WO2011035744A1 - Electroacoustic transducer - Google Patents

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WO2011035744A1
WO2011035744A1 PCT/DE2009/001332 DE2009001332W WO2011035744A1 WO 2011035744 A1 WO2011035744 A1 WO 2011035744A1 DE 2009001332 W DE2009001332 W DE 2009001332W WO 2011035744 A1 WO2011035744 A1 WO 2011035744A1
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WO
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tube
electroacoustic transducer
wall
transducer according
electrodes
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Application number
PCT/DE2009/001332
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German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Busch
Original Assignee
Atlas Elektronik Gmbh
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Publication date
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Priority to PCT/DE2009/001332 priority Critical patent/WO2011035744A1/en
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/121—Flextensional transducers

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer according to the preamble of claim 1.
  • the actuator In an electrical converter known as "Flextensional Sonar Transducer" (EP 0 340 674 A2), the actuator consists of a stack of contiguous, piezoelectric elements, between which electrodes are arranged.
  • the longitudinally mechanically biased stack has arcuate end caps around which a wide band surrounding the stack is guided.
  • a curved, elliptical cross-section elliptical cross-section closed at the front includes tape and stack and is oriented so that its larger ellipse axis coincides with the longitudinal axis of the stack.
  • the curved end caps of the stack are firmly connected to the shell.
  • the actuator When an alternating voltage is applied to the actuator, the latter performs an oscillation movement in the direction of its longitudinal axis, which is transmitted to the shell via the end caps of the stack and is converted by the shell into oscillations of significantly greater amplitude taking place transversely to the stack.
  • Tonpilz initial (DE 196 230 35 A1) also has a stack of piezoelectric elements with interposed electrodes as an actuator, which is clamped by means of a centrally guided by the stack tie rod between a front and a back mass.
  • Front and / or back mass consist of foamed metal whose density is set according to the desired converter frequency.
  • the actuator in a known, referred to as "barrel Stave Projector” electroacoustic transducer for use in low-frequency sonar systems (US 6,535,459 B1), the actuator consists of a stack of hollow cylindrical, piezoceramic elements with interposed electrodes arranged between two plate-like, annular or polygonal end caps and is mechanically biased by means of a guided through the hollow cylindrical elements and the end plates tie rod pressure. Concentrically curved lamellas are clamped between the two end caps projecting radially above the stack, the lamellae being fastened with their ends at the circumference of the end caps, with gap spacing side by side, viewed in the circumferential direction.
  • the curved lamellae are surrounded on the outside on their side facing away from the stack by a rubber sleeve, which is attached to the end caps waterproof and the gap between the lamellae waterproof covers.
  • a transmitting transducer used electrical converter sends narrowband and can only up to a certain depth of water, eg about 100 meters, are used, with its transmission behavior, since air-filled, is dependent on the depth of water.
  • the stack of piezoelectric elements, the so-called piezo stack, and the tensioning device for this cause in the known electroacoustic transducers a relatively high weight, which makes them suitable for certain types of applications in the underwater sound engineering, e.g. for installation in towed antennas or towed bodies, makes them unattractive.
  • the invention has for its object to provide an electrical converter, in particular for underwater use, which is characterized by a low weight with sufficient high acoustic power, in particular transmission power.
  • the electroacoustic transducer according to the invention has the advantage that the actuator does not consist - as in the prior art - of a relatively heavy, compact th pile of ceramic elements, which must be mechanically biased by a heavy-weight tie rods, but only from a thin and lightweight, composite modules supporting tube, preferably plastic tube, there is that does not require mechanical bias, so that the tie rod comes to an end. Due to the resulting extreme weight reduction of the actuator over the known transducers, the converter is very light and well suited for use in the underwater sound technology. In addition, a relatively small converter can be realized, which can be designed low-frequency and when used as a transmitting transducer with high transmission power. Unlike the known ceramic elements, the composite modules of an electrically insulating liquid used for filling the transducer, such as oil, exposed directly and must not be protected.
  • each of the composite modules connected to the pipe wall of the plastic pipe is oriented such that the piezoceramic fibers extend parallel to the pipe axis.
  • the electrodes are covered with a DC voltage in such a way that at the adjacent electrodes in a film layer, a high and a low DC potential and at the electrodes opposite to the piezoceramic fibers in both film layers the same DC potential. This DC potential is superimposed on an AC voltage so that it does not distinguish the DC voltage.
  • the piezoceramic fibers in the composite modules carry out longitudinal directions in the same direction and longitudinal contraction, as a result of which the tube alternately lengthens or shortens, that is to say the actuator oscillates in the direction of its longitudinal axis.
  • the acoustic power of the electroacoustic transducer is adjustable.
  • the firm connection between the pipe wall and composite modules by sticking the thin elastic composite modules on the pipe wall, wherein the composite modules on the inner or on the outer wall surface and also on the inner and can be attached to the outer wall surface of the pipe wall. The attachment is made by gluing and / or on or lamination in or on the pipe wall.
  • the tube is made of plastic, which is preferably reinforced with glass fibers or carbon fibers.
  • plastic pipe is sufficiently strong and lightweight.
  • the tube is closed at the end or end waterproof. This has the advantage that inside the tube electronic control circuits for the converter can be accommodated and the converter can be used at great depth, without damaging the electronic components damage.
  • a front mass and a back mass is attached to the two end faces of the tube, which seal the tube watertight.
  • a medium such as a gel or a liquid
  • Flextensional transducer in which the longititunalen movements of the actuator are transformed into radial movements of the shell, but with the advantage of being much lighter and smaller construction.
  • the converter has the advantage of a broadband sound radiation with constant acoustic power and can be advantageous as a transmitting transducer in the tubular casing of a towed antenna, with the possibility of adjusting the diameter of the transducer to the diameter of the tubular casing no additional flow noise in the transmitting part of the towed antenna occur.
  • a plurality of such transducers can be acoustically decoupled from each other in the transmitting part of the towed antenna arranged one behind the other in order to increase the radiated transmission power.
  • the high interior of the transmitter can be centrally accessed and electrical wiring through the tube well laid.
  • the tube wall of the tube is received in a hollow ring with an elliptical cross-section, of a pipe wall on the outside covering, with the pipe wall a first hollow section. enclosing enclosing, convex outer shell and the tube wall in the tube interior covering, with the tube wall a second cavity enclosing, concave inner shell is formed.
  • the ends of the inner and outer shells are fixedly connected to the pipe end of the pipe and the first and second cavities are filled with a medium, preferably a gel or a liquid, whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding medium, preferably water.
  • a medium preferably a gel or a liquid
  • a radially over the pipe projecting, preferably plate-shaped end cap is attached to each end face of the tube and are clamped between the end caps, a plurality of concave curved oscillating blades, the end of the end caps in the circumferential direction next to each other and are defined with gap distance from each other.
  • the lamellae are on the outside, so on their outer side facing away from the pipe by a fluid-tight, elastic sheath, for example made of rubber, enclosed, which is fixed fluid-tight end to the end caps.
  • the fins Upon expansion or contraction of the tube, the fins are stretched and compressed, reducing their curvature and increases.
  • the path difference between the two end caps occurring along the transducer axis is increased to a quadruple value of the deflection of the slats, so that the relatively small oscillation amplitudes of the tube in its longitudinal direction is transformed into a fairly large transmission power in the radial direction.
  • the transducer Due to the small dimensions of the transducer with respect to the wavelength of the sound waves emitted by it at an operating frequency of, for example, 2 kHz, the transducer has an omnidirectional emission.
  • the transmitting transducer radiates broadband and is also advantageously used in the transmitting part of an underwater towed antenna.
  • the end caps preferably with the tube axis coaxial through holes, the tube shell is provided with openings and supported the end caps on its circumference in the interior of an oil or gel filled hose of an underwater towed antenna on the hose wall.
  • the traction cable of the underwater towed antenna running in the hose and the connecting lines for transducers arranged one behind the other in the hose to be guided centrally through the interior of the converter.
  • the composite modules are protected by being laminated in the tube against the tube filling with oil or gel, so that no separate measures to protect the non-fluid-resistant ceramic fibers must be taken.
  • the gap between the end caps between the elastic sheath and the tube wall is hermetically sealed and filled with oil or gel.
  • Fig. 1 is a side view of an actuator for an electro-acoustic
  • FIG. 4 is a side view of an electroacoustic transducer according to a first embodiment, partially in section
  • 5 is a side view of an electroacoustic transducer according to a second embodiment, partially in section,
  • FIG. 6 is a side view of an electroacoustic transducer according to a third embodiment
  • FIG. 7 is a side view of an electroacoustic transducer according to a fourth embodiment, partially in section,
  • FIG. 9 is a longitudinal section of an arranged in a hose of an underwater towed antenna electro-acoustic transducer according to a fifth embodiment
  • FIG. 10 a detail of a top view of the electroacoustic transducer in FIG.
  • a piezoelectric actuator 11 is shown in side view and in Fig. 2 in section, as used in the embodiments of the electro-acoustic transducer of FIG. 4 to 10.
  • the actuator 1 vibrates longitudinally, ie in the direction of its longitudinal axis 12, as indicated by the double arrow 13 symbolizing the oscillating movement.
  • the actuator 11 has a tube 14 with a tubular axis in the direction of the tube axis, which forms the longitudinal axis 12 of the actuator 11, elastic tube wall 141 and at least one firmly connected to the tube wall 141 composite module 15. With only one composite module 15, this would be arranged around the tube wall 141 around.
  • the tube wall 141 is covered with a plurality of composite modules 15 which are arranged spaced apart in the circumferential direction and in the axial direction of the tube wall 141.
  • the tube 14 is open at the ends, but can also be closed at the ends for certain applications, as indicated by the two dashed lines in FIG. drawn end plates 16, 17 is illustrated.
  • the solid connection of the composite modules 15 with the pipe wall 141 takes place, for example, by gluing or laminating the composite modules 15 onto the pipe wall 141, wherein in the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2 the composite modules 15 act on the inner surface 141 a of FIG Pipe wall 141 are applied.
  • the composite modules 15 can also be arranged on the outer surface 141b of the tube wall 141, as illustrated in FIG. It is also advantageous to cover the tube wall 141 alternately on the outer surface 141b and on the inner surface 141a with the composite modules 15.
  • the tube 14 is preferably made of a plastic material which is reinforced to increase the compressive strength of the tube 12 with glass fibers or carbon fibers.
  • the solid connection of the composite modules 15 with the pipe wall 141 is advantageously carried out by laminating or lamination of the composite modules 15 on or in the pipe wall 141 during pipe production.
  • Fig. 3 is an enlarged exploded view of the structure of a composite module 15 illustrated.
  • the composite module 15 has two congruent film layers 18, 19 of electrically insulating material, on whose mutually facing layer surfaces in each case an electrode structure 20 or 21 arranged, for example printed, is. Between the film layers 18, 19 Piezokeramik- fibers 22 are arranged, which are spaced apart and preferably aligned parallel to each other.
  • the elongate piezoceramic fibers 22 have, for example, a square or rectangular cross section. The spaces between the piezoceramic fibers 22 are filled with an electrically insulating material, for example with a polymer, which is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • the two electrode structures 20, 21 are identical.
  • Each electrode structure 20 or 21 has two identically formed, comb-like structural parts 23, 24 with a conductor path 25 or 26 extending in the direction of the piezoceramic fibers 22 and integrally outgoing, preferably parallel, finger-like electrodes 27, 28.
  • the two comb-like structural parts 23, 24 engage each other with their electrodes 27, 28, so that in each case one electrode 27 of one structural part 23 and one electrode 28 of the other structural part 24 of the electrical structures 20 and 21 are neighbors and parallel to each other. Electrodes 27, 28 arranged in this way are therefore also referred to as "interdigitated electrods".
  • the two film layers 18, 19 are mirror images of mutually facing electrode structures 20, 21 placed on the piezoceramic fibers 22, wherein only the electrodes 27, 28 contact the piezoceramic fibers 22 on their opposite longitudinal sides.
  • a composite module 15 is known and described, for example, in EP 1 983 584 A2, where it is called "Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator".
  • the composite modules 15 connected to the pipe wall 141 are aligned on the pipe 14 in such a way that the piezoceramic fibers 22 run parallel to the pipe axis. As is shown in FIG.
  • a DC voltage is applied to the two structural parts 23, 24 of each electrode structure 20, 21 so that alternately a high and a low DC voltage potential are applied to the electrodes 27, 28 located adjacent one another within a film layer 18 or 19 and at the electrodes 26 and 27 of the two film layers 18, 19, which are opposite to each other on the piezoceramic fibers 22, each having the same DC potential.
  • the DC voltage is an AC voltage superimposed so that the former is not exceeded.
  • Fig. 4 a first embodiment of an electro-acoustic transducer is shown in side view and partially cut away, in which the described actuator 11 is inserted.
  • Tonpilz construction is realized in the electro-acoustic transducer.
  • a front mass 29 and a much larger back mass 30 is attached, wherein the front and rear masses 29, 30 terminate the tube 14 in a watertight manner on the front side.
  • the composite modules 15 are laminated in the tube wall 141, wherein of the plurality of Composite modules 15 in the sectional view of three axially superimposed composite modules 15 can be seen.
  • the terminals 43 (+) and 42 (-) of the electrode structures 20, 21 are led into the interior of the tube 14 and here connected to a drive circuit 31.
  • the drive circuit has a DC voltage source 32, which supplies the positive and negative bias voltage for the electrodes 27, 28, and an AC voltage source 33, which excites the actuator 11 to vibrate, whereby the transducer via the front mass 39, sound waves 35 in the axial direction, radiates.
  • the AC voltage is superimposed on the bias voltage in an adder 34 so that it does not fall below the bias voltage.
  • the electroacoustic transducer is realized in so-called "FlextensionaP" construction, which is characterized in that the oscillating movement (double arrow 13 in FIG. 5) of the actuator 11 taking place in the longitudinal axis 12 results in a radially radiated sound waves
  • the actuator 11 of which is identical to that described with reference to Figures 1 to 3, the ends of a curved, elastic sheath 37 enclosing the tube wall 141 are fixedly connected to the tube ends of the tube 14 Sheath ends be attached directly to the tube wall 141 or else - as not shown here - be attached to a front ring, the two end rings are in turn firmly connected to the end faces of the tube 12.
  • electro-acoustic transducer in "flextensional” design has but by an additional design measure a much higher acoustic performance, when used as a transmitter so a significant size re transmission power.
  • the actuator 11 is arranged in a hollow ring 38 with an elliptical cross section so that the tube wall 141 extends along the length of the ellipse axis and is supported at the end in the upper and lower base of the hollow ring 38.
  • the hollow ring 38 consists of a tube wall 141 on the outside covering, convex outer shell 381, which includes a first cavity 39 with the tube wall 141, and the tube wall 141 inside, ie inside the tube, concealing, concave inner shell 382, with the tube wall 141 a second cavity 40 includes.
  • the two shells 381, 382 are elastic, so that the hollow ring 38 bulges or narrows when expansion and contraction of the tube 14.
  • the two cavities 39, 40 are filled with a medium whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding water.
  • the medium used is preferably gel or an electrically insulating liquid, such as oil.
  • the composite modules 15, which in turn are arranged spaced apart from one another in the peripheral and axial directions, are located both on the inner surface 141 a of the tube wall 141 and on the outer surface 141 b of the tube wall 141 arranged and attached, for example by sticking or lamination.
  • the swinging movement of the actuator 11th is transformed in its longitudinal axis 12 in a radial oscillating movement of the hollow ring 38, so that sound waves are emitted transversely to the longitudinal axis 12 of the transducer, as shown in Fig. 5 is sketched.
  • the transducers according to FIGS. 5 and 7 are excellently suited for use in underwater towed antennas, since they can be easily adapted in their radial dimensions to the inside diameter of the hose of the underwater antenna, are positioned in the radial direction through the hose and through their hollow Inner advantageous the traction cable of the towed antenna and the electrical connections for the converter can be passed.
  • Figs. 9 and 10 show another embodiment of an electroacoustic transducer equipped with the actuator 11 shown in Figs.
  • a radially projecting end cap 44, 45 is attached at each end face of the tube 14.
  • a plurality of concave curved, oscillatory blades 46 preferably made of plastic, clamped.
  • the end caps 44, 45 are formed in the embodiment as a circular plates.
  • the fins 46 are juxtaposed with small gaps 48 remaining therebetween and secured with their ends to the end caps 44,45.
  • the end caps 44, 45 may also be designed as polygonal plates whose number of edges corresponds to the number of lamellae 46, wherein the lamella ends each lie on one of the flat surface extending between the edges and are fixed.
  • the juxtaposed, the tube 14 surrounding lamellae 44 are outside, ie on its side facing away from the tube 14 outside, enclosed by a fluid-tight, elastic sheath 47, which covers the gap 48 between the fins 44 liquid-tight.
  • the sheath 47 is fluid-tightly attached to the end caps 44, 45 at the ends.
  • the end caps 44, 45 have in their bounded by the end faces of the tube 14 each area a through hole 49 and 50, which is preferably introduced coaxially with the tube axis as a bore with a bore diameter which is smaller than the inside diameter of the tube 4th
  • the spaced apart on the tube 14 in the circumferential direction and in the axial direction from each other ordered composite modules 15 are in turn laminated into the tube wall 141.
  • the described electroacoustic transducer is in its design with circular end caps 44, 45 excellent for use in underwater towed antennas.
  • the radial dimensions of the transducer are adapted to the diameter of the hose 51 of the towed antenna, so that in the longitudinal direction of the hose 51 successively arranged transducers are supported via their end caps 44, 45 radially on the hose wall and are thus radially positioned.
  • the usually pulling the hose 51, not shown in Fig. 9 pull rope of the towed antenna and connecting lines for the individual converter through the hollow interior of the tubes 14 of the converter is performed.
  • the tube 51 is usually filled with an oil or a gel, so that the tube interior and, as the tube with a plurality of openings 5'3, e.g. Holes or slits, is provided, and the space enclosed by the shell 47 is filled with this oil or gel.
  • the gap 52 between the sheath 47 and the tube wall of the tube 51 resulting from the insertion of the transducers into the tube 51 is hermetic, extending between the end caps 44,45 completed and filled with the same oil or gel.

Abstract

The invention relates to an electroacoustic transducer comprising an actuator (11), which oscillates longitudinally when an alternating voltage is applied. In order to substantially reduce the weight of the transducer while maintaining a sufficiently high sound power, especially transmission power, the actuator (11) consists of a tube (14), especially a plastic tube, and at least one composite module (15) that is rigidly connected to the tube wall (141) of the tube. The at least one composite module (15) comprises electrode structures which are arranged on at least two film layers of an electrically insulating material and which have interspaced electrodes and interspaced piezoceramic fibers that are arranged between the film layers and are contacted by the electrodes on ends facing away from each other.

Description

Elektroakustischer Wandler  Electroacoustic transducer
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an electroacoustic transducer according to the preamble of claim 1.
Bei einem unter der Bezeichnung "Flextensional Sonar Transducer" bekannten elektrischen Wandler (EP 0 340 674 A2) besteht der Aktuator aus einem Stapel aneinanderliegender, piezoelektrischer Elemente, zwischen denen Elektroden angeordnet sind. Der in Längsrichtung mechanisch vorgespannte Stapel besitzt bogenförmige Endkappen, um die ein den Stapel umschließendes, breites Band herumgeführt ist. Eine gekrümmte, elastische Schale mit elliptischem Querschnitt, die stirnseitig geschlossen ist, schließt Band und Stapel ein und ist so ausgerichtet, dass ihre größere Ellipsenachse mit der Längsachse des Stapels zusammenfällt. Die gekrümmten Endkappen des Stapels sind fest mit der Schale verbunden. Bei Aufschalten einer Wechselspannung auf den Aktuator führt dieser eine Oszilationsbewegung in Richtung seiner Längsachse aus, die über die Endkappen des Stapels auf die Schale übertragen wird und von der Schale in quer zum Stapel erfolgenden Schwingungen mit deutlich größerer Amplitude umgesetzt wird. In an electrical converter known as "Flextensional Sonar Transducer" (EP 0 340 674 A2), the actuator consists of a stack of contiguous, piezoelectric elements, between which electrodes are arranged. The longitudinally mechanically biased stack has arcuate end caps around which a wide band surrounding the stack is guided. A curved, elliptical cross-section elliptical cross-section closed at the front includes tape and stack and is oriented so that its larger ellipse axis coincides with the longitudinal axis of the stack. The curved end caps of the stack are firmly connected to the shell. When an alternating voltage is applied to the actuator, the latter performs an oscillation movement in the direction of its longitudinal axis, which is transmitted to the shell via the end caps of the stack and is converted by the shell into oscillations of significantly greater amplitude taking place transversely to the stack.
Ein ebenfalls bekannter elektroakustischer Wandler im sog. Tonpilzaufbau (DE 196 230 35 A1) weist als Aktuator ebenfalls einen Stapel aus piezoelektrischen Elementen mit dazwischen angeordneten Elektroden auf, der mittels eines durch den Stapel zentral hindurchgeführten Zugankers zwischen einer Front- und einer Rückmasse eingespannt ist. Front- und/oder Rückmasse bestehen aus geschäumtem Metall, dessen Dichte entsprechend der gewünschten Wandlerfrequenz eingestellt ist. Bei einem bekannten, als "Barrel Stave Projector" bezeichneten elektroakustischen Wandler für den Einsatz in tieffrequenten Sonarsystemen (US 6,535,459 B1) besteht der Aktuator aus einem Stapel hohlzylindrischer, piezokeramischer Elemente mit dazwischen angeordneten Elektroden, der zwischen zwei plattenartigen, kreisringförmigen oder mehrkantigen Endkappen angeordnet und mittels eines durch die hohlzylindrischen Elemente und die Endplatten hindurchgeführten Zugankers mechanisch auf Druck vorgespannt ist. Zwischen den radial über den Stapel vorstehenden beiden Endkappen sind konkav gekrümmte Lamellen aufgespannt, die mit ihren Enden am Umfang der Endkappen, in Umfangsrich- tung gesehen mit Spaltabstand nebeneinander befestigt sind. Die gekrümmten Lamellen sind außen auf ihrer vom Stapel abgekehrten Seite von einer Gummihülle umschlossen, die an den Endkappen wasserdicht befestigt ist und die Spalte zwischen den Lamellen wasserdicht abdeckt. Ein solcher als Sendewandler eingesetzter elektrischer Wandler sendet schmalbandig und kann nur bis zu einer bestimmten Wassertiefe, z.B. ca. 100 Meter, eingesetzt werden, wobei sein Sendeverhalten, da luftgefüllt, von der Wassertiefe abhängig ist. A likewise known electroacoustic transducer in the so-called. Tonpilzaufbau (DE 196 230 35 A1) also has a stack of piezoelectric elements with interposed electrodes as an actuator, which is clamped by means of a centrally guided by the stack tie rod between a front and a back mass. Front and / or back mass consist of foamed metal whose density is set according to the desired converter frequency. In a known, referred to as "barrel Stave Projector" electroacoustic transducer for use in low-frequency sonar systems (US 6,535,459 B1), the actuator consists of a stack of hollow cylindrical, piezoceramic elements with interposed electrodes arranged between two plate-like, annular or polygonal end caps and is mechanically biased by means of a guided through the hollow cylindrical elements and the end plates tie rod pressure. Concentrically curved lamellas are clamped between the two end caps projecting radially above the stack, the lamellae being fastened with their ends at the circumference of the end caps, with gap spacing side by side, viewed in the circumferential direction. The curved lamellae are surrounded on the outside on their side facing away from the stack by a rubber sleeve, which is attached to the end caps waterproof and the gap between the lamellae waterproof covers. Such as a transmitting transducer used electrical converter sends narrowband and can only up to a certain depth of water, eg about 100 meters, are used, with its transmission behavior, since air-filled, is dependent on the depth of water.
Der Stapel von Piezoelementen, der sog. Piezostack, und die Spannvorrichtung für diesen bedingen bei den bekannten, elektroakustischen Wandlern ein relativ hohes Gewicht, was sie für bestimmte Einsatzarten in der Unterwasserschalltechnik, z.B. für den Einbau in Schleppantennen oder Schleppkörpern, unattraktiv macht. The stack of piezoelectric elements, the so-called piezo stack, and the tensioning device for this cause in the known electroacoustic transducers a relatively high weight, which makes them suitable for certain types of applications in the underwater sound engineering, e.g. for installation in towed antennas or towed bodies, makes them unattractive.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektrischen Wandler, insbesondere für den Unterwassereinsatz anzugeben, der sich bei ausreichen hoher akustischer Leistung, insbesondere Sendeleistung, durch ein geringes Gewicht auszeichnet. The invention has for its object to provide an electrical converter, in particular for underwater use, which is characterized by a low weight with sufficient high acoustic power, in particular transmission power.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. The object is achieved by the features in claim 1.
Der erfindungsgemäße, elektroakustische Wandler hat den Vorteil, dass der Aktuator nicht - wie beim Stand der Technik - aus einem relativ schweren, kompak- ten Stapel von Keramikelementen besteht, der durch einen schwergewichtigen Zuganker mechanisch vorgespannt werden muss, sondern nur aus einem dünnen und leichten, Composite-Module tragenden Rohr, vorzugsweise Kunststoffrohr, besteht, das keine mechanische Vorspannung benötigt, so dass der Zuganker zum Wegfall kommt. Durch die dadurch bedingt extreme Gewichtsreduzierung des Aktuators gegenüber den bekannten Wandlern ist der Wandler sehr leicht und für die Anwendung in der Unterwasserschalltechnik gut geeignet. Darüber hinaus lässt sich ein relativ baukleiner Wandler realisieren, der tieffrequent und bei Einsatz als Sendewandler mit großer Sendeleistung ausgelegt werden kann. Anders als die bekannten Keramikelemente können die Composite-Module einer zum Füllen des Wandlers verwendeten, elektrisch isolierenden Flüssigkeit, z.B. Öl, direkt ausgesetzt und müssen nicht geschützt werden. The electroacoustic transducer according to the invention has the advantage that the actuator does not consist - as in the prior art - of a relatively heavy, compact th pile of ceramic elements, which must be mechanically biased by a heavy-weight tie rods, but only from a thin and lightweight, composite modules supporting tube, preferably plastic tube, there is that does not require mechanical bias, so that the tie rod comes to an end. Due to the resulting extreme weight reduction of the actuator over the known transducers, the converter is very light and well suited for use in the underwater sound technology. In addition, a relatively small converter can be realized, which can be designed low-frequency and when used as a transmitting transducer with high transmission power. Unlike the known ceramic elements, the composite modules of an electrically insulating liquid used for filling the transducer, such as oil, exposed directly and must not be protected.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, elektroakustischen Wandlers mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen. Advantageous embodiments of the invention, electro-acoustic transducer with advantageous developments and refinements of the invention will become apparent from the other claims.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jedes der mit der Rohrwand des Kunststoffrohrs verbundenen Composite-Module so ausgerichtet, dass die Piezokeramikfasern parallel zur Rohrachse verlaufen. Die Elektroden sind mit einer Gleichspannung in der Weise belegt, dass an den in einer Filmschicht nebeneinanderliegenden Elektroden abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an den an den Piezokeramikfasern einander gegenüberliegenden Elektroden in beiden Filmschichten das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt. Diesem Gleichspannungspotenzial ist eine Wechselspannung so überlagert, dass sie die Gleichspannung nicht unterscheidet. Bei Anlegen der Wechselspannung führen die Piezokeramikfasern in den Composite-Modulen gleichsinnige Längsdehnungen und Längskontraktionen aus, wodurch sich das Rohr abwechselnd längt oder verkürzt, der Aktuator also in Richtung seiner Längsachse schwingt. Durch die Wahl des Elastizitätsmoduls des Rohrs und der Anzahl der am Rohr vorhandenen Composite-Module ist die akustische Leistung des elektroakustischen Wandlers einstellbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die feste Verbindung zwischen Rohrwand und Composite-Module durch Aufkleben der dünnen, elastischen Composite-Module auf die Rohrwand, wobei die Composite- Module an der inneren oder an der äußeren Wandfläche und auch an der inne- ren und an der äußeren Wandfläche der Rohrwand befestigt werden können. Die Befestigung erfolgt durch Kleben und/oder Ein- oder Auflaminieren in oder auf die Rohrwand. According to an advantageous embodiment of the invention, each of the composite modules connected to the pipe wall of the plastic pipe is oriented such that the piezoceramic fibers extend parallel to the pipe axis. The electrodes are covered with a DC voltage in such a way that at the adjacent electrodes in a film layer, a high and a low DC potential and at the electrodes opposite to the piezoceramic fibers in both film layers the same DC potential. This DC potential is superimposed on an AC voltage so that it does not distinguish the DC voltage. When the AC voltage is applied, the piezoceramic fibers in the composite modules carry out longitudinal directions in the same direction and longitudinal contraction, as a result of which the tube alternately lengthens or shortens, that is to say the actuator oscillates in the direction of its longitudinal axis. By selecting the modulus of elasticity of the pipe and the number of composite modules present on the pipe, the acoustic power of the electroacoustic transducer is adjustable. According to an advantageous embodiment of the invention, the firm connection between the pipe wall and composite modules by sticking the thin elastic composite modules on the pipe wall, wherein the composite modules on the inner or on the outer wall surface and also on the inner and can be attached to the outer wall surface of the pipe wall. The attachment is made by gluing and / or on or lamination in or on the pipe wall.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Rohr aus Kunststoff hergestellt, der vorzugsweise mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt ist. Ein solches Kunststoffrohr ist ausreichend fest und von geringem Gewicht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, die Composite-Module bei der Herstellung des Kunststoffrohrs mit einzulaminieren. Dadurch sind die Composite- Module bereits in einfacher Weise gegen das umgebende Wasser geschützt. According to an advantageous embodiment of the invention, the tube is made of plastic, which is preferably reinforced with glass fibers or carbon fibers. Such a plastic pipe is sufficiently strong and lightweight. In this case, it is advantageous to encapsulate the composite modules during the production of the plastic tube. As a result, the composite modules are already protected in a simple manner against the surrounding water.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Rohr stirn- oder endseitig wasserdicht verschlossen. Dies hat den Vorteil, dass im Inneren des Rohrs elektronische Ansteuerschaltungen für den Wandler untergebracht werden können und der Wandler in großer Tiefe eingesetzt werden kann, ohne dass die Elektronikbausteine Schaden nehmen. According to an advantageous embodiment of the invention, the tube is closed at the end or end waterproof. This has the advantage that inside the tube electronic control circuits for the converter can be accommodated and the converter can be used at great depth, without damaging the electronic components damage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an den beiden Stirnseiten des Rohrs eine Frontmasse und eine Rückmasse befestigt, die das Rohr wasserdicht verschließen. Durch diese konstruktive Maßnahme erhält man einen Sendewandler im Tonpilzaufbau mit den für diese Konstruktion typischen Eigenschaften, aber deutlich geringerem Gewicht. Durch die Bemessung von Front- und Rückmasse ist der Sendefrequenzbereich des Sendewandlers und dessen Resonanzfrequenz einstellbar. Die Sendeleistung wird durch den Elastizitätsmodul des Rohrs, die Anzahl der am Rohr vorhandenen Composite-Module und das Verhältnis von Rückmasse zu Frontmasse bestimmt. According to an advantageous embodiment of the invention, a front mass and a back mass is attached to the two end faces of the tube, which seal the tube watertight. By this constructive measure you get a transmitting transducer in Tonpilzaufbau with the typical properties for this construction, but significantly lower weight. By the dimensioning of front and back mass of the transmission frequency range of the transmitting transducer and its resonance frequency is adjustable. The transmission power is determined by the modulus of elasticity of the pipe, the number of composite modules present on the pipe and the ratio of back mass to front mass.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind an den Stirnrändern des Rohrs die Enden einer das Rohr umschließenden gewölbten, z.B. kon- vex oder konkav gekrümmten, elastischen Hülle befestigt und der Zwischenraum zwischen der Rohrwand und der Hülle mit einem Medium, z.B. einem Gel oder einer Flüssigkeit, gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, z.B. Wassers, ist. Durch diese konstruktive Ergänzung des Aktuators entsteht ein elektroakustischer Wandler mit den Eigenschaften der bekannte, sog. Flextensional Transducer, bei denen die longititunalen Bewegungen des Aktuators in radiale Bewegungen der Hülle transformiert werden, allerdings mit dem Vorteil, deutlich leichter und baukleiner zu sein. Durch die Füllung des Zwischenraums mit einer Flüssigkeit oder einem Gel wird eine akustische Ankopp- lung des Wandlers an das umgebende Wasser erzielt und die Impedanz des Wandlers an den Wellenwiderstand des Wassers angepasst. Der Wandler hat den Vorteil einer breitbandigen Schallabstrahlung bei konstanter akustischer Leistung und lässt sich vorteilhaft als Sendewandler in der Schlauchhülle einer Schleppantenne integrieren, wobei durch die Möglichkeit der Anpassung des Durchmessers des Wandlers an den Durchmesser der Schlauchhülle keine zusätzliche Strömungsgeräusche im Sendeteil der Schleppantenne auftreten. Wegen der kleinen Bauweise der Wandler können mehrere solche Wandler gegeneinander akustisch entkoppelt im Sendeteil der Schleppantenne hintereinander angeordnet werden, um die abgestrahlte Sendeleistung zu erhöhen. Das hohe Innere der Sendewandler lässt Raum zentral zugreifen und elektrische Anschlussleitungen durch den Schlauch gut verlegen. According to an advantageous embodiment of the invention, the ends of a tube enclosing curved, eg con vex or concavely curved, elastic sheath attached and filled the space between the pipe wall and the shell with a medium, such as a gel or a liquid, whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding medium, for example water. This constructive supplement of the actuator results in an electroacoustic transducer with the properties of the known, so-called. Flextensional transducer, in which the longititunalen movements of the actuator are transformed into radial movements of the shell, but with the advantage of being much lighter and smaller construction. By filling the space with a liquid or gel, acoustic coupling of the transducer to the surrounding water is achieved and the impedance of the transducer is matched to the characteristic impedance of the water. The converter has the advantage of a broadband sound radiation with constant acoustic power and can be advantageous as a transmitting transducer in the tubular casing of a towed antenna, with the possibility of adjusting the diameter of the transducer to the diameter of the tubular casing no additional flow noise in the transmitting part of the towed antenna occur. Because of the small design of the converter, a plurality of such transducers can be acoustically decoupled from each other in the transmitting part of the towed antenna arranged one behind the other in order to increase the radiated transmission power. The high interior of the transmitter can be centrally accessed and electrical wiring through the tube well laid.
Ergänzt man diesen elektroakustischen Wandler in "Flextensional"-Bauweise mit einer Front- und Rückmasse, wie sie der erfindungsgemäße Wandler mit Tonpilzaufbau aufweist, so kann man die Eigenschaften beider Bauweisen vorteilhaft miteinander verbinden und einen Sendewandler mit großer Sendeleistung generieren, der sich vorzüglich für eine aus einer Vielzahl von Sendewandlern zusammengesetzten Sendeantenne einsetzen lässt, die vorzugsweise auf einem flächenförmigen Träger angeordnet ist. If one complements this electro-acoustic transducer in "flextensional" construction with a front and back mass, such as the transducer with Tonpilzaufbau invention, so you can combine the properties of both constructions advantageous and generate a transmitting transducer with high transmission power, which is excellent for a can use from a variety of transmit transducers composite transmitting antenna, which is preferably arranged on a sheet-like carrier.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Rohrwand des Rohrs in einem Hohlring mit elliptischem Querschnitt aufgenommen, der von einer die Rohrwand außen überdeckenden, mit der Rohrwand einen ersten Hohl- räum einschließenden, konvexen Außenschale und einer die Rohrwand im Rohrinneren überdeckenden, mit der Rohrwand einen zweiten Hohlraum einschließenden, konkaven Innenschale gebildet ist. Die Enden von Innen- und Außenschale sind fest mit dem Rohrenden des Rohrs verbunden und der erste und zweite Hohlraum sind mit einem Medium, vorzugsweise einem Gel oder einer Flüssigkeit, gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, ist. Ein solcher elektroakustischer Wandler entspricht dem vorstehend angegebenen elektroakustischen Wandler in "Flextensi- onal"-Bauweise, hat aber aufgrund der zusätzlichen Innenschale gegenüber diesem eine deutlich höhere akustische Leistung. According to an advantageous embodiment of the invention, the tube wall of the tube is received in a hollow ring with an elliptical cross-section, of a pipe wall on the outside covering, with the pipe wall a first hollow section. enclosing enclosing, convex outer shell and the tube wall in the tube interior covering, with the tube wall a second cavity enclosing, concave inner shell is formed. The ends of the inner and outer shells are fixedly connected to the pipe end of the pipe and the first and second cavities are filled with a medium, preferably a gel or a liquid, whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding medium, preferably water. Such an electroacoustic transducer corresponds to the above-mentioned electro-acoustic transducer in "flextensional" design, but due to the additional inner shell relative to this, a significantly higher acoustic performance.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an jeder Stirnseite des Rohr jeweils eine radial über das Rohr überstehende, vorzugsweise platten- förmige Endkappe befestigt und sind zwischen den Endkappen mehrere, konkav gekrümmte, schwingfähige Lamellen aufgespannt, die endseitig an den Endkappen in deren Umfangsrichtung nebeneinander und mit Spaltabstand voneinander festgelegt sind. Die Lamellen sind außen, also auf ihrer vom Rohr abgekehrten Außenseite von einer fluiddichten, elastischen Hülle, z.B. aus Gummi, umschlossen, die endseitig an den Endkappen fluiddicht festgelegt ist. Mit dieser konstruktiven Ausgestaltung ist ein dem bekannten Barrel-Stave-Wandlern entsprechender Wandler realisiert, der sich gegenüber diesen durch deutlich geringeres Gewicht und Bauvolumen auszeichnet. Bei Expansion oder Kontraktion des Rohrs werden die Lamellen gedehnt und gestaucht, wobei sich ihre Krümmung verkleinert und vergrößert. Durch geeignete Wahl der Krümmung der Lamellen wird die entlang der Wandlerachse auftretende Wegdifferenz zwischen den beiden Endkappen auf einen vierfachen Wert der Durchbiegung der Lamellen gesteigert, so dass die relativ kleinen Schwingungsamplituden des Rohrs in seiner Längsrichtung in eine recht große Sendeleistung in Radialrichtung transformiert wird. Durch die geringen Abmessungen des Wandlers gegenüber der Wellenlänge der von ihm bei einer Arbeitsfrequenz von z.B. 2 kHz abgestrahlten Schallwellen besitzt der Wandler ein omnidirektionales Abstrahlhalten. Der Sendewandler strahlt breitbandig ab und ist ebenfalls vorteilhaft im Sendeteil einer Unterwasser- Schleppantenne einsetzbar. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen die Endkappen vorzugsweise mit der Rohrachse koaxiale Durchgangsöffnungen auf, ist der Rohrmantel mit Durchbrüchen versehen und stützten sich die Endkappen über ihren Umfang im Inneren eines mit Öl oder Gel gefüllten Schlauchs einer Unterwasser-Schleppantenne an dessen Schlauchwand ab. Durch diese Ausgestaltung des Wandlers können vorteilhaft das im Schlauch verlaufende Zugseil der Unterwasser-Schleppantenne und die Anschlussleitungen für im Schlauch hintereinander angeordnete Wandler zentral durch das Innere des Wandlers hindurchgeführt werden. Die Composite- odule sind durch das Einlaminieren in das Rohr gegen die Schlauchfüllung mit Öl oder Gel geschützt, so dass keine gesonderten Maßnahmen zum Schutz der nichtfluidresistenten Keramikfasern getroffen werden müssen. According to an advantageous embodiment of the invention, a radially over the pipe projecting, preferably plate-shaped end cap is attached to each end face of the tube and are clamped between the end caps, a plurality of concave curved oscillating blades, the end of the end caps in the circumferential direction next to each other and are defined with gap distance from each other. The lamellae are on the outside, so on their outer side facing away from the pipe by a fluid-tight, elastic sheath, for example made of rubber, enclosed, which is fixed fluid-tight end to the end caps. With this constructive configuration, a converter corresponding to the known barrel-to-stem converter is realized, which is distinguished from these by significantly lower weight and construction volume. Upon expansion or contraction of the tube, the fins are stretched and compressed, reducing their curvature and increases. By a suitable choice of the curvature of the slats, the path difference between the two end caps occurring along the transducer axis is increased to a quadruple value of the deflection of the slats, so that the relatively small oscillation amplitudes of the tube in its longitudinal direction is transformed into a fairly large transmission power in the radial direction. Due to the small dimensions of the transducer with respect to the wavelength of the sound waves emitted by it at an operating frequency of, for example, 2 kHz, the transducer has an omnidirectional emission. The transmitting transducer radiates broadband and is also advantageously used in the transmitting part of an underwater towed antenna. According to an advantageous embodiment of the invention, the end caps preferably with the tube axis coaxial through holes, the tube shell is provided with openings and supported the end caps on its circumference in the interior of an oil or gel filled hose of an underwater towed antenna on the hose wall. By means of this embodiment of the converter, it is advantageous for the traction cable of the underwater towed antenna running in the hose and the connecting lines for transducers arranged one behind the other in the hose to be guided centrally through the interior of the converter. The composite modules are protected by being laminated in the tube against the tube filling with oil or gel, so that no separate measures to protect the non-fluid-resistant ceramic fibers must be taken.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der zwischen den Endkappen sich erstreckende Zwischenraum zwischen der elastischen Hülle und der Schlauchwand hermetisch abgeschlossen und mit Öl oder Gel gefüllt. Dadurch wird bei mehreren im Schlauch axial hintereinander angeordneten Wandlern ein akustischer Kurzschluss zwischen den Wandlern vermieden. According to an advantageous embodiment of the invention, the gap between the end caps between the elastic sheath and the tube wall is hermetically sealed and filled with oil or gel. As a result, an acoustic short circuit between the transducers is avoided in the case of a plurality of transducers arranged axially one behind the other in the hose.
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematischer Darstellung: The invention is described in more detail below with reference to exemplary embodiments illustrated in the drawings. In a schematic representation:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Aktuators für einen elektroakustischen Fig. 1 is a side view of an actuator for an electro-acoustic
Wandler,  converter,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 , 2 is a section along the line II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine vergrößerte Explosionsdarstellung eines Composite-Moduls des 3 is an enlarged exploded view of a composite module of
Aktuators in Fig. 1 und 2,  Actuator in FIGS. 1 and 2,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten, Fig. 5 eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten, 4 is a side view of an electroacoustic transducer according to a first embodiment, partially in section, 5 is a side view of an electroacoustic transducer according to a second embodiment, partially in section,
Fig. 6 eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, 6 is a side view of an electroacoustic transducer according to a third embodiment,
Fig. 7 eine Seitenansicht eines elektroakustischen Wandlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, teilweise geschnitten, 7 is a side view of an electroacoustic transducer according to a fourth embodiment, partially in section,
Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie Vlll-Vlll in Fig. 7, 8 is a section along the line VIII-VIII in Fig. 7,
Fig. 9 einen Längsschnitt eines in einem Schlauch eines Unterwasser- Schleppantenne angeordneten elektroakustischen Wandlers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, 9 is a longitudinal section of an arranged in a hose of an underwater towed antenna electro-acoustic transducer according to a fifth embodiment,
Fig. 10 ausschnittweise eine Draufsicht des elektroakustischen Wandlers in FIG. 10 a detail of a top view of the electroacoustic transducer in FIG
Fig. 9  Fig. 9
In Fig. 1 ist in Seitenansicht und in Fig. 2 im Schnitt ein piezoelektrischer Aktua- tor 11 dargestellt, wie er in den Ausführungsbeispielen der elektroakustischen Wandler gemäß Fig. 4 bis 10 eingesetzt ist. Bei Anlegen einer Wechselspannung schwingt der Aktuator 1 longitutinal, d.h. in Richtung seiner Längsachse 12, wie dies durch den die Schwingbewegung symbolisierenden Doppelpfeil 13 angedeutet ist. Der Aktuator 11 weist ein Rohr 14 mit einer in Richtung Rohrachse, die die Längsachse 12 des Aktuators 11 bildet, elastischen Rohrwand 141 und mindestens ein fest mit der Rohrwand 141 verbundenes Composite-Modul 15 auf. Bei nur einem Composite-Modul 15 würde dieses um die Rohrwand 141 herum angeordnet sein. Vorzugsweise ist aber die Rohrwand 141 mit einer Vielzahl von Composite-Modulen 15 belegt, die in Umfangsrichtung und in Axialrichtung der Rohrwand 141 jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Rohr 14 ist endseitig offen, kann jedoch für bestimmte Anwendungsfälle auch endseitig verschlossen sein, wie dies in Fig. 2 durch die beiden strichliniert ein- gezeichneten Stirnplatten 16, 17 illustriert ist. Die feste Verbindung der Composi- te-Module 15 mit der Rohrwand 141 erfolgt beispielsweise durch Aufkleben oder Auflaminieren der Composite-Module 15 auf die Rohrwand 141 , wobei bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 die Composite-Module 15 auf die Innenfläche 141a der Rohrwand 141 aufgebracht sind. Alternativ können die Composite- Module 15 aber auch auf der Außenfläche 141 b der Rohrwand 141 angeordnet sein, wie dies in Fig. 5 illustriert ist. Vorteilhaft ist auch, die Rohrwand 141 abwechselnd auf der Außenfläche 141b und auf der Innenfläche 141a mit den Composite-Modulen 15 zu belegen. Das Rohr 14 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial, das zur Erhöhung der Druckfestigkeit des Rohrs 12 mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt ist. Bei einem solchen Kunststoffrohr erfolgt die feste Verbindung der Composite-Module 15 mit der Rohrwand 141 vorteilhaft durch Auf- oder Einlaminieren der Composite-Module 15 auf bzw. in die Rohrwand 141 bei der Rohrherstellung. In Fig. 1, a piezoelectric actuator 11 is shown in side view and in Fig. 2 in section, as used in the embodiments of the electro-acoustic transducer of FIG. 4 to 10. When an alternating voltage is applied, the actuator 1 vibrates longitudinally, ie in the direction of its longitudinal axis 12, as indicated by the double arrow 13 symbolizing the oscillating movement. The actuator 11 has a tube 14 with a tubular axis in the direction of the tube axis, which forms the longitudinal axis 12 of the actuator 11, elastic tube wall 141 and at least one firmly connected to the tube wall 141 composite module 15. With only one composite module 15, this would be arranged around the tube wall 141 around. Preferably, however, the tube wall 141 is covered with a plurality of composite modules 15 which are arranged spaced apart in the circumferential direction and in the axial direction of the tube wall 141. The tube 14 is open at the ends, but can also be closed at the ends for certain applications, as indicated by the two dashed lines in FIG. drawn end plates 16, 17 is illustrated. The solid connection of the composite modules 15 with the pipe wall 141 takes place, for example, by gluing or laminating the composite modules 15 onto the pipe wall 141, wherein in the exemplary embodiment of FIGS. 1 and 2 the composite modules 15 act on the inner surface 141 a of FIG Pipe wall 141 are applied. Alternatively, however, the composite modules 15 can also be arranged on the outer surface 141b of the tube wall 141, as illustrated in FIG. It is also advantageous to cover the tube wall 141 alternately on the outer surface 141b and on the inner surface 141a with the composite modules 15. The tube 14 is preferably made of a plastic material which is reinforced to increase the compressive strength of the tube 12 with glass fibers or carbon fibers. In such a plastic pipe, the solid connection of the composite modules 15 with the pipe wall 141 is advantageously carried out by laminating or lamination of the composite modules 15 on or in the pipe wall 141 during pipe production.
In Fig. 3 ist in Explosionsdarstellung vergrößert der Aufbau eines Composite- Moduls 15 illustriert. Das Composite-Modul 15 weist zwei deckungsgleiche Filmschichten 18, 19 aus elektrisch isolierendem Material auf, auf deren einander zugekehrten Schichtflächen jeweils eine Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 angeordnet, z.B. aufgedruckt, ist. Zwischen den Filmschichten 18, 19 sind Piezokeramik- fasern 22 angeordnet, die voneinander beabstandet und vorzugsweise parallel zueinander ausgerichtet sind. Die langgestreckten Piezokeramikfasern 22 weisen z.B. einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die Zwischenräume zwischen den Piezokeramikfasern 22 sind mit einem elektrisch isolierenden Material, z.B. mit einem Polymer, ausgefüllt, was in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die beiden Elektrodenstrukturen 20, 21 sind identisch ausgebildet. Jede Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 weist zwei identisch ausgebildete, kammartige Strukturteile 23, 24 mit einer in Richtung der Piezokeramikfasern 22 sich erstreckenden Leiterbahn 25 bzw. 26 und davon einstückig abgehenden, vorzugsweise parallelen, fingerartigen Elektroden 27, 28 auf. Die beiden kammartigen Strukturteile 23, 24 greifen mit ihren Elektroden 27, 28 ineinander, so dass jeweils eine Elektrode 27 des einen Strukturteils 23 und eine Elektrode 28 des anderen Strukturteils 24 der Elektrostrukturen 20 bzw. 21 be- nachbart sind und parallel zueinander verlaufen. Solchermaßen angeordnete Elektroden 27, 28 werden daher auch als "interdigitaded electrods" bezeichnet. Die beiden Filmschichten 18, 19 sind spiegelbildlich mit einander zugekehrten Elektrodenstrukturen 20, 21 auf die Piezokeramikfasern 22 aufgelegt, wobei ausschließlich die Elektroden 27, 28 die Piezokeramikfasern 22 auf deren voneinander abgekehrten Längsseiten kontaktieren. Ein solches Composite-Modul 15 ist bekannt und z.B. in EP 1 983 584 A2 beschrieben und dort "Piezoelectric Macro- Fiber Composite Actuator" genannt. Die mit der Rohrwand 141 verbundenen Composite-Module 15 sind am Rohr 14 so ausgerichtet, dass die Piezokeramikfasern 22 parallel zur Rohrachse verlaufen. Wie in Fig. 3 eingezeichnet ist, sind die beiden Strukturteile 23, 24 einer jeden Elektrodenstruktur 20, 21 mit einer Gleichspannung beaufschlagt, so dass an den innerhalb einer Filmschicht 18 bzw. 19 nebeneinander liegenden Elektroden 27, 28 abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an den Elektroden 26 bzw. 27 der beiden Filmschichten 18, 19, die an den Piezokeramikfasern 22 einander gegenüberliegen, das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt. Der Gleichspannung ist eine Wechselspannung so überlagert, dass erstere nicht unterschritten wird. Infolge der anliegenden Wechselspannung führen die Piezokeramikfasern 22 in allen Composite-Modulen 15 gleichsinnige Längsdehnungen und Längskontraktionen aus, die ein abwechselndes Längen und Kontraktieren des Rohrs 14 bewirken, so dass dieses in Längsachse 12 schwingt, wie dies durch den Doppelpfeil 13 in Fig. 1 angedeutet ist. Auf den beiden Filmschichten 18, 19 können weitere, gleichartige Filmschichten mit ebensolchen Elektrodenstrukturen aufliegen, wobei zwischen jeweils zwei Filmschichten immer eine Schicht von Piezokeramikfasern 22 in der beschriebenen Anordnung vorhanden ist. In Fig. 3 is an enlarged exploded view of the structure of a composite module 15 illustrated. The composite module 15 has two congruent film layers 18, 19 of electrically insulating material, on whose mutually facing layer surfaces in each case an electrode structure 20 or 21 arranged, for example printed, is. Between the film layers 18, 19 Piezokeramik- fibers 22 are arranged, which are spaced apart and preferably aligned parallel to each other. The elongate piezoceramic fibers 22 have, for example, a square or rectangular cross section. The spaces between the piezoceramic fibers 22 are filled with an electrically insulating material, for example with a polymer, which is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity. The two electrode structures 20, 21 are identical. Each electrode structure 20 or 21 has two identically formed, comb-like structural parts 23, 24 with a conductor path 25 or 26 extending in the direction of the piezoceramic fibers 22 and integrally outgoing, preferably parallel, finger-like electrodes 27, 28. The two comb-like structural parts 23, 24 engage each other with their electrodes 27, 28, so that in each case one electrode 27 of one structural part 23 and one electrode 28 of the other structural part 24 of the electrical structures 20 and 21 are neighbors and parallel to each other. Electrodes 27, 28 arranged in this way are therefore also referred to as "interdigitated electrods". The two film layers 18, 19 are mirror images of mutually facing electrode structures 20, 21 placed on the piezoceramic fibers 22, wherein only the electrodes 27, 28 contact the piezoceramic fibers 22 on their opposite longitudinal sides. Such a composite module 15 is known and described, for example, in EP 1 983 584 A2, where it is called "Piezoelectric Macro-Fiber Composite Actuator". The composite modules 15 connected to the pipe wall 141 are aligned on the pipe 14 in such a way that the piezoceramic fibers 22 run parallel to the pipe axis. As is shown in FIG. 3, a DC voltage is applied to the two structural parts 23, 24 of each electrode structure 20, 21 so that alternately a high and a low DC voltage potential are applied to the electrodes 27, 28 located adjacent one another within a film layer 18 or 19 and at the electrodes 26 and 27 of the two film layers 18, 19, which are opposite to each other on the piezoceramic fibers 22, each having the same DC potential. The DC voltage is an AC voltage superimposed so that the former is not exceeded. As a result of the applied AC voltage lead the piezoceramic fibers 22 in all composite modules 15 in the same direction longitudinal expansions and Längskontraktionen, causing an alternating lengths and contracting of the tube 14 so that this oscillates in the longitudinal axis 12, as indicated by the double arrow 13 in Fig. 1 is. On the two film layers 18, 19 further, similar film layers can rest with just such electrode structures, wherein between each two film layers is always a layer of piezoceramic fibers 22 in the described arrangement is present.
In Fig. 4 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers in Seitenansicht und teilweise aufgeschnitten dargestellt, in dem der beschriebene Aktuator 11 eingesetzt ist. Dabei ist in dem elektroakustischen Wandler die sog. Tonpilz-Bauweise realisiert. An den Stirnseiten des Rohrs 14 ist eine Frontmasse 29 und eine deutlich größere Rückmasse 30 befestigt, wobei Front- und Rück- masse 29, 30 das Rohr 14 stirnseitig wasserdicht abschließen. Die Composite- Module 15 sind in die Rohrwand 141 einlaminiert, wobei von der Vielzahl der Composite-Module 15 in der Schnittdarstellung drei axial übereinander angeordnete Composite-Module 15 zu sehen sind. Die Anschlüsse 43(+) und 42 (-) der Elektrodenstrukturen 20, 21 sind in das Innere des Rohrs 14 geführt und hier an eine Ansteuerschaltung 31 angeschlossen. Beispielsweise weist die Ansteuerschaltung eine Gleichspannungsquelle 32, die die positive und negative Vorspannung für die Elektroden 27, 28 liefert, und eine Wechselspannungsquelle 33 auf, die den Aktuator 11 zu Schwingungen anregt, wodurch der Wandler über die Frontmasse 39 Schallwellen 35 in Axialrichtung, abstrahlt. Die Wechselspannung wird der Vorspannung in einem Additionsglied 34 so überlagert, dass sie die Vorspannung nicht unterschreitet. In Fig. 4 a first embodiment of an electro-acoustic transducer is shown in side view and partially cut away, in which the described actuator 11 is inserted. In this case, the so-called. Tonpilz construction is realized in the electro-acoustic transducer. At the end faces of the tube 14, a front mass 29 and a much larger back mass 30 is attached, wherein the front and rear masses 29, 30 terminate the tube 14 in a watertight manner on the front side. The composite modules 15 are laminated in the tube wall 141, wherein of the plurality of Composite modules 15 in the sectional view of three axially superimposed composite modules 15 can be seen. The terminals 43 (+) and 42 (-) of the electrode structures 20, 21 are led into the interior of the tube 14 and here connected to a drive circuit 31. For example, the drive circuit has a DC voltage source 32, which supplies the positive and negative bias voltage for the electrodes 27, 28, and an AC voltage source 33, which excites the actuator 11 to vibrate, whereby the transducer via the front mass 39, sound waves 35 in the axial direction, radiates. The AC voltage is superimposed on the bias voltage in an adder 34 so that it does not fall below the bias voltage.
In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der elektroakustische Wandler in sog. "FlextensionaP'-Bauweise realisiert, die sich dadurch auszeichnet, dass die in Längsachse 12 erfolgende Schwingbewegung (Doppelpfeil 13 in Fig. 5) des Aktuators 11 in eine radial abgestrahlte Schallwellen 36 transformiert wird. Bei diesem elektroakustischen Wandler, dessen Aktuator 11 identisch wie zu Fig. 1 bis 3 beschrieben ausgebildet ist, sind mit den Rohrenden des Rohrs 14 die Enden einer die Rohrwand 141 umschließenden, gewölbten, elastischen Hülle 37 fest verbunden. Dabei können die Hüllenenden unmittelbar an der Rohrwand 141 befestigt sein oder aber auch - wie hier nicht weiter dargestellt ist - an einem Stirnring befestigt sein, wobei die beiden Stirnringe wiederum mit den Stirnseiten des Rohrs 12 fest verbunden sind. In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elastische Hülle 37 konvex gekrümmt, doch kann diese unter Verwendung der genannten Stirnringe auch konkav gekrümmt sein. Die wiederum in Axial- und Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordneten Composite-Module 15 sind mit identischer Ausrichtung der Piezokeramikfasern außen auf die Rohrwand 141 aufgeklebt oder auflaminiert, wie dies in der Schnittdarstellung der Fig. 5 zu sehen ist. Der zwischen Hülle 37 und Rohrwand 141 sich bildende Zwischenraum 41 ist mit einem Medium gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Wassers ist. Bevorzugt wird hierzu ein Gel oder eine isolierende Flüssigkeit, wie Öl, eingesetzt. Der in Fig. 6 schematisiert skizzierte, elektroakustische Wandler vereinigt die zu Fig. 4 beschriebene Tonpilz-Bauweisen mit der zu Fig. 5 beschriebenen "Flex- tensionaP'-Bauweise und besitzt die Eigenschaften beider Wandlerarten, so dass Schallwellen 35 bzw. 36 sowohl in Richtung der Längsachse des Aktuators 11 (wie in Fig. 4) als auch quer zur Längsachse des Aktuators 11 in Radialrichtung (wie Fig. 5) abgestrahlt werden. Bei diesem Wandler sind die Rohrenden mit Front- und Rückmasse 29, 30 verschlossen und ist an den Rohrenden die Hülle 37 befestigt. Der in Fig. 7 in Seitenansicht, teilweise geschnitten und Fig. 8 in Querschnitt darstellte elektroakustische Wandler als weiteres Ausführungsbeispiel entspricht weitgehend dem in Fig. 5 dargestellten und beschriebenen, elektroakustischen Wandler in "Flextensional"-Bauweise, besitzt aber durch eine zusätzliche konstruktive Maßnahme eine deutlich höhere akustische Leistung, bei Verwendung als Sendewandler also eine deutlich größere Sendeleistung. Bei diesem elektroakustischen Wandler ist der Aktuator 11 in einem Hohlring 38 mit elliptischem Querschnitt so angeordnet, dass die Rohrwand 141 sich längs der längen Ellipsenachse erstreckt und sich stimseitig im oberen und unteren Grund des Hohl- rings 38 abstützt. Der Hohlring 38 besteht aus einer die Rohrwand 141 außen überdeckenden, konvexen Außenschale 381 , die mit der Rohrwand 141 einen ersten Hohlraum 39 einschließt, und einer die Rohrwand 141 innen, also im Rohrinneren, überdeckenden, konkaven Innenschale 382, die mit der Rohrwand 141 einen zweiten Hohlraum 40 einschließt. Die beiden Schalen 381 , 382 sind elastisch, so dass der Hohlring 38 bei Ausdehnung und Kontraktion des Rohrs 14 sich ausbaucht bzw. verschmälert. Die beiden Hohlräume 39, 40 sind mit einem Medium gefüllt, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Wassers ist. Als Medium wird vorzugsweise Gel oder eine elektrisch isolierende Flüssigkeit, wie Öl, verwendet. In dem in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Composite-Module 15, die wiederum in Umfangs- und Axialrich- tung jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind, sowohl auf der Innenfläche 141a der Rohrwand 141 als auch auf der Außenfläche 141 b der Rohrwand 141 angeordnet und z.B. durch Aufkleben oder Auflaminieren befestigt. Auch bei diesem elektroakustischen Wandler wird die Schwingbewegung des Aktuators 11 in seiner Längsachse 12 in eine radiale Schwingbewegung des Hohlrings 38 transformiert, so dass Schallwellen quer zur Längsachse 12 des Wandlers abgestrahlt werde, wie dies in Fig. 5 skizziert ist. In the exemplary embodiment illustrated in FIG. 5, the electroacoustic transducer is realized in so-called "FlextensionaP" construction, which is characterized in that the oscillating movement (double arrow 13 in FIG. 5) of the actuator 11 taking place in the longitudinal axis 12 results in a radially radiated sound waves In this electroacoustic transducer, the actuator 11 of which is identical to that described with reference to Figures 1 to 3, the ends of a curved, elastic sheath 37 enclosing the tube wall 141 are fixedly connected to the tube ends of the tube 14 Sheath ends be attached directly to the tube wall 141 or else - as not shown here - be attached to a front ring, the two end rings are in turn firmly connected to the end faces of the tube 12. In the embodiment shown in FIG elastic sheath 37 convexly curved, but this can also k using the said end rings be curved onkav. The again in the axial and circumferential direction spaced apart arranged composite modules 15 are glued or laminated with identical orientation of the piezoceramic fibers on the outside of the tube wall 141, as can be seen in the sectional view of FIG. The between shell 37 and pipe wall 141 forming gap 41 is filled with a medium whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding water. For this purpose, a gel or an insulating liquid, such as oil, is preferably used. The electroacoustic transducer sketched schematically in FIG. 6 unites the clay mushroom constructions described with reference to FIG. 4 with the "flex tensionaP" construction described in FIG. 5 and has the properties of both types of transducer, so that sound waves 35 and 36 both in 4) as well as transversely to the longitudinal axis of the actuator 11 in the radial direction (as in Fig. 5) are in this transducer, the pipe ends with front and back mass 29, 30 are closed and is on attached to the tube ends, the envelope 37. The in Fig. 7 in side view, partially cut and Fig. 8 in cross-section represented electro-acoustic transducer as a further embodiment largely corresponds to that shown in Fig. 5 and described, electro-acoustic transducer in "flextensional" design has but by an additional design measure a much higher acoustic performance, when used as a transmitter so a significant size re transmission power. In this electroacoustic transducer, the actuator 11 is arranged in a hollow ring 38 with an elliptical cross section so that the tube wall 141 extends along the length of the ellipse axis and is supported at the end in the upper and lower base of the hollow ring 38. The hollow ring 38 consists of a tube wall 141 on the outside covering, convex outer shell 381, which includes a first cavity 39 with the tube wall 141, and the tube wall 141 inside, ie inside the tube, concealing, concave inner shell 382, with the tube wall 141 a second cavity 40 includes. The two shells 381, 382 are elastic, so that the hollow ring 38 bulges or narrows when expansion and contraction of the tube 14. The two cavities 39, 40 are filled with a medium whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding water. The medium used is preferably gel or an electrically insulating liquid, such as oil. In the exemplary embodiment illustrated in FIGS. 7 and 8, the composite modules 15, which in turn are arranged spaced apart from one another in the peripheral and axial directions, are located both on the inner surface 141 a of the tube wall 141 and on the outer surface 141 b of the tube wall 141 arranged and attached, for example by sticking or lamination. Also in this electroacoustic transducer, the swinging movement of the actuator 11th is transformed in its longitudinal axis 12 in a radial oscillating movement of the hollow ring 38, so that sound waves are emitted transversely to the longitudinal axis 12 of the transducer, as shown in Fig. 5 is sketched.
Die Wandler gemäß Fig. 5 und 7 eignen sich vorzüglich für den Einsatz in Unterwasser-Schleppantennen, da sie in ihren radialen Abmessungen problemlos an den lichten Durchmesser des Schlauchs der Unterwasserantenne angepasst werden können, in radialer Richtung durch den Schlauch positioniert sind und durch ihr hohles Innere vorteilhaft das Zugseil der Schleppantenne sowie die elektrischen Anschlüsse für die Wandler hindurchgeführt werden können. The transducers according to FIGS. 5 and 7 are excellently suited for use in underwater towed antennas, since they can be easily adapted in their radial dimensions to the inside diameter of the hose of the underwater antenna, are positioned in the radial direction through the hose and through their hollow Inner advantageous the traction cable of the towed antenna and the electrical connections for the converter can be passed.
Fig. 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiels eines elektroakustischen Wandlers, der mit dem in Fig. 1 bis 3 dargestellten Aktuator 11 ausgestattet ist. An jeder Stirnseite des Rohrs 14 ist eine radial überstehende Endkappe 44, 45 befestigt. Zwischen den Endkappen 44, 45 sind mehrere, konkav gekrümmte, schwingfähige Lamellen 46, vorzugsweise aus Kunststoff, aufgespannt. Die Endkappen 44, 45 sind im Ausführungsbeispiel als kreisrunde Platten ausgebildet. Längs deren Umfang sind die Lamellen 46 nebeneinander mit dazwischen verbleibenden, kleinen Spalten 48 angeordnet und mit ihren Enden an den Endkappen 44, 45 befestigt. Die Endkappen 44, 45 können aber auch als Mehrkantplatten ausgeführt sein, deren Kantenzahl der Anzahl der Lamellen 46 entspricht, wobei die Lamellenenden jeweils auf einer der zwischen den Kanten sich erstreckenden ebenen Fläche aufliegen und befestigt sind. Die nebeneinander angeordneten, das Rohr 14 umgebenden Lamellen 44 sind außen, d.h. auf ihrer vom Rohr 14 abgekehrten Außenseite, von einer fluiddichten, elastischen Hülle 47 umschlossen, die die Spalte 48 zwischen den Lamellen 44 flüssigkeitsdicht abdeckt. Die Hülle 47 ist endseitig fluiddicht an den Endkappen 44, 45 befestigt. Die Endkappen 44, 45 weisen in ihrem von den Stirnseiten des Rohrs 14 umgrenzten Bereich jeweils eine Durchgangsöffnung 49 bzw. 50 auf, die vorzugsweise koaxial mit der Rohrachse als Bohrung mit einem Bohrungsdurchmesser eingebracht ist, der kleiner ist als der lichte Durchmesser des Rohrs 4. Die am Rohr 14 in Umfangsrichtung und in Axialrichtung voneinander beabstandet an- geordneten Composite-Module 15 sind wiederum in die Rohrwand 141 einlaminiert. Figs. 9 and 10 show another embodiment of an electroacoustic transducer equipped with the actuator 11 shown in Figs. At each end face of the tube 14, a radially projecting end cap 44, 45 is attached. Between the end caps 44, 45 are a plurality of concave curved, oscillatory blades 46, preferably made of plastic, clamped. The end caps 44, 45 are formed in the embodiment as a circular plates. Along their circumference, the fins 46 are juxtaposed with small gaps 48 remaining therebetween and secured with their ends to the end caps 44,45. But the end caps 44, 45 may also be designed as polygonal plates whose number of edges corresponds to the number of lamellae 46, wherein the lamella ends each lie on one of the flat surface extending between the edges and are fixed. The juxtaposed, the tube 14 surrounding lamellae 44 are outside, ie on its side facing away from the tube 14 outside, enclosed by a fluid-tight, elastic sheath 47, which covers the gap 48 between the fins 44 liquid-tight. The sheath 47 is fluid-tightly attached to the end caps 44, 45 at the ends. The end caps 44, 45 have in their bounded by the end faces of the tube 14 each area a through hole 49 and 50, which is preferably introduced coaxially with the tube axis as a bore with a bore diameter which is smaller than the inside diameter of the tube 4th The spaced apart on the tube 14 in the circumferential direction and in the axial direction from each other ordered composite modules 15 are in turn laminated into the tube wall 141.
Der beschrieben elektroakustische Wandler eignet sich in seiner Ausführung mit kreisrunden Endkappen 44, 45 vorzüglich für den Einsatz in Unterwasser- Schleppantennen. Hierzu werden die radialen Abmessungen des Wandlers an den Durchmesser des Schlauchs 51 der Schleppantenne angepasst, so dass die in Längsrichtung des Schlauchs 51 hintereinander angeordnete Wandler sich über ihre Endkappen 44, 45 radial an der Schlauchwand abstützten und damit radial positioniert sind. Dabei wird das üblicherweise den Schlauch 51 durchziehende, in Fig. 9 nicht dargestellte Zugseil der Schleppantenne sowie Anschlussleitungen für die einzelnen Wandler durch das hohle Innere der Rohre 14 der Wandler geführt. Der Schlauch 51 ist üblicherweise mit einem Öl oder einem Gel gefüllt, so dass auch das Rohrinnere und, da das Rohr mit einer Mehrzahl von Durchbrüchen 5'3, z.B. Löchern oder Schlitzen, versehen ist, auch der von der Hülle 47 umschlossene Raum mit diesem Öl oder Gel ausgefüllt ist. Zur Vermeidung eines akustischen Kurzschlusses zwischen den in Längsrichtung hintereinander angeordneten, elektroakustischen Wandlern ist der nach Einsetzen der Wandler in den Schlauch 51 zwischen der Hülle 47 und der Schlauchwand des Schlauchs 51 sich ergebende Zwischenraum 52, der sich zwischen den Endkappen 44, 45 erstreckt, hermetisch abgeschlossen und mit dem gleichen Öl oder Gel gefüllt. The described electroacoustic transducer is in its design with circular end caps 44, 45 excellent for use in underwater towed antennas. For this purpose, the radial dimensions of the transducer are adapted to the diameter of the hose 51 of the towed antenna, so that in the longitudinal direction of the hose 51 successively arranged transducers are supported via their end caps 44, 45 radially on the hose wall and are thus radially positioned. In this case, the usually pulling the hose 51, not shown in Fig. 9 pull rope of the towed antenna and connecting lines for the individual converter through the hollow interior of the tubes 14 of the converter is performed. The tube 51 is usually filled with an oil or a gel, so that the tube interior and, as the tube with a plurality of openings 5'3, e.g. Holes or slits, is provided, and the space enclosed by the shell 47 is filled with this oil or gel. In order to avoid an acoustic short circuit between the longitudinally successive, electroacoustic transducers, the gap 52 between the sheath 47 and the tube wall of the tube 51 resulting from the insertion of the transducers into the tube 51 is hermetic, extending between the end caps 44,45 completed and filled with the same oil or gel.
Alle in der vorstehenden Beschreibung sowie in den Ansprüchen genannten Merkmale sind erfindungsgemäß sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Kombinationen von Einzelmerkmalen als offenbart zu betrachten. All mentioned in the foregoing description and in the claims features according to the invention can be used individually as well as in any combination with each other. The invention is therefore not limited to the described or claimed feature combinations. Rather, all combinations of individual features are to be regarded as revealed.

Claims

Ansprüche  claims
Elektroakustischer Wandler mit einem bei Anlegen einer Wechselspannung longititunal schwingenden, piezoelektrischen Aktuator (11), Electroacoustic transducer with a longitudinally oscillating upon application of an AC voltage, piezoelectric actuator (11),
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
der Aktuator (11) ein Rohr (14) mit einer in Rohrachse (12) elastischen Rohrwand (141) und mindestens ein fest mit Rohrwand (141) verbundenes Composite-Modul (15) und das mindestens ein Composite-Modul (15) auf mindestens zwei Filmschichten (18, 19) aus elektrisch isolierendem Material angeordnete Elektrodenstrukturen (20, 21) mit voneinander beabstan- deten, vorzugsweise parallelen Elektroden (27, 28) und zwischen den Filmschichten (18, 19) angeordnete voneinander beabstandete, vorzugsweise parallele Piezokeramikfasern (22) aufweist, die auf voneinander abgekehrten Längsseiten von den Elektroden (27, 28) kontaktiert sind. the actuator (11) has a tube (14) with a tubular wall (141) which is elastic in the tube axis (12) and at least one composite module (15) connected fixedly to the tube wall (141) and the at least one composite module (15) is at least two film layers (18, 19) of electrically insulating material arranged electrode structures (20, 21) with spaced apart, preferably parallel electrodes (27, 28) and between the film layers (18, 19) arranged spaced apart, preferably parallel piezoceramic fibers (22 ), which are contacted on opposite longitudinal sides of the electrodes (27, 28).
Elektroakustische Wandler nach Anspruch 1 , Electroacoustic transducer according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
das mindestens eine mit der Rohrwand (14) verbundene Composite-Modul (15) so ausgerichtet ist, dass die Piezokeramikfasern (22) parallel zur Rohrachse (12) verlaufen, und dass die Elektroden (27, 28) mit einer Gleichspannung so belegt sind, dass an den innerhalb einer Filmschicht (18, 19) nebeneinanderliegenden Elektroden (27, 28) abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an den an den Piezokeramikfasern (22) einander gegenüberliegenden Elektroden (27) bzw. (28) in den beiden Filmschichten (18, 19) ein jeweils gleiches Gleichspannungspotenzial liegt, und dass auf die Elektrodenstrukturen (20, 21) eine Wechselspannung aufschaltbar ist. the at least one composite module (15) connected to the pipe wall (14) is aligned so that the piezoceramic fibers (22) run parallel to the pipe axis (12), and that the electrodes (27, 28) are so covered with a DC voltage, alternating high and low DC potentials on the electrodes (27, 28) adjacent to each other within a film layer (18, 19) and electrodes (27) and (28) in the two film layers opposite one another on the piezoceramic fibers (22). 18, 19) each have the same DC potential, and that an AC voltage can be applied to the electrode structures (20, 21).
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, An electroacoustic transducer according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass characterized in that
die feste Verbindung des mindestens einen Composite-Moduls (15) mit der Rohrwand (14) durch Aufkleben oder Ein- oder Auflaminieren hergestellt ist. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, the solid connection of the at least one composite module (15) with the pipe wall (14) is made by gluing or lamination or lamination. An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Rohrwand (141) mit mehreren Composite-Modulen (15) belegt ist, die in Rohr-Umfangsrichtung und in Rohr-Längsrichtung jeweils voneinander beabstandet angeordnet sind.  the tube wall (141) is covered with a plurality of composite modules (15), which are each arranged spaced apart in the tube circumferential direction and in the tube longitudinal direction.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Rohr aus einem Kunststoffmaterial besteht, das vorzugsweise mit Glasfasern oder Kohlenstofffasern verstärkt ist.  the tube is made of a plastic material which is preferably reinforced with glass fibers or carbon fibers.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
- das Rohr (14) endseitig wasserdicht verschlossen ist. - The tube (14) is sealed watertight end.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
an den beiden Stirnseiten des Rohrs (14) eine Frontmasse (29) und eine Rückmasse (30) befestigt sind, die das Rohr (14) wasserdicht verschließen.  at the two end sides of the tube (14) a front mass (29) and a back mass (30) are attached, which seal the tube (14) watertight.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
mit den Rohrenden des Rohrs (14) die Enden einer die Rohrwand (14) umschließenden, gewölbten Hülle (37) fest verbunden sind und dass der Zwischenraum (41) zwischen Rohrwand (141) und Hülle (37) mit einem Medium, vorzugweise Gel oder Flüssigkeit, gefüllt ist, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, gefüllt ist.  with the tube ends of the tube (14) the ends of the tube wall (14) enclosing, curved sheath (37) are firmly connected and that the space (41) between the tube wall (141) and sheath (37) with a medium, preferably gel or Liquid is filled whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding medium, preferably water, filled.
Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, An electroacoustic transducer according to any one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Rohrwand (141) des Rohrs (14) in einem Hohlring (38) mit elliptischem Querschnitt aufgenommen ist, der von einer die Rohrwand (141) außen überdeckenden, mit der Rohrwand (141) einen ersten Hohlraum (39) einschließenden, konvexen Außenschale (381) und einer die Rohrwand (141) im Rohrinneren überdeckenden, mit der Rohrwand (14) einen zweiten Hohlraum (40) einschließenden, konkaven Innenschale (382) gebildet ist und dass die Enden von Außen- und Innenschale (381 , 382) fest mit denthe tube wall (141) of the tube (14) is received in a hollow ring (38) with an elliptical cross-section which extends from one side of the tube wall (141) covering, with the pipe wall (141) a first cavity (39) enclosing the convex outer shell (381) and the tube wall (141) in the tube interior covering, with the tube wall (14) a second cavity (40) enclosing, concave inner shell (382 ) is formed and that the ends of the outer and inner shell (381, 382) fixed to the
Rohrenden (141) des Rohrs (14) verbunden und der erste und zweite Hohlraum (39, 40) mit einem Medium, vorzugsweise Gel oder Flüssigkeit, gefüllt sind, dessen Wellenwiderstand gleich dem des umgebenden Mediums, vorzugsweise Wasser, ist. Pipe ends (141) of the tube (14) connected and the first and second cavity (39, 40) with a medium, preferably gel or liquid, filled whose characteristic impedance is equal to that of the surrounding medium, preferably water.
10. Elektroakustische Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 10. An electroacoustic transducer according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
an jeder Stirnseite des Rohrs (14) eine radial überstehende, vorzugsweise plattenförmige Endkappe (44, 45) befestigt ist, dass zwischen den beiden Endkappen (44, 45) mehrere, konkav gekrümmte Lamellen (46) aufgespannt sind, die endseitig an den Endkappen (44, 45) in deren Umfangs- richtung nebeneinander mit Spaltabstand festgelegt sind, und das eine die Lamellen (46) außen umschließende, elastische Hülle (47) endseitig an den Endkappen (44, 45) fluiddicht festgelegt ist.  a radially projecting, preferably plate-shaped end cap (44, 45) is fastened to each end face of the tube (14) in that a plurality of concavely curved lamellae (46) are clamped between the two end caps (44, 45). 44, 45) are fixed in the circumferential direction next to one another with gap spacing, and an elastic sheath (47) enclosing the lamellae (46) is fixed to the end caps (44, 45) in a fluid-tight manner at the end.
11. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 0, 11. An electroacoustic transducer according to claim 0,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
jede Endkappe (44, 45) in ihrem von der Stirnseite des Rohrs (14) eingegrenzten Bereich eine vorzugsweise mit der Rohrachse koaxiale Durch- gangsöffnung (49, 50) aufweist, dass der Rohrmantel (141) des Rohrs (14) mit Durchbrüchen (53) versehen ist und dass die Endkappen (44, 45) sich über ihren Umfang im Inneren eines mit Öl oder Gel gefüllten Schlauchs (51) eine Unterwasser-Schleppantenne an dessen Schlauchwand abstützen.  each end cap (44, 45) has a passage opening (49, 50), preferably coaxial with the tube axis, in its region bounded by the end face of the tube (14) such that the tube jacket (141) of the tube (14) has openings (53 ) and that the end caps (44, 45) are supported by an underwater towed antenna on its hose wall over its circumference in the interior of an oil or gel filled hose (51).
12. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 , 12. An electroacoustic transducer according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen den Endkappen (44, 45) sich erstreckende, von der elastischen Hülle (47) und der Schlauchwand des Schlauchs (51) eingeschlossener Zwischenraum (52) hermetisch abgeschlossen und mit Öl oder Gel gefüllt ist. characterized in that the intermediate space (52) extending between the end caps (44, 45) and enclosed by the elastic sheath (47) and the tube wall of the tube (51) is hermetically sealed and filled with oil or gel.
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