DE2100473A1

DE2100473A1 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE2100473A1
Application number: DE19712100473
Authority: DE
Inventors: der Anmelder R ist
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1970-01-06
Filing date: 1971-01-07
Publication date: 1971-07-15
Also published as: NL7018105A; FR2076200A5; DE2100473C3; NL171649C; NL171649B; DE2100473B2; JPS5015143B1; CA941954A; GB1329953A

Description

Dipl.-lng. G. Schliebs 61 Darnutodt Ludwig-Büchner-Straße 14

Patentanwalt ■ Telefon (06151) 62928

Postscheckkonto: Frankfurt a. M. 11Π 57 Bankverbindung: Deutsche Bank AG., Darmstadt Tetegramme: invenfron

Deutsche Patentamt

München 2
Zweibrückenstr .12

Ihr Zeichen Ihr Schreiben Mein Zeichen E 153 Tag 4·1·1971

Betrifft! Patentanmeldung

Anmelder: Otto Brandt, LE BRUSO, und

Bernard Tooquet,- SAlARY S/MER (Frankreich)

Elektroakustischer Wandler

Die Erfindung "bezieht sich auf einen piezoelektrischen elektroakustischen Wandler, der insbesondere zur Unterwasserschallabstrahlung geeignet ist.

Derartige piezoelektrische Wandler sind gegen Beanspruchungen durch den statischen Umgebungsdruck sehr empfindlich, namentlich wenn diese Beanspruchungen nicht vollkommen gleichmässig auf die piezoelektrischen Bauelemente verteilt sind. Dieses Phänomen ist besonders bei V/andlern von Fachteil, welche für grosse Meerestiefen verwendet werden, wo der hydrostatische Druck linear mit der Eintauchtiefe wächst. Die elektroakustischen Eigenschaften des Wandlers werden in diesem Falle in gross em und schwer vorhersehbarem Ausmass verändert.

Der Wirkungsgrad solcher Wandler ist ausserdem nur in einem einzigen schmalen Frequenzband beiderseits der Hauptres/onanzfrequenz oder Eigenfrequenz ausreichend.

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Diese Eigenfrequenz ist abhängig von den Abmessungen und dem Aufbau des Wandlers. Pur niedrige Frequenzen, z.B. in der G-rössenordnung einiger kHz, und für hohe akustische Abstrahlleistungen ergeben sich für gegenwärtige Yfandler ein grosses Gewicht und Bauvolumen.

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, diese Nachteile zu beheben, und schlägt hierzu einen elektroakustischen Wandler vor, bei dem an sich bekannte und erprobte Bauteile auf neuartige Weise zusammengestellt sind.

Gemäss einem ersten Kennzeichen der Erfindung ist die schallabstrahlende Fläche des elektroakustischen Y/andlers von einem beliebig geformten geschlossenen Gehäuse oder von einem !eil desselben gebildet, das durch einen oder mehrere im Inneren des Gehäuses untergebrachte piezoelektrische Geber erregbar ist.

Durch ein hinsichtlich Werkstoffauswahl und Bemessung auf entsprechende Steifigkeit gebrachtes Gehäuse werden die piezoelektrischen Geber jeglicher Einwirkung eines äusseren hydrostatischen Druckes entzogen. Hierdurch kann sich der Aussendruck, dem der Wandler ausgesetzt ist, in grösstem Ausmass ändern, ohne dass seine elektroakustischen Eigenschaften im geringsten beeinflusst werden.

Gemäss weiterer Erfindung hat jeder Geber nur eine einzige mechanische Verbindung mit einem Teil des Gehäuses und trägt am freien Ende eine Gegenmasae. Durch diese ivlassnahme werden die Geber voneinander und von evtl₀ Gehäusedeformationen vollkommen unabhängig.

Mit besonderem Vorteil kann die Eigenfrequenz des akustisch

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aktiven Gehäuseteiles derart auf die Eigenfrequenz der Geber abgestimmt sein, dass der Wandler zwei Resonanzbereiche aufweist, von denen der eine unterhalb der niedrigen Eigenfrequenz und der andere in der Nähe der höheren Eigenfrequenz der beiden Systemkomponenten liegt.

Die mit f bezeichnete Eigenfrequenz des Gehäuses ist im allgemeinen eher kleiner als die mit f bezeichnete Eigenfrequenz der piezoelektrischen Geber. Ein erfindungsgemässer Wandler kann daher als ein aus zwei mechanischen Schwingern gekoppeltes System betrachtet werden, welches zwei Hauptresonanz- oder Eigenfrequenzen aufweist, von M denen die eine f., kleiner als £ ist und von denen die

1 el

andere fp in der Nähe von f liegte Durch entsprechende Wahl der Werte f und f , der Anzahl η von Gebern und

a m'

durch entsprechende Verteilung von Masse und Elastizität lassen sich daher die Frequenzen f.. und fp in weiten Ausmassen beeinflussen. Das gleiche gilt für die Gütekoeffizienten Q und in allgemeinerer Weise für alle- elektroakustischen Eigenschaften des erfindungsgemässen Wandlers. Zudem ermöglicht das Vorhandensein einer Eigenfrequenz unterhalb der niedrigsten Eigenfrequenz der Systemkomponenten, Gewicht und Bauvolumen zu verringern.

£ In einer besonderen Ausbildungsform schlägt die Erfindung ~ einen elektroakustischen Wandler vor, bei dem das Gehäuse in Form eines akustischen aktiven Ringes mit seitlichen akustisch inaktiven Deckeln ausgebildet ist, bei dem im ■ Inneren des Ringes sternförmig piezoelektrische Geber angeordnet sind, die aus piezoelektrischen Keramikscheiben aufgebaut sind und am inneren Ende Gegenmassen tragen. Mit dieser besonderen Bauform entsteht ein elektroakustischer

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Wandler, der "bei geringstem Gewicht und Platzbedarf ausserordentlich hohen hydrostatischen Druck erträgt und eine frequenzkonstante Abstrahlleistung in einer Ebene quer zur Ringachse bietet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigen:

Pig. 1 einen elektroakustischen Wandler in perspektivischer Ansicht ohne die beiden akustisch inaktiven Deckel und

Ug. 2 ein Ersatzschaltbild zur Berechnung der Eigenschaften dieses Wandlers.

Bei der in Pig. 1 gezeigten Ausführungsform besteht das Gehäuse des Wandlers aus einem akustisch aktiven Ring 1, welcher durch zwei nicht dargestellte seitliche Deckel druckdicht abgeschlossen ist, die akustisch inaktiv sind. Im Inneren des Ringes 1 sind sternförmig piezoelektrische Geber 2 angeordnet. Diese sind ausschliesslich an der Innenseite des Ringes befestigt und dienen dazu, den Ring akustisch zu erregen. Jeder Geber ist mit einer Gegenmasse versehen, sein aktiver Teil 4 besteht z.B. aus piezoelektrischen Keramikscheiben_o

In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht der Ring aus Stahl, hat einen Aussendurchmesser von 20 cm, einen Innendurchmesser von 17 cm und eine Höhe von 4,2 cm. Es sind acht piezoelektrische Geber vorgesehen, deren Gegenmasse

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jeweils 170 beträgt. Der aktive Teil der Geber besteht aus zwei piezoelektrischen. Keramikscheiben von 1 cm Dicke, 3,6 cm Aussendurchmesser und 1,2 cm Innendurchmesser. Die Scheiben können mit einer elektrischen Spannung von 2.500 Y betrieben werden.

Der so gebildete Wandler besitzt zwei Eigenfrequenzen von 6 und 26 kHz, während die Eigenfrequenz des Ringes allein 8,5 kHz und die Eigenfrequenz eines Gebers alleine 24 kHz beträgt. Der Gütekoeffizient für die untere,Frequenz (6 kHz) beträgt 14, der Wirkungsgrad 0,84 und die abge- ^

strahlte akustische Leistung 180 W bei einer Erregerspan-- ™ nung von 2.500 V. Der Innenwiderstand R beträgt 27 kOhm. Die angeführten Eigenschaften des Y/andlers sind praktisch unabhängig vom Aussendruck, der bis 400 Bar (at) reichen kann. Die Ringdicke e_&, die zum Ertragen eines hydrostatischen Aussendruckes ρ erforderlich ist, lässt sich durch folgende Gleichung berechnen;

e.

τ-

R/s - 2p
R/s

Hierin ist R die Zugfestigkeit des Ringwerkstoffes, s die gewählte Sicherheit gegen Bruch und d der Ringdurchmesser. Allgemein lässt sich sagen, dass die Aussendruckunempfind- % lichkeit des erfindungsgemässen elektroakustischen Y/andlers es gestattet, entweder seinen Einsatzbereich z.B. in Richtung auf grössere Meerestiefen zu erweitern, oder eine Gewichtseinsparung zu erzielen und ggf. die akustischen Eigenschaften zu verbessern.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt den weiten Bereich, in dem der Wandler den gewünschten elektroakustischen

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Eigenschaften angepasst werden kann₀

Dieses zweite Ausführungsbeispiel bildet eine Abv/andlungsform des ersten Ausführungsbeispieles, die einzelnen Bauteile sind gleichartig angeordnet. Der Ring 1 hat Jetzt einen Aussendurchmesser von 33 cm und eine Dicke von 4 cm. Er besteht aus der Legierung A TT 4 G-. Es sind zehn Geber vorgesehen, deren Gegenmasse 596 g beträgt. Der aktive Teil der G-eber y/ird von vier piezoelektrischen Keramikscheiben aus Bleizirkonät mit einem Aussendurchmesser von 3,6 cm, einem Innendurchmesser von ί,2 cm und einer Dicke von 1 cm gebildet. Die untere Eigenfrequenz des Wandlers beträgt 2,5 kHz, die obere Eigenfrequenz 9>5 kHz, während die Eigenfrequenz eines Gebers allein 5 kHz und die des Ringes allein 10 kHz beträgt. Der Innenwiderstand beträgt 7·560 Ohm, und der Wirkungsgrad liebt bei 97 $. Die abgestrahlte akustische Leistung erreicht 4 kW bei einer Erregerspannung von 5.500 V. Der G-ütekoeffizient Q beträgt 4>8 bei der unteren Eigenfrequenz,-Der Ring mit seinen beiden Deckeln kann einem Druck von 200 Bar (at) widerstehen.

Die Eigenfrequenzen eines erfindungsgemässen Wandlers lassen sich durch folgende Berechnung ermitteln. Es sei f die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz des schallab-

strahlenden oder schwingenden Teiles des Y/andlergehäuses_o Im Sonderfall eines Ringes ist f = , wobei C" die

El ff * & d

Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen ist und d der Durchmesser des Ringes; f sei die Eigenfrequenz eines Gebers. Für einen G-eber, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, gilt f_m = —

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Hierbei ist E die Elastizität des Gebers, M^ ist der Massenanteil, den man erhält, wenn die Masse des schwingenden Teiles des Wandlergchäuses auf alle Geber gleichmassig aufgeteilt wird, und M₂ ist die Gegenmasse eines Gebers. Der Ring und die gekoppelten Geber können durch ein Ersatzschaltbild (Fig. 2) dargestellt werden. In dieses Ersatzschaltbild sind die oben definierten Grossen eingetragen und zusätzlich einige weitere Hilfsrechengrössen, wie die Erregerkraft F des aktiven Teiles (piezoelektrische Elemente), die Schwinggeschwindigkeit Y

der Masse M₁ und die Elastizität E_ des Ringes. Die Eigeni a

frequenzen f., und f„ erhält man durch Auflösung des Gleichungssystemes, das den Ersatzschaltkreis beschreibt. Indem man f = a · f setzt, erhält man eine Lösung in folgender Form:

-P — ■" \f'

Selbstverständlich können die Formen und physikalischen Eigenschaften der Bauteile des Wandlers im Rahmen der Erfindung weitgehend verändert werden. Ausserdem kann der statische Druck im Inneren des Wandlergehäuses,der unabhängig vom Aussendruck ist, auf einen beliebigen Wert oberhalb des Atmosphärendruckes gebracht werden, wodurch ent- M weder der Einsatzbereich des Wandlers erweitert oder eine Gev/ichtseinsparung erzielt wird und ggf. ein Verbesserung der elektroakustischen Eigenschaften.

Erfindungsgemässe Wandler im engeren Sinne sind zur Abstahlung akustischer Schwingungen bestimmt. Im weiteren Sinne können sie aber nach den Reziprozitätsgesetzt zur Aufnahme von Schwingungen aus dem umgebenden Medium und zur Umwandlung dieser Schwingungen in elektrische Schwingungen dienen.

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Claims

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Pat entansprüche

Elektroakustischer Wandler zur Unterwasserschallabstrahlung ~' dadurch gekennzeichnet, dass seine schallabstrahlende Fläche von einem beliebig geformten geschlossenen Gehäuse (1) oder von einem Teil desselben gebildet ist, das durch einen oder mehrere, im Inneren des Gehäuses untergebrachte piezoelektrische Geber (2) erregbar ist.
2. Elektroakustischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass ™ jeder Geber (2) nur eine einzige mechanische Verbindung mit einem Teil des Gehäuses (1) hat und mit einer Gegenmasse (3) versehen ist.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein Gehäuse in Form eines akustisch aktiven Ringes (1) mit seitlichen, akustisch inaktiven Deckeln und durch im Inneren des Ringes sternförmig angeordnete piezoelektrische Geber (2), die aus piezoelektrischen Keramikscheiben (4) aufgebaut sind und am inneren Ende Gegenmassen (3) tragen.

Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenfrequenz des akustisch aktiven Gehäuseteiles derart auf die Eigenfrequenz der Geber abgestimmt ist, dass der Wandler zwei Resonanzbereiche aufweist, von denen der eine unterhalb der niedrigeren Eigenfrequenz und der andere in der Nähe der höheren Eigenfrequenz der beiden Systemkomponenten (1, 2) liegt.

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