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Sirene zur Erzeugung von reinen Sinusschwingungen und frequenzmodulierten
Sinusschwingungen von Schall Die Erfindung betrifft eine Sirene zur Erzeugung von
reinen Sinusschwingungen und frequenzmodulierten Sinusschwingungen von Schall mit
einem Rotor mit symmetrisch angeordneten öffnungen und einem Stator mit ebenfalls
symmetrisch angeordneten Öffnungen, wobei der Rotor mit konstanter Drehzahl antreibbar
ist.
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Um Strukturteile von Flugzeugen auf Schallermüdung und elektrische
und hydraulische Bordanlagen auf Funktionssicherheit zu untersuchen, werden Schallgeneratoren
gebraucht, welche entsprechend große Schalleistung bei einstellbarem Spektrum liefern.
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Es ist bereits eine Sirene mit frequenzmodulierten Sinusschallschwingungen
bekanntgeworden, bei der mehrere Lochscheiben mit willkürlicher Lochverteitung verwendet
werden. Diese hat zwar einen guten akustischen Wirkungsgrad, ihr Spektrum kann aber
nur begrenzt variiert werden, vor allem ist sie nicht für Sinustöne geeignet. Eine
andere Konstruktion ist eine Anlage, bei welcher ein Luftstrom durch Veränderung
des Strömungsquerschnitts moduliert wird. Eine solche Anlage kann sowohl Sinus-
als auch frequenzmodulierte Signale erzeugen. Wegen der Drosselverluste ist aber
der Wirkungsgrad schlechter.
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Die Erfindung setzt sich zur Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß zur Erzeugung von frequenzmodulierten Sinusschwingungen
der Drehung der Antriebsachse eine Torsion5#schwingung überlagert wird.
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Bezeichnet man die Drehzahl des Rotors mit fo und wird dem Rotor eine
sinusförmige Torsionsschwingung mit der Frequenz f, und der Amplitude q",
überlagert und hat ferner der Rotor n Öffnungen, so liegt das Hauptmaximum bei der
Schallfrequenz nfo. Bei den Frequenzen n(f0-f,) und n(f,+f,) liegen die ersten
Oberwellen bei n(f, - 2f,) und bei n(f. + 2f,)
die zweiten
Oberwellen usw. Die Stärke dieser Wellen erhält man aus den Bessel-Funktionen mit
dem zugehörigen Phasenhub n(pl. Werden dem Rotor noch weitere Torsionsschwingungen
f., (pl#; f3, p. usw. überlagert, so wird dadurch das Gebiet der Oberwellen noch
weiter ausgedehnt und man erhält je nach der Anzahl der Schwingungen ein
mehr oder weniger engmaschiges Frequenzspektrum. Ein vollkommen kontinuierliches
Schmierspektrum ergibt sich, wenn die Torsionsschwingung nicht nach einer periodischen,
sondern nach einer aperiodischen zeitlichen Funktion erfolat.
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Um C eine solche Rotationsschwingung zu gewährleisten, stehen verschiedene
Möglichkeiten offen. Die einfachste ist die, daß der Antriebsmotor der Sirene den
Sirenenmotor über eine elastische Torsionsfeder antreibt. Als Federelemente werden
Torsionsstäbe, Torsionsfedern oder Biegefedern verwendet. Eine andere Möglichkeit
ergibt sich durch die Verwendung von Zentrifugalpendeln. Diese sitzen exzentrisch
auf der Rotorwelle. Der Sirenenmotor und die Zentrifugalpendel bilden ein schwing
ngs---U fähiges System.
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Um die Systeme zu Torsionsschwingungen anzuregen, kann einmal die
an den Antriebsmotor angelegte Spannung nach einer zeitlichen Funktion variiert
werden. Dadurch ergibt sich ein wechselndes Drehmoment. Hat der Rotor des Antriebsmotors
ein großes Massenträgheitsmoment, so ist es günstiger, durch ein veränderliches
Bremsmoment, welches an den Sirenenmotor angelegt wird, die Torsionsschwingung zu
erzeugen. Die Bremsung kann mit einer Wirbelstrombremse oder durch eine magnetbetätigte
mechanische Bremse erfolgen. Eine andere Art, um eine nicht konstante Dreh(reschwindiakeit
des Sirenenrotors zu erhalten, besteht darin, zwischen Motor und Rotor ein Getriebe
mit z. B. elliptischen Zahnrädern zwischenzuschalten.
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Die Abbildungen zeigen beispielsweise Ausführungsforinen und Einzelteile
des Erfindungsgegenstandes, und zwar zeigt A b b. 1 die Grundkonstruktion,
Ab b. 2 einen Querschnitt mit symmetrischer Lochanordnung, Ab b. 3
eine willkürliche Lochanordnung, A b b. 4 die Ausbildung des Rotors als Drehstromkurzschlußläufer.
Ein
zylindrischer Rotor 1 besitzt gleichmäßig über den Umfang verteilte öffnungen
2 (Ab b. 1). In einem Stator 3 sind ebenfalls symmetrisch angeordnete
öffnungen 4 vorhanden. Durch eine Leitung 5
wird dem Stator 3 Druckluft
zugeführt. Bei der Drehung des Rotors 1 wird abwechselnd der Luftdurchgang
geöffnet und geschlossen. Koaxial ist dem Stator 3 ein Schalltrichtet
7 angeflanscht. Der Rotor 1
ist im Stator 3 mittels eines Wälzlagers
8 oder durch ein Gleitlager fliegend gelagert. Rotor 1, Lager
8 und Stator 3 bilden eine Einheit. Diese kann nach Abschraubung des
Flansches 17 aus dem Mantel herausgeschoben und eine Rotor-Lager-Stator-Einheit
mit anderer öffnungsausbildung ausgetauscht werden. Um zu verhindern, daß ständig
Luft von der Sirene in das Lager gelangt, wird der Abstand von Rotor und Stator
möglichst klein gehalten. Zusätzlich wird vor dem Lager durch eine Verbindung zur
Außenluft ein Druckausgleich geschaffen, so daß hierüber die Leckluft abströmen
kann. über dem Stator 3 ist ein Mantel 9 angeordnet. Zur kontrollierten
Luftleitung sind am Mantel 9 Führungsbleche angebracht, welche die Luft in die öffnungen
4 umlenken. Im Rotor 1 befindet sich ebenfalls zur Luftumlenkung ein Führungskegel
10. Der Rotor 1 wird durch einen Motor 11 über eine Torsionsfederung
15 angetrieben. Erfolgt der Antrieb gleichmäßig, so dreht sich der Rotor
1 mit konstanter Drehzahl und erzeugt so einen Sinuston, dessen Frequenz
abhängig von der Drehzahl ist. Wird der Motor 11 mit einer wechselnden Spannung
betrieben, so ändert sich dadurch die Drehgeschwindigkeit mit, und das elastische
Schwingungssystem wird zu Torsionsschwingungen angeregt.
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Im Ausführungsbeispiel ist zwischen Motor 11 und Rotor
1 eine Trägheitsmasse 12 geschaltet, und man erhält so ein 3-Massensystem,
welches zwei Eigenfrequenzen besitzt. Es ist möglich, durch Zuschalten weiterer
Massen die Zahl der Eigenfrequenzen zu
erhöhen.
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Um große Schwingungsausschläge zu erhalten, ist zu beachten, daß die
Trägheitsmomente möglichst klein werden und daß die Anregefrequenz möglichst den
Eigenfrequenzen entspricht. Um eine breite Verschmierung des Spektrums zu erreichen,
muß der Rotor mit möglichst vielen Frequenzen, die untereinander inkommensurable
Verhältnisse haben, angeregt werden.
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Im Ausführungsbeispiel ist die Trägheitsmasse 12 als Scheibe ausgebildet
und wird durch ein Lager 14 geführt. Die Scheibe läuft durch die Pole eines Elcktromagneten
13. Wird der Elektromagnet mit Wechselströmen verschiedener Frequenzen. oder
durch einen frequenzmodulierten Strom beschickt, so wird die rotierende Trägheitsmasse
12 mit einem entsprechenden zeitlich wechselnden Moment abgebremst (Wirbelstrombremse).
Dadurch kann das System zu
kräftigen Rotationsschwingungen angeregt werden.
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Die Torsionsfederung besteht aus zwei oder mehreren Biegestäben
15. Diese sind am Rotor fest fixiert, während sie an der Trägheitsmasse
12 nur durch zwei Bohrungen gehalten sind und die Enden im Motor frei in
Sackbohrungen stecken. Damit die axiale Baulänge klein gehalten. werden kann, ist
die Welle des Rotors und die Welle 16 des Motors 11
hohl ausgeführt
und darin die Federung 15 untergebracht. An Stelle der beiden Biegefedern
15 ist es möglich, einen Torsionsstab als Federelement zu benutzen. Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Kraftübertragung von der Feder an Masse und Motor nicht
spielfrei ist. Durch einen Totwinkel wird das Schwingungssystem bekanntlich nichtlinear,
so daß bei einer Vergrößerung der Schwingungsamplitude auch die Frequenz größer
wird. Damit kann über die Amplitudenmodulation gleichzeitig eine Frequenzmodulation
vorgenommen und so die zur Erzeugung eines Frequenzmodulierungs-Spektrums notwendige
aperiodische Rotorschwingung auf einfache Weise verwirklicht werden.
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Soll das Gerät als Sinussirene eingesetzt werden, so wird die Torsionsfederung
15 durch eine starre Verbindung vom -Motor 11 zum Rotor
1 überbrückt. Im Ausführungsbeispiel ist dies z. B. dadurch möglich, daß
am Wellenende des Motors durch zwei gegenüberliegende radiale Verschraubungen die
Biegestäbe 15 fest eingespannt werden. Dadurch wird die Torsionssteifigkeit
der Anordnung sehr viel höher.
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Für manche Aufgabenstellungerr, z. B. wenn zwei Sirenen synchron arbeiten
sollen, ist es notwendig, daß die Rotoren der Sirenen mit gleicher Geschwindigkeit
und gleicher Phasenlage laufen. Um dies zu gewährleisten, werden an der Trägheifsmasse
12 eine oder mehrere Bohrungen angebracht. Dadurch wird beim Durchgang durch den
Elektromagneten 13
jedesmal ein Spannungsstoß induziert. Diese Impulse werden
dann in an sich bekannter Weise zur Steuerung von Drehzahl und Phasenlage benutzt.
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Wird verlangt, daß zwei Sirenen nicht unabhängig voneinander, sondern
mit einem bestimmten Korrelationsgrad arbeiten, so wird wieder die Drehzahl der
Rotoren synchron gehalten, während sie in der Phasenlage um einen bestimmten Winkel
gegeneinander versetzt sind. Außerdem werden die Bremsströme gegeneinander verstimmt.
Die Größe der Phasenlage und der Grad der Verstimmung richten sich nach der verlangten
Korrelation.
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In Ab b. 3 ist ein Ausführungsbeispiel mit willkürlich angeordneten
Statoröffnungen 21 und Rotoröffnungen 22 dargestellt. In dieser Ausführung ist auch
die Größe der öffnungen verschieden. Im übrigen ist der Aufbau identisch dem in
Ab b. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel.
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Dreht der Rotor mit konstanter Drehzahl f, so gibt diese Sirene
ein Linienspektrum, wobei die einzelnen Linien bei den Frequenzen f, 2
f, 3 f, . . . nf liegen. Die Intensität der einzelnen
Linien ist identisch den Fourier-Koeffizienten, wenn der zeitliche Verlauf der Querschnittsfläche
in eine Fourier-Reihe entwickelt wird. Durch Größe und Verteilung der öffnungen
kann somit die Intensität der einzelnen Linien festgelegt werden. Werden dem Rotor
zusätzlich Torsionsschwingungen überlagert, so werden von den einzelnen Linien Seitenlinien
abgespalten, so daß sich eine weitgehendeVerschrnierung des Schallspektrums ergibt.
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In A b b. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt.
Hierin wird ein Rotor 31 gleichzeitig als Kurzschlußläufer eines Drehstrommotors
verwendet. Am Stator 32 befinden sich drei Feldspulen 33. An diese
wird ein Drehstrom angeschlossen, Durch das magnetische Drehfeld wird im Rotor
31 ein Kurzschlußstrom induziert, und es entsteht ein Drehmoment, das den
Rotor antreibt. Da der Rotor 31
nur eine relativ kleine Leistung aufnimmt,
um die Lager- und Rotorreibung zu überwinden, ist es nicht nötig, in den Rotor Kupferstäbe
einzulöten, sondern
es genügt, den Läufer aus einem homogenen metallischen
Material anzufertigen.
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In dem Rotor 31 befinden sich Rotoröffnungen 34 und im Stator
32 Statoröffnungen 35. Da jeweils drei bzw. sechs, neun, zwölf
... Feldspulen notwendig sind, ist es zweckmäßig, ebenfalls je drei,
sechs, zwölf ... Rotor- und Statoröffnungen vorzusehen. Die Druckluft wird
bei diesem Ausführungsbeispiel in axialer Richtung durch Luftleitungen
36 zugeführt. Die Wirkungsweise ist im übrigen gleich der bei den in
A b b. 1 und A b b. 2 beschriebenen Sirenen. Der konstruktive Aufbau
ist ebenfalls sinngemäß gleich.
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Zur Erzeugung eines Sinustones werden die Feldspulen 33 mit
Drehstrom konstanter Frequenz beschickt. Die Drehstromfrequenz kann variiert werden,
so daß Schalltöne wählbarer Frequenz erstellt werden können.
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Bei der Erzeugung von frequenzmoduliertem Schall erfolgt eine zeitliche
Änderung der Drehstromfrequenz so rasch, daß sich der Rotordrehung eine Rotationsschwingung
überlagert. Zur Vergrößerung der Schwingungsausschläge kann dem Rotor elastisch
eine Zusatzmasse angekoppelt werden.
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Neben den elastischen Federn als Energiespeicherelement kann auch
ein Zentrifugalpendel eingesetzt werden. Exzentrisch auf einer Rotorwelle ist ein
Pendel mit einem Gleitlager oder einem Wälzlager gelagert. Bei der Rotation ergibt
sich so ein Schwingungssystem, dessen Frequenz abhängig ist von der Rotordrehzahl,
der Exzentrizität und der Größe der Unwucht des Pendels.
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Bei großen Schwingungsamplituden ist dieses Schwingungssystem nicht
harmonisch, so daß über die Amplitude die Schwingungsfrequenz ständig
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ändert werden kann. Damit wird die Schwingung weitgehend aperiodisch gestaltet,
und das Schallspektrum der Sirene wird ein kontinuierliches Frequenzspektrum.
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Zum Massenausgleich ist es günstig, ein um 180'
gegenüber dem
ersten Zentrifugalpendel ein zweites anzubringen. Dieses kann gleich dem ersten
sein, durch andere Wahl von Unwucht und Exzentrizität können aber die resultierenden
Schwingungsausschläge am Rotor vergrößert werden. Durch die Anzahltder Pendel wird
die Zahl der Eigenfrequenzen des Systems erhöht.
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Um dem Sirenenrotor eine zusätzliche Drehbewegung zu überlagern, können
auch sogenannte elliptische Getriebe verwendet werden. Je mehr elliptische übersetzungen
darin eingesetzt sind, desto größer ist die Anzahl der Seitenlinien im Frequenzspektrum.
Die Intensität und Frequenz dieser Linien ergibt sich aus dem Phasenhub und der
Frequenz der Torsionsbewegung.
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Zur Verwirklichung einer elliptischen übersetzung wird ein Reibradkörper
mit einer schräg zur Drehachse verlaufenden Berührungsspur verwendet. Ein zweiter
konischer Reibradkörper wird von dem Reibradkörper angetrieben. Dadurch, daß der
Berührungspunkt wegen der schräg verlaufenden Berührungsspur auf der Mantellinie
periodisch hin- und herwandert, wird entsprechend dem Radienverhältnis die übersetzung
geändert. Durch Hintereinanderschalten mehrerer solcher übersetzun-selemente können
auf diese Weise mehrere Torsionsbewegungen mit wählbarer Frequenz und Phasenhub
verwirklicht werden.
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In bekannter Weise kann ein Schaltmechanismus vorgesehen werden, dergestalt,
daß bei der Erzeugung von Sinusschall nur konstante übersetzungsverhältnisse vorkommen
und die elliptischen übersetzungen leergeschaltet sind.