DE1597005A1 - Schallwandler - Google Patents

Description

Schallwandler

Die Erfindung bezieht Sich auf elektromechanische ""andler und insbesondere auf einen akustischen Vibrator, der einen Eesonanzverschiebungsverstarker aufweist.

Ein piezoelektrischer 'Tandler ist eine Vorrichtung, die in der lage ist, hochfrequente elektrische Impulse in hochfrequente mechanische Impulse umzuformen. Wird den piezoelektrischen Elementen eine ^eohseleingangsspannung aufgegeben, so erzeugt der 'Handler eine Reihe von mechanischen Verdichtungswellen in seinen !!etallaufbau, übertrnjt diese Teilen und verstärkt sie. Hie Aufeinanderfolge von identischen VerdichtuKgs- und ler.nungswellen, die in air.em Tv-ndler geeigneter Irnge übertragen werden, erzeugt eine stehende 7/elle.

ηηββη/Αύβ9

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In einem geradlinigen Stab entsprechen die Stellen der Maxima und der Minima der stehenden Welle Stellen maximaler und minimaler Geschwindigkeit, minimaler und maximaler Beanspruchung und maximaler und minimaler Verschiebung. Diese Stellen bestimmen optimale Stellungen für Unterstützungspunkte, "Stufen" oder Änderungen im Durchmesser, Werkzeuge oder mechanische Kopplungsvorrichtungen, und dgl. . Die Knotenstellen uuf dem Wandler entsprechen Stellen minimaler axialer Verschiebung und Geschwindigkeit, die Bauchstellen entsprechen Stellen maximaler axialer Verschiebung und Bewegungsgecchwindigkeit. Der Abstand zwischen benachbarten Bäuchen entspricht einer halben Wellenlänge bei der Grundresonanzfrequenz.

Ee gibt bereits eine Vielzahl verschiedenartiger elektromechanischer Wandler. So sind piezoelektrische wie auch magnetostriktive Vorrichtungen für verschiedenartige und vielgestaltige Anwendungsfälle entwickelt worden. Die Verwendung von Schallenergie ist in weitem Umfang auf nahezu allen Gebieten vorgeschlagen worden, z.B. für Reinigungszwecke, Energieübertragung, für Meßinstrumente und für die Nachrichtenübertragung.

Trotz der einzigartigen Effekte und nützlichen Eigenschaften hat sich die Schallenergie jedoch nicht als endgültige Lösung für Hochenergieaufgaben erwiesen. Neben den Formen der durchdringenden Strahlung ist die Schallenergie die teuerste und am s chwierigsten zu erzeugende Energieform, die der Technik zur Verfügung steht. Infolgedessen hat die Ultraschallenergie

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keine Anwendung in Bereichen gefunden, bei denen die konventionel len Energieformen eine vollständig entsprechende Wirkung ergeben können. Kochenergie-Ultraschallvorrichtungen stehen somit kommerziell heutzutage nicht zur Verfügung.

Im Hinblick auf die Auslegung, Entwicklung, Fabrikation und die Rückführung auf die kommerzielle Verwendbarkeit, stehen Wandler, die zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie bei Schallfrequenzen und Hochfrequenzen ebenfalls korrunerziell nicht zur Verfügung. Schließlich bestehen wesentliche Schwierigkeiten bei der Kopplung hoher Pegel von Ultra^chall- oder Schallenergie mit massiven und irregulären Anordnungen, . in der B

Vorliegende Erfindung vermeidet die vorstehenden Schwierigkeiten dadurch, daß ein Wandler hoher Energie und mit hohem Q-Wert vorgesehen wird. Der Wandler kann einen kontinuierlichen hohen mechanischen Ausgang mit extrem hohen Wirkungsgrad für die Energieumwandlung ergeben·

Die relative Erhöhung der Leistungsfähigkeit in Bezug auf die bekannten Anordnungen (für das Gewicht des Wandlers und eine gegebene Frequenz) ergibt sich aus der besonders zweckmäßigen Anwendung der Materialien im Wandler„ Die Materialien werden, innerhalb ihrer iiutzbeanspruchungsgrenzen verwendet«

Bei dem Wandler gemäß der Erfindung wird das piezoelektrische

im
Antriebselement (das/allgemeinen schwach in der Spannung ist) durch eine statische Kompressionskraft vorgespannte Unter dynamischer Erregung wird das piezoelektrische Element nicht

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Spannung beansprucht, scnnern arbeitet r-tots urter Druck. DoTT.lt 1 ί C"'"t die ueonr^ruchur. ί? v.'ihrend des ^⁵ e^"** debars zvirohnn einer r ϊγΛ··-λ] en ?.<-·:: r ρ r -rue hur. ^r_* (l^r/resniv⁰ ].;=?!■ nrruih'.;r._o) und f. ζ τ z.zixir.-.l ;:ul^::c^iren "^;~ . nsrruchung. Tie ιγ-τΙτγ.;;] e Grenze bei ior 1""CTi^"'2'e rri. ve η ""e "Πγτιιο'"»!! ' ^n d^Tii .ntri ebr^^l errent "i rd ^';rch -51 ^ -e^nspruchunr fest^elt^t, bei der eine Deodorisation 1" P-¹JIe von keramischen 2lementer. auftri+t. In bestimmten

rv endurr 3""-"2IeH ^ind Auo£^:in£*e hoher 'ier-.-hwi rdi^keit aus den V.ndlern e rv.-'j π ^ cht. iiine jrer.zo für die Y.''; no Ic rau si erung ist öic !r.'i::ir.ale -beanspruchung, die in federn der aktiven K] erahnte zulsssir ist» Um diese ^renze zu "bervir.dfr, werden Y'^r.dler ir der bek-nnten Art no ~ebi:Ut, daß εϊο !"C^p .ur^r^e h-'ben, ric- "erliefen jedoch eir. zusätzliches Fern halber 7/el^Ί enl^n^e •':ir --u3_ilanιPrεende rrit ein, das nur eine cerin^e Verstärkung becitzt (z.2. ein ^,uss¹ ccher Vibrator). I-mit erfordert das -i: [-^n^sende des Ilcrnes noch eine zierlich hohe G-eschwi ndig- >eit ö-'B .'.ntric-bselenentes, die ir.it bisher bekannten aktiven Ϊ1 er. en "•'en (piezoelektrischer cder magnetostriktiver ;.rt) nicht erreicht v.eräen >ann. Deshalb ist bei den bekannten Wandlern ein zusätzliches Horn zwischen dem .lusgan^shorn und dem Antrieb se lerne nt notwendig. Die Verrenöune von mehreren Hörnern erhöht die Energieverluste und öen !latz- sowie Gewichtsbede rf .

Vorliegende Erfindung berücksichtigt vorteilhafter-weise die 3e^nspruchungsgrenze und ermöglicht, daß das besondere Horn weggelassen wird. Dies wird dadurch erreicht, daß das Ausgangshorn des 7,'andlers in geeigneter Weise ausgelegt wird und daß dieses Korn an einer Stelle geringerer Geschwindigkeit ( d.H. näher an seinem Kneten) angetrieben wird. Daraus ergibt sich

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ein Vandler, der in seinem .lUfbuu gedrungen und in seiner Anwendung praktisch ist sowie kontinuierlich t^trieber werSeη kann.

Um große Verrchiebun^en oder hohe ^e^ohwi r.di^keiten ^m ^us^angcende des l&tndlers zu erzielen, nürsen im "^r^ni2or hohe Beanspruchungen aufgenommen werden. Im erfir.dunrsr?- mäßen "Wandler treten eic hohen ί-eansrruehungon an ^öir.em unterschiedlichen Teil des T-indlers entfernt von der Stelle der Antriebselemente auf. Damit ist dieses Horn kein rsfRiver Körper, der -ms einem einzifon Material susammon^esetzt ist, sondern er besteht -.us unterschiedlichen feterialien an verschiecfenen Stellen, us sind auch Me F,rm^;5dun.;sfrenzen für einen kontinuierlichen und lan/: andauernden Betrieb berücksichtigt.

Bei einer Gesamt.inalyse des Wannlers ~en_;ä:-< der Erfindung

werden die vollen Fähigkeiten der Ibterinlien durch eine abgeglichene Auslegung ausgenutzt. Zein Teil für sich begrenzt die Leistungsfähigkeit des "'-.ndlersi aber soviele Seile wie möglich arbeiten zur Erzielung der maximalen Leistungsfähigkeit zusammen. Diese Tatsache in Verbindung Kiit der minimalen Gesamtresonanzlänge ( halbe Wellenlänge) vermindert das erforderliche Yolumen und aev.icht. Das Ergebnis besteht darin, daß eine hohe Leistungsabgabe pro Gewichtseinheit des Tandlennateriales gewährleistet wird.

, f-

Insbesondere kombiniert der Wandler gemäß vorliegender Erfindung ein Antriebselement ( piezoelektrische Scheibe) mit dem mechanischen Verschiebungsverstärker (Horn) in

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einer neuartigen Weise. In¹ wesentlichen wird ein Resonanzhorn i?, Inneren relstiv nahe dem Sohwinjungiknoter. erregt. T)?s Verfahren ler Erre-7uri-r wird irr. Oerensatz zu dem Ye rf-ihren der äußeren Erregung im Schwinrrunfjnbauch durchgeführt das üblich ist, wenn Hörner in eine:n Schallwanrilersystem verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ausführune-sform ernögliohen die piezoelektrischen Elemente, die in einem Bereich in der Nähe des Knotens des Resonanz— aufbaues angeordnet sind, drö der Knoten nls die Befestigun^sstelle des Wandlers und zum Aufbringen einer äußeren statischen Kraft verwendet wird.

Ea ist. deshalb Ziel vorliegender Erfindung, eir.en verbesserten Wandler hoher Energie und hohen Q-Wertes zu schaffen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Wandler f-n der einen kontinuierlichen, hohen mechanischer. Ausgang mit einem außergewöhnlich hohen Wirkungsgrad für die Energieumwandlung ergibt.

Ziel der Erfindung ist es auch, einen Wandler zu a chaffen, der eine konstante, statische, innere Xompressionsbeanspruchung auf die piezoelektrischen Elemente ausübt, die größer ist als die Amplitude der Wechselbeanspruchung, welche in den piezoelektrischen -^lementen erzeugt wird.

Ferner ist es auch Ziel der Erfindung, einen Wandler zu schaffen, der extrem robust und sehr einfach im Aufbau ist und der eine wiederholte Herstellung gestattet.

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j em Μ.¹:* ό er Zr'f'i riurv '.'ir': ein*³ el P¹Ct ro*¹" r-oh- -π: r?h^fir "V-.nrⁿ.«r vor./ecchl- _; en, ^er eir. liescnar.zhrrn und eine Vcrrio^t^rr zum .A η-rieb des H'.rres on einer¹ S+elIe rieorirerer .Jprchwi ndi~keit h^ritzt. liese Gie31p ist vorzur: weise eir. ?ereich ir. ier Υ.^:-^ιΥ* ier. Schwir.;*¹!.¹'^s^rotens ^^Ps ^T:crnep. Vcr Eugsv.eipe teptert diifcei das Horn ^u^ ^ciner. erster. l>j] Y^- stin'.n-ter. i>.irchr.essers und einem zweiten l'eiü , der einen r.i tt ;^: eri n.r^rer. Liirchrae"-!pers 'i-jf'.veirt.

\'.^r\cl'vt9h ^pnci v.'iri ^ie Y^^ir.d^.r.i" ir. V--rhi p.dur.? !nit .5er "nhar.d von .vUpf^hrun-pteisnielen erl^Hrit°rt. Die Figu seilen»

Fif.1 eine bevorzugte .-iUsführ-inrsforin ces Eesonanzhornes /em?^:Ir öer Erfindung,

Fig.2 eine andere ^usführun^sfcrs! des Resonunzhornes der Erfir.dunt,

ig. 3 eine graphische larstellun^, in der die akustische Verschiebung gegen den Abstand : gen ist,

Fig. 4 eine graphische Darstellung, c"ie die maximale übertragun_:;-senergie gegen die maximale Beanspruchung f-;.r verschiedene Terte der akustischen Impedanz darstellt,

Fig. 5 eine andere Ausführungsforn gern?!? der Erfindung, wobei ein kettenförmiges Horn verwendet wird.

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Pig. 5 a zeigt ein konisches Horn,

Pig. 5 b ein Horn in Exponentialform,
Fig. 5 c ein Horn in Fourier-Art und

Fig. 5 d eine abgestufte Hornform ähnlich der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1.

Ganz allgemein gesprochen ist der Wandler gemäß der Erfindung ein Horn, dessen Länge eine halbe Wellenlänge beträgt, und das in zwei Teile unterteilt ist. Die beiden Wandlerantriebselemente, die mechanisch in Serie wirken, sind zwischen die beiden Teile eingesetzt. Der untere Teil ist das Ende mit der hohen Amplitude und der obere Teil das Ende mit der niedrigen Amplitude.

Das Ende mit dem dünnen ^usgangsende des Hornes weist einen Durch messer auf, der kleiner ist als das dicke Ende, sowie eine Schwingungsamplitude, die durch die geometrische Form des Hornes bestimmt ist. Die piezoelektrischen Elemente sind über eine gemeinsame, zwischen ihnen angeordnete Elektrode elektrisch parallel geschaltet. Die Verringerung des Durchmessers im Horn ist unterhalb des Schwingungsknotens ausgebildet und die piezoelektrischen Elemente sind oberhalb des Schwingungsknotens angeordnet. Andererseits können die piezoelektrischen Elemente unterhalb oder oberhalb und unterhalb des Schwingungsknotens angeordnet sein, falls dies erwünscht ist. Der Schwingungsknoten ist vorzugsweise zur Befestigung bestimmt.

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Das Problem der Spannung in der keramischen Masse oder an den Verbindungsstellen ist durch Anlegen einer mechanischen Vorspannung überwunden. Diese Vorspannung wird als Druckbeanspruchung aufgebracht, die in ihrer Größe die Amplitude der Wechselbeanspruchung, welche in den piezoelektrischen Elementen erzeugt worden ist, übersteigt.

Die sogenannte "Schichttechnik" eines Wandlersystemes nach Langevin ist in der britischen Patentschrift 145 691 beschrieben. Bei einem derartigen System sind zwei Blöcke aus Stahl oder korrosionsbeständigem Stahl gleicher Dicke so angeordnet, daß jeweils einer auf jeder Seite eines Mosaiks aus Quarzkristallen vorgesehen ist. Das System kommt als Halbwellen-Schwingungserzeuger in Resonanz, wobei der Quarz (der vergleichsweise dünn ist ) an einem Knotenpunkt angeordnet ist.

Diesen Langevin-Kristall im Knotenpunkt der Schicht anzuordnen, ist in vielfältigen Ausführungsformen vorgeschlagen worden, z.B. in den US-Patentschriften 3 162 368, 3 Uo 859 und 3 1ol 419. Bei allen diesen ^angevin-Ausführungsformen ist jedoch kein mechanischer Verschiebungsverstärker (Horn) vorhanden, oder aber der Wandler ist ein Horn, das wenigstens an einem Ende der Schichtanordnung ergänzt wird, wobei der Wandler größer als der Halbwellen-Schwingungserzeuger gemacht wird.

Mechanische Verschiebungsschwingungsverstärker, die allgemein als Hörner bezeichnet werden, können verschiedenartige Ausführungsformen und Ausbildungen annehmen. Ein typischer, Arbeit erzeugender Wandler weist eine piezoelektrische oder magnetostrikt ive Anordnung als Antriebsvorrichtung auf, mit der ein

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2-hv. J r.v -ur; -Ftauteil , im μ1. Ίγ^τγ.-π γ.ρπ ^in ^T*">rr. r^'.c-pelt ist.

V"-'l"r ^r⁺-" ·"-fh'.r."¹" s"he ü^hwir-'un rtavt^i¹ ->, 'i~> nich c^^oin t ioH v?r r"r 'Ti, i ^r-.it «ir.e Yerst'irk.ir.f ^λργ Ir. lor.■"it'-Ki"'γ'Ίργ l:lc!-t'ir· --lift r-o tendon Schwin _"unf ntevmjir erzielt wir el, ?-ind " ·: .'5-"¹^ 7"-F-T ⁺ -¹Ht "ii^ift ? !;7J 16P t«

Hn .Is* f-irn="!' auch Y^c-Y. v.rt, i':.'i Pir "t',<=»" tu ^pt·?? 2 'hv^-i r, *un r.b'i'.i — teil, -5-jπ 2v.fi Abschnitte ^:;hrli-iher 'juerv^rü .uf«-nder .m->vr.ohr itt sf orm_f ^-'Jcoh in raiinler Ri?htun.^ Un^{-1 n}'-noi ie ⁿ ' 'ihor ^uerr chni ⁺tsf l^;:chen auf v/eist, wobei Jeder '."b.-^hri * t ^r'ir.° ^iertel'A'ellen7-^rin_;p l-r^j int, ^errendet "erfen >urn, um eine Ver:-'t^::rfcun_ ier ir lonritudir.^i or Lichtur.r auftretenden Yibrutiorebowe^unr z-\ erzielen. ..b estufte Bauteile siri bei spielsv:eise von !-.Buliruth in " The Iransa^tiens Of ⁺he Institute of H:;3ic Enpineer£, Professional ^roup ^r ^TJltr-_:3onica Engineering" (2), rcvember 1934, insbesondere Absohnitt 8, 3eite 29 beschrieben.

Lsε cberjerv?hnte abrestufte Sohwingun^sbauteil v.lrd ^us praktischen Gfründen durch die Beanspruchungen, die ir. dem Bauteil entstehen, auf eine verhältnismcfiig viel kleinere "ichvingungssrplitude als die, die hrufig erwünscht ist, begrenzt.

?le Yerschiebungsaaplitude für einen TTandler ist an sich für die Bewertung des Tandlers nicht von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise kann ein Wandler niedriger Frequenz und geringerer Qualität (z.B. eine Stimmgabel) eine wesentlich höhere Amplitude aufweisen, obgleich sie einen Ausgang sehr geringer Geschwindigkeit besitzt. Somit ist die Frequenz, mit der diese Verschiebungs-

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amplitude auftritt, wichtig. Bei der Schluliancl^e berücksichtigt die Geschwindigkeit Samplitude des Ausgangsendes beide 'Jr ^S en ( das Produkt). Deshalb wir'd auf die Geschwindigkeitr-nr.plitude des üusgangsendes bezuc. genominen, renn die .-.usgiir.ge verschiedener Wandler verglichen werden - wenn nicht die Betriebsfre.^uenz gleichzeitig mit der Verschiebung.samplitiide festgestellt v/ird.

In bezug auf die ^ewpgungs- oder Seschwindigkeitssm^li⁺ude -^d-^i_-(^-s-SiiiÄÜnus: iuroh iie PeannrruchunF im Material begrenzt. Alle Auslegungen für maximal^ Geschwindigkeit ( r;^vir.ale Verschiebung bei einer gegebenen Frequenz) des ..usgar.gserdes sind stets Auslegungen, die die maximal zulässige re--ns~ruchung für das M:.terial über einen vecentli eben I^il •'es .'.ufbauer: verwenden, die resultierende Perm des Hornes kann jedoch keine sehr hohe Verstärkung ergeben. Die Formen für 1ie höchst« Seschwindigkeitsamplitude sind Gauss'sehe Schwinpricgserzeuger oder Hörner,. da diese d:·.- höchste Verhältnis vor. ,".usgangsgeschwinäigkeitsamrlituäe zu maximaler Beanspruchung aufweisen.

*"ür die Verstärkung eder das implituäenverh-ltnis ist das abgestufte Horn die Form mit der höchsten Ver^trrfomg, obgleich dieae Form nicht für sehr hohe Amplituden verver.det '.verden kann, da die Beanspruchungen bei dieser Fom sehr groß sir.i. ..nders r.usgedr-'ickt, iet das VerhHitnis von Ausgangsgeschv;indigkeitsamplitude zu iraxitialer Beanspruchung für das abgestufte Hern niedrig. .

Die exponentiell verjüngten Teile unn andere sich verjüngende Teile können in praktischer Hinsicht höhere Schwingungsamplitu-äen als die ...b*restuften Teile erreben. Jedoch verrien die

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exponentiell verjüngten und in ähnlicher "veise ausgebildeten Bauteile für £roße Air.plitudenverhöltnisse so dünn ( wie dies bei bplrannten Einrichtungen der Fall ist), daß es über einen wesentlichen '-i-'eil ihrer Gesamtlänge schv-ierig war, sie herzustellen und anzuwenden. Dies kam zu der unerwünschten ^iegeschwingungf· oder -bewegung des dünnen Teiles des Bauteiles hinzu, der kaum vermieden werden kann. Dementsprechend fehlte dem exponentiell ausgebildeten Horn eine ausreichende Steifigkeit bei rroPen Amplitudenverhältnissen, damit es in vollständig einwandfreier TTeise. arbeiten konnte.

weitere Art von Verschiebungsvertrtrrkern ist in der US-Patentschrift 3 175 4o6 be-chriebenj diese Verstärker werden als "Fourier^-Schwing^ngeerzeuger bezeichnet. Wie weiter unten noch ausgeführt wird, sind derartige Schwingungserzeuger in der Lage, sehr hohe Amplituden der Schwingungsbewegung zu erzeugen; gleichzeitig weisen sie einen Steifigkeitsgrad auf, der vollständig für die Anwendun^sfälle der Bauteile genügt.

Eine weitere Art von Verschiebungsverstärkern wird als "Gauss'sehe Schwingungserzeuger bezeichnet, wie sie beispielsweise in der US-Patentschrift 2 948 154 beschrieben sind.

Schließlich können andere Hornausbildungen in konischer Porm oder in Kettenform vorgesehen werden.

Ob-gleich bestimmte bevorzugte Ausführungsformen hergestellt

worden sind, die ungewöhnlich gute Ergebnisse erzielen ,

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ist die Erfindung nicht auf die verwendete bestimmte Hornaus bildung beschränkt. Die Prinzipien des Resonanzhornes ferr-Hß der Erfindung können · uf ^ede der oben angegebenen .-.rton von Horn.-iufbrmten oder anderen Formen les Homes ^n-^v^n

In Fig·. 1 ist eine der vev chiedenen bevorzugten Ausführungsformen nach vorliegender Erfindung: dargestellt, bei der vor. der Grundidee Gebrauch gemacht ist, die Schichtt^chnik nnch langevin (brit. Patent 145 691) mit dem Verfchietungsverstärker zu kombinieren. Im wesentlichen wird dabei ein abgestuftes Resonanzhorn oder eine akustische Bl^rdelungseinrichtung halber '"ellenlange erreicht. Dieses Horn v;ird im Inneren erregt, und zwar nabe meinen Schwingun^knoten. Dies steht im Gegensatz zur außen am oder in der STrlhe des Schwir®ings-"bauches aufgebrachten Erregung, wie dies üblich ist, wenn die Hörner in einem Ultraschallwandlersystem eingesetzt werden.

Insbesondere ist der Wandler ein abgestuftes Horn halber 'Vellenlange, das in zwei Teile 1o und 2p unterteilt worden ist. Die beiden Wandlerelemente 16 und 18, die mechanisch in Serie wirken, sind zwischen die beiden Teile geset.zt. Der untere Teil 2o, der die Stufe 13 enthält, weist eine zentrische Schraube 24 auf, die sich nach oben in den oberen Teil 1o des Wandlers erstreckt· Der Abstandhalter 14 ist in der Mitte bei 32 durchbohrt, damit die Schraube 24 aufgenommen werden kann, ferner ist eine Bchrau-

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benmutter 3o auf das mit Schraubgewinde versehene Teil/der Schraube 24 aufgeschraubt und drückt den Abstandshalter 14 nach unten, der seinerseits einen Druck auf die wirksamen Elemente 16 und 18 ausübt. Die Schraubenmutter 3o weist den gleichen Durchmesser wie der obere. Teil des Abstandshalters 14 auf und stellt

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Ο/τ

eine Fortsetzung Rasselten dar,,

■cane derartige Konstruktion ir.uoht ^etrerrte Elemente ninht irehr erforderlich, c⁵·: !ητ ~^f-*-· rr.t <■> .'.ufb u die '. n^Lri ^"brvo uirochlieiPt und eir. I'crr. ö-r^-tM"¹+ ,

I' ^ Ξ^ν"2 iinun.'-'crroVl crc ίτπ V^-^TM". if^-hen iL'.teri' 1 cclⁿr ^r:H Ίβη Ver— tindunrsr⁴-"¹. ler. "ut"!⁰ tßi di --or ..'.nordnunp d-idurch r^eirst, di" eine ir.echunische Vc"^- ;r.nur..;r Mifrereton vurde. Li ere 7orspnnnunAf -.vlrf i^:l-r,r die r?n⁺riFche Schrnutr ?4 _f .der. .brt irdnhalter 14 und die Snhrnubosmutter 3o als rruoktenncrruohun^· • ufgebracht, die r-rrßer ist als die ^T?<aChselb^rtarBrruchunrsar.^litude in don :iezoelektri:-ohen Slemertcr 16 ur.i 18.

dilr.ne -^nde df-s Körnte >les 12 des Tandl-ar?. '.veiit- einen vesentüich gerinr^ren lurchmerser als das -;ioke Snie auf. In Bezug auf die rezeigte Proportion und geometrische usbildung ist die Schwir.g-ungsamplitude des dünnen indes etwa zehnmal größer als die des dicken Endes. Die beiden piezoelektricchen Elemente 16 und 18 weisen einen Durchmeseer auf, der äquivalent dem oberen Teil 14 und der Schraubenmutter 3o ist. Die elektrirchen Elemente sind elektrisch parallel über eine gemeinsame Elektrode 26 zwischen ihnen geschaltet. Diese Elektrode 26 besitzt eine öffnung in der Mitte und die Schraube 24 greift durch die piezoelektrischen Elemente 16 und 18 'und die ähnlich geformte Elektrode 26. Die Schraube ist gegenüber den piezoelektrischen Elementen 16 und 18 sowie gegenüber der Elektrode 26 durch elektrisches Isoliermaterial19 aus Fiberglas, das mit einem Bindeharz imprägniert ist, oder mit einem ähnlich guten, nachgiebigen, stark dielektrischen Material isoliert. Die Sehraube richtet den Abstandshalter aus

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und die Isolierung darauf ir r.jdi^ler kichtung die piezoelektrischen Elemente und öie 22e>troc!e.

!Die Stufe 1? ic Horn ist etwa 1,25 cm unterhalb des Schwi ngungsknotens angeordnet und die piezoelektrischen Elemente 16 und sind oberhalb dec Schwingun^sknotens vorgesehen. Obgleich diese Ausbildung eine kleine Verringerung in der Verstärkung ergeben lcinn, ειηα die Gtufe und die wirksamen Ileicente irr Abstand voneinander angeordnet, so dal? der Sehvd ngun^sknoten füi die Befestigung von Klemmelementen und Ilaltegliedern und zur Erzielung eines festen Sitzes für die piezoelektrischen Elemente zur Verfügung steht .

letztere sind hierbei als scheibenförmige Gebilde mit einer konzentrischen Öffnun.; vorgesehen.

Bei dieser Auslegung ist die Klemmvorrichtung einstückig und als Bestandteil des akustischen Eesonanzaufbaues des Homes ausgebildet. Diese Klemmanordnung besteht aus einem inneren Zugteil und einem eußeren Druckteil ( oder umgekehrt). !Die dj^namische Beanspruchung ist in der zentrischen Schraube und in dem Teil bestehend aus Abstandshalter und Schraubenmutter gleich und beide sind im oberen Teil des Wandlers angeordnet.

Die Anfangsbeanspruchung an den piezoelektrischen Elementen ( die durch die Klemmvorrichtung auf grund des festziehens der Schraubenmutter 3o aufgebracht wird) ist konstant und vorbestimmbar. Sie kann ohne Erregung gemessen werden, wobei davon ausgegangen wird, daß sie bei Erregung auf dem gleichen

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Eeanspruchun^nwert bleibt.

In Fig. 2 ist eine endere Anordnung dee Reoonunzhornes gemäß der Erfindung dcirgestellt· Diese Anordnung zusammen mit der Anordnung nach Pig. 1 zeigt klar, dai? der gesamte V/ändler einfach ein Resonanzgebilde ist. D.h., das Resonanzelement ist das Horn, das die gesamte Anordnung aufnimmt. Insbesondere ist der wesentliche Unterschied zwischen dem Aufbau nach Pig. 1 und dem nach Flg. 2 darin zu sehen, daß die .außencoite dee oberen Teiles einstückig mit dem unteren Teil ausgebildet ietj in der AuisffJhrungsform nach Fig. 1 hingegen iet die Innenseite des oberen Teiles einstückig mit dem unteren Teil ausgebildet. Die Aunführungsform in Fig. 1 v/eist eine inneres Zugglied und ein Süßeres Druckglied auf, die eintn oberen Teil besitzt. Die Aueffihrungsfonii nach Fig. 2 besitzt ein äußeres Zugglied und ein inneres Druckglied im unteren Teil. Genauer auegedrückt ist bei der Ausführungsform nach Fig. 1 der obere Teil zu Anfang nach abwärts gewendet, während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der obere Teil hohl ausgebildet ißt. In federn Falle jedoch bildet nach dem vollständigen Zusammenbau die gesamte Anordnung der Elemente die Resonanzanordnung. Infolgedessen ist die funktionelle Arbeitsweise bei-der AuefUhrungsformen gleich.

Insbesondere kann der 7andler nach Fig. 2 auch so ausgebildet sein, daß er einen oberen Teil 11o und einen unteren Teil 12o besitzt. Die beiden Wandlerelemente 116 und 118 sind zentrisch in bezug auf die beiden Teile angeordnet. Der untere Teil, der die Stufe 113 aufweist, enthalt auch die au I? ere Hülse 115 des oberen Teiles. 009812/0912 BAD ORIGINAL

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In der Praxis besteht die gesamte Anordnung· zu Beginn aus massivem Material und der obere Teil ( im wesentlichen eine Hälfte) ist ausgebohrt. Die beiden piezoelektrischen Scheiben ( ohne Öffnung) 116 und 118 sind an der Easin 117 ier Bohrung angeordnet. Die Scheiben 116 und 118 sind gegenüber der Innenseite der Hülse 115 durch entsprechendes Isolationsimterial 119 isoliert. Die Elektrode 126 iBt zwischen den Scheiben 116 und 118 angeordnet und wird durch elektrische Energie erregt, die über den "Durchführungsisolator 128 eingerr-eist wird.

Auf der Oberseite der Scheiben 116 und 118 innerhalb der Bohrung des oberen Teiles 115 ist das Druckglied 124_f d.h. der iibstandehalter angeordnet. Schließlich wird in die Bohrung der Schraubstöpsel 13o in Schraubeingriff mit der Innenseite des oberen Teiles der Hülse 115 eingesetzt. Dieser Stöpsel wird zum aufbringen der anfänglichen statischen Beanspruchung verwendet. Die Hülse 115 stellt das Zugelement der resamten _nordnung· dar.

In der graphischen Darstellung nach ?ig. 3 ist eine Kurve dargestellt, bei der in der einen Richtung die akustische Verschiebung und in der anderen Richtung der Abstand von der Wandlerspitze für den in Fig. 1 gezeigten Wandler aufgetragen ist. "Es ist dabei darauf hinzuweisen, daß der Schwingungsknoten, d.h. die Stelle der Eullverschiebung, gerade über den piezoelektrischen Elementen >:uf der abgestuften Seite der Elemente angeordnet ist.

Bei der Auslegung von Schall- oder Ultraschallwandlern oder Übertrjgungsleitungen ist es manchmal notwendig, diese Auslegung

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nach ixesichtBpunkten der Tonfrequenzbelastung zu treffen, wie z.B. eine elektrische knergiegesellschaft die Znerrieerzeu^ungaeinheiten und Ubertragungrdei tungen für maximale KVA-Kapazität auslegen muß.

In den Figuren 5t 5a, 5b, 5c und 5d sind verpchiedene Resoranzausbildunren dargestellt, die die erfindun£rsrenr^;!?e Idee aufweisen. Fig. 5 zeigt einen koni.-chen «ufbau, F'!-'. 5b oinen Bxoonentialaufbau, Fir. 5c °inen Fouri erauftnu, iir.d 71 -. 5d einen 'ibrentuften .-iuftau. In ^edcr dieser r-irste] lun-on ist eine lanrevin-Schichtunr einatücki^ innerhalb des Verechiotun^sverstnrkers vorgesehen.

Bei einer bevorzugten nusfihrun^sform nach Fi ff. 5 c hit ds Fourierhorn den Vorteil niedriger innerer Beans'mchunper. im Yerrleich zu der. abgestuften Horn und einer hohen i'.eifigkeit im Vergleich zu dem Exr>onentiolhorn. So stellt dqp Fourierhorn vierter Crdnung einen guten Konproraiß zv.irchen der Steifigkeit und der inneren Peanspruohun?;, wie sie bei Resonanz erzeugt wird, dar.

Ein weiterer Vorteil dieser /.rt der Formgebung besteht d-rin, daß sie mathematisch einfacher analysiert werden kann ■<*. 1ε ein abgestuftes Horn» G_snz allgemein bewirkt bei der '-.usle£un£ mit abgestuftem Horn der Streifen an der Stufe un3 unterschiedlichen Stellen der Stufe in bezu? ?.uf die Knotenebene Änderungen in der VerstMrkung und Resonanzfrequenz, die mit der erwünschten Senauigkeit schwierig vorauszusagen sind.

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Somit let ejr.e "i^kt«, ^b^ertufte !!ornanordnung notwendig. Ferner .i st <1qs eindimensionale rmthemqtische Kodell, das allgemein te j der ..blei tune für dj e Horn-Differential rl eichunc 'in^enommen wird, nur fine ~robe .".nn^rerunp. Irr Falle einer Stufe nhorrvnordnunf bricht >iHe Annahme einer «infachen Wc?.13 cnvertoi Iu nc tiber den Querschnitt der !Tor η es ⁿ.n der Etufe iec I'c^n^c ab, wenn höhere Vor st ^ rkv. π ^e η in Betracht jencjon v/erden.

^ et d°r Pourierhorn in ideni^r Triae f?*r einen H/lbv,'cllen-*.7..:ndler -5er berehriebenen .-.rt cpeiznet. ?Λ*ι dicken Ende des Pour-ierhnrnea 1st im vcocntilohen rylindriroh, so daß eine Aufteilung des Querschnitten in eine zentrinche "eile und einen Verzentri cohen f-'uPeren Hi nc die wrhrend der "Fr rech nun-' -in genommene Kurv^rrform nicht ^i;ndert.

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Claims (1)

13.6.1967 W/T

Je

Patentansprüche t

1. Elektromechanischer Wandler, gekennzeichnet durch ein Resonanzhorn und eine Vorrichtung, um das Resonunzhorn an einer Stelle geringerer Geschwindigkeit zu beaufschlagen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle zur Beaufschlagung des Hornes in einem Bereich in der Nähe des Schwingungsknotens der Anordnung liegt.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn einen ersten Teil bestimmten Durchmessers und einen zweiten Teil geringeren Durchmessers aufweist.

4· Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn einen ersten Teil mit fest vorgegebenen Durchmesser und einen zweiten Teil mit einem Abschnitt, der einstückig mit dem e-rsten Teil ausgebildet ist und einen abnehmenden Durchmesser aufweist, besitzt.

5. Elektromechanischer Wandler, gekennzeichnet durch ein Resonanzhorn mit einem ersten Teil eines gegebenen Durchmessers und einem zweiten Teil, der einen Abschnitt aufweist, welcher einstückig mit einem Teil des ersten Teiles ausgebildet ist und einen Bereich kleineren Durchmessers besitzt, eine Vibrationsvorrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Teil angeordnet ist, und einer Vorrichtung zur Erregung der Vibrationsvorrichtung.

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6. Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsvorrichtung einstückig innerhalb des ersten Teiles angeordnet ist, und daß eine Kompressionsvorrichtung zur Aufrechterhaltung einer gleichförmigen statischen Beanspruchung der Vibrationsvorrichtung vorgesehen ist.

7* Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichförmige statische Beanspruchung die Aufrechterhaltung einer axialen statischen Beanspruchung umfasst.

8. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Horn eine Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge aufweist und daß die Vibrationsvorrichtung in einem Bereich in der Nähe des Schwingungsknotens angeordnet ist.

9· Wandler nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der obere Teil ein Zugspannungsbauteil, ein piezoelektrisches Element, ein Kompressionsbauteil und eine Vorrichtung aufweist, die dem Kompressionsbauteil einen Druck aufgibt, damit eine gleichförmige statische Beanspruchung auf dem piezoelektrischen Element aufrechterhalten wird, wwl· daß das Zugspannungsbauteil, das Konpressionsbauteil, und die Druckvorrichtung einteilig in bezug aufeinander so angeordnet sind, daß sie mit dem unteren Teil eine einzige Resonanzanordnung darstellen, und daß eine Vorrichtung die -Elemente erregt·

10. Blektroaechanischer landler, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heeonanzhorn einen ersten Teil mit einem durchgehend

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I ι Ufa)

vorgegebenen Durchmesser und einen zweiten Teil mit einem Abschnitt verringerten Durchmessers aufweist, daß der erste Teil einen Zugspannungsabschnitt besitzt, dessen zentrischer Teil nach unten gerichtet ist, ferner ein piezoelektrisches .Element scheibenförmiger Gestalt mit einer zentrisch vorgesehenen öffnung, die zur Aufnahme des nach unten gerichteten Teiles vorgesehen ist, ein konzentrisches Kompressionsbauteil mit einer zentrischen öffnung, das ebenfalls den nach unten gerichteten Teil in der Nähe der Scheiben aufnimmt, eine Druckvorrichtung um den nach unten gerichteten Teil und in Druckeingriff damit, so daß eine gleichförmige axiale statische Beanspruchung auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird, «hhI daß das Zugspannungsbauteil, das piezoelektrische Element, das Kompressionsbauteil und die Druckvorrichtung einteilig miteinander ausgebjjöet sind, so daß sie mit dem unteren Teil eine einzige Eesonanzanordnung bilden, und daß eine Vorrichtung zur Erregung der Elemente vorhanden ist.

11. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element ein Paar von Scheiben aufweist, und daß die Torrichtung zur Erregung der Elemente eine scheibenförmige Elektrode mit einer öffnuqg darstellt, die zur Aufnahme des nach unten gerichteten Teiles vorgesehen ist und zwischen dem Scheibenpaar angeordnet

• ist.

12. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1o, dadurch ge kennzeichnet, daß .«in· Vorrichtung zum elektrischen iso lieren dee piezoelektrischen Siebentes und der Elektrode gegenüber dem nach abwärts gerichteten Teil vorgesehen ist.

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13· Wandler nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß die Hornanordnung eine Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge aufweist, und daß die Vibrationsvorrichtung in einem Bereich in der Nähe des Knotenpunktes vorgesehen ist.

14· Elektromechanisch^ Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß

tu it
eine Resonanzanordnung/einem ersten Teil vorgegebene-n Durehmescers und einem zweiten Teil geringeren Durchmessers und einstückiger Ausbildung mit dem ersten Teil vorgesehen ist, daß der erste Teil eine darin ausgebildete Bohrung, ein piezoelektrisches Element., das innerhalb der Bohrung am unteren Ende in einem Bereich in der Nähe des Schwingungsknotens der Anordnung vorgesehen ist, wobei die äußere Wandung der Bohrung ein Zugspannungsbauteil ausbildet, eine Kompressionsvorrichtung, die innerhalb

der Bohrung angeordnet ist, und eine Druckvorrichtung am entfernten Ende der Bohrung zur Aufrechterhaltung einer gleichförmigen statischen Beanspruchung des piezoelektrischen Elementes aufweist, daß das Zugspannungsbauteil, das piezoelektrische Elemente, das Kompressionsbauteil und die Druckvorrichtung alle einteilig in bezug aufeinander angeordnet sind, so daß sie mit dem unteren Teil eine einzige Resonanzanordnung ausbilden, und daß eine Vorrichtung die Elemente erregt·

15· Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element ein Scheibenpaar aufweist, und daß d-ie Vorrichtung zur Erregung der Elemente eine scheibenförmige Elektrode besitzt, die zwischen dem Scheibenpaar angeordnet ist.

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16. Elektromechanischer Handler nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung das piezoelektrische Element und die Elektrode gegen die anderen Bauteile elektrisch isoliert·

17. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Hornanordnung eine Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge aufweist, und daß das piezoelektrische Element die Vibrationsvorrichtung besitzt und in einem Bereich in der Nähe des Schwingungeknotens angeordnet ist.

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