EP2480346B1

EP2480346B1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: EP2480346B1
Application number: EP09744932.6A
Authority: EP
Inventors: Rainer Busch
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-09-22
Also published as: EP2480346A1; WO2011035744A1; DE112009005265A5

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem unter der Bezeichnung "Flextensional Sonar Transducer" bekannten elektrischen Wandler ( EP 0 340 674 A2 ) besteht der Aktuator aus einem Stapel aneinanderliegender, piezoelektrischer Elemente, zwischen denen Elektroden angeordnet sind. Der in Längsrichtung mechanisch vorgespannte Stapel besitzt bogenförmige Endkappen, um die ein den Stapel umschließendes, breites Band herumgeführt ist. Eine gekrümmte, elastische Schale mit elliptischem Querschnitt, die stirnseitig geschlossen ist, schließt Band und Stapel ein und ist so ausgerichtet, dass ihre größere Ellipsenachse mit der Längsachse des Stapels zusammenfällt. Die gekrümmten Endkappen des Stapels sind fest mit der Schale verbunden. Bei Aufschalten einer Wechselspannung auf den Aktuator führt dieser eine Oszilationsbewegung in Richtung seiner Längsachse aus, die über die Endkappen des Stapels auf die Schale übertragen wird und von der Schale in quer zum Stapel erfolgenden Schwingungen mit deutlich größerer Amplitude umgesetzt wird.
Ein ebenfalls bekannter elektroakustischer Wandler im sog. Tonpilzaufbau ( DE 196 230 35 A1 ) weist als Aktuator ebenfalls einen Stapel aus piezoelektrischen Elementen mit dazwischen angeordneten Elektroden auf, der mittels eines durch den Stapel zentral hindurchgeführten Zugankers zwischen einer Front- und einer Rückmasse eingespannt ist. Front- und/oder Rückmasse bestehen aus geschäumtem Metall, dessen Dichte entsprechend der gewünschten Wandlerfrequenz eingestellt ist.
Bei einem bekannten, als "Barrel Stave Projector" bezeichneten elektroakustischen Wandler für den Einsatz in tieffrequenten Sonarsystemen ( US 6,535,459 B1 ) besteht der Aktuator aus einem Stapel hohlzylindrischer, piezokeramischer Elemente mit dazwischen angeordneten Elektroden, der zwischen zwei plattenartigen, kreisringförmigen oder mehrkantigen Endkappen angeordnet und mittels eines durch die hohlzylindrischen Elemente und die Endplatten hindurchgeführten Zugankers mechanisch auf Druck vorgespannt ist. Zwischen den radial über den Stapel vorstehenden beiden Endkappen sind konkav gekrümmte Lamellen aufgespannt, die mit ihren Enden am Umfang der Endkappen, in Umfangsrichtung gesehen mit Spaltabstand nebeneinander befestigt sind. Die gekrümmten Lamellen sind außen auf ihrer vom Stapel abgekehrten Seite von einer Gummihülle umschlossen, die an den Endkappen wasserdicht befestigt ist und die Spalte zwischen den Lamellen wasserdicht abdeckt. Ein solcher als Sendewandler eingesetzter elektrischer Wandler sendet schmalbandig und kann nur bis zu einer bestimmten Wassertiefe, z.B. ca. 100 Meter, eingesetzt werden, wobei sein Sendeverhalten, da luftgefüllt, von der Wassertiefe abhängig ist.
Der Stapel von Piezoelementen, der sog. Piezostack, und die Spannvorrichtung für diesen bedingen bei den bekannten, elektroakustischen Wandlern ein relativ hohes Gewicht, was sie für bestimmte Einsatzarten in der Unterwasserschalltechnik, z.B. für den Einbau in Schleppantennen oder Schleppkörpern, unattraktiv macht.
Ein bekannter elektroakustischer Wandler ( US 5 229 978 ) weist einen radial schwingenden piezoelektrischen Aktuator auf, der von einem längs geschlitzten Hohlzylinder aus Piezokeramik gebildet ist, dessen Innen- und Außenwand mit je einer Elektrode beschichtet ist. Der Aktuator ist in ein geschlitztes Rohr eingespannt und an diesem angeklebt. Das geschlitzte Rohr ist zusammengesetzt aus zwei bogenförmigen Flügeln aus relativ festem und leichtem Material, wie Aluminium, und einem die beiden Flügel miteinander verbindenden Keilteil aus einem Material mit deutlich höherer Zugfestigkeit als das Material der Flügel. Bei Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden des geschlitzten Hohlzylinders schwingt diese in Radialrichtung. Dieses sog. "Atmen" des geschlitzten Hohlzylinders verursacht ein Vibrieren der beiden Flügel des geschlitzten Rohrs ähnlich einer Stimmgabel.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrischen Wandler, insbesondere für den Unterwassereinsatz anzugeben, der sich bei ausreichen hoher akustischer Leistung, insbesondere Sendeleistung, durch ein geringes Gewicht auszeichnet.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße, elektroakustische Wandler hat den Vorteil, dass der Aktuator nicht - wie beim Stand der Technik - aus einem relativ schweren, kompakten Stapel von Keramikelementen besteht, der durch einen schwergewichtigen Zuganker mechanisch vorgespannt werden muss, sondern nur aus einem dünnen und leichten, Composite-Module tragenden Kunststoffrohr, besteht, das keine mechanische Vorspannung benötigt, so dass der Zuganker zum Wegfall kommt. Durch die dadurch bedingt extreme Gewichtsreduzierung des Aktuators gegenüber den bekannten Wandlern ist der Wandler sehr leicht und für die Anwendung in der Unterwasserschalltechnik gut geeignet. Die Glas- oder Kohlenstoffverstärkung des Kunststoffrohrs ergibt eine ausreichende Festigkeit für den Unterwassereinsatz. Darüber hinaus lässt sich ein relativ baukleiner Wandler realisieren, der tieffrequent und bei Einsatz als Sendewandler mit großer Sendeleistung ausgelegt werden kann. Anders als die bekannten Keramikelemente können die Composite-Module einer zum Füllen des Wandlers verwendeten, elektrisch isolierenden Flüssigkeit, z.B. Öl, direkt ausgesetzt und müssen nicht geschützt werden. Dem an den Composite-Modulen anliegenden Gleichspannungspotenzial ist die Wechselspannung so überlagert, dass sie die Gleichspannung nicht unterscheidet. Bei Anlegen der Wechselspannung führen die Piezokeramikfasern in den Composite-Modulen gleichsinnige Längsdehnungen und Längskontraktionen aus, wodurch sich das Rohr abwechselnd längt oder verkürzt, der Aktuator also in Richtung seiner Längsachse schwingt. Durch die Wahl des Elastizitätsmoduls des Rohrs und der Anzahl der am Rohr vorhandenen Composite-Module ist die akustische Leistung des elektroakustischen Wandlers einstellbar.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, elektroakustischen Wandlers mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die feste Verbindung zwischen Rohrwand und Composite-Module durch Aufkleben der dünnen, elastischen Composite-Module auf die Rohrwand, wobei die Composite-Module an der inneren oder an der äußeren Wandfläche und auch an der inneren und an der äußeren Wandfläche der Rohrwand befestigt werden können. Die Befestigung erfolgt durch Kleben und/oder Ein- oder Auflaminieren in oder auf die Rohrwand. Vorzugsweise werden die Composite-Module bei der Herstellung des Kunststoffrohrs mit einlaminiert. Dadurch sind die Composite-Module bereits in einfacher Weise gegen das umgebende Wasser geschützt
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Rohr stirn- oder endseitig wasserdicht verschlossen. Dies hat den Vorteil, dass im Inneren des Rohrs elektronische Ansteuerschaltungen für den Wandler untergebracht werden können und der Wandler in großer Tiefe eingesetzt werden kann, ohne dass die Elektronikbausteine Schaden nehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an den beiden Stirnseiten des Rohrs eine Frontmasse und eine Rückmasse befestigt, die das Rohr wasserdicht verschließen. Durch diese konstruktive Maßnahme erhält man einen Sendewandler im Tonpilzaufbau mit den für diese Konstruktion typischen Eigenschaften, aber deutlich geringerem Gewicht. Durch die Bemessung von Front- und Rückmasse ist der Sendefrequenzbereich des Sendewandlers und dessen Resonanzfrequenz einstellbar. Die Sendeleistung wird durch den Elastizitätsmodul des Rohrs, die Anzahl der am Rohr vorhandenen Composite-Module und das Verhältnis von Rückmasse zu Frontmasse bestimmt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind an den Stirnrändern des Rohrs die Enden einer das Rohr umschließenden gewölbten, z.B. konvex oder konkav gekrümmten, elastischen Hülle befestigt und der Zwischenraum zwischen der Rohrwand und der Hülle mit einem Medium, z.B. einem Gel oder einer Flüssigkeit, gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, z.B. Wassers, ist. Durch diese konstruktive Ergänzung des Aktuators entsteht ein elektroakustischer Wandler mit de Eigenschaften der bekannte, sog. Flextensional Transducer, bei denen die longitudinalen Bewegungen des Aktuators in radiale Bewegungen der Hülle transformiert werden, allerdings mit dem Vorteil, deutlich leichter und baukleiner zu sein. Durch die Füllung des Zwischenraums mit einer Flüssigkeit oder einem Gel wird eine akustische Ankopplung des Wandlers an das umgebende Wasser erzielt und die Impedanz des Wandlers an den Wellenwiderstand des Wassers angepasst. Der Wandler hat den Vorteil einer breitbandigen Schallabstrahlung bei konstanter akustischer Leistung und lässt sich vorteilhaft als Sendewandler in der Schlauchhülle einer Schleppantenne integrieren, wobei durch die Möglichkeit der Anpassung des Durchmessers des Wandlers an den Durchmesser der Schlauchhülle keine zusätzliche Strömungsgeräusche im Sendeteil der Schleppantenne auftreten. Wegen der kleinen Bauweise der Wandler können mehrere solche Wandler gegeneinander akustisch entkoppelt im Sendeteil der Schleppantenne hintereinander angeordnet werden, um die abgestrahlte Sendeleistung zu erhöhen. Das hohe Innere der Sendewandler lässt Raum zentral zugreifen und elektrische Anschlussleitungen durch den Schlauch gut verlegen.
Ergänzt man diesen elektroakustischen Wandler in "Flextensional"-Bauweise mit einer Front- und Rückmasse, wie sie der erfindungsgemäße Wandler mit Tonpilzaufbau aufweist, so kann man die Eigenschaften beider Bauweisen vorteilhaft miteinander verbinden und einen Sendewandler mit großer Sendeleistung generieren, der sich vorzüglich für eine aus einer Vielzahl von Sendewandlern zusammengesetzten Sendeantenne einsetzen lässt, die vorzugsweise auf einem flächenförmigen Träger angeordnet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Rohrwand des Rohrs in einem Hohlring mit elliptischem Querschnitt aufgenommen, der von einer die Rohrwand außen überdeckenden, mit der Rohrwand einen ersten Hohlraum einschließenden, konvexen Außenschale und einer die Rohrwand im Rohr-inneren überdeckenden, mit der Rohrwand einen zweiten Hohlraum einschließenden, konkaven Innenschale gebildet ist. Die Enden von Innen- und Außenschale sind fest mit dem Rohrenden des Rohrs verbunden und der erste und zweite Hohlraum sind mit einem Medium, vorzugsweise einem Gel oder einer Flüssigkeit, gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, ist. Ein solcher elektroakustischer Wandler entspricht dem vorstehend angegebenen elektroakustischen Wandler in "Flextensional"-Bauweise, hat aber aufgrund der zusätzlichen Innenschale gegenüber diesem eine deutlich höhere akustische Leistung.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an jeder Stirnseite des Rohr jeweils eine radial über das Rohr überstehende, vorzugsweise plattenförmige Endkappe befestigt und sind zwischen den Endkappen mehrere, konkav gekrümmte, schwingfähige Lamellen aufgespannt, die endseitig an den Endkappen in deren Umfangsrichtung nebeneinander und mit Spaltabstand voneinander festgelegt sind. Die Lamellen sind außen, also auf ihrer vom Rohr abgekehrten Außenseite von einer fluiddichten, elastischen Hülle, z.B. aus Gummi, umschlossen, die endseitig an den Endkappen fluiddicht festgelegt ist. Mit dieser konstruktiven Ausgestaltung ist ein dem bekannten Barrel-Stave-Wandlern entsprechender Wandler realisiert, der sich gegenüber diesen durch deutlich geringeres Gewicht und Bauvolumen auszeichnet. Bei Expansion oder Kontraktion des Rohrs werden die Lamellen gedehnt und gestaucht, wobei sich ihre Krümmung verkleinert und vergrößert. Durch geeignete Wahl der Krümmung der Lamellen wird die entlang der Wandlerachse auftretende Wegdifferenz zwischen den beiden Endkappen auf einen vierfachen Wert der Durchbiegung der Lamellen gesteigert, so dass die relativ kleinen Schwingungsamplituden des Rohrs in seiner Längsrichtung in eine recht große Sendeleistung in Radialrichtung transformiert wird. Durch die geringen Abmessungen des Wandlers gegenüber der Wellenlänge der von ihm bei einer Arbeitsfrequenz von z.B. 2 kHz abgestrahlten Schallwellen besitzt der Wandler ein omnidirektionales Abstrahlhalten. Der Sendewandler strahlt breitbandig ab und ist ebenfalls vorteilhaft im Sendeteil einer Unterwasser-Schleppantenne einsetzbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Endkappen vorzugsweise mit der Rohrachse koaxiale Durchgangsöffnungen auf, ist der Rohrmantel mit Durchbrüchen versehen und stützten sich die Endkappen über ihren Umfang im Inneren eines mit Öl oder Gel gefüllten Schlauchs einer Unterwasser-Schleppantenne an dessen Schlauchwand ab. Durch diese Ausgestaltung des Wandlers können vorteilhaft das im Schlauch verlaufende Zugseil der Unterwasser-Schleppantenne und die Anschlussleitungen für im Schlauch hintereinander angeordnete Wandler zentral durch das Innere des Wandlers hindurchgeführt werden. Die Composite-Module sind durch das Einlaminieren in das Rohr gegen die Schlauchfüllung mit Öl oder Gel geschützt, so dass keine gesonderten Maßnahmen zum Schutz der nichtfluidresistenten Keramikfasern getroffen werden müssen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zwischen den Endkappen sich erstreckende Zwischenraum zwischen der elastischen Hülle und der Schlauchwand hermetisch abgeschlossen und mit Öl oder Gel gefüllt. Dadurch wird bei mehreren im Schlauch axial hintereinander angeordneten Wandlern ein akustischer Kurzschluss zwischen den Wandlern vermieden.
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1: eine Seitenansicht eines Aktuators für einen elektroakustischen Wandler,
Fig. 2: einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3: eine vergrößerte Explosionsdarstellung eines Composite-Moduls des Aktuators in Fig. 1 und 2,
Fig. 4: eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten,
Fig. 5: eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten,
Fig. 6: eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 7: eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten,
Fig. 8: einen Schnitt längs der Linie VIII-VIII in Fig. 7,
Fig. 9: einen Längsschnitt eines in einem Schlauch eines Unterwasser-Schleppantenne angeordneten elektroakustischen Wandlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
Fig. 10: ausschnittweise eine Draufsicht des elektroakustischen Wandlers in Fig. 9

In Fig. 1 ist in Seitenansicht und in Fig. 2 im Schnitt ein piezoelektrischer Aktuator 11 dargestellt, wie er in den Ausführungsbeispielen der elektroakustischen Wandler gemäß Fig. 4 bis 10 eingesetzt ist. Bei Anlegen einer Wechselspannung schwingt der Aktuator 11 longitutinal, d.h. in Richtung seiner Längsachse 12, wie dies durch den die Schwingbewegung symbolisierenden Doppelpfeil 13 angedeutet ist. Der Aktuator 11 weist ein Rohr 14 mit einer in Richtung Rohrachse, die die Längsachse 12 des Aktuators 11 bildet, elastischen Rohrwand 141 und mindestens ein fest mit der Rohrwand 141 verbundenes Composite-Modul 15 auf. Bei nur einem Composite-Modul 15 würde dieses um die Rohrwand 141 herum angeordnet sein. Vorzugsweise ist aber die Rohrwand 141 mit einer Vielzahl von Composite-Modulen 15 belegt, die in Umfangsrichtung und in Axialrichtung der Rohrwand 141 jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Rohr 14 ist endseitig offen, kann jedoch für bestimmte Anwendungsfälle auch endseitig verschlossen sein, wie dies in Fig. 2 durch die beiden strichliniert eingezeichneten Stirnplatten 16, 17 illustriert ist. Die feste Verbindung der Composite-Module 15 mit der Rohrwand 141 erfolgt beispielsweise durch Aufkleben oder Auflaminieren der Composite-Module 15 auf die Rohrwand 141, wobei bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 die Composite-Module 15 auf die Innenfläche 141 a der Rohrwand 141 aufgebracht sind. Alternativ können die Composite-Module 15 aber auch auf der Außenfläche 141 b der Rohrwand 141 angeordnet sein, wie dies in Fig. 5 illustriert ist. Vorteilhaft ist auch, die Rohrwand 141 abwechselnd auf der Außenfläche 141b und auf der Innenfläche 141a mit den Composite-Modulen 15 zu belegen. Das Rohr 14 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, das zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Rohrs 12 mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt ist. Bei einem solchen Kunststoffrohr erfolgt die feste Verbindung der Composite-Module 15 mit der Rohrwand 141 vorteilhaft durch Auf- oder Einlaminieren der Composite-Module 15 auf bzw. in die Rohrwand 141 bei der Rohrherstellung.
In Fig. 3 ist in Explosionsdarstellung vergrößert der Aufbau eines Composite-Moduls 15 illustriert. Das Composite-Modul 15 weist zwei deckungsgleiche Filmschichten 18, 19 aus elektrisch isolierendem Material auf, auf deren einander zugekehrten Schichtflächen jeweils eine Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 angeordnet, z.B. aufgedruckt, ist. Zwischen den Filmschichten 18, 19 sind Piezokeramikfasern 22 angeordnet, die voneinander beabstandet und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Die langgestreckten Piezokeramikfasern 22 weisen z.B. einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die Zwischenräume zwischen den Piezokeramikfasern 22 sind mit einem elektrisch isolierenden Material, z.B. mit einem Polymer, ausgefüllt, was in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die beiden Elektrodenstrukturen 20, 21 sind identisch ausgebildet. Jede Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 weist zwei identisch ausgebildete, kammartige Strukturteile 23, 24 mit einer in Richtung der Piezokeramikfasern 22 sich erstreckenden Leiterbahn 25 bzw. 26 und davon einstückig abgehenden, vorzugsweise parallelen, fingerartigen Elektroden 27, 28 auf. Die beiden kammartigen Strukturteile 23, 24 greifen mit ihren Elektroden 27, 28 ineinander, so dass jeweils eine Elektrode 27 des einen Strukturteils 23 und eine Elektrode 28 des anderen Strukturteils 24 der Elektrostrukturen 20 bzw. 21 benachbart sind und parallel zueinander verlaufen. Solchermaßen angeordnete Elektroden 27, 28 werden daher auch als "interdigitaded electrods" bezeichnet. Die beiden Filmschichten 18, 19 sind spiegelbildlich mit einander zugekehrten Elektrodenstrukturen 20, 21 auf die Piezokeramikfasern 22 aufgelegt, wobei ausschließlich die Elektroden 27, 28 die Piezokeramikfasern 22 auf deren voneinander abgekehrten Längsseiten kontaktieren. Ein solches Composite-Modul 15 ist bekannt und z.B. in EP 1 983 584 A2 beschrieben und dort "Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator" genannt. Die mit der Rohrwand 141 verbundenen Composite-Module 15 sind am Rohr 14 so ausgerichtet, dass die Piezokeramikfasern 22 parallel zur Rohrachse verlaufen. Wie in Fig. 3 eingezeichnet ist, sind die beiden Strukturteile 23, 24 einer jeden Elektrodenstruktur 20, 21 mit einer Gleichspannung beaufschlagt, so dass an den innerhalb einer Filmschicht 18 bzw. 19 nebeneinander liegenden Elektroden 27, 28 abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an den Elektroden 26 bzw. 27 der beiden Filmschichten 18, 19, die an den Piezokeramikfasern 22 einander gegenüberliegen, das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt. Der Gleichspannung ist eine Wechselspannung so überlagert, dass erstere nicht unterschritten wird. Infolge der anliegenden Wechselspannung führen die Piezokeramikfasern 22 in allen Composite-Modulen 15 gleichsinnige Längsdehnungen und Längskontraktionen aus, die ein abwechselndes Längen und Kontraktieren des Rohrs 14 bewirken, so dass dieses in Längsachse 12 schwingt, wie dies durch den Doppelpfeil 13 in Fig. 1 angedeutet ist. Auf den beiden Filmschichten 18, 19 können weitere, gleichartige Filmschichten mit ebensolchen Elektrodenstrukturen aufliegen, wobei zwischen jeweils zwei Filmschichten immer eine Schicht von Piezokeramikfasern 22 in der beschriebenen Anordnung vorhanden ist.
In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers in Seitenansicht und teilweise aufgeschnitten dargestellt, in dem der beschriebene Aktuator 11 eingesetzt ist. Dabei ist in dem elektroakustischen Wandler die sog. Tonpilz-Bauweise realisiert. An den Stirnseiten des Rohrs 14 ist eine Frontmasse 29 und eine deutlich größere Rückmasse 30 befestigt, wobei Front- und Rückmasse 29, 30 das Rohr 14 stirnseitig wasserdicht abschließen. Die Composite-Module 15 sind in die Rohrwand 141 einlaminiert, wobei von der Vielzahl der Composite-Module 15 in der Schnittdarstellung drei axial übereinander angeordnete Composite-Module 15 zu sehen sind. Die Anschlüsse 43(+) und 42 (-) der Elektrodenstrukturen 20, 21 sind in das Innere des Rohrs 14 geführt und hier an eine Ansteuerschaltung 31 angeschlossen. Beispielsweise weist die Ansteuerschaltung eine Gleichspannungsquelle 32, die die positive und negative Vorspannung für die Elektroden 27, 28 liefert, und eine Wechselspannungsquelle 33 auf, die den Aktuator 11 zu Schwingungen anregt, wodurch der Wandler über die Frontmasse 39 Schallwellen 35 in Axialrichtung, abstrahlt. Die Wechselspannung wird der Vorspannung in einem Additionsglied 34 so überlagert, dass sie die Vorspannung nicht unterschreitet.
In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der elektroakustische Wandler in sog. "Flextensional"-Bauweise realisiert, die sich dadurch auszeichnet, dass die in Längsachse 12 erfolgende Schwingbewegung (Doppelpfeil 13 in Fig. 5) des Aktuators 11 in eine radial abgestrahlte Schallwellen 36 transformiert wird. Bei diesem elektroakustischen Wandler, dessen Aktuator 11 identisch wie zu Fig. 1 bis 3 beschrieben ausgebildet ist, sind mit den Rohrenden des Rohrs 14 die Enden einer die Rohrwand 141 umschließenden, gewölbten, elastischen Hülle 37 fest verbunden. Dabei können die Hüllenenden unmittelbar an der Rohrwand 141 befestigt sein oder aber auch - wie hier nicht weiter dargestellt ist - an einem Stirnring befestigt sein, wobei die beiden Stirnringe wiederum mit den Stirnseiten des Rohrs 12 fest verbunden sind. In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elastische Hülle 37 konvex gekrümmt, doch kann diese unter Verwendung der genannten Stirnringe auch konkav gekrümmt sein. Die wiederum in Axial- und Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordneten Composite-Module 15 sind mit identischer Ausrichtung der Piezokeramikfasern außen auf die Rohrwand 141 aufgeklebt oder auflaminiert, wie dies in der Schnittdarstellung der Fig. 5 zu sehen ist. Der zwischen Hülle 37 und Rohrwand 141 sich bildende Zwischenraum 41 ist mit einem Medium gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Wassers ist. Bevorzugt wird hierzu ein Gel oder eine isolierende Flüssigkeit, wie Öl, eingesetzt.
Der in Fig. 6 schematisiert skizzierte, elektroakustische Wandler vereinigt die zu Fig. 4 beschriebene Tonpilz-Bauweisen mit der zu Fig. 5 beschriebenen "Flextensional"-Bauweise und besitzt die Eigenschaften beider Wandlerarten, so dass Schallwellen 35 bzw. 36 sowohl in Richtung der Längsachse des Aktuators 11 (wie in Fig. 4) als auch quer zur Längsachse des Aktuators 11 in Radialrichtung (wie Fig. 5) abgestrahlt werden. Bei diesem Wandler sind die Rohrenden mit Front- und Rückmasse 29, 30 verschlossen und ist an den Rohrenden die Hülle 37 befestigt.
Der in Fig. 7 in Seitenansicht, teilweise geschnitten und Fig. 8 in Querschnitt darstellte elektroakustische Wandler als weiteres Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem in Fig. 5 dargestellten und beschriebenen, elektroakustischen Wandler in "Flextensional"-Bauweise, besitzt aber durch eine zusätzliche konstruktive Maßnahme eine deutlich höhere akustische Leistung, bei Verwendung als Sendewandler also eine deutlich größere Sendeleistung. Bei diesem elektroakustischen Wandler ist der Aktuator 11 in einem Hohlring 38 mit elliptischem Querschnitt so angeordnet, dass die Rohrwand 141 sich längs der längen Ellipsenachse erstreckt und sich stirnseitig im oberen und unteren Grund des Hohlrings 38 abstützt. Der Hohlring 38 besteht aus einer die Rohrwand 141 außen überdeckenden, konvexen Außenschale 381, die mit der Rohrwand 141 einen ersten Hohlraum 39 einschließt, und einer die Rohrwand 141 innen, also im Rohrinneren, überdeckenden, konkaven Innenschale 382, die mit der Rohrwand 141 einen zweiten Hohlraum 40 einschließt. Die beiden Schalen 381, 382 sind elastisch, so dass der Hohlring 38 bei Ausdehnung und Kontraktion des Rohrs 14 sich ausbaucht bzw. verschmälert. Die beiden Hohlräume 39, 40 sind mit einem Medium gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Wassers ist. Als Medium wird vorzugsweise Gel oder eine elektrisch isolierende Flüssigkeit, wie Öl, verwendet. In dem in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Composite-Module 15, die wiederum in Umfangs- und Axialrichtung jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind, sowohl auf der Innenfläche 141 a der Rohrwand 141 als auch auf der Außenfläche 141 b der Rohrwand 141 angeordnet und z.B. durch Aufkleben oder Auflaminieren befestigt. Auch bei diesem elektroakustischen Wandler wird die Schwingbewegung des Aktuators 11 in seiner Längsachse 12 in eine radiale Schwingbewegung des Hohlrings 38 transformiert, so dass Schallwellen quer zur Längsachse 12 des Wandlers abgestrahlt werde, wie dies in Fig. 5 skizziert ist.
Die Wandler gemäß Fig. 5 und 7 eignen sich vorzüglich für den Einsatz in Unterwasser-Schleppantennen, da sie in ihren radialen Abmessungen problemlos an den lichten Durchmesser des Schlauchs der Unterwasserantenne angepasst werden können, in radialer Richtung durch den Schlauch positioniert sind und durch ihr hohles Innere vorteilhaft das Zugseil der Schleppantenne sowie die elektrischen Anschlüsse für die Wandler hindurchgeführt werden können.
Fig. 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiels eines elektroakustischen Wandlers, der mit dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Aktuator 11 ausgestattet ist. An jeder Stirnseite des Rohrs 14 ist eine radial überstehende Endkappe 44, 45 befestigt. Zwischen den Endkappen 44, 45 sind mehrere, konkav gekrümmte, schwingfähige Lamellen 46, vorzugsweise aus Kunststoff, aufgespannt. Die Endkappen 44, 45 sind im Ausführungsbeispiel als kreisrunde Platten ausgebildet. Längs deren Umfang sind die Lamellen 46 nebeneinander mit dazwischen verbleibenden, kleinen Spalten 48 angeordnet und mit ihren Enden an den Endkappen 44, 45 befestigt. Die Endkappen 44, 45 können aber auch als Mehrkantplatten ausgeführt sein, deren Kantenzahl der Anzahl der Lamellen 46 entspricht, wobei die Lamellenenden jeweils auf einer der zwischen den Kanten sich erstreckenden ebenen Fläche aufliegen und befestigt sind. Die nebeneinander angeordneten, das Rohr 14 umgebenden Lamellen 44 sind außen, d.h. auf ihrer vom Rohr 14 abgekehrten Außenseite, von einer fluiddichten, elastischen Hülle 47 umschlossen, die die Spalte 48 zwischen den Lamellen 44 flüssigkeitsdicht abdeckt. Die Hülle 47 ist endseitig fluiddicht an den Endkappen 44, 45 befestigt. Die Endkappen 44, 45 weisen in ihrem von den Stirnseiten des Rohrs 14 umgrenzten Bereich jeweils eine Durchgangsöffnung 49 bzw. 50 auf, die vorzugsweise koaxial mit der Rohrachse als Bohrung mit einem Bohrungsdurchmesser eingebracht ist, der kleiner ist als der lichte Durchmesser des Rohrs 14. Die am Rohr 14 in Umfangsrichtung und in Axialrichtung voneinander beabstandet angeordneten Composite-Module 15 sind wiederum in die Rohrwand 141 einlaminiert.
Der beschrieben elektroakustische Wandler eignet sich in seiner Ausführung mit kreisrunden Endkappen 44, 45 vorzüglich für den Einsatz in Untenivasser-Schleppantennen. Hierzu werden die radialen Abmessungen des Wandlers an den Durchmesser des Schlauchs 51 der Schleppantenne angepasst, so dass die in Längsrichtung des Schlauchs 51 hintereinander angeordnete Wandler sich über ihre Endkappen 44, 45 radial an der Schlauchwand abstützten und damit radial positioniert sind. Dabei wird das üblicherweise den Schlauch 51 durchziehende, in Fig. 9 nicht dargestellte Zugseil der Schleppantenne sowie Anschlussleitungen für die einzelnen Wandler durch das hohle Innere der Rohre 14 der Wandler geführt. Der Schlauch 51 ist üblicherweise mit einem Öl oder einem Gel gefüllt, so dass auch das Rohrinnere und, da das Rohr mit einer Mehrzahl von Durchbrüchen 5'3, z.B. Löchern oder Schlitzen, versehen ist, auch der von der Hülle 47 umschlossene Raum mit diesem Öl oder Gel ausgefüllt ist. Zur Vermeidung eines akustischen Kurzschlusses zwischen den in Längsrichtung hintereinander angeordneten, elektroakustischen Wandlern ist der nach Einsetzen der Wandler in den Schlauch 51 zwischen der Hülle 47 und der Schlauchwand des Schlauchs 51 sich ergebende Zwischenraum 52, der sich zwischen den Endkappen 44, 45 erstreckt, hermetisch abgeschlossen und mit dem gleichen Öl oder Gel gefüllt.
Alle in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen genannten Merkmale sind erfindungsgemäß sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten.

Claims

Elektroakustischer Wandler mit einem bei Anlegen einer Wechselspannung longitudinal schwingenden, piezoelektrischen Aktuator (11),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktuator (11) ein aus einem glas- oder kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffmaterial bestehendes Rohr (14) mit einer in Richtung Rohrachse (12) elastischen Rohrwand (141) und mehrere fest mit der Rohrwand (141) verbundene, in Rohr-Umfangsrichtung und in Rohr-Längsrichtung jeweils voneinander beabstandet angeordnete Composite-Module (15) aufweist, jedes der Composite-Module (15) auf mindestens zwei Filmschichten (18, 19) aus elektrisch isolierendem Material angeordnete Elektrodenstrukturen (20, 21) mit voneinander beabstandeten, fingerartigen, parallelen Elektroden (27, 28) und zwischen den Filmschichten (18, 19) mit aufliegenden Elektrodenstrukturen (20, 21) angeordnete, voneinander beabstandete, parallele Piezokeramikfasern (22) aufweist, die auf ihren voneinander abgekehrten Längsseiten von den Elektroden (27, 28) kontaktiert sind, dass die Composite-Module (15) auf der Rohrwand (14) so ausgerichtet sind, dass die Piezokeramikfasern (22) parallel zur Rohrachse (12) verlaufen, und dass die Elektrodenstrukturen (20, 21) mit einer Gleichspannung so belegt sind, dass an längs der Piezokeramikfasern (22) aufeinander folgenden, parallelen Elektroden (27, 28) in jeder Elektrodenstruktur (20, 21) sich ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial abwechselt und an den paarweise an voneinander abgekehrten Längsseiten der Piezokeramikfasern (22) anliegenden Elektroden (27 bzw. 28) der beiderseits der Piezokeramikfasern (22) sich befindlichen Elektrodenstrukturen (20, 21) jeweils ein gleiches Gleichspannungspotenzial herrscht, und dass auf die Elektrodenstrukturen (20, 21) eine Wechselspannung aufschaltbar ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die feste Verbindung der Composite-Module (15) mit der Rohrwand (14) durch Aufkleben oder Ein- oder Auflaminieren hergestellt ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Rohr (14) endseitig wasserdicht verschlossen ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
an den beiden Stirnseiten des Rohrs (14) eine Frontmasse (29) und eine Rückmasse (30) befestigt sind, die das Rohr (14) wasserdicht verschließen.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit den Rohrenden des Rohrs (14) die Enden einer die Rohrwand (14) umschließenden, gewölbten Hülle (37) fest verbunden sind und dass der Zwischenraum (41) zwischen Rohrwand (141) und Hülle (37) mit einem Medium, vorzugsweise Gel oder Flüssigkeit, gefüllt ist, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, ist.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Rohrwand (141) des Rohrs (14) in einem Hohlring (38) mit elliptischem Querschnitt aufgenommen ist, der von einer die Rohrwand (141) außen überdeckenden, mit der Rohrwand (141) einen ersten Hohlraum (39) einschließenden, konvexen Außenschale (381) und einer die Rohrwand (141) im Rohrinneren überdeckenden, mit der Rohrwand (14) einen zweiten Hohlraum (40) einschließenden, konkaven Innenschale (382) gebildet ist und dass die Enden von Außen- und Innenschale (381, 382) fest mit den Rohrenden (141) des Rohrs (14) verbunden und der erste und zweite Hohlraum (39, 40) mit einem Medium, vorzugsweise Gel oder Flüssigkeit, gefüllt sind, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, ist.
Elektroakustische Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
an jeder Stirnseite des Rohrs (14) eine radial überstehende, vorzugsweise plattenförmige Endkappe (44, 45) befestigt ist, dass zwischen den beiden Endkappen (44, 45) mehrere, konkav gekrümmte Lamellen (46) aufgespannt sind, die endseitig an den Endkappen (44, 45) in deren Umfangsrichtung nebeneinander mit Spaltabstand festgelegt sind, und dass eine die Lamellen (46) außen umschließende, elastische Hülle (47) endseitig an den Endkappen (44, 45) fluiddicht festgelegt ist.
Unterwasser-Schleppantenne mit einem mit Öl oder Gel gefüllten Schlauch (51) und mindestens einem im Schlauch (51) aufgenommenen elektroakustischen Wandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
jede Endkappe (44, 45) in ihrem von der Stirnseite des Rohrs (14) eingegrenzten Bereich eine vorzugsweise mit der Rohrachse koaxiale Durchgangsöffnung (49, 50) aufweist, dass der Rohrmantel (141) des Rohrs (14) mit Durchbrüchen (53) versehen ist und dass die Endkappen (44, 45) sich über ihren Umfang an der Schlauchwand abstützen.
Unterwasser-Schleppantenne nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zwischen den Endkappen (44, 45) sich erstreckende, von der elastischen Hülle (47) und der Schlauchwand des Schlauchs (51) eingeschlossener Zwischenraum (52) hermetisch abgeschlossen und mit Öl oder Gel gefüllt ist.