DE745196C - Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen - Google Patents

Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen

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DE745196C
DE745196C DET54393D DET0054393D DE745196C DE 745196 C DE745196 C DE 745196C DE T54393 D DET54393 D DE T54393D DE T0054393 D DET0054393 D DE T0054393D DE 745196 C DE745196 C DE 745196C
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DE
Germany
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crystal
measuring
wave
waves
pressure curve
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Expired
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DET54393D
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English (en)
Inventor
Dr-Ing Hubert Schardin
Dr-Ing Guenther Turetschek
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GUENTHER TURETSCHEK DR ING
HUBERT SCHARDIN DR ING
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GUENTHER TURETSCHEK DR ING
HUBERT SCHARDIN DR ING
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Description

  • 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.
  • 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..
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Registrierung tnittels eines Oszillographen erfolgt in an sich bekannter Weise.
  • 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.
  • 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.
  • Bei allen drei Ausführungsformen sind die Körper 2 und 3 bzw. 20 und 5 durch Aufkitten mit dem Quarz I verbunden.

Claims (6)

  1. PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen, z.B. Knallwellen, in gasförmigen, flüssigen Medien oder an festen Körpern, mit Hilfe eines den Wellen ausgesetzten Piezokristalls, dessen Ladung zur Erregung des Registrier- oder Meßgerätes, z. B. eines Oszillographen, benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall akustisch, z. B. durch Aufkitten, mit einem Körper von solchen Schwingungseigenschaften verbunden ist, daß die in den Kristall eintretende Welle reflexionsfrei in diesen Körper übertritt und entweder überhaupt nicht bzw. mit so stark verkleinerter Amplitude oder solcher Zeitverzögerung zum Piezokristall zurückkehrt, daß die reflektierte Welle das Meßergebnis nicht bzw. bei sehr kurzen Meßvorgängen, z. B. Messung eines Knalles, nicht mehr verfälschen kann.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Kristall angeschlossene Körper zylindrische oder prismatische Form besitzt und aus einem Stoff besteht, für den das Produkt aus Elastizitätsmodul und Querschnitt dividiert durch die Schallgeschwindigkeit praktisch den gleichen Wert besitzt wie der entsprechende Quotient für den Kristall.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer langen Stange, vorzugsweise aus Aln minium.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der angeschlossene Körper schraubenförmig aufgewickelt ist.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch I und, gekennzeichnet durch die Verwendung eines stark dämpfenden Werkstoffes, vorzugsweise Blei, für den angeschlossenen Körper zur Aufzehrung der reflektierten Welle.
  6. 6. Einrichtung nach *-Ntlspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der angeschlossene Körper in einen Körper von so starker Dämpfung ausläuft, daß die ankommende Welle von diesem zusätzlichen Dämpfungskörper im >-esentlichen absorbiert wird.
DET54393D 1940-10-20 1940-10-20 Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen Expired DE745196C (de)

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DE (1) DE745196C (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2998723A (en) * 1956-06-15 1961-09-05 Acoustica Associates Inc Sonic wave conductor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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