DE1473438A1 - Akustisches Spektrometer - Google Patents

Akustisches Spektrometer

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DE1473438A1
DE1473438A1 DE19641473438 DE1473438A DE1473438A1 DE 1473438 A1 DE1473438 A1 DE 1473438A1 DE 19641473438 DE19641473438 DE 19641473438 DE 1473438 A DE1473438 A DE 1473438A DE 1473438 A1 DE1473438 A1 DE 1473438A1
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Fitzgerald John Vincent
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Description

  • Akustisches Spektrometer Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Untersuchung feeter Werkstoffe, mit der diese veränderlicher und steuerbarer Schallenergie und anderen Paramtern, wie beispielsausgesetzt werden können und weise der Temperatur / , mit deren Hilfe ein von dem untersuchten Werksto abgegebenes Schwingungssignal angezeigt wird, wodurch verschiedens, für die innere Sturktur des Werkstoffes einschliesslich des Q -Faktors (des Güte-Faktors), der inneren Dämpfung, der Resonanzfrequenz, des Elastizitätsmra 9 ac x 1 i : id.ter E ° a3ae. . .i Grössen bestimmt werden können.
  • Das abegebene Schwingungssignal eines festen Werkstoffes gegebener Abmesseungen und akustischer Energie im hörbaren Bereich ist auter anderem von dar inneren Dämpfung des Werkstoffes abhängig. Die innere Dämpfung wird häufig als Funktion des kehrwertes des Gätefaktors, d.h. also Funktion von 1/Q, angegeben. Der Gütefaktor bzw. sein reiproker Wert ist frequenz- und temperaturabhängig, für varschiedene Materialian verschieden und es wurde ihm insbesondere in den letzten jahrzehnten von der Forschung in zunehmendem Meße Aufmerksamkeit geschenkt. so wurde beispielsweise festgestellt, dass der Q -Faktor stark vom Werkstoff abhänig is,t wie dies die folgende Tabelle I zeigt: Tabelle I 'Werkstoffj Geschmolzene Kieselerde5000 Shl2700 Glao 500 Ziegelstein 320 Beton 150 Kork Kork 5 Gummi3 KuBstatoff Ferner kurde festgestellte dass der Q=Faktor er@er @@ stimmten Probe. von deren Temperaturabhänge.Xn-eY:LXI sind die ungefähren Q-Werte bei verschiedenw Temp@@@t@@en für eine Probe aus Glas wiedergegeben.
  • Tabelle II Temperatur (°C) # 40 12 Temperatur(C)Q 40 1250 60 100 720 100 720 200 700 Von besonderem Interesse ist der Q-Faktor werschiedener fester Werkstoffe im akustischen Beyeichp wo diesse Werkstoffe Resonanz-Phänomene aufweisen, die in gewisser Hinsicht den Resonanz- oder Sperrkreis-Eigenscharten elektrisoher R,L,C-Kreise gleichen. Unter diesen Bedingungen kaum der Q-Faktor folgendermassen definiert werdenr, Dabel ist mit fr die Resonanz-Frequenz bezeichnet und für diejenigen Frequenzen, bei denen die Amplitude den hab.len Wert der maximalen mplitude aufweist, wurden die Bezeidhnungen f1 und f2 gewählt. Werkstoffe mit hohen Q-Fakteren weisen eine scharfe Resonanz mit grosser A@@@@i tode @@@ kleiner Bandbreite auf. Werkstoffe mit kleineren Q-Fal@@@@n, die eine grössere innere Dämpfung haben, wersen @@@@ @@@@@@ere Resonanz-Amplitude und eine grössere Bandbreite auf.
  • Ausser der Darstellung durch Bandbreite und Resonanz-Amplitude kann der Q-Faktor oder sein Kehrwet auch als Funktion anderer Grössen angegeben werden. Es ist beispielsweise folgende Definition möglich: Dabel ist W die Schwingungsenergie und # W der Energieverlust pro Periode. #W/W ist also die spezifische Werkstoffdämpfungo Die prozentuale Abnahme der Schwingungsenergie pro P@@i@e, das ist das technische Dämpfungsvermogen dp steht mit Q in folgendem Zusammenang: d 200 Q sich Q kann auch auf die sich ergebende Amplituden-Abschwinggeschwin beiziehen, die sich im gedämpten Wellenzug zeigt. Als Funk-digkeit tion von #, dem natürliche Logariümus des Verhältnisses auf-einanderfolgender amplituden, auch logarithmischee Dekrement genannt, lässt sich Q folgendermaßen darstelle: Q = #/# (4) Q = 4) Ferner kann Q ausgedrüekt werden in 1. dem Verustweinkel #, das ist der Phasenwinkel zwischen der erregenden Kraft und der sich ergebenden Verschiebung, 2. in dem Verhältnis zwischenGesamtwiderstandundWiderstandderProbe,und 3. in dem Verhältnis zwischen Resonanzamplitude A und statischer Ablenkung a'a Es ist also Q = Ar/ar (5).
  • Da a' =P/E (6). ist, wobei mit P die statische Beanspruchtung und mit E der Young' sche Elastizitäts-Modul bezeichnet sit, f Zusätzlich zu der Temperaturabhängigkeit von Ar ist auch der Blastizitäts-Modul E mit der Temperatur veränderliche Der E bestimmt die Resonanz-Frequens f, die in geringerem make auoh von den temperaturbedingten Abmessungsänderungen der Probe abhängig sit; die Zusammenh@nge zwischen dem Torsions-Modul und dem Modul für die Biegobeanspruohung sowie den Probe-Abmessungen können den einschlägigen Hadbüchern entnommen werden. Den Einfluss der Tomperatur auf die Resonanz-Frequenz für eine Glasprobe zeigt die Tabelle III : Tabelle III Temperatur (°C) 150 200 @ 250 200 @@@ 250 Resonanz-Frequenz (Hz) 3668 3671 3674 3676 3679 Im Hinblick auf die Sohwingungsamplitude der Probe wurde auch festgestellt, dass die Resonans-Amplitude Ap für eine gegebene Erreger-Amplitude in bestimmten Fällen proportional Q ist.
  • Die e vorstehend geschilderten Zusammenkänge und merkmale akustischer Absorptions-Spektren haben als Parameter und Kennzeichnen für die Abschätzung und Überwachung vers chiedener Faktoren und Phänomene von festen Werkstoffen zunehmend an Bedeutung gewonnen; sclche Faktoren und jPhänomane sind: l Werkstoffzusammensetzuns ; 20 Reaktionsgeschwindigkeiten; 3. Diffusion ; 4o Korngrosse ; 5. Vorangegangene Wärmebeehandlung; 6. Elasti Elastizitätsmodul ; @ 7. Plastisches Fliessen ; 8. Ermudungeerscheingungen ; 9o Kaltverformung (Versetzungen) ; 10.Wassergehalt und llo Ferromagnetische Effekte.
  • Die Einführung einer Relaxatuionszeit # orleichtert das Verstznduss der akustischen Absorptionsspektren.DieAmplitude f von ihrem ursprünglichen Wert in der Zeit # T um den Bruchteil 1/# ab. Infolgedessen ist # = #,#, wenn T die Schwingungsdauer und # das logarithmische Dekrement ist. Für eine sehr grosse Anzhal von eine innere Dämpfung verursachenden Mikroprozessen in Festkörpern, wiw beispielsweise Atom-Diffusion, Ausscheidungen, intewkris@@@ ne Viskosität und Zustandsänderungen bzw. Phasenübsrgänge, wurde Sowohl theoretisch als auch experimentell nachgewiesen, dass die Funktion Q-1 = F (f#) die Arrhenius'sche Gleichung befolgt. Deshalb kann H durch Messungen bei zwei Frequenzen bestimmt werden. Dann kann die Korrektur der Fre. quens bezüglich der Temperatur (lnf für @/T) leicht durchgeführt und ein Relaxations- oder akustisches Absorptions-Spektrum als Funktion der Frequenz konstruiert werden. Jeder Mikro-Prozess bzw. jedes Phänomen hat weeine eigene Aktivie runga-Temperatur und fUr jeden Festkörper können zahlreiche solche Mikro-Prozesse überr einige hundert Grad celsius angegeben werden. Die lang begründe@ Gültigkeit der Arrhenius'schen Gleichung für viele der Phänomene, die auf diesem Forschungsgebiet auStreten rechtfertigt die HeranziehuAg des akustischen Spektrums, selbst wenn die Abszisse im Kurvenverlauf d@r Messwerte die Temperatur ist.
  • Die akustische Spektrometrie eröffnet also eine vielversprechende Measteohnik. Jedoch waren die erforderlichen Instrumente und Metnoden, die seithor Torgeschlagen oder ausgeübt wurden, so umständlich und zeitraubend, dass sie die wirksame Ausnutung dieser messmethoden vorhinderten.
  • Beispielsweise waren für eine Person viele Jahre ermüdender Einstellungen, Justierungen und Punkt-Fär-zpunkt-Messungen notwendig, um das akustische Spektrum eines einzigen Werkstoffes zu ermitteln, Die notwendige teuere und umfangreiche Ausrüstung hat alle jene abgeschreckt, deren Mittel beschränktwaren ; die Vielzahl der Instrumente und erforderlichen Verfahren war für diejenigen, die in der Elektronik keine Erfahrung besassen, ein ernstliches Hindernis.
  • Es ist daher eine hauptaufgabe der Erfindung, die Einrichtungen zur Aufnahme alcustischer Spektren zu verbesserno Hausserdem soll durch die Erfindung ein im Aufbau einfaches leicht zu handhabendes und sohneil messendes akustisches Spektrozester geschaffen werden, das eine Vielzahl von Messwerten automatisch liefert.
  • Weitere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfgindung darstellende Merkmale sowie Einzelheiten der Erfindung sind dem Ausführungsbeispiel. der Zeichnung zu entnehmen ; es zeigen : Fig.1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsorm der erfindungsgemässen Einrichtung ; Fi 2A'3 und 5 sich auf die Einrichtu gemäss Fig. beziehende schematische Darstellungen von Messkurven, und Figes eine Seitenansicht eines Teiles der Einrichtung gemäss Fig.1 in teilweise geschnittener Darstellung und in grosserem Masstab als in Figolo Die erfindungsgemässeEinrichtungnachFigolistu.i aessungonProbekorpemausfestenWerkstoffeneint.
  • Eine solche Probe 1 ist in ihren Knotenpunkten auf Trägern 10,11 in einem mit einer Temperatur-Überwachungseinrichtung versshenen Gehäuse 12 montiert. Dieses wird von einer Strahlungsquelle beheizt; als solche wird in dem Ausführungsbelspiel eine Glühlampe 20 verwendet. Diese Glühlampe kann von einem Heizregelkreis 21 gesteuert werden, der mit einem mit einem Ende in das Gehäuse 12 hineinragenden thermcstatischen Regler 22 zusammenwirkt, der an seinem äusseren Ende einen Einstellknopf 23 trägt, der mit Hilfe e eines Motors oder son land eingestellt werden kann. Der thermostatische Regler 22 kann einen thermoatatischen Schalter aufweisen, der über den Reisregelkreis 21 zwischen einer Stromquelle und der Glühlampe 20 liegtt; mit Hilfe des Einstellknopfes 23 wird der Thermostat zweckmässig einestellt. Die einrichtung kann aber auch so betrieben werdeng dass die Temperatur beispielsweise druch eine Temperatur-Steuervorrcithung 24 in vorbastimmter Weise zunehmend oder abnehmend gesteuert wird, wobei die Temperatursteuervorrichtung einen 0passenden, regelbaren Widerstand oder einen von einem Motor M betätig ten Nookenschalter aufweisen kann.
  • In dem gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Einrichtung wird die Probe 1 zu Transversal-Schwingungen angeregt, und zwar durch eine Erregerspule 13 und einen mit dieser zusammenwirkenden Ferrit-Magneten 13a, der an dam erregten Ende der Probe 1 angebracht isto Die Erregerspule 13 wird von einem Kippfrequenz-System eingespeist, das den Motor M umfasst ; dieser wird von einer Stromklemme P ber einen Schalter S1 gespeist und ist mit einem Drehzahlregler SG verbunden. Das Kippfrequenz-System weist ausserdem eine Frequenzregelkreis N1 auf, der von Hand einstellbare Kapazitäten C1, C2, C3 und C4 hat. Diese Kapazitäten C1 bis C4 werden @uch von dem Motor M über eine Kupplung E1 eingestellt. Die der Einstellung der Kapazitäten C1 bis C4 entsprechende Frequenz wird durch ein mit diesen Kapazitäten verbundenes Frequenz-Messgerät I1 angezeigt. Das Frequenz-Mesagerät kann abgelesen werden, um die e Einstellung eines Drehoptentiometers R$1 wie der Kapazitäten C1 bis C4 vorzunehmen, um so manuell oder automatisch zu messen. Mit dem Frequenzregelkr4is N1 ist ein Schwingungsverstärker V1 gekoppelt, der bei einer von dem Motor N und dem Prequenzregelkreis Nt bestimmten Frequenz arbeitet. Der Ausgang des Schwingungsverstärkers V1 ist mit einem Ausgangsverstärker V2 verbunden, der in Reihe mit der Erregerapale 13 geschaltet isto Deren Zuführungen können noch mit e##m Temperaturkompensationskreis 13b verbunden sein.
  • Infolge der Erregung der Erregerspule 13 wird die Probe l su Schwindungen angeregt. Diese Schwingungen verursachen Bewegungen eines am anderen Ende der Probe befestigten Ferrit-magneten 14a; deshalb wird in einer zugeordneten Abnehmer-Spule 14 eine entsprechende Spannung indusiert.
  • Der er Ausgang der Abnehmer-Spule 14 ist mit einem Verstärker-Gleichrichter -Kreis gekoppelt, der einen Vorverstärker V3 und in Reihe damit einen Gleichrichter D1 aufveist. Der Ausgang dieses Gleichrichters ist über einen Stellwiderstand aI mit mit dem Ein@ang eines schreibenden messgerätes, und zwar wie dargestellt, mit dem Y-Achsen-Kanal eines XY-Koordinatenschreibers RK verbunden. Der Y-Achsen-Servomotor des schreibenden messgerätes überträgt das Ausgangssignal des Gleichrichters in eine entsprechende Stellung eines Ordinaten-Schreibers, der auf ein Koordinaten-Papier G schreibt.
  • Zusätzlich zu den Funktionen des schreibenden Messgerätes wird das induzierte Signal durch einen Oszillographen OS überwacht und vermessen, dessen Horizontal-Kanal, wie bei Phasenmessungen üblich, mit der Erregerspannung der Erregerspule 13, d.h. also beispielsweise mit der Ausgange-Spa@nung des Ausgangsverstärkers V2 eingespeist wird, und dessen vertikaler Kanal mit dem Ausgangssignal der Probe eingespeist wird, also mit dem Ausgang des Vorverstärkers V3.
  • Durch eine genaue Einstellung der Amplituden der Signale sowie der äuseren Phasenverschiebungen wird die Phasenbeziehung zwischen der die Probe erregenden Kroft und der Probenamplitude durch den Oszillographen OS angezeigt, woraus der Verlustwinkel # und der Gütefaktor Q der Probe bestimmt werden können (Q = tan ; jedoch rechtfertigt der Wert des Winkels # in vielen Fällen die Annahme, dass # = Tan # ist). Mit Hilfe des oszillographen OS kann auch die Amplituden-Zeit-Beziehung der Probe 3 dargestellt werden, und zwar durch Anschluss des Horizontal-Kanals an die Kippfrequenz mit Hilfe eines Schalters Sp.
  • Die Amplituden-Zeit-Beziehung der erregenden Spannung kann auch in Abhängigkeit der Kippfrequenz durch Betätigung eines Verstellsohalters S3 dargestellt werden. Ein Synchronisier-Signal liefert zweckmässigerweise der Ausgang des Schwingungsverstärkers V1.
  • Zur zusätzlichen rwachung ist in das Signalsystem ein Voltmeter VM eingebaut, werlches wahlweise mit den Ausgxängen des Ausgangsverstärkers V2, des Vorverstärkers V3 oder des Gleichrichters D1 durch eine entsprechende Schaltung eines Schalters S4 verbunden werden kann Wie bereitserwähnt,wirdeinEingangdesXXanalsdas Koordinaten-Schreibers RK mit dem von der Probe abgelesenen Sißnal nach dessen Verstärkung und Gleichrichtung eingespeist. In die Eingänge ds X-Achsenkanals kann ein temperaturbezogenes oder ein zeitbezogenes Signal eingegeben werden und es aind Mittel zur Eingabe eines der beiden Signalevorgesehenodereskönnenauchabwechselndbeide Signale eingegeben werdena Dae Genäuse 12 umschliesst einen temperaturempfindlichen Wandlerc nämlich ein Tehrermoelement 30, dessen Ausgang mit einem TemperaturAnzeigegerot 31 und einer Schaltung gekoppelt ist, die den X-Achsenkanal des Koordinatenschreibers RK sowie verschiedene Schaltelemente umfasst.
  • 3ine Se des Thermoelementes 30 ist miteinsrBuchseX'l ies Koordinatenschreibers verbunden, während die angere Seite mit einemKontakt34aeinesSchalters34gekoppeltisto Ein beweglicher Kontakt 34c des Schalters wird über einen Schalterantrieb 35, beispielsweise ein entsprechendes mit einem @ Nockenantrieb versehenes Zahnrabdgetriebe durch denMotorMperiodischbetätigteInfolgedessenistder be@egliche Kontakt 34c abwechselnd mit den Kontakten 34a und 34b verbunden. Der bewegliche Kontakte 34c ist ferener tuber Kontakte 35 a und 35d eines Wählschlaters 35@ mit elner Buchse X-2 des Koordinaten-Schreibers RK verbunden. Befindet sich alsoderWhlschalter35"inderdargestelltenStellung, so ist der Auagang des Thermoelements 30 perodisch mit dem X-Achsen-Kanal des Koordinaten-Schreibers RK verbunden. und zwar während der Zeiträume, in denen durch den Motor M 34c mit dem Kontakt der bewegliche Kontakt / 34a verbunden ist.
  • Mit der Buchse X-1 des X-Achsen-Kanals ist ferner eine Seite einer Arbeitsstromquelle verbrunden, die durch eine Serienschaltung einer Gleichstromquelle eines Stellwiderscandes R40 und des Drephotentiometers R41 dargestellt wird.
  • DerArmdesletzteren wird über eine Kupplung Ep von dem Motor M eingestellta Die andere Seite der Arbeitastromquelle ist mit dem Kontakt 34b des Sohalters 34 ver dent Befindet sich also der Wählschalter 35'in der gezeigten Stellung, so wird der X-Eingang des Koordinatenschreibers RK in Mehrfachschaltung von einem temperaturabhängigen Signal (abgegeben vom Thermoelement) / und von einem zeitabhängigen Signal (abgenommen von der Arbeitsstromquelle) eingespeist.
  • Anstelle der vorgenannten Schaltung kann auch das temperaturabhängige oder das zeitabhängige Signal allein an den Koorinatenschreiber gelget werden, und zwar druch eine entsvrechende Einstellung des Kontaktes 35d auf KOntakte 35b oder 3 In dem geze@@ben Ausführungsbeispiel wird die Frequenz des die Frobe 1 über den Kippfrequenz-Generatoer anregenden Signals verändert, und zwar vorzugsweise linear durch eine entsprechende Steuerung der Kappazitüten C1, C2 und C3, Druch eine passende Wahl des Frequenzbereiches, die durch einen SChalter S6 und eine entsprechende Benessung des Kapazität C4 erleichtert wird, verändet der Motor M die Frequenz des durch den Frequenz-Regelkreis N1, den Schwingungs verstärker Y1 und den Ausgangsverstärker Vg dargestellten Schwingkreises druch den ganzen Grujdschwingungsbereich der Probe l hinduroh. In Fig. ist ein Beispiel einer gewonnenen Messkruve H1 dargestellt.
  • Wenn sich die Frequenz des Oszillators von einem eingestellten niederen Wert ausgehend erhöhte stellt man eine Zunahme der Schwingungsamplitude der Probe fest. Bei der Frequenz P1 erreicht die Schwingungeamplitude der halben Wert der maximalen Amplitude, nämlich der Resonanzamplitude Ar; dieser maximale Wert wird bei der Prequenz fr erreicht. Wird die Prequenz dann weiter erhöht, so nimmt die Sohwingungsamplitude nach und nach ab. Bei der Frequenz fp weist die Schwingungsamplitude wirder die Hälfte des maximalen Wertes auf; eine weitere Vergrisserung der Frequenz ergibt das charakteristische Auslaufen der Resonanz-Kurve. Zru Erläuterung ist fernjer die Resonanzkurve einer Probe mit einem höheren Q-Faktor, jedoch mit derselben Resonanzfrequenz in gestrichelter Linie bei h2 dargestellt, wohingegen eine dritte Resonanz-Kruve H3 eine abweichende Resonanzamplitude, Bandbreite, Resonanzfrequenz und einen unterschiedlichen Q-Faktor aufweisto Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Kippfrequenz periodisch zwischen den eingestellten Werten fmin und fmax verändert, wie dies die Kurve m1 in Fig.2a zeigt. Innerhalb jeder Periode wird der Frequenzbereich zweimal durchalaufen, so dass sich zwei Ausgangssignale M2 pro Periode ergeben.
  • Bei konstanter Temperatur ist die Resonanz-Amplitude A , ebenso konstant ? wie dies die Resonans-Frequenz und die Bandbreite sein sollten. In diesem Falle ist dann der Q-Faktor ebenfalls konstant. Eine Folge gleich grosser Amplituden htzurFeigesdassaufdemKoordinaten-Papier6desKoordinaten-Schreibers RK in gleichen Abständen voneinander Paare von Ausgangssignalen auftretenQ sofern der X-Achsen-Kanal mit einer der Zeit proportional sich ändernden Spannung eingespeist wirdp wie dies bei der Spannung der Arbeitsstromquelle (Funktionsgeber) der Fall ist. Frequenz und Bandbreite und damit der Q-Faktor können dann einfach dadrucnh ermittelt perdent dass man die Abszissenachse des Korrdinaten-Papieres G in Einheiten der Frquenz eicht.
  • Wenn dann die Probe l einer Temperaturänderung unterworfen wirdsoändernsichdieverschiedenenMerkmaledes Ausgangssignals. Zunächst ändert sich die Resonanz-Amplitude Ar mit der Temperatur, wie dies das Ausgangssignal m2 in Fig.2 a zeigt. Die dartgestellte Einhüllende vorauschaulicht einen beispielsweisen Amplitudenverlauf für den FalleinerlinearzunehmcndenTemperaturvieöisshu:?r Temperatur-Kurve T1 in Fig.2a der Fall ist.
  • Zusätzlich zu der Resonanz-Amplitude ändert sich aber auch die Resonanz-Frequenz, wie dies in der Kurve M1 durch die 'unterschiedlichenFrequenz-Punktefafgpfooo..fdargestellt ist. Dies offenbart sich im Ausgangssignal M2 in einem abnehmenden Abstand zwischendenFaarenymu' @angssignalen M2a-M2a,, M2b-M2b, usf. Wenn der Eingang 'des X-Achsenkanales des Koordinatenschreibers mit der vorstehend erwähnten, proportional zur Zeit sich ändernden Sjannung eingespeist wird, so gleicht das auf dem Koordinaten-Papier G aufgezeichnete Ausgangssignal im allgemeinen dem Ausgangssignal M (siehe auch Ar in Fig.3). Diesem Ausgangssignal können verschiedene, die Probe kennzeichneende Grössen entommen Werden, jedoch enthält unter diesen Bedingungen dis vom Koordinaten-Schreiber aufgezeichnete Kurve keine An$zbi ben über die Temperatur. Dieses Problem kann in iener erstenWeise dadruch gelöst werden, dass die sich Zeitproportional ändernde Spannung der Arbeitsstromquells @urch eine Temperartur-abhängige Spannung ersetzt wird. @iss erzielt man dadurch, dass man den Wählsohalter 35'auf den Kontakt 35b stellite Wenn der Temperaturanstieg ungefähr linear erfolgt so ergibt sich eine Messkurve auf dem Koordinaten-Papier G, wie sie. das Ausgangssignal M2 seigt. Die Abszissen achse kann licht in Einheiten der Temperatur geeicht werden.
  • Die zu jedem Ausgangssignal gehörenden Temperaturwerte werden dann aufgezeichnet und stehen beim Ermitteln der Probenwerte zur Verfügung.
  • Es kann aber aueh so vorgegangen werdeng dass der X-Achsen-Kanal des Koordinaten-Schreibers sowchl mit einer temperatur- als auch mit einer frequenzabhängigen Spannung gesseist wird, und zwar dadurch, dass man den Eingang des X-Achsen-Kanals mit Hilfe des Schalterantriebs 35 und dem Schalter 34 in Mehrfachsohaltung betreibt. In einem Zeit-Intervall stellt dann die Abszisse die Temperatur dar, während in einem darauf folgenden Zeitintervall die Abazisse ein HaS fUr die Frequenz ist. Diese Zustände treten abwechselnd auf, wenn der Motor Mperiodisch über den Schalterantrieb 35 den Schalter 34 betotigt. Die diesbezüglichen Zeitintervalle für die Einspoisung der temperaturabhängigen Spennung und derjenigen der Arbeitsstromquelle können mit ülichem Aufand durch den Schalterantrieb 35 eingestellt t werden. Beispeilsweise kannd er Koordinaten-Scheiber für den grösten Teil der Zeit an die temperaturabhängige Spannung angesnlossen werden, während die Spannung der Arbeitsstromquelle lediglich kurzzeitig eingespeist wird.
  • Auf diese Weise werden wie in Fig.5 dargestellt einer Resonanzkurve mit der Resonanzamplitdue Ar als Funktion der Temperatur Resonanzkurven mit den Resonanzamplituden Ar1, Apo « Ar3 ale Funktionen der Frequenz überlagert.
  • Die e temperaturabhängigen Kurven werden dann aufgezeichnet, wenn der bewegliche Kontakt 34c den Kontakt 34a berührt, wodurch die Spannung des Thermoelements in den X-Achsen-Kraal des Koordinaten-Schreiberseingespeistwird.Periodisch tells nun der Schalterantrieb 35 den beweglichen KOntakt 34d auf den Kontakt 34b, wodurch die von dem vom Motor M angetriebenen Drehpotentiometer R41 abgenommene zeitabhangige Spannung in den X-Achsen-Kanal eingespeist wird, und so ein Ausgangssigna 1 mit einer Resonanxamplitude Ar1 ergibt.
  • Die Einstellung und Synchronisation des Drehpotentiometers R4 ergibt eine üb@che Darstellung, bei der wie in dem erläuterten Fall ungfähr eine volle Ablenkung über das Koordinatenpapier pro Periode des Kippfrequenz-Systems erzielt wird. Infolgedessen werden zwei Resonanzbedingungen aufgezeichnet. Der Schalterantrieb 35 stellt dann den beweglichen Kontakt 5*4 auf den Kontakt 34a zurck, so dass dann wieder ein temperaturabhängiges Ausgangssignal aufgezeichnet wird.
  • Jedes der frequenzabhängigen Ausgangssiganle mit den Resonanz-Amplituden AR1, Ar2 und Ar3 kann dann daurch mit der jeweils aerrsohenden Temperatur in Beziehung gebracht werden : dass man dasjenige@ ; temperaturabhängige Ausgangsaignal aussucht, velches dieselbe Resonansamplitude aufweist. Die Resonanzkurve mit der Resonanzamplitude aT1 korrespondiert mit derjenigen mit der REsonenzamlutude Ar1 und diejenige mit der Resonanzamplitude At2 mit derjenigen Resonanzkurve mit der Resonanzamplitude Ar2.
  • Mit Hilfe der vorstehend geschilderten Ergebnisse lassen sich genaue Werte finir den Q-Faktor und für Ändekrungen des Elastizitäts-Moduls E oder anderer Moduln ermitteln. Da die horizontale Ablenkung auf de Koordinaten-Papier G proportional ist zu der durch die Spannung des Thermoolemenverursachten tei muse der Temperaturablauf nioht linear sein.
  • Als Beispiel für den Verlauf einer Messung können die in Fig. 5 dargestellten Messkurven herangezogen werden, die beispielsweise eine Temperaturänderung von 20° C bis 250° C während eines Zeitintervalles von zwei Stunden mit Unterbrechungen nach jeweils 20 Minuten zur Aufzeichnung einer frequenzabhängigen Resonanz-Kurve repräsentieren. Die Periode der Kipp-PrequenzkannzweiMinutenbetragen,so dass ungefähr 120 temperaturabhängige Ausgangssignale aufgezeichnet werden. Bine geingere Anzahl ist in Fig.5 dargestellt; ausserdem wurden die Übergangsbewegungen der Aufzeichnungsvorrichtung während der Schaltvorgänge weggelaasen.
  • Der Sehaltvorgang kann aber auch mittels des Wählschalters 35' von Hand vorgenommen werden und jade gewünschte besondere Darstellung kann duroh eine entsprechende Eichung herbeigeführt werden.
  • Eine andere Serie von Proben-Ausgangs-Signalen in Abhängigkeit ton der Temperatur ist bei Ay auf Koardinaten-Papier B aufgezeichnet und in Fig.3 abgebildet. Zur Erläuterung ist eine Kurve Q-1 überlagert. Es wurde festgestellt, dass in vielen Fällen die Amplitude Ar als Maß für Q oder fUr 1/Q dienen kann, es ist also A = K . Q oder K/A = 1/Q, wobei k eine Konstante ist. Es wurde ferner festgestellt, dass die in manchen Fällen auftretenden Abweischungen von der Proportionalität zwischen A und Q au von der Temperatur verurotoBte Veränderungen im Erreger- und Abnahmesystem der Ptobe zurückzuführen sind. Ein Ferrit weist beispielsweise beträchtliche Fluss-Verluste bei zunehmender Temperatur auf, wohingegen bestimmte alnico-Typen weit weniger temepraturäbhängig sind, und zwar bis zu Temperaturen von etwa 600° C. Diese Abweichungen von der Proportionalität kennen daher automatisch dadurch kompensiert werden, dass man in einen geeigneten Tell der Einrichtung einen Temperatur-Kompensationskreis einschaltet, wie er bei 13b in Fig. l dargestellt ist.
  • Zusätzliche Merkaale der erfindungsgemässen Einrichtung sind in den Fig. l und 4 dargestellt ; sämtliche Bauelemente ausser dem Koordinaten-Schreiber werden vorzugsweise in einem gemeinsamen Chassis-Gehäuse-Bauteil zusammengefasst. Zweick-@ässigerweise ist eine gemeinsame Spannungsquelle, wie in Pig. 1 bei PWR dargestellt, vorgesehen, um Arbeitspotentiale fUr de verschiedenen Bauelemente, die den Sohwingungsverstärker Vig den Ausgangsverstärker V2 und den VorverstArker V3 zur VerfUgung zu haben. PUr den Oszillorgaphyen QS ist 1 Einblick auf dessen besondere Erfordernisse eine eigene Spannungsquelle vorgeschen.
  • Wie in Fig. l dargestellt ist, weist das Gehäuse 12 zwei Wände 12a und 12o auf, die durch geeignetes Isolätionsmaterial 12b, wie beispielsweise $esteinswolle, voneinander getrennt t sind. Das Gehäuse ist abnehmbar auf einem Chassis 12e montiert, welches ebenfalls eine Schicht 12f aus Isoliermaterial hat. Das Innere des Gehäuses ist mit reflektierendem Werkstoff 12d belegt, beispielsweise mit einer Aluminiumfolie.
  • WeiterekonstruktiveMerkmaleder6eh:luseba.u.til'e'ßisin Fig.4 dadrgetellt. Die Erregerspule 13 wird von einer auf einem Chass@-Teilstück 12e berfestigten Strebe 13j egetrgen, die mit dem Chassi-Teilstück verschraubt ist. Ein GehäusefürdieErregerspulc13weisteineHülsegaufdie Uber Ansätze einer unteren Scheibe 13f teleskopartig @@@nweggreift. Perner ist eine Kappa 13h vorgesehen, die in die Hülse 13g eingeschoben ist. Die Kappe 13h weist eine Öffnung 13k auf, durch die Probe l hindurchgeschoben und ihr Ende tuber der Erregerspule angeordnet werden kann. Das Gehäuse 13f, ltg und 13h ist vorzugsweise aus Eisen, wohingengen ein Spulenkörper 13m aus keramischem Material ist. Ein Spulekern 13n kil ale Eisenschraube ausgeführt sein. Die Windungen der Spule werden über Zuführungsleitungen 13b und 13e mit Strem versorgt.
  • Der Träger 10 für die Probe weist ein Lagerrohr 10a auf, das am oberen Ende des Trägers eine Schen 10b hat. Die Probel iat durch diese Elemente auf dem Träger 10 befestigte wohin Son der Träger elbot mit dom Chassi@Teilstück 12c des Geh @uses verschraubt ist.
  • Die Proben können ausser Stangen auch Glasflaschen oder Metallgusstücke oder andere strukturelle Bauteile sein.
  • Perner können verschiedene Schwingungsformen wie beispielsweise Biegeschwingungen, Longitudinalschwingungen und TorsionssohwingungeninderProbeangeregtwerden.Ferner können zur Übertragung der Schwingungen anstelle magnetischer Kupplungselemente akustische Luftsäulen herangezogen werden. Die Magnetspulen können ausserhalbe des Gehäuses oder Ofens sein und an die Probe über Stäbe oder Drähte an den Knotenpunkten angekoppelt werden. Die Probe kann aber auch in den Punkten grösster Amplitude ausgehängt sein. Anstelle der Temperatur können die KenagrUssen der Umgebung auch die Feuchtigkeit oder magnetische oder nukleare Plussdichten sein. Ausser der erwähnten Arbeitsstromquelle (Funktionsgeber) können auch andere Bauelemente herangezogen werden, um eine Nessfrequenz zu erzeugen.

Claims (16)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. (lu sur zur Erregung von gesteuerten Schwingungen in in einer überwahcten Ungebung angeordneten Proben von Festkörpern, sowie zur Aufnahme und Aufzeichnung eines Ausgangssignales der Probe, dadruch gekennzeichent, daß zar Auf@ahme der Probe ein geschlossenes Gehäuse vorgesehen ist, das Überwachungsvorrichtungen zur Regelung der Zastandsgroßen des Innenraumes des Gehäuses aufweist, und daß zur Anregung der Probe ein erster Wandler, sur Aufnahme der Probenschwingungen eine Anzeigevorrichtung und sur Überwachung Einer Zustrandagröße des Innenraumes des ashaaseseineHeßvorrichtungvorgesehenist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, gakennzeichnet durch oit Mit dem ersten Wandler gekoppeltes Kippfrequenzgerät sowie ein Steruergerot zur periodischen Steuerung des Kippfreuqenzgerütes.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2. gekennzeichnet durch einen t dom Ausgang der Anzeigevorrichtung gek ten Glsichrichter, dessen Ausgang mit einem graphischen Meßgerät verbunden ist.
  4. 4. Einrichtung nach den vo rstehenden Ansprüchen, gekennzeichnet durch einen das Steuergerät mit dem graphischen Meßgerat verbindenden Funktionsgeber.
  5. 5. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadruch gekennzeichnet, daß das Gehäuse ein Thermostat ist und daß die Überwachungsvorrichtung ein elektrisches Temepratur-Meßgerät aufweist.
  6. 6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das graphische Meßgerät einen Oszillographen ausfweist.
  7. 7. Einrichtung nach einem der Anspücher 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das graphische Mekgerät ein schreibenden Meßgerät umfasst.
  8. 8. einrichtungt nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das graphische Meßgerät mit der Überwachungsvorrichtung gekoppelt ist.
  9. 9. Einrichtung naoh einem der vorstehenden Ansprüche, daurch gekennzichnet, daß der Funktionsgeber mit dem Steuergerät für das Kippfrequenzgerät gekoppelt ist, und daß @in 8exalter zur wahlweisen Verbindung dee, graphischen Meßerätes mit dem Funktionsgeber und der Überwachungen Vorrichtung vorgesehen ist.
  10. 10. Eirichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichent, daß das graphische Meßgerät einen Koordinaten-Schreiber umfasst, dessen erster Eingang mit dem Gleichrichter und dessen zweiter Eingang mit dem Schalter verbunden ist.
  11. 11. einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch Gekennseichnet, daß das Gehäuse eine Wärmestrahlungsquelle und eine Temperatur-Überwachungsvorrichtung zur Steuerung und/oder Regelund der Wärmestrahlungsquelle aufweist.
  12. 12, Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, gekennzeichnet durch ein einen gegebenen Frequenzbereich pro Kippfrquenzzyklus zweimal druchlaufendes Kippfrequenzgerät.
  13. 23. einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, @@@@nnzeichnst durch ein Frqquenzanzeigegerät.
  14. @@. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d gekennzeichnet, daß der Funktionsgeber eine mit der Ansaigevorriohtung gekoppelte Spannangaqnelle Bit einer von der Frequenz des Kippfrequenzgerätes abhängigen Spannung aufweist.
  15. 15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadruch gekennzeichnet, daß die Wärmestrahlungsquelle eine Glühlampe und die Temperatur-Überwachnungsvorrichtung *in Theraoeleaentnafaeat
  16. 16. Einrichtung mach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichent, daßd er Koordinaten-Schrieber ein X-Y-Koordinaten-Schreiber ist.
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