EP1033179B1 - Elektroakustische Wandleranordnung - Google Patents

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EP1033179B1
EP1033179B1 EP19990123728 EP99123728A EP1033179B1 EP 1033179 B1 EP1033179 B1 EP 1033179B1 EP 19990123728 EP19990123728 EP 19990123728 EP 99123728 A EP99123728 A EP 99123728A EP 1033179 B1 EP1033179 B1 EP 1033179B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducer
mass
arrangement according
transducer arrangement
ceramic body
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP19990123728
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1033179A3 (de
EP1033179A2 (de
Inventor
Rainer Busch
Klaus Dettmar
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Atlas Elektronik GmbH
Original Assignee
Atlas Elektronik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Atlas Elektronik GmbH filed Critical Atlas Elektronik GmbH
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Publication of EP1033179A3 publication Critical patent/EP1033179A3/de
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Publication of EP1033179B1 publication Critical patent/EP1033179B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
    • B06B1/0618—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer arrangement for transmitting and / or receiving sound waves of the type mentioned in the preamble of claim 1.
  • Electroacoustic transducer assemblies are mounted for active and / or passive acoustic location of sound sources in water on cylindrical or horseshoe-shaped, planar or curved supports and form a cylinder base, a horseshoe base, a conformal array, in which the carrier follows the outer shape of the carrier ship, a flat Base or a side antenna, a so-called flank array.
  • the location range of the electro-acoustic transducer assembly is dependent on the geometric shape of the carrier, it is 360 ° for a cylinder base and is a restricted sector for a conformal array arranged in the ship's bow.
  • the plane base or side antenna covers a range of nearly 180 ° when transmitting and / or receiving sound waves.
  • the transducer elements are mounted on the carrier so that vibrations and / or longitudinal and bending vibrations of the carrier are not transmitted to the transducer element.
  • Transducer elements with a clay mushroom structure are preferably used in the waterborne sounding technique for transmitting, but also for receiving sound waves.
  • the transducer element is a mechanical resonant circuit having a front mass, a back mass and an interposed oscillating ceramic body which acts as a spring.
  • the front mass is coupled to the water and transmits the vibrations of the ceramic body to the surrounding water and vice versa. Its resonance frequency depends on the front and back mass and the suspension of the ceramic body.
  • the advantage of such a transducer element is a very good efficiency in resonance mode.
  • the transducer elements are housed individually or collectively in a housing with cavity and mounted with the housing on the support of the transducer assembly.
  • From the DE-PS 31 07 879 is a transducer assembly with many transducer elements in a common housing in which the ceramic bodies oscillate with front and back mass in a cylindrical cavity.
  • the back mass of each Transducer element is mounted on a plastic base plate via an intermediate disc of epoxy resin whose diameter is substantially smaller than the diameter of the back mass.
  • the washer ensures structure-borne noise decoupling.
  • the front masses of all transducer elements are glued on a common syntactic foam piston membrane, which is mounted vibrationally in the housing. Piston diaphragm and housing are surrounded by a waterproof potting compound.
  • the advantage of such a transducer arrangement consists in the common housing, whereby the weight is substantially reduced, the disadvantage in the attachment and storage for structure-borne sound decoupling.
  • the washers used there act as a spring, which must be dimensioned so that the vibration behavior of the transducer elements is not affected. In addition, they are prone to failure due to their small diameter and the required soft suspension.
  • a known sonar transducer may selectively or simultaneously transmit and / or receive sound waves at a low and a higher frequency range.
  • the transducer has a low-frequency transducer of Tonpilzdesign with a low-frequency ceramic body, a low-frequency back mass and a front mass, which is firmly connected to a cap-shaped housing piston, the front side engages over a housing and is axially displaceable on this.
  • the transducer has several high frequency transducers in the tone mushroom design. Each high-frequency converter has its own ceramic body and its own front mass, which is connected to the housing piston. The back mass is common to all high-frequency converters and is formed by the front ground of the low-frequency converter.
  • the low-frequency converter and the high-frequency transducer receiving housing is by means of mounting bolts on a Support structure rigidly attached.
  • the back mass of the low-frequency converter is resiliently fixed to the housing wall, so that the back mass oscillates with a much smaller amplitude. As a result, relatively little energy is absorbed by the support structure.
  • a well-known transducer with clay mushroom structure ( US 4,068,209 ) has a front mass, a back mass and a ceramic body clamped between them, which is formed by a stack of piezoelectric disks, and has means for decoupling the front mass and for forming a housing, which does not actually with the active front side of the front mass includes.
  • These means comprise a plurality of hollow cylinders and an inertial mass.
  • the diametrically identical hollow cylinder are set axially on each other and enclose the ceramic body with radial clearance.
  • the two outer, annular end faces of the front side mutually superposed hollow cylinders are on the one hand to the back of the front mass and on the other hand to the front mass facing side of the inertial mass.
  • the piezoelectric ceramic discs of the ceramic body are pushed onto a rod attached to the front mass and clamped between the front mass and the back mass.
  • the rod passes through the inertial mass.
  • a screwed onto the rod nut is supported on a washer on the inertial mass and axially biases the ceramic body.
  • a known, structure-sound damping composite system ( DE 38 20 491 A1 ) has a bending wave leading, an intimately associated with the wall intermediate layer and a rigid cover layer.
  • the intermediate layer is made of a damping material, which converts the shear forces caused by bending vibrations into heat.
  • the cover layer consists of a finishing layer of aluminum and a shear-resistant layer containing a plastic mixture of epoxy resin with glass beads. Between the cover layer and the wall there is a thin layer of polyurethane mixed with mica and glass microspheres.
  • a known composite system used for the same purpose ( DE 36 21 318 A1 ) has an intimately connected to the bending wave-guiding wall damping layer, which is composed of at least one layer of damping material with high internal loss factor and at least one layer in the form of a fiber mat with at least in the propagation direction of the bending waves high tensile strength.
  • the damping material viscoelastic material is used which is easy to apply to a body wall of any shape.
  • the invention has for its object to improve a structure-decoupled transducer assembly from a plurality of trained as clay mushrooms with common back mass transducer elements so that the transducer elements do not influence each other in their vibration behavior.
  • the transducer assembly according to the invention has the advantage that the oscillations of the individual ceramic bodies of the transducer elements do not propagate in the back mass and thus do not reach the ceramic bodies of the other transducer elements and trigger a vibration overlay there by the bending wave damping and / or absorbing structure of all transducer elements common back mass can.
  • bending shaft absorber structure of the back mass thus influence the transducer elements not in their mutual vibration behavior, but behave the transducer elements despite their common back mass as individually constructed clay fungi with conventional front and back mass.
  • the inventive construction of the back mass in a technically simple manner and without additional measures a Körerschallentkopplung the transducer assembly with respect to the carrier on which the transducer assembly is fixed, achieved because of the damping or absorption behavior of the back mass vibrations of the carrier not on the Ceramic body and the front masses of the transducer elements are transmitted.
  • the thickness of the two metal plates and their intermediate layer of damping material determines the thickness of the back mass and is so small that the entire transducer assembly can be fixed, for example, with eight transducer elements on a cylinder base as a stave at the same footprint, as in a classical assembly with clay mushrooms in individual cases.
  • the complete elastomer encapsulation is adapted to the wave impedance of the water and allows a freely selectable outer shape of the transducer assembly, so that a flush juxtaposed compact design of individual transducer assemblies in a row or surface can be realized.
  • a cavity with seal is unnecessary because the ceramic body have a vibratory encapsulation. Due to the elastic encapsulation of the ceramic bodies, the bandwidth of the transmitted and / or received sound waves is also adapted to the locating task, since the resonance curve is widened by the encircling, and suppresses a propagation of modes in the transverse direction.
  • the bending wave and structure-borne noise-absorbing intermediate layer is produced according to an advantageous embodiment of the invention made of elastic or viscoelastic material.
  • the manufacturing process is particularly cost-saving and easy.
  • On one of the metal plates Schallschluckschreibzugsmasse or Entdröhnungsstoff is troweled, which forms a constrained lining together with the other metal plate.
  • damping material are also other absorbers in waterborne sound Usual materials can be used with advantage, such as rubber, Teroson, hard pressboard or damping foil.
  • the back mass is not only optimally dimensioned according to the acoustic conditions, but also adapted to the space available by the wearer and a robust attachment of the tie rods of the transducer elements on the side facing away from the carrier of the back mass according to claim 4 allowed.
  • the distances of the same constructed ceramic body and front masses corresponding to half the wavelength of their resonant frequency determines their number on the back mass, the extent of the transducer assembly or the Staves and thus the bundling of their directivity.
  • a transducer arrangement with ceramic bodies of different height and / or suspension and / or front mass in non-equidistant arrangement on the common back mass has the advantage of broadband.
  • the radiation resistance must be adapted to the effective resistance of the transducer elements.
  • the radiation resistance depends on the mass ratio of all front masses to the common back mass. As a material for the front masses aluminum is particularly favorable and a mass ratio of more than 1: 3 to achieve.
  • the advantage of the development according to the invention according to claim 9 consists in a cascading arrangement of, for example, four assembled via sockets and plug transducer assemblies with two integrated transducer elements, for example, are arranged one above the other and form a stave a cylinder base.
  • the invention is described in more detail with reference to an embodiment of an electro-acoustic transducer assembly for transmitting and / or receiving sound waves with transducer elements in the manner of a clay mushroom in the drawing.
  • a back mass 10 two transducer elements 11, 12 are mounted with their piezoelectric ceramic body 13, 13 'and their front mass 14, 14' made of aluminum with a tie rod 15 under bias.
  • Each ceramic body 13, 13 ' consists of a stack of ceramic discs 13.1, 13.2, ..., 13.n with center hole through which the tie rod 15 is inserted for mounting and is screwed into a metal plate 101 of the back mass 10.
  • the back mass 10 has a bending wave absorber structure.
  • the ceramic body 13 has an encapsulation 16 made of silicone gel.
  • the front mass 14, 14 has the shape of a metal cylinder 142 with subsequent truncated cone 141, which tapers conically and connects flush with its tip to the ceramic body 13.
  • a waterproof full encapsulation 17 of polyurethane surrounds the transducer assembly and gives it the outer shape. Means for attaching the transducer assembly to its back on a support are not shown because they can be integrated into the full enclosure 17 individually for each support.
  • a plug 18 and a socket 19 which is wired to leads for the transducer elements 11, 12 are.
  • Their number of contacts depends on the application of the transducer assembly. Eight contacts are needed for a tower configuration with four converter arrangements and two converter elements which are plugged one above the other via plug and socket, for transmitting and / or receiving signals of each converter element.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
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  • Diaphragms For Electromechanical Transducers (AREA)
  • Audible-Bandwidth Dynamoelectric Transducers Other Than Pickups (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Wandleranordnung zum Senden und/oder Empfangen von Schallwellen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.
  • Elektroakustische Wandleranordnungen sind zur aktiven und/oder passiven akustischen Ortung von Schallquellen im Wasser auf zylinderförmigen oder hufeisenförmigen, ebenen oder gewölbten Trägern befestigt und bilden eine Zylinderbasis, eine Hufeisenbasis, ein Conformal Array, bei dem der Träger der äußeren Form des Trägerschiffs folgt, eine ebene Basis oder eine Seitenantenne, ein sog. Flank-Array. Der Ortungsbereich der elektroakustischen Wandleranordnung ist abhängig von der geometrischen Form des Trägers, er beträgt bei einer Zylinderbasis 360° und ist bei einem Conformal Array, das im Schiffsbug angeordnet ist, ein eingeschränkter Sektor. Mit der ebenen Basis oder der Seitenantenne wird ein Bereich von nahezu 180° beim Senden und/oder Empfangen von Schallwellen abgedeckt.
  • Die Wandlerelemente werden auf dem Träger so montiert, dass Vibrationen und/oder Längs- und Biegeschwingungen des Trägers nicht auf das Wandlerelement übertragen werden.
  • Wandlerelemente mit Tonpilzaufbau werden in der Wasserschalltechnik vorzugsweise zum Senden, aber auch zum Empfangen von Schallwellen verwendet. Das Wandlerelement ist ein mechanischer Schwingkreis mit einer Frontmasse, einer Rückmasse und einem dazwischen angeordneten, schwingenden Keramikkörper, der als Feder wirkt. Die Frontmasse ist an das Wasser angekoppelt und überträgt die Schwingungen des Keramikkörpers an das umgebende Wasser und umgekehrt. Seine Resonanzfrequenz ist abhängig von Front- und Rückmasse und der Federung des Keramikkörpers. Der Vorteil eines solchen Wandlerelements besteht in einem sehr guten Wirkungsgrad im Resonanzbetrieb. Die Wandlerelemente sind einzeln oder gemeinsam in einem Gehäuse mit Hohlraum untergebracht und mit dem Gehäuse auf den Träger der Wandleranordnung montiert.
  • Zur Körperschallentkopplung zwischen Wandlerelement und Gehäuse bzw. Träger werden in der DE 17 62 258 C3 Front- und Rückmasse zwischen zwei Federelementen im Gehäuse gehalten. Ihre Federungen und die Front- und Rückmasse sind so dimensioniert, dass eine Körperschallentkopplung zwischen Wandlerelement und Gehäuse erzielt wird, so dass das Gehäuse kraftschlüssig auf dem Träger befestigt werden kann. Der Vorteil einer solchen Wandleranordnung besteht in der robusten Befestigung des Gehäuses, der Nachteil in der Vielzahl der Gehäuse, da jedes einzelne Wandlerelement ein eigenes Gehäuse benötigt, wodurch die gesamte Wandleranordnung ein hohes Eigengewicht erreicht. Außerdem ist von Nachteil, dass jedes einzelne Gehäuse maßhaltig auf dem Träger montiert werden muss, so dass der Fertigungsaufwand sehr hoch ist.
  • Aus der DE-PS 31 07 879 ist eine Wandleranordnung mit vielen Wandlerelementen in einem gemeinsamen Gehäuse bekannt, bei dem die Keramikkörper mit Front- und Rückmasse in einem zylindrischen Hohlraum schwingen. Die Rückmasse jedes Wandlerelements ist über eine Zwischenscheibe aus Epoxydharz, deren Durchmesser wesentlich kleiner als der Durchmesser der Rückmasse ist, auf einer Grundplatte aus Kunststoff befestigt. Die Zwischenscheibe sorgt für eine Körperschallentkopplung. Die Frontmassen aller Wandlerelemente sind auf eine gemeinsame Kolbenmembran aus syntaktischem Schaum geklebt, die schwingungsfähig im Gehäuse gelagert ist. Kolbenmembran und Gehäuse sind mit einer wasserdichten Vergussmasse umgeben. Der Vorteil einer solchen Wandleranordnung besteht in dem gemeinsamen Gehäuse, wodurch das Gewicht wesentlich reduziert wird, der Nachteil in der Befestigung und Lagerung zur Körperschallentkopplung. Die dort verwendeten Zwischenscheiben wirken als Feder, die so dimensioniert werden müssen, dass das Schwingverhalten der Wandlerelemente nicht beeinflusst wird. Außerdem sind sie aufgrund ihres geringen Durchmessers und der geforderten weichen Federung störanfällig.
  • Ein bekannter Sonar-Transducer ( US 5 515 342 ) kann wahlweise oder gleichzeitig Schallwellen ein einem niedrigen und in einem dazu höheren Frequenzbereich senden und/oder empfangen. Hierzu besitzt der Transducer einen niederfrequenten Wandler von Tonpilzdesign mit einem niederfrequenten Keramikkörper, einer niederfrequenten Rückmasse und einer Frontmasse, die fest mit einem kappenförmigen Gehäusekolben verbunden ist, der stirnseitig ein Gehäuse übergreift und auf diesen axial verschieblich ist. Ferner besitzt der Transducer mehrere hochfrequente Wandler im Tonpilzdesign. Jeder hochfrequente Wandler hat einen eigenen Keramikkörper und eine eigene Frontmasse, die mit dem Gehäusekolben verbunden ist. Die Rückmasse ist allen hochfrequenten Wandlern gemeinsam und wird von der Frontmasse des niederfrequenten Wandlers gebildet. Das den tieffrequenten Wandler und die hochfrequenten Wandler aufnehmende Gehäuse ist mittels Montagebolzen an einer Tragstruktur starr befestigt. Die Rückmasse des niederfrequenten Wandlers ist an der Gehäusewand federnd festgelegt, so dass die Rückmasse mit einer deutlich kleineren Amplitude schwingt. Dadurch wird relativ wenig Energie von der Tragstruktur absorbiert.
  • Ein bekannter Transducer mit Tonpilzaufbau ( US 4 068 209 ) besitzt eine Frontmasse, eine Rückmasse und einen zwischen diesen eingespannten Keramikkörper, der von einem Stapel (Stack) aus piezoelektrischen Scheiben gebildet ist, und weist Mittel zur Entkopplung der Frontmasse und zur Bildung eines Gehäuses auf, welches die aktive Stirnseite der Frontmasse faktisch nicht mit einschließt. Diese Mittel umfassen mehrere Hohlzylinder und eine Trägheitsmasse. Die durchmessergleichen Hohlzylinder sind axial aufeinander gesetzt und umschließen den Keramikkörper mit Radialabstand. Die beiden äußeren, ringförmigen Stirnseiten der stirnseitig aufeinanderstehenden Hohlzylinder liegen einerseits an der Rückseite der Frontmasse und andererseits an der der Frontmasse zugekehrten Seite der Trägheitsmasse an. Die piezoelektrischen Keramikscheiben des Keramikkörpers sind auf einer an der Frontmasse befestigten Stange aufgeschoben und zwischen Frontmasse und Rückmasse eingespannt. Die Stange geht durch die Trägheitsmasse hindurch. Eine auf die Stange aufgeschraubte Mutter stützt sich über eine Unterlegscheibe auf der Trägheitsmasse ab und spannt den Keramikkörper axial vor. Mehrere dieser elektroakustischen Wandler sind zu einer Wandleranordnung zusammengestellt, wobei die Trägheitsmassen aller Wandler eine einstückige Baueinheit bilden (Fig. 5).
  • Bei Wasserfahrzeugen, z.B. U-Booten, werden körperschalldämmende Maßnahmen ergriffen, um in der Wand des Fahrzeugs auftretende Biegeschwingungen, die als Störschall von der Wand abgestrahlt werden und die Effektivität von fahrzeuggestützten Sonaranlagen deutlich herabsetzen, zu unterdrücken. Solche Biegeschwingungen werden durch Vibration von im Fahrzeuginnern angeordnete Antriebsaggregate und sonstigen Geräten ausgelöst.
  • Ein bekanntes, körperschalldämpfendes Verbundsystem ( DE 38 20 491 A1 ) weist eine biegewellenführende, eine mit der Wandung innig verbundene Zwischenschicht und eine steife Abdeckschicht auf. Die Zwischenschicht ist aus einem Dämpfungsmaterial, das die durch Biegeschwingungen hervorgerufenen Schubkräfte in Wärme umwandelt. Die Abdeckschicht besteht aus einer Abschlussschicht aus Aluminium und einer schubsteifen Schicht, die eine Kunststoffmischung aus Epoxydharz mit Glaskugeln enthält. Zwischen Abdeckschicht und Wandung befindet sich eine dünne Schicht aus Polyurethan, dem Glimmer und Mikroglaskugeln beigemischt sind.
  • Ein bekanntes, zum gleichen Zweck eingesetztes Verbundsystem ( DE 36 21 318 A1 ) weist eine mit der biegewellenführenden Wandung innig verbundene Dämpfungsschicht auf, die sich aus mindestens einer Lage aus Dämpfungsmaterial mit hohem inneren Verlustfaktor und mindestens einer Lage in Form einer Fasermatte mit zumindest in Ausbreitungsrichtung der Biegewellen hoher Zugfestigkeit zusammensetzt. Als Dämpfungsmaterial wird viskoseelastisches Material verwendet, das sich auf eine Körperwand jeglicher Form leicht aufbringen lässt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber einem Träger körperschallentkoppelte Wandleranordnung aus mehreren, als Tonpilze mit gemeinsamer Rückmasse ausgebildete Wandlerelementen so zu verbessern, dass die Wandlerelemente sich gegenseitig in ihrem Schwingungsverhalten nicht beeinflussen.
  • Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Wandleranordnung hat den Vorteil, dass durch den biegewellendämpfenden und/oder -absorbierenden Aufbau der allen Wandlerelementen gemeinsamen Rückmasse die Schwingungen der einzelnen Keramikkörper der Wandlerelemente sich nicht in der Rückmasse ausbreiten und somit nicht zu den Keramikkörpern der anderen Wandlerelemente gelangen und dort eine Schwingungsüberlagerung auslösen können. Durch denn Biegewellenabsorberaufbau der Rückmasse beeinflussen sich somit die Wandlerelemente nicht in ihrem gegenseitigen Schwingungsverhalten, vielmehr verhalten sich die Wandlerelemente trotz ihrer gemeinsamen Rückmasse wie einzeln aufgebaute Tonpilze mit konventioneller Front- und Rückmasse. Zusätzlich wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Rückmasse in technisch einfacher Weise und ohne zusätzliche Maßnahmen eine Körerschallentkopplung der Wandleranordnung bezüglich des Trägers, auf dem die Wandleranordnung starr festgelegt ist, erreicht, da durch das Dämpfungs- bzw. Absorptionsverhalten der Rückmasse Vibrationen des Trägers nicht auf die Keramikkörper und die Frontmassen der Wandlerelemente übertragen werden. Die Dicke der zwei Metallplatten und ihre Zwischenschicht aus Dämpfungsmaterial bestimmt die Dicke der Rückmasse und ist so gering, dass die gesamte Wandleranordnung beispielsweise mit acht Wandlerelementen auf einer Zylinderbasis als Stave bei gleichem Platzbedarf befestigt werden kann, wie bei einer klassischen Bestückung mit Tonpilzen in Einzelgehäusen. Durch die rückwärtige Beschichtung der Rückmasse mit Schaum als Reflektormaterial wird im Empfangsfall das Vor-/Rückverhältnis der Wandleranordnung verbessert, da von hinten einfallender Schall nicht zu den Wandlerelementen gelangt, sondern reflektiert wird.
  • Der komplette Vollumgusses aus Elastomer ist an den Wellenwiderstand des Wassers angepasst und ermöglicht eine frei wählbare äußere Form der Wandleranordnung, so dass auch ein bündig aneinanderschließender Kompaktaufbau von einzelnen Wandleranordnungen in einer Reihe oder Fläche realisierbar ist. Ein Hohlraum mit Dichtung erübrigt sich, da die Keramikkörper einen schwingungsfähigen Umguss aufweisen. Durch den elastischen Umguss der Keramikkörper wird zudem die Bandbreite der gesendeten und/oder empfangenen Schallwellen an die Ortungsaufgabe angepasst, da die Resonanzkurve durch den Umguss verbreitert wird, und eine Ausbreitung von Moden in Querrichtung unterdrückt.
  • Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wandleranordnung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
  • Die biegewellen- und körperschallverzehrende Zwischenschicht wird gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung aus elastischem oder viskoelastischem Material hergestellt. Der Herstellungsprozess ist besonders kostensparend und einfach. Auf eine der Metallplatten wird Schallschlucküberzugsmasse oder Entdröhnungsmittel aufgespachtelt, die zusammen mit der anderen Metallplatte einen eingezwängten Belag bildet. Als Dämpfungsmaterial sind aber auch andere für Absorber in der Wasserschalltechnik übliche Materialien mit Vorteil einsetzbar, wie z.B. Gummi, Teroson, Hartpresspappe oder Dämpfungsfolie.
  • Die Dimensionierung von Tonpilzen ist auf Seite 316, 317 im Kapitel XIV, Schwingkreis und schwingender Massenpunkt, in dem Lehrbuch "Die Grundlagen der Akustik" von E. Skudrzik, Wien, Springer-Verlag, 1954, beschrieben. Abhängig von der Sende- und/oder Empfangsfrequenz werden Frontmassen, Federung des Keramikkörpers und seine Höhe sowie die gemeinsame Rückmasse dimensioniert. Mit der vorteilhaften Weiterbildung der Wandleranordnung nach Anspruch 3 ist ein breiter Spielraum für die Auslegung der Plattendicke und Auswahl des Materials für die Rückmasse gegeben, so dass die Rückmasse nicht nur nach den akustischen Gegebenheiten optimal dimensioniert wird, sondern auch an das Platzangebot des Trägers angepasst wird und eine robuste Befestigung der Zuganker der Wandlerelemente auf der dem Träger abgewandten Seite der Rückmasse gemäß Anspruch 4 gestattet. Bei einer Wahl der Abstände gleich aufgebauter Keramikkörper und Frontmassen entsprechend der halben Wellenlänge ihrer Resonanzfrequenz bestimmt ihre Anzahl auf der Rückmasse die Ausdehnung der Wandleranordnung oder des Staves und somit die Bündelung ihrer Richtcharakteristik. Eine Wandleranordnung mit Keramikkörpern unterschiedlicher Höhe und/oder Federung und/oder Frontmasse in nicht äquidistanter Anordnung auf der gemeinsamen Rückmasse hat den Vorteil der Breitbandigkeit.
  • Bei gleichem Aufbau der einzelnen Wandlerelemente gemäß den vorteilhaften Weiterbildungen der Wandleranordnung nach den Ansprüchen 5, 6 und 7 erfolgt eine Abstimmung auf die gleiche Sende- und/oder Empfangsfrequenz und der Wirkungsgrad wird erhöht. Der Vorteil eines Keramikkörpers aus vielen dünnen Keramikscheiben besteht darin, dass ein Abgleich an die geforderte Sende-/Empfangsfrequenz, die durch die Höhe und Federung des Keramikkörpers und die Frontmasse bestimmt ist, leicht möglich ist. Außerdem besteht der Vorteil einer Anpassung an den Innenwiderstand einer speisenden Spannungsquelle, da der elektrische Wirkwiderstand eines aus vielen dünnen Keramikscheiben aufgebauten Keramikkörpers kleiner als bei einem gleich hohen Keramikkörper aus wenigen dicken Keramikklötzen ist. Auf einen Ausgangstransformator für die Wandlerelemente kann durch die Leistungsanpassung verzichtet werden. Es werden nicht nur Platz, Gewicht und Material gespart, sondern auch der Wirkungsgrad der Wandleranordnung erhöht und durch die Formgebung der Frontmasse zusätzlich eine rückwärtige Abstrahlung von Schallwellen vermieden. Um eine maximale Schalleistung zu erzielen, muss der Strahlungswiderstand an den Wirkwiderstand der Wandlerelemente angepasst werden. Der Strahlungswiderstand ist abhängig vom Massenverhältnis aller Frontmassen zur gemeinsamen Rückmasse. Als Material für die Frontmassen ist Aluminium besonders günstig und ein Massenverhältnis von mehr als 1 : 3 zu erzielen.
  • Bei einer Anordnung vieler Wandlerelemente auf einer gemeinsamen Rückmasse ist es auch möglich, die Frontmassen sämtlicher Wandlerelemente mit einer gemeinsamen Membran mechanisch zu verbinden, wodurch eine Richtcharakteristik mit geringen Nebenpegeln erzielt wird.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 9 besteht in einer kaskadierenden Anordnung von beispielsweise vier über Buchsen und Stecker zusammengesteckten Wandleranordnungen mit je zwei integrierten Wandlerelementen, die beispielsweise übereinander angeordnet sind und einen Stave einer Zylinderbasis bilden. Durch geschickte Verdrahtung der Anschlussleitungen mit achtpoligen Buchsen und Steckern ist der Vorteil gegeben, dass die Wandleranordnungen in beliebiger Reihenfolge zusammensteckbar sind und der elektrische Anschluss jedes Wandlerelemente einzeln herausgeführt ist, wobei ein Kabelbaum mit acht Anschlussleitungen nicht benötigt wird. Die Verdrahtung eines einzigen Steckers gewährleistet einen störungsfreien Betrieb für eine getrennte elektrische Ansteuerung jedes Wandlerelements und eine Verarbeitung ihrer Sende- oder Empfangssignale zu Richtcharakteristiken.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für eine elektroakustische Wandleranordnung zum Senden und/oder Empfangen von Schallwellen mit Wandlerelementen nach Art eines Tonpilzes in der Zeichnung näher beschrieben. Auf einer Rückmasse 10 sind zwei Wandlerelemente 11, 12 mit ihrem piezoelektrischen Keramikkörper 13, 13' und ihrer Frontmasse 14, 14' aus Aluminium mit einem Zuganker 15 unter Vorspannung montiert. Jeder Keramikkörper 13, 13' besteht aus einem Stapel von Keramikscheiben 13.1, 13.2, ..., 13.n mit Mittelloch, durch das der Zuganker 15 für die Montage gesteckt wird und in eine Metallplatte 101 der Rückmasse 10 geschraubt wird. Die Rückmasse 10 weist einen Biegewellenabsorberaufbau auf. Zwischen zwei Metallplatten 101, 102 aus Stahl befindet sich eine Zwischenschicht 103 aus Dämpfungsmaterial, die einen eingezwängten Belag bildet. Auf die Rückmasse 10 ist eine als Reflektor wirkende Abschlussschicht 104 aus syntaktischem Schaum aufgebracht. Der Keramikkörper 13 weist einen Umguss 16 aus Silikongel auf. Die Frontmasse 14, 14' hat die Form eines Metallzylinders 142 mit anschließendem Kegelstumpf 141, der sich konisch verjüngt und mit seiner Spitze bündig an den Keramikkörper 13 anschließt. Ein wasserdichter Vollumguss 17 aus Polyurethan umschließt die Wandleranordnung und gibt ihr die äußere Form. Mittel zum befestigen der Wandleranordnung an ihrer Rückseite an einem Träger sind nicht gezeigt, da sie individuell für jeden Träger in den Vollumguss 17 integriert werden können.
  • An gegenüberliegenden Seiten der Wandleranordnung befindet sich ein Stecker 18 und eine Buchse 19, die mit Anschlussleitungen für die Wandlerelemente 11, 12 verdrahtet sind. Ihre Anzahl an Kontakten richtet sich nach dem Anwendungsfall der Wandleranordnung. Acht Kontakte werden für einen Staveaufbau mit vier Wandleranordnungen und je zwei Wandlerelementen, die über Stecker und Buchse übereinander gesteckt sind, für Sende- und/oder Empfangssignale jedes Wandlerelements.benötigt.

Claims (8)

  1. Elektroakustische Wandleranordnung zum Senden und/oder Empfangen von Schallwellen mit mindestens zwei Wandlerelementen (11, 12) nach Art eines Tonpilzes mit piezoelektrischen Keramikkörpern, (13, 13'), separaten Frontmassen (14, 14') und einer gemeinsamen Rückmasse (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Rückmasse (10) einen als Verbundsystem aus mindestens zwei Metallplatten (101, 102) und einer Zwischenschicht (103) aus Dämpfungsmaterial mit hohem inneren Verlustfaktor ausgeführten Biegewellenabsorberaufbau aufweist und auf ihrer von den Wanderelementen (11, 12) abgekehrten Rückseite eine Abschlussschicht (104) aus Kunststoffschaum, Hartschaum, syntaktischem Schaum oder Metallschaum trägt, dass jeder Keramikkörper (13, 13') einen elastischen Umguss (16, 16'), vorzugsweise aus Silikongel, aufweist und dass die Wandlerelemente (11, 12) mit gemeinsamer Rückmasse (10) und Abschlussschicht (104) in einem wasserdichten Vollumguss (17) aus Elastomer, vorzugsweise Polyurethan, eingebettet sind.
  2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschicht (103) aus einem viskoelastischen oder elastischen Material besteht.
  3. Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatten (101, 102) aus gleichem oder unterschiedlichem Metall hergestellt sind und Aluminium oder Stahl oder Messing verwendet wird.
  4. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (13, 13') der Wandlerelemente (11, 12) mittels Zuganker (15) in Abständen voneinander auf der gemeinsamen Rückmasse (10) festgeschraubt sind.
  5. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Keramikkörper (13, 13') von aufeinander aufgestapelten Keramikscheiben (13.1, 13.2, ..., 13.n) gebildet ist.
  6. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metallzylinder (142) mit einem sich verjüngenden, bündig an den Keramikkörper (13, 13') anschließenden Kegelstumpf (141) die Frontmasse (14, 14') bildet.
  7. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontmassen (14, 14') aus Aluminium hergestellt ist.
  8. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Vollumguss (17) Anschlussleitungen, Stecker (18) und Buchsen (19) integriert sind.
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