DE60113984T2

DE60113984T2 - Wandler mit einstellbarer resonanzfrequenz

Info

Publication number: DE60113984T2
Application number: DE60113984T
Authority: DE
Inventors: Grant Bedford Smith
Original assignee: Thales Underwater Systems Ltd
Current assignee: Thales Underwater Systems Ltd
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-08
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-01-09
Also published as: AU777563B2; DE60113984D1; ES2251457T3; WO2001052593A3; ATE306706T1; EP1282896A2; AU2531501A; WO2001052593A2; GB0000703D0; EP1282896B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, einen frequenzabstimmbaren Schallgeber zum Koppeln zwischen elektrischen Signalen und entsprechenden Schwingungen, wobei ein frequenzabstimmbarer Schallgeber Biege- oder Radialschwingungsmoden verwendet und sich zur Verwendung in Wasserumgebungen eignet.
Schallgeber bilden eine Kategorie von Wandlern, die dahingehend betrieben werden können, daß sie von elektrischen Signalen zu mechanischen Schwingungen stimuliert werden können und dadurch Schallwellen emittieren. Zudem können die Schallgeber auch dahingehend betrieben werden, daß sie Schallwellen empfangen und als Reaktion entsprechende elektrische Signale erzeugen. Die Schallgeber verwenden in der Regel polarisierte elektrostriktive künstliche Materialien wie etwa Blei-Zirconat-Titanat (LZT). Solche elektrostriktiven Materialien werden üblicherweise als „piezoelektrische Materialien" bezeichnet.
Eine bekannte Art von Wandler, der zwischen Schallwellen und assoziierten elektrischen Signalen koppeln kann, umfaßt eine metallische Scheibe, die an eine polarisierte LZT-Scheibe gebondet ist. Die metallische Scheibe enthält eine erste und zweite Hauptfläche, die planar sind und zueinander parallel verlaufen. Analog umfaßt die LZT-Scheibe eine dritte und vierte Hauptfläche, die ebenfalls parallel zueinander verlaufen. Die LZT-Scheibe ist durch Kleber oder durch Löten an einer ihrer Hauptflächen an eine der Hauptflächen der metallischen Scheibe gebondet, um eine konzentrische Verbundstruktur zu bilden. Sowohl die dritte als auch die vierte Fläche der LZT-Scheibe sind metallisiert, um eine erste bzw. zweite Elektrode bereitzustellen. Ein zwischen der ersten und zweiten Elektrode angelegtes elektrisches Wechselsignal erzeugt ein elektrisches Wechselfeld an der LZT-Scheibe, was die Beanspruchung innerhalb der Scheibe zyklisch ändert und dadurch bewirkt, daß sie und die metallische Scheibe, an die sie gekoppelt ist, vibrieren. Umgekehrt führen Schallwellen, die an die metallische und LZT-Scheibe koppeln, zu Änderungen an der Beanspruchung innerhalb der LZT-Scheibe und bewirken dadurch, daß an den Elektroden ein entsprechendes elektrisches Wechselsignal erzeugt wird.
Die Verbundstruktur wird bei Betrieb an ihrem Umfangsrand unterstützt und weist Resonanzmoden auf, bei denen ihre Effizienz zur Kopplung zwischen Schallwellen und entsprechenden elektrischen Signalen im Vergleich zu einem Betrieb außerhalb der Resonanz verbessert werden. Gleichung 1 liefert einen Ausdruck für die Resonanzmoden:
wobei

ν_n: = Resonanzfrequenz einer Mode n;
M: _n = kollektive effektive Resonanzmasse der Struktur bei der Mode n; und
C: _n = kollektive effektive Nachgiebigkeit der Struktur bei der Mode n.

Ein nützlicher Resonanzmodus für die Struktur entspricht dem, daß die Scheiben beim Biegen vorübergehend konkav und konvex werden; dies wird als ihr Biegeresonanzmodus bezeichnet.
Die oben beschriebene bekannte Art von Wandler leidet unter einem Problem, daß ihre Resonanzen relativ hohe Q_m-Faktoren der mechanischen Resonanz aufweisen können, beispielsweise über 10, was eine Frequenzbandbreite begrenzt, über die hinweg der Wandler am effizientesten arbeitet. In der Praxis ist die Bandbreite umgekehrt proportional zu Q_m-Faktor, weshalb es gegenwärtig nicht möglich ist, über einen großen Frequenzbereich hin, der stark über mit den Resonanzen assoziierte Bandbreite hinaus geht, eine verbesserte Effizienz zu erreichen.
In einer Veröffentlichung „Tunable Sonar Transducer" von Steel et al. Electronic Letters 3, Juli 1986, Bd. 22, Nr. 14, S. 758–759, wird ein Wandler so beschrieben, daß er nacheinander eine erste LZT-Keramikscheibe, die als eine „Antriebskeramik" bezeichnet wird, und eine zweite LZT-Keramikscheibe, die als eine „Steuerkeramik" bezeichnet wird, umfaßt. Die Keramikscheiben sind an ihren anstoßenden Flächen unter Verwendung eines Epoxidklebers aneinander gebondet. Außerdem werden die Scheiben von einem massiven Epoxid-/Eisen-Trägergebiet getragen.
Die erste LZT-Scheibe fungiert als ein Antriebselement für das Anregen mechanischer Schwingungen, wohingegen die zweite LZT-Scheibe als ein Element mit variabler Steifigkeit fungiert, dessen mechanische Steifigkeit je nach der daran angeschlossenen elektrischen Last variiert werden kann. Durch Steuern der Steifigkeit der zweiten Scheibe kann die Fundamentalresonanzfrequenz des Wandlers über einen Bereich von 2,6 Oktaven hinweg abgestimmt werden.
In dem Wandler arbeitet die erste LZT-Scheibe dahingehend, in einem Longitudinal- oder Dickenmodus zu vibrieren, nämlich verdickt oder verdünnt sich die Scheibe vorübergehend als Reaktion auf ein daran angelegtes elektrisches Antriebssignal. Dies ist als ein „Longitudinalmodus" oder „Dickenmodus" des Betriebs bekannt. Die erste LZT-Scheibe kann dahingehend betrieben werden, daß sie Schalldruckwellen in ein den Wandler umgebendes Medium emittiert.
Der in der Veröffentlichung beschriebene Wandler würde von einem Durchschnittsfachmann deshalb als optimal angesehen werden, weil der Wandler so abgestimmt werden kann, daß er bei seiner Fundamentalresonanz über einen relativ großen Frequenzbereich von 2,6 Oktaven hinweg arbeiten kann.
Im Gegensatz zu dem Wandler hat der Erfinder erkannt, daß es möglich ist, die Arbeitsbandbreite eines Schallgebers zu erweitern und gleichzeitig sicherzustellen, daß er eine mit dem Arbeiten bei Resonanz assoziierte Kopplungseffizienz verbessert, wobei der Schallgeber einen Hohlraum enthält, der zyklisch komprimiert und verdünnt wird, wenn der Schallgeber in einem Biege- oder Radialmodus vibriert.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein frequenzabstimmbarer Schallgeber zum Koppeln zwischen elektrischen Signalen und entsprechenden Schallwellen in einer dem Schallgeber ausgesetzten Umgebung bereitgestellt, wobei der Schallgeber folgendes enthält: wandelnde Mittel zum Koppeln zwischen den Signalen und den entsprechenden Schallwellen und Abstimmittel zum Abstimmen einer Resonanzfrequenz der wandelnden Mittel, wobei die wandelnden Mittel und die Abstimmittel in eine oder mehrere Wände eines Hohlraums integriert sind, wobei die eine oder die mehreren Wände den Hohlraum zumindest teilweise von der Umgebung isolieren und die eine oder die mehreren Wände dahingehend arbeiten können, daß sie mindestens in einem Biegeschwingungsmodus oder einem Radialschwingungsmodus vibrieren, um den Hohlraum zyklisch zu komprimieren und auszudehnen.
Die Erfindung liefert den Vorteil, daß der Schallgeber Resonanzmoden aufweist, deren Resonanzfrequenzen so durchlaufen werden können, daß sie der Frequenz elektrischer Signale entsprechen, die an den Schallgeber angelegt oder im Schallgeber erzeugt werden, wodurch die Arbeitseffizienz des Schallgebers verbessert wird.
Mindestens eines der wandelnden Mittel und der Abstimmittel sind bevorzugt aus aktiven Materialien hergestellt, wie etwa einem oder mehreren der folgenden: Blei-Zirconat-Titanat, Blei-Titanat, Barium-Titanat oder Blei-Metaniobat. Zudem kann auch Blei-Magnesium-Niobat in Kombination mit Blei-Titanat verwendet werden, wobei diese entweder in keramischer oder kristalliner Form vorliegen. Zudem kann kristalliner Quarz oder magnetostriktives Material wie etwa Nickel oder ein proprietäres Material Terfenol D verwendet werden.
Zur Beschreibung der Erfindung wird ein Hohlraum so definiert, daß er ein fluidgefülltes Gebiet ist, das zumindest teilweise von assoziierten Wänden umgeben ist, wobei es sich bei dem Fluid um ein oder mehrere Gase (beispielsweise einschließlich Luft), einen Dampf, eine Flüssigkeit, einen komprimierbaren Festkörper oder irgendeine Mischung von diesen handelt. Zudem ist ein Biegeschwingungsmodus definiert als ein Schwingungsmodus, bei dem ein Glied infolge einer zyklischen differentiellen Beanspruchung, die über das Glied hinweg erzeugt wird, zu Schwingungen angeregt wird, was verursacht, daß es sich biegt; dieser Biegemodus beinhaltet keine Auslenkung des Glieds durch Ausüben einer direkten Kraft darauf wie bei dem Longitudinal- oder Dickenschwingungsmodus. Weiterhin wird ein Radialschwingungsmodus definiert als ein Schwingungsmodus eines im wesentlichen kreisförmigen Glieds, beispielsweise eines Zylinders oder eines Rings, wobei er sich zyklisch radial ausdehnt und zusammenzieht.
Ein Ring ist als ein kreisförmiges Glied definiert, dessen Radius und Höhe in einem Verhältnis von höchstens 1,5 stehen.
Zweckmäßigerweise umfaßt das wandelnde Mittel ein oder mehrere Abstimmelemente, und das Abstimmittel enthält ein oder mehrere Abstimmelemente, wobei die Elemente gegenseitig mechanisch zusammengekoppelt sind und dahingehend betrieben werden können, daß sie als eine Verbundstruktur in einem Biegeschwingungsmodus oder einem Radialschwingungsmodus schwingen. Dadurch erhält man den Vorteil, daß das Abstimmittel das wandelnde Mittel effektiv abstimmt.
Vorteilhafterweise läßt sich die mechanische Steifigkeit des Abstimmittels als Reaktion auf eine elektrische Last oder ein elektrisches Potential, die oder das an das Abstimmittel angelegt wird, modifizieren. Eine derartige Modifikation ist deshalb vorteilhaft, weil sie eine schnelle Abstimmung des wandelnden Mittels unter elektronischer Steuerung ermöglicht.
Die Elemente sind brüchige Komponenten, deren abrupte Ränder bei starker Ansteuerung zu Schwingungen splittern können und deren abrupte Ränder bei der Montage abplatzen können. Es ist deshalb vorteilhaft sicherzustellen, daß die Elemente Umfangsränder enthalten, die abgerundet sind. Ein derartiges Abrunden wirkt Problemen von abgeplatzten und gesplitterten Rändern entgegen.
Das eine oder die mehreren wandelnden Elemente umfassen zweckmäßigerweise eine LZT-Keramik vom Navy-Typ I oder III, und das eine oder die mehreren wandelnden Elemente umfassen eine LZT-Keramik vom Navy-Typ VI gemäß einem United States Standard MIL-STD-1376. Diese Keramiken liefern mechanische und wandelnde Eigenschaften, die gut auf den Schallgeber angepaßt sind.
Bei Betreibbarkeit in einem Biegeschwingungsmodus enthält mindestens eine Hohlraumwand vorteilhafterweise eine Trägerplatte, auf der die Elemente mechanisch befestigt sind. Die Trägerplatte liefert eine praktische Stütze für die Elemente und ist ausreichend nachgiebig, um in einem Biegemodus zu vibrieren.
Zweckmäßigerweise ist die Trägerplatte aus einem hochzugfesten Werkzeugstahl oder einem Maraging-Stahl, beispielsweise Aeromet-100-Maraging-Stahl, hergestellt. Diese Stähle weisen den Vorteil auf, daß sie Drücke aushalten können, die mit dem Betreiben des Schallgebers in Wasserumgebungen bis auf Tiefen von mehreren hundert Metern verbunden sind. Alternativ kann die Trägerplatte aus einer Aluminiumlegierung, Messing oder Bronze oder einem anderen zweckmäßigen Material hergestellt sein.
Zur Verbesserung der Druckbeaufschlagungsfähigkeit des Schallgebers kann die Trägerplatte eine ungleichförmige Dicke aufweisen. Zweckmäßigerweise ist die Trägerplatte kreisförmig und verdickt sich zu einem zentralen Gebiet der Platte hin zu einem Scheitel, um die Verteilung der Beanspruchung durch die Elemente auszugleichen und Beanspruchungskonzentrationen entgegenzuwirken, die die zulässige Antriebssignalamplitude und die Tiefenleistung des Schallgebers begrenzen.
Um eine größere Amplitude an Schallwellen in ein den Schallgeber umgebendes Medium zu erreichen, können mehrere der Wände die wandelnden Mittel und die Abstimmittel enthalten, wobei die Wände durch ein Abstandshalterelement zusammengekoppelt sind, wobei das Abstandshalterelement und die Wände zusammenwirken, um den Hohlraum zu umschließen.
Zweckmäßigerweise ist das Abstandshalterelement aus einem Metall hergestellt. Zum Erreichen einer verbesserten Robustheit und um Korrosion entgegenzuwirken, ist das Metall bevorzugt ein rostfreier Stahl. Alternativ kann der Abstandshalter aus einem isolierenden Material hergestellt sein. Zweckmäßiger weise ist das isolierende Material ein faserverstärktes Polymer.
Vorteilhafterweise enthält das Abstandshalterelement einen Vorsprung zur Ineingriffnahme an einer oder mehreren Trägerplatten, die die wandelnden Mittel und die Abstimmittel tragen, wobei der Vorsprung dahingehend betätigt werden kann, daß er einen ringförmigen Randfuß für die Trägerplatten bereitstellt. Die Integrierung des Vorsprungs liefert eine zweckmäßige Möglichkeit, um den Schallgeber zu konstruieren und seinen Hohlraum auszubilden.
Zur Vereinfachung der Konstruktion des Schallgebers und um dadurch potentiell seine Herstellungskosten zu reduzieren, können die Elemente direkt aneinander gebondet sein und auch direkt an ihre assoziierte Trägerplatte gebondet sein, wobei die Trägerplatte als ein erster elektrischer Anschluß an die Elemente und als eine Schnittstelle zwischen den Elementen fungiert, die dahingehend fungieren, daß sie einen zweiten Anschluß bereitstellen, der allen den Elementen gemein ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Schallgeber bereitgestellt, dessen Wände im wesentlichen in Form einer Zylinder- oder Ringstruktur vorliegen, die die wandelnden Mittel und die Abstimmittel umfaßt.
Zweckmäßigerweise läßt sich die Struktur dahingehend betätigen, daß sie in einem Radialschwingungsmodus vibriert. Ein zylindrische oder Ringstruktur ist eine robuste geometrische Form, die radial vibrieren kann und auch erhöhte Drücke aushalten kann, die mit dem Betreiben des Schallgebers in Wasserumgebungen bis auf Tiefen von mehreren hundert Metern verbunden sind.
Vorteilhafterweise umfassen Elemente der wandelnden Mittel eine LZT-Keramik vom Navy-Typ I oder III und Elemente der Abstimmittel umfassen eine LZT-Keramik vom Navy-Typ VI. Diese LZT-Keramiken sind für den Einsatz in dem Schallgeber gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gut ausgelegt.
Zweckmäßigerweise sind zum Zweck der Herstellung elektrischer Anschlüsse Elemente der wandelnden Mittel in anstoßenden Paaren angeordnet, und Elemente der Abstimmittel sind ebenfalls in anstoßenden Paaren angeordnet. Die elektrischen Anschlüsse können zu den Elementen an Grenzflächen hergestellt werden, wo Elemente jedes Paars aneinander anstoßen.
Vorteilhafterweise umschließen die Elemente den Hohlraum innerhalb des Schallgebers. Endkappen sind zweckmäßigerweise an Enden der Struktur integriert, um den Hohlraum innerhalb der Struktur auszubilden. Um zu verhindern, daß Elemente einen elektrischen Kurzschluß erzeugen, sind die Endkappen bevorzugt aus einem isolierenden Material hergestellt.
Alternativ kann die Zylinder- oder Ringstruktur an ihren Enden offen sein und ein mittig angeordnetes Element, beispielsweise eine hohle isolierende Röhre, konzentrisch darin angebracht und durch einen den ringförmigen Hohlraum bereitstellenden Spalt davon getrennt, enthalten. Durch die Verwendung des konzentrisch angebrachten Elements erhält man den Vorteil einer erhöhten Wandlerempfindlichkeit der Struktur und eine Befestigung für mehrere in einem Linienarray konfigurierte Zylinder- oder Ringwandler.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die folgenden Diagramme beschrieben. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einen Schallgeber gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht durch den in 1 gezeigten Schallgeber;
3 eine Querschnittsansicht durch einen Schallgeber gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
4 eine Seitenansichtsdarstellung eines Schallgebers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
5 ist eine Seitenansichtsdarstellung eines Schallgebers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung mit einer hohlen konzentrischen Röhre;
6 eine Draufsichtsdarstellung des in 4 gezeigten Schallgebers;
7 eine Darstellung eines Schallgebers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit konzentrischen hohlen Röhren;
8 eine Darstellung eines Schallgebers gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung mit konzentrischen Ringelementen und
9 eine schematische Darstellung einer Radialmodenschwingung des in 5 gezeigten Schallgebers.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 1 wird dort ein durch 10 angezeigter frequenzabstimmbarer Bieger-Schallgeber gezeigt, der folgendes umfaßt: einen zylindrischen Abstandshalter 12, eine kreisförmige Trägerplatte 16 mit einem Umfangslippenrand 14, der an dem Abstandshalter 12 eingreifen kann, und einer LZT-Keramikscheibe 20. Der Abstandshalter 12, die Platte 16 und die Scheibe 20 sind zueinander konzentrisch ausgerichtet. Die Scheibe 20 ist an einer nach außen weisenden Hauptfläche der Trägerplatte 16 angebracht.
Die Innenstruktur des Schallgebers 10 ist in einer Querschnittsansicht dargestellt, die in 2 durch 100 angegeben ist. Diese Querschnittsansicht 100 ist bezüglich einer Linie A-B in 1 genommen.
Der Schallgeber 10 enthält, wenn auch nicht in 1 dargestellt, insgesamt zwei Trägerplatten 16a, 16b und vier LZT-Keramikscheiben 20a, 20b, 20c, 20d. Zudem ist der Schallgeber zu einer Ebene symmetrisch, die den Abstandshalter 12 auf halbem Wege dort hindurch schneidet, wobei die Ebene parallel zu freiliegenden Hauptflächen der Platten 16 und der Scheiben 20 verläuft.
Die Trägerplatten 16a, 16b sind aus einem Maraging-Stahl hergestellt, beispielsweise Aeromet-100, wenngleich alternativ zur Reduzierung von Kosten hochzugfester Werkzeugstahl, eine Aluminiumlegierung, Messing oder Bronze verwendet werden können.
Es ist wichtig, daß die Trägerplatten 16a, 16b eine ungleichförmige Dicke aufweisen, nämlich verdicken sie sich zunehmend in Richtung auf ihre axiale Mitte, um nicht freigelegte Scheitel 102a bzw. 102b auszubilden. Diese zunehmende Verdickung ermöglicht das Funktionieren des Schallgebers 10 mit darauf einwirkenden externen Drücken, die ansonsten in der Lage wären, einen Ausfall durch Bruch oder Entpolarisation der Scheiben 20 zu verursachen, wenn die Hauptflächen der Trägerplatten 16a, 16b alle zueinander parallel wären.
Der Abstandshalter 12 enthält einen ringförmigen, nach innen orientierten Vorsprung 104, auf dem die Lippen 14a, 14b der Platten 16a bzw. 16b eingreifen. Der Vorsprung 104 bildet zusammen mit den Platten 16a, 16b einen fluidgefüllten Hohlraum 106 in einem mittigen Gebiet des Schallgebers 10. Der Hohlraum 106 kann beispielsweise mit Luft, einem Dampf, einer Flüssigkeit oder einem komprimierbaren Feststoff gefüllt sein.
Die Keramikscheiben 20b, 20c sind klebend an nach außen orientierte Hauptflächen der Platten 16a bzw. 16b gebondet oder gelötet. Analog sind die Keramikscheiben 20a, 20d klebend an die Keramikscheiben 20b bzw. 20c gebondet oder gelötet. Die Scheiben 20 weisen abgerundete Umfangsränder auf; dadurch erhält man einen Vorzug dahingehend, daß diese Teile für Beschädigungen beispielsweise durch Abplatzen während der Montage weniger anfällig sind.
Vorteilhafterweise sind die Keramikscheiben 20a, 20d so gekennzeichnet, daß sie wandelnde Scheiben sind, die so betätigt werden können, daß sie Schallwellen erfassen und entsprechende Signale bereitstellen oder Schallschwingungen als Reaktion auf eine daran angelegte elektrische Anregung erzeugen. Sie werden aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ I hergestellt, wenn der Schallgeber 10 auf impulsgesteuerte Weise betrieben werden soll. Alternativ können die Scheiben 20a, 20d aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ III hergestellt sein, wenn der Schallgeber 10 im Dauerbetrieb arbeiten soll. LZT-Keramiken vom Navy-Typ I und Navy-Typ III sind in einem US-Standard MIL-STD-1376 „Piezoelectric Ceramic Material and Measurements Guidelines for Sonar Transducers", Version B, 1995, definiert.
Vorteilhafterweise sind die Keramikscheiben 20b, 20c so gekennzeichnet, daß sie Abstimmscheiben sind, die so betätigt werden können, daß sie eine elektrisch modifizierbare Steifigkeit liefern können. Sie werden aus einer relativ weicheren Keramik vom Navy-Typ VI („weich") gemäß dem Standard MIL-STD-1376 hergestellt.
Tabelle 1 liefert eine Angabe über einige Charakteristiken der Keramiken vom Navy-Typ I, II, III und VI, die sie voneinander hinsichtlich Last bedingungen im Leerlauf und bei Kurzschluß unterscheiden.
Tabelle 1
Die Daten in Tabelle 1 sind Informationen entnommen, die von einer Firma Morgan Matroc bereitgestellt werden, die LZT-Keramikteile herstellt.
Die Keramik vom Navy-Typ VI unterscheidet sich hinsichtlich der Nachgiebigkeit wesentlich von der Keramik vom Navy-Typ I und III. Die Keramik vom Navy-Typ II und VI weist eine proportional größere Änderung bei der Elastizitätskonstante zwischen Bedingungen im Leerlauf und im Kurzschluß im Vergleich zu Keramiken vom Navy-Typ I und III auf; durch diese Änderung eignet sich die Keramik vom Navy-Typ VI besonders für den Einsatz beim Abstimmen des Schallgebers 10.
LZT-Keramikscheiben vom Navy-Typ VI weisen eine mechanische Steifigkeit S₃₃ auf, die in einem Bereich von im wesentlichen 20,8 pm²/N bis 9,0 pm²/N variiert werden kann, wenn die an die Scheiben angelegte elektrische Last von Leerlauf zu Kurzschluß variiert wird; dies entspricht einer Steifigkeitsänderung von 131%.
Die Scheiben 20a, 20b, 20c, 20d sind im wesentlichen 5,5 mm dick und weisen einen Durchmesser von 75 mm auf. Zudem sind die Scheiben 20a, 20b, 20c, 20d in einer Richtung senkrecht zu ihren Hauptflächen polarisiert und auf diesen Flächen metallisiert, um zwei Anschlüsse für jede Scheibe 20 bereitzustellen. Zudem sind die Scheiben 20b, 20c mit jeweiligen variablen Lastimpedanzen in dem elektrischen Gerät verbunden, die in einem Bereich einer im wesentlichen kapazitiven Last bis zu einer im wesentlichen induktiven Last variiert werden können. Alternativ sind die Scheiben 20b, 20c mit einer Quelle für ein Antriebssignal verbunden, das dahingehend betätigt werden kann, ihre effektive mechanische Steifigkeit zu modifizieren.
Wenn der Schallgeber 10 als ein Sender betätigt werden kann, sind die Scheiben 20a, 20d mit einer Quelle für ein Antriebssignal verbunden, die in dem elektrischen Gerät enthalten ist, um mechanische Schwingungen in dem Schallgeber 10 zur Projektion davon als Schallwellen anzuregen. Wenn alternativ der Schallgeber 10 als ein Unterwasserschallempfänger betätigt werden kann, sind die Scheiben 20a, 20d an Eingänge von Verstärkern angeschlossen, die in dem elektrischen Gerät enthalten sind, um ein empfangenes Signal von Ausgangssignalen der Verstärker zu erzeugen. Die Quelle und die variablen Lastimpedanzen können betätigt werden, um den Schallgeber 10 bei einer spezifizierten Frequenz anzuregen und variable Lasten bereitzustellen, um die Resonanz des Schallgebers 10 auf die spezifizierte Frequenz abzustimmen und dadurch eine verbesserte Effizienz zum Umwandeln des Antriebssignals in mechanische Schwingungen innerhalb des Schallgebers 10 sicherzustellen.
Die Arbeitsweise des Schallgebers 10 wird nun unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
Wenn der Schallgeber 10 als ein Sender verwendet wird, gibt das elektrische Gerät das Antriebssignal aus, das die Scheiben 20a, 20d zu Schwingungen anregt. Das Gerät legt gleichzeitig eine Impedanzlast oder ein Phasen verschobenes und Amplituden verschobenes Hilfsantriebssignal an die Scheiben 20b, 20c an, um sie und ihre assoziierten Trägerplatten 16a, 16b und Scheiben 20a, 20d abzustimmen, so daß ihre zusammengesetzte Resonanzfrequenz mit einer Hauptsignalkomponente im Antriebssignal übereinstimmt. Die Platten 16a, 16b vibrieren als Reaktion auf das Antriebssignal in einem Biegemodus, wodurch sie zyklisch abwechselnd konkav und konvex werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand der Technik vibrieren die Scheiben 20 nicht in einem Longitudinalmodus. Fluid innerhalb des Hohlraums 106, zum Beispiel Luft, Gas, Dampf oder ein komprimierbarer Feststoff wie etwa Schaum, wird zyklisch abwechselnd komprimiert und verdünnt, wenn Schallwellen hauptsächlich von den Scheiben 20a, 20d zu einem den Schallgeber 10 umgebenden Medium gekoppelt werden; das Medium kann beispielsweise Salzwasser in einer Wasserumgebung sein. Die Scheiben 20 können bei Montage in den Schallgeber 10 in einer flexiblen Polymerschicht wie etwa Polyurethan beschichtet sein, um sie vor dem Medium zu schützen.
Wenn der Schallgeber 10 als ein Unterwasserschallempfänger zum Erfassen von dort empfangenen Schallwellen verwendet wird, fungieren die Scheiben 20a, 20d als Sensoren zum Erzeugen eines elektrischen Signals für das elektrische Gerät und die Scheiben 20b, 20c arbeiten dahingehend, daß sie den Schallgeber 10 auf einen relevanten Frequenzbereich abstimmen. Dadurch kann der Schallgeber 10 beispielsweise veranlaßt werden, als ein Unterwasserschallempfänger mit überstrichener Frequenz zu arbeiten, der in der Lage ist, gechirpte Schallwellen zu empfangen und zu verarbeiten, die von einem Hindernis oder einer Kollisionsgefahr in der Nähe des Unterwasserschallempfängers reflektiert werden.
Bei einer ersten alternativen Version des als Unterwasserschallempfänger arbeitenden Schallgebers 10 ist eine Funktion der Scheiben 20 modifiziert, nämlich die Scheiben 20b, 20c fungieren als Sensoren zum Erzeugen eines elektrischen Signals für das elektrische Gerät, und die Scheiben 20a, 20d arbeiten dahingehend, daß sie den Schallgeber 10 auf einen relevanten Frequenzbereich abstimmen.
Bei einer zweiten alternativen Version des als Sender arbeitenden Schallgebers 10 werden die Scheiben 20b, 20c, anstatt sie an die variable Impedanz anzuschließen, mit dem elektrischen Gerät verbunden, empfangen aber ein Antriebssignal, das relativ zu dem an die Scheiben 20a, 20d angelegten Antriebssignal phasenverschoben und amplitudenverschoben ist; eine derartige alternative Anordnung kann dahingehend betätigt werden, daß sie den Schallgeber 10 bei einer spezifischen Frequenz anregen und seine Resonanz auf die spezifische Frequenz abstimmen kann, und zwar als Reaktion auf die Verstellung der Phasenverschiebung und der relativen Amplitudenverschiebung.
Bei einer dritten alternativen Version des als Sender arbeitenden Schallgebers 10 wird eine Funktion der Scheiben 20 modifiziert, nämlich sind die Scheiben 20b, 20c wandelnde Scheiben und werden unter Verwendung einer LZT-Keramik vom Navy-Typ I implementiert, und die Scheiben 20a, 20d sind abstimmende Scheiben und werden unter Verwendung einer LZT-Keramik vom Navy-Typ VI implementiert.
Bei einer vierten alternativen Version des Schallgebers 10 können isolierende Abstandshalter aufgenommen werden, um die Keramikscheiben 20 gegenseitig zu isolieren. Die isolierenden Abstandshalter können aus Keramikaluminiumoxid hergestellt sein, das im wesentlichen isolierende Eigenschaften liefert. Bevorzugt weisen die isolierenden Abstandshalter einen Durchmesser von 85 mm auf und sind 1 mm dick mit abgerundeten Umfangsrändern, um einem Abplatzen entgegenzuwirken. Die isolierenden Abstandshalter weisen vorteilhafterweise jeweils einen Durchmesser auf, der mehrere mm größer ist als der der Scheiben 20, um eine effektive elektrische Isolierung, insbesondere dann sicherzustellen, wenn Antriebssignale von mehreren tausend Volt Amplitude an die Scheiben 20 angelegt werden.
Bei dem Schallgeber 10 werden die Scheiben 20 in einer Richtung senkrecht zu ihren Hauptflächen polarisiert. Wenn für die Scheiben 20 unpolarisiertes elektrostriktives Material verwendet wird, sind für einen Betrieb vorspannende elektrische Felder in der Richtung senkrecht zu ihren Hauptflächen erforderlich. Wenn alternativ ein magnetostriktives Material für die Scheiben 20 verwendet wird, werden vorspannende Magnetfelder mit Feldlinien senkrecht zu ihren Hauptflächen angelegt.
Es versteht sich, daß Abwandlungen an dem Schallgeber 10 und beschriebenen alternativen Versionen davon vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können bei vereinfachten Designs die Trägerplatten 16a, 16b mit einer gleichförmigen Dicke ausgeführt werden, um ihre Herstellung zu vereinfachen, wodurch potentiell Kosten eingespart werden, sich ihre Robustheit aber verschlechtert.
Zudem können die nach innen weisenden radialen Vorsprünge 104 profiliert sein, wo sie die Platten 16a, 16b in Eingriff nehmen, um eine ringförmige scharfe Randform der Ineingriffnahme bereitzustellen. Eine derartige Anordnung liefert den Vorteil des Modifizierens der effektiven Nachgiebigkeit der Trägerplatten 16a, 16b, wodurch sie bei Herstellung des Schallgebers 10 durch Feintrimmen des Durchmessers des ringförmigen scharfen Rands abgestimmt werden können.
Obwohl in 2 die Scheiben 20 alle mit ähnlichen Abmessungen gezeigt sind, versteht es sich, daß sie mit voneinander verschiedenen Abmessungen in einer modifizierten Version des Schallgebers 10 hergestellt werden können.
Obwohl der Schallgeber 10 in 2 als eine symmetrische Struktur dargestellt ist und mehrere Trägerplatten 16 enthält, kann eine vereinfachte Version des Schallgebers 10 eine einzelne Trägerplatte enthalten, wie in 3 dargestellt, um Kosten zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf 3 wird eine Querschnittsansicht durch einen Schallgeber gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schallgeber ist durch 300 angedeutet und umfaßt einen durch 310 angedeuteten zylindrischen Körper, eine kreisförmige Trägerplatte 320, eine erste LZT-Keramikscheibe 330, eine zweite LZT-Keramikscheibe 340 und eine Passivierungsschicht 350. Zur Herstellung der Trägerplatte 320 kann beispielsweise Maraging-Stahl Aeromet-100 verwendet werden. Die Schicht 350 enthält flexibles Polyurethanmaterial, um die Scheiben 330, 340 und die Platte 320 von einer den Schallgeber 300 umgebenden Umgebung, beispielsweise Seewasser, zu schützen. Der Körper 310 ist aus einem elektrisch isolierenden faserverstärkten Polymer hergestellt und enthält eine nach innen weisende Stufe 360 und eine starre Endfläche 370. Die Scheiben 330, 340 sind aus den Keramiken vom Navy-Typ VI bzw. dem Navy-Typ I oder III hergestellt.
Die Platte 320 weist auf identische Weise mit den Platten 16 eine ungleichförmige Dicke auf, um einen zentralen Scheitel 380 auszubilden. Die Platte 320 kann an dem Schritt 360 in Eingriff kommen, um einen Hohlraum 390 auszubilden. Die Scheiben 340, 330 sind an die Scheibe 330 bzw. die Platte 320 an einer Hauptfläche davon entfernt von dem Hohlraum 390 gelötet oder gebondet. Elektrische Anschlüsse C₁, C₂ sind zu einer ersten Fläche der Scheibe 340 bzw. zu der Trägerplatte 320 hergestellt.
Bei Betrieb fungiert die Scheibe 330 als ein Steuerelement, dessen mechanische Steifigkeit je nach einer daran angeschlossenen elektrischen Last oder einem daran angelegten elektrischen Signal elektrisch variiert werden kann. Zudem fungiert die Scheibe 340 als ein Antriebselement, wenn der Schallgeber 300 dazu verwendet wird, Schallwellen zu emittieren, und als Sensor, wenn der Schallgeber 300 als ein Unterwasserschallempfänger verwendet wird. Die Scheiben 330, 340 und die Platte 320 bilden eine Resonanzstruktur, deren Resonanzfrequenz elektrisch verändert werden kann, um den Schallgeber 300 auf eine gewünschte Arbeitsfrequenz abzustimmen.
Der Schallgeber 300 weist den Vorzug auf, daß er wenige Teile enthält und deshalb in der Herstellung preiswerter ist.
Bei einer alternativen Version des Schallgebers 300 sind die Scheiben 330, 340 aus den Keramiken vom Navy-Typ I oder III bzw. dem Navy-Typ VI hergestellt. Bei Betrieb funktioniert die Scheibe 340 als ein Abstimmelement, deren mechanische Steifigkeit je nach einer daran angeschlossenen elektrischen Last oder einem daran angelegten elektrischen Signal elektrisch variiert werden kann. Zudem fungiert die Scheibe 330 als ein Antriebselement, wenn die alternative Version des Schallgebers 300 dazu verwendet wird, Schallwellen zu emittieren, und als ein Sensor, wenn der Schallgeber 300 als ein Unterwasserschallempfänger verwendet wird.
Wenngleich der Schallgeber 300 in 3 mit seinen Scheiben 330, 340 mit ähnlichen Abmessungen gezeigt ist, können sie in einer modifizierten Version des Schallgebers 300 voneinander unterschiedliche Abmessungen aufweisen.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 4 wird eine Seitenansichtsdarstellung eines Schallgebers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schallgeber ist durch 400 angedeutet und enthält sechzehn längliche LZT-Keramikelemente, beispielsweise ein Abstimmelement 410 und ein wandelndes Element 420, die aneinander gelötet oder gebondet sind, um eine durch 415 angedeutete zylindrische Struktur auszubilden. Das Abstimmelement 410 und andere Abstimmelemente der mit „C" markierten Struktur 415 sind aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ VI hergestellt. Außerdem sind das wandelnde Element 420 und andere wandelnde Elemente der mit „D" markierten Struktur 415 aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ I oder III hergestellt. Der Schallgeber 400 enthält außerdem eine erste Endkappe 430 und eine zweite Endkappe 440, die aus einem Metall wie etwa Aluminiumlegierung hergestellt sind. Alternativ können die Endkappen 430, 440 aus einem isolierenden Material hergestellt sein, beispielsweise einem faserverstärkten Polymer. Die Endkappen 430, 440 liefern eine Stütze für die Elemente an ihren ausgenommenen Rändern 450 bzw. 460. Zudem sind die Endkappen 430, 440 auch nachgiebig, wodurch die Struktur 415 bei Betrieb vorwiegend in einem Radialmodus vibrieren kann. In der Praxis tritt auch ein leichtes Biegen der Elemente entsprechend einem Biegeschwingungsmodus auf. In der Struktur 415 sind wandelnde Elemente und Abstimmelemente in aneinander stoßenden Paaren über den Umfang um die Struktur 415 herum angeordnet. Der Schallgeber 400 enthält einen von den LZT-Elementen und den Endkappen 430, 440 umgebenen Innenhohlraum; dieser Hohlraum kann mit einem oder mehreren Gasen, beispielsweise Luft, gefüllt sein oder alternativ mit einem Dampf oder einem komprimierbaren Feststoff gefüllt sein.
Obwohl der Schallgeber 400 sechzehn Elemente enthält, kann er so modifiziert werden, daß er eine andere Anzahl von Elementen enthält, beispielsweise acht Elemente, zwölf Elemente oder zwanzig Elemente, nämlich alles Vielfache von vier Elementen.
Obwohl die Elemente des Schallgebers 400 in 4 so gezeigt sind, daß sie ähnliche Abmessungen aufweisen, können sie bei einer modifizierten Version des Schallgebers 400 voneinander verschiedene Abmessungen aufweisen.
In 5 wird eine orthogonale Ansicht eines Schallgebers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schallgeber ist bei 500 angedeutet und enthält sechzehn längliche LZT-Keramikelemente, beispielsweise ein wandelndes Element 510 und ein wandelndes Element 520, die aneinander gelötet oder gebondet sind, um eine durch 530 angedeutete zylindrische Struktur auszubilden. Das Abstimmelement 510 und andere Abstimmelemente der mit „C" markierten Struktur 530 sind aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ VI hergestellt. Außerdem sind das wandelnde Element 520 und andere wandelnde Elemente der mit „D" markierten Struktur 530 aus einer LZT-Keramik vom Navy-Typ I oder III hergestellt. Der Schallgeber 500 enthält außerdem eine hohle isolierende Röhre 540, die konzentrisch innerhalb der Struktur 530 angebracht und durch einen Luftspalt davon getrennt ist, wobei der Spalt in der Größenordnung von 3 bis 8 mm breit ist. Die Röhre 540 ist aus einem relativ starren Polyurethanmaterial hergestellt, beispielsweise einem proprietären Polyurethanmaterial, das unter dem Warenzeichen „Tufset" vertrieben wird. Der Luftspalt dient einer ähnlichen Funktion wie die Endkappen 430, 440 des Schallgebers 400, nämlich einen Qualitätsfaktor Q_m mechanischer Resonanz des Schallgebers 500 über den zu erhöhen, der erreicht werden kann, wenn der Schallgeber 500 die Röhre 540 nicht aufweist und in einer Wasserumgebung eingesetzt wird, wobei Wasser die Elemente vollständig umgibt.
Bei alternativen Versionen des Schallgebers 500 wird die Röhre 540 durch andere Arten von mittig angebrachten Elementen ersetzt.
Das Erzielen eines relativ hohen Resonanzqualitätsfaktors Q_m beim Schallgeber 500 ist wünschenswert für das Erhöhen seiner Wandlungsempfindlichkeit. Eine derartige Erhöhung ist für einen effizienten Betrieb des Schallgebers 500 wichtig, bei dem nur die Hälfte der Elemente zu wandelnden Zwecken eingesetzt wird, wobei die andere Hälfte der Elemente zu abstimmenden Zwecken eingesetzt wird.
Nun unter Bezugnahme auf 6 wird eine Draufsichtsdarstellung des Schallgebers 400 gezeigt. Die Ansicht ist durch 600 angedeutet. Die Elemente sind in einer Umfangsrichtung um die Struktur 415 herum derart polarisiert, daß Grenzflächen, wo die Elemente anstoßen, als elektrische Anschlußpunkte für den Schallgeber 400 fungieren. Wie oben erwähnt treten wandelnde Elemente als angestoßene Paare in dem Schallgeber 400 auf. Analog treten abstimmende Elemente auch als angestoßene Paare darin auf. Wo die abstimmenden Elemente in Paaren anstoßen, beispielsweise Steuerelemente 610a, 610b, sind Anschlußpunkte ausgebildet für das Anlegen von Ansteuersignalen. Analog sind dort, wo die wandelnden Elemente in Paaren anstoßen, beispielsweise die wandelnden Elemente 620a, 620b, Anschlußpunkte für das Anlegen von Antriebssignalen ausgebildet, wenn der Schallgeber 400 als ein Sender fungiert, oder für das Anschließen an Eingänge von Verstärkern, wenn der Schallgeber 400 als ein Unterwasserschallempfänger fungiert.
Nunmehr unter Bezugnahme auf 7 wird ein durch 700 angedeuteter Schallgeber gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Der Schallgeber 700 enthält eine äußere Keramikröhre 710 und auch eine innere Keramikröhre 720. Die Röhren 710, 720 sind beide radial polarisiert. Innen- und Außenflächen der Röhren 710, 720 sind metallisiert, um Elektrodengebiete an den Röhren 710, 720 bereitzustellen. Außerdem weist die Innenröhre 720 einen Außendurchmesser auf, der einem Innendurchmesser der Außenröhre 710 entspricht, wodurch die Innenröhre 720 durch Löten oder einen leitenden Kleber, beispielsweise unter Verwendung eines leitenden Epoxidklebers, innerhalb der Außenröhre 710 gebondet werden kann, um eine konzentrische Baugruppe auszubilden. Elektrische Anschlüsse T₁, T₂, T₃ sind am Elektrodengebiet auf der Innenseite der Innenröhre 720, an den Elektrodengebieten auf einer Grenzfläche zwischen den Röhren 710, 720 bzw. an dem Elektrodengebiet auf der Außenseite der Röhre 710 ausgeführt. Der Anschluß T₂ dient als gemeinsamer Anschluß für die beiden Röhren 710, 720.
Eine der Röhren 710, 720 ist als eine wandelnde Röhre und die andere ist als eine Abstimmröhre bezeichnet. Die wandelnde Röhre umfaßt LZT-Keramik vom Typ I oder Typ III, wohingegen die Abstimmröhre LZT-Keramik vom Typ VI umfaßt. Wenn der Schallgeber 700 dazu verwendet wird, um Schallwellen in ein den Schallgeber 700 umgebendes Medium zu emittieren, wird die wandelnde Röhre von einem elektrischen Wechselsignal angesteuert, das zwischen dem Anschluß T₂ und dem anderen Anschluß der wandelnden Röhre angelegt wird, beispielsweise dem Anschluß T₃, wenn die Röhre 710 die wandelnde Röhre ist; analog wird eine phasenverschobene und amplitudenmodifizierte Version des elektrischen Signals an den anderen Anschluß der wandelnden Röhre angelegt, um den Schallgeber 700 abzustimmen, beispielsweise den Anschluß T₁, wenn die Röhre 720 die Abstimmröhre ist.
Bei Betrieb vibriert der Schallgeber in einem 1-3-Modus, nämlich seine Röhren 710, 720 sind radial polarisiert und vibrieren auf radiale Weise. Im Gegensatz vibriert der Schallgeber 400 in einem 3-3-Modus, nämlich seine Elemente sind über den Umfang polarisiert und die Struktur 415 vibriert auf radiale Weise.
In 8 wird durch 750 angedeutet ein Schallgeber gemäß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, wobei der Schallgeber 700 dem Schallgeber 700 ähnlich ist, außer daß die Röhren 710, 720 wie dargestellt durch entsprechende konzentrische Ringe 760, 770 ersetzt sind.
Bei Betrieb vibrieren die Schallgeber 400, 700, 750 wie in 9 dargestellt in einem radialen Ausdehnungs- und Zusammenziehungsmodus. Wenn Ansteuer- oder Abstimmsignale an die Elemente des Schallgebers 400 angelegt werden, bewirkt dies, daß sie sich in einer Richtung der Polarisation für jedes Element verbreitern oder verdünnen; wenn dies eintritt, erfährt die Struktur 415 eine zyklische Variation ihres Durchmessers wie dargestellt. Bei einem ersten Stadium (a) weist die Struktur 415 einen Nenndurchmesser auf. Bei einem zweiten Stadium (b) erweitert sich die Struktur 415 radial als Reaktion auf ein an die Struktur 415 angelegtes Antriebssignal. Bei einem dritten Stadium (c) zieht sich die Struktur 415 auf ihren Nenndurchmesser zusammen. Bei einem vierten Stadium (d) zieht sich die Struktur 415 radial als Reaktion auf ein an die Struktur 415 angelegtes Antriebssignal zusammen. Bei einem fünften Stadium (e) entspannt sich die Struktur 415 auf ihren Nenndurchmesser. Die Stadien (a) bis (e) werden auf zyklische Weise wiederholt, wenn der Schallgeber 400 in Betrieb ist und vibriert. Das Integrieren der Abstimmelemente in den Schallgeber 400 ermöglicht, eine Frequenzabstimmung vorzunehmen, so daß die Resonanzfrequenz der Struktur 415 auf ein daran angelegtes Antriebssignal abgestimmt wird, wodurch die Arbeitseffizienz des Schallgebers 400 verbessert wird. Die Schallgeber 700, 750 vibrieren auf ähnliche zyklische Weise wie der Schallgeber 400.
Es versteht sich, daß an den Schallgebern 400, 700, 750 eine Modifikation vorgenommen werden kann, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein innerhalb der Struktur 415 durch die Endkappen 430, 440 und die Elemente gebildeter Hohlraum mit einem oder mehreren Gasen gefüllt sein, beispielsweise Luft, einer Flüssigkeit, einem Dampf oder einem komprimierbaren Feststoff wie etwa Schaum.
Falls es zulässig ist, daß die Hohlräume der Schallgeber 400, 700, 750 mit Wasser gefüllt sind, wenn die Schallgeber 400, 700, 750 in einer Wasserumgebung betrieben werden, können die Hohlräume zu der Wasserumgebung hin belüftet sein; im Fall des Schallgebers 400 reduziert dies das Statikdruckdifferential an der Struktur 415 und ermöglicht dadurch, daß sie ohne Bruchrisiko in größeren Tiefen arbeitet.
Um die Montage des Schallgebers 400 zu vereinfachen, kann die Struktur 415 durch einen unitären zylindrischen Keramikresonator ersetzt werden, der in Umfangsrichtung polarisiert ist. Wenn ein zylindrisches monolithisches Keramikstück verwendet wird, werden Elemente ausgebildet, indem Elektroden auf das Stück gedruckt werden; ein derartiger Druck kann erzielt werden über Siebdruck von leitenden metallischen Tinten oder durch Vakuumaufdampfen von Metall durch eine konforme Schablonenmaske auf das Stück oder durch Handmalen unter Verwendung eines Pinsels. Ein derartiger unitärer Resonator besteht aus einem Stück Keramik und weist den Vorteil auf, daß er in der Herstellung billiger ist als ein „Barrel-Stave"-Wandler, beispielsweise die Struktur 415.
Außerdem kann die Struktur 415 so abgeschnitten werden, daß sie eine Form von Ringtyp oder länglich in Form eines länglichen Zylinders oder verjüngten Zylinders ist. Außerdem kann der Schallgeber 400 in einer flexiblen Polyurethanschicht beschichtet sein, um ihn von seiner ihn umgebenden Umgebung zu schützen und um die an den Elementen hergestellten elektrischen Anschlüsse elektrisch vor einer Störung aus der Umgebung zu schützen.
Es versteht sich, daß an den Schallgebern 10, 300, 400, 500, 700, 750 Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die aus LZT hergestellte Keramik vom Navy-Typ gegebenenfalls durch alternative aktive Materialen ersetzt werden, die mindestens eine der elektrostriktiven und magnetostriktiven Eigenschaften aufweisen. Solche alternativen Materialen können einen oder mehrere der folgenden enthalten: Blei-Titanat, Barium-Titanat oder Blei-Metaniobat. Außerdem läßt sich auch Blei-Magnesium-Niobat in Kombination mit Blei-Titanat verwenden, wobei das Niobat und Titanat entweder in keramischer oder kristalliner Form vorliegt. Außerdem können kristalliner Quarz oder ein magnetostriktives Material wie etwa Nickel oder ein proprietäres Material Terfenol D verwendet werden.
Zudem brauchen die Struktur 415, 530 und die Schallgeber 700, 750 keinen kreisförmigen Querschnitt aufzuweisen, sondern können so modifiziert sein, daß sie einen oder mehrere der folgenden alternativen Querschnittsformen aufweisen: elliptisch, rechteckig oder polygonal. Eine polygonale Form ist insbesondere angebracht, wenn relativ größere Schallgeber konstruiert werden sollen. Analog können die Platten 16, 320 und die Scheiben 20, 330, 340 in den Schallgebern 10, 300 andere Profile als kreisförmig aufweisen, wie in den 1, 2 oder 3 dargestellt, beispielsweise auch elliptisch, rechteckig oder polygonal.

Claims

Frequenzabstimmbarer Schallgeber zum Koppeln zwischen elektrischen Signalen und entsprechenden Schallwellen in einer dem Schallgeber ausgesetzten Umgebung, wobei der Schallgeber (10, 300, 400, 500, 700) folgendes enthält: – wandelnde Mittel zum Koppeln zwischen den Signalen und den entsprechenden Schallwellen – und piezoelektrische Abstimmittel zum Abstimmen einer Resonanzfrequenz der wandelnden Mittel wobei die wandelnden Mittel ein oder mehrere wandelnde Elemente (20a, 20d, 340, 420, 520, 620, 720, 770) umfassen und die Abstimmittel ein oder mehrere Abstimmelemente (20b, 20c, 330, 410, 510, 610, 710, 760) umfassen, wobei die Elemente mechanisch gegenseitig zusammengekoppelt sind und dahingehend arbeiten, daß sie als eine Verbundstruktur vibrieren, wobei die wandelnden Mittel und die Abstimmittel in eine oder mehrere Wände (16a, 16b, 320, 415, 530, 710, 720, 760, 770) eines Hohlraums (106) integriert sind, wobei die eine oder die mehreren Wände den Hohlraum zumindest teilweise von der Umgebung isolieren, gekennzeichnet dadurch, daß die Elemente in einem Biegeschwingungsmodus oder einem Radialschwingungsmodus vibrieren, so daß die eine oder die mehreren Wände dahingehend arbeiten können, daß sie mindestens in einem Biegeschwingungsmodus oder einem Radialschwingungsmodus vibrieren, um den Hohlraum zyklisch zu komprimieren und auszudehnen.
Schallgeber nach Anspruch 1, wobei die wandelnden Mittel und die Abstimmittel dadurch fungieren, daß sie mindestens das magnetostriktive oder elektrostriktive Phänomen ausnutzen, die in einem oder mehreren der folgenden Materialien auftreten, die in mindestens eines der Mittel integriert sind: Blei-Zirconat-Titanat, Blei-Titanat, Barium-Titanat, Blei-Metaniobat, Blei-Magnesium-Niobat in Kombination mit Blei-Titanat entweder in keramischer oder kristalliner Form, Nickel und kristalliner Quarz.
Schallgeber nach Anspruch 1 oder 2, wobei mechanische Steifigkeit der Abstimmittel als Reaktion auf eine elektrische Last oder ein elektrisches Signal, angelegt an die Abstimmittel, modifiziert werden kann.
Schallgeber nach Anspruch 3, wobei die Elemente der wandelnden Mittel gegenseitig elektrisch von den Wänden durch isolierende Glieder isoliert sind, wobei die Elemente und die isolierenden Glieder gegenseitig mechanisch gekoppelt sind, um als eine Verbundstruktur zu vibrieren.
Schallgeber nach Anspruch 4, wobei die isolierenden Glieder aus einem isolierenden keramischen Aluminiumoxid hergestellt sind.
Schallgeber nach Anspruch 4 oder 5, wobei sich die isolierenden Glieder über die Elemente hinaus erstrecken zum Verbessern der gegenseitigen elektrischen Isolierung der Elemente der wandelnden Mittel.
Schallgeber nach Anspruch 4, 5 oder 6, wobei mindestens eines der Elemente und der isolierenden Elemente periphere Ränder enthält, die abgerundet sind, um einem Abplatzen entgegenzuwirken.
Schallgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die mindestens eine Hohlraumwand eine Trägerplatte (16, 320) enthält, auf der die Elemente mechanisch befestigt sind.
Schallgeber nach Anspruch 8, wobei die Trägerplatte (16, 320) aus einem Maraging-Stahl, einem hochzugfesten Werkzeugstahl, einer Aluminiumlegierung, Messing oder Bronze hergestellt ist.
Schallgeber nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Trägerplatte (16, 320) eine ungleichförmige Dicke aufweist, um ihre Druckbeaufschlagungsfähigkeit zu verbessern.
Schallgeber nach Anspruch 10, wobei die Trägerplatte (16, 320) kreisförmig ist und sich zu einem zentralen Gebiet der Platte hin zu einem Scheitel (102, 380) verdickt.
Schallgeber nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei mehrere der Wände die wandelnden Mittel und die Abstimmittel enthalten, wobei die Wände durch ein Abstandshalterelement (12) zusammengekoppelt sind, wobei das Abstandshalterelement und die Wände zusammenwirken, um den Hohlraum zu umschließen.
Schallgeber nach Anspruch 12, wobei das Abstandshalterelement (12) aus einem Metall hergestellt ist.
Schallgeber nach Anspruch 13, wobei das Metall rostfreier Stahl ist.
Schallgeber nach Anspruch 12, wobei das Abstandshalterelement (12) aus einem isolierenden Material oder einem Polymer hergestellt ist.
Schallgeber nach Anspruch 15, wobei das isolierende Material ein faserverstärktes Polymer ist.
Schallgeber nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Abstandshalterelement (12) einen Vorsprung (104) enthält zur Ineingriffnahme an einer oder mehreren Trägerplatten, die die wandelnden Mittel und die Abstimmittel tragen, wobei der Vorsprung dadurch einen ringförmigen Randfuß für die Trägerplatten bereitstellt.
Schallgeber nach Anspruch 17, wobei die Elemente (20, 330, 340) direkt aneinander und auch direkt an ihre assoziierte Trägerplatte gebondet sind, wobei die Trägerplatte als eine erste elektrische Verbindung zu den Elementen fungiert.
Schallgeber nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Wände im wesentlichen in Form einer Zylinder- oder Ringstruktur vorliegen, die die wandelnden Mittel (420, 520, 620, 720, 770) und die Abstimmittel (410, 510, 610, 710, 760) umfaßt.
Schallgeber nach Anspruch 19, wobei die wandelnden Mittel (720) und die Abstimmittel (710) als konzentrisch montierte Röhren implementiert sind.
Schallgeber nach Anspruch 19, wobei die wandelnden Mittel (770) und die Abstimmittel (760) als konzentrisch montierte Röhren implementiert sind.
Schallgeber nach Anspruch 20 oder 21, wobei die Röhren oder Ringe radial polarisiert sind.
Schallgeber nach Anspruch 19, wobei die Elemente der wandelnden Mittel (420, 520, 620) in anstoßenden Paaren angeordnet sind und die Elemente der Abstimmittel (410, 510, 610) ebenfalls in anstoßenden Paaren angeordnet sind.
Schallgeber nach Anspruch 23, wobei elektrische Verbindungen zu den Elementen an Schnittstellen hergestellt sind, wo Elemente jedes Paars aneinander anstoßen.
Schallgeber nach Anspruch 19, 23 oder 24, wobei Endkappen (430, 440) an Enden der Zylinder- oder Ringstruktur integriert sind, um den Hohlraum innerhalb der Zylinder- oder Ringstruktur auszubilden.
Schallgeber nach Anspruch 25, wobei die Endkappen (430, 440) aus einem Metall hergestellt sind.
Schallgeber nach Anspruch 19, 23 oder 24, wobei ein mittig angeordnetes Element konzentrisch innerhalb der Zylinder- oder Ringstruktur integriert und durch einen den Hohlraum bereitstellenden Spalt davon getrennt ist.
Schallgeber nach Anspruch 27, wobei das mittig angeordnete Element eine hohle isolierende Röhre umfaßt.