DE3914413A1 - Verfahren und elektroakustischer wandler zum aussenden von niederfrequenten schallwellen in einer fluessigkeit - Google Patents
Verfahren und elektroakustischer wandler zum aussenden von niederfrequenten schallwellen in einer fluessigkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aussenden von nie
derfrequenten Schallwellen in einer Flüssigkeit mittels
elektroakustischer Wandler vom Doppel-Tonpilz-Typ sowie
Wandler zur Durchführung dieser Verfahren.
Die Erfindung befaßt sich allgemein mit der Ausbildung von
elektroakustischen Wandlern.
Es sind insbesondere piezoelektrische elektroakustische
Wandler vom sogenannten Doppel-Tonpilz-Typ bekannt, die ein
starres zylindrisches Gehäuse aufweisen, welches an seinen
beiden Enden offen ist und in seinem Inneren koaxial zwei
gleiche elektroakustische Antriebe aufnimmt, z. B. zwei Sta
pel aus piezoelektrischen Scheiben, die miteinander fluch
tend beiderseits einer zentralen Gegenmasse zwischen zwei
Endkegeln angeordnet sind. Die Außenflächen der zwei Endke
gel liegen in der Ebene der axialen Enden des Gehauses, so
daß sie sich in Berührung mit der Flüssigkeit befinden, in
welche das Gehäuse eingetaucht ist.
Die Außenflächen senden in die Flüssigkeit Schallwellen aus,
wenn die elektroakustischen Antriebe elektronisch erregt
werden. Diese Wandler vom Doppel-Tonpilz-Typ werden insbe
sondere verwendet, um im Wasser niederfrequente Schallwellen
in einer bestimmten Richtung auszustrahlen.
Eines der Probleme, die bei derartigen Wandlern auftreten,
besteht in der Unterdrückung der auf der Rückseite des End
kegels abgestrahlten Schallwellen.
Eine Lösung dieses Problems besteht darin, gasgefüllte dich
te Gehäuse zu verwenden. Diese Lösung zieht aber das Erfor
dernis nach sich, daß das Gehäuse den Flüssigkeitsdruck wi
derstehen muß, der bei großer Eintauchtiefe hoch sein kann.
Eine weitere Lösung besteht darin, auf der Rückseite der
Endkegel statische Massen oder Dämpfungselemente anzuordnen,
welche die rückseitige Strahlung absorbieren.
Die Erfindung schlägt neuartige Mittel vor, um die rücksei
tige Abstrahlung zu unterdrücken.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet,
daß Öffnungen in der Seitenwandung des Gehäuses angebracht
werden und in den durch diese Seitenwandung und die Rückflä
chen der Endkegel begrenzten Hohlraum die elektroakustischen
Antriebe sowie elastische Rohre eingebracht werden, die gas
gefüllt und an ihren beiden Enden verschlossen sind, wobei
die Abmessungen und die jeweilige Lage der Öffnungen und der
Rohre in solcher Weise bestimmt werden, daß die Helmholtz-
Frequenz des Hohlraums in der Nähe der Grundfrequenz der
axialen Schwingungen des mechanischen Systems liegt, welches
durch die elektroakustischen Antriebe, die Gegenmasse und
die Endkegel gebildet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wer
den die Abmessungen und die jeweilige Lage der seitlichen
Öffnungen des Gehäuses und der elastischen Rohre in solcher
Weise bestimmt, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz des Hohl
raumes, welcher durch das Gehäuse, die Rückseiten der End
kegel und durch die elektroakustischen Antriebe begrenzt
wird, niedriger liegt als die Grundfrequenz der axialen
Schwingungen des mechanischen Systems, welches aus den zwei
elektroakustischen Antrieben, den zwei Endkegeln und der
zentralen Gegenmasse gebildet ist, wodurch erreicht wird,
daß das Betriebsband des Wandlers zu den niedrigen Frequen
zen hin ausgedehnt wird.
Durch die Erfindung wird insbesondere erreicht, daß neuar
tige Wandler vom Doppel-Tonpilz-Typ geschaffen werden, bei
denen die durch die Rückseiten der Endkegel abgestrahlte
Energie zu einem großen Teil ausgenutzt wird, um den durch
das Gehäuse begrenzten Hohlraum in Resonanz zu versetzen, so
daß der Einfluß dieser Strahlung außerhalb des Gehäuses
nicht durch eine entgegengesetzte Phasenlage zu der durch
die Endkegel abgestrahlten Strahlung auftritt, um so jegli
che störende Interferenz der rückseitigen Abstrahlung mit
den Wellen zu vermeiden, welche von den Vorderseiten der
Endkegel ausgestrahlt werden.
Die erfindungsgemäßen Wandler, bei welchen die seitlichen
Öffnungen des Gehäuses und die Rohre so dimensioniert und
gelegen sind, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz niedriger
als die Grundfrequenz der axialen Schwingungen der beiden
elektroakustischen Antriebe, der Gegenmasse und der zwei
Endkegel liegt, sind Wandler mit einem Betriebsband, das zu
den niedrigen Frequenzen hin ausgedehnt ist. Beispielsweise
weist ein erfindungsgemäßer Wandler, bei dem die Grund
frequenz der axialen Schwingungen in der Größenordnung von
900 Hz liegt, bei einer Helmholtz-Resonanzfrequenz von etwa
650 Hz, ein Betriebsband auf, das zwischen 600 und 1000 Hz
liegt, bei einem Strahlungspegel von mehr als 130 dB in dem
gesamten Betriebsband, bezogen auf einen Meter und ausge
drückt in Mikropascal pro Volt.
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 schematischen Axialschnitt eines erfin
dungsgemäßen elektroakustischen Wandlers;
Fig. 2 einen axialen Halbschnitt einer ersten Ausfüh
rungsform eines Wandlers;
Fig. 3 einen Halb-Querschnitt der in Fig. 2 gezeigten
Ausbildung;
Fig. 4 einen Halb-Querschnitt einer zweiten Ausführungs
from eines Wandlers; und
Fig. 5 ein Diagramm, welches den Strahlungspegel des
erfindungsgemäßen Wandlers in Abhängigkeit von
der Anregungsfrequenz zeigt.
Die Fig. 1 zeigt einen schematischen Axialschnitt eines
elektroakustischen Wandlers vom Doppel-Tonpilz-Typ, welcher
zwei elektroakustische Antriebe 1a, 1b aufweist, bei denen
es sich beispielsweise um Stapel von keramischen piezoelek
trischen Scheiben handelt. Die zwei Antriebe 1a, 1b sind
beiderseits einer zentralen Gegenmasse 2 angeordnet. Sie
liegen zwischen zwei Endkegeln 3a, 3b.
Die Antriebe, die Gegenmasse und die zwei Endkegel sind auf
einer gemeinsamen Achse x x1 fluchtend angeordnet.
Gewöhnlich wird dieses System in den Innenraum eines starren
Gehäuses 4 eingebracht, bei dem es sich im allgemeinen um
ein koaxiales zylindrisches Gehäuse handelt, welches an sei
nen zwei axialen Enden offen ist und bei welchem die zwei
Endkegel 3a, 3b an diesen Enden angeordnet sind und mit ih
ren Außenflächen in Berührung mit einer Flüssigkeit stehen,
in welche das Gehäuse eingetaucht ist, wobei die Außenflä
chen der Endkegel zwei die Schallwellen in die Flüssigkeit
abstrahlende Oberflächen bilden.
Diese Wandler vom Doppel-Tonpilz-Typ sind wohlbekannt.
Eines der Probleme, die bei derartigen Wandlern auftreten,
besteht in der Unterdrückung oder zumindest der Dämpfung der
Schallwellen, die von den Rückseiten der Endkegel ausge
strahlt werden.
Die Erfindung gibt eine neuartige Lösung dieses Problems an.
Das Gehäuse 4 eines erfindungsgemäßen Wandlers weist seit
liche Öffnungen 5 auf, durch welche die Flüssigkeit in das
Innere des Gehäuses eindringt. Es sind Rohre 6 aus einem
elastischen Material vorhanden, die gasgefüllt und an ihren
zwei Enden verschlossen sind.
Diese Rohre 6 sind in dem Hohlraum 7 angeordnet, welcher
durch die Antriebe 1a, 1b, durch die Rückflächen der Endke
gel und durch die Seitenwandungen des Gehäuses 4 begrenzt
ist. Vorzugsweise sind sie von abgeflachter Form und mit
ihren Mantellinien parallel zur Achse x x1 angeordnet.
Die von den Rückseiten der Endkegel in den Hohlraum 7 abge
strahlten Schallwellen deformieren die Rohre elastisch, und
der die Rohre enthaltende Hohlraum weist eine Eigenfrequenz
auf, die bei der Anregungsfrequenz in Resonanz treten kann.
Diese Erscheinung ist in der Physik als Helmholtz-Resonanz
bekannt.
Wenn ein Behälter betrachtet wird, der eine starre Wandung
aufweist und einen Hohlraum begrenzt, der mit einem fluiden
Medium ausgefüllt ist und mit der Außenseite über einen Hals
in Verbindung steht, und wenn das in diesem Hohlraum enthal
tene fluide Medium akustisch mit einer bestimmten Anregungs
frequenz erregt wird, tritt eine sogenannte Helmholtz-Reso
nanz auf. Im vorliegenden Falle bildet der die Rohre 6 ent
haltende Hohlraum 7 einen Helmholtz-Hohlraum, und die Öff
nungen 5 bilden das Halsstück des Hohlraumes.
Wenn der Endkegel schwingt, erzeugt er einen direkten Fluß
von Schallwellen, der von der Vorderfläche ausgeht, und
einen inversen Fluß auf der Rückseite, der dem direkten Fluß
gleich ist, jedoch das entgegengesetzte Vorzeichen aufweist.
Wenn die Helmholtz-Resonanzfrequenz des Hohlraumes 7 der
Anregungsfrequenz entspricht, versetzt der inverse Fluß den
Hohlraum 7 in Resonanz, und unter bestimmten Bedingungen ist
die Schallabstrahlung vom Halsstück des Resonators, d. h. den
Öffnungen 5, praktisch gleichphasig mit dem direkten Fluß,
so daß der resultierende Schallpegel die Vektorsumme des
direkten Flusses und des vom Halsstück des Resonators aus
gehenden Flusses ist.
Man kann die Helmholtz-Resonanzfrequenz eines gegebenen
Hohlraumes berechnen oder sie experimentell messen, so daß
die Art, Form, Abmessung und Anordnung der Rohre ebenso wie
die Abmessungen der Öffnungen 5 so bestimmt werden können,
daß die Helmholtz-Frequenzen in der Nähe der Grundfrequenz
der axialen Kompressions-Dehnungs-Schwingungen des mechani
schen Systems liegen, welches durch die zwei Antriebe 1a, 1b,
die Gegenmasse 2 und die zwei Endkegel 3a, 3b gebildet ist.
Wenn die Helmholtz-Frequenz des Hohlraumes mit seinen Rohren
in der Nähe der Sendefrequenz liegt, tritt Helmholtz-Resonanz
auf, und das Maximum der von den Rückseiten der Endkegel ab
gestrahlten Schallenergie dient zur Aufrechterhaltung der
Helmholtz-Resonanz, so daß die Ausbreitung unerwünschter
Schallwellen von der Außenseite des Gehäuses stark gedämpft
wird.
Vorzugsweise werden die Rohre und die Öffnungen 5 so berech
net, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz etwas niedriger als
die Grundfrequenz des mechanischen Systems ist, das durch
den Doppel-Tonpilz-Wandler gebildet ist, wodurch das Be
triebsband des Wandlers zu den niedrigen Frequenzen hin aus
gedehnt wird.
Die Fig. 2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform des er
findungsgemäßen Wandlers im axialen Halbschnitt und halben
Querschnitt. Die einander entsprechenden Teile sind in den
Fig. 1, 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Gehäuse 4 weist eine Umfangsöffnung 5 auf, die symme
trisch in bezug auf die Mittelebene PP′ ist, welche senk
recht zur Achse x x1 steht.
Die Gegenmasse 2 weist eine zentrale Platte 8 in Form einer
Scheibe auf, deren Außendurchmesser im wesentlichen gleich
dem Innendurchmesser des Gehäuses 4 ist.
Diese Scheibe weist auf ihren zwei Flächen Kerben oder Nuten
auf, welche die Rohre 6 aufnehmen, die in Fig. 3 ersichtlich
sind. Diese Rohre 6 sind in Fig. 2 zur Vereinfachung der
Darstellung nicht gezeigt.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Rohre
eine abgeflachte Form aufweisen und radial angeordnet sind.
Die Scheibe 8 trägt an ihrem Umfang vier Befestigungsteile
9, die kreuzförmig angeordnet sind. Jedes Befestigungsteil 9
ist am Umfang der Scheibe befestigt und weist zwei Arme 10
auf, die sich beiderseits der Scheibe erstrecken und durch
Schraubbolzen 11 an den Seitenwandungen des Gehäuses 4 befe
stigt sind, welches sich beiderseits der Öffnung 5 erstreckt.
Die mit 9 und 10 bezeichneten Teile haben die Funktion, die
beiden Teile des Gehäuses 4, welche durch die Öffnung 5 ge
trennt sind, mechanisch zu verbinden.
Die Abmessungen, die Form, Art und Anordnung der Rohre 6
sowie die Abmessungen der Öffnung 5 hängen von der Größe des
Wandlers ab. Sie werden so berechnet, daß die Helmholtz-
Resonanzfrequenz des Hohlraumes 7 mit seinem Halsstück 5 und
den Rohren 6 in der Nähe der Grundfrequenz der axialen
Schwingungen des Doppel-Tonpilz-Wandlers liegt, vorzugsweise
etwas niedriger als diese liegt.
Die Wandungen des Gehäuses 4 sind dicke Wandungen aus Metall
oder Verbundmaterial und sind sehr starr, um nicht zu schwin
gen. Die Rohre 6 bestehen aus einem hochelastischen Material
wie Federstahl oder Schichtmaterial aus Glas oder Kohlefa
sern. Die abgeflachte Form der Rohre wird bevorzugt, da sie
die Biegeschwingungen der Seitenwandungen der Rohre unter
stützt.
Die Fig. 4 zeigt einen halben Querschnitt einer weiteren
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers. Die einander
entsprechenden Teile sind durch gleiche Bezugszeichen be
zeichnet. Bei dieser Ausführungsform sind die Rohre 6 nicht
radial angeordnet, sondern fächerförmig, so daß jedes Rohr
schräg zur Radialrichtung angeordnet ist.
Das in Fig. 5 wiedergegebene Diagramm zeigt auf der Abszisse
die Anregungsfrequenz und auf der Ordinate den durch den
erfindungsgemäßen Wandler erzeugten Schallpegel in Dezibel,
also als Logarithmus des in Mikropascal ausgedrückten Druckes
für eine Anregung von 1 V und in 1 m Abstand von dem
Wandler. Dieses Diagramm entspricht einem Wandler mit einer
Seitenöffnung 5 der Breite 15 cm sowie mit siebzehn Rohren
6.
Aus dem Diagramm geht hervor, daß ein Betriebsband von 600 Hz
bis 1000 Hz erzielt wird. Die Kurve C1 stellt den Schallpe
gel SV auf der Achse des Wandlers und die Kurve C2 den
Schallpegel SV in einer Ebene dar, die senkrecht zur Achse
des Wandlers ist.
Claims (10)
1. Verfahren zum Aussenden von niederfrequenten Schallwel
len in einer Flüssigkeit mittels eines elektroakustischen
Wandlers vom Typ mit einem starren zylindrischen Gehäuse (4)
und zwei im Inneren des Gehäuses angeordneten, gleichen elek
troakustischen Antrieben (1a, 1b), die koaxial fluchtend mit
dem Gehäuse beiderseits einer zentralen Gegenmasse (2) sowie
zwischen zwei Endkegeln (3a, 3b) angeordnet sind, die sich
an den zwei axialen Enden des Gehäuses befinden und deren
Außenflächen mit der Flüssigkeit in Berührung stehen, da
durch gekennzeichnet, daß Öffnungen (5) in der Seitenwandung
des Gehäuses angebracht werden und in den Hohlraum (7), der
durch die Wandung des Gehäuses (4), die rückseitigen Flächen
der Endkegel (3a, 3b) und die elektroakustischen Antriebe
(1a, 1b) begrenzt ist, elastische Rohre (6) eingebracht wer
den, die gasgefüllt und an ihren zwei Enden verschlossen
sind, und daß die Abmessungen und die jeweilige Lage der
Öffnungen (5) und der Rohre (6) so bestimmt werden, daß die
Helmholtz-Frequenz des Hohlraumes (7) in der Grundfrequenz
der axialen Schwingungen des mechanischen Systems liegt,
welches durch die elektroakustischen Antriebe (1a, 1b), die
Gegenmasse (2) und die Endkegel (3a, 3b) gebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abmessungen und die jeweilige Lage der Öffnungen (5)
sowie der elastischen Rohre (6) so bestimmt werden, daß die
Helmholtz-Frequenz des Hohlraumes (7) niedriger als die
Grundfrequenz liegt.
3. Elektroakustischer Wandler vom Typ mit einem zylindri
schen Gehäuse (4), das an seinen zwei axialen Enden offen
ist, wobei im Inneren dieses Gehäuses zwei gleiche elektro
akustische Antriebe (1a, 1b) beiderseits einer zentralen
Gegenmasse (2) und zwischen zwei Endkegeln (3a, 3b) angeord
net sind, welche koaxial mit dem Gehäuse fluchtend sowie an
den axialen Enden des Gehäuses liegen, so daß ihre Außen
flächen mit der Flüssigkeit in Berührung stehen und nieder
frequente Schallwellen in die Flüssigkeit ausstrahlen, wenn
die zwei Antriebe elektrisch erregt werden, wobei das Gehäu
se einen Hohlraum (7) mit den rückseitigen Flächen der End
kegel (3a, 3b) und mit den elektroakustischen Antrieben (1a,
lb) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4)
seitliche Öffnungen (5) aufweist und elastische, gasgefüllte
und an ihren zwei Enden geschlossene Rohre (6) in dem Hohl
raum (7) angeordnet sind, wobei die Abmessungen und die je
weilige Lage der seitlichen Öffnungen (5) und der Rohre (6)
so bestimmt sind, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz des
Hohlraumes in der Nähe der Grundfrequenz der axialen Schwin
gungen des mechanischen Systems liegt, welches durch die
zwei elektroakustischen Antriebe (1a, 1b), die Gegenmasse
(2) und die Endkegel (3a, 3b) gebildet ist.
4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abmessungen und die jeweilige Lage
der seitlichen Öffnungen (5) und der Rohre (6) so bestimmt
sind, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz des Hohlraumes
kleiner als die Grundfrequenz der axialen Schwingungen des
mechanischen Systems ist, welches durch die zwei elektro
akustischen Antriebe (1a, 1b), die Gegenmasse (2) und die
Endkegel (3a, 3b) gebildet ist.
5. Wandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rohre (6) abgeflachte Rohre sind.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Rohre aus elastischem Stahl oder mit
Glasfasern oder Kohlefasern verstärktem Schichtmaterial aus
gebildet sind.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Rohre parallel zu den Mantellinien des
zylindrischen Gehäuses (4) angeordnet sind.
8. Wandler nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die abgeflachten Rohre in solcher Weise ange
ordnet sind, daß die größte Länge ihres abgeflachten Quer
schnitts in Radialrichtung gelegen ist.
9. Wandler nach den Ansprüchen 5 und 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die abgeflachten Rohre in solcher Weise ange
ordnet sind, daß die größte Länge ihres abgeflachten Quer
schnitts einen konstanten Winkel mit der Radialrichtung bil
det.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß er eine seitliche Öffnung (5) aufweist,
die sich über den gesamten Umfang des Gehäuses (4) erstreckt
und symmetrisch in bezug auf die Symmetrieebene (PP′) ist,
welche zu der Achse des Gehäuses (4) senkrecht ist.
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