DE1105210B - Elektromechanischer UEbertrager fuer hochfrequente Druckwellen in Stroemungsmitteln - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft elektromechanische Übertrager zur Erzeugung und zum Empfang von Schallwellen in Strömungsmitteln. Der Ausdruck »Schallwellen« soll Wellen mit Frequenzen sowohl oberhalb des Hörbereiches als auch innerhalb desselben einschließen.

Elektromechanische Übertrager, die für Schall- und Ultraschallfrequenzen unter Wasser eingesetzt werden, sind bekannt und bestehen im allgemeinen aus einem festen, elektrisch empfindlichen Werkstoff, der sich ausdehnt und zusammenzieht, wenn er einem magnetischen oder elektrischen Wechselfeld unterworfen wird, und der bei seiner Arbeitsfrequenz mechanische Resonanz hat oder in Resonanznähe liegt. Die bisher verwendeten Werkstoffe sind verhältnismäßig starr und schwingen mit sehr kleiner Amplitude, obgleich sie dabei verhältnismäßig große Kräfte erzeugen. Auch weisen sie einen hohen mechanischen Schallwiderstand auf, welcher von den Schallwiderständen von Flüssigkeiten verschieden ist. Bei unmittelbarer Ankopplung an die Flüssigkeiten haben sie einen unerwünscht niedrigen Übertragungswirkungsgrad.

Da bei Übertragern eine vollkommene Anpassung des Schallwellen Widerstandes bei mechanisch auf Resonanz arbeitenden Übertragern allgemein unerwünscht ist, hierbei jedoch der Wirkungsgrad der Umwandlung der elektrischen Energie innerhalb des Übertragers verringert wird, liegt die Aufgabe vor, den mechanischen Widerstand zu steuern.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bereits Übertrager für hochfrequente Druckwellen in Strömungsmitteln bekannt geworden, bei denen zwischen einem elektromechanisch empfindlichen, zur Ausdehnung und Zusammenziehung in Längsrichtung befähigten, mit einer Stirnfläche von entsprechender Größe versehenen Körper und einer auf der Stirnfläche mit einem Abstand angeordneten, eine entsprechend große vordere Arbeitsfläche aufweisenden Membran ein eine Bewegungsumformung ermöglichendes und den Körper und die Membran verbindendes Übertragungsglied angeordnet ist.

Diese Übertrager weisen aber den Mangel auf, daß sich die Membran durchbiegt und nicht alle ihre Abschnitte wie ein starres Teil zusammen schwingen, weil die Membran leicht sein soll und eine vollkommene Steifigkeit nicht zu erzielen ist.

Dieser Mangel wird gemäß der Erfindung dadurch beseitigt, daß dieses Übertragungsglied eine Mehrzahl sich nebeneinander erstreckender Arme besitzt, die in der Nähe ihrer vorderen Enden ineinander übergehen und von denen jeder sich von einem größten Querschnitt an jedem Ende aus zu einem Halsteil mit •kleinstem' Querschnitt verjüngt und jeder dieser Halsteile zwischen den Enden im wesentlichen Elektromechanischer Übertrager

für hochfrequente Druckwellen

in Strömungsmitteln

Anmelder:

The Bendix Corporation,
New York, N, Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. H. Negendank_r Patentanwalt,
Hamburg 36, Neuer Wall 41

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. Mai 1954

Leon Walton Camp, Glendale, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

näher an dem vorderen als an dem hinteren Ende liegt.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen einiger Ausführungsbeispiele hervor.

Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Magnetostriktions-Übertragers,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Fig. 1, von einer der beiden Seiten gesehen,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,

Fig. 4 eine Seitenansicht einer anderen Ausführung des Schalltrichters,

Fig. 5 eine Seitenansicht der Fig. 4, von einer der beiden Seiten gesehen,

Fig. 6 ein Schnitt nach Linie VI-VI der Fig. 4,

Fig. 7 ein schematisches Schaubild, welches eine Mehrzahl von Einheiten gemäß der Fig. 1 für Beschallungsreinigung darstellt, und

Fig. 8 ein schematisches Schaubild, welches die Verwendung einer Mehrzahl von Übertragerelementen in einem Unterwasserübertrager darstellt.

In den Fig. 1 und 2 ist ein Übertragerelement 10 dargestellt, das einen elektromechanisch ansprechenden Körper 11 besitzt, dessen Stirnfläche Ho mit dem rückwärtigen Ende eines die Bewegungen übertragenden Gliedes 12 verbunden ist, dessen vorderer Teil eine schallabsorbierende oder schallabstrahlende Membran oder Wand 13 darstellt.

109577/105

Der Körper 11 ist, wie'dargestellt, ein aus Nickellamellen 11 b bestehender Magnetostriktions-Schwingkörper mit einer Wechselstromwicklung 14 und einer Gleichstromvormagnetisierungswicklung 15. Der Magnetostriktions-Schwingkörper kann mit seiner Stirnfläche 11 α unmittelbar mit dem Schallübertragungsmedium gekoppelt sein.

Das die Bewegung übertragende Glied 12 besteht vorzugsweise aus Metall und kann unmittelbar an die Fläche 11 α angelötet oder- angeschweißt sein, so daß es fest damit verbunden ist.

Das Glied 12 ist in Längsrichtung in zwei Arme oder Hörner 12 a, 12 a unterteilt, welche über ihre ganze Länge einen Rechteckquerschnitt aufweisen (Fig. 3), sich aber allmählich von einem größten Querschnitt an einem nahe dem Stirnteil gelegenen Hals verjüngen. Vor diesem Halsteil erweitert sich jeder Arm stetig jedoch sehr schnell zu der Membran oder Wand 13., welche nur eine wenig kleinere Querschnittsfläche als die Fläche 11 α aufweist, wie aus der Zeich- nung zu ersehen ist.

Mit dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau lassen sich verschiedene Arten von Schwingungen in Abhängigkeit von der Erregungsfrequenz erreichen.

Ein Magnetostriktionselement entsprechend dem Element 11 ist, da es üblicherweise für eine einzige Anwendung vorgesehen ist, so lang wie die halbe Wellenlänge ausgeführt; unter diesen Voraussetzungen schwingt es mit größtmöglicher Bewegung an seinen entgegengesetzt liegenden Enden und mit einer kleinsten Bewegung in einer zwischen den Enden gelegenen Ebene.

Wenn die gesamte Länge des Übertragers 10 von der Ebene R der rückwärtigen Fläche bis zur Ebene U der Stirnfläche eine halbe Wellenlänge beträgt, wird das Element in gleicher Weise an seinen Enden eine maximale Bewegung und in einer zwischen seinen Enden gelegenen Ebene eine minimale Bewegung ausführen. Dieses ist seine niedrigste oder Grundarbeitsfrequenz.

Ein Vorteil dieses Aufbaues liegt darin, daß der Übertrager auch bei seiner doppelten Grundfrequenz wirkungsvoll arbeitet; unter diesen Bedingungen ist die Gesamtlänge des Übertragers eine Wellenlänge. Wenn die Gesamtlänge eiiie Wellenlänge ist, tritt die Maximalbewegung an den Außenenden in den Ebenen R und U und in einer in der Mitte gelegenen Ebene T auf, und die Minimalbewegung ergibt sich in zwei mitten zwischen den Ebenen R und T bzw. T und U gelegenen Ebenen.

Es sei weiter darauf hingewiesen, daß es möglich ist, daß der Körper 11 und das Übertragungsglied 12 anstatt mit zwei mit vier Hörnern oder Armen 12 b versehen ist. Die Vergrößerung der Anzahl der Arme bewirkt eine bessere Verteilung der Antriebskraft auf der Stirnwandund erleichtert das gleichphasige Schwingen aller Abschnitte der'Stirnwand. Das Ausmaß der Unterteilung des Armes hängt in jedem besonderen Falle von der verwendeten Wellenlänge oder Frequenz und von der Fläche der Membran ab.

Fig. 7 zeigt eine Anordnung von Übertragern gemäß der Erfindung zur Reinigung einer Platte, z. B. einer großen Glasplatte. Im vorliegenden Falle wird die Platte 19 an einer Reihe von schematisch dargegestellten Übertragern 10 vorbeigeführt, von denen jeder einen Bewegungsumformer aufweist, der etwa denjenigen in den Fig. 1, 2 und 3 dargestellten Gliedern 12 ähnlich ist. Die Vibrationsflächen 13 der Übertrager 10 sind in einer gemeinsamen Ebene sehr dicht an dem Bewegungsweg der Platte 19 angeordnet und in eine Flüssigkeit 16 auf der Platte eingetaucht. Der Flüssigkeit 16 können intensive Druckwellen, welche ein Reinigen der Platte bewirken, erteilt werden.

In einem solchen System, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, ist das Zusammenarbeiten zwischen jeder Stirnwand 13 und der Platte 19 unabhängig von den anderen, und es ist nicht notwendig, daß sie miteinander in Phase liegen.

Fig. 8 zeigt die Anwendung der Erfindung auf einen Unterwasserübertrager. Hier ist eine Mehrzahl von Elementen 20 in einer Reihe innerhalb eines Gehäuses 17 angeordnet, wobei dieses Gehäuse 17 ein Schallfenster 18 aufweist, an welches die Stirnwände 13 der Elemente 20 anliegen.

In diesem Beispiel ist jedes Element 20 als ein titanathaltiger Keramikkörper 21 dargestellt, der mit seiner Stirnfläche mit einem die Bewegung umformenden Glied 22 in Verbindung gebracht ist, wobei der Körper 21 in seiner Form dem Glied 12 in Fig. 1 im großen und ganzen ähnlich ist.

Der Keramikkörper 21 besitzt einen dünner gemachten Mittelteil, an dessen einander gegenüberliegenden Seiten Elektroden 23 angelegt sind. Das die Bewegung umformende Glied 22 kann aus Metall oder einem geeigneten nichtmetallischen Werkstoff mit verhältnismäßig guter Zugbeanspruchung und Elastizität sein.

Da es unter Umständen nicht möglich ist, mit einem titanhaltigen Keramikteil eine so feste Verbindung wie mit einem metallischen Werkstoff herzustellen, kann das Schwingelement 20 vorzugsweise mit der Frequenz seiner ersten Harmonischen erregt werden, so daß die Verbindung zwischen dem Körper 21 und dem Übertragungsglied 22 in die Nähe der Ebene der geringsten Beanspruchung, d. h. in einen Schwingungsknoten, zu liegen kommt.

Da die Stirnwände 13 mit dem Schallfenster 18 verbunden sind, werden die Einheiten oder Elemente 20 teilweise durch die Stirnwände getragen. Ein zusätzlicher Halt kann durch einen Rahmen 24 in dem Gehäuse vorgesehen werden, an dem die Übertragungsglieder 22 in oder in der Nähe ihrer Schwingungsknoten befestigt sind. Dazu können an den Übertragungsgliedern 22 Flansche oder Ohren 25 ausgebildet und mittels Schrauben an dem Rahmen 24 befestigt sein. Die Elektroden 23, 23 jedes Elementes sind nach der Darstellung mit denen der anderen Elemente parallel geschaltet und an die Leiter eines Kabels 26 angeschlossen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Übertrager für hochfrequente Druckwellen in Strömungsmitteln, bei dem zwischen einem- elektromechanisch empfindlichen, zur Ausdehnung und Zusammenziehung in Längsrichtung befähigten, mit einer Stirnfläche von entsprechender Größe versehenen Körper und einer von der Stirnfläche mit einem Abstand angeordneten, eine entsprechend große vordere Arbeitsfläche aufweisenden Membran ein eine Bewegungsumformung ermöglichendes und den Körper und die Membran verbindendes Übertragungsglied angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Übertragungsglied eine Mehrzahl sich nebeneinander erstreckender Arme (12 α) besitzt, die in der Nähe ihrer vorderen Enden ineinander übergehen und von denen jeder sich von einem größten Querschnitt an jedem Ende aus zu einem Halsteil mit kleinstem Querschnitt verjüngt und daß jeder dieser Halsteile zwischen den Enden im wesent-

lichen näher an dem vorderen (13) als an dem hinteren Ende liegt.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme (12 a) aus einem Stück gebildet sind und in der Nähe ihrer hinteren Enden ineinander übergehen.

3. Übertrager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (11), die Stirnwand (13) und die Arme (12 a) durchweg einen rechteckigen Querschnitt aufweisen.

4. Übertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Länge des Körpers (11) als auch die des Übertragungsgliedes (12) ein Viertel der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz betragen.

ίο

5. Übertrager nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Länge des Körpers (11) als auch die des Übertragungsgliedes (13) gleich der halben Länge der Arbeitsfrequenz sind.

6. Übertrager nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halsteil eines jeden Armes ungefähr um ein ganzzahliges Vielfaches einer halben Wellenlänge von dem hinteren Ende des elektromechanisch empfindlichen Körpers und um im wesentlichen weniger als eine viertel Wellenlänge von der Stirnwand (13) entfernt ist.

Tn Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 580 716;
französische Patentschrift Nr. 931 945.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen