DE1094026B - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines kurzen abklingenden Schwingungszuges fuer die Echolotung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines kurzen abklingenden Schwingungszuges für die Echolotung mittels eines schwingungsfähigen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Wandlers, z. B. aus Bariumtitanat, bei dem der Wandler durch stoßfreie Aufladung seiner Kapazität in Schwingungsrichtung oder durch Gleichsitromerregung gedehnt oder verkürzt wird.

Bei der Echotiefen- und -abstandsmessung ist es oftmals erwünscht, außerordentlich kurze Entfernungen messen zu können. Wenn man mit nur einem elektroakustisehen Wandler in einer Sendeempfangsschaltung arbeitet, hängt die kleinste Entfernung, die angezeigt werden kann, von der Länge der ausgesandten Impulse und von der Geschwindigkeit ab, mit der der Empfangsversitärker seine Empfangsbereitschaft wiedergewinnt. Da dieser gewöhnlich so gebaut werden kann, daß er sehr schnell wieder empfangsbereit wird, kommt es in erster Linie darauf an, möglichst kurze Impulse zu erzeugen.

Kleine Impulslängen können erreicht werden durch Stoßerregung des Wandlers, wobei dieser einen Impuls in Form eines gedämpften Wellenzuges abstrahlt. Der Schwingungszug muß schnell abklingen, um die Messung kleiner Abstände zu ermöglichen, weil Schwingungen oberhalb einer gewissen Stärke durch Überlastung oder Blockieren des Empfangsverstärkers verhindern, daß ein Echo angezeigt wird.

Für magnetostriktive Wandler sind zwei Arten der Stoßerregung mittels eines aufgeladenen Kondensators bekannt. Bei der einen Art wird dieser unmittelbar durch die Wicklung des Wandlers entladen, bei der anderen erfolgt die Entladung in einem abgestimmten Resonanzkreis, der seinerseits mit dem Wandler gekopplt ist. Das letztere Verfahren eignet sich auch zur Stoßerregung von Kristallwandlarn. Selbst bei größtmöglichem Wirkungsgrad geht mindestens die Hälfte der zugeführten Energie in der Impedanz des Resonanzkreises verloren, so daß weniger als die Hälfte davon für die Erzeugung von Schallenergie durch den Wandler zur Verfügung steht. Es ist erwünscht, den zur Erzeugung einer bestimmten Schwingungsamplitude aufzuwendenden Betrag der elektrischen Energie möglichst klein zu halten.

Bei allen bekannten Anordnungen zur elektrischen Stoßerregung von Wandlern weist der Wandler zu Beginn der Impulsaussendung keine mechanischen Spannungen auf. Erst wenn die elektrische Schwingungsenergie zu wirken beginnt, werden an dem schwingungsfähigen Wandlerkörper angreifende Wechselkräfte erzeugt, die während einiger Perioden andauern und durch die die Schwingungsamplitude bis zu einem Höchstwert zunimmt. Nach Fortfall der elektrischen Antriebskraft fährt der Wandlerkörper Verfahren und Vorrichtung

zur Erzeugung eines kurzen abklingenden Schwingungszuges für die Echolotung

Anmelder:

Raytheon Manufacturing Company, Waltham, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. M. Schumacher, Patentanwalt, Bremen, Stephanikirchenweide 1

Robert Alden Fryklund, Dedham, Mass. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

fort, mechanische Schwingungen auszuführen, bis die Schwingungsenergie verbraucht ist. Die Abstrahlung von Schallenergie beginnt gleichzeitig mit der Aufschaukelung der Schwingungsarnplitude des Wandlers. Die Form des erzeugten Schwingungsimpulses zeigt daher zunächst einen Anstieg der Schwingungsamplitude über eine bis mehrere Perioden bis zu einem Höchstwert und ein nachfolgendes, meist langsameres Abklingen der Schwingungsamplitude nach Null hin. Das Verfahren zur Stoßerregung nach der Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Gesamtimpulsdauer beträchtlich verkürzt werden kann, wenn die Zeit, in der eine langsame Aufschaukelung der Amplitude erfolgt, eingespart werden kann, d. h. also, wenn die Schwingung des Wandlerkörpers ohne Übergang mit dem Höchstwert der Amplitude einsetzt. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß der Wandler nicht durch eine elektrische Schwingung angeregt wird, sondern erfindungsgemäß nach plötzlicher Aufhebung eines mittels einer Gleichspannung erzeugten mechanischen Spannungszustandes durch Kurzschließen des Wandlers oder Unterbrechen des Erregergleiahstromes mechanische Schwingungen ausführt. Der Wandler ist dabei nicht mehr Teil eines gedämpften Schwingungskreises, vielmehr treten jetzt seine mechanischen Eigenschaften als schwingungsfähiger Körper in den Vordergrund. Einige Zeit vor der Impulsaussendung wird dem Wandler elektrische Energie in gleichmäßigem Strom, d. h. stoßfrei, zugeführt. Ein Teil davon

009 650/126

3 4

wird als mechanische Spannungsenergie gespeichert, Wellenzuges, der dabei von dem Schwinger ausge-

wol>ei der erreichbare Höchstwert von den physi- strahlt wird,

kaiischen Eigenschaften des Wandlers abhängt. Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Auslenkung

Die äußeren Abmessungen des Wandlers nehmen der Strahlfläche eines Kristallwandlers, die der Andabei Extremwerte an, z. B. erreicht im Falle eines 5 schaulichkeit halber übertrieben groß dargestellt ist, Kristalls die Kontraktion einen Höchstwert; dieser Fig. 5 ein Schaltbild einer anderen Ausführungs-Zustand wird dxiröh die an den Elektroden herr- form der Erfindung, in der eine Gasentladungsröhre sehende Gleichspannung aufrechterhalten. In diesem als Schaltvorrichtung benutzt wird.
Zustand kann der Wandler verglichen werden mit In Fig. 1 bezeichnet 10 einen piezoelektrischen Krieiner durch eine beständig wirkende Kraft ausgelenk- io stall, der mit zwei Elektroden 11 und 12 versehen ist, ten gespannten Saite oder mit einem Pendel, das in von denen die eine, 11, mit Erde und die andere, 12, einer seiner Endlagen festgehalten wird. Wichtig ist, über eine Leitung 13 und einen Strombegrenzungsdaß der Wandler während der Erzeugung der mecha- widerstand 15 mit einer Stromquelle positiven Potennischen Spannung nicht schwingt und infolgedessen tials 14 verbunden ist. Die obere Elektrode 12 ist ferkeine Wellen abstrahlt. Wenn sodann die die mecha- 15 ner über einen Kondensator 16 mit einem nicht darnische Spannung erzeugende Potentialdifferenz durch gestellten Empfangsverstärker verbunden, der wie für Kurzschluß plötzlich zu Null gemacht wird, so hat der Tiefen- und Entfernungsmeßgeräte üblich ausgebildet Wandlerkörper das Bestreben, die ursprüngliche Form sein kann. Die Elektrode 12 kann über einen gewöhnanzunehmen, und die Wirkung ist ähnlich wie beim Hch geöffneten Schalter 17 mit Erde verbunden Loslassen einer gespannten Saite oder eines ausgelenk- 20 werden.

ten Pendels. Als mechanischer Schwinger führt der Bevor die Arbeitsweise der Schaltung nach der vorKristall sodann eine gedämpfte Schwingung aus, vor- liegenden Erfindung beschrieben wird, soll kurz das zugsweise ohne Kopplung mit der ursprünglichen Verhalten eines Wandlers, der nach dem eingangs erEnergiequelle. Auf diese Weise ist der gedämpfte wähnten, bekannten Verfahren angeregt wird, be-Schwingungszug ausschließlich durch die Konstanten 25 sohriieben werden. Hierbei ist der Wandler, wenn er des mechanischen Schwingungsbildes bestimmt. nicht schwingt, mechanisch spannungslos. Zu Beginn

Nach dem neuen Stoßerregungsverfahren wird eine eines Schwingungszuges wird ein großer Teil der Gleichstromquelle mit einem Wandler verbunden, um elektrischen Energie dazu verbraucht, die Schwineine mechanische Spannung in ihm aufzubauen. Im gungsamplitude des Wandlers zu vergrößern. Fig. 2 Falle eines Kristalls wird dabei der Ladestrom durch 30 zeigt die Kurve eines Schwingungszuges, der durch zu einen Widerstand begrenzt. Die zugeführte Ladungs- Schwingungen in dieser Weise angeregten Wandler menge ist ausreichend, um den Kristall bis nahe zur erzeugt wird. Die Bezugslinie 18 entspricht dem un-Bruchgrenze anzuspannen, und wird aufrechterhalten, gespannten Zustand des Wandlers. Die durch den bis ein Wellenzug ausgesandt werden soll. Durch Her- Kurvenzug 20 dargestellte mechanische Spannung stellung eines Kurzschlusses zwischen den aufgelade- 35 wächst vom Ausgangswert 18 in positiver Richtung nen Elektroden wird die Ladung schnell abgeleitet, bis zu einem Wert 21 unter Einwirkung der elek- und der damit verbundene, im wesentlichen äugen- irischen Schwingungsenergie in dem abgestimmten, blickliche Fortfall der Zwangskraft läßt den Kristall den Wandler enthaltenden Schwingkreis. Der weitere frei in seiner Eigenfrequenz ausschwingen, wobei er Verlauf der Kurve 20, die dann wieder durch die Nulleinen gedämpften Wellenzug in das ihn umgebende 40 linie 18 geht und bis zu einem Höchstwert 22 steigt, Medium ausstrahlt, ohne dem elektrischen System entspricht einer Umkehrung des Vorzeichens der Spanweitere Energie zu entziehen. nung. Diese Schwimgungsbewegung des Wandlerkör-

Die bei spiel s weise beschriebene Anregungsart ist pers erfolgt unter dem Einfluß der elektrischen

vorteilhaft anzuwenden in Verbindung mit piezoelek- Schwingungsenergie und seiner eigenen Elastizität,

frischen Wandlern, weil die Aufrechterhaltung des 45 I_m Punkt 22 kehrt die Schwingung wieder um, und

gespannten Zustandes ahne zusätzlichen Energiever- die Kurve 20 erreicht unter Kreuzen der Nullinie 18

brauch möglich ist. Die Entladung des Kristalls kann eine maximale positive Amplitude im Punkt 23. Dabei

auf einfache Weise mit einer geeigneten Schaltvorrich- folgt der Wandler immer noch dem Einfluß der elek-

tung, vorzugsweise einer Elektronenröhre oder gas- triscihen Schwingungsenergie und seiner eigenen

gefüllten Entladungsröhre, bewirkt werden. 50 Elastizität. In diesem Punkt 23 ist die Zufuhr elek-

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist sehr einfach irischer Schwingungsenergie beendet, und der Wand- und geeignet, elektroakustische Wandler jeder Art bis ler schwingt hiernach mit abnehmender Amplitude, zur Elastizitätsgrenze aufzuladen und infolgedessen wobei die elektrische Natur der Stromkreiselemente, auf die maximale Schwingungsamplitude zu bringen. die mit ihm verbunden sind, von Einfluß sein kann. Man kann so eine gedämpft abklingende, kurze 55 Der Wandler schwingt so und strahlt Druckwellen-Schwingung des Wandlers erzielen. energie vom Augenblickt an aus, in dem der Wechsel-Einzelheiten über die Anwendung des neuen Ver- strom zuerst aufgedrückt wird. Die erzeugten Druckfahrens bei einem Kristallwandler sind aus der folgen- wellen haben eine Impulsform, die allmählich bis zu den Beschreibung zweier Ausführungsformen der Er- einem Maximum ansteigt und noch langsamer wieder findung zu entnehmen. 60 abfällt. Die Zeit, die gebraucht wird, um die Maximal-

Fig. 1 zeigt eine Schaltung, die von dem Verfahren amplitude 23 zu erreichen, stellt einen unerwünschten

nach der Erfindung Gebrauch macht, Zeitverlust in einer Anlage dar, die dazu dienen soll,

Fig. 2 die Kurve der Änderung der mechanischen kurze Entfernungen zu messen.

Spannung in Abhängigkeit von der Zeit für eine Schal- In der in Fig. 5 dargestellten Schaltung wird in

tung, wie sie bisher zur Stoßerregung des Wandlers 65 dem Kristallwandler 10 eine allmählich ansteigende

verwendet wurde, mechanische Spannung erzeugt, die ihren Höchstwert

Fig. 3 die Kurve der Änderung der mechanischen erreicht, wenn die elektrische Spannung an den Elek-

Spannung in Abhängigkeit von der Zeit bei Erregung troden 11, 12 gleich der der Spannungsquelle 14 ge-

eines Wandlers nach dem Verfahren gemäß der Erfin- worden ist, die über Leitung 13 und Widerstand 15

dung und ferner einer Darstellung des gedämpften 70 zugeführt wird. Dieser Höchstwert kann dicht unter

der Bruchgrenze des Kristalls liegen. Die so erzeugte mechanische Spannung ist durch Punkt 24 der Kurve in Fig. 3 veranschaulicht. Sie wird so allmählich hervorgerufen, und der Widerstand 15 ist so groß, daß der Kristall 10 keine Neigung zum Schwingen hat, solange die Ladung an seinen Platten 11 und 12 besteht. Durch die anfängliche mechanische Spannung wird der Wandler um einen gewissen Betrag zusammengedrückt, wie in Fig. 4 durch die Abweichung der Linie 10 & von dar Normallinie 10 α dargestellt. Wird der Schalter 17 geschlossen, so wird die Ladung über die Leitung 13, den Schalter 17 und die Verbindungen nach Erde abgeleitet. Mit der Potentialdifferenz zwischen den Platten 11 und 12 wird auch die mechanische Zwangsspannung des Kristalls aufgehoben, und der Kristall sucht infolge der elastischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials seine ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Die elastischen Kräfte lösen jedoch zunächst eine mechanische Spannung in der entgegengesetzten Richtung von einer Größe aus, wie sie durch die Linie 10c der Fig. 4 veranschaulicht ist. Der Kristall führt somit Schwingungen aus mit einer Frequenz, die nur bestimmt ist durch seine mechanischen Konstanten und seine anfängliche Maximalamplitude. Fig. 4 zeigt die Kurve

10 d der Dimensionsänderung des Kristalls 10. Eine ähnliche Kurve (ausgezogene Linie) in Fig. 3 zeigt, wie die Stärke des Kristalls 10 von einer maximalen Kenstraktion oder Verkürzung an der Stelle 24 bis zur maximalen Längung in der Stelle 26 der Kurve wechselt und dabei die Bezugslinie 25 durchläuft. Eine Kurve der resultierenden Druckwelle ist in Strichlinien 45 in Fig. 3 dargestellt. Aus dieser Kurve 45 ist zu ersehen, daß keine Druckwellenenergie erzeugt wird, bevor die Anfangsspannung des Kristalls 10 durch Schließen des Schalters 17 aufgehoben wird. Durch Vergleich von Fig. 2 und 3 ergibt sich, daß durch die Erfindung die Dauer der Druckwellenimpul.se abgekürzt ist um die Zeit, die der Wandler in dem obenerwähnten bekannten Erregerstromkreis benötigt, um seine mechanische Maximalspannung zu erreichen. Dadurch wird der Gebrauch von kürzeren Impulsen und die Messung kleinerer Tiefen und Entfernungen ermöglicht. Überdies ist die Anfangsflanke des Druckwellenimpulses nach der Erfindung im wesentlichen rechteckförmig, wodurch ein scharfer Impuls erzielt wird, der wesentlich zur Genauigkeit der Messung beiträgt.

In der Schaltung nach Fig. 5 ist Schalter 17 der Fig. 1 ersetzt durch eine Gasentladungsröhre. Wie in Fig. 1 liegt der Kristall 10 zwischen zwei Elektroden

11 und 12. Die untere Elektrode 11 ist mit Erde und die obere Elektrode 12 über die Leitung 13 mit einer Potentialquelle 14 über einen Strombegrenzungswiderstand 15 verbunden. Die Elektrode 12 ist außerdem über einen Koppelkondensator 16 mit einem Empfangsverstärker verbunden, ebenso wie in Fig I. Dagegen ist der Schalter 17 der Fig. 1 bei der Ausfülhrungsform der Fig. 5 ersetzt durch eine gesteuerte Gasentladungsröhre21, deren Anode28 mit der oberen Elektrode 12 des Kristalls 10 und deren Kathode 30 mit Erde verbunden ist. Das Steuergitter 31 der Gasentladungsröhre ist mit einer nicht gezeichneten Quelle negativen Potentials an Klemme 32 über zwei in Reihe liegende Widerstände 33 und 34 verbunden. Der Veirbindungspunkt 35 dieser beiden Widerstände und 34 ist über einen normalerweise geöffneten Schalter 36 mit Erde verbunden. Das Schirmgitter 37 der Gasentladungsröhre 27 liegt wie die Kathode an Erde. Wie oben beschrieben, wird in dem Kristall 10 durch die an seine Elektroden 11 und 12 gelegte elektrische Spannung zunächst eine mechanische Spannung erzeugt. Die Gasentladungsröhre 27 ist anfänglich durch das am Steuergitter 31 liegende negative Potential der Quelle 32 gesperrt. Wenn jedoch der Schalter 36 geschlossen wird, so wird das Gitter 31 über den Widerstand 33 auf Erdpotential gebracht, die Röhre 27 wird leitend und nimmt die Spannung vom Kristall 10 weg. Die weitere Wirkungsweise ist die gleiche wie im Stromkreis der Fig. 1, ausgenommen, daß die Röhre 27 aufhört zu leiten, wenn der Spannungsabfall über dem hohen Widerstand 15 die Anodenspannung unter die Brennspannung abfallen läßt.

Die Schalter 17 in Fig. 1 und 36 in Fig. 5 sind vorzugsweise als Augenblicksschalter, die nur für eine sehr kurze Zeit geschlossen sind, ausgebildet.

Bei der Anwendung der Erfindung auf magnetostriktive Wandler, bei denen der erzeugte mechanische Spannungszustand von dem die Wicklung durchfließenden Strom abhängt, wird man diesen erst kurz vor der Impulsaussendung auf seinen Höchstwert steigern. Durch einen Unterbrecherschalter wird dann der Strom beim Ausschalten fast augenblicklich zu Null gemacht. Außerdem sind Abänderungen der Schaltung möglich. Insbesondere kann der Widerstand 15 nur so groß gewählt werden, daß die Aufladung des Kristalls 10 schwingungsfrei erfolgt. Er kann aber auch wesentlich größer gemacht werden, um den aus der Stromquelle 14 entnommenen Strom zu begrenzen. Das ist vorteilhaft, wenn Batteriebetrieb vorgesehen ist. In Fig. 5 bewirkt dieser Widerstand 15 weiterhin, daß die Röhre 17 erlischt, nachdem sie den Kristall entladen hat. Dadurch wird zusätzlich erreicht, daß nach Erlöschen der Röhre der Kristall durch die Wiederanlegung des den Kristall spannenden Potentials wirksam gedämpft wird. Ferner ist die Erfindung sinngemäß anwendbar auf elektrostriktive Körper, z. B. Bariumtitanat.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung eines kurzen abklingenden Schwingungszuges für die Echolotung mittels eines sohwingungsfähigen piezoelektrischen oder elektrostriktiven Wandlers, z. B. aus Bariumtitanat, bei dem der Wandler durch stoßfreie Aufladung seiner Kapazität in Schwingungsriehtung oder durch Gleichstromerregung gedehnt oder verkürzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler nach plötzlicher Aufhebung eines mittels einer Gleichspannung erzeugten mechanischen Spannungszustandes durch Kurzschließen des Wandlers oder Unterbrechen des Erregergleichstromes mechanische Schwingungen ausführt.

2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektroakustischer Wandler, vorzugsweise ein piezoelektrischer Wandler mit Eigenkapazität, mit einer elektrischen Energiequelle verbunden ist, durch die der Wandler in einen mechanischen Spannungszustand gebracht wird, und daß Mittel zur Entladung der Wandlerkapazität und zur Aufhebung des mechanischen Zwanges vorgesehen sind, die den Wandler zur Entspannung freigeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des Wandlers durch eine parallel zum Wandler liegende gittergesteuerte Entladungsstrecke, vorzugsweise Gasentladungsstrecke, bewirkt wird, deren Gitter an einer Spannungsquelle negativen Potentials und einem normalerweise offenen Erdungsschalter liiegt.

4. Vorrichtung nach. Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler mit der elektrischen Energie- bzw. Spannungsquelle über einen verhältnismäßig hochohmigen Widerstand verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Wandler in Reihe liegende Widerstand so groß ist, daß er Schwin-

gungen des elektrischen, den Wandler enthaltenden Stromkreises verhindert.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentanmeldung Sch 6653 IXb/42s (bekanntgemaoht am 10. 1. 1952);
USA.-Patentschrift Nr. 2 398701.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen