DE1274016B - Mechanischer Resonator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GlOk

Deutsche KL: 74 d - 3/07

Nummer: 1274 016

Aktenzeichen: P 12 74 016.8-35 (W 33723)

Anmeldetag: 18. Januar 1963

Auslegetag: 25. Juli 1968

Die Erfindung betrifft einen mechanischen Resonator mit einer kreisförmigen Vibratorplatte mit einem Erreger zur Zuführung von Energie zu der Vibratorplatte und mit einer Stützeinrichtung für die Vibratorplatte, die einen koaxial zur Mittelsenkrechten der Platte verlaufenden Stift aufweist, insbesondere für einen Sender zur Erzeugung von Ultraschallsignalen.

Es ist bekannt, Ultraschallsignale durch mechanische Resonatorelemente zu erzeugen und zur Betätigung oder Steuerung von entfernt gelegenen Geräten oder Elementen zu benutzen, etwa zur Steuerung von Fernsehgruppen oder zum öffnen und Schließen von Garagentoren.

Die Anforderungen an mechanische Resonatoren zur praktischen Verwendung als Steuersender gehen dahin, daß sie Tonsignale von ausreichender Amplitude und auch von ausreichender Dauer erzeugen, so daß die Signale am Empfänger die Auslösung eines vom Sender entfernt gelegenen Gerätes od. dgl. bewirken. Außerdem müssen diese Resonatoren geeignet sein zur Erzeugung von Signalen innerhalb eines engen Frequenzbereiches, derart, daß der Empfänger in der Lage ist, genau das Sendersignal aufzunehmen, ohne Rücksicht auf das Vorhandensein verschiedener anderer Signale. Ein derartiger Bereich liegt in der Größenordnung von 30 bis zu 60 kHz. In diesem Bereich findet sich ein Minimum von Fremdtonsignalen, hervorgerufen z. B. durch das Quietschen von Torangeln, das Reißen von Papier, und auch ein Minimum von fremden elektromagnetischen Signalen, hervorgerufen z. B. von Radiosendern u. dgl. Außerdem ist in diesem Frequenzbereich die Luftabsorption verhältnismäßig klein. Die Größe des Resonators zur Erzeugung solcher Frequenzen muß verhältnismäßig gering sein, um einen brauchbaren Sender zu erhalten, der nicht nur verhältnismäßig klein ist, sondern sogar in der Hand gehalten werden kann.

Daß Stäbe oder Platten, nachdem sie angeschlagen wurden, vibrieren, ist bekannt. Die Aufgabe aber, wie solche Stäbe oder Platten praktisch mit einiger Sicherheit in Vibration gesetzt werden können, wurde für manche Arten von Schwingungen bisher nicht gelöst.

Nun hat sich ergeben, daß verschiedene Schwingungsmoden ungenügend sind für die Verwendung in Ultraschallsendern, sei es, daß die Scheiben, Stäbe oder Platten nicht so montiert werden können, daß das schwingende Element eine genügende Leistung liefert, sei es, daß die zur Lieferung einer genügenden Leistung erforderlichen Montagemittel zu groß, zu Mechanischer Resonator

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Robert A. Lester, Pitcairn, Pa.;

Arthur Nelkin, Pittsburgh, Pa.;

Robert H. Whittaker, Export, Pa.;

John H. Thompson, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 31. Januar 1962 (170157), vom 25. April 1962 (190 118)

empfindlich oder aus irgendeinem anderen Grunde unpraktisch für die normale Verwendung in Sendern von Ultraschallsignalen sind. Im Besonderen gilt, daß die bekannten Montagemittel den größten Teil der Vibrationsenergie absorbieren, so daß die Amplitude und die Klangzeit der in die Luft gesendeten Vibrationen unbedeutend sind. Demzufolge sind die meisten dieser bekannten Resonatoren für die praktische Verwendung als Ultraschallsender untauglich. Im Idealfall ist ein Resonator, wie beispielsweise eine Stimmgabel, eine Platte oder ein Stab, am wirksamsten und zur Übertragung des Maximums der aufgedrückten Energie in Form von Ultraschallwellen am geeignetsten, wenn der Resonator in der freien Luft aufgehängt wäre. Geschieht dies, so wird ein Maximum an Energie zurück an die Luft in Form von Ultraschallwellen gegeben. Sind überhaupt keine Montageeinrichtungen vorhanden, dann kann sich diese Energie nicht über derartige Einrichtungen zu außerhalb gelegenen Konstruktionen, die unbrauchbare Ultraschallsignale erzeugen würden, verteilen. Eine vollständige Theorie der Vibration einer in Luft

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aufgehängten Platte wurde in einer grundlegenden Arbeit von Kirchhoff im Jahre 1850 beschrieben (Crelle's Journal, Bd. 40, 1850, und Pogg. Annalen, Bd. 81, 1850). Aus diesen Veröffentlichungen ergibt sich, daß die tiefste aller Schwingungsmoden keine kreisförmige Knotenlinie besitzt, sondern eine Biegeschwingung mit mindestens zwei auf Durchmessern der Platte liegenden Knotenlinien darstellt. In den genannten und in anderen Arbeiten wird festgestellt,

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung an Ausfuhrungsbeispielen. Es stellt dar

Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Resonators für Ultraschall; seine einzelnen Teile sind auseinandergezogen gezeichnet,

Fig. 2 den Grundriß des Resonators nach Fig. 1, F i g. 3 einen Schnitt durch den Resonator längs der Linie IH-III in F i g. 2,

Fig. 4 die Vibratorplatte des Resonators nach

daß eine kreisförmige und eine quadratische Platte io F i g. 1 in Ansicht von oben,

in ihrer Grundschwingung zwei Knotenlinien auf- Fig.5 eine isometrische Ansicht der Vibrator-

weisen, die sich im Mittelpunkt der kreisförmigen oder quadratischen Platte kreuzen. Diese in den genannten Arbeiten beschriebene Vibrationsart wird hier als »Kirchhoff-Grave-Mode« bezeichnet. Da diese »Kirchhoff-Grave-Mode« eine frei in der Luft stehende kreisförmige oder quadratische Platte, also eine Platte ohne Aufhängung oder Kontakt mit einer Aufhängung voraussetzt, steht fest, daß ein derartiger

Schwingungsresonator zur Erzeugung von Ultra- 20 in isometrischer Darstellung,
schallsignalen praktisch unbrauchbar ist. Fig. 10 den Resonator nach Fig. 9 in einer

Es ist eine Membran bekannt, die am Rande Seitenansicht,
ringsum eingespannt ist und in der Mitte einen Stift
trägt, der in einer Ankerscheibe eines Wechselstrom-Elektromagneten endet. Der Elektromagnet versetzt 25 Fig. 12 emen
die Ankerscheibe in Schwingungen, und diese über- F i g. 9,
trägt die Schwingungen über den Stift auf die Membran. In diesem Fall wird also der Stift als Energieübertragungselement verwendet, und die Membran

platte des Resonators nach F i g. 1 mit angesetztem Stift,

Fig. 6 den Stift nach Fig. 5 im Schrägriß,

Fig. 7 die Seitenansicht eines anderen Resonators nach der Erfindung,

F i g. 8 einen dritten Resonator naeh der Erfindung in isometrischer Darstellung,

F i g. 9 einen vierten Resonator naeh der Erfindung

F i g. 11 den Resonator nach F i g. 9 in Ansicht von einer anderen Seite,

Grundriß des Resonators nach

Fig. 13 eine Skizze zur Erläuterung der Erfindung,
Fig. 14 einen weiteren Grundriß des Resonators

schwingt mit einer kreisförmigen Knotenlinie, die 30 nach F i g. 9,

ihrem eingespannten Rand entspricht. F i g. 15 eine weitere Skizze zur Erläuterung der

Erfindung,
Fig. 16 einen weiteren Grundriß des Resonators

nach Fig. 9,

Fig. 17 wiederum eine Skizze zur Erläuterung der Erfindung,

F i g. 18 einen fünften Resonator nach der Erfindung in isometrischer Darstellung, Fig. 19 einen sechsten Resonator nach der Erfin-

Bei einer ähnlichen Konstruktion ist die Membran trichterförmig und schwingt an ihrem Rand frei. Wiederum dient der mittig an die Membran angesetzte Stift aber zur Energieübertragung.

Stets findet sich also bei den yorbekannten Membranen, wenn sie schwingen, in ihrer Mitte ein Schwingungsbauch.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, aus

den genannten Gründen eine Vibratorplatte schwin- 40 dung in isometrischer Darstellung,

gen zu lassen und sie in diesem Zustand schwingend Der Resonator 10 gemäß F i g. 1 ist auf eine

derart lagern zu können, daß sie an ihre Lagerstätte Grundplatte 20 montiert. Er weist eine kreisförmige

beim Schwingen keine Energie abgibt. Vibratorplatte 11 auf, die, wenn ihr in der Nähe ihres

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung Umfangs Energie zugeführt wird, in einen Schwinvon einem mechanischen Resonator eingangs genann- 45 gungszustand gerät, der mindestens zwei längs ter Art aus. Nach der Lehre der Erfindung führt der Durchmesserlinien verlaufende Schwingungsknoten-Erreger Energie wenigstens einem Sektor der Platte linien besitzt, die einander gegenüberliegende, gleichderart zu, daß die Platte in einem Zustand schwingt, phasig schwingende Sektoren der Platte begrenzen, der zwei verschiedene über Durchmesser der Platte wie sie in F i g. 4 dargestellt sind. In dieser F i g. 4 verlaufende Schwingungsknotenlinien aufweist; dabei 50 bezeichnen die +-Zeichen Sektoren B und D, welche besteht der Stift, der als Stützung der Vibratorplatte sich in einem bestimmten Zeitpunkt während der dient und koaxial zur Mittelsenkrechten der Platte Schwingung der Platte gegen den Beschauer zu beverläuft — wie an sieh bekannt —, mit der Vibrator- wegen, während die mit —-Zeichen versehenen Sekplatte aus einem Stück. toren A und C in dem gleichen Zeitpunkt von dem

Der Stift sitzt bei Ausführung der Lehre der Er- 55 Beschauer wegschwingen. Diese Art der Vibration

findung an der Platte an einer Stelle, die im Kreu- ist das Charakteristikum eines Resonators, der frei

zungspunkt zweier SchwingungsknotenHnien liegt. in der Luft steht, ohne mit anderen äußeren mecha-

Auf den Stift wird also, wenn die Platte schwingt, rüschen Elementen in Kontakt zu sein. Die übliche

keine Energie übertragen, und es kann auch durch Abstützung einer derartigen Platte bei Erzeugung

den Stift keine Energie auf die Platte übertragen 60 eines solchen Schwingungszustands absorbiert einen

werden. so hohen Betrag an Vibrationsenergie, daß die Am-

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Re- plitude der an die Luft übertragenen Ultraschallsonator dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung wellen unbedeutend ist. Gemäß der Erfindung hineine gegen die Plattenachse gerichtete Bohrung vor- gegen wird eine Abstützung verwendet, die Vibrabestimmter Tiefe ist, 65 tionen mit verhältnismäßig großer Amplitude und

Dadurch wird erreicht, daß die durch die Platte hindurchgelassenen Schwingungen nicht miteinander interferieren.

Dauer gewährleistet. Die Abstützung, die es ermöglicht, die Vibrationscharakteristik einer in Luft aufgehängten Platte auszunutzen, ist ein Stift, der mit

der Vibratorplatte aus einem Stück besteht. Wenn eine solche Platte frei in der Luft vibriert, werden ihre Vibrationen bestimmt durch die Knotenlinien ^₁ und d₂ (F i g. 4). Diese Linien begrenzen Vibrations-Sektoren mit Aufwärts- bzw. Abwärtsbewegung. Die Knotenlinien schneiden sich in einem Knotenpunkt V₁ der Platte und bestimmen damit eine Bezugsachse, die senkrecht durch die Platte geht. Der Stift ist ein Bestandteil der Platte, wobei die Achse des Stiftes die erwähnte Bezugsachse an einem Punkt schneidet, welcher in der Schnittebene der beiden Knotenlinien liegt. Auf diese Weise werden die Teilvibrationen aus den Plattensektoren längs des Stiftes nach abwärts übertragen, so daß die H--Vibrationen und —Vibrationen bzw. Aufwärts- und Abwärtsschwingungen einander gleich und entgegengerichtet sind und an einem Punkt vor dem der eigentlichen Montage dienenden Teil des Stiftes vollständig aufgehoben werden, so daß der Stift keine Energieübertragung nach außen bewirkt. Auf diese Weise tritt kein wesentlicher Energieverlust auf, ausgenommen an die freie Luft.

Es wurde festgestellt, daß zur Vermeidung von Verlusten über den Montageteil des Stiftes dieser und die Vibratorplatte aus einem Stück bestehen müssen und vorzugsweise aus ein und demselben Stück Werkstoff gefertigt sind. Die Erfüllung dieser Bedingung ist jedoch nicht unumgänglich nötig; vielmehr können auch Verbindungen vorgenommen werden, wie beispielsweise das Anschmelzen des Stiftes an die Vibratorplatte.

Um die Vibratorplatte ist ein Gehäuse 30 angeordnet. An diesem Gehäuse ist ein Schlaghammer 40 befestigt zum Aufdrücken von Energie auf die Platte, damit sie zu Vibrationen angeregt wird. Das Gehäuse hat von den Seiten der Platte einen Abstand, der einer ungeraden Zahl von Viertelwellenlängen entspricht, um eine Rückführung von Energie, deren Verwendung unerwünscht ist, zurück zur Platte zu bewirken. Wie in F i g. 1 gezeigt, sind in dem Gehäuse 30 öffnungen 33 angeordnet, die sich den Vibrationsflächen der Platte gegenüber befinden, die gleichphasig schwingen, so daß nur eine Phase der von der Vibratorplatte 11 kommenden Schallenergie ausgenutzt wird. In dem Gehäuse ist als weitere öffnung eine öffnung 34 vorgesehen, durch die bei der Ausführungsform nach F i g. 1 ein an einer Feder 41 angebrachter Schlaghammer 42 greift, der medianische Energie auf die Außenkanten der Platte zur Einleitung von Schwingungen überträgt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 besitzt der Resonator 10 eine kreisförmige Platte 11 mit einer Oberseite 12 und einer Unterseite 13 sowie einer kreiszylindrischen Randfläche 14. Nach unten erstreckt sich von der Vibratorplatte 11 aus, wie F i g. 5 zeigt, ein zylindrischer Stift 15, der aus einem Stück mit der Platte 11 besteht und an seinem freien Ende einen Gewindeabschnitt 16 zu Montagezwecken aufweist. Der Stift 15 liegt konzentrisch zu der Berandung der Plattell. Bei einer bevorzugten Ausführungsform zur Erzielung optimaler Ultraschallleistung sind der Stift 15 und die Platte U aus einem Materialstück gefertigt, beispielsweise durch Herausdrehen des Stiftes 15 aus einem zylindrischen Körper auf der Drehbank.

Der Stift 15 steht aus der Unterseite 13 der Platte 11 hervor; es könnte aber ein entsprechender Stift auch aus der Oberseite 12 herausragen. Ein derartiger Stift müßte ebenfalls mit der Vibratorplatte 11 aus einem Stück bestehen und konzentrisch zu der durch die Knotendurchmesser d_% und d_% bestimmten Achse verlaufen. (Als Knotendurchmesser werden hier und im weiteren Verlauf der Beschreibung Knotenlinien bezeichnet, die auf Durchmessern der Platte 11 liegen.)

F i g. 4 zeigt die Vibratorplatte 11 in Draufsicht. Dieses Bild erläutert einen typischen Biegeschwingungszustand der Scheibe mit zwei Knotendurchmessern d_t und d_r Gemäß dieser Figur sind an der schwingenden Platte 11 vier schwingende sektorförmige Abschnitte A₁B₁C₁D ausgebildet. Bei dieser Ausbildung der Vibratorplatte 11 als Kreisscheibe entstehen 90°-Sektoren. Sektor A und Sektor C schwingen gleichphasig und sind mit einem Minuszeichen (—) gekennzeichnet, während Sektor B und Sektor D, ebenfalls gleichphasig schwingend, ein +-Zeichen tragen. Dies bedeutet, daß in einem gegebenen Zeitpunkt die Sektoren A und C sich von dem Beschauer weg bewegen, während die Sektoren B und C gegenphasig zu den Sektoren A und C schwingen und aus der Zeichenebene auf den Beschauer zukommen. Die maximale Schwingungsamplitude findet sich in den Sektorenmitten, und diese Schwingungen erfolgen um die beiden auf den Durchmessern d_± und d₂ der Platte liegenden Knotenlinien (Knotendurchmessern). Die in Fig. 4 dargestellte Schwingung entspricht jener einer kreisförmigen Scheibe, die in freier Luft ohne materielle Verbindung mit irgendeinem anderen Element ist. Wie oben erläutert, führt eine Platte solcherart ihre Grundschwingung aus, wenn auch, wie angedeutet, das Problem der Montage eines derartigen Schwingungssystems, ohne daß Verluste über seinen Träger eintreten, bisher nur völlig unzureichend gelöst war. Es ist möglich, unter bestimmten Bedingungen und mit bestimmten Dimensionen und Elastizitätswerten eine Vibration zu erzeugen, bei welcher mehr als zwei Knotendurchmesser vorhanden sind. Die besonderen Montagemittel gemäß der Erfindung ergeben bei Biegeschwingungsresonatoren mit mindestens zwei oder mehr Knotendurchmessern befriedigende Ergebnisse. Der Resonator kann dabei eine kreisförmige Platte oder ein Kreiszylinder oder eine quadratische oder rechteckige Platte oder ein entsprechend geformter Block sein.

Die besonderen Vibrationen, wie sie in F i g. 4 dargestellt sind, werden erzeugt durch Zuführen von Energie mittels eines mechanischen Schlaggeräts (Hammer) oder eines piezoelektrischen Kristalls gegen eine der aus F i g. 1 ersichtlichen Flächen 12, 13 oder 14 der Vibratorplatte 11. Der Punkt, an welchem die Energie an der Vibratorplatte zur Wirkung gelangt, bestimmt die Lage der Knotendurchmesser d_± und d₂, wobei d_x von diesem Punkt aus um 45° in einer Richtung und d₂ um 45° in der entgegengesetzten Richtung versetzt ist. Um ein Maximum an Energieübertragung von den Betätigungsmitteln zu gewährleisten, ist ein derartiges Schlag- gerät (Hammer) an einer Feder befestigt, wobei der Schlag an der kreiszylindrischen Randfläche 14 oder an den Flächen 12 und 13 der Vibratorplatte 11 nahe dem Umfang derselben zur Wirkung kommen soll. Je näher dem Mittelpunkt der Platte die Energie zugeführt wird, um so kleiner werden die Amplitude und die Dauer der Vibrationen. Wenn die Energie an die Oberfläche der Vibratorplatte in einem Punkt

in Wirkungsebenen Pl und P 2 zugeführt wird, dann entstehen Knotendurchmesser d_i und d_%, wie in Fig. 4 dargestellt.

Wird die Scheibe außerhalb ihres Mittelpunkts
angeschlagen, so bauen sich Knotendurchmesser auf,
die sich von dem Mittelpunkt aus radial und um 45°
versetzt gegenüber dem Punkt, an welchem die
Energie der Scheibe zugeführt wurde, erstrecken.
Wird die Platte 11 nahe dem Mittelpunkt angeschlagen, so werden nur sehr schwache Vibrationen io Blattfeder 41 ist von solcher Elastizität, daß, wenn eingeleitet, weil in diesem Fall nur eine sehr kleine sie um eine vorbestimmte Entfernung nach außen Auslenkung der Vibratorplatte 11 entsteht.

Beginnt die Platte 11 zu schwingen (Fig. 4), dann senkrecht zu dem Zylindermantel 31 liegt. Dieser Deckel ist an dem zylindrischen Teil 31 befestigt und besitzt zwei diametral einander gegenüberliegende Öffnungen 33 sowie eine Öffnung 34 für den Durchtritt des Betätigungsgliedes, welches der Platte Energie zuführt. Der Betätigungsmechanismus 40 besteht aus einer Blattfeder 41 mit einem Schlagteil 42 nächst dem äußeren Ende. Die Blattfeder 41 ist an dem Deckel 32 durch eine Schraube 43 befestigt. Die

bestimmen die Knotendurchmesser CL₁ und d_s einen abgehoben wird, der Schlagteil 42 auf die Vibratorplatte 11 trifft und so die Vibration einleitet. Der Schlagmechanismus kann auch so angeordnet sein,

Knotenpunkt F₁ und eine Bezugsachse am Durch- 15 daß er gegen den Umfang 14 oder die Unterfläche 13 messerschnittpunkt. An der Unterseite 13 der Platte der Platte 11 trifft. Wenn der Resonator oder Sender, 11 ist die Projektion dieses Punktes auf die Unterseite zugleich das Symmetriezentrum des Stiftes 15,

d. h., die Achse dieses Stiftes geht durch den Durchwie in F i g. 3 gezeigt, zusammengebaut ist, dann liegt die Sockelscheibe 20 parallel zur Unterfläche 13 der Plattell unter Wahrung eines Abstands 53, wäh-

messerschnittpunkt der Platte 11. Demnach ist die 20 rend der Zylinder 31 des Gehäuses 30 von der kreis-

Bezugsachse erfindungsgemäß gleichzeitig das Zentrum für die Anbringung des Stiftes 15 an der Platte 11.
Fig. 6 zeigt den Stift 15 im Schrägriß von oben zylindrischen Randfläche 14 der Platte einen Abstand 52 wahrt. Der Deckel 32 des Gehäuses 30 ist parallel zur Oberseite 12 in einem Abstand 51. Diese Zwischenräume 51, 52 und 53 entsprechen für eine

unter Herausstellung der Ebene, an welcher der Stift 25 optimale Ausführung des in den Zeichnungen dar-

15 mit der Unterseite 13 der Platte 11 verbunden ist.

Die dem Stift 15 durch die Sektoren A und C erteilte Bewegung ist gleich und entgegengerichtet der Bewegung, welche ihm durch die Sektoren B und D mitgeteilt wird. Diese gleichen und entgegengesetzt gerichteten Bewegungen heben sich stiftabwärts in kurzem Abstand von der Platte auf, so daß die Energie innerhalb der Platte 11 verbleibt und sich nicht in die Montagehalterung der Platte verteilen kann. Um zu erreichen, daß die stiftabwärts von den Sektoren A und C übertragene Bewegung gleich ist jener von den Sektoren B und D übertragenen Bewegung, ist es notwendig, daß Stift und Vibratorplatte 11 aus einem Stück bestehen. Das Eindrücken des Stiftes 15 in eine Bohrung der Platte 11 würde ein unbefriedigendes Schwingungsverhalten zur Folge haben, es würde nämlich ein großer Teil der Energie nach unten durch das Befestigungsgewinde 16 des Stiftes abgeführt werden; der Resonator würde unbefriedigend arbeiten. Mit anderen Worten, der Stift 15 muß an der Platte 11 auf eine Weise befestigt sein, daß die stiftabwärts von den Sektoren B und D übertragene Energie gleich und entgegengesetzt der Energie ist, die von den Sektoren A und C im Stift aufwärts geleitet wird. Dies läßt sich nur erreichen durch einen Raumzusammenhang des Materials zwischen Stift 15 und Platte 11.

Wie aus den F i g. 1 und 3 erkennbar, kann der Resonator 10 durch den mit Gewinde 16 versehenen Montageteil an einer kreisförmigen Sockelscheibe 20, die in ihrem Mittelpunkt ein entsprechendes Gewindeloch trägt, montiert werden. In dem Mantelteil der Sockelscheibe 20 sind Gewindebohrungen 22 vorgesehen zur Aufnahme von Schrauben zum Mongestellten Geräts ungeraden Anzahlen von Viertelwellenlängen der Schwingungswellenlänge der Vibratorplatte 11. Im besonderen sind die Abstände 52 und 53 gleich -J₊ ^Νλ

wobei N eine beliebige

4 ' 2

ganze Zahl (1, 2, 3, 4 usw.) oder Null ist.

Um mit dem Resonator 11 eine brauchbare Uitraschalleistung zu erhalten, soll das Material, aus welchem der Resonator 11 besteht, einen Gütefaktor Q von mindestens 5000 bis 10 000 haben. Manche Metalle auf Aluminiumgrundlage, aber auch andere Metalle, haben Gütefaktoren von mindestens dieser Größenordnung.

Obwohl die Seitenwandungen des Gehäuses in vorgegebenem Abstand von dem Resonator liegen, sind, wie aus Fig. 1 erkennbar, an dem Deckel32 die schon erwähnten Öffnungen 33 vorgesehen. Diese öffnungen befinden sich über gleichphasig schwingenden Sektoren, während die Öffnung 34 auf einem Radius liegt, der mit den Radien der Öffnungen 33 einen rechten Winkel einschließt. Die Fig. 1 und 4 lassen erkennen, daß sich die öffnungen 33 über den Sektoren B und D befinden. Daher sind praktisch alle Ultraschallsignale, die aus dem Gehäuse 30 austreten, in Phase. Somit wird eine durch entgegengesetzte Phasenlage verursachte Löschung von aus dem Resonator in die freie Luft austretenden Signalen auf ein Minimum reduziert. Zwar befindet sich die öffnung 34 für den Durchtritt des Hammers 42 durch den oberen Deckel 32 über einem Sektor .4, der in gegenüber den Sektoren B und D entgegengesetzter Phase schwingt, die öffnung 34 bewirkt aber nur eine geringe Schwächung, weil sie durch die Feder 41 und den Schlaghammer 42 weitgehend ab-

tieren eines Gehäuses 30. Wie später ausgeführt 60 gedeckt ist. Das Gehäuse 30 hält daher die Ultrawird, vergrößert das Gehäuse 30 die Ultraschall- schallsignale der ersterwähnten Phase, die von den leistung des Resonators über einen in offener Luft Sektoren^ und C ausgeht, in der Platte wirksam angeordneten Resonator 10 hinaus. zurück, es führt aber zu keiner wesentlichen Schwä-Das Gehäuse 30 besteht aus einem Zylindermantel chung der zweiten, von den Sektoren B und D aus-

gehenden Phase der Schwingungen. Die Energie der

31 mit Bohrungen 35 zur Aufnahme von Schrauben, die in die obenerwähnten Öffnungen 22 der Sockelscheibe 22 eingreifen. Am oberen Ende des Gehäuses 30 befindet sich ein flacher planer Deckel 32, der Ultraschallsignale in der von den Sektoren A und C ausgehenden Phase wird erhalten, und die Leistung des Senders selbst entspricht der Energie mit der

zweitgenannten, von den Sektoren B und D herrührenden Phasenlage.

Wenn auch das Gehäuse 30 die Ultraschalleistung des Resonators steigert, so läßt er sich doch auch ohne ein derartiges Gehäuse verwenden (F i g. 7) und erzeugt dabei noch ein beträchtliches Ultraschallsignal. Die Energie kann der Vibratorplatte 11 auch auf andere Weise als durch ein mechanisch wirkendes Schlagwerkzeug zugeführt werden, z. B. durch einen piezoelektrischen Kristall 50, dem über Leitungen 51 ein Wechselstrom von einer Quelle 52 zugeleitet wird (Fig. 8). Die Frequenz der Wechselstromquelle 52 stimmt mit der Resonanzfrequenz der Vibratorplatte 11 überein. Der Kristall ist an der Oberfläche der Vibratorplatte 11 mit einem geeigneten, leitenden Klebstoff befestigt. Eine der Leitungen 51 ist an die Oberseite des Kristalls 50 angeschlossen; die andere Leitung 51 ist mit dem Montagestift elektrisch verbunden.

10

Wie schon angedeutet, liegt der zweckmäßigste Frequenzbereich für Ultraschallsignale zwischen 30 und 60 kHz, weil in diesem Frequenzband die wenigsten Störungen, hervorgerufen durch äußere elektromagnetische Wellen und Schallwellen, zu erwarten sind. Der in der folgenden Tabelle näher erläuterte Resonator mit einem Gütefaktor Q in freier Luft von ungefähr 35 000 wurde aus 7075 S-T 6- und 6061S-T 6-Aluminiumscheiben gefertigt. Keines dieser Geräte verlor Energie durch die der Montage dienenden Elemente (Gewindeteil des Stiftes 15). Bei den Versuchen wurde kein Gehäuse verwendet. Andere Versuche wurden mit Gehäuse durchgeführt; dabei wurde eine wesentliche Leistungssteigerung festgestellt.

In der Tabelle bedeutet / die Leistungsfrequenz in Kilohertz, D den Scheibendurchmesser in Zentimeter und t die Scheibendicke in Zentimeter.

Tabelle I Daten für 6061 S-To-Aluminiumscheiben

	D	D	ι	/	f-r	fD	Montagestift	Gewindelose
PiinVf	t				I		Bolzendurchmesser	Länge des Stiftes
JrUIlK.1		cm	cm	kHz	kHz · cm	kHz-cm	(Stift 15)	(Stift 15)
	2,58	2,86	1,11	50,6	374	145	cm	cm
a	4,00	2,61	0,65	43,12	451	113	0,91	0,24
b	4,36	3,00	0,65	37,9	496	114	0,91	0,63
C	4,36	3,00	0,65	38,67	506	116	0,36	0,50
d	4,50	2,92	0,65	36,74	481	107	0,91	0,49
e	4,80	3,81	0,79	25,5	456	97	0,91	0,49
f	6,36	3,81	0,60	19,8	480	75,5	0,91	0,49
8						0,36	0,93

Tabelle II Daten für 7075 S-T6-Aluminiumscheiben

Punkt	D	D	t	f	1 t	fD	Stiftdurchmesser	Stiftlänge
	t	cm	cm	kHz	kHz-cm	kHz-cm	cm	cm
A	2,15	4,10	1,91	37,00	326	152	0,36	0,62
B	3	3,81	1,27	33,31	380	127	0,36	0,62
C	4	2,60	0,65	40,64	424	106	0,36	0,50
D	4,35	3,00	0,65	35,00	456	105	0,36	0,50
E	6,5	4,10	0,64	17,67	470	72,4	0,36	0,62
F	3	3,81	1,27	33,46	382	127
G	2,93	3,28	1,12	39,25	378	129
H	3	2,84	0,95	44,92	382	128	kleinerer
I	2	2,84	1,42	55,37	314	157	Durchmesser	1Ai" mit Gewinde
J	1,5	2,84	1,90	61,60	263	175	■ von 10 bis 32	1Ai" ohne Gewinde
K	1	2,84	2,84	68,70	219	195	Maschinen
L	0,75	2,84	3,79	48	102	136	schrauben
M	0,5	2,84	5,69	25,3	36,0	71,9
W	0,5	2,84	5,69	47,0	66,8	133

Bei bisher bekannten Ultraschall-Fernsteuersystemen liefert der Sender im allgemeinen zwei Signale mit zwei vorbestimmten Frequenzen, damit der Empfänger auf diese beiden speziellen Signale ansprechen kann. Manche Signalsender haben vier getrennte Ultraschallfrequenzen. In diesen Sendern war es erforderlich, für jedes Ultraschallsignal einen eigenen Resonator für jede Ultraschallfrequenz zu benutzen,

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11 12

damit der Empfänger auf die beiden getrennten den Punkt versetzt lagen, an welchem der Anschlag Ultraschallfrequenzen ansprechen kann. der Scheibe erfolgte. Auf diese Weise wurde ein

Der beschriebene Resonator kann ohne weiteres Ultraschallsignal im Bereich zwischen 10 und 100 kHz zur Erzeugung von Ultraschallsignalen vorbestimm- bei einer vorbestimmten Frequenz erzeugt. Erfinter Frequenz ausgeführt werden. Zu diesem Zweck 5 dungsgemäß können eine oder mehrere nach innen wird der Resonator mit mindestens einem Element gerichtete Bohrungen vorgesehen sein, damit eine zur Herstellung einer Massenunsymmetrie versehen, geometrische Unsymmetrie in dem Zylinder entsteht, so daß, wenn Energie an einer bestimmten Stelle Dadurch wird die Platte in die Lage versetzt, zwei der Vibratorplatte zugeführt wird, von ihr ein Ultra- Signale mit verschiedenen Frequenzen, abhängig von schallsignal mit einer ersten Frequenz erzeugt wird, io der Stelle, an der die Platte angeschlagen wird, zu während, wenn Energie an einer anderen Stelle zu- erzeugen. Wenn mehr als eine Bohrung an der geführt wird, ein zweites Signal mit einer zweiten Außenfläche 114 angesetzt wird, so sollte sie um 90° vorbestimmten Frequenz abgegeben wird. Weiterhin gegenüber den anderen Bohrungen versetzt liegen, kann der Generator, wenn der Vibratorplatte Energie Gemäß F i g. 9 sind vier radial gerichtete, um 90° an weiteren vorbestimmten Stellen zwischen den ge- 15 gegeneinander versetzte Bohrungen in der Umfangsnannten beiden Stellen zugeführt wird, ein Signal mit fläche 114 vorgesehen. Diese Bohrungen tragen in der ersten. vorbestimmten und der zweiten vor- F i g. 9 die Bezugszifier 115. bestimmten Frequenz erzeugen. Das Anschlaggerät 140 nach Fig. 9 besteht aus

In den Fig. 9, 10 und 11 ist eine solche Ausfüh- drei gesonderten Gliedern 141, 143 und 145, von rungsform gezeigt. Es wird hier ein Resonator 110, 20 denen jedes einen Anschlagkörper 142,144 bzw. 146 ähnlich dem oben beschriebenen, verwendet. Dieser trägt. Die Betätigungselemente 141,143 und 145 sind Resonator 110 besteht aus einer kreiszylindrischen Blattfedern mit einer solchen Federkonstanten, daß, Platte 111 mit einer ebenen Oberseite 112 und einer wenn man die Anschlagkörper 142,144 und 146 um ebenen Unterseite 113, die Kreisform hat und par- ein vorbestimmtes Maß von der Umf angsfläche 114 allel zur Oberseite 112 liegt. Zwischen diesen beiden 25 abhebt, ein einziger Schlag auf die Platte 111 aus-Flächen 112 und 113 befindet sich eine zylindrische geübt wird, um diese in Schwingungen zu versetzen. Mantelfläche 114, die senkrecht zu den Flächen 112 Wird die Platte durch den Anschlagkörper 142 be- und 113 verläuft. Ein Montagestift 116 mit Kreis- tätigt, so gerät sie in Biegeschwingungen mit zwei querschnitt erstreckt sich von der Unterseite 113 kon- Knotendurchmessern d_x und d₂ (F i g. 9 und 13). Das zentrisch zu ihr nach unten. Der Stift 116 besteht mit 30 hierdurch bewirkte Ultraschallsignal hat eine einzige, dem Körper 111 aus einem Stück, so daß auf den durch die Dimension des Gerätes bestimmte Fre-Stift 116 übertragene Schwingungen ungedämpft, quenz. Um die Platte 111 in Schwingung zu versetzen, gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind. Da kann sie an praktisch jedem Punkt angeschlagen der Stift 116 aus einem Stück mit der Platte 111 be- werden, der in dem Schnitt der Ebenen Pl und P 2 steht und in ungedämpfter Verbindung mit dieser 35 (Fig. 13) mit der Platte 111 liegt. Dies ist in Fig. 13 steht, wird die auf den Stift 116 übertragene Energie durch die Betätigungsflächen Al und R2 dargestellt, daran gehindert, durch das Montagegewinde 117 des Wenn nur eine Bohrung vorhanden ist, bleiben diese Stiftes 116 nach außen zu gehen. Auf diese Weise Erregungsbereiche oder -flächen Al und Rl diewird ein verhältnismäßig großer Anteil der an die selben; und solange in oder auf diesen Rechtecken Platte gegebenen Energie in Ultraschallsignale um- 40 der Platte 111 Energie zugeführt wird, liefert der gesetzt, denn es tritt kein Energieverlust an dem Signalgenerator eine vorbestimmte Frequenz, die ab-Montagegewinde oder an irgendeiner anderen Ver- hängig ist von der Tiefe und der Zahl der Bohrungen bindung am freien Ende des Stiftes 116 auf. Wie aus 115. Die Platte 111 soll nahe der Mantelfläche 114 den F i g. 9 bis 11 ersichtlich, findet auch hier zur angeschlagen werden, um eine maximale Leistung zu Montage eine Sockelscheibe 120 Verwendung, welche 45 erzielen. Die Ebene Pl verläuft senkrecht zu den eine Gewindebohrung 121 zur Aufnahme des Ge- Flächen 112 und 113 der Platte und geht durch die windes 117 des Stiftes 116 besitzt. Die Oberseite der Mitte der Bohrungen 115. Die Ebenen Pl und P 2, Sockelscheibe 120 befindet sich in einem Abstand 51 ebenso die Rechteckflächen R1 und R2, schließen von der Unterseite 113 der Platte 111. Wenn die Winkel von 90° ein. Die Knotendurchmesser d_t und Oberseite der Sockelplatte 120 die richtige Größe im 50 <£, gehen durch die Mitte der Mantelfläche 114 zwi-Verhältnis zur Fläche 113 besitzt und relativ nahe sehen den Flächen 112 und 113 parallel zu diesen an dieser Fläche liegt, so ergibt sich eine optimale und schneiden sich im Mittelpunkt der Platte. Wie Wirkungsweise, sofern der Abstand gleich einer un- die Fig. 13 und 14 erkennen lassen, liegen die geraden Zahl von Viertelwellenlängen (oder einem Knotendurchmesser d_t und d₂ um 90° versetzt zu Vielfachen dieser ungeraden Viertelwellenlänge) der 55 den Ebenen Pl und P 2.

zur Schwingungsfrequenz der Platte gehörigen Wenn es erforderlich ist, ein anderes Signal mit

Wellenlänge ist. Der Abstand 51 sollte, bei optimaler einer von der Frequenz des oben beschriebenen Si-Ausführung, nicht eine gerade Zahl von Viertel- gnals verschiedenen Frequenz zu erzeugen, dann Wellenlängen der zur Schwingungsfrequenz der Platte wird der Platte durch die Feder 145 und den zugegehörigen Wellenlänge betragen, weil in diesem Fall 60 hörigen Anschlagkörper 146 vorzugsweise mit einem Neigung zum Löschen und damit zum Verlust von einzigen Schlag Energie zugeführt. Wird die Platte durch diese Schwingungen übertragener Energie be- 111 durch den Anschlagkörper 146 angeschlagen, stünden. dann wird dadurch ein Signal erzeugt, das eine nied-

In der beschriebenen Ausführungsform wurde der rigere Frequenz hat als das vorbeschriebene Signal. Resonator durch Anschlagen der Vibratorplatte an- 65 Die von dem Anschlagkörper 146 ausgelösten geregt, so daß diese in einen Biegeschwingungs- Schwingungen haben die Knotendurchmesser d_s und zustand mit zwei Knotendurchmessern versetzt d_t, die in der Mitte zwischen den ebenen Flächen wurde, welch letztere um einen Winkel von 45° gegen 112 und 113 und parallel zu diesen liegen. Die

13 14

Knotendurchmesser d₃ und d_i befinden sich in der unter 22,5° zu den Ebenen Pl und P3. Die Ebene gleichen Ebene und sind um 90° zueinander versetzt. P 6 bildet die Angriffsfläche R 6 und steht unter 90° Wie Fig. 15 zeigt, gehen diese Knotendurchmesser zur EbeneP5 und senkrecht dazu und liegt mittig durch die Mitte der Öffnungen oder Bohrungen 115, zwischen den Ebenen P2 und P4. Sie schließt somit die ebenfalls mittig zu den Flächen 112 und 113 und 5 einen Winkel von 22,5° mit den Ebenen P 2 und P 4 parallel zu ihnen liegen. F i g. 16 zeigt, daß die Blatt- ein. Beim Anschlagen der Platte in den Angriffsfeder 145 und der zugehörige Anschlagkörper 146 flächenR5 und R6 werden zwei Signale erzeugt, so liegen, daß letzterer die Platte an einem Punkt in deren eines die Frequenz eines Signals besitzt, das einer Ebene P 3 trifft. Die Ebenen P 3 und P 4 erzeugt würde durch Anschlagen der Platte in den (F i g. 15) bilden im Bereich des Schnittes mit der io Angriffsflächen R1 und R 2, und deren anderes die Platte 111 Angriffsflächen R 3 und RA für die Er- Frequenz besitzt, die beim Anschlagen der Platte in regung. Die Ebenen P3 und P4 verlaufen senkrecht den Angriffsflächen R3 und R4 entsteht. Diese zu den Flächen 112 und 113, so daß die erwähnten Signale sind von etwa gleicher Amplitude und Klang-Angriffsflächen i?3 und R4 rechteckig sind. Die dauer. Wird die Platte zwischen R5 und R3 ange-EbenenP3 und P 4 schließen Winkel von 90° ein 15 schlagen, dann werden zwei getrennte Signale er- und schneiden sich in der Achse der Platte. Ferner zeugt, wobei jedoch das Signal mit der niedrigeren schließen sie mit den Ebenen Pl und P2 einen Frequenz (das ist jenes, das erregt wird durch ZuWinkel von 45° ein. Wird der Platte in den Angriffs- führen von Energie auf die Angriffsfläche R 3) bei flächen R 3 und RA Energie zugeführt, dann ent- gleicher Klangzeit eine größere Amplitude hat als stehen Schwingungen mit zwei Knotendurchmessern 20 das andere Signal der höheren Frequenz. Dies trifft ^₃ und d_r Wenn auch das in den Zeichnungen sinngemäß zu, wenn die Platte zwischen R 6 und R 4 wiedergegebene Ausführungsbeispiel vier Bohrungen angeschlagen wird. Wenn aber das Anschlagen zwi- oder Unsymmetriestellen hat, so bedarf es zur sehen R5 und Rl erfolgt, wenn also beispielsweise Erzeugung zweier verschiedener Frequenzen durch das Anschlagorgan 144 näher an das Anschlagorgan die gleiche Platte doch nur einer Bohrung. Gemäß 25 142 als an das Anschlagorgan 146 gesetzt wird, dann den Fig. 15 und 16 wird die Platte an einem Punkt werden zwei Frequenzen erzeugt, wobei jedoch die der rechteckigen Fläche R 3 angeschlagen und gerät höhere Frequenz bei ungefähr gleicher Klangzeit die so in einen Schwingungszustand mit den Knoten- größere Amplitude hat.

durchmessern d₃ und d_t. Erfolgt der Anschlag nahe Wenn man die Platte mit einer einzigen Radialdem Plattenmittelpunkt nächst dem Schnitt von A3 30 bohrung 115 oder mit je einer solchen Bohrung in und R 4, dann wird der Platte nur wenig Energie in jedem Quadranten versieht, wird eine zweifache Wir-Form von Vibrationen vermittelt. Um einen maxi- kungsweise erreicht, derart, daß von zwei Signalen malen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte die Platte an eines die Frequenz Z₁ besitzt, welche niedriger ist als den äußeren Rändern der rechteckigen Flächen R 3 eine Frequenz/₀ einer nicht angebohrten Platte, und und R 4 nahe der Umfangsfläche 114 angeschlagen 35 das andere Signal die Frequenz/₂ besitzt, welche werden. Dies gilt gleichermaßen in bezug auf die An- höher ist als die Frequenz /₀. Mit Vergrößerung der griffsflächen R1 und R 2. Wird die Platte 111 durch Tiefe der Bohrung nimmt der Abstand zwischen Z₁ Zuführen von Energie auf die Angriffsflächen R 3 und Z₂ zu, wie aus den nachstehenden Tabellen er- und R4 in Schwingungen versetzt, dann hat diese sichtlich. Wenn die Platte Bohrungen in den Flächen eine Frequenz, die wesentlich niedriger ist als die 40 112 und 113 enthält, und zwar exzentrisch zur Plat-Schwingungsfrequenz, die sich ergibt, wenn die tenachse, wie beispielsweise eine Bohrung 119 Platte in den AngriffsflächenR1 und R2 angeschla- (Fig. 18), dann liegen beide FrequenzenZ₁ und Z₂ gen wird. niedriger als Z₀, und ihr Abstand nimmt zu mit der Durch von der Mantelfläche 114 gegen die Achse Tiefe der Bohrung, der Zahl der Bohrungen und der Platte 111 nach innen gerichtete Bohrungen kann 45 dem Bohrungsdurchmesser. Wenn nur eine Bohrung eine einzige Vibratorplatte zur Übertragung von zwei 119 außermittig in der Platte 111 angebracht wird, Ultraschallsignalen verwendet werden. Wie Fig. 9 dann verringert sich der Gütewert Q: Wenn eine zeigt, betätigt der Anschlagkörper 146 die Platte ähnliche Bohrung im gleichen Abstand von dem 111 durch Anschlag an der Fläche R 3. Das gleiche Mittelpunkt und auf demselben Durchmesser ange-Signal kann erzeugt werden durch Betätigung des 50 bracht wird, ändert sich der Gütewert Q nicht,
entsprechenden Schlagkörpers in der Fläche R 4. Die Wird eine Bohrung 118 durch die Oberseite 112 in FlächeR3 liegt unter 45° zu der FlächeRl und der einer Platte getrieben (Fig. 19), die keine Radial-Ebene P1. Wenn ein Signal mit zwei diskreten Fre- bohrung besitzt, dann verringert sich die Frequenz quenzen erzeugt werden soll, d. h. mit der Frequenz, f₀. Wenn Radialbohrungen 115 in der Platte 111 vordie durch das Anschlagorgan 146, und der Frequenz, 55 handen sind (F i g. 19), dann verringert die Bohrung die durch das Anschlagorgan 142 erzeugt wird, wer- 128 die Frequenzen Z₁ und Z₂ in gleichem Maße. Ist den die Blattfeder 143 und das ihr zugehörige eine Bohrung 118 in einer Platte, die eine Radial-Schlagorgan 144 zum Anschlagen der Platte benutzt. bohrung oder mehrere Radialbohrungen 115 auf-Wie aus F i g. 17 hervorgeht, wird zur Erzeugung weist, vorhanden, dann bleibt der Abstand, d. h. die eines Signals mit beiden Frequenzen von im wesent- 60 Schwebungsfrequenz, zwischen Z₁ und Z₂ konstant, liehen gleicher Größe (beispielsweise mit Hilfe des obwohl die Frequenzen Z₁ und Z₂ niedriger sind. Be-Schlagorgans 144j die Platte durch Zuführen von findet sich eine Bohrung 119 exzentrisch gegenüber Energie auf die Angriffsflächen R S und R 6 erregt. der Plattenachse, dann nimmt der Abstand zwischen Diese Flächen R 5 und R 6 sind bestimmt durch den den Frequenzen Z₁ und Z₂ mit der Tiefe der Bohrung Schnitt der Ebenen P 5 und P 6 mit der Platte 111, 65 zu, wie aus den folgenden Tabellen ersichtlich,
die unter 90° zueinander und senkrecht zu den Die Vibratorplatten sollen, um eine brauchbare Flächen 112 und 113 stehen. Die Ebene P 5 befindet Leistung zu erzielen, aus einem Material von relativ sich mitrig zwischen den Ebenen Pl und P 3, d.h. hohem Gütewert β bestehen (mindestens 5000 bis

10 000). Die Massenumsymmetrie der Scheibe 111, hervorgerufen durch Bohrungen 115 und 119, kann auch hergestellt werden durch Nuten, Anfeilen der Oberflächen oder sonstige Massen- oder Materialdiskontinuitäten, wenn mit einer Vibratorplatte zwei 5 Signale erzeugt werden sollen. Wenn nur ein massenunsymmetrischer Teil vorgesehen wird, verringert sich der Gütewert Q des Systems geringfügig. Wird ein zweiter unsymmetrischer Teil vorgesehen, so tritt eine Vergrößerung des Frequenzabstands ein. Diese zweite Unsymmetrie sollte in ähnlicher Form ausgebildet sein, und zwar diametral gegenüber auf der anderen Seite der Plattenachse oder um 90° versetzt gegenüber der ersten Stelle (und in gleichem Abstand von der Achse), damit zwei getrennte Frequenzen erzeugt werden können. Wenn die zweite Unsymmetrie nicht gleichartig in gleichem Abstand von der Achse und um 180 oder 90° gegenüber der ersten Unsymmetrie versetzt ausgebildet ist, tritt eine Kopplung zwischen den beiden Frequenzen oder den beiden Schwingungssystemen auf, und jedes von der Platte gelieferte Signal enthält Anteile beider Frequenzen.

Die nachstehenden Tabellen geben Daten für Biegeschwingungsscheiben, die zwei Signale mit getrennten Frequenzen erzeugen. Alle diese Scheiben haben einen Gütewert Q von mindestens 20 000 und eine einzige Radialbohrung (Z₀ = Frequenz der ungebohrten Platte, Z₁ und Z₂ sind die beiden Frequenzen, die hervorgerufen werden durch Massenunsymmetrie).

Tabelle 1

Frequenzcharakteristiken einer Scheibe mit Radialbohrungen

	Bohrungstiefe	r	Schwebungs	h + h
Scheibe	cm	/1	frequenz /2-/1	2
	0,21	Hz	Hz	Hz
σ	0,2	33135	527	33 398
D'	0,23	33118	588	33 412
E'	0,25	33 073	668	33 407
F'	0,28	33 031	702	33 382
σ	0,33	33 005	788	33 399
A*	0,39	32945	894	33 392
	0,43	32 893	996	33 391
σ	32 864	1067	33 407

Scheibenmaterial 7075S-T6-Aluminium

Scheibendurchmesser .. 3,75 cm
Scheibendicke 1,25 cm

Stiftdurchmesser kleinerer Durchmesser

einer 10 bis 32
Maschinenschraube

Stiftlänge 1,25 cm, 10 bis 32

Gewindegänge 0,625 cm

Ungebohrte Scheibe /₀ 33 372Hz

Durchmesser der

Radialbohrung 0,3 cm

Bohrungstiefe 0,6 cm

Z₂ 33 535Hz

Z₁ 33 219Hz

Schwebungsfrequenz

Z₂-Z₁ 306Hz

Schwingungsscheibe mit vier Radialbohrungen um 90° versetzt.

Scheibenmaterial gleiches wie vorstehend

Scheibendurchmesser .. gleicher wie vorstehend

Scheibendicke gleiche wie vorstehend

Stiftdurchmesser gleicher wie vorstehend

Stiftlänge gleiche wie vorstehend

Z₀ 33 377Hz

Bohrungsdurchmesser.. 0,3 cm

35

Tabelle 2

Frequenzcharakteristiken einer Scheibe mit einer Axialbohrung

Schwingungsscheibe mit zwei Axialbohrungen äquidistant vom Mittelpunkt eines gemeinsamen Durchmessers

Scheibenmatrial gleiches wie in Tabelle 1

Scheibendurchmesser .. gleicher wie in Tabelle I

Scheibendicke gleiche wie in Tabelle I

Stiftdurchmesser gleicher wie in Tabelle I

Sriftlänge gleiche wie in Tabelle I

Z₀ 33 370Hz

Bohrungsdurchmesser.. wie angeführt Entfernungen von den

Bohrungsmitten zur

Achse 1,25 cm

Löcher durchgebohrt

4° Exzentrische	h	/2	h — h Schwebungs frequenz	h + h
Axialbohrung Durchmesser 1,25 cm tief	Hz	Hz	Hz	2
cm	33109	33 288	179	Hz
45 0,3	33 065	32701	364	33198
0,5	32954	32458	496	32888
0,49	32 825	32268	557	32706
0,6	32 554	31763	791	32 546
50 W				32158
Angeordnet auf
gemeinsamen
Durchmesser
bei 1,25 cm R

55

60

Tabelle 3 A

Wirkung der Axialabstimmung an der Scheibenachse für Scheiben mit durch Radiallöchern bestimmter

Schwebungsfrequenz

Schwingungsscheibe mit einer Radialbohrung

Scheibenmaterial gleiches wie in Tabelle 1

Scheibendurchmesser .. gleicher wie in Tabelle I

Scheibendicke gleiche wie in Tabelle I

Stiftdurchmesser gleicher wie in Tabelle I

Stiftlänge gleiche wie in Tabelle I

Z₀ 33 372Hz

Durchmesser der :

Radialbohrung 0,3 cm

Tiefe der Radialbohrung 0,6 cm

Axiale Abstimmbohrung
am Scheibenachsendurchmesser 0,6 cm

Axialbohrung Tiefe cm	h Hz	k Hz	: h-h Schwebungs- frequenz Hz	Λ H-/,
0,000 0,14 0,49	33 219 32 762 32143	33 525 33 073 32450	306 311 307	2 Hz :.·■;..
33 372 32917 32297

Schwingungsscheibe mit vier Radialbohrungen

Scheibenmaterial gleiches wie in Tabelle 1

Scheibendurchmesser .. gleicher wie in Tabelle I

Scheibendicke gleiche wie in Tabelle I

Stiftdurchmesser gleicher wie in Tabelle I

Stiftlänge gleiche wie in Tabelle I

/₀ 33 380Hz

Durchmesser der

Radialbohrungen ... 0,3 cm

Tiefe der

Radialbohrungen ... 0,6 cm

Axiale Abstimmbohrung
am Scheibenachsen-

durchmesser 0,6 cm

Axialbohrung Tiefe cm	/l Hz	h Hz	h-h Schwebungs- frequenz Hz	fl + ft
0,000 0,08 0,26 0,6	32 921 32665 32126 31758	33 839 33 584 33 045 32 678	918 919 919 920	2 Hz
33 380 33125 32586 32218

Tabelle 3 B

Wirkung der Axialabstimmung an der Scheibenachse für eine Scheibe mit durch Axialbohrungen bestimmten Schwebungsfrequenzen Scheibe identisch mit der in Tabelle 2 Axialabstimmung an Scheibenachse

Axialbohrung Tiefe cm	/l Hz	h Hz	h-h Schwebungs- frequenz Hz	h + h
0,000 0,04 0,3 0,5	31832 31674 30 888 30 591	32 632 32497 31856 31633	800 823 968 1042	2 Hz
32232 32 085 31372 31112

Alle die oben erläuterten Vibratoren haben einen Gütewert Q von mindestens 20 000 beim Versuch in freier Luft ohne Gehäuse. Andere Muster mit Gütewerten Q von mindestens 20 00 wurden getestet, wo bei die Massenunsymmetrie der Scheibe hervorgerufen war durch einen Einschnitt in dem Material, durch Anfeilen eines Teiles der Scheibe usw. zu dem Zweck, zwei getrennte Frequenzen von der Scheibe . 5 zu erzeugen. Zu bemerken ist, daß diese Frequenzen keine Oberschwingungen sind.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Mechanischer Resonator mit,einer kreisförmigen Vibratorplatte mit einem Erreger zur Zuführung von Energie zu der Vibratorplatte und

'': : mit einer Stützeinrichtung für die Vibratorplatte, die einen koaxial zur Mittelsenkrechten der Platte verlaufenden Stift aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Erreger Energie wenigstens einem Sektor der Platte (11,111) derart zuführt, daß die Platte in einem Zustand schwingt, der zwei verschiedene über Durchmesser der Platte verlaufende Schwingungsknotenlinien aufweist, und daß der Stift (15,116) mit der Vibratorplatte aus einem Stück besteht.

2. Mechanischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (111) kreisförmig ist und daß sich ein Loch (115,119) in die Platte von ihrer Außenfläche (112,113, 114) aus erstreckt, das ihr eine Unsymmetrie erteilt.

3. Mechanischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (115) eine vorgegebene Tiefe in Richtung zur Mittelachse der Platte (111) hat.

4. Mechanischer Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch (119) eine vorgegebene Tiefe parallel zur Mittelachse der Platte (111) hat.

5. Mechanischer Resonator nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch einen Erreger (145,146), mit dem Energie einem Angriffspunkt auf der Außenfläche (114) der Platte (111) zuzuführen ist, wobei die Ebene, die durch den Angriffspunkt des Erregers und die Mittelachse der Platte definiert ist, unter 45° zu der Ebene verläuft, die durch die Achse des Loches und die Mittelachse der Platte definiert ist, und durch einen zusätzlichen Erreger (141,142), mit dem Energie einem nächst dem Loch (115) liegenden Angriffspunkt auf der Außenfläche der Platte zuzuführen ist, so daß die Platte in Ultraschallschwingungen auf zwei vorgegebenen Frequenzen zu setzen ist.

6. Mechanischer Resonator nach Anspruch 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch einen Erreger (143,144), mit dem Energie einem Angriffspunkt auf der Außenfläche (114) der Platte (111) zuzuführen ist, der in einer Ebene liegt, welche die Mittelachse der Platte enthält und unter einem Winkel zu der durch die Achse des Loches (115) und die Mittelachse der Platte definierten Ebene verläuft, der η -45°+22,5° ist, wobei η eine ganze Zahl oder Null ist.

7. Mechanischer Resonator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reflektorplatte (32) im Abstand von der dem Stift (15) abgewandten Fläche der Platte (11) vorgesehen ist, die von dieser

λ 2 λ
Fläche einen Abstand von -j + -^- hat, wobei I die Wellenlänge der Ultraschallschwellen ist, die

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von der Vibratorplatte erzeugt werden, und iV eine ganze Zahl oder Null ist, daß Erreger zur Zuführung von Energie zu der Platte vorgesehen sind, mit denen der Platte eine Vielzahl von Schwingungen zu erteilen ist, deren Schwingungsknoten auf Durchmesserlinien der Platte liegen, und daß die Reflektorplatte eine Öffnung (33) aufweist, die über der genannten Fläche liegt und deren Projektion auf die Fläche innerhalb eines

Bereiches zwischen benachbarten Knotendurchmesserlinien liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 969 187; französische Patentschrift Nr. 667 722; britische Patentschrift Nr. 401 823; USA.-Patentschrift Nr. 1057 752.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen