DE977773C

DE977773C - Arrangement for the emission of sound waves by means of a vibrating plate

Info

Publication number: DE977773C
Application number: DEC21634A
Authority: DE
Inventors: Georges Broussaud; Jacques Ducuing
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1959-06-16
Filing date: 1960-06-10
Publication date: 1970-01-15

Description

Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen mittels einer in Schwingungen versetzten. Platte Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen mittels einer in Schwingungen versetzten dünnen Platte und mit Einrichtungen, die in dieser dünnen Platte eine mechanische Biegewelle erzeugen.Arrangement for the emission of sound waves by means of an in vibrations relocated. Panel The invention relates to an arrangement for radiation of sound waves by means of a thin plate set in vibration and with Devices that generate a mechanical flexural wave in this thin plate.

Es ist bereits eine Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen mittels einer in Ultraschallschwingungen versetzten Platte vorgeschlagen worden, doch kann diese Anordnung keine Schallschwingungen von niedriger Frequenz abstrahlen. Die Geschwindigkeit der Biegewellen in einer Platte ist eine Funktion, die gleichzeitig mit der Dicke der Platte und mit der Frequenz wächst. Bei niedrigen Frequenzen müßte bei der vorgeschlagenen Anordnung die Dicke einer Flußstahlplatte in der Größenordnung von mehreren Zentimetern liegen, damit eine Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schwingungen erhalten wird, die von der gleichen Größenordnung wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls in dem umgebenden Medium ist.It is already an arrangement for the emission of sound waves by means of an ultrasonic vibrated plate has been proposed, but can this arrangement does not emit sound vibrations of low frequency. the Speed of the bending waves in a plate is a function that is simultaneous grows with the thickness of the plate and with the frequency. At low frequencies it should with the proposed arrangement the thickness of a mild steel plate is of the order of magnitude of several centimeters, thus a propagation speed of the vibrations is obtained that is of the same order of magnitude as the velocity of propagation of the sound in the surrounding medium.

Der Erfindung liegt die- Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Abstrahlung von Schallschwingungen in der Größenordnung -von 5o bis i5oo Hz zu schaffen, ohne daß sich die Abmessungen der abstrahlenden Platte, insbesondere ihre Dicke, vergrößern.The invention is based on the object of an arrangement for radiation of sound vibrations in the order of magnitude of 50 to 150 Hz without that the dimensions of the radiating plate, in particular its thickness, increase.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die schallabstrahlende Platte eine in der Ausbreitungsrichtung der Schwingungen sich Periodisch ändernde geometrische Struktur aufweist, deren Periode so gewählt ist, daß die Wellenzahl der sich in der Platte ausbreitenden räumlichen Schwingungen kleiner ist als die Wellenzahl des Schalls in dem umgebenden Medium. Erfindungsgemäß wird eine dünne Platte verwendet, deren Dicke klein ist gegenüber der Wellenlänge der abzustrahlenden Schallwellen. Die Platte wird durch eine an einer Seite mit ihr gekoppelten Erregeranordnung in Biegeschwingungen versetzt, wobei sich die Schwingungen senkrecht dazu mit einer Geschwindigekit ausbreiten, die beträchtlich unter der Schallgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium liegt.According to the invention this is achieved in that the sound radiating Plate one that changes periodically in the direction of propagation of the vibrations has a geometric structure whose period is chosen so that the wave number the spatial vibrations propagating in the plate is smaller than the Wave number of the sound in the surrounding medium. According to the invention a thin plate is used, the thickness of which is small compared to the wavelength of the sound waves to be emitted. The plate is held by one on one side their coupled exciter arrangement set in flexural vibrations, whereby the vibrations Spread perpendicular to it at a speed well below the Is the speed of sound in the surrounding medium.

Die sich periodisch ändernde geometrische Struktur der Platte kann dadurch erreicht werden, daß sich die Dicke der Platte periodisch in der Ausbreitungsrichtung der Schwingungen ändert.The periodically changing geometric structure of the plate can can be achieved in that the thickness of the plate periodically in the direction of propagation the vibrations changes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ändert sich die Kopplung zwischen der Platte und dem umgebenden Medium periodisch in der Ausbreitungsrichtung der Schwingungen, so daß durch die periodische Strahlungsänderung von der Platte in den umgebenden Raum die gleiche Wirkung erzielt wird.According to a preferred embodiment of the invention, changes the coupling between the plate and the surrounding medium periodically in the direction of propagation of the vibrations, so that by the periodic change in radiation from the plate the same effect is achieved in the surrounding space.

Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß ein akustisch isolierendes Material auf der strahlenden Seite der Platte aufgetragen wird, und zwar als periodisch angeordnete Streifen von konstanter Dicke und mit gleicher Breite senkrecht zur., Ausbreitungsrichtung der Schwingungen, so daß diese Streifen durch Abschnitte der Platte voneinander getrennt sind, die frei von Isoliermaterial sind.This can be achieved, for example, by an acoustic insulating material is applied to the radiating side of the plate, and as periodically arranged strips of constant thickness and with the same width perpendicular to the., direction of propagation of the vibrations, so that these strips through Sections of the plate are separated from each other, which are free of insulating material.

Durch Ableitung aus dem Satz von Floquet über die Ausbreitung von Schallwellen wurde gefunden, daß sich in einer dünnen Platte mit sich periodisch ändernder geometrischer Struktur eine Gruppe von räumlichen Schwingungen ausbreitet, deren Wellenzahlen durch folgende Gleichung gegeben sind: wobei p eine beliebige ganze Zahl ist und K1 die die Wellenzahl , mit der sich die Biegewelle in einer Platte aus identischem Material, aber ohne periodische Änderung des -Aufbaues ausbreitet, sowie a die Länge der Periode der sich geometrisch ändernden Plattenstruktur darstellt.By deriving from Floquet's theorem on the propagation of sound waves, it was found that a group of spatial vibrations propagates in a thin plate with a periodically changing geometric structure, the wave numbers of which are given by the following equation: where p is any integer and K1 is the wave number with which the flexible wave is made in a plate identical material, but without periodic change in the structure, and a represents the length of the period of the geometrically changing plate structure.

Damit nun- eine Schallabstrahlung der Platte stattfinden kann, muß die Wellenzahl K kleiner sein als die Wellenzahl (K2) des Schalls in dem umgebenden Medium, d. h. K < K2 oder wobei A, bzw. .12 die entsprechenden Wellenlängen sind. Dies wird erfindungsgemäß durch entsprechende Wahl der Periode a erreicht.So that the plate can now radiate sound, the wave number K must be smaller than the wave number (K2) of the sound in the surrounding medium, ie K <K2 or where A, and .12 are the corresponding wavelengths. According to the invention, this is achieved by appropriate selection of the period a.

In der Platte breitet sich eine Welle aus mit einer mittleren Geschwindigkeit, die höher ist als die Geschwindigkeit, die vorhanden wäre, wenn die Platte keine Periodizität hätte.A wave propagates in the plate at a medium speed, which is faster than the speed that would be available if the disk were not Would have periodicity.

Es kann also unter den genannten Bedingungen eine Abstrahlung in den umgebenden Raum stattfinden, wobei der Strahlungswinkel den die abgestrahlte Welle mit der Platte bildet, durch folgende Gleichung gegeben ist: wobei-K2 und V2 die Wellenzahl bzw. die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalles in dem umgebenden Medium sind. Dabei ist die Geschwindigkeit in der Platte nicht konstant, wie im Fall einer homogenen Platte, sondern ändert sich periodisch -um. einen mittleren Wert.Under the mentioned conditions, radiation into the surrounding space can take place, whereby the radiation angle that the radiated wave forms with the plate is given by the following equation: where-K2 and V2 are the wave number and the speed of propagation of the sound in the surrounding medium. The speed in the plate is not constant, as in the case of a homogeneous plate, but changes periodically -um. a medium value.

Die Periode der Änderungen der geometrischen Struktur. der Platte ist eine der Veränderlichen, mit der nach dem Satz von Floquet die Abstrahlung bestimmter Wellen bevorzugt wird, und zwar der Wellen, für welche die Beziehung erfüllt ist. Diese Beziehung gilt grundsätzlich für jede Form der periodischen Plattenänderungen. Allerdings wurde festgestellt, daß auch die Form der Plattenänderungen einen gewissen Einfluß auf die Abstrahlung hat; beispielsweise kann bei der zuvor erwähnten zweiten Ausführungsform der Erfindung durch geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der Breite der Streifen und der Abstände zwischen den Streifen die Abstrahlung bestimmter Oberwellen verhindert werden. Diese Verhältnisse lassen sich aber nicht mehr theoretisch erfassen.The period of changes in the geometric structure. The plate is one of the variables with which, according to Floquet's theorem, the radiation of certain waves is preferred, namely the waves for which the relation is given is satisfied. This relationship applies in principle to every form of periodic plate changes. However, it was found that the shape of the plate changes also has a certain influence on the radiation; For example, in the aforementioned second embodiment of the invention, by suitably selecting the ratio between the width of the stripes and the spacing between the stripes, the emission of certain harmonics can be prevented. However, these relationships can no longer be grasped theoretically.

Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen veranschaulicht, ohne jedoch auf diese speziellen Ausführungen beschränkt zu sein. Es zeigt Fig. i eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Anordnung im Schnitt, . Fig. 2 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Anordnung gemäß üig. 2.The invention is shown in the drawing on the basis of exemplary embodiments illustrated without, however, being limited to these specific embodiments. It shows: Fig. I a schematic view of the arrangement according to the invention in section, . FIG. 2 shows a sectional view of a preferred embodiment and FIG. 3 shows a perspective View of the arrangement according to üig. 2.

Bei der in Fig. i im Querschnitt dargestellten Schwingungsanordnung ist mit i eine dünne Platte bezeichnet, die durch eine Anordnung 2 in Biegeschwingungen versetzt wird. Die Platte i weist in der Ausbreitungsrichtung Z der Schwingungen eine sich periodisch ändernde geometrische Struktur auf. Dies wird gemäß Fig. i dadurch erreicht, daß sich die Dicke der Platte periodisch in der Ausbreitungsrichtung der Schwingungen ändert.In the oscillation arrangement shown in cross section in FIG i denotes a thin plate, which is caused by an arrangement 2 in bending vibrations is moved. The plate i points in the direction of propagation Z of the vibrations a periodically changing geometric structure. This is shown in FIG achieved in that the thickness of the plate is periodic in the direction of propagation the vibrations changes.

Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ändert sich die Kopplung zwischen der Platte i und dem. umgebenden Medium periodisch in der Ausbreitungsrichtung Z der Schwingungen, Die Platte i, die beispielsweise aus Flußstahl besteht, trägt auf ihrer strahlenden Seite periodisch angeordnete einzelne Streifen 3 aus akustisch isolierendem Material von konstanter Dicke. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel dieser Platten wurde hierfür eine Schicht aus Klegeeel aufgetragen. Diese Streifen erstrecken sich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung Z der Welle, und ihre Dicke ist so groß, daß jede Kopplung zwischen der Platte und dem umgebenden Medium an den Stellen verhindert wird, wo sich die Streifen befinden. Dabei ist die Periode a der Platte gleich dem Abstand zwischen den linken Kanten zweier Streifen 3 und b der Zwischenraum zwischen zwei aufeinanderfolgenden Streifen 3; b/a wird als Netzfaktor bezeichnet.In the preferred embodiment shown in FIGS the coupling between the plate i and the changes. surrounding medium periodically in the direction of propagation Z of the vibrations, the plate i, for example consists of mild steel, carries periodically arranged on its radiating side individual strips 3 of acoustically insulating material of constant thickness. at In a practical embodiment of these plates, a layer was used for this applied from Klegeeel. These strips extend vertically to the direction of propagation Z of the wave, and its thickness is so great that any coupling between the plate and the surrounding medium is prevented at the points where the stripes are located. The period a of the plate is equal to the distance between the left edges of two strips 3 and b is the space between two successive strips 3; b / a is called the network factor.

Das Schallfeld, das in der Nähe eines Streifens 3 herrscht, ist im wesentlichen Null. Das Schallfeld, das in der Nähe eines unbedeckten Abschnitts q. der Platte herrscht, ist im wesentlichen gleich dem Schallfeld, das an der gleichen Stelle einer homogenen Platte herrschen würde, die keine Auflage aus Isoliermaterial trägt.The sound field that prevails in the vicinity of a strip 3 is im essential zero. The sound field that is near an uncovered section q. the plate prevails is essentially equal to the sound field that prevails at the same Place a homogeneous plate that does not have a layer of insulating material wearing.

Die Platte strahlt in bevorzugten Richtungen ab, die wieder durch die Gleichung cos gegeben sind, wobei K2 die Wellenzahl des Schalls in dem umgebenden Medium ist und Der Strahlungswinkel O, den die abgestrahlte Welle mit der Platte einschließt, ist also eine Funktion der Wellenzahl K. Diese hängt einerseits vom Aufbau der Platten und andererseits von der Wellenlänge der Schallwelle in der Platte ab, da die Wellenzahl K, Somit ist der Strahlungswinpel D also von der Wellenlänge und damit auch von der Frequenz der übertragenen Welle abhängig. Bei unveränderten Abmessungen der Platte kann also der Strahlungswinkel durch Änderung der Frequenz der Welle geändert werden.The plate radiates in preferred directions, which are again given by the equation cos are given, where K2 is the wave number of the sound in the surrounding medium and The radiation angle O, which the radiated wave forms with the plate, is therefore a function of the wavenumber K. This depends on the one hand on the structure of the plates and on the other hand on the wavelength of the sound wave in the plate, since the wavenumber K, The radiation angle D is therefore dependent on the wavelength and thus also on the frequency of the transmitted wave. With unchanged dimensions of the plate, the radiation angle can be changed by changing the frequency of the wave.

Durch geeignete Wahl des Abstandes b zwischen zwei Streifen lassen sich auch bestimmte Richtungen beseitigen.Leave between two strips by a suitable choice of the distance b also eliminate certain directions.

Damit eine Schallabstrahlung der Platte in ein umgebendes Medium stattfinden kann, muß gemäß der Erfindung K<K2 sein.So that a sound radiation of the plate into a surrounding medium take place can, must be K <K2 according to the invention.

Es sei z. B. Kp eine durch die Gleichung K = K1 - gegebene Wellenzahl, die diese Bedingung K<K2 erfüllt, wobei sie einer Strahlungsrichtung entspricht, die beseitigt werden soll. Dann kann eine Abstrahlung in dieser Richtung dadurch verhindert werden, daß der Streifenabstand b = - gewählt wird, wobei m eine ganze Zahl ist. Let it be B. Kp a given by the equation K = K1 - given wave number which fulfills this condition K <K2, whereby it corresponds to a radiation direction that is to be eliminated. Radiation in this direction can then be prevented by choosing the strip spacing b = - , where m is an integer.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Arrangement for the emission of sound waves by means of a thin plate set in oscillation and with devices which generate a mechanical bending wave in this thin plate, characterized in that the sound-emitting plate (i) has a geometric structure which periodically changes in the direction of propagation (Z) of the oscillations whose period (a) is chosen so that the wave number (K) of the spatial vibrations propagating in the plate (i) is smaller than the wave number (K2) of the sound in the surrounding medium. a. Arrangement according to claim i, characterized in that the thickness of the plate (i) changes periodically in the direction of propagation (Z) of the vibrations. 3. Arrangement according to claim i, characterized in that the coupling between the plate (i) and the surrounding medium changes periodically in the direction of propagation (Z) of the vibrations. q .. Arrangement according to claim i and 3, characterized in that strips (3) of constant thickness and of the same width made of acoustically insulating material perpendicular to the direction of propagation (Z) of the vibrations on the radiating side of the plate (i) are periodically arranged. 5. Arrangement according to claim i and q., Characterized in that the distance (b) between two successive strips (3) is chosen so that a radiation direction corresponding to a wave number Kn according to the equation is eliminated.