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Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen
Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Registrierung oder Messung
des Druckverlaufs von akustischen Wellen, und zwar in gasförmigen oder flüssigen
Medien oder an festen Körpern.
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Es ist bekannt, eine derartige Druckmessung mit Hilfe eines den Wellen
ausgesetzten Piezokristalls vorzunehmen, dessen Ladung zur Steuerung des Registrier-
oder Meßgerätes, z. B. eines Oszillographen, benutzt wird. Es ist bisher jedoch
nicht gelungen, piezoelektrische Empfänger herzustellen, bei denen alle Frequenzen
bis etwa 1 Äll Hz oder noch höher hinauf gleichmäßig übertragen werden. Es konnten
also z. B. weder Stoßwellen, die ja wegen der steilen Front außerordentlich hohe
Frequenzen enthalten, einwandfrei aufgezeichnet werden, noch war es möglich, solche
aperiodischen Empfänger für Messungen im Ultraschaliwellengebiet zu verwenden..
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Bei der oszillographischen Registrierung des Druckverlaufs der akustischen
Wellen ist die Frequenzbandbreite der verwendeten Übertragungsglieder, wie Empfänger
und Verstärker, maßgebend für die Giite der Übertragung. Die Erfindung bezweckt
daher, einen Empfänger für akustische Wellen zu schaffen, dessen obere Grenzfrequenz
nach Möglichkeit etwa ebenso hoch liegt wie bei Breitbandverstärkern, bei denen
sich ohne Schwierigkeit mehrere Megahertz erreichen lassen.
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Auf diesem Wege geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß bei
einer Verwendung von piezoelektrisdhen Kristallen, wie Quarz oder Turmalin, für
den akustischen Empfänger sich zwar sehr hohe Eigenfrequenzen erreichen lassen,
aber die Dämpfung und die Halterung des Kristalles große Schwierigkeiten bereiten,
da an der Halterung leicht Reflexionen auftreten, die eine zu großeEmpfangsampIitude
vortäuschen können und den Kristall zu Eigenschwingungen anregen.
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Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkeiten bei der eingangs
genannten Verwendung eines Piezokristalls zur Druckregistrierung oder Messung dadurch
behoben, daß der Kristall akustisch, z. B. durch Auflitten,
mit
einem Körper von solchen Schlvingungseigenschaften verbunden ist, daß die in den
Kristall eintretende Welle reflexionsfrei in den Körper übertritt und entweder überhaupt
nicht bzw. mit so starli verkleinerter Amplitude oder solcher Zeitverzögerung zum
Piezokristall zurückkehrt, daß die reflektierte Welle das Äfeßergebnis nicht bzw.
bei sehr kurzen Meßvorgängen, z. B. Messung eines Knalles, nicht mehr verfälschen
kann. Hierdurch wird also ein Empfangssystem geschaffen, das als Ganzes wenigstens
für die Dauer des jeweiligen Meßvorganges praktisch eigenfrequenzfrei ist, d. h.
von den ankommenden Wellen praktisch nicht zu Eigenschwingungen angeregt wird.
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Dies kann z.B. bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung dadurch
erreicht werden, daß an dem Kristall eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende
lange Stange angekittet wird. Die Länge der Stange muß dabei, wenn es sich um einen
einmaligen Vorgang handelt, nach Niaßgabe des für die Stange verwendeten Werkstoffes
so gewählt werden, daß die an ihrem freien Ende reflektierte Welle erst dann zuln
Kristall zurückiiehrt, wenn der zu registrierende Vorgang bereits abgelaufen ist.
Praktisch treten in diesem Falle keine den Registrier oder Meßvorgang störenden
Reflexionen an der Verbindungsstelle der Stange mit dem Kristall auf.
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Wie schon erwähnt, hat man es z. B. durch die Bemessung der Länge
des Anschlußkörpers in der Hand, die Störung, welche am Kristall durch die am freien
Ende des Anschlußkörpers reflektierte und durch diesen zum Kristall zurücklaufende
Welle hervorgerufen werden könnte, beliebig spät eintreffen zu lassen. Wenn die
Länge der Stange dabei die Einrichtung übermäßig groß machen würde, empfiehlt es
sich, gemäß einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung, die Stange schraubenlinienförmig
aufzuwickeln; dies bringt keine wesentlichen Änderungen mit sich. wenn der Durchmesser
und die Steigung der Schraubengänge nicht zu gering gewählt wird.
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Eine derartige Anordnung mit langem Allschlußkörper kounnt für die
Registrierung t-inmaliger Vorgänge, z. B. Verdichtungsstöße, in Betracht. Bei diesen
ändert sich der Druck sprungartig, d. h. der Druckverlauf wird durch ein Fourierintegral
dargestellt, in dem die höchsten Frequenzen mitenthalten sind. Der Druckempfänger
muß also für die genaue Wiedergabe des Drucksprunges bis zu einem Megabertz herauf
und höher unverzerrt übertragen.
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Eine weitere Möglichkeit, die am Ende des Anschlußkörpers reflektierte
Welle unschädlich zu machen, besteht gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung
der Erfindung darin, daß man die Stange aus stark dämpfendem Werkstoff herstellt,
Dadurch wird erreicht, daß die an ihrem freien Ende reflektierte Welle nach ihrem
Hinweg bis zu diesem Ende und Rückweg bis zur Verbindungsstelle praktisch auf Null
abgeklungen ist. Als dämpfender Werkstoff wurde Blei für geeignet gefunden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung der Reflexionen, die für
sich oder in Verbindung mit der vorgenannten Ausführung Anwendung finden kann, besteht
gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung darin, den Anschlußkörper
seinerseits in mechanisch gute Verbindung mit einem stark dämpfenden Werkstoff zu
bringen; dabei muß die Dämpfung so bemessen werden, daß die Energie der ankommenden
Welle restlos vernichtet wird, ohne reflektiert zu werden. Eine solche Anordnung
würde ein vollkommen akustisches Analogon zu einem Kabel darstellen, das an seinem
End mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossell ist, wobei das Kabel der Stange und
der Wellenwiderstand dem zusätzlichen Dämpfungskörper entspricht. In diesem Falle
könnte die Stange sehr kurz sein.
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Älit der zuletzt erwähnten Anordnung könneii Wellen von beliebig
langer Dauer, d. h. auch stationäre Vorgänge, aufgenommen werden. Ein solcher Breibandempfänger
ist besonder für die Ultraschalltechnik von Wichtigkeit, wo aperiodische Empfänger
für verschiedene Zwecke benötigt werden.
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Für die Verbindungsstelle zwischen dem Kristall und dem Anschhißkörper
soll bei allen vorher erwähnten Ausführungsarten der Erfindung, utn günstige Ergebnisse
zu erhalten, die Bedingung eingehalten werden, daß der an den Kristall angeschlossene
Körper zylindrische oder prismatische Form besitzt und aus einem Stoff besteht,
für den das Produkt aus Elastizitätsmodul und Ouerschnitt dividiert durch die Schallgeschwindigkeit
praktisch den gleichen Wert besitzt wie der entsprechende Ouotient für den Kristall;
d. h. im Falle einer Stange, die den gleichen Querschnitt wie der Kristall besitzt.
soll die aliustische Härte des Kristalls, die durch den Quotienten des Elastizitätsmodul
durch die Schallgeschwindigkeit im Kristall ausgedrückt wird, die gleiche sein wie
die akustisehe Härte für die Stange. Auf Grund die ser Bedingung ergibt die Theorie
in Übereinstimmung mit der Messung, drall liei der vorzugsweise hier erfolgenden
Benutzung des direkten piezoelektrischen Effektes Reflexionen an der Verbindungsstelle
nur in sehr geringem Maße auftreten, wenn der Kristall als
Quarzzylinder
ausgebildet und als Anschlußkörper eine Aluminiumstange von gleichem Ouerschnitt
aufgekittet ist.
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Soll hingegen ein Werkstoff von anderer Schallhärte als der Kristall
für den Anschlußkörper verwendet werden, so soll der Querschnitt dieses Anschlußkörpers
im Rahmen der vorgenannten Bedingung gewählt werden, wobei aber nach Möglichkeit
größere Querschnittsverschiedenheiten an der Verbindungsstelle vermieden werden
sollen, da anderenfalls die Bedingung des Ebenbleibens der Ouerschnitte nicht genau
erfüllt ist.
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In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt;
es zeigt Abb. I den Piezokristall 1 in Verbindung mit einer langen Stange 2 aus
Aluminium und mit einem Aufnahmekörper 3 aus Aluminium.
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Dieser Aufnahmekörper ragt in eine Öffnung der Schutzwand 4. Die Leitungen
zur Abnahme der Ladung von den Körpern 2 und 3 sind nicht gezeichnet. Die zu messende
Welle tritt nur von der Vorderseite bzw. in der Zeichnung linken Seite der Einrichtung
ein.
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Die Registrierung tnittels eines Oszillographen erfolgt in an sich
bekannter Weise.
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Die Ausführungsform nach Abb. 2 unterscheidet sich von der nach Abb.
I nur dadurch, daß an Stelle des Anschlußkörpers 2, der lang sein soll, ein Anschlußkörper
20 vorgesehen ist, der schraubenlinienförmig aufgewickelt ist. Durch die Länge dieses
zweckmäßig aus Aluminium bestehenden Körpers wird erreicht, daß die an seinem freien
Ende reflektierte Welle erst dann an der Verbindungsstelle mit dem Quarz I auftrifft,
wenn der Meß- oder Registrierungsvorgang beendet ist.
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Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 ist zum Unterschied von der nach
Abb. I am Ende der Steige 2 noch ieine Stange 5 ange-I ; ittet, die aus stark dämpfendem
Werkstoff besteht. In dieser Stange wird die ankommende Welle so weit aufgezehrt,
daß eine Reflexion nicht mehr nennenswert auftreten kann bzw. die reflektierte Welle
praktisch den Meßvorgang am Kristall 1 nicht mehr zu stören vermag. Die Stange I
kann in diesem Falle sehr kurz sein oder sogar ganz fortfallen.
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Bei allen drei Ausführungsformen sind die Körper 2 und 3 bzw. 20
und 5 durch Aufkitten mit dem Quarz I verbunden.