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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf Systeme und Verfahren, um ein Aktivelement
an einem ausgewählten
Arbeitspunkt zu halten, und insbesondere auf Systeme und Verfahren,
die Bewegungsspulenwandler passiv kompensieren, um Druckschwankungen
auszugleichen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
Bewegungsspulenwandler für
Anwendungen unter Wasser ist ähnlich
wie ein Lautsprecher, indem er mit einem sehr weichen Aufhängungssystem
ausgelegt ist, um eine niedrige Eigenresonanzfrequenz bereitzustellen.
Wegen dieses weichen, strukturell nachgiebigen Aufhängungssystems, ist
ein Druckkompensationssystem erforderlich, um die Kräfte, die
auf den sich bewegenden, abstrahlenden Kolben wirken, in statischem
Gleichgewicht zu halten. Indem der Innendruck an den Außendruck
angeglichen wird, wird der abstrahlende Kolben in seiner Neutralposition
gehalten. Es ist wichtig, dass für den
abstrahlenden Kolben eine Neutralposition gehalten wird, wegen der
mechanischen Begrenzungen, die mit der Ausrichtung des abstrahlenden
Kolbens mit dem Magnetantrieb verknüpft sind. Große Auslenkungen
aus einer Neutralposition werden den Kolben dazu veranlassen, die
Grenze des angelegten Magnetfeldes zu überschreiten, was mit einer
Reduktion der Ausgangsleistung und einem Anstieg der Verzerrung
verbunden ist. Ein typisches maximales Druckungleichgewicht von
nur 0,15 PSI, das auf den abstrahlenden Kolben wirkt, ist für diese
Arten von Wandlern zugelassen. Druckausgleich muss aufrechterhalten
werden, wenn der hydrostatische Druck sowohl angestiegen als auch
abgesunken ist.
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Bist
jetzt haben diese Arten von Wandlern hinter dem abstrahlenden Kolben
unter Druck stehendes Gas verwendet, um den Wandlerinnendruck gegenüber dem
hydrostatischen Außendruck,
der auf die Vorderseite des abstrahlenden Kolbens wirkt, auszugleichen.
Für Anwendungen
in geringen Tiefen kann dies leicht erreicht werden, indem eine
gasgefüllte
Blase verwendet wird. Wenn der hydrostatische Druck ansteigt, wird
die Blase unter der hydrostatische Last zusammengedrückt. Die
zusammengedrückte
Blase vermindert das innere Gasvolumen. Da das Gasvolumen abnimmt,
steigt der Druck. Druckgleichgewicht wird erzielt, wenn die Blase
ausreichend zusammengedrückt
wird, so dass der Innendruck gleich dem Außendruck ist . Diese Methode wird "Passives Gasausgleichsystem" genannt. Es ist für Anwendungen
in größeren Tiefen
nicht praktikabel, weil die Abmessung der Blase untragbar groß wird.
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Für größere Tiefen
verwendet diese Art von Wandler traditionell eine andere Gasausgleichmethode,
die unter hohem Druck stehendes Gas in das Innere des Wandlers einbläst . Diese
Gasausgleichmethode ist als "Aktives
Gasausgleichsystem" bekannt. Diese
Art von Ausgleichsystem ist sehr kompliziert, weil es eine Methode
erforderlich macht, um den Innen- und Außendruck zu messen und das
Hinzufügen
von unter hohem Druck stehendem Gas in das Innere des Wandlers und
das Ausstoßen dieses
Gases aus dem Wandler zu steuern. Diese Gasausgleichsmethode macht
es auch erforderlich, dass unter hohem Druck stehendes Gas als Teil
des Wandlersystems mitgeführt
wird. Unter hohem Gasdruck stehender Behälter und damit verbundene Installation
stellen ein Sicherheitsrisiko dar. Außerdem ist die Einsatzlebensdauer
für diese
Art von System sehr begrenzt, weil das Gas ausgestoßen und
nicht zurück
gewonnen wird. Dies ist insbesondere für Systeme, wie beispielsweise
das Zielunterwasserfahrzeug (TUV) Mk30 Mod 2 System mühsam, das
lediglich über
ein geringes zugewiesenes Volumen für Wandlerkomponenten verfügt. Diese
Art von Gasausgleichsystem würde
folglich die Einsatzlebensdauer des TUV-Systems Mk30 Mod 2 stark
begrenzen. Das Fahrzeug müsste
regelmäßig an die
Oberfläche
gebracht und das unter hohem Druck stehende Gas nachgefüllt werden.
Ein weiterer Nachteil dieser Art von System besteht darin, dass,
obwohl das Gas Druckausgleich für
den abstrahlenden Kolben bereitstellt, die Nachgiebigkeit des Gases
mit dem Quadrat des absoluten Gasdrucks abnimmt. Wenn das System
die Einsatztiefe wechselt, ändert
sich daher die Nachgiebigkeit des Aufhängungssystems und die Resonanzfrequenz
des Systems wird sich ändern. Wenn
der Wandler in größere Tiefen
abgelassen wird, steigt die Resonanzfrequenz beträchtlich
an, da die Nachgiebigkeit des Gases hinter dem Kolben abnimmt .
Die Risiken bei der Handhabung von unter hohem Gasdruck stehenden
Behältersystemen,
die Erfordernisse der Gasversorgung und die Änderung des Betriebsverhaltens
des Wandlers machen das aktive Gasausgleichsystem zu einem sehr
unattraktiven, unzuverlässigen
Ausgleichsystem.
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EP-A-0881001
bezieht sich auf einen elektrodynamischen Wandler, der dafür ausgelegt
ist, akustische Wellen in einer Meeresumgebung auszusenden. Eine
Haube eines Wandlers wird mit einem Schalltrichter bereitgestellt,
der in dem Körper
des Wandlers mit einer Düse,
deren lichte Weite extrem gering ist, gleitet. Dies vermindert die
Wirkungen einer Druckwelle, die von einer möglichen äußeren Explosion herrühren, und
verhindert das Zerreüßen der hermetisch
dichtenden Membran zwischen dem Schalltrichter und dem Körper.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können den Druck zwischen einem
inneren Hohlraum und einer Außenumgebung
an den inneren Hohlraum angleichen, während akustische Isolation
zwischen den beiden Umgebungen bereitgestellt wird, so dass Schallenergie,
die sich in einer Umgebung ausbreitet, keine akustischen Schwingungen
in der anderen Umgebung verursacht. Bei einer Anwendung werden diese
Druckausgleichsysteme dazu verwendet, den Druck auf beiden Seiten
eines Bewegungsspulengebers auszugleichen, wodurch die schädliche Wirkung
vermindert wird, die eine Druckdifferenz an einem Bewegungsspulengeber
auf die Wirkungsweise des Bewegungsspulengebers haben kann, und
die Wahrscheinlichkeit, dass sich aus sich ausbreitender akustischer
Energie Phasenlöschung
ergeben kann, die das akustische Betriebsverhalten des Bewegungsspulengebers
vermindert, reduziert wird.
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Bei
einer Ausführungsform
umfassen die Systeme Druckausgleichvorrichtungen zur Verwendung
mit einer Wandleranordnung, die eine sich bewegende Spule und eine
Membran aufweist. Die Druckausgleichvorrichtung kann ein Gehäuse beinhalten,
das einen inneren Hohlraum aufweist, der mit inkompressibler Flüssigkeit
gefüllt
werden kann und der zur Aufnahme und zum Einschluss der sich bewegenden
Spule der Wandleranordnung bemessen ist. Eine elastische Blase kann
innerhalb des Gehäuses
angeordnet sein und kann einen ersten Abschnitt aufweisen, der mit
der Betriebsumgebung kommuniziert, und einen zweiten Abschnitt,
der mit einem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit kommuniziert, das
in dem Gehäuse
vorhanden ist. Ein akustisches Filter kann mit dem Reservoir inkompressibler
Flüssigkeit
in Verbindung stehen und Schallenergie dämpfen, die sich bei bestimmten
Frequenzen innerhalb des Reservoirs inkompressibler Flüssigkeit
ausbreitet, und ein Flüssigkeitsverbindungsgang
kann sich zwischen dem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und dem inneren Hohlraum erstrecken, wobei eine Druckänderung
in der Betriebsumgebung auf die elastische Blase einwirkt und durch
das Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und den Flüssigkeitsverbindungsgang
kommuniziert wird, um den Druck innerhalb des inneren Hohlraums
zu regeln.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann die Vorrichtung einen zusammendrückbaren Körper beinhalten, der innerhalb
des inneren Hohlraums angeordnet ist. Der zusammendrückbare Körper kann
in Abhängigkeit
von der Bewegung des Gebers innerhalb des Hohlraums zusammengedrückt oder
ausgedehnt werden. Der zusammendrückbare Körper kann ein gekerbter Zylinder
sein, eine Federanordnung, wie eine Belleville-Federanordnung, oder
jede andere Vorrichtung, die in der Lage ist, wie eine Feder zu funktionieren.
In einer Ausführungsform
ist der zusammendrückbare
Körper
eine mit Luft gefüllte
nachgiebige-Scheibenanordnung, die in Reaktion auf eine Druckänderung
innerhalb des inneren Hohlraums komprimierbar ist. Die nachgiebige
Scheibenanordnung kann auch mehrere Blasen umfassen, die mit einem
kompressiblen Gas gefüllt
sind, das in Reaktion auf eine Druckänderung innerhalb des inneren Hohlraums
komprimierbar ist.
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In
einer Ausführungsform
kann das Filter einen Kanal umfassen, der zwischen das Reservoir
inkompressibler Flüssigkeit
und den inneren Hohlraum geschaltet ist und der einen inneren Verbindungsgang
aufweist, um den Flüssigkeitsverbindungsgang zu
bilden, der sich dazwischen erstreckt und dazu bemessen ist, einer Übertragung
von Schallenergie bei bestimmten Frequenzen zwischen dem Reservoir
inkompressibler Flüssigkeit
und dem inneren Hohlraum zu widerstehen.
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Der
Flüssigkeitsverbindungsgang
kann einen Kanal beinhalten, der zwischen das Reservoir inkompressibler
Flüssigkeit
und den inneren Hohlraum geschaltet ist und der so bemessen ist,
dass er inkompressibler Flüssigkeit
die Möglichkeit
gibt, mit einer Rate hindurch zu treten, die als eine Funktion der Rate
einer Druckänderung
der Betriebsumgebung gewählt
wird.
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Das
Gehäuse
kann einen Körper
umfassen, der eine Masse aufweist, die so gewählt ist, dass sie bei bestimmten
Frequenzen einer Vibration widersteht, sowie einen Stützkragen
zum Anbringen an die Wandleranordnung. Das Gehäuse kann auch einen Anbringungskragen
beinhalten, um zu ermöglichen, dass
das Gehäuse
entfernbar und ersetzbar an einer Oberfläche angebracht wird.
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In
einem anderen Aspekt beinhalten die hierin beschriebenen Systeme
einen modularen Bewegungsspulenwandler, der einen Druckausgleich
zum Anpassen an Druckänderungen
in einer Betriebsumgebung aufweist. Der Wandler kann eine Wandleranordnung
umfassen, die eine sich bewegende Spule und eine Membran aufweist,
ein Gehäuse,
das einen mit inkompres sibler Flüssigkeit
gefüllten
inneren Hohlraum aufweist, der die sich bewegende Spule der Wandleranordnung
umschließt,
und das eine elastische Blase aufweist, die zwischen der Betriebsumgebung
und einem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit angeordnet ist, das
innerhalb des Gehäuses
unterhalten wird und dazu in der Lage ist, sich in Reaktion auf
eine Druckänderung
in der Betriebsumgebung zu deformieren, ein Filter, das mit dem
Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
in Verbindung steht und dazu in der Lage ist, Schallenergie zu dämpfen, die
sich bei bestimmten Frequenzen innerhalb des Reservoirs inkompressibler
Flüssigkeit
ausbreitet, und einen Flüssigkeitsverbindungsgang,
der sich zwischen dem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und dem inneren Hohlraum erstreckt, wobei eine Druckänderung
in der Betriebsumgebung auf die elastische Blase einwirkt, um durch
das Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und den Flüssigkeitsverbindungsgang
kommuniziert zu werden, um den Druck innerhalb des inneren Hohlraums
zu regeln.
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Der
Wandler kann auch einen zusammendrückbaren Körper beinhalten, der innerhalb
des inneren Hohlraums angeordnet ist, sowie eine nachgiebige Scheibenanordnung,
die in Reaktion auf eine Druckänderung
innerhalb des inneren Hohlraums komprimierbar ist. Das Filter kann
einen Kanal umfassen, der zwischen das Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und den inneren Hohlraum geschaltet ist und der einen inneren Kanal
aufweist, um den Flüssigkeitsverbindungsgang
zu bilden, der sich dazwischen erstreckt und dazu bemessen ist,
einer Übertragung
von Schallenergie bei bestimmten Frequenzen zwischen dem Reservoir
inkompressibler Flüssigkeit
und dem inneren Hohlraum zu widerstehen. Der Flüssigkeitsverbindungsgang beinhaltet
einen Kanal, der zwischen das Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und den inneren Hohl raum geschaltet ist und der so bemessen ist,
dass er inkompressibler Flüssigkeit
die Möglichkeit
gibt, mit einer Rate hindurch zu treten, die als eine Funktion der
Rate einer Druckänderung
der Betriebsumgebung gewählt
wird.
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Die
Systeme können
auch Zielunterwasserfahrzeuge beinhalten, die auf verschiedene Tiefen
innerhalb einer flüssigen
Umgebung ansteigen und absteigen können, umfassend einen eintauchbaren Körper, der
eine Seitenwand mit einer Aufnahmebuchse zur Aufnahme einer Wandleranordnung
aufweist, und eine modulare Wandleranordnung, die innerhalb der
Aufnahmebuchse angebracht ist und die einen Bewegungsspulengeber
aufweist, der eine Bewegungsspule und eine Membran beinhaltet, ein
Gehäuse,
das einen mit inkompressibler Flüssigkeit
gefüllten
inneren Hohlraum aufweist, der die Bewegungsspule umschließt, und
das eine elastische Blase aufweist, die zwischen der flüssigen Umgebung und
einem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit angeordnet ist, das
innerhalb des Gehäuses
unterhalten wird, ein Filter, das mit dem Reservoir inkompressibler
Flüssigkeit
in Verbindung steht und in der Lage ist, Schallenergie, die sich
bei bestimmten Frequenzen innerhalb des Reservoirs inkompressibler
Flüssigkeit
ausbreitet, zu dämpfen,
und einen Flüssigkeitsverbindungsgang,
der sich zwischen dem Reservoir inkompressibler Flüssigkeit
und dem mit inkompressibler Flüssigkeit
gefüllten
inneren Hohlraum erstreckt, wodurch eine Druckänderung, die sich aufgrund
einer Änderung
der Tiefe innerhalb der flüssigen
Umgebung ergibt, auf die elastische Blase einwirkt, um die Druckänderung
durch das Reservoir inkompressibler Flüssigkeit und den Flüssigkeitsverbindungsgang
hindurch zu kommunizieren, um den Druck innerhalb des inneren Hohlraums
zu regeln.
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Weitere
Aufgaben der Erfindung sind zum Teil nahe liegend und zum Teil in
der folgenden Beschreibung der darin gezeigten Systeme und Verfahren
gezeigt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Das
Vorangehende und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden
vollständiger durch
die folgende weitere Beschreibung erkannt werden, die sich auf die
begleitenden Zeichnungen bezieht, in denen:
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1 eine
Wandleranordnung mit einem passiven Ausgleichsystem beschreibt;
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2 in
größerer Einzelheit
den Bewegungsspulengeber aus 1 beschreibt;
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3 in
größerer Einzelheit
eine der nachgiebigen Scheibenanordnungen aus 1 beschreibt
und
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4 ein
Unterwasserfahrzeug mit einem passiv kompensierten Bewegungsspulenwandler
beschreibt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER DARGESTELLTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Um
ein umfassendes Verständnis
der Erfindung zu bieten, werden nunmehr bestimmte illustrative Ausführungsformen
beschrieben, die einen Bewegungsspulenwandler mit passivem Druckausgleich
beinhalten. Es wird sich allerdings für einen Durchschnittsfachmann
von selbst verstehen, dass die hierin beschriebenen passiven Ausgleichsysteme angepasst
und modifiziert werden können,
um Druckausgleich für
andere Vorrichtungen und Verfahren bereitzustellen, die von der
verminderten Größe und Komplexität profitieren
können,
die durch die hierin beschriebenen Druckausgleichsysteme erzielt werden.
Darüber
hinaus ist es für
einen Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass zahlreiche Zusätze und
Modifikationen an den beschriebenen Systemen und Methoden durchgeführt werden
können, ohne
von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Die
hierin beschriebenen Systeme und Verfahren stellen passive Ausgleichsysteme
bereit, die den Druck innerhalb eines Hohlraumes an den Umgebungsdruck
außerhalb
des Hohlraumes angleichen können.
In den dargestellten Ausführungsformen
werden in den Druckausgleichsystemen Bewegungsspulenwandleranordnungen
eingesetzt, die ein Signal, wie beispielsweise ein Schallsignal,
in eine Einsatzumgebung, die veränderlichen
Druck aufweist, abgeben. Es versteht sich, dass der Bewegungsspulenwandler
für korrektes
Funktionieren in einer Umgebung mit im Wesentlichen gleichförmigem Druck
arbeiten sollte. Verbessertes Betriebsverhalten kann somit erzielt
werden, indem Druckgradienten oder Druckunterschiede, die in dem
Bereich, in dem sich der Wandler bewegt, reduziert oder eliminiert
werden. Dieser Druckausgleich reduziert oder eliminiert die schädlichen
Wirkungen auf das Betriebsverhalten des Wandlers, die entstehen
können, wenn
eine Seite des sich bewegenden Wandlers einer Kraft ausgesetzt ist,
die durch einen Druck erzeugt wird, der auf einer Seite des Wandlers
aufgebracht wird. Außerdem
integrieren die hierin beschriebenen Systeme akustische Filter in
die passiven Ausgleichsysteme, um die Übertragung von Schallenergie
von der Umgebung innerhalb des inneren Hohlraumes zur Außenumgebung
zu reduzieren oder zu eliminieren. Die hierin beschriebenen Druckausgleichsysteme
gleichen somit den Druck innerhalb eines inneren Hohlraumes, der
die sich bewegende Spule des Bewegungsspulenwandlers aufnimmt, an
den der Einsatzumgebung an, auf welche die sich bewegende Spule
wirkt, ohne Einführen
von Phasenlöschwirkungen,
die von der Übertragung
der Schallenergie von Einsatzumgebung zur Umgebung, in der sich
der Wandler bewegt, auftreten kann.
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1 beschreibt
eine erste Ausführungsform
eines Wandlers, der ein passives Ausgleichsystem gemäß der Erfindung
beinhaltet. Insbesondere stellt 1 eine Wandleranordnung 10 dar,
die eine Bewegungsspulengeberanordnung 12, ein Gehäuse 14,
ein Flüssigkeitsreservoir 16,
einen inneren Hohlraum 18, einen Flüssigkeitsverbindungsgang 20,
ein Paar mit Gas 23 gefüllter,
zusammendrückbarer Scheibenanordnungen 22,
ein Paar elektrischer Anschlüsse 24,
eine elastische Blase 28 und eine durchbrochene Abdeckung 30 aufweist.
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Die
beschriebene Anordnung 10 beinhaltet den Bewegungsspulengeber 12,
der teilweise innerhalb des inneren Hohlraumes 18 des Gehäuses 14 eingeschlossen
ist, wobei eine Seite 26 des Bewegungsspulengebers 12 außerhalb
des Hohlraumes 18 angeordnet ist. Die durchbrochene Abdeckung 30 sitzt
auf dem Umfangsrand des Gehäuses 14 und stellt
eine Schutzplatte bereit, welche die ungeschützte Seite 26 des Bewegungsspulengebers 12 abdeckt.
Das Flüssigkeitsreservoir 16 und
der innere Hohlraum 18 können mit einer nicht zusammendrückbaren
Flüssigkeit,
wie beispielsweise Polyalken-Glykol, gefüllt sein.
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2 beschreibt
in größerer Einzelheit
einen Bewegungsspulengeber 12, der zur Verwendung in dem
in Figur 1 beschriebenen System geeignet ist. Der beschriebene Bewegungsspulengeber 12 ist eine
herkömmliche
Bewegungsspulenantriebsanordnung, wie sie beispielsweise von Argotec
in Ft. Lauderdale, Florida hergestellt und verkauft wird und kann
zum Beispiel der Seltenerdgeber Argotec MOD 215 sein. Wie
in 2 beschreiben wird, beinhaltet der Bewegungsspulengeber 12 einen
Befestigungsflansch 32, der an einem Befestigungsrand 34 des Gehäuses 14 anliegt
und befestigt wird. Der Befestigungsrand 34 kann eine Randdichtung
(nicht gezeigt) zum Abdichten gegen den Befestigungsflansch 32 umfassen,
wodurch eine flüssigkeitsdichte
Abdichtung zwischen dem Bewegungsspulengeber 12 und dem
Gehäuse 14 bereitgestellt
wird.
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Die
Querschnittsansicht in 2 zeigt, dass der Bewegungsspulengeber 12 einen
sich bewegenden Kolben 38, eine Membran 40, einen
mechanischen Anschlag 42, eine Spule 44, Magnetpole 50 und
Flüssigkeitsdurchgangsöffnungen 54 beinhaltet. Wie
es dargestellt ist, weist das Gehäuse 36 des Bewegungsspulengebers 12 einen
Kolbenhohlraum 46 auf, der an einem Ende durch die Membran 40 geschlossen
ist. Die Membran 40 dichtet entlang dem Umfang des Kolbenhohlraumes 46 ab
und fügt
sich an die obere Fläche
des beweglichen Kolbens 38 an. Die Membran 40 kann
aus einem elastischen Material, wie Gummi, gebildet werden, und
wirkt dabei wie ein Aufhängungsglied,
das den sich bewegenden Kolben 38 innerhalb den Kolbenhohlraumes 46 hält, während es
dem beweglichen Kolben 38 ermöglicht, innerhalb des Kolbenhohlraumes 46 zu
steigen und zu fallen.
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Wie
weiter durch 2 beschrieben wird, weist der
bewegliche Kolben 38 an einem Ende eine Spule 44 auf,
die von einer Mehrzahl von Wicklungen eines elektrisch leitfähigen Materials,
wie beispielsweise Kupferdraht, gebildet wird. Die beschriebene Spule 44 ist
zu den Permanentmagneten 52 benachbart. Die Permanentmagneten 52 erzeugen
ein gleichgerichtetes Magnetfeld, das auf die Spule 44 wirkt.
Die Spule 44 kann an einen Wechselstromgenerator (nicht
gezeigt) gekoppelt sein, um die Spule 44 mit einem Wechselstrom
zu versorgen. Die elektromagnetischen Felder, die durch den Wechselstrom
und die Permanentmagneten 52 bereitgestellt werden, wirken
aufeinander ein, um eine Wechselstrom-Kraft in Richtung senkrecht
zum Wechselstrom zu erzeugen. Die erzeugte Kraft, die an der Spule 44 aufgebracht
wird, bewegt den Kolben 38 proportional zur Stärke des
gleichgerichteten Magnetfeldes, zur Länge des dem gleichgerichteten
Magnetfeld ausgesetzten Drahtes und zur Größe des Stroms in dem Draht
. Die Größe der Bewegung
des beweglichen Kolbens 38 wird zum Teil durch den mechanischen Anschlag 42 begrenzt,
der unterhalb einer Fläche des
beweglichen Kolbens 38 angeordnet ist, und durch die elastische
Membran 40, die den beweglichen Kolben 38 an das
Gehäuse 36 und
die Abdeckplatte 30 koppelt. Zu diesem Zweck kann der mechanische
Anschlag 42 aus einem elastischen Material gebildet werden,
welches die Wahrscheinlichkeit der Beschädigung des sich bewegenden
Kolbens 48, die durch Kontakt mit Flächen des Gehäuses 36 auftritt, reduziert.
Bei der beschriebenen Ausführungsform wird
die Bewegung des beweglichen Kolbens 38 deshalb durch den
Luftspalt zwischen dem Gehäuse 36 und
dem beweglichen Kolben 38 begrenzt.
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2 beschreibt
weiter, dass der Bewegungsspulengeber 12 eine Mehrzahl
von Flüssigkeitsdurchgangsöffnungen 54 aufweist,
die den Kolbenhohlraum 46 mit dem Bereich außerhalb
des Gehäuses 36 in
Flüssigkeitsverbindung
bringt. 2 beschreibt insbesondere Flüssigkeitsdurchgangsöffnungen 54,
die sich durch das Gehäuse 36 erstrecken,
um es Flüssigkeit
zu ermöglichen,
von außerhalb
des Gehäuses 36 in
den Kolbenhohlraum 46 hindurch zu treten. 2 zeigt
weiter, dass der beschriebene, bewegliche Kolben 38 Öffnungen 54 aufweist,
die sich durch ihn hindurch erstrecken, die weiter als Flüssigkeitsdurchgangsöffnungen
wirken, um es Flüssigkeit
zu ermöglichen,
mit sämtlichen
Lücken und
Räumen,
die innerhalb des beweglichen Kolbens 38 liegen, zu kommunizieren.
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Um
auf 1 zurückzukommen,
kann gesehen werden, dass die Flüssigkeitsdurchgangsöffnungen 54 den
Geberhohlraum 46 mit dem inneren Hohlraum 18 in
Flüssigkeitsverbindung
bringt, und es dadurch Flüssigkeit
ermöglichen,
von dem inneren Hohlraum 18 in den Geberhohlraum 46 des
Bewegungsspulengebers 12 zu strömen. Dementsprechend kann die
Flüssigkeit
innerhalb des inneren Hohlraumes 18 in und aus dem Bewegungsspulengeber 12 strömen, um
den Flüssigkeitsdruck
des inneren Hohlraumes 18 und des Geberhohlraumes 46 (in 2 gezeigt)
auszugleichen oder im Wesentlichen auszugleichen. Wie oben diskutiert
wurde, kann die Flüssigkeit
in dem Hohlraum 18 und dem Geberhohlraum 46 jede
geeignete nicht zusammendrückbare
Flüssigkeit,
wie beispielsweise Öl
oder Polyalken-Glykol, sein.
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Unterhalb
des Bewegungsspulengebers 12 sind zwei nachgiebige Scheibenanordnungen 22 angeordnet.
Die nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 stellen zusammendrückbare Körper innerhalb
des inneren Hohlraumes 18 bereit, die in Abhängigkeit von
Druckänderungen
innerhalb des inneren Hohlraumes sich zusammendrücken oder ausdehnen können. Dementsprechend
stellen die nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 eine nachgiebige
Unterstützung
für den
Bewegungsspulengeber 12 bereit.
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Während der
Erzeugung von Niederfrequenzsignalen mit bedeutender Schallleistung
zum Beispiel wird der Bewegungsspulengeber 12 den Kolben 38 und
die Membran 40 dazu führen,
die Membran um große
Strecken aus dem ausgelegten Ruhepunkt des Gebers 12 zu
verlagern. Um diese großen
Verlagerungen zu erzeugen, beinhaltet die Wandleranordnung 10 die
nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 innerhalb des inneren
Hohlraumes 18, um dem sich bewegenden Kolben 38 einen weichen
oder nachgiebigen Boden bereitzustellen. Die nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 können sich im
Volumen ausdehnen oder zusammendrücken, um auf Drücke zu reagieren,
die durch den Bewegungsspulengeber 12 aufgebracht und durch
die inkompressible Flüssigkeit,
die den inneren Hohlraum 18 ausfüllt, zu den nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 übertragen
wird. Die volumetrische Reaktion der nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 stellt
eine nachgiebige Unterstützung
für den
Bewegungsspulengeber 12 bereit, was es dem Geber 12 ermöglicht, sich
frei zu bewegen, selbst wenn Flüssigkeitsdruck innerhalb
des inneren Hohlraumes beim maximalen erwarteten Betriebsdruck liegt.
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Die
beschriebenen nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 sind
dimensioniert, um in den inneren Hohlraum 18 mit genügend Raum
zwischen der Seitenwand des Gehäuses 14 und
der Scheibenanordnungen zu passen, um der Flüssigkeit in dem Hohlraum 18 zu
ermöglichen,
die Scheibenanordnungen 22 zu umgeben. Bei der beschriebenen
Ausführungsform
sind die Scheibenanordnungen 22 von einander beabstandet,
um zwischen den beiden nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 einen
Spalt 37 zu definieren, der sich mit Flüssigkeit füllen kann.
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Jede
nachgiebige Scheibenanordnung 22 kann, wie es in Figur 3
dargestellt ist, zwei Platten 64 beinhalten, die an einem
Ring 66 befestigt sind, der die Platten 64 beabstandet.
Eine Beschichtung 68 wird um die Platten 64 und
den Ring 66 herum angebracht, um eine integrale Einheit zu bilden,
die wie eine nachgiebige Scheibe wirkt, die sich in Abhängigkeit
von einer auf die Platten 64 aufgebrachte Kraft nach innen
und nach außen
biegen kann. Bei einer Ausführungsform
ist jede der Platten 64 aus Glasfaser gebildet und der
Ring 66 ist aus einem rohrförmigen Aluminiumring gebildet.
Die Platten 64 werden gegen den Ring 66 gesetzt
und von einer Beschichtung 68 aus Butylgummi bedeckt. Die
Beschichtung 68 versiegelt die nachgiebige Scheibenanordnung 22,
wodurch verhindert wird, dass Flüssigkeit
in die innere Kammer 70 eindringt, die durch die Platten 64 und
den Ring 66 festgelegt wird. Die innere Kammer 70 kann
mit einem zusammendrückbaren
Gas, wie beispielsweise Luft, gefüllt sein.
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Die
Steifigkeit von jeder der Platten 64 kann entsprechend
der Spezifikationen der Anwendung ausgewählt werden und wird typischerweise
ausgewählt,
um ausreichend elastisch oder nachgiebig zu sein, um sich in Abhängigkeit
von sämtlichen
Kräften, die
innerhalb des ausgewählten
Einsatzbereiches des Bewegungsspulengebers 12 auftreten
können, zu
biegen. Die Platten 64 sollten sich somit in Abhängigkeit
von jeder Kraft, die bei der Erzeugung eines Schallsignals durch
den Geber 12 zu erwarten ist, biegen. Es wird weiter festgestellt,
dass sich die Platten 64 in Abhängigkeit von Kräften, die
sich aus Erhöhungen
oder Abnahmen des Flüssigkeitsdruckes innerhalb
des inneren Hohlraumes 18 ergeben, biegen werden. Um es
den nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 zu ermöglichen,
als nachgiebige Unterstützung
für den
Bewegungsspulengeber 12 über den erwarteten Bereich
von Flüssigkeitsdrücken zu arbeiten, ist
der Ring 66 bei einer Ausführungsform dimensioniert, um
die Platten 64 in einer Entfernung zu beabstanden, die
ausreichend ist, um einen Druck, der größer als der erwartete maximale
Betriebsdruck ist, zu benötigen,
bevor die Platten 64 sich nach innen biegen und einander
berühren.
Bei einer Ausführungsform
sind die Platten 64 in einer Entfernung zu beabstanden,
die ausreichend ist, um zu verhindern, dass sich die Platten 63 berühren, bis 110%
des erwarteten maximalen Druckes in dem Hohlraum 18 erreicht
sind. Es wird festgestellt, dass verbesserter Betrieb der Anordnung 10 erzielt
wird, indem Platten 64 eingesetzt werden, die eine lineare oder
im Wesentlichen lineare Nachgiebigkeit oder Änderung im Volumen pro Änderungseinheit
beim Schalldruck über
den gesamten Bereich der hydrostatischen Betriebsdrücke hinweg
bereitstellen. Tests haben gezeigt, dass Platten 64, die
aus Glasfaser gebildet sind, nahezu lineare Nachgiebigkeit über den hydrostatischen
Betriebsdruckbereich erzielt haben. Außerdem wird verbesserte Funktion
erwartet, wenn die Platten 64 bei Frequenzen aus dem Wandlerfrequenzband
der Anordnung in Resonanz treten.
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Bei
einer Ausführungsform
sind die Platten 64 ungefähr 7,65" im Durchmesser und ungefähr 0, 320" dick. Die Platten
sind aus Glasfaser gebildet, wie beispielsweise E-Glas oder S-Glas.
Alternativ könnten
die Platten 64 aus hochfestem Stahl, einem Graphit-Epoxid-Verbundwerkstoff,
Titan oder jedem geeigneten Material gebildet werden.
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Die
Zahl der nachgiebigen Scheibenanordnungen, die innerhalb des inneren
Hohlraumes des Systems 10 anzuordnen sind, hängt zum
Teil von dem gewünschten
Niederfrequenz-Betriebsverhalten, das von dem System erwartet wird,
ab. Es versteht sich, dass sich der Ort und die Bemessung der Scheibenanordnung
auf das Betriebsverhalten des Wandlers auswirken. Analyse und Experimente
haben gezeigt, dass eine akzeptable Anordnung für die nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 innerhalb des
inneren Hohlraumes 18 so ist, wie sie in 1 beschrieben
ist.
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Um
die Wirkungen von Flüssigkeitsdruck
in den Regionen um die nachgiebigen Scheibenanordnungen 22 herum
auf das Betriebsverhalten des Bewegungsspulengebers 12 weiter
abzuschwächen, kann
ein offenzelliges Netz innerhalb des inneren Hohlraumes 18 angeordnet
werden, um dem System einen geringen Betrag an Schallverlust zuzufügen.
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1 zeigt
weiter, dass der innere Hohlraum 18 in Flüssigkeitsverbindung
mit dem Flüssigkeitsreservoir 16 über den
Flüssigkeitsverbindungsgang 20 steht.
Das beschriebene Flüssigkeitsreservoir 16 wird
durch eine ringförmige
Vertiefung definiert, die in dem Körper des Gehäuses 14 gebildet
ist. Das Flüssigkeitsreservoir 16 ist
von dem inneren Hohlraum 18 getrennt. Dementsprechend muss
die Flüssigkeit durch
den Flüssigkeitsverbindungsgang 20 hindurch treten,
damit Flüssigkeit
zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 16 und
dem inneren Hohlraum 18 strömen kann. Bei der Ausführungsform,
die in 1 beschrieben wird, ist ein Flüssigkeitsverbindungsgang 20 gezeigt,
jedoch sind weitere Flüssigkeitsverbindungsgänge 20 vorgesehen,
die von der in 1 bereitgestellten Ansicht nicht
gezeigt werden.
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1 beschreibt
weiter eine elastische Blase 28, die innerhalb der ringförmigen Vertiefung
angeordnet ist und zwischen dem Gehäuse 14 und der Abdeckung 30 abgedichtet
ist. Fläche 27 der
Blase 28 ist der Betriebsumgebung ausgesetzt, die das System 10 mittels
der in der Abdeckung 30 angeordneten Öffnungen umgibt. Die gegenüberliegende Fläche der
Blase steht mit der Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsreservoir 16 in
Kontakt. Dementsprechend arbeitet die Blase 28 wie eine
nachgiebige Sperre, die zwischen der Betriebsumgebung und dem Flüssigkeitsreservoir 16 angeordnet
ist. Das beschriebene Flüssigkeitsreservoir 16 steht
mit dem Flüssigkeitsverbindungsgang 20 in
Flüssigkeitsverbindung,
der sich zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 16 und
dem Boden des inneren Hohlraumes 18 erstreckt. Die beschriebene
Blase 28 kann von einem elastischen Material gebildet werden,
wie beispielsweise Butylgummi, Neopren oder jedem Material, das
ausreichend nachgiebig ist, um auf Druckschwankungen zu reagieren,
die in der Betriebsumgebung auftreten, in der der Wandler arbeitet.
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Der
Flüssigkeitsverbindungsgang 20 ist
als ein Kanal ausgebildet, der sich zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 16 und
dem unteren Abschnitt des inneren Hohlraumes 18 erstreckt.
Der Flüssigkeitsverbindungsgang 20 bewirkt,
dass das Flüssigkeitsreservoir 16 in
Flüssigkeitsverbindung
mit dem inneren Hohlraum 18 gebracht wird. Der beschriebene Flüssigkeitskanal 20 arbeitet
ferner als ein Filter zum Dämpfen
von Schallenergie, die durch den Flüssigkeitsverbindungsgang 20 durchgeleitet
wird. Zu diesem Zweck wird der Flüssigkeitsverbindungsgang 20 als
ein Rohr ausgebildet, das bemessen und innerhalb des Gehäuses ausgerichtet
ist, um eine hohe akustische Impedanz für Schallenergie, die sich bei Frequenzen
im in Betracht kommenden Band fortpflanzt, aufzuweisen. Die Impedanz
wird ausreichend groß ausgewählt, um
akustischen Verlust vom inneren Akustikfeld zum äußeren Akustikfeld in allen Frequenzen
innerhalb des in Betracht kommenden Frequenzbandes zu verhindern
oder größtenteils
zu reduzieren. Dementsprechend arbeitet der Flüssigkeitsverbindungsgang 20 wie
ein Filter, welches das innere und äußere akustische Feld trennt,
so dass keine Phasen verschobener Auslöschung stattfindet. Dies reduziert
folglich die Wahrscheinlichkeit, dass Phasenauslöschung das Betriebsverhalten
der Wandleranordnung 10 vermindert.
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Bei
der in 1 beschriebenen Ausführungsform wird ein Stück Schalldämmmaterial
in dem ringförmigen
Raum zwischen den Scheibenanordnungen 22 vorgesehen. Das
Schalldämmmaterial sieht
Dämpfen
von Resonanzen vor, die durch Flüssigkeitsstrom
innerhalb des inneren Hohlraumes 18 bewirkt werden. Das
Schalldämmmaterial
kann jedes Material sein, das zum Reduzieren der Schallenergie geeignet
ist, die sich innerhalb des inneren Hohlraumes fortpflanzt, und
kann zum Beispiel Schaumgummi mit offenen Zellen oder geschlossenen
Zellen, Stahlwolle oder jedes Gittermaterial sein, das Energie abführen kann,
um Resonanz mit hoher Energie zu dämpfen.
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Wie
aus der obigen Beschreibung der 1-3 hervorgeht,
arbeitet das Druckausgleichsystem, das innerhalb des Systems 10 gebildet ist,
um den Druck zwischen dem inneren Hohlraum 18 und der Betriebsumgebung,
die außerhalb
des Gehäuses 14 und
der durchbrochenen Abdeckung 30 liegt, anzugleichen. Es
versteht sich, dass das Angleichen des Drucks zwischen dem inneren
Hohlraum 18 und der Betriebsumgebung den größten dynamischen
Bereich für
den Bewegungsspulengeber 12 bereitstellt- und dadurch die
ungünstige
Wirkung auf das Wandlerbetriebsverhalten reduziert, die auftritt,
wenn eine Fehlanpassung zwischen dem Druck der Betriebsumgebung
und dem Druck in der Umgebung, in welcher die Bewegung der sich bewegenden Spule
erfolgt, vorliegt. Zu diesem Zweck wird festgestellt, dass die Bewegung
der sich bewegenden Spule 12 im Betrieb Flüssigkeit innerhalb des Hohlraumes 18 drückt und
zieht. Die Flüssigkeit
in dem Hohlraum 18 wirkt auf die zusammendrückbaren
Körper 22 ein,
die innerhalb des inneren Hohlraumes 18 und in der beschriebenen
Ausführungsform
unterhalb des Bewegungsspulengebers 12 angeordnet sind.
Jeder der beschriebenen Körper 22 ist
innerhalb des Hohlraumes 18 eingeschlossen und von Flüssigkeit
innerhalb des Hohlraumes umgeben. Die zusammendrückbaren Körper 22 arbeiten als
nachgiebige Scheiben, die nachgeben und sich nach innen auslenken
können
in Abhängigkeit
von einer Druckerhöhung
innerhalb des Hohlraumes 18, wie beispielsweise eine Druckerhöhung, die
durch eine nach unten gerichtete Bewegung des beweglichen Kolbens 38 verursacht
wird. Dementsprechend stellen die nachgiebigen Scheibenanordnungen
eine nachgiebige Unterstützung
bereit, die es der Spule erlaubt, sich innerhalb des Systems 10 frei
zu bewegen, selbst wenn der Flüssigkeitsdruck,
ohne die nachgiebige Unterstützung,
Bewegung des Gebers verhindern würde.
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Außerdem stellt
der Flüssigkeitskanal 20 des Systems 10 ein
akustisches Filter bereit, das Schallenergie im Bereich der Betriebsfrequenz
des Bewegungsspulengebers dämpft.
Dies reduziert oder verhindert Rückkopplung,
die auftreten kann, wenn von dem Bewegungsspulengeber ausgesendete
Schallenergie durch die Blase 28 und in den inneren Hohlraum 18 zurückgekoppelt
wird. Derartige Rückkopplung
kann mit dem schwingenden Geber interferieren und die Leistung des
Systems herabmindern.
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Die
in 1 beschriebene besondere Ausführungsform kann ungefähr 10½" hoch und 10½" im Durchmesser sein.
Das Gehäuse kann
aus Aluminium, Stahl oder jedem geeigneten Material bestehen.
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4 beschreibt
ein eintauchbares Fahrzeug 80, das eine Wandleranordnung
mit passivem Druckausgleich aufweist. 4 beschreibt
insbesondere Fahrzeug 80, das einen eintauchbaren Körper 84 umfasst,
der eine Aufnahmebuchse aufweist, die in der Lage ist, eine modulare
Wandleranordnung mit passivem Druckausgleich aufzunehmen. Wie in 4 gezeigt
wird, weist der Körper 84 eine
Seitenwand auf, in welcher die Aufnahmenbuchse angeordnet ist. Die
Wandleranordnung 82 kann derartig in der Seitenwand angebracht
sein, dass Schallenergie, die von dem Wandler 82 erzeugt
wird, von ihr abgestrahlt wird und nach außen hin von dem eintauchbaren Körper ausgeschickt
wird. Im Einsatz, wenn das eintauchbare Fahrzeug durch die Flüssigkeitsumgebung
auf- und abfährt,
verändert
sich der durch die Flüssigkeitsumgebung
auf den Wandler 82 ausgeübte Druck. Wie oben diskutiert
wurde, werden die Druckänderungen
eine Kraft bewirken, die auf die Blase 28 aufgebracht wird,
wodurch Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsreservoir
komprimiert oder dekomprimiert wird. In dem Beispiel, bei dem der
eintauchbare Körper 8 in
ein Gebiet mit größerem Druck
gefahren ist, wird der Druck der Flüssigkeit, die durch die Abdeckplatte 30 dringt
und auf die eine Fläche
der Blase 23 wirkt, ansteigen und bewirken, dass Flüssigkeit
in dem inneren Reservoir 16 unter größeren Druck gesetzt wird. Dieser
größere Druck
wird durch den Flüssigkeitsverbindungsgang 20 und
in die innerhalb des inneren Hohlraumes 18 enthaltene Flüssigkeit übertragen.
Der Flüssigkeitsdruck
innerhalb des inneren Hohlraumes 18 wird in den Kolbenhohlraum 46 des
Bewegungsspulengebers 12 übertragen. Dementsprechend
wird der Druck innerhalb des inneren Hohlraumes, in dem der Bewegungsspulengeber 12 arbei tet,
an den Druck der Betriebsumgebung der Wandleranordnung angeglichen.
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Dieses
oben beschriebene System stellt die Nachgiebigkeit bereit, die geeignet
ist, das Gleichgewicht des hydrostatischen Druckes quer über den Kopf
des sich bewegenden Spulenkolbens zu halten, und das alles innerhalb
der Einschränkungen
des Wandlers. Dieses passive mechanische Ausgleichsystem erfordert
kein Nachfüllen
von Materialien und reduziert oder eliminiert den Bedarf an Wartung,
da das Ausgleichsystem vollständig
passiv ist und keine aktiven Sensoren oder Komponenten erfordert.
Außerdem
ist das System innerhalb des Wandlers in sich abgeschlossen und
erfordert auch kein Einblasen von Gas. Es gibt keine Erfordernisse,
Material nachzufüllen.
Die Resonanzfrequenz und somit das Betriebsverhalten ist mit der
Tiefe vollständig
stabil. Zuverlässigkeit
wird erhöht,
weil es keine aktiven Sensoren oder Komponenten gibt. Außerdem sorgt das
hierin beschriebene System für
bessere Ableitung von Wärme
innerhalb der Bewegungsspulenanordnung. Dies ermöglicht erhöhte Ausgangsleistung. Darüber hinaus
wird die Wandlerleistung ohne Vergrößerung nichtlinearer Verzerrung
erhöht,
während Wandlerbandbreite
im Wesentlichen unberührt
bleibt.
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Ein
Fachmann wird viele Äquivalente
zu den hierin beschriebenen Ausführungsformen
und Vorgehensweisen kennen oder zu bestimmen in der Lage sein unter
Anwendung von nicht mehr als routinemäßigen Versuchen. Die hierin
beschriebenen Druckausgleichsysteme können zum Beispiel für andere Anwendungen
eingesetzt werden, wie beispielsweise Druckausgleich für sich bewegende
mechanische Anordnungen, und die beschriebenen Wandleranordnungen
können
als individuelle Komponenten eingesetzt oder als eine Gruppierung
von Wandlern angeordnet werden. Es versteht sich auch, dass die
hierin beschriebenen Systeme Vorteile gegenüber dem Stand der Technik bereitstellen,
die erhöhte
Sicherheit und verminderte Kosten beinhalten.
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Dementsprechend
versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die hierin offenbarten
Ausführungsformen
begrenzt ist, sondern aus den folgenden Ansprüchen heraus zu verstehen ist,
die so allgemein, wie es von Rechts wegen erlaubt ist, zu interpretieren
sind.