SE470247B - Elektroakustisk omvandlare innefattande en flexibel och tätad sändande kapsel - Google Patents

Description

470 247 är vinkelrät mot skiv- eller torusplanet. Dessa omvandlare innefattar piezo-elektriska drivorgan, som är anordnade radi- ellt kring axeln och sammankopplade vid sina ändar med kapseln, som då uppvisar böjdeformationer med ett maximum i riktningen av axeln.

Klass III motsvarar omvandlare, hos vilka kapseln uppvisar två utvidgningar vid sina båda ändar och har en allmän ben- eller diaboloform.

Klass IV motsvarar omvandlare, hos vilka kapseln har en cylindrisk skorstensform, som begränsas av rätlinjiga genera- triser som stöder sig på en elliptisk tvärsektion eller i form av slutna kurvor som kan uppvisa en förträngning i den centrala delen. I detta fall innefattar omvandlaren allmänt flera med varandra parallella drivorgan, som är anordnade i plan som är vinkelräta mot kapselns generatriser och som är sammankopplade med kapseln vid sina båda ändar.

Föreliggande uppfinning avser mera speciellt, men icke uteslu- tande, böjspänningsomvandlare enligt klass IV.

Böjspänningsomvandlarna uppvisar välkända fördelar.

De möjliggör utsändande av ljudvàgor med låg frekvens, ty deras utsändningsfrekvens är resonansfrekvensen hos kapselns böjde- formationer och böjfrekvenserna är låga frekvenser, i stor- leksordningen av eller under 1 KHz.

Dessa är kompakta omvandlare med. hög effekt. De förstärker kraftigt amplituden hos den piezo-elektriska uppstaplingens svängningar, på grund av att utvidgning-kompressionsrörelserna enligt 'uppstaplingens axel transformeras till böjsvängningar hos kapseln, vilkas maximumtopp är tydligt större än förflytt- ningarna av kapselns ändar, som är mekaniskt sammankopplade med ändarna hos det eller de piezo-elektriska drivorganen. 470 247 Likväl har de nu kända böjspänningsomvandlarna en koefficient för sammankoppling mellan kapseln och det piezo-elektriska drivorganet, som är relativt låg, i storleksordningen av maximalt 25%, och de har ett relativt ringa genomgående band, med en mittfrekvens som är egenfrekvensen av böjdeformationerna hos kapseln som retas av drivorganen.

Syftet med föreliggande uppfinning är att skaffa sig nya böjspänningsomvandlare som uppvisar en koefficient för sammankoppling mellan kapseln och de piezo-elektriska drivor- ganen, vilken är tydligt förbättrad, och ett breddat genomgå- ende band.

De elektro-akustiska omvandlarna enligt uppfinningen är böjspänningsomvandlare, det vill säga omvandlare som innefattar ett eller flera elektro-akustiska drivorgan, i allmänhet uppstaplingar av piezo-elektriska keramer, som. är placerade inuti en tätad och flexibel kapsel, och som är akustiskt sammankopplade genom sina båda ändar med kapseln, varvid denna är i kontakt med en vätska och fungerar som sändande yta.

Syftet med uppfinningen är att uppnå med hjälp av en omvandlare i vilken vart och ett av de elektro-akustiska drivorganen innefattar, vid sina båda ändar, ett huvud som är mekaniskt sammankopplat med drivorganet och som är så bestämt att grund- frekvensen och de axiella svängningarna hos den av drivorganet och de båda huvudena bildade sammansättningen är i närheten av egenfrekvensen hos kapselns böjsvängningar.

Enligt en föredragen utföringsform är de båda huvudena så bestämda att grundfrekvensen hos de axiella svängningarna hos den av drivorganet och de båda huvudena bildade sammansätt- ningen är mycket lite högre än egenfrekvensen hos kapselns böjsvängningar, vilket har till följd att genom sammankopp- lingen av de båda modenra bredda det genomgående bandet hos 47Ü 247 omvandlaren såväl mot lägre frekvenser som mot högre fre- kvenser.

Uppfinningen har som resultat nya elektro-akustiska omvand- lare av böjspänningstypen, vilka är avsedda att i vatten sända med låga frekvenser, i storleksordningen av 1 KHz eller lägre.

Omvandlarna enligt uppfinningen uppvisar fördelarna hos kända böjspänningsomvandlare. Dessutom möjliggör de uppnående av ett breddat genomgående band, i synnerhet mot lägre frekvenser och de kan således sända med ett gott utbyte under svepande över hela området av låga frekvenser, vilket kan gå exempelvis från 0,5 KHZ till 1 KHZ. Bredden hos det genomgående bandet hos en omvandlare enligt uppfinningen, vilken är utrustad med huvuden, är ca en och en halv gånger större än den hos samma omvandlare utan huvuden.

Dessutom är koefficienten för den elektro-akustiska. samman- kopplingen hos en omvandlare enligt uppfinningen i storleks- ordningen av 40%, under det att den är i storleksordningen av 25% för böjspänningsomvandlare utan huvuden eller motvikter.

Om det är givet att den av en omvandlare utsända akustiska effekten är proportionell mot kvadraten på koefficienten för akustisk sammankoppling, uppnås således en betydande ökning av den akustiska effekten, vilken multipliceras med tre eller fyra för ett och samma platskrav och för ett och samma elektriska fält för retande av keramerna.

Följande beskrivning hänvisar till den enda figuren, som framställer ett exempel på utförande av en omvandlare enligt uppfinningen.

Den enda figuren framställer ett halvsnitt av en böjspännings- omvandlare. Detta halvsnitt står exempelvis för ett. axiellt halvsnitt av en böjspänningsomvandlare av klass I, vilken är 470 247 rotationssymmetrisk kring en axel x x' och symmetrisk i för- hållande till det mot axeln vinkelräta mittplanet PP'.

Detta halvsnitt kan likaledes vara ett transversalt snitt av en böjspänningsomvandlare enligt klass 4, vilken innefattar en kapsel med cylindrisk skorstensform, hos vilken generatriserna är vinkelräta mot planet hos figuren, och vilken är symmetrisk i förhållande till två vinkelräta plan, mittplanet PP' och ett longitudinellt plan X x', vilka båda är parallella med genera- triserna hos kapseln, och vilken innefattar flera med varandra parallella piezo-elektriska drivorgan, vilkas axlar är belägna i symmetriplanet x x'.

Omvandlarna enligt uppfinningen är böjspänningsomvandlare, som innefattar ett eller flera elektro-akustiska drivorgan 1, som är allmänt uppstaplingar av piezo-elektriska keramer la, lb...ln, men som kan ersättas av magnetostriktiva drivorgan.

Drivorganet eller drivorganen är inneslutna i en tätad och flexibel kapsel 2, som är i kontakt med havsvattnet och som avgränsar ett med gas fyllt hálrum 3, i vilket de piezo-elekt- riska drivorganen befinner sig.

Kapseln 2 har en ägglik form, om den är av rotationssymmetri eller ett ovalt tvärsnitt om den är av cylindrisk skorstens- form, så att den innefattar två slut eller tvâ ändar za, som uppvisar en mycket uttalad krökning, det vill säga en krök- ningsradie som är mycket liten, och den innefattar i sin mittdel, det vill säga i mittplanet PP', delar som har en ringa uttalad krökning.

De båda ändarna 2a är mekaniskt sammankopplade med ändarna hos det eller de elektriska drivorganen.

När de retas elektriskt deformeras keramerna la, lb...ln samtidigt axiellt, det vill säga enligt de med axeln X x' 470 25.7 parallella utvidgnings-kompressionssvängningarna, och likaledes radiellt. De axiella rörelserna är mycket stort övervägande.

De axiella deformationerna hos de elektro-akustiska drivorganen överförs mekaniskt till ändarna 2a hos kapseln och dessa rörelser medför böjningsdeformationer hos kapseln och i synner- het deformationer parallellt med mittplanet PP'. Amplituden hos dessa deformationer är maximal i planet PP' och tydligt större än amplituden hos de axiella svängningarna hos de elektro-akus- tiska drivorganen.

Böjspänningsomvandlare är kända och det är onödigt att beskriva denl mera i detalj. Det påminns endast om att de omvandlar utvidgnings-kompressionsrörelserna (extensionella rörelser) hos ett elektro-akustisk drivorgan till en böjrörelse hos en kapsel, varav deras namn böjspännings.

Böjspänningsomvandlarna möjliggör utsändande i vatten av ljudvâgor med låg frekvens, i storleksordningen av 1 KHz, utan att man måste utnyttja sändare som uppvisar stora dimensioner och en hög vikt, vilket är en stor fördel.

Utsändningsfrekvensen hos böjspänningsomvandlare är egen- frekvensen hos böjsvängningarna hos kapseln, vilken fungerar som utsändningsyta, vilket möjliggör utsändande vid låga frekvenser ty egenfrekvenserna hos böjning av en i vatten placerad kapsel är i storleksordningen av 0,5 till 2 KHZ och således 'tydligt lägre än grundfrekvensen hos axiella sväng- ningar hos en uppstapling av piezo-elektriska keramer, vilken är i storleksordningen av 8 KHz. ' Likväl har de nu kända böjspänningsomvandlarna ett relativt snävt genomgående band, vilket är centrerat i förhållande till egenfrekvensen av kapselns böjspänningar.

De dessa omvandlare utrustande piezo-elektriska drivorganen måste retas med en frekvens som är lägre med flera oktaver än -w deras grundfrekvens, det vill säga egenfrekvensen hos deras axiella svängningar.

Den av de elektro-akustiska drivorganen åstadkomna omvandlingen av elektrisk energi till akustisk energi är således inte optimal. Dessutom är den elektromekaniska och således elek- tro-akustiska sammankopplingen mellan ändarna av uppstaplingen av keramer och ändarna av kapseln svår att realisera och erfarenheten visar att koefficienten för den elektro-akustiska sammankopplingen hos nu kända böjspänningsomvandlare är allmänt i storlekordningen av 25%, vilket avsevärt reducerar den nyttiga akustiska effekten hos dessa omvandlare.

Syftet med uppfinningen är att konstruera böjspänningsomvand- lare som uppvisar ett breddat genomgående band, i synnerhet mot låga frekvenser, och vilka har en bättre koefficient för elektro-akustisk sammankoppling än de nu kända omvandlarna av denna typ.

Detta syfte har kunnat uppnås med hjälp av omvandlare som innefattar två huvuden eller motvikter 4, som är placerade vid ändarna av drivorganet och som är mekaniskt och akustiskt sammankopplade med detta och med ändarna Za hos kapseln 2.

Den av det elektro-akustiska drivorganet och de båda motvik- terna bildade sammansättningen bildar en mekanisk sammansätt- ning, fjâder och massor, med lokaliserade konstanter, och man kan avväga värdet på dessa konstanter så att denna sammansätt- ning har en bestämd grundfrekvens, som är i närheten av egenfrekvensen hos kapselns böjsvängningar, vilket möjliggör uppnående av ett breddat genomgående band, som innefattar två närbelägna toppar.

Teknologiskt är det enklare att välja dimensionerna hos driv- organet och de båda motvikterna så att grundfrekvensen hos de axiella svängningarna hos denna mekaniska sammansättning blir något högre än egenfrekvensen hos kapselns böjsvängningar. 470 247 Detta har till följd, genom sammankoppling av de båda modusen, att bredda det genomgående bandet såväl mot lägre frekvenser som mot högre frekvenser. Exempelvis åstadkommes en omvandlare, hos vilken kapseln har en böjfrekvens av 0,8 KHz och hos vilken den av drivorganet och de båda huvudena bildade sammansätt- ningen har en grundfrekvens av 1 KHz. Det uppnås sålunda en omvandlare som uppvisar två närbelägna resonansfrekvenser och ett breddat genomgående band mellan 0,6 KHz och 1,2 KHz.

För att den av uppstaplingen av piezo-elektriska keramer 1 och de båda motvikterna 4 bildade sammansättningen skall vara likställd med en mekanisk sammansättning fjäder-massa med lokaliserade konstanter, måste massan hos uppstaplingen vara liten med avseende på den hos motvikterna och elasticiteten hos uppstaplingen enligt X X' vara stor med avseende på den hos motvikterna.

Om. man minskar diametern hos keramerna framhävs risken för sveda eller brinnande av sveda hos uppstaplingen, vilket icke är önskvärt, eftersom den förbrukar överflödigt mycket energi och den medför en mekanisk utmattning av keramerna. Detta problem löses under ökande av innerdiametern och ytterdiametern hos keramplattorna la, lb...ln, vilket har som följd att göra dem mindre utsatta för böjningen under reducerande av massan hos keramerna. Exempelvis har uppstaplingen 1 en höjd av 20 cm och den innefattar 20 keramplattor la, 1b...1n i form av brickor som uppvisar en ytterdiameter av 50 mm, och motvikterna är av stål och har en massa av 3Kg. Kapseln 2 är av aluminium- legering, exempelvis av AU4G.

Den enda figuren framställer en utföringsform av den mekaniska sammankopplingen mellan uppstaplingen 1, motvikterna och kapseln.

Varje motvikt har en trapetsformad sektion, vars stora bas är placerad vid sidan av uppstaplingen 1 och innefattar ett hålrum 5, i vilket en ände hos uppstaplingen av keramer tränger in. 470 247 De båda motvikterna innefattar ett axíellt borrhål, i vilket en stålstång 6 går igenom, vilken förbinder dem under genomgående av det i centret av keramerna belägna utrymmet 7. Stången 6 förlängs bortom de båda motvikterna tvärsigenom två axiellt tvärsigenom ändarna 2a hos kapseln 2 utförda borrhål. Kapseln 2 kan vara bildad av 2 i. förhållande till symmetriplanet x x' symmetriska kapselhalvor. Ãndarna hos stången 6 är gängskurna, och två muttrar 8 är skruvade på dessa gängskurna ändar och tager stöd på botten av ett hålrum 9 i kapselns ändar 2a.

Skruvningen av skruvarna sätter stången 6 under spänning och applicerar kraftigt ändarna hos kapseln mot motvikterna och de senare mot ändarna hos uppstaplingen, varav en god mekanisk och akustisk sammankoppling mellan dessa element.

Enligt en med streckning framställd variant kan ytterytan hos varje huvud innefatta ett hålrum 10, i vilket det hyses en andra mutter 11, som är skruvad på den gängade stången 6.

I detta fall ihopsätts först uppstaplingen av keramer och de båda huvudena med hjälp av de båda på stången 6 fixerade muttrarna ll, vilket. möjliggör åstadkommande av en mekanisk sammankoppling av huvudena och uppstaplingen av keramer, sedan placeras denna prefabricerade sammansättning i kapseln 2, och man skruvar de båda muttrarna 8 för att uppnå den mekaniska sammankopplingen mellan kapseln och den prefabricerade samman- sättningen. Den uppnådda sammankopplingskoefficienten är i storleksordningen av 40 till 45%.

Kända är elektro-akustiska omvandlare av typen tonpilz, vilka innefattar en keramuppstapling, som är placerad mellan en flygel och en motvikt som fungerar som fast punkt.

I föreliggande applikation uppfyller de mellan de båda ändarna hos uppstaplingen och de båda ändarna hos kapseln inskjutna 4-70 247 10 huvudena 4 en totalt annorlunda funktion, vilken är den som sänker grundfrekvensen hos motorn för att föra den i närheten av egenfrekvensen hos kapselns böjsvängningar, för att bredda det genomgående bandet hos en böjspänningsomvandlare.

Den enda figuren framställer en omvandlare som på känt sätt dessutom innefattar ett täthetsskal 12, som fullständigt omhöljer omvandlaren och som är sammansatt av en elastomerfilm.

Huvudena 4 är av en metall som uppvisar en elasticitetskoeffi- cient E som är hög, såsom stål, mässing, volfram, för att inte införa elastiska parasitdeformeringar hos huvudena och ha en god mekanisk sammankoppling. 'w 'QÉL

Claims (5)

11 470 247 Patentkrav

1. Elektro-akustisk omvandlare av typen som innefattar åt- minstone ett elektro-akustiskt drivorgan (l) som är placerat inuti en tät och flexibel kapsel (2) och som genom sina båda ändar (2a) är akustiskt sammankopplat. med kapseln (2), som bildar den sändande ytan i kontakt med en vätska, k ä n n e - t e c k n a d därav, att vart och ett av de elektro-akustiska drivorganen (1) vid sina båda ändar innefattar ett huvud (4) som är mekaniskt sammankopplat med kapseln (2) och med drivor- ganet (1) och så bestämt att grundfrekvensen hos den av driv- organet (1) och de båda huvudena (4) bildade sammansättningens axiella svängningar är i närheten av egenfrekvensen hos kap- selns (2) böjsvängningar.

2. Elektro-akustisk omvandlare enligt krav 1, k ä n n e - t e c k n a d därav, att huvudena (4) är sådana att grundfre- kvensen hos den av drivorganet (1) och dess båda huvuden (4) bildade sammansättningen är något högre än egenfrekvensen hos kapselns (2) böjsvângningar, sä att det genomgående bandet hos omvandlaren är breddat mot lägre och högre frekvenser.

3. Omvandlare enligt något av kraven 1 och 2, k ä n n e - t e c k r1 a d därav, att huvudena (4) på sina inre sidor innefattar ett hålrum (5), i vilket en ände hos det piezo-elekt- riska drivorganet (1) griper in.

4. Omvandlare enligt något av kraven 1 till 3, k ä n n e - t e c k ri a d därav, att den innefattar en uppstapling av piezo-elektriska keramer (la, 1b....1n), som uppvisar formen av brickor som omger ett 'tomt centralt utrymme (7), en axiell metallstång (6), som med varandra förbinder de båda huvudena under gående igenom det centrala utrymmet (7) och som genom- tränger de båda huvudena och de båda ändarna (Za) hos kapseln (2) och två muttrar (8), som är skruvade på de gängade ändarna hos den axiella stången och tar stöd mot kapselns ändar under att sätta stången under spänning, så att denna spänning Jä \J CZ) ND .Is \J 12 samtidigt trycker ihop keramuppstaplingen, de båda huvudena och de båda ändarna hos kapseln och tillförsäkrar en god mekanisk och akustisk sammankopplíng av dessa.

5. Omvandlare enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att den yttre sidan hos var och en av huvudena innefattar ett hålrum (10), i vilket är hyst en andra mutter (11), som är skruvad pá den axiella stången (6) och tar stöd mot huvudet, så att den möjliggör sättande av stången under spänning och mekanisk och akustisk sammankoppling av de båda huvudena och uppstaplingen av piezo-elektriska keramer.