DE3914143A1 - Elektroakustischer Wandler mit Richtwirkung und einer dichten, zweiteiligen Schale - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft elektroakustische Wandler vom Typ der Biegespannungswandler, die mit einer dichten Schale versehen sind, welche wenigstens einen elektroakustischen Antrieb enthält.

Allgemein befaßt sich die Erfindung mit dem Gebiet der Unter­ wasserakustik.

Es sind elektroakustische Wandler bekannt, die als Biege­ Spannungswandler bezeichnet werden und wenigstens einen elektroakustischen Antrieb aufweisen, bei dem es sich im allgemeinen um einen piezoelektrischen Antrieb handelt und der im Inneren einer Hülle oder Schale angeordnet ist, die sowohl dicht als auch flexibel ist.

Diese Wandler werden insbesondere zum Aussenden von Schall­ wellen unter Wasser bei niedriger Frequenz in der Größenord­ nung von 1 kHz verwendet; in diesem Falle steht die dichte Schale mit dem Wasser in Berührung und bildet die abstrah­ lende Oberfläche für Schallwellen im Wasser.

Diese Wandler setzen die axial gerichteten Dehnungs-Kom­ pressions-Schwingungen der piezoelektrischen Antriebe in Biegeschwingungen der Schale um, woraus sich ihre Benennung ableitet. Sie ermöglichen eine Verstärkung der Schwingungs­ amplitude. Es wird daran erinnert, daß herkömmliche Biege­ spannungswandler in vier Gruppen eingeteilt werden können, je nach der allgemeinen Form der Schale.

In der ersten Gruppe finden sich Wandler mit eiförmiger, be­ züglich einer Achse rotationssymmetrischer Schale und mit einem einzigen elektroakustischen Antrieb, bei dem es sich um einen piezoelektrischen oder magnetostriktiven Antrieb handeln kann, der koaxial mit der Schale angeordnet ist und mechanisch sowie akustisch über seine zwei Enden an zwei Flächen der Schale angekoppelt ist, die von der Symmetrie­ achse getroffen werden.

Die Gruppe II entspricht Wandlern mit einer scheibenförmigen oder ringförmigen Schale, die bezüglich der Achse der Schei­ be oder des Ringes rotationssymmetrisch ist. Diese Wandler enthalten mehrere piezoelektrische Antriebe, welche radial um die Achse herum angeordnet und mechanisch sowie akustisch an die Schale über ihre Enden angekoppelt sind.

In der Gruppe III findet man Wandler mit einer Schale, die zwei Einbuchtungen an ihren beiden Enden aufweist und allge­ mein knochenförmig oder diaboloförmig ist.

Die vierte Gruppe entspricht Wandlern mit einer Schale in Form eines Zylindermantels, dessen senkrechter Querschnitt die Form einer Ellipse oder die Form einer geschlossenen Kurve aufweist, welche in ihrem mittleren Teil eine Einschnü­ rung aufweist.

Die Wandler der vierten Gruppe enthalten mehrere elektro­ akustische Antriebe, die zueinander parallel sind und deren Achsen in Querebenen liegen, welche senkrecht zu den Mantel­ linien des Zylindermantels sind, wobei die zwei Enden jedes Antriebs mechanisch sowie akustisch an die zylindrische Schale angekoppelt sind.

Die Erfindung befaßt sich insbesondere, jedoch nicht aus­ schließlich, mit Biegespannungswandlern aus der vierten Gruppe.

Biegespannungswandler weisen zahlreiche Vorteile auf, sind aber auch mit bestimmten Mängeln behaftet.

Da die Schale die abstrahlende Oberfläche ist und Rotations- Symmetrie oder eine Symmetrie in bezug auf zwei senkrechte Ebenen aufweist, wenn es sich um eine zylindrische Schale handelt, sind diese Wandler multidirektional oder bidirek­ tional, was für Anwendungen, bei denen in einer einzigen Richtung abgestrahlt werden soll, die festliegen kann oder den Raum abtastet, unpassend ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wandler zur Verfü­ gung zu stellen, welche die Vorzüge der bekannten Biegespan­ nungswandler aufweisen und die Aussendung in einer bestimm­ ten Richtung ermöglichen, ohne daß Reflektoren auf der Rück­ seite des Wandlers angeordnet werden müssen und ohne daß zwei Reihen von Wandlern verwendet werden müssen, die mit einer Phasenverschiebung in der Nähe von 90° aussenden, um Interferenzen zu erzeugen.

Die erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandler sind von an sich bekannter Art und enthalten wenigstens einen elektro­ akustischen Antrieb, der im Inneren einer dichten Schale angeordnet ist, welche mit einer Flüssigkeit in Berührung steht und als abstrahlende Oberfläche für Schallwellen in der Flüssigkeit dient; die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Schale einen ersten flexiblen Schalenteil aufweist, der an seinen zwei axialen Enden zwei Flansche aufweist, die mechanisch und akustisch mit den axialen Enden der piezoelektrischen Antriebe gekop­ pelt sind, wobei dieser erste Schalenteil eine Oberfläche bildet, die Schallwellen abstrahlt, und einen zweiten Scha­ lenteil aufweist, welcher zu dem ersten Schalenteil komple­ mentär ist und mit diesem die dichte Schale bildet, wobei dieser zweite Schalenteil akustisch von dem ersten Teil und von den elektroakustischen Antrieben entkoppelt ist.

Gemäß einer ersten Ausführungsform enthält jeder elektroaku­ stische Antrieb einen Stapel von koaxialen piezoelektrischen Scheiben, die zwischen zwei Massekörpern angeordnet sind, wobei diese Massekörper so ausgelegt sind, daß die Grundfre­ quenz der Axialschwingungen jedes mechanischen Systems, das aus einem Antrieb und seinen zwei Massekörpern gebildet ist, in der Nähe der Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des er­ sten Schalenteiles liegt, wobei ferner die Massekörper me­ chanisch und akustisch mit den elektroakustischen Antrieben und mit den Flanschen des ersten Schalenteiles gekoppelt sind.

Vorzugsweise sind die Massekörper so dimensioniert, daß die Grundfrequenz für die axialen Schwingungen jedes mechani­ schen Systems aus Antrieb und zwei Massekörpern etwas nied­ riger als die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des ersten Schalenteiles ist.

Nach einer weiteren Ausführungsform enthält der erfindungs­ gemäße Wandler wenigstens ein Paar von elektroakustischen Antrieben, wobei jedes Paar aus zwei gleichen Antrieben be­ steht, die mit entgegengesetzter Phasenlage erregt werden.

Im Falle einer Schale, welche die Form eines zylindrischen Kamins mit einem im wesentlichen elliptischen senkrechten Querschnitt aufweist und eine Längssymmetrieebene (x x′) auf­ weist, welche die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte der Schale enthält, umfaßt eine Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Wandlers mehrere Paare von elektroakustischen Antrieben, wobei jedes Paar zwei gleiche Antriebe enthält, deren Achsen parallel zu der Längssymmetrieebene und symme­ trisch in bezug auf diese Ebene liegen.

Wenn die Schale die Form eines zylindrischen Kamins aufweist, der einen elliptischen senkrechten Querschnitt aufweist, mit einer Längssymmetrieebene (PP′), welche die kleinen Achsen der elliptischen Querschnitte der Schale enthält, umfaßt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wand­ lers mehrere Paare von elektroakustischen Antrieben, wobei jedes Paar zwei elektroakustische Antriebe aufweist, die einander gleich sind und zueinander parallel angeordnet sind, wobei jeder Antrieb aus zwei Halbantrieben zusammengesetzt ist, die ein symmetrisches V in bezug auf die Längssymme­ trieebene bilden, welche durch die kleine Achse der Ellipse verläuft.

Durch die Erfindung werden neuartige elektroakustische Wand­ ler vom Biegespannungstyp geschaffen, bei welchen die dichte Schale einen abstrahlenden Teil aufweist, der mechanisch und akustisch an die Enden der elektroakustischen Antriebe ange­ koppelt und flexibel ist, so daß er die axialen Schwingungen der piezoelektrischen Antriebe in Biegeschwingungen umsetzt und darüber hinaus in einer bevorzugten Richtung abstrahlt, nämlich in derjenigen Richtung, welche der maximalen Schwin­ gungsamplitude der Biegeschwingungen entspricht, beispiels­ weise die Richtung der kleinen Achse der Ellipsen, wenn der abstrahlende Schalenteil die Form eines Teiles einer Ellipse aufweist, die symmetrisch in bezug auf die kleine Achse ist, und an ihren zwei Enden zwei zu der kleinen Achse parallele Flansche trägt, die akustisch mit den zwei Enden jedes elek­ troakustischen Antriebs gekoppelt sind.

Der zweite Teil jeder Schale ist mechanisch und akustisch von dem ersten Teil und von den piezoelektrischen Antrieben entkoppelt, so daß er nicht schwingt. Er hat nur die Funk­ tion, den ersten Teil zu vervollständigen, um mit diesem eine dichte Schale oder den Träger einer dichten Schale zu bilden, welche die zwei Schalenteile umgibt.

Die Ausführungsform, bei welcher jeder Antrieb einen Stapel von piezoelektrischen Scheiben aufweist, der zwischen zwei Massekörpern angeordnet ist, ermöglicht eine Absenkung der Grundfrequenz der axialen Schwingung jedes mechanischen Sy­ stems, das aus einem Stapel von Scheiben und zwei Massekör­ pern gebildet ist, um eine Frequenz zu erzielen, die etwas höher liegt als die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des ersten Schalenteils, was zur Folge hat, daß Wandler für niedrige Frequenzen geschaffen werden, die ein breiteres Be­ triebsband als bekannte Biegespannungswandler aufweisen und darüber hinaus eine gute Richtwirkung besitzen.

Die Anwesenheit von zwei Massekörpern an den zwei Enden je­ des Stapels von piezoelektrischen Scheiben ermöglicht eine gute elektroakustische Kopplung zwischen den Antrieben und dem abstrahlenden Schalenteil; sie ermöglicht ferner den Be­ trieb der piezoelektrischen Antriebe bei einer Frequenz, die in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz für den ersten Schwin­ gungsmode liegt, also für axiale Dehnung/Kompression.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Halbschnitt einer ersten Ausführungsform des Wandlers;

Fig. 2 einen Halbschnitt einer zweiten Ausführungsform des Wandlers;

Fig. 3 einen Halbschnitt einer dritten Ausführungsform des Wandlers; und

Fig. 4 einen Halbschnitt einer vierten Ausführungsform des Wandlers.

Die erfindungsgemäßen Wandler sind elektroakustische Wandler, die als Sender für niedrige Frequenzen im Wasser verwendet werden, unter Anwendung des Prinzips der sogenannten Biege­ spannungswandler, welche mindestens einen elektroakustischen Antrieb enthalten, der im allgemeinen aus einem Stapel von piezoelektrischen Keramikelementen besteht, welche im Inne­ ren einer flexiblen Schale angeordnet sind und die Dehnungs/ Kompressions-Schwingbewegungen der piezoelektrischen Antrie­ be in Axialrichtung in Biegebewegungen der Schale umsetzen, deren Amplitude vergrößert ist.

Die bisher bekannten Biegespannungswandler enthalten eine flexible Schale, welche dicht ist und eine Symmetrie auf­ weist, bei der es sich entweder um eine Rotationssymmetrie in bezug auf eine Achse oder aber um eine Symmetrie in bezug auf eine Ebene handelt.

Diese Wandler sind daher multidirektional oder bidirektional, und wenn eine eindirektionale Abstrahlung gewünscht wird, müssen die Schallwellen, welche der Wandler in anderen Rich­ tungen als in der ausgewählten Richtung ausstrahlt, absor­ biert oder reflektiert werden.

Bisher wurde entweder ein Reflektor auf der Rückseite des Wandlers verwendet, oder es wurden zwei Reihen von gleichen und parallelen Wandlern verwendet, die in einem Abstand von etwa einem Viertel der Wellenlänge voneinander angeordnet sind und mit einer Phasenverschiebung von etwa 90° ausstrah­ len, was theoretisch zu Interferenzen zwischen den ausge­ strahlten Wellen führt. Diese Lösungen erfordern jedoch einen großen Raumbedarf und sind aufwendig.

Die erfindungsgemäßen Wandler stellen eine weitere Lösung zur Erzielung einer gerichteten Abstrahlung dar, bei der je­ doch auf Hilfsvorrichtungen verzichtet werden kann.

Diese Lösung besteht darin, einen ersten abstrahlenden, un­ symmetrischen Schalenteil zu verwenden, der bevorzugt in der gegebenen Richtung ausstrahlt, wobei dieser erste Schalen­ teil durch einen zweiten Teil vervollständigt wird, der nicht akustisch an den wenigstens einen piezoelektrischen Antrieb angekoppelt ist und allein zur Abdichtung des Gehäu­ ses dient.

Die Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform. Darin ist mit dem Bezugszeichen 1 ein elektroakustischer Antrieb bezeich­ net, der aus einem Stapel von Rundscheiben 1a, 1b . . . 1n mit der Achse x x1 besteht. Diese Rundscheiben sind aus piezo­ elektrischer Keramik gefertigt. Zwischen ihnen sind Elektro­ den eingefügt, die durch elektrische Leiter 2 mit einem nicht dargestellten elektronischen Sender verbunden sind, welcher die Keramikelemente erregt und sie in eine Dehnungs/Kompres­ sions-Schwingung entlang der Achse x x1 versetzt.

Die Fig. 1 zeigt einen Halbschnitt, der durch eine Symmetrie­ ebene PP′ begrenzt ist, welche senkrecht zur Achse x x1 ist.

Sie zeigt entweder einen axialen Schnitt eines Wandlers, der rotationssymmetrisch bezüglich der Achse x x1 ist und einen einzigen Stapel von Keramikelementen aufweist, oder aber einen Querschnitt eines Wandlers in Form eines zylindrischen Kamins, dessen Mantellinien parallel zu einer Symmetrieebene x x1 ist; im letzteren Falle enthält der Wandler mehrere piezoelektrische parallele und einander gleiche Antriebe, deren Achsen x x1 in der Symmetrieebene liegen.

Der in Fig. 1 gezeigte Wandler enthält eine dichte Schale, welche aus zwei Teilen zusammengesetzt ist, nämlich einem Teil 3a, der flexibel ist und zwei Enden 4 aufweist, welche mechanisch und akustisch an die Enden des wenigstens einen Antriebs 1 angekoppelt sind, so daß die axialen Schwingungen des Antriebs 1 in Biegeschwingungen umgesetzt werden, welche gestrichelt dargestellt sind, um zu zeigen, daß die Amplitu­ de der Biegeschwingungen in der Ebene PP1 maximal sowie deutlich verstärkt ist gegenüber den axialen Schwingungen, so daß der Wandler gerichtet in einer Richtung abstrahlt, welche in der Ebene PP′ enthalten ist, auf derselben Seite wie die abstrahlende Halbschale 3a.

Der erste Schalenteil 3a besteht beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung.

Die Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, bei wel­ cher der Schalenteil 3a einen gekrümmten mittleren Teil aufweist, dessen Konkavität nach innen gerichtet ist, und einen relativ großen Krümmungsradius aufweist, sowie symme­ trisch in bezug auf eine Ebene PP′ ist, die senkrecht zu den Achsen x x′ der Antriebe ist.

Beispielsweise handelt es sich bei dem Schalenteil 3 um den Teil einer Ellipse, deren kleine Achse in der Symmetrieebene PP′ gelegen ist. Dieser erste Schalenteil enthält an jedem seiner zwei Enden einen ebenen Flansch 4, dessen Richtung der Seite der Konkavität entspricht.

Die zwei Flansche 4 sind im wesentlichen parallel und symme­ trisch in bezug auf die Ebene PP′. Sie sind somit senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zu den Achsen x x′ der An­ triebe 1. Die zwei Flansche 4 sind mechanisch und akustisch jeweils an eines der zwei Enden der Antriebe 1 angekoppelt.

Das dichte Gehäuse umfaßt einen zweiten Schalenteil 3b, wel­ cher komplementär zu dem abstrahlenden Schalenteil 3a ist; die aus den beiden Halbschalen 3a und 3b gebildete Gesamt­ heit ist in eine dichte Hülle 5 eingebracht, welche an die Außenkontur der zwei Halbschalen 3a und 3b angeschmiegt ist, deren Außenflächen miteinander fluchten.

Die Rundscheiben 1a, 1b . . . 1n aus Keramik sind um ein Rohr 6 herum angeordnet, beispielsweise ein Rohr aus Polyäthylen.

Eine Metallstange 7 ist koaxial im Inneren des Rohres 6 an­ geordnet. Die Metallstange 7 durchquert die zwei Flansche 4 und enthält zwei mit Gewinde versehene Enden, auf die je­ weils eine Schraubmutter 8 aufgeschraubt ist, welche sich auf einem Flansch 4 abstützt. Durch Anspannen der Schraub­ muttern wird die Metallstange unter Spannung gesetzt, um die Flansche 4 fest gegen die zwei Enden des wenigstens einen Antriebs 1 anzuspannen, wodurch die mechanische und akusti­ sche Kopplung zwischen der Halbschale 3a und den elektroaku­ stischen Antrieben erzielt wird.

Die Halbschale 3b besteht aus einem zentralen Teil, der im wesentlichen symmetrisch in bezug auf die Ebene x x1 des zentralen Teiles der Halbschale 3a ist und eine schwache Krümmung aufweist sowie ferner an jedem der beiden Enden einen Teil 9 aufweist, der kuppelförmig ist und eine stärke­ re Krümmung besitzt.

Jeder kuppelförmige Teil 9 ist von dem Flansch 4, der an demselben Ende gelegen ist, durch einen Hohlraum 10 getrennt, so daß keinerlei akustische Kopplung zwischen der Halbschale 3a und der Halbschale 3b besteht.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die kup­ pelförmigen Teile 9 aus zwei Abschnitten bestehen, die durch eine Aneinanderfügungsebene getrennt sind, welche mit der Ebene x x′ zusammenfällt. Bei einer anderen Ausführungsform bestehen die kuppelförmigen Teile aus einem einzigen Stück.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die Flansche 4 mit einem axialen Teil 11 versehen, welches für den Durchgang der Metallstangen 7 und der Schraubbolzen 8 mit einer Aus­ sparung versehen ist sowie an die kuppelförmigen Teile 9 über Entkopplungspuffer aus Elastomermaterial 12 angeschlossen ist.

Zwei Stäbe 13 aus Elastomermaterial sind in zwei Nuten 14 in der Innenfläche der kuppelförmigen Teile 9 eingelegt, und die Enden des axialen Teiles 11 stützen sich auf diesen zwei Stäben ab.

Die elastischen Entkopplungspuffer 12 und die Stäbe 13 ge­ währleisten eine gute axiale und longitudinale Zentrierung der Halbschale 3a in bezug auf die Halbschale 3b, wobei sie jedoch die Halbschalen 3a und 3b voneinander akustisch ent­ koppeln.

Die mit einem gemäß Fig. 1 ausgeführten Wandler durchgeführ­ ten Versuche haben gezeigt, daß die Wandler unidirektional, also in nur einer Richtung, abstrahlen.

Die elektroakustische Kopplung zwischen der abstrahlenden Halbschale 3a und dem wenigstens einen elektroakustischen Antrieb 1 ist hingegen extrem klein und liegt in der Größen­ ordnung von 2 bis 5%.

Dies beruht auf der Tatsache, daß die Sendefrequenz die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen der Halbschale 3a ist, welche deutlich kleiner als die Grundfrequenz der axialen Schwingungen der Antriebe ist, so daß diese unter Bedingun­ gen arbeiten, die sehr weit von der Resonanz entfernt sind, woraus ein schlechter Wirkungsgrad resultiert, wobei die An­ triebe auch eine sehr ausgeprägte Biegebewegung ausführen und schlecht angekoppelt sind.

Andererseits führt die akustische und mechanische Entkopp­ lung zwischen den Antrieben und der nicht abstrahlenden Halbschale 3b zu einer Unsymmetrie der mechanischen Spannun­ gen, welche auf die Stapel von Keramikelementen ausgeübt werden; diese Unsymmetrie ruft Biegeverformungen dieses Sta­ pels hervor, welche zu einer mechanischen Ermüdung der Kera­ mikelemente und zu Energieverlusten führen.

Fig. 2 zeigt einen Halbschnitt einer weiteren Ausführungs­ form eines erfindungsgemäßen Wandlers, der wie bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform symmetrisch in bezug auf die Ebene PP′ ist.

Die einander entsprechenden Teile sind in den Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der Wandler nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, daß er zwei Massekörper 15 aufweist, die an den zwei Enden jedes Stapels von piezoelektrischen Scheiben 1a, 1b . . . 1n gelegen sind.

Diese Massekörper schwingen in Axialrichtung gleichzeitig mit dem Stapel von piezoelektrischen Scheiben, um die Eigen­ frequenz des Stapels abzusenken. Die Massen können so be­ rechnet werden, daß eine bestimmte Eigenfrequenz erzielt wird, wobei die Berechnung so erfolgt, daß die Eigenfrequenz des schwingenden Systems, das aus jedem Stapel und den zwei Massekörpern besteht, der Eigenfrequenz der Biegeschwingun­ gen des Schalenteils 3a nahekommt und vorzugsweise etwas größer als diese ist.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, enthalten die Massekörper oder Gegenmassen 15 eine axiale Bohrung, durch welche hin­ durch sich die Metallstange 7 erstreckt, auf deren zwei Ge­ windeenden die Schraubmuttern 8 aufgeschraubt sind, welche sich an den Flanschen 4 des Schalenteils 3a abstützen. Durch Anspannen der Schraubmuttern wird die Metallstange 7 unter Spannung gesetzt. Diese Spannung gewährleistet die mechani­ sche und akustische Kopplung zwischen den Flanschen 4 am Ende des Schalenteils 3a, den Massekörpern 15 und dem Stapel 1 von piezoelektrischen Scheiben.

Messungen, die an einem nach Fig. 2 ausgeführten Wandler durchgeführt wurden, haben erwiesen, daß ein Kopplungskoeffi­ zient zwischen den Stapeln und dem abstrahlenden Schalenteil 3a erreicht wird, welcher in der Größenordnung von 40% liegt. Die Hinzufügung der zwei Gegenmassen an den zwei Enden jedes piezoelektrischen Antriebs ermöglicht eine Erweiterung des Betriebsbandes zu niedrigen und hohen Frequenzen, indem Ge­ genmassen gewählt werden, die so dimensioniert sind, daß die Eigenfrequenz der axialen Schwingungen des durch jeden Sta­ pel und seine zwei Gegenmassen gebildeten Systems etwas grö­ ßer als die Eigenfrequenz der Biegeschwingungen der abstrah­ lenden Halbschale 3a ist.

Ferner wird eine deutliche Verminderung der Biegeverformun­ gen der Stapel erzielt, denn diese werden im Dehnungs/Kom­ pressions-Schwingbetrieb mit einer Frequenz betrieben, wel­ che in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz liegt, so daß der größte Teil der Leistung in Dehnungs/Kompressions-Schwingun­ gen parallel zur Achse x x1 umgesetzt wird.

Die Fig. 3 zeigt einen Halbschnitt einer weiteren Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Biegespannungswandlers, der symmetrisch in bezug auf die Ebene PP′ ist.

Die einander entsprechenden Teile sind in den Fig. 1 bis 3 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

Der in Fig. 3 gezeigte Wandler ist "kaminförmig" und besitzt Mantellinien, die senkrecht zur Zeichenebene sind. Diese Ausführungsform umfaßt Paare von Stapeln 1 aus piezoelektri­ schen Keramikelementen. Jedes Paar umfaßt zwei Stapel von Keramikelementen 1a, 1b . . . 1n, die einander gleich sind und symmetrisch in bezug auf eine Ebene gelegen sind, welche senkrecht zur Zeichenebene ist und durch die Achse x x′ ver­ läuft, welche eine Symmetrieebene für die Gesamtheit der zwei Schalenteile 3a, 3b bildet. Jeder Stapel enthält eine axiale Stange 7a, 7b, welche alle Scheiben durchquert. Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher jedes Paar von Stapeln einen zentralen Block 16 aufweist. Jeder Stapel ist in zwei in bezug auf die Ebene PP′ symmetrische Halbsta­ pel unterteilt.

Bei einer Ausführungsvariante entfällt der zentrale Block 16.

Jede Stange 7a, 7b weist mit Gewinde versehene Enden auf, welche nacheinander eine Schale 17a, 17b zur Aufnahme einer Schraubmutter 18a, 18b und einen der Flansche 4 der abstrah­ lenden Halbschale 3a durchqueren.

Durch Anspannen der Schraubmuttern 18a, 18b wird die akusti­ sche und mechanische Kopplung zwischen den Scheiben des Sta­ pels und der Stange 7a bzw. 7b gewährleistet. Eine zweite Schraubmutter 19a, 19b ist auf das Gewindeende jeder Stange 7a, 7b aufgeschraubt und stützt sich auf dem Flansch 4 ab, um so die mechanische und akustische Kopplung zwischen den zwei piezoelektrischen Antrieben und den Flanschen 4 der ab­ strahlenden Halbschale 3a zu gewährleisten.

Bei dieser Ausführungsform werden die zwei Stapel 1, 1′ von piezoelektrischen Scheiben mit entgegengesetzter Phasenlage erregt, was zur Wirkung hat, daß Biegeschwingungen jedes Paares von Stapeln erzeugt werden.

Diese Biegeschwingungen nehmen die Flansche 4 mit, welche an den zwei Enden der abstrahlenden Halbschale gelegen sind. Die zwei Flansche 4 sind zwei Momenten entgegengesetzter Richtung ausgesetzt, welche abwechselnd in der einen und anderen Richtung schwingen; diese Momente führen zu Biege­ Schwingungen des Schalenteiles 3a mit einer Maximalamplitude in der Symmetrieebene PP′.

Die Fig. 4 zeigt eine Halbschale nach einer weiteren Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Biegespannungswandlers. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 umfaßt der in Fig. 4 ge­ zeigte Wandler Paare von Stapeln. Jeder Stapel besteht aus zwei durch einen zentralen Block 16 geteilten und in bezug auf die Ebene PP′ symmetrischen Halbstapeln. Der einzige Unterschied besteht darin, daß die zwei in bezug auf die Ebene PP′ symmetrischen Halbschalen nicht miteinander fluch­ ten. Sie bilden einen Winkel mit der Ebene PP′.

Der zentrale Block 16 besitzt die Form eines Keiles, dessen Außenflächen senkrecht zu den Stangen 7a, 7b sind. Ein wei­ terer Keil 20, dessen Scheitelwinkel komplementär zu dem Halbwinkel am Scheitel des Keils 16 ist, ist zwischen die Enden jedes Paares von Stapeln und jeden Flansch 4 eingefügt.

Diese Ausführungsform ermöglicht die Erzielung von Biege­ schwingungen der abstrahlenden Halbschale 3a mit größerer Amplitude.

Claims (8)

1. Elektroakustischer Wandler vom Typ mit wenigstens einem elektroakustischen Antrieb (1), der im Inneren einer dichten Schale angeordnet ist, die mit einer Flüssigkeit in Berüh­ rung steht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schale einen ersten, flexiblen Schalenteil (3a) aufweist, der an seinen zwei axialen Enden jeweils einen Flansch (4) aufweist, der mit dem entsprechenden axialen Ende des wenigstens einen piezoelektrischen Antriebs (1) mechanisch und akustisch ge­ koppelt ist, daß dieser erste Schalenteil (3a) eine Schall­ wellen abstrahlende Oberfläche bildet, und daß die Schale einen zweiten Schalenteil (3b) aufweist, der komplementär zu dem ersten ist, mit welchem er die dichte Schale bildet, wo­ bei der zweite Schalenteil akustisch von dem ersten Schalen­ teil (3a) und von dem piezoelektrischen Antrieb (1) entkop­ pelt ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schalenteil einen flexiblen zentralen Bereich auf­ weist, dessen konkave Form der Innenseite zugekehrt ist und eine schwache Krümmung besitzt, die symmetrisch in bezug auf eine Ebene (PP′) ist, welche senkrecht zu der Achse (x x′) des piezoelektrischen Antriebs ist, und ferner zwei ebene Flansche (4) aufweist, die an den Enden des zentralen Berei­ ches befestigt sind und symmetrisch in bezug auf die Symme­ trieebene (PP′) gelegen sind sowie auf der Seite der Konka­ vität liegen und mechanisch und akustisch jeweils an ein En­ de des piezoelektrischen Antriebs (1) angekoppelt sind.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß jeder elektroakustische Antrieb einen Stapel von koaxialen piezoelektrischen Scheiben umfaßt, die zwischen zwei Massekörpern (15) angeordnet sind, welche so dimensioniert sind, daß die Grundfrequenz der axialen Schwingungen jedes mechanischen Systems, das aus einem An­ trieb (1) und seinen zwei Massekörpern (15) gebildet ist, in der Nähe der Eigenfrequenz der Biegeschwingungen des ersten Schalenteils (3a) liegt, wobei die Massekörper mechanisch und akustisch an die elektroakustischen Antriebe (1) und an die Flansche (4) des ersten Schalenteils (3a) angekoppelt sind.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Massekörper so ausgelegt sind, daß die Grundfrequenz der axialen Schwingungen jedes mechanischen Systems, das durch einen Antrieb (1) und seine zwei Massekörper (15) gebildet ist, etwas größer als die Eigenfrequenz der Biegeschwingun­ gen des ersten Schalenteils (3a) ist.

5. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß er wenigstens ein Paar von elektroakustischen Antrieben enthält und jedes Paar aus zwei gleichen Antrieben zusammengesetzt ist, die mit entge­ gengesetzter Phasenlage erregt werden.

6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schale (2) die Form eines zylindrischen Kamins aufweist, mit einem elliptischen senkrechten Querschnitt und einer Längssymmetrieebene (x x′), welche die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Paare von elektroakustischen Antrieben auf­ weist und jedes Paar zwei gleiche Antriebe (1, 1′) umfaßt, deren Achsen parallel zu der Längssymmetrieebene (x x′) so­ wie symmetrisch in bezug auf die Ebene gelegen sind.

7. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Schale (2) die Form eines zylindrischen Kamins aufweist, mit einem elliptischen senkrechten Querschnitt und einer Längssymme­ trieebene (PP′), welche die kleinen Achsen der elliptischen Querschnitte enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Paare von elektroakustischen Antrieben umfaßt und jedes Paar zwei elektroakustische Antriebe (1, 1′) umfaßt, die einander gleich und zueinander parallel sind, wobei jeder Antrieb aus zwei Halbantrieben zusammengesetzt ist, die ein V bilden, welches symmetrisch in bezug auf die Längssymmetrieebene (PP′) ist, die durch die kleine Achse der Ellipse verläuft.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar von elektroakustischen Antrieben ein zentrales Teil (16) in Form eines Keiles umfaßt, das zwei Seitenflä­ chen besitzt, die zueinander kovergieren und die symmetrisch in bezug auf die Längsebene (PP′) sind, sowie ferner zwei Keilstücke (20) umfaßt, die jeweils an einem der zwei Enden der Stapel angeordnet sind und eine Form aufweisen, welche komplementär zu der Form des zentralen Teils (16) ist, wobei diese Keilstücke jeweils zwischen ein Ende der zwei Stapel (1, 1′) und einen der Flansche (4) am Ende des ersten Scha­ lenteils (3a) eingefügt sind und akustisch sowie mechanisch an die Stapel (1, 1′) und an die Flansche (4) angekoppelt sind.