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Einrichtung zur Verhinderung oder Beseitigung unerwünschter Schwingungen
eines mit einer bestimmten Frequenz schwingenden Systems, insbesondere bei Schallapparaten.
Die Erfindung bezieht sich auf schwingungsfähige Körper, insbesondere Schallgeber,
und zwar solche, die eine natürliche Schwingungszahl haben, wie Membranen, Stimmgabeln,
Stäbe @u. cIgl. Der Zweck der Erfindung ist, Schwingungen unerwünschter Frequenz
bis zu jedem gewünschten Grade zu unterdrücken. Es ist bekannt, daß schwingungsfähige
Körper bestrebt sind, mit einer bestimmten Frequenz zu schwingen. die man ihre Eigenschwingungszahl
nennt. Beispielsweise sucht eine Telephonmembran mit etwa rooo Schwingungen pro
Sekunde zu schwingen, während eine Membran für Unterwassersignale be-Lünnter Art
(Patentschrift 289427) mit rund
Sqo und i ioo oder i Zoo
Perioden zu scIrn-ingen sucht. Das Auitreteii dieser Eigenschwingungen ist oft sehr
hinderlich. Beispielsweise werden hierdurch beim Telephon die hohen Töne der Stimme
übermäßig verstärkt, wenn auch das gesprochene Wort noch verständlich bleibt; bei
den Unterwassersendern werden sie aber so stark, daß diese dann keine artikulierten
Worte mehr weitergeben. Wenn Membranen für 'Maschinenindikatoren benutzt werden,
wie bei dein Verfahren von I' e r r y , bewirkt die Eigenschwingung der Membran
unrichtige Diagrainnie. Wird eine Membran benutzt, um Töne zu analysieren, so erschweren
die Obertöne der Membran ctie Untersuchung. Ähnliche unerwünschte Ergebnisse zeitigen
die Eigenschwingungen dc°r Membranen bei Phonographen.
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Durch Einrichtungen nach der Erfindung werden diese unerwünschten
Schwingungen ganz beseitigt oder doch beliebig verringert, und -zwar dadurch, claß
<las schwingende Glied, in dein die unerwünschten Schwingungen auftreten, mit
einem Glied verbunden wird, welches Schwingungsenergie verzehrt, und bei dem die
Schwingungszahl so eingestellt ist, daß sie in der Nähe der Frequenz #,ler unerwünschten
Schwingung liegt, und wobei die Dämpfung so geregelt ist, daß für eine gegebene
Frequenz der Unterschied zwischen der absorbierten Energie: und der erzeugten Energie
gleich ist der bei der Frequenz gewünschten Schwingungsenergie.
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Die 7eichnung erläutert (las neu.. Verfahren.
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Abb. i und 2 sind Energiediagramme, welche das Wesen der neuen Einrichtung
erkennen lassen.
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Abb.3 ist ein elektrisches Schaltschema, welches eine Anwendungsforen
zeigt, und Abb. q. ist eine schematische Ansicht einer mechanischen Vorrichtung
für das Verfahren zur Unterdrückung von Schwingungen einer Welle.
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Die Theorie ist veranschaulicht in Abb. 1, in welcher i1 bis 15 die
Kurve ist, welche die Beziehung zwischen der Schallintensität und Frequenz eines
Vibrators für L-nterwasserschallgeber zeigt, wobei die Intensitäten die Ordinaten
sind und die Frequenzen die Abszissen; i9 ist die Abszissenachse. Zwei Resonanzpunkte
treten hervor, eingr bei 12, bei einer Schwingungszahl von ungefähr 5q.o, und der
andere bei 14, bei einer Schwingungszahl von ungefähr i i oo ; i 6 und 17 sind buckelförmige
Kurven, die so verlaufen, daß, wenn 16 von dem Resonanzbuckel 12 und 17 voll' Resonanzbuckel
i-. abgezogen wird, die übrigbleibende Intensität für alle Frequenzen gleich ist,
wie sich aus der Abb. 2 ergibt, in der die Linie 18 die Intensität wiedergibt, die
sich nach Abzug der Kurven 16 und 17 von der Ursprungskurve ergibt. Es wurde gefunden,
daß die Kurven 16 und 17 annähernd dem Absorptionsbuckel elektrischer Resonanzkreise
entsprechen, und daß durch richtige Bemessung der Selbstinduktion, des Widerstandes
und der Kapazität in solchem Stromkreise der Betrag des absorbierten Schalles ganz
genau in l bereinstimmung mit einer gewünschten Kurve, beispielsweise 16 und 17,
gebracht «erden kann, so daß die Membran oder eine entsprechende Vorrichtung, welche
durch einen solchen Kreis beeinflußt wird, über den ganzen Frequenzbereich genügend
gleichmäßig schwingt.
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Die Abb.3 -neigt eine solche Anordnung, wie sie für Unterwassertelephonie
mittels durch das Wasser gesandter Schallwellen benutzt wird, und durch die mit
Hilfe der Erfindung eine Verständigung über fünf englische Seemeilen mit deutlicher
und scharfer Artikulation erreicht worden ist, während man bisher nur unbestimmte
Töne erzielen konnte, so daß es hierdurch zum ersten Mal möglich war, von einem
Unterseeboot zum anderen durch das Wasser sich telephonisch zu verständigen.
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In der Abb.3 ist 21 ein Detektor zur Aufnahme der Sprache, und zwar
hier von der gewöhnlichen Art mit Batterie 21", obgleich auch jede beliebige Verstärkungsvorrichtung
bekannter Art benutzt werden kann, wenn eine größere Kraft erwünscht ist. 29 und
30 sind Leitungen vom Detektor zu dem Oszillator 22. Es sind zwei Absorptionsstromkreise
vorhanden: 23, 24, 25, welcher den Absorptionsbukkel 16 und 26, 27, 28, welcher
den Absorptionsbuckel 17 hervorruft.
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Pfeift man in den Detektor 21 mit verschiedenen Tonhöhen hinein, beginnend
mit einer Schwingungszahl von etwa Zoo und allmählich steigend bis zu i5oo, so erhält
inan, ohne die Absorptionsstromkreise, durch Auftragen der gesamten Schallstärken
eine Kurve von dem Charakter der Kurve i i bis 15 in Abb. i. Wird in den Detektor
a i gesprochen, während der Oszillator die Membran mit ausgeprägter Eigenschwingung
hat, so erhält man nur unartikulierte Töne. Wenn man aber zwei Parallelkreise zu
den Leitungen 29, 30 legt, beispielsweise den Kreis mit der Selbstinduktion 23,
Widerstand 24 und Kapazität 25 und ebenso den mit der Selbstinduktion 26, Widerstand
27 und Kapazität 28, nachdem diese Selbstinduktionen, Widerstände und Kapazitäten
geeignet abgestimmt sind, so wird die Verzerrung vollständig 1;eseitigt. Wenn man
nun in den Detektor 21 finit verschiedenen Tonhöhen hineinpfeift, so erhält man
eine annähernd gerade Kurve ähnlich der in der Abb. 2 als Beziehung zwischen Frequenz
und
Intensität. Beim Sprechen in den Detektor 21 wird jetzt durch
den Oszillator 22 eine ganz klare und deutliche Sprache ausgesandt.
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Für das dargestellte Beispiel wurde eine Oszillatorinembran angenommen,
die auf Grund des Aufbaues zwei Resonanzpunkte hat, aber eine grundsätzlich gleiche
iAnordnung läßt sich für eine beliebige Anzahl von Resonanzpunkten anwenden.
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Die Abb.4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf eine schwingende Welle,
31 ist die Grundplatte und 32 die Welle, 33, 34 35 sind die Lager, während 39 und
38 Kolbenstangen an Exzentern 36 und 37 auf der Welle sind, deren Kolben 40 und
41 in nach dem unteren Ende offenen Zylinder 44 und 45 laufen. 43 und 42 sind Löcher
in dem Kolben zum Durchlaß von Luft in und aus dem Zylinder 44 und 45, wenn die
Kolben 4o und 41 hin und her gehen, wobei die Zylinder auf den Kolben schwingen
können. Es wurde nun gefunden, daß der Teil der Welle zwischen den Lagern 34 und
35 für die mathematische Betrachtung mit einem elektrischen Stromkreis vergleichbar
ist. Die Masse der Welle entspricht der elektrischen Trägheit, d. h. der Selbstinduktion,
die Elastizität der Welle der Umkehrung der elktrischen Elastizität, d. h. der Kapazität,
während die Wellenreibung dem ohmischen Widerstand entspricht. Ebenso kann der Teil
der Welle zwischen den Lagern 33 und 34 mathematisch als ein zweiter imaginärer
elektrischer Stromkreis angesehen werden. Beide Stromkreise können als elektrisch
gekuppelt betrachtet werden, wobei der Kupplungsgrad von der. Starrheit des Lagers
34 abhängt.
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Wenn beispielsweise das Lager 34 so straff angezogen ist, daß eine
durch Biegung und plötzliches Loslassen der Welle zwischen den Lagern 34 und 35
erregte Schwingung nur in sehr geringem Grade auf den Teil der Welle zwischen den
Lagern 33 und 34 übertragen wird, so liegt eine Kupplung vor, die elelZtrisch als
lose Kupplung bezeichnet wird, und man kann den Kupplungsgrad dadurch bestimmen,
daß man den Betrag mißt, bis zu welchem eine Schwingung von bestimmter Größe von
dem Teil zwischen den Lagern 33 und 34 auf den zwischen den Lagern 34 und 35 oder
umgelehrt durchgeht. Aus diesen Daten kann ein Satz.von Gleichungen abgeleitet werden,
ähnlich den bekannten Gleichungen für elektrisch gekuppelte Stromkreise, und hieraus
können die verschiedenen Schwingungsweisen der Wellen bei verschiedenen Schwingungszahlen,
die verschiedenen Resonanzpunkte und der Betrag der Resonanz berechnet werden.
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Wenn so durch Rechnung oder auch durch Versuche der Resonanzbetrag
für verschiedene Schwingungszahlen bestimmt .ist, und nun diese Resonanz beseitigt
werden soll, so werden die Größen der Zylinder 44 und 45, der Hub der Exzenter 36
und 37, die Größe der Drosselöffnungen 43 und 42, sowie die Massen der Kolben und
Kolbenstangen 38 bis 40 so bestimmt, daß, wie in Abb i, der Betrag durch die Luftdrosselung
an den Kolben 43 und 42 absorbierter Energie gerade genügt, um die unerwünschte
Resonanzenergie zu verbrauchen, so daß die Welle ohne jede stark hervortretende
Resonanzdrehzahl läuft.
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Während in Abb. 4 der schwingende Körper als Welle gezeichnet ist,
so können, wenn derselbe ein Stab, eine Stimmgabel oder eine Membran ist, die Kolben
38 und 39 an diesen Körpern angebracht werden, statt an der Welle. Die Wirkungsweise
und die Einstellweise der Einrichtung ist folgende: Angenommen, das untere Ende
der Kolbenstange 39 sei vom Exzenter 36 gelöst und die Drosselöffnungen 43 geschlossen,
und der Kolben stehe annähernd in der Mitte des Zylinders; wenn dann der Kolben
eingeschoben wird, so wirkt ein auswärts gerichteter Druck auf den Kolben infolge
der Zusammenpressung der Luft, während beim Ausziehen des Kolbens eine Saugwirkung,
entsprechend der Ausdehnung der Luft herrscht. Infolgedessen wirkt die Luft im Kolben
als ein elastisches Mittel, entsprechend der Kapazität im elektrischen Falle. Der
Zylinder 44 hat ferner ein bestimmtes Trägheitsmaß, abhängig von seiner Masse, entsprechend
der Induktanz im elektrischen Falle. Wenn nun die Kolbenstange 39 auf- und abwärts
bewegt wird, so .findet man, daß für die meisten Schwingungszahlen der Zylinder
44 nicht merkbar in Schwingungen versetzt wird; wenn man aber eine bestimmte Schwingungszahl
erreicht, die Resonanzschwingungszahl, so kommt der Zylinder 44 in starke Schwingung
und die SchNviiigungsw eite der Zylinder erreicht zuweilen die der Kolbenstange
39. Dies ist das Ergebnis der mechanischen Resonanz, entsprechend der elektrischen
oben erwähnten, und wenn der Kolben reibungslos .im Zylinder läuft, und Kolben und
Zylinder Wärmeisolatoren sind, so findet keine dauernde Absorption statt.
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Wenn jetzt das Ende der Kolbenstange 39 am Exzenter 36 befestigt wird,
und, um den einfachsten Fall zu nehmen, das Exzenter 36 auf die Exzentrizität Null
eingestellt wird, so wird-, wenn die Welle 32 langsam umläuft, die Kolbenstange
39 nicht auf- und abwärts gehen, und der Zylinder 44 in Ruhe bleiben. Wenn dagegen
die Geschwindigkeit der Welle wächst und die kritische Geschwindigkeit erreicht
wird, und damit die Welle zwischen den Lagern 33 und 34 in starke Schwingungen kommt,
so wird die Kolbenstange 39 und eben= so der Zylinder 44 auch in Schwingung komrnen,
in
beträchtlichem Maße aber nur, wenn ,eine Resonanzschwingungszahl auf die kritische
Wellendrehzahl eingestellt ist. Durch Verkleinerung oder Vergrößerung der Masse
des Zylinders 44 kann seine mechanische Resonanzschwingungszahl gleich der kritischen
Drehzahl der Welle gemacht werden, und dann beginnt der Zylinder -14, sobald die
Welle ihre kritische Drehzahl erreicht hat, zu schwingen. und zwar mit einem sehr
großen Ausschlag, der erheblich größer ist als der Ausschlag der Welle. Wenn
in di(-sein Zustand die Drosselöffnung d.3 geöffnet wird, erfolgt eine Absorption
von Energie ini Schwingungszylin dersystein, und durch geeignete Bemessung der Drosselöffnung
.I3 kann diese annähernd gleich -leg Schwingungsenergie der Welle bei der kritischen
Frequenz gemacht werden. Wenn dann die Welle 32 die kritische Geschwindigkeit erreicht
hat und zu sch-,vingen anfängt, so wird diese Schwingung durch den gegenschwingenden
Zylinder aufgehoben. Offensichtlich kann die Welle durch ein solches Dämpfung smittel
nicht ganz am Schwingen gehindert, aber Schwingungen können weit unter <las übliche
N-laß verringert «-erden. Je größer der Ausschlag der Welle ist, um so größer wird
der Dämpfungseffekt der Luftdrossel ini Zylindersystem, und diese kann für jede
besondere Welle so eingestellt werden. daß im wesentlichen deren Schwingung bei
der kritischen Drehzahl beseitigt wird.
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Wenn eine Welle ihre kritische Geschwindigkeit erreicht, so wirbelt
sie herum, so drall sie sich heim Drehen leicht biegt. Angencrrnrnen, (las Exzenter
36 sei auf fsx7entrizität Null eingestellt, so wirbelt es, wenn die Welle zwischen
den Lagern 33 und 3-. die kritische Geschwindigkeit erreicht, ebenfalls herum und
treibt, was es sonst wegen der Null=Einstellung nicht tut, (las Ende der Kolbenstange
39 auf und ah, wobei dieses FAide eine Kreisbewegung macht. Diese Kreisbewegung
ist unerwünscht, da sie eine seitliche Schwingung einführt und daher wird (las 1#'xzenter
36 auf einen solchen Huh und XVinkel eingestellt. #iaß die Kolbenstange 3(9, soweit
wie möglich, gerade auf und ab geht, obgleich die Welle (las Exzenter im Kreise
führt, weil das Exzenter diese Kreisheivegung zuin grollen Teil ausgleicht.
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Im elektrischen Falle der Ahb. 3 hat sich ergeben.. daß die Induktanz
für die Periodenzahl 540 ungefähr ; Jiilliheiirys ist und für eine Periodenzahl
i Zoo ungefähr 2 Millihenrys und daß die Kapazität für die Periodenzahl 54o ungefähr
to 1-likrofar<rcl und für die Periodenzahl i Zoo ungefähr 2 lfikrofarad, während
der Widerstand in Jedem Falle rund r Ohm ist.
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An Stelle absorbierender Stromkreise im Vebenschluß zu dein elektrischen
Stromkreis können natürlich andere gleichwertige elektrische Mittel benutzt werden.