DE3914141A1 - Elektroakustischer Wandler mit einer flexiblen und dichten abstrahlenden Schale - Google Patents
Elektroakustischer Wandler mit einer flexiblen und dichten abstrahlenden SchaleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit
einer flexiblen und dichten abstrahlenden Schale.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Unterwasser
akustik.
Es sind elektroakustische Wandler bekannt, die zum Aussenden
von Schallwellen im Wasser bei niedrigen Frequenzen in der
Größenordnung von 1 kHz eingesetzt werden; sie enthalten
einen Antrieb, der im allgemeinen aus einem Stapel von pie
zoelektrischen Keramikscheiben gebildet ist und sich im
Inneren einer Hülle oder dichten Schale befindet, welche die
abstrahlende Oberfläche bildet, die sich mit dem Wasser in
Berührung befindet.
Diese Wandler sind als Biegespannungswandler bekannt. Je
nach der allgemeinen Form der Schale können sie in vier
Gruppen eingeteilt werden.
In der ersten Gruppe befinden sich Schalen, die bezüglich
einer Achse rotationssymmetrisch sind und eine Ellipsenform
aufweisen; sie umfassen einen einzigen Antrieb, der durch
einen Stapel gebildet ist, welcher entlang der Hauptachse
des Ellipsoids angeordnet und mechanisch sowie akustisch an
die Enden der Hauptachsen der Schale angekoppelt ist. Die
unter Spannung und Druck auftretenden Verformungen in Rich
tung der Hauptachse führen zu Biegeverformungen der Schale,
deren Amplitude in der zur Hauptachse senkrechten Mittelebe
ne maximal ist.
In der zweiten Gruppe befinden sich Wandler, deren Schale
scheibenförmig oder ringförmig ist und um eine Achse rota
tionssymmetrisch ist, welche senkrecht zur Ebene der Scheibe
oder des Ringes steht. Diese Wandler umfassen piezoelektri
sche Antriebe, die radial um die Achse herum angeordnet und
an ihren Enden mit der Schale gekoppelt sind, welche dann
Biegeverformungen aufweist, die in Richtung der Achse maxi
mal sind.
Die dritte Gruppe entspricht Wandlern, deren Schale zwei
Einbuchtungen an ihren beiden Enden aufweist und die allge
meine Form eines Knochens oder Diabolos aufweist.
In der vierten Gruppe befinden sich Wandler, deren Schale
die Form eines Zylindermantels aufweist, der durch geradli
nige Mantellinien begrenzt ist, die sich auf einem ellipti
schen senkrechten Querschnitt oder einem Querschnitt von der
Form einer geschlossenen Kurve abstützen, wobei gegebenen
falls im mittleren Teil eine Einschnürung vorhanden ist. In
einem solchen Fall umfaßt der Wandler im allgemeinen mehrere
zueinander parallele Antriebe, die in Ebenen angeordnet sind,
welche senkrecht zu den Mantellinien der Schale verlaufen,
wobei die Ankopplung an die Schale an ihren beiden Enden er
folgt.
Die Erfindung befaßt sich insbesondere, jedoch nicht aus
schließlich, mit Biegespannungswandlern der vierten Gruppe.
Die Biegespannungswandler weisen wohlbekannte Vorteile auf.
Sie ermöglichen es, niederfrequente Schallwellen auszustrah
len, denn ihre Sendefrequenz ist die Resonanzfrequenz für
die Biegeverformung der Schale, und die Biegeschwingungsfre
quenzen sind niedrige Frequenzen in der Größenordnung von
1 kHz oder weniger.
Es handelt sich um kompakte Wandler von hoher Leistung. Sie
verstärken die Schwingungsamplitude des piezoelektrischen
Stapels in hohem Maße, weil die Dehnungs- und Kompressions
bewegungen entlang der Achse des Stapels in Biegeschwingun
gen der Schale umgesetzt werden, deren maximale Auslenkung
deutlich größer als die Bewegungen an den Enden der Schale
sind, die mechanisch mit den Enden des piezoelektrischen An
triebs oder der piezoelektrischen Antriebe gekoppelt sind.
Die bekannten Biegespannungswandler weisen jedoch einen
Kopplungskoeffizient zwischen der Schale und dem piezoelek
trischen Antrieb auf, der relativ klein ist und in der Grö
ßenordnung von höchstens 25% liegt; ferner haben sie ein
relativ schmales Durchlaßband, mit einer Mittelfrequenz,
welche die Eigenfrequenz für die Biegeverformungen der durch
die Antriebe angeregten Schale ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung neuartiger
Biegespannungswandler, die einen deutlich verbesserten Kopp
lungskoeffizienten zwischen der Schale und den piezoelektri
schen Antrieben sowie ein verbreitertes Durchlaßband aufwei
sen.
Die erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler sind Biege
spannungswandler, also Wandler, die wenigstens einen elek
troakustischen Antrieb aufweisen, im allgemeinen Stapel von
piezoelektrischen Keramikelementen, die im Inneren einer
dichten und flexiblen Schale angeordnet sind und akustisch
mit ihren Enden an die Schale angekoppelt sind, welche mit
einer Flüssigkeit in Berührung steht und die abstrahlende
Oberfläche bildet.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mittels
eines Wandlers gelöst, bei welchem jeder elektroakustische
Antrieb an seinen Enden einen Massekörper aufweist, der
mechanisch an die Schale und an den Antrieb angekoppelt ist
und in solcher Weise ausgelegt ist, daß die Grundfrequenz
der axialen Schwingung der gesamten Einheit aus dem Antrieb
und den zwei Massekörpern in der Nähe der Eigenfrequenz der
Biegeschwingungen der Schale liegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Mas
sekörper so ausgelegt, daß die Grundfrequenz der axialen
Schwingungen der gesamten Einheit aus Antrieb und beiden
Massekörpern etwas größer als die Eigenfrequenz der Biege
schwingungen der Schale ist, was dazu führt, daß durch den
Kopplungseffekt die beiden Schwingungsformen im Durchlaßband
des Wandlers sowohl nach den niedrigen als auch nach den ho
hen Frequenzen ausgedehnt werden.
Das Ergebnis der Erfindung sind neue elektroakustische Wand
ler vom Biegespannungstyp, die dazu bestimmt sind, niedrige
Frequenzen in der Größenordnung von 1 kHz oder weniger im
Wasser auszustrahlen.
Die erfindungsgemäßen Wandler weisen auch die Vorzüge der
bekannten Biegespannungswandler auf. Sie ermöglichen ferner
die Erzielung eines erweiterten Durchlaßbandes, insbesondere
zu den niedrigen Frequenzen hin, und können daher bei gutem
Wirkungsgrad über einen niedrigen Frequenzbereich von bei
spielsweise 0,5 kHz bis 1 kHz abstrahlen. Die Breite des
Durchlaßbandes eines erfindungsgemäßen Wandlers, der mit
Massekörpern ausgestattet ist, ist etwa 1,5mal ausgedehnter
als bei einem nicht mit Massekörper versehenen, sonst aber
gleichartigen Wandler.
Überdies liegt der elektroakustische Kopplungskoeffizient
eines erfindungsgemäßen Wandlers in der Größenordnung von
40%, während er bei Biegespannungswandlern ohne Massekörper
bei etwa 25% liegt.
Da die durch einen Wandler ausgestrahlte akustische Leistung
proportional dem Quadrat des akustischen Kopplungskoeffi
zienten ist, erzielt man also eine hohe Steigerung der aku
stischen Leistung, die bei gleichem Raumbedarf und gleichem
elektrischen Anregungsfeld für die Keramik um den Faktor 3
oder 4 gesteigert ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
und aus der Zeichnung, deren einzige Figur den erfindungsge
mäßen Wandler im Halbschnitt zeigt.
Insbesondere zeigt diese Figur den Halbschnitt eines Biege
spannungswandlers aus der ersten Gruppe, also eines Wandlers,
der um eine Achse x x′ rotationssymmetrisch sowie symmetrisch
in bezug auf eine zu dieser Achse senkrechte Mittelebene PP′
ist. Dieser Halbschnitt kann auch als Querschnitt eines Bie
gespannungswandlers der vierten Gruppe angesehen werden, wo
bei dieser Wandler dann eine Schale in Form eines Zylinder
mantels aufweist, dessen Mantellinien senkrecht zur Zeichen
ebene sind und der symmetrisch in bezug auf zwei aufeinander
senkrechte Ebenen ist, die Mittelebene PP′ und eine Längs
ebene x x′, die jeweils parallel zu den Mantellinien der
Schale sind, mit mehreren zueinander parallelen piezoelek
trischen Antrieben, deren Achsen in der Symmetrieebene x x′
gelegen sind.
Die erfindungsgemäßen Wandler sind sogenannte Biegespan
nungswandler, die mit wenigstens einem elektroakustischen
Antrieb 1 versehen sind, bei dem es sich im allgemeinen um
Stapel aus piezoelektrischen Keramikelementen 1a, 1b, . . . 1n
handelt, wenngleich auch magnetostriktive Antriebe verwendet
werden können.
Der Antrieb ist bzw. die Antriebe sind in einer dichten und
flexiblen Schale 2 eingeschlossen, welche mit dem Meereswas
ser in Berührung steht und einen gasgefüllten Hohlraum 3
begrenzt, worin die piezoelektrischen Antriebe aufgenommen
sind.
Die Schale 2 ist eiförmig, wenn sie rotationssymmetrisch
ist, oder besitzt einen ovalen senkrechten Querschnitt, wenn
sie die Form eines Zylindermantels aufweist, so daß sie zwei
Endstücke oder Enden 2a mit sehr ausgeprägter Krümmung auf
weist, also mit einem sehr kleinen Krümmungsradius; sie um
faßt in ihrem mittleren Teil, d. h. in der Mittelebene PP′
Bereiche mit wenig ausgeprägter Krümmung.
Die beiden Enden 2a sind mechanisch an die Enden des wenig
stens einen elektroakustischen Antriebs angekoppelt.
Wenn diese Antriebe elektrisch erregt werden, werden die Ke
ramikelemente 1a, 1b, . . . 1n sowohl axial, also mit Dehnungs-
Kompressions-Schwingungen parallel zur Achse x x′, als auch
radial deformiert. Die axialen Bewegungen sind stark über
wiegend.
Die axialen Deformierungen der elektroakustischen Antriebe
werden mechanisch auf die Enden 2a der Schale übertragen.
Diese Bewegungen führen zu Biegeverformungen der Schale,
insbesondere Verformungen parallel zur Mittelebene PP′. Die
Amplitude dieser Verformungen ist in der Mittelebene PP′ ma
ximal und deutlich größer als die Amplitude der axialen
Schwingungen der elektroakustischen Antriebe.
Da Biegespannungswandler grundsätzlich bekannt sind, werden
sie hier nicht im einzelnen beschrieben. Es wird lediglich
daran erinnert, daß sie die Dehnungs-Kompressions-Bewegungen
(Hubbewegungen) eines elektroakustischen Antriebs in eine
Biegebewegung einer Schale umsetzen, woraus sich der Begriff
"Biegespannungswandler" ableitet.
Die Biegespannungswandler ermöglichen eine Ausstrahlung von
niederfrequenten Schallwellen im Wasser, insbesondere bei
einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz, ohne Sender
verwenden zu müssen, deren Abmessungen und Gewicht groß sind;
dies ist ein bedeutender Vorteil.
Die Sendefrequenz der Biegespannungswandler ist die Eigenfre
quenz der Biegeschwingungen der Schale, welche als abstrah
lende Oberfläche wirkt, wodurch niederfrequent ausgestrahlt
werden kann, denn diese Eigenfrequenzen der Biegeschwingung
einer Schale im Wasser liegen in der Größenordnung von 0,5
bis 2 kHz und somit deutlich niedriger als die Grundfrequenz
der axialen Schwingungen eines Stapels aus piezoelektrischen
Keramikelementen, die in der Größenordnung von 8 kHz liegt.
Die bekannten Biegespannungswandler weisen jedoch ein rela
tiv schmales Betriebsband auf, welches auf die Eigenfrequenz
der Biegeschwingungen der Schale zentriert ist.
Die piezoelektrischen Antriebe, mit denen diese Wandler aus
gestattet sind, müssen mit einer Frequenz erregt werden, die
um einige Oktaven kleiner als ihre Grundfrequenz ist, also
die Eigenfrequenz ihrer axialen Schwingung.
Die Umsetzung von elektrischer Energie in Schallenergie ist
bei elektroakustischen Antrieben folglich nicht optimal.
Überdies ist die elektromechanische Kopplung und folglich
die elektroakustische Kopplung zwischen den Enden eines Sta
pels von Kermikelementen und den Enden der Schale schwierig
zu verwirklichen, und die Erfahrung zeigt, daß der elektro
akustische Kopplungskoeffizient für Biegespannungswandler,
die bisher bekannt wurden, im allgemeinen in der Größenord
nung von 25% liegt, wodurch die nutzbare Schalleistung die
ser Wandler deutlich eingeschränkt wird.
Durch die Erfindung werden Biegespannungswandler zur Ver
fügung gestellt, die über ein erweitertes Betriebsband ver
fügen, insbesondere zu den niedrigeren Frequenzen hin erwei
tert, und einen elektroakustischen Kopplungskoeffizient
aufweisen, der gegenüber bekannten Wandlern dieses Typs
deutlich verbessert ist.
Erreicht wurde dies mittels Wandlern, die zwei Massekörper
oder Gegenmassen 4 aufweisen, welche sich an den beiden
Enden des Antriebs befinden und mechanisch sowie akustisch
an diesen und an die Enden 2a der Schale 2 angekoppelt sind.
Die durch den elektroakustischen Antrieb und die beiden Ge
genmassen gebildete Einheit ist ein mechanisches System aus
Federn und Massen mit lokalisierten Konstanten, und der Wert
dieser Konstanten kann für die gesamte Gruppe so berechnet
werden, daß eine gegebene Grundfrequenz auftritt, die nahe
bei der Eigenfrequenz für die Biegeschwingungen der Schale
liegt, um so ein verbreitertes Betriebsband mit zwei benach
barten Maxima zu erzielen.
Technologisch ist es leichter, die Abmessungen des Antriebs
und der beiden Gegenmassen so zu bestimmen, daß die Grundfre
quenz der axialen Schwingungen dieses mechanischen Systems
etwas größer als die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen der
Schale ist. Dies hat jedoch zur Folge, daß aufgrund der Kopp
lung zwischen den beiden Schwingungsmoden das Betriebsband
sowohl zu den niedrigen als auch zu den hohen Frequenzen er
weitert wird. Bei einer praktischen Ausführungsform eines
Wandlers weist die Schale eine Biegeschwingungsfrequenz von
0,8 kHz auf, während das aus dem Antrieb und den beiden Mas
sekörpern gebildete System eine Grundfrequenz von 1 kHz auf
weist. Man gewinnt dann einen Wandler mit zwei benachbarten
Resonanzfrequenzen und einem erweiterten Betriebsband zwi
schen 0,6 kHz und 1,2 kHz.
Damit das aus dem Stapel von piezoelektrischen Keramikele
menten 1 und den zwei Gegenmassen 4 gebildete Gesamtsystem
als mechanisches System aus Federn und Massen mit lokali
sierten Konstanten angesehen werden kann, muß die Masse des
Stapels klein gegenüber den Gegenmassen sein, und die Ela
stizität des Stapels in der Achse X X′ muß groß gegenüber
der Elastizität der Gegenmassen sein.
Wenn der Durchmesser der Keramikelemente vermindert wird,
nimmt die Gefahr einer Durchbiegung des Stapels zu, die un
erwünscht ist, denn sie verbraucht unnütz Energie, und sie
führt zu einer mechanischen Ermüdung der Keramikelemente.
Man löst dieses Problem durch Steigerung des Innendurchmes
sers und des Außendurchmessers der scheibenförmigen Keramik
elemente 1a, 1b, . . . 1n, was zur Wirkung hat, daß diese weni
ger zu einer Biegeverformung neigen, wobei überdies die Mas
se der Keramikelemente vermindert wird. Bei einer prakti
schen Ausführungsform weist der Stapel 1 eine Höhe von 20 cm
auf, und er enthält zwanzig scheibenförmige Keramikelemente
1a, 1b, . . . 1n, die jeweils eine Rundscheibe bilden und einen
Außendurchmesser von 50 mm aufweisen. Die Gegenmassen sind
aus Stahl und besitzen eine Masse von 3 kg. Die Schale 2 be
steht aus einer Aluminiumlegierung, beispielsweise AU4G.
Bei der in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsform ist
die mechanische Kopplung zwischen dem Stapel 1, den Gegen
massen und der Schale zu erkennen. Jede Gegenmasse 4 ist von
trapezförmigem Querschnitt, mit einer großen Basis, die auf
der Seite des Stapels 1 gelegen ist und eine Aussparung 5
aufweist, in welche ein Ende des Stapels aus Keramikelemen
ten eindringt.
Die zwei Gegenmassen sind mit einer axialen Bohrung verse
hen, durch welche hindurch sich eine Stahlstange 6 erstreckt,
welche sie miteinander verbindet und sich durch den Hohlraum
7 erstreckt, der in der Mitte der Keramikelemente gelegen
ist. Die Stahlstange 6 ist über die zwei Gegenmassen hinaus
verlängert und erstreckt sich durch zwei Bohrungen, die axial
in den Enden 2a der Schale 2 angebracht sind. Die Schale 2
kann aus zwei zur Symmetrieebene x x′ symmetrischen Halb
schalen zusammengesetzt sein.
Die zwei Enden der Stahlstange 6 sind mit Gewinde versehen,
und zwei Schraubmuttern 8 sind auf diese Gewindeenden aufge
schraubt, um sich am Boden einer Aufnahme 9 abzustützen, die
in den Enden 2a der Schale ausgenommen ist.
Durch Aufschrauben der Schraubmuttern wird die Stahlstange 6
unter Spannung gesetzt, um die Enden der Schale fest gegen
die Gegenmassen sowie diese gegen die Enden des Stapels an
zuspannen, wodurch eine gute mechanische und akustische
Kopplung zwischen diesen Elementen gewährleistet wird.
Nach einer gestrichelt dargestellten Ausfuhrungsvariante
weist die Außenfläche jedes Massekörpers eine ausgesparte
Aufnahme 10 für eine zweite Schraubmutter 11 auf, die auf
die als Gewindestange ausgebildete Stahlstange 6 aufge
schraubt ist.
Bei einer solchen Ausführungsform wird zunächst der Stapel
von Keramikelementen mit den beiden Massekörpern unter Ver
wendung von zwei Schraubmuttern 11 zusammengebaut, die auf
die Stahlstange 6 aufgeschraubt werden, wodurch zunächst die
mechanische Kopplung zwischen Massekörpern und Stapel aus
Keramikelementen hergestellt wird, woraufhin dann diese vor
gefertigte Einheit in die Schale 2 eingesetzt wird und die
beiden Schraubmuttern 8 aufgeschraubt werden, um die mecha
nische Kopplung zwischen der Schale und der vorgefertigten
Einheit herzustellen. Der erzielte Kopplungskoeffizient liegt
in der Größenordnung von 40 bis 45%.
Es sind elektroakustische Wandler vom "Tonpilz"-Typ bekannt,
die einen Stapel von Keramikelementen aufweisen, welcher
zwischen einer Kuppel und einer Gegenmasse angeordnet ist,
die als fester Punkt wirkt.
Bei der vorliegenden Erfindung erfüllen aber die Massekörper
4, die zwischen die beiden Enden des Stapels und die beiden
Enden der Schale eingefügt sind, eine ganz andere Funktion,
nämlich die Funktion einer Absenkung der Grundfrequenz des
Antriebs, um sie in die Nähe der Eigenfrequenz der Biege
schwingungen der Schale zu bringen und so das Betriebsband
eines Biegespannungswandlers zu erweitern.
Bei der in der einzigen Figur gezeigten Ausführungsform des
Wandlers ist überdies in bekannter Weise eine Dichthaut 12
vorgesehen, welche den gesamten Wandler umgibt und aus einer
Elastomerfolie besteht.
Die Massekörper 4 bestehen aus einem Metall mit hohem Ela
stizitätskoeffizient E wie Stahl, Messing, Wolfram oder der
gleichen, um keine störenden elastischen Verformungen der
Massekörper einzubringen und eine gute mechanische Kopplung
zu gewährleisten.
Claims (5)
1. Elektroakustischer Wandler mit wenigstens einem elek
troakustischen Antrieb (1) im Inneren einer dichten und fle
xiblen Schale (2), wobei der Antrieb akustisch mit seinen
zwei Enden (2a) an die Schale (2) angekoppelt ist, welche
die abstrahlende Oberfläche bildet, die sich in Berührung
mit einer Flüssigkeit befindet, dadurch gekennzeichnet, daß
jeder elektroakustische Antrieb (1) an seinen Enden mit
einem Massekörper (4) versehen ist, welcher mechanisch an
die Schale (2) und an den Antrieb (1) angekoppelt und so di
mensioniert ist, daß die Grundfrequenz der axialen Schwin
gungen des aus dem Antrieb (1) und den beiden Massekörpern
(4) gebildeten Systems in der Nähe der Eigenfrequenz der
Biegeschwingungen der Schale (2) liegt.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Massekörper (4) so ausgelegt sind, daß
die Grundfrequenz des durch den Antrieb (1) und die zwei
Massekörper (4) gebildeten Systems etwas höher liegt als die
Eigenfrequenz der Biegeschwingungen der Schale (2), so daß
das Betriebsband des Wandlers zu niedrigen und hohen Fre
quenzen hin erweitert wird.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Massekörper (4) an ihrer Innen
fläche eine ausgesparte Aufnahme (5) aufweisen, worin ein
Ende des piezoelektrischen Antriebs (1) aufgenommen ist.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß er einen Stapel von piezoelektrischen Ke
ramikelementen (1a, 1b, . . . 1n) aufweist, die als Rundscheiben
ausgebildet sind und einen zentralen Hohlraum (7) umgeben,
daß eine axiale Metallstange (6) die zwei Massekörper mit
einander verbindet und durch diesen zentralen Hohlraum (7)
verläuft sowie die zwei Massekörper und die beiden Enden (2a)
der Schale (2) durchquert, daß zwei Schraubmuttern (8) auf
die mit Gewinde versehenen Enden der axialen Metallstange
aufgeschraubt sind und sich an den Enden der Schale abstüt
zen, wobei die Metallstange unter Spannung gesetzt wird, und
daß durch diese Spannung sowohl der Stapel aus Keramikele
menten als auch die zwei Massekörper und die zwei Enden der
Schale zusammengespannt werden und eine gute mechanische und
akustische Kopplung dieser Elemente gewährleistet wird.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Außenfläche jedes Massekörpers eine ausgesparte Aufnahme
aufweist, worin eine zweite Mutter (11) angeordnet ist, wel
che auf die axiale Metallstange (6) aufgeschraubt ist und
sich auf dem Massekörper abstützt, so daß die Metallstange
unter Spannung gesetzt wird und die zwei Massekörper sowie
der Stapel aus piezoelektrischen Keramikelementen mechanisch
und akustisch gekoppelt werden.
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