DE2100473C3 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischer! Wandler zur Unterwasserschallabstrahlung von zwei verschiedenen Frequenzen mit einem widerstandsfähigen, metallischen, wasserdicht ausgeführten Gehäuse mit einem schwingungsaktiven Gehäuseteil, und mindestens einem im Inneren des Gehäuses angeordneten piezoelektrischen Geber mit einer Eigenfrequenz f_m wobei das schwingungsaktive Gehäuseteil eine von dem oder den piezoelektrischen Gebern unterschiedliche Eigenfrequenz F₃ aufweist

Derartige piezoelektrische Wandler sind gegen Beanspruchungen durch den statischen Umgebungsdruck sehr empfindlich, namentlich wenn diese Beanspruchungen nicht vollkommen gleichmäßig auf die so piezoelektrischen Bauelemente verteilt sind. Dieses Phänomen ist besonders bei Wandlern von Nachteil, weiche für große Meerestiefen verwendet werden, wo der hydrostatische Druck linear mit der Eintauchtiefe wächst. Die elektrostatischen Eigenschaflen des Wand- v> lers werden in diesem Falle in großem und schwer vorhersehbarem Ausmaß verändert

Der Wirkungsgrad solcher Wandler ist außerdem nur in einem einzigen schmalen Frequenzband beiderseits der Hauptresonanzfrequenz oder Eigenfrequenz ausreiehend. Diese Eigenfrequenz ist abhängig von den Abmessungen und dem Aufbau des Wandlers. Für niedrige Frequenzen z, B, in der Größenordnung einiger kHz, und für hohe akustische Abstrahlleistungen ergeben sich für gegenwärtige Wandler ein großes f>5 Gewicht und Bauvolumen.

Aus der DE-AS 10 36 126 ist bereits ein elektroakustischer Wandler bekannt, in dessen Gehäuse ein piezoelektrischer Impulsgeber angeordnet ist Die von diesem Geber ausgesandten transversalen und longitudinalen Schwingungen können einerseits den Gehäusemantel und andererseits das Boden- und Verschlußstück des zylindrischen Gehäuses zum Schwingen anregen. Die beiden Eigenfrequenzen des schwingungsaktiven Gehäuses werden dabei durch den einzigen in dem Gehäuse angeordneten Impulsgeber bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elekti oakustischen Wandler der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß sein Arbeitsverhalten durch starke Änderungen des äußeren hydrostatischen Druckes möglichst unbeeinflußt bleibt, wobei an sich bekannte und erprobte Bauteile auf neuartige Weise zusammengestellt sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder der piezoelektrischen Geber nur über eine einzige mechanische Verbindung allein mit dem schwingungsaktiven Gehäuseteil mechanisch und schwingungsmäßig in einer solchen Weise verbunden ist. daß das aus schwingungsaktivem Gehäuseteil und piezoelektrischen Gebern bestehende System zwei Resonanzfrequenzen F\ und h aufweist, die von den Eigenfrequenzen F₃ des schwingungsaktiven Gehäuseteils und F_n, der piezoelektrischen Geber verschieden sind.

Dadurch, daß jeder Geber nur eine einzige mechanische Verbindung mit einem Teil des Gehäuses hat, werden die Geber voneinander und von eventuellen Gehäusedeformationen unabhängig. Ferner kann die Eigenfrequenz des akustisch aktiven Gehäuseteils derart auf die Eigenfrequenz der Geber abgestimmt werden, 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 kleiner als die mit F_n, bezeichnete Eigenfrequenz der piezoelektrischen Geber. Ein erfindungsgemäßer Wandler kann daher ais ein aus zwei mechanischen Schwingern gekoppeltes System betrachtet werden, welches zwei Hauptresonanz- oder Eigenfrequenzen aufweist von denen die eine F\ kleiner als F, ist und von denen die andere F7 in der Nähe von F_n, liegt Durch entsprechende Wahl der Werte F₁, und F_n der Anzahl π von Gebern und durch entsprechende Verteilung von Masse und Elastizität lassen sich daher die Frequenzen /Ί und /2 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 Ausgestaltung der Erfindung für eine allseitige Schallabstrahlung in einer Ebene ist vorgesehen, daß das schwingungsaktive Gehäuseteil als Ring ausgebildet und mittels zweier akustisch inaktiver, runder Deckel zu einem Gehäuse verschlossen ist, und daß mehrere piezoelektrische Geber in radialer Ausrichtung an der Innenseite des Ringes angeordnet sind.

Mit dieser besonderen Bauform entsteht ein elektroakustischer Wandler, der bei geringstem Gewicht und Platzbedarf außerordentlich hohen hydrostatischen Drück erträgt und eine frequenzkonstante Abstrahlleistung in einer Ebene quer zur Ringachse bietet.

Weitere Einzelheiten Und Vorteile ergeben sieb aus

der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In dieser zeigt

F i g. 1 einen elektroakustischer! Wandler in perspektivischer Ansicht ohne die beiden akustisch inaktiven Deckel und

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

Bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform besteht das Gehäuse des Wandlers aus einem akustisch aktiven Ring I₁ welcher durch zwei nicht dargestellte seitliche Deckel druckdicht abgeschlossen ist, die akustisch inaktiv sind. Im Inneren des Ringes 1 sind sternförmig piezoelektrische Geber "ϊ angeordnet Diese sind ausschließlich an der Innenseite des Ringes befestigt und dienen dazu, den Ring akustisch zu erregen. Jeder Geber ist mit einer Gegenmasse 3 versehen, sein aktiver Teil 4 besisht z. B. aus piezoelektrischen Keramikscheiben.

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 jeweils 170 g 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 V_en 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 abgestrahlte akustische Leistung 180 W bei einer Erregerspannung von 2500 V. Der Innenwiderstand R_p beträgt 27 kOhm. Die angeführten Eigenschaften des Wandlers sind praktisch unabhängig vom Außendruck, der bis 400 bar reichen kann. Die Ringdicke e_a die zum Ertragen eines hydrostatischen Außendruckes ρ erforderlich ist, läßt sich durch folgende Gleichung berechnen:

[-IV]

Hierin ist R die Zugfestigkeit des Ringwerkstoffes, s die gewählte Sicherheit gegen Bruch und d der Ringdurchmesser. Allgemein läßt sich sagen, daß die AuBendruckunempfindlich-keit des erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers es gestattet entweder seinen Einsatzbereich z. B. in Richtung auf größere Meerestiefen zu erweitern, oder eine Gewichtseinsparung zu erzielen und gegebenenfalls die akustischen Eigenschaften zu verbessern.

Ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt den weiten Bereich, in dem der Wandler den gewünschten elektroakustischen Eigenschaften angepaßt werden kann.

Dieses zweite Ausführungsbeispiel bilde., eine Abwandlungsform des ersten Ausführungsbeispiels, 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 U 4 G. Es sind zehn Geber vorgesehen, deren Gegenmasse 596 g beträgt Der aktive Teil der Geber

ίο wird von vier piezoelektrischen Keramikscheiben aus Bleizirkonat mit einem Außendurchmesser von 3,6 cm, einem Innendurchmesser von 1,2 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 liegt bei 97%. Die abgestrahlte akustische Leistung erreicht 4 kW bei einer Erregerspannung von 5.500 V.

Der Gütekueffizient Q beträgt 43 bsi der unteren Eigenfrequenz. Der Ring mit seinen öeiden Deckeln kann einem Druck von 200 bar widerstehen.

Die Eigenfrequenzen eines erfindungsgemäßen Wandlers lassen sich durch folgende Berechnung

ermitteln. Es sei f„ die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz de- schallabstrahlenden oder schwingenden Teils des Wandlergehäuses. Im Sonderfall eines Ringes ist

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Ca

rr ■ d

wobei C_s die Schallgeschwindigkeit für Longitudinalwellen ist und c/der Durchmesser des Ringes; /_m sei die Eigenfrequenz eines Gebers. Für einen Geber, wie er in F i g. 1 dargestellt ist, gilt

40

, M₁M₂

M_x + M₂

Hierbei ist E_n, die Elastizität des Gebers, M\ ist der Massenanteil, den man erhält wenn die Masse des schwingenden Teils des Wandlergehäuses auf alle Geber gleichmäßig aufgeteilt wird, und Mi ist die Gegenmasse eines Gebers. Der Ring und die gekoppelten Geber können durch ein Ersatzschaltschild (F i g. 2) dargestellt werden. In dieses Ersatzschaltbild sind die oben definierten Größen eingetragen und zusätzlich einige weitere Hilfsrechengrößen, wie die Erregerkraft F_n, des aktiven Teils (piezoelektrische Elemente), die Schwinggeschwindigkeit V der Masse M\ und die Elastizl.ät E, des Ringes. Die Eigenfrequenzen f\ und h erhält man durch Auflösung des Gleichungssystems, das den Ersatzschaltkreib Deschreibt Indem man f_m- a ■ f_a setzt, erhält man eine Lösung in folgender Form:

(\+ü²)² M₁ +M₂

Selbstverständlich können die Formen und physikali- 65 Wandlergehäuses, der unabhängig vom Außendruck ist, sehen Eigenschaften der Bauteile des Wandlers im auf einen beliebigen Wert oberhalb des Atmosphären-Rahmen der Erfindung Weitgehend verändert werden. drucks gebracht werden, wodurch entweder der Außerdem kann der statische Druck im Inneren des Einsatzbereich des Wandlers erweitert oder eine

Gewichtseinsparung erzielt wird und gegebenenfalls eine Verbesserung der elektroakustischen Eigenschaft ten.

ErfindungsgemäBe Wandler im engeren Sinne sind zur Abstrahlung akustischer Schwingungen bestimmt.

Im weiteren Sinne können sie aber nach dem Reziprozitätsgesetz zur Aufnahme Von Schwingungen aus dem umgebenden Medium und zur Umwandlung dieser Schwingungen in elektrische Schwingungen dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler zur Unterwasserschallabstrahlung von zwei verschiedenen Frequenzen mit einem widerstandsfähigen, metallischen, wasserdicht ausgeführten Gehäuse mit einem schwingungsaktiven Gehäuseteil, und mindestens einem im Inneren des Gehäuses angeordneten piezoelektrischen Geber mit einer Eigenfrequenz fm, wobei das schwingungsaktive Gehäuseteil eine von dem oder den piezoelektrischen Gebern unterschiedliche Eigenfrequenz F₂ aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der piezoelektrischen Geber (2, 3, 4) nur über eine einzige mechanische Verbindung allein mit dem schwingungsaktiven Gehäuseteil (1) mechanisch und schwingungsmäßig in einer solchen Weise verbunden ist, daß das aus schwingungsaktivem Gehäuseteil (1) und piezoelektrischen Gebern (2, 3, 4) bestehende System zwei Resonanzfrequenzen /1 und /2 aufweist, die von den Eigenfrequenzen F₁ des schwingungsaktiven Gehäuseteils (1) und F_m der piezoelektrischen Geber verschieden sind.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 für eine allseitige Schallabstrahlung in einer Ebene, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingungsaktive Gehäuseteil (1) als Ring ausgebildet und mittels zweier akustisch inaktiver, runder Deckel zu einem Gehäuse verschlossen ist, und daß mehrere piezoelektrische Geber (2,3,4) in radialer Ausrichtung an der Innenseite des Ringes angeordnet sind.