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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Membran aus flexiblem Material,
die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 aufweist.
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Derartige
flexible Membranen mit im Wesentlichen zweidimensionaler Erstreckung,
aber schwingungsförmiger
dreidimensionaler Strukturierung werden auch als Faltenbälge bezeichnet.
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STAND DER TECHNIK
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Beispielsweise
aus der Kraftfahrzeugindustrie sind Faltenbälge aus Elastomerwerkstoff
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt.
Diese Faltenbälge
dienen dazu, Wellengelenke vor Verunreinigungen zu schützen und
weisen eine Grundform mit einer etwa zylindermantelförmigen Hauptfläche und
in Richtung längs
der Zylinderachse hintereinander liegende Falten auf. Die Falten
laufen um die Zylinderachse um und verleihen dem Faltenbalg eine
Verformbarkeit um senkrecht zu der Zylinderachse verlaufende Knickachsen.
Der Faltenbalg ist auch in Richtung der Zylinderachse zusammenschiebbar
bzw. auseinanderziehbar, ohne dass er über das Auseinanderziehen bzw.
Aneinanderlegen seiner Falten hinaus deformiert wird.
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Eine
Membran mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs
1 ist auch zur Abdichtung der Positionieranordnung für ein Werkstück gegenüber einem
schleifenden Werkzeug einer Schleifmaschine bekannt. Diese Membran,
die sich im Wesentlichen längs
einer Ebene erstreckt, schützt
die Positioniereinrichtung vor abrasiven Schleifstäuben. Dabei
schließt
die Membran mit einem inneren Anschlussbereich dicht an einen Werkstückträger und
mit einem äußeren Anschlussbereich
dicht an einen starren Abdichtrahmen an und weist zwischen ihren
Anschlussbereichen ringförmig um
den inneren Anschlussbereich verlaufende Falten von konstantem Querschnitt
auf. Beim Verfahren des Werkstückträgers parallel
zu der Haupterstreckungsebene der Membran treten trotz der umlaufenden
Falten sehr schnell, d. h. bereits bei vergleichsweise kleinen Verfahrwegen,
dreidimensionale Verwerfungen der Membran auf, die über ein
Zusammendrücken
und Auseinanderziehen ihrer Falten hinausgehen.
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Auch
das Abdichten einer Verfahreinrichtung für nur eine lineare Richtung
mit einer Falten aufweisenden Membran ist nicht trivial. Parallel
zueinander verlaufende Fallen einer Membran erlauben zwar die Bewegung
eines mittleren Bereichs der Membran, der als innerer Anschlussbereich
dienen könnte,
in Querrichtung zu den Falten. Diese Beweglichkeit wird aber beseitigt,
wenn die Membran randseitig eingespannt wird. D. h. eine einfache
dichtende Einspannung der Membran an ihren parallel zu der Verfahrrichtung
verlaufenden Kanten ist nicht möglich, wenn
die durch die parallel zueinander verlaufenden Falten gegebene Beweglichkeit
erhalten werden soll.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Membran mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des unabhängigen
Patentanspruchs 1 aufzuzeigen, die eine möglichst ungehinderte Beweglichkeit
eines in der Mitte des Membran liegenden Bereichs gegenüber den
Rändern
der Membran in allen Richtungen längs der Hauptfläche erlaubt,
ohne dass es zu dreidimensionalen Verwerfungen der Membran gegenüber deren
Hauptfläche
kommt.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe der Erfindung durch eine Membran mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
1 und/oder eine Membran mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
3 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der neuen Membran sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Der abhängige
Patentanspruch 14 ist auf eine Abdichtvorrichtung mit einer neuen
Membran gerichtet, der hiervon abhängige Patentanspruch 15 auf
eine Schleifmaschine mit einer derartigen Abdichtvorrichtung.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
neue Membran muss nicht überall
dreidimensional strukturiert sein. Sie weist aber zumindest einen
dreidimensional strukturierten Bereich auf, der sich in zwei linear
unabhängigen
Richtungen längs einer
Hauptfläche
erstreckt und damit im Wesentlichen zweidimensionale Erstreckungen
aufweist. Seine Struktur weist der Bereich in der dritten Dimension senkrecht
zu der Hauptfläche
auf; dabei ist die dreidimensionale Strukturierung auch senkrecht
zu der Hauptfläche
in aller Regel von geringeren Abmessungen als die Erstreckungen
des dreidimensional strukturierten Bereichs in beiden Richtungen
längs der
Hauptfläche.
In der einen Richtung längs
der Hauptfläche
weist die neue Membran in dem dreidimensional strukturierten Bereich
einen schwingungsförmigen
Verlauf mit mehreren aufeinander folgenden wechselweise gegenüber der
Hauptfläche
ansteigenden und abfallenden Abschnitten auf. Auf diese Weise sind
in dieser Richtung hintereinander liegende Falten der Membran ausgebildet.
Diese Falten, d. h. der schwingungsförmige Verlauf der Membran in
der einen Richtung ist in dem dreidimensional strukturierten Bereich
in der anderen Richtung derart moduliert, dass jede Linie, die in
dem dreidimensional strukturierten Bereich zwei Punkte der Membran, deren
Abstand auf der Hauptfläche
größer als
der größte Abstand
von in der einen Richtung aufeinander folgenden ansteigenden und
abfallenden Abschnitten ist, längs
der Membran miteinander verbindet, um mindestens 10% länger als
der Abstand der beiden Punkte auf der Hauptfläche ist. Vorzugsweise beträgt der Überschuss
der Längs
der Linie gegenüber
dem Abstand der beiden Punkte auf der Hauptfläche mindestens 20%, noch mehr
bevorzugt mindestens 30%, noch mehr bevorzugt mindestens 50%, noch
mehr bevorzugt mindestens 100% und am meisten bevorzugt mindestens
200%. Die beim Verformen von bekannten Faltenbälgen längs deren Hauptfläche auftretenden
dreidimensionalen Verwerfungen sind darauf zurückzuführen, dass diese Faltenbälge nicht
in beliebigen Richtungen längs
ihrer Hauptflächen
die notwendige strukturelle Dehnungsfähigkeit aufweisen. Diese Dehnungsfähigkeit
kann durch eine Modulation des Verlaufs der Falten in deren Längsrichtung
erreicht werden, wenn die Membran durch diese Modulation zwischen
beliebigen Punkten, d. h. längs
beliebigen Richtungen, ausreichend eingefaltete Abschnitte aufweist,
die entfaltet oder weiter zusammengefaltet werden können, um die
Punkte in diesen Richtungen gegeneinander zu bewegen. Es versteht
sich aber, dass diese Betrachtung nur für Punkte zulässig ist,
die über
den Mindestabstand der Falten voneinander entfernt sind. Es versteht
sich weiter, dass die Relativbeweglichkeit der Punkte der Membran
anwächst,
wenn der Längenüberschuss
der Linien längs
der Membran, die zwei Punkte miteinander verbinden, gegenüber dem Abstand
der Punkte auf der Hauptfläche
anwächst. Dabei
kommt es auf die Linien längs
der Membran an, die den geringsten Längenüberschuss aufweisen, weil diese
wie längs
der Hauptfläche
gespannte Zugseile wirken. Bei einfachen unmodulierten Falten verlaufen
beispielsweise in der Richtung der Fallen Linien längs der
Membran, die genauso lang zwischen zwei Punkten auf der Linie sind
wie der Abstand dieser Punkte auf der Hauptfläche.
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Um
die Modulation des schwingungsförmigen
Verlaufs der neuen Membran in der einen Richtung in dem dreidimensional
strukturierten Bereich so zu bewirken, dass die oben definierte
Anforderung erfüllt
wird, kann diesem schwingungsförmigen
Verlauf in der einen Richtung ein schwingungsförmiger Verlauf in der anderen
Richtung überlagert
sein, der wechselweise gegenüber
der Hauptfläche
ansteigende und abfallende und/oder wechselweise in der einen Richtung
und entgegen der einen Richtung geneigte Abschnitte aufweist. Die
Modulation verläuft damit
senkrecht und/oder parallel zu der Hauptfläche.
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Wenn
die Modulation senkrecht zur Hauptfläche verläuft, d. h. dann, wenn der schwingungsförmige Verlauf
in der anderen Richtung wechselweise gegenüber der Hauptfläche ansteigende
und abfallende Abschnitte aufweist, ist es bevorzugt, dass die Amplituden
der schwingungsförmigen
Verläufe
in den beiden Richtungen ungleich sind. Sonst besteht die Gefahr,
dass sich gerade Linien längs
der Membran ausbilden, in denen sich Anstiege und Abfälle gegenüber der
Hauptfläche
aufgrund der beiden überlagerten
schwingungsförmigen
Verläufe
gerade so kompensieren, dass sie parallel zu der Hauptfläche verlaufen
und sich damit längs
dieser Linien kein Längenüberschuss
zwischen der Länge
der Linie und dem Abstand der von ihr verbundenen Punkte ausbildet.
Wenn solche Linien auftreten, können
sie jedoch beseitigt werden, indem in dem dreidimensional strukturierten
Bereich dem schwingungsförmigen Verlauf
der Membran in der einen Richtung noch ein weiterer schwingungsförmiger Verlauf
in der anderen Richtung überlagert
wird, wobei der weitere schwingungsförmige Verlauf in der anderen
Richtung wechselweise in die eine Richtung und entgegen der einen Richtung
geneigte Bereiche aufweist. Dieser weitere schwingungsförmige Verlauf
ist damit eine zusätzliche
Modulation mit Auslenkungen parallel zu der Hauptfläche der
Membran.
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Um
allen Linien längs
der Membran einen möglichst
gleichen Längenüberschuss
bezüglich
des Abstands der von ihr verbundenen Punkte auf der Hauptfläche zu geben,
ist das Verhältnis
von Amplitude zu Wellenlänge
bei den schwingungsförmigen Verläufen in
den beiden Richtungen vorzugsweise gleich. Dies bedeutet, dass kleinere
Amplituden in einer bestimmten Richtung durch entsprechende kleinere
Wellenlängen
des schwingungsförmigen
Verlaufs in dieser Richtung ausgeglichen sind.
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Konkret
können
einer, beide oder alle schwingungsförmigen Verläufe Dreiecks- oder Sinusfunktionen
entsprechen. D. h., alle schwingungsförmigen Verläufe können beispielsweise Dreiecksfunktionen
entsprechen. Dabei können
die Dreiecksfunktionen in den oben genannten Grenzen auch jeweils gleiche
Wellenlängen
und Amplituden haben, wobei diese Werte über den jeweiligen gesamten
dreidimensional strukturierten Bereich gleich sind. Sowohl Wellenlängen als
auch Amplituden als auch die Form der schwingungsförmigen Verläufe können jedoch auch über den
dreidimensional strukturierten Bereich hinweg variieren.
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Die
Hauptfläche
der neuen Membran kann gekrümmt
sein und dabei auch zu einem Zylindermantel oder einem Kugelmantel
oder zumindest einem Kugelmantelsegment geschlossen sein. Besondere
Vorteile treten aber auf, wenn die Hauptfläche der neuen Membran eine
Ebene ist oder nur eine leichte Krümmung aufweist, weil dann eine
Relativverschiebung von Punkten einer Membran parallel zu der Hauptebene
normalerweise schnell mit dreidimensionalen Verwerfungen der Membran
senkrecht zu der Hauptebene verbunden ist.
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Die
beiden Richtungen der schwingungsförmigen Verläufe der neuen Membran sind
vorzugsweise orthogonal zueinander, was jedoch nicht zwingend ist.
Auch müssen
die beiden betrachteten Richtungen keine linearen Richtungen sein,
sondern es kann sich z. B. auch um eine radiale Richtung ausgehend
von einem Zentrum des dreidimensional strukturierten Bereichs und
eine Umfangsrichtung um dieses Zentrum handeln.
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Besonders
bevorzugt ist es für
die Verwendung der neuen Membran, wenn der oder mehrere dreidimensional
strukturierte Bereiche einen inneren Anschlussbereich der Membran
umschließen
und wenn der oder die mehreren dreidimensional strukturierten Bereiche
von einem äußeren Anschlussbereich
der Membran umschlossen sind. Dann kann die Beweglichkeit der neuen
Membran für
eine Verschiebung des inneren Anschlussbereichs gegenüber dem äußeren Anschlussbereich
ohne dreidimensionale Verwerfungen der Membran genutzt werden. Dies
gilt selbst dann, wenn der äußere Anschlussbereich
der Membran starr eingespannt ist.
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So
kann der innere Anschlussbereich dicht an ein erstes Maschinenteil
und der äußere Anschlussbereich
dicht an ein zweites Maschinenteil, das gegenüber dem ersten Maschinenteil längs der Hauptfläche verfahrbar
ist, angeschlossen sein. Auf diese Weise kann eine Abdichtvorrichtung
beispielsweise für
eine Schleifmaschine bereitgestellt sein.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung
genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer
Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ
zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen
erzielt werden müssen.
Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten
Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander
sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen.
Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen
der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls
abweichend von den gewählten
Rückbeziehungen
der Patentansprüche
möglich
und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in
separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung
genannt werden. Diese Merkmale können
auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso
können in
den Patentansprüchen
aufgeführte
Merkmale für weitere
Ausführungsformen
der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren näher
erläutert
und beschrieben. Dabei zeigen die Figuren jeweils Ausführungsformen
der neuen Membran mit schwingungsförmigen Verläufen, die Dreiecksfunktionen
mit konstanter Wellenlänge
und Amplitude entsprechen. Hieraus ist aber keine Beschränkung der
Erfindung auf bestimmte schwingungsförmige Verläufe abzuleiten, weder auf schwingungsförmige Verläufe, die
bestimmten Funktionen entsprechen, noch solche, die eine feste Wellenlänge oder
eine feste Amplitude aufweisen.
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1 gibt
einen Längsschnitt
durch einen dreidimensional strukturierten Bereich einer ersten Ausführungsform
der neuen Membran in einer ersten Richtung wieder.
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2 gibt
einen Längsschnitt
durch den dreidimensional strukturierten Bereich der ersten Ausführungsform
der neuen Membran gemäß 1 in
einer zweiten Richtung wieder.
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3 ist
eine Draufsicht auf den dreidimensional strukturierten Bereich der
ersten Ausführungsform
der neuen Membran gemäß den 1 und 2.
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4 gibt
einen Längsschnitt
durch einen dreidimensional strukturierten Bereich einer zweiten Ausführungsform
der neuen Membran in einer ersten Richtung wieder.
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5 gibt
einen Längsschnitt
durch den dreidimensional strukturierten Bereich der zweiten Ausführungsform
der neuen Membran gemäß 4 in
einer zweiten Richtung wieder.
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6 ist
eine Draufsicht auf den dreidimensional strukturierten Bereich der
zweiten Ausführungsform
der neuen Membran gemäß den 4 und 5.
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7 gibt
einen Längsschnitt
durch einen dreidimensional strukturierten Bereich einer dritten Ausführungsform
der neuen Membran wieder, wobei dieser Längsschnitt in zwei zueinander
orthogonalen Richtungen längs
der Hauptfläche
der Membran gleich ist.
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8 ist
eine Draufsicht auf den dreidimensional strukturierten Bereich der
dritten Ausführungsform
der neuen Membran gemäß 7.
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9 ist
eine Draufsicht auf einen dreidimensional strukturierten Bereich
einer weiteren Ausführungsform
der neuen Membran.
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10 gibt
einen Längsschnitt
durch den dreidimensional strukturierten Bereich der weiteren Ausführungsform
der neuen Membran gemäß 9 in
einer ersten Richtung wieder; und
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11 gibt
einen Längsschnitt
durch den dreidimensional strukturierten Bereich der weiteren Ausführungsform
der neuen Membran gemäß 9 in
einer zweiten Richtung wieder.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Die 1 bis 3 geben
einen dreidimensional strukturierten Bereich 1 einer Membran 2 in zwei
Längsschnitten
(1 und 2) und einer Draufsicht (3)
wieder. Die Membran 2 besteht aus einem flexiblen Material 3,
das eine Verformung der Membran 2 in ihren Haupterstreckungsrichtungen
erlaubt, ohne dabei notwendigerweise selbst dehnbar zu sein. Die
Membran 2 erstreckt sich längs einer Hauptfläche 4,
die mit der Zeichenebene gemäß 3 zusammenfällt. Dabei
weist die Membran 2 in einer ersten Richtung 5,
die der Richtung des Längsschnitts
gemäß 1 entspricht,
einen schwingungsförmigen
Verlauf mit Schwingungen senkrecht zu der Hauptfläche 4 auf,
dem ein anderer schwingungsförmiger
Verlauf in einer zweiten Richtung 6, die der Schnittrichtung
des Längsschnitts
gemäß 2 entspricht
und orthogonal zu der Richtung 5 verläuft, überlagert ist. Die Schwingungen
des anderen schwingungsförmigen
Verlaufs verlaufen hier ebenfalls senkrecht zu der Hauptfläche 4,
weisen aber eine kleinere Wellenlänge und Amplitude auf. Aus
der Überlagerung
der beiden schwingungsförmigen
Verläufe
längs der
Richtungen 5 und 6 resultieren in der Draufsicht
gemäß 3 höchste Punkte 7 und
tiefste Punkte 8 der Membran 2 in regelmäßigen Mustern
und insbesondere eine Verformbarkeit, d. h. insbesondere eine Dehnbarkeit
der Membran in allen Richtungen längs der Hauptfläche 4 allein
aufgrund der Flexibilität
des Materials 3 und ohne dieses selbst zu dehnen.
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Dasselbe
wird bei der Membran 2 gemäß den 4 bis 6 erreicht,
deren dreidimensional strukturierter Bereich 1 in den 4 bis 6 dargestellt
ist. Hier verläuft
jedoch der zweite schwingungsförmige
Verlauf in der Richtung 6 nicht senkrecht zu der Hauptfläche 4,
sondern parallel hierzu. Entsprechend gibt die Draufsicht gemäß 6 Kämme 9 und Täler 10 statt
der höchsten
und tiefsten Punkte 7 und 8 gemäß 3 wieder.
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Die
in den 7 und 8 mit ihrem dreidimensional
strukturierten Bereich 1 skizzierte Membran 2 unterscheidet
sich von derjenigen gemäß den 1 bis 3 durch
gleiche Wellenlängen
und insbesondere auch durch gleiche Amplituden der beiden in den
Richtungen 5 und 6 überlagerten schwingungsförmigen Verläufe. Dies
erweist sich insoweit als ungünstig,
als dass sich die Anstiege und Abfälle dieser beiden überlagerten
schwingungsförmigen Verläufe längs Linien 11,
die in 8 eingezeichnet sind, vollständig kompensieren. So gilt
für alle
Punkte, die auf einer dieser Linien 11 liegen, dass die Membran
längs dieser
Linien eine Länge
aufweist, die genau dem Abstand der Punkte auf der Hauptfläche 4 entspricht.
Die Membran 2 weist entsprechend in der Richtung dieser
Linien 11 keine strukturelle Dehnbarkeit, d. h. keine Dehnbarkeit
ohne Dehnung des Materials 3 der Membran 2 auf.
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Die 9 bis 11 skizzieren,
dass dies trotz gleicher Wellenlängen
und Amplituden der schwingungsförmigen
Verläufe
in den beiden Richtungen 5 und 6 nicht gilt, wenn
der überlagerte schwingungsförmige Verlauf
in der Richtung 6 Schwingungen parallel zu der Hauptfläche 4 aufweist.
Dann gibt es keine Gerade über
die Draufsicht gemäß 9,
die zwei Punkte der Membran 2 miteinander verbinden würde, ohne
dass eine Linie längs
der Membran 2 gegenüber
dieser Geraden nicht zumindest bereichsweise ansteigen oder abfallen
würde,
solange nur solche Geraden betrachtet werden, die mindestens so
lang wie die Wellenlänge der
hier überlagerten
schwingungsförmigen
Verläufe sind.
In 11 ist für
zwei Punkte 12 und 13 deren Abstand 14 auf
der Hauptfläche 4 eingetragen
und ebenso die Länge
einer Linie 15 längs
der Membran 2, die die beiden Punkte 12 und 13 miteinander
verbindet. Diese Länge
besteht aus vier Teillängen 16 bis 19,
die zusammen mehr als 50% länger
als der Abstand 14 sind.
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- 1
- dreidimensional
strukturierter Bereich
- 2
- Membran
- 3
- Material
- 4
- Hauptfläche
- 5
- Richtung
- 6
- Richtung
- 7
- höchster Punkt
- 8
- tiefster
Punkt
- 9
- Kamm
- 10
- Tal
- 11
- Linie
- 12
- Punkt
- 13
- Punkt
- 14
- Abstand
- 15
- Linie
- 16
- Teillänge
- 17
- Teillänge
- 18
- Teillänge