DE395024C - Device for sending and receiving ultrasonic waves in water - Google Patents
Device for sending and receiving ultrasonic waves in waterInfo
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Description
Für das Senden und Empfangen elastischer Wellen hoher Frequenz im Wasser sind bereits in einem elektrischen Schwingungskreis angeordnete Kondensatoren benutzt worden, derart, daß die elektrostatischen oder magnetischen Anziehungen der Platte des Kondensators ausgenutzt wurden, um eine die elastischen Schwingungen übertragende oder empfangende Fläche in synchrone Schwingung zu versetzen.For sending and receiving elastic waves of high frequency in the water are already Capacitors arranged in an electrical oscillating circuit have been used, such as that the electrostatic or magnetic attractions of the plate of the capacitor were exploited to transmit or receive the elastic vibrations To set the surface in synchronous oscillation.
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung, um die gleichen Ergebnisse besser zu erzielen, indem die piezoelektrischen Eigenschaften des Quarzes ausgenutzt werden, um die elektrischen Schwingungen gegebener Frequenz in elastische Schwingungen gleicher Frequenz und umgekehrt umzuwandeln.The invention relates to a device to better achieve the same results achieve by taking advantage of the piezoelectric properties of quartz the electrical oscillations of a given frequency into elastic oscillations of the same Frequency and vice versa.
Bekanntlich haben die Arbeiten von P. und J. Curie gezeigt, daß durch das Zusammendrücken eines Quarzkristalls in Richtung einer Binärachse eine elektrische Polarisation in der gleichen Richtung und umgekehrt die Herstellung eines elektrischen Feldes in dieser Richtung eine parallele Zusammenziehung oder Ausdehnung entsprechend dem. Sinne· des Feldes zur Folge hat.As is well known, the work of P. and J. Curie has shown that by compressing of a quartz crystal has an electrical polarization in the direction of a binary axis same direction and vice versa the production of an electric field in this direction Direction a parallel contraction or expansion corresponding to the. Sense · des Field.
Gemäß der Erfindung wird die Vorrichtung zum Empfangen und Senden durch einen Kondensator gebildet, dessen Dielektrikum aus einer derart geschnittenen Quarzlamelle besteht, daß die Ausnutzung der piezoelektrischen Eigenschaften möglich ist. Während des Empfangens wird der Kondensator unter Wir-According to the invention, the device for receiving and transmitting by a Capacitor formed, the dielectric of which consists of a quartz lamella cut in this way, that the utilization of the piezoelectric properties is possible. During reception, the capacitor is under power
kung der auf das Wasser zurückzuführenden Kompression ohne Verwendung eines Elementes elektrisiert, und zwar erfolgt dies genau so, als ob der Kondensator der Sitz eines natürliehen, auf die Struktur des Kristalls zurückzuführenden Feldes von ioooooooo Volt pro Zentimeter wäre. Hierdurch wird die Vorrichtung außerordentlich empfindlich.Reduction of the compression due to the water without the use of an element electrifies, and this happens exactly as if the capacitor were the seat of a natural, due to the structure of the crystal field of ioooooooo volts per Centimeter would be. This makes the device extremely sensitive.
Beim Senden wird der Kondensator, der ίο hier ebenso wie beim Empfangen in einem elektrischen Stromkreis liegt, unter der Wirkung des in dem Kondensator durch die in dem Stromkreis erzeugten Schwingungen hervorgerufenen elektrischen Feldes deformiert. Diese auf das Wasser übertragene Deformation des Kondensators ist infolge Verwendung des Quarzes groß im Vergleich zu der, welche bei einem gewöhnlichen, unter dem gleichen Spannungsunterschied wirkenden Kondensator sich ergeben würde.When sending the capacitor, the ίο here as well as when receiving in one electrical circuit is under the action of in the capacitor through the in the electrical circuit generated vibrations caused by deformed electrical field. This deformation of the capacitor transferred to the water is due to the use of the Quartz large compared to that which is made at an ordinary one, under the same voltage difference acting capacitor would result.
Auf der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt.The subject of the invention is shown in the drawing, for example.
In Abb. i, 2 und 3 sind drei Ausführungs- : formen von einem Sender bzw. Empfänger im Querschnitt dargestellt.In Fig. I, 2 and 3 three embodiments are : forms of a transmitter or receiver shown in cross section.
Wenn eine Quarzplatte α senkrecht zu einer Binärachse des Kristalls geschnitten und mit leitenden Belagen ö und c versehen ist und den Kondensator eines elektrischen Schwingungskreises d (Abb. 1) bildet, so wird die Erzeugung von elektrischen Schwingungen in dem Kreise von synchronen Zusammenziehungen bzw. Ausdehnungen der Quarzplatte begleitet, welche geeignet sind, elastische Wellen von derselben ; Frequenz in das Wasser auszusenden. Umgekehrt werden elastische Wellen die Quarzplatte in Schwingung versetzen, und die sich daraus ergebende abwechselnde elektrische Polarisation wird wie eine elektromotorische Kraft wirken und in dem Schwingungskreis elektrische Schwingungen hervorrufen, welche leicht erkannt werden gemäß der Methode der drahtlosen Telegraphic. Dieselbe Vorrichtung kann infolgedessen sowohl als Sender als auch als Empfänger elastischer Hochfrequenzwellen im Wasser dienen. Die sehr kleinen Amplituden und großen Drucke, die sich bei der j Fortpflanzung von Druckwellen im Wasser ergeben, passen sich besonders gut dem Größengesetz der piezoelektrischen Formveränderung des Quarzes an, und es ist gelungen, auf diese Weise Aussendungen von elastischer Energie ins Wasser bis 10 Watt pro Quadratzentimeter zu erhalten.If a quartz plate α is cut perpendicular to a binary axis of the crystal and provided with conductive layers ö and c and forms the capacitor of an electrical oscillation circuit d (Fig. 1), the generation of electrical oscillations in the circle is synchronized with contractions or expansions accompanied by the quartz plate, which are capable of receiving elastic waves therefrom; Send frequency into the water. Conversely, elastic waves will vibrate the quartz plate, and the resulting alternating electrical polarization will act as an electromotive force and cause electrical vibrations in the circuit that are easily recognized by the wireless telegraphic method. The same device can consequently serve as both a transmitter and a receiver of elastic high frequency waves in the water. The very small amplitudes and large pressures that result from the propagation of pressure waves in water adapt particularly well to the law of magnitude of the piezoelectric shape change of the quartz, and it has been possible in this way to emit elastic energy into the water of up to 10 watts per square centimeter.
Eine besonders für die Ausstrahlung bzw. den Unterwasserempfang im leitenden Salzwasser geeignete Ausführungsform wird in Abb. 2 veranschaulicht, α ist eine Quarzplatte, die senkrecht zu einer Binärachse geschnitten ist, b eine isolierte Metallplatte, die als innerer Belag wirkt, und f eine dünne Glimmerplatte bzw. eine Platte aus einem anderen isolierenden Stoff, welche an den Rändern wasserdicht abgedichtet ist. Sie ist auf die Quarzplatte mit Hilfe einer dünnen Schicht, Harz, Vaseline, Petroleum 0. dgl., geheftet.An embodiment particularly suitable for broadcasting or underwater reception in conductive salt water is illustrated in Fig. 2, α is a quartz plate cut perpendicular to a binary axis, b an insulated metal plate that acts as an inner coating, and f a thin mica plate or a plate made of another insulating material, which is sealed watertight at the edges. It is attached to the quartz plate with the aid of a thin layer of resin, vaseline, petroleum, etc.
Die innere Seite des Belages b kann mit einer isolierenden Flüssigkeit oder mit der inneren Luft des Gehäuses e, welches den Kondensator enthält, in Verbindung stehen. Im letzteren Falle findet die Ausstrahlung der elastischen Wellen nur von der im Kontakt mit dem Wasser befindlichen Seite aus statt quer durch die isolierende Platte/ hindurch.The inner side of the lining b can be in contact with an insulating liquid or with the inner air of the housing e, which contains the capacitor. In the latter case, the elastic waves are only emitted from the side in contact with the water instead of across the insulating plate / through.
Die besten Bedingungen für die Umformung der elektrischen Wellen in elastische und umgekehrt sind gegeben, sobald das Gefüge aus Quarzplatten und Belägen auf die Zahl der zu erregenden elektrischen Schwingungen beim Aussenden oder der elastischen Wellen beim • Empfang abgestimmt ist.The best conditions for the transformation of the electric waves in elastic and vice versa are given as soon as the structure of quartz plates and pads is matched to the number of electrical oscillations to be energized during the transmission or reception of the elastic waves in the •.
Diese Bedingung wird erfüllt, wenn die ! Stärke des Kondensatorgefüges gleich der : halben Wellenlänge bei einer bestimmten Frequenz ist. Unter einer Halbwellenlamelle ist eine Lamelle zu verstehen, deren Stärke gleich der Hälfte des Quotienten aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Längswellen in einem Lamellenstoff zur gegebenen Frequenz ist. Für einen Kondensator aus einer dünnen und zwi- go sehen zwei Stahllamellen gleicher Dicke liegenden Quarzlamelle erhält man die Resonanz, wenn die Stärke des Kondensators gleich der halben Wellenlänge im Stahl ist. Man erhält die Resonanz auch, wenn diese Stärke ein Vielfaches dieser halben Wellenlänge ist. Je nachdem wie die Ausführung des Kondensators ist, ist der größere Bauteil bestimmend. Ist es die Stahlbelegung, so ist die Wellenlänge in ihm maßgebend. Ist es die Quarzlamelle, so kommt die halbe Wellenlänge für diesen Baustoff für die Bemessung des Gesamtkondensators in Frage. Bei einem gegebenen Schwingungsausschlag des Spannungswechsels zwischen den beiden Kondensatorbelegen hat der Schwingungsausschlag der ausgesandten elastischen Wellen seinen Höchstwert, wenn die oben angegebene elastische Resonanzbedingung erfüllt ist. Sind die Nebenwellen parallel zu der Oberfläche des Kondensators, so erlaubt diese Bedingung die vollständige Dämpfung der elastischen Nebenenergie ohne Reflexion oder Transmission der Wellen sowie die vollständige Umformung dieser elastischen Energie in elektrische Energie, verfügbar im Empfangskreis.This condition is met if the! The strength of the capacitor structure is equal to : half the wavelength at a certain frequency. A half-wave lamella is understood to be a lamella whose thickness is equal to half the quotient of the propagation speed of the longitudinal waves in a lamella material at the given frequency. For a capacitor made of a thin and between two steel lamellas of the same thickness lying quartz lamella, the resonance is obtained when the strength of the condenser is equal to half the wavelength in the steel. The resonance is also obtained when this strength is a multiple of this half wavelength. Depending on the design of the capacitor, the larger component is decisive. If it is the steel coating, then the wavelength in it is decisive. If it is the quartz lamella, half the wavelength for this building material can be used for dimensioning the overall capacitor. For a given oscillation amplitude of the voltage change between the two capacitor layers, the oscillation amplitude of the emitted elastic waves has its maximum value if the elastic resonance condition specified above is fulfilled. If the secondary waves are parallel to the surface of the capacitor, this condition allows the complete attenuation of the elastic secondary energy without reflection or transmission of the waves as well as the complete conversion of this elastic energy into electrical energy, available in the receiving circuit.
Die in großen Mengen verfügbaren Quarzkristalle lassen nur Platten von beschränkter Größe zu. Es ist also notwendig, für die Herstellung der Kondensatorplatten mehrere Platten nebeneinanderzulegen, deren Binärachsen parallel gerichtet sind und aus diesem GrundeThe quartz crystals available in large quantities leave only plates of limited Size too. It is therefore necessary to have several plates for the production of the capacitor plates side by side, the binary axes of which are parallel and for this reason
ein Mosaikgebilde darstellen, deren Elemente«1, a2 usw. durch eine isolierende Masse (Vaseline, Harz usw.) verbunden sind, um die Erzeugung von Ausströmungen längs der Verbindungsflächen zu vermeiden.represent a mosaic structure whose elements 1 , a 2 , etc. are connected by an insulating compound (vaseline, resin, etc.) in order to avoid the generation of outflows along the connecting surfaces.
Um die notwendige Quarzmenge herabzusetzen und gleichzeitig den notwendigen Spannungsunterschied für die Sendung einer gegebenen Leistung in Gestalt elastischer WellenTo reduce the necessary amount of quartz and at the same time the necessary voltage difference for the transmission of a given power in the form of elastic waves
ίο zu erhalten, ist es geboten, dem Quarz die Form einer dünnen Platte zu geben und den Rest der Platte aus Metall zu bilden (Bronze, Stahl, Aluminium). Diese Bauart wird durch Abb. 3 veranschaulicht.ίο it is imperative to use the quartz To give the shape of a thin plate and to form the rest of the plate from metal (bronze, Steel, aluminum). This type of construction is illustrated by Fig. 3.
Die Wirksamkeit des Quarzes, betreffs der piezoelektrischen Sicht, erhält ihr Maximum in der Mitte der Halbwellenplatte. Die beste Einteilung besteht also darin, die Quarzplatte zwischen zwei Metallplatten von gleicher Stärke g und g1 zu setzen, die an die Quarzplatte mittels eines geeigneten Verbindungskittes geheftet sind, derart,· daß die dem Gefüge eigene Schwingung gemäß ihrer Stärke im Einklang steht mit der für das Senden erregten elektrischen Schwingung oder mit der für den Empfang erforderlichen ultrasonoren Nebenwelle. Die eine der beiden Metallplatten g1 kann als äußerer Kondensatorbelag dienen und sich im Kontakt mit dem Wasser auf der Seite befinden, welche die elastischen Wellen sendet bzw. empfängt. Die andere Platte g ist isoliert und bildet den inneren Kondensatorbelag.The effectiveness of quartz, as regards the piezoelectric view, reaches its maximum in the middle of the half-wave plate. The best division is therefore to place the quartz plate between two metal plates of the same thickness g and g 1 , which are attached to the quartz plate by means of a suitable bonding cement, so that the vibration inherent in the structure is in accordance with its strength in accordance with the electrical oscillation excited for transmission or with the ultrasonic secondary wave required for reception. One of the two metal plates g 1 can serve as an outer capacitor coating and be in contact with the water on the side that sends or receives the elastic waves. The other plate g is insulated and forms the inner capacitor plate.
Die Einteilung, auf Grund deren man die geeignete Platte erhält, wird in Abb. 3 veranschaulicht. In dieser Ausführung hat der innere isolierte Belag g seine dem Quarz entgegengesetzte Seite im Kontakt mit der Luft, wenn man will, daß die elastische Ausstrahlung von einer Seite aus geschehe, oder in Berührung mit einer isolierenden Flüssigkeit, Öl oder Petroleum, wenn die Ausstrahlung von beiden Seiten des Kondensators erfolgen soll. Die Metallplatte g1 bildet den Außenbelag in Berührung mit dem Wasser und bildet zugleich eine Wand des Gehäuses, welches den Kondensator umschließt.The classification on the basis of which the appropriate plate is obtained is illustrated in Fig. 3. In this embodiment, the inner insulated covering g has its side opposite to the quartz in contact with the air, if one wants the elastic radiation to take place from one side, or in contact with an insulating liquid, oil or petroleum, if the radiation is from should be done on both sides of the capacitor. The metal plate g 1 forms the outer covering in contact with the water and at the same time forms a wall of the housing which encloses the capacitor.
•Die Anordnung der für das Aussenden und Empfangen erforderlichen Apparate durch Vermittlung des Quarzkondensators ist also folgende:• The arrangement of the equipment required for sending and receiving through switching of the quartz capacitor is as follows:
a) Ein Element zur Erzeugung elektrischer Hochfrequenzschwingungen mit einer konstanten oder periodisch veränderlichen Amplitude, heterodyne Bogen oder Lampen.a) An element for generating high-frequency electrical oscillations with a constant or periodically varying amplitude, heterodyne arcs or lamps.
b) Der Senderschwingungskreis, enthaltend den Ouarzkondensator mit den notwendigen Teilen für die Richtungsänderung sowohl horizontal als auch vertikal.b) The transmitter oscillation circuit, containing the Ouarz capacitor with the necessary Split to change direction both horizontally and vertically.
c) Der Empfangsquarzkondensator, welcher sich mit dem Senderkondensator vereinigt, genau so wie ein und dieselbe Antenne in der drahtlosen Telegraphie zwei Zwecken dient.c) The receiving quartz capacitor, which combines with the transmitting capacitor, just as one and the same antenna serves two purposes in wireless telegraphy.
d) Der Empfangsschwingungskreis, welcher wenigstens teilweise mit dem Senderkreis sich vereinigen kann.d) The receiving oscillation circuit, which is at least partially connected to the transmitter circuit can unite.
e) Ein Lautverstärker, analog den in der drahtlosen Telegraphie benutzten für den Hörempfänger, und die notwendige Senderheterodyne, um im Verein mit Schwingungen, die zum Erkennen unterhalten werden, Schwingungsausschläge von vernehmbarer Frequenz zu erzeugen.e) A sound amplifier, analogous to the one used in wireless telegraphy for the listening receiver, and the necessary transmitter heterodyne in order to generate oscillation excursions in conjunction with oscillations that are maintained for recognition of audible frequency.
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