DE1139218B - Ultraschall-Verzoegerungseinrichtung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

INTERNAT. KL. G 08 f;

G 10k; H 03h

M 25296 IXd/21g

A N M IC L D E T A G : 27. NOVEMBER 1954

BEKANNTMACHUN G
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 8. NOVEMBER 1962

Die Erfindung betrifft Einrichtungen, welche ultraschallfrequente elektrische Signale in der Weise verzögern, daß ein Wandler verwendet wird, um diese elektrischen Signale in mechanische Signale, d. h. einen Strahl von elastischen Schwingungen, umzusetzen, und diese dann über einen vorbestimmten Weg geschickt werden, nach welchem sie in elektrische Signale zurückverwandelt werden. Diese zurückverwandelten ultraschallfrequenten Signale sind infolgedessen zeitverzögert in bezug auf die ursprünglichen ultraschallfrequenten Signale.

In den bekannten Verzögerungseinrichtungen oder Verzögerungszellen läßt man die umgesetzten ultraschallfrequenten Signale sich in einem flüssigen, gasförmigen oder festen Medium fortpflanzen. Die größtmögliche Zeitverzögerung hängt von der größten verfügbaren Länge des Weges ab, den die elastischen Wellen zurücklegen, und in einem bestimmten Medium steht die größte Weglänge im Zusammenhang mit dem Grad der Absorption durch das Medium, der Verbreiterung des Strahles der elastischen Wellen, der Signalstärke, der Bandbreite und den baulichen Beschränkungen, die sich aus den Abmessungen der Zellen ergeben, welche 4,5 bis 6 m lang sein können.

Um die Abmessungen der Zellen zu verringern, ist vorgeschlagen worden, die elastischen Wellen durch Einfügung von Reflektoren zurückzuwerfen.

Um zu verhältnismäßig kleinen Verzögerungszellen zu gelangen, hat man ferner vorgeschlagen, die Zellen so auszubilden, daß sie die elastischen Wellen kreuz und quer, d. h. so reflektieren, daß die Wellen einen zickzackförmigen Verlauf nehmen, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Wellen auf ihrem Wege durch die Zellen jeden Teil des Mediums zweimal in aufeinander senkrecht stehenden Richtungen durchlaufen. Diese Anordnung wurde erzielt durch Verwendung eines rechteckigen Behälters im Falle eines flüssigen Mediums oder eines rechteckigen Blocks aus dem Medium im Falle eines festen Mediums.

Um den gewünschten Zickzackweg zu erhalten, werden die Abmessungen des Behälters oder Blocks so gewählt, daß der Einfallswinkel an jeder reflektierenden Fläche stets angenähert 45° ist, wobei dieser Winkel ein solcher ist, daß eine innere Totalreflexion in dem für Verzögerungszellen allgemein verwendeten Medium (z. B. Quecksilber in einem Glasbehälter oder geschmolzener Quarz in Luft) auftritt.

Es läßt sich nachweisen, daß zur bestmöglichen Ausnutzung des Mediums, welches der elastische Ultraschall-Verzögerungseinrichtung

Anmelder:

Marconi's Wireless Telegraph Company Limited, Great Baddow, Chelmsford,

Essex (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt, Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 30. November 1953 und 15. Oktober 1954 (Nr. 33 277)

Wilfrid Sinden Mortley, Great Baddow, Essex (Großbritannien),

ist als Erfinder genannt worden

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Wellenstrahl durchläuft, die Länge einer jeden reflektierenden Oberfläche ein ganzzahliges Vielfaches der Breite des elastischen Wellenstrahls geteilt durch 1/2 sein muß, mit der zusätzlichen Bedingung, daß die Vielfachen keinen anderen ganzzahligen gemeinsamen Teiler haben dürfen als Eins. Wenn ein Behälter oder Block entsprechend diesen Bedingungen gebaut ist, durchläuft der elastische Wellenstrahl jede Zone des Mediums zweimal in zueinander senkrechten Richtungen, wobei die Wellen von einer Ecke des Behälters oder Blocks zu einer anderen Ecke am entfernten Ende einer anstoßenden Seite wandern, welcher ein gerades ganzzahliges Vielfaches zugeordnet ist. In einer Zelle mit zwei Wandlern, welche in je einer von zwei benachbarten Ecken des von den reflektierenden Zellenwänden gebildeten Rechtecks angeordnet sind, ist die wirksame Länge und Breite der Zelle mffT bzw. nf{2, wobei m und η ganze Zahlen sind (die ganze Zahl, m oder n, in der Ausdehnung zwischen den beiden Wandlern muß immer gerade sein); der Strahl erleidet (m + η — 2) Reflexionen zwischen den erwähnten Ecken, was eine Weglänge von (mn~l) Strahlbreiten ergibt. Ein nach den vorstehenden Angaben gebauter Behälter oder Block erlaubt es zwar, mit einem gegebenen Strahlquerschnitt und Rauminhalt die größtmögliche Weglänge zu erhalten, jedoch über-

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trägt die Zelle auch Störsignale, die von Wellen Der Wandler 6 wird zum Umsetzen der ultraschallhervorgerufen werden, welche sich längs anderer frequenten elektrischen Signale in einen Strahl von Wege als des vorgesehenen Weges fortpflanzen. Die elastischen Wellen benutzt, der Wandler 8 zur Wege, längs welcher die Störsignale wandern, können Rückverwandlung der elastischen Wellen in ultrakürzer sein als die vorgeschriebene Weglänge. Infolge- 5 schallfrequente elektrische Signale. Die Länge der dessen können die Störsignale wegen der geringeren aneinanderstoßenden Wandpaare (z. B. der Wände 2 Dämpfung auf dem kürzeren Wege stärker sein als und 3) ist so gewählt, daß die vorhin festgelegten die gewünschten Signale. ganzen Zahlen dreizehn und acht sind. Die Rich-

Es ist bereits bekannt, in Verzögerungszellen, in tungen der vom Wandler 6 ausgesandten Wellenweichen die elastischen Wellen kreuz und quer ver- ;o strahlen sind in der Zeichnung durch gestrichelte laufen, die Streuungen der Wellen dadurch herab- Linien dargestellt. Die Strahlen wandern durch das zusetzen, daß nicht die longitudinalen, sondern die Medium vom Wandler 6 zum Wandler 8 längs eines kurzwelligeren transversalen Wellen ausgenutzt wer- Weges, der durch die Richtung der an den geden. Da sich die Wellenlängen beider Wellenarten strichelten Linien angebrachten Pfeile angedeutet nur wenig unterscheiden, kann durch Verwendung 15 ist. Die Breite des Strahles elastischer Wellen ist der transversalen Wellen nur eine geringfügige Ver- im Regelfalle gleich der Breite χ der abstrahlenden minderung der Streuungen erreicht werden. Die oder aufnehmenden Oberfläche der Wandler. Bei Ausnutzung der transversalen Wellen ist nur in der vorliegenden Anordnung ist jedoch die Strahl-Verzögerungszellen aus festen Medien anwendbar, breite ein wenig kleiner gewählt als der zur Erda transversale Wellen in flüssigen oder gasförmigen 20 mittlung der Wandabmessungen der Verzögerungs-Medien nicht möglich sind. zelle benutzte Wert; bei einer Verringerung um Es ist auch schon bekannt, die Seitenwände von 20% ergibt sich die in der Zeichnung mit y be-Verzögerungszellen aufzurauhen, um die den vor- zeichnete Strahlbreite. Der Strahl durchsetzt die geschriebenen Übertragungsweg verlassende Schall- Zelle zwar noch immer, wie in der Zeichnung energie zu absorbieren oder zu zerstreuen. 25 angedeutet, wird aber, da die Breite des Strahles,

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Wirkung der der auf seinem ganzen Wege zunächst als parallel Störsignale, die auf einem anderen als dem beab- angenommen wird, etwas kleiner als der größte sichtigten Wege wandern, herabzusetzen. Die Er- zulässige Wert ist, beiderseits von schmalen Streifen findung ist sowohl bei Verzögerungszellen mit festen des Mediums eingesäumt, die in der Zeichnung wie auch mit flüssigen und gasförmigen Medien an- 3° als schraffierte Streifen 11, 12 für den von A nach B wendbar. verlaufenden Strahl und 13, 14 für Strahlen von C

Die Erfindung geht von einer Ultraschall-Verzöge- nach D angedeutet sind; diese Streifen bleiben vom rungseinrichtung aus, bei welcher sich für das vom Durchgang eines schmalen, nicht divergierenden Eingangswandler ausgesandte Schallstrahlenbündel Strahles durch das Medium unberührt. Um den durch dessen mehrfache Reflexion an den Grenz- 35 gewünschten Strahlverlauf zu erzielen, sind daher flächen des Übertragungsmediums in diesem Medium die wirksamen Oberflächen der Wandler 6 und 8 sich kreuzende Pfade als Weg zum Ausgangswandler so bemessen und angeordnet, daß sie außerhalb ergeben und bei welcher ferner Mittel vorgesehen der Stirnflächen der in der Zeichnung schraffierten sind, die der mit dem zurückgelegten Übertragungs- Schichten 11,12 usw. liegen, in welche die Bohrungen weg zunehmenden Verbreiterung des Schallstrahlen- 40 bzw. Stäbe eingebettet sind, bündeis entgegenwirken. Gekennzeichnet ist die Er- In den Gebieten, in denen die schmalen Streifen

findung dadurch, daß die Absorption bzw. Zer- einander kreuzen (z. B. an den Punkten 15, 16, 17 streuung der seitlich die vorgeschriebenen Über- und 18 der Zeichnung), sind Kollimationsstäbe so tragungswege verlassenden Schallenergie bei Ver- angeordnet, daß ihre Achsen parallel zu den Oberwendung fester Übertragungsmedien durch Boh- 45 flächen der reflektierenden Wände verlaufen. Diese rungen und bei Anwendung flüssiger oder gasförmiger Stäbe erscheinen in der Zeichnung als kleine Kreise o. Medien durch Stäbe erfolgt, die in paralleler Lage zu Diese Kollimationsstäbe ergeben im Medium Zonen den reflektierenden Grenzflächen des Mediums jeweils oder Unstetigkeiten, welche imstande sind, Energie an Stellen mit dem allseitig größten Abstand von den von einer sie treffenden elastischen Welle zu zer-Kreuzungspunkten der Pfade angeordnet sind. 50 streuen und/oder zu verzehren.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und um Im Falle eines festen Mediums können diese

ihre Verwirklichung zu zeigen, wird nun auf die Kollimationsstäbe mit gleicher Wirkung durch Zeichnung Bezug genommen, welche schematisch Löcher ersetzt werden, die in dem Werkstoff des den Weg eines Strahls von elastischen Wellen durch Blocks angebracht werden. Bei allen Medien kann eine Zelle darstellt. 55 es unerwünscht sein, Kollimationsstäbe an jeder

Die Verzögerungseinrichtung wird für den Zweck Kreuzungsstelle vorzusehen, da es besser sein kann, dieser Beschreibung als eine mit einer Flüssigkeit einzelne Löcher oder Stäbe auszulassen, wenn die gefüllte Verzögerungszelle angenommen, obgleich betreffenden Löcher oder Stäbe einen Zustand die Beschreibung ebensogut auch auf eine Zelle mit ergäben, bei welchem — wie in der Zeichnung durch festen oder gasförmigen Medien passen würde. 60 das Bezugszeichen 20 angedeutet — die elastischen

Die in der Zeichnung dargestellte Einrichtung Wellen von ihnen unmittelbar zum Wandler 8 weist einen rechteckigen Behälter 1 mit den Wänden zurückgeworfen würden.

2, 3, 4 und 5 auf. Die Innenseiten der Wände dienen Wenn der Strahl auf seinem Weg durch die Zellen

als Reflektoren für den Strahl elastischer Wellen. parallel bleibt, haben die Kollimationsstäbe keine Der Eingangswandler 6 ist quer zur Innenseite der 65 Wirkung auf ihn. Wenn der Strahl aber divergiert, Stoßstelle 7 zwischen den Wänden 2 und 5 an- d. h. seitlich streut, fangen die Kollimationsstäbe geordnet. Der Ausgangswandler 8 befindet sich in die auseinanderlaufenden Teile des Strahles ab gleicher Weise an der Stoßstelle 9 der Wände 4 und 5. und absorbieren oder zerstreuen sie, was zur Folge

hat, daß kein nennenswerter Energiebetrag längs eines unerwünschten Weges durch die Zelle wandert.

Die Kollimationsstäbe können aus verschiedenen Stoffen hergestellt sein und auch unterschiedliche Form haben. Die Oberflächen der Kollimationsstäbe sind vorzugsweise aufgerauht oder wellig, um die Energie in andere Richtungen als die Fortpflanzungsrichtung des Strahles zu zerstreuen. Es wurde festgestellt, daß Stahlschrauben sich für die Benutzung in einem Quecksilbermedium eignen. Im Falle fester Medien werden die als Kollimationsstäbe dienenden Löcher vorzugsweise rauh gelassen; gegebenenfalls können sie mit einem den Ultraschall absorbierenden Medium gefüllt werden.

Bei einem experimentell untersuchten Ausführungsbeispiel, das unter Verwendung von Quecksilber als Medium im allgemeinen wie oben beschrieben ausgebildet war, in dem jedoch m und η dreizehn bzw. sechzehn war, ergab sich, daß die Stärke der unerwünschten Signale um 50 db unter der Signalstärke des längs des gewünschten Weges verlaufenden Strahles lag.

Störsignale lassen sich noch weiter verringern durch Vermeidung von Reflexionen am Boden oder Deckel des Behälters, indem an diesen Oberflächen Grate angebracht werden. Bei einem Block eines festen Mediums kann die gleiche Wirkung dadurch erzielt werden, daß Rillen oder Ausnehmungen an der Unter- und Oberseite desselben vorgesehen werden.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ultraschall-Verzögerungseinrichtung, bei welcher sich für das vom Eingangswandler ausgehende Schallstrahlenbündel durch dessen mehrfache Reflexion an den Grenzflächen des Übertragungsmediums in diesem Medium sich kreuzende Pfade als Weg zum Ausgangswandler ergeben und bei welcher ferner Mittel vorgesehen sind, die der mit dem zurückgelegten Übertragungsweg zunehmenden Verbreiterung des Schallstrahlenbündels entgegenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorption bzw. Zerstreuung der seitlich die vorgeschriebenen Übertragungswege verlassenden Schallenergie bei Verwendung fester Übertragungsmedien durch Bohrungen und bei Anwendung flüssiger oder gasförmiger Medien durch Stäbe erfolgt, die in paralleler Lage zu den reflektierenden Grenzflächen des Mediums jeweils an Stellen mit dem allseitig größten Abstand von den Kreuzungspunkten der Pfade angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbringung der Bohrungen bzw. Stäbe an solchen Stellen unterbleibt, an welchen durch diese Bohrungen bzw. Stäbe die Rückstrahlung der auf sie auftreffenden Energie in Richtung zum Ausgangswandler zu erwarten ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ultraschallenergie abstrahlende bzw. aufnehmende Oberfläche des Eingangs- bzw. Ausgangswandlers außerhalb der Stirnflächen der Schichten (11, 12) liegt, deren Seitenwände reihenweise die zylindrischen Flächen jener Bohrungen bzw. Stäbe längs diametral gegenüberliegender Mantellinien zwischen sich einschließen, die den Weg des aus dem Eingangswandler austretenden bzw. des am Ausgangswandler eintreffenden Schallstrahlenbündels umsäumen.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Flächen der Bohrungen bzw. Stäbe rauh oder wellig ausgebildet sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen in dem der Ultraschallübertragung dienenden festen Körper mit einem Stoff ausgefüllt sind, der Ultraschallenergie absorbiert.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem festen Körper als Übertragungsmedium die Oberflächen dieses Körpers mit Ausnahme der reflektierenden Seitenwände Rillen oder Ausnehmungen aufweisen.

7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Flüssigkeiten als Übertragungsmedium die Innenwände des die Flüssigkeit einschließenden Gefäßes mit Ausnahme der reflektierenden Seitenwände mit Graten versehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 893 059;
USA.-Patentschrift Nr. 2 624 804.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 209 680/279 10.