Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrodynamische Wandler, die es ermöglichen, im Meer akustische Wellen, insbesondere Schallwellen, auszusenden. Diese Wandler sind speziell in der Sonartechnik nützlich.

Bei der Unterwasser-Akustik werden Schleppfische verwendet, die elektronische Geräte und verschiedene Wandler enthalten, die im Sendemodus, im Empfangsmodus, und ggf. in beiden Modi arbeiten können.

Es ist bekannt, dass bei Niederfrequenz, typischerweise zwischen 10 Hz und 1 kHz, um eine ausreichende akustische Leistung senden zu können, große Wassermassen verschoben werden müssen, was wiederum eine große Verschiebung der aktiven Fläche des Wandlers erfordert. Dies führt dazu, dass in diesem Fall allgemein Wandler vom elektrodynamischen Typ verwendet werden, die einen von einer in einem Luftspalt befindlichen, beweglichen Wicklung angetriebenen Schalltrichter aufweisen. Die Wandler dieses Typs sind den in der Musikakustik wohl bekannten Lautsprechern ganz ähnlich.

Um die bei bestimmten Anwendungen aufgrund des zu erreichenden Schallpegels, der 150 dB bis 10 Hz erreichen kann, häufig erforderliche akustische Leistung erhalten zu können, ist man gezwungen, Wandler mit relativ großen Abmessungen zu verwenden. Dies führt zu Zwängen sowohl bezüglich des Volumens als auch des Gewichts, da der Wandler in das Meer getaucht werden muss, während er sich in einem Fisch befindet, der mit einer vorbestimmten Eintauchtiefe navigieren muss.

Außerdem ist es häufig erforderlich, dass der Wandler den Explosionen widerstehen kann, die manchmal bei besonderen Anwendungen auftreten. Die Wirkung einer solchen Unterwasser-Explosion äußert sich in der Einwirkung eines hydrostatischem Druckpegels und Beschleunigungspegels auf den Wandler. Dieser Pegel kann leicht den Schalltrichter und die Dichtungsmembran zwischen dem Schalltrichter und dem Gehäuse des Wandlers zerstören.

Insbesondere aus dem Patent US 4 466 083 ist ein elektrodynamischer Wandler für Unterwasser-Akustik bekannt, der es tatsächlich ermöglicht, eine große akustische Leistung zu liefern, der aber hauptsächlich ausgebildet ist, um die Probleme der Wärmeabstrahlung entsprechend den elektrisch-akustischen Umwandlungsverlusten zu vermeiden. Der Aufbau des Wandlers ermöglicht es ihm nicht, den Unterwasser-Explosionen zu widerstehen. Gegebenenfalls würden diese ihn schnell unbenutzbar machen, indem sie seine Membran zerreißen, seine Kuppel zusammendrücken und seine Rückholfedern beschädigen.

Eine bekannte Technik für die Widerstandsfähigkeit gegenüber solchen Explosionen besteht darin, über dem Schalltrichter eines solchen Wandlers eine mit Löchern versehene Kuppel anzuordnen, die selbst von einer Membran bedeckt wird. Jedes dieser Löcher bildet also eine Klappe, die die den vom Wandler gesendeten akustischen Signalen entsprechenden Schwingungen durchlässt und die von möglichen Explosionen kommenden Druckspitzen nicht durchlässt. Ein solches System hat aber den Nachteil, das Volumen und die Masse des Wandlers zu erhöhen und den von ihm lieferbaren Schallpegel zu senken.

Um diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung einen elektrodynamischen Wandler für Unterwasser-Akustik von der Art mit einem Körper vor, der mit Polteilen versehen ist, die einen Luftspalt begrenzen, mit einem beweglichen Organ, das mit einer Kuppel versehen ist, die sich in einen eine Wicklung tragenden Zylinder fortsetzt, der in diesem Luftspalt gleitet, und mit einer flexiblen Membran, die für die Dichtheit zwischen dem beweglichen Organ und dem Körper sorgt, wobei der Wandler hauptsächlich dadurch gekennzeichnet ist, dass er außerdem einen Schalltrichter aufweist, der die Kuppel überragt und in dem Körper gleitet, wobei er mit diesem eine Düse bildet, deren Spielraum so festgelegt ist, dass er es gestattet, die Membran gegen Stoßwellen, die von Explosionen außerhalb des Wandlers stammen, zu schützen, indem diese Stoßwellen in der Düse gedrosselt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal weist das bewegliche Organ außerdem einen Satz von radialen Rippen auf, die auf einer Seite an der Innenwand dieses beweglichen Organs befestigt sind und sich auf der anderen Seite sternförmig vereinen, um die Steifheit dieses beweglichen Organs und seine Stoßwellenfestigkeit zu erhöhen.

Gemäß einem weiteren Merkmal weist der Wandler außerdem eine Feder auf, die an ihrem Umfang am unteren Teil des Körpers befestigt und in ihrer Mitte mit der Mitte des Sterns verbunden ist, der durch die Vereinigung der Rippen gebildet wird, wobei diese Feder es gestattet, das bewegliche Organ entlang der vertikalen Achse zu zentrieren.

Gemäß einem weiteren Merkmal weist er weiter einen peripheren Hohlraum auf, der in dem Körper ausgebildet und mit dem äußeren Milieu durch zumindest eine Perforation und eine ringförmige und elastische Luftkammer verbunden ist, die in diesem peripheren Hohlraum enthalten ist, der mit dem unteren Hohlraum verbunden ist, der durch den Körper und das bewegliche Organ begrenzt wird, um die Wirkungen des hydrostatischen Drucks aufgrund des Eintauchens zu kompensieren, wobei der Höhenunterschied zwischen dem Schalltrichter und dieser Luftkammer es gestattet, das bewegliche Organ in einer neutralen Position zu halten.

Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung gehen klar aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die als nicht einschränkend zu verstehendes Beispiel anzusehen ist und sich auf die beiliegenden Figuren bezieht. Es zeigen:

1 eine Ansicht der Hälfte eines erfindungsgemäßen Wandlers im senkrechten Schnitt; und

2 eine waagrechte Ansicht des Wandlers gemäß der Ebene AA in 1.

Der in den beiden beiliegenden Figuren dargestellte erfindungsgemäße Wandler besitzt einen Körper, der von einem Sockel 101 gebildet wird, auf den ein Mantel 102 aufgeschoben wird, über dem eine Manschette 103 sitzt. Diese verschiedenen Bauteile schieben sich derart ineinander, dass sie um die Achse des Wandlers drehsymmetrische zylindrische Hohlräume bilden, in die sich die anderen diesen Wandler bildenden Teile einfügen.

Ein erster zylindrischer Hohlraum, der zwischen dem Sockel und dem Mantel begrenzt wird, ermöglicht es, einen Magnetkreis aufrechtzuerhalten, der von einem ersten und einem zweiten Polteil 104 bzw. 105 in Form von Kronen gebildet wird, die auf die Achse des Wandlers zentriert sind. Das erste Polteil 104 ist L-förmig, wobei der innere Schenkel des L ins Innere der zentralen Kammer des Wandlers vorsteht. Das zweite Polteil 105 hat die Form einer flachen Scheibe. Beide werden von einem Satz von Magneten 106 getrennt gehalten, auf denen sie durch Einpassen des Mantels 102 in den Sockel 101 festgeklemmt werden. Auf diese Weise erhalt man einen Magnetkreis, der nur durch einen dünnen Magnetspalt 107 unterbrochen wird, der die Form eines auf die Achse des Wandlers zentrierten Zylinders hat und direkt auf der inneren Seitenfläche der Manschette 103 aufliegt.

Der zentrale Raum des Körpers des Wandlers bildet einen zweiten zylindrischen Hohlraum, in dem ein pilzförmiger Kern 108 sich mit seiner Mittelstange in die zentrale kreisförmige Öffnung des Polteils 104 einschiebt. Der untere Bereich des Kopfes des Kerns von im wesentlichen Halbkugelform liegt auf dem oberen Bereich dieses Polteils 104 auf.

Das bewegliche Organ des Wandlers wird von einem Hohlteil 109 in Form einer Kuppel gebildet, die auf einem zylindrischen Bereich sitzt, der sich in den Luftspalt 107 einfügt. Damit dieses Teil sowohl sehr fest als auch sehr leicht und sehr steif ist, wird es zum Beispiel aus einem Gewebe aus Kohlenstofffasern gebildet, die in eine Harzmatrix getaucht sind. Erfindungsgemäß wird die Oberfläche der Kuppel 109 von einem Teil 110 bedeckt, dessen Oberfläche im Wesentlichen flach ist und das den radiativen Schalltrichter des Wandlers bildet. Um selbst sehr leicht zu sein, wird es aus syntaktischem Schaum hergestellt.

Der Schalltrichter 110 verhält sich also wie ein Kolben, dessen seitliche Außenfläche zylindrisch ist. Dieser Kolben gleitet in einem Zylinder, der von der seitlichen Innenfläche der Manschette 103 gebildet wird, die selbst im Wesentlichen zylindrisch ist. Erfindungsgemäß werden diese beiden Teile, und speziell der Schalltrichter 110, so hergestellt, dass sie ein äußerst begrenztes Einstellspiel in der Größenordnung von zum Beispiel 0,2 mm aufweisen. So wird ein mechanisches Filter gebildet, das die Ausbreitung der Stoßwelle bremst, die von einer möglichen externen Explosion kommen kann, indem in diesem Zwischenraum das Fluid gedrosselt wird, in das der Schalltrichter getaucht ist.

Um den Schalltrichter zu schützen, ist der obere Bereich des zentralen Raums des Körpers des Wandlers in bekannter Weise mit einem Fluid, zum Beispiel einem Öl, gefüllt, das sowohl für diesen Schutz als auch für die Ausbreitung der akustischen Wellen geeignet ist. Um den Austritt dieses Öls zu verhindern, wird der Raum 113 in seinem oberen Bereich von einer Membran 112 verschlossen, die am Umriss der Manschette 103 befestigt ist.

Um die Ausfederung der Kuppel und des Schalltrichters zu erlauben, ist der untere Bereich des zentralen Raums entgegengesetzt zu dem Bereich, indem sich dieses Öl befindet, mit Luft gefüllt. Um dann zu verhindern, dass das im Bereich 113 enthaltene Öl in den mit Luft gefüllten Bereich 114 eindringt, verwendet man eine weitere Dichtungsmembran 115, zum Beispiel aus Kautschuk, die wesentlich flexibler ist als die Membran 112 und die einerseits an der äußeren Seitenwand des Schalltrichters 110 und andererseits an der inneren Seitenwand der Manschette 103 befestigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt diese Befestigung durch Einklemmen zwischen dieser Manschette 103 und dem Mantel 102. Um eine freie und korrekte Ausfederung dieser Membran zwischen dem Schalltrichter und der Manschette zu ermöglichen, wird die äußere Seitenwand des Schalltrichters auf dieser Höhe bearbeitet, um einen Rücksprung in Bezug auf die Düse 111 zu bilden, der das weiter oben beschriebene reduzierte Spiel aufweist, und einen Freiraum für die Membran 115 zu bilden.

Um zu verhindern, dass das im Hohlraum 113 enthaltene Öl den syntaktischen Schaum 110 tränkt und dadurch seine Masse erhöht, kann man als Variante vorsehen, die Außenfläche dieses Schalltrichters abzudichten, indem sie mit einer dünnen Schicht bedeckt wird, die aus einem in eine Harzmatrix getauchten Kohlenstofffasergewebe besteht.

Damit das Spiel der Düse 111 trotz der auf die Kuppel 109 und den Schalltrichter 112 beim Ausfedern dieser Teile, wenn der Wandler mit einer großen Sendeleistung arbeitet, ausgeübten Biegekräfte aufrechterhalten werden kann, schlägt die Erfindung außerdem vor, diese Einheit zu versteifen, indem ein Satz von radialen Rippen 116 verwendet wird, die auf dem Innenumfang der Kuppel 109 verteilt sind und unterhalb des unteren Bereichs der Stange des den Kern 108 bildenden Pilzes sternförmig zusammenlaufen. Diese Rippen gleiten in Nuten 117, die im Kern 108 und im ersten Polteil 104 ausgeführt sind. Diese Nuten sind in Höhe des Kerns relativ breit und in Höhe des Polteils schmaler, um den Magnetflussverlust zu minimieren, der auf einen sehr geringen Wert von einigen Prozent reduziert werden kann.

Eine Achse 118 vereint die Mitte des oberen Bereichs der Kuppel 109 mit der Mitte des von der Zusammenfügung der Rippen 116 gebildeten Sterns unter der Unterseite des Kerns 108. Diese Achse ermöglicht sowohl die Versteifung der Einheit als auch die Gewährleistung ihrer senkrechten Zentrierung bezüglich der Achse des Wandlers. Um diese zweite Funktion zu gewährleisten, ist die Achse in ihrem unteren Bereich an der Mitte einer Flachfeder 119 befestigt, die selbst am ihrem Umfang im unteren Bereich des Sockels 101 befestigt ist. Diese Feder, die von der Art ist, die unter dem Namen "flector" bekannt ist, wird von einer geschmeidigen und elastischen Scheibe gebildet, die Umfangsöffnungen aufweist, welche es ermöglichen, die Luft zwischen den beiden von der Ebene dieser Feder begrenzten Bereichen frei in den unteren Bereich des zentralen Raums des Wandlers fließen zu lassen. Diese Feder gewährleistet nicht nur die Zentrierung, sondern verhindert auch die Drehbewegungen des beweglichen Organs, die die Rippen gegen die Wände der Nuten reiben lassen würden, in denen sie gleiten.

Die Antriebswirkung, die es ermöglicht, die Einheit aus Kuppel und Schalltrichter entlang der Achse des Wandlers zu bewegen, um die akustischen Wellen zu senden, wird durch Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld, das zwischen den Polteilen fließt, und demjenigen erhalten, das von einer Wicklung 120 geliefert wird, die auf die Seitenflanken des unteren zylindrischen Bereichs der Kuppel 109 gewickelt ist. Diese Wicklung ist also in den zwischen den beiden Polteilen vorhandenen Luftspalt getaucht, wodurch das klassische Schema eines elektrodynamischen Wandlers hergestellt wird. Diese Wicklung wird von nicht in der Figur dargestellten und dem Fachmann bekannten Mitteln gespeist.

Abgesehen von der Funktion der Versteifung des beweglichen Organs dienen die Rippen 116 auch über die ganze Höhe der Wicklung 120 als Kühlsenke zum Abführen der Wärme, die in dieser Höhe abgegeben wird, indem sie zu den anderen Teilen des Wandlers abgeleitet wird.

Der von der Kuppel 109, dem Sockel 101, dessen Boden geschlossen ist, dem Mantel 102 und der Dichtungsmembran 115 begrenzte innere Bereich 114 wird mit Luft gefüllt, um die Ausfederung des beweglichen Organs zu erlauben, wie man weiter oben gesehen hat.

Wenn man den Wandler eintaucht, drückt sich das bewegliche Organ unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks unter Zusammendrücken der Feder 119 und des in diesem Bereich 114 vorhandenen Luftvolumens zum Boden des Sockels 101 ein. Diese Bewegung hat natürlich die Tendenz, die elektroakustischen Merkmale des Wandlers zu verändern, insbesondere indem sie die Positionen der Wicklung und der Polteile zueinander verändert.

Um diese Wirkung zumindest zum Teil zu kompensieren, wird ein Kompensationsreservoir oder Luftkammer 121 verwendet, die aus einer flexiblen Tasche zum Beispiel aus Kautschuk besteht, dem Druck der Meeresumgebung ausgesetzt ist und mit dem Bereich 114 über eine Leitung 122 in Verbindung steht. Um diese Luftkammer vor der Wirkung möglicher in der Meeresumgebung auftretender Explosionen zu schützen, ist sie erfindungsgemäß ringförmig und befindet sich in einem anderen inneren zylindrischen Hohlraum 123, der innerhalb des Wandlers von den Wänden des Mantels 102 und der Manschette 103 begrenzt wird. Dieser Hohlraum ist also selbst ringförmig und geschlossen und umgibt den Standort des Schalltrichters 110. Um die in diesem Hohlraum angeordnete Luftkammer unter Meeresdruck zu setzen, wurden in der äußeren Seitenwand des Mantels 102 kleine Öffnungen 124 vorgesehen, die es dem Meerwasser ermöglichen, in den Hohlraum 123 einzudringen und die Luftkammer zusammenzudrücken. Auf diese Weise ist die Luftkammer gegen die äußeren mechanischen Angriffe durch die Wände des Hohlraums geschützt, in dem sie sich befindet. Außerdem ist der Durchmesser der Öffnungen 124 so vorgesehen, dass die von einer möglichen äußeren Explosion stammenden Stoßwellen beim Durchgang durch diese Öffnungen gedämpft werden, damit sie keine Gefahr eines Überdrucks in Höhe der Luftkammer darstellen. Da diese Öffnungen rund sind, kann ihr Durchmesser größer sein als die Dicke der Düse 111.

Da die Wandler dieser Art im Allgemeinen vorgesehen sind, um so zu arbeiten, dass die akustischen Wellen nach unten gesendet werden, also in die umgekehrte Stellung zu derjenigen in 1, wird die Bewegung des beweglichen Organs zum Boden des Körpers 101 unter der Wirkung des hydrostatischen Drucks gleichzeitig durch die Wirkung der Feder 119, die Wirkung der Schwerkraft auf die Gesamtheit des beweglichen Organs, und die Wirkung des hydrostatischen Drucks auf die Luftkammer 121 behindert.

Um in dieser Position das bewegliche Organ in einer derartigen Position in Gleichgewicht zu bringen, dass die Feder 119 in ihrer Ruhestellung ist, wobei der Druck auf die Oberfläche des Schalltrichters dann den Druck auf die Luftkammer ausgleicht, schlägt die Erfindung vor, diese verschiedenen Teile so zu bemessen, dass es einen Unterschied &Dgr;h zwischen der Ebene der Außenfläche des Schalltrichters und der Mittelposition der Luftkammer gibt, wobei diese Entfernung so ist, dass der Unterschied des hydrostatischen Drucks zwischen dieser Fläche und der Luftkammer aufgrund des Unterschieds der Eintauchtiefen das Gewicht des beweglichen Organs ausgleicht. Die Rechnung zeigt, dass mit einem Wert M für die Masse des beweglichen Organs, einer Fläche S für die emittierende Fläche des Schalltrichters, und einer Volumenmasse &rgr; für die Meeresumgebung dieser Höhenunterschied angegeben wird durch: &Dgr;h = M/S&rgr;

Bei üblichen Werten für einen solchen Schalltrichter mit 200 mm Durchmesser und einem Gewicht von 1,5 Kilo beträgt der Höhenunterschied dann 48 mm.

Während des Eintauchens des Wandlers bleibt die Position des beweglichen Organs dann im Wesentlichen ortsfest, während die Luftkammer sich zurückzieht. Dieses Phänomen läuft ab, bis die Luftkammer vollständig zurückgezogen ist. Dann hat man ein maximales Eintauchen, von dem ausgehend es keine Kompensation für den hydrostatischen Druck mehr geben kann. Wenn V_T = das Luftvolumen im Wandler, V_c = das Luftvolumen in der Kammer, p_max der Druck bei maximalem Eintauchen und p_min derjenige bei minimalem Eintauchen ist, wird die Beziehung zwischen diesen Werten gegeben durch: p_max V_T = p_min (V_T + V_c)

Diese Formel ermöglicht für eine gegebene Konstruktion den Erhalt des Maximalwerts des Eintauchens, und für einen gewünschten maximalen Eintauchwert den Erhalt der Größe des Volumens der Luftkammer, und somit ihrer Abmessung sowie derjenigen der sie enthaltenden Teile.

So muss zum Beispiel ein Wandler, der in eine Tiefe von 30 m getaucht werden soll, eine Luftkammer haben, deren Volumen im Wesentlichen dreimal so groß ist wie das Luftvolumen im Rest des Wandlers. Man stellt hier auch den Zweck des Kerns 118 fest, der es ermöglicht, das Innenvolumen des Wandlers zu minimieren und daher die Eintauchtiefe zu erhöhen, wobei alles Andere gleich bleibt.