Magnetostriktiver Schwinger. Die Erfindung betrifft einen Schwinger, der nach dem Prinzip der Magnetostriktion arbeitet. Es ist bekannt, die magnetostrik- tiven Eigenschaften von Eisen-Nickel-Ko- balt und Legierungen dieser Metalle zum Bau von Schall- oder Ultraschallschwingern zu verwenden. Hierbei wird ein Körper, vor zugsweise ein Stab, aus dem magnetostrik- tiven Werkstoff durch ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld zu Schwingungen in seiner Eigenfrequenz angeregt.
Bei der Verwendung eines massiven Körpers als Magnetostriktionsschwinger treten aber er hebliche Wirbelstromverluste auf, die mit der Frequenz und der Dicke des als Schwin ger dienenden Stabes zunehmen. Aus diesem Grunde ist mit massiven Schwingern nur ein geringer Wirkungsgrad zu erreichen. Um diesem Übelstand abzuhelfen, ist man auch schon dazu übergegangen, den metallischen Querschnitt des Schwingers in dünne Bleche oder Drähte zu unterteilen, wodurch die Wirbelstromverluste verringert werden.
Eine erhebliche Verbesserung des Wirkungskreises ist aber auch auf diese Weise nicht zu er reichen, denn der aus einzelnen Drähten oder Blechen zusammengesetzte Körper hat in homogene elastische Eigenschaften, so dass eine scharfe akustische Eigenfrequenz nicht vorhanden ist. Die einzelnen Bestandteile eines solchen Schwingers schwingen offenbar nicht gleichmässig, so dass sich eine starke Dämpfung ergibt. Diese Schwierigkeit wird auch dadurch nicht beseitigt, dass man etwa die Körper unter Zwischenfügung von isolie renden Zwischenlagen zusammenpresst. Es treten dann auch erhebliche Reibungsverluste auf, welche die Dämpfung vergrössern.
Die vorliegende Erfindung gestattet es, die geschilderten Nachteile völlig zu vermei den und einen dämpfungsarmen Schwinger mit einer ausgesprochenen Eigenfrequenz zu schaffen, bei dem nur sehr kleine Wirbel stromverluste auftreten. Erfindungsgemäss sind bei einem nach dem Prinzip der Magneto- striktion arbeitenden Schwinger, der läng liche - Einzelteile aus magnetostriktivem Ma; terial aufweist, diese Teile voneinander iso liert und wenigstens über den grössten Teil ihrer Länge durch ein Bindematerial fest miteinander verbunden.
Dadurch entsteht, wie sich gezeigt hat, ein festes Gebilde, das in seiner Gesamtheit schwingungsfähig ist und eine ausgesprochene Eigenfrequenz be sitzt.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungs gemässen Schwingers ist in der Zeichnung (Fig. 1) dargestellt. Diese zeigt einen aus einer Reihe von Drähten 1 bestehenden Ultra schall- bezw. Schallschwinger, bei dem die Drähte durch einen Glasfluss 2 miteinander verbunden sind. Es hat sieh herausgestellt, dass ein solcher Schwinger eine hohe mecha nische Festigkeit besitzt und den Beanspru chungen im Betriebe ohne weiteres gewachsen ist. Auch die Herstellung eines solchen Schwingers ist sehr einfach.
Die heute koch entwickelte Einschmelztechnik kennt eine grosse Reihe von Metallen und Gläsern, die sich sehr gut miteinander verbinden lassen. Für die Herstellung der Drähte eignet sich zum Beispiel eine Nickel-Eisen-Legierung, die etwa 30 bis 50 zo Nickel enthält. Dieser Werkstoff erfüllt sowohl in bezug auf die magnetostriktiven Eigenschaften als auch auf seine Verbindungsfähigkeit mit Glas die an ihn gestellten Bedingungen aufs beste.
Bei einem Schwinger der dargestellten Bauart ist es auch ohne weiteres möglich, eine weitere Bedingung einzuhalten, durch deren Erfül lung die Schwingerleistung noch erheblich vergrössert werden kann. Es gelingt nämlich, die Materialien so zu wählen, dass die Schwin- gungs-Fortpflanzungsgesehwindigkeit in bei den Materialien gleich ist. Wenn man die Materialien so wählt, dann erzielt man gleich zeitig mehrere Vorteile.
Zunächst erreicht, man eine eindeutige Eigenfrequenz des Schwingkörpers, da die Bestandteile des Schwingers, nämlich die magnetostriktiven Metallteile sowie das isolierende Bindemate rial bei gleicher Länge die gleiche Eigen- frequenz haben.
Ferner wird die mechanische Beanspruchung an den Verbindungsflächen zwischen den Metallteilen und dem Isolier material (Glas) auf ein Mindestmass herab gesetzt, da die Trennflächen zwischen den Metallteilen und dem Glas lediglich die Be anspruchung durch die Kraftübertragung von dem magnetostriktiven Material auf das Füll material aufzunehmen haben.
Um die Dämpfung des gesamten Scliwin- gergebildes möglichst klein zu halten, ist es empfehlenswert, ein Bindematerial mit mög- glichst geringer innerer Dämpfung zu ver wenden. Bei dem eben beschriebenen Schwin ger nach der Figur ist auch diese Bedingung erfüllt. Die Dämpfung dieses Schwingers ist geringer als die Dämpfung eines entspre chenden aus vollem Material bestehenden Metallschwingers.
Diese Schwingerbauart gestattet es, noch einen weiteren Vorteil in einfachster Weise zit erzielen. Stellt man die feste Verbindung zwischen den magiietostriktiven Schwinger teilen und dem Bindematerial unter solchen Bedingungen her, dass das magnetostriktive Material eine bestimmte mechanische Vor spannung erhält, dann gelingt es, einen gün stigen magnetostriktiven Arbeitspunkt zu er reichen. Zu diesem betriebsmässigen Vorteil tritt noch ein baulicher Vorteil hinzu.
Bei der Verwendung von Glas als Bindemittel zwischen den einzelnen Teilen des Magneto- striktionssehwingers ist darauf Rücksicht zu nehmen, dass durch die Kräfte, die von der im Betriebe auftretenden stehenden Welle herrühren, das Glas nicht in einer Weise be ansprucht wird, dass Brachgefahr eintritt. Bekanntlich ist das Glas auf Druckbeanspru chung viel weniger empfindlich als auf Zug beanspruchung, das heisst man kann es in einem viel weiteren Bereich der Ausdehnung ohne: Brueligefahr auf Druck beanspruchen als auf Zug.
Wählt man eine entsprechende mechanische Vorspannung der magnetostrik- tiv en Schw ingerteile, so wird das Glas im Ruhezustand des Schwingers auf Druck be ansprucht. Durch geeignete @.Vahl der mecha nischen Vorspannung kann man es erreichen, dass das Glas während des Schssingvorganges gar nicht oder nur wenig auf Zug bean sprucht wird, jedenfalls aber die Zugbean spruchung in so engen Grenzen gehalten wird, dass eine Bruchgefahr nicht auftritt.
Besonders gut ist jedes Material als Bindematerial für den Schwinger nach der Erfindung geeignet, das einerseits eine feste Verbindung zwischen den magnetostriktiv wirksamen Teilen untereinander ermöglicht und dessen Schallgeschwindigkeit von der dieser Teile nicht zu sehr abweicht. Es ist zum Beispiel auch möglich, als wirksame Schwingerteile Bleche (oder dicht zusammen ; gepresste Drähte) zu verwenden, die ober flächlich mit einer isolierenden OYydhaut überzogen sind. Als Bindemittel kann dann Metall, z. B.
Eisen, das gleiche magneto- striktive Eigenschaften besitzt wie das zu ,verbindende Material, dienen, das vorzugs weise in Pulverform zwischen die Schwinger elemente eingebracht und durch eine Wärme behandlung in feste Verbindung mit den Schwingerelementen gebracht und auch in sich verfestigt worden ist. Eine solche Wärmebehandlung ist zum Beispiel ein Sin- terprozess.
Anstatt drahtförmiger wirksamer Schwin- gerteile kann man auch blechförmige Schwin- 0 gerelemente aus magnetostriktivem Material verwenden, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Bei dem Schwinger nach die ser Figur ist eine Anzahl von Platten 3 durch Glasfluss 4 fest miteinander verbunden. Auch hier ergibt sich wieder ein dämpfungs- armes schwingfähiges Gebilde von scharf ausgeprägter Eigenfrequenz.
Die Tatsache, dass die Schwinger nach der Erfindung eine scharf ausgeprägte Eigen o frequenz besitzen, macht sie nicht nur für die Behandlung von Körpern mit Schall- oder Ultraschallschwingungen geeignet, sondern ermöglicht auch ihre Verwendung für Fre- quenznormale und eventuell auch für abge stimmte Mikrophone.
Es ist vorgeschlagen worden, bei einem Magnetostriktionsschwinger eine optimale Leistungsabgabe dadurch zu erzielen, dass man im Betriebe dem magnetischen Schwing- körper eine Gleichstromvormagnetisierung er teilt. Diese Massnahme kann man sich er sparen, wenn man dem magnetostriktiven Ma terial bei der Herstellung eine bestimmte me chanische Vorspannung erteilt, so dass im fer tigen Schwinger das magnetostriktive Ma terial auf Zug, das die magnetostriktiven Teile verbindende Glas auf Druck bean sprucht ist.
Magnetostrictive transducer. The invention relates to an oscillator which works on the principle of magnetostriction. It is known that the magnetostrictive properties of iron-nickel-cobalt and alloys of these metals can be used to build sonic or ultrasonic transducers. Here, a body, preferably a rod, made of the magnetostrictive material is excited to vibrate at its natural frequency by a high-frequency alternating magnetic field.
When using a massive body as a magnetostriction oscillator, however, considerable eddy current losses occur, which increase with the frequency and the thickness of the rod serving as the oscillator. For this reason, only a low level of efficiency can be achieved with massive oscillators. In order to remedy this inconvenience, one has already switched to dividing the metal cross section of the oscillator into thin sheets or wires, which reduces eddy current losses.
A significant improvement in the sphere of action cannot be achieved in this way either, because the body composed of individual wires or sheets has homogeneous elastic properties, so that a sharp acoustic natural frequency is not present. The individual components of such a vibrator apparently do not vibrate evenly, so that there is strong damping. This difficulty is also not eliminated by pressing the body together with the interposition of insulating intermediate layers. Significant friction losses then occur, which increase the damping.
The present invention makes it possible to completely avoid the disadvantages and to create a low-damping oscillator with a pronounced natural frequency in which only very small eddy current losses occur. According to the invention, in an oscillator working on the principle of magnetostriction, the elongate - individual parts made of magnetostrictive material; material, these parts are isolated from each other and at least over most of their length firmly connected to each other by a binding material.
As has been shown, this creates a solid structure that is capable of vibrating in its entirety and has a distinct natural frequency.
An embodiment of the fiction, according to the oscillator is shown in the drawing (Fig. 1). This shows a series of wires 1 consisting of ultrasound or. Acoustic transducer in which the wires are connected to one another by a glass flux 2. It has been shown that such a transducer has a high mechanical strength and can easily cope with the demands in the company. Such a transducer is also very easy to manufacture.
The melting technique developed by Koch today knows a wide range of metals and glasses that can be joined together very well. For example, a nickel-iron alloy containing about 30 to 50 ounces of nickel is suitable for the manufacture of the wires. This material fulfills the conditions placed on it in the best possible way, both in terms of its magnetostrictive properties and its ability to connect to glass.
In the case of an oscillator of the type shown, it is also easily possible to adhere to a further condition, the fulfillment of which can significantly increase the oscillator power. This is because it is possible to choose the materials in such a way that the vibration propagation speed is the same for the materials. If you choose the materials like this, you get several advantages at the same time.
First of all, a clear natural frequency of the vibrating body is achieved, since the components of the vibrator, namely the magnetostrictive metal parts and the insulating binding material, have the same natural frequency with the same length.
Furthermore, the mechanical stress on the connecting surfaces between the metal parts and the insulating material (glass) is reduced to a minimum, since the interfaces between the metal parts and the glass only have to absorb the stress caused by the transmission of force from the magnetostrictive material to the filler material .
In order to keep the damping of the entire scissor structure as small as possible, it is recommended to use a binding material with as little internal damping as possible. In the Schwin ger just described according to the figure, this condition is also met. The damping of this oscillator is less than the damping of a corresponding metal oscillator made of solid material.
This type of oscillator allows another advantage to be achieved in a very simple manner. If you create the fixed connection between the magic-strictive oscillator and the binding material under such conditions that the magnetostrictive material receives a certain mechanical pre-tension, it is possible to reach a favorable magnetostrictive working point. In addition to this operational advantage, there is also a structural advantage.
When using glass as a binding agent between the individual parts of the magnetostrictive vibrator, care must be taken that the forces resulting from the standing wave occurring in the company do not stress the glass in such a way that there is a risk of breakage. As is well known, the glass is much less sensitive to pressure than to tension, which means that it can be subjected to pressure in a much wider range without the risk of bruising than to tension.
If one selects an appropriate mechanical pre-tensioning of the magnetostrictive oscillator parts, the glass is subjected to pressure when the oscillator is at rest. By means of a suitable range of mechanical pre-tensioning, the glass is not subjected to tensile stress at all or only slightly during the Schssing process, but the tensile stress is kept within such narrow limits that there is no risk of breakage.
Any material is particularly suitable as a binding material for the oscillator according to the invention, which on the one hand enables a firm connection between the magnetostrictively effective parts and whose speed of sound does not deviate too much from that of these parts. For example, it is also possible to use sheet metal (or close together; pressed wires) as effective transducer parts, the surface of which is covered with an insulating OYyd skin. The binder can then be metal, e.g. B.
Iron, which has the same magnetostrictive properties as the material to be connected, is used, which is preferably introduced in powder form between the transducer elements and brought into firm connection with the transducer elements through a heat treatment and also solidified in itself. Such a heat treatment is, for example, a sintering process.
Instead of wire-shaped, effective vibrator parts, sheet-metal vibrator elements made of magnetostrictive material can also be used, as shown, for example, in FIG. In the oscillator according to this figure, a number of plates 3 are firmly connected to one another by glass flux 4. Here, too, there is again a low-damping oscillatable structure with a sharply pronounced natural frequency.
The fact that the oscillators according to the invention have a sharply defined natural frequency makes them not only suitable for treating bodies with sonic or ultrasonic oscillations, but also enables them to be used for frequency standards and possibly also for matched microphones.
It has been proposed to achieve an optimal power output in a magnetostrictive oscillator by sharing a direct current bias in the magnetic oscillating body during operation. This measure can be saved if the magnetostrictive material is given a certain mechanical preload during manufacture, so that in the finished transducer the magnetostrictive material is under tension and the glass connecting the magnetostrictive parts is under pressure.