WO2006015646A1 - Elektroakustische wandleranordnung für unterwasserantennen - Google Patents

Elektroakustische wandleranordnung für unterwasserantennen Download PDF

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WO2006015646A1
WO2006015646A1 PCT/EP2005/006383 EP2005006383W WO2006015646A1 WO 2006015646 A1 WO2006015646 A1 WO 2006015646A1 EP 2005006383 W EP2005006383 W EP 2005006383W WO 2006015646 A1 WO2006015646 A1 WO 2006015646A1
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    • G10K11/20—Reflecting arrangements
    • G10K11/205—Reflecting arrangements for underwater use

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer assembly for underwater antennas of the genus defined in the preamble of claim 1.
  • the reflector is a spring-mass system of a mass formed by the metal plate and a sound-soft spring formed by the foam plate.
  • the foam board is designed as a flexible elastic material plate made of polyurethane foam.
  • the metal plate is designed to suppress interfering self-resonances in sandwich construction with a sandwiched between two metal sheets, bending wave dampening film.
  • the individual transducer elements of the transducer assembly are designed as hydrophones. To produce the transducer assembly of the reflector and a plug for connecting the hydrophones are placed in a mold. The hydrophones are glued on spacers to maintain a tolerance-accurate distance from the reflector.
  • the spacers are accurately positioned on the reflector, on the metal plate, set, for example, by small depressions in the metal plate or by gluing.
  • the spacers are made of the same material as the Hartumguss, preferably made of Polyurethane exists. After pouring the polyurethane into the mold and after its hardening the entire • Hiking arrangement of the mold is removed.
  • the invention has for its object to provide a transducer assembly of the type mentioned, which has a low weight with unchanged, good performance data to increase their applications and applications.
  • the transducer assembly according to the invention has the advantage that an enormous weight saving is achieved by the honeycomb structure of the metal plate, in particular aluminum plate, with the same flexural rigidity of the transducer assembly, as is ensured with a solid plate. Due to the arrangement of the thin double layer of a foam layer on the one hand and a material layer with a small characteristic impedance or low density, preferably cork layer, on the other hand, despite the honeycomb structure of the metal plate, the ideal reflector strongly approximated reflector is achieved with a very good forward / reverse ratio. Compared to a design with missing double layer between honeycomb structure and foam plate, the forward / reverse ratio is increased by more than 25 dB at a frequency range of the transducer array of 10 - 30 kHz.
  • the transducer assembly is well-suited for incorporation into autonomous or remote-controlled underwater vehicles, for example as a receiver. and / or transmit antenna of a mine sonar for the detection of sediments flushed in the sediment.
  • the foam sheet is replaced by an air-filled cavity.
  • the increase of the forward / reverse ratio by the double layer is even more than 45 dB, based on the same frequency range of the transducer arrangement of 10 - 30 kHz.
  • the transducer elements with spacers made of plastic are attached to the metal plate.
  • the height of the spacers is such that the distance of the acoustic center of the transducer elements from the reflector is small compared to the central wavelength ⁇ of a broadband transducer array and smaller than H of the wavelength ⁇ of a narrow-band transducer array. This ensures that the reflected sound on the reflector is structurally superimposed on the sound received or emitted directly by the transducer elements.
  • the pointing to the transducer elements surface of the metal plate is covered with a thin layer of a material whose characteristic impedance is much smaller than that of water, preferably 1 kg / m 2 s approximated.
  • This material layer which has a fairly low density and preferably al.s Cork layer is executed acts on the transducer elements as an ideal reflector, whereby the receiving sensitivity of the receiver operated transducer assembly is increased by up to 6 dB compared to the transducer elements in the free field. The same applies to the transmission or the efficiency of the transducer assembly when it is operated as an acoustic transmitter.
  • Fig. 1 is a longitudinal section of an electro-acoustic
  • FIG. 2 is a perspective view of an in
  • Fig. 3 is a same view as in Fig. 1 of a modified transducer assembly.
  • Underwater antenna has, for example, three transducer elements 11 and arranged in the direction of sound incidence behind the transducer elements 11 reflector 12.
  • the transducer elements 11 can be both transmit transducers and receive transducers or hydrophones. In the latter case, the hydrophones are designed as spherical ceramics, preferably as ceramic hollow spheres, as z. B. in US 6,029,113 A are described.
  • the transducer elements 11 and the reflector 12 are in an acoustically transparent Hartumguss 13 of a Can be processed by casting, embedded in substantially Zähelas.tician elastomer. As the elastomer, polyurethane (PUR) is exemplified. For the sake of clarity, the illustrations of the electrical connections which are necessarily guided to the transducer elements 11 are dispensed with.
  • the reflector 12 comprises a transducer element 11 facing metal plate 13 in honeycomb structure and facing away from the transducer elements 11 foam plate 14 made of pressure-resistant foam.
  • the metal plate 13 with honeycomb structure is preferably made of light metal, such as aluminum.
  • a thin double layer 15 is arranged, which comprises a voltage applied to the metal plate 13 foam layer 16 of pressure-resistant foam and a voltage applied to the foam plate 14 material layer 17, which consists of a material whose characteristic impedance is much smaller than which is of water, so has a very low density.
  • Cork is preferably used as material for the material layer 17, so that only cork layer 17 will be discussed below.
  • the double layer 15 is made relatively thin compared to the foam plate 14.
  • the layer thickness of the foam layer 16 is 4 mm and the layer thickness of the cork layer 17 is 2 mm.
  • the layer thickness of the foam plate 14 made of pressure-resistant foam is selected to be 15-20 mm.
  • the transducer elements 11 are adhered to a tolerance-accurate distance from the reflector 12 each on a spacer 18.
  • the spacers 18 are fixed in position to the metal plate 13 with honeycomb structure, for example, by small depressions in the metal plate 13 or by gluing.
  • the spacers 18 are preferably made of the same material as the hard encapsulation 20.
  • the pointing to the transducer elements 11 surface of the metal plate 13 is covered with a thin material layer 19 of a material whose characteristic impedance is much smaller than that of water.
  • cork is also used as the low-density layer material in the material layer 19.
  • the layer thickness of the cork layer 19 is for example about 2 mm.
  • the cork layer 19 is recessed in the region of the spacers 18.
  • the height of the spacers 18 is selected so that the distance of the acoustic center of the hydrophones from the metal plate 13 for a broadband transmitting or receiving transducer assembly is small compared to the central wavelength ⁇ .
  • the height of the spacers 18 is less than a quarter of the wavelength ⁇ , that is smaller ⁇ / 4, selected.
  • the transducer arrangement shown in longitudinal section in FIG. 3 is modified in comparison with the previously described transducer arrangement in that the foam plate of pressure-resistant material is replaced by a closed cavity 21.
  • a U-shaped frame 22 having a base plate 221 and a circumferential frame leg 222 is provided.
  • the frame 22 is made of a rigid material, for example of a light metal, in particular aluminum, or a pressure-resistant plastic or foam.
  • the cavity 21 is preferably filled with air and serves in addition to the increase of the forward / reverse ratio in addition to the inclusion of electronic and electrical components for connection to the transducer elements eleventh
  • the Hartumguss 20 enclosing the transducer elements 11 and the reflector 12 is not executed as in Fig. 1 as a cuboid body, but tracked in the area of the sound incidence direction of the surface contour of the spherical transducer elements 11 by there hemispherical bulges cover a hemisphere portion of the transducer with approximately constant material thickness.
  • a larger opening angle of the antenna arrangement is achieved.

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Abstract

Bei einer elektroakustischen Wandleranordnung für Unterwasserantennen mit voneinander beabstandeten Wandlerelementen (11), einem in Schalleinfallsrichtung hinter den Wanderelementen (11) angeordneten Reflektor (12) aus einer den Wandlerelementen (11) zugekehrten Metallplatte (13) und einer auf der von den Wanderelementen (11) abgekehrten Seite der Metallplatte (13) liegenden Schaumstoffplatte (14) sowie mit einem die Wanderelemente (11) und den Reflektor (12) einschließenden Hartumguss aus einem Elastomer ist, zur Erzielung einer Leichtgewichtigkeit der Wandleranordnung bei unverändert guten Leistungsdaten, die den Einsatzbereich der Wandleranordnung erweitert, einerseits die Metallplatte (13) in Wabenstruktur ausgeführt und andererseits zwischen Metallplatte (13) und Schaumstoffplatte (14) eine Doppelschicht (15) aus einer an der Metallplatte (13) anliegenden Schaumstoffschicht (16) und einer an der Schaumstoffplatte (14) anliegenden Korkschicht (17) angeordnet.

Description

ELEKTROAKUSTISCHE WANDLERANORDNUNG .FÜR UNTERWASSERANTENNEN
Die Erfindung betrifft eine elektroakustische Wandleranordnung für Unterwasserantennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
Bei einer bekannten elektroakustischen Wandleranordnung (EP 0 654 953 Bl) ist der Reflektor ein Feder-Massesystem aus einer von der Metallplatte gebildeten Masse und aus einer von der Schaumstoffplatte gebildeten, schallweichen Feder. Die Schaumstoffplatte ist als elastische Weichstoffplatte aus Polyurethan-Schaum ausgebildet. Die Metallplatte ist zur Unterdrückung von störenden Eigenresonanzen in Sandwichbauweise mit einer zwischen zwei Metallblechen einliegenden, biegewellendämpfenden Folie ausgeführt. Die einzelnen Wandlerelemente der Wandleranordnung sind als Hydrofone konzipiert. Zur Herstellung der Wandleranordnung werden der Reflektor und ein Stecker zum Anschließen der Hydrofone in eine Gussform eingelegt. Die Hydrofone werden zur Einhaltung eines toleranzgenauen Abstands von dem Reflektor auf Distanzstücke aufgeklebt. Die Distanzstücke werden positionsgenau am Reflektor, und zwar an dessen Metallplatte, festgelegt, beispielsweise durch kleine Einsenkungen in der Metallplatte oder aber auch durch Ankleben. Die Distanzstücke werden aus dem gleichen Material hergestellt wie der Hartumguss, der vorzugsweise aus Polyurethan besteht. Nach Eingießen des Polyurethans in die Gussform und nach dessen Aushärten wird die komplette •Wanderanordnung der Gussform entnommen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wandleranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei unverändert, guten Leistungsdaten ein geringes Gewicht aufweist, um deren Anwendungsmöglichkeiten und Einsatzgebiete zu vermehren.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Wandleranordnung hat den Vorteil, dass durch die Wabenstruktur der Metallplatte, insbesondere Aluminiumplatte, bei gleicher Biegesteifigkeit der Wandleranordnung, wie sie mit einer Vollplatte gewährleistet ist, eine enorme Gewichtseinsparung erzielt wird. Durch die Anordnung der dünnen Doppelschicht aus einer Schaumstoffschicht einerseits und einer Materialschicht mit kleinem Wellenwiderstand bzw. geringer Dichte, vorzugsweise Korkschicht, andererseits wird trotz Wabenstruktur der Metallplatte ein dem idealen Reflektor stark angenäherter Reflektor mit einem sehr guten Vor-/Rückwärtsverhältnis erzielt. Im Vergleich zu einer Ausführung mit fehlender Doppelschicht zwischen Wabenstruktur und Schaumstoffplatte wird das Vor-/Rückwärtsverhältnis bei einem Frequenzbereich der Wandleranordnung von 10 - 30 kHz um mehr als 25 dB angehoben.
Aufgrund ihrer Leichtgewichtigkeit ist die Wandleranordnung zum Einrüsten in autonome oder ferngelenkte Unterwasserfahrzeuge bestens geeignet, z.B. als Empfangs- und/oder Sendeantenne eines Minensonars zur Detektion von im Sediment eingespülten Minen.
Zweckmäßige Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wandleranordnung mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Schaumstoffplatte durch einen luftgefüllten Hohlraum ersetzt. In diesem Fall beträgt die Anhebung des Vor- /Rückwärtsverhältnisses durch die Doppelschicht sogar mehr als 45 dB, bezogen auf den gleichen Frequenzbereich der Wandleranordnung von 10 - 30 kHz.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Wandlerelemente mit Distanzstücken aus Kunststoff an der Metallplatte befestigt. Die Höhe der Distanzstücke ist so bemessen, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Wandlerelemente vom Reflektor klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ einer breitbandigen Wandleranordnung und kleiner als H der Wellenlänge λ einer schmalbandigen Wandleranordnung ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der am Reflektor reflektierte Schall sich dem von den Wandlerelementen direkt empfangenen respektive abgestrahlten Schall konstruktiv überlagert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zu den Wandlerelementen weisende Oberfläche der Metallplatte mit einer dünnen Schicht aus einem Material belegt, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, möglichst 1 kg/m2s angenähert ist. Diese Materialschicht, die eine recht geringe Dichte aufweist und vorzugsweise al.s Korkschicht ausgeführt ist, wirkt auf die Wandlerelemente wie ein idealer Reflektor, wodurch die Empfangsempfindlich der als Empfänger betriebenen Wandleranordnung um bis 6 dB gegenüber den Wandlerelementen im Freifeld gesteigert wird. Das gleiche gilt -für das Übertragungsmaß bzw. den Wirkungsgrad der Wandleranordnung, wenn diese als akustischer Sender betrieben wird.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
Fig. 1 einen Längsschnitt einer elektroakustischen
Wandleranordnung mit drei voneinander beabstandeten Wandlerelementen, Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer in
Wabenstruktur ausgeführten Metallplatte in der
Wandleranordnung in Fig. 1,
Fig. 3 eine gleiche Darstellung wie in Fig. 1 einer modifizierten Wandleranordnung.
Die in Fig. 1 im Längsschnitt schematisiert skizzierte elektroakustische Wandleranordnung für eine
Unterwasserantenne weist beispielhaft drei Wandlerelemente 11 und einen in Schalleinfallsrichtung hinter den Wandlerelementen 11 angeordneten Reflektor 12 auf. Die Wandlerelemente 11 können sowohl Sendewandler als auch Empfangswandler oder Hydrofone sein. Im letzten Fall sind die Hydrofone als Kugelkeramiken, bevorzugt als Keramik- Hohlkugeln, ausgeführt, wie sie z. B. in US 6 029 113 A beschrieben sind. Die Wandlerelemente 11 und der Reflektor 12 sind in einem akustisch transparenten Hartumguss 13 aus einem im Gießverfahren verarbeitbaren, im wesentlich zähelas.tischen Elastomer eingebettet. Als Elastomer wird beispielhaft Polyurethan (PUR) verwendet. Auf die Darstellungen der notwendigerweise zu den Wandlerelementen 11 geführten elektrischen Verbindungen ist der Übersichtlichkeit halber verzichtet.
Der Reflektor 12 umfasst eine den Wandlerelementen 11 zugekehrte Metallplatte 13 in Wabenstruktur und eine von den Wandlerelementen 11 abgekehrte Schaumstoffplatte 14 aus druckfestem Schaumstoff. Die Metallplatte 13 mit Wabenstruktur, wie sie beispielhaft in Fig. 2 ausschnittweise in Draufsicht zu sehen ist, ist vorzugsweise aus Leichtmetall, wie Aluminium, gefertigt. Zwischen der Metallplatte 13 und der Schaumstoffplatte 14 ist eine dünne Doppelschicht 15 angeordnet, die eine an der Metallplatte 13 anliegende Schaumstoffschicht 16 aus druckfestem Schaum und eine an der Schaumstoffplatte 14 anliegende Materialschicht 17 umfasst, die aus einem Material besteht, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, also eine sehr geringe Dichte aufweist. Bevorzugt wird als Material für die Materialschicht 17 Kork verwendet, so dass nachfolgend nur von Korkschicht 17 gesprochen wird. Die Doppelschicht 15 ist im Vergleich zur Schaumstoffplatte 14 relativ dünn ausgeführt. Beispielsweise beträgt die Schichtstärke der Schaumstoffschicht 16 4 mm und die Schichtstärke der Korkschicht 17 2 mm. Demgegenüber wi.rd die Schichtdicke der Schaumstoffplatte 14 aus druckfestem Schaum 15 - 20 mm gewählt.
Die Wandlerelemente 11 sind zur Einhaltung eines toleranzgenauen Abstandes von dem Reflektor 12 jeweils auf einem Distanzstück 18 aufgeklebt. Die Distanzstücke 18 sind positionsgenau an der Metallplatte 13 mit Wabestruktur festgelegt, beispielsweise durch kleine Einsenkungen in der Metallplatte 13 oder aber auch durch Ankleben. Die Distanzstücke 18 sind bevorzugt aus dem gleichen Material hergestellt wie der Hartumguss 20. Die zu den Wandlerelementen 11 weisende Oberfläche der Metallplatte 13 ist mit einer dünnen Materialschicht 19 aus einem Material belegt, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist. In gleicher Weise wie bei der Materialschicht 17 wird auch bei der Materialschicht 19 als Schichtmaterial mit geringer Dichte Kork verwendet. Die Schichtdicke der Korkschicht 19 beträgt beispielhaft ca. 2 mm. Die Korkschicht 19 ist im Bereich der Distanzstücke 18 ausgespart.
Die Höhe der Distanzstücke 18 ist so gewählt, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Hydrofone von der Metallplatte 13 für eine breitbandig sendende oder empfangende Wandleranordnung klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ ist. Für eine schmalbandig sendende oder empfangende Wandleranordnung wird die Höhe der Distanzstücke 18 kleiner als ein Viertel der Wellenlänge λ, also kleiner λ/4, gewählt.
Die in Fig. 3 im Längsschnitt dargestellte Wandleranordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist gegenüber der zuvor beschriebenen Wandleranordnung insofern modifiziert, als die Schaumstoffplatte aus druckfestem Material durch einen geschlossenen Hohlraum 21 ersetzt ist. Zur Schaffung des Hohlraums 21 ist ein im Querschnitt U-förmiger Rahmen 22 mit Grundplatte 221 und umlaufendem Rahmenschenkel 222 vorgesehen. An der der Grundplatte 221 gegenüberliegenden Seite wird der Rahmen 22 von der Korkschicht 17 der Doppelschicht 15 abgedeckt, die auf dem freien Ende des Rahmenschenkels 221 aufliegt und so den Hohlraum 21 zusammen mit dem Rahmen 22 einschließt. Der Rahmen 22 besteht aus einem steifen Material, z.B. aus einem Leichtmetall, insbesondere Aluminium, oder einem druckfesten Kunststoff oder Schaumstoff. Der Hohlraum 21 ist bevorzugt mit Luft gefüllt und dient neben der Anhebung des Vor- /Rückwärtsverhältnisses zusätzlich zur Aufnahme von elektronischen und elektrischen Bauelementen zur Verbindung mit den Wandlerelementen 11.
Der die Wandlerelemente 11 und den Reflektor 12 einschließende Hartumguss 20 ist nicht wie in Fig. 1 als quaderförmiger Körper ausgeführt, sondern im Bereich der Schalleinfallsrichtung der Oberflächenkontur der kugelförmigen Wandlerelemente 11 nachgeführt, indem dort halbkugelförmige Auswölbungen einen Halbkugelteil der Wandler mit etwa konstanter Materialdicke überziehen. Durch diese Anpassung des Hartumgusses 20 an die Wandlerkontur wird ein größerer Öffnungswinkel der Antennenanordnung erzielt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektroakustische Wandleranordnung für Unterwasserantennen, mit voneinander beabstandeten Wandlerelementen (11) , mit einem in
Schalleinfallsrichtung hinter den Wandlerelementen (11) angeordneten Reflektor (12), der eine den Wandlerelementen (11) zugekehrte Metallplatte (13), insbesondere Aluminiumplatte, und eine auf der von den Wandlerelementen (11) abgekehrten Seite der Metallplatte
(13) liegende Schaumstoffplatte (14) aufweist, und mit einem Hartumguss (20) aus einem Elastomer, der die Wandlerelemente (11) und den Reflektor (12) umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatte (13) Wabenstruktur aufweist und dass zwischen Metallplatte (13) und Schaumstoffplatte (14) eine Doppelschicht (15) aus einer an der Metallplatte (13) anliegenden Schaumstoffschicht (16) und einer an der Schaumstoffplatte (14) anliegenden Materialschicht (17) aus einem Material, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist, angeordnet ist.
2. Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Doppelschicht (15) eine im Vergleich zur Dicke der Schaumstoffplatte (14) kleine Schichtstärke aufweist, die vorzugsweise ca. 6 mm beträgt.
3. Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlerelemente (11) auf an der Metallplatte (13) befestigte Distanzstücke (18) aus Kunststoff, vorzugsweise Polyurethan, festgelegt sind, und dass die Höhe der Distanzstücke (18) so gewählt ist, dass der Abstand des akustischen Zentrums der Wandlerelemente (11) von dem Reflektor (12) für eine breitbandige Wandleranordnung klein gegenüber der mittleren Wellenlänge λ und für eine schmalbandige Wandleranordnung kleiner als ein Viertel der Wellenlänge λ ist.
4. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Wandlerelementen (11) weisende Oberfläche der Metallplatte (13) mit einer dünnen Materialschicht (19) aus einem Material belegt ist, dessen Wellenwiderstand sehr viel kleiner als der von Wasser ist.
5. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (17, 19) aus dem Material mit kleinem Wellenwiderstand eine Korkschicht ist.
6. Wandleranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Korkschicht
(17, 19) ca. 2 mm beträgt.
7. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - β, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffplatte (14) aus druckfestem Schaum besteht.
8. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaumstoffplatte (14) einen geschlossenen, unmittelbar an die Doppelschicht (15) angrenzenden Hohlraum (21) aufweist oder durch einen solchen ersetzt ist.
9. Wandleranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (21) luftgefüllt ist.
10. Wandleranordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (21) von einem im Querschnitt U-förmigen Rahmen (22) mit Grundplatte (221) und umlaufendem Rahmenschenkel (222) und der auf den freien Enden des Rahmenschenkels (222) aufliegenden, die Grundplatte (221) mit Abstand überdeckenden Doppelschicht (15) eingeschlossen ist.
11. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (21) mit- den Wandlerelementen (11) verbundene elektrische und elektronische Bauteile untergebracht sind.
12. Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanderelemente (11) als Kugelkeramiken, vorzugsweise als Keramik-Hohlkugeln, ausgebildet sind.
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