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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schallemitter mit einem Schallwellengenerator, der in Schiffen, Fabriken oder dergleichen angeordnet ist.
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Eine Grundstruktur eines Schallemitters, der mit einem Horn versehen ist, ist offenbart in
GB-A-871,097 . Diese Art von Schallemittern ist seit den 1960ern auf großen Schiffen und dergleichen weit verbreitet.
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Die Schallwelle wird z.B. durch einen Kolben in einem Zylinder erzeugt, der mit einem Horn verbunden ist. Die den Kolben und den Zylinder umfassende Baugruppe kann zusätzlich einen Motor mit einem Getriebe umfassen, der als Schallwellengenerator bezeichnet werden kann.
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Heute gibt es viele andere Schallemitter auf dem Markt, die z.B. elektromotorisch angetrieben werden, aber die meisten von ihnen kämpfen mit nachteiligen Lufttemperaturschwankungen. Da die Schallgeschwindigkeit von der Umgebungslufttemperatur abhängt, ist die Resonanzfrequenz eines Horns mit einer festen Länge nicht stabil, die Resonanzfrequenz nimmt ab, wenn die Temperatur fällt, was zu einer Fehlanpassung zwischen der Resonanz und der Drehzahl des Motors führt, und steigt an mit ansteigender Temperatur, wodurch der Schallpegel im Wesentlichen fällt. Konstrukteure haben versucht, dieses Problem der Lufttemperaturschwankungen in unterschiedlicher Weise zu mildern. Spezielle Motoren wurden verwendet, Heizspulen wurden innerhalb des Horns angeordnet, um die darin befindliche Luft zu erwärmen und die Hörner wurden modifiziert, so dass die Eigenschaften des Horns z.B. die Länge des Horns, an die spezifischen Wetterbedingungen angepasst wurden. Diese Lösungen erfordern Anpassungen, die unzuverlässig und teuer sind und unerwünschten Leckagen verursachen können, der zu schlechterem Schall führt.
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Ein weiteres Problem der heutigen Schallemitter ist, dass sie in der Regel ein Getriebe erfordern, das als eine Verstellung arbeitet, so dass der Schallwellengenerator des Schallemitters die richtige Frequenz erzeugen kann, um ein aufeinander Abstimmen der Schallwellen und der Resonanzfrequenz des Horns zu erzielen. Das Getriebe ist umständlich und verursacht zusätzliche Kosten für die Struktur. Ferner kann das Getriebe aus Stahl hergestellt werden und erfordert somit häufig die Schmierung durch flüssiges Öl, oder aus Plastik. Ein Kunststoffmaterial, das häufig verwendet wurde, ist Bakelite®, das stark negative Einwirkungen auf die Umwelt hat.
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Weitere Beispiele des Standes der Technik sind in
GB-A-1,312,747 und
US-A-4,805,732 offenbart. Jedoch sieht keiner dieser bekannten Schallemitter eine vollständige Lösung für die oben diskutierten Probleme vor.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue Schallerzeugungsanordnung bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Dieses Ziel wird mittels einer Technik erzielt, die in den beigefügten unabhängigen Ansprüchen bestimmt ist, bestimmte Ausführungsformen sind in den dazugehörigen abhängigen Ansprüchen dargelegt.
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In einem Teil der Erfindung wird ein Schallwellengenerator für einen Schallemitter bereitgestellt, der einen eine Rotationsachse aufweisenden elektrischen Motor umfasst, der ein Antriebsteil umfasst oder damit verbunden ist, wobei das Antriebsteil exzentrisch in Bezug zu der Rotationsachse ist. Ferner umfasst der Schallemitter ein Schallwellenelement, das derart mit dem Antriebsteil verbunden ist und sich im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu dem Antriebsteil erstreckt, dass das Schallwellenelement eine Hin- und Herbewegung bei Rotation des Antriebsteils um die Rotationsachse ausführt. Die vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, da der elektrische Motor das Schallwellenelement mittels einer Rotationsachse und eines Antriebsteils antreibt aber ohne Getriebe, was dazu führt, dass der Schallemitter weniger komplex und weniger teuer ist als die heute verwendeten Schallemitter.
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In einer Ausführungsform ist das Schallwellenelement innerhalb einer Kammer angeordnet, in der das Schallwellenelement hin und her und geringfügig seitlich bewegt werden kann, wodurch das Schallwellenelement relativ frei ohne Abnutzung an der Kammer bewegt werden kann.
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In einer anderen Ausführungsform umfasst der Schallwellengenerator ferner ein Lager, das zumindest teilweise um das Antriebsteil angeordnet ist, um es dem Antriebsteil zu ermöglichen, innerhalb des Lagers zu rotieren, und das mit dem Schallwellenelement verbunden ist. Dies ist vorteilhaft, da es das Schallwellenelement mit einer kontrollierten hin- und hergehenden Bewegung versorgt, wenn das Antriebsteil rotiert.
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In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der Schallwelllengenerator ein Gehäuse, das das Lager und zumindest teilweise das Antriebsteil aufnimmt und mit dem Schallwellenelement verbunden ist. Das Gehäuse ist vorteilhaft, da es die Schmierung für die Teile, die es aufnimmt, abfängt und sicherstellt, dass die Schmierung nicht an nahegelegene Teile entweicht.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Elektromotor ein Induktionsmotor mit dreiphasiger Deltaschaltung. Durch die Deltaschaltung in dem elektrischen Motor ist es möglich, die Rotationsachse mit der gleichen Frequenz zu betreiben, die dem Motor zugeführt wird, und dadurch das volle Drehmoment zu entwickeln. Es ist auch wirtschaftlich vorteilhaft, da keine speziellen Motoren, die teuer sind, verwendet werden müssen.
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In noch einer anderen Ausführungsform ist der Elektromotor mit einem Frequenzwandler verbunden, um der Rotationsachse eine gewünschte Frequenz bereitzustellen. Der Frequenzwandler kann an jeder verfügbaren Steckdose angeschlossen werden und wandelt die Spannung von der Stromquelle zu einer gewünschten Frequenz, z.B. 130 Hz, und führt diese der dreiphasigen Schaltung des Motors zu. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal ist, dass die Frequenz von dem Frequenzwandler so verändert werden kann, dass sie an Hörner mit verschiedener Größe und Form angepasst werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines Schallemitters, der ein Resonanzhorn umfasst, und ein oben beschriebener Schallwellengenerator, wobei der Schallwellengenerator ausgebildet ist, um Luftdruckimpulse in das Resonanzhorn zu übertragen, um Schall zu erzeugen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die nicht beschränkende Beispiele des erfindungsgemäßen Konzepts veranschaulichen, das in der Praxis reduziert werden kann.
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1 zeigt einen Schallemitter, der auf einem Schiff befestigt ist;
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2 ist eine perspektivische Ansicht eines Schallemitters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 ist eine Querschnittsansicht des Schallemitters aus 2, umfassend einen Schallwellengenerator gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 ist eine Querschnittsansicht des Schallwellengenerators aus 3;
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5a ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der akustischen Last und dem Drehmoment, das durch einen Motor eines Schallwellengenerators einer vorbekannten Lösung hervorgerufen wird; und
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5b ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der akustischen Last und dem Drehmoment eines Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In 1 ist eine erste Anwendung des Schallemitters 10 gezeigt, wobei der Schallemitter auf einem Schiff installiert ist. Der Schallemitter 10 ist angeordnet, um Schall zu erzeugen, z.B. als Warnung im Falle von schlechtem Wetter oder als Signal, um auf eine geplante Handlung hinzuweisen. Bevorzugt ist der Schallemitter 10 relativ hoch oben auf dem Schiff V angeordnet, um den Schall so weit wie möglich abzustrahlen.
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2 ist eine perspektivische Ansicht des Schallgenerators 10, der ein hohles Horn 20, d.h. ein Resonanzhorn, und einen Schallwellengenerator 30 umfasst. Der Schallwellengenerator 30 ist in den 3 und 4 spezifischer beschrieben. Das Horn 20 ist fest mit dem Schallwellengenerator verbunden und angeordnet, um den gewünschten Schall zu erzeugen, wenn es Schallwellen von dem Schallwellengenerator 30 empfängt, die in dem Horn 20 propagieren können. Das Horn hat zumindest zwei akustische Zwecke, eine Last für den Schallwellengenerator 30 zu generieren und die akustische Impedanz des Schallwellengenerators 30 an die Impedanz der Luft anzupassen. Die maximale Last des Schallwellengenerators 30 tritt bei der Resonanzfrequenz des Horns 20 auf, je besser die Resonanz desto höher die Last. Die Impedanzanpassung bestimmt den Schalldruckpegel und das Spektrum. Daher kann die Größe und die Form des Horns in Abhängigkeit vom Zweck und der Lage des Schallemitters 10 unterschiedlich sein.
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3 zeigt einen Querschnitt des Schallgenerators 10 mit dessen Horn 20 und Schallwellengenerator 30. Der Schallwellengenerator 30 und dessen Komponenten sind in 4 in größerem Detail dargestellt.
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Der Schallwellengenerator 30 umfasst einen Motor 31, bevorzugt einen dreiphasigen Induktionsmotor mit einem Stator 32, einem Rotor 33, zwei Motorlagern 34a, 34b und einer Rotationsachse 35, die auch als Motorwelle bezeichnet wird. Darüber hinaus umfasst die Rotationsachse 35 ein Antriebsteil 36, das exzentrisch in Bezug zu der Rotationsachse 35 ist. Die Rotationsachse 35 und das Antriebsteil 36 rotieren um die zentrale Achse A, wenn der Motor 31 läuft. In einer alternativen nicht gezeigten Ausführungsform können die Rotationsachse und das Antriebsteil zwei separate Teile sein, die zusammen montiert werden.
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Ein Lager 37 ist an dem Antriebsteil 36 montiert, welches dem Antriebsteil 36 folgt, wenn dieses um die Achse A rotiert und dem Antriebsteil 36 eine Rotation innerhalb des Lagers 37 ermöglicht. Das Lager 27 und zumindest teilweise das Antriebsteil 36 sind innerhalb eines hohlen Gehäuses 38 angeordnet, das ein Behälterteil 39, eine Abdeckung 40 und Schmiermittel (nicht gezeigt) umfasst, wobei das Behälterteil 39 und die Abdeckung 40 mittels Schrauben 41a, 41b miteinander verbunden sind. Das Lager 37 ist an dem Behälterteil 39 des Gehäuses 38 so befestigt, dass die Achse 36 innerhalb des Gehäuses 38 um die Achse A rotieren kann. Dies ist möglich, da das Gehäuse 38 mit dem Antriebsteil 36 und dem Lager 37 innerhalb einer Kammer 42 des Schallwellengenerators 30 angeordnet ist. Da das Lager 37 exzentrisch auf der Achse 36 montiert ist, bewegt sich das Gehäuse 38 in einer Ansicht, die mit Pfeil B markiert ist, entlang einer kreisförmigen Bahn. Die Kammer 42 ist mittels eines Gehäuses 43 umschlossen, das auch den gesamten Schallwellengenerator 30 umschließt.
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An der Außenseite des Gehäuses ist ein Schallwellenelement 44 mittels dessen ersten Endstücks 46 verbunden. Das Schallwellenelement 44 umfasst eine Kolbenstange 45 und einen Kolben 47, die bevorzugt aus einem Stück hergestellt sind, aber die beiden Teile können auch in einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) lösbar voneinander ausgebildet sein. Das Schallwellenelement 44 hat bevorzugt eine teilweise veränderte kreisförmige Querschnittsfläche und erstreckt sich weg von dem Gehäuse 38 senkrecht zu der Erstreckung der Rotationsachse 35 und des Antriebsteils 36. Bevorzugt ist die Kolbenstange 45 länglich ausgebildet und weist eine gleichbleibende kreisförmige oder andersförmige Querschnittsfläche auf, während der Kolben 47 eine sich ändernde kreisförmige Querschnittsfläche, kegelstumpfförmigen Typs aufweist, sich in Richtung weg von der Kolbenstange 45 vergrößert. Das Schallwellenelement 44 ist hohl zwischen dem geschlossenen ersten Endstück 46 und dem geschlossenen zweiten Endstück 48, um das Gewicht des Schallwellenelements so gering wie möglich zu halten. Das Schallwellenelement kann offen sein, wobei aber die akustische Effizienz bei einem geschlossenen Ende 48 höher ist.
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Da das Schallwellenelement 44 an dem Gehäuse 38 befestigt ist, folgt es dessen Bewegung, was zu dem Hervorrufen einer hin- und hergehenden Bewegung des Schallwellenelements 44 führt. Da das Schallwellenelement 44 in der Kammer 42 Vor- und Zurückbewegungen ausführt, erzeugt es Schallwellen, d.h. Luftdruckänderungen, die propagieren und sich in das Horn 20 bewegen, um den gewünschten Schall zu erzeugen.
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Die Kammer 42 kann gemäß einer alternativen Ausführungsform (nicht gezeigt) ausgebildet sein, um das Schallwellenelement leicht zur Seite zu bewegen, um auch möglichen Reibungsverschleiß zu vermeiden.
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Durch den Direktantrieb zwischen dem Motor 31 und dem Rest des Schallwellengenerators 30, d.h. kein Getriebe oder Zahnräder, wird der Schallemitter 10 zuverlässiger im Betrieb und billiger aufgrund der geringeren Anzahl an Komponenten und dem weniger komplexen Herstellungsprozess.
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Um die richtige Frequenz der Rotation der Rotationsachse 35 zu erhalten, ist der Motor 31 mit einem Frequenzwandler 50 verbunden, der an jede verfügbare Steckdose angeschlossen werden kann und schematisch in den 3 und 4 gezeigt ist. Der Frequenzwandler 50 wandelt die Spannung von der Stromquelle in eine gewünschte Frequenz, beispielsweise 130 Hz, und führt diese der dreiphasigen Schaltung des Motors 31 zu. Ein Standardmotor ist für Standardspannungen (3 × 380V/50Hz oder 3 × 440V/60Hz) mit einer Y-Schaltung konstruiert. Wenn die dreiphasige Spannung zugeführt wird, 130Hz, wird kein volles Drehmoment entwickelt. Jedoch durch die Deltaschaltung in dem Standardinduktionsmotor 31 ist es möglich, die Rotationsachse 35 mit der gleichen Frequenz zu betreiben, die dem Motor 31 zugeführt wurde, und volles Drehmoment zu erzielen. In der beschriebenen Ausführungsform ist 130 Hz ein bevorzugter Wert für die Frequenz, da hiermit aufgrund der speziellen Konstruktion des Horns der bestmöglichste Schall erzielt wird. Dies ist zudem wirtschaftlich vorteilhaft, da kein spezieller Motor, der teuer ist, verwendet werden muss. In einer anderen Ausführungsform kann eine andere Konstruktion eine andere Frequenz erfordern.
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Eine vorteilhafte Eigenschaft des oben beschriebenen Schallwellengenerators 10 ist, dass dieser durch Änderungen der Frequenz von dem Frequenzwandler 50 in den Motor 31 an andere Arten und Formen von Hörnern 20 anpassbar ist. Es ist eine bekannte Tatsache, dass Hörner mit verschiedenen Größen und Formen unterschiedliche Resonanzfrequenzen haben und mit dem beschriebenen Schallgenerator 10 nur die Frequenz in den Motor 31 hinein geändert werden muss, um verschiedene Frequenzen zu erzielen, um an die spezifischen Eigenschaften des Horns 20 angepasst zu werden. Das bedeutet, dass keine Komponenten in dem Schallgenerator 10 geändert werden müssen, um zwischen unterschiedlichen Frequenzen variieren zu können.
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Der durch den Schallemitter 10 erzeugte Schall hängt von dem Drehmoment des Motors 31, der Drehzahl des Motors 31 und der Temperatur der umgebenden Luft ab. Ein Problem mit heute bekannten Schallemittern ist, dass sie auf Änderungen in der Umgebungstemperatur empfindlich sind, insbesondere wenn die Temperatur fällt. In der Regel müssen teure und/oder nicht zuverlässige Geräte genutzt werden, um eine Anpassung an die Umgebungstemperatur zu erzielen.
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Die 5a–b zeigen einen Graph, wie sich das Drehmoment des Motors, vertikale Achse, in Abhängigkeit der Betriebsgeschwindigkeit des Motors 31, d.h. der Frequenz des Motors 31, horizontale Achse, eines bekannten Schallemitters beziehungsweise eines Schallemitters 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ändert. Das Drehmoment entspricht dem Schallpegel, wobei der bevorzugte Schallpegel zwischen den Werten y1 und y2 liegt. Das Diagramm zeigt eine Drehmomentkurve des Motors A‘ gegen den Wert der Betriebsgeschwindigkeit und drei akustische Lastkurven B‘, C‘, D‘, die alle die Drehmomentkurve des Motors A‘ an einem Punkt b‘, c‘, d‘ schneiden. Die akustische Last hängt von der Temperatur der Umgebungsluft ab, um den gewünschten Schallpegel in dem Horn zu erzielen, müssen die Kurven B‘, C‘, D‘, die Drehmomentkurve des Motors A‘ an einem bestimmten Punkt zwischen den Werten y1 und y2 schneiden. Die drei akustischen Lastkurven B‘, C‘, D‘, zeigen drei verschiedene Temperaturzustände, z.B. B‘ = –20°, C‘ = 0°, D‘ = ±20°.
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In 5a ist der Stand der Technik gezeigt, der klar zeigt wie schwierig es ist, den richtigen Schallpegel zu erzielen, wenn die Lufttemperatur sich ändert, insbesondere wenn die Lufttemperatur bei tiefen Werten fällt. Eine Kurve B‘ wird nie die Drehmomentkurve des Motors A‘ an einem gewünschten Punkt schneiden und wird daher nie den gewünschten Schall in dem Horn erzeugen.
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5b zeigt das Szenario der Drehmomentkurve des Motors A‘‘ gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und die gleichen akustischen Lastkurven B‘‘, C‘‘, D‘‘ wie in 5a. Die Drehmomentkurve des Motors A‘‘ ist in diesem Fall abgeflacht und gesteuert, so dass der gewünschte Schallpegel unabhängig von der Temperatur der Umgebungsluft des Schallgenerators erzielt wird, d.h. alle drei Schnittpunkte b‘‘, c‘‘, d‘‘ sind innerhalb von y1 und y2. Dies wird durch Verwendung des Frequenzwandlers erzielt, um den Motor mit Spannung und Leistung zu versorgen, die dann einem Nutzer erlaubt, die der Rotationsachse bereitgestellte Frequenz zu kontrollieren und dadurch die Drehmomentkurve des Motors A‘ zu kontrollieren. Die in 5b gezeigte Drehmomentkurve des Motors A‘ mag im Wesentlichen gerade erscheinen, aber die Darstellung betrifft nur einen interessanten Verwendungsbereich.
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Die Komponenten des Schallemitters sind vorzugsweise aus korrosionsbeständigen Materialien hergestellt, um alle Umgebungen standzuhalten.
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Es sollte beachtet werden, dass obwohl zahlreiche Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung in der vorangehenden Beschreibung zusammen mit Details der Struktur und Funktion der Erfindung dargelegt wurden, die Beschreibung nur illustrativ ist und Änderungen in Details, insbesondere in Fragen der Form, Größe und Anordnung von Teilen, innerhalb des Anwendungsbereichs der Erfindung, der in vollem Umfang durch die beigefügten Ansprüche angegeben ist, vorgenommen werden können.
