DE1904417A1

DE1904417A1 - Vorrichtung zur Vergroesserung der in ein Gas abgestrahlten akustischen Leistung und Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung

Info

Publication number: DE1904417A1
Application number: DE19691904417
Authority: DE
Inventors: Sylvain Janssen
Original assignee: Compteurs Schlumberger SA
Current assignee: Compteurs Schlumberger SA
Priority date: 1968-02-27
Filing date: 1969-01-30
Publication date: 1969-09-11
Also published as: GB1225098A; US3584160A

Description

Vorrichtung zur Vergrößerung der in ein Gas abgestrahlten akustischen Leistung und Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vergrößerung der von der schwingenden Oberfläche einer festen Schall- oder Ultraschallquelle, wie eines elektrostriktiven oder magnetostrikt iven Wandlers, in ein Gas abgestrahlten akustischen Leistung sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Vorrichtung.

Akustische Wandler dieser Art strahlen bekanntlich in Gase allgemein mit einem sehr schlechten Wirkungsgrad ab. Tatsächlich

sachlich bleibt die Amplitude an der Trennfläche Peststoff-Gas erhalten, so daß die mit einem Betrieb ohne Zerstörung des Wandlers verträglichen geringen Schwingungsamplituden sich im Gas wiederfinden. Die akustische Leistung, welche proportional zum akustischen Widerstand des Mediums, d.h. zum Produkt der spezifischen Masse und der Schallgeschwindigkeit in diesem Medium ist, ändert sich an der Trennfläche Peststoff-Gas in.einem Verhältnis von ungefähr 1:10 ^J und infolgedessen ist nur ein sehr geringer Bruchteil der Leistung tatsächlich im Gas verwertbar.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, welche eine beträchtliche Vergrößerung der in ein Gas abgestrahlten Leistung und die Erzielung einer Verstärkung der Schwingungsamplitude ermöglicht, die beispielsweise in Luft leicht den Wert 5 annehmen kann, so daß die abgestrahlte Leistung mit 25 multipliziert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer ebenen, von regelmäßig verteilten öffnungen durchsetzten Platte besteht, welche in sehr geringem Abstand von der schwingenden Oberfläche des akustischen Wandlers angeordnet ist.

Damit diese Vorrichtung richtig arbeitet, muß sie in einem Abstand von etwa 0,1 mm von der schwingenden Oberfläche mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von hundertstel Millimeter gehalten werden. Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Aufrechterhaltung dieser genauen Einstellung trotz der Schwingungen und der eventuellen relativen Verschiebungen des Wandlers, welche die Verwendung einer starren Verbindung zwischen diesem Element und der perforierten Platte verbieten.

Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher

erläutert 309S37/Ö962

erläutert. Es zeigen

Figuren 1 und 2 eine Schrägansicht bzw. einen Schnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Figur 3 eine in ihrem Halterahmen befestigte Platte und Figur ¹J die vollständige Vorrichtung in Arbeitsstellung.

In den Figuren 1 und 2 ist ein akustischer Wandler 10 dargestellt, wie er beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 429 386 beschrieben ist und welcher aus einer geschichteten Anordnung von magnetostriktivem Material und Glas besteht. Er ist mit einer Erregerwicklung 11 versehen und gibt an seiner Strahlungsfläche 12 elastische Wellen mit einer Ultraschallfrequenz in der Größenordnung von einigen zehn kHz ab. Eine ebene Platte 13 aus beliebigem metallischem oder nichtmetallischem Material ist von beispielsweise kreisförmigen Öffnungen Ik durchsetzt, welche regelmäßig verteilt sind. Die Platte 13 wird in einem sehr geringen Abstand D von der Strahlungsfläche 12_s in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 mm, und parallel zu dieser durch Einrichtungen und gemäß einem Verfahren gehalten, welche nachfolgend erläutert werden.

Während der Schwingungsbewegung,der Fläche 12 des Wandlers wird das zwischen dieser Fläche und den durch eine Öffnung verlängerten Bereichen der Platte 13 befindliche Gas abwechselnd zusammengedrückt und ausgedehnt, wobei die Viskosität des Gases zur Bildung einer Reihe von winzigen Druckkammern 15 führt, welche in Figur 2 gestrichelt sind. Ein Teil des Gases kann Jedoch durch die Öffnungen 14 ausströmen und es stellt sich in diesen eine abwechselnde Gasbewegung

ein

909837/0962

ein. Infolge dieses abwechselnden Ausströmens strahlen die öffnungen 14 alle in Phase mit einer maximalen Schallgeschwindigkeit nach außen, wie durch die Pfeile angedeutet.

Um eine maximale Wirkung zu erzielen, ist es zweckmäßig, einen Kompromiß zwischen der so durch die öffnungen 14 gebildeten Strahlungsfläche und dem Entweichen des Gases durch dieselben zu schließen, welches zur Verringerung des Kompressionsgrades in den Kammern 15 führt. Man muß außerdem einen mittleren, jedoch festen Abstand D zwischen der Strahlungsfläche 12 und der Platte 13 wählen. Beispielsweise hat sich herausgestellt, daß für Frequenzen zwischen 18 kHz und 25 kHz und mit einem magnetostriktiven Schwinger man mit einer in die Umgebungsluft abstrahlenden Strahlungsfläche von (60 χ 50) mm das beste Ergebnis mit einer Platte erhält, welche Löcher mit einem Durchmesser von 4 mm in regelmäßigen Abständen von 8 mm enthält, wobei die Dicke der Platte 1,5 mm beträgt. Der Abstand D soll dabei 0,1 mm betragen. Bei dieser Anordnung läßt sich feststellen, daß die von der aus Wandler und Platte bestehenden Anordnung abgestrahlte akustische Leistung zwanzigmal höher war als die von der Fläche des Wandlers allein unter den gleichen elektrischen Speisungsbedingungen des Wandlers abgestrahlte Leistung.

Es ist dabei unerläßlich, eine genau parallele Anordnung zwischen der Strahlungsfläche des Wandlers und der ebenen Platte zu gewährleisten. Außerdem muß der Abstand D auf einige hundertstel Millimeter fest sein, da sonst die Schwingungsamplitude des von der Anordnung der öffnungen abgestrahlten Bündels rasch abfällt.

Die öffnungen müssen jedoch nicht notwendigerweise kreisförmig sein und können durch parallele Schlitze entsprechend

denjenigen

909837/0962

denjenigen eines Netzes ersetzt werden, vorausgesetzt, daß das Verhältnis R der verbleibenden Fläche der Platte zur Fläche der öffnungen allein erhalten bleibt. Es hat sich dabei herausgestellt, daß das Verhältnis R vorzugsweise zwischen 3 und 5 liegen soll, damit eine maximale Verstärkungswirkung erzielt wird.

Nunmehr werden die Einrichtungen und das Verfahren beschrieben, welche die genaue Konstanthaltung des Abstandes D zwischen Platte und Wandler trotz der Schwingungen desselben ermöglichen. Tatsächlich stehen zwei Gründe der einfachen Lösung einer starren Befestigung der Platte bezüglich des Wandlers entgegen. Einerseits ist es bei Verwendung von magnetostriktiven Wandlern mit hohem elektromechanischen Wirkungsgrad, wie sie etwa in der genannten französischen Patentschrift beschrieben sind, nicht möglich, irgendeinen festen Körper durch etarre Befestigungemittel an dem magnetostriktiven Schwinger selbst starr zu befestigen, ohne den Wirkungsgrad des letzteren zu verringern. Man erzeugt dabei alle Arten von Störschwingungen und gleichzeitig inneren und äußeren Reibungen und der Überspannungskoeffizient bei der Resonanz des magnetostriktiven Schwingers vermindert sich beträchtlich. Außerdem können sich die Befestigungsstellen der Befestigungsmittel stark erhitzen.

Andererseits lösen die von den festen Körpern übertragenen intensiven Schwingungen schnell die Befestigungs- und Anordnungselemente (Bolzen und Muttern oder Verschweißungen), so daß es praktisch nicht möglich 1st, die Platte gegenüber einem Wandler bis auf einige hundertstel Millimeter starr anzuordnen, wie es erwünscht ist. Man kann höchstens den magnetostriktiven Schwinger durch den Draht seiner Erregerwicklung leicht halten und anziehen, ohne seine Arbeitsweise

zu

§09037/0962

zu stören, aber diese Befestigung ist weit von einer starren Befestigung entfernt und völlig unzureichend, um die gewünschte, genau parallele Anordnung der Elemente zu gewährleisten.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung verwendet man zur Verwirklichung dieser Anordnung das die Erscheinungen der Erhöhung des. Strahlungsdrucks ausnützende Verfahren, welches in der französischen Patentschrift 1 388 739 beschrieben ist. Bekanntlich werden durch Ansammlung von Ultraschallenergie zwischen einer Strahlungsfläche und einem in geringem Abstand (ungefähr 0,1 mm und viel kleiner als die Wellenlänge der Ultraschallschwingungen) angeordneten Reflektor starke Rückstoßkräfte zwischen denselben erzeugt werden, welche insbesondere den Auftrieb eines Körpers gewährleisten, welcher eine bestimmte, gegenüber derjenigen des Strahlers angeordnete Oberfläche aufweist. Diese Rückstoßkraft sinkt sehr schnell in Abhängigkeit vom Abstand D gemäß einer Punktion von l/D .

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Platte 13s welche man parallel zur Strahlungsfläche 12 des magnetostriktiven Schwingers 10 anzuordnen wünscht, in ihrer Ebene, beispielsweise der vertikalen Ebene OYZ, in einem vertikalen Rahmen 16 mittels Schraubenfedern 17 aufgehängt, wie in Figur 3 gezeigt. Die Federn 17 weisen um die Gleichgewichtslage der Platte 13 nur eine geringe Steifheit in der horizontalen Richtung OX in bezug auf die von der Rückstoßkraft mit l/D² gelieferte Steifheit.

Um die Platte 13 gegenüber der Strahlungsfläche 12 unter gleichzeitiger Einhaltung einer genau parallelen Anordnung und eines konstanten Abstandes D anzuordnen, genügt es,

den

909837/0962

den magnetostriktlven Schwinger 10 in Betriebszustand der im Rahmen 16 festgehaltenen Platte 13 zu nähern und die Anordnung in der Richtung OX zurückzustoßen. Aus Figur H ist ersichtlich, daß die Platte dabei genau parallel zur Fläche 12 des magnetostriktiven Schwingers gehalten wird, wobei die auf dem erhöhten akustischen Strahlungsdruck beruhenden Rückstoßkräfte eine resultierende Kraft F^ erzeugen, welche der von. den Federn 17 erzeugten Rückholkraft F entgegengerichtet ist.

Der Abstand D zwischen der Platte 13 und der Fläche 12 ändert sich dabei sehr gering mit der Abszisse A der Platte b_ezüglich der Ebene des Rahmens l6, welcher festgehalten wird, und man erhält leicht die optimale Lage der Platte gegenüber der Fläche 12, welche sodann die maximale akustische Energieabstrahlung durch die öffnungen 14 erzeugt.

Die Rechnung beweist, was durch die Erfahrung nachgeprüft wurde, daß der Einfluß des Parameters A auf die Änderung des Abstandes D sehr gering ist:

Wenn k und K konstante Koeffizienten sind, erhält man

F = kA und F₁ =

K k und durch Gleichsetzung kA = ^ , wobei £ klein ist.

Jeder gesuchten Idealstellung, welche eine maximale akustische Abstrahlung durch die öffnungen der Platte gewährleistet, entspricht ein solcher Abstand A = —5 , daß

Durch Differenzierung folgt daraus: dD = - -^r- dA.

Man

909837/0962

Man sieht, daß eine ungewollte Änderung dA nur eine sehr geringe Änderung dD von D mit sich bringt und daß sich die von der aus Wandler und Platte bestehenden Anordnung abgestrahlte Schallintensität nicht wesentlich ändert.

Da die Kraft P₁ außerdem gegenüber den auf die Platte wirkenden Schwerekräften groß ist, kann die Anordnung in eine beliebige vertikale oder nichtvertikale Lage gebracht werden, ohne daß die gegenseitige geometrische Anordnung der beiden Elemente selbst verändert wird.

Patentansprüche

909837/0962

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erhöhung der von einer schwingenden Oberfläche einer festen Schall- oder Ultraschallquelle, wie eines elektrostriktiven oder magnetostriktiven Wandlers, in ein Gas abgestrahlten akustischen Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer ebenen, von regelmäßig verteilten öffnungen durchsetzten Platte besteht, welche in sehr geringem Abstand parallel zur schwingenden Oberfläche angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Fläche der schwingenden Oberfläche, vermindert um diejenige der öffnungen, und der Fläche der öffnungen zwischen 3 und 5 liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen Platte und schwingender Oberfläche in der Größenordnung von 0,1 mm liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte in ihrer Ebene in einem Hilfsrahmen mittels Federn aufgehängt ist, welche nur eine geringe Steifheit in Richtung senkrecht zu dieser Ebene um die Gleichgewichtslage besitzen.

5. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung mach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die schwingende Oberfläche der Schall- oder ültra-

schallquelle 909837/0962

schallquelle während des Betriebs der in ihrem Rahmen aufgehängten Platte genähert wird und daß die Erscheinungen der Verstärkung des Strahlungsdrucks zum Zurückstoßen dieser Platte in Richtung senkrecht zu ihrer Ebene ausgenützt werden, bis automatisch die Gleichgewichtslage erreicht ist.

909837/0962