DE3441271C1

DE3441271C1 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE3441271C1
Application number: DE3441271A
Authority: DE
Inventors: David T Wilson; Roger H Tancrell
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1983-08-22
Filing date: 1984-11-12
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2004-11-13
Also published as: US5438553A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Wandler und im einzelnen auf Schallenergie ansprechende Wandler.

Es ist allgemein bekannt, daß Wandler der hier betrachteten Art ein weites Anwendungsgebiet beispielsweise als Hydrophone aufweisen, die auf Schallenergie ansprechen, welche von Objek ten unter Wasser ausgeht. Eine solche Bauart von bekannten Schallwandlern nützt die piezoelektrischen Eigenschaften von keramischem Material aus, wobei ein elektrisches Signal in dem keramischen Werkstoff in Abhängigkeit von mechanischen Be anspruchungen und entsprechenden Spannungen im keramischen Ma terial erzeugt wird, was in Abhängigkeit von longitudinalen Druckwellen geschieht, welche bei einwirkender Schallenergie auftreten. Ein anderer Werkstoff, der in solchen piezoelektri schen Schallwandlern zur Anwendung kommt, ist ein Polyvinyli den-Fluoridpolymer (PVDF), wie dies in der Veröffentlichung "Model for a Piezoelectric Flexural Plate Hydrophone" von Donald Ricketts, Journal of the Acoustical Society of America, Band 70, Nr. 4, Oktober 1981, beschrieben ist. Ein blattför miges Stück eines solchen PVDF-Materials wird auf den einan der gegenüberliegenden Seiten mit elektrisch leitenden Schich ten versehen. Das beschichtete blattförmige Material wird dann in das Gewässer eingetaucht, um Schallenergie festzu stellen, welche von unter Wasser befindlichen Objekten ausge sandt oder reflektiert wird. Die Schallwellen erzeugen Bean spruchungen und entsprechende Spannungen in dem PVDF-Material. Eine zwischen den leitfähigen Schichten auftretende Spannung, welche dem piezoelektrischen Verhalten des PVDF-Materials entspricht, ermöglicht eine Bestimmung der Schallenergie. Da niedrige Frequenzen (weniger als 100 Hz) des Schalls sich un ter Wasser über große Entfernungen ohne wesentliche Abdämpfung fortpflanzen und auch in großen Entfernungen gehört werden können, ist es wünschenswert, Schallwandler zu schaffen, wel che wirksam auf niedrige Frequenzen der Schallenergie anspre chen. Während piezoelektrische Schallwandler der oben erwähn ten Ast in vielen Anwendungsfällen mit Vorteil verwendbar sind, erweist sich die Erfassung von Signalen niedriger Fre quenz, d. h. die Erfassung von Schallsignalen mit Frequenzen unter 100 Hz mit derartigen Geräten als schwierig. Beispiels weise erfordert die Erfassung von Schallsignalen niedriger Frequenz mit PVDF-Polymer-Piezo-Schallwandlern eine verhält nismäßig dicke Polymerschicht, wodurch die Kosten für solche Geräte erhöht werden. Weiter haben keramische piezoelektri sche Schallwandler charakteristischerweise eine Kennlinie, welche hinsichtlich des Ansprechens auf niedrige Frequenzen eine Begrenzung ergibt. Weiter sind keramische piezoelektri sche Schallwandler gegenüber Beschleunigungen und Erschütte rungen empfindlich, welche aufgrund der Befestigung derartiger piezoelektrischer Wandler etwa am Rumpf eines Schiffes auftre ten können, wodurch sich eine Störung hinsichtlich der Empfind lichkeit des betreffenden Wandlers gegenüber den interessie renden Schallsignalen ergibt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen elektroakustischen Schallwandler so auszubilden, daß eine ho he Empfindlichkeit insbesondere bei niedrigen Frequenzen er reicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk male erfindungsgemäß gelöst.

Im einzelnen enthält ein elektroakustischer Wandler der hier angegebenen Art Mittel zur Umwandlung mechanischer Energie in thermische Energie und Mittel zur Erzeugung ein elektrisches Ausgangssignal, welche einen pyroelektrischen Werkstoff in thermischer Kopplung mit Energieumwandlungsmitteln enthält, um das elektrische Signal in Abhängigkeit von umgewandelter thermischer Energie zu bilden. Gemäß einer bevorzugten Aus führungsform wird der elektroakustische Wandler als Hydrophon verwendet und die mit dem pyroelektrischen Material thermisch gekoppelten Energieumwandlungsmittel enthalten ein Medium, welches sich in Abhängigkeit von Verdichtungs- und Verdün nungs-Wellenfronten von longitudinalen Schallwellen verdich tet bzw. verdünnt, wobei diese longitudinalen Schallwellen von einem unter Wasser befindlichen Objekt ausgehen oder re flektiert werden und die Verdichtungs- bzw. Verdünnungswel lenfronten die thermische Energie in dem betreffenden Mate rial entsprechend erhöhen bzw. erniedrigen. Der pyroelektri sche Werkstoff befindet sich in wärmeleitender Verbindung mit dem betreffenden Medium. Die Temperatur des pyroelektrischen Werkstoffes steigt und fällt entsprechend den Erhöhungen und Verringerungen der thermischen Energie in dem Energieumwand lungsmedium. Die elektrische Ladungsverteilung in dem pyro elektrischen Werkstoff ändert sich in Abhängigkeit von den Temperaturänderungen des pyroelektrischen Werkstoffs, um ein entsprechendes elektrisches Signal hervorzubringen, welches im wesentlichen den Verdichtungen und Verdünnungen aufgrund der longitudinalen Schallwellen entspricht.

Durch Verwendung der pyroelektrischen Eigenschaften des Werk stoffes beim Feststellen von Schallwellen vermittels eines Zwischen-Energieumwandlungsmediums wird mit der vorliegend angegebenen Anordnung ein verbessertes Hydrophon geschaffen, um verhältnismäßig niedrigfrequente Schallwellen feststellen zu können und eine verhältnismäßig geringe Empfindlichkeit ge genüber Beschleunigungen und Erschütterungen aufgrund der Be festigung an einem Fahrzeug zu erreichen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegen stand der dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, auf deren Inhalt hierdurch ausdrücklich hingewiesen wird, ohne an die ser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung erläutert. Es stel len dar:

Fig. 1 eine Aufsicht auf einen elektroakustischen Wandler der vorliegend angegebenen Art,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch den Wandler gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen dem elektrischen Ausgangssignal eines Wandlers gemäß Fig. 1 und Fig. 2 im Vergleich zum Ausgangssignal eines Wandlers bekannter Art in Abhängigkeit von der Fre quenz von auf die betreffenden Wandler tref fender Schallenergie,

Fig. 4A eine theoretische Diagrammkurve zur Erläute rung der Wirkungsweise des Wandlers nach Fig. 1 und Fig. 2,

Fig. 4B ein vergrößerter Ausschnitt der Diagramm kurve gemäß Fig. 4A innerhalb der in die ser Zeichnungsfigur angedeuteten Begren zungslinie 4B-4B und

Fig. 5 bis 9 schematische Abbildungen anderer Ausführungs beispiele von Wandlern der hier angegebenen Bauart.

Zunächst seien die Fig. 1 und 2 betrachtet. Ein mit 10 be zeichneter Wandler enthält zunächst ein Umwandlungsmedium 12 zur Umwandlung einwirkender mechanischer Energie, beispiels weise in Gestalt von eintreffenden longitudinalen Druckwellen aufgrund von Schall, der von einem unter Wasser befindlichen Zielobjekt ausgesandt oder reflektiert wird, wenn es sich bei dem Wandler 10 um ein Hydrophon in einem Sonarsystem handelt, wobei diese mechanische Energie in thermische Energie umge wandelt wird. Weiterhin enthält der Wandler 10 ein pyroelek trisches Material 14, vorliegend ein polarisiertes Polymer in Blattform aus Polivinylidenfluorid, welches mit dem Energie umwandlungsmedium 12 thermisch gekoppelt ist, um ein elektri sches Ausgangssignal zu erzeugen, welches im wesentlichen der thermischen Energie entspricht, welche durch das Umwandlungs medium 12 durch Umwandlung erzeugt worden ist. Das elektri sche Signal wird also in Abhängigkeit von den Schallwellen erzeugt, welche von dem unter Wasser befindlichen Objekt aus gesandt oder reflektiert werden und welche auf den Wandler 10 treffen. Es sei hier bemerkt, daß sämtliche Abmessungen des Wandlers, d. h., Länge, Breite und Dicke, etwa zwei Größen ordnungen kleiner, (also weniger als das 0,01-fache) als die Wellenlänge der eintreffenden longitudinalen Druckwellen sind. Das pyroelektrische Material 14 ist in einer Richtung im we sentlichen senkrecht zur großen Oberfläche des Materials pola risiert und auf seinen einander gegenüberliegenden großen Flä chen jeweils mit geeigneten elektrisch leitenden Schichten 16, 18 belegt. Ein Polivinylidenfluorid-Polymer mit elektrisch leitenden Belägen 16 und 18, welches für die Verwendung in dem Wandler geeignet ist, ist unter der Bezeichnung "Kynar"- Piezofilm von der Firma Pennwalt Corporation, 900 First Avenue King of Prussia, PA 19406, USA, erhältlich. Das Energieum wandlungsmedium 12 ist ein verdichtbares und verdünnbares Me dium, vorliegend Luft, welches in Kammern 20 eingeschlossen ist. Die Kammern 20 werden durch Räume oder Durchbrüche in einem Paar von Lagen 21 aus Gitter aus Kunststoffdraht oder Metalldraht gebildet. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel findet ein gewebtes Kunststoffgitter Verwendung, welches im Handel von der Firma Wire Cloth Manufacturing Inc., 133 Kings Road, Madison, NJ 07940, USA, bezogen werden kann. Die Lagen 21 aus Gitter werden durch flexible Membranen 24, 26, in An lage an den leitfähigen Schichten 16 und 18 gehalten. Vorlie gend findet als Diaphragma ein gebräuchliches druckempfindli ches Band oder Kontaktklebeband Verwendung, wie es von Firma Minnesota Mining and Manufacturing Company, Saint Paul, USA, unter der Bezeichnung Scotch Brand Collophane Tape auf den Markt gebracht wird. Jede der Kammern 20 besitzt also als Seitenwände die Maschen der Gitterlagen 21, als äußere Be grenzung entsprechende Teile der über die Gitterlagen 21 ge legten Membran und als Innenbegrenzung Teile der leitfähigen Schichten 16, 18 unterhalb der Gitterlagen 21. Die mit Kleber versehenen Oberflächen des Kontaktklebebandes, welches die Membranen 24, 26 bildet, liegen an den nach außen weisenden Flächen der Gitterlagen 21 an und der Rand des Kontaktklebe bandes 24, 26 ist nahe dem Außenrand der Gitterlagen 21 an den über die Gitterlagen hinausreichenden Teilen der leitfä higen Schichten 16 und 18 festgeklebt. Sind also bei der Her stellung die Gitterlagen 21 auf die leitfähigen Schichten 16 und 18 aufgelegt, so wird nachfolgend das Kontaktklebeband 24, 26 über die Gitterlagen 21 gelegt, wodurch erreicht wird, daß die Gitterlagen 21 bestimmte Volumenteile der Umgebungsluft einschließen, so daß sich eine Vielzahl luftgefüllter Kammern 20 ergibt. In Abhängigkeit von einer Druckeinwirkung an den Außenflächen der Membranen 24 und 26 entsprechend den Pfeilen P, beispielsweise also in Abhängigkeit von Druck aufgrund der Druckwelle einer Schallwellenfront, wird das Volumen, welches in den Kammern 20 eingeschlossen ist, verringert, wodurch die eingeschlossene Luft verdichtet wird. Diese Verdichtung be wirkt, daß die Temperatur der Luft in den Kammern 20 ansteigt, wodurch sich die thermische Energie der Luft erhöht. Wenn um gekehrt der Druck P geringer als der Druck der Luft in den Kammern 20 ist, beispielsweise aufgrund desjenigen Druckes, welcher in der Verdünnungswelle einer Schallwellenfront anzu treffen ist, so wird das Volumen der eingeschlossenen Luft in den Kammern 20 vergrößert und die Luft expandiert, wodurch sich die thermische Energie in der Luft verringert. Die mechanische Schwingungsenergie, welche zur Verdichtung und zur Expansion Ider in den Kammern 20 befindlichen eingeschlossenen Luft ver wendet wird, ändert also in entsprechender Weise die thermi sche Energie in der Luft. Es sei ein Wandler 10 betrachtet, der als Umwandlungsfluidum ein Gas aufweist, wobei zum Zwecke der Untersuchungen angenommen sei, daß die Verdichtung und Ex pansion im wesentlichen adiabatisch erfolgt. Eine Änderung des Druckes ΔP ändert die Temperatur des Gases ΔT_g entspre chend folgender Gleichung:

ΔT_g/ΔP = [(γ - 1/γ)]T_o/P_o (1)

Hierhin ist γ das Verhältnis der spezifischen Wärme des Ga ses bei konstantem Druck (d. h. C_p)zu der spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Volumen (d. h. C_v); T_o ist die Umge bungstemperatur des Gases und P_o ist der Umgebungsdruck des Gases. Die Schwingungen der thermischen Energie, welche in Abhängigkeit von den Schallwellen erzeugt werden, erfahren eine Übertragung, vorliegend durch Wärmeleitung, auf das pyro elektrische Material 14 aus Polivinyliden-Fluorid-Polymer. Der Wärmetransport zwischen dem pyroelektrischen Material 14 und dem Gas des Umwandlungsmediums 12 ist eine Funktion der spezifischen Wärmen, der Dichten und der Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffes der Gitterlagen 21, des eingeschlossenen Ga ses 12 und des Polymerwerkstoffs 14. Es sei bemerkt, daß die Gitterlagen 21 nicht nur die Funktion einer Abstützung der Membranen 24 und 26 und eine Begrenzung der Luftkammern zum Einschluß des Gases darin erfüllen, sondern außerdem die Auf gabe erfüllen, die Wärmeleitung von dem eingeschlossenen Gas zu dem pyroelektrischen Material 14 zu erhöhen und als Wärme tauscherrippen zu wirken.

Es sei nun das pyroelektrische Material 14 näher betrachtet. Dieses Material entwickelt elektrische Ladungen an seinen gros sen Außenflächen in Abhängigkeit von einer Änderung der Tempe ratur des Materials 14, so daß ein entsprechender elektri scher Potentialunterschied (d. h., eine Spannung V_o) zwischen den Außenflächen des Materials 14 auftritt und somit die Span nung V_o zwischen den leitfähigen Schichten 16 und 18 abgegrif fen werden kann. Diese Spannung wird von dem Wandler 10 durch an die leitfähigen Schichten 16 und 18 angeschlossene Lei tungsdrähte 25 und 27 abgenommen, wobei die Leitungsdrähte durch leitfähige Klebebänder 29 und 31 in der dargestellten Weise an den leitfähigen Schichten befestigt sind. Die He ziehung zwischen einer Änderung der Temperatur ΔT_p des pyroelektrischen Materials 14 und der elektrischen Ladung, welche an den Außenflächen des pyroelektrischen Materials 14 je Flächeneinheit des Materials auftritt, kann durch die pyro elektrische Aktivitätskonstante oder den pyroelektrischen Koeffizienten des Materials angegeben werden. Dieser Koeffi zient p hat die Dimension Coulomb je Quadratmeter und je Temperaturänderung in Grad Kelvin. Die Spannung V_T, welche in Abhängigkeit von einer Temperaturänderung ΔT_p im pyro- elektrischen Werkstoff 14 erzeugt wird, kann somit folgender maßen angeschrieben werden:

V_T = p(ΔT_p)d/e (2)

Hierin ist d die Dicke des pyroelektrischen Materials 14 und e ist die Dielektrizitätskonstante des Materials.

Es sei bemerkt, daß das Polivinyliden-Fluorid-Polymer, wel ches zur Bildung der Schicht 14 verwendet wird, zusätzlich zu den pyroelektrischen Eigenschaften auch piezoelektrische Eigenschaften aufweist. Das bedeutet, es wird auch eine elektrische Ladung an den Außenflächen der Materialschicht 14 in Abhängigkeit von Änderungen der mechanischen Beanspru chung und der Spannungen im Polivinyliden-Fluorid-Material selbst erzeugt. Die elektrische Ausgangsspannung V_m in dem Material 14 aufgrund seiner piezoelektrischen, mechanischen Eigenschaften kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

V_m = d_hΔPd/e

Hierin ist ΔP die Druckänderung in Newton je Quadratmeter oder in Pascal an der Oberfläche des Polivinyliden-Fluorid- Materials 14 und d_h ist die hydrostatische Empfindlichkeit in Coulomb je Newton und ist gleich dem Ausdruck d_h = d₃₃ + d₃₁ + d₃₂, wle dies in einer Veröffentlichung "Piezo electricity in Polyvinylidene Fluoride" von G. M. Sessler, Journal of Acoustical Society of America, Band 70(6), Dezem ber 1981, Seiten 1596 ff. beschrieben ist. Vorliegend jedoch treffen die Schallwellen nicht unmittelbar auf das Poliviny liden-Fluorid-Material und werden durch Erzeugung eines elek trischen Ausgangssignals im wesentlichen entsprechend den piezoelektrischen Eigenschaften des Materials detektiert (d. h. das elektrische Ausgangssignal in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung und den Spannungen im Polivinyli den-Fluorid-Material resultiert unmittelbar aus dem Eintref fen der longitudinalen Verdichtungs- und Verdünnungswellen fronten der Schallwellen). Vielmehr wird das Energieumwand lungsmedium 12 als eine Zwischenschicht oder als ein Vermitt ler zwischen den Schallwellen und dem Polivinyliden-Fluorid- Material 14 eingesetzt, um die eintreffenden Schallwellen in entsprechende thermische Energie umzuwandeln. Das Material 14 erzeugt dann ein elektrisches Ausgangssignal im wesentlichen entsprechend den pyroelektrischen Eigenschaften des Materials 14 (d. h. ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit von Temperaturänderungen im Material 14 aufgrund der Verdichtungs und Verdünnungswellenfronten der Schallwellen, welche das Um wandlungsmedium 12 abwechselnd verdichten und expandieren, wo bei die hierdurch in dem Umwandlungsmedium entstehenden Tempe raturänderungen thermisch auf das Material 14 übertragen wer den).

In Abhängigkeit von eintreffender Schallenergie erzeugt also der Wandler 10 ein elektrisches Ausgangssignal V_o, das sowohl auf den piezoelektrischen Eigenschaften als auch auf den pyro elektrischen Eigenschaften des Materials 14 beruht. Das elek trische Gesamtausgangssignal V_o, das von dem Wandler 10 er zeugt wird, ist also die Summe der Ausgangsspannungen V_T und V_m entsprechend den oben angegebenen Gleichungen (2) und (3). Wie weiter unten jedoch gezeigt wird, führt die Temperatur änderung in dem Material 14 aufgrund der Wirkung des Energie umwandlungsmediums 12 zu einer größeren Ausgangsspannung als sie durch die unmittelbare Druckänderung hervorgebracht wird. Das bedeutet, die Ausgangsspannung V_T ist bedeutend größer als die Spannung V_m. Um diesen Effekt deutlich zu machen sei ein Beispiel näher betrachtet. In den durch die Gitterlagen 21 begrenzten Luftkammern 20 sei, wie oben angegeben, Luft eingeschlossen. Es sei hier jedoch angemerkt, daß auch andere Gase als Energieumwandlungsmedium in Frage kommen, ebenso wie bestimmte organische Flüssigkeiten und Elastomere. Wenn der Druck der Schallenergie als sich langsam ändernd angenommen wird, so kann davon ausgegangen werden, daß die Temperatur im pyroelektrischen Material 14 im wesentlichen dieselbe ist wie diejenige der umgebenden, in die Luftkammern eingeschlos senen Luft und es kann angenommen werden, daß die Temperatur des pyroelektrischen Materials 14 den Änderungen der Tempera tur der Luft folgt. Das Polivinyliden-Fluorid-Material 14 hat einen pyroelektrischen Koeffizienten p von 23 bis 27 Mikrocoulomb je Quadratmeter und je Grad Kelvin und eine sta tische piezoelektrische Spannungskonstante d_h von 15 bis 20 Picocoulomb je Newton. Das polymere Polivinyliden-Fluorid- Material 14 hat ein Empfindlichkeitsverhältnis von

Aus den Gleichungen 1, 2 und 3 ergibt sich unter der Annahme, daß das Gas und der pyroelektrische Werkstoff in thermischem Gleichgewicht sind, (d. h. ΔT_g ≈ ΔT_p), daß dasVerhältnis der Ausgangsspannung, welche vom Material 14 aufgrund der Tem peratur abnehmbar ist zur Ausgangsspannung, welche aufgrund des Druckes abnehmbar ist, folgendermaßen angeschrieben wer den kann

Hierin ist T_o die zu 300°K angenommene Raumtemperatur, P_o ist der atmosphärische Druck von 1 × 10⁵ Pascal und hat den Wert von 1,4 für Luft. Der außerordentlich große Verhältnis wert von 1700 zeigt, daß bei gleicher Dicke des Polivinylideu- Fluorid-Materials 14 dieses Material bedeutend druckempfind licher gemacht werden kann, wenn ein zwischengeschaltetes Um wandlungsmedium 12 verwendet wird, als wenn lediglich eine unmittelbare Detektierung des Druckes aufgrund der piezoelek trischen Eigenschaften des Polivinyliden-Fluorid-Materials erfolgt. Das Verhältnis V_T/V_m ist jedoch im allgemeinen etwas niedriger, da die Temperatur des Gases und die Temperatur des pyroelektrischen Materials nicht genau im thermischen Gleich gewicht sind, nachdem die in der Luft erzeugte Wärme chrak teristischerweise nicht genug Zeit hat, sich innerhalb jeder Periode der Schallschwingungen und der dadurch erzeugten Druck wellen in das pyroelektrische Material hinein zu übertragen. Trotzdem ist die auf dem pyroelektrischen Effekt beruhende Ausgangsspannung V_T über einen breiten Frequenzbereich größer als die auf dem piezoelektrischen Effekt beruhende Ausgangs spannung V_m. Fig. 3 zeigt experimentell ermittelte Daten zum Vergleich der elektrischen Ausgangsspannungen V_o und V_m von einer Schicht aus Polivinyliden-Fluorid unter Verwendung von Luft als Energieumwandlungsmedium 12 sowie auch ohne ein Um wandlungsmedium 12 über einen Frequenzbandbereich von vier Oktaven. Bei den Versuchen hatte die Polivinyliden-Fluorid- Schicht 14 eine Oberflächenabmessung von 10 cm × 20 cm, eine Dicke von 9 Mikrometer und eine pyroelektrische Konstante von 23 bis 27 Microcoulomb/m² ^oK. Die Gitterlagen 20 bestanden aus Kunststoff und wiesen 9,5 Maschen je cm auf. Der Kunst stoffdrahtdurchmesser betrug 0,3 mm und die Weite der Öffnun gen betrug 1,35 mm. Die Versuche wurden in der Weise durchge führt, daß ein Becher von 51 mm Durchmesser mit Öl gefüllt und der Wandler 10 in das Öl getaucht wurde, wobei das Öl das umgebende Gewässer simulierte. Der Becher mit dem Wand ler 10 wurde dann in eine luftgefüllte Kammer von 25 cm Durch messer eingeschlossen. Die lufterfüllte Kammer schloß dicht an einen Lautsprecher von 25 cm Durchmesser an, der sich in nerhalb der lufterfüllten Kammer befand. Der Lautsprecher wurde mittels eines Oszillators betrieben, der außerhalb der Kammer angeordnet war und die elektrischen Anschlußleitungen zu dem Wandler wurden mit einem Stromverstärker außerhalb der Kammer verbunden. Ein geeichtes Mikrophon befand sich eben falls in der Kammer und war elektrisch außerhalb der Kammer über Anschlußleitungen mit Meßeinrichtungen verbunden, um den Druck (vorliegend mit einem Nominalwert von 100 Pascal) in der lufterfüllten Kammer zu messen und eine normierte elektri sche Ausgangsspannung (Volt/Pascal) zu erhalten. Der normali sierte Ausgang des Wandlers 10 bei Verwendung von Luft als Umwandlungsmedium 12 ist in Fig. 3 durch die Kurve V_o darge stellt und der normalisierte Ausgang eines Wandlers ohne ein Umwandlungsmedium, d. h. der normalisierte Ausgang aufgrund von Schallwellen, welche unmittelbar auf das Polivinyliden- Fluorid-Material treffen, ist in Fig. 3 durch die Kurve V_m dargestellt. Das Experiment zeigte also, daß bei derselben Dicke des Polivinyliden-Fluorid-Materials 14 das elektrische Ausgangssignal, welches auf den pyroelektrischen Eigenschaf ten des Materials 14 beruht, ganz wesentlich größer als das elektrische Ausgangssignal ist, welches auf den piezoelektri schen Eigenschaften des Materials, vorliegend des Poliviny liden-Fluorids beruht.

Betrachtet man nun den Transport der Wärme von dem Gas zum pyroelektrischen Polymerwerkstoff, so zeigt es sich, worauf weiter unten noch näher eingegangen wird, daß nur eine ver hältnismäßig dünne Schicht des Gases und eine verhältnismäßig dünne Schicht des Polymers an dem Wärmeaustauschprozeß teil nehmen. Es sei auf die Fig. 4A und 4B Bezug genommen, um die dynamischen Vorgänge hinsichtlich der Wärmeenergie in dem Wandler 10 zur Bestimmung der optimalen Dicken für die Gas schicht und für die Schicht des Polivinyliden-Fluorid-Polymers zu untersuchen. Fig. 4A und Fig. 4B zeigen die Amplitude der oszillierenden Temperatur T normalisiert auf den Scheitelwert der Schwingung der Gastemperatur T_g als Funktion von der Dicke der Gasschicht, d. h. der Luft (δ_A) und als Funktion von der Dicke der Polivinyliden-Fluorid-Polymerschicht (δ_p). Die Trennfläche zwischen der Luft und dem Polivinyliden-Fluorid- Material wird durch die Vertikallinie 30 versinnbildlicht. Die Neigung der Kurve ist also proportional zum Wärmeübergang von dem Umwandlungsmedium Luft zu dem Polivinyliden-Fluorid- Material. Die Kurve in den Fig. 4A und 4B ist ein Ergebnis einer mathematischen Analyse der Wärmeströmung aufgrund ange nommener Druckschwingungen und oszillierender Temperaturände rungen und die Kurve zeigt, daß nur eine dünne Gasschicht und eine dünne Schicht des Polivinyliden-Fluorids am Wärmeübergangs vorgang teilnehmen. Die Temperaturverteilung ist in den Fig. 4A und 4H eingezeichnet, wobei eine Oberflächenschicht dicke oder "Skin-Tiefe" (d. h. T/T_g = 0,37) bei einer Nominal frequenz f von 100 Hz in Luft von 250 Micrometer und in Polivinyliden-Fluorid von 17 Micrometern vorliegt. Die Fig. 4A und 4B behandeln den Fall, daß nur eine einzige Trenn fläche zwischen Luft und Polivinyliden-Fluorid vorhanden ist. Bei der Konstruktion entsprechender Wandler sollte daher eine Luftschicht in einer Stärke der genannten Abmessung gewählt I werden. Werden dickere Luftschichten verwendet, so ergibt sich nur eine unwesentliche Verbesserung, da nur ein dünner Bereich nahe des Polivinyliden-Fluorid-Material die Möglichkeit hat, die hierin erzeugte Wärme auf das Polivinyliden-Fluorid zu übertragen. Andererseits aber sollte das Polivinyliden-Fluorid so dünn wie möglich (eventuell sogar dünner als die thermi sche Skin-Tiefe) gemacht werden, um die Wärmekapazität dieser Schicht minimal zu machen und dadurch maximale Temperaturän derungen in dieser Schicht zu erreichen. Für ein bestimmtes pyroelektrisches Material 14 kann eine Gütezahl FOM bei Ver wendung eines gasförmigen Umwandlungsmediums folgendermaßen angeschrieben werden:

FOM = [(γ - 1)/γ)][ρC_pK]^1/2 (4)

C_p ist hierin die spezifische Wärme des Gases, K ist die ther mische Leitfähigkeit des Gases und ρ ist die Dichte des Ga ses.

Anhand von Fig. 5 sei nun ein anderes Ausführungsbeispiel des hier angegebenen Wandlers beschrieben. Dieser hier mit 10' bezeichnete Wandler besitzt eine Schicht 14' aus polari siertem Polivinyliden-Fluorid-Material, welche mit elektrisch leitfähigen Schichten 16' und 18' belegt ist, wie dies oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 bereits angegeben wurde. Die Schicht 14' ist auf einer Seite zusammengefaltet, wobei in die Falte zwei übereinander gelegte Gitterlagen 21a und 21b eingelegt sind, wie dies aus Fig. 5 zu entnehmen ist. Eine dritte Gitterlage 21c ist außen um die Oberfläche der leitfähigen Schicht 18' herumgelegt. Schließlich ist die gesamte Anordnung in eine Membran in Ge stalt einer Kontaktklebefolie 24' eingeschlagen, welche auf die Außenfläche der dritten Gitterlage 21c aufgelegt ist und diese festhält und auch den gefalteten Aufbau der Polivinyli den-Fluorid-Schicht 14' in der dargestellten Weise fixiert, wobei die Ränder des Kontaktklebebandes 24' auf der linken Seite an den leitfähigen Schichten 16' und 18' befestigt sind. Auf diese Weise wird Luft in innere Kammern 20', wel che von der Gitterlage 21a und der leitfähigen Schicht 16' begrenzt werden sowie in äußere Kammern 20 eingeschlossen, welche von den Maschen der Gitterlage 21', dem Kontaktklebe band 24' und der leitfähigen Schicht 18' begrenzt werden. Das Energieumwandlungsmedium zur Umwandlung der einwirkenden me chanischen Energie in Form von Schallenergie in entsprechende thermische Energie ist also das Luftvolumen 12'. Die durch die Umwandlung entstandene thermische Energie wird dann durch das pyroelektrische Material 14' detektiert, wie dies im Zu sammenhang mit den Fig. 1 und 2 beschrieben wurde. Wird bei einer solchen Anordnung die leitfähige Schicht 18' geer det, so ergibt sich eine elektrisch geerdete Abschirmung rund um den aktiven Teil des Wandlers 10'. Das bedeutet, die geerdete Schicht 18' umgibt den größten Teil des Polivinyliden- Fluorid-Materials und auch die leitfähige Schicht 16'.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 6 schematisch abgebildet. Hier enthält der Wandler 10"eine Mehrzahl von vorliegend fünf Schichten aus metallisierten Polivinyliden- Fluorid-Lagen 14" a bis 14" e, welche durch Schichten 12" a bis 12" d des Energieumwandlungsmediums voneinander getrennt und durch ein Kontaktklebeband 24 " zusammengehalten sind. In der Darstellung ist die Polarität benachbarter Polivinyliden- Fluorid-Folien durch Pluszeichen und Minuszeichen angedeutet jeweils so gewählt, daß die elektrischen Ausgangssignale in Serie geschaltet werden, wodurch die Spannung erhöht wird, die von dem Wandler 10" abnehmbar ist. Während im vorlie genden Ausführungsbeispiel fünf Schichten gezeigt sind, ver steht es sich, daß eine größere Anzahl von Schichten gewählt werden kann und sich eine umso größere Ausgangsspannung des Wandlers erzielen läßt. Eine alternative Möglichkeit ist die Parallelschaltung, welche in dem in Fig. 7 gezeigten Wandler 10''' gewählt ist. Hierdurch läßt sich der abnehmbare Aus gangsstrom erhöhen und die elektrische Impedanz des Wandlers erniedrigen. Die metallisierte Polivinyliden-Fluorid-Schicht ist bei diesem Ausführungsbeispiel zu vier Schichtabschnitten 14'''a bis 14'''e zusammengefaltet, welche durch Schichten 12'''a bis 12'''d des Energieumwandlungsmediums in der darge stellten Weise voneinander getrennt und durch das Kontakt klebeband 24''' zusammengehalten sind.

Für bestimmte Anwendungsfälle ist ein koaxialer, drehtförmi ger Aufbau zweckmäßig, welcher in Fig. 8 gezeigt ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein Mittelleiter 16''' von einer Schicht 14''' aus Polivinyliden-Fluorid umgeben, welches wie derum einen äußeren Leiterbelag 18''' aufweist. Diese Anord nung ist von einer schlauchförmigen Schicht des Energieum wandlungsmediums umgeben, welches in Form von Luftvolumen vorliegt, die in Gewebemaschen eingeschlossen sind. Eine äuße re Röhre 32 dient zum Abschluß der gesamten Einheit in der dargestellten Weise. Die in den Kammern 20''' eingeschlossene Luft bildet also das Energieuwwandlungsmedium 12, welches auch im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 erwähnt wurde. Schließlich ist eine nochmals andere Ausführungsform in Fig. 9 gezeigt. Bei dieser Ausführungs form wird eine großflächige Lage von metallisierter Poli vinyliden-Fluorid-Folie 14''' spiralig auf gewickelt oder aufgerollt, wobei Gas, vorliegend Luft, von einer Gitterlage 21 zwischen den pyroelektrischen Lagen eingeschlossen wird und die gesamte Anordnung in einer Rohr 32' gekapselt ist. Die Polivinyliden-Fluorid-Folie wird zunächst etwa in der Mit te vor dem Aufwickeln zusammengefaltet, so daß einander be nachbarte pyroelektrische Lagen entgegengesetzte Polarisation aufweisen, welche jeweils durch Pluszeichen und Minuszeichen deutlich gemacht ist. Wenn sich die Elektrodenflächen zufäl lig an einer Stelle berühren, so tritt kein Kurzschluß auf, da diese Elektrodenflächen dann stets gleiches Potential be sitzen. Je mehr Windungen der Wickel hat, desto größer ist die elektrische Ausgangsleistung, da die Oberfläche der Poli vinyliden-Fluorid-Bahn ein Vielfaches der Oberfläche der Röhre beträgt.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Verwendung eines Energieumwandlungsmediums 12, beispielsweise der Luft in einen Wärmeübergang ermöglichender thermischer Kopplung mit einem Polivinyliden-Fluorid-Polymer dazu führt, daß dieses Polymer eine verhältnismäßig hohe elektrische Ausgangsspannung in Ab hängigkeit von eintreffenden oszillierenden mechanischen Kräf ten liefert. Auch ist festzustellen, daß dünne Schichten des Energieumwandlungsmediums und der pyroelektrischen Schicht an zustreben sind. Die optimalen Dicken hängen von den interes sierenden Frequenzen ab. Betrachtet man die Gütezahl FOM ge mäß Gleichung (4), so ergibt sich, daß bei Verwendung von He lium als Umwandlungsmedium die zu erwartenden Ergebnisse sich um den Faktor 2,5 erhöhen. Allgemein erfolgt die Auswahl des Umwandlungsmediums unter dem Gesichtspunkt der leichten Her stellung, der Kosten, der Langzeitstabilität des Mediums und der Arbeitsfrequenz. Gase ergeben charakteristischerweise einen größeren Wärmeübergang zum Polymer. Organische Flüssig keiten und Elastomere können aber in bestimmten Fällen auch gewählt werden. Sie weisen geringere Temperaturanstiege auf als die Gase, können jedoch die in ihnen erzeugte Wärme ra scher auf das Polymer übertragen, da sie eine größere Wärme leitfähigkeit besitzen. Die wichtigen physikalischen Parame ter für die Auswahl des Umwandlungsmediums sind sein Verhält nis der spezifischen Wärmen (γ) oder der Materialausdeh nungskoeffizient, die Dichte, die spezifische Wärme und die thermische Leitfähigkeit. Je größer diese Parameter sind, desto wirkungsvoller arbeitet das Energieumwandlungsmedium. Es sei außerdem noch bemerkt, daß die hier beschriebenen Wand ler typischerweise in eine flexible Hülle eingeschlossen sind, welche die Außenflächen des Wandlers umgibt, um ihn gegen den Angriff des Wassers, insbesondere des Meerwassers, zu schützen.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann eine Anzahl von Abwandlungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann in Anord nungen, in denen das Energieumwandlungsmedium zwischen einer flexiblen Membran 24 und einer Maschenschicht oder Gitter schicht 21 in Gestalt einzelner Gasvolumen eingeschlossen ist, die Maschenschicht weggelassen werden, wenn eine flexible Mem bran verwendet wird, welche ausreichende Formbeständigkeit be sitzt, um das betreffende Gas einzuschließen. In diesem Falle findet der Wärmetransport zum Polymer hin in erster Linie durch das eingeschlossene Gas allein statt. Während weiterhin die Gitterschicht 21 bei den beschriebenen Ausführungsbeispie len von einem Kunststoffgitter oder Kunststoffgewebe gebildet ist, können andere Werkstoffe, beispielsweise Metall mit verhältnismäßig hoher Wärmeleitfähigkeit zur Herstellung die ses Teiles des Wandlers verwendet werden.

Claims

1. Elektroakustischer Wandler mit Mitteln zur Bestimmung druck änderungsbedingter Temperaturänderungen in einem Material zur Feststellung der Druckänderungen

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ma terial ein pyroelektrisches Material ist.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Temperaturänderungen in der Weise erfolgt, daß eine Umwandlung der Druckänderungen in Änderungen der ther mischen Energie vorgenommen wird und ein elektrisches Ausgangs signal erzeugt wird welches im wesentlichen der Änderung der umgewandelten thermischen Energie entspricht.

4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Energieumwandlungmedium (12) zur Umwandlung der mechanischen Druckenergie in thermische Energie sowie durch ein mit diesem thermisch gekoppeltes und einen Wärmeübergang zulassendes Mate rial (14) zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales, wel ches im wesentlichen der umgewandelten thermischen Energie ent spricht.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Energieumwandlungsmedium (12) in thermischer Kopplung stehen de Material (14) ein pyroelektrisches Material ist oder ein sol ches Material enthält.

6. Wandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieumwandlungsmedium (12) sich in Abhängigkeit von ein treffenden Schallwellen entsprechend deren Verdichtungs- und Ver dünnungswellen verdichtet bzw. verdünnt und dadurch seine ther mische Energie erhöht bzw. erniedrigt und daß ein bzw. das pyro elektrische Material in thermischer Kopplung mit dem Energieum wandlungsmedium in entsprechender Weise seine Temperatur erhöht bzw. erniedrigt, wobei das pyroelektrische Material seine elek trische Ladungsverteilung im wesentlichen in Abhängigkeit von seinen Temperaturänderungen verändert und auf diese Weise ein elektrisches Signal entsprechend den Änderungen der elektrischen Ladungsverteilung erzeugt.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Energieumwandlungsmedium (12) ein Strömungsmittel, inbesondere ein komprimierbares Gas, ist.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das komprimierbare Gas in einem Raum oder in mehreren Räumen einge schlossen ist, welcher bzw. welche von einer flexiblen Membran und dem das elektrische Ausgangssignal erzeugenden Material mindestens teilweise begrenzt ist bzw. sind.

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem Raum bzw. in den Räumen, welcher bzw. welche das komprimier bare Gas enthält bzw. enthalten, wärmeleitendes Material befindet.

10. Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material die Gestalt eines Gewebes, Gitters oder einer Rippenanordnung oder Wabenanordnung hat.

11. Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das pyroelektrische Material einander gegenüber liegende Flächen mit entgegengesetzter Polarisation aufweist und derart zusammengefaltet ist, daß ein Teil des Energieumwandlungs mediums zwischen die gefalteten Lagen des pyroelektrischen Mate rials zu liegen kommt, so daß diese einander gegenüberliegenden Lagen an ihren Oberflächen gleiche Polarisation aufweisen.

12. Wandler nach einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch eine Vielzahl einander überlappender Lagen des pyroelek trischen Materials, welche jeweils zwischen sich Lagen des Ener gieumwandlungsmediums einschließen.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen pyroelektrischen Materials elektrisch in Reihe geschaltet sind.

14. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagen pyroelektrischen Materials zueinander elektrisch parallel geschaltet sind.

15. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das pyroelektrische Material zu einem spiraligen Wickel gerollt ist, wobei die Faltung im wesentlichen im Zentrum des Wickels liegt.

16. Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß das pyroelektrische Material und das Energieumwand lungsmedium zueinander koaxial angeordnet sind.