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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf akustische
Unterwassersender, die für große Tauchtiefen verwendet werden,
die z. B. 1000 m erreichen können. Diese Sender können verwendet
werden, um unter Wasser Peilungen nach der Sonartechnik
durchzuführen.
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Es ist bekannt, akustische Unterwassersender zu
realisieren, die es gestatten, ein omnidirektionales Emissionsdiagramm
in einer Ebene zu erhalten, im allgemeinen in seitlicher
Richtung. Man verwendet dafür einen Stapel von ringförmigen
piezoelektrischen Keramiken, die radial schwingen. Um einen
guten akustischen Wirkungsgrad zu erreichen, hält man die
Emissionsfrequenz in etwa auf der Resonanzfrequenz der Ringe.
Geläufige Arbeitswerte sind ein Durchmesser von etwa 20 cm für
eine Emissionsfrequenz in der Größenordnung von 5 kHz.
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Für relativ geringe Tauchtiefen, die z. B. denen eines
Schiffsrumpfsonars entsprechen, beeinflußt der hydrostatische
Druck des Wassers die Funktion eines solchen Senders in
vernachlässigbarer Weise.
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So ist aus dem Patent US 3,444,508 ein akustischer
Unterwasserempfänger bekannt, der an einem Kabel an einer Boje
aufgehängt ist. Er weist ein Stützrohr auf, das von zwei Deckeln
begrenzt wird. Darüber hinaus handelt es sich ausschließlich um
einen Empfänger.
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Außerdem ist aus dem Patent US 5,099,460 die Verwendung
von Dichtungen bekannt, um akustische Keramikringe vor Schlägen
zu schützen.
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Wenn man Untersuchungen in größeren Tiefen vornehmen
möchte, indem z. B. der Sender in einem "Fisch" untergebracht
ist, der in einer großen Tiefe nachgeschleppt wird, wird der
Einfluß des hydrostatischen Druckes auf diesen Sender immer
größer und stört schließlich seine Funktion exzessiv. Man kann
auch in bestimmten Fällen eine Beschädigung und sogar eine
Zerstörung des Senders aufgrund der Überlagerung der
hydrostatischen Belastungen und der dynamischen Belastungen
erleben, die von der Schwingung stammen, die zur Emission der
akustische Welle notwendig sind. Um allerdings eine
ausreichende akustische Sendeleistung zu erhalten, ist man
veranlaßt, die piezoelektrische Keramik durch ein starkes
elektrisches Feld zu belasten, das innere Spannungen mit sich
bringt, die sehr stark sein können bis zu dem Punkt, daß sie
Brüche in der Keramik hervorrufen, was es daher notwendig
macht, die Strahlungsleistung zu begrenzen.
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In großer Tiefe sind die Keramikringe vom Durchmesser R
und von einer Dicke e einem hydrostatischen Druck unterworfen,
dessen radiale Komponente in der Keramik eine Belastung
verursacht, die selbst um einen Faktor R/e verstärkt ist. Als
Beispiel liegt dieser Verstärkungsfaktor in der Größenordnung
von 10 für eine Tiefe von 1000 m und so ergibt sich eine
Belastung radialen Ursprungs in der Größenordnung von 10&sup8; Pa.
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Außerdem erreicht die axiale Kraft, die auf den
hydrostatischen Druck auf die Enden des Senders zurückzuführen ist, für
eine Tiefe von 1000 m und einen Sender von 20 cm Durchmesser
einen Wert von 300000 N (30 Tonnen). Diese Kraft, die auf die
Schnittflächen der Keramikringe aufgebracht wird, verursacht
eine weitere zusätzliche Belastung in der Größenordnung von
600000 hPa (600 bar). Außer den Risiken von Brüchen bringt die
Resultierende dieser beiden zusätzlichen Belastungen schwere
Folgen mit sich, indem sie die piezoelektrischen Koeffizienten
der Keramiken verändert und damit eine Drift der Leistungen
bezüglich des Schallniveaus und bezüglich der Impedanzen der
Antenne verursacht. Diese Drift weist wenigstens teilweise
einen irreversiblen Charakter auf, der sich im Laufe von
wiederholten Tauchvorgängen verschlechtern kann. Die
Kompensierung all dieser Effekte ist, wenn nicht unmöglich,
dann doch wenigstens schwierig und kostenaufwendig umzusetzen.
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Außerdem ist es aus gut bekannten rein akustischen Gründen
nützlich, die Keramikringe, die zum Bilden der Antenne
aufeinander gestapelt sind, mechanisch voneinander zu
entkoppeln, um die gewünschten Leistungen im Emissionsdiagramm des
akustischen Senders erreichen zu können. So große Kräfte, wie
die oben genannten aufgrund hoher Tauchtiefen, machen eine
solche mechanische Entkopplung der Keramikringe durch
gewöhnlich verwendete Mittel unmöglich.
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Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, schlägt die
Erfindung einen akustischen Unterwassersender nach den beigefügten
Ansprüchen vor.
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Andere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen
deutlich aus der folgenden Beschreibung hervor, die
beispielhaft und nicht einschränkend mit Bezug auf die
beigefügten Figuren ausgeführt ist. In diesen zeigen:
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- Fig. 1 eine Schnittansicht von oben und von der Seite
von zwei piezoelektrischen Ringen, die durch einen
Entkopplungsring getrennt sind;
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- Fig. 2 eine Schnittansicht des Entkopplungsringes aus
Fig. 1;
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- Fig. 3 eine vertikale Schnittansicht eines Senders
gemäß der Erfindung; und
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- Fig. 4 eine Schnittansicht eines Teils des inneren
Rohres des Senders aus Fig. 3.
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Die zwei in Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen
Keramikringe 101 und 102 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus
Abschnitten 103 gebildet, die entlang dem Umfang des Ringes
abwechselnd in der einen und in der anderen Richtung
polarisiert sind. Diese Polarisationen sind durch die Pfeile
104 dargestellt. Diese Abschnitte besitzen zwischen sich
radiale Elektroden, die durch die Anschlüsse 105 versorgt
werden, so daß sie in Abhängigkeit von Signalen, die über diese
Anschlüsse angelegt werden, dazu gebracht werden, sich
zusammenzuziehen und sich auszudehnen. Unter diesen Bedingungen
dehnt sich der Ring im Rhythmus dieser Signale radial aus und
zieht sich radial zusammen. Diese radiale Bewegung ist durch
die Pfeile 106 dargestellt.
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Um den Ring 101 in bezug auf den Ring 102 zu entkoppeln,
schlägt die Erfindung vor, diese beiden Ringe durch einen
Zwischenring 107 zu trennen, der im Fall der Figur eher die Form
einer Scheibe aufweist, weil seine Dicke in diesem
Ausführungsbeispiel deutlich geringer ist als seine Breite.
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Ein solcher Entkopplungsring muß vergleichsweise
widersprüchliche mechanische Eigenschaften aufweisen. In der
Tat muß er dem restlichen axialen Druck widerstehen, um nicht
zu stark eingedrückt zu werden, was normalerweise einer relativ
großen Festigkeit entspricht (der restliche axiale Druck wird
weiter unten im Text erklärt). Zum andern muß er eine geringe
Scherimpedanz verglichen mit der Scherimpedanz der Keramikringe
aufweisen, um eine effiziente Entkopplung zu erreichen, was
normalerweise einer relativ großen Elastizität und damit einer
eher geringen Festigkeit entspricht.
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Um gleichzeitig diese beiden Ergebnisse zu erhalten,
schlägt die Erfindung vor, die Zwischenringe zur Entkopplung
gemäß einer in Fig. 2 dargestellten dreischichtigen Struktur
auszuführen.
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Diese dreischichtige Struktur ist aus einer harten und
starren inneren Schicht 201 gebildet, die von zwei weichen und
elastischen äußeren Schichten 202 und 203 umgeben ist. Auf
diese Weise widersetzt sich die innere Schicht dem Eindrücken,
während die äußeren Schichten ein relativ freies Spiel der
Keramikringe gegeneinander erlauben.
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Man erreicht diese Eigenschaft, die einer schwachen
Scherimpedanz entspricht, indem man mit den Eigenschaften
(Schermodul, Poisson-Koeffizient, Verluste) der Materialien,
aus denen dieser Ring besteht, und den Dimensionen (Dicke,
Höhe, Durchmesser) der drei Schichten spielt. Wenn man das
Frequenzband berücksichtigt, in dem der Sender funktionieren
muß, kann man die Eigenschaften dieses Zwischenringes dynamisch
optimieren, indem man ihn nach bekannter Technik nach einem
Masse-Feder-Prinzip modelliert, wobei die beiden äußeren
Schichten 202 und 203 die Rolle der Federn spielen, die die
notwendige Nachgiebigkeit beitragen, und die innere Schicht die
Rolle der Masse spielt, die die gewünschte Trägheit beiträgt.
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In der Praxis und für die vorerwähnten Dimensionen und
Frequenzen erhält man mit der Verwendung einer zentralen
Schicht aus Polyethylen einer Dicke in der Ordnung von
Millimetern, die von zwei äußeren Schichten aus Neopren umgeben
ist, die in etwa die gleiche Dicke aufweisen, bereits ein
Ergebnis, das sehr nahe am gewünschten Ergebnis liegt, und man
kann dieses Ergebnis verfeinern, indem man experimentell die
Dicken verändert. Nach einigen Versuchen ist die Optimierung
sehr schnell erreicht.
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Die Keramikringe werden dann mit den anderen Bauteilen,
die die Struktur des Senders bilden, zusammengesetzt, um einen
vollständigen Sender zu erhalten, wie er in der Fig. 3
dargestellt ist.
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Dieser Sender besteht folglich aus einem Stapel von
piezoelektrischen Keramikringen 101, die durch Entkopplungsringe 301
getrennt sind. In der Figur sind diese Ringe aus Gründen der
Vereinfachung in einem Stück dargestellt, obwohl ihre Struktur
selbstverständlich die aus Fig. 2 ist.
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Der innere Durchmesser dieser Entkopplungsringe ist hier
kleiner als der innere Durchmesser der Keramikringe, was es
erlaubt, sie in eine äußere kreisförmige Rille einzufügen, die
in Zentrierringen 302 aus Kautschuk ausgeführt ist. Der äußere
Durchmesser dieser Zentrierringe ist gleich dem inneren
Durchmesser der Keramikringe.
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Man fädelt dann diese Baugruppe auf ein inneres Rohr 303,
dessen äußerer Durchmesser gleich dem inneren Durchmesser der
Zentrierringe 302 ist. Außer dieser Funktion der Zentrierung
gestatten die Ringe 302 auch eine Schwingungsentkopplung der
Keramikringe in bezug auf das Rohr 303. Dieses Rohr endet an
seiner Basis mit einer äußeren Schulter 304, auf der der letzte
Entkopplungsring und der letzte Zentrierring ruhen. Das Rohr
endet oben gleichfalls mit einer inneren Schulter 305.
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Dann wird die äußere Schulter 304 auf einen unteren Deckel
306 aufgesetzt, der die Basis des Senders bildet.
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Anschließend wird diese Baugruppe mit einem oberen Deckel
307 abgeschlossen, der die Spitze des Senders bildet und der
auf der inneren Schulter 305 und auf den ersten oberen
Entkopplungsring und dem ersten oberen Zentrierring aufgesetzt ist.
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Im Laufe des Zusammenbaus der verschiedenen Ringe auf dem
inneren Rohr 303 werden die Anschlüsse 308 der Keramikringe
durch Löcher geführt, die in den Zentrierringen ausgespart
sind. Die Gesamtheit der Anschlüsse wird in das Innere des
inneren Rohres durch ein in diesem ausgespartes Loch geführt.
Es tritt dann aus dem Sender durch einen dichten Durchgang aus,
der nicht dargestellt ist und der z. B. im oberen Deckel 307
ausgespart ist.
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Der Zusammenbau wird beendet, indem die äußere Fläche der
Keramikringe und der Entkopplungsringe mit einer Hülle 309 aus
akustisch transparentem Material, z. B. Polyurethan, bedeckt
wird.
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Gemäß der Erfindung trägt das innere Rohr 303 den
Hauptteil der Druckkräfte, die auf den unteren Deckel 306 und
den oberen Deckel 307 wirken. Die Kraft, die über diese Deckel
auf die äußersten oberen und unteren Entkopplungsringe wirkt
und demzufolge auf die Baugruppe der Keramikringe und der
anderen Entkopplungsringe, ist dann deutlich verringert und
beschränkt sich im wesentlichen auf den Vorspannungswert, den
man beim Zusammenbau erhält, indem man das Rohr 303 als
Vorspannungsschaft verwendet, um den Keramikstapel auf einen
kleinen und beherrschten Wert vorzuspannen, damit so
reproduzierbare akustische Eigenschaften in der Luft und im
Wasser erhalten werden.
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Dazu ist es notwendig, ein inneres Rohr 303 zu verwenden,
dessen Elastizitätskoeffizient so klein wie möglich ist und das
keine zu massive Form aufweist, um zu vermeiden, den Sender
übermäßig schwer zu machen. Dies erlaubt außerdem die
Verwendung eines hohlen Rohres, dessen inneres Volumen benutzt werden
kann, um wenigstens einen Teil der Elektronik zur Behandlung
der an die Keramiken angelegten Signale unterzubringen.
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Um diese Ergebnisse zu erhalten, schlägt die Erfindung
vor, dieses innere Rohr 303 in einem Komposit-Material
auszuführen, das aus Fasern besteht, die mit einem sehr kleinen
Steigungswinkel bezüglich der vertikalen Achse dieses Rohres
aufgewickelt sind, wie es schematisch in Fig. 4 dargestellt
ist. Diese Fasern sind im Inneren durch eine Rückhaltematrix
befestigt. Als Beispiel wird ein Material, das aus Kohlenstoff
und Harz besteht, verwendet, von dem bekannt ist, daß die
Leistungen unter den zur Zeit besten verfügbaren sind.
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Im Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 dargestellt ist,
sind die Keramikringe und die Entkopplungsringe identisch. Als
Variante schlägt die Erfindung vor, Entkopplungsringe zu
verwenden, deren Höhe und gegebenenfalls deren Beschaffenheit
von einem zum anderen variierbar sind, um die Entkopplung
zwischen den Keramikringen gemäß ihrer Position im Sender zu
verändern. Diese Modifikation der Entkopplung erlaubt es, die
radialen Verschiebegeschwindigkeiten der Keramiken zu
modifizieren, d. h. die relativen Amplituden der Emission der
Schallwellen der Ringe untereinander. Man erhält so ein
radiales Geschwindigkeitsprofil über die gesamte Höhe, das man
in weiten Grenzen variieren kann. Wie man weiß, hängt die Form
des Strahlungsdiagramms des Senders stark von diesem
Geschwindigkeitsprofil ab, insbesondere was die Dämpfung der
sekundären Strahlungskeulen betrifft. Das so erhaltene Profil
kann demnach den Arbeitsbedingungen angepaßt werden, unter
denen man den Sender verwenden möchte. Man kann auch die Höhe
der piezoelektrischen Keramikringe verändern, was einen
zusätzlichen Freiheitsgrad liefert, um den Sender zu
konfigurieren.