DE2213373B2 - Körperschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Körperschallwandler zur genauen Messung vornehmlich tieffrequenter Schwingungen, bestehend aus einem als Empfänger für den Körperschall dienenden Stator rotationssymmetrischer Bauweise, der einen das Gehäuse des Körperschallwandlers bildenden äußeren topfartigen Bauteil sowie einen in dessen Innerem befindlichen, mit dem topfartigen Bauteil koaxialen fest verbundenen pilzförmigen Bauteil aufweist, ferner aus einem innerhalb des Stators axial zentriert und in Richtung dessen Achse beweglich angeordneten glockenförmigen Schwinger von rotationssymmetrischer Bauweise, dessen Glockenform die Pilzform berührungsfrei und zum mindesten weitgehend umfaßt, ferner aus einem in der Achse des Stator-Schwinger-Systems angeordneten, aus mindestens zwei Magneten bestehenden und ausschließlich zur Aufnahme des Gewichtes des Schwingers dienenden Tragmagnet-System, dessen einer Magnet mit dem Stator und dessen anderer Magnet mit dem Schwinger fest verbunden ist und beide Magnete in Richtung der Bewegung des Schwingers koaxial zueinander angeordnet und in entgegengesetzter Richtung so magnetisiert sind, daß der Magnet des Stators den Magneten des Schwingers einschließlich des Schwingers zu tragen vermag, sowie aus Mitteln zur Führung und Zentrierung des Schwingers in Richtung der Achse des Stators und aus mindestens einem einzigen zusätzlichen Magneten, der außerhalb des Tragmagnet-Systems angeordnet ist. sowii Einrichtungen, die den Schwingungen entsprechende elektrische Ausgangssignale liefern.

Derartig ausgebildete Kcrperschaliwandler sind Dämpfung des Schwingers kann in dem erfindungsaus den folgenden Druckschriften bekannt: Deutsche gemäßen Gerät leicht unter Ausnutzung der yon.an-Patentanmeldunu P 14 039 lX/42c, deutsche Ausle- denen Magnetfelder in Form einer wohldetinierten «eschrifc I 050 559 und deutsche Offenlcgungsschrift geschwindigkeitsproportionalen elektrodynamischen t 915 418. Die in den Druckschriften P 14 039 IX/ 5 Dämpfung erzeugt werden.) Em weiterer Voriei. acs 42 c und deutsche Offenlegungsschrift 1 915 418 an- erfindungsgemäßen Körperschallwandlers gegenüber regebenen zusätzlichen Magnete dienen vor allem den bekannten Geräten besteht darin, daß die Autder Veränderung der Eigenfrequenz des Schwingers hängesteifigkeit des Schwingers beliebig klei« g~- durch Veränderung der wirksamen Federsteifigkeit macht werden kann, ohne daß dadurch die 1 ragtaspiner Aufhängung. Die in der deutschen Auslege- io higkeit des Tragmagnetsystems auch nur im genngschrift 1 050 559 angegebenen zusätzlichen Magnete sten beeinflußt wird. Dies wird durch dieselben Kingermöglichen darüber hinaus eine Reduzierung der magnetsysteme bewirkt, die auch fur die Zentrierung Eigenfrequenz des Schwingers bis auf den Wert Null. des Schwingers sorgen. Schließlich besitzt derertin-In allen diesen Fällen sind jedoch für die notwendige dungsgemäße Körperschallwandler den Vorteil, üau Zentrierung des Schwingers zusätzliche Führungsnut- 15 er, verglichen mit den bekannten Geraten, transporttel erforderlich, die in Form mechanischer Zusatzfe- unempfindlich ist, da ihm die bei den bekannten uedern mit möglichst geringer Steifigkeit in axialer raten unerläßlichen feinen und stoßemptindlicnen Riehtune und mit möglichst großer Steifigkeit in ra- Führungs- bzw. Zentrierungsfedern fehlen, dialer Richtung vorgesehen sind. Diese Federn erwei- Ein Ausführungsbeispiel der Emndung wird in

sen sich in zweierlei Hinsicht als nachteilig: Wegen 20 den Fig. 1 und 2 erläutert.

ihrer Weichheit in axialer Richtung bestehe die Ge- Seine Wirkungsweise wira an Hand einer graptn-

fahr, daß sie beim Transport des Körperschall- sehen Darstellung in F i g. 1 verdeutlicht. Ober aer wandlers leicht brechen und diesen funktionsuntüch- Auslenkung des Schwingers, dessen Ruhestellung aut ti» machen. Der zweite Nachteil der mechanischen der Auslenkungsachse eingetragen ist ist die J^- Zentrierung ist in ihrer amplitudenproporüonalen 25 lige Kraft aufgetragen. Kurve 1 stellt das Kratt-Ausmechanischen Reibung begründet, die für ein be- lenkungs-Diagramm für das Tragmagnet-bystem aar. stimmtes notwendiges Mindestmaß an Empfindlich- eine mindestens weitgehend geradlinige Kurve, keit und Auflösungsvermögen des Körperschall- Kurve 2 stellt das Kraft-Auslenkungs-Diagramm aer wandiers eine entsprechende Mindestgröße der Ringmagnet-Systeme dar. Bei Ruhestellung aes Masse des Schwingers notwendig macht, die d?rüber 30 Schwingers erzeugt keines der Ringmagnet-System hinaus um so größer sein muß, je kleiner die gefor- eine Kraft in axialer Richtung, da sich deren Kinge derte Eisenfrequenz des Körperschallwandlers ist. dann exakt paarweise gegenüberstehen. Bei Ausien-Wie allgemein bekannt, führt dies bei der Erfüllung kungen des Schwingers aus der Ruhelage nach unten der Forderung nach extrem niedrigen Eigenfrequen- erzeugen beide Ringmagnet-Systeme eine nacn unten zen sowie nach extrem hohem Auflösungsvermögen 35 wirkende Kraft, bei Auslenkungen nach ooen em- und Empfindlichkeit zu sehr großen Massen. sprechend eine nach oben wirkende Kraft, wie cues

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Beseiti- die Kurve 2 darstellt. Da das Tragmagnet-System aung dieser Nachteile durch Schaffung der notwendi- und die Ringmagnet-Systeme starr gekoppelt sina, «en Voraussetzungen für den Bau eines robusten, ge- tritt zwangläufig bei Auslenkungen des schwingen, genüber transportbedingten Stoßen weitgehend un- 40 eine Superposition der beiden Kurven 1 una t ein. empfindlichen und in Abmessungen und Gewicht ver- das Ergebnis ist die Kurve 3. Die B"⁰^"*™" gleichsweise kleinen Körperschallwandlers, der Kurve ist, daß sie innerhalb eines durch die H°"^{e der} gleichzeitig die Forderung nach extrem niedrigen Ringmagnete gegebenen Bereichs sehr flach-veTlsiun, Eigenf-equenzen sowie nach extrem hohem Auflö- ja, durch die jeweilige Stärke der Magnetisierung aer sungsvermögen und Empfindlichkeit erfüllt. 45 Ringmagnete beliebig flach verlaufend gemacht wer-

Bei einem Körperschallwandler der eingangs ge- den kann. Sie könnte so flach gemacht wer den αω nannten Art wird diese Aufgabe durch die in An- sie in dem fraglichen Bereich -waagerecht^rWU V spruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. sogar so gestaltet werden daß sie, statt anzusteigen.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemä- abfällt. Doch sind die beiden Falle ™^l ««6^8 J^u» ßen Körperschallwandlers ergeben sich aus den Un- 50 und Negativ uninteressant fur K01P⁶"™"^™¹!; teransnrüchen Bedeutsam ist nur eine etwas weniger als waagerech

Der'mit dem erfindungsgemäßen Körperschall- verlaufende Kennlinie mit einer geringer, Steifigkeit wandler gegenüber den bekannten Geräten erzielbare im Arbeitsbereich, die wenigstens ausreicht um α technische Fortschritt besteht darin, daß an Stelle der eindeutig reproduzierbare Ruhestellung des bchw.n bekannten mechanischen Mittel zur axialen Führung 55 gers zu gewährleisten. . , _{rf Erfin}.

bzw. zur Zentrierung des Schwingers berührung- Der Aufbau des Ausfuh,™ngsbeispiels dr t

und damit völlig reibungsfrei arbeitende magnetische dung ist in Fig. 2 dargestellt .Der St tor 1 des Ko Zentrierungsmittel in Form der in Anspruch 1 näher perschallwandlers gemäß F> g. .. ist top^ 0aer D bezeichneten Ringmagnetsysteme verwendet werden. cherförmig gestaltet. Er tragt auf de .M'^™ Insbesondere die durch diese Art der Führung er- 60 Konsole eine Säule 2, die ^™«J^Ä;. möglichte Reibungsfreiheit zwischen dem Stator und ten 3 tragt: dies ist der ^trag«!?^d?_p^.^a8"^{ct dcs} _n ¹W. dem Schwinger führt zu einer erheblichen Verbesse- gnet-Systems. Magnet und Säule bilden cm np-tor rung sowohl der Emfpindlichkeit als auch des Auflö- migen Korper. An der Außenwand 4 des Stators smd sungsvermögens ki Vergleich zu den Geräten be- zwei RingrnagneteS und 6 aⁿ8eordnet RmgmjgnetS kannter Bauart, wenn diesem Vergleich Geräte mit 65 liegt unterhalb, Ringmagnet« obe.halb des Mayie ungefähr gleicher Eigenfrequenz und gleicher Masse ten 3 des Tragmagnet-Systems. Der Schwinger? des Schwingers zugrinde gelegt werden. (Die in je- weist zunächst den Magnete auf der das zw«te dem Fall aus meßtechnischen Gründen notwendige Glied des Tragmagnet-Systems 3 und 8 darstellt, uer

Magnet 8 ist oberhalb des Magnets 3 angeordnet. Beide sind entgegengesetzt magnetisiert, so daß der Magnet 8 vom Magnet 3 abgestoßen wird. Dies würde ohne Stabilisierungs- und Führungsmittel nicht möglich sein. Dies leisten die Ringmagnete 9 und 10. Der Ringmagnet 9 ist über dem Magnete so angeordnet, daß er, bei der Ruhestellung des Magneten 8. genau in Höhe des Ringmagneten 6 des Stators liegt, von dem er umschlossen wird. Der Ringmagnet 10 ist unterhalb des Magneten 8 angeordnet, und zwar so. daß er bei der Ruhestellung des Magneten 8 genau in Höhe der Ringmagneten 5 des Stators liegt, von dem er umschlossen wird. Die Magnetringe S und IO bzw. 6 und 7 bilden je eines der Ringmagncl-Sysfcme. Die Richtungen, in denen die Magnete magnetisiert sind, sind neben der Figur eindeutig eingetragen. Beide Magnete aller Magnet-Systeme sind gegensinnig magnetisiert. Die beiden Ringma-

j gnet-Systeme dienen dazu, den Schwinger, der nur von magnetischen Kräften getragen völlig frei im Raum schwebt, zu hindern, andere als axiale Bewegungen auszuführen: ferner dazu, die Kraft-Auslenkungskennlinie innerhalb des Arbeitsbereichs des

ίο Schwingers zu verflachen. Es ist möglich, die Masr.iete 3. 5 und 6 als Elektromagnete auszubilden. Dei Köiperschallwandler kann aber, wenn man auf willkürliche Änderungen der Empfindlichkeit verzichtet, durchweg mit Dauermagneten ausgestattet sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kurperschällwandkr zur genauen Messung vornehmlich tjeffrequenter Schwingungen, bestehend aus einem als Empfänger für den Körperschall dienenden Stator rotationssymmetrischer Bauweise, der einen das Gehäuse des Körperschallwandlers bildenden äußeren topfartigen Bauteil sowie einen in dessen Innerem befindli- '" eben, mit dem topfartigen Bauteil koaxialen fest verbundenen pilzförmigen Bauteil aufweist, ferner aus einem innerhalb des Stators axial zentriert und in Richtung dessen Achse beweglich angeordneten glockenförmigen Schwinger von ro- is tationssymmetrischer Bauweise, dessen Glockenform die Pilzform berührungsfrei und zum mindesten weitgehend umfaßt, ferner aus einem in der Achse des Stator-Schwinger-Systems angeordneten, aus mindestens zwei Magneten bestehenden und ausschließlich zur Aufnahme des Gewichtes des Schwingers dienenden Tragmagnet-System, dessen einer Magnet mit dem Stator und dessen anderer Magnet mit dem Schwinger fest verbunden ist und beide Magnete in Richtung der Bewegung des Schwingers koaxial zueinander angeordnet und in °ntgegengesetzter Richtung so magnetisiert sind, daß der Magnet des Stators den Magneten des Schwingers einschließlich des Schwingers zu tragen vermag, sowie aus Mitteln zur Führung und Zentrierung des Schwingers in Richtung der Achse des Stators und aus mindestens einem einzigen zusätzlich .;n Magneten, der außerhalb des Tragmagnet-Systems angeordnet ist, sowie Einrichtungen, die den Schwingungen entsprechende elektrische Ausgangssignale liefern, dadurch gekennzeichnet, daß der Körperschallwandler mit mindestens zwei zusätzlichen Magnetsystemen (6,9 und 5,10 in F i g. 2), die als Ringmagnet-Systeme ausgebildet sind, ausgestattet ist, von denen jedes aus einem Paar konzentrisch gelagerter Ringmagnete besteht, die durchweg gleiche, in Richtung ihrer Achse gerechnete Höhen aufweisen und radial derart magnetisiert sind, daß die Ringmagnete jedes Ringmagnet-Systems sich in dessen Luftspalt mit gleichen Polen gegenüberstehen, daß ferner, sofern nur zwei Ringmagnet-Systeme vorhanden sind, das eine Ringmagnet-System oberhalb, das andere unterhalb des Tragmagnet-Systems (3,8 in F i g. 2) so angeordnet ist, daß die Ringmagnet-Systeme koaxial zum Tragmagnet-System liegen, daß ferner, sofern nur zwei Ringmagnet-Systeme vorhanden "sind, einer der Ringmagnete des unteren Ringmagnet-Systems am unteren Teil des Stators (1 in Fig. 2) und einer der Ringmagnete des oberen Ringmagnet-Systems am Kopf des Stators angeordnet ist und daß der andere Ringmagnet des unteren Ringmagnet-Systems am unteren Ende der Glocke angeordnet ist, daß ferner die Mittelebenen der Ringmagnete des Stators unter sich die gleichen Abstände wie die Mittelebenen der Ringmagnete des Schwingers (7 in F i g. 2) aufweisen, daß ferner die Ringmagnete des Schwingers so zu dem mit dem Schwinger verbundenen Magneten (8 in F i g. 2) des Tragmagnet-Systems gelagert sind, daß sie mit den Ringmagneten des Stators in Höhe koinzidieren, wenn der Schwinger seine Ruhelage einmmml, daß schließlich die Magnetisierur.gssiärkc der Ringmagnete so hoch gewählt ist, daß bei d«n für den Schwinger vorgesehenen Auslenkungen aus der Ruheiage der absolute Betrag der differentie-1-ien Steifigkeit der Kraft-Weg-Kenniine (2 in Fig. 1) der Ringmagnet-Systeme zusammen nicht größer ist als die (I. in Fig. 1) des Tragmagnet-Systems, vorzugsweise um ein geringeres kleiner.

2. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß konventionelle Mittel vorgesehen sind, durch die einer der Ringmagnete jedes der Ringmagnet-Systeme in Richtung der Achse des Körperschallwandlers verschiebbar ist.

3. Körperschalhvandier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Magnete eines jeden der Magn^tsysteme, vorzugsweise der mit dem Stator verbundene, als Elektromagnet ausgebildet ist.

4. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bauteile, durch die die Magnete des Stators bzw. des Schwingers untereinander verbunden sind, aus weichmagnetischem Material bestehen und/oder daß die genannten Magnete so zueinander gelagert sind, daß ihre Flüsse sich addieren.

5. Körperschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polflächen mindestens eines der Magnete des Tragmagnet-Systems so ausgebildet sind, daß bei den möglichen horizontalen Verschiebungen die zwischen beiden Magneten horizontal wirkenden Kräfte vernachlässigbar sind.