DE3914141C2 - Elektroakustischer Wandler mit einer flexiblen und dichten abstrahlenden Schale - Google Patents

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 erfolgt.

Ein elektroakustischer Wandler der vierten Gruppe ist im Patent FR 2 639 786 beschrieben. Der elektromechanische Antrieb besteht aus einem Stapel von scheibenförmigen piezoelektrischen Elementen, die mittels eines zentralen Schraubbolzens längs der längeren Symmetrieachse im Innern der Schale befestigt sind. Der Stapel taucht an seinem einen Ende in eine Vertiefung in einem Massekörper ein, dessen äußere Stirnfläche mit der Schale in Kontakt steht. Das andere Ende des Stapels liegt unmittelbar an der gegenüber­ liegenden Innenseite der Schale an. Ein Ende des Schraub­ bolzens ist in der Stirnseite des Massekörpers befestigt, das andere Ende durchdringt die Schale und ist außen mit einer Gegenmutter versehen.

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 Biegeschwingungs­ frequenzen 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 Antriebs oder der piezoelektrischen Antriebe gekoppelt sind.

Die bekannten Biegespannungswandler weisen jedoch einen Kopplungskoeffizient zwischen der Schale und dem piezo­ elektrischen Antrieb auf, der relativ klein ist und in der Größenordnung 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 Kopplungskoeffizienten zwischen der Schale und den piezo­ elektrischen Antrieben sowie ein verbreitertes Durchlaßband aufweisen.

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 beiden Enden mit einem Massekörper versehen ist, welcher mechanisch an die Schale und an den Antrieb angekoppelt und so dimensioniert ist, daß die Grundfrequenz der axialen Schwingungen des aus dem Antrieb und den beiden Massekörpern gebildeten Systems 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 1,5 mal 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 Einzelheiten 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 xx' 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 xx', die jeweils parallel zu den Mantellinien der Schale sind, mit mehreren zueinander parallelen piezoelek­ trischen Antrieben, deren Achsen in der Symmetrieebene xx' 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 Re­ ramikelemente 1a, 1b ... in sowohl axial, also mit Dehnungs- Kompressions-Schwingungen parallel zur Achse xx', 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 auf tritt, 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 Biegeschwingungsfreguenz 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 XX' 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 ... in, 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 xx' 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 Ausführungsvariante 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, wie z. B. im Patent US 3 974 474 beschrieben, 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 Elastizitätskoeffizient E wie Stahl, Messing, Wolfram oder dergleichen, um keine störenden elastischen Verformungen der Massekörper einzubringen und eine gute mechanische Kopplung zu gewährleisten.

Claims (5)

1. Elektroakustischer Wandler mit wenigstens einem elektro­ akustischen Antrieb (1) im Inneren einer dichten und flexiblen 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 beiden Enden mit einem Massekörper (4) versehen ist, welcher mechanisch an die Schale (2) und an den Antrieb (1) angekoppelt und so dimensioniert 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 (S) 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, so daß 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.