DE69200439T2

DE69200439T2 - Sonarwandler.

Info

Publication number: DE69200439T2
Application number: DE1992600439
Authority: DE
Inventors: James W Fitzgerald
Original assignee: KILDARE CORP
Current assignee: KILDARE CORP
Priority date: 1991-07-25
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: EP0524371A1; DE69200439D1; DK0524371T3; EP0524371B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektroakustische Unterwasser-Wandler und insbesondere auf Verbesserungen zur Benutzung in Sonaranlagen vorgesehener akustischer Quellen von der Art eines Biegeschwingungsstabes. Die Erfindung sucht Verbesserungen im Aufbau eines modifizierten, beidseitig freischwingenden Biegeschwingstab-Wandlerelements, ein Schwingungselement, was nachfolgend manchmal als FLEXBAR bezeichnet wird, um es vom herkömmlichen Biegestab-Sonarstrahlerelement zu unterscheiden.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit haben sich die Bemühungen im großen Umfang auf sogenannte Biegestabwandler (bender-bar) konzentriert, was ein beidseitig an seinen Enden aufgehängter Biegewandler ist. Trotz dieser Bemühungen verbleiben eine Anzahl systemeigener allgemeiner Probleme. Beispielsweise führen die Biegewandlerlagerungen unausweichlich zu einem Leistungsverlust aufgrund von Vibrationen der Lagerstruktur und können bei am Schiffsrumpf befestigten Wandleranordnungen ernsthafte Bewohnbarkeitsprobleme bei Schiffen und U-Booten zur Folge haben. Zusätzlich führt die Biegestabkopplung bei rumpfgelagerten, absetzbaren und schleppbaren Sonarstrahleranordnungen aufgrund ihrer Lagerung zu komplexen, sporadisch häufigen Reaktionen, welche die wechselseitigen Impedanzprobleme der Anordnung erschweren, die akustische Leistungsabgabe stark begrenzen und oftmals zu einer unerwünschten Rückstrahlung führen.
Die theoretischen Endbedingungen für einen ideal beidseitig aufgehängten Biegestab sind: (1) Die Auslenkung der Enden muß gleich Null sein (y = 0 für X = 0 und x = L), und (2) die Biegemomente an den Enden müssen gleich Null sein (d²y/dx² = 0 für x = 0 und x = L). Der umfangreiche Stand der Technik hat drei prinzipielle Lageranordnungen für Biegestäbe entwickelt, nämlich (1) die Stiftaufhängung, (2) die Flanschaufhängung; und (3) die Federaufhängung. In gewissem Umfang können alle drei Lösungen verwendet werden um kleine Biegemomente an den Enden zu erzielen, jedoch kann keine dieser Lösungen die andere Anforderung nach kleinen Auslenkungen der Enden erfüllen, ohne übermäßige Masse an den Lagern vorzusehen. Man hat auch versucht die Reaktion des Biegestabs auf seine Lagerung dadurch zu beseitigen, daß man einen zweiten Biegestab in entgegengesetzter Phasenlage (180º) schwingen läßt. Dies ist eine teuere Lösung, weil sie die Anzahl der Biegestäbe verdoppelt und damit auch das Gewicht verdoppelt. Außerdem ist sie von begrenztem Wert, weil es praktisch unmöglich ist, die Biegestäbe so aneinander anzupassen, daß sie gleiche Amplitude und entgegengesetzte Phase (180º) über das erforderliche Frequenzband zeigen. Der umfangreiche Stand der Technik wird im einzelnen in einem Buch "The Flexural Bar Transduce" von R. S. Woollett geschrieben, welches durch das Naval Underwater System Center, New London, CT, 1986 veröffentlicht wurde.
US-A 3 704 385 beschreibt eine piezoelektrische Wandleranordnung mit einer flachen Scheibe aus piezoelektrischem Material, welche von zwei an zwei Halteplatten vorgesehenen Vorsprüngen getragen wird, die zu beiden Seiten der Scheibe vorgesehen sind. Die Vorsprünge stehen mit dem Element längs seiner Knotenlinie im Kontakt, so daß dieses unbegrenzt schwingen kann. Das Patent beschreibt den Nachteil, daß der Teil der Scheibe auf der einen Seite der Knotenlinie in der einen Richtung schwingt und der Teil der Scheibe auf der anderen Seite der Knotenlinie immer in entgegengesetzter Richtung schwingt, so daß die auf beiden Seiten der Knotenlinie erzeugten Kompressions- und Verdünnungswellen einander stören und die akustische Ausgangsleistung im wesentlichen gegeneinander aufheben. Um diese Probleme zu lösen sind akustische Verzögerungsmittel in Form von Luftdüsen oder akustischen Öffnungen im Weg der Verdünnungswellen vorgesehen, derart, daß die Phasenverzögerungsmittel die Kompressionswelle um eine halbe Wellenlänge zeitverzögern, bevor diese Wellen sich mit der Kompressionswelle kombiniert Diese Phasenkompensation erfordert zusätzliche Luftdüsen oder akustische Drosselstellen und arbeitet nur bei einer bestimmten Frequenz, wo die Phasenverzögerung gerade einer halben Wellenlänge der erzeugten Ultraschallfrequenz entspricht

Zusammenfassung der Erfindung

Die herkömmliche Auffassung der Sonar-Experten ist, daß "der beidseitig freischwingende Stab frei von extern angelegten Kräften oder Reaktionskräften ist und keine nützliche Anwendung als Unterwasser-Wandler hat" (vgl. R S Woollett, The Flexural Bar Transducer, 1986, Seite 203). Diese Ansicht hat ihren Ursprung vermutlich in der Tatsache daß der unmodifizierte beidseitig freischwingende Biegeschwingungsstab als akustischer Dipol strahlt verbunden mit einer schlechten Strahlungsausbeute. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Modifizieren des beidseitig freischwingenden Biegeschwingungsstabs derart, daß er als Monopol schwingt und folglich eine stark verbesserte Abstrahlung zeigt. Gleichzeitig behält der modifizierte, beidseitig freischwingende Biegeschwingungsstab seine einmaligen Eigenschaften bei, nämlich (a) in den Schwingungsknoten gelagert, und (b) dynamisch ausgeglichen zu sein. Als direktes Ergebnis dieser Eigenschaften hat der modifizierte, beidseitig freischwingende Biegeschwingungsstab praktisch keine mechanische Reaktion an seinen Lagerstellen und zeigt praktisch keine struktureigenen Vibrationen. Diese Eigenschaften zusammen mit einem hohen Wirkungsgrad, relativ niedrigen Kosten und anderen zugehörigen Eigenschaften lassen dieses Wandlerelement nachweislich dem Biegestab in praktisch allen Sonarstrahleranwendungen überlegen erscheinen. Zur Unterscheidung dieses neuartigen modifizierten, beidseitig freischwingenden Biegeschwingungsstabes vom herkömmlichen, beidseitig an den Enden aufgehängten Biegestab wird im nachfolgenden Teil dieser Beschreibung der Name FLEXBAR benutzt.

Ziele der Erfindung

Es ist ein Hauptziel der Erfindung, ein Strahlerelement vom Typ Biegeschwingungsstab zu schaffen, welches die dem herkömmlichen Biegestabelement innewohnenden allgemeinen Probleme, insbesondere diejenigen, die sich aus den mechanischen Reaktionskräften auf die Halterungen ergeben, beseitigt. Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst. Sie verhindert, akustische Abstrahlung von den äußeren Teilen, die mit der Strahlung des Mittelteils nicht gleichphasig wäre. Damit strahlt der akustische Unterwasserwandler die akustische Energie im wesentlichen als Monopol und nicht als Dipol ins Wasser.
Weitere Ziele der Erfindung sind die Schaftüng eines Biegeschwingstab-Sonar- Strahlerelements, welches:
- Lagerungen im Schwingungsknoten aulweist (Reinhaltung der Schwingungsknoten),
- einen einfachen, beidseitig freischwingenden Basisbiegeschwingungsmodus hat (Reinhaltung der Schwingungsmoden),
- dynamisch abgeglichen ist (praktisch keine Reaktionskrafteinwirkung auf die Lager),
- einen hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten aufweist (0,3 bis 0,6),
- einen hohen elektroakustischen Wirkungsgrad zeigt (70%),
- wirksam mechanisch vorgespannt werden kann (für Hochleistungsanwendungen),
- mechanisch abstimmbar ist (über ungefähr eine Oktave),
- für fast jede beliebige Konfiguration der akustischen Wandleranordnung geeignet ist (eben, zylindrisch, sphärisch, konform, usw.),
- für Niederfrequenzanordnungen geeignet ist (über einen Bereich von 20Hz bis 2000Hz),
- sich für Hochleistungsanordnungen eignet (z.B. 0,5 Megawatt akustische Ausgangsleistung),
- für Breitbandstrahleranordnungen geeignet ist (ungefähr Oktave),
- sowohl bei Obertlächenschiff- als auch bei U-Boot-Sonarwandleranordnungen verwendet werden kann (entweder in einem Sonardom oder in einer konformen Anordnung),
- für die Benutzung als akustische Quelle für Schleppsonare oder absetzbare Sonare (z.B. aktive Sonarbojen) ausgestaltet werden kann,
- ein hohes Verhältnis der akustischen Leistung zum Gewicht autweist (typisch 20 bis 30 Watt pro Pfünd in Wasser),
- eine gerichtete akustische Abstrahlung in nur einer Richtung hat (nur eine Oberfläche) mit einem hohen Vorwärts/Rückwärtsstrahlungsverhältnis (ungefähr 60dB).
- eine ausgezeichnete Wärmeabführ zeigt (eine direkte thermische Verbindung zum Meerwasser), und
- leicht herzustellen und hinsichtlich seiner Qualität zu überwachen ist (Einzelelemente können leicht mechanisch innerhalb von ungefähr 1Hz abgestimmt werden).
Bevorzugte Einzelheiten und Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen wiedergegebene Dabei zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines beidseitig, in seinem niedrigsten Modus freischwingenden Biegestabs;
Figur 2 eine schematische Darstellung eines in einem wasserdichten Gehäuse in seinen Schwingungsknoten gelagerten, beidseitig freischwingenden Biegeschwingungsstabs, der unter Wasser als akustischer Dipol strahlt;
Figur 3 eine schematische Wiedergabe eines modifizierten, beidseitig freischwingenden Biegestabs in seinem niedrigsten Schwingungsmodus;
Figur 4 eine schematische Wiedergabe eines modifizierten, freischwingenden Biegestabs, der in seinen Schwingungsknoten in einem wasserdichten Gehäuse gelagert ist und als akustischer Monopol Unterwasser ab strahlt;
Figur 5 eine isometrische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines piezokeramischen FLEXBAR- Schwingers;
Figur 6A eine Draufsicht auf die Keil-Methode zum Anlegen einer mechanischen Vorspannung an den piezoelektrischen Stapel des FLEXBAR-Schwingers;
Figur 6B eine Seitenansicht der Keil-Methode gemäß Figur 6A;
Figur 7 eine Darstellung der Methode mit sich verjüngenden Stiften zum Anlegen einer mechanischen Druckvorspannung an den piezokeramischen Stapel des FLEXBAR-Schwingers;
Figur 8 eine Darstellung der Methode, welche sich verjüngende Gewindestifie benutzt um eine mechanische Druckvorspannung an den piezokeramischen Stapel des FLEXBAR-Schwingers zu legen;
Figur 9A eine Draufsicht auf einen FLEXBAR-Schwinger für eine Resonanzfrequenz von etwa 1kHz;
Figur 9B die Seitenansicht des FLEXBAR-Schwingers gemäß Figur 9A,
Figur 9C eine Endansicht des FLEXBAR-Schwingers gemäß Figur 9A;
Figur 10 eine Kurve, welche die relative Verschiebung der Mitte des FLEXBAR-Schwingers gemäß Figur 9B als Funktion der Frequenz gemessen in Luft wiedergibt;
Figur 11 eine Kurve, welche die Verschiebung längs des FLEXBAR- Schwingers beim Schwinger gemäß Figur 9B zeigt, gemessen als Funktion des Abstands längs des Biegestabes in Luft;
Figur 12 eine Kurve, welche die Gesamtimpedanz des FLEXBAR- Schwingers gemäß Figur 9B als Funktion der Frequenz gemessen in Luft zeigt;
Figur 13 eine Kurve, welche die Resonanzfrequenz und die Lage der Schwingungsknoten für den FLEXBAR-Schwinger gemäß Figur 9B als Funktion der insgesamt hinzugefügten Masse zeigt;
Figur 14 eine Kurve, welche die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten der FLEXBAR-Konstruktion gemäß Figur 9B als Funktion der insgesamt hinzugefügten Masse sowohl für k&sub3;&sub3;- als auch k&sub3;&sub1;- Bauweise wiedergibt;
Figur 15 in Explosionsdarstellung die Hauptbestandteile eines Sonarwandlermoduls, der aus mehreren FLEXBAR- Schwingern besteht und als FLEXDUCER-Modul bezeichnet wird;
Figur 16A eine Draufsicht auf einen FLEXDUCER-Modul mit fünf FLEXBAR-Schwingern der Bauart gemäß Figur 9B;
Figur 16B die Endansicht des FLEXDUCER-Moduls von Figur 16A;
Figur 16C eine Seitenansicht des FLEXDUCER-Moduls nach Figur 16A;
Figur 17A eine Draufsicht auf Konstruktionseinzelheiten einer FLEXBAR- Halterung,
Figur 17B eine seitliche Ansicht der Konstruktionseinzelheiten einer FLEXBAR-Halterung im Teilschnitt;
Figur 17C eine Endansicht mit Konstruktionseinzelheiten einer FLEXBAR-Halterung;
Figur 18 ein elektrisches Äquivalenzschaltbild des FLEXDUCER- Moduls gemäß Figur 16A;
Figur 19 Kurven der gemessenen und der berechneten Übertragungsfunktion des FLEXDUCER-Moduls nach Figur 16A;
Figur 20 die berechnete maximale akustische Ausgangsleistung sowie die mechanische Güte Qm einer rechtwinkligen Sonaranordnung bestehend aus mehreren FLEXDUCER-Moduls gemäß Figur 16A als Funktion der Anzahl der Module in dem Wandlerfeld;
Figur 21 den Vergleich der gemessenen Gehäuseschwingungsdurchläßigkeit eines aus FLEXBAR- Schwingern aufgebauten Wandlermoduls mit einem Wandlermodul, der aus äquivalenten Biegestäben besteht;
Figur 22 die piezokeramische Antriebsplatte (k&sub3;&sub1;) zum Antrieb eines FLEXBAR-Wandlers;
Figur 23 den piezokeramischen Stapel (k&sub3;&sub3;) zum Antrieb eines FLEXBAR-Wandlers;
Figur 24 die piezokeramische Streifenplatte (ksp) zum Antrieb eines FLEXBAR-Wandlers;
Figur 25A gebohrte Löcher zum mechanischen Abstimmen des FLEXBAR-Wandlers;
Figur 25B die mechanische Abstimmung eines FLEXBAR-Wandlers durch Ausfüllen von Löchern;
Figur 25C das Aufsetzen von zusätzlichen Platten zum mechanischen Abstimmen eines FLEXBAR-Wandlers;
die Figuren 26A und 26B geschlitzte Platten zum mechanischen Abstimmen eines FLEXBAR-Wandlers;
Figur 26C die Verwendung von Abgleichgiften zum mechanischen Abstimmen eines FLEXBAR-Wandlers;
die Figuren 27A und 27B die Lagerung eines FLEXBAR-Wandlers im Schwingungsknoten unter Verwendung eines festen Stifts;
Figur 27C einen festen Ansatz zum Lagern eines FLEXBAR-Wandlers im Schwingungsknoten; und
Figur 28 die selbstabgleichende Schwingungsknotenlagerung eines FLEXBAR-Schwingers.

Prinzip des FLEXBAR-Schwingers

Das Grundprinzip der Erfindung, das FLEXBAR-Sonarwandlerelement, kann am besten durch Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 verstanden werden. Figur 1 zeigt einen ideal elastischen, gleichmäßigen, beidseitig freischwingenden Stab 1, der durch irgendwelche Mittel zu freien Schwingungen in seinem niedrigsten Basisbiegemodus angeregt wird. Unter diesen Umständen bilden sich zwei Schwingungsknoten 2, welche die schwingungsfreien Punkte oder Linien darstellen. Der Abschnitt des Schwingungsstabes zwischen den Knotenpunkten schwingt in entgegengesetzter Richtung zu den äußeren Teilen, d.h. wenn der Mittelteil sich nach oben biegt, biegen sich die äußeren Teile nach unten und umgekehrt. Da keine äußeren Kräfte auf den Stab einwirken, muß das Gesamtmoment sowohl in translatorischer als auch in Drehrichtung gleich Null sein. Dies führt zu der Forderung, daß das gesamte Moment des mittleren Teils gleich und in Gegenphase zu der Summe der Gesamtmomente der äußeren Teile ist.
Diese Anforderung genügt, um die Lage der Schwingungsknoten, wie in Figur 1 dargestellt, zu bestimmen, und man findet, daß der Knotenabstand 1 = 0,552 x L ist, wobei L die Gesamtlänge des Stabes darstellt. Eine der interessanten Eigenschaften eines beidseitig freischwingenden Stabes besteht darin, daß er in seinen Schwingungsknoten 2 durch Fäden 3 von einer darüber befindlichen Lagerung 4 gehalten werden kann. Wenn dann der Stab in seiner Grundfrequenz zu Schwingungen hoher Amplitude angeregt wird, sind die Fäden keinen schwingenden Reaktionskräften ausgesetzt, sondern nur der statischen Kraft entsprechend dem Gewicht des Stabes.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines beidseitig freischwingenden Stabes als unter Wasser arbeitende akustische Quelle. Der freischwingende Stab 1 ist in seinen Schwingungsknoten 2 mittels geeigneter Bügel 5 in einem entsprechenden Gehäuse 6 gelagert. Ein akustisch transparentes Gummifenster 7 ist auf die Strahlungsoberfiäche des Schwingstabes sowie auf das Gehäuse aufgeklebt, um eine wasserfeste Dichtung zu bilden. Gleichzeitig ermöglicht es dem Stab ein relativ freies Schwingen. Luft, welche abhängig von der Tiefe unter dem gleichen Druck stehen kann wie das Wasser, fühlt den Innenraum des Gehäuses, so daß akustische Strahlung nur in das Wasser abgegeben wird.
Unter diesen Bedingungen schwingt der beidseitig freischwingende Stabwandler als Dipol, weil sein Mittelteil um 180º-phasenversetzt gegenüber den Außenteilen schwingt. Bewegt sich der Mittelteil nach oben, so erhöht er den Wasserdruck, wie dies durch (+) angedeutet ist, während zur gleichen Zeit die äußeren Teile sich nach unten bewegen und den benachbarten Wasserdruck entsprechend dem Symbol (-) verringern. Der umgekehrte Vorgang ergibt sich im nachfolgenden Teil der Schwingung, wenn der Mittelteil sich nach unten bewegt und die Außenteile nach oben. Somit wird ein großer Teil der kinetischen Energie des schwingenden Stabes vergeudet, indem Wasser hydrodynamisch zwischen benachbarten Zonen hin- und herbewegt wird. Ein solches Verhalten stört die primären sakustischen Druckwellen und führt zu einer schlechten akustischen Strahlungsbelastungscharakteristik einer Dipolquelle.
Nunmehr wird Figur 3 betrachtet, wo die äußeren Teile 8A und 8B des beidseitig freischwingenden Stabes 8 der Länge L in beiden Schwingungsknotenpunkten 2 rechtwinklig zum Mittelteil nach unten abgebogen sind. Wird ein solcher modifizierter, beidseitig freischwingender Stab in Schwingungen versetzt, so hat er praktisch die gleiche Resonanzfrequenz und praktisch die gleiche Lage der Schwingungsknoten, wie der originale, beidseitig freischwingende Stab. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß das gesamte Trägheitsmoment der abgebogenen Endteile um die Schwingungsknoten das gleiche ist, wie bei den ursprünglich ausgestreckten Endteilen. Tatsächlich sieht der freischwingende Stab die Endteile geradlinig wie ein Phantom. Der modifizierte, beidseitig freischwingende Stab kann also frei schwingen, wenn er durch Fäden aufgehängt wird
Der beidseitig freischwingende Stab kann weiter dadurch modifiziert werden, daß man die abgebogenen Endteile kürzt und ihren Querschnitt und ihre Masse so erhöht, daß das Gesamtträgheitsmoment um die Schwingungsknotenpunkte gleich bleibt. Ein solcher weiterhin modifizierter, beidseitig freischwingender Stab schwingt mit der gleichen Grundresonanzfrequenz wie der ursprüngliche freischwingende Stab und hat die gleiche Lage der Schwingungsknotenpunkte. Ein solcher Biegeschwingungsstab wird als FLEXBAR bezeichnet
Figur 4 zeigt schematisch einen solchen FLEXBAR-Schwinger als Unterwasser- Schallquelle. Der FLEXBAR-Schwinger 9 ist in seinen Schwingungsknoten durch geeignete Bügel 5 in einem entsprechenden Gehäuse 10 gelagert. Ein zugleich als Deckel dienendes Fenster 11 ist an der strahlenden Oberfläche des FLEXBAR-Schwingers befestigt und bildet eine wasserfeste Abdichtung. Die Masse der Endteile befinden sich im Abstand von der Deckplatte in jenen Bereichen 12 unterhalb der Schwingungsknoten, so daß der FLEXBAR-Schwinger frei schwingen kann. Wie zuvor ist das Innere des Gehäuses mit Luft gefüllt, so daß der FLEXBAR-Schwinger nur in das Wasser abstrahlt.
In dieser Konfiguration ist der Mittelteil zwischen den Schwingungsknoten der einzige Teil des FLEXBAR-Schwingers der akustisch mit dem Wasser gekoppelt ist. Die gegenphasig schwingenden modifzierten Endteile schwingen vollständig innerhalb des luftgefüllten Gehäuses und sind praktisch vom Wasser entkoppelt. Dies ergibt die gewünschte Monopolstrahlung, während zur gleichen Zeit der FLEXBAR-Schwinger in seinen Schwingungsknoten gelagert und dynamisch abgeglichen ist. Der FLEXBAR-Schwinger zeigt somit ausgezeichnete Strahlungseigenschaften und übt praktisch keine Reaktionskräfte auf die Lagerstellen aus und ist mechanisch nicht mit dem Gehäuse gekoppelt
Diese Verbesserung eines beidseitig freischwingenden Biegeschwingstabes hat unerwartete, wesentliche und weitreichende Konzequenzen auf niederfrequente Breitband- Sonarwandleranordnungen hoher Leistung.
Wie Figur 4 zeigt, bewegen sich die äußeren Teile 8A und 8B nach innen, wenn der Mittelteil nach oben winkt. Damit drucken die Seitenteile die Luft unter dem Mittelteil zusammen. Dies unterstützt die Aufwärtsschwingung des Mittelteils. Schwingt das Mittelteil nach unten, so schwingen die Außenteile nach außen, so daß das gleiche Verstärkungseffekt in entgegengesetzter Phasenlage auftritt.
Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein elektroakustisches Unterwasser- Wandlerelement, welches im Grunde genommen einen piezokeramischen, beidseitig freischwingenden Schwingungsstab darstellt, aber so modifiziert ist, daß es als Monopol und nicht als Dipol schwingt. Es behält die einmaligen Eigenschaften der Schwingungsknotenlagerung und des dynamischen Abgleichs. Eine der wichtigen Folgen besteht in der Tatsache, daß die Reaktionskräfte auf die Lagerungen des modifizierten Schwingungsstabes und die hierdurch bedingten struktureigenen Vibrationen praktisch ausgeschaltet werden.

Ein bevorzugtes Austührungsbeispiel des piezokeramischen FLEXBAR-Schwingers

Eine bevorzugte Ausführungsform des FLEXBAR-Schwingers zeigt Figur 5. Sie ist aus drei Schichten aufgebaut, wobei die Mittelschicht ein Metallstab 13 von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt mit einem relativ dünnen Mittelsteg 14 sowie verbreiterten Endteilen 15 ist. Elektrische Isolierungen 16 und 17 umgeben die inneren Teile des Metallstabes und bilden eine obere und eine untere Öffnung. Zwei äußere Schichten 18-A und 18-B bestehen aus mehreren piezokeramischen Blöcken mit geeigneten Elektroden 19. Sie sind mit entsprechender Polarität zusammengebaut und in der oberen sowie der unteren Öffnung angeordnet. Die gesamte Einrichtung einschließlich des Metallstabs 13 der Isolationen 16 und 17 sowie der piezokeramischen Blöcke 18-A und 18-B ist durch einen elektrisch isolierenden Zement zu einem festen Verbundsstab vereinigt. Elektrische Leitungen 20 sind an die Elektrode 19 des piezokeramischen Blockes mit geeigneter Polarität angeschlossen, wobei die Leitungen 21-A und 21-B aus dem inneren Boden des Stabes herausragen. Abgleichmassen 22 sind mit Hilfe von Bolzen 23 an den Endteilen 15 des Stabes befestigt. Metallische Haltestäbe 24 mit einer Gummibeschichtung 25 sind in Löcher 26 eingesetzt, welche sich längs der Mittellinie des Stabes in den Schwingungsebenen 27 erstrecken. Um die Dehnungsbeanspruchung in den spröden piezokeramischen Blöcken auf ein Minimum zu reduzieren, werden diese während des Zusammenbaus mit Hilfe der Metallblöcke 28 einem mechanischen Vordruck ausgesetzt, der durch Widerstands-Dehnungsmeßstreifen 29 gemessen werden kann, die auf der Oberseite und der Unterseite am Mittelsteg 14 befestigt sind. Metallplattierte Kunststoffplatten 13 sind auf die Ober- und die Unterseite des Stabes aufzementiert, um dessen Schockfestigkeit zu erhöhen. Schließlich sind von dem piezokeramischen Blöcken ausgehende elektrische Leiter 20 in einen Zement hoher dielektrischer Stärke eingebettet, um einen elektrischen Kurzschluß und ein Koronaentladung unter der Einwirkung hoher Treiberspannungen zu verhindern.
Drei verschiedene Ausgestaltungen mechanischer Vorspannungsblöcke haben sich zur Erzeugung einer Druckspannung in den piezokeramischen Blöcken als nutzlich erwiesen. Die erste dieser Methoden ruht auf der Benutzung von Keilen und ist in den Figuren 6-A und 6-B wiedergegeben. Zwei Keile 31 und 32 sind mit entgegengesetzter Keilrichtung am einen Ende des Metallstabs 13 zwischen die piezokeramischen Stapel 18-A und 18-B und die Schultern der verbreiterten Endstücke 15 des Stabes eingefügt. Elektrische Isolierkissen 17 zwischen den Keilpaaren 31 und 32 und den piezokeramischen Stapeln 18-A und 18-B isolieren die Stapel vom Massepotential des Schwingstabes. Jeder Keil hat eine Parallelfläche und eine geneigte Fläche, und alle geneigten Flächen haben den gleichen Neigungswinkel. Die Keilpaare sind mit den geneigten Flächen aneinanderliegend angeordnet. Hierdurch werden mehr oder weniger gleiche einwärtsgerichtete Kräfte längs der Hauptachse der Keilpaare, d.h. im rechten Winkel zur Hauptachse des Schwingstabes erzeugt, welche die piezokeramischen Stapel an den gegenüberliegenden Enden des Metallstabes gegen die Schultern der verbreiterten Endteile 15 des Stabes drücken. Hierdurch ergibt sich eine Zugspannung im Mittelsteg 14 des Stabes sowie Druckspannungen in den piezokeramischen Stapeln 18-A und 18-B. Der Betrag der Druckbeanspruchung im piezokeramischen Stapel kann durch den Neigungswinkel der Keile, die auf die Keile einwirkende Kraft sowie den Querschnitt des Mittelsteges und den Spannungsmodul des Materials des Mittelsteges gesteuert werden. Die in Figur 5 wiedergegebenen Widerstandsmeßstreifen 29 werden zur Messung der mechanischen Spannung im Steg benutzt die natürlich der Druckkraft im piezokeramischen Stapel entspricht. Der gesamte Vorgang läßt sich leicht einrichten, wenn man die piezokeramischen Stapel 18-A und 18-B mit ihren Isolierungen 16 und 17 vorfertigt und an Ort und Stelle einkittet. Der Zement wird zwischen dem Mittelsteg 14 und den Isolierplatten 16 aufgetragen. Die Stapel 18-A und 18-B werden dann auf den Stab aufgesetzt und unter Spannung gesetzt. Die Verkittung zwischen dem Steg 14 und den Isolierplatten 16 kann sich dann setzen, wobei die Stapel unter Druckspannung stehen. Hierdurch wird eine unerwünschte Scherbeanspruchung in der Zementverbindung vermieden Die hervorragenden Enden der Keile können längs der gestrichelten Linien 33 abgeschnitten werden.
Eine alternative Einrichtung zur Erzeugung einer Vorspannung ist in der Schnittzeichnung gemäß Figur 7 wiedergegeben. Hier sind zwei mechanische Vorspannungsblöcke 34 zwischen den piezokeramischen Stapel 18 und das an seinem Ende befindliche Isolierkissen 17 einerseits und die Schulter des verbreiterten Endteils 15 des Stabes eingesetzt. In jeden der Vorspannungsblöcke 34 sind sich verjüngende Löcher von seinen Enden her eingebohrt Die Blöcke werden auseinandergedrückt, indem man zwei sich verjüngende Stifte 35 in die sich verjüngenden Löcher eintreibt und dadurch eine Vorspannung des piezokeramischen Stapels sowie eine Zugspannung im Mittelsteg erzeugt. Bei der etwa ähnlichen Methode gemäß Figur 8 sind die sich verjüngenden Löcher in den Blöcken 36 mit einem Gewinde versehen, und ebenfalls mit einem Gewinde versehene und sich zum freien Ende hin verjüngende Schrauben 37 werden in die Blöcke eingeschraubt, um diese auseinander zu drücken und so den piezokeramischen Stapel unter eine Vorspannung zu setzen Wie zuvor, kann man die herausragenden Enden der sich verjüngenden Stifte oder Schrauben entfernen nachdem sich die innere Zementverbindung voll gesetzt hat.
Der in Figur 5 wiedergegebene FLEXBAR-Schwinger kann in Biegeschwingungen versetzt werden, indem man eine elektrische Wechselspannung an die Klemmen 21-A und 21-B legt. Da die piezokeramischen Stapel 18-A und 18-B entgegengesetzt polarisiert sind, dehnt sich in der einen Halbwelle des Wechselstroms der obere Stapel aus, und der untere Stapel zieht sich zusammen, während in der nächsten Halbwelle der Wechselstromperiode die Verhältnisse umgekehrt sind. Dies ergibt einen Antrieb des Stapels zu Biegeschwingungen mit einer Frequenz des angelegten Wechselstroms. Die Amplitude der Schwingungen hat bei der Resonanzfrequenz des FLEXBAR-Schwingers, d.h. beim niedrigsten Modus, ihr Maximum, wobei diese Resonanzfrequenz f0 etwa gegeben ist durch die Formel:
mit:
f&sub0; = Resonanzfrequenz des Schwingstabes in (Hz)
a = Dicke des Stabes in Zoll
l = Knotenabstand in Zoll
c = effektive Längsgeschwindigkeit des Stabes in Zoll pro Sekunde.
Die Figuren 9-A, 9-B und 9-C stellen die Draufsicht, eine seitliche Ansicht und eine Endansicht eines FLEXBAR-Schwingers für eine Resonanzfrequenz von etwa 1000Hz dar. Der FLEXBAR-Schwinger 15 mit einer Messingstruktur hat einen Knotenpunktabstand von 190,5mm (7½ Zoll), eine Gesamtlänge von 279,4mm (11 Zoll), eine Dicke von 38,1 mm (1½ Zoll) und eine Breite von 57,1 mm (2¼ Zoll). Die beiden Endteile des Stabes haben eine verringerte Breite von 44,45 mm (13/4 Zoll), um zwischen benachbarten FLEXBAR- Schwingern Platz für eine Haltestütze zu schaffen. Abstimmgewichte 22 aus Messing sind an jedem Ende befestigt. Kupferbeschichtete, glasgefüllte Epoxydplatten 30 sind auf die Oberseite und die Unterseite des Stapels aufgekittet, um die Enden der Elektroden zu isolieren und den Schwingstab gegen Schock unempfindlich zu machen. Das Gesamtgewicht des FLEXBAR-Schwingers dieser Ausführungsförm beträgt etwa 4,42kg (9,75 Pfund).

Betriebskennlinien des FLEXBAR-Schwingers

Figur 10 zeigt eine typische, gemessene, relative Auslerikung der Mitte des FLEXBAR- Schwingers gemäß Figur 9-B gemessen in Dezibel als Funktion der Frequenz. Im vorliegenden Fall wurde der Schwingstab in Luft gemessen und zeigte seine Resonanz bei der Eigenfrequenz. Die hohe mechanische Güte Qm von 130 zeigt, daß der Schwingstab sehr niedrige interne mechanische Verluste hat. Figur 11 zeigt die gemessene relative Auslenkung längs des gleichen FLEXBAR-Schwingers, wenn dieser bei seiner Resonanzfrequenz betrieben wird. Die Schwingungsknoten sind sehr gut definiert und liegen ungefähr 60 db unterhalb der Auslenkung der Mitte. Figur 12 zeigt die gemessene Gesamtimpedanz desselben FLEXBAR-Schwingers in Abhängigkeit von der Frequenz mit einer typischen Resonanz/Antiresonanz bei ungefähr 1 kHz. Der nächst höhere Modus bei ungefähr 2,75 kHz wird fast unterdrückt ist aber noch unterscheidbar, und der dritte Modus bei 5,4 kliz ist ebenfalls erkennbar. Oberhalb von 10 kHz spaltet sich der Schwinger in eine Anzahl komplexer Resonanzmoden auf.
Eine der bemerkenswerten und einmaligen Eigenschaften des FLEXBAR-Schwingers ist seine Fähigkeit, mechanisch über etwa eine Oktave abgestimmt werden zu können, wie dies Figur 13 zeigt. Sie gibt experimentelle Daten wieder, wie sie für den FLEXBAR-Schwinger gemäß Figur 9-B erzielt wurden. Die Resonanzfrequenz ohne hinzugefügte Abstimmaßen liegt bei ungefähr 1350 Hz, und diese Frequenz wird systematisch verringert, wenn Masse hinzugefügt wird. Für eine gesamte hinzugefügte Masse von 2500 g (d.h. die Summe der Masse an beiden Enden) wird die Resonanzfrequenz auf ungefähr 660 Hz oder etwa 1 20 Oktave tiefer verringert. Ebenfalls in Figur 13 gezeigt, ist die Auswirkung hinzugefügter Masse auf den Ort der Schwingungsknoten. Dieser Einfluß ist relativ gering für einen derart breiten Frequenzbereich und beträgt ungefähr ±12,7 mm (±0,5 Zoll) gemessen vom Ort der Eigenfrequenz. Da die Schwingungsknoten-Haltestifte 24 in Figur 5 durch die elastische Gummibuchse 25 vom schwingenden FLEXBAR-Schwinger entkoppelt sind, hat die geringfügige Verschiebung des Schwingungsknotenortes nur einen kleinen Einfluß auf das Leistungsvermögen des Schwingstabes. Für eine Nennfrequenz von 1000 Hz beträgt die zugefiigte Masse etwa 1200 g, d.h. 600 g an jedem Ende. Man sieht aus Figur 14, daß dieser große Bereich hinzugefügter Masse einen vernachläßigbaren Einfluß auf den elektromechanischen Koppelkoeffizienten des FLEXBAR-Schwingers hat.
Eine wichtige Folge dieser einmaligen Eigenschaften ist die Tatsache, daß Produktionsexemplare der FLEXBAR-Schwinger leicht alle auf die gleiche Nenn- Eigenfrequenz abgestimmt werden können, indem man an den Endabgleichmassen kleine Hilfsmassen hinzufügt oder wegnimmt. Dies ergibt eine verbesserte Qualitätskontrolle und verringerte Kosten.

Ein FLEXBAR-Wandler: Der FLEXDUCER-Wandler

Ein FLEXBAR-Sonarwandler besteht aus einem oder mehreren FLEXBAR-Schwingern, die in ihren Schwingungsknoten innerhalb eines geeigneten wasserdichten Gehäuses gelagert und über ein schalldurchlässiges Gummifenster an das Wasser angekoppelt sind. Figur 15 zeigt schematisch die Hauptbestandteile eines solchen Wandlers, nämlich: die Deckplatte 38 mit aufgeklebten schalldurchlässigen Gummifenster 39 und Stiftlöchern 40, eine Anordnung von FLEXBAR-Schwingern 41 mit Schwingungsknoten-Haltestiften 42 sowie ein mit einem Flansch 44 versehenes Gehäuse 43 mit einem elektrischen Kabelanschluß 45 Um einen solchen FLEXBAR-Wandler von einem Wandler zu unterscheiden, der aus Biegestäben besteht, wird dieser Wandler FLEXDUCER genannt, und diese Bezeichnung wird in der nachfolgenden Beschreibung beibehalten. Die Figuren 16-A, 16-B bzw. 16-C stellen die Draufsicht, die Endansicht sowie eine Seitenansicht eines FLEXDUCER-Moduls dar, der aus fünf FLEXBAR-Schwingern der in Figur 9-B gezeigten Bauart besteht und die oben erwähnten Eigenschaften hat. Die Figuren 17-A, 17-B bzw 17-C zeigen die Draufsicht, die Seitenansicht und die Endansicht von Schnitten einer solchen FLEXDUCER-Konstruktion mit bestimmten Kontruktionseinzelheiten. Bei dieser Ausführungsform sind die FLEXBAR-Schwinger 41 mit Hilfe ihrer gummibeschichteten Schwingungsknoten-Stifte 42 an Haltestützen 46 befestigt die starr mit der Deckplatte 38 verbunden, z.B. angegossen sind. Alle fünf FLEXBAR-Schwinger werden mit der Deckplatte zusammen vorgefertigt, und das schalldurchlässige Gummifenster 39 wird sodann auf die Deckplatte sowie die strahlenden Oberflächen der FLEXBAR-Schwinger aufgebracht. Die fertiggestellte Deckplatten-Baueinheit wird nach geeigneter elektrischer Verbindung mit dem Steuerkabel auf dem Flansch des Gehäuses 43 befestigt und durch Bolzen 45 gesichert. Eine O-Ring-Dichtung 44 verhindert das Eindringen von Wasser in das Gehäuse.
Figur 18 gibt ein Ersatzschaltbild nieder, welches die Eigenschaften des FLEXDUCER- Wandlers darstellt. Die Schaltungsteile sind wie folgt definiert:
E = angelegte Spannung
I = elektrischer Strom
Cb = elektrische Kapazität
1:N = elektromechanische Übertragungsfunktion
Cm = mechanische Nachgiebigkeit des Stabes zwischen den Knotenpunkten
M&sub1; = Masse des Stabes zwischen den Knotenlinien
M&sub2; = Gesamtmasse der Stabenden außerhalb der Knotenlinien
Rm = mechanischer Widerstand des Stabes
Mr = Strahlungsmasse
Rr = Strahlungswiderstand
F = auf das Wasser übertragene Kraft
U = mechanischer Strom (Geschwindigkeit)
Figur 19 zeigt die berechnete Empfindlichkeit des FLEXDUCER-Wandlers unter Verwendung geeigneter Werte für die Komponenten der Äquivalenzschaltung nach Figur 8 sowie die gemessene Empfindlichkeit. Die Korrelation ist ausgezeichnet und bestätigt die Darstellung der äquivalenten Schaltung. Der Wirkungsgrad wurde mit etwa 70% gemessen.
Der FLEXDUCER-Wandler gemäß Figur 16-B soll als Modul einer großen, ebenen Hochleistungswandleranordnung mit einer Soll-Mittenfrequenz von 1 kHz dienen. Da seine Abmessungen (15" x 15") klein zur Wellenlänge (λ = 60") sind, wird die akustische Ausgangsleistung durch mechanische Beanspruchung auf etwa 600 akustische Watt begrenzt. Figur 20 zeigt die maximale akustische Ausgangsleistung als Funktion der Anzahl der Module in einer rechteckigen Wandleranordnung. Der Übergang von Spannungsbegrenzung auf feldbegrenzten Ausgang tritt bei etwa sechs Modulen auf. Für 40 Module wäre der FLEXDUCER-Wandler in der Lage etwa 100 kW akustischer Ausgangsleistung zu liefern. Die mechanische Güte Qm fällt von etwa 3,5 für einen einzelnen Modul auf 35 für die gesamte Anordnung von 40 Modulen und zwar wegen der Erhöhung der Strahlungsbelastung.
Die Wichtigkeit der Schwingungsknotenlagerung des FLEXBAR-Schwingers im FLEXDUCER-Modul und ihre Wirksamkeit zur praktischen Ausschaltung struktureigener Vibrationen wird durch die experimentellen Daten gemäß Figur 21 demonstriert. Hier wird ein Vergleich der Gehäusedurchlässigkeit gemacht zwischen dem FLEXBAR-Modul und einem äquivalenten Biegestabmodul. In diesem Fall ist die Gehäusedurchlässigkeit definiert als das Verhältnis der Schwingungsamplitude der Mitte des Stabes zur Schwingungsamplitude des Gehäuses die sich aus der Schwingung des Stabes ergibt und zwar gemessen in Dezibel, d.h. die Schwingungsdurchlässigkeit = 20 log (Stabamplitude/Gehäuseamplitude). Wie man sieht, hat der FLEXBAR-Modul eine mittlere Durchlässigkeit von -60 dB über eine gesamte Oktave von 700 bis 1400 Hz, d.h. die Amplitude der Gehäuseschwingung beträgt nur 0,1% der FLEXBAR-Schwingung. Im Gegensatz beträgt die Durchlässigkeit des Biegestabmoduls im Mittel nur -14 dB, d.h. die Amplitude der Gehäuseschwingung beträgt 20% der Biegestabamplitude. Die Bedeutung dieses Unterschieds wird klar, wenn man eine große Hochleistungswandleranordnung mit einer akustischen Ausgangsleistung von 0,5 Megawatt betrachtet. Die rückseitige Abstrahlung einer FLEXDUCER-Anordnung wurde dann nur in der Größenordnung von 0,5 akustischen Watt liegen, während eine Biegestabanordnung eine Rückwärtsabstrahlung von etwa 20.000 Watt hätte.

Einrichtung zum Antrieb piezokeramischer FLEXBAR-Schwinger

Es gibt im Prinzip drei Verfahren für den elelctromechanischen Antrieb piezoelektrischer FLEXBAR-Schwinger. Beim ersten in Figur 22 wiedergegebenen Verfahren besteht der FLEXBAR-Schwinger aus zwei piezokeramischen Platten 47 mit Elektroden 48 auf den Hauptflächen. Der Polarisationsvektor P steht im wesentlichen senkrecht zur Hauptachse des Schwingstabes. Durch Anlegen einer Wechselspannung V an die Anschlüsse des Schwingstabes ergibt sich ein elektrischer Feldvektor E entweder parallel oder antiparallel zum Polarisationsvektor. Das elektrische Feld wiederum verursacht wegen der elektromechanischen Kopplung eine Dehnungsbeanspruchung +S in der oberen Platte und eine Kontraktionsbeanspruchung -S in der unteren Platte, wobei beide Beanspruchungen parallel zur Hauptachse des Stabes liegen. Beim nächsten Zyklus der Antriebsspannung kehren sich die mechanischen Beanspruchungen um, und der FLEXBAR-Schwinger wird in Biegeschwingungen versetzt. In diesem Falle, wo die mechanische Beanspruchung rechtwinklig zum Feld verläuft, beträgt der elektromechanische Koppelkoeffizient typischerweise k&sub3;&sub1; 0,30.
Bei der zweiten in Figur 23 wiedergegebenen Konfiguration bestehen die elektromechanischen Antriebselemente aus zwei Stapeln 49 piezokeramischer Blöcke 50, die mit einem geeigneten Klebemittel (z.B. Epoxydharz) zusammengefügt sind und Elektroden 51 solcher Orientierung aufweisen, daß das elektrische Feld E und die mechanische Beanspruchung S in der gleichen Richtung und parallel zur Hauptachse des Stabes verlaufen. Dies ist die gleiche Antriebsart, wie sie auch in Figur 5 wiedergegeben wurde. In diesem Falle ist der elektromechanische Koppelfäktor höher, typischerweise k&sub3;&sub3; 0,60.
Bei der in Figur 24 dargestellten dritten Konfiguration dienen als elektromechanische Antriebselemente zwei piezokeramische Platten mit streifenförmigen Elektroden 53, welche in gleichmäßigen Abständen auf der Keramik aufgebracht sind. Die Platten sind parallel zur Längsachse des Stabes, aber in entgegengesetzter Richtung polarisiert. Somit erstrecken sich in dieser Konfiguration die mechanische Beanspruchung S und das elektrische Feld praktisch in der gleichen Richtung und parallel zur Hauptachse des Schwingstabes. Wegen der Streuung des elektrischen Feldes ist jedoch der mechanische Koppelfaktor kleiner als bei der zweiten Konfiguration und beträgt typischerweise ksp 0,45.

Einrichtung zur mechanischen Abstimmung der FLEXBAR-Schwinger

Ein besonderes Merkmal eines FLEXBAR-Schwingers ist die Tatsache, daß er mechanisch abgestimmt werden kann, und zwar durch Verändern der Größe des gesamten Trägheitsmoments der Endteile des Schwingstabs jenseits der Schwingungsknotenlinien wie sie in der Äquivalenzschaltung von Figur 18 symbolisch mit M&sub2; bezeichnet sind. Drei Ausführungsbeispiele zum Erreichen einer solchen Abstimmung sind wiedergegeben:
(1) durch Verändern der Menge der Zusatzmassen-Endstücke;
(2) durch Verändern der Position eines Teils der Zusatzmassen-Endstücke; und
(3) durch Kombinationen beider Maßnahmen (1) und (2).
Diese Mittel zum mechanischen Abstimmen sind sowohl bei piezokeramischen FLEXBAR- Schwingern als auch bei auf andere Weise angetriebenen FLEXBAR-Schwingern einsetzbar (z.B. mit elektrodynamischen Antrieb, einem Antrieb mit variabler magnetischer Reluktanz, usw.).
Die Masse M&sub2; kann einfach durch Bohren von Löchern 54 in die Zusatzmassen-Endstücke verringert werden, wie dies in Figur 25-A dargestellt ist; oder man vergrößert die Masse durch Auffühlen solcher Löcher mit Material hoher Dichte, beispielsweise Blei 55 (siehe Figur 25-B) Eine andere Möglichkeit zum Verändern der Masse M&sub2; zeigt Figur 25-C, wo Platten 56 auf die Zusatzmassenendstücke aufgesetzt oder von diesen abgenommen werden Eine Verringerung der Zusatzmasse erhöht die Resonanzfrequenz des Stabes und eine Erhöhung der Zusatzmasse verringert seine Resonanzfrequenz.
Ein zweites Verfahren zum mechanischen Abstimmen eines FLEXBAR-Schwingers ändert nicht die Zusatzmasse selbst, sondern verschiebt den Massenmittelpunkt der Endstücke in bezug auf die Schwingungsknoten. Hierdurch wird das Gesamt-Trägheitsmoment (linear und Drehmoment) der Endstücke verändert und damit entsprechend die Resonanzfrequenz. In Figur 26-A beispielsweise werden geschlitzte Platten 57 in einer weitest möglich nach außen verschobenen Position an den Endstücken festgeschraubt, wodurch die Resonanzfrequenz erniedrigt wird. In Figur 26-B sind die Platten 57 soweit wie möglich nach innen geschoben, wodurch sich eine höhere Resonanzfrequenz ergibt. Zwischenpositionen führen zu dazwischenliegenden Resonanzfrequenzen.
Eine weitere Möglichkeit, das Trägheitsmoment der Endstücke und damit die Resonanzfrequenz zu ändern zeigt Figur 26-C. Hier werden mit Gewinde versehene Abgleichschrauben 58 in den Zusatzmassen 59 entweder nach außen zur Verringerung der Frequenz oder nach innen zur Erhöhung der Frequenz verstellt. Die Abgleichschrauben werden in der jeweiligen Abgleichposition durch Sperrmuttern 60 oder Klemmschrauben 61 festgesetzt. Die prozentuale Frequenzänderung kann durch Füllen der Abgleichschrauben mit einem Material höherer Dichte, z.B. Blei erhöht werden.
Es ist ersichtlich, daß die Resonanzfrequenz eines FLEXBAR-Schwingers durch Maßnahmen verändert werden kann, welche die zuvor beschriebenen Methoden kombinieren.

Einrichtung zur Schwingungsknoten-Montage von FLEXBAR-Schwingern

Zwei prinzipielle Methoden zur Lagerung von FLEXBAR-Schwingern an den Schwingungsknotenlinien werden beschrieben. Für eine neue Schwingstabkonstruktion muß zunächst die Position der Schwingungsknoten bestimmt werden. Dies läßt sich leicht durch Antreiben eines Prototypen eines FLEXBAR-Schwingers 63 in seinem niedrigsten Resonanzmodus erzielen und durch Feststellen der Knotenlinien 64 mit Hilfe eines Beschleunigungsmessers oder Plattenspieler-Tonabnehmers (Figur 27-A). An diesen Schwingungsknotenstellen werden Löcher in den Stab gebohrt, um die Schwingungsknotenstifte 65 und ihre elastische, elastomere Beschichtung 66 aufzunehmen, wie dies in Figur 27-B im Querschnitt dargestellt ist. Nachgiebige elastomere Scheiben 67 werden zwischen dem Schwinger 63 und den Halterungen 68 eingelegt. Diese Kombination isoliert den FLEXBAR-Schwinger von seiner Lagerung und entkoppelt Schwingstabschwingungen von der Haltestruktur. Eine andere Ausführungsform dieser Methode ist in Figur 27-C wiedergegeben. Bei dieser Varianten erstrecken sich integrale Ansätze 69 in den Knotenpunkten aus dem Schwingstab 63 heraus und sind von einer nachgiebigen elastomeren Umhüllung 66 umgeben. Diese dient zusammen mit den nachgiebigen elastomeren Scheiben 67 der Isolation des Schwingstabes von den Halterungen 68. Die Schwingungsisolation der Schwingungsknotenstifte oder Schwingungsknotenansätze mit Hilfe nachgiebiger Mittel ist ein wesentliches Merkmal der Lagerung in fixierten Schwingungsknoten, weil die nachträgliche mechanische Abstimmung und Strahlungsbelastung zu einer kleinen Verschiebung der Schwingungsknotenstellen führen kann, wie sie bei der experimentellen Messung der FLEXBAR-Schwingungen in Luft festgestellt wurden. Die nachgiebige Halterung trägt einer solchen Verschiebung Rechnung.
Ein zweites Verfahren zur Schwingungsknotenlagerung von FLEXBAR-Schwingern wird als selbstabgleichende Lagerung bezeichnet und ist im Schnitt in Figur 28 dargestellt. In diesem Falle umschließt ein Flansch 70 den FLEXBAR-Schwinger 63 vollständig, welcher in ein nachgiebiges Elastomer 71 eingebettet ist. Dieses dient sowohl als Schallfenster als auch als nachgiebige Lagerung 72. Das Elastomer ist sowohl mit dem Flansch als auch mit dem Schwingstab verbunden, so daß der FLEXBAR-Schwinger im wesentlichen in dem Elastomer "schwebend" gehalten ist. Die Enden des Schwingstabes sind zurückgesetzt, so daß ein Luftspalt entsteht und die Schwingungen der Enden vom Flansch entkoppelt. Unter diesen Umständen bestimmt der FLEXBAR-Schwinger automatisch selbst seine eigenen Schwingungsknotenpositionen entsprechend einer bestimmten Strahlungsbeiastung.

Claims

1. Akustischer Wandler für Unterwasserbetrieb mit:

a) einem beidseitig freischwingenden Biegestab (9; 13, 14, 15; 41; 63);

b) einer Vorrichtung (18, 19, 20; 44; 47, 48; 49, 50, 51; 52, 53) zum elektromechanischen Versetzen des Biegestabs in Biegeschwingungen über ein Frequenzband, dessen Mittenfrequenz bei einer Frequenz liegt, welche praktisch dem niedrigsten beidseitig freien Biegemodus des Stabes entspricht;

c) Mitteln (2, 5; 24-27; 42; 68, 70) zur Halterung des Biegestabs an zwei Knotenlinien (2, 27), welche für den niedrigsten beidseitig freien Biegeschwingungsmodus kennzeichnend sind;

d) elastomeren Gliedern (66, 67, 72) zur teilweisen Isolierung der Halterungen (68) von den Schwingungen des Biegestabs (63);

e) Mitteln (38, 42, 45, 46) zum Befestigen des Biegestabs und seiner Knotenlager in einem gasgefüllten wasserdichten Gehäuse (6, 43) derart, daß der Biegestab ohne eine merkliche mechanische Kopplung mit den Lagerungen oder dem Gehäuse frei um seine Knotenlager schwingen kann;

f) Mitteln (39) um nur den zwischen den beiden Knotenlinien (2, 27) liegenden mittleren Teil (9) der Außenfläche des Stabes (9; 13-15; 41; 63) mechano-akustisch an das Wasser anzukoppeln, so daß der Biegestab bei elektromechanischer Anregung zu Biegeschwingungen akustische Energie von diesem Mittelteil (9) in das Wasser abstrahlt;

g) Mitteln, welche es den außerhalb der beiden Knotenlinien liegenden äußeren Teilen (8A, 8B; 22) des Biegestabs ermöglichen, im gasgefüllten Innenraum des Gehäuses (6, 43) ohne mechano-akustische Kopplung mit dem Wasser frei zu schwingen

2. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere solcher beidseitig freischwingender Biegestäbe (41).

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der beidseitig freischwingende Biegestab zwei modifizierte Endbereiche (8A, 8B; 22) außerhalb der Knotenlinien (2, 27) des Biegestabs aufweist, welche mit dem mittleren Teil des Biegestabs fest verbunden sind und sich auf der der mittleren strahlenden Fläche des Biegestabs gegenüberliegenden Seite praktisch rechtwinklig zum mittleren Bereich erstrecken und sowohl in Längsrichtung als auch in Drehrichtung um die Knotenlinien praktisch das gleiche Gesamtträgheitsmoment aufweisen, welches sich bei gleichförmigen, außerhalb der Knotenlinien sich parallel zur mittleren strahlenden Fläche des beidseitig freischwingenden Biegestabs erstreckenden Endstücken ergeben würde.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die modifizierten Endbereiche einen Teil (12) ihrer Oberfläche haben, welcher sich an die mittlere strahlende Oberfläche (9) anschließt und zurückgesetzt ist, um Schwingungsinterferenzen mit einer Deckplatte (38) des Wandlers zu vermeiden.

5. Schwingungselement geeignet für die Anwendung in einem Wandler gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit:

a) einem beidseitig freischwingenden Biegestab (9; 13, 14, 15; 41; 63);

e) zwei modifizierten Endbereichen (8A, 8B; 22) außerhalb der Knotenlinien (2, 27) des Biegestabs, welche fest mit dem mittleren Teil (9) des Stabs verbunden sind und sich auf der gleichen Seite praktisch im rechten Winkel zum mittleren Teil des Stabes erstrecken, wobei

f) diese Endbereiche (8A, 8B; 22) sowohl in Längsrichtung als auch in Drehrichtung um die Knotenlinien praktisch das gleiche Gesamtträgheitsmoment aufweisen, welches sich bei gleichförmigen, außerhalb der Knotenlinien sich parallel zur mittleren strahlenden Fläche des beidseitig freischwingenden Biegestabs erstreckenden Endstücken ergeben wurde.

6. Schwingungselement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (54) bis (61) zum Verändern der Masse der modifizierten Endbereiche (8A, 8B; 22, 59), um damit die praktisch dem niedrigsten, beidseitig freien Biegeschwingungsmodus des Stabes entsprechende Frequenz zu ändern.

7. Schwingungselement nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (54 bis 61) zur Änderung des Trägheitsmoments der modifizierten Endbereiche (8A, 8B; 22, 59) um die Knotenlinien (2, 27), um damit die praktisch dem niedrigsten, beidseitig freien Biegeschwingungsmodus des Stabes entsprechende Frequenz zu ändern.

8. Schwingungselement zur Anbringung im Gehäuse eines akustischen Wandlers für Unterwasserbetrieb, insbesondere für einen Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit:

a) einem beidseitig freischwingenden Biegestab (63) mit modifizierten Endbereichen (8A, 8B, 22) außerhalb der beiden für den niedrigsten beidseitig freischwingenden Schwingungsmodus des Stabes charakteristischen Knotenlinien (2, 27), wobei diese Endbereiche fest mit dem Mittelteil (9) des Biegestabs verbunden sind und sich in der gleichen Richtung praktisch rechtwinklig zum Mittelteil des Stabes erstrecken und sowohl in Längsrichtung als auch in Drehrichtung um die Knotenlinlen praktisch das gleiche Trägheitsmoment erzeugen, wie es von gleichtbrmigen, sich außerhalb der Knotenlinien erstreckenden Endbereichen eines nicht modifizierten gleichförmig beidseitig freischwingenden Biegestabs erzeugt würde;

b) Mitteln (18, 19, 20; 44; 47, 48; 49, 50, 51; 52, 53) zum elektromechanischen Versetzen des Biegestabs in Biegeschwingungen über ein Frequenzband, dessen Mittenfrequenz bei einer Frequenz liegt, welche praktisch dem niedrigsten beidseitig freien Biegemodus des Stabes entspricht;

c) nachgiebigen elastomeren Schichten (72) zwischen jeder Seite des Biegestabs (63) und entsprechenden parallelen, am Wandlergehäuse befestigten Haltestrukturen (70) derart, daß der Stab in dem nachgiebigen elastomeren Material (71, 72) aufgehängt ist und bei seinem Antrieb praktisch frei biegeschwingend ist und seine eigenen Knotenlinien unabhängig vom Gesamtträgheitsmoment der Endbereiche oder Anderungen der Strahlungslast suchen kann; und

d) Mitteln (71) um nur die mittlere Fläche des Stabes zwischen den Knotenlinien auf der der Erstreckung der modifizierten Endbereiche gegenüberliegenden Seite mit dem Wasser akustisch zu koppeln und die andere Oberfläche des Biegestabs und seine Endbereiche vom Wasser entkoppelt zu lassen, so daß diese Bereiche im luftgefüllten Innenraum des Wandlergehäuses (43) frei schwingen können.

9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel für den elektromechanischen Antrieb des Biegestabs (9; 13, 14, 15; 41; 63) zu Biegeschwingungen piezoelektrische Mittel sind.

10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Mittel polarisierte Piezokeramiken sind.

11. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Mittel zwei piezoelektrische Platten (47) aufweisen, welche auf ihren Hauptflächen mit Elektroden (48) versehen sind und wobei sich der Polarisationsvektor praktisch rechtwinklig zur Hauptachse des Stabes erstreckt.

12. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Mittel wenigstens zwei Stapel (49) piezoelektrischer Blöcke (50) mit Elektroden (51) aufweisen, welche derart ausgerichtet sind, daß das elektrische Feld zwischen den Elektroden sowie die mechanische Spannung sich in der gleichen Richtung parallel zur Hauptachse des Stabes erstrecken.

13. Gerät nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Mittel wenigstens zwei piezoelektrische Platten (52) mit streifentörmigen Elektroden (53) in der Form gleichmäßig beabstandeter Bänder sind und die Platten parallel zur Längsachse des Stabes, aber abwechselnd in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind.

14. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum elektromechanischen Antrieb des Biegestabs zu Biegeschwingungen magnetostriktive Mittel sind.

15. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum elektromechanischen Antrieb des Biegestabs zu Biegeschwingungen magnetische elektrodynamische Mittel sind.

16. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum elektromechanischen Antrieb des Biegestabs zu Biegeschwingungen Mittel mit veränderbarem magnetischem Widerstand sind.

17. Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch Mittel (28; 31, 32; 34,35; 36, 37) um die polarisierte Piezokeramik (18, 18A, 18B) bei der Herstellung des Schwingungselements einer praktisch permanenten mechanischen Vorspannung zu unterwerfen.

18. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich verjüngende Keile (31, 32) die Mittel zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung bilden.

19. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich verjüngende Stifte (35) und angepaßte Blöcke (34) die Mittel zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung bilden.

20. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei sich verjüngende Gewindebolzen (37) mit angepaßten Blöcken (36) die Mittel zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung bilden.

21. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur mechanischen Abstimmung des Biegestabs.

22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse der Endstücke (22) des Biegestabs veränderbar ist.

23. Gerät nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Mittel zur Anderung der Lage des Masseschwerpunkts der Endstücke (22).

24. Gerät nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegestab (63) an jeder Knotenstelle (64) eine Bohrung zur Aufnahme eines Knotenhaltestiftes (65) sowie einer nachgiebigen elastomeren Umhüllung (66) aufweist und eine nachgiebige elastomere Scheibe (67) zwischen den Biegestab und die Halterung eingefügt ist.

25. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Schwingungspunkt (64) des Stabes (33) sich ein integraler Ansatz (69) vom Biegestab aus erstreckt und von einer nachgiebigen elastomeren Umhüllung umgeben ist, welche zusammen mit einer nachgiebigen elastomeren Scheibe (67) den Biegestab von der Halterung (68) isoliert.

26. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flansch (70) den in ein nachgiebiges Elastomer (72) eingebetteten Biegestab (63) vollständig derart umgibt, daß das Elastomer sowohl mit dem Flansch als auch mit dem Biegestab verbunden ist und der Biegestab praktisch im Elastomer schwimmt.

27. Gerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Biegestabs zur Bildung eines Luftspalts zurückgesetzt sind, um sie vom Flansch zu entkoppeln.