NL8900960A - Elektro-acoustische werkwijze en inrichting voor het uitzenden van acoustische golven met lage frequentie in een vloeistof. - Google Patents

Description

Elektro-acoustische werkwijze en inrichting voor_het uit-acoustische golven met lage frequentie in een_vloeistof.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uitzenden van acoustische golven met laagfrequentie in een vloeistof door middel van elektro-acoustische omzetters van het type dubbel-tonpilz en een omzetter die de werkwijze uitvoert.

Het technische gebied van de uitvinding is dat van de constructie van elektro-acoustische omzetters.

Bekend zijn elektro-acoustische omzetters, in het bijzonder piëzo-elektrische omzetters, die van het type dubbel-tonpilz zijn en die omvatten een cylindervormig stijf huis dat open is aan zijn twee uiteinden, en binnenin het huis en coaxiaal daarmee opgesteld twee identieke elektro-acoustische motoren, bijvoorbeeld twee stapelingen van piëzo-elektrische plaatjes die op één lijn staan en aan weerszijden van een centraal tegenwicht en tussen twee horens zijn geplaats. De buitenvlakken van de twee horens bevinden zich in het vlak van de axiale einden van het huis zodat zij in aanraking zijn met de vloeistof waarin het huis is gedompeld.

De buitenvlakken zenden in de vloeistof acoustische golven uit wanneer de elektro-acoustische motoren elektronisch worden aangestoten. Deze dubbel-tonpilz-omzetters worden in het bijzonder gebruikt voor het in een bepaalde richting uitzenden in het water van laagfrequente acoustische golven.

Eén van de problemen die worden gesteld door dit type omzetter is het elimineren van de acoustische golven die worden uitgezonden door de achterkanten van de hoorn.

Een oplossing voor dit probleem bestaat uit het gebruikmaken van dichte huizen die met gas zijn gevuld. Deze oplossing brengt met zich mee dat het huis weerstand moet bieden aan de druk bij onderdompeling die zeer hoog kan zijn.

Een andere oplossing bestaat uit het achter de horens plaatsen van statische massa's of statische dempers, zogenaamde "baffles" die de achterwaartse straling absorberen.

De uitvinding stelt nieuwe maatregelen voor het elimineren van de achterwaartse straling voor die een nieuwe oplossing van het gestelde probleem vormen.

Een werkwijze volgens de uitvinding is gekenmerkt doordat openingen in de zijwand van het huis worden gemaakt en in de door de wand, de achterkanten van de horens en de elektro-acoustische motoren begrensde holte elastische buizen worden geplaatst die aan hun beide einden gesloten zijn en die met gas zijn gevuld, en de afmetingen en de posities van de openingen en van de buizen zo worden bepaald dat de Helmoltz-frequentie van de holte in de buurt ligt van de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische geheel, gevormd door de elektro-acoustische motoren, het tegenwicht en de horens.

Volgens een voorkeurswerkwijze worden de afmetingen en posities van de zijdelingse openingen van het huis en van de elastische buizen zo bepaald dat de resonantiefrequentie volgens Helmholtz van de holte die is begrensd door het huis, door de achterkanten van de horens en door de elektro-acoustische motoren lager is dan de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische geheel dat bestaat uit de twee elektro-acoustische motoren, ue twee horens en het centrale tegenwicht, hetgeen als effect heeft het verbreden van de doorlaatband van de omzetter naar de lage frequenties.

De uitvinding heeft als resultaat een nieuwe omzetter van het dubbele tonpilz-type waarin de energie die wordt uitgestraald door de achterkanten van de horens grotendeels wordt gebruikt voor het in resonantie brengen van de holte die door het huis wordt bepaald en wel zo dat de invloed van deze straling buiten het huis niet tegengesteld van fase is met de straling die door de horens wordt uitgezonden en zo iedere storende inteferentie van de achterwaartse straling met de door de voorzijden van de horens uitgezonden golven wordt vermeden.

De omzettere volgens de uitvinding waarin de zijdelingse openingen van het huis, alsmede de buizen zijn bemeten en geplaatst zodat de Helmholtz-resonantiefrequentie lager is dan de grondfrequentie van de axiale trillingen van de twee elektro-acoustische motoren, van het tegenwicht en van de twee horens, zijn omzetters met een verbrede doorlaatband die verbreed is naar de lage frequenties. Bijvoorbeeld heeft een omzetter volgens de uitvinding met een grondfrequentie voor de axiale trillingen in de orde van 900Hz en een Helmholtz-resonantiefrequentie van de orde van 650 Hz een doorlaatband die ligt tussen 600 Hz en 1000 Hz met een zenderniveau teruggebracht op 1 meter en uitgedrukt in micropascal per front dat hoger is dan 130 dB in de gehele doorlaatband.

De volgende beschrijving verwijst naar de bijgevoegde tekeningen die zonder een beperkend karakter uitvoeringsvoorbeelden voorstellen van elektro-acoustische omzetters volgens de uitvinding.

Figuur 1 is een schematische axiale doorsnede van een elektro-acoustische omzetter volgens de uitvinding.

Figuur 2 is een axiale halve doorsnede van een eerste uitvoeringsvorm van een omzetter volgens de uitvinding.

Figuur 3 is een halve doorsnede in dwarsrichting van de uitvoeringsvorm volgens figuur 2.

Figuur 4 is een halve doorsnede in dwarsrichting van een tweede uitvoeringsvorm van een omzetter volgens de uitvinding.

Figuur 5 is een grafische voorstelling die de zendersterkte van een omzetter volgens de uitvinding als functie van de bekrach-tigingsfrequentie voorstelt.

Figuur 1 stelt een schematische axiale doorsnede voor van een elektro-acoustische omzetter van het type dubbel-tonpilz, voorzien van twee elektro-acoustische motoren la, lb die bijvoorbeeld twee stapelingen van piëzo-elektrische keramische plaatjes zijn. De twee motoren la, lb zijn aan weerszijden van een centraal tegenwicht twee geplaatst. Zij zijn tussen twee horens 3a, 3b geplaatst.

De motoren, het tegenwicht en de twee horens zijn uitgelijnd volgens een gemeenschappelijke as x xl.

Doorgaans is dit geheel geplaatst binnenin een stijf huis 4 dat in het algemeen een cylindervormig coaxiaal huis is dat aan zijn twee axiale einden open is waar zich de twee horens 3a, 3b bevinden waarvan de buitenvlakken in aanraking zijn met een vloeistof waarin het huis is gedompeld en waarvan deze buitenvlakken twee oppervlakken vormen die acoustische golven uitzenden in de vloeistof.

Dergelijke omzetters van het type dubbel-tonpilz zijn aan de vakman goed bekend.

Eén van de problemen die worden gesteld door dit type omzetter is dat van het elimineren of van het reduceren van de acoustische golven die worden uitgezonden door de achterkanten van de horens.

De uitvinding zorgt voor een nieuwe oplossing voor dit probleem.

Het huis 4 van een omzetter volgens de uitvinding is voorzien van zijdelingse openingen 5 waar doorheen de vloeistof in het inwendige van het huis doordringt. Het huis is voorzien van buizen 6 van een elastisch materiaal die aan hun beide einden zijn gesloten en die met gas zijn gevuld.

De buizen 6 bevinden zich in de holte 7 die wordt begrensd door de motoren la,lb, door de achterkanten van de horens en door de zijwanden van het huis 4. Bij voorkeur hebben zij een afgeplatte vorm en zijn zij met hun beschrijvende lijnen evenwijdig aan de as x xl geplaatst.

De door de achterkanten van de horens in de holte 7 uitgezonden acoustische golven vervormen de buizen op elastische wijze en de holte waarin de buizen zijn opgenomen, heeft een eigen frequentie die in resonantie kan komen met de aanstoot-frequentie. Dit verschijnsel is aan fysici bekend onder de aanduiding Helmholtz-resonantie.

Indien een houder met een stijve wand wordt beschouwd die een holte begrenst die met een fluïdum is gevuld en die in verbinding staat met de buitenwereld via een hals en indien het in deze holte aanwezige fluïdum acoustisch wordt aangestoten bij een zekere aanstootfrequentie komt een resonantie, de zogenaamde Helmholtz-resonantie, tot stand. In het onderhavige geval vervuld de holte 7 die de buizen 6 bevat, de functie van Helmholtz-holte en vormen de openingen 5 de hals van de holte.

Wanneer de horen trilt wekt hij een rechtoplopende flux van acoustische golven op met het voorvlak en een omgekeerde flux met het achtervlak die gelijk is aan de rechtoplopende flux maar tegengesteld van teken is.

Indien de Helmholtz-resonantiefrequentie van de holte 7 overeenkomt met de aanstootfrequentie laat de omgekeerde flux de holte 7 in resonantie komen en bevindt zich onder bepaalde omstandigheden de acoustische uitzending van de hals van de resonator, dat wil zeggen van de openingen 5, als het ware in fase met de rechtoplopende flux en is het verkregen geluidsniveau de vectorsom van de rechtoplopende flux en van de flux die door de hals van de resonator wordt uitgezonden.

De Helmholtz-resonantiefrequentie van een gegeven holte kan worden berekend of kan proefondervindelijk worden gemeten en dus kunnen de aard, de vorm, de afmetingen en de plaatsing van de buizen, evenals de afmetingen van de openingen 5 zo worden bepaald dat de Helmholtz-frequenties in de buurt zijn van de grondfrequenties van de axiale trillingen in compressie-dilatatie van het mechanische geheel dat wordt gevormd door de twee motoren la, lb, het tegenwicht 2 en de twee horens 3a, 3b.

Wanneer de Helmholtz-frequentie van de holte met zijn buizen in de buurt is van de zendfrequentie komt de Helmholtz-resonantie tot stand en dient het maximum van de door de achterkanten van de horens uitgestraalde acoustische energie voor het onderhouden van de Helmholtz-resonantie en blijkt dus de voortplanting naar buiten vanuit het huis van ongewenste acoustische golven duidelijk verzwakt te zijn.

Op voordelige wijze worden de buizen en de openingen 5 zo berekend dat de Helmholtz-resonantiefrequentie iets lager is dan de grondfrequentie van het mechanische geheel dat bestaat uit de dubbel-tonpilz-omzetter waardoor de doorlaatband van de omzetter naar de lage frequenties kan worden verbreed.

De figuren 2 en 3 zijn een axiale halve doorsnede, respectievelijk een halve doorsnede in dwarsrichting van een eerste uitvoeringsvorm van een omzetter volgens de uitvinding.

De gelijke delen zijn weergegeven met dezelfde verwijzingstekens in de figuren 1,2 en 3.

Het huis 4 is voorzien van een opening 5 langs de omtrek die symmetrisch is ten opzichte van het mediane vlak PP' loodrecht op de as x xl.

Het tegenwicht 2 draagt een centrale plaat 8 in de vorm van een schijf waarvan de buitendiameter praktisch gelijk is aan de binnendiameter van het huis 4.

De schijf draagt op zijn twee vlakken inkepingen waarin de buizen 6 die in figuur 3 zichtbaar zijn, worden opgenomen.

De buizen 6 zijn in figuur 2 ter wille van de duidelijkheid van de tekening niet voorgesteld.

Figuur 3 stelt een uitvoeringsvorm voor waarin de buizen 6 een afgeplatte vorm hebben en in radiale richting zijn geplaatst.

De schijf 8 draagt aan zijn omtrek 4 bevestigingsonderdelen 9 die in een kruis zijn geplaatst. Elk onderdeel 9 is aan de omtrek van de schijf bevestigd en is voorzien van twee armen 10 die zich aan weerszijden van de schijf uitstrekken en die zijn bevestigd door middel van bouten 11 aan de zijwanden van het huis 4 die zich aan weerszijden van de opening 5 uitstrekken. Deze onderdelen 9,10 hebben als functie het mechanisch met elkaar verbinden van de twee delen van het huis 4 die zijn gescheiden door de opening 5.

De afmetingen, de vorm, de aard en de plaatsing van de buizen 6, alsmede de afmetingen van de opening 5 variëren met de grootte van de omzetter. Zij zijn berekend zo dat de Helmholtz-resonantiefrequentie van de holte 7 met een hals 5 en bevattende de buizen 6 in de buurt ligt en bij voorkeur iets lager ligt dan de grondfrequentie van de axiale trillingen van de dubbel-tonpilz-omzetter.

De wanden van het huis 4 zijn dikke wanden van metaal of van een composietmateriaal die zeer stijf zijn en die niet trillen. De buizen 6 bestaan uit een zeer elastisch materiaal zoals verenstaal of een gelaagd materiaal van glasvezels of van koolstofvezels. De afgeplatte vorm van de buizen is een voorkeursvorm die de buigingstrillingen van de zijwanden van de buizen begunstigt.

Figuur 4 toont een halve doorsnede in dwarsrichting van een andere uitvoeringsvorm van een omzetter volgens de uitvinding. De gelijke delen zijn voorgesteld met dezelfde verwijzingstekens. In de uitvoeringsvorm zijn de buizen 6 niet in radiale richting geplaatst. Zij zijn waaiervormig geplaatst, dat wil zeggen dat elke buis schuin ten opzichte van de radiale richting is geplaatst.

Figuur 5 is een grafische voorstelling die langs de horizontale as de aanstootfrequentie en langs de verticale as de zendersterkte van een omzetter volgens de uitvinding , uitgedrukt in decibel, dat wil zeggen de logarithme van de druk in micropascal als verkregen voor een bekrachtiging met één volt, gemeten op 1 meter van de omzetter, voorstelt. Deze grafische voorstelling komt overeen met een omzetter die een zijdelingse opening 5 heeft met een breedte van 15cm en die 17 buizen 6 bevat.

De grafische voorstelling laat zien dat een doorlaatband wordt verkregen met een breedte die ligt tussen 600 Hz en 1000 Hz.

De kromme Cl stelt de zendersterkte SV op de as van de omzetter voor, en de kromme C2 de zendersterkte SV in een vlak loodrecht op de as van de omzetter.

Claims (10)

1. Werkwijze voor het uitzenden van acoustische golven met lage frequentie in een vloeistof door middel van een elektro-acoustische omzetter van de soort met een cylindervormig stijf huis (4) en daar binnenin twee identieke elektro-acoustische motoren (la,lb) die coaxiaal op een lijn in het huis staan en die aan weerszijden van een centraal tegenwicht (2) en tussen twee horens (3a,3b) zijn geplaatst die aan de axiale einden van het huis zijn opgesteld en waarvan de buitenoppervlakken in aanraking zijn met de vloeistof, met het kenmerk, dat openingen (5) in de zijwand van het huis worden gemaakt en in de door de wand (4), de achterkanten van de horens (3a,3b) en de elektro-acoustische motoren (la,lb) begrensde holte elastische buizen (6) worden geplaatst die aan hun beide einden gesloten zijn en die met gas zijn gevuld, en de afmetingen en de posities van de openingen (5) en van de buizen (6) zo worden bepaald dat de Helmholtz-frequentie van de holte (7) in de buurt ligt van de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische geheel, gevormd door de elektro-acoustische motoren (la,lb), het tegenwicht (2) en de horens (3a,3b).

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de afmetingen en de posities van de openingen (5) en van de elastische buizen (6) zo worden bepaald dat de Helmholtz-frequentie van de holte (7) lager is dan de gronfrequentie.

3. Elektro-acoustische omzetter van de soort voorzien van een cylindervormig huis (4), open aan zijn beide axiale einden, en binnenin dit huis van twee identieke elektro-acoustische motoren (la,lb) die aan weerszijden van een centraal tegenwicht (2) en tussen twee horens (3a,3b) zijn geplaatst die coaxiaal zijn geplaatst met het huis, welke horens zijn opgesteld aan de axiale einden van het huis zo dat hun buitenvlakken in aanraking zijn met de vloeistof en acoustische golven van lage frequentie in de vloeistof uitzenden wanneer de twee motoren elektrisch worden bekrachtigd, welk huis een holte (7) begrenst met de achterkanten van de horens (3a,3b) en met de elektro-acoustische motoren (la,lb), met het kenmerk, dat het huis (4) is voorzien van zijdelingse openingen (5) en van elastische buizen (6) die aan beide einden zijn gesloten en met gas zijn gevuld en in de holte (7) zijn geplaatst, waarbij de afmetingen en de posities van de zijdelingse openingen (5) en van de buizen (6) zo zijn bepaald dat de Helmholtz-resonantie-frequentie van de holte in de buurt ligt van de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische geheel, gevormd door de twee elektro-acoustische motoren (la,lb) het tegenwicht (2) en de horens (3a,3b).

4. Elektro-acoustische omzetter volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de afmetingen en posities van de zijdelingse openingen (5) en van de buizen (6) zo zijn bepaald dat de Helmholtz-resonantiefrequentie van de holte lager is dan de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische geheel, gevormd door de twee elektro-acoustische motoren (la,lb), het tegenwicht (2) en de horens (3a,3b).

5. Omzetter volgens conclusie 3 of 4, met het kenmerk, dat de buizen (6) afgeplatte buizen zijn.

6. Omzetter volgens conclusie 3,4 of 5, met het kenmerk, dat de buizen van elastisch staal zijn of gelaagd zijn, gewapend met glasvezels of koolstofvezels.

7. Omzetter volgens conclusie 3, 4,5 of 6, met het kenmerk, dat de buizen evenwijdig zijn aan de beschrijvende lijnen van het cylindervormige huis (4).

8. Omzetter volgens conclusie 5 en conclusie 7, met het kenmerk, dat de afgeplatte buizen zo zijn geplaatst dat de grootste lengte van hun afgeplatte doorsnede in radiale richting is gelegd.

9. Omzetter volgens conclusie 5 en conclusie 7,met het kenmerk, dat de afgeplatte buizen zo zijn geplaatst dat de grootste lengte van hun afgeplatte doorsnede een constante hoek maakt met de radiale richting.

10. Omzetter volgens één van de conclusies 3 t/m 9, met het kenmerk, dat hij is voorzien van een zijdelingse opening (5) die zich uitstrekt over de gehele omtrek van het huis (4) en die symmetrisch is ten opzichte van het symmetrievlak (PP') loodrecht op de as van het huis (4).