Elektrische Stoss-Schallquelle für elektrisch leitende, flüssige Schallmedien Die Erfindung betrifft eine elektrische Stoss-Schall- quelle für elektrisch leitende, flüssige Schallmedien und besteht darin, dass ein Teil wenigstens eines im Schallmedium verlaufenden Entladungsstromweges eines Kondensators eine Einengung aufweist, die wenigstens teilweise durch einen gummielastischen Körper begrenzt ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema der Stoss-Schallquelle; Fig. 2 bis 5 verschiedene Ausführungsformen des elektroakustischen Wandlers der Stoss-Schallquelle nach Fig. 1; Fig.6 eine Anordnung der elektroakustischen Wandler zur Erzeugung periodischer Schallimpuls folgen;
Fig. 6a ein Diagramm einer mit der Anordnung nach Fig. 6 erzeugten Schallimpulsfolge; Fig.7 einen Teil einer Ausführung der Stoss-Schall- quelle mit ausgedehntem elektrischem Streufeld; Fig. 8 einen elektrisch abgeschirmten elektroaku stischen Wandler.
Gemäss dem Schaltschema Fig. 1 ist eine Gleich stromquelle 1 in Serie mit einem Unterbrecher 2 mit Überbrückungskondensator 3 mit einer Primärspule 4 verbunden, welche magnetisch mit einer Sekundär spule 5 grösserer Windungszahl gekoppelt ist. An die Sekundärspule 5 ist ein Kondensator 7 in Serie mit einem Ventil 6 angeschlossen. Der Entladungsstrom weg des Kondensators 7 enthält eine Funkenstrecke 8 in Serie mit einem elektroakustischen Wandler 9. Die Funkenstrecke 8 ist mit einer Zündelektrode 8a zur willkürlichen Auslösung der Entladung ausgerüstet. (Der Stromkreis der Zündelektrode 8a ist nicht dar gestellt.) Einzelheiten einer ersten Ausführungsform des elektroakustischen Wandlers 9 sind in Fig. 2 gezeigt.
Der Wandler weist einen aus gummielastischem Material bestehenden Hohlkörper 12 mit einer Öff- nung 14 auf. Der Hohlkörper befindet sich in einem elektrisch leitenden, flüssigen Schallmedium 13, wel ches auch seinen Innenraum 11 ausfüllt. In diesen Innenraum 11 ragt eine Elektrode 10 hinein. Die (nicht dargestellte) Gegenelektrode hat ausserhalb des Hohlkörpers 12 Kontakt mit dem Schallmedium 13. Dabei bildet die Öffnung 14 eine Einengung des im Schallmedium verlaufenden Entladungsstromweges des Kondensators 7 (Fig. 1). Diese Einengung ist durch einen Teil des aus gummielastischem Material be stehenden Hohlkörpers 12 begrenzt.
Beim Betrieb der Stoss-Schallquelle nach Fig. 1 und 2 entsteht bei jedem Öffnen des Unterbrechers 2 ein Stromstoss geringer Stärke, aber hoher Spannung im Sekundärkreis 5, 6, 7. Diese Stromstösse laden den Kondensator 7 auf, wobei das Ventil 6 verhindert, dass der Kondensator 7 in den Pausen zwischen den Strom stössen sich über die Sekundärwicklung 5 entlädt.
Beim Zünden der Funkenstrecke 8 fliesst ein starker Entladestrom des Kondensators 7 von der Elektrode 10 durch das Schallmedium im Hohlraum 11 und in der Öffnung 14 sowie durch das Schallmedium 13 ausserhalb des Hohlraumes zur (nicht dargestellten) Gegenelektrode (oder umgekehrt von der Gegen elektrode zur Elektrode 10). In der Öffnung 14 ist die Stromdichte besonders gross. An dieser Stelle entsteht, wenn die Energie gross genug ist, ein Funken, der tief in die Flüssigkeit vordringt, aber nicht notwendig bis zur Elektrode 10 reicht.
Den sich hierbei abspielenden Vorgang könnte man folgendermassen deuten. Im Anfangsstadium wird das flüssige Schallmedium in der Öffnung 14 durch einen Teil der Entladungsenergie in Dampf- bzw. Gasphase gebracht. Dabei steigt die Spannung zwischen den beiden Flüssigkeitsgebieten innerhalb und ausserhalb des Hohlraumes 11 bis zur vollen Kon- densatorspannung an. Die Gasschicht innerhalb der Öffnung 14 ist ionisiert.
Die Gasionen, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, geben ihre Ionisie- rungsenergie an die Flüssigkeitsmoleküle ab, so dass eine stossartige Leitfähigkeitsänderung des Elektrolyts in der Umgebung der Öffnung 14 entsteht. Wie die Beobachtung zeigt, wächst die Leitfähigkeit lawinen artig in eng begrenzten, oft unregelmässig verästelten Bahnen, die tief in die Flüssigkeit vordringen, wie dies bei Funkenentladungen bekannt ist. Die Länge der Funkenbahn in der Flüssigkeit ist von der Entladungs energie abhängig.
Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass bei hin reichend rascher Energieinvestition, z. B. in einer Zeit von der Grössenordnung von Mikrosekunden, das Medium in der Öffnung verdampft, der Dampf aber keine Zeit hat, zu expandieren, so dass er noch die Dichte der ursprünglichen Flüssigkeit besitzt. Infolge dessen hat er auch, schallmässig gesehen, dieselben Eigenschaften wie die Flüssigkeit, aus der er ent stammt.
Durch das ausserordentlich steile Ansteigen der Energie und Stossspannung schlägt durch diese Dampfphase, nachdem sie gerade entstanden ist, der elektrische Funke mit seiner Hauptenergie durch, bringt sie spontan zu ausserordentlich hohen Tempe raturen mit steilstem Druckanstieg, der adiabatisch sich als Druckwelle in der umliegenden Flüssigkeit ausbreitet.
Hat der Kondensator 7 eine Kapazität von 0,2 Mikrofarad, und wird derselbe auf eine Spannung von 6 bis 8 kV aufgeladen, so kann bei einer Entladungs zeit von einigen Mikrosekunden eine Spitzenleistung von 30 kW erzielt werden.
Die Schallerzeugung setzt jedoch die Entstehung eines Entladungsfunkens im flüssigen Schallmedium nicht notwendig voraus. Es genügt, wenn es zu einer starken Dilation des Mediums infolge der hohen Feld linienkonzentration kommt. Der Schallemissionseffekt ohne Flüssigkeitsfunkenentstehung ist zwar viel schwä cher, für viele Fälle aber ausreichend und hat den Vorteil einer nahezu unbegrenzten Lebensdauer des Schallerzeugers.
Die Schaltung nach Fig. 1 kann auch ohne das Ventil 6 ausgeführt und dabei so dimensioniert sein, dass es bei jedem Öffnen des Unterbrechers 2 zu einem Überschlag an der Funkenstrecke 8 kommt. In diesem Falle wirkt die Sekundärspule 5 zusätzlich zum Kon densator 7 als (magnetischer) Energiespeicher. Weiterhin kann die Schaltung nach Fig. 1 für Wechselstrom speisung ausgebildet sein, indem die Teile 2, 3, 4 und 5 durch einen Hochspannungstransformator ersetzt sind.
Zur Verbesserung der Stromverteilung im Innern des Hohlraumes 11 kann die Elektrode 10 an ihrem in den Hohlraum hineinragenden Ende büschelförmig sein.
Dient die Stoss-Schallquelle zur Behandlung eines flüssigen Gutes, so bildet dieses das Schallmedium und kann durch eine in den Hohlraum 11 mündende Leitung kontinuierlich zugeführt werden und die Öffnung 14 kontinuierlich durchströmen. Dabei kann der Querschnitt der Einengung mittels des Druck gefälles der durch die Öffnung 14 fliessenden Strömung beeinflusst und dadurch die Energie der Beschallung verändert werden.
Die im folgenden beschriebenen elektroakustischen Wandler nach Fig. 3 bis 6 und 7, 8 haben mehrere, elektrisch parallel geschaltete Entladungsstromwege.
Nach Vig. 3 sind auf einer Elektrode 17 mehrere aus gummielastischem Material bestehende Platten 18 dachziegelartig angeordnet, wobei' Einengungen 19 im Entladungsweg in dem Schallmedium 13, welches zwischen die Platten 18 bis zur Elektrode 17 eindringt, gebildet sind. Um die Schallabstrahlung im wesentli chen einseitig auf die durch den Pfeil 21 angegebene Richtung zu beschränken, ist die Elektrode 17 mit einer schallreflektierenden Schicht 20 hinterlegt. Diese Schicht kann aus einem Lufträume enthaltenden Stoff z. B. aus Schaumgummi mit flüssigkeitsdichtem Über zug bestehen.
Nach Fig.4 ist eine Elektrode 17 einerseits mit einer perforierten Schicht 21 aus gummielastischem Material, z. B. dem Kunststoff Vulkollan, und ander seits mit einer schallreflektierenden Schicht 20 bedeckt. Die Perforationen bilden Einengungen in den Entla dungswegen in dem in Fig. 4 nicht dargestellten, elek trisch leitenden, flüssigen Schallmedium, welches die Perforationen ausfüllt und an diesen Stellen mit der Elektrode 17 sowie anderseits mit der (nicht dar gestellten) Gegenelektrode Kontakt hat. Die Perfora tionen können an ihrem der Elektrode 17 abgewandten Ende konisch erweitert sein.
An Stelle einer Schicht 21 können auch zwei übereinanderliegende Schichten aus verschiedenen Materialien mit durchgehender Per foration vorhanden sein.
Bei den Ausführungsformen der Stoss-Schallquelle, welche mehrere parallel geschaltete Entladungswege im elektrisch leitenden flüssigen Schallmedium auf weisen, wobei jeder Entladungsweg mittels einer Ein engung (z. B. Perforationsöffnung in der Schicht 21) eingeengt ist, haben im Status nascendi alle Ein engungen noch gleiche Anfangsbedingungen, d. h. bei allen beginnt sich der Elektrolyt zu zersetzen, es ent steht eine winzige gasförmige Atmosphäre, die Kon- densatorentladungsenergie nimmt weiterhin zu, und es kommt zur Ausbildung vieler kleiner Partialfunken. Naturgemäss sind diese verschieden gross, es lässt sich aber in der Praxis erreichen, dass dieselben aus reichend gleich sind.
Die Spannung und die sonstigen elektrischen Daten des Entladungskreises sind in An passung an den Elektrolyten zu wählen, z. B. an See wasser. Hierbei ist die Dimensionierung nicht sehr kritisch, es ist eine Einstellung möglich, die, bei Be- aufschlagung jeder einzelnen Einengung mit z. B. '-/"o Joule Entladungsenergie, ausreichend ist, um so wohl in Süsswasser wie in Seewasser eine Funken entladung in vielen parallel geschalteten Einengungen zu erzwingen.
Fig. 5 zeigt einen elektroakustischen Wandler der Stoss-Schallquelle, welcher sich von demjenigen nach Fig. 4 dadurch unterscheidet, dass die Elektrode 17, die aus gummielastischem Material bestehende, per forierte Schicht 21 und die schallreflektierende Schicht 20 gewölbt sind. Dadurch entsteht bei zylindrischer Wölbung eine Schallkonzentration in der Zylinderachse, bei sphärischer Wölbung eine Schallkonzentration im Zentrum der sphärischen Flächen.
Nach der in Fig. 6 dargestellten Anordnung kann mit mehreren Wandler-Einheiten der beschriebenen Art eine periodische Schallimpulsfolge erzeugt wer den. Zu diesem Zwecke sind die einzelnen Wandler treppenförmig angeordnet und elektrisch parallel ge schaltet. Bei einer Anordnung für Echolotzwecke oder zur Beschallung von Meerestieren mit einer Frequenz von 30 kHz entsprechend einer Wellenlänge von 5 cm im Wasser sind die einzelnen Wandler 9 um eine Ent fernung (d) von 5 cm in der Schallrichtung gegen einander versetzt.
Bei Erregung dieser Wandler- anordnung treten dann ausserhalb derselben Schall stösse auf, die in einem zeitlichen Abstand aufeinander folgen, welcher der Schallaufzeit entspricht, die aus dem im Schallmedium zurückgelegten Weg d resultiert. Dadurch entsteht eine periodische Schallimpulsfolge. Die Amplitude jedes einzelnen Impulses desselben hängt von der Ausführung und der Intensität der Er regung des einzelnen Wandlers ab, von welchem der Impuls stammt, so dass auch eine periodische Folge von Impulsen, deren Amplituden in vorbestimmter Weise verschieden sind, erzeugt werden kann. Sind z.
B. in Fig. 6 in der Reihe<I>A</I> und<I>B</I> je vier und in der Reihe C zwei einzelne Wandler gleicher Energie vor handen, so treten in dem in Fig. 6 links der Wandler entstehenden Schallfeld die in Fig. 6a analog mit C, <I>B, A</I> bezeichneten einzelnen Schallimpulse auf, von denen die Impulse<I>A</I> und<I>B</I> die Amplitude<I>a</I> haben und der Impuls C die Amplitude a12 hat.
Zur Beschallung von Säugetieren, z. B. Walen oder Seehunden, im Wasser sind Frequenzen von 10 bis 30 kHz zweckmässig, welche mit einer Anordnung nach Fig. 6 erzielt werden können, wobei der Abstand d entsprechend der Schallgeschwindigkeit im Wasser von 1435 m/sec und dem genannten Frequenzbereich 14 cm bis 4,6 cm beträgt.
Das elektrische Feld der beschriebenen Stoss- Schallquelle kann zusätzlich zum Schallfeld nutzbar gemacht werden, beispielsweise um sowohl akustisch als auch elektrisch Signale im Wasser zu übertragen oder um Lebewesen im Wasser akustisch und elek trisch zu beeinflussen. Für solche Zwecke ist die (in Fig.2 bis 6 nicht dargestellte) Gegenelektrode weit entfernt von der nahe der Einengung angeordneten andern Elektrode anzuordnen, wie Fig. 7 zeigt, in welcher 27 die Gegenelektrode und 28 die elektrischen Feldlinien bezeichnen.
Ist anderseits das Auftreten eines elektrischen Feldes nicht erwünscht, so kann der Wandler in eine geerdete Abschirmhülle eingesetzt sein, welche teil weise als Gegenelektrode dient und für den Schall austritt beispielsweise perforiert ist oder aus einem Drahtnetz besteht. Eine solche Ausführung eines Wandlers der Stoss- Schallquelle ist in Fig.. 8 gezeigt. Dabei bezeichnen 29 die Abschirmung und 30 deren schalldurchlässigen Teil, welcher als Gegenelektrode dient. Mit 31 ist ein Hochspannungskabel bezeichnet, welches zur Elek trode 17 führt und mittels einer isolierenden Durch führung 32 ins Innere der Abschirmung eingeführt ist.
Einer oder mehrere Schallreflektoren können in einem solchen Abstand an einer Seite einer oder mehrerer Einengungen angeordnet sein, dass an der andern Seite der direkt abgestrahlte und der reflek tierte Schallimpuls für eine vorbestimmte Wellenlänge gleichphasig sind. Auf diese Weise kann die entspre chende Frequenz des Spektrums des Schallimpulses im Schallfeld an der zuletzt genannten Seite in bezug auf die andern Frequenzen bevorzugt werden, weil die Energie der Schwingung dieser Frequenz durch das Hinzukommen der reflektierten Strahlung prak tisch verdoppelt wird.
Da bei allen Ausführungsformen der beschriebenen Stoss-Schallquelle die Einengung durch gummielasti sches Material gebildet ist, haben der Hohlkörper 12, die Platten 18 bzw. die Schicht 21 eine relativ lange Lebensdauer. Wäre die Einengung durch ein starres, beispielsweise keramisches Material begrenzt, so würde diese Begrenzung im Betrieb sehr rasch beschädigt und zerstört.
Mit der beschriebenen Stoss-Schallquelle können Schalldrücke bis zu 1000 Atmosphären erzeugt wer den. Das Anwendungsgebiet dieser Stoss-Schallquelle umfasst auch die bisherigen Anwendungen periodischer Schwingungen reversibler Schallquellen, denen gegen über die beschriebene Stoss-Schallquelle unter anderem den Vorteil hat, keine elektronischen I-Elfseinrichtun- gen zu erfordern. Beispielsweise Anwendungen sind die Beschleunigung elektrolytischer Prozesse und chemischer Reaktionen, Reinigungs- und Lösungs vorgänge, Behandlung von Saatgut, Signalisier ung in Flüssigkeiten, insbesondere im Wasser, Echolotung.
Oft kann es nützlich sein, z. B. für Eich- und Mess- zwecke, Stoss-Schallgeber der beschriebenen Art nicht mit der vollen, sondern mit stark verringerter Intensi tät arbeiten zu lassen. In diesem Falle genügt es, die für jede Einengung vorgesehene Energie stark zu ver mindern, z. B. durch Wahl einer zu kleinen Betriebs spannung, oder aber Einengungen vorzusehen, die einen für Funkenentladung ungeeigneten zu grossen Querschnitt haben. Auch in diesem Falle erhält man eine Schallerzeugung, die aber nur durch die spontane Temperaturerhöhung im Elektrolyten verursacht wird, infolge der räumlichen Volumenvergrösserung der Flüssigkeit bei Erwärmung.
Erhöht man alsdann wie der die Energie, so tritt wieder volle Stoss-Schall- intensität, verursacht durch Funkenausbildung, auf.