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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische
Wandler, die die Form eines Rings aufweisen und mit Mitteln
versehen sind, die die mechanische Vorspannung dieses Rings
ermöglichen, um auf ihn eine mechanische Spannung mit
bestimmtem Wert auszuüben. Sie betrifft außerdem die Verfahren, die
die Verwendung dieser Mittel ermöglichen, um die mechanische
Vorspannung auf den Ring auszuüben.
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In der Unterseeakustik werden häufig piezoelektrische Wandler
verwendet, die ermöglichen, Schallwellen, insbesondere
niederfrequente Schallwellen, anhand eines elektrischen
Erregungssignals zu erhalten. Eine besondere Form eines solchen
Wandlers, der vor allem an die Aussendung niederfrequenter Wellen
angepaßt ist, ist diejenige eines Torus mit rechtwinkligem
Querschnitt, der aus einer Gesamtheit von keramischen
Segmenten gebildet ist, die entgegengesetzt polarisiert sind und
durch Verkleben zusammengefügt sind, wobei zwischen jedem
Segment eine Elektrode eingefügt ist. Die so erregten Segmente
kontrahieren und dilatieren im Takt der elektrischen Signale,
die über die Elektroden angelegt werden, wobei diese
tangentiale Bewegung der Segmente zu einer radialen Vergrößerung
bzw. Verkleinerung des Rings führt. Diese Bewegung hat daher
die Erzeugung von Schallwellen zur Folge, die mit einer
radialen Symmetrie um die Achse des Rings in das Medium, im
allgemeinen das Meer, in das der Wandler eingetaucht ist,
ausgesendet werden.
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Um eine hohe Schalleistung zu erhalten, werden die Ringe
piezoelektrischen Vorspannungen mit hoher Amplitude
unterworfen, wobei diese Wirkung um so deutlicher ist, je niedriger
die Frequenz der auszusendenden Schallwellen ist. Unter der
Wirkung dieser Spannungen neigt der Ring zu einer
Auseinander
bewegung, zunächst auf Höhe der Grenzflächen zwischen den
verschiedenen Segmenten und anschließend ab einem bestimmten
Sendepegel durch reinen und einfachen Bruch der
piezoelektrischen Keramiken. Die Beseitigung dieses Nachteils führt zu
einer mechanischen Vorspannung des Rings durch dessen
Komprimierung mit Hilfe von Mitteln, die auf ihn radiale Kräfte
ausüben, die zum Zentrum gerichtet sind und auf die äußere
Oberfläche des Rings gleichmäßig verteilt sind. Diese radialen
mechanischen Spannungen induzieren tangentiale mechanische
Spannungen, die bestrebt sind, die Segmente relativ zueinander
festzuhalten, und den Kräften entgegenwirken, die innerhalb
der Keramiken zu Zugspannungen Anlaß geben, wovon bekannt ist,
daß dieser Materialtyp ihnen gegenüber besonders empfindlich
ist.
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Es sind verschiedene Arten von Vorrichtungen in Betracht
gezogen worden, um solche mechanischen Spannungen zu erhalten.
Diese Methoden bestehen im allgemeinen darin, um den Ring
einen Riemen aus einem geeigneten Material zu wickeln und an
den Enden dieses Riemens sehr stark zu ziehen, um eine
geeignete Umschnürung zu erhalten. Beispiele dieser Verfahren
finden sich beispielsweise in den französischen Patenten
Nr. 2 346 862 und 2 463 979.
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Die hier verwendeten Methoden weisen indessen verschiedene
Nachteile auf.
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Insbesondere schwankt der so erhaltene Endwert der Vorspannung
zwischen weiten Grenzen in unkontrollierbarer Weise. Diese
Bedingungen und die Tatsache, daß das System weder
demontierbar noch einstellbar ist, führen dazu, den Ring während seiner
Konstruktion zu verwerfen, während er sich in einem sehr
fortgeschrittenen Stadium seiner Fertigung befindet, was einen
großen Verlust zur Folge hat.
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Was überdies die verschiedene Mittel, die das Ziehen am Riemen
ermöglichen, sowie die Reibung des Riemens auf der Oberfläche
der Segmente betrifft, sind die so erzeugten mechanischen
Spannungen nicht gleichmäßig verteilt, sondern im allgemeinen
auf einen besonderen Punkt konzentriert, der dem Stapel von
Seiten entspricht. Eine solche Unregelmäßigkeit stellt wegen
der radialen Isotropie, die für die Erlangung der
Schallstrahlung erwünscht ist, eine große Quelle der Behinderung dar.
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Andererseits sind diese Nachteile um so größer, je größer der
Durchmesser des Rings ist. Nun steht der Durchmesser des Rings
direkt mit der gewünschten Sendefrequenz in Beziehung. Je
niedriger die gewünschte Frequenz ist, desto größer muß der
Ring sein, wobei in diesem Fall mit zunehmender gewünschter
Sendeleistung die Notwendigkeit der mechanischen Vorspannung
ansteigt, weshalb die weiter obenerwähnten Nachteile um so
mehr an Wichtigkeit gewinnen.
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Das Dokument US-A 3 043 967 offenbart einen Schallwandler
gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Dieser Wandler
verwendet keilförmige Klötze, um einerseits die verschiedenen
geraden Segmente, die aus Stapeln piezoelektrischer Elemente
zusammengefügt sind, zu verbinden, um der Gesamtheit eine
Krümmung zu verleihen, und um andererseits für die
verschiedenen Stapel Elektrodenoberflächen zu schaffen.
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Um die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen,
schlägt die Erfindung einen vorgespannten Ring-Schallwandler
des Typs vor, der eine Gruppe von piezoelektrischen Segmenten
enthält, die in Ringform angeordnet und so gruppiert sind, daß
sie im wesentlichen gleiche Sektoren bilden, die durch
keilförmige Klötze getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß er
außerdem Endstücke, die an den Enden dieser Sektoren befestigt
sind und zwischen sich keilförmige Zwischenräume begrenzen,
wovon das schmale Ende zum Innenraum des Rings gerichtet ist,
keilförmige Klemmklötze, die an diese Zwischenräume angepaßt
und in ihnen angeordnet sind, einen Spannring, mit dem die
Gesamtheit der Sektoren gehalten werden kann, sowie Klemmittel
enthält, die ermöglichen, die Klemmklötze in den Innenraum des
Rings gleiten zu lassen, um die Segmente durch den Spannring
vorzuspannen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal enthält der Wandler außerdem
Dehnungsmeßstreifen, die an der Innenfläche der Sektoren
befestigt sind, um die Messung der an die Segmente angelegten
tangentialen Beanspruchungen zu ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal sind die Klemmittel aus Schrauben
gebildet, die in Löchern befestigt sind, die in den
Innenflächen der Klemmklötze ausgebildet sind, und mit
Unterlegscheiben versehen, die sich an den Endstücken der Sektoren
abstützen, um die Ausübung eines Zugs auf die Klötze zu ermöglichen,
wenn die Schrauben eingeschraubt werden.
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Gemäß einem weiteren Merkmal werden die Zwischenräume, die
einerseits zwischen den Klemmklötzen und dem Spannring und
andererseits zwischen diesen Klemmklötzen und den Klemmitteln
vorhanden sind, mit einem Füllstoff verstopft, wenn die
Einstellung erhalten worden ist.
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Gemäß einem weiteren Merkmal ist die dynamische Steifheit des
Spannrings im wesentlichen zehnmal geringer als diejenige der
piezoelektrischen Elemente.
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Die Erfindung schlägt außerdem ein Verfahren zum Einstellen
eines solchen Wandlers vor, das hauptsächlich dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Klemmittel progressiv geklemmt werden,
wobei die Angaben überwacht werden, die von den
Dehnungsmeßstreifen ausgegeben werden, um in jedem Sektor völlig gleiche
Beanspruchungen, die gleich dem gewünschten Wert sind, zu
erhalten.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich
aus der folgenden Beschreibung, die anhand eines
nichtbeschränkenden Beispiels mit Bezug auf die beigefügten Figuren
gegeben wird, worin
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- Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ringwandlers
gemäß der Erfindung zeigt;
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- Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Einstellkeils
dieses Rings zeigt; und
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- Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Ringsektors
zeigt, der zwischen zwei Keilen wie etwa jenen nach Fig. 2
enthalten ist.
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In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der den
Wandler bildende piezoelektrische Ring durch Zusammenfügen
einer Gesamtheit elementarer Segmente 101 verwirklicht, die
die Form von Prismen mit trapezförmigem Querschnitt besitzen
und jenen, die im Stand der Technik verwendet werden, völlig
gleich sind.
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Gemäß der Erfindung ist jedoch der Ring in eine Gesamtheit von
Sektoren 102 unterteilt, die im wesentlichen gleich sind und
Untergesamtheiten von Segmenten miteinander vereinigen.
Beispielsweise liegt in einer praktischen Ausführung der
Durchmesser des Rings in der Größenordnung von 20 cm und ist in 5
Sektoren, die jeweils 8 Segmente enthalten, unterteilt.
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In Fig. 3 ist einer dieser isolierten Sektoren gezeigt. Er ist
aus 8 elementaren Segmenten 101 aus einer piezoelektrischen
Keramik, beispielsweise aus PZT, gebildet. Diese Segmente sind
miteinander verklebt, wobei dazwischen Elektroden 103
eingefügt sind, die ermöglichen, die elektrischen
Erregungsspannungen anzulegen. Gemäß einer bekannten Technik sind die Segmente
abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen tangential
polarisiert. Die Elektroden 103 sind abwechselnd mit Verbindungen
104 und 105, die ermöglichen, an die Elektroden diese
elektrischen Spannungen anzulegen, verbunden.
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Außerdem sind die Enden des Sektors mit Metallteilen versehen,
die an die äußeren Flächen der Endsegmente geklebt sind. Diese
Metallteile besitzen die Form eines Keils, wobei ihre äußeren
Seitenflächen mit der Richtung des Radius des Rings einen
Winkel α bilden, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Dieser Winkel α
ist so bemessen, daß die Breite des Keils auf der inneren
Oberfläche des Rings größer als auf dessen äußerer Oberfläche
ist.
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Außerdem ist auf der inneren Fläche des Sektors wenigstens ein
Dehnungsmeßstreifen 107 angeordnet, der ermöglicht, die an die
Sektoren auf Höhe dieser inneren Fläche ausgeübten
mechanischen Spannungen zu messen. Dieser Dehnungsmeßstreifen ist
beispielsweise in der bekannten Form eines Films verwirklicht,
der die metallischen Elektroden trägt, die so angeordnet sind,
daß die Ausdehnung oder die Kontraktion der Oberfläche, auf
die der Streifen geklebt ist, eine Änderung des Widerstandes
dieser Elektroden entsprechend einem bekannten Gesetz
hervorruft.
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Die Gesamtheit der 5 Sektoren ist in einem Spannring 108
angeordnet, der die Definition der Form und der Abmessungen
des piezoelektrischen Rings ermöglicht. Dieser Ring ist
beispielsweise aus Epoxidglas mit einer sorgfältig polierten
Innenfläche hergestellt.
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Die Abmessungen der Sektoren sind so beschaffen, daß zwischen
den metallischen Teilen der Enden zweier benachbarter Sektoren
ein Spiel vorhanden ist. Dieses Spiel ist durch Einstellklötze
gefüllt, die die Form von Keilen 109 besitzen. Diese Klötze,
wovon in Fig. 2 ein Exemplar gezeigt ist, gelangen somit
zwischen die Sektoren und ermöglichen die Blockierung dieser
Sektoren innerhalb des Spannrings 108. Der Winkel zwischen den
beiden Seitenflächen dieser Klötze wird untersucht, damit er
dem Winkel α der Endteile der Sektoren entspricht, so daß,
wenn die Klötze angeordnet sind, diese äußeren Flächen auf die
äußeren Flächen dieser Endteile mit einem möglichst kleinen
Winkelspiel wirken, um an den Kontaktpunkten zwischen den
Klötzen und den Endteilen übermäßige mechanische Spannungen zu
vermeiden.
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Um die Zusammenfügung der Gesamtheit sicherzustellen, sind die
zum Innenraum des Rings gerichteten Flächen der Klötze 109 mit
Gewindebohrungen 110 versehen, hier in der Anzahl 3, die
ermöglichen, Klemmelemente aufzunehmen, die in diese Bohrungen
geschraubt werden und sich dabei an den Flächen der Endteile
106 abstützen, die ihrerseits zum Innenraum des Rings
gerichtet sind. Diese Klemmteile können mehr oder weniger
kompliziert sein, im gezeigten Ausführungsbeispiel sind sie aus
Schrauben 111 gebildet, auf die Unterlegscheiben 112
aufgefädelt sind. Diese Schrauben schrauben sich in die
Gewindebohrungen und dann in die Unterlegscheiben, die sich ihrerseits
auf den Teilen 106 abstützen. Dadurch wird auf die
keilförmigen Klötze 109 ein Zug in Richtung zum Ringinnenraum ausgeübt,
wobei der Zug bestrebt ist, aufgrund der Winkel α die Sektoren
101 voneinander zu entfernen und den durch die Gesamtheit
dieser Sektoren und Klötze gebildeten Ring zu vergrößern.
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Unter dieser Vergrößerungswirkung stützt sich der
piezoelektrische Ring eng an der Innenseite des Spannrings 108 ab, was
zunächst die Gesamtheit der Teile in ihrer Position hält.
Wenn die so erhaltene Zusammenfügung geprüft worden ist, kann
zu einem zweiten Zeitpunkt die Vorspannung erfolgen, indem die
Schrauben fester angezogen werden. Unter dieser Wirkung
bewegen sich die Einstellklötze 109 in Richtung zum Zentrum des
Rings und erhöhen den Abstand e zwischen ihnen und dem
Spannring und daher die Druckkraft der Sektoren auf den Spannring.
Als Antwort darauf erfolgt eine Vorspannung dieser Sektoren
durch diesen Spannring. Die Klemmung erfolgt in herkömmlicher
Weise, indem die Schrauben über Kreuz progressiv angezogen
werden, bis die gewünschte mechanische Vorspannung erhalten
wird.
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Um den Wert und die Gleichmäßigkeit der mechanischen
Vorspannung sicherzustellen, schlägt die Erfindung vor, die weiter
oben beschriebenen Dehnungsmeßstreifen 107 zu verwenden.
Hierzu werden diese mit Meßmitteln 113 verbunden, die
ermöglichen, die mechanische Spannung auf Höhe dieser Streifen zu
bestimmen. Die mechanische Spannung an den Stellen, an denen
diese Streifen angeordnet sind, gibt bis auf einen bekannten
Multiplikationskoeffizienten die globale mechanische Spannung
an, die auf die die einzelnen Sektoren bildenden Keramiken
ausgeübt wird. Die Sektoren sind ausreichend klein, damit die
so erhaltenen und gemessenen mechanischen Spannungen
gleichmäßig verteilt sind. Im Fall eines größeren Rings würde dies
eventuell zur Verwendung einer größeren Anzahl von Sektoren
führen. Selbstverständlich erfolgt die Klemmung der Schrauben
progressiv, wobei ständig die Entwicklung der Spannungen
geprüft wird, um so die gewünschte globale mechanische
Spannung zu erhalten und um die Abstände zwischen den lokal
gemessenen mechanischen Spannungen maximal zu verkleinern.
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Wenn die endgültige Einstellung erhalten worden ist, kann der
Zwischenraum e zwischen den Klötzen 109 und dem Spannring 108
ebenso wie der eventuell zurückbleibende Zwischenraum zwischen
den Klemmitteln und denselben Klötzen mit einem Füllstoff
gefüllt werden. Dieser Füllstoff ist zweckmäßig
verhältnismäßig elastisch, beispielsweise Polyurethan, so daß eventuelle
spätere Einstellungen ermöglicht werden können.
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Der Spannring 108 wirkt sich selbstverständlich auf die
Schallcharakteristiken des so hergestellten Wandlers aus, wie
dies übrigens in den bereits bekannten anderen mechanisch
vorgespannten Systemen der Fall ist. Es ist festgestellt
worden, daß für die Erlangung korrekter Ergebnisse, vor allem
ohne die Funktionsweise des piezoelektrischen Rings übermäßig
zerstören, zweckmäßig ein Spannring verwendet wird, dessen
dynamische Steifheit ungefähr zehnmal geringer als diejenige
des piezoelektrischen Keramikrings ist.
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Gegenüber bekannten Systemen zur Ausübung einer mechanischen
Vorspannung ist diese Vorrichtung besonders einfach
herzustellen und daher nicht teuer. Außerdem ist sie modulartig, was
gegebenenfalls ermöglicht, nur ein einziges Segment zu
ersetzen, falls dieses beschädigt ist. Die mechanischen Spannungen
sind in bemerkenswert gleichmäßiger Weise verteilt, wobei ihre
zeitlichen Veränderung sehr gering sind. Dennoch kann diese
mechanische Vorspannung eingestellt werden, entweder in
Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen oder um die zeitliche
Drift zu korrigieren. Außerdem ist die Zusammenfügung
demontierbar, was die weiter oben erwähnten Reparaturen ermöglicht.
Schließlich begünstigen die metallischen Teile 106 und 109
gegebenenfalls die Wärmeabführung, insbesondere dann, wenn der
Ring durch sehr hohe elektrische Leistungen belastet wird.