DE1815684A1

DE1815684A1 - Reflektor fuer Wasserschall

Info

Publication number: DE1815684A1
Application number: DE19681815684
Authority: DE
Inventors: Egidius Arens
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1968-12-19
Filing date: 1968-12-19
Publication date: 1970-06-25
Also published as: FR2026525A1

Description

MlIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG HTESSEN

Reflektor für Wasserschall

Die Erfindung bezieht sich auf einen Reflektor für Wasserschall zum Betrieb auch unter hohen Vasserdrücken, mit einer Außenschicht aus im Vergleich zum Wasser leichtem, kompressiblem Material.

Bei bekannten Reflektoren dieser Art ist eine leichte und kompressible, z.B. aus Schaumstoff mit Lufteinschlüssen bestehende Schicht von einer Metallkapsel mit biegeelastischer Membran an der Vorderseite wasserdicht eingeschlossen. Die Wirksamkeit dieser Reflektoren ist unbefriedigend. Die abdeckende flexible Membran ist bei hohen Drücken nicht hinreichend steif und ist nicht biegewellenfrei. Deshalb muß die Kapsel so stark ausgebildet werden, daß sie die akustischen Eigenschaften des Gesamtbildes mit der eingeschlossenen leichten,kompressiblen Schicht unerwünscht verändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Reflektor der eingangs gekennzeichneten Art zu schaffen, der in einem breiten Frequenzband wirksam und biegewellenfrei ist und auch unter hohen Wasserdrücken zu gebrauchen ist.

Bei der Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, akustische Tiefpässe für Wasserschall

009826/1205 .... 2

zu verwenden, die, wie ihr elektrisches Analogon, oberhalb ihrer Grenzfrequenz einfallende Wellen reflektieren. Das sind im einfachsten Falle dreischichtige Körper, z.B. leichte, kompressible Außenschichten in Verbindung mit einer schweren Mittelschicht oder schwere Außenschichten in Verbindung mit einer leichten, kompressiblen Mittelschicht. Für die erste Form ergibt sich eine bessere Unterdrückung von unerwünschten Biegewellen, weil leichte kompressible Stoffe, wie z.B. Schaumstoffe, die Schallwellen von Natur aus dämpfen.

Ausgehend von diesen Überlegungen läßt sich die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch lösen, daß beiderseits einer Mittelschicht aus spezifisch schwerem, vorzugsweise inkompressiblem Material je eine Außenschicht aus spezifisch leichtem und kompressiblem Material angeordnet ist. Dadurch erhält man einen akustischen Tiefpaß für Wasserschall, der im Bereich oberhalb seiner Grenzfrequenz ausgezeichnete Eeflektionseigenschaften auch unter hohen Wasserdrücken gewährleistet und insbesondere weitgehend biegewellenfrei ist. Selbst wenn bei hohen Wasserdrücken die kompressiblen Schichten auf einen Bruchteil ihrer ursprünglichen Dicke zusammengedrückt werden, weist der Reflektor noch vielfach bessere Reflektions-

009826/1206

eigenschaften auf als der bekannte druckfeste gekapselte Reflektor.

Die Hittelschicht kann aus einem schwerem Metall, z.B. Stahl bestehen und kann aus mehreren Platten zusammengesetzt sein, so daß es leicht möglich ist, durch Wahl der Plattenzahl und/oder Plattendicke eine Anpassung an gewünschte Eigenschaften zu erzielen.

Zur Bildung der Außenschichten können alle spezifisch leichten Stoffe oder Stoffkombinationen Verwendung finden, die elastisch kompressibel sind, z.B. Zellgummi, ge schäumt es. Pol jure than, in weichgemachtem Epoxydharz vergossene^ Schaumpolystyrolgranulat und ähnliche - Schaumstoffe.

Au—f der Außenseite der AmßeiiseMelä'öes IsaaneB, Beckplatten angebracht sein, die man zwecks Eriialtung einer im wesentlichen unveränderlichen Dicke der Außenschichten gegeneinander oder gegen die schwere Mittelschicht durch Distanzstücke aus festerem Stoff abstützen kann« Es ist auch möglich, ähnlich wie bei den bekannten gekapselten Reflektoren die weichen Schichten wasserdicht su kapseln, um so einen Reflektor aus zwei außen liegenden gekapselten leichten kompressiblen Belichten und einer schweren Mittelschicht zu bilden.

Ia 'der Zeichnung ist di© Erfindung an einigen Ausführungs- ©eispielen TeranseJaaulicht. Es zeigen

009826/1205

ORIGINAL INSPECTED

• · · · φφ '

Pig. 1 "bis 4 verschiedene Ausführungsformen von Reflektoren nach der Erfindung in schematischer Darstellung und

Fig. 5 ein Diagramm zur Funktion der Reflek-Böftjfn. nach Fig. 1 bis 4.

Bei den dargestellten Reflektoren sind sowohl vor als auch hinter einer Mittelschicht 2 aus spezifisch schwerem Material, z.B. Stahl, je eine Außenschicht 1 bzw. 3 aus spezifisch leichtem und kompressiblem Material, z.B. Schaumstoff, angeordnet. Ih allen drei Ausführungsbeispielen grenzen diese drei Schichten lückenlos aneinander. Sie können beispielsweise miteinander verklebt sein.

Die Mittelschicht 2 besteht vorzugsweise aus schwerem Metall wie Stahl, sie kann aber beispielsweise auch aus anderen schweren Stoffen, wie Glas oder keramischen Stoffen, bestehen.

Die Schichten sind im Beispiel planparallel. Anstelle von ebenen können auch gewölbte Schichten vorgesehen sein. Auch können die Schichten ^e nach vorliegenden Verhältnissen durch nicht planparallele Flächen begrenzt werden.

Die Mittelschicht 2 kann auch, wie in Fig. 4 dargestellt ist, aus mehreren gleichen oder verschiedenen Schichten, insbesondere Platten 2a, 2b und 2c bestehen.

009826/1205

ice« g? ^

J)Ie Außenschleifen 1 und 3 "bestehen aus spezifisch leichtem und kompressiblem Stoff oder aus Stoffgemischen, a.B. Zellgummi, geschäumtem Polyurethan, weichem Stoff, wie weichgemachtem Sposqydharz mit durch Vergießen eingeschlossenem Schaumpolystyrolgranulat, oder eingekapselten größeren Lufträumen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform grenzen die Außenschichten 1 md 3 unmittQlbar an das den Schall übertragendem ¥asser 0. Fig. 2 zeigt eine Ausführungs- . form, in der di© Außenschichten 1 und 3 auf der Außenseite mit Deckplatten 4 und 5 versehen sind, die gegen die zwischen den Außenschichten Λ und 3 liegende Mittelschicht 2 durch Distanzstücke 6 und 7 abgestützt sind. Die Abdeckplatte!! wusL Bist ans stücke körnen aus beliebigen Materialien genügender Festigkeit bestehen, welche die Druckkräfte des Wassers bei größeren Massertiefen aufnehmen und damit ein Zusammendrücken der weichen Schichten irerhindern oder auf ein geringeres Maß herabsetzen» Vorzugsweise bestehen die Abdeckplatten und Distanz stück® ebenfalls aus elastischem, aber festem Kunststoff, z.B. aus Polyurethan.

Bei der la Fig. 3 dargestellten Ausführungsform sind die Deckplatten 4 und 5 durch Seitenwandungen 8 zu einem geschlossenen öehäuse verbunden, das die drei Schichten 1, 2 "dsd 3 &©s Heflektors wasserdicht einhüllt. Auch

hierbei können zusätzlich zu den Seitenwandungen Distanzstücke 6 und 7» wie bei der Ausführung nach Fig. 2, vorgesehen sein. Durch den wasserdichten Abschluß ist die Möglichkeit gegeben, die Außenschichten 1 und 3 aus gasförmigen Stoffen, z.B. aus Luft zu bilden, ggf. aus unter Überdruck stehender Luft.

lig. 4 schließlich zeigt eine Ausführungsform, in welcher zwei im wesentlichen druckfeste und wasserdichte Kapseln 9 und 10 vorgesehen sind, um die be Men Außenschichten 1 und 3 wasserdicht zu umhüllen. Die Mittelschicht besteht aus den einander zugewandtes. Wandungen der Kapseln 9» 10 und lose zwischen die Kapseln 9 und 10 eingefügten oder untereinander und mit den Kapseln verklebten Platten 2a, 2b und 2c, Fig. 5 zeigt den an einem Dreischichtexirefleicfcor nach Pig. 1 gemessenen Reflexionsfaktor R.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise möge die folgende Betrachtung dienen, welche an die einfache Dreischichtenanordnung nach Fig. 1 anknüpft.

Dort siad die zwei Außenschichten gleich aufgebaut. Di© beiden Außenschichten 1 und 3 haben gleiche Dicke cL, den gleichen Elastizitätsmodul E^, die gleiche Dichte ψ ^ und somit auch die gleiche Schallgeschwindigkeit c^ Die entsprechenden Werte für die Mittelschicht werden mit dg, Eg, Q 2 ^m^^L ^C2 ^tessei^clme*i ^^e Dicht· dee um-

003826/1205

7 ⁷

• · · · Jt

gehenden Wassers mit © _Q und die Schallgeschwindigkeit im Wasser mit Cq.

Schallgeschwindigkeit c, Elastizitätsmodul E und spezifisch© Dichte ο sind "bekanntlich durch die Be

ziehung

ff

f CD

verknüpft. Die beim Schalldurchgang auftretende Winkeldrehung der Phase in Jeder Schicht ist

Λ,

mit Ϋ » 1 für die Außenschieht und

(2)

K- 2 für die Hitt©Ischieht|

ferner ist A^ die Wellenlänge bei der betrachteten Frequenz f in der Schicht P

Man kann die akustischen Verhältnisse an ebenen Schichten bei senkrechten Schalleinfall durch Vierpolgleichungen beschreiben. Hehrschichtige Systeme lassen sich dann z.B. mit Hilfe der Matrizenrechnung aus den Eigenschaften der einzelnen Schichten berechnen.

Mir Viörpolgleichungen akustischer Systeme gilt

wobei die Werte W****i unä r^

Werte des Schalldruckes und ^Kt**« bzw. t/a*r$e die

*« bzw. t/a*r$e komplexen Werte der Schallschnelle an der Eingangsbzw· Ausgangsseite des akustischen Vierpolen sind.

00982S/1205

fett-)

Die Matrix I £$-/ kennzeichnet in bekannter Weise den akustischen Vierpol.

(3) K-S is* der Wellenwiderstand des Systemes.

fä ist beim symmetrischen Vierpol gleich fr""" ' und stellt das Verhältnis j|L/iiL*¹¹¹¹ Leerlauf fall dar, d.h. am Ausgang ist dabei die Schnelle 4*4*m gleich Null. Bei einem guten Reflektor ist <*. groß. In vorliegendem Fall wird

Μ 0C * fin ty -

Üblicherweise setzt man an:

Bei verlustlosen Materialien, und als solche seien zunächst die Materialien der Außenschichten und der

Mittelschicht angenommen, ist

(6) <£»**' /€t · «4**» ^ -es. O und damit wird

Im Sperrbereich zwischen der unteren Grenzfrequena und der oberen Grenzfrequenz £_Q besitzt das System Reflexionseigenschaf ten j hier ist a Sr ο und sin b - o.

Da cos b niemals einen größeren Betrag als 1, &47 *Z/ niemals einen kleineren Betrag als 1 haben kann, ist bekanntlich im Sperrbereich { ^i^fy^r\ ** ^ und im Durch laßbereich / J/tfOtj C4

Diese allgemeinen Kriterien für den Sperr- und Durchlaßbereich werden im folgenden zur Diskussion von Gleichung

009826/1205

(4) "benutzt.

TIi einen möglichst großen Sperrbereich für die gewünschte Breitbandigkeit des Heflektors zu erhalten, muß die untere Grenzfrequenz £ bei einem möglichst Heinen ψ * und ^₂ liegen, weil bei Ψ^ - -zj— oder Ψ ₂ ■ -^- wieder ein Durchlaßbereich vorliegt.

Es ergibt sich somit qualitativ ein frequenzabhängiges Sperrverhalten.

üir die untere Grenzfrequenz gilt

Da ψ^ und Φ^ klein sind, kann näherungsweise<>C&Ifa ****& gesetzt werden, und es wird

und % werden JS&* ~~ > $«. hz*.

und, α&ψ^ und ψ^ ^^ei ^·®^Γ unteren Grenzfrequenz klein sind, ist der Sinus praktisch gleich seinem Bogen.

Fach .linsgtzen dieser Werte in (9) nad Auflösung nach der Grenzfrequenz wird

(10) gilt allgemein bei symmetrischem Aufbau

des Droiseüiclitreflektors₉ wobei, wie eingangs fostge-

10

009828/1205

legt, der Index 1 für die beiden Außenschichten, und der Index 2 für die Mittelschicht gilt.

Bei Reflektoren werden Materialien genommen, bei denen .$4 ^* A: 1 oder ;£> 1 ist.

Im ersten lall liegt ein Reflektor vor, dessen Außenschichten leicht, kompressibel und schallweich und dessen Mittelschicht schwer und schallhart sindj im zweiten Fall ist es umgekehrt. Praktisch nimmt man Materialien, die auch gegenüber dem Wasser schallweich bzw« schallhart sind.

und für * ..^A » 1 wird L· <& t/^-^^S-SL-— (12)

Der erste Fall entspricht bis zu einer Frequenz, bei der

sind, etoem elektrischen Tiefpaß in

(f ^ und ψ 2

' T* -Schaltung, weil eingangs- und ausgangsseitig je ein schallweiches Element analog einer Kapazität liegt, die über eine Masse analog einer Induktivität verbunden sind. Der zweite Fall entspricht dem elektrischen Analogon eines !Tiefpasses in T-Schaltung im unteren Frequenzbereich, weil der Wasserschall zuerst auf die Masse trifft. Beide Tersionen sind theoretisch gleichwertig. Allerdings ist die IMterdrückung unerwünschter Biegewellen im ersten Fall besser, da Schaumstoffe und sonstige kompressible Stoffe von Natur aus dämpfen, und die dämpfenden Schichten wegen der besseren Wirksamkeit außen liegen müssen.

009828/120S .... 11

ORIGINAL INSPECTED

Das deckt eich zwar nicht mit der Voraussetzung zum Ansatz der Gleichung (6). Für die praktische Bestimmung der Grenzfrequenz f_u "bedeutet die Vereinfachung in Gleichung (6) aber keinen großen Fehler.

Nachfolgend wird die obere Sperrgrenze des Reflektors näherungsweise abgeschätzt. Dabei kann'in Gleichung (4) 4& Z(P₄'<** Φι nicht mehr durch 1 ersetzt werden, da dieser Ausdruck alle Werte zwischen -1 und +1 annehmen kann. Setst man

ft «*

so muß zur Erfüllung der GleicHung (8), da K groß ist, entweder sin £ (JL oder sin Qi klein werden. Nun ist aber bei schallharter Mittelschicht die Sicke aus Gewichtsgründen begrenzt{ es kann daher Χψ ^ 0? gesetzt werden.

Also wird sin£<£f mit zunehmender Frequenz eher gegen Null streben als sin &. Saraus ergibt sich die Bedingungegleichung

und somit die obere Sperrgrenze

J«

** UjJ"- · (15)

Je größer H ist, umso besser ist diese Gleichung erfüllt.
Se sei ein einfaches Beispiel eines Sreischichtreflektors durchgerechnet:

009826/1205

12

Die Außenschichten 1 und 3 seien druckfestes Schaumpolystyrol, eingebettet in welchem Epoxydharz. Die Stoffkonstanten hierfür sind

Damit wird die Schallgeschwindigkeit in diesem Material

Die Mittelschicht 2 bestehe aus Stahl mit

Ο $4~³ vaA j*^ F'^iO r® #*

Der Reflektor soll im Frequenzbereich von f « 1 bis f_Q » 10 kHz wirksam sein.

Die äußere Schichtdicke beträgt nach Gleichung (15)

Die Dicke der Stahlplatte ist zu bestimmen aus Gleichung (11)

Abschließend sei noch kurz auf das Verhalten bei schrägem Schalleinfall hingewiesen. Die durchgehende Welle hat bei einem dreischichtigen Heflektor ungefähr einen Verlauf, wie er in Hg. 1 eingezeichnet ist. Beim schrägen Schalleinfall wirken die Außenschichten schallweicher als bei senkrechtem Schalleinfall, weil gegenüber dem Wasser ein breiterer Schallkanal «ur Ter-

009826/1206

fügung steht. Die Mittelschicht wirkt schallhärter, weil es hier umgekehrt ist, und schon bei einem' relativ kleinen Schalleinfallswinkel KU tritt Totalreflexion ein.

Der Reflektor reflektiert deshalb bei schrägem Schalleinfall noch besser als bei senkrechtem Schalleinfall. Im übrigen zeigt die Praxis, daß wegen der inneren Dämpfung der leichten Außenschichten die obere Grenz- fT%qu.enz kaum noch bemerkbar ist.

Im Rahmen der Erfindung sind noch mancherlei Abänderungen möglich! insbesondere keim der Reflektor noch Analogie der elektrischen Tiefpässe auch mit mehr als drei Schichten versehen sein oder es können mehrere Dreischichtrefl®ktoEen der beschriefeeaen Art hintereinander geschaltet werden. ferner ist die Erfindung sinngemäß anwendbar für Reflektoren in anderen Flüssigkeiten als Wasser.

Es ist auch nicht erforderlich, die beiden Außenschichten gleich stark auszuführen.

...14

00982 671205

Claims

Ansprüche

1. *Ref lektor für Wasserschall zum Betrieb auch unter

hohen Wasserdrücken, mit einer Außenschicht aus im Vergleich zum Wasser leichtem, kompressiblem Material, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits einer Mittelschicht (2) aus spezifisch schwerem vorzugsweise inkompressiblem Material je eine Außenschicht (1, 3) aus spezifisch leichtem und kompressiblem Material angeordnet ist.

2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (2) aus Metall besteht.

3. Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (2) aus Stahl besteht.

4. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelschicht (2) aus mindestens zwei Platten (2a, 2b _s 2c) besteht.

5. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (1, 3) aus Zellgummi bestehen.

6. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (1, 3) aus geschäumtem Polyurethan besÄien.

7. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschichten (1, 3) aus in weichgemachtem Epoxydharz vergossenem Schaumpolystryrol bestehen.

8. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Außenseiten der Außenschichten (1, 3) Beckplatten (4, 5) angebracht sind.

(J09826/1205

ORIGINAL INSPECTED

9· Heflektor nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckplatten (4, 5) gegen die zwischen den Außenschichten liegende Hittelschicht (2) abgestützt sind.

10. Reflektor nach inspruch 9* dadurch gekennzeichnet, daß sun Abstützen der Deckplatten (4, 5) in die Außenschich ten(1, 5) eingebettete Distanzstücke (6, 7) vorgesehen Bind.

11. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die AuSenschichten (1, 3) in an sich bekannter Veise je von einer wasserdichten Kapsel (9« 10) umschlossen sind«

12. Reflektor nach einen oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß er für einen Frequenzbereich f„ bis f_A eine Dicke der Außenschichten

u ο

und eine Dicke der Mittelschicht

aufweist,

wobei ϋ_Λ und jfy Schallgeschwindigkeit und Dichte der Außeaschichten und Λ die Dichte der Mittelschicht sind.

009826/1205

Leerseite