DE3433373A1

DE3433373A1 - Elektroakustischer wandler mit piezoelektrischen elementen

Info

Publication number: DE3433373A1
Application number: DE19843433373
Authority: DE
Inventors: Michael 2000 Wedel Jureczek
Original assignee: Individual
Current assignee: Jureczek Michael 2082 Uetersen De
Priority date: 1984-09-12
Filing date: 1984-09-12
Publication date: 1986-03-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler mit piezoelektrischen Elementen.

Das Anwendungsgebiet dieses Wandlers sind im wesentlichen elektroakustische Einrichtungen, die Unterwass-erschallsender, sowie Unterwasserschallempfänger bilden, wobei ein oder mehrere Wandler zusammengefaßt als Unterwasserantenne dienen.

Es sind aus der Offenlegungsschrift 2511193, sowie aus der Offenlegungsschrift 2607672 Unterwasserübertrager bekannt, die mit relativ großen Piezoelementen, sog. Dickenschwingern arheiten. Diese Elemente benötigen für den Sendebetrieb relativ große Ansteuerleistungen. Werden sie als Horchgeräte, beispielsweise als Mikrofon benutzt, so müssen entsprechend hohe Schalldrücke vorhanden sein, um die Piezoelemente zu erregen. Zudem weisen diese bekannten Unterwasserübertrager aufgrund ihrer bauartlich bedingten Gegenmassen ein entsprechend hohes Gewicht auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die o.g. Nachteile zu vermeiden und eine Unterwasserantenne zu konstruieren, die schon mit geringer Ansteuerleistung ein für die Übertragung von Schallsignalen in flüssigen Medien ausreichend großes Antennensignal erzeugt, sowie umgekehrt empfindlich genug ist, um auch Schallsignale geringen Schalldrucks noch aufnehmen zu können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß Dünnschichtpiezoelemente im Bereich ihrer Resonanzfrequenz betrieben werden und dabei in zwei Medien verschiedener Aggregatzustände, beispielsweise in 01 und in Luftg schwingen. Mechanische Schwingungen, die ein Piezoelement ausführt, werden aufgrund der unterschiedlichen Dichten in einem flüssigen Medium wesentlich stärker bedämpft, als in einem gasförmigen Medium,

Das hat bei dem hier gewählten besonderen Aufbau zur Folge, daß beim Ein- und Ausschwingen aus dem mit dem gasförmigen Medium gefüllten Hohlkörperraum das Piezoelement relativ große Bewegungen ausführt, wodurch ein kräftiges Signal ent-5. steht, welches die Moleküle des flüssigen Mediums in Schwingung versetzt.

Die so in dem flüssigen Medium der Unterwasserantenne erzeugten Schall- bzw. Ultraschallsignale werden über einen festen oder elastischen Mantel des Gehäuses, dessen Durchlässigkeit für Schallwellen der des Wassers entspricht, in das Wasser abgegeben*

Umgekehrt genügen bereits geringe Ultraschallsignale, um das Piezoelement in Richtung des mit dem gasförmigen Medium gefüllten Hohlkörperräums schwingen zu lassen und so in dem Piezoelement eine elektrische Signalspannung zu erzeugen· Die unterschiedliche Bedämpfung, die das einzelne Piezoelement durch die beiden Medien erfährt, führt zu einem nichtlinearen Schwingüngsverhalten. Diese Nichtlinearitäten können jedoch je nach Betriebsrichtung als Sende- öder Empfangsantenne mittels einer vor- oder nachgeschaltete elektronische Kompensationsschaltung ausgeglichen werden,.

Um die durch den Betrieb der Unterwasserantenne hervorgerufene Wärmeausdehnung des flüssigen Mediums auszugleichen und die Piezoelemente von dem durch diese Wärmeausdehnung entstehenden Druck zu entlasten, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung der Innenraum des Hohlkörpers mit der Flüssigkeitskammer über einen verformbaren Balg verbunden, der zwischen beiden Kammern ein Druckgleichgewicht herstellt.

Damit bei Verwendung der Unterwasserantenne in größeren Tiefen die Piezoelement« nicht durch den hydrostatischen Wasserdruck beaufschlagt werden und so eine Vorspannung erhalten, was zu einer Veränderung ihres Schwingverhaltens führen würde, ist nach einer weiteren Ausbildung der

Erfindung die das gasförmige Medium enthaltende Kammer mit einer Druckregeleinrichtung verbunden, die den Gasdruck im Inneren der Kammer nach dem jeweiligen Außendruck regelt, welcher die Unterwasserantenne umgibt»

Um ßundstrahl- oder verschiedene Richtcharakteristiken der Unterwasserantenne zu erhalten, sind nach weiteren Ausbildungen der Erfindung die Piezoelemente nebeneinander, im Winkel zueinander, kreisförmig oder kugel- bzw. halbkugelförmig angeordnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß der Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit einer solchen Unterwasserantenne gegenüber den bisher bekannten Unterwasserübertragern wesentlich verbessert sind, was sich insbesondere im Sendebetrieb durch eine geringere benötigte Ansteuerleistung bemerkbar macht. Dieses führt dazu, daß für den mobilen Betrieb eingesetzte Energieträger, beispielsweise Batterien, wesentlich kleiner ausgelegt werden können· Zudem benötigen Dünnschichtpiezoelemente keine großen Gegenmassen, was sich im Gewicht der Unterwasserantenne bemerkbar macht.

Der Nachteil einer geringeren Bandbreite, der sich daraus ergibt, daß das einzelne Piezoelement im Bereich seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, kann dadurch ausgeglichen werden, daß mehrere Piezoelemente zu einer Unterwasserantenne zusammengefaßt sind, die jeweils in ihrer Resonanzfrequenz voneinander verschieden sind. Durch entsprechende Auswahl der einzelnen Piezoelemente läßt sich die jeweils gewünschte Bandbreite der Unterwasserantenne problemlos erreichen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

Es zeigen:

Fig.1 Ein Dünnschichtpiezoelement mit seiner schematisch eingezeichneten mechanischen Schwingkennlinie im Bereich seiner Eigenresonanz_o

Fig. 2 Eine schematische Darstellung der Befestigung des Dünnschichtpiezoelements 1 auf einem Hohlkörper

Fig. 3 Einen Schnitt durch das Dünnschichtpiezoelement und den Hohlkörper 2, sowie einen Teil einer gasdichten Klebung 3.

Fig. 4 Einen Schnitt durch eine Unterwasserantenne 4 mit nebeneinander angeordneten Piezoelementen

Fig. 5 Eine Draufsicht auf die Unterwasserantenne 4.

Fig. 6 Eine Unterwasserantenne 4 mit auf einem nicht dargestellten Träger halbkugelförmig angeordneten Piezoelernentenο

Das Piezoelement 1 ist zweckmäßigerweise mit dem Hohlkörper in dem Bereich elastisch und gasdicht verklebt, der dem Nulldurchgang seiner mechanischen Schwingungskurve entspricht. Diese Wahl der Klebestelle bewirkt, daß das Piezoelement 1 durch die Klebung nur unwesentlich bedämpft wird. In der beispielhaft gezeigten Form ist die Auflagekante zum Hohlkörper quadratisch ausgeführt.. Diese Auflagekante kann jedoch auch anders, etwa kreisförmig aus gestaltet sein, z.B. wenn der Hohlkörper 2 zylinderförmig ausgeführt ist.

Mehrere Piezoelemente 1 sind je nach bevorzugter Antennencharakteristik zu einer Unterwasserantenne 4 zusammengestellt. Eine solche Zusammenstellung kann vorzugsweise auf einer Ebene 5 erfolgen, Sie kann beispielsweise aber auch in einer Winkelform oder kugelförmig ausgeführt sein.

Dabei können die Hohlkörperinnenräume 6 über Ausgleichsöffnungen 7 mit einer gemeinsamen das gasförmige Medium enthaltende Kammer 8 verbunden sein.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Ebene 5 auch mit entsprechenden Wandungen 9 ausgeführt sein, die für eine direkte Aufnahme der Dünnschichtpiezoelemente ausgebildet sind.

Auf ihrer dem Hohlkörper abgewandten Seite 10 werden die Dünnschichtpiezoelemente 1 von einem flüssigen Medium beaufschlagt, welches sich in einer Flüss-igkeitskammer 11 befindet. Das flüssige Medium und das gasförmige Medium stehen über einen verformbaren Balg 12 miteinander im Druckgleichgewichte Die Flüssigkeitskammer 11 wird gebildet aus dem Antennengehäuse 13, welches die Antennenebene 5 enthält, und einem äußeren Mantel 14, welcher über ein Schraubgewinde mit dem Antennengehäuse 13 verbunden ist, wobei ein zwischen Mantel 14 und Antennengehäuse 13 sich befindender O-Ring als Dichtung ausgebildet ist. Die Flüssigkeitskammer wird über das Einfüll- und Entlüftungsloch 17 mit dem flüssigen

Medium gefüllt und mit einer Schraube 18 verschlossen. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Einfiill- und Entlüftungsloch 1? auf seiner der Flüssigkeitskammer abgewandten Seite 19 eine Senkung 20 aufweisen, die zur Abdichtung einen weiteren O-Ring 21 aufnimmt·

Die elektrischen Anschlußleitungen 22 zu den Piezoelementen werden in einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Bohrung 23 in die Flüssigkeitskammer 11 geführt wo sie auf Lötstützpunkte 24 aufgelegt sind. Die Anschlußleitungen 22 sind in der Bohrung 23 mittels einer gasdichten Klebung 3 verklebto

Um den in größeren Tiefen auf dem Gehäuse lastenden Wasserdruck auszugleichen, kann nach einer weiteren Ausführung der Erfindung die das gasförmige Medium enthaltende Kammer 8 mit einer in den Zeichnungen nicht dargestellten Druekausgleichsvorrichtung verbunden sein, die es ermöglicht, den Druck des gasförmigen Mediums dem Wasseraußendruck anzupassen_o

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Claims

Patentansprüche

1) Piezoelektrischer Wandler, bestehend aus einem steifen allseitig geschlossenen Hohlkörper (2), dessen eine Seitenwand durch ein Piezoelement (l) gebildet wird, welches über eine elastische Klebung (3) mit dem Hohlkörper verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Klebung (3) gasdicht ausgeführt ist.

2) Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlkörpers (6) mit einem gasförmigen Medium gefüllt ist.

3) / Unterwasserantenne, bestehend aus mindestens einem piezoelektrischen Wandler nach Anspruch 1 und 2, eingesetzt in ein mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefülltes Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (l) auf seiner dem Hohlkörper (2) zugekehrten Seite von einem gasförmigen Medium und auf seiner dem Hohlkörper abgekehrten Seite (1O) von einem flüssigen Medium beaufschlagt wird.

4) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Hohlkörpers (6) mit der den Hohlkörper (2) umgebenden dielektrischen Flüssigkeit über einen verformbaren Balg (12) in Verbindung steht, so daß sich die dielektrische Flüssigkeit und das gasförmige Medium im Druckgleichgewicht befinden.

5) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Piezoelemente (l) mit einer gemeinsamen das gasförmige Medium enthaltende Kammer (8) und eine gemeinsame Flüssigkeitskammer (ti) verbunden sind,

6) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die das gasförmige Medium enthaltende Kammer (8) mit einer Druckregeleinrichtung verbunden ist, die den Gasdruck im Inneren der Kammer

nach dem jeweiligen Außendruck regelt, welcher die Unterwasserantenne umgibt»

7) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet* daß die Piezoelemente (l) nebeneinander angeordnet sind«

8) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezoelemente (l) im Winkel zueinander angeordnet sind.

9) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Piezoelemente (l) auf einem
Träger angeordnet sind, der im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist»

10) Unterwasserantenne nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnetj daß die Piezoelemente (l) auf einem
Träger angeordnet sind, der im wesentlichen kugelförmig ausgebildet ist*