DE69111459T2

DE69111459T2 - Akustischer sender.

Info

Publication number: DE69111459T2
Application number: DE69111459T
Authority: DE
Inventors: Gunnar Molund; Rune Tenghamn; Magnus Zetterlund
Original assignee: ASEA Atom AB
Current assignee: Westinghouse Electric Sweden AB
Priority date: 1990-09-28
Filing date: 1991-09-16
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-09-17
Also published as: NO931148D0; NO306437B1; WO1992006567A1; EP0550684A1; CN1060192A; SE467081B; JPH06501596A; SE9003086L; FI931381A; CA2091892C; NO931148L; CA2091892A1; EP0550684B1; DE69111459D1; US5329499A; FI931381A0; CN1027949C

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Antriebssatz für akustische Sender. Die bekannten akustischen Einrichtungen sind in der Lage, sowohl als Sender als auch als Empfänger zu arbeiten, das heißt, als Meßwertübertrager für akustische Signale. Eine akustische Einrichtung, in welcher die Erfindung mit Erfolg eingesetzt werden kann, ist ein sogenannter Sonar, das heißt ein Sender, welcher unter Wasser Schallwellen aussendet, die nach ihrer Reflektion durch Hydrophone verschiedener Art überwacht werden können.

Stand der Technik, das Problem

Es ist eine bekannte Tatsache, daß niederfrequente Schallwellen über längere Entfernungen durch Wasser übertragen werden können als hochfrequente Schallwellen. Lange Zeit bestand auch ein beträchtlicher Bedarf an leistungsstarken niederfrequenten Schallsendern, die in der Lage sind, unter Wasser zu arbeiten, und zwar sowohl aus militärischer Sicht als auch aus Sicht der am Meeresboden arbeitenden Öl- und Gasindustrie. Sender verschiedener Art waren für diese Zwecke und Gebiete waren seit recht langer Zeit auf dein Markt verfügbar. Eine Zusammenfassung betreffend solcher akustischen Sender findet sich in einem Artikel in der Zeitschrift DEFENSE SYSTEM REVIEW, November 1984, Seite 50-55, mit dem Titel "Sonar transducer design incorporates rare earth alloy".
Die meisten der heute verwendeten Sender basieren entweder auf dem piezo-elektrischen-Effekt oder auf Magnetostriktion. Wie bestens bekannt ist, besteht der piezo-elektrischen-Effekt darin, daß eine kristalline Substanz eine Anderung in ihre Länge erfährt, wenn eine elektrische Spannung an ihre Endflächen angelegt wird, und umgekehrt, eine elektrische Spannung auftritt, wenn die Substanz physikalisch verformt wird. Magnetostriktion bedeutet, daß ein magnetisches Material, das einer Änderung des magnetischen Flusses unterworfen wird, eine Längenänderung erfährt und, umgekehrt, eine äußerlich verursachte Längenänderung zu einer Änderung des magnetischen Flusses führt. Das bedeutet, daß ein Sender, welcher diese Effekte verwendet, im Prinzip auch als Empfänger verwendet werden kann.
Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen akustischer Sender. Bei niederfrequenten Anwendungen ist es üblich, daß sie zylinderförmig sind, wobei der Querschnitt entweder kreisförmig oder elliptisch ist.
Das größte Problem bei diesem Sendertyp besteht darin, eine ausreichend große Amplitude der Schwingungen zu erzielen. Um dies zu erreichen, ist entweder eine große Senderfläche oder eine kleine Senderfläche mit großer Schwingungsamplitude erforderlich.
Die Einführung des sogenannten gigantischen magnetostriktiven Materials hat die Möglichkeiten zum Bau guter akustischen Sender verbessert. Mit solchen Materialien als Antriebselement können Amplitudenänderungen erreicht werden, die etwa einhundert Mal größer sind als die entsprechenden Änderungen bei Verwendung von piezo-elektrischen Materialien oder bei Verwendung gewöhnlicher magnetischer Materialien. Sender, welche dieses gigantische magnetostriktive Material verwenden, gibt es seit mehreren Jahren auf dem Markt.
Eine häufig vorkommende Ausführungsform für den Antrieb soll genauer beschrieben werden, wobei von einem zylindrischen Sender mit elliptischem Querschnitt ausgegangen wird. Die zylindrische Mantelfläche besteht aus einer elastischen Meinbran oder Hülle. Im Inneren und parallel zur Achse des Zylinders und in Kontakt mit der Hülle sind zwei Stäbe vorhanden, welche Druck auf die Hülle ausüben. Die Querschnitte der Stäbe liegen spiegelsymmetrisch zur kleinen Achse der elliptischen Hülle, und jeder Stab wird begrenzt durch den Teil der Hülle, der am Ende der großen Achse liegt und eine Sehne parallel zur kleinen Achse. Zwischen den Stäben und in Kontakt mit deren planparallelen Seiten befindet sich ein elektrisch gesteuertes Antriebselement in Gestalt eines Antriebsstabes. Die Längsachse des Antriebsstabes fällt zusammen mit der großen Achse des elliptisch geformten Querschnittes und liegt in der Mitte zwischen den Endflächen des Senders. Im Falle der Anwendung des magnetostriktiven Effektes besteht der Antriebsstab aus magnetischem Material, zweckmäßigerweise einem gigantischen magnetostriktiven Material, welches über ein umgebendes Fenster magnetisiert wird, um mit der gewünschten Frequenz des Senders Schritt zu halten. Wenn der piezo-elektrische Effekt verwendet wird, besteht der Antriebsstab aus piezo-elektrischem Material. Der Antriebsstab kann natürlich in seiner Gesamtheit oder in bestimmten Teilen aus einem Material mit der gewünschten Fähigkeit zur Längenänderung bestehen.
Der grundsätzliche Aufbau eines akustischen Senders der oben beschriebenen Art kann hinsichtlich einzelner Details unterschiedlich sein. Ein akustischer Sender von zylindrischer Gestalt und einer elliptischen Querschnittsfläche und mit Antriebsstäben aus gigantischem magnetostriktiven Material wird unter anderem beschrieben in der US-PS-4 901 293 mit dem Titel "A rare earth flextensional transducer".
Die veröffentlichte schwedische Patentanmeldung 8901905-3 "Device in acoustic Transmitters" beschreibt ebenfalls einen zylindrischen Sender mit einem elliptischen Querschnitt. Das Antriebselement besteht hier aus einem Körper mit entgegengesetzt gerichteten Ausnehmungen, in welche Druckstäbe eingesetzt sind. Die Antriebsstäbe ihrerseits sind in Druckstäben befestigt, welche in der oben beschriebenen Weise auf die Membran wirken.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung umfaßt ein Grundkonzept für das, was oben als "Antriebselement" beschrieben wurde, im folgenden jedoch als "Antriebssatz" bezeichnet wird. Was die anderen Teile eines Senders anbetrifft, bildet ein Aufbau der oben beschriebenen Art mit einer zylindrischen Gestalt von elliptischem Querschnitt den Ausgangspunkt. Der Sender hat eine elastische Membran oder Hülle und zwei innere Druckstäbe an den Enden der großen Achsen. Zwischen diesen Stäben ist der Antriebssatz gemäß der Erfindung angeordnet.
Zum Antriebssatz gehört eine Platte aus magnetischem Material mit der äußeren Form eines rechtwinkligen Quaders. In der Platte ist eine Anzahl von Ausnehmungen oder Fenstern vorhanden, und aus diesem Grunde wird die Platte im folgenden als Rahmen bezeichnet. Es sind zwei verschiedene Lochausführungen für die Fenster vorhanden, die jedoch beide eine quaderförmige Gestalt mit abgerundeten Ecken haben.
Eine Fensterausführung, die im folgenden als "Antriebsfenster" bezeichnet wird, ist so geformt, daß in dem Fenster ein Antriebsglied untergebracht werden kann, welches aus einer oder mehreren Antriebszellen besteht, deren Längenänderungsachsen alle in derselben Richtung angeordnet sind.
Die andere Fensterausführung, die im folgenden als "Vorspannfenster bezeichnet wird, ist so geformt, daß eine Vorspannvorrichtung gemäß der folgenden Beschreibung in dem Fenster untergebracht werden kann. Die Vorspannvorrichtung besteht aus einem Keil, der mittels einer Schraube verschoben werden kann und zwischen zwei äußeren beweglichen Andruckstücken angeordnet ist. Die Andruckstücke sind an ihren dem Keil zugewandten Seiten so geformt, daß sie zusammen einen Winkel bilden, der gleich dem Keilwinkel ist. Die einander abgewendeten äußeren Seiten der Andruckstücke sind planparallel und entfernen sich voneinander in einer Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Keils, wenn der Keil mittels der Schraube in die winkelförmige Öffnung zwischen den Andruckstücken hineinbewegt wird.
Die Höhenabmessung des Rahmens ist so gewählt, daß sie im wesentlichen dem Abstand zwischen den planparallelen inneren Seiten der Druckstäbe entspricht, das heißt, der Länge der großen Achse zwischen den Druckstäben. Die Breite des Rahmens entspricht der axialen Länge der zylindrischen Hülle. Die Dicke des Rahmens kann in weiten Grenzen variieren und wird im wesentlichen durch Abmessungen bestimmt, die erforderlich sind, um die Antriebszellen und die Vorspannvorrich tungen unterbringen zu können. Wie später beschrieben werden wird, werden die elliptisch geformten Endplatten des Senders an den durch die Höhe und Dicke bestimmten Seiten des Rahmens befestigt. Im übrigen wird der Rahmen so zentriert, daß seine mittlere Ebene, das heißt, eine Ebene in der Mitte zwischen den beiden durch die Breite und Höhe bestimmten Seiten mit einer gedachten Ebene zusammenfällt, in welcher die große Achse und die Längsachse des zylindrischen Senders durch den Mittelpunkt des elliptischen Querschnittes liegen. Aus dem zuvor Gesagten geht hervor, daß die beiden durch die Breite und Dicke bestimmten Seiten des Rahmens den planparallelen Seiten der Druckstäbe gegenüber und parallel zu ihnen liegen.
Zwei Antriebsfenster und ein Vorspannfenster, welches in der Mitte zwischen den Antriebsfenstern liegt, mit zusammenfallenden Mittellinien, die parallel zur große Achse des elliptischen Querschnitts verlaufen, wobei die drei Fenster eine Säule bilden, sind in dem Rahmen vorhanden. Der Rahmen kann eine beliebige Anzahl solcher parallelen Säulen enthalten.
Gemäß dem oben Gesagten ist in den beiden Antriebsfenstern je ein Antriebsglied mit einer oder mehreren Antriebszellen angeordnet. Jedes Antriebsglied endet mit Druckstiften, die in Richtung der Längenänderung orientiert sind. Für diese Druckstifte sind freie Durchtrittslöcher im Rahmen vorgesehen. In den Druckstäben sind Ausnehmungen zur Führung und als Gegenlager für die Druckstifte vorhanden, die aus den Antriebsfensern hervorragen. In dem dazwischen liegenden Vorspannfenster ist eine der oben beschriebenen Vorspannvorrichtungen angeordnet. Die inneren Druckstifte der Antriebsglieder sind an die planparallelen äußeren Seiten der Vorspann-Andruckstücke angeschlossen.
Gemäß, unter anderem, dem oben genannten Artikel in der Zeitschrift "DEFENCE SYSTEM REVIEW" ist es bekannt und zweckmäßig, für seismische Sender Antriebsquellen zu verwenden, die gigantisches magnetostriktiven Material enthalten, wie zum Beispiel Terfenol. Es ist ferner bekannt, daß für eine optimale Arbeitsweise solche Antriebsquellen sowohl eine mechanische Vorspannung als auch eine Vormagnetisierung erforderlich sind.
Eine geeignete Antriebsquelle zur Verwendung in einem Antriebssatz gemäß der Erfindung ist eine Antriebszelle, die entsprechend dem US-A-4 914 412 "Magnetic Circuit" aufgebaut ist. Dieser magnetische Kreis dient der Magnetisierung eines zylindrisch geformten magnetischen Materials, zum Beispiel eines gigantischen magnetostriktiven Materials, in axialer Richtung. Der magnetische Kreis enthält eine Magnetisierungsspule und permanente Magnete für die Vormagnetisierung sowie magnetische Rückleiter aus ferromagnetischem Material.
Die gewünschte mechanische Vorspannung wird mit Hilfe der Vorspannvorrichtungen in den Vorspannfenstern erreicht. Durch Einführung des Keils mittels der Schraube zwischen die Andruckstücke drücken diese über die Druckstifte der Antriebsglieder die Druckstäbe gegen die Membran, wodurch die gewünschte mechanische Vorspannung der Antriebszellen zustande kommt. Hierdurch wird erreicht, daß der Rahmen innerhalb der Membran frei beweglich ist und daß die Endplatten des Senders am Rahmen befestigt werden können, ohne daß diese Endplatten die Schwingungsbewegung der Membran in nennenswertem Maße beeinflussen.
Das beschriebene Konzept für den Aufbau eines akustischen Senders schafft große Freiheiten hinsichtlich der Konstruktion, der Abmessungen und des akustischen Effektes, da sowohl die Anzahl de Antriebszellen in jedem Antriebsglied als auch die Anzahl der Säulen frei gewählt werden können.
Das Konzept des Rahmens schafft auch eine gute Möglichkeit zur Befestigung der Antriebsglieder und zur Befestigung der Druckstäbe bei der Herstellung und Wicklung der Membran. Der Rahmen dient auch als magnetisches Joch für den magnetischen Kreis.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen zylindrischen akustischen Sender mit einem elliptischen Querschnitt, welcher ein Antriebssatz gemäß der Erfindung enthält.
Figur 2 zeigt Antriebsglieder mit einer in dem Antriebssatz enthaltenen Vorspannvorrichtung.

Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels

Einen akustischen Sender, in dem ein Antriebssatz gemäß der Erfindung vorzugsweise verwendet werden kann, zeigt Figur 1. Wie gezeigt, hat der Sender eine zylindrische Gestalt mit einem elliptischen Querschnitt. Äußerlich besteht der Sender aus einer Mantelfläche in Gestalt einer elastischen Membran 1 und Endplatten 2 und 3. Im Inneren der Membran und parallel zur Achse des Zylinders befinden sich an den Enden der großen Achse des elliptischen Querschnittes zwei Druckstäbe 4 und 5, was alles mit dem oben beschriebenen Stand der Technik übereinstimmt.
Der akustische Sender besteht aus einem Rahmen mit einer Anzahl von Fenstern, Antriebsgliedern mit einer oder mehreren Antriebszellen und einer Vorspannvorrichtung, die aus einem Keil und Vorspann-Andruckstücken besteht.
Wie oben beschrieben, hat der Rahmen 6 die Form eines rechtwinkligen Quaders. Um die folgende Beschreibung zu erleichtern, wird im folgenden Bezug genommen auf die Höhe h, Breite w und Dicke t des Rahmens. Der Rahmen ist derart zentral innerhalb der Membran angeordnet, daß eine Ebene mitten zwischen und parallel zu den beiden durch die Höhe und Breite bestimmten Seiten mit der Ebene zusammenfällt, in der alle großen Achsen liegen. Die Höhe h des Rahmens ist dabei so bemessen, daß sie im wesentlichen dem freien Abstand zwischen den Druckstäben entspricht, was bedeutet, daß die durch Breite und Dicke bestimmten Seiten des Rahmens praktisch in Kontakt mit den Druckstäben stehen. Die Breite b des Rahmens entspricht der axialen Länge der zylindrischen Membran. Die Endplatten des Senders können daher mittels Schrauben 7, 8, 9 und 10 an die durch Höhe und Dicke bestimmten Seiten des Rahmens befestigt werden. Die Dicke t des Rahmens, das heißt, der Abstand zwischen den beiden, durch Höhe und Breite bestimmten Seiten, ist in erster Linie bestimmt durch die Anforderungen an eine praktische Unterbringung der Antriebsglieder und der Vorspannvorrichtungen sowie durch die Anforderungen an die erforderlichen Abmessungen der freien Durchtrittslöcher für die Druckstifte. Da der Rahmen im Inneren des Sender frei beweglich ist, wenn dieser sich mit Hilfe der Vorspannvorrichtungen in einem mechanisch vorgespannten Zustand befindet, entstehen im Rahmen als solchen keine nennenswerten mechanischen Spannungen. Daher werden die Höhe und Breite des Rahmens im wesentlichen bestimmt durch die Anzahl der Antriebszellen/Antriebsglieder, die erforderlich sind, um den gewünschten akustischen Effekt zu erhalten.
Zwei der oben genannten Antriebsfenster sind bei 11 und 12 gezeigt. Wie gezeigt, haben diese eine quaderförmige Gestalt mit abgerundeten Ecken. In der Mitte zwischen ihnen befindet sich ein Vorspannfenster 13, welches ebenfalls eine quaderförmige Gestalt mit abgerundeten Ecken hat. Für die weitere Beschreibung ist es, wie zuvor angegeben, zweckmäßig, festzustellen, daß die beiden Antriebsfenster und das zwischen ihnen liegende Vorspannfenster eine Säule bilden. Wie man sieht, enthält ein seismischer Sender gemäß Figur 1 fünf Säulen. Wie zuvor festgestellt, haben die Antriebsglieder, welche in den Antriebsfenstern untergebracht werden sollen, sich axial erstreckende Druckstife. In dem Rahmen sind für diese Druckstifte freie, das heißt, Spiel aufweisende Durchtrittslöcher 14, 15, 16 und 17 vorhanden, die eine gemeinsame zentrale Achse haben, welche mit der zentralen Achse jeder Säule zusammenfällt.
Zur Zentrierung und Führung der Druckstifte sowie zu ihrer Lagerung gegen die Druckstäben sind, wie oben beschrieben vorgesehen, Ausnehmungen 18 und 19 in den Druckstäben vorgesehen, wobei die Achslinie dieser Ausnehmungen mit der zentralen Linie der Säulen zusammenfällt.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau von zwei Antriebsgliedern 20 und 21 mit einer zwischen ihnen angeordneten Vorspannvorrichtung 22, wie sie in jede Säule eingesetzt wird. Die Antriebsglieder bestehen aus einer oder mehreren Antriebszellen 23. Wenn verschiedene Antriebszellen verwendet werden, werden diese so montiert, daß sie eine gemeinsame axiale Ausdehnungsrichtung haben. Die Druckstifte der Antriebsglieder sind mit 24 und 25 bezeichnet. Zur Vorspannvorrichtung gehören zwei Andruckstücke 26 und 27 und ein Zwischenkeil 28. Die Antriebsglieder werden gegen die Druckstäbe gedrückt, wenn der Keil mit Hilfe einer Schraubvorrichtung 29 zwischen die Andruckstücke eingeführt wird. Diese Schraubvorrichtung sowie die Führung der Andruckstücke kann in einer Vielzahl unterschiedlicher und einfacher Wege verwirklicht werden und wird daher nicht genauer beschrieben.
Das beschriebene Grundprinzip kann, was die Details anbetrifft, in einer Vielzahl unterschiedlicher Weisen verwirklicht werden, die alle unter die Erfindung fallen. Neben der bereits erwähnten Wahl der Anzahl der Säulen, Antriebszellen pro Antriebsglied und der Abmessungen des Rahmens, können beispielsweise die Fenster und die Anbringung der Endplatten an die durch Höhe und Dicke bestimmten Seiten des Rahmens von der jeweiligen Ausführungsform abhängen. Der Keil der Vorspannvorrichtung kann auch konisch ausgebildet sein, wobei in diesem Falle diejenigen Oberflächen der Andruckstücke, welche dem Keil zugewandt sind, ebenfalls konisch ausgebildet sind, und zwar mit derselben Konizität wie der Keil. Der Antriebssatz kann natürlich auch in zylindrischen Sendern verwendet werden, deren Querschnitt nicht elliptisch ist, sondern beispielsweise kreisförmig ist.

Claims

1. Antriebssatz zum Einbau in akustische Sender, deren Form zylindrisch ist und die eine Hülle haben, die als elastische Membran (1) ausgebildet ist, und die mit Druckstäben (4, 5) versehen sind, die diametral zueinander im Inneren der Meinbran angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

daß der Antriebssatz zwischen den Druckstäben angeordnet ist und einen Rahmen (6), Antriebsglieder (20, 21) und eine Vorspannvorrichtung (22) enthält,

daß der Rahmen als rechtwinklige quaderförmige Platte aus magnetischem Material mit quaderförmigen Ausnehmungen mit abgerundeten Ecken in Gestalt von Antriebsfenstern (11, 12) und Vorspannfenstern (13) ausgebildet ist,

daß zwei Antriebsfenster mit einem zwischen ihnen liegenden Vorspannfenster eine Säule bilden mit einer gemeinsamen Mittellinie diametral zwischen den Druckstäben (4, 5),

daß der Rahmen mindestens eine Säule enthält,

daß die Antriebsglieder (20, 21) in den Antriebsfenstern (11,12) angeordnet sind und eine oder mehrere Antriebszellen (23) enthalten, die elektrisch oder magnetisch steuerbar und ausdehnbar sind,

daß diejenigen Enden der Antriebsglieder, die sich in Richtung der Ausdehnung erstrecken, als Druckstifte (24, 25) ausgebildet sind, für welche freie Durchtrittslöcher (14, 15, 16, 17) mit der gleichen Mittellinie wie die der Fenster der Säule im Rahmen vorgesehen sind, und zwar sowohl von den Antriebsfenstern (11,12) zu den Druckstäben als auch zu dem zwischen ihnen liegenden Vorspannfenster,

daß die Vorspannvorrichtungen (22) in den Vorspannfenstern (13) angeordnet sind und zwei Druckstifte (26, 27) enthalten, welche mit ihren nach außen gerichteten Flächen in Kontakt mit den nach innen gerichteten Druckstiften der Antriebsglieder stehen und deren einander zugewandten Flächen so ausgebildet sind, daß sie an den Flächen (28) eines zwischen ihnen liegenden Keils passend anliegen,

und daß der Keil mit einer Schraubvorrichtung (29) versehen ist, mittels derer der Keil zwischen die Vorspann-Andruckstücke geschoben werden kann, wodurch diejenigen Druckstifte der Antriebsglieder, welche den Druckstäben zugewandt sind, mit Ausnehmungen (18, 19) in den Druckstäben in Kontakt gelangen.

2. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebssatz in einem akustischen Sender mit elliptischem Querschnitt eingebaut ist.

3. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebssatz in einem akustischen Sender mit kreisförmigem Querschnitt eingebaut ist.

4. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antriebszelle (23) einen magnetischen Kreis hat, welcher durch einen Permanentmagneten vormagnetisiert ist und einen magnetischen Kern aus gigantischem magnetostriktiven Material enthält.

5. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Antriebszelle (23) ein piezo-elektrisches Element enthält.

6. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspann-Andruckstücke (26, 27) einander gegenüberliegende ebene Flächen haben, die einen Winkel miteinander bilden, welcher dem Keilwinkel eines zwischen ihnen liegenden ebenen Keils entsprechen.

7. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keil eine konische Form hat und daß die dem Keil zugewandten Flächen der Vorspann-Andruckstücke (26, 27) so ausgebildet sind, daß sie konisch am Keil anliegen.

8. Antriebssatz für akustische Sender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endplatten (2, 3) des Senders an dem Antriebssatz befestigt sind.