WO2020152170A1 - Piezokeramisches hydrophon mit metallischer beschichtung - Google Patents

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WO2020152170A1
WO2020152170A1 PCT/EP2020/051418 EP2020051418W WO2020152170A1 WO 2020152170 A1 WO2020152170 A1 WO 2020152170A1 EP 2020051418 W EP2020051418 W EP 2020051418W WO 2020152170 A1 WO2020152170 A1 WO 2020152170A1
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shell
outer layer
spherical
piezoceramic
piezoceramic hydrophone
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Klaus Dettmar
Christoph Hadler
Jeroen VAN HEIJST
Jürgen Lindner
Christoph Meyer
Matthias Miesbauer
Stephan Rautenberg
Jan-Philip Schwarz
Ralf Weissbrodt
Claudia Will
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Atlas Elektronik GmbH
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ThyssenKrupp AG
Atlas Elektronik GmbH
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    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/186—Hydrophones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
    • B06B1/0622—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements on one surface
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R1/44—Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/02—Microphones

Definitions

  • the invention relates to a piezoceramic hydrophone, a passive sonar, an overwater vehicle or underwater vehicle comprising the passive sonar according to the invention, a method for producing a piezoceramic hydrophone and the use of the piezoceramic hydrophone.
  • passive sonar systems can also be used for large-scale sea space monitoring. This can be done, for example, to research the migration of whales, but also in military systems.
  • SOSUS system Sound Surveillance System
  • the effectiveness and shielding of the polymer coating largely depends on the connection to the ceramic surface of the hollow sphere. Due to the different material properties of the ceramic surface and the surface of the polymer coating, a primer, an additional adhesion promoter or an intermediate layer is required in many cases. These must ensure a secure, stable and firm connection between the ceramic surface and the polymer coating. Due to the use in a humid, salt water-containing environment, which can also have significant temperature fluctuations, the adhesion promoter or the intermediate layer must also have high long-term stability with regard to chemical and mechanical loads. Any mechanical or chemical stress which, for example, causes a detachment of the polymer coating or damage to the outer layer, would significantly deteriorate the life and effectiveness of the hydrophone.
  • Cr (VI) compounds Various adhesion promoters based on Cr (VI) compounds are known for the stated purpose.
  • the carcinogenic potential of Cr (VI) compounds has been known for a long time. Exposure of the employees to the Cr (VI) compounds cannot be completely ruled out, particularly during the manufacture of the hydrophone. It is also possible to release the Cr (VI) compound during use or maintenance. Cr (VI) connections also make proper later disposal more complex and expensive.
  • the term Cr (VI) compounds refers to compounds of chromium in the oxidation state plus six. This includes salts, complexes, melts and solutions.
  • No. 6,029,113 A discloses the construction of a differential hydrophone comprising a ceramic sphere from two piezoelectric hemispheres. The arrangement enables the Registration of acoustic signals caused by changes in water pressure and their conversion into electrical signals.
  • DE 102 12 291 C1 discloses an underwater antenna with at least one hydrophone and a symmetrical, electrical amplification circuit assigned to the hydrophone.
  • DE 10 2008 029 269 A1 discloses a hydrophone for an underwater antenna, which has two spherical half-shells made of radially polarized, piezoelectric material and an electrode covering the inner and outer shell surfaces.
  • the spherical half-shells are attached with their shell edges mirror-symmetrically to the top and bottom of a carrier side.
  • EP 0 099 643 A2 discloses highly damping polymer composition
  • a towing sonar comprising a tube consisting of the polymer composition mentioned. A large number of hydrophones are arranged within the tube.
  • the object of the present invention is to provide a coating for a hydrophone which allows the polymer coating to adhere reliably and reliably to the ceramic surface of the spherical surface of the hydrophone. At the same time, no harmful components should be included or their proportion should be reduced to a minimum.
  • the invention further comprises a passive sonar comprising the piezoceramic hydrophone according to the invention.
  • the invention includes an overwater vehicle or underwater vehicle comprising the passive sonar according to the invention.
  • the invention also includes a method for producing a piezoceramic hydrophone.
  • the invention further includes the use of the piezoceramic hydrophone according to the invention in war and research ships, preferably submarines, ASW (anti-submarine warfare) helicopters, sonar buoys, frigates, destroyers, corvettes, express messengers and / or diving robots.
  • ASW anti-submarine warfare
  • the piezoceramic hydrophone according to the invention comprises at least the following elements.
  • a first spherical shell and a second spherical shell are assembled into a hollow sphere.
  • the expression “spherical half-shell” preferably includes a hemisphere with an internal cavity in the sense of the invention.
  • the inner cavity preferably comprises / forms 10% to 90% of the hemisphere volume.
  • An exemplary structure of a hydrophone can be found, among others, in DE 10 2008 029 269 A1, paragraphs [0018] to [0022].
  • the first spherical shell and the second spherical shell comprise a radial one polarized, piezoelectric material, for example lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the first spherical shell and the second spherical shell have an outer layer.
  • the expression “outer layer” preferably includes an at least partial coating of the spherical half
  • the expression “partially” encompasses a coating preferably of at least 30%, particularly preferably at least 75%, of the surfaces (spherical shells).
  • individual sections of spherical half-shell surfaces of the first spherical half-shell and the second spherical half-shell can be designed without an outer layer (coating) or can be designed with an insulating layer or an insulating element arranged between them.
  • this preferably includes the connecting surface of the two spherical half-shells to one another.
  • the expression “outer layer” preferably comprises a coating on the surface of the spherical half-shell, particularly preferably the inner and outer shell surfaces of the respective spherical half-shell.
  • the outer layer has Cu, Cr and / or TiN, or equivalent to “contains” Cu, Cr, and / or TiN.
  • Cu, Cr or TiN can be contained in pure form, as a compound or as an alloy.
  • the outer layer advantageously contains Cu, Cr or TiN.
  • the outer layer preferably contains at least 10% by weight, particularly preferably at least 50% by weight of Cu, Cr, CuNi, CrN or TiN. In one embodiment, the outer layer consists of either CuNi, Cr, CrN or TiN.
  • the hydrophone according to the invention comprises electrical contacting of the first spherical shell and the second spherical shell.
  • a polymer coating surrounds the hollow sphere (3) and prevents or slows down the penetration of moisture or dirt.
  • the outer layer according to the invention enables the polymer coating to adhere securely and well to the hollow sphere of the piezoceramic hydrophone, even without an additional adhesion promoter.
  • the polymer coating can be in direct (mechanical) contact with the outer
  • Adhesion promoters typically also have corrosion protection, which slows down the corrosion of the outer layer.
  • corrosion is promoted by contact with (salt) water.
  • the polymer coating protects the underlying outer layer from direct contact with the water, but the water can also penetrate the polymer coating, so that contact with the water is not completely avoided.
  • the outer layer should have a material that is inherently less susceptible to corrosion. This material should also be electrically conductive so that the outer layer can be used as an electrode.
  • Cu and its compounds are just as suitable here as Cr and its compounds (for example CrN) as well as TiN.
  • these form a natural corrosion layer (passivation), which protects the outer layer from further corrosion by the water and at least slows this further corrosion or they are generally not subject to very slow corrosion in contact with water.
  • the radially polarized, piezoelectric material comprises lead zirconate titanate (PZT).
  • the outer layer preferably contains CuNi, Cr, CrN, and / or TiN and / or mixtures thereof, particularly preferably CuNi in a proportion of 2% by weight to 30% by weight of Ni.
  • the outer layer thus particularly preferably contains 2% by weight to 30% by weight of Ni in the form of CuNi.
  • the outer layer further preferably contains CuNi, preferably in a proportion of 2% by weight to 30% by weight Ni.
  • the outer layer contains no Si0 2 compounds, particularly preferably no glass-like Si0 2 compounds.
  • the surface is often less homogeneous due to the addition of glass, since the glass often clumps together or forms particles during the sintering process.
  • the polymer coating preferably contains silicones, polyesters, polyethers, polyamides, particularly preferably polyurethanes.
  • the polymer coating particularly preferably contains preservatives, stabilizers (for example oxidation and UV stabilizers, moisturizers (drying agents) and / or plasticizers.
  • the electrical contacting of the first spherical half-shell and the second spherical half-shell preferably takes place via solder joints.
  • the invention furthermore comprises a passive sonar comprising a piezoceramic hydrophone according to the invention as described above.
  • the passive sonar or electro-acoustic underwater antenna is preferably used in underwater and overwater vehicles or sonar buoys. Examples of a corresponding structure, e.g. as a side antenna attached to the outer skin or also an electro-acoustic underwater antenna, can be found in DE 10 2004 037 987 A1 in paragraphs [0013] to [0022]
  • the invention comprises an overwater vehicle or underwater vehicle comprising a passive sonar according to the invention as described above.
  • preferred surface vehicles or submersibles are submarines, submarines with AIP (air-independent propulsion system), ASW (anti-submarine warfare) helicopters, sonar buoys, frigates, destroyers, corvettes, express messengers and / or diving robot.
  • the invention further comprises a method for producing a piezoceramic hydrophone at least comprising the following steps.
  • a first step an outer layer comprising Cu, Cr and / or TiN is applied to a first spherical shell and a second spherical shell.
  • the application can take place, for example, by means of an application using a brush, spraying method, immersion method or also by means of PVD (physical vapor deposition) or CVD (chemical vapor deposition).
  • the outer layer is sintered and / or calcined.
  • first spherical shell and the second spherical shell are electrical contact made with the first spherical shell and the second spherical shell before or after the first spherical shell and the second spherical shell have been joined to form a hollow sphere.
  • a polymer coating for example made of polyurethane, is applied around (preferably finally around) the hollow sphere. It can be attached, for example, using a 2K (2 component) casting in an open or closed (casting) mold.
  • the surface of the first spherical half-shell and / or the second spherical half-shell is preferably blasted before the outer layer is applied.
  • the surface of the first spherical half-shell and / or the second spherical half-shell is particularly preferably blasted with corundum (Al 2 O 3 ) before the outer layer is applied.
  • the outer layer is applied using plasma processes, PVD (physical vapor deposition), CVD (chemical vapor deposition), spray processes, immersion processes and / or brush processes.
  • the invention further comprises the use of the above-described piezoceramic hydrophone and / or passive sonar according to the invention in war and research ships, preferably submarines, submarines with AIP (air-independent propulsion) propulsion, ASW (anti-submarine) warfare) helicopters, sonar buoys, frigates, destroyers, corvettes, express messengers and / or diving robots.
  • AIP air-independent propulsion
  • ASW anti-submarine
  • helicopters preferably submarines, submarines with AIP (air-independent propulsion) propulsion, ASW (anti-submarine) warfare) helicopters, sonar buoys, frigates, destroyers, corvettes, express messengers and / or diving robots.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a hydrophone according to the invention.
  • Figure 1 shows the piezoceramic hydrophone according to the invention.
  • a first spherical half-shell (1) and a second spherical half-shell (2) comprising a radially polarized, piezoelectric material (for example lead zirconate titanate (PZT)) are combined to form a hollow sphere (3).
  • the first spherical shell (1) and the second spherical shell (2) have an outer layer (4).
  • the outer layer (4) has (contains) Cu, Cr and / or TiN.
  • individual sections of the spherical half-shell surfaces of the first spherical half-shell (1) and the second spherical half-shell (2) can be designed without an outer layer (4) or have insulating elements / coatings (for example brackets).
  • a Polymer sheathing (6) surrounds the hollow sphere (3) and prevents or slows down the penetration of moisture or dirt.
  • the outer layer (4) according to the invention thus makes it possible to dispense with Cr (VI) compounds with comparable or better durability.
  • An electrical contact (5) is attached to the first spherical half-shell (1) and the second spherical half-shell (2).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Piezokeramisches Hydrophon mindestens umfassend die folgenden Elemente: - eine erste Kugelhalbschale (1) und eine zweite Kugelhalbschale (2) welche zu einer Hohlkugel (3) zusammengesetzt sind; wobei die erste Kugelhalbschale (1) und die zweite Kugelhalbschale (2) ein radial polarisiertes, piezoelektrisches Material umfassen und die erste Kugelhalbschale (1) und die zweite Kugelhalbschale (2) eine Außenschicht (4) aufweist; - eine elektrische Kontaktierung (5) der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten Kugelhalbschale (2); und - eine Polymerummantelung (6) der Hohlkugel (3); dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (4) Cu, Cr und/oder TiN enthält.

Description

Piezokeramisches Hydrophon mit metallischer Beschichtung
Die Erfindung betrifft ein piezokeramisches Hydrophon, ein Passivsonar, ein Überwasserfahrzeug oder Unterwasserfahrzeug umfassend das erfindungsgemäße Passivsonar, ein Verfahren zur Herstellung eines Piezokeramisches Hydrophons und die Verwendung des piezokeramischen Hydrophons.
Verschiedene Unterwasserortungssysteme wie SONAR (sound navigation and ranging) Systeme sind seit teilweise über hundert Jahren vor allem in militärischen Anwendungen bekannt. Hierbei ist im Wesentlichen zwischen aktiven und passiven (Sonar-) Ortungssystemen zu unterscheiden. Während aktive Systeme, beispielsweise das während des zweiten Weltkrieges entwickelte ASDIC System (Anti Submarine Detection Investigation Committee), Schallwellen aussenden und empfangen, werden in passiven Systemen nur die von der Umgebung emittierten Signale empfangen und anschließend ausgewertet. Der Vorteil passiver Systeme liegt darin, dass diese keine selbst lokalisierbaren Signale aussenden. Ein Unter- oder Überwasserfahrzeug welches mit einem passiven Sonarsystem arbeitet, ist daher nicht im Rahmen der Ortung selbst detektierbar. Allerdings gestaltet sich die präzise räumliche Ortung von Unterwasserobjekten alleine über passive Systeme schwieriger. Bei vielen Über- und Unterwasserfahrzeugen kommen daher in der Regel und in Abhängigkeit vom Aufgabenprofil sowohl passive als auch aktive Sonarsysteme zum Einsatz.
Neben der fahrzeuggebundenen Anbringung in Schiffen und U-Booten lassen sich passive Sonarsysteme auch zur großflächigen Seeraumüberwachung einsetzten. Dies kann beispielsweise zur Erforschung der Wanderbewegung von Walen aber auch in militärischen Systemen erfolgen. Ein Beispiel für die großflächige Überwachung ist dabei das SOSUS System (Sound Surveillance System).
In bekannten Hydrophonen sind zwei Hohlkugelhälften zu einer Hohlkugel verbunden. Die DE 102 12 291 C1 und US 6,029,113 A offenbaren aus einem piezokeramischen Material bestehende Hohlkugelhälften. Die Hohlkugelhälften sind entgegengesetzt polarisiert und von jeder Hohlkugel ist eine innere und äußere Elektrode über einen Widerstand an einen invertierten Spannungsverstärker angeschlossen. Einen beispielhaften Aufbau eines Hydrophons findet sich auch in der DE 10 2008 029 269 A1 , [0002], [0007]-[0008] und [0018]-[0024] Die eigentliche Hohlkugel wird noch häufig mit einer Polymerummantelung gegenüber äußeren Einflüssen wie Feuchtigkeit und Schmutz abgeschirmt. Diese Polymerummantelung muss im Hinblick auf Schallgeschwindigkeit und die Langzeitstabilität des Materials auf den Einsatz in Verbindung mit einem Hydrophon abgestimmt sein.
Die Effektivität und Abschirmung der Polymerummantelung hängt im großen Maße von der Verbindung zur Keramikoberfläche der Hohlkugel ab. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften von keramischer Oberfläche und der Oberfläche der Polymerummantelung ist in vielen Fällen ein Primer, ein zusätzlicher Haftvermittler oder eine Zwischenschicht erforderlich. Diese müssen eine sichere, beständige und feste Verbindung zwischen der keramischen Oberfläche und der Polymerummantelung sicherstellen. Aufgrund des Einsatzes in einer feuchten, salzwasserhaltigen, Umgebung welche zudem noch signifikanten Temperaturschwankungen aufweisen kann, muss der Haftvermittler oder die Zwischenschicht zudem eine hohe Langzeitstabilität im Hinblick auf chemische und mechanische Belastungen aufweisen. Jede mechanische oder chemische Belastung, welche beispielsweise eine Ablösung der Polymerummantelung oder Beschädigung der Außenschicht verursacht, würde die Lebensdauer und Wirksamkeit des Hydrophons signifikant verschlechtern.
Für den genannten Einsatzzweck sind verschiedene Haftvermittler auf Basis von Cr(VI) Verbindungen bekannt. Das karzinogene Potential von Cr(VI) - Verbindungen ist schon seit längerer Zeit bekannt. Insbesondere bei der Herstellung des Hydrophons ist eine Exposition der Mitarbeiter mit den Cr(VI)- Verbindungen nicht vollständig auszuschließen. Zudem ist auch eine Freisetzung der Cr(VI)- Verbindung während des Einsatzes oder der Wartung möglich. Auch die fachgerechte spätere Entsorgung wird durch Cr(VI)- Verbindungen aufwändiger und teurer. Der Ausdruck Cr(VI)-Verbindungen bezieht sich auf Verbindungen von Chrom in der Oxidationsstufe plus sechs. Dies schließt Salze, Komplexverbindungen, Schmelzen und Lösungen mit ein.
Im Zuge der Verordnung (EG) Nr. 1907/2006, „REACH-Verordnung“, wurden die Anforderungen im Bereich des Einsatzes von, häufig im Einsatz bewährter, gesundheitsschädlicher Stoffe deutlich angehoben. Aufgrund der im Zulassungsverfahren erforderlichen Risikobewertung müssen viele Verbindungen, gegen unkritischere Verbindungen ausgetauscht werden.
US 6,029,113 A offenbart den Aufbau eines differentialen Hydrophons umfassend eine keramische Kugel aus zwei piezoelektrischen Halbkugeln. Die Anordnung ermöglicht die Registrierung akustischer Signale, welche durch Änderungen des Wasserdruckes hervorgerufen werden, und deren Umwandlung in elektrische Signale.
DE 102 12 291 C1 offenbart eine Unterwasserantenne mit mindestens einem Hydrophon und einer dem Hydrophon zugeordneten, symmetrischen, elektrischen Verstärkungsschaltung.
DE 10 2008 029 269 A1 offenbart ein Hydrophon für eine Unterwasserantenne, welches zwei zu einer Hohlkugel zusammengesetzte Kugelhalbschalen aus radial polarisierten, piezoelektrischen Material und die inneren und äußeren Schalenflächen bedeckende Elektroden aufweist. Die Kugelhalbschalen sind mit ihren Schalenrändern spiegelsymmetrisch an der Unter- und Oberseite einer Trägerseite befestigt.
EP 0 099 643 A2 offenbart hochdämpfende Polymerzusammensetzung umfassend ein segmentiertes Blockpolymer aus Polyurethan und einem Elastomer mit einer Glastemperatur im Bereich von -40 °C bis + 15 °C. Des Weiteren wird ein Schleppsonar umfassend ein aus der genannte Polymerzusammensetzung bestehendes Rohr offenbart. Innerhalb des Rohres ist eine Vielzahl von Hydrophonen angeordnet.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe eine Beschichtung für ein Hydrophon bereitzustellen, welche eine sichere und zuverlässige Haftung der Polymerummantelung auf der keramischen Oberfläche der Kugeloberfläche des Hydrophons erlaubt. Gleichzeitig sollten keine gesundheitsschädlichen Komponenten enthalten sein oder ihr Anteil auf ein Minimum reduziert sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird überraschenderweise durch eine Piezokeramisches Hydrophon gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Passivsonar umfassend das erfindungsgemäße piezokeramisches Hydrophon.
Die Erfindung beinhaltet ein Überwasserfahrzeug oder Unterwasserfahrzeug umfassend das erfindungsgemäße Passivsonar.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Piezokeramisches Hydrophon. Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des erfindungsgemäßen piezokeramisches Hydrophon in Kriegs- und Forschungsschiffen, bevorzugt U-Booten, ASW (anti-Submarine-warfare)-Hubschraubern, Sonarbojen, Fregatten, Zerstörern, Korvetten, Schnellboten und/oder Tauchrobotern.
Das erfindungsgemäße piezokeramische Hydrophon umfasst mindestens die folgenden Elemente. Eine erste Kugelhalbschale und eine zweite Kugelhalbschale sind zu einer Hohlkugel zusammengesetzt. Der Ausdruck„Kugelhalbschale“ umfasst bevorzugt im Sinne der Erfindung eine Halbkugel mit innerem Hohlraum. Bevorzugt umfasst/bildet der innere Hohlraum 10 % bis 90% des Halbkugelvolumens Ein beispielhafter Aufbau eines Hydrophons findet sich unter anderen in der DE 10 2008 029 269 A1 , Paragraph [0018] bis [0022] Die erste Kugelhalbschale und die zweite Kugelhalbschale umfassen ein radial polarisiertes, piezoelektrisches Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT). Die erste Kugelhalbschale und die zweite Kugelhalbschale weisen eine Außenschicht auf. Der Ausdruck„Außenschicht“ umfasst bevorzugt im Sinne der Erfindung eine zu mindestens teilweise Beschichtung der Kugelhalbschalenflächen.
Der Ausdruck„teilweise“ umfasst im Sinne der Erfindung eine Beschichtung bevorzugt von mindestens 30 %, besonders bevorzugt mindestens 75 % der nach Kugelhalbschalen(-ober- )flächen. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses können einzelne Abschnitte Kugelhalbschalenflächen der ersten Kugelhalbschale und der zweiten Kugelhalbschale ohne Außenschicht (Beschichtung) ausgeführt sein oder mit einer dazwischen angeordneten Isolierschicht oder einem isolierenden Element ausgeführt sein. Dies umfasst beispielsweise bevorzugt die Verbindungsfläche der beiden Kugelhalbschalen zueinander. Der Ausdruck „Außenschicht“ umfasst im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Beschichtung auf der Oberfläche der Kugelhalbschale, besonders bevorzugt die inneren und äußeren Schalenoberflächen der jeweiligen Kugelhalbschale.
Die Außenschicht weist Cu, Cr und/oder TiN auf, bzw. gleichbedeutend mit„enthält“ Cu, Cr, und/oder TiN. Cu, Cr bzw. TiN können in Reinform, als Verbindung oder als Legierung enthalten sein. Vorteilhafterweise enthält die Außenschicht Cu, Cr oder TiN auf. Die Außenschicht enthält dabei bevorzugt mindestens 10 Gew. %, besonders bevorzugt mindestens 50 Gew. % Cu, Cr, CuNi, CrN oder TiN. In einem Ausführungsbeispiel besteht die Außenschicht entweder aus CuNi, Cr, CrN oder TiN. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Hydrophon eine elektrische Kontaktierung der ersten Kugelhalbschale und der zweiten Kugelhalbschale. Eine Polymerummantelung umschließt die Hohlkugel (3) und verhindert bzw. verlangsamt das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz. Die erfindungsgemäße Außenschicht ermöglicht eine sichere und gute Haftung der Polymerummantelung auf der Hohlkugel des piezokeramischen Hydrophons auch ohne zusätzlichen Haftvermittler. Die Polymerummantelung kann in direktem (mechanischen) Kontakt mit der Außenschicht stehen.
Haftvermittler weisen typischerweise auch einen Korrosionsschutz auf, der die Korrosion der Außenschicht verlangsamt. Die Korrosion wird bei Hydrophonen durch den Kontakt mit (Salz-) Wasser begünstigt. Die Polymerummantelung schützt die darunterliegende Außenschicht zwar vor dem unmittelbaren Kontakt mit dem Wasser, allerdings kann das Wasser die Polymerummantelung auch durchdringen, so dass ein Kontakt zu dem Wasser nicht gänzlich vermieden wird. Wird das Hydrophon nun ohne Haftvermittler hergestellt, sollte die Außenschicht ein Material aufweisen, das von sich aus wenig korrosionsanfällig ist. Dieses Material sollte ferner elektrisch leitfähig sein, damit die Außenschicht als Elektrode genutzt werden kann.
Hier eignen sich Cu und dessen Verbindungen (beispielsweise CuNi) ebenso wie Cr und dessen Verbindungen (beispielsweise CrN) als auch TiN. Diese bilden bereits beim Herstellungsprozess eine natürliche Korrosionsschicht aus (Passivierung), die die Außenschicht vor weiterer Korrosion durch das Wasser schützt und diese weitere Korrosion zumindest verlangsamt oder sie unterliegen generell keiner oder einer sehr langsamen Korrosion in Kontakt mit Wasser.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das radial polarisierte, piezoelektrische Material Blei-Zirkonat-Titanat (PZT).
Bevorzugt enthält die Außenschicht CuNi, Cr, CrN, und/oder TiN und/oder Gemische davon, besonders bevorzugt CuNi mit einem Anteil von 2 Gew. % bis 30 Gew. % Ni. Besonders bevorzugt enthält die Außenschicht somit 2 Gew. % bis 30 Gew. % Ni in Form von CuNi.
Weiter bevorzugt enthält die Außenschicht CuNi, bevorzugt mit einem Anteil von 2 Gew. % bis 30 Gew. % Ni.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Außenschicht keine Si02 Verbindungen, besonders bevorzugt keine glasartigen Si02 Verbindungen. Die Oberfläche ist durch die Zugabe von Glass häufig weniger homogen, da das Glass beim Sinterprozess häufig zusammen klumpt oder Partikel bildet.
Bevorzugt enthält die Polymerummantelung Silikone, Polyester, Polyether, Polyamide enthält, besonders bevorzugt Polyurethane. Besonders bevorzugt enthält die Polymerummantelung Konservierungsstoffe, Stabilisatoren (beispielsweise Oxidations- und UV-Stabilisatoren, Feuchtfänger (Trocken mittel) und/oder Weichmacher.
Bevorzugt erfolgt die elektrische Kontaktierung der ersten Kugelhalbschale und der zweiten Kugelhalbschale über Lötstellen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Passivsonar umfassend ein wie voranstehend beschriebenes, erfindungsgemäßes piezokeramisches Hydrophon. Das Passivsonar oder auch Elektroakustische Unterwasserantenne wird bevorzugt in Unter- und Überwasserfahrzeugen bzw. Sonarbojen eingesetzt. Beispiele für einen entsprechenden Aufbau, z.B. als eine an der Außenhaut befestigte Seitenantenne oder auch Elektroakustische Unterwasserantenne, finden sich in der DE 10 2004 037 987 A1 in Paragraph [0013] bis [0022]
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Erfindung ein Überwasserfahrzeug oder Unterwasserfahrzeug umfassend ein wie voranstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Passivsonar. Beispiele für bevorzugte Überwasserfahrzeuge oder Unterwasserfahrzeuge sind U-Boote, U-Boote mit AIP (Außenluftunabhängige Antriebsanlage/air-independent- propulsion) Antrieb, ASW (anti-Submarine-warfare)-Hubschrauber, Sonarbojen, Fregatten, Zerstörer, Korvetten, Schnellbote und/oder Tauchroboter.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines Piezokeramisches Hydrophon mindestens umfassend die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt wird eine Außenschicht umfassend Cu, Cr und/oder TiN auf einer ersten Kugelhalbschale und eine zweiten Kugelhalbschale aufgetragen. Das Aufträgen kann beispielsweise über ein Aufträgen mittels Pinsel, Sprühverfahren, Tauchverfahren oder auch über PVD (physical- vapor-deposition) oder CVD (chemical-vapor-depostion) erfolgen. In einem folgenden optionalen Schritt wird die Außenschicht gesintert und/oder kalziniert. Weiterhin erfolgt noch eine elektrische Kontaktierung der ersten Kugelhalbschale und der zweiten Kugelhalbschale vor oder nach dem Zusammenfügen der ersten Kugelhalbschale und der zweiten Kugelhalbschale zu einer Hohlkugel. Abschließend wird eine Polymerummantelung, beispielsweise aus Polyurethan, um (bevorzugt abschließend um) die Hohlkugel angebracht. Das Anbringen kann beispielsweise über einen 2K (2 Komponenten)-Verguss in einer offenen oder geschlossenen (Gieß)Form erfolgen.
Bevorzugt wird die Oberfläche der ersten Kugelhalbschale und/oder der zweiten Kugelhalbschale vor dem Aufträgen der Außenschicht grundgestrahlt. Besonders bevorzugt wird die Oberfläche der ersten Kugelhalbschale und/oder der zweiten Kugelhalbschale vor dem Aufträgen der Außenschicht mit Korund (Al203) grundgestrahlt. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Grundstrahlung, insbesondere mit Korund, die Haftung der Polymerummantelung auf der Außenschicht merklich verbessert und erhöht.
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Aufträgen der Außenschicht über Plasmaverfahren, PVD (physical vapor depostion), CVD (Chemical vapor deposition), Sprühverfahren, Tauchverfahren und/oder Pinselverfahren.
Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des voranstehend beschriebenen, erfindungsgemäßen piezokeramisches Hydrophon und/oder erfindungsgemäßen Passivsonar in Kriegs- und Forschungsschiffen, bevorzugt U-Booten, U-Booten mit AIP (air- independent-propulsion) Antrieb, ASW (anti-submarine-warfare)-Hubschraubern, Sonarbojen, Fregatten, Zerstörern, Korvetten, Schnellboten und/oder Tauchrobotern.
Des Weiteren wird die Erfindung anhand der folgenden Figur näher erläutert. Die Figur beschränkt dabei nicht den Schutzumfang der Erfindung, sondern dient nur der beispielhaften Erläuterung. Die Figur ist nicht maßstabsgetreu.
Es zeigt:
Figur 1 : einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Hydrophons.
Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße piezokeramisches Hydrophon. Eine erste Kugelhalbschale (1) und eine zweite Kugelhalbschale (2) umfassend ein radial polarisiertes, piezoelektrisches Material (beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat (PZT)), sind zu einer Hohlkugel (3) zusammengesetzt. Die erste Kugelhalbschale (1) und die zweite Kugelhalbschale (2) weisen eine Außenschicht (4) auf. Die Außenschicht (4) weist (enthält) Cu, Cr und/oder TiN auf. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses können einzelne Abschnitte der Kugelhalbschalenflächen der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten Kugelhalbschale (2) ohne Außenschicht (4) ausgeführt sein oder isolierende Elemente/Beschichtungen (beispielsweise Halterungen) aufweisen. Eine Polymerummantelung (6) umschließt die Hohlkugel (3) und verhindert bzw. verlangsamt das Eindringen von Feuchtigkeit oder Schmutz. Die erfindungsgemäße Außenschicht (4) erlaubt somit einen Verzicht auf Cr(VI) Verbindungen bei vergleichbarer oder besserer Haltbarkeit. Eine elektrische Kontaktierung (5) ist an der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten Kugelhalbschale (2) angebracht.
Bezugszeichenliste
(1) erste Kugelhalbschale
(2) zweite Kugelhalbschale
(3) Hohlkugel
(4) Außenschicht
(5) elektrische Kontaktierung
(6) Polymerummantelung

Claims

Patentansprüche
1. Piezokeramisches Hydrophon mindestens umfassend die folgenden Elemente:
eine erste Kugelhalbschale (1) und eine zweite Kugelhalbschale (2) welche zu einer Hohlkugel (3) zusammengesetzt sind;
wobei die erste Kugelhalbschale (1) und die zweite Kugelhalbschale (2) ein radial polarisiertes, piezoelektrisches Material umfassen und die erste Kugelhalbschale
(1) und die zweite Kugelhalbschale (2) eine Außenschicht (4) aufweist;
eine elektrische Kontaktierung (5) der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten
Kugelhalbschale (2); und
eine Polymerummantelung (6) der Hohlkugel (3);
dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht (4) Cu, Cr und/oder TiN enthält.
2. Piezokeramisches Hydrophon nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das radial polarisiertes, piezoelektrisches Material (9) Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) umfasst.
3. Piezokeramisches Hydrophon nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht CuNi, Cr, CrN, und/oder TiN und/oder Gemische davon enthält, bevorzugt CuNi mit einem Anteil von 2 Gew. % bis 30 Gew. % Ni.
4. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht CuNi enthält, bevorzugt mit einem Anteil von 2 Gew. % bis 30 Gew. % Ni.
5. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenschicht keine Si02 Verbindungen, bevorzugt keine glasartigen Si02 Verbindungen enthält.
6. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerummantelung (6) Polyurethane, Silikone, Polyester, Polyether, Polyamide enthält, bevorzugt Polyurethane enthält.
7. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerummantelung (6) Konservierungsstoffe, Füllstoffe, Feuchtfänger(T rockenmittel), Stabilisatoren und/oder Weichmacher enthält.
8. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Kontaktierung (5) der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten Kugelhalbschale (2) über Lötstellen erfolgt.
9. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Polymerummantelung in Kontakt mit der Außenschicht steht.
10. Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Grenzfläche zwischen der Außenschicht und der Polymerummantelung die Abwesenheit eines Haftvermittlers aufweist.
11. Passivsonar umfassend ein Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Überwasserfahrzeug oder Unterwasserfahrzeug umfassend ein Passivsonar nach Anspruch 11.
13. Verfahren zur Herstellung eines Piezokeramisches Hydrophon mindestens umfassend die folgenden Schritte:
auftragen einer Außenschicht (4) umfassend Cu, Cr und/oder TiN auf einer ersten
Kugelhalbschale (1) und einer zweiten Kugelhalbschale (2);
optional sintern und/oder kalzinieren der Außenschicht (4);
elektrische Kontaktierung der ersten Kugelhalbschale (1) und der zweiten
Kugelhalbschale (2) vor oder nach dem Zusammenfügen der ersten
Kugelhalbschale (1) und der zweiten Kugelhalbschale (2) zu einer Hohlkugel (3); und
- Aufbringen einer Polymerummantelung (6) um die Hohlkugel (3).
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der ersten Kugelhalbschale (1) und/oder der zweiten Kugelhalbschalen (2) vor Aufträgen der Außenschicht (4) grundgestrahlt werden, bevorzugt mit Korund grundgestrahlt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufträgen der Außenschicht (4) über Plasmaverfahren, PVD (physical vapor depostion), CVD (Chemical vapor deposition), Sprühverfahren, Tauchverfahren und/oder Pinsel verfahren erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass CuNi, Cr, CrN, und/oder TiN und/oder Gemische davon als Außenschicht (4) aufgetragen werden.
17. Verwendung des Piezokeramisches Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und oder Passivsonar nach Anspruch 11 in Kriegs- und Forschungsschiffen, bevorzugt U-Booten, ASW (anti-submarine-warfare)-Hubschraubern, Sonarbojen, Fregatten, Zerstörern, Korvetten, Schnellboten und/oder Tauchrobotern.
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