DE2014823A1 - Electric bells - Google Patents
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Description
V & E FRIEDLAND LIMITED Houldsworth Street, Reddish, Stockport, Cheshire, EnglandV&E FRIEDLAND LIMITED Houldsworth Street, Reddish, Stockport, Cheshire, England
Elektrische flockenElectric flakes
Die vorliegende Erfindung "bezieht sich auf elektrische Glocken mit einem Glockenkörper und einem elektrisch betätigten Stößel.The present invention "relates to electrical Bells with a bell body and an electrically operated plunger.
Bislang war es üblich, die Glookenkörper aus gepreßten Metallblechen zu.bilden, obwohl auch bereits manchmal Metallgießverfahren verwendet wurden. Gelegentlich . . wurden auch andere Materialien, wie beispielsweise Glas Caef Holz zur Herstellung der Glockenkörper verwendet. Obwohl gegossene Glockenkörper nicht immer eine Up until now it was customary for the Glookenk body to be pressed out To.form metal sheets, although sometimes already Metal casting processes were used. Occasionally . . were also other materials, such as Glass caef wood used to make the bell body. Although cast bell bodies are not always one
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vollständig gleichmäßige Dicke aufweisen, sind die Dickenvariationen bisher zufälliger Art gewesen.have completely uniform thickness, are the Variations in thickness have hitherto been of a random nature.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Tonqualität elektrischer Glocken gerichtet. Dabei hat es sich herausgestellt, daß es bei Variation der Di;ke des Glockenkörpers von Ort zu Ort nicht nur möglich ist, einen lauteren Glockenton als bei einer Glocke mit gleichförmiger Dicke und gleichem Durchmesser zu erhalten, wenn man die gleiche Anschlagskraft ausübt, sondern daß dadurch auch die subjektive W Qualität des Tons vergrößert werden kann. Es ist dabei möglich, die Dicke des Glockenkörpers so zu variieren, daß eine Bevorzugung oder Verstärkung von Harmonischen auftritt, was entweder einen angenehmeren wärmeren oder einen schneidenderen Ton liefert, je nach den jeweiligen Erfordernissen.The present invention is directed to improving the sound quality of electric bells. It has been found that if the diameter of the bell body varies from place to place, it is not only possible to get a louder bell tone than with a bell of uniform thickness and the same diameter if the same impact force is exerted, but that as a result, the subjective W quality of the sound can also be increased. It is possible to vary the thickness of the bell body so that a preference or amplification of harmonics occurs, which either provides a more pleasant warmer or a more cutting tone, depending on the respective requirements.
Obgleich die vorliegende Erfindung eine gewisse Analogie zur Herstellungstechnik von Kirchenglocken aufweist, ist im allgemeinen die Geometrie und die Anordnung einer elektrischen Glocke sehr stark von einer Kirchenglocke unterschieden, so daß in der Praxis keinerlei Analogie zwischen den Maßnahmen zur Verbesserung der Tonqualität einer Kirchenglocke und den Maßnahmen zur Verbesserung der Qualität einer elektrischen Glocke durch Variation der Dicke des Glockenkörpers besteht. Dies sei im folgenden näher erläutert.Although the present invention has a certain analogy to the manufacturing technique of church bells, In general, the geometry and placement of an electric bell is very different from a church bell differed, so that in practice no analogy whatsoever between the measures to improve the Sound quality of a church bell and the measures to improve the quality of an electric bell by varying the thickness of the bell body. This is explained in more detail below.
Eine typische Kirchenglocke hat eine Höhe von etwa drei Vierteln dee Munddurchmessers der Glocke und einen Schulterdurchmesser, der etwa der Hälfte des Munddurchmessers entspricht. Die Höhe eines typischen Glocken-A typical church bell is about three quarters the diameter of the mouth of the bell and one in height Shoulder diameter, which is about half the diameter of the mouth. The height of a typical bell
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körner.? für eine elektrische Glocke ist weniger als die Hälfte aes Munddurehmessers und liegt vorzugsweise zwischen einem Fünftel und einem Drittel des~ Munddurchmessers. Auch liegt der Schulterdurchmesser äeG Glockenkörpers einer elektrischen Glocke normalerweise wesentlich oberhalb des oben angegebenen Wertes von SO io des Munddurchmessers. Es leuchtet daher sofort ein, daß im allgemeinen ganz andere Betrachtungen angestellt, werden müssen, um die Art der Dickenvariation des Glockenkörpers im einen oder anderen Fall festzulegen. grains.? for an electric bell is less than half the diameter of the mouth diameter and is preferably between a fifth and a third of the diameter of the mouth. Also, the shoulder diameter aEEG bell body is normally an electric bell significantly larger than the above value of SO io of the mouth diameter. It is therefore immediately obvious that in general completely different considerations must be made in order to determine the type of thickness variation of the bell body in one case or another.
Darüber hinaus ist es, wie weiter unten noch näher erläutert werden soll, ira Falle elektrischer Glocken weit eher möglich, den Glockenkörper als idealisierte Struktur zu betrachten, die mit den bekannten Methoden der Analysis genauer auf die möglichen Vibrationsmode]! analysiert werden kann. Diese analytische Methode kann zur Bestimmung der Eigenfrequenz und Vibrationsmodenform in einer Struktur benutzt werden, in dem man den Effekt einer Dickenvariation in vorbestimmten Bereichen des Glockenkörpers auf die Vibrationsmoden auswertet, so daß eine bestimmte Dickenvariation des Glockenkörpers entsprechend den gewünschten Schwingungsformen ausgewählt werden kann. In addition, it is more detailed as below should be explained, in the case of electric bells, the bell body is far more possible than idealized To consider structure, which with the known methods of analysis more precisely to the possible vibration mode]! can be analyzed. This analytical method can be used to determine the natural frequency and vibration mode shape can be used in a structure in which one can see the effect of a thickness variation in predetermined areas of the bell body to the vibration modes evaluates so that a certain thickness variation of the bell body can be selected according to the desired waveforms.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält daher eine elektrische Glocke einen elektrisch Letätigbaren G+ö5el uni. 3inen G-lcckenkörper, dessen Dicke in vorbestimmter Weise \ron Ort zu Ort entsprechend den gewünschten Toncharakteristiken der Glocke wechselt. Im allgemeinen soll die Dicke ausgewählter Bereiche des Gloekenkörpers vorzugsweise entsprechend einem gewünschten Vibrationsmodus der ResonanzfrequenzAccording to the present invention, therefore, an electric bell includes an electrically operable G + ole uni. 3inen G-lcckenkörper, whose thickness changes in a predetermined manner r \ on place to place according to the desired tone characteristics of the bell. In general, the thickness of selected areas of the glove body should preferably correspond to a desired mode of vibration of the resonance frequency
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f festgelegt werden, wobei m die Anzahl der Umfangswellen und η die Anzahl der Knotenkreise ist. Diese Begriffe werden«weiter unten noch näher beschrieben.f, where m is the number of circumferential waves and η is the number of nodal circles. These terms are described in more detail below.
Besondere Typen der Variation der Dicke des Glockenkörpers sind insofern vorteilhaft, als die Variation von der idealisierten und daher einfacher zu analysierenden Struktur leichter durchführbar ist. In einer bevorzugten Form der Erfindung enthält der Glockenkörper im wesentlichen eine BasiB und einen diese Basis k umgebenden Mantel, wobei die Dicke der Basis und die Dicke des Mantels entsprechend den gewünschten Vibrationsmoden des Glockenkörpers gewählt sind. Particular types of variation in the thickness of the bell body are advantageous in that the variation from the idealized and therefore easier to analyze structure is easier to implement. In a preferred In the form of the invention, the bell body essentially contains a base and a base k surrounding jacket, the thickness of the base and the thickness of the jacket being selected according to the desired vibration modes of the bell body.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Glockenkörper eine im wesentlichen flache Basis, die durch eine Schulter mit einem sie umgebenden Hantel verbunden ist, wobei der Glockenkürper in einem .dereich der den Glockenmund bildenden Mantelkante dünner ist als an der Schulter. Die Dicke der Basis des Glockenkörpers kann in Richtung auf die Schulter zunehmen. Der Stößel ist bei einer derartigen Anordnung vorzugsweise so angeordnet, daß er P im Bereich des dünneren Abschnittes an die Wandung anschlägt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Dicke des Glockenkörpers in Umfangsrichtung variieren, wobei diese Variation zyklisch sein kann. Eine Möglichkeit , eine derartige Aueführungsfonn zu schaffen, lj^gt darin, den Glockenkörper so auszugestalten, daß ein Schnitt durch den Glockenkörper außen kreisförmig ist, innen jedoch die jorm eines regelmäßigen Vierecks aufweist.According to a particular embodiment of the invention, the bell body contains a substantially flat base connected by a shoulder to a surrounding dumbbell, the bell body is thinner in a region of the edge of the jacket forming the bell mouth than on the shoulder. The thickness of the The base of the bell body can increase in the direction of the shoulder. The plunger is such Arrangement preferably arranged so that it P in the area of the thinner section on the wall strikes. According to a further embodiment of the present invention, the thickness of the bell body vary in the circumferential direction, this variation can be cyclical. One possibility of creating such a design is the bell body design so that a section through the bell body is circular on the outside, but inside the jorm of a regular quadrilateral.
Anhand der in den Figuren der Zeichnung schematischUsing the schematic in the figures of the drawing
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"5" 2OU823" 5 " 2OU823
dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. Dabei zeigt:illustrated embodiments is intended to the invention are explained in more detail below with further features. It shows:
Figur 1 einen Schnitt durch eine elektrische Glocke,Figure 1 is a section through an electric bell,
Figur 2 ein Diagramm zur Illustration der Wirkung von Umfangswellen auf einen Glockenkörper oder
Glockenhaube,FIG. 2 shows a diagram to illustrate the effect of circumferential waves on a bell body or
Bell dome,
Figuren 3 und 4 die Auswirkung und Bedeutung von Knotenkreisen in einem vibrierenden Glockenkörper, Figures 3 and 4 show the effect and meaning of nodal circles in a vibrating bell body,
Figur 5 zwei Formen eines Glockenkörpers , wobei die
eine Form optimiert ist» während die andere
aus Gründen der Analysis ausgewählt ist,FIG. 5 shows two forms of a bell body, one form being optimized while the other
is selected for reasons of analysis,
Figur 6 die Variation der fundamentalen Eigenfrequenzen des analysierten Glockenkörpers nach Figur 5 mit der Anzahl der umfangswellen,Figure 6 shows the variation of the fundamental natural frequencies of the analyzed bell body according to Figure 5 with the number of circumferential shafts,
Figur 7 die Beziehung zwischen den Dicken der BasisFigure 7 shows the relationship between the thicknesses of the base
und des Mantels des.analysierten Glockenkörpers in Figur 5»and the jacket of the analyzed bell body in Figure 5 »
Figur 8 den Effekt der Plattendicke auf die Eigenfrequenzen des Glockenkörpers in Figur 5 undFigure 8 shows the effect of plate thickness on natural frequencies of the bell body in Figure 5 and
Figur 9 einen im wesentlichen parallel zum Basisteil liegenden Schnitt durch einen Glockenkörper, dessen Dicke in TJmfangsrijshtung variiert.FIG. 9 is essentially parallel to the base part lying section through a bell body, the thickness of which varies in the circumferential direction.
ι
In Figur 1 ist die typische Konstruktion einer elektrischen
Glocke dargestellt· Eine derartige Glocke besteht aus
einem im wesentlichen kreisförmigen Glockenkörper 10 in Form xner abgeflachten Haube mit einer Basis 11.
Der Mund 13 der Haube ist am äußeren Ende eines
Randes 14 eines sich nach außen verjüngenden Mantels 15 gebildet, der seinerseits durch eine Schulter 12 mit
der Basis 11 verbunden ist«.ι
In Figure 1 the typical construction of an electric bell is shown. Such a bell consists of a substantially circular bell body 10 in the form of a flattened hood with a base 11. The mouth 13 of the hood is at the outer end of a
Edge 14 of an outwardly tapering jacket 15 is formed, which in turn is connected to the base 11 by a shoulder 12 «.
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Die Basis 11 ist im Mittelpunkt mit Hilfe einer Schraube 16 am Gehäuse eines elektrisch betätigbaren Stp*"»*telmechanismusses 17 befestigt, welcher einen Stößel 18 •bewegt, so daß er gegen den Rand 14 ansohlägt.The base 11 is in the center with the aid of a screw 16 on the housing of an electrically operated stop mechanism 17 attached, which moves a plunger 18 • so that it rests against the edge 14.
Wild der Glockenkörper im Bereich seines Mundes angeschlagen, so beginnt er in einem komplexen, Knoten und Bäuche enthaltenden Modus zu schwingen. Im allgemeinen werden zwei Systeme von Knotenlinien beobachtet. Zum einen ein System von Meridianen, die an verfc . schiedenen Azimutlagen an der Glocke auf- und ablaufen und zum anderen ein System von Kreisen, die bei verschiedenen Durchmessern liegen. Die erateren werden Knotenmeridiane, die letzteren Knotenkreise genannt·The bell body struck wildly in the area of his mouth, so it begins to vibrate in a complex mode of knots and bellies. In general two systems of knot lines are observed. On the one hand, a system of meridians, which are connected to . different azimuth positions on the bell and on the other hand a system of circles, which at different diameters. The earlier ones are called knot meridians, the latter knot circles
In Figur 2 ist ein den Hand des Mantels eines Glockenkörper β darstellender Kreis 1 eingezeichnet· Wird der Rand im Punkt H angeschlagen, so vibriert dieser Punkt zwischen den Punkten H1 und H2 nach innen und nach außen. Es entstehen vier Knotenpunkte A, B, C und D und vier zwischen diesen liegende Punkte größter Schwingungsweite, von denen einer der Punkt H ist, während die anderen zwischen den Punkten E1 und £2, bzw. I1I und 72, " htm, ß1 und G2 nach innen und außen vibrieren können. Man erkennt, daß die Verschiebung des Randes aus der Ruhelage sinusförmig längs des Randes verläuft, so daß man einen Zyklus der nach innen oder außen gerichteten Ablenkung im allgemeinen als Umfangewelle bezeichnet. Die figur 2 zeigt einen Vibrationsmodus der zwei derartige Wellen enthält·In FIG. 2 a circle 1 representing the hand of the mantle of a bell body β is drawn · If the edge is struck at point H, this point vibrates inwards and outwards between points H1 and H2. There are four nodes A, B, C and D and four points of the greatest oscillation amplitude lying between these, one of which is point H, while the others are between points E1 and £ 2, or I 1 I and 72, " htm, It can be seen that the displacement of the edge from the rest position runs sinusoidally along the edge, so that one cycle of the inward or outward deflection is generally referred to as a circumferential wave Vibration mode that contains two such waves
leder Vibrationsmodus enthält eine bestimmte Anzahl vcnleather vibration mode contains a certain number of vcn
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Knotenkreisen. Die Figuren 2 und 4 zeigen idealisierte Halbschnitte eines Glockenkörpers, bestehend aus einer flachen Basis 2 und einem Mantel 3. Stark vergrößert sind die Vibrationen kleiner Bereiche des GlOckenkorpers in diesen figuren in ausgezogenen Linien eingezeichnet, wobei die Position des Mantels und der Easis bei der Vibration durch die Bezugszeichen 2a und 3a angedeutet ist« In Figur 3 liegt ein Knoten der Vibration in Punkt 4. Bei Betrachtung aufeinanderfolgender Elemente des Glockenkörpers liegt der Ort des Knotens auf einem Kreis, dessen Mittelpunkt in der Glockenköiperachse liegt. Aus diesem Grund wird er als Knotenkreis bezeichnet. In i'igur 4 sind zwei Knoten 5 und 6 zu erkennen, die zwei verschiedenen ilnotenkreisen mit verschiedenem Durchmesser.· angehören.Node circles. Figures 2 and 4 show idealized Half-sections of a bell body, consisting of a flat base 2 and a mantle 3. Greatly enlarged are the vibrations of small areas of the bell body in these figures are drawn in solid lines, with the position of the mantle and the ease of vibration by reference numeral 2a and 3a is indicated. In FIG. 3 there is a knot the vibration in point 4. When looking at successive elements of the bell body, the location is of the node on a circle, the center of which lies in the Glockenköiper axis. For this reason it is called the knot circle. In i'igur 4, two nodes 5 and 6 can be seen, the two different ones Note circles with different diameters.
Aus dem vorstehend beschriebenen ergibt sich, daß ,leder Vibrationsmodüs durch eine Resonanzfrequenz f_ beschrieben werden kann, wobei f die Vibrationsfrequenz, m die Anzahl der ümfangswellen und η die Ansah! der Knotenkreise ist.From what has been described above it follows that , leather vibration modes by a resonance frequency f_ can be described, where f is the vibration frequency, m is the number of circumferential waves and η the look! the node circle is.
Eine vollständige Analysis der Vibration von Rotations*- hüllen ist bisher nur für einige wenige sehr stark idealisierte Gebilde möglich gewesen, wie "beispielsweise unetidlich lange Zylinder. Näherungslösungen für relativ einfache Gebilde wie beispielsweise Zylinder endlicher Länge sind durch Anwendung der sogenannten Rayleigh-Rits - Methode möglich. Selbst eine derartige NäherungsliJsung erfordert jedoch gewöhnlich einen Digitalrechner, um eine Determinantenfrequenzgleichung zu lösen. Diese Methoden sind bisher noch, nicht auf relativ komplizierte Geometrien angewendet worden, wie beispielsweise Kegelstümpfe oder nichtseherische Gebilde. .A complete analysis of the vibration of rotational * hüllen is so far only very strong for a few idealized structures have been possible, such as "for example, indefinitely long cylinders. Approximate solutions for relatively simple structures such as cylinders of finite length are made possible by using the so-called Rayleigh-Rits method possible. Even such a one However, approximate solution usually requires a digital computer to compute a determinant frequency equation to solve. These methods are still, has not been applied to relatively complex geometries, such as truncated cones or nonsensical Structure. .
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In den letzten Jahren ist nun ein sehr wirksames Verfahren für die statische und dynamische Analyse von Strukturen entwickelt worden, welches als "finite element" Verfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren erfordert die Aufteilung der Struktur in eine Anzahl von kleinen Elementen, deren Steifheit und Massenmatritzen in lokalen Koordinaten bestimmt werden können· Aus diesen LIatritzen können die Steifheitsund Massenmatritzen der gesammten Struktur bestimmt werden. Die natürlichen Frequenzen und die Modenformen können durch Lösung eines geeigneten EigenwertproblemsIn recent years there is now a very effective method for the static and dynamic analysis of Structures have been developed, which are called "finite element "procedure. This procedure requires dividing the structure into a number of small elements, their stiffness and mass matrices can be determined in local coordinates · The stiffness and Mass matrices of the entire structure determined will. The natural frequencies and the mode shapes can be determined by solving a suitable eigenvalue problem
ermittelt werden.be determined.
Demzufolge ist es theoretisch möglich, die Vibrationscharakteristik eines Glockenkörpers durch dieses Verfahren zu ermitteln und ein Cbmputerprogramm aufzustellen, um die Frequenzen, Modenformen und ümfangswellen eines in bestimmter Weise geformten Glockenkörpers zu berechnen. Ein derartiges Programm kann dann in solcher Weise erweitert werden, indem man ein selbstoptimierendes Programm einführt, welches bei vorgegebener Frequenz und Vibrationsmodus das optimale Profil ermittelt, welches die Schwingungsamplitude im vorgegebenen Modus bei der vorgegebenen Frequenz und damit auch den Tonausgang maximiert. Des weiteren ist es möglich, dafl Verhältnis zwischen einer Reihe von Frequenzen so zu spezifizieren, daß ein angenehm warmer oder ein schneidender Ton entsteht.As a result, it is theoretically possible to reduce the vibration characteristic of a bell body through it To determine the method and to set up a computer program to measure the frequencies, mode shapes and circumferential waves to calculate a bell body shaped in a certain way. Such a program can then be expanded in such a way by introducing a self-optimizing program, which for a given frequency and vibration mode, the optimum profile is determined, which determines the vibration amplitude in the specified mode at the specified frequency and thus also the sound output is maximized. It is also possible to specify the relationship between a number of frequencies so that that a pleasantly warm or a cutting tone is created.
Obwohl derartige Programme für den Gestalter von elektrischen Glocken wichtig sind, sind sie an dieser Stelle nur deshalb erwähnt worden, um die theoretische Basis der vorliegenden Erfindung zu demonstrieren. Die vorliegende Erfindung betrifft dieAlthough such programs are for the creator of electric bells are important, they have only been mentioned here for the sake of the to demonstrate the theoretical basis of the present invention. The present invention relates to
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£y.fi:'i Cv-ii - q - £ y.fi: 'i Cv-ii - q -
praktische Anwendung der Erkenntnis, daß eine selektive Dickenvariation des Glockenkörpers zur Verbesserung der Schwingungscharakteristik verwendet werden kann. Biese. Programme sind darüber hinaus im allgemeinen außerordentlich komplex,· so daß es vom Standpunkt des Designers aus üblich ist , eine idealisierte form, wie beispielsweise einen Kogelstumpf für den. Glockenkörper anzunehmen, die V^brationscharakteristiken eines derartigen idealisierten Glockenkörpers bei einer Dickenänderung von ausgewählten Teilen des Körpers zu berechnen und dann diese Dicken entsprechend den gewünschten Frequenz- und Tonqualitäten des Glockenkörpers, auszuwählen·practical application of the knowledge that a selective thickness variation of the bell body for improvement the vibration characteristic can be used. Tuck. Programs are beyond that in general extraordinarily complex, so that it is from the point of view the designer's common practice is an idealized shape, such as a truncated cone for the. Bell bodies adopt the v ^ bration characteristics of such an idealized bell body with a change in thickness of selected parts of the Body and then calculate these thicknesses according to the desired frequency and tone qualities of the bell body, to select
Eine Form des haubenförmigen Glockenkörpers ist in Figur 5 dargestellt· Der Glockenkörper 51 weist dabei einen Mantel 52 und ein Basisteil 53 auf. Die Basis hat eine Dicke t , der Mantel hat eine Anfangsdicke Z und nimmt zum Mund hin allmählich auf die Dicke ^: ab, wobei der innere Verjüngungswinkel CL und der äußere Konuswinkel/3 ist. Die Höhe des Mantels ist W, die länge des Randes y und der Radius desOne form of the hood-shaped bell body is shown in FIG. 5. The bell body 51 has a jacket 52 and a base part 53. The base has a thickness t, the jacket has an initial thickness Z and gradually decreases towards the mouth to the thickness ^: where the inner taper angle is CL and the outer cone angle is / 3. The height of the mantle is W, the length of the edge y and the radius of the
Glockenkörpermundes R0 Die Dicken t_ und t werdenBell body mouth R 0 The thicknesses t_ and t become
ρ sρ s
als variable Parameter ausgewählt* während die anderen Dimensionen fest sind. In Zentimetern betragen die Maße bei einem Ausführungsbeispiel W=3,05, R=7,6, Z=10,2, y=>Or51, CL= 60° und/3 =* 10°.selected as variable parameters * while the other dimensions are fixed. In centimeters, the dimensions in one embodiment are W = 3.05, R = 7.6, Z = 10.2, y => O r 51, CL = 60 ° and / 3 = * 10 °.
Die eben beschriebene Form eines Glockeiikörpers ist eine optimierte Form, bei welcher die Dicke des Mantels nicht konstant ist. Die Tabelle 1 zeigt die Resultate bei einer Veränderung von t und t . In Figur 5 ist darüberhinaus eine Form für die Analysis eingezeichnet, bei welcher der Mantel eine konstante Dicke t hat,s was durch die»Linien 54 angedeutet ist. Die Ergebnisse der Analysis dieser letzteren Glookenkörperform sind in Tabellen 2Λ bis 2D.dargestellt,The shape of a bell body just described is an optimized shape in which the thickness of the jacket is not constant. Table 1 shows the results with a change in t and t. In Figure 5, moreover, a shape is drawn for the analysis, at which the shell has a constant thickness t, s which is indicated by the "lines 54th The results of the analysis of this latter glass body shape are shown in Tables 2Λ to 2D,
109809/1240 bad109809/1240 bad
f2f1di> I.
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Ot * 0.1
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Tabelle 2ATable 2A
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Φ H r-i Φ H ri m x» ce m x »ce
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NsO, Ts1
Np3,Ns214717
Np3, Ns2
Np1,NsO,MsO3106
Np1, NsO, MsO
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τ- tOτ- tO
P.P.
JZiJZi
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CM OCM O
0909
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Modus
4 f (Hz)
mode
4th
Ns0,MsO,Np13994
Ns0, MsO, Np1
Np0,Ns2,Ms08643
Np0, Ns2, Ms0
TsO,TpO788
TsO, TpO
Modusf (Hz)
mode
Ns0,Ms0,Np12416
Ns0, Ms0, Np1
Modusf (Hz)
mode
NsO,MsO,NpO979
NsO, MsO, NpO
MsO1NpO149
MsO 1 NpO
-«*· P- «* · P
to Skto Sk
OO
(Q(Q
S3S3
Modusf (Hz)
mode
109809/1240109809/1240
20U82320U823
(U H H(U H H
PtPt
109^03/1240109 ^ 03/1240
20H82320H823
0909
CMCM
f\ If \ I
109809/12A0109809 / 12A0
ι · r tiι · r ti
1 N * * * t1 N * * * t
Die Tabelle 1 zeigt die Resonanzfrequenzen und die Ausgänge verschiedener Vibrationsmoden a eines Glockenkörpers ähnlicher Form aber konstanter Dicke, b eines Glockenkörpers der Form nach Figur 5 der sogenannten optimierten Form, wobei t =0,25 cm und t = 0,35 cm ist, sowie zwei weitere Formen unter c und dt vvobei die Dicke des Randes -t = 0,5 bzw. 0,25 cm ist. Wie man aus der Tabelle erkennt, verursacht die Dickenvariation des ISantelrandes eine beträchtliche Variation der Resonanzfrequenzen und des Tonausganges ' der Glocken, wobei alle Fälle eine beträchtliche Abweichung von der Glocke mit konstanter Dicke zeigen. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß alle Tonstärken unter echofreien Bedingungen gemessen worden sind, wobei jeweils der gleiche Stößelmechanismus verwendet wurde.Table 1 shows the resonance frequencies and the outputs of different vibration modes a of a bell body of a similar shape but constant thickness, b of a bell body of the shape according to Figure 5 of the so-called optimized shape, where t = 0.25 cm and t = 0.35 cm, and two other shapes under c and d t vv with the thickness of the edge -t = 0.5 and 0.25 cm, respectively. As can be seen from the table, the variation in thickness of the casing edge causes a considerable variation in the resonance frequencies and the sound output of the bells, all cases showing a considerable deviation from the bell with constant thickness. At this point it should be noted that all tone levels were measured under anechoic conditions, using the same plunger mechanism in each case.
Aus der 'Tabelle 1 erkennt man daher, wie die Variationen der Dicke der ausgewählten Bereiche des Glockenkörpers verschiedene Schwingungsmoden und demzufolge verschiedene Resonanzfrequenzen und Tonausgangsleistungen zur Folge haben, wobei ein Zug der vorliegenden Erfindung darin liegt, diese Resultate zur Auswahl der geeigneten Größen dieser "variablen" leile zu benutzen, um einen Glockenkörper zu schaffen,, der einen gewünschten Ausgang liefert. Die Tabelle zeigt daß beträchtliche Änderungen des Tonausgangs bereits bei kleinen Veränderungen der Dimensionen des Mantels erzielt werden. Darüber hinaus erkennt man, daß eine beträchtliche Steigerung der Lautstärke (92dBA auf 99dBA) ohne Steigerung der Eingangskraft erzielt werden kann, in dem man einfach die Form optimiert und daß bereits eine leichte Änderung oder Abweichung von dieser optimierten Form diesen Vorteil· wieder verlorengehen läßt.From 'Table 1 one can therefore see how the variations the thickness of the selected areas of the bell body different modes of vibration and consequently Different resonance frequencies and sound outputs result in a train of the present Invention is to use these results to select the appropriate sizes of these "variable" parts use to create a bell body, which provides a desired output. The table shows that considerable changes in the sound output even with small changes in the dimensions of the mantle be achieved. In addition, one can see that a considerable increase in volume (92dBA on 99dBA) can be achieved without increasing the input power by simply optimizing the shape and that already a slight change or deviation this advantage is lost again from this optimized shape leaves.
109809/1240 RADOBiGINAL109809/1240 RADOBiGINAL
- ID -- ID -
20K82320K823
Als weitere Illustration, wie die vorliegende Erfindung in die Praxis umgesetzt wird, kann man die idealisierte Form des Glockenkörpers nach Figur 5, toei welchem der Band eine konstante Dicke aufweist, allgemeiner betrachten. Nehmen wir an, daß der Glockenkörper eine Resonanzfrequenz f~ Λ = 2100 Hz aufweisen soll. Die Variablen des Problems gönnen die Plattendicke t und die Dicke des Ilantels t sein. Bei einer derartigen Problemstellung ergebe sich eine Vielzahl von Lösungen , wenn nicht eine weitere Randbedingung eingeführt würde, v/ie beispielsweise die Llinimalisierung des !Materialbedarfs, d.h· des Volumens des Glockenkörpers. In den Tabellen 2A, 2B, 2C und 2D sind die verschiedenen Vibrationsmoden zusammen mit den ausgewählten Werten der Basisdicke und der Llanteldicke dargestellt. In der Tabelle 2A beträgt sowohl die Basisdicke als auch die LIanteldicke 0,25 cm, die Tabelle 2B ist die Basisdicke 0,25 cm und die l-anteldicke etwa Of37 cm, in Tabelle 2C beträgt die Basisdicke 0,2 da und die LIanteldicke 0,1 cni, während die Tabelle 2D für eine Plattendicke von 0,2 cm und eine Manteldicke von 0,37 bis 0,38 cm gilt. Pur jeden llodus sind die prinzipiellen Lloduseigenschäften durch Verwendung der Buchstaben H, II und P angedeutet, welche den Verschiebungen in meridionaler, normaler und tangentialer Richtung entsprechen. Ben jeweiligen Buchstaben L, II oder T ist entweder der Buchstabe ρ oder s nachgesetzt, um anzudeuten, daß die größte Verschiebung in der Basisplatte bzw. dem Hantel liegt und schließlich folgt nach diesen kleinen Buchstaben ρ oder s eine Ziffer, welche die Anzahl der Knotenkreise wiedergibt. Es sei darauf hingewiesen, daß in einzelnen Fällen der Tabellen die Vibrationen mehr als eine Verschiebungsart enthalten. lter bedeutendste xypus ist als erster aufgeführt,As a further illustration of how the present invention is put into practice, one may consider more generally the idealized shape of the bell body of Figure 5, in which the band is of constant thickness. Let us assume that the bell body should have a resonance frequency f ~ Λ = 2100 Hz. The variables of the problem allow the plate thickness t and the thickness of the Ilantel to be t. Such a problem would result in a large number of solutions if a further boundary condition were not introduced, v / ie, for example, the linearization of the material requirement, ie the volume of the bell body. Tables 2A, 2B, 2C and 2D show the different vibration modes together with the selected values for the base thickness and the lantern thickness. In Table 2A, both the base thickness and the lantern thickness are 0.25 cm, Table 2B is the base thickness 0.25 cm and the 1-arm thickness is about O f 37 cm, in Table 2C the base thickness is 0.2 da and the Lantern thickness 0.1 cni, while Table 2D applies to a plate thickness of 0.2 cm and a jacket thickness of 0.37 to 0.38 cm. For each mode, the basic properties are indicated by the use of the letters H, II and P, which correspond to the displacements in the meridional, normal and tangential directions. Each letter L, II or T is followed by either the letter ρ or s to indicate that the greatest shift is in the base plate or the dumbbell, and finally after these small letters ρ or s there is a number indicating the number of nodal circles reproduces. It should be noted that in individual cases in the tables the vibrations contain more than one type of displacement. The older most important xypus is listed first,
103809/1240103809/1240
BADBATH
-.17 --.17 -
der näciistwichtigere an zweiter Stelle usw. Die Tabellen enthalten selbstverständlich nicht jeden Modustyp, da dies sowohl rechnerisch als auch experimentell eine außerordentlich schwierige Aufgabe wäre und für die vorliegenden Zwecke völlig unnötig ist.the next most important in second place, etc. The Of course, tables do not contain every mode type, since this is both mathematical and experimentally would be an extremely difficult task and is completely unnecessary for the purposes at hand.
Nachdem man die in den Tabellen dargestellten Ergebnisse herausgefunden hat, ist es in einfacher Weise möglich, die Dicke der Basis und des Mantels entsprechend den gewünschten Vibrationscharakteristiken eines Glockenkörpers auszuwählen,Beispielsweise erkennt man aus der Tabelle 2A, daß die nisdri^-fce Eigenfrequenz für diesen Glockenkörperfyp bei η = 4 liegt und eine Eigenfrequenz von 2859 Hz ergibt. Die Modenform ist in diesem Pail durch eine normale, d.h. Senkrechte N- Verschiebung des Mantels f ohne K^otenkreise, eine meridionale Verschiebung des Mantels ohne Knotenkreise und eine senkrechte Verschiebung der Basisplatte mit einem Knotenkreis gekennzeichnet» After finding the results shown in the tables, it is easier to do Way possible to adjust the thickness of the base and the shell according to the desired vibration characteristics of a bell body, for example, it can be seen from Table 2A that the nisdri ^ -fce Natural frequency for this type of bell body at η = 4 and results in a natural frequency of 2859 Hz. The fashion form in this pail is represented by a normal, i.e. vertical N displacement of the clad f without vertex circles, a meridional shift of the Shell without node circles and a vertical displacement of the base plate marked with a node circle »
Die figur 6 zeigt die Veränderung der EigenfrequenzFigure 6 shows the change in natural frequency
für den Modus mit einem Knotenkreis ( η = 1) als Punktion der Zahl m der Umfangswellen für die Glockenkörpertypen A und B der Tabelle 2A bzw. 2B. Die figur 7 zeigt die benötigte Relationfor the mode with a knot circle (η = 1) as a puncture of the number m of the circumferential waves for the Bell body types A and B in Table 2A or 2 B. Figure 7 shows the required relation
zwischen der Plattendicke t und der Dicke des Mantels t derart, daß der Fundamentalmodus mit drei TJmfangs-between the plate thickness t and the thickness of the jacket t in such a way that the fundamental mode with three
S , -;.;u Cjc-.ϊ- -- ■ "S, - ;. ; u Cjc-.ϊ- - ■ "
wellen jine Eigenfrequenz von 2100 Hz aufweist, für die meisten Wertender Plattendecke ist die Modenform ähnlich zu der in figur 5 dargestellte Bei einer Plattendicke von etwa 0,076 cm tritt ein anderer Vibrationsmodus auf, was in figur 8 dargestellt ist, in der die Resonanzfrequenz gegen die picke der Basisplatte aufgetragen ist. Dieser Modus hat keine Knotenkreisewaves j has a natural frequency of 2100 Hz, for most of the values of the slab ceiling is the mode shape similar to that shown in Figure 5 with a plate thickness Another vibration mode occurs from about 0.076 cm, which is shown in FIG the resonance frequency is plotted against the pick of the base plate. This mode has no node circles
109009/mö- -18-109009 / mö- -18-
20U82320U823
und ist ein Trouuelniodus, bei dem die Deformation nahezu vollständig in der Basis auftritt und die Maximal Verschiebung am LIantel liegt. Aus Figur 7 erkennt . man in einfacher Weise, wie die Mantel- und Plattendicken auszuwählen sind, um die notwendige Glockenkörperform zu erhalten. So können die in Figur 7 aufgetragenen Ergeonisse dazu benutzt werden, eine Glocke zu bilden, bei der die Frequenz f, 1 = 2100 Hz ist. Ist jedoch eine zusätzliche llebenbedingung, wie beispielsweise eine Minimalisierung des gesamten ti benötigten Materials vorgegeben, so kann die Bestimmung des Glockenkörpers durch Berechnung des Materialvolumens nach der folgenden Formel erfolgenand is a Trouuelniodus, in which the deformation occurs almost completely in the base and the maximum displacement is on the LIantel. From Figure 7 recognizes. it is easy to select how the jacket and plate thicknesses are to be selected in order to obtain the necessary bell body shape. Thus, the results plotted in FIG. 7 can be used to form a bell at which the frequency f, 1 = 2100 Hz. However, if there is an additional life condition, such as minimizing all of the material required, the bell body can be determined by calculating the material volume using the following formula
(R-htan10°)2-r2 (R-htan10 °) 2 -r 2
tan 10tan 10
R2-(E2-(R-htaiko°)2 R 2 - (E 2 - (R-htaiko °) 2
Diese Gleichung hat in diesem Beispiel eine explizite Form: V = ungefähr 400 + 475 cm · Eine Überlagerung der dieser Gleichung entsprechenden Linie in Figur 7 gibt an, daß V ein absolutes Minimum aufweist, v/enn die Dicke der Basis 0 ist. Wird jedoch die Minimaldicke der Basis zu 0,125 cm gewählt, so entspricht der Minimalwert des Volumens einer Hanteldicke von 0,358 cm und beträgt 865 cm ·This equation has an explicit form in this example: V = approximately 400 + 475 cm · an overlay of the The line corresponding to this equation in Figure 7 indicates that V has an absolute minimum, v / if the thickness of the base is zero. If, however, the minimum thickness of the base is selected to be 0.125 cm, then corresponds to the minimum value of the volume of a dumbbell thickness of 0.358 cm and is 865 cm
Diese Tatsache sollte jedoch nicht den wesentlichen Punkt verschleiern, nach welchem durch die Kenntnis der Vibrationsmoden und ihre Variation mit der Dickenänderung ausgewählter Teile des Glockenkörpers es rasch möglich ist, festzulegen, welche Dicke diese Teile haben sollten· Bs ist bequem, eine weitgehendThis fact, however, should not obscure the essential point after which knowledge the vibration modes and their variation with the change in thickness of selected parts of the bell body it is quickly possible to determine what thickness these parts should have · Bs is convenient to a large extent
109809/1240109809/1240
- 19 -- 19 -
idealisierte Form anzunehmen, da dies sowohl die Berechnung der Resonanzfrequenzen als auch die Auswahl der Dicken erleichtert, doch ist die Methode ersichtlich auch auf andere Formen anwendtar.assume idealized form as this is both the calculation of the resonance frequencies and the selection of the thick, but the method can obviously be applied to other forms as well.
Die Figur 9 zeigt einen anderen Typ der Dickenvariation eines Glockenkörpers 81. Die Außenseite eines Schnitts durch den Glockenkörper ist ein Kreis 82, während die Innenseite die Form eines regelmäßigen Vielecks aufweist. Die Ordnung des Vielecks kann entsprechend der gewünschten Anzahl an Umfangewellen in Yibrationsraodus ausgewählt werden.Figure 9 shows another type of thickness variation a bell body 81. The outside of a section through the bell body is a circle 82, while the inside has the shape of a regular polygon. The order of the polygon can can be selected according to the desired number of circumferential waves in vibration mode.
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BADORiOINAt 109809/12A0 BADORiOINAt 109809 / 12A0
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