DE3732401A1 - Piezoelektrisches hydrophon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Hydrophon, insbesondere mit einem Hydrophonkörper und einem damit integrierten Überlastungsschutz.

Hydrophone mit druckempfindlichen Membranen und auf diese ansprechenden piezoelektrischen Einheiten sind be­ kannt. Derartige Einrichtungen sind beispielsweise in der US-PS 32 55 431, der US-PS 39 70 878 und in der norwegischen Patentanmeldung 8 43 743 (DE-OS 35 32 615 vom 17. März 1986) der Anmelderin angegeben. In der erstgenannten Patentschrift ist der Aufbau eines Hydrophons und die Anordnung der piezo­ elektrischen Einheit in einer Form angegeben, die im wesent­ lichen dem derzeitigen Stand der Technik bei Hydrophonen ent­ spricht. Diese Konstruktion hat aber den Nachteil, daß die piezoelektrische Einheit in dem Hydrophon nicht wirksam vor den Umgebungseinflüssen geschützt ist. Dabei kann das Hydro­ phon in einem flüssigkeitsgefüllten Schwimmkabel angeordnet sein oder direkt mit dem Seewasser in Berührung stehen. Ein schwerwiegendes Problem bei Hydrophonen ist die Kabeldurch­ führung, die insbesondere unter Druckbelastung undicht wer­ den kann.

Die in der US-PS 39 70 878 angegebene Konstruktion eines Hydrophons beruht auf demselben Prinzip wir die Kon­ struktion nach dem soeben beschriebenen Patent, doch ist großer Wert auf eine einwandfreie Abdichtung des Hydrophon­ körpers gelegt worden, so daß keine Flüssigkeit eintreten und mit den piezoelektrischen Einheiten in Berührung gelan­ gen kann. In der US-PS 39 70 878 sind spezielle Maßnahmen zum Schutz vor einem Undichtwerden der Drahtdurchführung an­ gegeben. Ferner ist angegeben, daß das Hydrophon dadurch vor einem Überdruck geschützt werden kann, daß in dem Hydrophon­ körper zwischen den Membranen ein Abstandhalter aus Kunst­ stoff angeordnet wird, der externe Druckbelastungen aufnimmt und eine Verformung und einen Bruch der Membranen und der darauf montierten piezoelektrischen Einheiten verhindert.

Eine verbesserte und einfachere Konstruktion eines Hydrophons ist in der norwegischen Patentanmeldung 8 43 743 (DE-OS 35 32 615) angegeben. Auch diese Konstruktion be­ ruht auf den im Stand der Technik bei Hydrophonen bekannten Grundsätzen und bezweckt insbesondere eine Miniaturisierung und eine hohe Betriebssicherheit. Dabei ist ferner die Ent­ wicklung der Signalverarbeitungstechnik bei der seismischen Erforschung des Meeresbodens berücksichtigt worden. Außerdem sind die Hydrophone vor einer Überlastung durch druckauf­ nehmende Elemente geschützt, die in dem Hydrophonkörper mon­ tiert sind und die Membranen vor einem Überdruck schützen.

Die allgemeinen Merkmale von Hydrophonen für seismische Untersuchungen gehen aus den drei vorgenannten Druckschriften hervor.

Im Gebrauch der bekannten Hydrophone für den ge­ nannten Zweck treten jedoch verschiedene Nachteile auf. Zu­ nächst besteht der Hydrophonkörper aus mehreren Teilen. Ob­ wohl jene dieser Teile, die mit dem umgebenden Medium in Berührung kommen, aus korrosionsfesten und seewasserbestän­ digen Werkstoffen bestehen, führt die Anwendung der bekann­ ten Fügeverfahren zu einer Konstruktion mit Schwachstellen. Beispielsweise werden durch die angewendeten Schweiß- und Hartlötverfahren die Werkstoffe derart beeinträchtigt, daß in dem Hydrophonkörper thermische oder korrosionsfördernde Spannungen auftreten, die nach einer langen Gebrauchsdauer zu einer Zerstörung des Hydrophons führen können. Ferner kann es schwierig sein, in dem angegebenen Verfahren Hydro­ phone von gleichbleibender, vorherbestimmbarer Qualität her­ zustellen.

Die Abdichtung der Drahtdurchführung ist nicht nur von den verwendeten Werkstoffen abhängig, sondern auch von den zum Abdichten angewendeten Verfahren, wie Schweißen oder Hartlöten, bei denen die vorgenannten Probleme ebenfalls auftreten. Schließlich kann die Qualität des fertigen Hydro­ phons auch von der Reihenfolge abhängen, in der die Schritte des Herstellungsverfahrens durchgeführt werden.

Es wurde schon gesagt, daß es bekannt ist, die Membranen und die piezoelektrischen Einheiten des Hydrophons vor einem Überdruck zu schützen, so daß sie nicht durch eine Verformung beschädigt werden, wenn beispielsweise das Schwimm­ kabel aus irgendeinem Grunde in eine größere als die derzeit für Schwimmkabel übliche Wassertiefe von bis zu 50 bis 100 m gelangt. Die bekannten Überlastungsschutzeinrichtungen ermög­ lichen jedoch nicht den Betrieb der Hydrophone in größeren Tiefen, weil in diesem Fall die Membranen nicht frei schwin­ gen können.

In zukünftigen seismischen Untersuchungen, insbe­ sondere in großen Meerestiefen, wäre ein Arbeiten in großen Wassertiefen bis zu 1000 m sehr erwünscht. Es stellt sich daher die Frage, wie ein Hydrophon für einen Betrieb in einer Tiefe im Bereich von beispielsweise 200 bis 270 m konstruiert werden kann. Man könnte dann Hydrophone für die Verwendung in verschiedenen Wassertiefen konstruieren und ebenso ent­ sprechende Schwimmkabel für die Verwendung in den angegebe­ nen Tiefenbereichen herstellen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung eines Hydrophons, das auf den allgemein bekannten Grundsätzen hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebes von piezoelektrischen Hydrophonen beruht und das so ausgebil­ det ist, daß bei einfachem Aufbau und bei Verwendung einer möglichst geringen Anzahl von Teilen und Werkstoffarten die Teile derart miteinander verbunden sind, daß durch die Druck­ beaufschlagung des Hydrophons dessen Qualität und dessen Betriebseigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Ferner sollen zweckmäßig korrosionsfeste und seewasserbeständige Werkstoffe verwendet werden und sollen die Drahtdurchführun­ gen lecksicher sein. Außerdem ist die Schaffung eines Hydro­ phons erwünscht, das in einem Druckbereich vom Vakuum bis etwa 100 bar überlastungsgeschützt ist und das bei einer be­ sonderen Konstruktion für einen Betrieb in definierten Tie­ fenbereichen mit einer Stufung von beispielsweise 50 bis 100 usw. bis zu Tiefen von etwa 1000 m verwendet werden kann. Diese Aufgaben werden durch ein Hydrophon und ein zu seiner Herstellung dienendes Verfahren mit den in den Patentan­ sprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.

Nachstehend wird der Erfindungsgegenstand an­ hand eines in der Zeichnung dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 im Radialschnitt ein Hydrophon gemäß der Erfindung und

Fig. 2 in Draufsicht das Hydrophon nach Fig. 1.

Der in der Zeichnung mit 1 bezeichnete Hydrophon­ körper gemäß der Erfindung kann beispielsweise die Form einer Scheibe haben, die während des Herstellungsverfahrens so verformt wird, daß sie einen gegenüber dem Rand vertieften mittleren Bereich hat. In der in Fig. 1 gezeigten, bevor­ zugten Ausführungsform war die Scheibe zunächst zylindrisch. Man kann ferner im mittleren Bereich einen ununterbrochenen Teil durch Fräsen oder Drehen entfernen, so daß am Rand der Scheibe auf einer Seite des mittleren Bereiches eine ununter­ brochene Nut 2 erhalten wird. Auf diese Weise kann man das Gewicht der Hydrophonanordnung vermindern. Im mittleren Be­ reich ist die Scheibe zwischen ihrem Mittelpunkt bzw. der Mittellinie des Hydrophonkörpers und dem Rand der Scheine von einer Öffnung 3 durchsetzt. Der Hydrophonkörper ist an seinem Rand mit einer radialen Öffnung ausgebildet, die zu der Öffnung 3 im mittleren Bereich 1 a führt. Der ganze Hydro­ phonkörper 1 einschließlich des mittleren Bereiches 1 a ist einstückig. Vorzugsweise verwendet man als Werkstoff eine korrosionsfeste und seewasserbeständige Legierung, z. B. nichtrostenden Stahl oder eine Titanlegierung, wie sie in der Technik bekannt sind. Der Hydrophonkörper 1 ist auf bei­ den Seiten mit je einer Membran 4 a bzw. 4 b abgeschlossen, auf der mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebstoffes eine piezoelektrische Einheit 5 a bzw. 5 b montiert ist. An den piezoelektrischen Einheiten 5 a, 5 b sind Anschlußdrähte 6 be­ festigt, die in der genannten radialen Öffnung oder Durch­ führungsöffnung in einem darin angeordneten Röhrchen 8 ver­ legt und in einen Glaskörper 7 eingeschmolzen sind. Der Glas­ körper 7 und das Röhrchen 8 sind in einer ringförmigen Buch­ se 9 a montiert, die durch Hartlöten mit dem Hydrophonkörper in bekannter Weise verbunden ist. Das Röhrchen 8 kann bei­ spielsweise aus "Kovar" bestehen. Um das Anlöten von Kabeln, beispielsweise eines Erdungskabels, an den Hydrophonkörper 1 zu erleichtern, kann an diesem beispielsweise eine Lötfahne 9 b vorgesehen sein, die beispielsweise mit der Buchse 9 a ein­ stückig sein kann, aber auch einen eigenen Teil bilden und anders als hier dargestellt, ausgebildet sein kann.

Zwischen dem ein erstes Überlastungsschutzelement bildenden, mittleren Bereich 1 a und den Membranen 4 a, 4 b sind Isolierelemente 10 a, 10 b montiert, die aus einer Kunststoff­ folie bestehen und dazu dienen, einen Kurzschluß zu verhin­ dern, wenn die Membranen 4 a, 4 b und die darauf vorgesehenen piezoelektrischen Einheiten 5 a, 5 b infolge eines von außen einwirkenden Überdruckes derart verformt werden, daß sie mit dem mittleren Bereich 1 a in Berührung gelangen, der das erste Überlastungsschutzelement bildet. Im Abstand auswärts von den Membranen 4 a, 4 b sind zweite Überlastungsschutzele­ mente im Abstand von den Membranen 11 a, 11 b am Rand des Hydro­ phonkörpers 1 befestigt. Jedes dieser zweiten Überlastungs­ schutzelemente 11 a, 11 b besteht aus einem perforierten Blatt, durch das Schalldruckwellen fast ungedämpft hindurchtreten können. Die Membranen 4 a, 4 b und die zweiten Überlastungs­ schutzelemente 11 a, 11 b sind mit dem Hydrophonkörper 1 a durch Schweißnähte 12 verbunden. Eine mögliche Anordnung der Perforationslöcher 13 in den äußeren Überlastungsschutz­ elementen 11 a, 11 b geht am besten aus der Fig. 2 hervor, in der die Perforationslöcher längs des Randes des Hydrophon­ körpers einen Kranz bilden.

Bei der Herstellung des Hydrophons gemäß der Er­ findung werden die einzelnen Teile miteinander durch die nachstehend näher erläuterten Verfahren verbunden. Wie vor­ stehend bereits erläutert wurde, wird an dem Hydrophonkörper 1 ein ringförmiges Metallelement befestigt, das aus der Buch­ se 9 a besteht, das den Glaskörper oder den Verschluß 7 trägt, und wird ferner das den Leiter führende Röhrchen 8 angelötet. Da der Hydrophonkörper 1 jetzt noch nicht durch die Membra­ nen 4 a, 4 b abgeschlossen ist, können nach dem Lötvorgang noch vorhandene Lötmittel- oder Lotreste leicht entfernt werden, so daß sie keine Korrosion bewirken können. Dann werden die mit den piezoelektrischen Einheiten 5 a, 5 b versehenen Membra­ nen 4 a, 4 b durch Laserstrahlschweißen an dem Hydrophonkörper 1 befestigt. Da beim Schweißen keine metallischen oder sonsti­ gen Zusatzwerkstoffe verwendet werden, verschmelzen beim Laserschweißen die Metalle miteinander. Dank der Verwendung von Laserstrahlen zum Schweißen genügen kurze Schweißzeiten und wird an der Schweißstelle eine hohe Energiedichte er­ zielt, so daß beim Aufschmelzen an der Schweißstelle im we­ sentlichen keine Wärme auf den benachbarten Werkstoff über­ tragen wird und die dabei erzeugte Wärme auf die eigentliche Schweißstelle beschränkt ist. Infolgedessen wird eine Wärme­ übertragung auf den Hydrophonkörper, die Membranen und die piezoelektrischen Einheiten vermieden, so daß diese Teile nicht durch Wärmespannungen oder andere thermische Belastun­ gen geschädigt werden können. In der Praxis kann erreicht werden, daß unmittelbar nach dem Verschmelzen der Teile die Temperatur an der Schweißstelle so niedrig ist, daß die Schweiß­ stelle mit dem Finger berührt werden kann. Da für das Laser­ strahlschweißen kein Zusatzwerkstoff benötigt wird, fallen auch keine Zusatzwerkstoffrückstände an, die zu einer Be­ schädigung zu einem Korrosionsangriff an den verschweißten Teilen führen könnten. Die zweiten Überlastungsschutzelemente 11 a, 11 b werden ebenfalls durch Laserstrahlschweißen an dem Hydrophonkörper 1 befestigt. Auch dabei ist der Hydrophon­ körper noch nicht abgeschlossen, weil das Durchführungs­ röhrchen 8 noch nicht geschlossen ist. Zum endgültigen Ab­ schluß des Hydrophonkörpers wird das Röhrchen 8 beispiels­ weise mit Zinn zugeschmolzen.

Das Laserstrahlschweißen hat den Vorteil, daß alle geschweißten Teile aus demselben Werkstoff bestehen. Dieser Werkstoff muß daher für das Laserstrahlschweißen ge­ eignet sein. Zu den bekannten Werkstoffen dieser Art ge­ hören verschiedene hochwertige Legierungen. Vorzugsweise wer­ den für den Hydrophonkörper 1, die Membranen 4 a, 4 b und die zweiten Überlastungsschutzelemente 11 a, 11 b nichtrostender Stahl, Titanlegierungen und andere laserstrahlschweißbare, korrosionsfeste und seewasserbeständige Legierungen von ho­ her Festigkeit verwendet.

Das Laserstrahlschweißen wird vorteilhafterweise in einer Druckkammer durchgeführt, in der das Hydrophon bzw. seine voneinander noch getrennten Teile angeordnet und mani­ puliert werden. Der Laserstrahl tritt in die Druckkammer von außen durch ein Fenster ein. Das Schweißen und Abschließen können in der Schweißkammer in einer gesteuerten Atmosphäre und unter Druck durchgeführt werden. Wenn der endgültige Ab­ schluß des Hydrophons beispielsweise mit einem Laserstrahl unter einem gegebenen Druck in einer Druckkammer erfolgt, herrscht im Innern des abgeschlossenen Hydrophons derselbe Druck. Auf diese Weise kann man ein Hydrophon herstellen, in dem ein solcher Innendruck herrscht, daß es in größeren Wassertiefen verwendet werden kann, als es bisher möglich war. Infolgedessen kann man bei Einstellung eines entsprechen­ den Druckes in der Druckkammer Hydrophone herstellen, die in Wassertiefen von bis zu etwa 1000 m verwendet werden können, während bisher nur eine Wassertiefe von 50 bis 100 m möglich war. Der Arbeitsbereich des Hydrophons wird durch das Maß bestimmt, in dem die Membranen 4 a, 4 b zwischen den Überla­ stungsschutzelementen 1 a, 11 a, 1 b, 11 b frei auslenkbar sind. Durch die Einstellung geeigneter Überdrücke und die geeig­ nete Ausbildung der Membranen und der Überlastungsschutz­ elemente kann man den Arbeitsbereich zwischen dem Meeres­ spiegel und einer Wassertiefe von 1000 m mit einer Tiefen­ stufung von etwa 50 bis 100 m beliebig wählen.

Man erkennt, daß das erste Überlastungsschutz­ element 1 a das Hydrophon vor einem externen Überdruck schützt, wenn die Wassertiefe größer ist als die vorgegebene Arbeits­ tiefe des Hydrophons, weil eine zerstörende Verformung der Membranen 4 a, 4 b und der darauf montierten piezoelektrischen Einheiten 5 a, 5 b verhindert wird. Die zweiten Überlastungs­ schutzelemente 11 a, 11 b gewährleisten einen Schutz der Membranen und der piezoelektrischen Einheiten vor einer zerstörenden Verformung durch den in der Druckkammer erzeug­ ten Innendruck in dem Hydrophonkörper bei Wassertiefen, die kleiner sind als die vorgegebene Arbeitstiefe des Hydrophons und schützen natürlich das Hydrophon auch bei seiner Mani­ pulation außerhalb der Druckkammer und unter dem normalen atmosphärischen Druck vor der Wirkung des inneren Über­ druckes.

Die Öffnung 3 in dem Überlastungsschutzelement 1 a bzw. dem mittleren Bereich des Hydrophonkörpers kann nicht nur zum Festlegen der zu den piezoelektrischen Einheiten führenden Anschlußdrähte dienen, sondern auch für die Be­ festigung von mikrominiaturisierten elektronischen Einrich­ tungen, die zum Verstärken oder Verarbeiten der Meßsignale bestimmt sind.

Es versteht sich, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Abänderungen des beschriebenen Ausführungsbei­ spiels möglich sind.

Claims (9)

1. Piezoelektrisches Mikrophon mit einem Hydrophon­ körper, mit druckempfindlichen Membranen, mit auf diesen mon­ tierten piezoelektrischen Einheiten, zu denen elektrische Anschlüsse durch eine Durchführung in einer Öffnung des Hydro­ phonkörpers führen, sowie mit einem ersten Überlastungsschutz­ element, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydrophonkörper und das erste Überlastungsschutzelement miteinander einstückig sind.

2. Hydrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß auf jeden Seiten des Hydrophonkörpers auswärts über der Membran ein zweites Überlastungsschutzelement montiert ist.

3. Hydrophon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Überlastungsschutzelement zum Schutz der Membranen und der piezoelektrischen Einheiten vor einem externen Überdruck geeignet ist und daß das zweite Überlastungsschutzelement zum Schutz der Membranen und der piezoelektrischen Einheiten vor einem internen Überdruck ge­ eignet ist.

4. Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydrophonkörper, die Membra­ nen und das zweite Überlastungsschutzelement aus ein und demselben Werkstoff bestehen, beispielsweise aus nicht­ rostendem Stahl oder einer Titanlegierung, wobei dieser Werk­ stoff vorzugsweise korrosionsfest, seewasserbeständig und laserstrahlschweißbar ist.

5. Hydrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung für die elektri­ schen Anschlüsse ein vorzugsweise aus "Kovar" bestehendes Röhrchen umfaßt, das in Glas eingeschmolzen und zum dichten Abschluß der Durchführungsöffnung geeignet ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Hydrophons nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den darauf montierten piezoelektrischen Einhei­ ten versehenen Membranen an dem Hydrophonkörper durch Schmelz­ schweißen mit einem Laserstrahl ohne Zusatzwerkstoff be­ festigt werden, daß zum endgültigen Abschluß des Hydrophon­ körpers das Röhrchen der Durchführung zugeschmolzen wird und daß das zweite Überlastungsschutzelement ebenfalls durch Laserstrahlschweißen an dem Hydrophonkörper befestigt wird.

7. Verfahren zum Herstellen eines Hydrophons nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß das Laserstrahl­ schweißen und der beispielsweise mit einem Laserstrahl be­ wirkte, endgültige Abschluß des Hydrophonkörpers in einer Druckkammer durchgeführt werden.

8. Verfahren zum Herstellen eines Hydrophons nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der endgültige Ab­ schluß des Hydrophonkörpers unter einem Druck bewirkt wird, der der Wassertiefe entspricht, in der das Hydrophon verwen­ det werden soll.

9. Verfahren zum Herstellen eines Hydrophons nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Druckkammer ein Druckmedium vorzugsweise in Form eines Inertgases oder nichtreaktionsfähigen Gases oder eines entsprechenden Gas­ gemisches verwendet wird.