DE69114131T2 - Zusammendrücken der umhüllungen flexiongespannter wandler. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verwendung bei der Herstellung von Flextensional-Sonarwandlern und insbesondere ein Verfahren zur Verlängerung der Hauptachse einer dafür verwendeten Biegehülle zum Einsatz piezoelektrischer Elemente.
• Flextensional-Sonarwandler umfassen üblicherweise einen oder mehrere Stapel keramischer, piezoelektrischer Elementen die entlang der Hauptachse einer elliptischen Biegehülle aus Glasfasern, Karbonfasern oder Metall unter Druck gehalten sind. Die in Betrieb an die piezoelektrischen Elemente angelegten elektrischen Signale erzeugen Kontraktionen und Dehnungen entlang der großen Achse der Biegehülle. Diese erzeugen ihrerseits größere Querbiegungen entlang der kleineren Achse. Im Einsatz verringert der hydrostatische Druck auf die Außenwandung der elliptischen Biegehülle den Druck auf die Wandlerstapel entlang der großen Achse. Um somit eine Bewegung zu verhindern, sind die Stapel in der elliptischen Hülle derart zusammengefügt, daß eine Vorspannung entlang der Länge des Stapels aufgebracht wird. Diese Vorspannung dient zur Überwindung hydrostatischer Druckeffekte entsprechend der maximalen Drucktiefe des Flextensionalwandlers.
• Während der Herstellung von Flextensionalwandlern wird üblicherweise zunächst die elliptische Hülle durch Aufwicklung eines kunstharzbeschichteten Filaments um einen Dorn hergestellt und die piezoelektrischen Elemente werden anschliessend entlang der großen Achse der elliptischen Hülle eingesetzt, indem durch zwei parallele Platten eine Druckkraft auf die kleine Achse der Hülle aufgebracht wird, um eine Dehnung entlang der großen Achse zu erreichen. Die keramischen Antriebe (piezoelektrischen Elemente) werden anschließend zusammen mit Vorspannkeilen eingesetzt und die Druckkraft auf die kleine Achse wird schließlich entfernt.
• Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß in der Verbundhülle beim Druck der keramischen Antriebsanordnung eine interlaminare Abscherung auftritt. Die konventionelle Beladung der Hülle hat sich daher als ungeeignet für Tiefseewandler erwiesen, die eine große Hüllenkompression erfordern,
• Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verbesserung der Montage von einem oder mehreren piezoelektrischen Stellelementestapeln innerhalb der elliptischen Biegehülle eines Flextensionalwandlers zu schaffen.
• Die Erfindung sieht ein Verfahren zur Montage von einem oder mehreren piezoelektrischen Stellelementestapeln entlang der Hauptachse bzw. großen Achse der elliptischen Biegehülle eines Flextensionalwandlers vor, das folgende Schritte aufweist:
• Aufbringen eines gleichmäßigen Drucks über der gesamten Aussenfläche der elliptischen Hülle zur Ausdehnung der Hauptachse der Hülle;
• Einsetzen und Anordnen des/der Stapel innerhalb der Hülle; und
• Beseitigen des Drucks.
• Das Verfahren sieht vorzugsweise die weiteren Schritte der Anordnung der Hülle innerhalb eines Gehäuses;
• Abdichten des Gehäuses zu den Enden der Hülle;
• Füllen des Raums zwischen dem Gehäuse und der Außenfläche der Hülle mit einem Fluid; und
• Verbinden des Gehäues mit einer Druckeinrichtung vor, wodurch auf die Außenfläche der Hülle ein Fluiddruck aufgebracht werden kann.
• Das Fluid ist vorzugsweise Wasser.
• In vorteilhafter Weise ist jedes Ende der Hülle durch eine elliptische Dichtung mit umlaufenden Einkerbungen abgedichtet.
• In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird das Gehäuse durch folgende Schritte um die Hülle montiert:
• Anordnen von ersten und zweiten Gehäuseendplatten an entsprechenden elliptischen Dichtungen für ein Hüllenende, wobei wenigstens eine der Endplatten eine elliptische Öffnung aufweist;
• Vorsehen eines zylindrischen dritten Gehäuseteils für druckdichte Montage zwischen den beiden Endplatten zur Bildung eines Gehäuses, das durch die Innenfläche des dritten Teils, die beiden Endplatten und die Außenfläche der Hülle begrenzt wird.
• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein bekanntes Verfahren zur Montage piezoelektrischer Stellelementestapel in der elliptischen Hülle eines Flextensionalwandlers;
• Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Verfahren, unter Verwendung eines isostatischen Drucks auf die Außenfläche der elliptischen Hülle; und
• Fig. 3 eine zum Teil geschnittene perspektivische Ansicht einer hydrostatischen Presse zur Durchführung der Montage des Flextensionalwandlers.
• Gemäß Fig. 1 wird eine in Wickeltechnik hergestellte elliptische Biegehülle 10 für einen Flextensionalwandler üblicherweise durch eine Punktlast 11 zusammengedrückt, die von einer Presse 12 entlang der kleinen Achse 13 der Hülle aufgebracht wird. Durch das Zusammendrücken der kleinen Achse 13 wird eine Verlängerung der großen Achse 14 erzeugt, die es ermöglicht, daß einer oder mehrere Stapel piezoelektrischer Stellelemente (nicht gezeigt) entlang der großen Achse eingesetzt werden können. Wenn der Druck auf die kleine Achse weggenommen wird, zieht sich die Hülle entlang der großen Achse 14 zusammen, um die Stellelementestapel in ihrer Lage zu halten.
• Durch eine derartige punktförmige Belastung der elliptischen Hüllen entstehen an der elliptischen Hülle Bereiche 15 mit hohen Druck- und Zugkräften. Die von der elliptischen Hülle auf die Stellelementestapel ausgeübte Vorspannung ist durch Auslegung proportional zu der Drucktiefe, für die der Wandler eingesezt wird. Daher ist die während der Montage benötigte Punktbelastung und damit die innerhalb der Schichten der elliptischen Hülle auftretenden Druck- und Zugkräfte am größten für diejenigen Wandler, die für die höchsten Drucktiefen ausgelegt sind.
• In diesen Verbundmaterialien der Hülle trat in den Bereichen 15 eine interlaminare Scherung mit hohen Kräften auf, was sich als ein Hauptproblem bei der Herstellung von Flextensionalwandlern erwiesen hat.
• Fig. 2 zeigt das Prinzip der Erfindung, bei der die punktförmige Belastung der elliptischen Hülle während der Montage durch einen gleichmäßigen hydrostatischen Druck über der Außenfläche der Hülle ersetzt wird. Dadurch werden die Druck- und Zugkräfte in der Hülle verringert, da die Last gleichmäßig verteilt ist. Es hat sich herausgestellt, daß dadurch ein interlaminares Abscheren weniger wahrscheinlich ist, wenn der/die piezoelektrischen Stellelementestapel in die Hülle eingebaut werden. Dadurch können Flextensionalwandler gebaut werden, die haltbarer sind und eine verbesserte Leistung aufweisen.
• Fig. 3 zeigt eine hydrostatische Presse für den Zusarnmenbau piezoelektrischer Stapel innerhalb einer elliptischen Hülle 30. Die Presse umfaßt zwei flache Endplatten 31, die jeweils eine elliptische Öffnung 32 entsprechend der Öffnung durch die Hülle aufweisen. Eine Druckdichtung 33 ist um die Öffnung 32 zur Abdichtung gegen das angrenzende Ende der Hülle vorgesehen. Die Dichtung 33 weist eine Anzahl im Querschnitt zahnförmiger, kerbgezahnter elliptischer Nuten auf, die eine gewisse Bewegung des Endes der Hülle relativ zur Endplatte 31 ermöglichen, während eine Druckabdichtung dazwischen beibehalten wird. Ein zylindrisches, mittiges Abschlußelement 34 umgibt die Hülle 30 und weist Flansche 35 zum Zusammenbau der Endplatten 31 auf. Ein O-Ring 36 ist in jeder Endplatte 31 zur Abdichtung gegenüber dem entsprechenden Flansch 35 des Zylinders 34 vorgesehen. Eine (nicht gezeigte) Leitung ist mit der Presse derart verbunden, daß unter Druck stehendes Wasser in die um die Hülle 30 gebildete Umhüllung eingeführt werden kann. Wenn der Druck erhöht wird, erlauben die Enddichtungen 33 eine Ausdehnung der Hülle 30 entlang ihrer großen Achse und der/die piezoelektischen Stellelementestapel können durch die Endplattenöffnung 32 eingeführt und in die Hülle 30 eingebaut werden. Zum Zusammenhalt der Pressenanordnung werden Bolzen 37 verwendet.
• Abwandlungen dieser Presse sind dem Fachmann geläufig und werden daher nicht erläutert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Montage von einem oder mehreren piezoelektrischen Stellelementestapeln entlang der Hauptachse der elliptischen Biegehülle eines Flextensionalwandlers dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Schritte umfaßt:

Aufbringen eines gleichmäßigen Drucks über der gesamten Außenfläche der elliptischen Hülle zur Ausdehnung der Hauptachse der Hülle;

Einsetzen und Anordnen des/der Stapel innerhalb der Hülle; und

Beseitigen des Drucks.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner die folgenden weiteren Schritte umfaßt:

Anordnung der Hülle innerhalb eines Gehäuses; Abdichten des Gehäuses zu den Enden der Hülle, wobei eine Gleitbewegung der Hülle relativ zum Gehäuse ermöglicht wird;

Füllen des Raums zwischen dem Gehäuse und der Außenfläche der Hülle mit einem Fluid; und

Verbinden des Gehäuses mit einer Druckeinrichtung, wodurch auf die Außenfläche der Hülle ein Fluiddruck aufgebracht werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid Wasser ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Ende der Hülle durch eine elliptische Dichtung mit umlaufenden Einkerbungen abgedichtet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse durch folgende Schritte um die Hülle montiert wird:

Anordnen von ersten und zweiten Gehäuseendplatten an entsprechenden elliptischen Dichtungen für ein Hüllenende, wobei wenigstens eine der Endplatten eine elliptische Öffnung aufweist;

Vorsehen eines zylindrischen dritten Gehäuseteils für druckdichte Montage zwischen den beiden Endplatten zur Bildung eines Gehäuses, das durch die Innenfläche des dritten Teils, die beiden Endplatten und die Außenfläche der Hülle begrenzt wird.