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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein
auf Wandler. Die vorliegende Erfindung bezieht sich
insbesondere auf Verfahren und eine Vorrichtung für
Niederfrequenz-Sonarstrahler, die elektrische Signale in
mechanisch erzeugte Schallsignale umwandeln.
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Auf dem Sonargebiet wird ein Wandler zur
Erfassung von Unterwasserobiekten eingesetzt und ist entweder
ein Sender oder ein Empfänger. Ein Strahler ist ein
Sonarsender, der zur Umwandlung elektrischer Signale in
mechanische Schwingungen genutzt wird, während ein
Empfänger reflektierte Signale auffängt. Strahlersender
und -empfänger sind bekannt, und separate Strahler- und
Empfängergruppen werden aus mehrfachen Strahlern
beziehungsweise Empfängern gebildet. Die Gruppen werden dann
zusammen mit einem Wasserfahrzeug benutzt, um die
Unterwasserobjekte zu erfassen.
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Ein Strahler besteht im allgemeinen aus einem
elektromechanischen Säulenelement, das elektrische
Signale in mechanische Schwingungen umwandelt. Das
Säulenelement kann aus Keramik mit einer bestimmten
Kristallstruktur bestehen. Keramikstrahler müssen in
einem optimalen Temperaturbereich betrieben werden, um
eine gute Leistung zu liefern. Weiterhin werden
normalerweise Keramikstrahler je nach der Keramikkristallstruktur
in einem von zwei Betriebsbereichen betrieben. Die beiden
Betriebsbereiche umfassen den piezoelektrischen Bereich
und den elektrostriktiven Bereich.
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Wenn der Keramikkristall während des
Herstellungsprozesses einer hohen Gleichspannung unterworfen
wird, wird der Keramikkristall remanent polarisiert und
arbeitet in dem piezoelektrischen Bereich. Das
elektrische Signal wird dann an die Keramiksäule angelegt, um
mechanische Schwingungen zu erzeugen. Alternativ dazu
kann während des Betriebs eine Gleichspannung
vorübergehend an die Keramiksäule angelegt werden, um den
Kristall zu polarisieren. Unter diesen Bedingungen der
Betrieb des Strahlers im elektrostriktiven Bereich. Wird
das Anlegen der Gleichspannung beendet, so ist die
Keramiksäule nicht länger polarisiert.
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Es sind viele verschiedene Arten von
Sonarstrahlern bekannt. Eine bestimmte Art von Strahler wird als
trahler mit Sonarstechnik bezeichnet, wobei es sich um
einen Niederfrequenzwandler handelt. Die Schallsignale
des Niederfrequenzwandlers weisen in Meerwasser eine
niedrige Dämpfung auf. Eine Keramiksäule ist im
allgemeinen innerhalb einer elliptisch geformten äußeren
Strahlerschale untergebracht. Die durch das Anlegen eines
elektrischen Signale hervorgerufene Schwingung der
Keramiksäule erzeugt in der äußeren Strahlerechale
vergrößerte Auslenkungen. Die Auslenkungen erzeugen
danach Schallwellen im Meerwasser. Eine Form eines
Wandlere mit Biegezugtechnik zur Verwendung unter Wasser
ist beispielhaft in PCT International Publication Nummer
WO/05772 zu finden. Auch US-A-4,764,907 offenbart einen
Sonarstrahler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Eine zweite Art von Sonarstrahler wird als
Schlitzrohrstrahler bezeichnet. Bei dem
Schlitzrohrstrahler ist mindestens eine Keramiksäule bzw. ein
Keramikzylinder innerhalb einer äußeren zylindrischen Schale
eingeschlossen. Ein Stück der äußeren zylindrischen
Schale und des Keramikzylindere sind herausgekommen und
bilden einen Schlitz. Die Schwingungen des
Keramikzylindere werden auf die Kanten der an den Schlitz
angrenzenden äußeren zylindrischen Schale übertragen. Danach
erzeugen die mechanischen Schwingungen die Schallwellen
im Meerwasser. Eine dritte Art von Sonarstrahler ist der
Längsechwingerstrahler, der das Keramikmaterial schichten
weise zwischen einem Kopf- und einem Endteil anordnet.
Die von dem Keramikmaterial erzeugten mechanischen
Schwingungen werden durch den Strahlerkopf hindurch
übertragen.
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Alle der oben beschriebenen Sonarstrahler sind
bekannt und nutzen im allgemeinen ein als PZT-Keramik
bezeichnetes Keramikmaterial. Bei PZT-Keramik handelt es
sich um ein dichtes, schweres Material. Ein Gruppe von
Strahlern, die jeweils eine aus PZT geformte Keramiksäule
aufweisen, ist somit extrem schwer (z.B. 30 - 40 Tonnen).
Das Gewicht der Gruppe stellt daher ein Hauptproblem der
Strahlergruppen nach dem Stand der Technik dar, die zur
Erfassung von Unterwasserobiekten verwendet werden. Große
Mengen an Energie müssen aufgewandt werden, um die
Strahlergruppen nach dem Stand der Technik, die
PZT-Keramikmaterial nutzen, durch eine Wassermasse zu schleppen.
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Wenn PZT-Keramikmaterial verwendet wird, gibt es
weitere Probleme. Bei einem Schlitzrohrstrahler erfährt
das innerhalb der zylinderschale positionierte
PZT-Keramikmaterial hohe Druckepannungen. Die hohen
Druckepannungen verursachen, daß das PZT-Keramikmaterial
depolarisiert wird, z.B. die remanente Polarisation
verliert. Die Polarisation des Keramikkristalls ist
erforderlich, damit das angelegte elektrische Signal
innerhalb der Säule die mechanischen Schwingungen
erzeugen kann. Depolarisation führt zu einem Verlust der
piezoelektriechen Eigenschaften. Das PZT-Keramikmaterial
funktioniert somit nicht richtig, wenn es den hohen
Druckspannungen ausgesetzt wird.
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Ein weiteres bekanntes Keramikmaterial, das sich
zum Formen einer Strahlersäule eignet, ist
Blei-Magnesium-Niobat Blei-Titanat, das hiernach als PMN-PT
bezeichnet wird. Es ist versucht worden, als Treiber zur
Erzeugung mechanischer Schwingungen in einem
Sonarstrahler PMN-PT-Keramik zu verwenden. Das
PMN-PT-Keramikmaterial weist eine hohe elektrostriktive Aktivität auf. Es
ist deshalb verlockend, zur Formung einer
Sonarstrahlersäule die PMN-PT-Keramik zu verwenden, da eine
wesentliche Steigerung des akustischen Ausgangssignals
potentiell verfügbar ist.
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Die Eigenschaften von PMN-PT-Keramik schwanken in
Abhängigkeit von der Temperatur. Aus diesem Grund ist es
unabdingbar, daß die thermische Auslegung eines PMN-PT-
Material verwendenden Strahlere stabil ist. Stabilität
muß dadurch erzielt werden, daß die Temperatur des
Keramikmateriale des Strahlere dicht bei einem
vorbestimmten Wert gehalten wird. Wenn das
PMN-PT-Keramikmaterial nicht innerhalb des vorbestimmten Temperaturbereiche
betrieben wird, nehmen die dynamischen akustischen
elektrostriktiven Eigenschaften des Keramikmaterials ab.
Eine Abnahme der elektrostriktiven Eigenschaften des
Keramikmaterials führt zu einer verminderten Leistung des
Sonarstrahlers.
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Der Ausgangsleistungspegel eines Sonarstrahlers
ist nur innerhalb eines gewiesen Temperaturbereiches
hoch. Das Keramikmaterial der PMN-PT-Strahler des Standes
der Technik wurden so formuliert, daß sie bei
Raumtemperatur arbeiten. Diese Formulierung ergab niedrigere
interne Verluste und minimierte Temperatursteigerungen im
Keramikmaterial. Leider führte die erzeugte Leistung
dazu, daß die Temperatur des Strahlere stieg. Die
gestiegene Strahlertemperatur überstieg den vorbestimmten
Temperaturbereich, was zu einem verminderten
Ausgangssignal führte. So offenbart auch US-A-5,023,032 PMN-PT-
Wandlerkeramiken, die sich zur Verwendung bei
Raumtemperatur eignen, wobei derartige Keramiken Curie-
Temperaturen zwischen 0ºC und 60ºC aufweisen und
gegenüber Temperaturschwankungen eine verringerte
Empfindlichkeit zeigen.
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In der Technik besteht somit weiterhin ein Bedarf
nach einer Verbesserung der herkömmlichen Sonarstrahler,
um den Leistungepegel und die Einschaltdauer zu steigern
und gleichzeitig Größe und Gewicht zu verringern.
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Der Bedarf in der Technik wird von dem
erfindungsgemäßen, in Anspruch 1 definierten Niederfrequenz-
Sonaretrahler angesprochen. Der erfindungsgemäße
Sonarstrahler enthält mindestens eine Keramikeäule, die aus
Blei-Magnesium-Niobat Blei-Titanat (PMN-PT) mit einer
Curie-Temperatur Tm besteht, die annähernd gleich der
Betriebetemperatur des Strahlere ist, die höher als 60ºC
ist. Ein Mechanismus ist zum Anlegen von Wärme an die
Keramiksäule und zum Regeln der Temperatur der
Keramiksäule auf innerhalb eines festen Betriebebereiche
bereitgestellt. Eine Treiberschaltung ist zur Bereitstellung
eines ersten elektrischen Signale zur Polarisierung der
Keramiksäule und zur Bereitstellung eines zweiten
elektrischen Signale zur Erzeugung eines mechanischen
Ausgangesignale von der Keramiksäule enthalten. Schließlich
ist ein Außenkörper zur Übertragung der mechanischen
Schwingungen von der Keramiksäule in ein
Flüssigkeitsmedium enthalten.
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Die abhängigen Ansprüche 2 bis 5 definieren
spezielle Merkmale, die möglicherweise in verschiedene
Ausführungsformen der Erfindung mit einbezogen werden
können.
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Bei einer bevorzugten Ausführungeform steht eine
PNM-PT-Keramiksäule in engem eingeschlossenem Kontakt mit
einer elliptisch geformten äußeren Strahlerschale. Die
Curie-Temperatur der Keramiksäule ist so gewählt, daß die
Elektrostriktionswirkungen des PMN-PT maximiert werden,
um die Strahlerleistung zu verbessern. Die Säule umgibt
eine Heizspule, die von einem
Temperatur-/Heizungeregelmechanismus geregelt wird, um die Betriebstemperatur der
Säule zu erreichen und innerhalb eines festen Bereichs,
zum Beispiel innerhalb eines Bereichs von 10-15ºC der
Betriebstemperatur des Strahlers, zu halten. Die
Betriebstemperatur des Strahlere beträgt beispielsweise 90ºC.
Die Keramiksäule wird von einem
Gleichstromvorspannungsschaltungssignal polarisiert und innerhalb der Säule
werden mechanische Schwingungen von einem
Wechselstromtreiberschaltungssignal erzeugt. Die mechanischen
Schwingungen der Keramiksäule verursachen in der äußeren
Strahlerschale Auslenkungen, die wiederum in einer
Wassermasse Schallsignale produzieren. Es werden erste
und zweite alternative Ausführungsformen offenbart, wobei
jede Ausführungsform mindestens eine PMN-PT-Keramiksäule
aufnimmt.
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Figur 1 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht
eines Ausführungsbeispiels des
Niederfrequenz-Sonarstrahlers der vorliegenden Erfindung und zeigt als
Blockschaltbild eine mit der Treiber- und
Temperaturregelschaltung elektrisch verbundene PMN-PT-Keramiksäule.
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Figur 2 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht
der PMN-PT-Keramiksäule von Figur 1, die innerhalb einer
äußeren Strahlerschale positioniert gezeigt wird.
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Figur 3 ist eine grafische Darstellung der
Verformung als Funktion des an die Keramiksäule von
Figur 1 angelegten elektrischen Feldes und zeigt das um
einen Gleichstrom-Offsetpunkt schwingende
Wechselstromsignal.
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Figur 4 ist eine vereinfachte perspektivische
Ansicht einer ersten alternativen Ausführungsform des
Niederfrequenz-Sonarstrahlers der vorliegenden Erfindung
und zeigt die Verwendung mehrfacher PMN-PT-Keramiksäulen
in einem Schlitzrohrstrahler.
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Figur 5 ist eine vergrößerte teilweise
perspektivische Ansicht einer der PMN-PT-Keramiksäulen von
Figur 4, die in dem Schlitzrohrstrahler montiert gezeigt
wird.
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Figur 6 ist eine vereinfachte Querschnitteansicht
einer zweiten alternativen Ausführungsform des
Niederfrequenz-Sonarstrahlers der vorliegenden Erfindung und zeigt
eine PMN-PT-Keramiksäule, die innerhalb eines
Längsschwingerstrahlers montiert ist.
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Die Ausführung der Erfindung erfolgt in einem
Niederfrequenz-Sonarstrahler 100 des Typs mit einer
Keramiksäule 102, die aus einem Blei-Magnesium-Niobat
Blei-Titanat-Material (hiernach PMN-PT) besteht, um einen
Signalpegel mit wesentlich höherer Ausgangsleistung
bereitzustellen, und mit einem
Temperatur-/Heizungsregelmechanismus 104, um an die PMN-PT-Keramiksäule 102 Wärme
auzulegen und ihre Temperatur zu regeln, wie in Figur 1
gezeigt. Im allgemeinen kooperieren der
Temperatur-/Heizungsregelmechaniemus 104 und eine Heizspule 106, um
die Temperatur der PMN-PT-Keramiksäule 102 anfänglich
aufzubauen und zu halten, während eine Treiberschaltung
108 die Säule 102 mit einem
Gleichstromvorpolarisierungsfeld polarisiert und dann die Säule 102 mit
einem Wechselstromtreiberschaltungsfeld erregt, um
mechanische Schwingungen zu erzeugen. Weiterhin steigert
der Strahler 100 den Leistungspegel des Ausgangssignale
um (6 - 10) dB, reduziert das Gewicht und die Größe einer
Strahleranordnung um 75% und verbessert den Wirkungsgrad
durch Verlängern der Einschaltdauer.
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Der Niederfrequenz-Sonarstrahler 100 der
vorliegenden Erfindung ist in Figur 1 als ein Strahler mit
Biegezugtechnik, der für die Keramiksäule 102 PMN-PT-
Material verwendet, dargestellt. Die Keramiksäule 102 ist
innerhalb einer elliptisch geformten äußeren
Strahlerschale 110 untergebracht, die zum Beispiel aus Aluminium
oder Glasfaserstoff besteht. Keramik ist allgemein sehr
brüchig und kann Zugspannung nicht standhalten, ohne
beschädigt zu werden. Um jedoch Schallsignale in Meerwasser
zu übertragen, wird die Säule 102 einer Verformung
unterzogen. Die Säule wächst insbesondere dann in
Längsrichtung und unterwirft die Enden 112 der elliptisch
geformten äußeren Schale 110 einer Verformung, wenn die PMN-PT-
Keramiksäule 102 durch Anlegen einer Gleichspannung
polarisiert wird. Die so angelegte Belastung verursacht
an den Enden 112 kleine Auslenkungen, jedoch entlang der
Länge 114 der elliptisch geformten äußeren Schale 110
große Auslenkungen, wie in Figur 2 durch die Pfeile
gezeigt. Die PMN-PT-Keramiksäule 102 wirkt somit als
Treiber, um mechanische Schwingungen in der äußeren
Schale 110 zu erzeugen. Die großen Auslenkungen
beziehungsweise mechanischen Schwingungen entlang der Länge
114 der äußeren Schale 110 erzeugen im Meerwasser
Schallwellen.
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Die Verformung, der die Säule 102 während des
Anlegens der Spannung unterworfen wird, muß kompensiert
werden, um Schäden an der Keramiksäule zu vermeiden. Dies
wird dadurch erreicht, daß die Keramiksäule 102 zusammen
mit der äußeren Strahlerechale 110 vor Anlegen der
Spannung an die Säule mechanisch druckvorgespannt wird.
Die Keramiksäule 102 wird physisch an der Innenfläche der
Enden 112 der äußeren Schale 110 angebracht, so daß eine
Vorepannung ausreichender Höhe vorliegt. Somit kann die
PMN-PT-Keramik bei Anlegen einer großen Spannung in
Längsrichtung wachsen, ohne die Keramiksäule 102 zu
beschädigen, da das Wachstum die Vorspannung kompensiert.
Die Höhe der Vorspannung sorgt auch für ausreichend
mechanischen Kontakt zwischen der Keramiksäule 102 und
der äußeren Schale 110.
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Ein weiterer Grund, weshalb die Keramiksäule 102
vorgespannt wird, ist, daß bei Betriebstiefe das
Meerwasser Druck auf die Länge 114 der elliptisch geformten
äußeren Schale 110 ausübt. Dieses Phänomen wird durch die
Pfeile in Figur 2 angedeutet. Die Druckvorspannung wird
mit dem weiteren Abeenken des Sonarstrahlere 100 in das
Wasser verringert. Somit muß die Vorspannung eine
ausreichende Anfangshöhe aufweisen, damit der Strahler 100
bei der gewünschten Betriebstiefe richtig zur Anwendung
kommt.
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Innerhalb der äußeren Strahlerschale 110 ist die
Heizspule 106 um die PMN-PT-Keramiksäule 102 gewickelt.
Wie in Figur 1 gezeigt, ist die Heizspule 106 über ein
Paar Heizspulenzuleitungen 116 an den
Temperatur-/Heizungeregelmechanismus 104 elektrisch angeschlossen.
Eine Mehrzahl von Temperatursensoren 118 ist entlang der
Außenfläche der PMN-PT-Keramiksäule 102 verteilt. Obwohl
in Figur 1 nur ein einziger Temperatursensor 118
symbolisch dargestellt ist, ist die Anzahl der
Temperatursensoren 118 und ihre Verteilung von der Konstruktion der
Keramiksäule und den Wärmekriterien abhängig. Der
symbolisierte Temperatursensor 118 ist über Sensorzuleitungen
an den Temperatur-/Heizungsregelmechanismus 104
angeschlossen.
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Temperatur-/Heizungsregelmechanismus 104 dient
zusammen mit der Heizepule 106 und den Temperatursensoren
118 dazu, das PMN-PT-Material anfänglich auf
Betriebstemperatur zu bringen und danach die Temperatur während der
Pausenzeiten des Strahlere zu stabilisieren. Bei dem
Temperatur-/Heizungeregelmechanismus 104 kann es sich um
irgendeine einer Mehrzahl von in der Technik bekannten
thermostatisch geregelten Heizvorrichtungen handeln. Ein
(nicht gezeigter) innerhalb des Regelmechanismus 104
liegender Thermostat dient dazu, einen elektrischen
Stromfluß zu der Heizspule 106 zu regeln. In Figur 1 wird
eine Stromversorgung 122 als Quelle elektrischen Strome
zum Bestromen des Regelmechanismus 104 gezeigt. Bei der
Stromversorgung 122 kann es sich um eine standardmäßige
Einphasenstromquelle mit 110 Volt und 60 Hz handeln.
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Die Heizspule 106 kann aus irgendeinem geeigneten
Metall oder irgendeiner geeigneten Legierung mit einer
hohen Wärmeübergangszahl bestehen. Über die
Heizspulenzuleitungen
116 empfängt die Heizepule 106 den vom dem
Regelmechanismus 104 übertragenen elektrischen Strom. Der
elektrische Strom veranlaßt die Heizepule 106, Wärme an
die PMN-PT-Keramiksäule 102 zu übertragen. Die Temperatur
der Keramiksäule 102 wird von den Temperatursensoren 118
überwacht, die ein Rückführungssignal zu dem
Regelmechanismus 104 übertragen. Die Einstellung des (nicht
gezeigten) Regelthermostaten in dem Regelmechanismus 104
steuert die Temperatur der Keramiksäule 102.
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Es ist bekannt, daß das in der Säule 102
verwendete Keramikmaterial entweder piezoelektrische oder
elektrostriktive Eigenschaften besitzen kann. Die
Treiberschaltung 108 hat somit zwei Funktionen. Anfänglich dient
die Treiberschaltung 108 dazu, ein
Gleichstromvorpolarisierungsfeld über die Stromzuführungen 124 an die
PMN-PT-Keramiksäule anzulegen. Das
Gleichstromvorpolarisierungsfeld ist eine Spannung von zum Beispiel 2500 V
Gleichstrom, die zum Polarisieren der Keramiksäule 102
verwendet wird. Durch die Polarisierung des
Keramikkristalls kann die Säule 102 die elektrostriktiven
Eigenschaften hinsichtlich Verformung, Kopplung und
Dielektrizität besitzen, die für das Bereitstellen eines stärkeren
Strahlerausgangssignals günstig sind. Das
Gleichstromvorpolarisierungsfeld dient auch dazu, für ein
Wechselstromtreiberschaltungsfeld auf der relevanten Kurve
Verformunglelektrisches Feld einen Arbeitspunkt zu setzen, um
den herum es betrieben werden kann. Die Kurve
Verformung/elektrisches Feld wird im folgenden Text unter Bezugnahme
auf Figur 3 erörtert. Ungeachtet der Druckspannungen, die
dazu führen, daß die PZT-Keramik die remanente
Polarisation verliert, hält das Anlegen des
Gleichstromvorpolarisierungsfeldes an die PMN-PT-Keramiksäule 102 den
Keramikkristall polarisiert.
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Nachdem die Säule 102 durch das angelegte
Gleichstromvorpolarisierungsfeld polarisiert worden ist, wird
über Stromzuleitungen 126 das
Wechselstromtreiberschaltungsfeld an die Säule 102 angelegt. Bei dem
Wechseletromtreiberfeld handelt es sich um Wechselspannung,
die von der Treiberschaltung 108 bereitgestellt wird und
bei der es sich um irgendeine geeignete periodische
Funktion wie zum Beispiel um eine sinusförmige
Wechselspannung von 1600 V handeln kann. Das
Wechselstromtreiberschaltungsfeld wird ausgewählt, um
sicherzustellen, daß die äußere Strahlerschale 110 ein
spezifisches Signal erzeugt, das auf das Meerwasser abgegeben
wird und zur Ortung von Unterwasserobjekten verwendet
wird. Wie in Figur 1 gezeigt, liefert eine
Treiberschaltungs-Stromversorgung 128 elektrischen Strom an die
Treiberschaltung 108. Die Stromversorgung 128 kann aus
Wechsel- und Gleichstromquellen des Schiffsnetzes, oder,
falls erwünscht, aus irgendeiner anderen geeigneten
Quelle erfolgen.
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Es wird gezeigt, daß die Treiberschaltung 108
sowohl die Quelle des Gleichstromvorpolarisierungsfeldes
wie auch des Wechselstromtreiberschaltungsfeldes ist. In
der Praxis kann der Anteil des
Gleichstromvorpolarisierungsfeldes der Treiberschaltung 108 direkt von
der Stromversorgung 128 bereitgestellt werden
beziehungsweise kann die Treiberechaltung 108 eine
Gleichrichterbrücke und ein Filter (nicht gezeigt) enthalten, die eine
Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln. Auf
gleiche Weise kann der Wechselstromanteil des
Treiberschaltungsfelde der Treiberschaltung 108 direkt von der
Stromversorgung 128 bereitgestellt werden, wobei eine
(nicht gezeigte) wellenformgestaltende Schaltung darin
enthalten ist.
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Wie in Figuren 1 und 2 gezeigt, kann die
Keramiksäule 102 aus einer Mehrzahl von entlang der Hauptachse
der elliptisch geformten äußeren Strahlerschale 110
angebrachten einzelnen Säulen bestehen. Die Säulen
bestehen aus einer Anzahl von piezoelektrischen Platten
130, zwischen denen Metallelektroden 132 angeordnet sind.
Die Metallelektroden 132 sind zum Beispiel parallel
zusammengeschaltet. Die gesamte Keramiksäule 102 wird
dann, wie in Figur 2 gezeigt, unter Vorspannung innerhalb
der elliptisch geformten äußeren Strahlerschale 110
angebracht.
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Um die Curie-Temperatur Tm herum sind die
piezoelektrischen
Eigenschaften der PMN-PT-Keramik maximiert.
Die Curie-Temperatur Tm ist als die Temperatur definiert,
bei der die Eigenschaften des PMN-PT-Materiale sich von
den piezoelektriechen zu den elektrostriktiven Bereichen
ändern. Die Curie-Temperatur Tm kann durch den
Prozentsatz an Blei-Titanat (PT) in der Zusammensetzung des
PMN-PT-Materials verändert werden. Die
PMN-PT-Zusammensetzung ist so formuliert, daß die Curie-Temperatur Tm
aufgrund der internen Heizverluste des Sonarstrahlers
innerhalb des Bereichs von ungefähr (10 - 15) Grad
Celsius der Betriebstemperatur des Sonarstrahlers 100
liegt. Weiterhin wird die Heizspule 106 als Glühkerze
verwendet, um die Temperatur des PMN-PT-Materials
anfänglich auf die Betriebstemperatur anzuheben und danach die
Temperatur während der Pausenzeiten des Strahlers zu
stabilisieren.
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Im allgemeinen verliert Blei-Magnesium-Niobat-
(PMN-)Material seine Polarisation Po oberhalb einer
Temperatur Tc. Die Temperatur Tc liegt unterhalb der
Curie-Temperatur Tm des PMN-Materials. Zur Verwendung als
Treibermaterial bei Unterwasserschallstrahlern 100
besitzt das PMN-Material unter diesen Bedingungen
elektrostriktive Eigenschaften und weist ausgezeichnete
Kenndaten auf. Insbesondere sind die elektrostriktiven
Eigenschaften hinsichtlich Verformung, Kopplung und
Dielektrizität maximiert, um die Leistung des Strahlers
100 zu verbessern. Leider verschlechtern sich bei Anstieg
der Temperatur des PMN-Materials über die
Curie-Temperatur Tm diese erwünschten elektrostriktiven Kenndaten
erheblich. Aus diesem Grund muß das PMN-Material
innerhalb eines begrenzten Temperaturbereiche betrieben
werden, um diese erwünschten elektrostriktiven Kenndaten
beizubehalten.
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Verschiedene Wandler-Kenndaten müssen ausgewogen
sein, damit die PMN-PT-Keramiksäule 102 zur Erzielung
einer Temperaturregelung innerhalb eines begrenzten
Temperaturbereiche arbeiten kann. Zu Anfang müssen die
thermische Auslegung des Strahlers 100 und die
Temperatur-Kenndaten des verwendeten speziellen PMN-Materials
gegeneinander abgewogen sein. Außerdem müssen auch die
zur Vermeidung von Schäden an der Keramiksäule 102
notwendigen Höhen der Vorspannung des PMN-Materials und
die speziellen Kenndaten des verwendeten PMN-Materials
gegeneinander abgewogen sein. Bei Veränderung der Höhe
der Vorspannung im PMN-Treibermaterial verschieben sich
die Kenndaten des PMN-Materials. Angesichts der zu
erwartenden Höhen hinsichtlich Vorepannung und Temperatur
muß die spezielle Zusammensetzung des PMN-Materials so
gewählt sein, daß sie die Leistung des Strahlers 100
optimiert.
VERWENDUNGSMÖGLICHKEIT IN DER TECHNIK
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Der Strahler 100 wird eingesetzt, um
Unterwasserobjekte auffolgende Weise zu erfassen. Beim Absenken des
Strahlere 100 in das Meerwasser zwingt der hydrostatische
Druck die äußere Strahlerschale 110, zusammenzufallen und
die anfängliche Vorspannung freizusetzen, wie in Figur 2
durch Pfeile angedeutet ist. Bei der Arbeitstiefe ist die
verbleibende Vorspannung auf dem PMN auf den Preßverband
mit der äußeren Strahlerschale 110 zurückzuführen. Die
verbleibende Vorspannung muß so sein, daß die mit dem
Wechselstromtreiberschaltungsfeld verbundenen dynamischen
Spannungen das PMN-Material nicht unter Zugspannung
setzen.
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Sobald sich der Strahler 100 auf Arbeitetiefe
befindet, wird die Heizspule 106 vom
Temperatur-/Heizungeregelmechanismus 104 bestromt. Die Heizspule 106
erwärmt das PMN-PT-Treibermaterial der Keramiksäule 102
auf etwas unterhalb der optimalen Temperatur, z.B. der
Curie-Temperatur Tm. Bei dieser Temperatur weist das
PMN-PT-Material eine hohe Verformungekennlinie und hohe
interne Verluste auf. Die hohe Verformungskennlinie führt
im Kristall zu Veränderungen in der Molekülstruktur und
der Molekülbewegung und ist der Gleichstromvorspannung
zugeordnet, die zur Polarisierung der Keramiksäule 102
angelegt wird. Die hohen internen Verluste des PMN-PT-
Keramikmaterials beziehen sich auf die von den
Veränderungen in der Molekülstruktur des Kristalls
hervorgerufenen spannungsmäßigen Heizverluste.
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Das Gleichstromvorpolarisierungsfeld wird dann
von der Treiberschaltung 108 angelegt, um das PMN-
Material zu der einen oder anderen Seite der in Figur 3
gezeigten Kurve Verformung/elektrisches Feld 136
vorzupolarisieren. Die Verformungskennlinie ist die
längenmäßige Veränderung der Keramiksäule 102 über die
ursprüngliche Länge, wobei die Längenveränderung als
Ergebnis des Anlegens eines elektrischen Feldes an die
Säule 102 eintritt. Die Kurve von Figur 3 zeigt die auf
der vertikalen Achse abgetragene Verformung und das auf
der horizontalen Achse abtragene elektrische Feld. Das
Anlegen der Gleichspannung polarisiert das PMN-Material
in Richtung der positiven Seite der Kurve 136 vor und
setzt für das Wechseletromtreiberschaltungsfeld einen
Arbeitspunkt 138. Die Position des Arbeitspunktes 138 auf
der Kurve 136 stimmt mit der Größe der angelegten
Gleichepannung überein. Danach wird das
Wechselstromtreiberschaltungsfeld aktiviert. Bei dem
Wechselstromtreiberschaltungsfeld handelt es sich um eine
elektrische Spannung, die um den Arbeitspunkt 138 auf der
Kurve 136 herum schwingt.
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Um das Problem der Frequenzverdopplung zu
vermeiden, ist es notwendig, den Arbeitspunkt 138 auf der Kurve
136 von Figur 3 festzulegen. Das Wechselstromtreiber
schaltungsfeld oszilliert sowohl in positiver als auch in
negativer Richtung. Wenn die angelegte
Gleichstromvorspannung null Volt beträgt, liegt der Arbeitspunkt des
angelegten Wechselstromtreiberschaltungsfeldes im
Ursprung der Kurve 136. Die Frequenz des
Wechselstromsignals würde sich verdoppeln, da der negative Anteil des
Gleichstromsignale abgeschnitten würde. Durch Überlagern
des schwingenden Wechselstromtreiberschaltungsfeldes über
das Gleichstromvorpolarisierungsfeld wird das Problem der
Frequenzverdopplung vermieden. Dies ist der Fall, da eine
Beziehung eine-zu-eins zwischen der Verformung und dem
elektrischen Feld besteht. Verschiedene Spannungsgrößen
der Gleichstromvorspannungsschaltung und der
Wechselstromtreiberschaltung können kombiniert werden, um
verschiedene Strahlerkenndaten bereitzustellen. Auf diese
Weise kann eine optimale Kombination festgelegt werden.
Es ist anzumerken, daß die Gleichspannung und die
Wechselspannung, die verschieden groß sind, so gewählt
werden, daß sie eine vorbestimmte interne Wandlerspannung
nicht übersteigen.
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Nach der Aktivierung des
Wechselstromtreiberschaltungsfeldes beginnt die Keramiksäule 102 zu
schwingen. Während des Schwingens geht Energie in dem
dielektrischen PMN-PT-Material verloren. Die internen
Heizverluste der Keramiksäule 102, die auf schlechte
Wärmeabführung zurückzuführen sind, führen dazu, daß die
Temperatur der Säule ansteigt. Mit dem Temperaturanstieg des
PMN-PT-Materials werden die internen dielektrischen
Verlusteigenschaften reduziert und weniger Wärme wird
erzeugt. Somit ist das PMN-PT-Material bei einem
gegebenen Dauerschallimpuls thermisch selbstbegrenzend. Bei
einer bestimmten Temperatur gleicht der interne
Wärmeverlust des PMN-PT-Materials die von dem Strahler
100 abgeführte Wärme genau aus.
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Theoretisch liegt hier ein idealer Wandler vor.
Bei einem wirklichen Strahler kann dieser Wandler jedoch
nur angenähert werden. Bei einem wirklichen Strahler
zeigt das PMN-PT-Treibermaterial tatsächlich eine
Temperaturverteilung. Das heißt, die Temperatur des PMN-PT ist
nicht gleichförmig. Verschiedene Abschnitte der PMN-PT-
Keramiksäule 102 sind somit zu unterschiedlichen Zeiten
selbstbegrenzend und die Temperatur innerhalb der
Keramiksäule 102 zeigt im Laufe der Zeit eine
Umverteilung. Bei einer Dauerschallantriebsbedingung setzt
sich der Prozeß der Temperaturumverteilung für eine
unbestimmte Zeit fort. Eine Dauerschallantriebsbedingung
kann eine niedrige Einschaltdauer (z.B. 10% - 20%)
aufweisen, in der der Strahler 100 zum Beispiel zwei bis
drei Minuten lang arbeitet und zwanzig bis dreißig
Minuten lang nicht arbeitet. Die Nichtbetriebs- oder
"Pausenzeit" des Strahlere 100 dient als Abkühlzeit für
die Keramiksäule 102. Wenn sich der Strahler 100 in einem
gepulsten Antriebszustand befindet, wird auch der
bezüglich der Dauerschallantriebsbedingung beschriebene
Prozeß aktiviert. Somit wird zuerst das
Gleichstromvorpolarisierungsfeld und danach das
Wechselstromtreiberschaltungsfeld an die Säule 102 angelegt. Das Anlegen der
Gleichstrom- und Wechseletromfelder wird jedoch bei
Impulsende unterbrochen. Wenn der Impuls aufhört, beginnt
das PMN-PT-Treibermaterial sich durch die natürliche
Wärmeleitung und -konvektion vom Strahler 100 hinweg
abzukühlen.
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Das Abkühlen des PMN-PT-Materiale ist uner
wünscht, da die Treibereigenschaften sich mit Abnahme der
Temperatur verschlechtern. Aus diesem Grund wird die
Heizspule 106 von dem
Temperatur-/Heizungsregelmechanismus 104 bestromt, um das PMN-PT-Material so lange auf
einer vorbestimmten Minimaltemperatur zu halten, bis der
Impuls wieder einsetzt. Ein kontinuierlicher Prozeß der
Eigenheizung und der thermischen Selbstbegrenzung der
Keramiksäule 102 und das Bestromen und Außerstromsetzen
der Heizspule 106 hält das PMN-PT-Material innerhalb
eines gewissen erwünschten Temperaturbereichs. Unter
diesen Bedingungen wird von dem Strahler 100 der
vorliegenden Erfindung eine optimale Wandlerleistung
bereitgestellt.
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Bei dem in Figur 1 gezeigten implementierten
Strahler 100 beträgt eine beispielhafte
Betriebstemperatur 90 Grad Celsius. Es ist jedoch wichtig, mit den
thermischen Eigenschaften und der Betriebseinschaltdauer
des einzelnen Strahlers und der Temperatur des Wassers,
in dem der Strahler eingesetzt wird, vertraut zu sein.
Nachdem diese Daten berücksichtigt worden sind, wird das
PMN-PT-Material so formuliert, daß es eine
Curie-Temperatur Tm innerhalb eines Bereiches von (10 - 15) Grad
Celsius der Betriebstemperatur des Strahlere 100 hat.
Wenn die Curie-Temperatur Tm des PMN-PT-Materials
annähernd gleich der Betriebstemperatur des Strahlers 100
ist, sind die elektrostriktiven Eigenschaften und damit
das Ausgangssignal des Strahlers maximiert.
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Der Niederfrequenz-Schallstrahler der
vorliegenden Erfindung ist nicht auf die Version mit
Biegezugtechnik begrenzt. Eine erste alternative Ausführungsform
des Niederfrequenz-Schallstrahlers, die durch die
Bezugsziffer 200 gekennzeichnet ist, wird in Figuren 4
und 5 offenbart. Bei dem Sonarstrahler 200 handelt es
sich um einen Schlitzrohrstrahler, der eine äußere
zylindrische Schale 202 beinhaltet. Die äußere Schale 202 kann
aus Stahl, Aluminium, Kunststoff oder irgendeinem
geeigneten Festetoff bestehen. Die äußere Schale 202 wird mit
einer Mehrzahl von PMN-PT-Keramiksäulen oder -zylindern
204 gezeigt, die an einer Innenfläche 206 der äußeren
Schale angebracht sind. Jeder PMN-PT-Keramikzylinder 204
ist wie mit einem Klebstoff eng mit der Innenfläche 206
der äußeren Schale 202 verbunden. Die
PMN-PT-Keramikzylinder 204 bewegen sich deshalb gemeinsam mit der
äußeren Schale 202.
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Ein Stück der äußeren zylindrischen Schale 202
und von jedem der PMN-PT-Keramikzylinder 204 ist
herausgenommen, um einen Schlitz 208 zu bilden, wie am
besten in Figur 4 zu sehen ist. Der Schlitz 208 in der
äußeren Schale 202 ist somit identisch mit dem Schlitz in
jedem der PMN-PT-Keramikzylinder 204 und konzentrisch
dazu. Ein Innendurchmesser und ein Außendurchmesser der
äußeren Schale 202 sind in Figur 4 deutlich zu sehen und
bilden zwei gegenüberliegende Flächen bzw. Lippen 210.
Weiterhin wird in Figuren 4 und 5 auch eine freigelegte
rechteckige Innenfläche 212 jedes der
PMN-PT-Keramikzylinder 204 gezeigt.
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Jeder der PMN-PT-Keramikzylinder 204 ist in einem
vorgespannten Verhältnis mit der äußeren Schale 202
montiert. Die Gründe für die Höhe der Vorspannung in dem
Strahler 200 sind die gleichen wie für die Höhe der
Vorspannung des Strahlers 100. Die Höhe der zwischen der
äußeren Schale 202 und den PMN-PT-Keramikzylindern 204
bestehenden Vorspannung reicht aus, um der während des
Betriebs des Strahlers 200 auftretenden Verformung
entgegenzuwirken.
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Weiterhin ist in dem Strahler 200 ein
Heizmechanismus vorgesehen, der mit einem
Temperatur-/Reizregelmechanismus und einer Stromversorgung (nicht
gezeigt) zusammenarbeitet, um die Temperatur der PMN-PT-
Keramikzylinder 204 anfänglich aufzubauen und
aufrechtzuerhalten. Der Heizmechanismus wird in Figur 5 als
verkapselte Thermofolie 214 gezeigt. Allerdings würde auch eine
für diese spezielle Anwendung entworfene Heizspule
geeignet sein. Der (nicht gezeigte)
Temperatur-/Heizregelmechanismus hat die gleiche Funktion wie der in dem
Strahler 100, z.B. um die Thermofolie 214 zu bestromen.
Auch kann eine (nicht gezeigte) Mehrzahl von
Temperatursensoren verwendet werden, um die Temperaturdaten zum
Regeln der Temperatur der PMN-PT-Keramikzylinder 204 an
den Regelmechanismus rückzukoppeln. Ein wahlweises
wärmeleitendes Elastomer 216 kann über den Außenumfang der
freigelegten Innenfläche 212 der PMN-PT-Keramikzylinder
plaziert werden. Das wahlweise Elastomer 216 verbessert
die Wärmeübertragung auf die Keramik und hilft die
Betriebstemperatur des Strahlere 200 beizubehalten.
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Im Betrieb wird von einer Treiberschaltung und
einer Stromversorgung (nicht gezeigt) anfänglich ein
Gleichstromvorspannungsschaltungsfeld angelegt, um die
PMN-PT-Keramikzylinder 204 entsprechend der oben
beschriebenen Kurve Verformung/elektrisches Feld 136 von
Figur 3 zu polarisieren und vorzuspannen. Für das
nachfolgend angelegte Wechselstromtreiberschaltungsfeld, das
in den Keramikzylindern 204 mechanische Schwingungen
erzeugt, wird ein Arbeitspunkt 138 festgelegt. Die
mechanischen Schwingungen werden auf die augeschlossene
äußere Schale 202 übertragen. Die kleinen
Vibrationsauslenkungen in der äußeren Schale 202 werden als große
Auslenkungen in den an den Schlitz 208 angrenzenden
gegenüberliegenden Flächen oder Lippen 210 registriert.
Die Auslenkungen in den Lippen 210 werden in
Schallenergie umgewandelt und auf das Meerwasser übertragen.
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Eine zweite alternative Ausführungsform des durch
die Bezugeziffer 300 gekennzeichneten Niederfrequenz
Sonarstrahlers ist in Figur 6 offenbart. Figur 6 zeigt
eine Querschnittsansicht eines kreisrunden länglichen
Schwingungsstrahlers 300. Der Strahler 300 enthält eine
zylindrische PMN-PT-Keramiksäule 302, die zwischen einem
Kopfteil 304 und einem Heckteil 306 angeordnet ist. Die
Kopf- und Heckteile 304 beziehungsweise 306 sind feste
Stücke, die aus einem entsprechenden Material wie zum
Beispiel Stahl, Aluminium oder Hartkunststoff bestehen.
Das Kopfteil 304 ist größer als das Endteil 306 und dient
zum Übertragen mechanischer Schwingungen auf das
Meerwasser.
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Ein Schraubenbolzen 308 und eine entsprechende
Schraube 310 wirken als Klammer, um den gesamten
Längsschwingungswandler 300 zusammenzuhalten und an der
zylindrischen PMN-PT-Säule 302 die erforderliche Höhe an
Vorspannungsdruck bereitzustellen. Durch den
Schraubenbolzen 308 kann die Höhe der Vorspannung für die
verwendeten Materialien eingestellt werden. Wie bei den
vorausgegangenen Ausführungsformen des Strahlers verhindert die
Höhe der Vorspannung, daß die Keramik aufgrund hoher
dynamischer Verformung eine hohe Zugspannung erfährt. Die
Keramik toleriert zwar Druckspannung ohne Schäden, aber
keine Verformung. Auf diese Weise stellen der
Schraubenbolzen 308 und die Schraube 310 sicher, daß die Keramik
von der Verformung nicht beschädigt wird.
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Eine Heizspule 312 wird als Mechanismus zum
Erwärmen der zylindrischen PMN-PT-Säule 302 gezeigt. Die
Heizepule 312 wirkt zusammen mit einem
Temperatur-/Heizregelmechanismus und einer Stromversorgung (nicht
gezeigt), um die Temperatur der zylindrischen PMN-PT-Säule
302 anfänglich aufzubauen und beizubehalten. Es können
auch (nicht gezeigte) Temperatursensoren verwendet
werden, um, wie oben erörtert, Temperaturdaten zum
Temperatur-/Heizregelmechanismus rückzuführen.
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Im Betrieb wird von einer Treiberschaltung und
einer Stromversorgung (nicht gezeigt) anfänglich ein
Gleichstromvorspannungsschaltungsfeld angelegt, um die
zylindrische PMN-PT-Säule 302 entsprechend der oben
beschriebenen Kurve Verformung/elektrisches Feld 136 von
Figur 3 zu polarisieren und vorzupolarisieren. Für das
nachfolgend angelegte Wechselstromtreiberschaltungsfeld,
das in dem größeren und schwereren kopf 304 mechanische
Schwingungen erzeugt, wird der Arbeitspunkt 138
festgelegt. Die mechanischen Schwingungen werden auf das
Meerwasser übertragen, um Schallsignale zu erzeugen. Ein
Niederfrequenz-Schallstrahler 100 zur Verwendung in einer
Strahleranordnung und ein Verfahren dazn sind offenbart
worden. In der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine
Keramiksäule 102 offenbart, die aus PMN-PT mit einer
Curie-Temperatur Tm, die der Betriebstemperatur des
Strahlers 100 annähernd gleich ist, besteht. Eine
Heizepule 106 und ein Regelmechanismus 104 sind
vorgesehen, um die Keramiksäule 102 zu erwärmen und ihre
Temperatur auf innerhalb eines festen Betriebsbereiche zu
regeln. Enthalten ist auch eine Treiberschaltung 108 zur
Bereitstellung eines
Gleichstromvorpolarisierungeschaltungsfeldes, um die Keramiksäule zu polarisieren und
zum Zweck der Erzeugung eines mechanischen
Ausgangssignale von der Keramiksäule 102 ein
Wechselstromtreiberschaltungsfeld anzulegen. Schließlich ist die äußere
Strahlerschale 110 enthalten, um das mechanische
Ausgangssignal von der Keramiksäule 102 auf ein
Flüssigkeitsmedium zu übertragen. Die Curie-Temperatur Tm des
PMN-PT ist so gewählt, daß die Elektrostriktionswirkungen
der Keramiksäule 102 zur Verbesserung der
Strahlerleistung maximiert werden. Weiterhin steigert der
Strahler 100 den Leistungspegel des Ausgangssignale um (6
- 10) dB, reduziert das Gewicht und die Größe einer
Strahleranordnung um 75% und verbessert den Wirkungsgrad
durch Verlängern der Einschaltdauer.
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Die vorliegende Erfindung ist somit hier unter
Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform für eine
bestimmte Anwendung beschrieben worden. Wer
durchschnittliche Fachkenntnisse und Zugang zu den gegenwärtigen
Lehren hat, wird innerhalb des Rahmens der vorliegenden
Erfindung zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und
Ausführungsformen erkennen. Mit den beigefügten
Ansprüchen sollen daher jede und alle derartigen
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des
Rahmens der vorliegenden Erfindung abgedeckt werden.
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Dementsprechend ...