DE1105211B - Unterwasseruebertrager fuer Schall- und Ultraschallschwingungen - Google Patents
Unterwasseruebertrager fuer Schall- und UltraschallschwingungenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Unterwasserübertrager mit einem wasserdichten Gehäuse, das zwischen einer
Vorder- und einer Rückwand einen Hohlraum enthält, in dem sich ein Schwingungskörper befindet, der aus
einem longitudinal schwingenden, elektromechanisch ansprechenden Keramikelement besteht, dessen parallel
zueinander verlaufende, ebene Vorder- und Rückseiten mit Elektroden bedeckt sind.
Derartige Übertrager sind bekannt. Beispielsweise ist für die Anwendung auf medizinischem Gebiet ein
Übertrager bekanntgeworden, der zur Schwingungserzeugung einen Piezokristall benutzt. Der Kristall
liegt eingefügt zwischen einem vorderen und einem hinteren Masseteil; beide Massen bestehen aus dem
gleichen Material. Weiter sind bereits verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden, welche die Verbindung
zwischen der Gehäuserückwand und dem Schwingungskörper in-Gestalt eines Piezokristalls betreffen.
Der Piezokristall ist bei diesen Fällen zur Erzielung eines besseren Energieumsatzes mechanisch in einem
bestimmten Ausmaß unter Druck gesetzt. Dabei ist zwischen der Masse an der Rückseite des Piezokristalls
und der Gehäuserückwand eine elastische Verbindungszone vorgesehen, die entweder aus einer Kugel oder
einem mit der Spitze zur Rückwand gekehrten und sich dort abstützenden Massenkegel besteht. Im Zuge
der technischen Entwicklung sind dann zur Erzielung größerer Energieumsetzungen vorzugsweise keramische
Schwingungselemente verwendet worden, insbesondere solche aus Bariumtitanat. Zur Steigerung der
Leistung von Übertragern, die auch als Unterwasserübertrager verwendet werden können, ist es bekannt,
keramische, Schwingelemente in verschiedenen Anordnungen zu Schwingungserzeugern bzw. Empfängern
zusammenzusetzen. Die Schwingelemente werden z. B. in einer bekannten Vorrichtung in einem Gehäuse untergebracht,
dessen Vorderöffnung mit einer Aluminiumplatte verschlossen ist, wobei die Gruppe der
Schwingelemente jedoch ohne Massenabdeckung an der zur Gehäuserückwand gekehrten Seite bleiben.
Der Gedanke, ein piezoelektrisches Element zwischen zwei Massenelemente einzuklemmen, ist bereits
von P. Langevin vor 1918 ausgeführt worden. Dabei wurde jedoch bislang für die Front- und Rückenmassenteile
dasselbe Material, z. B. Stahl, benutzt. Um im Rahmen technisch vernünftiger Abmessungen einen
günstigen Wirkungsgrad für die Energieumsetzung in der Übertragungsanlage zu erzielen, wurde bisher der
Weg beschütten, daß mehrere Schwingungselemente in einer bestimmten Anordnung in einem Schwingungskörper
vereinigt wurden. Bei der Zusammenfassung mehrerer stabförmiger Schwingungselemente nebeneinander
in einem Übertrager ist es auch bekannt, daß die nebeneinander angeordneten Elemente von der
Unterwasserübertrager für Sctiall-
und Ultraschallschwingungen
und Ultraschallschwingungen
Anmelder:
The Bendix Corporation,
New York, ISLY. (V. St. A.)
New York, ISLY. (V. St. A.)
Vertreter: Dr,-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Hamburg 36, Neuer Wall 41
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 15. Juni 1956
V. St. v. Amerika vom 15. Juni 1956
Brownlee Bensei Gauld, Tucson, Ariz. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Front- und der Rückenmassenplatte überdeckt werden, deren Durchmesser größer als der der einzelnen
Schwingungselemente ist...
Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus, die Aussendung und Aufnahme von Schwingungen
bei einem Unterwasserübertrager der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß dadurch die
mit einem keramischen Schwingungselement bestimmter Größe erzielbare Leistungsumsetzung gegenüber
den bekannten Vorrichtungen wesentlich besser ausgenutzt werden kann. Zu diesem Zweck ist nach der
Erfindung vorgesehen, daß der Keramikteil zwischen einem vorderen und einem hinteren Massenteil von
verschiedener Dichte eingefügt ist, die mechanisch mit dem Keramikteil verbunden sind, und daß der vordere
Massenteil eine geringere Dichte als der hintere Massenteil und einen größeren Durchmesser als der Keramikteil
hat, und die vorderen und hinteren Massenteile mit der entsprechenden Vorder- bzw. Rückwand des
Gehäuses verbunden sind.
Der Übertrager erhält durch die neue Anordnungsweise eine wesentlich verbesserte Ankopplungswirkung,
so daß sich damit der Wirkungsgrad der Übertragung von akustischer Energie von dem Schwingelement auf
die vordere Masse und von dieser auf das umgebende Medium bzw. umgekehrt wesentlich verbessert. Auch
die Richtcharakteristik des. Übertragers erfährt durch die neue Anordnung eine Verbesserung. Der Gebrauch
eines Frontteiles mit größerem Durchmesser als dem des Keramikteiles hat ferner den Vorteil, daß damit
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ein verhältnismäßig kleines und billiges keramisches Element benutzt werden kann, wobei außerdem das
Auftreten von Biegespannungen in dem als Kolben schwingenden Frontmassenteil und die Neigung dieses
Teiles zu Sekundärschwingungen verringert werden.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der hintere Massenteil mit der Rückwand
des Gehäuses mittels einer Schicht von akustisch isolierendem Material verbunden ist. Ferner wird die
grundsätzliche Wirkung der Erfindung dadurch verbessert, daß der vordere Massenteil dicker als der
hintere Massenteil ist.
Vorzugsweise kann die Erfindung so ausgeführt werden, daß das vordere Massenelement dicker als das
hintere Massenelement ist und daß der elektromechanisch ansprechende Schwinger als Hohlzylinder ausgebildet
ist, während das vordere Massenelement ein Vollzylinder ist. Dadurch läßt sich die Herstellung des
nach der Erfindung ausgeführten Übertragers weiter verbilligen. Eine Weiterbildung sieht außerdem vor,
daß auch das untere Massenelement als Hohlzylinder ausgebildet ist, wodurch sich neben einer Materialersparnis
eine damit verbundene Gewichtsverringerung ergibt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nachfolgend ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
an Hand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Übertragers und
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der Fig, I.
Der in den Zeichnungen dargestellte Übertrager besteht aus einem Gehäuse 11, welches aus Gummi oder
ähnlichem Werkstoff gepreßt oder geformt ist und eine geschlossene Aussparung 11 α umgibt, in welcher
ein Schwinger 10 gelagert ist. In der Nähe der Gehäusemitte sind zwei Montagebohrungen 11b vorgesehen,
mit deren Hilfe das Übertragungsgehäuse an der Unterseite eines Schiffes so befestigt werden
kann, daß die Rückseite 11 c des Gehäuses am Schiffskörper anliegt und die Gehäusevorderfläche 11 d nach
unten zeigt.
Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß sich die Ausnehmung 11 α an dem einen Ende des Gehäuses befindet
und das letztere keilförmig ausgebildet ist, um in eine Spitze 11 e auszulaufen, die in Fahrtrichtung des
Schiffes zeigt, so daß die Wasserströmung geteilt und eine Turbulenz an der Arbeitsfläche 11 d des Übertragers
vermindert wird. Am hinteren Ende des Gehäuses, d. h. an dem von der Vorderkante oder Spitze 11 e abgelegenen
Ende, ist ein Kabel 12 angeschlossen, »über welches der elektrische Anschluß vorgenommen wird.
Das Kabel 12 erstreckt sich durch eine öffnung im Halsteil 11 / des Gehäuses, welcher mit Hilfe einer
Klemme 13 fest gegen das Kabel angedrückt wird.
Die Vorderseite der Aussparung 11 α ist mit einem
aus Gummi bestehendem Schallfenster 14 so verschlossen, daß dessen Außenfläche mit der Vorderfläche 11 d
des übrigen Teiles des Gehäuses gleichflächig verläuft.
Der Schwinger 10 ist ein zusammengesetztes Bauelement und besteht aus einem elektromechanisch ansprechenden
Ring 10 a, einer vorderen Aluminumscheibe 10 b und einem hinteren Bleiring 10 c. Die Teile
10 a, 10 b und 10 c sind an ihren Berührungsflächen fest
miteinander verbunden. Der Keramikring 10 α und der Bleiring 10 c sind mit zylindrischen Innen- und Außenflächen
und flachen Stirnflächen versehen. Die inneren und äußeren Durchmesser der beiden genannten Ringe
sind im wesentlichen gleich. Um die axiale Ausrich- - tung des Keramikringes mit dem Bleiring beim Zusammenbau
(beispielsweise durch Verwendung eines Führungsdornes) zu erleichtern, können ihre Innendurchmesser
auch exakt einander gleich gemacht werden. In gleicher Weise können die Außendurchmesser
der Scheibe 10 & und des Bleiringes 10 c gleich groß gemacht werden, um die axiale Ausrichtung der Scheibe
10 & mit den Ringen 10 a und 10 c zu erleichtern.
Die Schwingkräfte des Keramikringes werden vorzugsweise auf eine Ringzone der Scheibe 10 b übertragen, welche von deren zylindrischer Außenfläche radial nach innen versetzt ist, um die mit einem Keramikring von vorgegebener Größe verwendbare Scheibenfläche zu vergrößern, ohne die Biegekräfte in der Scheibe zu vergrößern. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß ein großer Scheibendurchmesser erwünscht ist, um den Übertragungswirkungsgrad für die akustische Energie zwischen der Scheibe und dem Wasser zu vergrößern und die Richtcharakteristik zu verbessern. Die Verwendung einer Scheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Keramikringes hat den weiteren Vorteil, daß es hierdurch möglich wird, kleinere und billigere Keramikringe zu verwenden und auch die Biegungskräfte in der Scheibe und deren Neigung zu Schwingungen in sekundären Schwingungsformen zu vermindern.
Die Schwingkräfte des Keramikringes werden vorzugsweise auf eine Ringzone der Scheibe 10 b übertragen, welche von deren zylindrischer Außenfläche radial nach innen versetzt ist, um die mit einem Keramikring von vorgegebener Größe verwendbare Scheibenfläche zu vergrößern, ohne die Biegekräfte in der Scheibe zu vergrößern. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß ein großer Scheibendurchmesser erwünscht ist, um den Übertragungswirkungsgrad für die akustische Energie zwischen der Scheibe und dem Wasser zu vergrößern und die Richtcharakteristik zu verbessern. Die Verwendung einer Scheibe mit einem Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser des Keramikringes hat den weiteren Vorteil, daß es hierdurch möglich wird, kleinere und billigere Keramikringe zu verwenden und auch die Biegungskräfte in der Scheibe und deren Neigung zu Schwingungen in sekundären Schwingungsformen zu vermindern.
Der Keramikring ist an seinen vorderen und hinteren Ringflächen mit den üblichen Silberelektroden 10 d
und 1Oe versehen, welche mit den Leitern des Kabels 12 verbunden sind. Die Elektroden können dadurch erzeugt
werden, daß man die vordere und hintere Fläche des Keramikelementes mit S über farbe bestreicht und
den Keramikkörper dann einer Wärmebehandlung aussetzt, bei der ein dünner Film metallischen Silbers
zurückbleibt.
Die Längs- oder Axialabmessung der Schwingungsanordnung ist geringer als die Tiefe der Aussparung
11 a. Der Schwinger berührt mit der Vorderfläche der Scheibe 10 & das Schallfenster 14 und stützt sich mit
der Rückseite auf einer Scheibe 15 aus akustisch weichem Werkstoff, wie beispielsweise Schaum- oder
porenförmigem Neopren ab. Diese Scheibe 15 füllt den Raum zwischen der Rückwand der Aussparung 11«
und den Bleiring 10 c aus, so daß der Schwinger 10 innerhalb des Gehäuses durch die Scheibe 15 und die
Membrane 14 gehalten wird. Die Vorderfläche der Scheibe 10 & ist fest mit dem Schallfenster 14 verbunden,
so daß das letztere jegliche seitlichen Verschiebungen des Schwingers innerhalb der Aussparungen 11a
verhindert.
Es ist im allgemeinen erwünscht, in dem Kabel 12 einen Mittelleiter 12 α vorzusehen, welcher konzentrisch
von einem Hohlleiter 12 b umgeben ist. Der Mittelleiter
12 α wird mit der hinteren Elektrode 11 e des Keramikelementes
10 a und der äußere Leiter 12 & mit der vorderen Elektrode 10 d verbunden. Der konzentrisch angeordnete
Leiter 12 b liegt vorzugsweise auf Erdpotential, und es ist zur Abschirmung der Elektrode 10 e
von elektrischen Fremdfeldern zwischen der Scheibe 15 und der Rückwand der Aussparung 11a eine metallische
Abschirmscheibe 16 vorgesehen, welche mit dem Leiter 12 b des Kabels verbunden ist.
Das Keramikelement 10 α kann aus beliebigem bekanntem Werkstoff, wie beispielsweise Bariumtitanat
bestehen und in Übereinstimmung mit bekannter Praxis vorpolarisiert sein, so daß es auf über das
Schallfenster 14 zugeführte mechanische Schwingungen anspricht, um Potentialunterschiede zwischen den
Elektroden 10 d und 10 e zu erzeugen und auch auf
den Elektroden zugeführte elektrische Wechselspannungspotentiale anspricht, um sich in Längsrichtung
auszudehnen und zusammenzuziehen und dadurch den gesamten Schwinger 10 durch Kontraktion und Expansion
in Longitudinalschwingungen zu versetzen mit einer resultierenden Schwingungsbewegung an der
Vorderfläche der Scheibe 10 b.
Die gesamte Schwingungsanordnung hat vorzugsweise die Länge einer halben Schallwellenlänge bei Betriebsfrequenz.
Bei einer Frequenz im Bereich von 100 kHz kann das Keramikelement 10 α 6,3 mm dick,
die Aluminiumscheibe 7,7 mm dick und der Bleiring 3,2 mm dick gemacht werden.
Die besonderen Vorteile der vorstehend beschriebenen Konstruktion lassen sich wie folgt zusammenfassen:
a) Die Verwendung des hohlen Keramikzylinders ermöglicht eine Verminderung der Kapazität,
ohne die wirksame schwingende, mit dem Wasser akustisch gekoppelte Fläche zu verkleinern.
b) Der hohle hintere Massenkörper in der Gestalt eines Bleiringes 10 c hat den Vorteil, daß man
die erwünschte Masse am hinteren Ende des Schwingers aus relativ weichem Material (in bezug
auf Biegungsbeanspruchungen) ausbilden kann.
c) Die Kombination des Keramikringes mit der vorderen Scheibe von großem Durchmesser
führt zu einem wirksamen Schwinger mit einer relativ kleinen Materialmenge und einer relativ
großen Arbeitsfläche.
Claims (7)
1. Unterwasserübertrager für Schall- und Ultra-Schallschwingungen mit einem wasserdichten Gehäuse,
das eine Vorder- und Rückwand hat und dazwischen einen Hohlraum, in dem sich ein
Schwingungskörper befindet, der aus einem longitudinal schwingenden, elektromechanisch ansprechenden
Keramikelement besteht, dessen parallel zueinander verlaufende, ebene Vorder- und Rückseiten
mit Elektroden bedeckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikteil (10 a) zwischen
einem vorderen und einem hinteren Massenteil von verschiedener Dichte (10 b, 10 c) eingefügt ist, die
mechanisch mit dem Keramikteil verbunden sind, und daß der vordere Massenteil (10 b) eine geringere
Dichte als der hintere Massenteil (10 c) und einen größeren Durchmesser als der Keramikteil
(10 a) hat, und die vorderen und hinteren Massenteile (10 b, 10 c) mit der entsprechenden Vorderbzw.
Rückwand (14,11 c) des Gehäuses (11) verbunden sind.
2. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Massenteil
(10 c) mit der Rückwand (11 c) des Gehäuses (11) mittels einer Schicht von akustisch isolierendem
Material (15) verbunden ist.
3. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1 ■ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere
Massenteil (10 b) dicker als der hintere Massenteil (10 c) ist.
4. Unterwasserübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement
(10 a) ein Hohlzylinder, das vordere Massenelement (10 b) ein Vollzylinder und das hintere
Massenelement (10 c) ein Hohlzylinder ist.
5. Unterwasserübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikelement
(lOffl) und das hintere Massenelement (10 c) denselben
inneren Durchmesser haben.
6. Unterwasserübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das vordere und das
hintere Massenelement (10 b, 10 c) den gleichen äußeren Durchmesser haben.
7. Unterwasserübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die axiale Länge des Schwingers (10) eine halbe Wellenlänge des Schalles beträgt, dessen
Frequenz in diesem Körper zur Resonanz kommen soll.
In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 597 706, 896 806,
054 912.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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DE2552013A1 (de) * | 1975-07-21 | 1977-02-10 | Stanford Research Inst | Ultraschallkoppelungs- und verschlussystem |
DE19742294A1 (de) * | 1997-09-25 | 1999-04-01 | Elster Produktion Gmbh | Schallerzeuger und/oder Schallempfänger und Verfahren zu dessen Herstellung |
DE10000924A1 (de) * | 2000-01-12 | 2001-07-19 | Volkswagen Ag | Ultraschallsensor |
DE10000924B4 (de) * | 2000-01-12 | 2011-11-24 | Volkswagen Ag | Ultraschallsensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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US3094636A (en) | 1963-06-18 |
GB815873A (en) | 1959-07-01 |
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