DE3914413C2 - Verfahren und elektroakustischer Wandler zum Aussenden von niederfrequenten Schallwellen in einer Flüssigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler vom Doppel-Tonpilz-Typ zum Aussenden von niederfrequenten Schallwellen in einer Flüssigkeit, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 definiert ist.

Piezoelektrische elektroakustische Wandler vom sogenannten Doppel-Tonpilz-Typ sind beispielsweise in der Patentschrift US 2 962 695 beschrieben. Sie weisen ein starres zylindri­ sches Gehäuse auf, welches an seinen beiden Enden offen ist und in seinem Inneren koaxial zwei gleiche elektroakustische Antriebe aufnimmt, z. B. zwei Stapel aus piezoelektrischen Scheiben, die miteinander fluchtend beiderseits einer zen­ tralen Gegenmasse zwischen zwei Endkegeln angeordnet sind. Die Außenflächen der zwei Endkegel liegen in der Ebene der axialen Enden des Gehäuses, 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 dem Flüssigkeitsdruck widerstehen 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.

Der erfindungsgemäße Wandler besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, das an seinen zwei axialen Enden offen ist, wobei im Inneren dieses Gehäuses zwei gleiche elektroakustische Antriebe beiderseits einer zentralen Gegenmasse und zwischen zwei Endkegeln angeordnet sind, welche koaxial mit dem Ge­ häuse fluchtend sowie an den axialen Enden des Gehäuses lie­ gen, so daß ihre Außenflächen mit der Flüssigkeit in Berüh­ rung stehen und niederfrequente Schallwellen in die Flüssig­ keit ausstrahlen, wenn die zwei Antriebe elektrisch erregt werden, wobei das Gehäuse einen Hohlraum mit den rückseiti­ gen Flächen der Endkegel und mit den elektroakustischen An­ trieben begrenzt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse seitliche Öffnungen aufweist und elastische, gasgefüllte und an ihren zwei Enden geschlossene Rohre in dem Hohlraum ange­ ordnet sind, wobei die Abmessungen und die jeweilige Lage der seitlichen Öffnungen und der Rohre so bestimmt sind, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz des Hohlraumes in der Nähe der Grundfrequenz der axialen Schwingungen des mechanischen Systems liegt, welches durch die zwei elektroakustischen Antriebe, die Gegenmasse und die Endkegel gebildet ist.

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.

Gemäß einer Ausführungsform des Wandlers, bei dem die seit­ lichen Öffnungen des Gehäuses und die Rohre so dimensioniert und gelegen sind, daß die Helmholtz-Resonanzfrequenz niedri­ ger als die Grundfrequenz der axialen Schwingungen der bei­ den elektroakustischen Antriebe, der Gegenmasse und der zwei Endkegel liegt, hat der Wandler ein 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 Einzelheiten 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 zeigt:

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 Druc­ kes 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 (8)

1. Elektroakustischer Wandler mit einem zylindrischen Gehäu­ se (4), das an seinen zwei axialen Enden offen ist, wobei im Inneren dieses Gehäuses zwei gleiche elektroakustische An­ triebe (1a, 1b) beiderseits einer zentralen Gegenmasse (2) und zwischen zwei Endkegeln (3a, 3b) angeordnet sind, welche koaxial mit dem Gehäuse fluchtend sowie an den axialen Enden des Gehäuses liegen, so daß ihre Außenflächen mit der Flüs­ sigkeit in Berührung stehen und niederfrequente Schallwellen in die Flüssigkeit ausstrahlen, wenn die zwei Antriebe elek­ trisch erregt werden, wobei das Gehäuse einen Hohlraum (7) mit den rückseitigen Flächen der Endkegel (3a, 3b) und mit den elektroakustischen Antrieben (1a, 1b) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (4) seitliche Öffnungen (5) aufweist und elastische, gasgefüllte und an ihren zwei Enden geschlossene Rohre (6) in dem Hohlraum (7) angeordnet sind, wobei die Abmessungen und die jeweilige 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 Schwingungen des mechanischen Sys­ tems liegt, welches durch die zwei elektroakustischen An­ triebe (1a, 1b), die Gegenmasse (2) und die Endkegel (3a, 3b) gebildet ist.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, 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 mechani­ schen Systems ist, welches durch die zwei elektroakustischen Antriebe (1a, 1b), die Gegenmasse (2) und die Endkegel (3a, 3b) gebildet ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (6) abgeflachte Rohre sind.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohre aus elastischem Stahl oder mit Glas­ fasern oder Kohlefasern verstärktem Schichtmaterial ausge­ bildet sind.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rohre parallel zu den Mantellinien des zylindrischen Gehäuses (4) angeordnet sind.

6. Wandler nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die abgeflachten Rohre in solcher Weise angeordnet sind, daß die größte Länge ihres abgeflachten Querschnitts in Radialrichtung gelegen ist.

7. Wandler nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die abgeflachten Rohre in solcher Weise angeordnet sind, daß die größte Länge ihres abgeflachten Querschnitts einen konstanten Winkel mit der Radialrichtung bildet.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, 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, wel­ che zu der Achse des Gehäuses (4) senkrecht ist.