DE3739185A1 - Wandlerelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Wandlerelement, insbesondere ein Hydrophon für langgestreckte Wandleranordnungen, nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Derartige Wandlerelemente weisen ein Piezoelement mit einer solchen Polarisationsrichtung auf, die seine piezoelektrischen Empfangseigenschaften bevorzugt für Schalldruck aus einer einzigen Richtung wirksam werden lassen.

Wirkt bei einem Wandlerelement der Schalldruck auf ein piezoelektrisches Element allseitig ein, so ergibt sich durch den Piezoeffekt eine elektrische Ausgangsspannung des Wandlerelements. Diese Ausgangsspannung wird überwiegend durch den in Polarisationsrichtung des Wandlerelements wirksamen Schalldruck verursacht, und allein der durch diese Komponente des Schalldrucks erzeugte Teil der Ausgangsspannung soll deshalb als Nutzsignal des Wandlerelements bezeichnet werden. Der dazu im wesentlichen quer wirkende Schalldruck wird im allgemeinen als Störschall aufgefaßt und erzeugt - da quer zur Polarisationsrichtung - eine um Größenordnungen geringere elektrische Ausgangsspannung, das sog. Stör- oder Geräuschsignal. Das Signal-Geräusch-Verhältnis (SNR) als Quotient aus Nutz- und Geräuschsignal kennzeichnet die Qualität des Wandlerelements.

Solche Wandlerelemente werden als Hydrophone in der Unterwasserschalltechnik in Wandleranordnungen verwendet, um Schallwellen richtungsselektiv zu empfangen und Schallsignale abstrahlende Ziele zu orten. Für die Detektionseigenschaften eines derartigen Hydrophons ist eine Empfindlichkeit für Störschallwellen und damit ein verringertes SNR von erheblichem Nachteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wandlerelement zu realisieren, das in Polarisationsrichtung des Piezoelements optimal an den aufzunehmenden Schalldruck angepaßt ist und das gegen quer zur Polarisationsrichtung sich ausbreitenden Schallwellen unempfindlich ist.

Die Aufgabe ist bei einem Wandlerelement der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteils des Anspruchs 1 gelöst.

Störschallwellen werden im wesentlichen als Biegewellen mit einer Wellenlänge sehr viel kleiner als die Schallwellenlänge generiert, die sich in Längsrichtung der Fahrzeuge, z. B. entlang von Bordwänden und somit auch entlang den daran montierten Längsantennen, ausbreiten.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlerelements besteht nun darin, daß die Seitenflächen des Piezoelements aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen von den Störschallwellen nicht mehr angeregt werden können. Die Ummantelung erfüllt dabei zwei Funktionen, zum einen die mechanische, räumliche Trennung der Seitenflächen des Piezoelements vom Ausbreitungsmedium und zum anderen verhindert sie entweder dadurch, daß sie den Störschall möglichst vollständig reflektiert oder absorbiert, oder aber durch die Kombination teilweiser Reflexion und teilweiser Absorption, daß Störschallwellen auf die Seitenflächen auftreffen. Besteht die Ummantelung darüber hinaus zumindest zum Teil aus einem elastischen oder viskoelastischen Material, so kann auch das Piezoelement freie Volumenschwingungen aufgrund des Nutzschalles ausführen, die nicht über die Ummantelung hinaus in das Ausbreitungsmedium abgestrahlt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 2. Unterscheidet sich nämlich die akustische Impedanz der Ummantelung wesentlich von der inneren Impedanz der Störschallquelle für die quer zur Polarisationsrichtung einfallenden Störschallwellen - z.B. um mindestens eine Größenordnung, also mindestens 10:1 oder auch 100:1 und mehr -, so werden an der Grenzschicht der Materialien, der Außenfläche der Ummantelung, die Störschallwellen in Abhängigkeit von dem aus den Impedanzen bestimmbaren Reflexionsfaktor reflektiert. Da der Reflexionsfaktor den Differenzen der Impedanzen proportional ist, sind beide Möglichkeiten, d.h. die Impedanz der Ummantelung wesentlich größer oder sie wesentlich kleiner als die Impedanz der Störschallquelle zu bestimmen, in gleicher, vorteilhafter Weise anwendbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 führt zur Konstruktion eines Wandlerelementes von geringem Gewicht, die außerdem durch geeignet aufzuschäumendes elastisches oder viskoelastisches Material oder syntaktischen Schaum besonders einfach herzustellen ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 ergibt eine schwere Ausführung des Wandlerelements, die insbesondere gegenüber Schallsignalen, welche sich überwiegend durch ihre Schnellekomponente, wie z. B. Biegewellen, fortpflanzen, vorteilhaft einzusetzen ist, da schallschnelle-unempfindliche Wandler mit großer Masse konstruiert sein müssen, um nicht durch die Schnellekomponente bewegt, d.h. angeregt zu werden.

Für alle quer zur Nutzschallrichtung einfallenden Schallwellen ist die als Stahlring ausgebildete Metallschicht ein Reflektor mit einer gegenüber der Kennimpedanz des Wassers erhöhten Impedanz und im allgemeinen an die Störschallquelle fehlangepaßt. Nicht reflektierte Restsignalanteile werden durch die zwischen Metallschicht und Piezoelement vorgesehene Zwischenschicht absorbiert.

Die elastische Zwischenschicht hat ferner den Vorteil, daß das Piezoelement nach wie vor frei schwingen kann, so daß eine aufgrund der Kontraktion in Polarisationsrichtung sich ergebende Schubkraftdehnung quer dazu ungehindert in die elastische Zwischenschicht hinein erfolgen kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich auch aus Anspruch 7. Durch das Vergießen mit schalltransparentem Umgußmaterial als Umhüllung, steht das Wandlerelement mit dem Ausbreitungsmedium für den Störschall, im allgemeinen dem Wasser, nicht in unmittelbaren Kontakt. Damit können die Störschallwellen, die sich mit besonders starker Schnellekomponente ausbreiten, nicht unmittelbar auf das Wandlerelement einwirken.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:.

Fig. 1a ein Wandlerelement mit einer Microblasen einschließenden Ummantelung,

Fig. 1b ein Wandlerelement mit zweischichtiger Ummantelung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Wandleranordnung mit einem einzelnen Wandlerelement,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Wandleranordnung mit mehreren Wandlerelementen.

In Fig. 1a ist ein erfindungsgemäßes Wandlerelement 10.1 in seinem grundsätzlichen Aufbau dargestellt. Dieses Wandlerelement 10.1 enthält ein Piezoelement 11, das von einer Ummantelung 12 umgeben ist. Als piezoelektrisches Material, das eine akustische Impedanz möglichst ähnlich der Kennimpedanz des Wassers aufweisen soll, sei hier für das dargestellte Piezoelement 11 eine piezoelektrische Keramik, wie Bariumtitanat, vorgesehen. Es wäre aber ebenso möglich, das Piezoelement 11 aus piezoelektrischer Folie, wie PVDF etc., oder Folienschichtungen aufzubauen.

Die Ummantelung 12 besteht aus einem elastischen oder viskoelastischen Material, wie syntaktischer Schaum, Kunststoff oder Gummi, in dem während des Herstellungsprozesses Microblasen 13 erzeugt worden sind. Die Microblasen sind an den Außenflächen in erhöhter Konzentration vorhanden. Die Impedanz der Ummantelung 12 wird ganz wesentlich durch die gasgefüllten Microblasen 13 bestimmt und ist somit wesentlich kleiner als die ihres schalltransparenten Kunststoffes. Damit wirkt die Ummantelung 12 aufgrund des durch die Microblasen 13 bewirkten Impedanzsprunges zwischen Schallausbreitungsmedium und Ummantelung 12 für einfallende Störschallwellen reflektierend. Der viskoelastische Kunststoff ist für sich gesehen schallabsorbierend, also dämpfend, so daß in die Ummantelung 12 eindringende nicht reflektierte Schallwellenanteile weiter bedämpft und die Seitenflächen des Piezoelements durch Störsignalanteile nicht mehr angeregt werden.

Das Wandlerelement 10.1 ist zylindrisch und mit seiner strichpunktierten Zylinderachse 16 fällt die Polarisationsrichtung des Piezoelements 11 zusammen. An die elektrisch leitenden Beschichtungen 14.1 und 14.2 sind die Signalleitungen 15 angeschlossen.

In Fig. 1b ist ein weiteres Wandlerelement 10.2 dargestellt. Dabei sind die mit dem Wandlerelement 10.1 in Fig. 1a gleichen Konstruktionselemente auch mit gleichen Bezugszeichen versehen worden. Bei dem Wandlerelement 10.2 ist das Piezoelement 11 mit einer Ummantelung 12 versehen, die aus zwei Materialschichten, der Metallschicht 12.1 und der Zwischenschicht 12.2 besteht. Diese Zwischenschicht 12.2 ist schalltransparent und besteht aus elastischem oder viskoelastischem Material wie syntaktischer Schaum, Kunststoff oder Gummi.

Das Wandlerelement 10.2 ist ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebaut und sein wirksames Piezoelement 11 so polarisiert, daß seine Polarisationsrichtung mit der strichpunktierten Symmetrieachse 16 zusammenfällt. Die Metallschicht 12.1 bildet dann einen Ring um das zylindrische Piezoelement 11. Eine gute mechanische Befestigung des schwingenden Piezoelements 11 kann in einfacher Weise durch Verkleben der ringförmigen Metallschicht 12.1 mit der Zwischenschicht 13 bzw. der Zwischenschicht 12.2 mit dem Piezoelement 11 erreicht werden, wenn nicht bereits die adhäsiven Kräfte der Zwischenschicht 12.2 eine ausreichende mechanische Haltbarkeit gewährleisten.

Die Ausbreitungsrichtung des Nutzschalls ist durch den Pfeil 17 und die Ausbreitungsrichtung des Störschalls ist durch den Pfeil 18 in der Fig. 1b dargestellt. Durch den Schalldruck des Nutzschalls, der in Richtung der Symmetrieachse 16 ungehindert auf das Piezoelement 11 trifft, erfolgt in Polarisationsrichtung 16 die Kontraktion bzw. quer dazu die Expansion des Piezoelements 11. Die dabei durch den Piezoeffekt entstehenden Spannungsunterschiede an den Beschichtungen 14.1 und 14.2 werden über die elektrischen Leitungen 15 den nachgeschalteten, jedoch nicht dargestellten Signalverarbeitungsschaltungen zugeführt. Innerhalb des Wandlerelementes 10.2 kann die Keramik ungehindert schwingen, da die elastische Zwischenschicht bei einer Kontraktion in Polarisationsrichtung eine dazu quer erfolgende Expansion aufgrund der Schubspannungen nicht behindert. Die starre Metallschicht 12.1 dagegen verhindert eine weitere Ausbreitung der Schubspannungswellen, beispielsweise zu benachbarten Wandlerelementen. Störschall, der quer zur Polarisationsrichtung 16 auf das Wandlerelement 10 trifft, wird hingegen an der schallharten Ummantelung 12 reflektiert und bewirkt keinen Druck auf das Piezoelement 11. Eine Querkontraktion, die - wenn auch in wesentlich geringerem Maße - ein piezoelektrisches Signal bewirken könnte, wird somit unterbunden.

Da das Piezoelement 11 mit seiner Impedanz an die Kennimpedanz des Wassers weitgehend angepaßt ist und der Nutzschalldruck durch eine Schallquelle generiert wird, deren innere Impedanz gleich der Impedanz des Wassers ρ₀ · C₀ = 1,5 · 10^-6Ns/m³ ist, besteht zwischen Wasser und Wandlerelement 10 Leistungsanpassung in Polarisationsrichtung 16 und es kann ein maximaler Leistungsübergang erfolgen. Dabei wirkt sich die Ummantelung 12 in Polarisationsrichtung 16 nicht aus.

Quer zur Polarisationsrichtung 16, in Ausbreitungsrichtung 18 des Störschalls, erfolgt entweder eine Fehlanpassung der Impedanz der Ummantelung 12 an die des Wassers, bzw. der wasserähnlichen Umhüllungsmaterialien, z. B. Polyurethan, des eingebauten Wandlerelementes 10, oder der Störschall breitet sich im wesentlichen als Schallschnellekomponente aus, d.h. er wird von einer Quelle mit niedrigerer Impedanz als der des Wassers generiert - Z ≈ 0,1 · ρ₀ · C₀ bis 0,01 · ρ₀ · C₀ - , so daß ein Leistungsübergang vom Wasser oder Umhüllungsmaterial in die Ummantelung 12 nicht stattfindet. Das Wandlerelement 10 ist in jeder Hinsicht an die Störschallquelle fehlangepaßt und für die Beeinflussung der Piezokeramik 11 wirkungslos. Das Wandlerelement 10 ist somit durch seinen konstruktiven Aufbau bezüglich seiner Signalübertragungseigenschaften für die unterschiedlichen Ausbreitungseigenschaften von Stör- und Nutzschall optimal ausgelegt.

In den Schnittzeichnungen der Fig. 2 und 3 ist der prinzipielle Einbau von Wandlerelementen 10, die im dargestellten Beispiel, wie die in Verbindung mit Fig. 1b beschriebenen Wandlerelemente 10.2 aufgebaut sind, in langgestreckten Wandleranordnungen 22, 22′ dargestellt. An einer vertikalen Bordwand 20, 20′ eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Unterwasserfahrzeuges, ist mittels eines Befestigungselementes 21, 21′ in Richtung der Fahrzeuglängsachse die langgestreckte Wandleranordnung 22, 22′ die häufig auch als Flank-Array-System (FAS) oder Längsantenne bezeichnet wird, montiert. Die Wandlerelemente 10 sind an ihren Positionen, deren Abstand klein gegen die Kohärenzwellenlänge des Störschalls ist, jeweils in einem Hüllkörper 23, 23′ durch Vergießen mit einer Umhüllung 24, 24′ in mechanisch ausreichend tragfähigem, jedoch akustisch transparentem Material, z. B. Polyurethan, fixiert. Die Signalleitungen 15 aller Wandlerelemente 10 der Anordnung 22, 22′ sind zu einem gemeinsamen Kabel 25, 25′ zusammengefaßt.

Die Wandleranordnung 22′ gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Anordnung 22 in Fig. 2 lediglich dadurch, daß an einer Position mehrere Wandlerelemente 10 eingegossen sind. In dem Beispiel gemäß Fig. 3 sind dabei drei Wandlerelemente 10 mit einem Winkelversatz von ca. 60° am äußeren Rand durch Vergießen fixiert. In beiden Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 liegen die Polarisationsrichtungen 16 quer zur Fahrzeuglängsachse, die hier senkrecht durch die Darstellungsebene verläuft, und somit quer zur Ausbreitungsrichtung des Störschalls.

Claims (9)

1. Wandlerelement, insbesondere Hydrophon für langgestreckte Wandleranordnungen, mit einem Piezoelement mit vorgegebener Polarisationsrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (11) eine seine parallel zur Polarisationsrichtung (16) sich erstreckenden Seitenflächen überdeckende Ummantelung (12) aufweist, daß das Piezoelement (11) und die Ummantelung (12) derart mechanisch verbunden sind, daß das Piezoelement (11) zumindest von den Außenflächen der Ummantelung (12) akustisch entkoppelt ist, und daß die Ummantelung (12) für quer zur Polarisationsrichtung (16) einfallende Störschallwellen schallreflektierend und/oder schallabsorbierend ausgebildet ist.

2. Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die akustische Impedanz der Ummantelung (12) für quer zur Polarisationsrichtung (16) einfallende Störschallwellen wesentlich, mindestens eine Größenordnung, von der inneren Impedanz der Störschallquellen abweicht.

3. Wandlerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (11) und die Ummantelung (12) konzentrische Zylinder sind und daß die Polarisationsrichtung (16) mit der Richtung der Zylinderachse übereinstimmt.

4. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezoelement (11) mit der Ummantelung (12) verklebt ist.

5. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (12) aus einem syntaktischen Schaum oder einem elastischen oder viskoelastischen Kunststoff mit gasgefüllten Microblasen (13) besteht und daß die Microblasen (13) vorzugsweise an den Außenflächen konzentriert sind.

6. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (12) aus einer schallharten Metallschicht (12.1), vorzugsweise einem Stahlring, und einer zwischen der Metallschicht und dem Piezoelement angeordneten elastischen oder viskoelastischen Zwischenschicht (12.2) besteht.

7. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch seine Umhüllung (24) aus schalltransparentem Umgußmaterial, vorzugsweise Polyurethan.

8. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch seine Positionierung in der langgestreckten Wandleranordnung (22) derart, daß die Polarisationsrichtung (16) senkrecht auf der Längsachse der Wandleranordnung (22) steht, wobei an derselben Position der Wandleranordnung (22) ein oder mehrere Wandlerelemente (10) vorgesehen werden.

9. Wandlerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8 gekennzeichnet durch seine Positionierung in der Wandleranordnung (22) in Abständen klein gegen die Kohärenzwellenlänge des Störschalls.