DE1113400B - UEbertrager fuer die Umformung von Schallwellen in einem fluessigen Medium in elektrische Wellen und umgekehrt - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

KL.74d 6/08

INTERNATIONALE KL.

G 08t; F 06h

B32151Vmd/74d

ANMELDETAG: 6. AU G U S T 1954

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 31. AUGUST 1961

Die Erfindung bezieht sich auf Übertrager in der Ausführung mit einem in radialer Richtung schwingungsfähigen Ring, dessen innere Fläche einem flüssigen Medium ausgesetzt ist, durch das die Wellen durch ein Ende des Ringes gesendet oder empfangen werden. Solche Übertrager sind insbesondere für Unterwasserschallübertragung sowie für den Empfang bei Ultraschallfrequenzen gebräuchlich, obgleich ihre Verwendbarkeit nicht auf eine besondere Frequenz oder ein bestimmtes flüssiges Medium beschränkt ist.

Bekannte Ausführungen der Übertrager, auf die sich die Erfindung bezieht, sind an dem hinteren Ende durch einen schweren Reflektor abgeschlossen. Die axiale Länge des Ringes ist dabei gleich einem Viertel der Schallwellenlänge in dem flüssigen Medium, das in dem Ring enthalten ist, und zwar bei der Resonanzfrequenz des letzteren. Diese Übertrager sind zwar wirksam und gebrauchsfähig, aber schwerer und teurer, als sie sein würden, wenn der schwere Reflektor fortgelassen werden könnte. Bisher ist dieser Reflektor für einen notwendigen Bestandteil zur Erzielung eines guten akustischen Wirkungsgrades gehalten worden, und seine Dicke sollte für den besten Nutzeffekt ein Viertel der Schallwellenlänge in ihm bei der Arbeitsfrequenz betragen. Die Wellenlänge nimmt mit zunehmender Dicke des Materials ab, aber auch bei der Verwendung eines dichten Metalls, wie z. B. Blei, würde die Dicke des Reflektors 3,18 mm für einen Übertrager betragen, der bei 50 kHz arbeitet. Ein derartiger Reflektor macht einen wesentlichen Teil des Gesamtgewichtes des Übertragers aus und vermehrt materialmäßig seine Kosten. Bei niedrigeren Frequenzen wird er in zunehmendem Maße schwer.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe betrifft die Steigerung des Wirkungsgrades und die Verminderung der Kosten und des Gewichtes von Übertragern der oben angeführten bekannten Art.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Übertrager zum Umwandeln von Schallwellen in einem flüssigen Medium in elektrische Wellen in einem elektrischen Kreis und umgekehrt mit einem oder mehreren radial schwingungsfähigen, an den elektrischen Stromkreis angekoppelten Ringen, deren Innenfläche über die eine Stirnöffnung dem flüssigen Medium ausgesetzt ist, während die andere Stirn-Öffnung durch einen Reflektor verschlossen ist, erfindungsgemäß die axiale Länge der Ringe im wesentlichen eine halbe Schallwellenlänge in dem flüssigen Medium bei der Eigenfrequenz der Radialschwingung der Ringe beträgt, und daß der Reflektor einen wesentlich geringeren akustischen Widerstand aufweist als das flüssige Medium.

Übertrager für die Umformung

von Schallwellen in einem flüssigen Medium in elektrische Wellen und umgekehrt

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. August 1953 (Nr. 374 211)

Leon Walton Camp, Glendale, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Es hat sich ergeben, daß ein entsprechend ausgeführter Übertrager einen höheren akustischen Wirkungsgrad und bessere Richtungseigenschaften als ein vergleichbarer »Viertelwellen«-Übertrager hat, der schwere Reflektoren aufweist. Obgleich die Länge der schwingungsfähigen Ringe verdoppelt worden ist, ist dieses kein erheblicher Nachteil bei den meisten Unterwasserübertragern. Die Verdoppelung der Ringlängen ist mehr als ausgeglichen durch die Ausscheidung des Gewichtes des Reflektors.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann, wenn das flüssige Medium Wasser oder ein anderer Stoff mit ähnlichen akustischen Übertragungseigenschaften ist, der Reflektor so gewählt werden, daß sein akustischer Widerstand im wesentlichen dem akustischen Widerstand eines Gases entspricht, oder der Reflektor aus einer Schaumgummiwand bestehen, welche das im Ringinnenraum angeordnete flüssige Medium berührt. Die Dicke des Reflektors beträgt dabei vorzugsweise 3,17 mm.

Eine weitere Ausbildung der Erfindung betrifft einen Übertrager mit einer Mehrzahl von in gleicher Ebene nebeneinander angeordneten Ringen, wobei die Ringe in ihre Außenflächen eng umfassenden Aussparungen einer ersten Schicht eines akustisch isolierenden Werkstoffes gelagert sind; als gemeinsamer Reflektor dient dabei eine zweite kontinuier-

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liehe Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff, welche an der einen Stirnfläche der Ringe und auch an den entsprechenden Stirnflächen der erstgenannten Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff zur Anlage kommt. Dabei kann eine relativ steife dünne Wand vorgesehen werden, die an der Außenfläche der zweiten Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff anliegt und diese gegenüber den Ringen und der ersten Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff abstützt und gegebenenfalls eine Vorderwand mit im wesentlichen dem gleichen akustischen Widerstand wie das flüssige Medium, das an das eine Ende der Ringe und die entsprechende Fläche der erstgenannten Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff angrenzt.

Sowohl die vorliegende Erfindung als auch die frühere Ausführung der Übertrager beruhen auf der Zurückwerfung des Schalles am hinteren Ende des Ringes oder des Zylinders, um die Schallenergie am vorderen Ende zu vergrößern und Ausstrahlung oder Empfang am hinteren Ende zu verhüten. Die Schallreflexion wird durch eine Änderung des akustischen Wellenwiderstandes erzeugt und entspricht der Größe dieser Änderung. Die zurückgeworfene Welle unterscheidet sich in der Phase um 180°, je nachdem, ob die Zurückwerfung von einer Vergrößerung oder einer Verminderung des Wellenwiderstandes herrührt. Während die Übertrager der früheren Art die Reflexion durch Anordnung eines Körpers mit höherem Wellenwiderstand an dem Ende eines eine viertel Wellenlänge langen Zylinders oder Ringes erzeugt haben, wird die Reflexion bei der vorliegenden Erfindung durch einen Körper mit geringerem akustischem Wellenwiderstand an dem Ende eines eine halbe Wellenlänge langen Zylinders oder Ringes bewirkt.

Zur Erläuterung der Erfindung dient die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt. In diesen zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen einfachen erfindungsgemäßen Einelementübertrager,

Fig. 2 einen Schnitt in der Ebene H-II der Fig. 3, die einen aus sieben Elementen bestehenden Übertrager darstellt,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie IH-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, jedoch von einer abgeänderten Ausführung,

Fig. 5 ein Poldiagramm, das die Richteigenschaften eines erfindungsgemäßen Übertragers und eines entsprechenden (Viertelwellenlängen-) Übertragers der früheren Art darstellt.

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Erfindung kann in ihrer einfachsten Ausführungsform aus einem in radialer Richtung schwingungsfähigen Ringteil 10 bestehen, der an einem Ende offen ist und dessen innere Fläche durch das offene Ende einem flüssigen Medium ausgesetzt ist, mittels dessen der Schall ausgesandt oder empfangen wird. Dieser Ring 10 kann aus einem keramischen Barium-Titanat bestehen. Er weist Elektroden 11 und 12 an seinen inneren bzw. äußeren Flächen auf. Diese Elektroden sind durch Leitungen 13 und 18 an eine geeignete Sender- oder Empfängerschaltung angeschlossen. Ein derartiger Ring dehnt sich umfangsmäßig aus und zieht sich zusammen, wenn Wechselstrom an seine Elektroden 11, 12 angelegt wird. Wenn die Frequenz des Stromes der mechanischen Resonanzfrequenz des Ringes entspricht, kann er mit verhältnismäßig großen Amplituden schwingen. Der schwingungsfähige Ringteil kann auch, wenn gewünscht, magnetostriktiv sein, da sich die vorliegende Erfindung mehr auf die Abmessungen und den akustischen Bereich des Ringes als auf seine besondere elektromagnetische Eigenschaft bezieht.

Die äußere Fläche des Ringes 10, an welche die Elektrode 12 befestigt wird, ist akustisch durch eine Lage des Stoffes 14 von geringem akustischem Wellenwiderstand im Vergleich zu dem der Flüssigkeit innerhalb des Ringes abgeschirmt, so daß der größere Teil des von der äußeren Fläche ausgehenden Schalles reflektiert wird. In gleicher Weise ist das hintere Ende des Ringes durch eine Schicht oder eine Wand 15 eines Stoffes mit geringem akustischem Wellenwiderstand abgeschlossen. Sowohl der Teil 14 als auch die Wand 15 können in der praktischen Ausführung aus Schaumgummi oder einem gleichwertigen Stoff bestehen. Um eine mechanische Abstützung für die Anordnung und eine weitere Abschirmung der äußeren und hinteren Flächen in akustischer Hinsicht von dem Wasser oder einem anderen Medium, in das die Einheit eingetaucht wird, zu schaffen, kann ein becherförmiges Gehäuse 16 aus einem akustisch isolierenden Stoff vorgesehen werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der Ausführung des Ringes oder Zylinders 11 mit einer axialen Länge gleich einer halben Schallwellenlänge in dem flüssigen Medium innerhalb des Ringes unter Zugrundelegung der Arbeitsfrequenz und in dem Abschluß des hinteren Endes des Ringes durch die Wand 15 mit niedrigem akustischem Wellenwiderstand. Es hat sich herausgestellt, daß sich hierdurch ein höherer Wirkungsgrad bei niedrigeren Kosten und geringerem Gewicht als bei den nach der früheren Art ausgeführten Übertragern ergibt, bei denen die Länge des Ringes 10 ein Viertel der Wellenlänge betrug und ein schwerer Reflektor, üblicherweise aus Metall, an Stelle des Reflektors 15 vorgesehen wurde.

Obgleich die Erfindung in Form einer aus einer Einheit bestehenden Vorrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, verwendet werden kann, ist es gewöhnlich vorzuziehen, eine Zusammenstellung einzelner Einheiten zu verwenden, um die Leistung zu erhöhen. Ein Übertrager, der aus einer derartigen Zusammenstellung von Einheiten besteht, ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Hier entspricht jede Einheit 10 genau der Einheit 10 gemäß Fig. 1. Sieben dieser Einheiten sind, wie in Fig. 2 gezeigt, angeordnet. Jeder Ring 10 wird von einem Ring 14 aus einem Material mit geringem akustischem Wellenwiderstand umgeben, dem gleichen wie in Fig. 1, aber die sieben Ringe 10 und ihre zugeordneten Isolationsringe 14 sind in Bezug zueinander in einem einzigen Teil 17 aus akustischem Gummi od. dgl. mit Ausnehmungen 17 a in seiner hinteren Fläche zur Aufnahme der Ringe 10 und der sie umgebenden Ringe 14 und um diese in einer bestimmten Lage zueinander zu halten, gelagert. Der Teil 17 umgrenzt auch dünne Vorderwandabschnitte 17 b, die über jeden Ring 10 liegen und ein Schallfenster bilden, durch welches der Schall von einer Flüssigkeit, wie z. B. einem geeigneten Öl, das sich innerhalb der Ringe 10 befindet, zu dem Wasser oder einem äußeren Medium übertragen wird, durch welches der Schall gesendet oder empfangen wird. Der Körper 17 kann durch einen ringförmigen Rahmen 19 aus Metall oder einem anderen verhältnismäßig starren Material getragen werden, der wiederum in einem hinteren Wandteil gehalten ist. Die hinteren

Enden der Ringe 10 sind alle durch eine einzige Schicht oder Wand 21 aus einem Material wie Schaumgummi mit einem niedrigen akustischen Wellenwiderstand abgeschlossen, das die Funktion der Schicht 15 in Fig. 1 erfüllt. Diese Schicht 21, die üblicherweise geringe mechanische Stärke aufweist, ist mechanisch an dem Körper 17 sowie an den hinteren Enden der Ringe 10 durch eine verhältnismäßig dünne Wand 22 aus einem Material von erheblicher mechanischer Stärke, wie z. B. Stahl, abgestützt. Die Leitungen 13 und 18 von den Einheiten 10 können durch die Wände 21 und 22 in einen Hohlraum 23, der zwischen den Wandteilen 20 und 22 liegt, geführt werden, wo sie zusammengefaßt werden können und durch ein geeignetes Kabel 24, das an der hinteren Wand 20 befestigt ist, herausgeführt werden.

Die abgeänderte Ausführung, die in Fig. 4 dargestellt ist, entspricht der in Fig. 3 offenbarten, abgesehen von den zwei Schichten 25 und 26 aus verschiedenen Stoffen, die an Stelle des einzelnen Körpers 17 in Fig. 3 getreten sind. Der Körper 25 weist eine Dicke gleich der axialen Länge der schwingungsfähigen Ringe 10 auf und schließt diese ein. Dieser Körper 25 kann aus einem verhältnismäßig starren akustischen Material, wie z. B. Corprens, bestehen. Die Wand 26 wirkt als ein Schallfenster zur akustischen Verbindung zwischen der Flüssigkeit in dem Übertrager und der äußeren Flüssigkeit und soll aus einem Gummi oder aus einem ähnlichen Material mit im wesentlichen gleichen Schallübertragungseigenschaften wie Wasser bestehen.

In den Fig. 3 und 4 kann der gesamte freie Raum in dem Übertrager mit dem gleichen Öl oder einer anderen Flüssigkeit gefüllt werden, die die Flüssigkeitsfüllung der Ringe 10 bildet.

Die folgende Aufstellung zeigt die akustischen Eigenschaften eines Übertragers der Art, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, im Vergleich mit denen eines dazu identischen Übertragers der früheren Art, mit der Ausnahme, daß die Ringe 10 eine viertel Wellenlänge lang sind und der Reflektor 21 aus einem schweren Material, wie z. B. Blei oder Stahl, besteht.

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	Aushöhlung	Aushöhlung
	entsprechend einer	entsprechend einer
	viertel Wellenlänge	halben Wellenlänge
fr	26,3	26,1
S	-83,2	-81,8
T	99,3	100,8
Qe	8,4	7,8
Qm	8,4	7,7

Hierin bedeutet fr die natürliche Resonanzfrequenz des keramischen Ringes in kHz, S die Spannung, gemessen in Dezibel über 1 Volt an den offenen Klemmen des Übertragers, wenn er sich in einem Schallfeld mit einem Druck von 1 dyn/cm² befindet, T den Schalldruck in Dezibel über 1 dyn/cm², der in 1 m Entfernung von dem Übertrager entwickelt wird, wenn ein Strom von 1 A durch den Übertrager fließt, Qe das Verhältnis der Blindwiderstands- zur Wirkwiderstandskomponente, Qm den Wert, der gegeben

ist durch Qm=

τ,

—Λ

wobei L und f, die halben

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Leistungsfrequenzen über und unter der Resonanzfrequenz sind.

Aus der Tabelle ist zu ersehen, daß der neue »Halbwellen«-Übertrager bei einem Vergleich mit den »Viertelwellen«-Übertragem nach der früheren Ausführung eine Verbesserung im Wirkungsgrad um etwa 20% sowie eine erheblich größere Bandbreite und ein etwas niedrigeres elektrisches Q aufweist. Alle diese Merkmale wirken sich eindeutig vorteilhaft bei der Arbeit eines Unterwasserübertragers aus.

Die Verbesserung in den Richteigenschaften des vorliegenden Übertragers, wie in Fig. 3 dargestellt ist, zeigt im Vergleich mit einem entsprechenden »Viertelwellen«-Ubertrager früherer Art das Polardiagramm in Fig. 5, in welchem die stark ausgezogene Linie die Eigenschaft des vorliegenden »Halbwellen«-Übertragers und die gepunktete Linie die Eigenschaft eines entsprechenden »Viertelwellen«-Übertragers früherer Art angeben. Es ist festgestellt worden, daß der vorgeschlagene Übertrager bedeutend näher an die Wirkung eines Schwingungskolbens herankommt als der »Viertelwellen«-Übertrager und daß er eine bessere Kurve mit kleineren sekundären Lappen erzeugt.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Übertrager für die Umformung von Schallwellen in einem flüssigen Medium in elektrische Wellen in einem elektrischen Kreis und umgekehrt mit einem oder mehreren radial schwingungsfähigen, an den elektrischen Stromkreis angekoppelten Ringen, deren Innenfläche über die eine Stirnöffnung dem flüssigen Medium ausgesetzt ist, während die andere Stirnöffnung durch einen Reflektor verschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Ringe (10) im wesentlichen eine halbe Schallwellenlänge in dem flüssigen Medium bei der Eigenfrequenz der Radialschwingung der Ringe (10) beträgt und daß der Reflektor (15 oder 21) einen wesentlich geringeren akustischen Widerstand aufweist als das flüssige Medium.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Widerstand des Reflektors (15 oder 21) im wesentlichen dem akustischen Widerstand eines Gases entspricht.

3. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (15,21) aus einer Wandung aus Schaumgummi besteht, welcher das im Ringinnenraum angeordnete flüssige Medium berührt.

4. Übertrager nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von in gleicher Ebene nebeneinander angeordneten Ringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe (10) in ihre Außenflächen eng umfassende Aussparungen einer ersten Schicht (17 oder 25) eines akustisch isolierenden Werkstoffes gelagert sind und daß als gemeinsamer Reflektor

(21) eine zweite kontinuierliche Schicht aus akustisch isolierendem Werkstoff dient, welche an der einen Stirnfläche der Ringe (10) und auch an den entsprechenden Stirnflächen der erstgenannten Schicht (17 oder 25) aus akustisch isolierendem Werkstoff zur Anlage kommt.

5. Übertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine relativ steife dünne Wand

(22) vorgesehen ist, die an der Außenfläche der zweiten Schicht (21) aus akustisch isolierendem Werkstoff anliegt und diese gegenüber den Ringen

(10) und der ersten Schicht (17, 25) aus akustisch isolierendem Werkstoff abstützt.

6. Übertrager nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Vorderwand (26) mit im wesentlichen dem gleichen akustischen Widerstand wie das flüssige Medium, das an das eine Ende der Ringe (10) und die entsprechende

Fläche der erstgenannten Schicht (25) akustisch isolierendem Werkstoff angrenzt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Belgische Patentschrift Nr. 509 494; W. Wien und F. Harms, Handbuch der »Experimentalphysik«, Leipzig 1934, S. 41.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen