DE60005382T2

DE60005382T2 - Breitbandiger unterwasser-schallwandler

Info

Publication number: DE60005382T2
Application number: DE60005382T
Authority: DE
Inventors: Yves Lagier; Vito Suppa; Gerard Roux; Gilles Lubrano
Original assignee: Thales Underwater Systems SAS
Current assignee: Thales Underwater Systems SAS
Priority date: 1999-10-22
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2020-10-11
Also published as: EP1222653A1; DE60005382D1; US6617765B1; EP1222653B1; WO2001029820A1; FR2800229B1; FR2800229A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf breitbandige Unterwasser-Akustiktransduktoren, die insbesondere als Sender für akustische Signale in den aktiven Sonargeräten von Schiffen verwendet werden. Sie können jedoch auch als Empfänger sowie in Sonargeräten für U-Boote Verwendung finden.
Bekanntlich versucht man bei der Weiterentwicklung der Solarsysteme die Arbeitsfrequenz herabzusetzen, um insbesondere die Reichweite dieser Geräte sowie die Sendeleistung zu erhöhen. Man möchte auch Transduktoren haben, die in einem breiten Frequenzband arbeiten, um durch eine geeignete Verarbeitung die Nachhallphänomene zu beseitigen sowie um mehrere Sonargeräte in einer gleichen geographischen Zone verwenden zu können, indem so eine Zusammenarbeit der Systeme realisiert wird.
Derzeit sind die meist verwendeten Sende-Transduktoren vom "Tonpilz"-Prinzip. Diese Transduktoren verwenden einen Sendetrichter, der von einer sich auf einer Gegenmasse abstützenden Säule aus Keramik angeregt wird.
Diese "Tonpilz"-Sender ergeben einen guten Sendepegel und eine bedeutende Rückseiten-Abweisung, sodaß Kanäle mit einem niedrigen Pegel von Sekundärsignalen gebildet werden können. Außerdem sind sie sowohl in Sende- als auch in Empfangsrichtung verwendbar.
Dagegen haben sie den Nachteil einer relativ geringen Bandbreite, die typisch einem Überspannungskoeffizienten Q von etwa 3,5 entspricht. Außerdem ist die Verbindung zwischen Transduktor und Gehäuse relativ zerbrechlich, sodaß die Gefahr besteht, daß Wasser an dieser Stelle eindringt.
Da die möglichen Sendefrequenzen eng mit den Abmessungen des Trichters verknüpft sind, kann man schließlich die Frequenz nur durch Vergrößerung dieser Abmessungen absenken, was schnell an Grenzen stößt.
Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die Erfindung einen breitbandigen akustischen Unterwassertransduktor vor, der mindestens ein auf Biegung beanspruchtes piezoelektrisches Plättchen enthält und hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist, daß er außerdem einen zylindrischen Becher enthält, der an einem Ende durch eine Bodenplatte verschlossen und am anderen Ende offen ist, um einen ersten Hohlraum zu bilden, und daß das piezoelektrische Plättchen an der Außenseite der Bodenplatte befestigt ist und der erste Hohlraum des Bechers frei nach außen in das Milieu mündet, in das der Becher getaucht ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Querschnitt des Bechers kreisförmig.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist der Querschnitt des Bechers elliptisch.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist der erste Hohlraum zumindest teilweise mit einem Anpassungsmaterial gefüllt, dessen akustische Merkmale sich von denen des äußeren Milieus unterscheiden, in das der Transduktor eingetaucht ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal enthält der Transduktor außerdem einen Körper, der einen zweiten, inneren Hohlraum aufweist, welcher durch den Becher so verschlossen wird, daß er gegen das Umgebungsmilieu isoliert ist, wobei das piezoelektrische Plättchen in diesen inneren zweiten Hohlraum eingeschlossen ist und der erste Hohlraum nach außen gerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Merkmal enthält der Transduktor zwei Einheiten aus je einem Becher und einem piezoelektrischen Plättchen, die einander entgegengesetzt miteinander verbunden sind.
Gemäß einem weiteren Merkmal bildet der Becher die Vorderseite eines Transduktors vom bekannten "Tonpilz"-Typ. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden die Erfindung nicht einschrän kenden Figuren näher erläutert.
1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Transduktor.
2 zeigt den Frequenzverlauf der Sendeamplitude eines solchen Transduktors.
3 zeigt einen Längsschnitt durch eine Variante der Erfindung, bei der der Transduktor doppelt ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die im Längsschnitt in 1 gezeigt ist, besitzt eine Struktur, aus der man leicht erkennt, daß sie einen vollständigen Bruch mit der bisherigen Technologie darstellt, die auf der oben erwähnten "Tonpilz"-Struktur beruht.
Diese Vorrichtung enthält als aktives Element ein Keramikplättchen 101, das vorzugsweise aus einem Stück ist und in bekannter Weise zwei Elektroden 102 und 103 besitzt, die je an einer Hauptseite dieser Platte befestigt sind. Vorzugsweise bestehen diese Elektroden aus einer Silberbeschichtung. Diese Elektroden sind über Drähte 104 mit einem Verstärker verbunden, der ein Anregungssignal der gewünschten Frequenz liefert. Unter Berücksichtigung der Struktur des Geräts wäre es durchaus möglich, diese elektrischen Drähte auf einen einzigen Draht zu beschränken, der an die Elektrode 103 angeschlossen ist, welche ihrerseits isoliert ist. Die andere Elektrode, die mit der Masse des Geräts verbunden ist, würde dann über diese Masse angeschlossen.
Die Elektrode 102 ist an der ebenen Unterseite eines Bauteils 105 in Form eines an seiner Basis geschlossenen und an seiner Oberseite offenen Zylinders befestigt. Dieses Bauteil sei nachfolgend "Becher"genannt.
Die Vibrationen der Keramikplatte 101 werden an den Becher übertragen, dessen Struktur gemäß zwei Hauptresonanzmodi in Schwingung gelangt. Die kritischen Kopplungen dieser beiden Resonanzmodi erlauben es dann, eine große Bandbreite zu erzielen, die etwa 60% der Mittelfrequenz entspricht.
Der erste Resonanzmodus ist der natürliche Biegemodus der Innenseite des Bodens des Bechers unter der Wirkung der Keramik, die im Modus 3.1 arbeitet.
Der zweite Modus beruht auf der Wirkung des Fluids, das den Innenraum 106 des Bechers füllt und direkt in das äußere Milieu eingetaucht ist, im allgemeinen also in das Meerwasser. In diesem Raum ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Wellen nämlich geringer als im freien Raum, da die Wände des Bechers nicht unendlich steif sind. So ergibt sich ein Resonanzmodus entsprechend einem λ/4-Plättchen. Je größer die Steifheit der Wände ist, umso mehr nimmt die obere Frequenz zu. Je höher die Wände sind, umso mehr nimmt die untere Frequenz ab.
Wie die Figur zeigt, schlägt die Erfindung auch vor, dem Boden 107 des Bechers eine Verdickung in der Mitte zu verleihen, sodaß der Querschnitt dieses Lamelle die Form eines Balkens konstanten Biegewiderstands besitzt. Auf diese Weise werden die von dem Druck der äußeren Flüssigkeit auf das Keramikplättchen 101 über den Boden 107 des Bechers einwirkenden Kräfte gleichmäßig über dieses Plättchen verteilt, und sie kann sich unter der Wirkung dieses Drucks nicht wölben, was die Gefahr eines Bruchs des Keramikplättchens unter der Wirkung dieses Drucks beseitigt.
Diese Form vergrößert die in das Fluid strahlende Fläche um einen Faktor 2. Insgesamt ergibt sich eine bessere Stabilität der Keramik, ein höherer mechanisch/akustischer Wirkungsgrad und eine Verringerung der Kavitationsschwelle im Vergleich zu einem bekannten Biegetransduktors.
In der in der Figur gezeigten Ausführungsform wird der Transduktor durch einen Körper 112 ergänzt, der die Form eines zum Becher 105 konzentrischen Zylinders hat und in seinem oberen Bereichs einen Raum 108 bildet, in den der Becher eindringt. Dieser Becher ist über seine äußere Umfangsfläche am Körper, beispielsweise durch Verschweißen am oberen Ende des Körpers, befestigt. Diese Befestigung 109 wird von einer Überdicke innerhalb des Raums 108 gebildet, sodaß sich ein freier Raum 110 zwischen der Innenwand des Raums 108 und der Umfangswand des Bechers 105 ergibt, um das Schwingungsverhalten nicht zu stören. Die Zuleitungskabel 104 treten aus dem Körper durch einen axialen Kanal 111 aus, der einerseits in den Raum 108 mündet und andrerseits an der Unterseite des Körpers offen ist. Dieser axiale Kanal wird durch nicht dargestellte Mittel, beispielsweise einen Schraubstopfen, verschlossen, um einerseits den Anschluß der Leiter und andrerseits einen dichten Verschluß der Räume 108/111 zu gewährleisten. Auf diese Weise bleibt der Raum 108 mit Luft gefüllt, ohne daß Wasser eindringen könnte. So kann das Keramikplättchen 101 schwingen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wurde in 2 eine Kennlinie der Empfindlichkeit in Senderichtung für einen solchen Transduktor dargestellt, dessen Becher 105 einen Außendurchmesser von 115 mm und eine Dicke der Umfangswände von 4 mm sowie eine Gesamthöhe von 46 mm mit einer Dicke im Zentrum des Becherbodens von 14 mm hat. Man stellt an dieser Kennlinie deutlich die Erweiterung des Frequenzbands fest. Außerdem ist dieses Frequenzband zu niedrigen Frequenzen hin für eine Dimensionierung verschoben, die für einen bekannten Transduktor vom "Tonpilz"-Prinzip einer deutlich höheren Sendefrequenz entsprechen würde.
Im Rahmen einer Variante schlägt die Erfindung auch vor, den Becher 105 als Zylinder mit elliptischem statt kreisförmigem Querschnitt auszubilden. Dadurch erhält man zwei unterschiedliche Resonanzen in dem Raum 106, zusätzlich zur Resonanz des Keramikplättchens 101. Auf diese Weise vergrößert man nochmals die Bandbreite.
Es ist auch möglich, die Einheit aus Becher 105 und Keramikplättchen 101 alleine ohne den Körper 112 zu verwenden, wobei dann die Isolierung der Elektroden 102, 103 durch eine geeignete Beschichtung gewährleistet wird, bei spielsweise eine dichte Farbschicht. Dieser Transduktor, der dem unter dem englischen Begriff "free flooded" bekannt ist, kann ohne Begrenzung hinsichtlich der Tauchtiefe, aber mit einem geringeren Wirkungsgrad aufgrund der Einwirkung des Wassers auch auf die Rückseite der Keramik verwendet werden. In diesem Fall wird die Höhe des Raums vorzugsweise gleich der Hälfte der zentralen Wellenlänge des Transduktors gewählt, um eine gute Anpassung zu erzielen, indem eine Phasenangleichung zwischen den vorne ausgesendeten Wellen und den hinten ausgesendeten Wellen durchgeführt wird.
Die Erfindung schlägt im Rahmen einer Variante auch vor, den Raum des Bechers 105, gegebenenfalls über eine Höhe, die der Höhe des Bechers nicht gleicht, mit einem Anpassungsmaterial zu füllen, dessen akustische Kennwerte, insbesondere die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalls, sich von denen des Wassers unterscheiden. Auf diese Weise kann die Kennlinie verändert werden, beispielsweise indem man sie flacher macht oder aber noch weiter verbreitert.
Eine andere, in 3 gezeigte Variante besteht darin, zwei Einheiten aus je einem Becher und einem Keramikplättchen zu verwenden, von denen die eine die Bezugszeichen 105/101 und die andere die Bezugszeichen 205/201 trägt und die einander gegenüberliegend auf einer die Form eines beidseitig offenen Zylinders besitzenden Hülle 117 befestigt sind. Die Anschlußdrähte 114 zu den beiden Keramikplättchen treten dann über einen an der Wand der Hülle 117 befestigten Verbinder 211 nach außen. Eine solche Anordnung ergibt einen Transduktor, der eine bipolare Abstrahlung aufweist und durch eine erhebliche Unterdrückung der Abstrahlung in der Längsachse ausgezeichnet ist.
Schließlich besteht eine Erweiterung der Erfindung darin, den Sendetrichter eines bekannten Transduktors vom "Tonpilz"-Prinzip so umzugestalten, daß er die Form des Bechers 105 annimmt. So ergibt sich ein breitbandiger Tonpilz-Transduktor, der im Vergleich zur Basiskonfiguration in
1 wegen der für einen "Tonpilz"-Trichter typischen Stapelung der Keramik eine noch größere Sendeleistung zu erreichen erlaubt. Dieser Vorteil wird aber durch eine Vergrößerung des Raumbedarfs und das Wiederauftreten der bekannten Abdichtungsprobleme des "Tonpilz"-Systems erkauft, da nun die freie Auslenkung des "Tonpilz"-Trichters bezüglich dessen Körper sichergestellt werden muß.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Erfindung im Vergleich mit der bisher verwendeten Technologie zugleich eine Vergrößerung des Sendefrequenzbands, eine Verschiebung dieses Bands in Richtung zu niedrigeren Frequenzen ohne Veränderung des Raumbedarfs der Vorrichtung, eine Verbesserung der Abdichtung der Vorderseite und eine Verringerung der Kosten des Geräts aufgrund der Verringerung der Anzahl von für seine Herstellung erforderlichen Bauteilen erreicht wird.

Claims

Breitbandiger akustischer Unterwassertransduktor, der mindestens ein auf Biegung beanspruchtes piezoelektrisches Plättchen (101) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen zylindrischen Becher (105) enthält, der an einem Ende durch eine Bodenplatte (107) verschlossen und am anderen Ende offen ist, um einen ersten Hohlraum (106) zu bilden, und daß das piezoelektrische Plättchen (101) an der Außenseite der Bodenplatte befestigt ist und der erste Hohlraum (106) des Bechers frei nach außen in das Milieu mündet, in das der Becher getaucht ist.
Transduktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Bechers (105) kreisförmig ist.
Transduktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Bechers (105) elliptisch ist.
Transduktor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Hohlraum (106) zumindest teilweise mit einem Anpassungsmaterial gefüllt ist, dessen akustische Merkmale sich von denen des äußeren Milieus unterscheiden, in das der Transduktor eingetaucht ist.
Transduktor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er außerdem einen Körper (107) aufweist, der einen zweiten, inneren Hohlraum (108) aufweist, welcher durch den Becher (105) so verschlossen wird, daß er gegen das Umgebungsmilieu isoliert ist, wobei das piezoelektrische Plättchen (101) in diesen inneren zweiten Hohlraum (108) eingeschlossen ist und der erste Hohlraum (106) nach außen gerichtet ist.
Transduktor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei Einheiten aus je einem Becher (105, 205) und einem piezoelektrischen Plättchen (101, 201) enthält, die einander entgegengesetzt miteinander verbunden sind.
Transduktor nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Becher (105) die Vorderseite eines Transduktors vom bekannten "Tonpilz"-Typ bildet.