranordnung kann daher ohne Hüllkörper o. dgl. direkt in das Wasser eingetaucht und mit entsprechend reduzierten Übertragungsverlusten als Ultraschallsender und -empfänger ausgenutzt werden.

Da die Abstände zwischen den Wandlerelementen 1 der überein­ anderliegenden kreisförmigen Reihen durch die Länge der ver­ wendeten Stützelemente 11 nach Wunsch festgelegt und auch durch äußere Preßkräfte nicht veränderbar sind, hat die er­ findungsgemäße Wandleranordnung bei Sende- und Empfangsbetrieb stets eine gute Richtungscharakteristik. Die vertikalen Wand­ lerabstände können einfach auf jeden gewünschten Wert ge­ bracht werden.

Da erfindungsgemäß für die Herstellung der Wandlerzwischen­ lagen 12 ein weiches Material wie z. B. Schaumstoff benutzt werden kann, weil es jeweils nur die Wandlerelemente 1 einer Reihe zu stützen hat, ist die erfindungsgemäße Wandleranord­ nung auch im Bereich der akustischen Isolierung dem Stand der Technik mit seinen aus Kork oder Urethanschaum hergestellten Zwischenlagen überlegen, weil der weichere Schaumstoff viel mehr kleine Luftlöcher enthält und somit akustisch besser ab­ schirmt.

Außerdem bilden die kreisrunden Platten 10 aus Kupfer oder Alu­ minium wirksame elektrostatische und magnetische Abschirmele­ mente zwischen vertikal benachbarten Wandlern, die geeignet sind, unerwünschte gegenseitige elektrische Beeinflussungen zu verhindern.

Gemäß einer in Fig. 6 und 7 angedeuteten Abwandlung der Erfin­ dung kann das feste Stützgerüst auch aus auf ihrer Unterseite jeweils eine Anzahl Stifte 16 aufweisenden kreisrunden Platten 10 und darauf in gleichen Winkelabständen radial verteilt befestigten Stützelementen 14 mit rechtwinkliger wandähnlicher Form zusammengefügt sein. Jeder Stift 16 ist in ein entspre­ chendes Loch 15 eines Stützelements 14 eingeführt. So werden z. B. zehn Etagen zur Aufnahme der Wandlerelemente 1 gebildet, die dann zwischen gemäß Fig. 6 segmentförmig zugeschnittenen Zwischenlagen 12 gehalten werden. Alternativ können auch je eine runde Platte 10 mit rechtwinkligen Stützelementen 14, Löchern 15 und Stiften 16 als integrales Bauteil hergestellt werden.

Einer anderen Abwandlung der Erfindung gemäß kann an Stelle ei­ ner kreisrunden Platte 10 aus nicht-magnetischem Material wie Aluminium oder Kupfer diese Platte 10 auch aus einem harten Kunststoff hergestellt und zur Erzielung der gewünschten elek­ trostatischen und magnetischen Abschirmung zwischen den Wand­ lern mit einer dünnen Kupfer- oder Aluminiumschicht belegt sein.

Abweichend von der Ausführung gemäß Fig. 5, wo die Wandlerele­ mente sandwichartig zwischen oberen und unteren Wandlerzwischen­ lagen aufgenommen sind, ist es auch denkbar, nur auf der unte­ ren runden Platte 10A untere Wandlerzwischenlagen 12A zu be­ festigen und auf denselben die Wandlerelemente zu fixieren.

Ferner kann ähnlich wie eine zylindrische Wandleranordnung ge­ mäß Fig. 4 auch eine erfindungsgemäße planare Wandleranordnung aufgebaut werden. Die Wandlerelemente 1 sind in diesem Fall auf mehreren rechteckigen Platten im Verlauf einer imaginären geraden Linie verteilt. Alternativ können unter Verwendung seg­ mentförmiger Platten auch bogenförmige, halbkreisförmige oder noch andere Wandleranordnungen geschaffen werden.

Claims (9)

1. Wandleranordnung mit einer Anzahl von Wandlerelementen, die in mehreren je einer imaginären Linie folgenden Reihen an­ geordnet, von Reihe zu Reihe durch ein Isoliermaterial akustisch gegenseitig isoliert und frontseitig mit einem schalldurchlässigen Material bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - jede aus Wandlerelementen (1) gebildete Reihe durch das akustisch wirksame Isoliermaterial (12) unterstützt auf einer festen Platte (10) gehalten,
• - jeweils zwei benachbarte Platten (10A, 10B) durch Stützelemente (11; 14) in einem vorbestimmbaren festen Abstand voneinander fixiert,
• - sämtliche festen Platten (10) mit zugeordneten Stütz­ elementen (11) zu einem festen Stützgerüst, welches eine der vorhandenen Anzahl der Wandlerelemente-Reihen ent­ sprechende Zahl von Etagen bildet, verbunden und
• - das Stützgerüst (10, 11) mit sämtlichen darin durch das Isoliermaterial (12) akustisch isolierten und unterstützten Wandlerelemente-Reihen mit dem schall­ durchlässigen Material (5) bedeckt und wasserdicht eingeschlossen sind.

2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1) magne­ tostriktive oder elektrostriktive Ultraschallwandler sind.

3. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die festen Platten (10) aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt sind.

4. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das akustische Isoliermaterial (12) ein Schaumstoff ist.

5. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schalldurchlässige Abdeck­ material (5) Urethan-Schaum ist.

6. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Stützelemente (11; 14) gleich lang ausgebildet sind.

7. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1) jeder Reihe auf einem imaginären Kreis mit gleichen Winkelabstän­ den radial verteilt angeordnet und die Platten (10) kreis­ rund ausgebildet sind.

8. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1) jeder Reihe auf einem imaginären Kreisbogen verteilt angeordnet und die jeweils eine Wandlerelementereihe tragenden festen Platten segment- oder fächerförmig ausgebildet sind.

9. Wandleranordnung nach Anspruch 1, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente (1) jeder Reihe zwischen je einer unteren und oberen Zwischenlage (12A, 12B) aus dem akustischen Isoliermaterial in der betreffenden Etage des Stützgerüsts (10, 11 bzw. 10, 14) gehalten sind.