DE3780559T2 - Biegungsscheibenwandler. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Unterwasserwandler, insbesondere einen Biegescheibenwandler, der als Schallstrahler verwendet wird und mit einer beträchtlichen elektrischen Leistung betrieben werden kann.
• Seit vielen jahren ist ein aus einer Biegescheibe bestehender Unterwasserwandler bekannt, der zwei keramische piezoelektrische Scheiben besitzt, die aus Werkstoffen wie Bleizirconattitanat bestehen und von denen jede auf jeder Seite mit einer dünnen Schicht aus einem hochleitfähigen Werkstoff, wie Silber oder Kupfer, plattiert ist, wobei jede Scheibe auf einer Seite mit einer Stützplatte aus Metall und auf der entgegengesetzten Seite mit einer dünnen Metallplatte stoffschlüssig verbunden ist. Die in der Richtung ihrer Dicke gepolten Scheiben sind so angeordnet, daß ihre Stützplatten einander benachbart sind und von einem Abstandhaltering im Abstand voneinander gehalten werden, so daß dort ein Luftraum vorhanden ist. Um eine Biegebewegung herbeizuführen,wird mit entgegengesetzten Seiten der Scheiben verbundenen Elektroden elektrische Energie zugeführt.
• Derartige Wandler werden als Strahler verwendet, die beträchtliche Energiemengen in das sie umgebende Wasser abstrahlen. Der die Scheiben beaufschlagende Umgebungsdruck ist stark von der Tiefe abhängig, in der der Wandler betrieben wird. Wenn der Abstandhalter an den Stützplatten fest angebracht wird, neigt er dazu, die Resonanzfrequenz und die Kopplung des Wandlers zu ändern. Wenn der Abstandhalter so beschaffen ist, daß er an den Rändern der Scheiben als Randbedingung eine "bloße Abstützung" bewirkt (d.h. keine Leimlinie zwischen dem Ring und den Stützplatten vorhanden ist), bewirkt eine Energiezufuhr zu den Scheiben, daß diese wie gewünscht verformt werden und wird das gewünschte Schallabstrahlverhalten erzielt. In geringen Tiefen kann dann aber nicht mit hoher Leistung gearbeitet werden, weil die Trägheitskräfte der sich biegenden bilaminaren Scheiben stärker sind als die hydrostatischen Kräfte, die die Scheiben an den Stützring anhalten. Es findet eine Ablösung statt, die zu einer Verzerrung des Signals und zu einem Verlust von Schalleistung führt. Daher muß der Abstandhalter oder Abstandhaltering direkt an den Scheiben so angebracht werden, daß die vorgenannten Veränderungen der Resonanzfrequenz nicht auftreten.
• Ein Wandler der beschriebenen Art ist in der US-PS 3 631 383 (Gene Zilinskas) beschrieben. Die gemäß dieser Patentschrift hergestellten Wandler besitzen starre Abstandhalteringe, die auf großen Flächen stoffschlüssig verbunden sind. Beim Betrieb in geringen Tiefen werden die Leimflächen ausgelenkt und ist eine Randbedingung vorhanden, die einer bloßen Abstützung ähnelt. In größeren Tiefen dagegen wird der Leim durch die hydrostatischen Druckkräfte versteift und die Resonanzfrequenz des Strahlers aufwärtsverschoben. Dadurch wird die mögliche Betriebstiefe des Strahlers begrenzt.
• In der US-A-3663933 ist ein Biegescheibenwandler beschrieben, der einen dicken Abstandhaltering mit Umfangsschlitzen besitzt, die die radiale Federung verbessern.
• Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Biegescheibenwandler, der in geringen Tiefen den durch die vorstehend beschriebene "bloße Abstützung" bedingten Leistungsbegrenzungen nicht unterworfen ist, bei dem aber auch nicht in großen Tiefen die Resonanzfrequenz verschoben wird und die Kopplungsprobleme auftreten, wie dies der Fall ist, wenn der Abstandhalter mit den Stützplatten auf einer beträchtlichen Fläche stoffschlüssig verbunden ist.
• Die Erfindung schafft einen Biegescheibenwandler mit einem Paar von piezoelektrischen Keramikscheiben, die in der Richtung ihrer Dicke gepolt und auf ihren einander entgegengesetzten ebenen Flächen mit hochleitfähigen Plattierungsschichten versehen sind, ferner mit mit einer Seite jeder der Scheiben stoffschlüssig verbundenen Stützscheiben aus Metall, mit einer mit der entgegengesetzten Seite jeder der Scheiben stoffschlüssig verbundenen, dünnen Metallplatte und mit zwischen den Scheiben angeordneten, und die Stützplatten berührenden Abstandhaltemitteln, wobei die Abstandhaltemittel einen zentralen Stützring aufweisen, der mit den Stützplatten verbunden und dessen Außendurchmesser im wesentlichen ebenso groß oder etwas größer ist als der Durchmesser der Scheiben, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring einen rechteckigen C-förmigen, zur Mitte des Ringes hin offenen Querschnitt hat und der sich axial erstreckende Steg des Ringes so dünn ist, daß der Ring einer bei einer Bewegung der Scheiben nachgibt.
• Es wird also ein Wandler angegeben, der von der in der US-A-3631383 beschriebenen Art ist und in dem der Abstandhalter zwar mit den Stützplatten stoffschlüssig verbunden, aber so ausgebildet ist, daß er sich mit den bilaminaren Scheiben zu biegen trachtet und daher in beträchtlichen Tiefen die Resonanzfrequenz des Wandlers nur sehr wenig beeinflußt, der aber an den Scheiben derart befestigt ist, daß in geringen Tiefen die vorerwähnte Ablösung nicht stattfindet. Der Abstandhaltering hat eine rechteckige C- Form, deren offene Seite zur Mitte weist und deren axialer Steg so dünn ist, daß er mit den Scheiben gebogen wird, aber so fest, daß er ein Zusammendrücken oder Knicken des Abstandhalters in beträchtlichen Tiefen verhindert. Ferner haben die Anmelder zum Zuführen von elektrischer Energie zu den bilaminaren Scheiben eine Anordnung von elektrischen Lappen geschaffen, die die Spannungen in dem keramischen Werkstoff nur wenig erhöhen und auch die Möglichkeit des Auftretens von elektrischen Lichtbögen oder Kurzschlüssen zwischen den mit einander entgegengesetzten Seiten der keramischen Scheiben verbundenen Elektroden weitgehend vermeiden. Der Wandler ist gegen das ihn umgebende Wasser weitgehend wirksam abgedichtet und ist außen mit einem Manipulationsring versehen, der ein mechanisches Anbringen an dem Wandler gestattet und der auch als Form für eine aus Plyurethan bestehende Vergußmasse dient, die den freien Raum zwischen dem Außendurchmesser der Wandlerelementanordnung und dem Innendurchmesser des Manipulationsringes ausfüllt. Zum wasserdichten Abschluß zwischen der Haut und dem Wasser ist mit jeder ebenen Außenfläche des Wandlers eine dünne Neoprenscheibe stoffschlüssig verbunden. Der außen angeordnete Manipulationsring enthält einen Hochspannungsverbinder, der eine Verwendung des Wandlers in einem Baukastensystem ermöglicht. Infolge dieser Austauschbarkeit können Instandsetzungsarbeiten mit minimalem Arbeitsaufwand durchgeführt werden, wenn eine Gruppe von Wandlern verwendet wird. Da alle elektrischen Leitungen, die von dem Element zu dem Verbinder führen, in der Vergußmasse angeordnet sind, ist die Gefahr einer internen Lichtbogenbildung nur gering.
• In den Zeichnungen zeigt
• Figur 1 im Querschnitt einen Biegewandler gemäß der Erfindung,
• Figur 2 in Draufsicht eine Keramikscheibe der in der Figur 1 gezeigten Art mit elektrischen Anschlußlappen und
• Figur 3 in einer Draufsicht den zentralen Stützring gemäß der Figur 1.
• Gemäß der Figur 1 besitzt ein allgemein mit 10 bezeichneter Strahler-Wandler gemäß der Erfindung zwei identische Scheiben 12 aus einem keramischen piezoelektrischen Werkstoff, wie Bleizirconattitanat. Jede dieser Scheiben ist auf ihrer Außenfläche mit einer Auflage aus einer dünnen Metallhaut oder -schicht 13 stoffschlüssig verbunden. Diese Schicht 13 ist in der vorgenannten PS 3 631 383 ausführlich beschrieben. Auf der Rückseite jeder der Scheiben 12 ist eine Stützplatte 14 aus Metall angeordnet. Diese Stützplatten sind einander benachbart. Jede dieser Stützplatten 14 ist mit einem zentralen Stützring 16 verklebt, der allgemein eine rechteckige C-Form hat, deren offene Seite zur Mitte weist. Der Stützring 16 ist im Außendurchmesser etwas größer als die Scheiben 12 und die Stützplatten 14, und die Dicke des axialen Steges 18 des Stützringes 16 ist so gewählt, daß dieser Steg bei einer Energiezufuhr zu den Scheiben 12 eine beträchtliche Federung besitzt. Die einwärtsgerichteten Flansche 19 des zentralen Stützringes 16 sind nur so lang, daß eine feste Klebverbindung mit den Stützplatten 14 hergestellt werden kann, so daß sich im Betrieb mit hoher Ausgangsleistung in begrenzten Tiefen die Stützplatten nicht von dem Stützring 16 lösen.
• Im Radialabstand von dem zentralen Stützring 16, den Scheiben 12 und den Stützplatten 14 ist außen ein Manipulationsring 20 angeordnet, der im Abstand von 180º voneinander angeordnete Öffnungen 22 und 24 besitzt, die zum Montieren von nicht gezeigten elektrischen Verbindern dienen. Der Ring 20 trägt eine Schicht 26 aus einer aus Polyurethan bestehenden Vergußmasse, die die von den Scheiben 12 kommenden elektrischen Anschlußdrähte umgibt und festlegt und den Raum zwischen dem Ring 20, den Scheiben 12 und den Stützplatten 14 ausfüllt. Der Manipulationsring 20 ist an seinem oberen und unteren Rand mit Einkerbungen 21 und 23 ausgebildet, die dünne Neoprenscheiben 25 und 27 aufnehmen, die mit den ebenen Flächen des Wandlers, einschließlich der dünnen Schicht 13, der Vergußmasse 26 und den Einkerbungen 21 und 23 in deren ganzer Ausdehnung stoffschlüssig verbunden sind, damit ein wasserdichter Abschluß vorhanden ist.
• Zum Erzielen einer maximalen Leitfähigkeit auf ihren Oberflächen ist jede der Keramikscheiben 12 mit einer dünnen Schicht aus Silber oder Kupfer plattiert. An jeder Keramikscheibe ist auf jeder Seite eine Reihe von elektrischen Anschlußlappen befestigt. Gemäß der Figur 2 bestehen diese Lappen aus radial orientierten Metallstreifen 28, die an den plattierten Flächen der Scheiben 12 so angelötet sind, daß die Streifen 28 sich über die Oberflächen der Scheiben hinaus erstrecken und als Verbinder dienen können. Die Lappen 28 auf jeder Oberfläche der Scheibe sind in Radialabständen von 120º voneinander angeordnet, und die auf der einen Seite der Scheiben 12 angeordneten Lappen sind von den auf der entgegengesetzten Seite angeordneten Lappen um 60º versetzt, damit eine Gefahr von Kurzschlüssen zwischen auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe angeordneten Lappen weitestgehend vermieden wird. Auf der einen Seite jeder Scheibe 12 ist zwischen dieser und der Stützplatte 14 ein zweiter Satz von Lappen 32 in dem in der Figur 2 gezeigten Muster angeordnet. Diese Metallstreifen können etwa 0,76 mm dick, 0,64 mm breit und je nach den Durchmessern der Scheiben 12 76,2 bis 101,6 mm lang oder kürzer oder länger sein. Je nach den Anforderungen können auch andere geeignete Verbinderanordnungen verwendet werden.
• Figur 3 zeigt in Draufsicht den zentralen Stützring 16 mit einer Mehrzahl von Schlitzen 34, die in die einwärtsgerichteten Flansche des zentralen Stützringes eingeschnitten sind oder werden können, um die Federung des Ringes zu verbessern. In dem vorliegenden Fall sind 16 Schlitze 34 vorhanden, die in Abständen von 22 1/2 Grad voneinander angeordnet sind. Die Schlitze werden in die Flansche in deren ganzer Tiefe bis zum axialen Steg eingeschnitten.
• Bei Wandlern, die auf anderen Frequenzen arbeiten und andere Durchmesser haben, können diese Schlitze in anderer Anzahl und mit anderen Abständen vorgesehen werden; sie werden aber vorzugsweise in ziemlich großer Anzahl vorgesehen, um die Federung des zentralen Sützringes 16 zu verbessern. Andere Abänderungen im Rahmen der beigefügten Patentansprüche können vom Fachmann vorgenommen werden.

Claims (13)

1. Biegescheibenwandler mit einem Paar von piezoelektrischen Keramikscheiben (12), die in der Richtung ihrer Dicke gepolt und auf ihren einander entgegengesetzten ebenen Flächen mit hochleitfähigen Plattierungsschichten versehen sind, ferner mit einer Seite jeder der Scheiben stoffschlüssig verbundenen Stützscheiben (14) aus Metall, mit einer mit der entgegengesetzten Seite jeder der Scheiben (12) stoffschlüssig verbundenen, dünnen Metallplatte (13) und mit zwischen den Scheiben angeordneten, und die Stützplatten (14) berührenden Abstandhaltemitteln (16),

wobei die Abstandhaltemittel einen zentralen Stützring aufweisen, der mit den Stützplatten verbunden und dessen Außendurchmssser im wesentlichen ebenso groß oder etwas größer ist als der Durchmesser der Scheiben, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (18) einen rechteckigen C-förmigen, zur Mitte des Ringes hin offenen Querschnitt hat und der sich axial erstreckende Steg des Ringes so dünn ist, daß der Ring einer bei einer Bewegung der Scheiben (12) nachgibt.

2. Biegescheibenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der einen Fläche je einer der Scheiben (12) vorgesehenen Plattierungsschichten mit elektrischen Anschlußlappen (28) verbunden sind und daß die Plattierungsschichten auf den entgegengesetzten Flächen der Scheiben mit ähnlichen elektrischen Anschlußlappen (32) verbunden sind, die gegenüber den erstgenannten elektrischen Anschlußlappen um etwa 60º versetzt sind.

3. Biegescheibenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler außen einen Manipulationsring (20) besitzt, der im Durchmesser etwas größer ist als der zentral angeordnete Stützring (16), und daß der Raum zwischen der Innenfläche des außen angeordneten Manipulationsringes und dem zentral angeordneten Stützring, den Scheiben und den Stützplatten mit einer elektrisch isolierenden Vergußmasse (26) ausgefüllt ist.

4. Biegescheibenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden kreisförmigen Flächen der Scheiben (12) mit einer wasserdicht abschließenden Neoprenschicht (25, 27) bedeckt sind.

5. Biegescheibenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Scheiben auf beiden Flächem mit einer Mehrzahl von sich außerhalb der Scheiben radial erstreckenden, elektrischen Anschlußlappen (28) versehen ist.

6. Biegescheibenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der einen Fläche der Scheiben vorgesehenen Plattierungsschichten mit elektrischen Anschlußlappen (28) verbunden sind, daß die auf den entgegengesetzten Flächen der Scheiben vorgesehenen Plattierungsschichten mit ähnlichen Anschlußlappen (32) verbunden sind, die gegenüber den erstgenannten elektrischen Anschlußlappen um etwa 60º versetzt sind, und

daß der Wandler außen einen Manipulationsring (20) besitzt, der im Durchmesser etwas größer ist als der zentral angeordnete Stützring (16), und daß der Raum zwischen der Innenfläche des außen angeordneten Manipulationsringes und dem zentral angeordneten Stützring, den Scheiben und den Stützplatten mit einer elektrisch isolierenden Vergußmasse (26) ausgefüllt ist.

7. Biegescheibenwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden kreisförmigen Flächen der Scheiben und die freiliegenden Flächen der Vergußmassenschichten mit einer wasserdicht abschließenden Neoprenschicht (25, 27) bedeckt sind.

8. Biegescheibenwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zentral angeordnete Stützring einwärtsgerichtete Flansche besitzt, die von radialen Schlitzen (34) begrenzt sind, damit die Nachgiebigkeit des Ringes bei einer Bewegung der Scheiben erhöht wird.

9. Biegescheibenwandler mit einem Paar von piezoelektrischen Keramikscheiben (12), die auf ihren einander entgegengesetzten ebenen Flächen mit Elektroden versehen sind, ferner mit eine beträchtliche Dicke besitzenden Stützplatten (14) aus Metall, die mit einer Seite jeder der Scheiben (12) stoffschlüssig verbunden sind, mit dünnen Metallplatten (13), die mit den entgegengesetzten Seiten der Scheiben stoffschlüssig verbunden sind und mit zwischen den Scheiben angeordneten Abstandhaltemitteln (16), die Stützplatten berühren und einen zentral angeordneten Stützring (16) aufweisen, dessen Außendurchmesser im wesentlichen ebensogroß oder etwas größer ist als der Durchmesser der Scheiben (12), dadurch gekennzeichnet, daß der Ring einen rechteckigen C-förmigen Querschnitt hat, dessen offene Seite zur Mitte hingekehrt ist und dessen einwärtsgerichtete Schenkel geschlitzt (34) und stoffschlüssig mit den Stützplatten (14) verbunden sind, und daß der Ring so dünn ist, daß er bei einer Bewegung der Scheiben (12) nachgeben kann.

10. Biegescheibenwandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Scheiben (12) ferner auf ihren Außenflächen mit einer dünnen metallischen Plattierungsschicht versehen ist.

11. Biegescheibenwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der einen Fläche je einer der Scheiben (12) vorgesehenen Plattierungsschichten mit elektrischen Anschlußlappen (28) verbunden sind und daß die Plattierungsschichten auf den entgegengesetzten flächen der Scheiben mit ähnlichen elektrischen Anschlußlappen (32) verbunden sind, die gegenüber den erstgenannten elektrischen Anschlußlappen um etwa 60º versetzt sind.

12. Biegescheibenwandler nach Anspruch 10, daß der Wandler außen einen Manipulationsring (20) besitzt, der im Durchmesser etwas größer ist als der zentral angeordnete Stützring (16), und daß der Raum zwischen der Innenfläche des außen angeordneten Manipulationsringes und dem zentral angeordneten Stützring, den Scheiben und den Stützplatten mit einer elektrisch isolierenden Verg masse (26) ausgefüllt ist.

13. Biegescheibenwandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegenden kreisförmigen Flächen der Scheiben (12) mit einer wasserdicht abschließenden Neoprenschicht (25, 27) bedeckt sind.