DE3785384T2 - Unterwasserwandler. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Unterwasserwandler und insbesondere einen als Biegespannungswandler der Klasse IV bekannten Typ eines akustischen Wandlers.
• Ein akustischer Unterwasserwandler des beschriebenen Typs besteht im allgemeinen aus einem Gehäuse einer bestimmten vorgegebenen Länge, welches hohl ist und im allgemeinen einen elliptischen Querschnitt hat. Das Gehäuse nimmt normalerweise einen oder mehrere Stapel von piezoelektrischen keramischen Elementen auf und ist so beschaffen, daß es die keramischen Elemente unter einer erheblichen Kompressionsvorspannung setzt. Beim Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente erfolgt ihr Ausdehnen und Kontrahieren in einer solchen Weise, daß die schmalen enden des elliptischen Gehäuses angeregt werden. Diese werden an den breiten Oberflächen der Ellipse, welche die abstrahlenden Hauptflächen bilden, zu großen Bewegungen umgesetzt.
• Wandler dieses allgemeinen Typs sind beispielsweise aus der US-A-4420826 bekannt, wobei das elliptische Gehäuse in den gewünschten Abmessungen mit dem gewünschten Innenraum zur Aufnahme des Stapels der keramischen piezoelektrischen Teile aus Metall oder aus einem Material geformt sein kann, wie beispielsweise Glasfaser in einer Epoxidharzmatrix. In beiden Fällen muß das einteilige Gehäuse zur Vergrößerung der Länge seiner hohlen Innenkammer stark komprimiert oder abgeflacht werden, so daß der Stapel der keramischen Elemente eingesetzt werden kann, wonach die Kompressionskraft weggenommen wird und das Gehäuse in seine ursprüngliche Form zurückkehren will und dadurch auf den Stapel eine statische Kompressionsvorspannung ausübt. In einigen Fällen werden in Kombination mit dem Stapel zwischenstücke verwendet, um die gewünschte Preßpassung zu erzeugen. Da das keramische Material in Bezug auf die Spannung eine sehr niedrige Festigkeit hat, muß der Stapel oder die Stapel in einen Kompressionszustand vorgespannt werden. Bei Betrieb schwingt die Spannung am keramischen Material um ihren nichterregten Druckwert. Dieser Wert ändert sich jedoch mit der Tiefe, da der Wasserdruck an dem elliptischen Gehäuse die schmalen Enden nach außen zu drücken versucht und dadurch die Anfangs-Kompressionsvorspannung herabsetzt. Die Folge ist, daß der Wandler tiefenbegrenzt ist, d. h. von einer bestimmten Tiefe ab werden die schmalen Enden des Gehäuses in einem solchen Maße verformt, daß die Vorspannung insgesamt weggenommen wird, Diese Mindesttiefe kann durch Auswahl der Anfangsvorspannung in Abhängigkeit von den Festigkeiten der verwendeten Materialien ausgewählt werden. Je größer die Vorspannung ist, die bei der Tiefe O existiert, um so tiefer kann der Wandler betrieben werden, bevor die Interferenz gegen O geht. ES besteht ebenfalls eine Grenze bei der Anfangs-Keramikvorspannung, da das Keramikmaterial keine Kompressionsspannungen in der Nähe seiner depolarisierenden Spannungsgrenze erfahren darf. Die Folge ist, daß, wenn die Anfangs- Keramikvorspannung zur Verbesserung der maximalen Tiefe groß ist, eine Mindestarbeitstiefe eingehalten werden muß. Dieses tritt auf, wenn die Schwingungsspannung als Folge des Erregens der Wandlerelemente bewirkt, daß die Gesamtspannung der Keramik, die oszillierende plus statische, sich gefährlich ihrem depolarisierenden Wert nähert.
• Während der vorstehend beschriebene Typ des Wandlers allgemein verwendbar ist, gibt es einige Nachteile bei der beschriebenen konstruktiven Anordnung, bei der das Gehäuse einteilig ist. Es ist offensichtlich, daß es schwierig ist, ein Gehäuse und ein Wandlerbaustein zu entwerfen und zu bauen, bei denen die Abmessungen jeweils so sind, daß gerade der richtige Wert der Vorspannung an dem Keramikstapel gewährt wird. Darüber hinaus muß diese Vorspannung gleichmäßig über den Stapel aufgebracht werden, um Rißbildung oder Bruch der Keramikelemente zu vermeiden.
• Damit wird das einteilige Gehäuse sehr kostspielig. Die gewünschte Vorspannung wird die Dicke des Gehäuses bestimmen, wobei diese Dicke wiederum die Resonanzfrequenz beeinträchtigt und damit den Betriebsfrequenzbereich des Wandlers begrenzt.
• Sofern ein Tiefenbetrieb in großer Tiefe nicht gefordert wird, wie beispielsweise bei Einsatz in Überwasserschiffen, bietet ein veränderter Wandleraufbau, welcher Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung ist, einige erhebliche Vorteile. Bei diesem Aufbau wird das Gehäuse aus zwei separaten Halbschalen oder abstrahlenden Elementen geschaffen. Die Keramikelemente werden an gegenüberliegenden Seiten eines Mittelträgers befestigt und dann mit Hilfe einer Vielzahl von Spannschrauben vorgespannt, die an sehr biegesteifen Seitenträgern, und zwar eine an jedem Ende des Keramikstapels, befestigt sind und gegen den die Spannschrauben angezogen werden. Biegesteife Teile werden benötigt, um das Biegen der Seitenträger auf ein Minimum herabzusetzen, das zu ungleichförmiger Kontaktspannung zwischen den Seitenträgern und den Keramikelementen führen würde und möglicherweise einen Bruch der Keramikteile zur Folge hätte, wenn die Spannschrauben angezogen werden. Bei Anwendung dieses Vorgehens stellt der oder die vorgespannte(n) Keramikstapel eine unabhängige Anordnung dar. Die zwei Halbschalen können dann mit nur einer an jedem der Seitenträger befestigten Kante zusammengesetzt und mit einem Elektronenstrahl daran verschweißt werden, so daß der Wandler nahezu komplett ist. Abschlußkappen von geeigneter elliptischer Form werden an dem Mittel- und den Seitenträgern angebracht und die gesamte Anordnung mit einer Abdeckung oder Verkleidung aus geeignetem elastomeren Material versehen.
• Ein Vorteil der vorstehend beschriebenen Konstruktion besteht darin, daß die Konstruktion bei Metallgehäusen aus zwei Halbschalen weniger kostspielig ist als ein einzelnes einteiliges Gehäuse. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Gehäuse selbst nicht zum Aufbringen der Vorspannkraft auf die Keramikelemente benötigt wird und das Gehäuse selbst nicht der Vorspannkraft beim Zusammenbau zur Stapelgruppe ausgesetzt ist. Die Gehäusedicke kann daher so dünn ausgeführt werden, wie notwendig ist, um die Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu kontrollieren und das Gewicht auf ein Minimum zu halten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei dünnwandigen Gehäusen die Verwendung von Spannschrauben eine tiefere Tiefenfähigkeit gewährleisten als ein entsprechendes einteiliges Gehäuse ohne spannschrauben, da die Vorspannkraft leichter variiert werden kann. Versuche mit dem Aufbau mit zwei Halbschalen haben gezeigt, daß im Vergleich zu dem einteiligen Aufbau von etwa der gleichen Fläche der Aufbau mit zwei Halbschalen bei ungefähr der halben Resonanzfrequenz arbeitet und dadurch eine größere Reichweite gewährt.
• Weitere Merkmale und Vorteile werden anhand der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen offensichtlich, worin sind:
• Fig. 1 eine schematische, teilweise perspektivische Ansicht eines Biegespannungswandlers nach dem Stand der Technik, bei welchem ein vorstehend beschriebenes einteiliges Gehäuse verwendet wird;
• Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten, vorgespannten Keramikstapels vor dem Zusammenbau der Halbschalen;
• Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung ähnlich wie in Fig. 2, jedoch mit nur einer angebrachten Halbschale, bei welcher die einbaufertigen Abschlußkappen gezeigt sind;
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht ähnlich wie in Fig. 3, jedoch mit beiden angebrachten Halbschalen.
• Bezugnehmend auf Fig. 1 ist ein im allgemeinen elliptisches Gehäuse 10 einer gewünschten Länge aus Stahl geformt, oder es kann, wie vorstehend beschrieben, aus Glasfaser in einer Epoxidharzmatrix bestehen. Dieses Gehäuse verfügt notwendigerweise über Wände einer gewissen Dicke, da seine Innenkammer einen Stapel keramischer piezoelektrischer Elemente 12 in einer solchen Weise aufnehmen muß, daß auf den Stapel eine erhebliche Kompressionsvorspannung aufgebracht wird. Wenn der Stapel 12 zusammengebaut wird, ist er etwas länger als der große Durchmesser der elliptischen Öffnung 14 des Gehäuses 10. Zum Zusammenbauen dieses Wandlers ist die Aufbringung einer erheblichen Druckkraft über dem kleinen Durchmesser des Gehäuses 10 erforderlich, welche die schmalen Enden 16 nach außen bewegt und dadurch den großen Durchmesser der elliptischen Öffnung ausreichend groß macht, um das Einsetzen des Stapels 12 in die Öffnung zu ermöglichen. Bei Wegnahme der Kraft versucht das Gehäuse 10 seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen, was ihm aufgrund der Preßpassung nicht ganz gelingt. Die Abmessungen des Gehäuses 10 und des Stapels 12 müssen selbstverständlich sorgfältig berechnet werden, um den gewünschten Betrag der Vorspannung und einen gleichmäßigen Betrag der Vorspannung über dem Stapel zu gewähren und ein Reißen der Keramikelemente zu vermeiden. Da die Wandstärke des Gehäuses 10 mit seiner Vorspannung im Zusammenhang steht, neigt sie auch dazu, die Resonanzfrequenz und die Frequenzbandbreite des Wandlers zu kontrollieren.
• Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines zusammengebauten, vorgespannten Keramikstapels gemäß der Erfindung vor dem Anbringen der Halbschalen. In dieser Ansicht ist der Mittelträger 18 mit zwei Stapeln 20 der piezoelektrischen Keramikelemente zu sehen, die miteinander verbunden und zueinander beabstandet sind. Die Stapel werden aus einer Gruppe von miteinander verbundenen piezoelektrischen Keramikelementen (in diesem Fall 16) plus einem unpolarisierten Element gebildet und der Stapel so mit dem geerdeten unpolarisierten Element sorgfältig geformt, daß die Höhen der Stapel untereinander eine enge Toleranz haben. Die Teile 22 und 24 des biegesteifen Seitenträgers werden sodann mit Hilfe von drei Spannschrauben 26, 28 und 30 an den Außenseiten der Stapel 20 befestigt, wobei die Schraube 28 in der Mitte der Anordnung so angeordnet ist, daß sie sich genau zwischen zwei Stapeln an jeder Seite des Mittelträgers 18 befindet. Es ist zu beachten, daß alle Träger 18, 22 und 24 zur Aufnahme der Spannschrauben Bohrungen aufweisen. Eines der wichtigsten Schritte des Zusammenbaus ist wegen der Eigensprödigkeit des keramischen Materials und der Tatsache, daß es keiner signifikanten Biegespannung ausgesetzt werden darf, das Anziehen der Muttern an den Spannschrauben, um den Keramikstapeln 20 die gewünschte Vorspannung zu verleihen. Die Stapel 20 sind etwas kostspielig herzustellen, und wenn ein Element während des Zusammenbaus reißt oder zersplittert, muß der gesamte Stapel weggeworfen und erneuert werden. Um zu gewährleisten, daß die Schrauben 26, 28 und 30 gleichmäßig angezogen werden, werden vorzugsweise an jeder Schraube Dehnungsmeßfühler angebracht und mit der Geräteausstattung so verbunden, daß geringfügige Differenzen in der Spannung an den Schrauben beobachtet werden. Dadurch wird selbstverständlich auch eine Vorrichtung gewährt, mit der man weiß, wann die gewünschte Kompressionsvorspannung auf die Stapel 20 aufgebracht worden ist. Die Keramikelemente in den Stapeln 20 werden selbstverständlich alle miteinander elektrisch verbunden und elektrische Verbindungen von den Stapeln 20 zu einem geeigneten ansteuernden Verstärker (nicht gezeigt) hergestellt, wobei jedoch derartige elektrische Verbindungen zum Stand der Technik gehören und von dem Fachkundigen verstanden werden. Sie bilden keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung.
• Fig. 3 zeigt einen Schritt in der Folge des Zusammenbaus des Wandlers. Die Anordnung nach Fig. 2 wurde vervollständigt und bildet eine für die Anbringung der Halbschalen fertige biegesteife, einstückige Konstruktion. In Fig. 3 ist eine der Halbschalen 32 in einer Position dargestellt, in der ihre Kanten an den Seitenträgern 22 und 24 elektronenstrahlgeschweißt sind. Es werden ein Paar Abschlußkappen 34 und 36 gezeigt, die zum Anschrauben an die Enden des Trägers 18 bereit sind.
• Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wandlers entsprechend Fig. 3, jedoch mit beiden Halbschalen 32 und 38, die an den Seitenträgern zur Bildung eines komplettierten elliptischen Gehäuses elektronenstrahlgeschweißt sind. Wenn die Anordnung bis zu diesem Umfang vervollständigt worden ist, verbleibt lediglich noch das Anschrauben der Abschlußkappen an den Träger 18, Abdecken der Halbschalen mit einer Abdeckung oder Verkleidung (nicht gezeigt) aus Neopren oder anderem geeigneten elastomeren Material, das im wesentlichen akustisch durchlässig ist. Diese Verkleidung wird an den Kanten der Abschlußkappen 34 und 36 versiegelt.
• Der Betrieb des Wandlers erfolgt im wesentlichen wie vorstehend beschrieben, die Ausdehnung und Kontraktion der Stapel 20 wird auf die Seitenträger 22 und 24 übertragen und bewirkt ihre Bewegung nach innen und außen. Bei ihrer Bewegung bewirken die Halbschalen 32 und 38, daß sie sich um größere oder kleinere Beträge nach außen biegen und in dem umgebenden Wasser Schallwellen erzeugen. Es wurde festgestellt, daß die vorstehend beschriebene Konstruktion die Verwendung von Halbschalen von im wesentlichen geringerer Dicke zuläßt, als sie für einteilige Gehäuse benötigt werden würde und dadurch den Betrieb bei sehr viel niedrigeren Frequenzen erlaubt, als mit einem vergleichbaren Wandler mit einem einteiligen Gehäuse möglich ist. Dem Fachmann wird ersichtlich, daß mit unserem Aufbau mit zwei Halbschalen verschiedene Konstruktionsvariablen leichter zu kontrollieren sind, z. B. kann die Vorspannung an den Stapeln leichter geregelt werden, die Dicke der Halbschalen steht nicht mehr im Zusammenhang mit der Vorspannung, so daß breitere Frequenzbandbreiten und niedrigere Frequenzen (die zu einer größeren Reichweite führen) möglich werden und der gesamte Wandler ein geringeres Gewicht aufweist und weniger kostspielig herzustellen ist, zumindest im Vergleich mit einem einteiligen Gehäuseaufbau, das insgesamt aus Metall ist.

Claims (12)

1. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler, umfassend ein Hohlgehäuse (10) mit elliptischem Querschnitt und Stapel (12) von piezoelektrischen Wandlerelementen, die so in dem Gehäuse angeordnet sind, daß sie, wenn sie angeregt werden, gegen die schmalen Seiten des Gehäuses schwingen, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aufweist: einen biegesteifen Seitenträger (22, 24) an jedem Ende des Stapels (12), der außen an dem Stapel zwischen den Seitenträgern (22, 24) mit Schrauben (26, 28, 30) verbunden und befestigt ist, um einen angestrebten Betrag einer Kompressionsvorspannung in dem Stapel (12) zu erzeugen, ein Paar gewölbte abstrahlende Elemente (32, 38), von denen jedes eine an einem der Seitenträger (22, 24) befestigte Kante hat und eine andere Kante, die an dem anderen der genannten Seitenträger (22, 24) befestigt ist, so daß Ausdehnung und Kontraktion des Stapels (12), wenn er erregt ist, in große Bewegungen der gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) übertragen werden, sowie eine akustisch durchlässige Vorrichtung (40) zum Abdecken von mindestens einem Teil des Wandlers.

2. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler nach Anspruch 1, bei welchem der Stapel von Wandlerelementen mindestens zwei separate Stapel (20) von piezoelektrischen Elementen mit den Schrauben (26, 28, 30) umfaßt, die zwischen den Stapeln (20) und an der Außenseite der Stapel (20) verbunden sind.

3. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler nach Anspruch 1, bei welchem die Kanten der gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) an den Seitenträgern (22, 24) angeschweißt sind.

4. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler nach Anspruch 1, bei welchem die Abdeckvorrichtung Kappenteile (34, 36) an jedem Ende des Gehäuses (10) und eine Verkleidung (40) aus elastomerem Material aufweist, mit dem die Kappenteile (34, 36) versiegelt sind und die Seitenträger (22, 24) und die abstrahlenden Elemente (32' 38) abgedeckt werden.

5. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler nach Anspruch 1, bei welchem die Kompressionsvorspannung auf einem Wert gehalten wird, der nach Addieren zu der von der Erregung des Stapels herrührenden Schwingungsspannung merklich kleiner ist als derjenige, der die Wandlerelemente depolarisieren würde.

6. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 2, bei welchem der Wandler einen zwischen den Seitenträgern (22, 24) befindlichen dritten Träger (18) aufweist und der Stapel (12) gleiche Zahlen von Gruppen (20) der piezoelektrischen Elemente umfaßt, die an gegenüberliegenden Seiten des dritten Trägers (18) getragen werden.

7. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 1, bei welchem der Wandler einen zwischen den Seitenträgern (22, 24) angeordneten dritten Träger (18) umfaßt und der Stapel (12) der Wandlerelemente mindestens zwei separate Gruppen (20) piezoelektrischer Elemente umfaßt, wobei die Gruppen (20) an gegenüberliegenden Seiten des dritten Trägers (18) gleichmäßig geteilt sind.

8. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 1, bei weichem die gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) nicht vorgespannt sind.

9. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 1, bei welchem die Dicke der gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) gewählt werden können, um die Resonanzfrequenz der Wandler zu steuern.

10. Akustischer Unterwasser-Biegespannungswandler, umfassend ein Hohlgehäuse (10) mit im allgemeinen elliptischem Querschnitt und einen Stapel (12) von piezoelektrischen Wandlerelementen, die so in dem Gehäuse angeordnet sind, daß, wenn sie angeregt sind, gegen die schmalen Enden des Gehäuses schwingen, sowie Vorrichtungen (22, 24, 26, 28, 30) zum Ausüben einer statischen Druckkraft auf den Stapel (12)' dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler umfaßt: einen sich in Längsrichtung in das Gehäuse (10) erstreckenden Mittelträger (18), wobei der Stapel (12) eine gerade Zahl von Gruppen (20) von piezoelektrischen Elementen mit der Hälfte der Gruppen an jeder Seite des Mittelträgers (18) aufweist, ein Paar biegesteifer Seitenträger (22, 24), so daß sich in Kontakt mit den Außenseiten der Gruppen (20) eine Vielzahl von Spannschrauben (26, 28, 30) außerhalb der Stapel zwischen den Seitenträgern (22, 24) erstrecken, so daß beim Anziehen eine angestrebte Druckkraft im wesentlichen gleichförmig auf die Gruppen (20) aufgebracht wird, ein Paar abstrahlender Elemente (32, 38) mit gewölbtem Querschnitt, von denen jedes an einer seiner Kanten an einem der Seitenträger (22, 24) und an seinem gegenüberliegenden Ende an dem anderen der Träger (22, 24) befestigt ist, so daß, wenn der Stapel (12) mit Hilfe eines Wechselstroms erregt wird, die Seitenträger (22, 24) in Bezug auf den Mittelträger (18) hin- und wegbewegt werden und große Bewegungen der gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) bewirken, im allgemeinen elliptisch geformte Kappenteile (34, 36), die an den Enden der Träger (22, 24) befestigt sind, und eine Verkleidung (40) aus elastischem Material, welches die abstrahlenden Elemente (32, 38) und die Seitenträger (22, 24) abdeckt und mit den Kappenteilen (34, 36) versiegelt, um den Eintritt von Wasser in das Gehäuse (10) zu verhindern.

11. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 10, bei welchem eine der Spannschrauben (26, 28, 30) an jeder Seite jeder der Gruppen (20) der piezoelektrischen Elemente angebracht ist, um eine Vorrichtung zum im wesentlichen gleichmäßigen Vorspannen der Elemente zu gewähren.

12. Akustischer Unterwasserwandler nach Anspruch 10, bei welchem die Kanten der gewölbten abstrahlenden Elemente (32, 38) an die Seitenträger (22, 24) elektronenstrahlgeschweißt sind.