DE3604439A1 - Elektro-akustischer wandler, insbesondere fuer eine sonareinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Wandler, insbesondere ein Hydrophon für eine Sonareinrichtung, mit wenigstens einem im wesentlichen freischwingend angeordneten piezoelektrischen Wandlerelement, dessen an seiner Oberfläche verlaufende positive und negative Elektrode jeweils an einer Anschlußstelle mit einer Anschlußleitung verbunden sind.

Mit einem elektro-akustischen Wandler sind bekanntlich bei aktiver Betriebsweise elektrische Signale in abzustrahlende Schallsignale umzuwandeln und bei passiver Betriebsweise auf den Wandler treffende Schallwellen in auszuwertende elektrische Signale. Derartige Wandler finden für verschiedenartigste Einsatzfälle in der Schiffahrt, der Medizintechnik etc. Verwendung, und zwar werden sie in der Schiffahrt für Echolot-Einrichtungen ebenso eingesetzt wie für Sonareinrichtungen, mit denen von einem Schiff aus größere Fischschwärme, andere Schiffe od. dgl. zu orten sind.

Ein derartiger Wandler enthält wenigstens ein heutzutage im allgemeinen im wesentlichen aus Keramik (z. B. Bariumtitanat, Zirkontitanat od. dgl.) bestehendes Wandlerelement, welches scheibenförmig, buchsenförmig oder auch anders ausgebildet sein kann, an dessen Oberfläche die aus Metall bestehenden positiven und negativen Elektroden verlaufen, die im allgemeinen auf das Keramikmaterial aufgedampft werden. Dabei besteht eine (positive oder negative) Elektrode häufig aus mehreren Einzelelektroden, die dann durch Verbindungsleitungen untereinander verbunden sind. Weist ein derartiger Wandler mehrere (in der Praxis häufig auch als "Wandlerkeramik" bezeichnete) Wandlerelemente auf, so sind selbstverständlich jeweils deren positive Elektroden untereinander verbunden und desgleichen ihre negativen Elektroden, so daß im allgemeinen lediglich zwei Anschlußleitungen zu der entsprechenden Auswerteeinrichtung führen.

Wird ein derartiges Wandlerelement mit Schallwellen beaufschlagt, so erzeugt es aufgrund seiner piezoelektrischen Eigenschaften entsprechende elektrische Spannungssignale, die von den Elektroden des Wandlerelementes aufgenommen und über die Anschlußleitungen weitergeführt werden. Eine wesentliche Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten eines derartigen Wandlers besteht darin, daß die Elektroden hochohmig gegeneinander isoliert sind (erforderlicher Isolationswiderstand beispielsweise 10²-10⁶ MΩ). Wird nämlich ein entsprechend hoher Isolationswiderstand zwischen den Elektroden nicht erreicht oder geht er während des Betriebes verloren, so ist ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht mehr möglich. Dieses Erfordernis führt insbesondere bei Hydrophonen häufig zu Schwierigkeiten bzw. Ausfällen, die im eingebauten Betriebszustand notwendigerweise mehr oder weniger ständig mit Wasser beaufschlagt werden, wobei sich gezeigt hat, daß es trotz eines Eingießens der Wandlerelemente in eine als Feuchtigkeitsschutz vorgesehene, in sich völlig geschlossene Kunststoffummantelung im Verlaufe längerer Betriebszeit zu einem Eindringen von Feuchtigkeit bis zum Wandlerelement/zu den Wandlerelementen kommt, was zu einem Zusammenbruch des erforderlichen hochohmigen Isolationswiderstandes zwischen den Elektroden führt. Es ist zwar grundsätzlich möglich, die Wandlerelemente derartiger Wandler mit Kunststoffen zu umgießen, die zumindest einen sehr langen, ggf. sogar dauerhaften Feuchtigkeitsschutz bieten. Hierbei handelt es sich jedoch um Kunststoffe, die nur unter relativ hohem Druck und hohen Temperaturen zu verarbeiten sind, was bereits in der Entwicklungsphase und nicht zuletzt bei der laufenden Produktion zu unvertretbar hohen Kosten führt. Drucklos verarbeitende Kunststoffe wie Polyurethan, die mit vertretbarem Kostenaufwand zu verarbeiten sind, bieten indes keinen dauerhaften Feuchtigkeitsschutz, so daß es bei derartigen Hydrophonen insbesondere nach längerer Betriebszeit zu einer relativ großen Anzahl von Ausfällen durch eingedrungene Feuchtigkeit kommt. Dieses dürfte u. a. daran liegen, daß leicht verarbeitbare Kunststoffe wie Polyurethan bei ständiger Beaufschlagung mit Wasser feuchtigkeitsdurchlässig werden, so daß Feuchtigkeit durch die Kunststoffummantelung bis zum Wandlerelement vordringen kann, und/oder daß an den ebenfalls in die Kunststoffummantelung eingegossenen Anschlußleitungen (vermutlich insbesondere zwischen dem eigentlichen Metalleiter und der diesen umhüllenden, an ihrer Außenseite umgossenen Isolierung) im Verlaufe längerer Betriebszeit Feuchtigkeit bis zu dem betreffenden Wandlerelement gelangen und demgemäß den erforderlichen hohen Isolationswiderstand zusammenbrechen lassen kann.

Um trotz der Kunststoffummantelung zu den Wandlerelementen vordringende Feuchtigkeit aufnehmen und möglichst von den Elektroden fernhalten zu können, hat man im Bereich der Wandlerelemente feuchtigkeitsabsorbierendes Material angeordnet, doch hat auch diese Maßnahme nicht verhindern können, daß Hydrophone nach längerer Betriebszeit in größerem Umfange ausfallen. Auch eine Beschichtung der Elektroden mit üblichen Isolierlacken hat auf Dauer nicht zu einer Abhilfe geführt, da sich gezeigt hat, daß Isolierlacke auf Dauer nicht völlig wasserundurchlässig sind.

Andererseits ist man bisher davon ausgegangen, daß eine völlig feuchtigkeitsdichte Einkapselung der Wandlerelemente mit einem vertretbaren Fertigungsaufwand nicht möglich ist, zumal die Oberfläche eines Wandlerelementes mit der Kunststoffummantelung in Verbindung stehen muß, um die die Außenfläche der Kunststoffummantelung beaufschlagenden Schallwellen auf die Wandlerelemente übertragen zu können, und ist weiterhin davon ausgegangen, daß eine Einbettung der Wandlerelektroden in ein absolut wasserundurchlässiges Isolationsmaterial schon deshalb ausscheidet, weil dieses die erforderlichen Schwingungseigenschaften des Wandlerelementes zu stark beeinträchtigen würde, so daß man bisher trotz zahlreicher intensiver Bemühungen nicht zu einer befriedigenden Lösung für das hier angesprochene Problem einer dauerhaften hochohmigen Isolierung der Wandlerelektroden gekommen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wandler der eingangs beschriebenen Gattung so zu verbessern, daß trotz einer Kunststoffummantelung aus einem auf Dauer nicht völlig feuchtigkeitsundurchlässigen, leicht verarbeitbaren Kunststoff wie Polyurethan die erforderliche Isolierung der Wandlerelektroden auf einfache Weise dauerhaft zu erreichen ist, ohne daß hierdurch die Wandlereigenschaften in einem beachtlichen Ausmaße nachteilig beeinflußt werden.

Als Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß wenigstens an jedem beide Elektroden aufweisenden Oberflächenabschnitt des Wandlerelementes wenigstens eine Elektrode mit einer Asphaltschicht beschichtet ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bei einer erfindungsgemäßen Ausbildung eines Wandlers nicht nur eine dauerhafte hochohmige Isolierung zu erreichen bzw. aufrechtzuerhalten ist, sondern daß die erfindungsgemäß vorgesehene Beschichtung der wenigstens einen Elektrode mit Asphalt überraschenderweise nicht zu einer beachtlichen Dämpfung und demgemäß nicht zu einer Herabsetzung des Wandlerwirkungsgrades bzgl. der Aufnahme und Umsetzung der Schallenergie in elektrische Energie führt. Vielmehr sind bei einer entsprechenden Beschichtung mit Asphalt praktisch die gleichen entsprechenden Werte zu erreichen wie ohne Beschichtung, wobei sich diese Werte auch nach langer Betriebszeit nicht verändern. Letzteres liegt vermutlich daran, daß der Asphalt - im Gegensatz zu Luft - absolut trocken ist und auch während längerer Betriebszeit nicht aushärtet, und im übrigen daran, daß Asphalt offenbar überraschenderweise praktisch schwingungsneutral ist.

Wird an einem sowohl die positive als auch die negative Elektrode aufweisenden Oberflächenabschnitt eines Wandlerelementes wenigstens eine Elektrode erfindungsgemäß mit Asphalt beschichtet und sollte es dennoch zu einem Eindringen von Feuchtigkeit bis zum Wandlerelement kommen, so kann diese Feuchtigkeit nicht zu einem Zusammenbrechen des Isolationswiderstandes führen. Im übrigen wird bei einer Beschichtung der Anschlußstelle einer Anschlußleitung an eine Elektrode mit Asphalt ersichtlich bereits von vorherein verhindert, daß längs der Anschlußleitung von außen her eingedrungene Feuchtigkeit aus der Anschlußleitung austreten kann.

Schon aus diesem Grunde besteht eine bevorzugte Ausgestaltung darin, daß jeweils an einem beide Elektroden aufweisenden Oberflächenabschnitt eines Wandlerelementes beide Elektroden einschließlich ihrer Anschlußstellen mit Asphalt beschichtet sind.

Da die Elektroden üblicherweise Wandlerelemente häufig jeweils aus mehreren mit gegenseitigem Abstand angeordneten Elektrodenabschnitten bestehen, die ring- oder stabförmig an der Oberfläche angeordnet bzw. in diese eingebettet sind, so daß eine Mehrzahl kritischer Stellen vorliegt, an denen der erforderliche hohe Isolationswiderstand zwischen den Elektroden bei einem Auftreten von Feuchtigkeit zusammenbrechen kann, besteht eine höchst bevorzugte Ausbildung der vorliegenden Erfindung darin, daß ein beide Elektroden aufweisender Oberflächenabschnitt im wesentlichen vollständig mit Asphalt beschichtet ist. Auch bei dieser bevorzugten Ausbildung hat sich überraschenderweise gezeigt, daß das Schwingungsverhalten des Wandlers hierdurch nicht nachteilig beeinflußt wird.

In Fällen, in denen der Anschluß der Anschlußleitungen an eine Elektrode nicht an einem Oberflächenabschnitt des Wandlerelementes erfolgt, an dem beide Elektroden vorhanden sind, kann es zur Verhinderung eines Eindringens von Feuchtigkeit durch die Anschlußleitung zweckmäßig sein, wenigstens die Anschlußstelle der betreffenden Anschlußleitung ebenfalls mit Asphalt zu beschichten.

Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Elektrode ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen etwas vereinfachten bzw. schematisierten Längsquerschnitt durch ein Hydrophon;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Wandlers für das Hydrophon gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine stirnseitige Draufsicht auf den Wandler gemäß Fig. 2 in Richtung des Pfeiles III in Fig. 2 gesehen; und

Fig. 4 eine teilweise Abwicklung des Wandlers gemäß den Fig. 2 und 3 in einer Draufsicht auf die Wandlerinnenseite.

Fig. 1 zeigt in einer etwas vereinfachten bzw. schematisierten Darstellung einen Längsschnitt durch den wesentlichen Teil eines im ganzen mit 1 bezeichneten Hydrophons für eine Sonareinrichtung mit einem hohlzylindrischen Wandlerelement 2, welches aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial besteht. Das Wandlerelement 2 ist an seinen beiden ringförmigen Stirnseiten jeweils mit einem elastischen Dichtring 3 im wesentlichen freischwingend an einem Kopfflansch 4 und einem Fußflansch 5 abgestützt, die durch ein mit radialem Abstand zur inneren Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2 angeordnetes, stempelförmiges Mittelteil 7 miteinander verbunden sind.

An der Oberfläche des Wandlerelementes 2 verlaufen sieben positive Elektroden 8 und sieben negative Elektroden 9. Die Elektroden 8, 9 verlaufen jeweils parallel zur Längsachse 10 des Wandlerelementes 2 bzw. des Hydrophons 1, wobei die positiven Elektroden 8 jeweils ringförmig ausgebildet sind und mithin über die innere Mantelfläche 6, die beiden Stirnseiten11 und die äußere Mantelfläche 12 des Wandlerelementes 2 verlaufen, während die negativen Elektroden 9 gleichsam stabförmig ausgebildet sind und nur an der inneren Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2 verlaufen (s. Fig. 4). Positive Elektroden 8 und negative Elektroden 9 wechseln jeweils miteinander ab und weisen jeweils zueinander den gleichen Abstand auf. Die positiven Elektroden 8 sind untereinander mit einer Verbindungsleitung 13 verbunden, während die negativen Elektroden 9 untereinander mit einer Verbindungsleitung 14 verbunden sind. Von den Verbindungsleitungen 13 und 14 zweigt jeweils eine Anschlußleitung 15 bzw. 17 ab, die zu einer Auswerteeinrichtung führen.

Wie aus Fig. 1 erkennbar ist, ist die im wesentlichen aus dem Wandlerelement 2, den Flanschen 4, 5 und dem Mittelteil 7 bestehende, im wesentlichen topfförmige Einheit vollständig in eine in Fig. 1 kreuzschraffiert dargestellte Kunststoffummantelung 19 eingegossen, die einen Feuchtigkeitsschutz bildet und aus Polyurethan besteht. Das gleiche gilt für die Anschlußleitungen 15 und 17.

Da es sich gezeigt hat, daß es im Verlaufe längerer Betriebszeit trotz der Kunststoffummantelung 19 zu einem Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Wandlers 2 kommt, was zu einem Zusammenbrechen des erforderlichen hohen Isolationswiderstandes zwischen einander benachbarten positiven Elektroden 8 und negativen Elektroden 9 führt, ist die innere Mantelfläche 6 des Wandlerelementes 2 vollständig mit einer dünnen Asphaltschicht 20 beschichtet, die im mittleren rechten Teil von Fig. 1 kreuzschraffiert angedeutet und im entsprechenden linken Teil von Fig. 1 der besseren Darstellung halber fortgelassen ist, um dort den unterhalb der Asphaltbeschichtung 20 vorhandenen Elektrodenverlauf zu zeigen.

Dringt während des Betriebes - bei dem die Außenseite 19′ der Kunststoffummantelung 19 mit Wasser beaufschlagt wird, um Schallsignale auffangen und mittels des Wandlerelementes 2 in elektrische Spannungssignale umwandeln zu können - Feuchtigkeit entweder durch den Kunststoff der Kunststoffummantelung 19 oder längs der Anschlußleitungen 15, 17 in das Innere des Wandlerelementes 2 ein, so kann diese Feuchtigkeit den ordnungsgemäßen Betrieb des Hydrophons nicht in nachteiliger Weise beeinflussen, da eingedrungene Feuchtigkeit keine Möglichkeit hat, eine Verbindung zwischen zwei Elektroden 8, 9 herzustellen.

Dabei hat sich überraschenderweise gezeigt, daß es trotz der erfindungsgemäß vorgesehenen Asphaltbeschichtung an der inneren Mantelfläche 6 des Wandlers 2 nicht zu einer irgendwie gearteten nachteiligen Beeinflussung des Schwingungsverhaltens des Wandlerelementes 2 und damit des Betriebsverhaltens des Hydrophons 1 kommt, da sich der den erforderlichen hohen Isolationswiderstand auf Dauer sicherstellende Asphalt überraschenderweise schwingungsmäßig neutral verhält und selbst über lange Betriebszeiten für stabile Betriebsbedingungen sorgt. Dieses liegt u. a. offenbar daran, daß der Asphalt für Wasser undurchdringlich ist und auch während längerer Betriebszeit nicht nennenswert aushärtet, so daß er seine anfänglichen Betriebseigenschaften auch nach langer Betriebszeit praktisch unverändert beibehält.

Zur Erzielung des Effektes würde es zwar gundsätzlich ausreichen, nur eine der beiden Elektroden 8 bzw. 9 an der inneren Mantelfläche 6 des Wandler 2 mit Asphalt zu beschichten, doch gibt die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehene vollständige Beschichtung der inneren Mantelfläche 6 eine noch größere Sicherheit und ist zudem noch einfacher herzustellen, wobei sich gezeigt hat, daß bereits eine relativ dünne Asphaltsicht hierfür ausreicht, obwohl sich auch eine dickere Asphaltschicht schwingungsneutral verhält.

Wenn vor- oder nachstehend von Asphalt die Rede ist, so ist es für den Fachmann erkennbar, daß er statt dessen ggf. auch ein Material mit im wesentlichen den gleichen Eigenschaften wie beispielsweise Epoxy-Teer verwenden kann, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß mit Asphalt bei allen Anwendungsfällen auch in Langzeit-Dauerversuchen besonders gute Ergebnisse erzielt wurden.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers liegt mithin u. a. darin, daß sich trotz einer aus Fertigungs - und damit aus Kostengründen erwünschten Verwendung leicht verarbeitbarer, weitgehend schwingungsneutralen Kunststoffe mit einfachsten Mitteln eine dauerhafte hochohmige Isolierung der Wandlerelektroden erzielen läßt, welche die Wandlereigenschaften, insbesondere seinen Wirkungsgrad, praktisch nicht beeinträchtigt.

• Bezugszeichenliste
  (List of Reference Numerals)  1 Hydrophon
   2 Wandlerelement
   3 Dichtringe
   4 Kopfflansch
   5 Fußflansch
   6 innere Mantelfläche (von 2)
   7 Mittelteil
   8 (positive) Elektroden
   9 (negative) Elektroden
  10 Längsachse
  11 Stirnseiten (von 2)
  12 äußere Mantelfläche (von 2)
  13 Verbindungsleitung (für 8)
  14 Verbindungsleitung (für 9)
  15 Anschlußleitung (für 8)
  17 Anschlußleitung (für 9)
  19 Kunststoffummantelung19′ Außenseite (von 19)
  20 Asphaltschicht

Claims (5)

1. Elektro-akustischer Wandler, insbesondere Hydrophon für eine Sonareinrichtung, mit wenigstens einem im wesentlichen freischwingend angeordneten piezoelektrischen Wandlerelement, dessen an seiner Oberfläche verlaufende positive und negative Elektrode jeweils an einer Anschlußstelle mit einer Anschlußleitung verbunden sind, wobei das Wandlerelement sowie die von ihm abzweigenden Anschlußleitungen in eine einen Feuchtigkeitsschutz bildende, in sich geschlossene Kunststoffummantelung eingegossen sind, die mit dem Wandlerelement wenigstens an einem Oberflächenabschnitt in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an jedem beide Elektroden (8, 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt (6) des Wandlerelementes (2) wenigstens eine Elektrode (8 und/oder 9) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils an einem beide Elektroden (8, 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt (6) des Wandlerelementes (2) beide Elektroden (8, 9) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet sind.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein beide Elektroden (8, 9) aufweisender Oberflächenabschnitt (6) des Wandlerelementes (2) im wesentlichen vollständig mit Asphalt (20) beschichtet ist.

4. Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an einem nur eine Elektrode (8 oder 9) aufweisenden Oberflächenabschnitt (12) des Wandlerelementes (2), an welche eine Anschlußleitung (15 bzw. 17) angeschlossen ist, wenigstens die Anschlußstelle der Anschlußleitung (15 bzw. 17) mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet ist.

5. Hydrophon nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, mit einem hohlzylindrischen Wandlerelement, dessen eine Elektrode ausschließlich und dessen andere Elektrode teilweise an der inneren Mantelfläche des Wandlerelementes verläuft, wobei die Anschlußleitungen an der inneren Mantelfläche des Wandlerelementes mit den Elektroden verbunden sind und die Kunststoffummantelung an die äußere Mantelfläche des Wandlerelementes angegossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Mantelfläche (6) des Wandlerelementes (2) einschließlich der Anschlußstellen der Anschlußleitungen (15, 17) und ggf. gleiche Elektroden (8 bzw. 9) verbindender Verbindungsleitungen (13 bzw. 14) vollständig mit einer Asphaltschicht (20) beschichtet ist.