DE1105211B - Unterwasseruebertrager fuer Schall- und Ultraschallschwingungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Unterwasserübertrager mit einem wasserdichten Gehäuse, das zwischen einer Vorder- und einer Rückwand einen Hohlraum enthält, in dem sich ein Schwingungskörper befindet, der aus einem longitudinal schwingenden, elektromechanisch ansprechenden Keramikelement besteht, dessen parallel zueinander verlaufende, ebene Vorder- und Rückseiten mit Elektroden bedeckt sind.

Derartige Übertrager sind bekannt. Beispielsweise ist für die Anwendung auf medizinischem Gebiet ein Übertrager bekanntgeworden, der zur Schwingungserzeugung einen Piezokristall benutzt. Der Kristall liegt eingefügt zwischen einem vorderen und einem hinteren Masseteil; beide Massen bestehen aus dem gleichen Material. Weiter sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden, welche die Verbindung zwischen der Gehäuserückwand und dem Schwingungskörper in-Gestalt eines Piezokristalls betreffen. Der Piezokristall ist bei diesen Fällen zur Erzielung eines besseren Energieumsatzes mechanisch in einem bestimmten Ausmaß unter Druck gesetzt. Dabei ist zwischen der Masse an der Rückseite des Piezokristalls und der Gehäuserückwand eine elastische Verbindungszone vorgesehen, die entweder aus einer Kugel oder einem mit der Spitze zur Rückwand gekehrten und sich dort abstützenden Massenkegel besteht. Im Zuge der technischen Entwicklung sind dann zur Erzielung größerer Energieumsetzungen vorzugsweise keramische Schwingungselemente verwendet worden, insbesondere solche aus Bariumtitanat. Zur Steigerung der Leistung von Übertragern, die auch als Unterwasserübertrager verwendet werden können, ist es bekannt, keramische, Schwingelemente in verschiedenen Anordnungen zu Schwingungserzeugern bzw. Empfängern zusammenzusetzen. Die Schwingelemente werden z. B. in einer bekannten Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht, dessen Vorderöffnung mit einer Aluminiumplatte verschlossen ist, wobei die Gruppe der Schwingelemente jedoch ohne Massenabdeckung an der zur Gehäuserückwand gekehrten Seite bleiben.

Der Gedanke, ein piezoelektrisches Element zwischen zwei Massenelemente einzuklemmen, ist bereits von P. Langevin vor 1918 ausgeführt worden. Dabei wurde jedoch bislang für die Front- und Rückenmassenteile dasselbe Material, z. B. Stahl, benutzt. Um im Rahmen technisch vernünftiger Abmessungen einen günstigen Wirkungsgrad für die Energieumsetzung in der Übertragungsanlage zu erzielen, wurde bisher der Weg beschütten, daß mehrere Schwingungselemente in einer bestimmten Anordnung in einem Schwingungskörper vereinigt wurden. Bei der Zusammenfassung mehrerer stabförmiger Schwingungselemente nebeneinander in einem Übertrager ist es auch bekannt, daß die nebeneinander angeordneten Elemente von der Unterwasserübertrager für Sctiall-
und Ultraschallschwingungen

Anmelder:

The Bendix Corporation,
New York, ISLY. (V. St. A.)

Vertreter: Dr,-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Juni 1956

Brownlee Bensei Gauld, Tucson, Ariz. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Front- und der Rückenmassenplatte überdeckt werden, deren Durchmesser größer als der der einzelnen Schwingungselemente ist...

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Aussendung und Aufnahme von Schwingungen bei einem Unterwasserübertrager der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß dadurch die mit einem keramischen Schwingungselement bestimmter Größe erzielbare Leistungsumsetzung gegenüber den bekannten Vorrichtungen wesentlich besser ausgenutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Keramikteil zwischen einem vorderen und einem hinteren Massenteil von verschiedener Dichte eingefügt ist, die mechanisch mit dem Keramikteil verbunden sind, und daß der vordere Massenteil eine geringere Dichte als der hintere Massenteil und einen größeren Durchmesser als der Keramikteil hat, und die vorderen und hinteren Massenteile mit der entsprechenden Vorder- bzw. Rückwand des Gehäuses verbunden sind.

Der Übertrager erhält durch die neue Anordnungsweise eine wesentlich verbesserte Ankopplungswirkung, so daß sich damit der Wirkungsgrad der Übertragung von akustischer Energie von dem Schwingelement auf die vordere Masse und von dieser auf das umgebende Medium bzw. umgekehrt wesentlich verbessert. Auch die Richtcharakteristik des. Übertragers erfährt durch die neue Anordnung eine Verbesserung. Der Gebrauch eines Frontteiles mit größerem Durchmesser als dem des Keramikteiles hat ferner den Vorteil, daß damit

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ein verhältnismäßig kleines und billiges keramisches Element benutzt werden kann, wobei außerdem das Auftreten von Biegespannungen in dem als Kolben schwingenden Frontmassenteil und die Neigung dieses Teiles zu Sekundärschwingungen verringert werden.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der hintere Massenteil mit der Rückwand des Gehäuses mittels einer Schicht von akustisch isolierendem Material verbunden ist. Ferner wird die grundsätzliche Wirkung der Erfindung dadurch verbessert, daß der vordere Massenteil dicker als der hintere Massenteil ist.

Vorzugsweise kann die Erfindung so ausgeführt werden, daß das vordere Massenelement dicker als das hintere Massenelement ist und daß der elektromechanisch ansprechende Schwinger als Hohlzylinder ausgebildet ist, während das vordere Massenelement ein Vollzylinder ist. Dadurch läßt sich die Herstellung des nach der Erfindung ausgeführten Übertragers weiter verbilligen. Eine Weiterbildung sieht außerdem vor, daß auch das untere Massenelement als Hohlzylinder ausgebildet ist, wodurch sich neben einer Materialersparnis eine damit verbundene Gewichtsverringerung ergibt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Übertragers und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der Fig, I.

Der in den Zeichnungen dargestellte Übertrager besteht aus einem Gehäuse 11, welches aus Gummi oder ähnlichem Werkstoff gepreßt oder geformt ist und eine geschlossene Aussparung 11 α umgibt, in welcher ein Schwinger 10 gelagert ist. In der Nähe der Gehäusemitte sind zwei Montagebohrungen 11b vorgesehen, mit deren Hilfe das Übertragungsgehäuse an der Unterseite eines Schiffes so befestigt werden kann, daß die Rückseite 11 c des Gehäuses am Schiffskörper anliegt und die Gehäusevorderfläche 11 d nach unten zeigt.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich die Ausnehmung 11 α an dem einen Ende des Gehäuses befindet und das letztere keilförmig ausgebildet ist, um in eine Spitze 11 e auszulaufen, die in Fahrtrichtung des Schiffes zeigt, so daß die Wasserströmung geteilt und eine Turbulenz an der Arbeitsfläche 11 d des Übertragers vermindert wird. Am hinteren Ende des Gehäuses, d. h. an dem von der Vorderkante oder Spitze 11 e abgelegenen Ende, ist ein Kabel 12 angeschlossen, »über welches der elektrische Anschluß vorgenommen wird. Das Kabel 12 erstreckt sich durch eine öffnung im Halsteil 11 / des Gehäuses, welcher mit Hilfe einer Klemme 13 fest gegen das Kabel angedrückt wird.

Die Vorderseite der Aussparung 11 α ist mit einem aus Gummi bestehendem Schallfenster 14 so verschlossen, daß dessen Außenfläche mit der Vorderfläche 11 d des übrigen Teiles des Gehäuses gleichflächig verläuft.

Der Schwinger 10 ist ein zusammengesetztes Bauelement und besteht aus einem elektromechanisch ansprechenden Ring 10 a, einer vorderen Aluminumscheibe 10 b und einem hinteren Bleiring 10 c. Die Teile 10 a, 10 b und 10 c sind an ihren Berührungsflächen fest miteinander verbunden. Der Keramikring 10 α und der Bleiring 10 c sind mit zylindrischen Innen- und Außenflächen und flachen Stirnflächen versehen. Die inneren und äußeren Durchmesser der beiden genannten Ringe sind im wesentlichen gleich. Um die axiale Ausrich- - tung des Keramikringes mit dem Bleiring beim Zusammenbau (beispielsweise durch Verwendung eines Führungsdornes) zu erleichtern, können ihre Innendurchmesser auch exakt einander gleich gemacht werden. In gleicher Weise können die Außendurchmesser der Scheibe 10 & und des Bleiringes 10 c gleich groß gemacht werden, um die axiale Ausrichtung der Scheibe

10 & mit den Ringen 10 a und 10 c zu erleichtern.
Die Schwingkräfte des Keramikringes werden vorzugsweise auf eine Ringzone der Scheibe 10 b übertragen, welche von deren zylindrischer Außenfläche radial nach innen versetzt ist, um die mit einem Keramikring von vorgegebener Größe verwendbare Scheibenfläche zu vergrößern, ohne die Biegekräfte in der Scheibe zu vergrößern. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß ein großer Scheibendurchmesser erwünscht ist, um den Übertragungswirkungsgrad für die akustische Energie zwischen der Scheibe und dem Wasser zu vergrößern und die Richtcharakteristik zu verbessern. Die Verwendung einer Scheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Keramikringes hat den weiteren Vorteil, daß es hierdurch möglich wird, kleinere und billigere Keramikringe zu verwenden und auch die Biegungskräfte in der Scheibe und deren Neigung zu Schwingungen in sekundären Schwingungsformen zu vermindern.

Der Keramikring ist an seinen vorderen und hinteren Ringflächen mit den üblichen Silberelektroden 10 d und 1Oe versehen, welche mit den Leitern des Kabels 12 verbunden sind. Die Elektroden können dadurch erzeugt werden, daß man die vordere und hintere Fläche des Keramikelementes mit S über farbe bestreicht und den Keramikkörper dann einer Wärmebehandlung aussetzt, bei der ein dünner Film metallischen Silbers zurückbleibt.

Die Längs- oder Axialabmessung der Schwingungsanordnung ist geringer als die Tiefe der Aussparung

11 a. Der Schwinger berührt mit der Vorderfläche der Scheibe 10 & das Schallfenster 14 und stützt sich mit der Rückseite auf einer Scheibe 15 aus akustisch weichem Werkstoff, wie beispielsweise Schaum- oder porenförmigem Neopren ab. Diese Scheibe 15 füllt den Raum zwischen der Rückwand der Aussparung 11« und den Bleiring 10 c aus, so daß der Schwinger 10 innerhalb des Gehäuses durch die Scheibe 15 und die Membrane 14 gehalten wird. Die Vorderfläche der Scheibe 10 & ist fest mit dem Schallfenster 14 verbunden, so daß das letztere jegliche seitlichen Verschiebungen des Schwingers innerhalb der Aussparungen 11a verhindert.

Es ist im allgemeinen erwünscht, in dem Kabel 12 einen Mittelleiter 12 α vorzusehen, welcher konzentrisch von einem Hohlleiter 12 b umgeben ist. Der Mittelleiter

12 α wird mit der hinteren Elektrode 11 e des Keramikelementes 10 a und der äußere Leiter 12 & mit der vorderen Elektrode 10 d verbunden. Der konzentrisch angeordnete Leiter 12 b liegt vorzugsweise auf Erdpotential, und es ist zur Abschirmung der Elektrode 10 e von elektrischen Fremdfeldern zwischen der Scheibe 15 und der Rückwand der Aussparung 11a eine metallische Abschirmscheibe 16 vorgesehen, welche mit dem Leiter 12 b des Kabels verbunden ist.

Das Keramikelement 10 α kann aus beliebigem bekanntem Werkstoff, wie beispielsweise Bariumtitanat bestehen und in Übereinstimmung mit bekannter Praxis vorpolarisiert sein, so daß es auf über das Schallfenster 14 zugeführte mechanische Schwingungen anspricht, um Potentialunterschiede zwischen den Elektroden 10 d und 10 e zu erzeugen und auch auf

den Elektroden zugeführte elektrische Wechselspannungspotentiale anspricht, um sich in Längsrichtung auszudehnen und zusammenzuziehen und dadurch den gesamten Schwinger 10 durch Kontraktion und Expansion in Longitudinalschwingungen zu versetzen mit einer resultierenden Schwingungsbewegung an der Vorderfläche der Scheibe 10 b.

Die gesamte Schwingungsanordnung hat vorzugsweise die Länge einer halben Schallwellenlänge bei Betriebsfrequenz. Bei einer Frequenz im Bereich von 100 kHz kann das Keramikelement 10 α 6,3 mm dick, die Aluminiumscheibe 7,7 mm dick und der Bleiring 3,2 mm dick gemacht werden.

Die besonderen Vorteile der vorstehend beschriebenen Konstruktion lassen sich wie folgt zusammenfassen:

a) Die Verwendung des hohlen Keramikzylinders ermöglicht eine Verminderung der Kapazität, ohne die wirksame schwingende, mit dem Wasser akustisch gekoppelte Fläche zu verkleinern.

b) Der hohle hintere Massenkörper in der Gestalt eines Bleiringes 10 c hat den Vorteil, daß man die erwünschte Masse am hinteren Ende des Schwingers aus relativ weichem Material (in bezug auf Biegungsbeanspruchungen) ausbilden kann.

c) Die Kombination des Keramikringes mit der vorderen Scheibe von großem Durchmesser führt zu einem wirksamen Schwinger mit einer relativ kleinen Materialmenge und einer relativ großen Arbeitsfläche.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Unterwasserübertrager für Schall- und Ultra-Schallschwingungen mit einem wasserdichten Gehäuse, das eine Vorder- und Rückwand hat und dazwischen einen Hohlraum, in dem sich ein Schwingungskörper befindet, der aus einem longitudinal schwingenden, elektromechanisch ansprechenden Keramikelement besteht, dessen parallel zueinander verlaufende, ebene Vorder- und Rückseiten mit Elektroden bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikteil (10 a) zwischen einem vorderen und einem hinteren Massenteil von verschiedener Dichte (10 b, 10 c) eingefügt ist, die mechanisch mit dem Keramikteil verbunden sind, und daß der vordere Massenteil (10 b) eine geringere Dichte als der hintere Massenteil (10 c) und einen größeren Durchmesser als der Keramikteil (10 a) hat, und die vorderen und hinteren Massenteile (10 b, 10 c) mit der entsprechenden Vorderbzw. Rückwand (14,11 c) des Gehäuses (11) verbunden sind.

2. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Massenteil (10 c) mit der Rückwand (11 c) des Gehäuses (11) mittels einer Schicht von akustisch isolierendem Material (15) verbunden ist.

3. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1 ■ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Massenteil (10 b) dicker als der hintere Massenteil (10 c) ist.

4. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (10 a) ein Hohlzylinder, das vordere Massenelement (10 b) ein Vollzylinder und das hintere Massenelement (10 c) ein Hohlzylinder ist.

5. Unterwasserübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement (lOffl) und das hintere Massenelement (10 c) denselben inneren Durchmesser haben.

6. Unterwasserübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere und das hintere Massenelement (10 b, 10 c) den gleichen äußeren Durchmesser haben.

7. Unterwasserübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Schwingers (10) eine halbe Wellenlänge des Schalles beträgt, dessen Frequenz in diesem Körper zur Resonanz kommen soll.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 597 706, 896 806, 054 912.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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