DE977504C - Anordnung zur Erregung von transversalen Biegeschwingungen in einer Metallplatte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Erregung von transversalen Biegeschwingungen in einer Metallplatte mit mehreren elektroakustischen Wandlern, die auf einer Seite der Platte angeordnet sind und auf diese Scherkräfte ausüben, wobei als Wandler magnetostriktive Vibratoren verwendet werden, die in einer Halbwelle schwingen und auf der Platte über Impedanzanpassungsglieder aufliegen.

Es sind bereits Vorrichtungen zur Abstrahlung von Ultraschallwellen bekannt, bei denen in einer dünnen Metallplatte transversale Biegeschallwellen erregt werden. Die Wellenlänge der dadurch in der Platte entstehenden Biegeschwingungen hängt in erster Linie von der Frequenz und von der Dicke der Platte ab. Bei ausreichend geringer Dicke der Platte kann diese Wellenlänge sehr viel kleiner als diejenige einer Druckwelle sein. Dadurch können Ausbreitungsgeschwindigkeiten in der Platte erhalten werden, die etwas über der Schallgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium liegen, so daß eine Abstrahlung in einer bestimmten Richtung erfolgt. Dabei ist die Richtwirkung um so größer, je kleiner das Verhältnis der Wellenlänge zu der Länge der Platte ist.

Bei bekannten Anordnungen zur Erregung der Metallplatte greifen die elektroakustischen Wandler an beiden Seiten der Platte an. Diese Anordnungen sind jedoch ungeeignet, falls die Platte an einem Körper angebracht ist, der sich mit großer Geschwindigkeit beispielsweise im Wasser bewegt, weil die an der Außenseite liegenden Wandler der

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Fortbewegung der Platte, einen großen Widerstand entgegensetzen und außerdem die Wandler leicht verletzt werden können.

Es sind auch bereits Erregungsanordnungen bekannt, bei denen der Schwingungserreger in Form eines magnetostriktiven Wandlers auf einer Seite der Platte angeordnet ist und auf diese über ein Impedanzanpassungsglied Scherkräfte ausübt. Es hat sich jedoch erwiesen, daß es mit einem einzigen

ίο elektroakustischen Schwingungserreger schwierig ist, eine große Energie mit befriedigendem Wirkungsgrad über die schwingende Platte abzustrahlen.

Es ist weiterhin auch bekannt, eine große Zahl von magnetostriktiven Wandlern so nebeneinander anzuordnen, daß ihre Stirnflächen in einer Ebene liegen und an einer Seite einer Gummimembran angreifen. Die Wandler schwingen gleichphasig, und zur Verbesserung der Richtcharakteristik nimmt die Empfindlichkeit der Wandler von der Mitte nach außen hin ab. Bei dieser Anordnung bilden die Stirnflächen der Wandler selbst die strahlende Arbeitsfläche, während die Gummimembran, die etwa den gleichen akustischen Wellenwiderstand wie Wasser hat, nur dazu dient, die Wandler festzuhalten und gegen das Wasser abzuschließen. Zur Erregung einer schwingenden Metallplatte ist diese Anordnung ungeeignet.

Aufgabe der Erfindung ist' die Schaffung einer Anordnung zur Erregung von transversalen Biegeschwingungen in einer Metallplatte, bei der die Übertragung und Abstrahlung einer großen Schwingungsenergie in das umgebende Medium mit gutem Wirkungsgrad erfolgt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Wandler entlang der Platte in der Ausbreitungsrichtung der zu erregenden Biegewelle in gleichen Abständen von jeweils einer halben Wellenlänge der zu erregenden Biegewelle voneinander angeordnet sind und daß zwei aufeinanderfolgende Wandler stets . gegenphasig erregt werden.

Die Anordnung der Wandler nach der Erfindung hat den Vorteil, daß eine Biegewelle mit einem hohen Reinheitsgrad, d. h. mit wenig Oberwellen, erzeugt wird. Die von jedem Wandler außer der Grundwelle erzeugten Oberwellen, die zum Teil auf der mangelnden Linearität der Erregerelemente be-

λ
ruhen, haben eine Wellenlänge von — (wobei η die

Ordnungszahl der Oberwelle ist), -die sich von der Wellenlänge der Grundwelle unterscheidet, wenn das Material der strahlenden Platte nichtstreuend ist. Dies hat zur Folge, daß die Oberwellen an den Angriffspunkten der Wandler entlang der Platte nicht gegenphasig wie die Grundwellen sind. Insbesondere sind die Oberwellen der zweiten Ordnung an diesen Plattenpunkten gleichphasig und werden daher praktisch eliminiert.

ßo Die Verteilung der akustischen Leistung auf mehrere Wandler hat weiterhin den Vorteil, daß für eine bestimmte abzustrahlende Leistung jeder Wandler weniger weit in den Bereich magnetostriktiver Sättigung getrieben wird als bei Verwendung eines einzigen Wandlers mit vierfacher Leistung.

In gleicher Weise wird durch die Leistungsverteilung auf mehrere Wandler die Verlustwärme herabgesetzt und die Leistungsverluste infolge von Hysteresis oder Wirbelströmen in dem magnetisehen Material des Wandlers verringert.

Schließlich ist die Verwendung mehrerer Wandler sehr günstig, wenn zur Erzeugung der elektrischen Schwingungsenergie Transistoren an Stelle von Vakuumröhren verwendet werden. Transistoren haben eine kleine Ausgangsimpedanz im Gegensatz zu der hohen Ausgangsimpedanz von Vakuumröhren. Dieser Umstand ermöglicht es, die Wicklungen der Wandler, deren Impedanz sehr gering ist, ohne elektrische Übertrager anzuschließen. Andererseits besteht für Transistoren die Forderung, daß die Lastimpedanz einen festen Wert haben muß, der sich nur in engen Grenzen ändern darf. Bei einem einzigen Wandler läßt sich diese Forderung nur schwierig erfüllen, weil die Lastimpedanz im wesentlichen durch Magnetostriktionserscheinungen bestimmt ist. Bei Verwendung mehrerer Wandler ist es möglich, die Schwankungen dieser Impedanz durch geeignete Zusammenschaltung auszugleichen und durch Wahl der Wandlerzahl und der Kombination der Windungen eine geeignete Lastimpedanz für den Transistor zu erhalten. Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Anordnung ist die Platte in der Längsrichtung in drei Zonen unterteilt, und zwar in eine erste Zone, in der stehende Wellen erregt werden, deren Knotenpunkte zur Befestigung der Platte dienen, in eine zweite Zone, in der die magnetostriktiven Wandler angeordnet sind und die stehende Welle sich in eine fortschreitende Welle umwandelt, und in eine dritte Zone, in der die fortschreitende Welle in das umgebende Medium abgestrahlt wird. ■

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigt .

Fig. ι eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Wandlers der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Wandlers von Fig. 2,

Fig. 4, 5 und 6 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise und

Fig. 7 einen Querschnitt durch die Anordnung von Fig. i.

Fig. ι zeigt eine Platte 22, in der eine transversale Biegeschwingung mit so großer Energie erzeugt werden soll, daß eine Abstrahlung am einen Ende der Platte mit ausreichender Intensität erhalten wird. Zu diesem Zweck sind an der oberen Seite der Platte mehrere magnetostrictive Wandler 101, 102, 103, 104 vorgesehen, von denen einer in Fig. 2 und 3 genauer dargestellt ist und die auf die Platte 22 eine Scherkraft ausüben. Jeder Wandler besteht aus einem magnetostriktiven Organ 13, das von einer Wicklung 14 umgeben ist. Das Organ 13 er-

^; regt zwei Metallteile 15 und i6'zu Schwingungen. Das Teil 16 ruht auf einem Schallimpedanzahpassungsglied 18 zur Anpassung des Querschnitts des magnetostriktiven Stabes an den Querschnitt einer Kerbe 17, die in der Platte 22 angebracht ist und auf die die Scherkraft ausgeübt wird.

Die Länge des Wandlers aus den Teilen 13, 15, 16, 18 ist so bemessen, daß er in einer Halbwelle schwingt, d. h., daß ein Schwingungsknoten im wesentlichen in der Mitte erscheint. An dieser Stelle können zwei Befestigungsstangen 19 und 20 angeordnet werden, mit denen die Erregungsanordnung an einem Gestell 21 befestigt ist (Fig. 3). Die Kerbe 17 erstreckt sich praktisch über die gesamte Breite der Platte 22. Zur Erzielung einer sehr geringen Phasenverschiebung entlang der Platte 22 und einer maximalen Oberwellenfreiheit der erregten Welle ist die Breite der Kerbe 17 sehr gering, beispielsweise in der Größenordnung von —, wobei λ die

ao -o _I0

Wellenlänge der Biegewelle ist.

Bei der Anordnung von Fig. 1 sind vier gleiche Wandler 101, 102, 103, 104 in gleichmäßigen Abständen an der Platte 22 angeordnet, von denen je as zwei aufeinanderfolgende Wandler stets gegenphasig erregt werden. Der Abstand zwischen den Mittellinien M₁, M₂, M₃, M_i der zugehörigen Kerben 71, 72, 73, 74 beträgt im wesentlichen—, also

die halbe Wellenlänge der Biegewelle in der Platte.

Die Platte 22 weist drei Zonen auf. In der ersten

Zone von links, die zwischen dem dem ersten Schwingungsknoten N₁ benachbarten Ende der Platte 22 und der Kerbe 71 liegt, werden stehende Wellen erregt, deren Knoten in den Punkten N₁, N₂... liegen. In der zweiten Zone befinden sich die Wandler, und die stehende Welle wandelt sich in dieser Zone in eine fortschreitende Welle um. Schließlich wird in der dritten Zone am rechten

4.0 Plattenende die fortschreitende Welle in das umgebende Medium abgestrahlt.

Fig. 4 stellt die Amplitude der Querbewegung eines Elementes der Platte in Abhängigkeit von dessen Lage dar.

Die Strecke N₁-M₁ (wobei M₁ die Mittellinie der Kerbe 71 ist) wird derart bestimmt, daß eine geeignete Kopplung der Wandler mit der Platte erhalten wird. Diese Strecke bestimmt nämlich die Lage der Knoten N₁, N₂, N₃ der stehenden Wellen in bezug auf die Mittellinien M₁ bis M₄ der Kerben 71 bis 74 und dementsprechend die Kopplung und akustische Anpassung. Durch eine geeignete Wahl dieser Strecke erhält man eine maximale Amplitude in den Schwingungsbäuchen. Wenn angenommen wird, daß die Knotenpunkte N₁, streng feststehen, läßt sich leicht erkennen, daß die Amplitude dX der Bewegung im Schwingungsbauch mit der von dem Wandler erzeugten Bewegung djr durch folgende Gleichung verknüpft ist:

άχ

Ilk

= sin

wobei / der Abstand M_PN_P ist.

Fig. 5 zeigt schematisch, wie diese Wirkung entsteht. Es ist zu erkennen, daß eine Hebelwirkurig mit Verstärkung - der Verschiebung eintritt, wenn angenommen wird, daß der Knoten N₉ .ein fester Punkt ist: ' "■■... ,

Wenn man die Strecke N₁-M₁ verändert und die Kurve der Amplitude der fortschreitenden Wellen aufzeichnet, die in der dritten Zone als Funktion von AT₁M₁ erzeugt werden, so findet man Maxima für -

d = AT₁ M₁ — a + η

(2)

wobei α eine feste Länge und η eine ganze Zahl ist (Fig. 6). Der Wert von α wird durch die Angaben über die Lage eines dieser Maxima geliefert. Das Vorhandensein von Knoten reiner stehender. WeI-len in dem Gebiet N₁-M₁, wie des Knotens N₁ von Fig. 4, für welche die Querverschiebung streng Null ist, ist im Hinblick auf die Befestigungsstützen sehr günstig. Diese werden nämlich an den Punkten N₁, A^₂, N₃ (Schwingungsknoten, in dem Abschnitt N₁-M₁ der Platte) angeordnet. Der Wert von η in der Gleichung (2) und damit die Länge des Abschnitts N₁-M₁ wird durch die Gesamtzahl der Stützen bestimmt. Man wählt diese Zahl in Abhängigkeit von der Stärke der Stöße und der mechanischen Spannungen, die das Material aushalten soll. Da die Gesamtkraft über eine bestimmte Anzahl von Stützen verteilt wird, wird jede von ihnen dann nur Kräften ausgesetzt, die beträchtlich unter der Festigkeitsgrenze liegen. Es ist ratsam, die Zahl der Stützen nicht über die durch die Festigkeitsanforderungen bedingte Mindestzahl η wesentlich zu erhöhen, damit zusätzliche akustische Verluste vermieden werden, die auftreten könnten, wenn der Bereich der reinen stehenden Wellen teilweise gedämpft wäre. Praktisch kann für eine begrenzte Anzahl von Stützen der Bereich der stehenden Wellen vollständig rein gehalten werden, was bedeutet, daß keine akustische Energie in den Befestigungsstützen verlorengeht.

In der zweiten Zone der Anordnung gemäß Fig. i, in der die Umwandlung der stehenden in eine fortschreitende Welle erfolgt, werden durch die verschiedenen Wandler entlang der Platte 22 gedämpft stehende Wellen erzeugt. Die Zahl der Kerben und damit die Zahl der Wandler wird daher so gewählt, daß nur ein geringer Anteil an gedämpft stehenden Wellen in dieser Erregungszone entsteht. Die dritte Zone wird schließlich von einer fortschreitenden Biegewelle durchlaufen, die von hier aus an das umgebende Medium abgestrahlt wird.

In Fig. 7 ist dargestellt, wie die Befestigungsstützen für die Platte an den Stellen N₁, N₂, N₃ gebildet werden können. Man erkennt hier die iao Platte 22 im Schnitt durch eine der Knotenebenen. Durch die Platte 22 verläuft in ihrer Längssymmetrieebene ein Stift 101, der an beiden Seiten in dem profilierten Metallteil 113 eines Haltekörpers, z.B. eines Schiffes od. dgl., gehalten wird. Der Raum zwischen der Platte 22 und dem Haltekörper 113

kann mit Klegecell gefüllt sein, das zugleich die akustische Isolation und die Abdichtung bewirkt.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Anordnung zur Erregung von transversalen Biegeschwingungen in einer Metallplatte mit mehreren elektroakustischen Wandlern, die auf einer Seite der Platte angeordnet sind und auf diese Scherkräfte ausüben, wobei als Wandler magnetostriktive Vibratoren verwendet werden, die in einer Halbwelle schwingen und auf der Platte über Impedanzanpassungsglieder aufliegen, dadurch .gekennzeichnet, daß die Wandler (ιοί, IO2, 103, 104) entlang der Platte (22) in der Ausbreitungsrichtung der zu erregenden Biegewelle in gleichen Abständen von jeweils einer halben Wellenlänge der zu erregenden Biegewelle voneinander angeordnet sind und daß zwei aufeinanderfolgende Wandler stets gegenphasig erregt werden.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (22) in der Längsrichtung in drei Zonen unterteilt ist, und zwar in eine erste Zone, in der stehende Wellen erregt werden, deren Knotenpunkte (N₁, IV₂, 2V₃) as zur Befestigung der Platte dienen, in eine zweite Zone, in der die magnetostriktiven Wandler (101, 102, 103, 104) angeordnet sind und die stehende Welle sich in eine fortschreitende Welle umwandelt, und in eine dritte Zone, in der die fortschreitende Welle in das umgebende Medium abgestrahlt wird.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand des letzten Knotens (N₅) der stehenden Welle von dem ersten Wandler (101) auf der Platte (22) derart gewählt ist, daß Schwingungen von maximaler Amplitude erregt werden.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Befestigungspunkt (IV₁, IV₂, IV₃) in der Längssymtnetrieebene der Platte (22) liegt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 058410; schweizerische Patentschrift Nr. 317 180;
   französische Patentschrift Nr. 1 065 907;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 891 178.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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