NO313120B1

NO313120B1 - Segmenterte ring-transdusere

Info

Publication number: NO313120B1
Application number: NO19964710A
Authority: NO
Inventors: Steven John Falcus
Original assignee: Secr Defence
Priority date: 1994-05-09
Filing date: 1996-11-07
Publication date: 2002-08-12
Also published as: DE69512653D1; WO1995030496A1; DE69512653T2; NO964710D0; AU684650B2; CA2189554A1; EP0758930A1; GB9409133D0; CA2189554C; US5739625A; NO964710L; AU2891395A; EP0758930B1

Description

Oppfinnelsen gjelder transdusere som anvender segmenterte ringer av piezoelektriske, keramiske blokker som utnyttes som lydprosjektører i undervannsanvendelser, og særlig arrangementer for å påføre sådanne piezoelektriske blokker en forspenning.

En transduser som vanligvis brukes for lavfrekvent drift med høy utgangseffekt er den bøyespenningstransduser som er beskrevet i GB-patent nr. 2 211 693 og nr. 2 209 645. En ulempe ved sådanne transdusere er at dybdekompensasjonsarrangementer må anordnes for drift på dypt vann, hvis ikke vil det foreligge et tap med hensyn til ytelseslinearitet. Fritt overstrømte ring-transdusere behøver imidlertid ingen dybdekompensasjon.

Vanlige ring-transdusere består av et antall lineære stabler av rektangulært formede blokker av piezoelektrisk, keramisk material adskilt med skrådde kiler for å danne en ringanordning. Den segmenterte ring fordrer forspenning som en aktiv transduser, hvis ikke vil de mekaniske koblinger mellom de keramiske blokker og mellom blokkene og kilene svikte eller unnlate å virke når en vekselspenning på et visst nivå påføres de piezoelektriske elementer. Således vil den brukbare vekselspenning bli forholdsvis lav og begrense transduserens akustiske utgangseffekt. Kjente transdusere utnytter et sammenpresningsbånd omkring den ytre omkrets av den segmenterte ring for å holde keramikken og kilene under kompresjon. Den piezoelektriske keramikk er polsatt og drives i sin tykkelsesmodus med et elektrisk vekselspenningssignal som er rettvinklet på kraften påført ved hjelp av forspenningsbåndet.

Det konvensjonelle forspenningsarrangement er ikke ideelt siden keramikken ikke forspennes i retningen av sin tykkelsesmodus. Akustiske høyeffektsmålinger på sådanne kjente segmenterte ringer har vist at disse innretninger er tilbøyelige til å forvrenge. Dette kommer tydligvis av at den mekaniske sammenføyning svikter på grunn av manglende forspenning utøvet av forspenningsbåndet på den segmenterte ring. Det konvensjonelle forspenningsbånd er dannet omkring den segmenterte ring ved hjelp av en trådviklingsprosess. Med sådanne prosesser er det vanskelig å måle og nøyaktig styre mengden av forspenning som utøves på den segmenterte ring. Videre er det funnet at det foreligger en uviss reduksjon i den innledningsvise mengde forspenning på grunn av fiberavslapning.

US-patent nr. 3 043 967 beskriver en ring-transduser som omfatter et antall krumme ringséksjoner, som hver omfatter et antall rektangulære piezoelektriske, keramiske

I

blokker med divserse skrådde kiler plassert i innbyrdes avstand innenfor seksjonen. De piezoelektriskJ, keramiske blokker er imidlertid forspent ved utnyttelse av forspenningsbånd og lider derfor av de tidligere skisserte problemer.

Formålet for oppfinnelsen er å fremskaffe en segmentert ring-transduser som overvinner forspenningsvanskelighetene ved de kjente transdusere.

Oppfinnelsen fremskaffer en segmentert ring-transduser som omfatter flere krumme ringséksjoner som er koblet sammen, idet hver krum ringseksjon omfatter flere rektangulære piezoelektriske, keramiske blokker ordnet i en stabel med en eller flere skrådde kiler passert i innbyrdes avstand i stabelen, og som har som særtrekk at den piezoelektriske stabel sammenstilles mellom motstående endekoblinger, idet de motstående endekoblinger i en ringseksjon er forbundet med hverandre ved hjelp av forspenningsbolter for å holde ringseksjonsammenstillingen sammen.

Ideelt er de krumme ringséksjoner i ring-transduseren identiske. De inntilliggende krumme ringséksjoner kan være forbundet med hverandre ved hjelp av ytterligere bolter.

Ring-transduseren kan formes til en komplett ring eller en splittet ring hvor et krumt parti av ringen mane ler. Den splittede ring kan dannes ved å utelate en eller flere identiske krumme ringséksjoner eller ved å utelate et krumt parti av ringen, som ikke tilsvarer et helt antall krumme ringséksjoner.

Fortrinnsvis er hver av de krumme partier i ringen eller i den splittede ring identiske og kilene har slik innbyrdes avstand i hver krum seksjon at i den sammenstilte ring danner de keramiske b okker en regelmessig mangekant.

Oppfinnelsen vi nå bli beskrevet bare ved hjelp av et eksempel med henvisning til den vedføyde tegning, på hvilken: Fig. 1 viser erJ planskisse av en konvensjonell segmentert ring-transduser, og fig. 2 viser et parti av en lignende planskisse av en transduser i henhold til

oppfinnelsen.

I en kjent segmentert ring-transduser 10 er grupper eller stabler 11 av piezoelektriske, keramiske blokker 11 adskilt ved hjelp av skrådde kiler 12 for å danne et ringarrange-ment. Et bånd 13 er trådviklet omkring ringen av piezoelektriske blokker 11 og kiler 12 for å frembringe en innoverrettet radial forspenningskraft, slik som angitt ved henvis-ningstallet 14. De piezoelektriske, keramiske materialblokker er polsatt og drives på velkjent måte av et elektrisk vekselspenningssignal i tykkelsesmodus. Forflytningen i tykkelsesmodus av de piezoelektriske, keramiske blokker 11 er omkretsmessigbg således rettvinklet på retningen 14 av spenningen påført ved hjelp av forspenningsbåndet 13.

Forspenningsbåndet er dannet ved å trådvikle en kontinuerlig, harpiksbelagt keramisk fiber omkring ringen av keramiske blokker 11 og kiler 12. Styring av spenningen under trådviklingen er vanskelig og det er vanskelig å måle nøyaktig den mengde forspenning som utøves på den segmenterte ring. I tillegg fører avslapning av tråden etter påvikling, til en uforutsigbar reduksjon i forspenningen. Sådan mangel på produksjonsstyring av forspenningen fører til ring-transdusere som ikke er optimalisert og ikke er lett reproduserbare.

Fig. 2 viser et parti 20 av en ring-transduser i henhold til oppfinnelsen. Adskilte, identiske krumme ringséksjoner 21 av piezoelektriske, keramiske blokker 22 og kiler 23 forspennes hver for seg ved hjelp av komplementære koblinger 24 og 25 med bolter 26 som påfører forspenning i hver seksjon. Koblingene 24 og 25 for inntilliggende krumme seksjoner forbindes så med hverandre for å danne ring-transduseren. Som vist er hver krum seksjon 21 dannet av en midtre, lineær stabel 27 adskilt fra to stabler 28 av halv lengde, ved hjelp av kilene 23. Andre ordninger av lineære stabler er mulig, men i alle tilfeller påføres forspenningen ved hjelp av forspenningsboltene 26 hovedsakelig langs lengden av stabelen av piezoelektriske blokker og således på linje med utvidelsen og sammentrekningen i tykkelsesmodus av det keramiske material.

Prøver på enkeltvise krumme seksjoner 21 har vist at det er mulig å tilføre en styrt kraftmengde for å holde keramikken og kilene under kompresjon. Mengden av den påførte forspenning bør også la keramikken og kilene bli holdt under kompresjon ved høye drivernivåer eller elektriske signalnivåer, og derfor vil det ikke foreligge noen akustisk forvrengning.

I tillegg til anordningen beskrevet ovenfor, kan de separate krumme seksjoner 21 sammenstilles til en splittet ring hvor et krumt parti mangler. Det manglende parti kan tilsvare en eller flere krumme seksjoner 21 eller noe annet. Splittede ringer dannet av et enkelt stykke piezoelektrisk, keramisk material har vist seg å gi lovende resultater og sådanne splittede ring-transdusere kan lett simuleres ved å utnytte krumme seksjoner i henhold til foreliggende oppfinnelse. Et sådant arrangement vil gjøre det mulig for den splittede ring-transduser å arbeide ved meget reduserte frekvenser i forhold til det som tidligere var mulig, og således i det frekvensområde som er mest interessant for aktiv undervannstransmisjon.

Arbeidsfrekvensorr rådet er avhengig av den fysiske størrelse av ringen, og ved å bruke ringdiametre som overskyter 1 m kan trandsuseren arbeide ved frekvenser under 1 KHz. Transdusere i henhold til oppfinnelsen bør ved lave frekvenser kunne frembringe høye kildenivåer over en stor båndbredde og siden ringen er frittstrømmende, fordrer ringen ikke dybdekompensasjon, slik det fordres for bøyespenningstransdusere.

Claims

1. Segmentert ring-transduser som omfatter flere krumme ringséksjoner (21) som er koblet sammen, idet hver seksjon (21) omfatter flere rektangulære piezoelektriske, keramiske blokker (22) ordnet i en stabel med en eller flere skrådde kiler (23) plassert i innbyrdes avstand i stabelen, karakterisert vedat den piezoelektriske stabel er sammenstilt mellom motstående endekoblinger (24, 25), idet de motstående endekoblinger (24, 25) i en ringseksjon er forbundet med hverandre ved hjelp av forspenningsbolter (26) for å holde ringseksjonsammenstillingen (21) sammen.

2. Segmentert ring-transudser som angitt i krav 1, og hvor de krumme ringséksjoner (21) er identiske.

3. Segmentert ring-transduser som angitt i et av de forutgående krav, og hvor inntilliggende ringséksjoner er forbundet med hverandre ved hjelp av ytterligere bolter.

4. Segmentert ring-transduser som angitt i et av de forutgående krav, og hvor ring-transduseren har form av en splittet ring hvor et krumt parti av ringen mangler.

5. Segmentert ring-transduser som angitt i krav 4, og hvor den splittede ring er dannet ved å utelate en eller flere krumme ringséksjoner (21).

6. Segmentert ring-transduser som angitt i krav 6, og hvor den splittede ring er dannet ved å utelate et krumt parti av ringen som ikke tilsvarer et helt antall krumme ringséksjoner.

7. Segmentert ring-transduser som angitt i et av de forutgående krav, og hvor hvert av de krumme partier (21) i ringen er innbyrdes identiske, mens kilene (23) befinner seg i slik innbyrdes avstand i hver krum ringseksjon at i den sammenstilte ring danner de keramiske blokker (22) en regelmessig mangekant.