NO180180B - Anordning ved akustisk apparat - Google Patents

Description

Teknisk område

Oppfinnelsen angår en anordning som er særlig anvende-lig ved akustiske apparater som arbeider med forholdsvis lav frekvens. Aktuelle akustiske apparater kan arbeide både som giver, sender og mottaker av akustiske signaler. Et akustisk apparat der oppfinnelsen med stor fordel kan komme til anvendelse, er som såkalt Sonar, dvs. en sender som utsender lydbølger under vann, hvilke lydbølger etter refleksjon kan avlyttes av hydrofoner av forskjellige typer. Et annet område der oppfinnelsen kan komme til anvendelse, er i basshøyttalere for meget høy effekt.

Teknikkens stand, problemet

Det er et kjent faktum at lavfrekvente lydbølger kan vandre lengre strekninger gjennom vann enn hva som er tilfelle med høyfrekvente lydbølger. Det har også lenge eksistert et stort behov for kraftige, lavfrekvente lydsendere som kan arbeide under vann, både fra militært hold og fra havbasert olje- og gassindustri. Sådanne sendere har også vært tilgjengelige på markedet i lengre tid. En sammenfatning av akustiske sendere for sådanne formål er gitt i en artikkel med tittelen "Sonar transducer design incorporates rare earth alloy" i Defense System Review, november 1984, sidene 50-55.

De fleste akustiske sendere som benyttes i dag, er basert enten på den piezoelektrisk effekt eller på magnetostriksjon. Den piezoelektriske effekt innebærer som kjent at et krystallinsk materiale utsettes for en lengdeforandring når en elektrisk spenning påtrykkes på dets endeflater, henholdsvis at en spenning oppnås over dets endeflater når materialet utsettes for en fysisk deformasjon. Magnetostriksjon innebærer at et magnetisk materiale som utsettes for en forandring av den magnetiske fluks, utsettes for en lengdeforandring, henholdsvis at en ytre forårsaket lengdeforandring forårsaker en forandring i den magnetiske fluks. Dette innebærer at sendere som utnytter disse effekter, også i prinsipp kan benyttes som mottakere.

Det finnes flere forskjellige utførelsesformer av akustiske sendere. Ved lavfrekvente anvendelser er det vanlig at de har sylindrisk form med enten sirkulær eller elliptisk tverrsnittsflate.

Det største problem med denne type sender er å tilveiebringe tilstrekkelig stor amplitude på svingningene. Man vil her trenge enten en stor senderflate eller en liten senderflate med stor svingningsamplitude.

Fremkomsten av de såkalte høymagnetostriktive, magnetiske materialer har forbedret forutsetningene for å få gode akustiske sendere. Med sådanne materialer som drivelementer i senderne kan man få amplitudeendringer som stort sett kan bli opptil 100 ganger større enn tilsvarende med piezoelektriske materialer eller med vanlige magnetiske materialer. Sendere som utnytter disse høymagnetostriktive materialer, har eksistert på markedet i flere år.

En vanlig utførelsesform for selve driften skal beskrives nærmere med utgangspunkt i en sylindrisk sender med elliptisk tverrsnitt. Den sylindriske mantelflate består av en elastisk membran eller et elastisk skall. Inne i og parallelt med sylinderens akse og med anlegg mot skallet befinner det seg to trykkstaver. Stavenes tverrsnittsflate er symmetrisk speilvendt i forhold til ellipsens lille akse, og hver stav er avgrenset av den del av ellipsens kontur som vender mot enden.av den store akse, og en korde som er parallell med den lille akse. Mellom stavene og med anlegg mot deres planparallelle sider er det anordnet et elektrisk styrt drivelement i form av en drivstav. Drivstavens lengdeakse er sammenfallende med det ellipseformede tverrsnitts store akse og ligger midt mellom senderens endeflater. I det tilfelle hvor det er den magneto-striktive effekt som utnyttes, utgjøres drivstaven av et magnetisk materiale, og da hensiktsmessig av et høymagnetostrik-tivt materiale som med en omgivende vikling magnetiseres i takt med senderens ønskede frekvens. Dersom det er den piezoelektriske effekt som skal utnyttes, utgjøres drivstaven av et piezoelektrisk materiale. Drivstaven kan selvsagt i sin helhet eller bare med hensyn til visse deler bestå av et materiale med ønskede lengdeendringsmuligheter.

Den prinsipielle utforming av en akustisk sender som ovenfor beskrevet, kan være forskjellig med hensyn til selve detaljene. En akustisk sender med sylindrisk form og med elliptisk tverrsnittsf late, og med drivstaver av høymagnetostrik-tivt materiale, er beskrevet blant annet i den internasjonale patentsøknad med publiseringsnummer WO 86/03888, med tittelen '"A rare earth flextensional transducer".

Slik det har fremgått, er det ønskelig å få så store amplitudeendringer som mulig. Valget av den elliptiske tverrsnittsf lates form er derfor av stor betydning. Man kan konsta-tere at forholdet mellom ellipsens store og lille akse ofte velges lik 2:1. Dersom man med drivstavens hjelp oppnår en viss lengdeendring av den store akse, vil lengdeendringen av den lille akse bli 2-4 ganger så stor, alt etter skallets egenskaper og de øvrige detaljers utforming.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveibrakt en anordning ved en akustisk sender omfattende en membran som er anordnet som et elastisk rørformet skall, i det minste et inne i skallet anordnet drivorgan for membranens oscillerende bevegelse, samt inne i skallet og i aksial retning anordnede trykkstaver for overføring av drivorganets bevegelse til membranen, hvilken anordning er kjennetegnet ved at drivorganet dels består av et mellom tykkstavene anordnet, frigående legeme med utsparinger, og dels drivelementer i form av drivstaver som er parallelle med det rørformede skalls endeflater, og som er innfestet i trykkstavene og anordnet i utsparingene på en slik måte at legemet er sentrert inne i skallet og mellom trykkstavene.

Redegjørelse for oppfinnelsen

En anordning ifølge oppfinnelsen muliggjør vesentlig større amplituder enn de som kan oppnås med de tidligere omtalte sylindriske, akustiske sendere. Man utgår fra en konstruksjon som den foran beskrevne, med en elastisk membran eller skall og to indre trykkstaver ved den store akses ender. Inne i skallet og i senderens hele aksiale lengde befinner det seg et drivorgan som blant annet omfatter et legeme som stort sett fyller det indre rom. Dette legeme har mot trykkstavene planparallelle sider og for øvrig mantelflater som tilsvarer skallets elliptiske kontur. Legemet er festet til senderen ved dens endeflater og har for øvrig en viss avstand både til trykkstavene og skallets innerflate.

En økning av senderens amplituder i forhold til den beskrevne konstruksjon kan skje ved at drivorganet foruten • legemet omfatter et arrangement med et elektrisk styrt drivele ment som omfatter flere drivstaver, hensiktsmessig av høymagneto-striktivt materiale. På denne måte kan man tilveiebringe en vesentlig større kraft mellom trykkstavene enn ved de nevnte tidligere konstruksjoner. Til den ene av trykkstavene festes en første drivstav med sin lengdeakse i ellipsens storakseretning og plassert midt mellom senderens endeflater. Parallelt med denne første drivstav og like langt på hver sin side av denne er det til den andre trykkstav festet to likedanne drivstaver, heretter kalt andre henholdsvis tredje drivstav. I det nevnte legeme er det dannet utsparinger som hver rommer en drivstav med omgivende magnetiseringsanordning. Utsparingenes aksiale lengde er slik tilpasset at legemet via drivstavene er sentrert i senderen.

Tverrsnittsarealet av hver av de andre og tredje drivstaver skal være omtrent like stort som halve tverrsnittsarealet av den første drivstav. Dersom man sier at den kraft som ved et visst tverrsnittsareal utvikles i hver av de andre og tredje drivstaver ved disses lengdeforandring, er lik F, må den første midterste drivstav, da trykkbalanse råder, utvikle en kraft som er lik 2F. Derved oppnås også en stort sett dobbelt så stor lengdeendring av sendertverrsnittets storakse, med påfølgende fordobling av lilleaksens tilsvarende bevegelse, _som ved den sender som er beskrevet under teknikkens stand.

På grunn av den symmetriske konstruksjon vil ikke noe dreiende moment påvirke senderen.

Det beskrevne konsept kan videreutvikles på flere forskjellige måter. Ved å øke drivstavenes tverrsnittsareal med bibeholdt tverrsnittsforhold mellom drivstavene vil den utviklede kraft øke i samme proporsjon. Tverr snitt søkningen kan også skje ved at antallet av parallelle drivstaver økes.

Ytterligere øket amplitude eller slaglengde kan oppnås dersom flere drivorganer ifølge ovenstående seriekoples.

Kort beskrivelse av tegningen

Fig. 1, 2 og 3 viser forskjellige snitt gjennom en akustisk sender med sylindrisk form og med en elliptisk tverrsnittsf late. Fig. 1 og 2 viser snitt parallelle med senderens endeflater, og fig. 3 viser et snitt i senderens lengderetning gjennom det elliptiske tverrsnitts store akse.

Beskrivelse av utførelsesformer

En foretrukket utførelsesform av en akustisk sender omfattende en anordning ifølge oppfinnelsen for oppnåelse av øket amplitude er vist på de ledsagende figurer 1, 2 og 3. Slik det fremgår, har senderen en sylindrisk form med et elliptisk tverrsnitt. Den har en ytre mantel i form av en membran eller et skall 1 og to elliptiske endeflater 2 og 3. Inne i skallet og parallelt med sylinderens akse befinner det seg to trykkstaver 4 og 5. Slik det fremgår av figurene, har stavene tverrsnitts-flater som er symmetrisk speilvendt i forhold til den lille akse. Hver stav er avgrenset av den del av ellipsens/skallets indre kontur/mantelflate som vender mot storaksens ende, og en korde eller et plan som er parallelt med lilleaksen.

Størstedelen av det i skallet resterende, indre rom er opptatt av senderens drivorgan som omfatter et legeme 6 som har samme aksiale lengde som senderen. Legemet har aksiale, planparallelle flater 7 og 8 mot trykkstavene, og mantelflater 9 og 10 som i hovedsaken tilsvarer skallets elliptiske mantelflate. Legemet er festet til giverens endeflater ved 11 og 12, men har for øvrig tilstrekkelig klaring mot trykkstaver og skall, slik at skallets oscillerende bevegelse når senderen er i funksjon, ikke hindres. Legemet er også forsynt med tre utsparinger 13, 14 og 15 hvis plassering og hensikt skal forklares nærmere nedenfor.

Drivorganet omfatter videre drivelementer i form av et antall drivstaver. Til den ene trykkstav 5 er det festet en første drivstav 16 med sin lengdeakse i storaksens retning og plassert midt mellom senderens endeflater. Parallelt med denne første drivstav og like langt på hver sin side av denne er det til den andre trykkstav 4 festet to liknende drivstaver 17 og 18 som kalles henholdsvis den andre og den tredje drivstav. Samtlige tre drivstaver er omgitt av hver sin anordning 19, 20 og 21 for magnetisering. Utsparingene i ovennevnte legeme 6 er slik tilpasset med hensyn til plassering og dimensjoner at drivstavene med omgivende magnetiseringsanordninger har radial klaring mot legemet. Utsparingenes aksiale lengde er imidlertid tilpasset slik at legemet via drivstavene er sentrert i senderen.

Slik som omtalt under redegjørelsen for oppfinnelsen, kan alternative utførelser med flere drivstaver meget vel komme til anvendelse. På samme måte kan flere drivorganer koples i

serie for å få større amplitude/slaglengde.

Anordningen som tillater økt amplitude/slaglengde, kan med fordel også komme til anvendelse ved sendere som har andre tverrsnitt enn elliptiske, eksempelvis sirkulære tverrsnitt, og også når andre enn høymagnetostriktive drivstaver, eksempelvis piezoelektriske drivstaver, inngår i senderen.

Drivstavene har i en foretrukket utførelsesform en sirkulær tverrsnittsflate, men kan selvsagt også ha annen form.

De trykkstaver som i den ovenfor beskrevne utførelse benyttes for å overføre drivorganets bevegelse til membranen, kan selvsagt utføres på flere forskjellige måter, eksempelvis mer eller mindre integrert i membranen, eller slik som vist i den foran omtalte publikasjon WO 86/03888.

Det beskrevne drivorgan kan også med fordel komme til anvendelse ved andre typer av akustiske sendere, eksempelvis i såkalte stempelsendere, høyttalere m.m. I slike tilfeller kan det være nødvendig med en viss anvendelsesbundet tilkopling av drivorganet til den aktuelle membran.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan komme til anvendelse når det i senderen inngår andre enn elektrisk styrte drivelementer, eksempelvis hydraulisk eller pneumatisk m.m. styrte drivelementer.

Claims (8)

1. Anordning ved en akustisk sender omfattende en membran (1) som er anordnet som et elastisk, rørformet skall, i det minste ett inne i skallet anordnet drivorgan for membranens oscillerende bevegelse, samt inne i skallet og i aksial retning anordnede trykkstaver (4, 5) for overføring av drivorganets bevegelse til membranen, KARAKTERISERT VED at drivorganet dels består av et mellom trykkstavene anordnet, frigående legeme (6) med utsparinger (13, 14, 15), og dels drivelementer i form av drivstaver (16, 17, 18) som er parallelle med det rørformede skalls endeflater, og som er innfestet i trykkstavene og anordnet i utsparingene på en slik måte at legemet er sentrert inne i skallet og mellom trykkstavene.

2. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det samlede tverrsnittsareal av drivstaver som er innf estet i den ene trykkstav, er lik det samlede tverrsnittsareal av drivstaver som er innfestet i den andre trykkstav.

3. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at en drivstav (16) er innfestet i den ene trykkstav (5), og at to drivstaver (17, 18) er innfestet i den andre trykkstav (4).

4. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at det rørformede skall har en elliptisk tverrsnittsflate.

5. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at drivstavene er utformet av et høymagneto-striktivt materiale.

6. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at drivstavene er utformet av et vanlig magnetisk materiale.

7. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at drivstavene er utformet av et piezoelektrisk materiale.

8. Anordning ved en akustisk sender ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at drivelementet omfatter anordninger (19, 20,