DE69600549T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verminderung der Resonanzfrequenz von Hohlräumen von Unterwasserwandlern - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Senken der Resonanzfrequenz der Hohlräume von eintauchbaren Wandlern.
• Das technische Gebiet der Erfindung betrifft die Ausbildung eines eintauchbaren elektroakustischen Wandlers.
• Die wesentliche Anwendung der Erfindung ist das Senken dieser Resonanzfrequenz für Wandler in sogenannter "Doppel- Tonpilz"-Ausbildung, und insbesondere für solche, die zum Senden von Schallwellen mit einem hohen Wirkungsgrad und um eine gegebene Richtebene und omnidirektional gemäß dieser Ebene benutzt werden.
• Man kennt solche eintauchbaren elektroakustischen und insbesondere piezoelektrischen Wandler, bestehend aus einem starren, zylindrischen, hohlen und an beiden axialen Enden offenen Gehäuse, in welchem zwei koaxial zum Gehäuse angebrachte elektroakustische Antriebe beiderseits einer zentralen Gegenmasse angebracht sind, deren gegenüberliegenden Enden jeweils von einem Endkegel umrahmt sind. Diese Wandler werden als " Doppel-Tonpilz- Ausführung " bezeichnet. Die besagten elektroakustischen Antriebe können durch zwei fluchtend angeordnete Stapel aus piezoelektrischen Scheiben gebildet werden. Die Außenflächen der beiden Endkegel liegen in der Ebene der axialen Enden des Gehäuses, so daß sie mit der Flüssigkeit, in welche das Gehäuse eingetaucht ist, in Berührung kommen, und der Außenumfang dieser Endkegel liegt so nahe wie möglich am Rand der offenen axialen Enden des besagten Gehäuses.
• Somit senden diese Außenflächen bei elektronischer Erregung der elektroakustischen Antriebe Schallwellen in die Flüssigkeit aus: diese Wandler werden hauptsächlich verwendet, um im Wasser niederfrequente Schallwellen in eine bestimmte Richtung auszusenden; für die Anwendung eines solchen Mono- oder Doppel-Tonpilz-Wandlers mit Hochleistungsaussendungen kann man den am 13. Dezember 1991 veröffentlichten Patentantrag FR. 2.663.182 von Herrn Gilles GROSSO nennen, welcher ergänzende Vorrichtungen zum Erreichen einer erhöhten Leistung beschreibt.
• Um eine Ausbreitung der von den rückseitigen Flächen der Endkegel ausgesendeten Schallwellen im Inneren des Gehäuses zu vermeiden, insbesondere wenn dieses gerade mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, welche dann trotz der Starrheit des besagten Gehäuses in das umgebende Medium übertragen werden, werden in dem mit der Umgebungsflüssigkeit gefüllten Hohlraum am hinteren Abschnitt der Endkegel solcher undichten Gehäuse verschiedene Elemente wie z. B. elastische, geschlossene, dichte und mit Gas gefüllte Rohre angebracht, so daß die Helmholtzsche Resonanzfrequenz des Hohlraums in der Nähe der Grundfrequenz der axialen Schwingungen des schwingenden Systems liegt; eine solche Vorrichtung wird im vom Etat Français, vertreten durch den Délégué Général pour l'Armement, gestellten Patentantrag FR. 2.665.998 vom 5. Mai 1988 beschrieben. So wird das Problem der Druckwiderstandsfähigkeit des Außengehäuses sowie der Widerstandsfähigkeit der besagten elastischen Rohre, bei welchen kleinere Durchmesser es ermöglichen, das Gewicht des Systems zu verringern, vorgetragen: weitere Mittel können mit dem gleichen Ziel entwickelt und für die vorliegende Erfindung angewendet werden unter Berücksichtigung der Tatsache, daß diese Vorrichtungen das Beibehalten eines ausreichend dimensionierten Hohlraums hinter den Endkegeln erfordern.
• Wenn man weiterhin aufgrund der Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung die Gebrauchsniederfrequenz solcher Wandler unter 500 Hz senken und gleichzeitig den elektroakustischen Wirkungsgrad und die effektiv ausgesendete Leistung möglichst erhöhen oder mindestens den gleichen Wert beibehalten will, ist es erforderlich, die Resonanzfrequenzen sowohl des Antriebs als auch des Resonators zu senken.
• Hierzu wäre es natürlich möglich, wie es zum heutigen Tage auch bekannt ist, das Gewicht der Endkegel sowie die Abmessungen des hinteren Hohlraums dieser Endkegel und/oder die Anzahl der flexiblen Rohre wie vorstehend beschrieben und angegeben zu erhöhen, jedoch erhöhen solche Lösungen das Gewicht und das Gesamtvolumen des Wandlers, wodurch eine höhere akustische Leistung erforderlich wird. Gemäß den Anwendungen, insbesondere bei Anwendungen, wo das Energiespeicherungsvolumen kritisch ist und der Wandler für lange Perioden autonom sein muß, sind solche Lösungen somit nicht zufriedenstellend.
• Das gestellte Hauptproblem betrifft also die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz des Resonators, d. h. des resonanzerzeugenden Hohlraums oder der Hohlräume eines Wandlers, insbesondere vom Typ "Doppel-Tonpilz", zu verringern, ohne deren Abmessungen und Gewicht zu erhöhen, ausgehend von einem klassischen Wandler desselben Typs, und mit mindestens derselben akustischen Leistung bei einer höchstens gleichwertigen Leistungsaufnahme.
• Eine Lösung für das gestellte Problem besteht in einem Verfahren für das Aussenden von niederfrequenten Schallwellen in einer Flüssigkeit mittels eines Wandlers, welcher mit mindestens einem am Ende einer Antriebsachse fest angebrachten Endkegel und einem starren Gehäuse, welches den besagten Endkegel umschließt und mit diesem mindestens einen Hohlraum, welcher über mindestens eine Öffnung mit der besagten äußeren Flüssigkeit, welche diesen folglich ebenfalls füllen kann, kommuniziert, begrenzt, und dessen Abmessungen und Außenvolumen vorbestimmt sind, wobei dieser Wandler Wellen in einem gegebenen Frequenzbereich und bei einer gegebenen elektroakustischen Leistung überträgt; das erfindungsgemäße Verfahren besteht also darin, daß:
• - man die besagte Öffnung anhand eines passiven Strahlers aus einem Material, das dichter ist als die besagte Flüssigkeit und dessen Definition nachfolgend erklärt wird, verschließt;
• - man diesen passiven Strahler an der Peripherie der besagten Öffnung mit einem elastischen Material aufhängt;
• - man Schallwellen mit Frequenzen sendet, die niedriger sind als die des gegebenen ursprünglichen Frequenzbereiches und deren Leistungsaufnahme höchstens gleichwertig ist.
• In einer Ausführungsart für einen Wandler mit doppeltem Tonpilz versieht man die Wand des besagten Gehäuses des Wandlers zwischen dessen beiden besagten Endkegeln mit einer peripheren Öffnung, welche somit eine der besagten Kommunikationsöffnungen zwischen der besagten äußeren Flüssigkeit und dem zwischen diesen Endkegeln liegenden inneren Hohlraum bildet;
• - man schließt diese Öffnung mit einem aus mehreren unabhängigen Abschnitten, welche durch elastische Verbindungen miteinander verbunden sind, bestehenden passiven Strahler.
• Wenn man außerdem, wie vorstehend angegeben, ebenfalls die Resonanzfrequenz des Antriebs des Wandlers senken und dadurch den akustischen Wirkungsgrad dieses Wandlers erhöhen und es somit ermöglichen will, die Schalleistung für eine selbe gegebene Leistungsaufnahme zu erhöhen, bringt man hinter dem besagten Endkegel im Inneren des besagten Gehäuses eine mit diesem fest verbundene dynamische Last an, welche dessen inneren Querschnitt teilweise schließt und den besagten inneren Hohlraum in einen ineinander übergehenden hinteren und vorderen Teil trennt, und nähert die äußere periphere Kante der Endkegel der Innenwand des Gehäuses, vorzugsweise mit einem Abstand von einigen Zehntel Millimeter. Vorzugsweise benutzt man den besagten derart ausgeführten Wandler in einem Frequenzbereich, welcher den eigenen Frequenzbereich des von der besagten dynamischen Last begrenzten hinteren Hohlraums umschließt: die Definition und eine Ausführungsart geht aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
• Somit konnte man von einem bekannten Wandler vom Typ Doppel-Tonpilz, ohne Hohlraum vor den Endkegeln wie nachstehend beschrieben, ein Schallsignal von ca. 200 dB bei einer Frequenz von 300 Hz aussenden, ohne weder das Volumen des Hohlraums noch die Anzahl der darin enthaltenen flexiblen Rohre zu erhöhen, wie es bisher geschah. Außerdem werden bei gleichzeitiger Benutzung einer dynamischen Last, welche die Frequenz des Antriebs senkt, ohne das Gewicht der Endkegel bei einer gleichwertigen Tonstärke zu erhöhen, die auf die Keramikbausteine dieser Antriebe ausgeübten mechanischen Beanspruchungen sowie der Leistungsverbrauch verringert.
• Das Vorhandensein der besagten dynamischen Last ermöglicht es, das Gewicht des Endkegels in Verbindung mit einer zwischen ihm und der besagten dynamischen Last eingelassenen Flüssigkeitsmasse indirekt zu erhöhen; da diese dynamische Last den inneren Querschnitt des Gehäuses nur teilweise schließt, kann die Flüssigkeit vom sogenannten vorderen Hohlraum in den sogenannten hinteren Hohlraum übergehen, wobei sie jedoch entsprechend dem Flächenverhältnis zwischen der freien Oberfläche des von der besagten dynamischen Last gelassenen Kanals und der gesamten Innenfläche des Gehäuses gebremst wird: hierdurch erhält man ein virtuelles Gewicht des Endkegels, das umso höher ist, als das Flächenverhältnis groß ist.
• In einer besonderen Ausführungsart, wenn man einen erfindungsgemäßen Wandler vom Typ Doppel-Tonpilz verwenden will, um ebenfalls mit einem hohen Wirkungsgrad und vorzugsweise um eine Richtebene herum und omnidirektional auf dieser Ebene zu senden, verlängert man das besagte vorstehend definierte starre Gehäuse, welches zylinderförmig in der Achse XX' gestaltet ist und die beiden jeweils mit einem Endkegel verbundenen elektroakustischen Antriebe umschließt, über diese hinaus in der Achse XX'; es werden so zwei Hohlräume gebildet, wobei jeder am Ende mit einer axialen Öffnung vor den Endkegeln versehen ist, und deren Resonanz so bestimmt ist, daß sie dem gewünschten Sende-Frequenzbereich entspricht; anschließend wird der zwischen den beiden besagten Endkegeln liegende, einen mittleren Hohlraum umschließende Teil des Gehäuses komplett geschlossen, und die beiden Endöffnungen des besagten Gehäuses werden jeweils mit einem passiven Strahler abgedichtet.
• So besteht eine der wesentlichen Anwendungen dieser letzteren Ausführungsart in der Möglichkeit, Schallwellen mit hohem Wirkungsgrad in horizontalen Ebenen zu senden und/oder zu empfangen, um die verschiedenen Eigenschaften, in Schichten oder in Scheiben, der Ozeane zu untersuchen, zum Beispiel die Temperatur, die Salzhaltigkeit, die Dichte, die Strömungen usw..., sowohl für das Verständnis der Phänomene als auch ihrer Schwankungen in der Zeit.
• Eine in der Zeitschrift "Pour la Science" Nr. 158 von Dezember 1990, Seiten 66 ff. erschienene und von den Herren Robert SPINDEL und Peter WORCESTER präsentierte Veröffentlichung beschreibt eine solche Anwendung sowie die Ausstattungen und die auf diesem Gebiet bisher erzielten Messungen.
• Hierzu wurde eine Technik, die sogenannte "Akustische Meeres-Tomographie" entwickelt, um ein dreidimensionales Bild der von Schallwellen durchquerten Zone zu erhalten, wie dies im medizinischen Sektor mit Röntgenstrahlen oder in der Geologie der Erdkruste mit seismischen Wellen erfolgt: im Gebiet der Ozeane benutzt man niederfrequente Schallwellen.
• Wenn man die Resonanz der besagten, in dieser Ausführungsart, wie gemäß der Abb. 4 beschrieben, geschaffenen Hohlräume an die Resonanz der Sendefrequenzen mit Hilfe von verschiedenen Ausführungsarten gemäß den anliegenden Abbildungen anpaßt, kann man einen Wirkungsgrad von 90 bis 95% der verbrauchten Leistung erzielen, insbesondere in den niedrigen Frequenzen zwischen 100 und 500 Hz; jedoch ist der Wirkungsgrad auch in den hohen Frequenzen verbessert.
• Wenn man außerdem einen gute Richtwirkung erzielen will, verlängert man das besagte starre Gehäuse, so daß die Gesamtlänge ungefähr der Hälfte, +/-20%, d. h. 0,8 bis 1,2 mal die halbe Wellenlänge der vom Wandler gesendeten Schallwellen entspricht. Je mehr man sich von der exakten halben Wellenlänge entfernt, umso größer sind die in der Achse des Wandlers und nicht in der gewünschten Richtebene gesendeten Sendekeulen, jedoch stellt dieser Sendeverlust in einer unnützen Achse keine bedeutende Leistung dar, wenn man die vorstehend genannten Toleranzen nicht überschreitet.
• Um die gewünschte Resonanz der Hohlräume wie nachstehend näher beschrieben zu erreichen, können diese entweder geschlossene elastische, dichte und mit Gas gefüllte Röhren oder mindestens eine elastische Blase enthalten, welche einen Teil seines Volumens ausfüllt und selbst mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, derenen Kompressibilität höher ist als die der Eintauchflüssigkeit: der Vorteil des Vorhandenseins solcher sogenannten flexiblen Rohre und/oder einer Blase liegt darin, daß ebenfalls der Wirkungsgrad- und der Schwächungsverlust von Frequenzen zwischen den beiden dem Wandler eigenen Resonanzspitzen verringert wird, wobei die eine von der mechanischen Resonanz des gesamten Wandlers und die andere von der seines Hohlraums abhängig ist.
• Hieraus ergeben sich neue Verfahren und Wandler, die mit erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgestattet sein können, für das Aussenden von Schallwellen in einer Flüssigkeit, mit dem Hauptziel, die Sendefrequenz zu senken, ohne das Volumen und das Gewicht von bekannten Wandlern, von denen man die gleichen Endkegel und die gleichen elektroakustischen Antriebe verwendet, zu erhöhen: über diese Zielsetzung hinaus und gemäß der angestrebten Anwendung kann man somit ebenfalls durch das Kombinieren von verschiedenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen wie vorstehend angegeben und nachstehend beschrieben, den akustischen Wirkungsgrad verbessern und eine gewisse Richtwirkung erzielen.
• Man könnte weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung nennen, jedoch sind die vorstehend genannten Merkmale schon ausreichend aussagefähig, um deren Neuartigkeit und Nutzen zu beweisen. Die nachstehende Beschreibung und beiliegenden Abbildungen stellen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, sind jedoch nicht begrenzend: weitere Ausführungen sind möglich, insbesondere durch die Änderung der dynamischen Last, wie als Beispiel punktmäßig links in der Abb. 1 dargestellt.
• Die Abb. 1 stellt einen Axialschnitt eines wie zuvor beschriebenen und nachstehend definierten Wandlers mit einem zentralen, nach außen hin offenen Hohlraum dar, erfindungsgemäß ausgestattet mit einem passiven Strahler.
• Die Abb. 2 ist eine Perspektive eines passiven Strahlers gemäß Abb. 1.
• Die Abb. 3 stellt vergleichende Schalleistungskurven zwischen einem bekannten klassischen Wandler mit Doppel-Tonpilz und einem gleichartigen, mit einem passiven Strahler ausgestatteten Wandler entsprechend der ausgesendeten Frequenz dar.
• Die Abb. 4 stellt einen Axialschnitt einer Wandlerhälfte vom vorstehend angegebenen Typ mit drei Hohlräumen dar, wobei zwei sogenannte vordere Hohlräume jeweils mit einem erfindungsgemäßen passiven Strahler ausgestattet sind.
• Wir beobachten zuerst, daß die vorliegende Erfindung für alle eintauchbaren Wandler, welche mindestens mit einem Endkegel und einer Antriebsachse ausgestattet sind, anwendbar ist, auch wenn in den vor- und nachstehend vorgestellten Beispielen der Einfachheit halber und aufgrund der Tatsache, daß es sich um die Hauptanwendungen der Erfindung handelt, nur mit elektroakustischen Antrieben gekuppelte Endkegel von Wandlern vom Typ Doppel-Tonpilz mit zylindrischer Umdrehung beschrieben werden.
• Der in dieser Abb. 1 im Schnitt dargestellte Wandler ist nach schon bekannter Art mit zwei fluchtend auf einer Achse XX' angeordneten elektroakustischen Antrieben 1 ausgestattet, welche beiderseits einer zentralen Gegenmasse 2 und koaxial im Inneren eines zylindrischen Gehäuses 5 angebracht sind; dieses Gehäuse kann als Außengehäuse bezeichnet werden, denn es umhüllt beide Antriebssysteme 1 bis zu deren Endkegeln 3, wobei der so von den besagten Endkegeln und dem besagten Gehäuse begrenzte Hohlraum 7 mit der Flüssigkeit 4, in welche das Wandlersystem eingetaucht ist, z. B. Meerwasser, gefüllt ist.
• Die besagten elektroakustischen Antriebe 1 und die Zwischenmasse 2 sind einerseits mit einem Vorspannungsstift 9 zusammengehalten und blockieren ebenfalls durch jegliches Assemblierungsmittel die beiden Endkegel 3 auf den Enden der so gebildeten Antriebsachse, und andererseits anhand von verschiedenen Verbindungsteilen 11 zusammengefügt, welche ihrerseits mittels verschiedener Befestigungselemente 12 am Außengehäuse 5 verbunden sind. Die verschiedenen Befestigungsmittel sind so ausgeführt, daß sie die Bewegungsfreiheit der auf Seite der Endkegel 3 liegenden Enden der elektroakustischen Antriebe, welche mit ihnen verbunden sind, ermöglichen und deren periphere Außenkante 16, welche nicht verbunden und von der Innenwand des Gehäuses 5 unabhängig ist, folglich frei schwingen kann und so das totale Aussenden von Schallwellen in das umgebende Medium gewährleistet.
• Eine Innenhülse 13 isoliert den Vorspannungsstift der besagten Antriebe 1, und ein äußerer Dichtungsmantel 8 gewährleistet die Isolation dieser Antriebe 1 und der Endkegel 3 gegenüber dem umgebenden Medium 4.
• Die Versorgung der besagten elektroakustischen Antriebe 1 erfolgt über ein Zuführungskabel 10, welches anhand einer elektrischen Verbindung 14 auf den besagten Verbindungsteilen befestigt ist. Die Ausführung eines solchen Wandlers sowie die verschiedenen ihn bildenden Verbindungsteile sind von bekannter Art und können von jedem Fachmann realisiert werden: alle anderen Elemente, welche es insbesondere ermöglichen, die in der Einleitung genannte Helmholtzsche Resonanzfrequenz des Hohlraums zu erzielen, sowie die verschiedenen Verbindungsstücke, welche die Verbesserung der mechanischen Ausführung des Systems ermöglichen, sind hier nicht dargestellt; einige sind Gegenstand verschiedener anderer Patentanträge, wie z. B. insbesondere die in der Einleitung genannten Elemente für die in der Abb. 4 dargestellten sogenannten flexiblen Rohre.
• Um das Füllen des Hohlraums 7 mit der besagten Flüssigkeit 4 zu ermöglichen, ist das besagte Außengehäuse 5 mit mindestens einer Öffnung 6 für die Kommunikation mit der Außenumgebung versehen, wobei diese Öffnung durch um den zylindrischen Teil des Gehäuses herum verteilte Löcher oder sogar durch eine komplette kreisförmige Umfangsöffnung gebildet werden kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die besagte Öffnung 6, auch Luftloch genannt, von einem aus einer oder mehreren massiven Platte(n) einer Dicke "L", deren Material eine höhere Dichte hat als die besagte Flüssigkeit 4, gebildeten passiven Strahler 15 verschlossen, welcher mit einem elastischen Material 23 an der Peripherie der besagten Öffnung oder Luftloch aufgehängt ist; diese den besagten passiven Strahler 15 bildende Platte oder Platten nehmen vorzugsweise die Form der Öffnung 6, 20, welche sie schließen, sowie die Form des Gehäuses 5, dessen Oberflächenfortführung sie gewährleisten, an. Das Material der Platten des besagten passiven Strahlers 15 kann ein Metall wie Bronze, Aluminium oder Stahl usw. sein: wenn man so die Schallmasse des so geschlossenen Halses der Öffnung 20 in einem Verhältnis einer Größenordnung von acht erhöht, senkt man die Resonanzfrequenz des Hohlraums wie in der Abb. 3 dargestellt und entsprechend der so erzielten gleichwertigen Schallmasse; man kann ebenfalls den Bereich dieser Resonanzfrequenz erweitern.
• Da diese Schallmasse vom Produkt der Dichte des Materials, multipliziert mit der Höhe des Halses der Öffnung, d. h. in der vorliegenden Erfindung der Dicke "L" der den passiven Strahler 15 bildenden Platten, und geteilt durch die Gesamtfläche der Öffnung 20, bestimmt wird, erhält man, wenn man die Dichte des Materials erhöht, ohne die Abmessungen der Öffnung zu ändern, eine größere Schallmasse; ebenso, wenn man für eine gleiche Schallmasse die Dichte erhöht, erhöht man die Strahlungsfläche dieser Öffnung und folglich die Impedanz der Schallabstrahlung.
• Wenn diese Öffnung 6 entsprechend dem in der Abb. 1 dargestellten Wandler peripher und kontinuierlich ist, besteht der besagte passive Strahler 15 aus mehreren Platten oder unabhängigen, durch elastische Verbindungen 17 miteinander verbundenden Segmente, wie auf der Abb. 2 in Perspektive dargestellt, in welcher die Gesamtfläche der zylinderförmigen Öffnung 6 cylindrique de révolution von acht Segmenten 16 geschlossen ist.
• Außerdem kann der besagte Wandler, wie punktmäßig links in der Abb. 1 dargestellt, hinter jedem Endkegel 3 und im Inneren des Gehäuses 5 mit einer mit jedem Endkegel verbundenen dynamischen Last 22 ausgestattet sein, welche mit dem besagten Gehäuse 5 solidarisch ist und dessen inneren Querschnitt teilweise schließt, wobei der innere Hohlraum 7 in zwei Abschnitte, d. h. in einen hinteren Abschnitt 7&sub1; und einen vorderen Abschnitt 7&sub2;, welche ineinander übergehen, getrennt wird: in der Darstellung der Abb. 1 entspricht dies einer Trennung des gesamten inneren Hohlraums des Gehäuses in drei Hohlräume, wovon nur ein zentraler hinterer Hohlraum 7&sub1; in der Mitte liegt und zwei sogenannte " vordere " Hohlräume 7&sub2; jeweils hinter jedem der beiden Endkegel 3 liegen.
• Gemäß der Darstellung der dynamischen Last links in der Abbildung besteht diese aus einer massiven Wandung 27, welche die Form der Innenfläche der Wandung des Gehäuses 5, mit welcher sie solidarisch ist, annimmt und die Antriebsachse 1 umschließt; sie weist mindestens eine Öffnung 26 als Durchlaβ für diese Antriebsachse auf. Diese Öffnung trägt eine Röhre 28, welche sich im Verhältnis zum Endkegel 3 bis zum hinteren Teil der Wandung 27 ausstreckt und um die besagte Antriebsachse 1 einen freien peripheren Durchlaß läßt.
• Weitere Ausführungen mit anderen Röhren und auf der besagten Trennwand 27 um die Antriebsachse 1 angeordneten Öffnungen sind möglich. Besonders in dieser Ausführungsart muß der Abstand "e" zwischen der peripheren äußeren Kante der Endkegel 3 und der inneren Wandung des Gehäuses so klein wie möglich und auf jeden Fall kleiner als 1 mm sein, und vorzugsweise einige Zehntel Millimeter betragen, so daß dieser Abstand bei Schwingungen nur einen geringen Flüssigkeitsausfluß aus dem Hohlraum 7&sub2; nach außen ermöglicht, wobei diese Flüssigkeit hauptsächlich die dynamische Last 22 beansprucht, um so das Gewicht des Endkegels 3 virtuell zu erhöhen und folglich bei gleichem Gewicht und gleichem Volumen dieses Endkegels seine Sendefrequenz für eine gleiche Leistungsaufnahme zu senken.
• In der Abb. 3 ist eine Kennlinie 24 für das Aussenden der Schalleistung eines bekannten Wandlers wie in Abb. 1 mit einem erfindungsgemäßen passiven Strahler dargestellt, wohingegen die Kennlinie 25 denselben Wandler, jedoch ohne den besagten passiven Strahler darstellt, wobei die besagten Sendeleistungen im Vergleich zu den Frequenzen in Hertz angegeben sind: hierbei beobachtet man, daß die Grund-Resonanzfrequenz von ca. 580 Hz um mehr als 100 Hz bei einer gleichen Sendeleistung gesenkt wird. Dies wurde selbstverständlich unter Anwendung eines gegebenen Wandlertyps gemessen, jedoch würde man mit anderen Wandlern gleichwertige Ergebnisse erzielen, immer mit dem gleichen Unterschied zwischen der Verringerung der Resonanzfrequenz und der Sendefrequenz.
• In einer anderen Ausführungsart ist der wie im Schnitt in der Abb. 4 dargestellte electroakustische, eintauchbare Wandler auf bekannte Weise, wie der Wandler der Abb. 1, mit zwei elektroakustischen Antriebe 1 ausgestattet, welche gemäß einer Achse XX' und beidseits einer zentralen Gegenmasse 2 und koaxial im Inneren eines starren, zylinderförmigen Gehäuses 5 derselben Achse XX', welches die beiden besagten Antriebe 1 bis zu deren Endkegeln 3 abdeckt und selbst an seinen beiden Enden offen ist, angeordnet sind; der so zwischen und hinter den besagten Endkegeln und vom Gehäuse selbst begrenzte Hohlraum 7 steht nur über die ringförmigen Zwischenräume "e" zwischen der Innenform des besagten starren Gehäuses 5 und den peripheren Kanten der Enden der Endkegel 3 in Verbindung mit der äußeren Eintauchflüssigkeit 10: dieser Zwischenraum "e" muß so klein wie möglich sein, d. h. weniger als 0,5 mm, um ein Pumpen der Flüssigkeit zwischen dem Vorderteil und dem Hinterteil der besagten Endkegel zu vermeiden, wie im Beispiel der Abb. 1 mit der dynamischen Last 27, obwohl dieser Abstand im vorliegenden Beispiel weniger kritisch ist. Außer den für den Versorgungsdurchlaß 10 und für die äußeren Befestigungen 21 notwendigen Löcher, welche zum Vermeiden jeglichen Schallverlustes geschlossen und mit Dichtungen versehen sind, weist das Gehäuse keine weiteren Durchlässe oder Öffnungen auf.
• Entsprechend dieser Ausführungsart reicht das besagte starre Gehäuse 5 in seiner Achse XX' über die beiden Endkegel 3 hinaus und bildet mit diesen zwei Hohlräume 19, deren Resonanz der gewünschten Sendefrequenz entspricht.
• Hierzu können die besagten Hohlräume 16 geschlossene, dichte und mit Gas gefüllte elastische Rohre 18, auch flexible Rohre genannt, enthalten, wie sie im Patentantrag FR. 2.665.998 vom 5. Mai 1988 beschrieben sind.
• Um weiterhin eine bessere Abstimmung der Resonanz der Hohlräume mit der gewünschten Sendefrequenz zu ermöglichen hat die Öffnung 20 der besagten Hohlräume nach außen einen kleineren Durchmesser d als der innere Durchmesser D des starren Gehäuses 5: es muß also ein dimensionaler Kompromiß zwischen der Gesamtabmessung des Hohlraums, den flexiblen Rohren oder den wie nachstehend beschriebenen anderen Vorrichtungen, und dem Durchmesser dieser Öffnung gefunden werden.
• In einer Ausführungsart kann der besagte Hohlraum 7 im Inneren des besagten Gehäuses 5, welcher sich zwischen den beiden Endkegeln 3 befindet und die besagten elektroakustischen Antriebe 1 enthält, ebenfalls geschlossene, dichte und mit Gas gefüllte elastische Rohre 18, sogenannte flexible Rohre, umschließen.
• Die Anfertigung eines solchen Wandlers und der verschiedenen diesen Wandler bildenden Bestandteile liegt in einem bekannten Bereich und kann von jedem Fachmann durchgeführt werden, ohne daß weitere Einzelheiten erforderlich sind, wie zum Beispiel insbesondere in Bezug auf die Befestigungen, die flexiblen Rohre und die verschiedenen Verbindungsteile zwischen den verschiedenen Elementen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede Öffnung 20 oder axiale Endöffnung oder Luftloch der besagten vorderen Hohlräume 19 von einem passiven Strahler 15, bestehend aus einer Platte aus einem Material, dessen Dichte höher ist als das Medium 4, verschlossen: wie vorstehend angegeben kann es sich um ein Metallteil aus Stahl oder Aluminiumbronze handeln; diese Platte wird an der Peripherie der Öffnung oder des Luftlochs anhand einer elastischen Aufhängung 23 angebracht und kann eine gewölbte Form aufweisen.
• Um eine größere Eintauchtiefe dieses Wandlers zu ermöglichen, können die besagten flexiblen Rohre 18 in irgendeinem Hohlraum 7, 19 durch mindestens eine elastische Blase ersetzt werden, welche mindestens einen Teil, wenn nicht das gesamte Volumen des betroffenen Hohlraums ausfüllt und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, welche eine höhere Kompressibilität aufweist als die Umgebungsflüssigkeit 4: dies gilt entweder für den Hohlraum 7 oder für die Endhohlräume 19, oder aber für alle besagten Hohlräume.
• Aufgrund des Vorhandenseins der akustischen Antriebe 1 und der verschiedenen Assemblierteile 12 und des Versorgungskabels 10 kann der mittlere Hohlraum 7 vorzugsweise:
• - mehrere unabhängige Blasen, welche durch die Öffnungen in das Gehäuse 5 geschoben werden, nachdem sie vorzugsweise gefüllt wurden; die besagten Öffnungen müssen anschließend wieder geschlossen werden, um die Kontinuität des starren Außengehäuses 5 im Bereich dieses zentralen Hohlraums 7 zu gewährleisten;
• - oder eine einzige Membran, welche mindestens einen Teil, wenn nicht die gesamte Innenfläche des Hohlraums 7 des Wandlers einnimmt und beispielsweise aus einer Haut aus Elastomermaterial besteht; diese Membran wird anschließend mit der besagten Flüssigkeit gefüllt, wobei die Schwierigkeit darin besteht, das Füllen ohne restliche Luftblasen durchzuführen, welche die Wirksamkeit einer solchen Vorrichtung in der Tiefe beeinträchtigen würden, enthalten.
• Die die von der Haut der besagten Blasen abgegrenzten Volumen füllende Flüssigkeit muß den Hohlraum bestens und vorzugsweise fast vollständig füllen, denn das Volumen muß größer sein als das Volumen der dargestellten und vorstehend beschriebenen flexiblen Rohre 18, so daß Kompressibilitätseigenschaften erreicht werden, welche gleichwertig sind mit denen der besagten Rohre, wie sie bis heute in anderen Wandlertypen eingesetzt werden.
• Hierzu muß die Kompressibilität der besagten Flüssigkeit unter 109 N/m² liegen, definiert vom Produkt ihrer spezifischen Masse Pf mit dem Quadrat der Geschwindigkeit der Schallausbreitung in der Flüssigkeit Cf.
• Um den Wert der globalen Dehnbarkeit des Hohlraums zu erhalten, benötigt man:
• · Volumen des Hohlraums 6 oder 16 = Volumen der Flüssigkeit + Volumen des Restwassers 10, welches im entsprechenden Hohlraum bestehen kann,
• · Globale Dehnbarkeit des Systems = (Volumen der Flüssigkeit/ Pf · Cf der Flüssigkeit) + (Volumen des Wassers / 2,22 · 109).
• Vorzugsweise wählt man eine Flüssigkeit der Familie der vollständig fluorierten organischen Verbindungen vom Type C8H18; außerdem darf die Viskosität nicht zu hoch, d. h. niedriger als die des Wassers sein, vorzugsweise niedriger als 6,5 · 10&supmin;&sup7; m² pro Sekunde, welches der Viskosität von Silikonöl entspricht.

Claims (10)

1. Verfahren zum Aussenden von niederfrequenten Schallwellen in einer Flüssigkeit (4) mittels eines Wandlers, der mindestens mit einem mit dem Ende einer Antriebsachse (1) solidarischen Endkegel (3), einem starren Gehäuse (5), welches den besagten Endkegel umschließt und mit diesem mindestens einen Hohlraum (7, 19) abgrenzt, welcher über mindestens eine Öffnung (6, 20) mit der besagten äußeren Flüssigkeit (4) in Verbindung steht, welche diesen so ebenfalls füllen kann, mit vorbestimmten Abmessungen und äußerem Volumen, wobei dieser Wandler in einem gegebenen Frequenzbereich und bei einer gegebenen elektroakustischen Leistung Wellen überträgt, dadurch gekennzeichnet, daß:

- man die besagte Öffnung (6, 20) mit einem aus einem Material, dessen Dichte größer ist als die besagte Flüssigkeit (4), bestehenden passiven Strahler (15) schließt;

- man diesen besagten passiven Strahler (15) an der Peripherie der besagten Öffnung (6, 20) mit einem elastischen Material (23) aufhängt;

- die Schallwellen zu niedrigeren Frequenzen als die Frequenzen des ursprünglich gegebenen Frequenzbereichs und höchstens mit dem gleichen Leistungsverbrauch gesendet werden.

2. Verfahren zum Aussenden von Schallwellen gemäß Patentanspruch 1 mit einem Wandler, dessen starres und zylinderförmiges Gehäuse (5), Achse XX', zwei Endkegel (3) umschließt und zwei elektroakustische Antriebe (1) enthält, welche jeweils einem Endkegel zugeordnet sind, identisch und koaxial beidseitig einer zentralen Gegenmasse (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- man das besagte starre Gehäuse (5) in der Axe XX' über die beiden Endkegel (3) hinaus verlängert und somit zwei Hohlräume (19) bildet, wobei jeder Hohlraum eine axiale Endöffnung (20) aufweist und die Resonanz so bestimmt ist, daβ sie dem gewünschten Sendefrequenzbereich entspricht;

- man den zwischen den beiden besagten Endkegeln liegenden und einen zentralen Hohlraum (7) umschließenden Teil des Gehäuses vollständig schließt;

- man die beiden Endöffnungen (20) des besagten Gehäuses (2) mit einem passiven Strahler (15) abdichtet.

3. Verfahren zum Aussenden von Schallwellen gemäß Patentanspruch 1 mit einem Wandler (2), dessen starres und zylinderförmiges Gehäuse (5), Achse XX', zwei Endkegel (3) umschließt und zwei elektroakustische Antriebe (1) enthält, welche jeweils einem Endkegel zugeordnet sind, identisch und koaxial beidseitig einer zentralen Gegenmasse (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

- man die Wand des Gehäuses (5) zwischen den beiden besagten Endkegeln mit einer peripheren Öffnung versieht, welche eine der Kommunikationsöffnungen zwischen der besagten äußeren Flüssigkeit (4) und dem zwischen diesen Endkegeln liegenden inneren Hohlraum (7) bildet;

- man diese Öffnung mit einem aus mehreren unabhängigen, durch elastische Verbindungen (17) miteinander verbundenen Segmenten (16) bestehenden passiven Strahler (15)abdichtet.

4. Vorrichtung zum Senken der Resonanzfrequenz der Hohlräume der eintauchbaren Wandler mit mindestens einem mit dem Ende einer Antriebsachse (1) fest verbundenen Endkegel (3), einem starren, hohlen Gehäuse (5), welches den besagten Endkegel umschließt und mit diesem mindestens einen Hohlraum (7, 19) abgrenzt, der über mindestens eine Öffnung (6, 20) mit der besagten äußeren Flüssigkeit (4), welche den besagten Hohlraum füllt, in Verbindung steht, und dessen Abmessungen und Außenvolumen vorbestimmt sind; dieser Wandler überträgt Wellen in einem gegebenen Frequenzbereich und mit einer gegebenen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einem passiven Strahler (15) aus einem Material, dessen Dichte größer ist als die der besagten Flüssigkeit (4), ausgestattet ist, welcher die besagte Öffnung (6, 20) abdichtet und an der Peripherie der Kante der besagten Öffnung (6, 20) mit einem elastischen Material (23) aufgehängt ist.

5. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gehäuse (5) zylinderförmig in der Achse XX' ist und zwei identische elektroakustische Antriebe (1) umschließt, welche koaxial in diesem Gehäuse beidseitig einer zentralen Gegenmasse (2) angeordnet sind, und deren gegenüberliegenden Enden jeweils von einem Endkegel (3) umschlossen sind; dieses Gehäuse (5) weist zwischen den beiden besagten Endkegeln (3) eine periphere Öffnung (6) auf, welche zur Kommunikation zwischen dem inneren Hohlraum (7) und der äußeren Flüssigkeit (4) dient, wobei die besagte Öffnung von einem aus mehreren unabhängigen, durch elastische Verbindungen (17) miteinander verbundenen Segmenten (16) gebildeten passiven Strahler (15) abgedichtet wird.

6. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der besagte Wandler hinter dem besagten Endkegel (3) und im Gehäuseinneren (5) eine mit diesem fest verbundene dynamische Last (22) enthält, welche seinen inneren Querschnitt teilweise schließt und den inneren Hohlraum (7) in zwei ineinander übergehende Teile, hinten (7&sub1;) und vorne (7&sub2;), trennt.

7. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte dynamische Last (22) von einer massiven Wand (27), welche die Form der Innenfläche des Gehäuses (5), mit welcher sie fest verbunden ist, annimmt, gebildet wird; diese Wand umschließt die Antriebsachse (1) und ist mit mindestens einer Öffnung (26) versehen, durch welche diese durchgelassen wird; diese Öffnung enthält eine Röhre (28), welche im Verhältnis zum Endkegel (3) hinter der Wand (27) verläuft und um die besagte Antriebsachse (1) einen freien peripheren Durchlaß bietet.

8. Vorrichtung gemäß Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das besagte Gehäuse (5) zylinderförmig in der Achse XX' ist und zwei identische elektroakustische Antriebe (1) umschließt, welche koaxial in diesem Gehäuse beidseitig einer zentralen Gegenmasse (2) angeordnet sind, und deren gegenüberliegenden Enden jeweils von einem Endkegel (3) umschlossen sind; dieses starre Gehäuse (5) geht in der Achse XX' über die beiden Endkegel (3) hinaus und bildet mit diesen zwei Hohlräume (19), deren Resonanz der gewünschten Sendefrequenz entspricht, wobei jeder Hohlraum eine jeweils von einem passiven Strahler (15) abgedichtete axiale Endöffnung (20) aufweist.

9. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Patentansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Endkegeln (3) und dem Gehäuse (5) abgegrenzten Hohlräume (7, 19) mit elastischen, geschlossenen, dichten und mit Gas gefüllten Rohren (18) ausgestattet sind.

10. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Patentansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Hohlräume (7, 19) jeweils mindestens eine Blase umschließen, welche mindestens einen Teil des Volumens des Hohlraums, der sie enthält, füllt und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, deren Kompressibilität größer ist als die Eintauchflüssigkeit (4).