NL8900961A - Elektro-acoustische omzetter met een buigzame en dichte uitzendende schaal. - Google Patents

Description

Elektro-acoustische omzetter met een buigzame en dichte uitzendende schaal.

De uitvinding heeft betrekking op een elektro-acoustische omzetter die is voorzien van een buigzame en dichte uitzendende schaal.

Het gebied van de techniek van de uitvinding is dat van de onder water-acoustiëk.

Bekend zijn elektro-acoustische omzetters die worden gebruikt voor het in het water uitzenden van acoustische golven met lage frequentie in de orde van grootte van 1 kHz en die zijn voorzien van een motor die in het algemeen bestaat uit een stapeling van piëzo-elek-trische keramische elementen die binnenin een dichte omhulling of schaal is geplaatst die het uitzendende oppervlak in aanraking met het water vormt.

Dergelijke omzetters zijn bekend onder de naam van buigstrek-omzetters. Deze kunnen worden geclassificeerd in vier klasses volgens de algemene vorm van de schaal.

Klasse I komt overeen met schalen die een omwentelingsopper-vlak zijn rondom een as en een ellipsoldale vorm hebben en zijn voorzien van een enkele motor die bestaat uit een stapeling die is geplaatst volgens de lange as van de ellipsoïde en die mechanisch en acoustisch is gekoppeld met de uiteinden van de lange as van de schaal.

Devervormingenbij strekken en comprimeren volgens de lange as brengen vervormingen in buiging van de schaal met zich waarvan de amplitude maximaal is in het mediale vlak loodrecht op de lange as.

Klasse II komt overeen met omzetters waarvan de schaal de vorm heeft van een schijf of ring die een omwentelingslichaam is rondom een as loodrecht op het vlak van de schijf of de ring. Dergelijke omzetters zijn voorzien van piëzo-elektrische motoren die in radiale richting rondom de as zijn geplaatst en met hun uiteinden zijn gekoppeld met de schaal die dan vervormingen in buiging vertoond die maximaal zijn in de richting van de as.

Klasse III komt overeen met omzetters waarvan de schaal twee verdikkingen vertoont aan zijn twee uiteinden en een vorm heeft die lijkt op die van een bot of van een diabolo.

Klasse IV komt overeen met omzetters waarvan de schaal de vorm heeft van een cylindervormige koker die wordt begrensd door rechte beschrijvingslijnen die zijn gebaseerd op een ellipsvormige dwarsdoorsnede of op een gesloten kromme die in een middengedeelte een insnoe-ringskant vertonen. In dit geval is de omzetter in het algemeen voorzien van een aantal motoren die onderling evenwijdig zijn en die zijn opgesteld in vlakken die loodrecht staan op de beschrijvende lijnen van de schaal en die zijn gekoppeld met de schaal aan hun twee uiteinden.

De uitvinding heeft in het bijzonder, maar niet uitsluitend betrekking op buigstrek-omzetters uit de klasse IV.

De buigstrek-omzetters bieden algemeen bekende voordelen.

Zij kunnen acoustische golven met lage frequentie uitzenden want hun zendfrequentie is de resonantiefrequentie van de buigings-vervormingen van de schaal en de buigingsfrequenties zijn lage frequenties in de orde van 1 kHz of minder.

Het zijn compacte omzetters met een groot vermogen. Zij versterken de amplitude van de trillingen van de piëzo-elektrische stapeling krachtig als gevolg van de omstandigheid dat de dilatatie-compressie-verplaatsingen langs de as van de stapeling worden omgezet in buigingstrillingen van de schaal waarvan de maximale amplitude duidelijk groter is dan de verplaatsingen van de uiteinden van de schaal die mechanisch zijn gekoppeld met de uiteinden van de piëzo-elektrische motor of motoren.

Evenwel hebben de buigstrek-omzetters die tot nu toe bekend zijn, een koppelingscoëfficiënt tussen de schaal en de piëzo-elektrische motor die betrekkelijk gering is, maximaal in de orde van 25%, en hebben zij een betrekkelijk smalle doorlaatband met een middenfre-quentie die de eigenfrequentie is van de buigingsvervormingen van de schaal die door de motoren wordt bekrachtigd.

Het doel van de uitvinding is het verkrijgen van een nieuwe buigstrek-omzetter die een koppelingscoëfficiënt tussen de schaal en de piëzo-elektrische motoren vertoond die duidelijk is verbeterd, en die bovendien een bredere doorlaatband vertoond.

Een elektro-acoustische omzetter volgens de uitvinding is een buigstrek-omzetter, dat wil zeggen een omzetter die is voorzien van één of meer elektro-acoustische motoren, in het algemeen stapelingen van piëzo-elektrische keramische elementen, welke motor of motoren zijn opgesteld binnenin een dichte en buigzame schaal en met hun twee uiteinden acoustisch zijn gekoppeld met de schaal die in aanraking is met een vloeistof en de rol speelt van uitzendend oppervlak.

Het doel van de uitvinding wordt bereikt met behulp van een omzetter waarin elke elektro-acoustische motor aan zijn twee uiteinden is voorzien van een tegenwicht dat mechanisch is gekoppeld met de schaal en met de motor en zo is bepaald dat de grondfrequentie van de axiale trillingen van het geheel gevormd door de motor en de twee tegenwichten in de buurt ligt van de eigenfrequentie van de bui-gingstrillingen van de schaal.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm zijn de tegenwichten zo gekozen dat de grondfrequentie van de axiale trillingen van het geheel gevormd door de motor en de twee tegenwichten iets hoger is dan de eigenfrequentie van de buigingstrillingen van de schaal, hetgeen als gevolg heeft het door het effekt van de koppeling van de twee vul-lingswijzen verbreden van de doorlaatband van de omzetter zowel naar de lage frequenties als naar de hoge frequenties.

De uitvinding heeft als resultaat een nieuwe elektro-acoustische omzetter van het buigstrek-type, bestemd om in het water in de lage frequenties in de orde van 1 kHz of lager uit te zenden.

De omzetters volgens de uitvinding vertonen de bekende voordelen van de buigstrek-omzetters. Bovendien kunnen zij een bredere doorlaatband opleveren, in het bijzonder naar de lage frequenties en kunnen zij dus uitzenden met een goed rendement door het gehele gebied van de lage frequenties dat bijvoorbeeld kan gaan van 0,5 kHz tot 1 kHz, af te tasten. De breedte van de doorlaatband van een omzetter volgens de uitvinding die is uitgevoerd met tegenwichten, is ongeveer anderhalf maal die van dezelfde omzetter zonder tegenwichten.

Bovendien is de elektro-acoustische koppelingscoëfficiënt van een omzetter volgens de uitvinding in de orde van 40% terwijl deze in de orde van 25% is voor buigstrek-omzetters zonder tegenwichten.

Ervan uitgaande dat het acoustische vermogen dat wordt uitgezonden door een omzetter, evenredig is met het kwadraat van de acoustische koppelingscoëfficiënt wordt dus een aanzienlijke vergroting van het acoustische vermogen verkregen dat wordt vermenigvuldigd met drie of vier bij eenzelfde omvang en voor eenzelfde elektrisch bekrach-tigingsveld van de keramische elementen.

De volgende beschrijving verwijst naar de enige figuur die een uitvoeringsvoorbeeld voorstelt van een omzetter volgens de uit- vinding.

De enige figuur stelt een halve doorsnede voor van een buigstrek-omzetter. Deze halve doorsnede stelt bijvoorbeeld een axiale halve doorsnede van een buigstrek-omzetter van klasse I voor, welke een omwentelingslichaam is om een as x x' en symmetrisch is ten opzichte van een mediaanvlak PP' loodrecht op de as.

Deze halve doorsnede kan ook een dwarsdoorsnede zijn van een buigstrek-omzetter van de klasse IV die is voorzien van een schaal in de vorm van een cylindervormige koker waarvan de beschrijvende lijnen loodrecht staan op het vlak van de figuur en die symmetrisch is ten opzichte van twee onderling loodrechte vlakken, het mediale vlak PP' en een vlak x x' in langsrichting die beide evenwijdig zijn aan de beschrijvende lijnen van de schaal en welke omzetter een aantal piëzo-elektrische motoren bevat die onderling evenwijdig zijn en waarvan de assen liggen in het symmetrievlak x x'.

De omzetters volgens de uitvinding zijn zogenaamde buigstrek-omzetters die één of meer elektro-acoustische motoren 1 bevatten die in het algemeen stapelingen zijn van piëzo-elektrische keramische elementen la, lb, ..., In, maar die kunnen worden vervangen door mag-netostrictieve motoren.

De motor of motoren zijn opgesloten in een dichte en buigzame schaal 2 die in aanraking is met het zeewater en die een holte 3 begrenst die met gas is gevuld en waarin zich de piëzo-elektrische motoren bevinden.

De schaal 2 heeft een eivorm of de schaal is een omwentelings-oppervlak of heeft een ovale dwarsdoorsnede of heeft de vorm van een cylindervormige koker zodat de schaal twee einden of uiteinden 2a heeft met een zeer duidelijke kromming, dat wil zeggen een zeer geringe kromtestraal, en de schaal is in zijn middengedeelte, dat wil zeggen in het mediane vlak PP', voorzien van oppervlaktegebieden die een minder uitgesproken kromming hebben.

De twee uiteinden 2a zijn mechanisch gekoppeld met de uiteinden van de elektro-acoustische motor of motoren.

Wanneer deze elektrisch worden bekrachtigd worden de keramische elementen la, lb, ..., In tegelijkertijd axiaal vervormd, dat wil zeggen overeenkomstig dilatatie-compressie-trillingen die evenwijdig zijn aan de as x x' en tegelijk in radiale richting. De axiale verplaatsingen zijn in zeer aanzienlijke mate overwegend.

De axiale vervormingen van de elektro-acoustische motoren worden mechanisch overgebracht naar de uiteinden 2a van de schaal en deze verplaatsingen brengen buigingsvervormingen van de schaal met zich en in het bijzonder vervormingen evenwijdig aan het mediane vlak PP1. De amplitude van deze vervormingen is maximaal in het vlak PP' en duidelijk groter dan de amplitude van de axiale trillingen van de elektro-acoustische motoren.

De buigstrek-omzetters zijn bekend en het is overbodig deze omzetters met meer bijzonderheden te beschrijven. Het enige wat moet worden onthouden is dat zij de dilatatie-compressie-verplaatsingen (langsverplaatsing) van een elektro-acoustische motor omzetten in een buigingsverplaatsing van een schaal, vandaar de naam buigstrek-omzetter.

De buigstrek-omzetters kunnen in het water acoustische golven met een lage frequentie uitzenden, in de orde van 1 kHz, zonder dat zenders moeten worden gebruikt met grote afmetingen en een hoog gewicht, hetgeen een groot voordeel is.

De zendfrequentie van de buigstrek-omzetters is de eigenfre-quentie van de buigingstrillingen van de schaal die dienst doet als uitzendend oppervlak, hetgeen de mogelijkheid geeft uit te zenden met een lage frequentie want de eigenfrequenties van de buiging van een schaal die in het water is geplaatst, zijn in de orde van 0,5 tot 2 kHz en dus duidelijk lager dan de grondfrequentie van de axiale trillingen van een stapeling van piëzo-elektrische keramische elementen die in de orde van 8 kHz is.

Evenwel hebben tot nu toe bekende buigstrek-omzetters een betrekkelijk smalle doorlaatwand die is gecentreerd op de eigenfrequen-tie van de buigingstrillingen van de schaal.

De piëzo-elektrische motoren waarmee de omzetters zijn uitgerust, moeten worden aangestoten met een frequentie die enkele octaven lager is dan hun grondfrequentie, dat wil zeggen de eigenfrequentie van de axiale trillingen.

De omzetting van elektrische energie in acoustische energie die door middel van de elektro-acoustische motoren wordt tot stand gebracht, is dus niet optimaal. Bovendien is het moeilijk de elektro-mechanische koppeling en dus de elektro-acoustische koppeling tussen de uiteinden van een stapeling van keramische elementen en de uiteinden van de schaal tot stand te brengen en de ervaring toont dat de elektro-acoustische koppelingscoëfficiënt van de bekende buigstrek-omzetters in het algemeen in de orde van 25% bedraagt, hetgeen het nuttige acoustische vermogen van deze omzetters aanzienlijk beperkt.

Het doel van de uitvinding is het construeren van buigstrek-omzetters met een grotere doorlaatband, in het bijzonder naar de lage frequenties, en met een verbeterde elektro-acoustische koppelingscoëfficiënt in vergelijking met omzetters van deze soort die tot nu toe bekend zijn.

Dit doel is kunnen worden bereikt met behulp van omzetters die zijn voorzien van twee tegenwichten 4 die aan de twee uiteinden van de motor zijn geplaatst en die mechanisch en acoustisch daarmee zijn gekoppeld, alsmede met de uiteinden 2a van de schaal 2.

Het geheel, gevormd door de elektro-acoustische motor en de twee tegenwichten, vormt een mechanisch stelsel, veer en massa*s, met gelokaliseerde constanten en de waarde van deze constanten kan worden berekend zodat het stelsel een bepaalde grondfrequentie heeft in de buurt van de eigenfrequentie van de buigingstrillingen van de schaal, hetgeen de mogelijkheid geeft een verbrede doorlaatband te verkrijgen die twee naburige toppen bevat.

Technisch is het gemakkelijker de afmetingen van de motor en van de twee tegenwichten zo te kiezen dat de grondfrequentie van de axiale trillingen van het mechanische stelsel iets hoger is dan de eigenfrequentie van de buigingstrillingen van de schaal. Dit heeft tot gevolg door het effekt van de koppeling van de twee trillingswij-zen de doorlaatband zowel naar de lage frequenties als naar de hoge frequenties te verbreden. Bijvoorbeeld wordt een omzetter verkregen waarvan de schaal een buigingsfreguentie van 0,8 kHz heeft en waarvan het door de motor en de twee tegenwichten gevormde stelsel een grondfrequentie van 1 kHz heeft. Zo wordt een omzetter verkregen met twee naburige resonantiefrequenties en een verbrede doorlaatband die ligt tussen 0,6 kHz en 1,2 kHz.

Omdat het door de stapeling 1 van piëzo-elektrische keramische elementen en de twee tegenwichten 4 gevormde stelsel kan worden gelijkgesteld aan een mechanisch stelsel van veer en massa met gelokaliseerde constanten moet de massa van de stapeling gering zijn ten opzichte van die van de tegenwichten en moet de elasticiteit van de stapeling in de richting X X' groot zijn ten opzichte van die van de tegenwichten.

Indien de diameter van de keramische elementen wordt verminderd, wordt het gevaar van knikken van de stapeling benadrukt hetgeen ongewenst is omdat dit zonder noodzaak energie verbruikt en een mechanische vermoeiing van de keramische elementen met zich brengt. Het probleem wordt opgelost door de inwendige diameter en de uitwendige diameter van de plaatjes van keramisch materiaal la, 1b, ..., In te vergroten, hetgeen als effekt heeft dat deze minder gevoelig worden voor de buiging waarbij toch de massa van de keramische elementen wordt verminderd. Bijvoorbeeld heeft de stapeling 1 een hoogte van 20 cm en bevat zij 20 plaatjes van keramisch materiaal la, lb, ...,

In in de vorm van ringetjes met een buitendiameter van 50 mm en zijn de tegenwichten van staal en hebben deze een massa van 3 kg. De schaal 2 is van een aluminiumlegering, bijvoorbeeld van AU4G.

De enige figuur stelt een uitvoeringsvorm voor van de mechanische koppeling tussen de stapeling 1, de tegenwichten en de schaal.

De beide tegenwichten 4 hebben een doorsnede in de vorm van een trapezium waarvan de grote zijde is geplaatst aan de kant van de stapeling 1 en is voorzien van een onderbrenging in de vorm van een uitholling 5 waarin een uiteinde van de stapeling van keramische elementen steekt.

De twee tegenwichten zijn voorzien van een axiale boring waarin een stang 6 van staal ligt die de tegenwichten verbind waarbij het door de ruimte 7 gaat die middenin de keramische elementen is gesitueerd. De stang 6 gaat tot voorbij de twee tegenwichten door de twee boringen die in axiale richtingen door de uiteinden 2a van de schaal 2 zijn gestoken. De schaal 2 kan worden gevormd uit twee symmetrische halve schalen die symmetrisch zijn ten opzichte van het symmetrie-vlak x x'.

De twee uiteinden van de stang 6 zijn van schroefdraad voorzien en twee moeren 8 zijn op deze van draad voorziene einden geschroefd en steunen op de bodem van een holle onderbrenging 9 in de uiteinden 2a van de schaal.

Het schroeven van de moeren brengt de stang 6 onder spanning en drukt de uiteinden van de schaal stevig tegen de tegenwichten en deze laatste tegen de uiteinden van de stapeling waardoor een goede mechanische en acoustische koppeling tussen deze elementen tot stand komt.

Volgens een met stippellijn aangegeven variant kan het buiten- oppervlak van elk tegenwicht zijn voorzien van een onderbrenging 10 in de vorm van een holte waarin een tweede moer 11 is ondergebracht die op de van draad voorziene stang 6 is geschroefd.

In dit geval worden eerst de stapeling van keramische elementen en de twee tegenwichten door middel van twee moeren 11 op de stang 6 bevestigd hetgeen een mechanische koppeling van de tegenwichten en de stapeling van keramische elementen tot stand kan brengen, waarna dit gereedgemaakte geheel in de schaal 2 wordt geplaatst en de twee moeren 8 worden opgeschroefd om de mechanische koppeling tussen de schaal en het gereedgemaakte geheel te verkrijgen. De tot stand gebrachte koppelingscoëfficiënt is van de orde van 40 tot 45%.

Bekend zijn elektro-acoustische omzetters van het tonpilz-type die een stapeling van keramische elementen bevatten die tussen een hoorn en een tegenwicht die funktioneert als vast punt, is geplaatst.

In de hier besproken toepassing vervullen de tegenwichten 4 die tussen de twee uiteinden van de stapeling en de twee uiteinden van de schaal zijn geplaatst, een geheel andere funktie die is het verlagen van de grondfrequentie van de motor om deze in de buurt van de eigenfrequentie van de buigingstrillingen van de schaal te brengen teneinde de doorlaatband van een buigstrek-omzetter te verbreden.

De enige figuur stelt een omzetter voor die bovendien op bekende wijze een afdichtingshuid 12 omvat die de omzetter geheel omhult en die bestaat uit een elastomere film.

De tegenwichten 4 zijn van een metaal met een hoge elastici-teitscoëfficiënt E zoals staal, messing, wolfraam teneinde geen storende elastische vervormingen van de tegenwichten te introduceren en een goede mechanische koppeling te verkrijgen.

Claims (5)

1. Elektro-acoustische omzetter van de soort met tenminste een elektro-acoustische motor (1) die binnenin een dichte en buigzame schaal (2) is geplaatst en acoustisch, door middel van zijn twee uiteinden (2a), met de schaal (2) is gekoppeld die het uitzendende oppervlak in aanraking met een vloeistof vormt, met het kenmerk, dat elke elektro-acoustische motor (1) aanzijn twee uiteinden is voorzien van een tegenwicht (4) dat mechanisch met de schaal (2) en met de motor (1) is gekoppeld en die zo is bepaald dat de grondfrequen-tie van de axiale trillingen van het geheel, gevormd door de motor (1) en de twee tegenwichten (4), in de buurt ligt van de eigenfrequen-tie van de buigingstrillingen van de schaal (2).

2. Elektro-acoustische omzetter volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de tegenwichten (4) zo zijn gekozen dat de grondfrequen-tie van het geheel, gevormd door de motor (1) en zijn twee tegenwichten (4), iets hoger is dan de eigenfrequentie van de buigingstrillingen van de schaal (2)en wel zo dat de doorlaatband van de omzetter wordt verbreed naar de lage en naar de hoge frequenties.

3. Omzetter volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de tegenwichten (4) op hun inwendig oppervlak zijn voorzien van een holle onderbrenging (5) waarin een uiteinde van de piizo-elektrische motor (1) is geklemd.

4. Omzetter volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat hij is voorzien van een stapeling van piëzo-elektri-sche keramische elementen (la, lb, ..., In) die de vorm hebben van ringetjes die een centrale lege ruimte (7) omgeven, een axiale stang (6) van metaal die de twee tegenwichten met elkaar verbind waarbij hij door de centrale ruimte (7) gaat en die door de twee tegenwichten heen gaat en door de twee uiteinden (2a) van de schaal (2) en twee moeren (8) die op de van schroefdraad voorziene uiteinden van de axiale stang zijn geschroefd, en die steun vinden op de uiteinden van de schaal waarbij zij de stang onder spanning brengen, zodat deze spanning tegelijk de stapeling van keramische elementen, de twee tegenwichten en de twee uiteinden van de schaal samendrukt en zorgt voor een goede mechanische en acoustische koppeling daarvan.

5. Omzetter volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het buitenoppervlak van elk van de tegenwichten is voorzien van een holle onderbrenging (10) waarin een tweede moer (11) is ondergebracht die op de axiale stang (6) is geschroefd en die steun vindt op het tegenwicht zodat de stang gespannen kan worden en mechanisch en acoustisch de twee tegenwichten en de stapeling van piëzo-elektrische keramische elementen kan koppelen.