DE3743339A1 - Elektroakustischer wandler, insbesondere fuer unterwasseranwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, insbesondere für Unterwasseranwendung, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Bekannte Wasserschallwandler dieser Art (DE-PS 17 62 258) mit piezoelektrischen Keramikschwingern werden bevorzugt für Sendeeinrichtungen von im höherfrequenten Bereich arbeitenden Sonaranlagen eingesetzt, da diese in diesem Frequenzbereich bei vernünftiger Baugröße und elektrischer Ansteuerleistung eine ausreichend große Schallenergie ins Wasser abzustrahlen vermögen. Bei tieffrequenten Aktiv-Sonaranlagen hingegen werden zur Erzielung einer ausreichenden Sendeleistung große Schwingungsamplituden verlangt, die von Keramikschwingern nicht mit vernünftigem Aufwand erreichbar sind. Man hat daher beim Bemühen um Konstruktion tieffrequenter Sendewandler für Aktiv-Sonaranlagen auf magnetische und elektro-dynamische Wandler und auf pyrotechnische und hydraulische Schallerzeugung zurückgegriffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler der eingangs genannten Art zu schaffen, der auch bei Beibehaltung des Prinzips der piezoelektrischen Schwingungserzeugung mit kleiner elektrischer Ansteuerleistung für den Schwinger große Schwingungsamplituden der Schallabstrahlplatte erzeugt.

Die Aufgabe ist bei einem elektroakustischen Wandler einer im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler in seiner bevorzugten Anwendung als Wasserschallwandler ist zwischen dem bei kleiner elektrischer Ansteuerleistung nur kleine Schwingungshübe erzeugenden Schwinger und der Schallabstrahlplatte ein sog. hydraulischer Transformator angeordnet, der die kleinen Schwingungshübe des Schwingers in große Schwingungsamplituden der Abstrahlfläche umsetzt. Die Übersetzung ist durch das Verhältnis der Kolbenflächen der beiden Kolben festgelegt.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wandlers mit zweckmäßigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Durch Beaufschlagung der Druckkammer mit einem statischen Druck, der größer ist als der Umgebungsdruck des Wandlers, kann Kavitation in der Druckkammer vermieden werden. Bei einem Wasserschallwandler mit druckwassergefüllter Druckkammer werden zugleich Undichtigkeiten zwischen dem Kolben und der Gehäusewand kompensiert.

Der hierfür erforderliche statische Druck kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung von einer Pumpe aufgebracht und über ein Rückschlagventil der Druckkammer zugeführt werden.

Ein gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehenes Überströmventil dient der Entlüftung der Druckkammer. Es wird durch einen vorübergehenden, von der Pumpe aufgebrachten Überdruck geöffnet und läßt in der Druckkammer eingeschlossene Luft entweichen. Die dem Überströmventil zugeordnete, in der Druckkammer mündende Ablaufbohrung ist dabei zweckmäßigerweise so anzuordnen, daß sie in Einbaulage des Wandlers in der Oberseite des Wandlergehäuses liegt.

beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung einen Längsschnitt eines elektroakustischen Sendewandlers.

Der in der Zeichnung schematisch im Längsschnitt dargestellte elektroakustische Wandler wird bevorzugt als Sendewandler in einer Aktiv-Sonaranlage verwendet. Er weist ein im wesentlichen rotationssymmetrisches, innen hohles Gehäuse 10 auf, das an seinem einen Stirnende einstückig einen radial überstehenden Befestigungsflansch 11 trägt und an seinem anderen Stirnende einstückig in einen im Durchmesser vergrößerten Gehäusetopf 12 übergeht, der an seinem freien Stirnende offen ist. Der Innenhohlraum 13 des Gehäuses 10 weist vier unterschiedliche Raumabschnitte auf. Der zylindrische erste Raumabschnitt 131 beginnt an dem Befestigungsflansch 11 und ist dort von einer Befestigungsplatte 14 abgedeckt, die mit dem Befestigungsflansch 11 verschraubt ist. Ein Schraubbolzen ist mit 15 und eine Schraubmutter mit 16 bezeichnet. Der an dem ersten Raumabschnitt 131 sich unmittelbar anschließende zweite Raumabschnitt 132 ist kegelstumpfförmig ausgebildet und geht an seiner querschnittskleineren Stirnfläche in den wiederum zylindrischen dritten Raumabschnitt 133 über. Der vierte, sich an dem dritten Raumabschnitt 133 anschließende Raumabschnitt 134 wird von dem Innern des Gehäusetopfes 12 gebildet und ist im wesentlichen zylinderförmig. Stirnseitig ist dieser vierte Raumabschnitt 134 von einer Abstrahlplatte 17 aus Kunststoff abgedeckt, die mittels einer Ringdichtung 18 gegenüber der Innenwand des Gehäusetopfes 12 abgedichtet ist.

An der Befestigungsplatte 14 ist ein Schwinger 19 aus einer piezoelektrischen Keramik angeordnet und liegt mit seiner einen Stirnseite fest an der Befestigungsplatte 14 an. Der Schwinger 19 ist als sog. Piezostack aus hintereinander angeordneten Keramikscheiben 20 ausgebildet. Bei Anlegen einer Wechselspannung reduziert bzw. vergrößert der Piezostack seine axiale Länge und bewirkt dadurch einen Axialhub eines mit der anderen Stirnseite des Piezostack fest verbundenen ersten Kolbens 21. Der Kolben 21 ist mittels einer Ringdichtung 22 gegenüber der Gehäuseinnenwand 37 im ersten Raumabschnitt 131 abgedichtet.

Die Abstrahlplatte 17 ist mit einer Trägerplatte 23 fest verbunden, die in dem vierten Raumabschnitt 134 angeordnet ist und an ihrer von der Abstrahlplatte 17 abgekehrten Seite einen vorspringenden zweiten Kolben 24 trägt. Dieser zweite Kolben 24, dessen Durchmesser geringfügig kleiner bemessen ist als der Durchmesser des dritten zylindrischen Raumabschnitts 133 ragt durch letzteren hindurch bis zu dem kegelstumpfförmigen zweiten Raumabschnitt 132. Der zweite Kolben 24 ist mittels einer Ringdichtung 25 gegenüber der Gehäuseinnenwand 37 im dritten Raumabschnitt 133 abgedichtet. Die einander zugekehrten, in ihrer Größe stark unterschiedlichen Kolbenflächen 26 und 27 der beiden Kolben 21 und 24 schließen zusammen mit der konisch verlaufenden Gehäuseinnenwand 37 im zweiten Raumabschnitt 132 eine flüssigkeitsgefüllte, im Falle der Verwendung als Wasserschallwandler vorzugsweise wassergefüllte, Druckkammer 28 ein. Zur Halterung von Schwinger 19, Kolben 21, 24 und Trägerplatte 23 mit Abstrahlplatte 17 ist ein Zuganker 29 vorgesehen, der diese Bauteile bei freier Beweglichkeit des starr mit dem Schwinger 19 verbundenen ersten Kolbens 21 und des starr mit der Trägerplatte 23 verbundenen zweiten Kolbens 24 an der Befestigungsplatte 14 federnd verspannt. Nach Verspannung wird auf die Trägerplatte 23 die Abstrahlplatte 17 aufgesetzt und mittels Schrauben 30 an dieser verschraubt. Die aus Kunststoff bestehende Abstrahlplatte 17 hat die Funktion einer akustischen Anpaß- oder λ /4-Schicht, welche den Schwinger 19 an das Medium Wasser ankoppelt.

Zur Füllung der Druckkammer 28 mit Flüssigkeit, insbesondere Wasser, ist im Gehäuse 10 eine Zulaufbohrung 31 und eine Ablaufbohrung 32 angeordnet, die jeweils in der Druckkammer 28 münden. Die Zulaufbohrung 31 ist über ein Rückschlagventil 33 mit zur Druckkammer 28 weisender Durchflußrichtung mit einer Förderpumpe 34 verbunden, die beispielsweise von einem elektrischen Motor 36 angetrieben wird. An der Ablaufbohrung 32, die in der in Einbaulage des Wandlers oberen Seite des Gehäuses 10 angeordnet ist, ist ein Überströmventil 36 angeschlossen. Dieses Überströmventil 36 dient zum Entlüften der Druckkammer 28, wozu mittels der Förderpumpe 34 ein Druck in der Druckkammer 28 erzeugt wird, der größer ist als der Öffnungsdruck des Überströmventils 36. Der Öffnungsdruck des Überströmventils 36 ist so festgelegt, daß er größer ist als der bei Axialhub des Schwingers 19 in der Druckkammer 28 auftretende maximale Druck. Um Kavitationen an den Kolbenflächen 26, 27 und an der Gehäuseinnenwand 37 im zweiten Raumabschnitt 132 zu vermeiden, ist die Flüssigkeit in der Druckkammer 28 unter einen erhöhten statischen Druck gesetzt, der durch die Förderpumpe 34 erzeugt wird.

Beim Ansteuern des Schwingers 19 mit einem elektrischen Wechselstrom führt dieser eine Schwingung in Richtung seiner Längsachse aus. Dieser Schwingung folgt der mit dem Schwinger 19 fest verbundene erste Kolben 21 mit der großen Kolbenfläche 26. Die Axialhübe des ersten Kolbens 21 sind dabei relativ klein. Da das in der Druckkammer 28 eingeschlossene Flüssigkeitsvolumen konstant ist, führt der zweite Kolben 24 mit der wesentlich kleineren Kolbenfläche 27 entsprechend dem Verhältnis der Kolbenflächen 26, 27 einen größeren Hub aus und treibt die Abstrahlplatte 17 an. Bei relativ kleinen elektrischen Ansteuerleistungen werden somit große Schwingungsamplituden der Abstrahlplatte 17 erzielt.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann anstelle eines Keramikschwingers auch ein elektrodynamischer Schwinger verwendet werden.

Claims (7)

1. Elektroakustischer Wandler, insbesondere für Unterwasseranwendung, mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse angeordneten, elektrisch angesteuerten Schwinger, insbesondere Keramikschwinger, und mit einer im Gehäuse beweglichen, dieses stirnseitig abschließenden Abstrahlplatte, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Schwinger (19) ein erster Kolben (21) mit großer Kolbenfläche (26) und mit der Abstrahlplatte (17) ein zweiter Kolben (24) mit kleiner Kolbenfläche (27) jeweils fest verbunden ist und daß die Kolbenflächen (26, 27) der beiden Kolben (21, 24) zusammen mit der Gehäuseinnenwand (37) einen abgeschlossenen, flüssigkeitsgefüllten, vorzugsweise wassergefüllten, Druckraum (28) einschließen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (28) mit einem statischen Druck vorgespannt ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (19), beide Kolben (21, 24) und die Abstrahlplatte (17) in Schwingungsrichtung des Schwingers (19) hintereinander angeordnet sind, wobei die Kolbenflächen (26, 27) der beiden Kolben (21, 24) einander am Druckraum (28) gegenüberliegen und parallel zueinander verlaufen.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (19) auf einer gehäusefesten Befestigungsplatte (14) sitzt und ein durch Befestigungsplatte (14), Schwinger (19) und beide Kolben (21, 24) hindurchgehender Zuganker (29) diese derart miteinander verbindet, daß die beiden Kolben (21, 24) relativ zum Zuganker (29) axial beweglich sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gehäuse (10) eine Zulaufbohrung (31) und eine Ablaufbohrung (32) vorgesehen sind, die in der Druckkammer (28) münden und verschließbar sind.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulaufbohrung (31) ein Rückschlagventil (33) mit zur Druckkammer (28) hin gerichteter Durchflußrichtung und der Ablaufbohrung (32) ein Überströmventil (36) zugeordnet ist, dessen Öffnungsdruck größer ist als der in der Druckkammer (28) bei Schwingeranregung maximal auftretende Druck, und daß mit dem Rückschlagventil (33) eine Förderpumpe (34) verbunden ist.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstrahlplatte (17) eine akustische Anpaßschicht aus Kunststoff ist.