DE3784111T2

DE3784111T2 - Verfahren und geraet zum testen von wandlern.

Info

Publication number: DE3784111T2
Application number: DE8787306159T
Authority: DE
Inventors: Liam Patrick Bradley
Original assignee: Marconi Instruments Ltd
Current assignee: Leonardo UK Ltd
Priority date: 1986-07-11
Filing date: 1987-07-13
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2007-07-14
Also published as: EP0252764B1; GB2192514A; EP0252764A3; DE3784111D1; GB2192514B; US4838070A; GB8716425D0; GB8616924D0; EP0252764A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zum Testen eines oder einer Gruppe aus mehr als einem piezoelektrischen oder äquivalentartigen Wandler.
Eine Anwendung für die Verwendung piezoelektrischer Wandler ist die Erzeugung oder Erfassung akustischer Signale unter Wasser, beispielsweise in einer Anordnung wie einer phasengesteuerten oder gephasten Gruppe.
Um solche Wandler zu testen ist es erforderlich, die normale akustische oder Schallimpedanz zu simulieren, die ihnen in dem Medium dargeboten wird, in welchem sie betrieben werden sollen. Dies führt zu Schwierigkeiten, wenn das Betriebsmedium ein Fluid wie Wasser ist.
Die Erfindung hat sich als Ziel gesetzt, ein Verfahren und ein Gerät zum Testen piezoelektrischer Wandler zu schaffen, die zum Betrieb in einem flüssigen Medium, bei dem es sich normalerweise um Wasser handelt, gedacht sind, ohne dar es erforderlich ist, die Wandler in das flüssige Medium einzutauchen.
Nach einem ersten Aspekt der Erfindung ist zur Verwendung bei der Prüfung eines piezoelektrischen Wandlers ein Belastungsstab vorgesehen, der einen langgestreckten massiven Körper enthält, der so dimensioniert ist, daß er die normale Betriebsschallimpedanz simuliert, die einem zu prüfenden piezoelektrischen Wandler dargeböten wird, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er enthält ein über einen gestuften Abschnitt mit einem Hauptteil verbundenes aktives Ende zur Berührungs- oder Kontaktherstellung mit einem zu testenden oder zu prüfenden Wandler, eine am anderen Ende des Hauptteils des Stabes befestigte Schlußmasse und einen zwischen dem Hauptteil und der Schlußmasse angeordneten Beschleunigungsmesser.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung ist zur Verwendung bei der Prüfung eines piezoelektrischen Wandlers ein Belastungsstab vorgesehen, der einen langgestreckten massiven Körper enthält, der so dimensioniert ist, daß er die normale Betriebsschallimpedanz simuliert, die einem zu testenden oder zu prüfenden piezoelektrischen Wandler dargeboten wird, und der dadurch gekennzeichnet ist, daß er enthält ein über einen gestuften Abschnitt mit einem Hauptteil verbundenes aktives Ende zur Berührungs- oder Kontaktherstellung mit einem zu prüfenden Wandler, wobei das andere Ende des Hauptteils des Stabes sich verjüngt und Mittel zur Montage eines Beschleunigungsmessers daran aufweist.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nachstehend Ausführungsbeispiele der Erfindung beispielshalber beschrieben, und zwar unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen, in denen:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Belastungsstabes nach der Erfindung darstellt,
Fig. 2 eine Stirnansicht des Stabes nach Fig. 1 darstellt,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Stabes nach der Erfindung darstellt, und
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Testgeräts darstellt, das mehrere Stube enthält, die mit dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Stab identisch sind.
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein stabartiges Teil 10, das aus einem massiven, verlustniedrigen Material hergestellt ist, beispielsweise aus einem Acrylpolymer. Abweichend davon kann der Stab auch aus einem akustisch absorbierenden Material hergestellt sein, um die Dämpfung des Signals zu erleichtern, während es sich längs des Stabes fortpflanzt. Auf diese Weise gestattet die Konstruktion die Verwendung des Stabes in Kontinuierlichwellenanwendungen. Eine weitere Verbesserung ist dadurch möglich, daß das verlustniedrige Acrylpolymer umgeben (oder plattiert) ist mit akustischem Absorptionsmaterial. Auf diese Weise kann man die Dämpfungseigenschaften des Stabes einstellen, um eine Anpassung für eine besondere Anwendung vorzusehen. In diesem Zusammenhang wird verlustniedrig im akustischen Sinne gebraucht. Der Zweck des Stabes ist es, einem piezoelektrischen Wandler eine mechanische Impedanz darzubieten, die der komplexen Last oder Belastung entspricht, welche normalerweise mit ZL bezeichnet wird und die der Wandler sieht, wenn er normalerweise in Wasser eingetaucht ist. Die vom Wandler dargestellte Last ist einer Masse in weihe mit einer Strahlungsresistanz äquivalent, die sich beide mit der Frequenz ändern. Das Testwandlerende des Stabes 10 wird beim Gebrauch in tatsächliche Berührung oder tatsächlichen Kontakt mit dem Emissionskopf des zu prüfenden Wandlers gebracht, wobei der Kontakt durch die Verwendung eines Kopplungsmittels in Form eines Films aus einem in geeigneter Weise viskosen Fluid zum Ausschluß von Luftblasen verbessert werden kann. Dieses Ende ist bei 11 in Fig. 1 dargestellt. Wie es Fig. 1 entnommen werden kann, ist die Gesamtlänge des Stabes als L&sub6; und der Durchmesser des Testwandlerendes als d&sub1; gegeben.
Das Testwandlerende 11 hat eine Dicke L&sub1;, und der nächste Abschnitt 12 des Stabes 10 hat einen verminderten Durchmesser d&sub2; < d&sub1; und eine Länge L&sub2;. Daran schließt sich ein anderer abgestufter Abschnitt 13 mit einem Durchmesser d&sub3; an, der geringfügig größer als d&sub2;, jedoch kleiner als d&sub1; ist. Die Beziehung zwischen den verschiedenen Durchmessern wird später erläutert. Danach kommt der Hauptabschnitt 14 des Stabes 10 mit einem Durchmesser d&sub4;, der nur geringfügig kleiner als d&sub1; ist.
Schließlich endet der Hauptabschnitt 14 in einem Abschnitt 15, der sich querschnittsmäßig kegelstumpfförmig verjüngt. Dieser Abschnitt trägt einen Beschleunigungsmesser (nicht dargestellt, jedoch normalerweise in dem gezeigten Loch 16 montiert), und ist daher als Beschleunigungsmesserende des Stabes bekannt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Abmessungen des Stabes 10 von einer Reihe Variabler abhängen, beispielsweise die Natur des zu testenden Wandlers und das Material, aus dem der Stab hergestellt ist.
Bei einer voranschreitenden Bewegung vom Testwandlerende 11 aus sind die Änderungen im Stabdurchmesser so gewählt, daß die notwendigen Impedanzübergänge erreicht werden, die in einer Art und Weise berechnet worden sind, die der bei der elektrischen Übertragungsleitungstheorie verwendeten Methode äquivalent ist. Die Konstruktions- oder Auslegungsmethodenlehre, die bei der Bestimmung der Stababmessungen verwendet wird, ist somit das mechanische Äquivalent der elektrischen Theorie.
Die Kriterien, die zur Anpassung der Stababmessungen an einen Wandler verwendet werden, sind folgende:
Der Durchmesser d&sub1; wird derart gewählt, daß er für den zu belastenden Wandler geeignet ist und auf diese Weise mit dem Durchmesser des Emissionskopfes des Wandlers übereinstimmt.
Die Primärlast ZL ist durch eine eindeutige Lösung der Lastauslegungsgleichung gegeben, die die Parameter L&sub1; und d&sub2; enthält.
Die Länge L&sub2; beeinflußt die Wirkung der Impedanzanpassung bei anderen Frequenzen als der ausgewählten Frequenz und wird so ausgewählt, daß ein optimales Verhalten über das interessierende Frequenzband erzielt wird.
d&sub3;ist ein Übergangsdurchmesser, während die Länge L&sub3; durch ZL bestimmt ist. L&sub3; wird so ausgelegt, daß diese Länge gleich einer Viertelwellenlänge für die gegebene Schallgeschwindigkeit des Stabes ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist d&sub3; das geometrische Mittel zwischen den Durchmessern d&sub2; und d&sub4;. Der Grund dafür ist folgender. Bei der elektrischen Übertragungsleitungstheorie ist es bekannt, daß man zwei einander ungleiche Impedanzen dadurch anpassen kann, daß man das geometrische Mittel der beiden Impedanzen verwendet. Bei akustischen Vorgängen ist die akustische oder Schallimpedanz eines Übertragungsmediums mit kreisrundem Querschnitt seinem Durchmesser proportional. Die elektrische Theorie ist somit zurückgeführt auf das geometrische Mittel von Durchmessern beim akustischen äquivalent. Bei dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist d&sub4; ein vorgewählter Durchmesser, der auf den Umstand zurückzuführen ist, daß lediglich Stäbe zur Verfügung stehen, die einen bestimmten Durchmesser haben. Somit ist es möglich, den zusätzlichen gestuften Abschnitt 13 zu vermeiden, falls das stabförmige Material für ein besonderes Ansprechverhalten mit dem richtigen Durchmesser zur Verfügung stehen sollte.
Wenn das Gerät im Impulsbetrieb verwendet werden soll, wird die Länge L&sub4; durch das zeitabhängige Meßfenster bestimmt, bei dem der Zeitfaktor die Durchlaufzeit für die akustische Wellenfront ist, in den Stab 10 einzutreten und einen vollständigen Rücklauf zu machen. Dadurch wird sichergestellt, daß die Strahlungsimpedanz für die Dauer der Messung konstant bleibt.
Bezüglich des Beschleunigungsmesserendes des Stabes wird der Übergang vom Hauptdurchmesser d&sub4; zum Anbringungsdurchmesser d&sub5; unter Berücksichtigung von Empfindlichkeitsgründen ausgewählt. Die Verjüngung wird so gewählt, daß das beste Verhältnis von Axialzu Spitzenverschiebung in der stehenden Welle nahe beim Beschleunigungsmesserende erzielt wird. Der Beschleunigungsmesser selbst sieht den Mechanismus zur Umsetzung der Schallwelle innerhalb des Stabes 10 zur Verwendung in irgendeinem bezeichneten Meßsystem vor.
Die Fähigkeit des Beschleunigungsmessers, als Schallwellensender zu wirken, ermöglicht es dem Belastungsstab 10, einen Testwandler in seiner Empfangsbetriebsart zu stimulieren.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel des grundlegenden Stabes ist in Fig. 3 dargestellt. Wie man es ersehen kann, ist das Testende 11' dieses zweiten Ausführungsbeispiels dem entsprechenden Ende des in Fig. 1 dargestellten Stabes ähnlich, jedoch schärfer abgestuft. Am oberen Ende des Stabes ist der Stab mit einer Schwanz- oder Schlußmasse 100 versehen, die vom Hauptkörper oder Hauptteil des Stabes durch einen piezoelektrischen Wandler 101 getrennt ist. Die Schlußmasse ist mit Hilfe eines Halterungsbolzens 102 am Hauptteil befestigt. Diese Anordnung ist empfindlicher als diejenige, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Es wird jetzt auf Fig. 4 der Zeichnungen Bezug genommen, worin eine Testausrüstung mit zwei Belastungsstäben 10 dargestellt ist, die demjenigen nach Fig. 3 ähnlich sind. Die Ausrüstung kann mehr als zwei Belastungsstäbe aufweisen. Da die Anbringung für die beiden Belastungsstäbe identisch ist, wird lediglich eine im einzelnen beschrieben. Somit ist in der Ausrüstung ein Stab 10 über einem piezoelektrischen Wandler 20 angebracht. Der Wandler 20 ist in seiner Gesamtheit üblich und enthält einen piezoelektrischen Kristall 21 und einen Metallkopf 22, der als Sendekopf bekannt ist und über den eine Schallwelle ausgesendet oder durch den eine Schallwelle empfangen werden kann. Wie man sieht, ist der Durchmesser des Wandlerendes 11 des Stabes 10 gleich demjenigen des Kopfes 22 des Wandlers. Der Stab 10 ist in einer Hülse 23 gehaltert Land ist in der Lage, innerhalb dieser Hülse zu gleiten. Zwei O-Ringe 24 dichten den Stab innerhalb der Hülse 23 ab, und ein weiterer O-Ring 25 dichtet die Hülse 23 bezüglich eines Querbauteils 26 ab. Die Hülse 23 hat einen Flansch 27. Eine Platte 28 mit Löchern 29, durch die die Stäbe 10 ragen, ist während der Verwendung der Ausrüstung am Querbauteil 26 angeschraubt, um den Flansch 27 unbeweglich festzuhalten. Eine elektrische Leitung 33 erstreckt sich vom Beschleunigungsmesser 101 über eine Büchse 30 zu einer geeigneten Meßeinrichtung. Die Büchse 30 ist im Dach 31 einer allgemein mit 32 bezeichneten Druckkammer angeordnet, und es handelt sich dabei um einen Mehrfachverbinder, der dem Betriebsdruck der Kammer widerstehen kann. Geeignete Mittel (nicht gezeigt) sind für die Druckausbildung in der Kammer 32 vorgesehen. So könnte man beispielsweise ein unter Druck stehendes Gas steuerbar in die Kammer pumpen. Dies bedeutet, daß man die auf den Stab 10 ausgeübte Kraft verändern kann, um Änderungen in der Tiefe zu simulieren. Es sei bemerkt, daß beim Gebrauch der Testausrüstung der Stab 10 in tatsächlicher Berührung oder in tatsächlichem Kontakt mit dem Kopf des zu testenden Wandlers steht. Die Verwendung von Gas zur Erhöhung des Drucks während des Testens kann man kombinieren mit der Anwendung eines Vakuums oder Teilvakuums im Anschluß an das Prüfen oder Testen, um das Abheben der Stäbe von der Gruppe zu unterstützen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Druckkammer weggelassen. Unterschiedlich hohe Kräfte kann man auf den Belastungsstab 10 in einer mechanischen oder elektrischen Art und Weise ausüben. So kann man jeden Stab an einer Stangen- und Ritzelvorrichtung, an einer hydraulischen Vorrichtung oder an einer Solenoidvorrichtung befestigen.
Die unter Test befindlichen Wandler können einen Teil einer phasengesteuerten oder gephasten Gruppe bilden, und in diesem Fall können einer oder mehrere der Wandler als Empfänger als auch als Sender wirken. Die gerade beschriebene Testausrüstung ermöglicht die Durchführung von Tests der beschriebenen Art als auch die Anwendung von einem oder mehreren Beschleunigungsmessern. Die gerade beschriebene Testausrüstung hat eine Reihe prinzipieller Merkmale. So kann beispielsweise jeder Wandler für Testzwecke mit einer wasseräquivalenten Belastung belastet werden, so daß ein Eintauchen nicht erforderlich ist.
Zweitens kann jeder Stab in zwei Betriebsarten verwendet werden, und zwar um entweder ein Schallsignal von einem unter Test befindlichen Wandler zu empfangen oder ein solches Signal an einen Wandler auszusenden.
Drittens kann man die an einen Stab angelegte Kraft variieren, um Änderungen in der Tiefe zu simulieren.
Viertens kann jeder Stab, wenn eine Vielzahl Stube in einer Mehrfachtestausrüstung angeordnet ist, einen Abschluß haben, der die Messung der Phasen- und Amplitudendifferenz des durch den Stab sich fortpflanzenden Signals in bezug auf einen Referenzpunkt ermöglicht. Der Referenzpunkt kann ein ausgewähltes Signal sein, das von irgendeinem unter Test befindlichen ausgewählten Wandler abgeleitet ist. Wie bereits zuvor beschrieben, kann die bidirektionale Fähigkeit der Stäbe ausgenutzt werden, um ein Signal zu dem Wandler zu übertragen. Wenn eine Anzahl Stäbe in einer Mehrfachtestausrüstung angeordnet ist, kann jeder Stab sowohl in der Phase als auch Amplitude bezüglich eines Referenzpunktes stimuliert werden. Der Referenzpunkt kann ein ausgewähltes Beschleunigungsmesserantriebssignal sein.
Die Kombination aus Antriebssignalen kann man so anordnen, um die Fähigkeit vorzusehen, die Gruppe mit einer Simulation einer einfallenden Schallwellenfront zu stimulieren.
Ferner besteht die Möglichkeit, die Beschleunigungsmesser 16 durch geeignete Wandler zu ersetzen, die so ausgelegt sind, daß sie an die Schallimpedanz des Stabes gemessen bei einem Durchmesser d&sub4; von Fig. 1 angepaßt sind.
Es sei auch bemerkt, daß jedes Signal, das von einem Testwandler stammt, auf eine Fortpflanzung längs seines eigenen Belastungsstabes beschränkt ist und deshalb daran gehindert ist, eine akustische Kopplung mit äquivalenten Signalen einzugehen, die gleichzeitig von anderen Testwandlern erzeugt werden.
Die Prüf- oder Testausrüstung hat folglich die Fähigkeit, eine Gruppe piezoelektrischer Wandler mit einer vollkommen trockenen Strahlungsimpedanz, die der normalen freien Raumimpedanz (d. h. Wasser) äquivalent ist, richtig zu belasten. Es kann das Verhalten der Gruppe der Wandler insgesamt gemessen werden, und zwar dadurch, daß Phasen- und Amplitudeninformation von jedem Wandler erfaßt wird. Weiterhin kann das Verhalten der Wandler sowohl in der Sende- als auch in der Empfangsbetriebsart gemessen werden. Weiterhin können diese Messungen in einer solchen Weise ausgeführt werden, daß unterschiedliche Tiefenbedingungen simuliert werden.
Obgleich die Beschreibung auf piezoelektrische Wandler bezogen ist, sei bemerkt, daß die Erfindung auf irgendeine Art von Wandler angewendet werden kann, bei dem eine Schallwelle durch einen massiven Körper zum anschließenden übertragen durch ein interessierendes Medium übertragen wird. Ein Beispiel für eine andere Wandlerart ist der magnetostriktive Wandler.

Claims

1. Belastungsstab zur Verwendung bei der Prüfung eines piezoelektrischen Wandlers und enthaltend einen langgestreckten massiven Körper (10), der so dimensioniert ist, daß er die normale Betriebsschallimpedanz simuliert, die einem zu prüfenden piezoelektrischen Wandler dargeboten wird, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält ein über einen gestuften Abschnitt mit einem Hauptteil (10) verbundenes aktives Ende (11) zur Kontaktherstellung mit einem zu prüfenden Wandler, eine am anderen Ende des Hauptteils des Stabes befestigte Schlußmasse (100) und einen zwischen dem Hauptteil und der Schlußmasse (100) angeordneten Beschleunigungsmesser

2. Gerät, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vielzahl der im Anspruch 1 beanspruchten Stäbe enthält, die in einem Montageteil so montiert sind, daß ein Ende jedes Stabes in Kontakt mit einem einzelnen piezoelektrischen Wandler gebracht werden kann.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel enthält, durch die die Kontaktkraft zwischen einem Stab (10) und seinem zugeordneten Wandler während des Betriebs der Anordnung verändert werden kann.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel eine Druckkammer umfassen, in die die beim Betrieb von den piezoelektrischen Wandlern entfernt liegenden Enden der Stäbe ragen, wobei die einzelnen Stäbe in Hülsen verschiebbar innerhalb des Montage teils gehalten sind.

5. Verfahren zum Prüfen piezoelektrischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (11) eines Stabes (10) aus massivem Material wie beansprucht in Anspruch 1 auf dem aktiven Kopf des Wandlers plaziert wird, wobei der Stab die normale Schallimpedanz simuliert, die dem Wandler durch das normale Medium, in welchem der Wandler betrieben werden soll, dargeboten wird, dem Wandler Energie zugeführt wird und die Schallwelle erfaßt wird, die sich durch den Stab mittels einer am anderen Ende des Stabes vorgesehenen Vorrichtung fortpflanzt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere piezoelektrische Wandler, die eine gephaste Gruppe bilden, gleichzeitig von einer ähnlichen Anzahl Stäbe (10) geprüft werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal von einem der Stäbe als Amplituden- und Phasenreferenzpunkt verwendet wird und die Ergebnisse von den anderen Stäben zum Kennzeichnen der Gruppe verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktdruck zwischen dem oder jedem Stab und seinem zugeordneten piezoelektrischen Wandler verändert wird.

9. Belastungsstab zur Verwendung bei der Prüfung eines piezoelektrischen Wandlers und enthaltend einen langgestreckten massiven Körper (10), der so dimensioniert ist, daß er die normale Betriebsschallimpedanz simuliert, die einem zu prüfenden piezoelektrischen Wandler dargeboten wird, dadurch gekennzeichnet, daß er enthält ein über einen gestuften Abschnitt mit einem Hauptteil (10) verbundenes aktives Ende (11) zur Kontaktherstellung mit einem zu prüfenden Wandler, wobei das andere Ende (15) des Hauptteils (10) des Stabes sich verjüngt, und Mittel (16) zur Montage eines Beschleunigungsmessers daran.