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Stoß-Schallquelle Gegenstand der Erfindung ist eine Stoß-Schallquelle
mit wenigstens einem innerhalb einer Flüssigkeit befindlichen, durch Isolierkörper
eingeengten Strompfad, deren abgestrahlte Leistung durch besondere Maßnahmen stark
gesteigert und deren Lebensdauer sehr lang ist.
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Irreversible Schallerzeuger waren bisher technisch nur für die Erzeugung
einzelner intensiver Schallstöße brauchbar. Eine Besserung in dieser Hinsicht wurde
durch die Verwendung von Schallsendern erreicht, bei denen der Schall durch bei
Stromdurchgang in eng begrenzten Flüssigkeitsfäden bewirkten stoßartigen Verdampfungen
erzeugt wird. Diese bekannten Schallsender arbeiten vorwiegend mit Gleichstrom,
so daß sie nur leistungsschwache Signale abgeben, und außerdem sind die Begrenzungen
der Strompfade so beschaffen, daß sie hohe elektrische Leistungen ohne Zerstörung
nicht aufnehmen können. Diese Nachteile zu beseitigen, 'ist Aufgabe der Erfindung.-Nach
der Erfindung werden die aufgezeigten Mängel dadurch beseitigt, daß als Stromquelle
ein Entladungskondensator dient und daß die die Einengung der Strompfade bewirkenden
-Körper aus gummielastischem Werkstoff großer Zähigkeit bestehen. Dieser gummielastische
Werkstoff besteht zweckmäßig aus einem Polyadditionsprodukt eines Diisocyanats mit
einem Hydroxylgruppen tragenden Polyester. Die Lebensdauer wird außerdem dadurch
erhöht, daß ein Durchlässe für die Strompfade enthaltender Isolierkörper auf einer
zugleich eine der Entladungselektroden bildenden nachgiebigen metallischen Trägerfolie
angeordnet ist, deren Rückseite vorzugsweise mit einem Schallreflektor versehen
ist. Weitere Ausführungen -des die Durchlässe für die Strompfade enthaltenden Isolierkörpers
bestehen darin, daß dieser Körper die Umhüllung einer drahtförmigen Entladungselektrode
bildet oder daß er einen an eine Pumpe angeschlossenen, mit der Entladungsflüssigkeit
gefüllten Raum begrenzt, so daß die von der Pumpe zugeführte Entladungsflüssigkeit
aus den Durchlässen des Isolierkörpers austritt und dabei den Durchmesser der Durchlässe
entsprechend der geförderten Flüssigkeitsmenge einstellt. Ein weiteres Mittel zur
Einengung der Strompfade ist die Anordnung einer Mehrzahl von plattenförmigen Isolierkörpern,
die auf einer Trägerelektrode dachziegelartig übereinandergreifend angeordnet sind.
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Im Gegensatz zu der bisher bekanntgewordenen Flüssigkeitsfunkenstrecke,
die meistens mit zwei breitflächigen Elektroden, zwischen denen der Funke überspringt,
ausgerüstet sind, wird bei einer Ausführungsart der Erfindung die eine Elektrode
in Form eines dünnen elastischen Metallbandes oder Metallblattes ausgebildet, während
die Gegenelektrode aus einem weicheren Metallblock, z. B. Messing, der auf einen
Bleiblock aufgelötet werden kann, gefertigt wird. Das dünne Metallblatt, besonders
wenn es einen schmalen Winkel mit Gegenelektrode bildet, erlaubt dem Schallimpuls
einen freien Lauf, so daß er sich in dem Halbraum ungestört ausbreiten kann. Eine
weitere Vereinfachung des Flüssigkeitsfunkenschallgebers wird dadurch erzielt, daß
man die eine oder die beiden Elektroden durch die Flüssigkeit selbst ersetzt. Trennt
man die beiden weitflächigen Elektroden mit einer Wand aus Isoliermaterial und versieht
man die Wand mit einem Riß; so entsteht ein gewaltiger heller Funke, der von den
beiden Riflkänten tief in die Flüssigkeit einwächst, wenn der Kondensator zum Entladen
gebracht wird. Hierbei ist das Wesentliche, daß der Funke nicht bis zur Metallelektrode
anzuwachsen braucht, -so daß -die Entfernung zwischen beiden Elektroden in weiten
Grenzen beliebig geändert werden kann.
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Den sich hier abspielenden Vorgang könnte man folgendermaßen deuten:
Nach der Zündung der Entladung steigt die Spannung zwischen den beiden Flüssigkeitsgebieten
bis zur vollen Kondensatorspannung an. Die Gasschicht innerhalb der Risse ist ionisiert.
Die Gasionen, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen, geben ihre Ionisierungsenergie
an die Flüssigkeitsmoleküle ab, so daß eine stoßartige Leitfähigkeitsänderung des
Elektrolyten in der Umgebung des Risses hervorgebracht wird. Dabei wächst die Leitfähigkeit
in eng begrenzten, oft unregelmäßig verästelten Bahnen lawinenartig tief in die
Flüssigkeit hinein, wie dies bei Funkenentladungen stets der Fall ist. Die Länge
der Funkenbahn in der Flüssigkeit ist von der Entladungsenergie abhängig. Hieraus
wird die notwendige Lehre zum Bau der Flüssigkeitsfunkenstrecke langer Lebensdauer
gezogen. Die beiden Flüssigkeitsschichten müssen durch- einen dünnen
Gas-
oder Dampfraum getrennt werden, wobei gestattet ist, die beiden Räume durch lange
dünne schlauchartige Kanäle zu verbinden. Die notwendige Gas- oder Dampfschicht
kann auf verschiedene Art und Weise erzeugt werden. Man kann z. B. eine Bauart,
die bei Wehnelt-Unterbrechern bekannt ist, verwenden. Im Anfangsstadium wird das
flüssige Medium in dem Loch oder in der Nähe des Stiftes durch einen Teil der Entladungsenergie
in Dampf-bzw. Gasphase gebracht.
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Erfindungsgemäß wird das vom Verdampfungsschallerzeuger bekannte Diaphragma,
das bislang nach der geltenden Lehre aus hartem, vorzugsweise kerainischem Material
zu bestehen hatte, aus plastischem oder elastischem oder elastisch-plastischem Material
im Gegensatz zum bisherigen spröden bruchempfindlichen Material gefertigt und zugleich
an Stelle der bei den Verdampfungsschallgebern üblichen Modulationsspannungen starke
Kondensatorentladungen ohne schwingenden Charakter stoßartig auf die Schallquelle
gegeben. Es entstehen alsdann nach sofortigem Verdampfen des flüssigen Mediums in
den Poren des Diaphragmas spontane Funkenüberschläge in großer Zahl, sämtliche gleichzeitig
ablaufend, die sich mit hohem Wirkungsgrad im Wasser oder einem anderen geeigneten
Medium ausbreiten. Die Erfindung benutzt die Tatsache, daß bei hinreichend rascher
Energieinvestition, z. B. in einer Zeit von der Größenordnung von Mikrosekunden,
das Medium in den Poren -des Diaphragmas verdampft, der Dampf aber noch nicht Zeit
hatte, sich zu expandieren, so daß er noch die Dichte der ursprünglichen Flüssigkeit
besitzt. Infolgedessen hat er auch, schallmäßig gesehen, dieselben Eigenschaften
wie die Flüssigkeit, aus der er entstammt. 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
zu außerordentlich hohen spontanen Temperaturen mit steilstem Druckanstieg, der
adiabatisch sich als Druckwelle in der umliegenden Flüssigkeit, die eine oder beide
Elektroden des Systems bildet, ausbreitet. Physikalisch ist dieser Effekt, der viele
konstruktive Freiheiten ergibt, dadurch bedingt, daß in statu nascendi alle parallel
geschalteten Funkenstrecken noch gleiche Anfangsbedingungen haben, d. h., bei allen
beginnt sich der Elektrolyt zu zersetzen, es entsteht eine winzige gasförmige Atmosphäre,
die Kondensatorentladungsenergie nimmt weiterhin zu, und es kommt zur Ausbildung
vieler kleiner Partialfunken. Naturgemäß sind diese theoretisch verschieden groß,
es läßt sich aber in der Praxis erreichen, daß dieselben ausreichend gleich sind.
Die Erfindung läßt sich weiterhin dadurch ausgestalten, daß die Spannung und die
sonstigen elektrischen Daten des Entladungskreises in Anpassung an den Elektrolyten
gewählt werden, z. B. an Seewasser. Hierbei ist die Dimensionierung nicht sehr kritisch,
es ist eine Einstellung möglich, die, bei Beaufschlagung jeder einzelnen Elektrode
von z. B. i/ioo Joule Entladungsenergie, ausreichend ist, um sowohl in Süßwasser
wie in Seewasser eine Funkenentladung vieler parallel geschalteter Elektroden zu
erzwingen.
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Der Gegenstand der Erfindung kann im einfachsten Falle als sogenannter
Einlochschallgeber ausgebildet werden, und es gelingt, mit diesem leicht eine Spitzenleistung
von 30 kW, z. B. bei einer Entladung eines Kondensators von 0,2 #tF 6 bis 8 kV in
einer Entladungszeit von einigen Mikrosekunden als Leistung abzustrahlen. Besondere
Ausführungsformen der Erfindung sind dachziegelartig überlappte, plastischelastische
Kunststoffstreifen, in deren überlappungsritzen die Flüssigkeit spontan verdampft
und die Schallstöße aussenden. Der Schallgeber kann treppenartig, konkav, konvex
usw. gestaltet sein zur Erzeugung von Schallfeldern mit einer periodischen Stoßfolge
mit Frequenzcharakter oder zur Bündelung oder Divergenz. Es können auch solche Anordnungen
benutzt werden, bei denen die Flüssigkeit ununterbrochen durch die Poren oder Löcher
des Diaphragmas strömt und dabei sogleich der Schallwirkung der Funken in diesen
Löchern ausgesetzt wird. Je nach der Empfindlichkeit des Behandlungsgutes auf metallische
Suspensionen vermag man das Elektrodenmetall der Flüssigkeitsfunkenstrecken den
jeweiligen Wünschen anzupassen, man wird im allgemeinen Eisen bevorzugen, da Eisenemulsionen
gesundheitlich unschädlich sind.
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Überraschenderweise arbeitet ein Stoß-Schallsender nach der Erfindung
auch dann, wenn keine direkten Funkenentladungen stattfinden, sondern es nur zu
einer starken Kontraktion durch die hohe Feldlinienkonzentration kommt. Der Schallemissionseffekt
ohne Flüssigkeitsfunkenentstehung ist zwar viel schwächer, für viele Fälle aber
ausreichend und hat den Vorteil einer nahezu unendlichen Lebensdauer des Schallerzeugers.
Diese Erscheinung tritt bei allen im folgenden beschriebenen konstruktiven Ausbildungen
auf. Es wird daher erfindungsgemäß vorgeschlagen, zur Erzeugung schwacher Stoß-Schallfelder
Flüssigkeitsfunkengeneratoren, die bei starker Kondensatorladung Flüssigkeitsfunken
erzeugen, mit schwachen Kondensatorentladungen zu betreiben, so daß es durch Stromlinienkonzentration
zu einer momentanen Kontraktion oder, Dilatation des elektrolytischen Mediums mit
nacfolgender Schallerzeugung führt.
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In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt.
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Fig.1 zeigt eine einfache Betriebsschaltung mit einer Stoß-Schallquelle
einfachster Form. Hierin ist 1 die speisende Stromquelle, .die über einen Fremd-
oder Selbstunterbrecher 2, mit dem üblichen Parallelkondensator 3, Öffnungsstromstöße
der Spule 4 erzeugt. Die Sekundärwicklung 5 ergibt bei jeder Stromöffnung eine kleine
Strommenge hoher Spannung. Diese werden für kräftige Funken über einen Gleichrichter
6 dem Kondensator 7 zugeführt, der sich alsdann langsam bis auf die Durchbruchspannung
der Funkenstrecke 8 auflädt. Man kann aber auch ohne Gleichrichter 6 arbeiten und
Spule und Kondensator so dimensionieren, daß es bei jeder Unterbrechung zu einem
Funkenüberschlag in der Funkenstrecke 8 kommt. An Stelle dieser Schaltung kann bei
Netzwechselspannung auch ein Hochspannungsgleichrichter benutzt werden, der den
Kondensator 7 auflädt, und außerdem die Funkenstrecke 8 für gewünschte willkürliche
Betätigung durch Zündfunken in bekannter Weise mit einer Zündelektrode 8a ausrüsten.
Der erzeugte Spannungsstoß wird der Elektrode 9 zugeführt, die sich in einer elektrolytisch
leitenden Flüssigkeit 10
befindet und von einer plastisch-elastischenUmhüllung
11 umschlossen ist. Die Masseelektrode ist die Flüssigkeit 12, und bei jeder Zündung
der Funkenstrecke 8 kommt es in der Öffnung 13 zur Ausbildung der spontanen Dampfblase
mit Funkenüberschlag.
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Gemäß Fig. 2 kann die innere Elektrode 9 auch mit einem Büschel 14
versehen sein, so daß sie eine größere Übergangsfläche zum Elektrolyten 10 hat.
Weiterhin kann durch Flüssigkeitszulauf durch einen Stutzen 15 der Strömungsquerschnitt
in der Öffnung
13 veränderlich gemacht werden, indem eine ringförmige
Feder 16 sich druckabhängig mehr oder weniger öffnet.
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Fig.3 zeigt einen Hochleistungsschallgeber, bei dem die Elektrode
17, etwa ein Blech, von einem dachziegelartig übereinandergreifenden plastisch-elastischen
Isolierstoff 18 bedeckt wird. Wenn die Flüssigkeit 12 einseitig angeordnet ist,
kommt es an den Überlappungsstellen 19 zu spontanen Funkenüberschlägen, so daß eine
kohärente Schallfront abgestrahlt wird. In bekannter Weise kann man den Leiter 17
rückwärtig mit schallreflektierendem Material 20, z. B. Schaumgummi mit wasserdichter
Oberflächenhaut, versehen, so daß es zu einer Verdoppelung der Schallemission in
Pfeilrichtung 21 kommt.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei andere Ausführungsarten. 22 ist das plastisch-elastische
Material, 17 wiederum die leitende Elektrode und 20 der reflektierende Rückenbelag.
Das Diaphragma kann gemäß Fig.4 lochförmige Bohrungen haben oder gemäß Fig. 5 auch
konische.
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In an sich bekannter Weise kann man den Schallgeber auch gemäß Fig.
6 gewölbt ausbilden, z. B. sphärisch oder zylindrisch, um Brennpunkt- oder Brennlinienwirkungen
mit hoher Schallkonzentration zu erzielen.
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Die Schallquelle nach der Erfindung zeichnet sich durch sehr hohe
Lebensdauer aus und ist sowohl für die willkürliche Erzeugung einzelner Schallstöße
wie auch periodischer Folgen brauchbar. Sie erzeugt Drücke, die 1000 Atmosphären
betragen können, und ist nützlich für alle Anwendungen, die bisher mit periodischen
Schwingungen reversibel arbeitender Schallgeber arbeiteten. Sie hat aber gegenüber
letzteren den Vorteil erheblich höherer Drücke und der Vermeidung elektronischer
Hilfsmaßnahmen. Besonders nützliche Anwendungsgebiete sind: Beschleunigung elektrolytischer
Prozesse, chemische Reaktionen, wie z. B. Reinigung, sowie Lösungsvorgänge, ferner
Echolote, Beeinflussung von Saatgut, Signalisierung in Flüssigkeiten insbesondere
unter Wasser.