NO963692L - Elektroakustisk transduser, f.eks. av pietzoelektrisk type - Google Patents

Description

SPENNINGSFLEKSIBEL ELEKTROAKUSTISK TRANSDUSER

Den foreliggende oppfinnelse vedrører spenningsfleksible elektroakustiske transdusere hvori senderdelen er tildannet ved hjelp av et komprimert hylster som kan medde-les vibrasjon ved hjelp av en drivenhet, f.eks. av piezo-elektrisk type. Disse transdusere blir brukt f.eks. innen området for lyd, for å utsende akustiske bølger i vann, spesielt for å detektere andre fartøyer ved hjelp av lokaliseringssystem av sonartypen.

Det foreligger forskjellige typer av tidligere kjente spenningsfleksible transdusere, bedre kjent som "barrel staves", som tar form av en tønne eller et løp med en profil som har en konkav i stedet for en konveks utfor-ming .

En transduser av denne art er f.eks. omtalt i US patentskrift 4 922 470. Den utførelsesform som er omtalt i denne publikasjon, omfatter et sett av internt buede paneler som er bearbeidet separat og montert ved hjelp av skruer på polygonale endeplater. De piezoelektriske driv-enheter strekker seg mellom disse to plater for å bringe disse i bevegelse og følgelig eksitere veggene for det innsnevrede hule legeme som utgjøres av panelene og pla-tene. En ytre vegg som er tildannet av gummi, blir benyttet for å fremskaffe den nødvendige vanntetthet ved denne del. Langsgående gjengeforsynte staver strekker seg mellom de to plater, for derved å muliggjøre at den piezoelektriske drivenhet blir forhåndsbelastet. Konstruksjo-nen av en innretning av denne art er spesielt komplisert, og innretningen som blir fremskaffet, omfatter en flerhet av ulemper. Mer spesielt vil toleranseverdiene på den mekaniske side ikke gjøre det mulig å fremskaffe en tilstrekkelig grad av reproduserbarhet av ytelsesverdiene, og vanntettheten ved neddykking vil langt fra være sik-ret. Videre vil kostnadene ved et system av slik komplek-sitet, være stor.

Det finnes også en spenningsfleksibel transduser, i lik-het med den nevnte, tilkjennegitt gjennom US patentskrift nr. 3 258 738. Ved denne transduser vil det hule legeme omfatte et enkeltstående stykke og ha langsgående spor som gjør det mulig å fremskaffe den avsmalede form. Imid-lertid vil også her de nevnte endeplater være fiksert i forhold til legemet, ved hjelp av et system av skruer, og vanntettheten oppnår man ved hjelp av en indre gummiforing. Videre vil denne innretning tilsynelatende ikke ha noe forspenningssystem. Dette vil i prinsippet gjøre det nødvendig for brukeren å unngå dype neddykkinger, hvis ikke det planlegges for spesielt kompliserte metoder for produksjon. Dessuten, fordi endeplatene er vanntette, vil en neddykking i denne grad ha en tendens til å bevirke løsgjøring av den interne gummiforing og forstyrre virkemåten for transduseren.

For å rydde disse ulemper av veien er det ifølge oppfinnelsen foreslått en spenningsfleksibel transduser av den type som omfatter et hylster i form av en sylinder som er innsnevret ved sitt midtre parti og er forsynt med langsgående spor som strekker seg langs den innsnevrede del, en drivenhet som er tildannet av piezoelektriske ringer anordnet inntil hverandre og plassert inne i hylsteret langs dennes akse, plugger som tjener til å lukke hylsteret, samt et elastisk hus som sikrer at hylsteret blir vanntett, hovedsakeligkarakterisert vedat endene av hylsteret og pluggene er forsynt med gjenger for derved å tillate sammenstilling ved skruing for å forhåndsbelaste nevnte drivenhet, og at huset utgjøres av en hud som blir støpt på det ytre av hylsteret og har, ved nivået for de langsgående spor, hule hulrom som er konstruert for å forhindre at den påstøpte hud skal krype inn i sporene under påvirkning av neddykningstrykket.

I henhold til et annet trekk går transduseren ut på at den omfatter koblingsdeler med en diameter som er større enn den for de piezoelektriske ringer plassert ved begge ender av stabelen av ringer, for derved å kunne passes inn i de indre skuldre som befinner seg ved begge ender av hylsteret for å kunne sentrere drivenheten inne i nevnte hylster.

I henhold til et ytterligere trekk går transduseren ut på at den ytterligere omfatter forhåndsbelastende ringer som er plassert mellom endepartiene og pluggene, og er forsynt med gjenger for å kunne skrues inn i de gjengeforsynte ender av hylsteret, for derved å kunne oppnå en nøyaktig verdi av den forhåndsbelastning som påtrykkes drivenheten.

I henhold til et ytterligere trekk går dette ut på at de piezoelektriske ringer omfatter langsgående sideuttagninger som gjør det mulig for koblingstråder for eksita-sjonselektroder for nevnte ringer å kunne føres dergjen-nom, uten at disse koblingstråder rager ut over ytterdia-meteren av ringene.

Et ytterligere trekk går ut på at de langsgående spor har varierende bredde for å optimere driften av transduseren som en funksjon av neddykkingen.

Et ytterligere trekk går ut på at pluggene har et parti som rager ut over det ytre av endene av hylsteret, idet denne utragning er bearbeidet i form av en knast for å tillate at transduserne kan sammenstilles ende mot ende ved hjelp av koblingsdeler som er tilpasset disse knaster .

I henhold til et ytterligere trekk går dette ut på at de langsgående spor er fylt med et meget mykt plastisk materiale .

Andre spesielle trekk og fordeler ved den foreliggende oppfinnelse vil tydeligere fremgå av den følgende beskri-velse, vedrørende et ikke-begrensende eksempel, og under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 er et forenklet og utspilt riss av en transduser i henhold til oppfinnelsen. Figur 2 viser et tversnitt gjennom en transduser av gjel-dende art i en sammenstilt posisjon. Figur 3 viser et perspektivisk riss av sammenstillingen av de piezoelektriske ringer ved den foreliggende transduser. Figur 4 er et snitt gjennom en detalj ved hylsteret ved den foreliggende transduser. Figur 5 viser et snitt gjennom en koblingsdel mellom to suksessive transdusere. Figur 6 viser, delvis i snitt, en transduser sammenstilt med en modul for sammenkobling av to transdusere.

Tranduseren i henhold til den foreliggende oppfinnelse, vist ved et utførelseseksempel ved et utspilt og forenklet riss på figur 1, og ved den sammenstilte seksjon og mer detaljerte snitt på figur 2, omfatter et hylster 101 tildannet av f.eks. titan. Dette hylster har generelt form av et rør som er snevret inn ved det midtre parti og derfor stort sett har form av et barns leketøy kjent under betegnelsen "diabolo" (en rulle i form av to koner som møtes ved endene). Dette midtre avsmalede parti er tynnere, og de to ender er tykkere og har en indre skul-der 102 som er undermontert ved hjelp av et gjenget parti 103.Hylsteret skal f.eks. kunne bearbeides fra en massiv blokk for å kunne fremskaffe de forskjellige ønskede former og dimensjoner. Om nødvendig, for å lette frem- stillingen, er det mulig å starte fra et rør hvis ender vil bli smidd for å oppnå den ekstra tykkelse som er nødvendig for skulderen og gjengene, idet det midtre parti av dette rør blir innsnevret.

Ved sitt innsnevrede, midtre parti vil nevnte hylster være utført med langsgående spor 104, f.eks. seks spor som er jevnt fordelt rundt overflaten av hylsteret. Disse spor gjør det mulig å oppnå tilstrekkelig fleksibilitet og en jevn kontraksjon av hylsteret under påvirkning av neddykking. De vil f.eks. være fremskaffet ved hjelp av valsing, og bredden er konstant når trykk ikke blir på-ført.

Den ytre vegg av hylsteret er dekket ved hjelp av et påstøpt vanntett hus 105, eller hud, tildannet f.eks. av polyuretan.

Inne i nevnte hylster er det anordnet en eksiterende drivenhet tildannet av en stabel av piezoelektriske keramiske ringer 106 som er anordnet på avstand ved hjelp av elektroder 107. Disse elektroder er forenet på en kjent alternerende måte, ved hjelp av koblingstråder 108 som gjør det mulig med påtrykking av eksitasjonsspenninger som er nødvendige for de keramiske ringer. De to ender av denne stabel er avsluttet i koblingsdeler 109 hvis diameter er større enn den for de keramiske ringer. Disse koblingsdeler 109 blir anordnet med presisjon på skuldre-ne 102, slik at de holder drivenheten sentrert ved midt-partiet av hylsteret. Diameteren for de keramiske ringer er slik valgt, ved maksimal neddykking, at hylsteret 101 som vil bli avsmalet under påvirkningen av trykket, ikke vil berøre disse ringer. Ved forbindelsen med de keramiske ringer har delene 105 en avfasning 110 som ikke er vist på figur 1, hvilket gjør det mulig at det forspente trykk som påføres ringene ved hjelp av disse deler, vil bli forstyrret. Likevel, for oppnåelse av en maksimal diameter for de keramiske ringer, som representerer drivenheten for innretningen, vil det ifølge oppfinnelsen, slik det er vist ved figur 2, bli foreslått å utta to uttagninger 111 på sideflatene av stabelen, hvilket gjør det mulig for koblingstrådene 108 å bli ført derigjennom.

På den sideveis orienterte flate mellom ringene og på hver av koblingsdelene 109 eller på begge disse, er det dessuten tildannet radiale spor eller uttagninger, gjennom hvilke koblingstrådene 108 kan penetrere det sentrale hull 112 for ringstabelen, slik at nevnte koblingstråder kan bringes ut av de sammenstilte transdusere.

For å avslutte sammenstillingen av transdusere og oppnå den forspenning som er nødvendig for virkemåten, etter at drivenheten som er tildannet ved sammenstillingen av ringene, er blitt plassert inne i hylsteret, vil terminalplugger 113 bli skrudd inn i de to ender av dette hylster. Disse terminalplugger 113 blir gjengeforsynt med tilpasset stigning for de interne gjenger 103. Ved det forenklede riss som er vist på figur 1, omfatter disse pluggenheter ett stykke. De er konstruert for å hvile direkte på koblingsdelene 109, mens ved den foretrukne utførelsesform vist på figur 2, blir det benyttet forspente ringer 114. Disse forspente ringer 114 vil være de første til å bli skrudd inn i gjengene 103 for å oppnå den ønskede forspenning ved en hensiktsmessig fiksert verdi. Deretter blir pluggene 113 skrudd inn. Disse blir blokkert mot ringene 114 uten at man modifiserer verdien av forspenningen og ved å fremskaffe en låsing ved hjelp av mutter/kontramutter.

Sporene 104 i hylsteret 101 gjør det mulig for hylsteret å vibrere under påvirkning av den piezoelektriske drivenhet, nøyaktig i henhold til karakteristikken for en spen-ningsf leksibel innretning, idet det forsyner den innsnevrede sentrale del av dette hylster med nødvendig fleksi bilitet. For å forhindre at den ytre elastiske hud 105 som er påstøpt hylsteret, skal krybe inn i disse spor 105 og derved begrense nevntes fleksibilitet, blir det ifølge oppfinnelsen, slik det er vist på figur 4, foreslått at det i disse spor, under en støpeoperasjon, plasseres et fyllerverktøy tildannet av et T-formet profil 404, hvis horisontale arm hviler på den interne flate av hylsteret 101, og hvis vertikale arm plugger sporet, idet den rager noe over den ytre flate av hylsteret. Denne uttagning er konstruert f.eks. slik at den har en dimensjon hovedsakelig lik halvparten av tykkelsen av huden 105. Ved slutten av de operasjoner som vedrører påstøping av huden 105, når konsistensen for denne hud har nådd den ønskede verdi, blir fyllerverktøyet 404 fjernet. Dette vil klarere sporene 104 og etterlater et hulrom 414 som vender mot disse spor i godset for huden. Dette hulrom 414 har en bredde hovedsakelig lik den for sporet. Dette hulrom hindrer det materiale som utgjør huden fra å krype inn i sporet 104 under påvirkning av trykket når transduseren blir senket ned.

Det snitt som er vist på figur 4, er tatt langs et radialt snitt av hylsteret ved ett av sporene 104. For en-kelthets skyld i forbindelse med tegningen, er kurvefor-men for hylsteret og den tilhørende vanntette hud ikke vist.

Under påvirkning av det trykk som skyldes neddykkingen, vil det sentrale parti av hylsteret ha en tendens til å innsnevre seg i økende grad, og sporene vil gradvis bli lukket. Når den maksimale neddykking som transduseren er blitt konstruert for, er nådd, blir sporene fullstendig lukket, og deres kanter vil berøre hverandre. Dette vil spesielt forstyrre virkemåten av transduseren. Dens fleksibilitet på grunn av sporene vil forsvinne, og i praksis vil den ikke lenger kunne avgi lyd ved et tilstrekkelig akustisk nivå. Dette er ikke av stor betydning fordi den maksimale dybde for hvilken transduseren er konstruert, deretter vil bli overskredet. Dette vil bli kompensert for med det forhold at den mekaniske motstand ved hylsteret vil øke i betydelig grad, og i praksis vil diameteren av den midtre innsnevrede del ikke bli underkastet noen praktisk ytterligere reduksjon. Fordi settet av elementer er konstruert slik at den gjenværende klaring ved dette tidspunkt, mellom hylsteret som er lukket på denne måte, og den sentrale søyle av piezoelektriske keramikkenheter, vil være tilstrekkelig til å forhindre eventuell berøring mellom dette hylster og denne pilar, selv under påvirkningen av et trykk som er atskillig større enn det plan-lagte nominelle trykk, og de keramiske ringer som er spesielt utsatt for brudd, vil således være beskyttet. Således vil transduseren bli gitt en stor grad av sikker-het mot overdreven dyp farebeheftet neddykking.

Som en variant kan det også planlegges at sporene 104 ikke vil være fullstendig åpnet, slik at de rett og slett vil ha form av et spor som blir lukket mot det indre av hylsteret ved hjelp av et materiale med liten stivhet, hvilket muliggjør at det oppnås vanntetthet.

En andre variant kan omfatte fylling av disse spor, hvis bredde f.eks. er 0,5 mm og hvis tykkelse (lik tykkelsen av hylsteret) er 2,5 mm, og dermed et meget mykt fyllmateriale. Dette kan være en variant av polyuretan som er forskjellig fra det som brukes for å f.eks. fremskaffe huden 105 for derved å kunne fremskaffe et fyllmateriale som forbedrer vanntettheten og samtidig virker mot kry-pingen av huden uten å legge en demper på de akustiske egenskaper hos hylsteret.

Transdusere av denne type blir ofte brukt i form av strenger for å fremskaffe en radialt utsendende lineær antenne. For å gjøre sammenstillingen av en slik antenne lettere, blir det derfor ifølge oppfinnelsen foreslått bearbeiding av pluggene 113 i form av en knast med en boring ved sitt midtparti, for derved å fremskaffe en fortsettelse av det sentrale hull 112 som går gjennom stabelen av ringer 106. På denne måte er det mulig å forene de suksessive transdusere i en streng ved f.eks. bruken av et fjernbart koblingselement, slik dette er vist på figur 5. Dette koblingselement har to like deler 213 forbundet ved hjelp av en skrue 214. Enheten har to sfæriske hulrom 215 ved hvilke det er mulig å holde knas-ten ved endene 113 av to tilstøtende transdusere. Dette fremskaffer en tilfesting med en viss grad av fleksibilitet, for oppnåelse av en fullstendig fleksibel lineær antenne som er i stand til å kunne spoles på en trommel med stor diameter, og til å kunne deformeres noe under påvirkningen av de hydrodynamiske spenninger som påtrykkes når nevnte blir utsatt for strekkspenninger, slik at det ikke foreligger noen risiko for brudd.

Ved hjelp av en variant, slik dette er vist på figur 6, blir det ifølge oppfinnelsen også foreslått å fremskaffe koblingen mellom to suksessive transdusere ved hjelp av en modul 301. Denne modul har eksternt en form som er ganske lik den for en transduser, men dens ender er ut-hult for å fremskaffe to sfæriske hulrom 313 som er inn-rettet til å motta de sfæriske ender av pluggene 113. Tilfestingen mellom disse plugger og disse hulrom oppnår man på en hvilken som helst kjent måte for fagfolk på dette mekaniske område. Det vil således fremskaffes en fordelaktig jevn og fleksibel lineær antenne, og delene 301 kan være hule for å definere et internt volum som er tilstrekkelig for deri å romme elektroniske kretser, f.eks. forsterkere, multipleksere og analog-/digital-omformere konstruert til å kunne tilkobles til de piezoelektriske keramiske ringer 106 for transduserne, slik at ringene kan bli tilført kraft. Denne kobling vil være tildannet ved hjelp av kabler som er ført gjennom den aksiale boring eller hull 112 som strekker seg fra den ene ende av transduseren til den andre. En aksial boring av samme art som strekker seg fra den ene ende til den andre ende av den mellomliggende del 301, kan benyttes til å fremskaffe den passasje for kablene som strekker seg langs antennen, slik at de kan føres videre opp til det fartøy som sleper denne antenne.

Claims (7)

1. Spenningsfleksibel transduser av den type som omfatter et hylster (101) i form av en sylinder som er innsnevret ved sitt midtre parti og er forsynt med langsgående spor (104) som strekker seg langs den innsnevrede del, en drivenhet som er tildannet av piezoelektriske ringer (106) anordnet inntil hverandre og plassert inne i hylsteret langs dennes akse, plugger (113) som tjener til å lukke hylsteret, samt et elastisk hus (105) som sikrer at hylsteret blir vanntett, karakterisert ved at endene av hylsteret og pluggene (113) er forsynt med gjenger for derved å tillate sammenstilling ved skruing for å forhåndsbelaste nevnte drivenhet, og at huset utgjøres av en hud som blir støpt på det ytre av hylsteret og har, ved nivået for de langsgående spor (104), hule hulrom (414) som er konstruert for å forhindre at den påstøpte hud skal krype inn i sporene under påvirkning av neddykningstrykket.

2. Transduser som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter koblingsdeler (109) med en diameter som er større enn den for de piezoelektriske ringer (106) plassert ved begge ender av stabelen av ringer, for derved å kunne passes inn i de indre skuldre (102) som befinner seg ved begge ender av hylsteret (101) for å kunne sentrere drivenheten inne i nevnte hylster.

3. Transduser som angitt i ett av kravene 1 eller 2, karakterisert ved at den ytterligere omfatter forhåndsbelastende ringer (114) som er plassert mellom endepartiene (113) og pluggene, og er forsynt med gjenger for å kunne skrues inn i de gjengeforsynte ender (103) av hylsteret, for derved å kunne oppnå en nøyaktig verdi av den forhåndsbelastning som påtrykkes drivenheten .

4. Transduser som angitt i ett av kravene 1-3, karakterisert ved at de piezoelektriske ringer omfatter langsgående sideuttagninger (111) som gjør det mulig for koblingstråder (108) for eksitasjons-elektroder (107) for nevnte ringer å kunne føres dergjen-nom, uten at disse koblingstråder rager ut over ytterdia-meteren av ringene.

5. Transduser som angitt i ett av kravene 1-4, karakterisert ved at de langsgående spor (104) har varierende bredde for å optimere driften av transduseren som en funksjon av neddykkingen.

6. Transduser som angitt i ett av kravene 1-5, karakterisert ved at pluggene (113) har et parti som rager ut over det ytre av endene av hylsteret (101), idet denne utragning er bearbeidet i form av en knast for å tillate at transduserne kan sammenstilles ende mot ende ved hjelp av koblingsdeler som er tilpasset disse knaster.

7. Transduser som angitt i ett av kravene 1-6, karakterisert ved at de langsgående spor (104) er fylt med et meget mykt plastisk materiale.