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Ultraschall-Geschwindigkeitstransformator
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Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Geschwindigkeitstransformator
mit einem abgestuften Konzentrator mit einem über Eins liegenden Amplituden-Verstärkungsfaktor
uhd mit einem Kern von veränderlichem Querschnitt, die an ihren Stirnseiten miteinander
verbunden sind.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Geschwindigkeitstransformatoren
sind insbesondere dazu bestimmt, die Amplitude und die Schallschnelle eines Ultraschallgebers
oder -empfEngers in weiten Grenzen umzuwandeln und gleichzeitig die zu übertragende
Leistung durch Ende rung des Transformatorausgangsquerschnitts in beliebiger Richtung
entsprechend zu ändern. Die Erfindung kann in der chemischen und metallverarbeitenden
Industrie, in der
Erdöl industrie, im Bergbau, in der Nahrungsmittelindustrie,
Aufbereitungsindustrie. in anderen Industriezweigen sowie in der Landwirtschaft,
in der Medizin zur unmittelbaren Einwirkung einer starken Ultraschallstrahlung auf
Stoffe in den Systemen Flüssigkeit - Flüssigkeit, Flüssigkeit - Festkörper, Flüssigkeit
- Gas, Gas -Festkörper sowie für Meßeinrichtungen und Verzögerungsleitungen mit
großem Verhältniswert der Schwingungsamplitudenänderung benutzt werden. Mit Hilfe
eines erfindungsgemäß ausgebildeten Transformators kann man mit großer Effektivität
Vorgänge wie Emulsionsbildung, Homogenisierung, Extrahierung, Dispergierung, Zerstäubung,
Absorption, Adsorption, Chemosorption, Desorption, Scheidung, Koagulierung, Reinigung,
verschiedene chemische Vorgänge, Schweißung, Bearbeitung von harten und brüchigen
Werkstoffen, Metallbearbeitungsvorgänge beeinflussen bzw.
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überhaupt durchführen.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschall-Geschwindigkeitstransformatoren
sind in technologischer Hinsicht hauptsächlich zur Vergrößerung der Amplitude eines
Ultraschallgebers von verhältnismäßig großer Leistung bestimmt. Als Ultraschallgeber
benutzt man elektromechanische Wandler, in denen aufgrund des magnetostriktiven
oder elektrostriktiven Effekts Ultraschallschwingungen erregt werden. Der Amplitudenwert
der Schallschnelle dieser Ultraschallgeber ist gewöhnlich nicht größer als 50 cm/s,
und die Querschnittsabmessungen betragen 1/4 ... 1/2 der Wellenlänge der Longitudinalschwingungen.
Die potentielle Leistung der elektroakustischen Wandler, besonders der magnetostriktiven
Wandler, kann Werte über 1 kW erreichen, die für die meisten technologischen Anwendungsgebiete
des Ultraschalls vollkommen
ausreichend sind. Eine unmittelbare
tfbertragung von Ultraschallschwingungen zur Belastung ist aber wenig effektiv,
da die ausgangsseitigen Ultraschallparameter hierbei weit unter den optimalen Werten
liegen.
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Für Dispergierungsvorgänge im Wasser betragen beispielsweise die optimalen
Amplitudenwerte für die Schallschnelle 5 ... 4 m/s, und für eine Reihe von chemischen
Reaktionen, die mit Ultraschall initiiert und intensiviert werden, liegt das Optimum
für die Schallschnelle über 10 m/s.
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Eine Vergrößerung der Schwingungsamplitude ist durch feste Verbindung
des Ultraschallschwingers mit einem Ultraschallkonzentrator möglich, dessen Querschnitt
in der Strahlungsrichtung (vom Schwinger aus) abnimmt.
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Die Konzentratorlänge ist ein Vielfaches einer ganzen Zahl von Halbwellen
der Longintudinalschwingungen (vgl.
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z. B. den SU-Erfinderschein 85193, oder die US-PS 2 573 168). Infolge
der kontinuierlichen Abnahme der Querschnittsfläche steigen die Amplitude und die
Geschwindigkeit der Teiichenschwingungen im stabförmigen Konzentrator mit seiner
Querschnittsverminderung an.
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Als Maß für die Verengungsschnelle des Querschnitts benutzt man eine
Größe die aus der Beziehung s = So exp (-2j3l) (l) ermittelt wird. Hierbei bedeutet
S die Querschnittsfläche im Abstand 1 vom Anfangsquerschnitt (1 = O) mit der Fläche
Wenn die Bedingung
erfüllt wird, in der # die Schwingungsfrequenz und c die Schallgeschwindigkeit
im Werkstoff des Konzentratorstabes bedeuten, so wird die Schallenergie von der
Seitenfläche des Stabes nicht reflektiert, wobei diese Energie auf immer kleiner
werdende. Fläche konzentriert wird und die Schwingungsamplitude entsprechend anwächst.
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Außer Exponentialkonzentratoren verwendet man als Verstärkungsglieder
auch kegelförmige, kettenförmige, ampullenförmige sowie abgestufte Konzentratoren
(vgl.
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z. B. die Beiträge von L.G. Merkulow in "Akustische Zeitschrift",
1957, Nr. 3, S. 230 ... 238, sowie von G. Merkulow und A. W. Charitonow in Akustische
Zeitschrift, 1959, Nr. 2, S. 183 ... 190 und von L.O. Makarow im Sammelheft Ultraschallanwendung
in der Industrie", Moskau, Verlag "Maschgis", 1959. S. 102 ... 114). Die durchgefUhrte
Vergleichsanalyse zeigt, daß jede Art der erwähnten Konzentratoren ihre Vorteile
besitzt; bei allen ist aber eine Amplitudenvergrößerung nur durch eine bedeutende
Verringerung der Strahlungsfläche mö2-lich. Dadurch ergibt sich ein sehr niedriger
Ausnutzungsgrad æ für die Wandlelleistung W. Für einen Exponentialkonzentrator mit
dem Ausnutzungsgrad der Leistung von .IS/W (S1 ist Ausgangsquerschnitt des Konzentrators)
beträgt der Ausnutzungsgrad bei Ultraschalleinleitung in ein Gasmedium
und bei Ultraschalleinleitung in ein flüssiges kavitierendes Medium sowie bei einem
Druck von ).105 N/m2:
Hierbei bedeuten und c Schalldichte und Schallgeschwindigkeit in
einem Gasmedium, Z Wellenwiderstand des Konzentratorwerkstoffs.
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P statischer Druck in der Flüssigkeit, V Effektivwert der Schallschnelle
der Konzentrator-Ausgangsstirnfläche.
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Aus den oben angeführten Beziehungen ist ersichtlich, daß die an
sich eingeschränkten Leistungswerte des elektroakustischen Wandlers besonders bei
Belastung mit gasförmigen und flüssigen Medien (außer Schmelzen) sehr schlecht ausgenutzt
werden. Im ersten Fall ist #= 10-5. und im zweiten Fall (bei V = 3 m/s, P = 105
N/m²) #= 10-3. Bei Metallschmelzen erreicht die Leistungsausnutzung mehrere zehn
Prozent, aber auch in diesem Falle führt die Vergrößerung der Schwingungsamplitude
an der Ausgangsfläche auf Kosten der Entstehung von Kavitationserscheinungen zu
einer sprunghaften Abnahme der Strahlungsleistung.
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Eine Vergrößerung der in ein gasförmiges oder flüssiges Medium ausgestrahlten
akustischen Leistung läßt sich dadurch erreichen, daß in das Schwingsystem Elemente
eingeführt werden, welche die Strahlungsfläche erweitern, wobei die Schwingungsamplitude
im Vergleich mit der Amplitude der Schwingungsquelle noch weiter verringert wird.
Als solche Elemente benutzt man längaschwingende Kerne von Resonanzlänge mit exponentiellen,
konischen und kettenförmigen Erzeugenden (vgl. z. B. den Beitrag von I.I. Teumin
'tEinführung von Utraschallschwingungen in die zu behandelnden Medien" im Buch "Ultraschallquellen
mit großer Leistung", redigiert von
L. D. Rosenberg, Moskau, Verlag
"Nauka", 1970, S. 207 244) sowie Konzentratoren, welche die Longitudinalschwingungen
in Radialschwingungen umwandeln (vgl. z. B. die JA-PS 20224, die FR-PS 1 531 270)
oder in Schub- und Torsionsschwingungen umsetzen (vgl. z. B. den SU-Erfinderschein
124 423, den SU-Erfinderschein 192 506, den SU-Erfinderschein 278 272 oder den SU-Erfinderschein
341 557) oder in Biegeschwingungen sowie in andere Schwingungsarten umwandeln (vgl.
z. B. den SU-Erfinderschein 279 218, den SU-Erfinderschein 281 045, den SU-Erfinderschein
294 650, die US-PS 33243 766 oder die US-PS 3 415 548). Die Einrichtungen, in denen
die Umwandlung von Schwingungen erfolgt, gestatten es in mehreren Fällen, praktisch
die volle Leistung der Schwingungsquelle wirksam werden zu lassen. Der Einwirkungseffekt
der Ultraschallschwingungen ist bei solchen Einrichtungen ab-er wegen zu kleiner
Schwingungsamplitude in der Regel gering. Außerdem lassen solche Einrichtungen keine
weitere Amplitudentransformation zu.
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Eine beträchtliche Leistung läßt sich von einer Schwingungsquelle
in eine Flüssigkeit oder ein Gas übertragen, wenn Konzentratoren, also längsschwingende
Stäbe mit Resonanzlänge benutzt werden, die an ihren Ausgangsenden mit einem Mittel
zur Vergrößerung der Strahlungsfläche in der Art von Biege schwingungen ausführenden
dünnen rechteckigen oder runden Platten, kegelförmigen Trichtern oder Platten von
veränderlichem Querschnitt und dicker werdendem Umfangsteil versehen sind (vgl.
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z. B. D.A. Gerschgal und W.M. Friedmann "Ultraschallapparatur", Moskau,
Verlag "Energia", 1967; DT-PS 1 105 210, DT-PS 1 129 006 oder CS-PS 127 675). Bei
solchen Ausführungen weisen die längaschwingenden Stäbe einen in Strahlungsrichtung
abnehmenden Querschnitt auf, und
dadurch nimmt die Schwingungsamplitude
zu. Die Benutzung der Mittel zur Vergrößerung der Strahlungsfläche gibt die Möglichkeit,
die Verringerung des Stabquerschnitts einigermaßen zu kompensieren, wobei auch die
Gesamtleistung der Strahlung vergrößert wird.
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Bei den erwähnten Schwingerausführungen führt jedoch die Anwendung'der
Mittel zur Vergrößerung der Strahlungsfläche zu einer wesentlichen Verringerung
des Konzentrator-Gewinnfaktors und läßt keine gleichmäßige Verteilung der Schwingungsamplituden
auf der Strahlungsfläche erreichen. Solche Mittel sind außerdem im Betriebe wegen
häufiger Brüche in der Ebene ihrer Verbindung mit dem Konzentrator nicht zuverlässig,
lassen keine Frequenzanpassung zu und gestatten es nicht, groBe Amplitudenwerte
für die Schallschnelle zu erreichen. Infolgedessen ist ihr Anwendungsbereich begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Geschwindigkeitstransformator
zu entwickeln, bei dem die Befestigung des abgestuften Konzentrators und des Schwingkernes
von veränderlichem Querschnitt an ihren breiten Enden die Erhaltung eines beträchtlich
über Eins liegenden Amplituden-Verstärkungsfaktors bei annähernd gleichen Eingangs-
und Ausgangs-Querschnittsflächen sowie einen höheren Wirkungsgrad, einen größeren
Ausnutzungsgrad der potentiellen Leistung der elektroakustischen Wandler, einen
höheren Anteil von Radialschwingungen zur Beeinflussung von strömenden flüssigen
und gasförmigen Medien gewährleistet sowie die Möglichkeit bietet, im Ultraschall-Geschwindigkeitstransforma
tor radiale Bohrungen vorzusehen und diesen Transformator an Flanschen zu befestigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Konzentrator
und der Kern mit ihren Stirnseiten verbunden sind, der Konzentrator und der Kern
mit ihren breiten Stirnseiten akustisch fest verbunden sind und ihre gemeinsame
Länge n A /2 beträgt, wobei n eine ganze Zahl von 1 bis unendlich und X die Wellenlänge
der Longitudinalschwingungen mit Berücksichtigung der Dispersion bedeuten.
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Der Kern kann zweckmäßigerweise einen sich erweiternden Abschnitt
mit einer Länge von k In Nc (mit Nc k als Quadratwurzel aus dem Flächenverhältnis
des breiten und des schmalen Endes des sich ausbreitenden Abschnitts und k als Wellenzahl)
und, der Strahlungsrichtung folgend, einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt
haben. dessen Ende mit der breiten Stirnseite des Konzentrators fest verbunden ist,
wobei die Querschnittsflächen des breiten Endes des sich erweiternden Kernabschnitts
und des Abschnitts mit konstantem Querschnitt an ihrer Verbindungsstelle gleich
groß sind, Von Vorteil ist, wenn der Kern einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt
und mit Resonanzlänge in bezug -auf den longitudinalen Schwingungsmode und, der
Strahlungsrichtung folgende, einen sieh erweiternden Abschnitt mit einer Länge von
1 In N (mit N c als Quadratwurzel mit aus dem Querschnittsflächen-Verhältnis des
breiten und des schmalen Endes des sich erweiternden Kernabschnitts und k als Wellenzahl)
sowie einen zweiten Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweist, dessen Ende mit
der breiten Stirnseite des Konzentrators fest verbunden ist, wobei die Querschnittsflächen
des breiten Endes des sich erweiternden Kernabschnitts und des zweiten Abschnitts
mit konstantem Querschnitt an ihrer Verbindungsstelle gleich groß sind.
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FUrden sich erweiternden Kernabschnitt ist eine konische Form besonders
effektiv, günstig ist aber auch eine Exponentialform.
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Von Vorteil ist, wenn der abgestufte Konzentrator, der Strahlungsrichtung
folgend, einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt und einer Länge von ungefähr
(2n - 2) X /4 aufweist, dessen Ende mit der breiten Kernstirnseite fest verbunden
ist, sowie einen sich verjüngenden Abschnitt mit einer Länge von k ln Nk hat (wo
Nk die k mit Quadratwurzel aus dem Verhältnis von Querschnittsflächen des breiten
und des schmalen Endes des sich verjüngenden Konzentratorabschnitts und k die Wellenzahl
ist), wobei die Querschnittsflächen des breiten Endes des sich verjüngenden Konzentratorabschnittes
und des Abschnitts mit konstantem Querschnitt an ihrer Verbindungsstelle gleich
groß sind.
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Zweckmäßig ist, wenn der abgestufte Konzentrator der Strahlungsrichtung
folgend, einen Abschnitt mit konstantem Querschnitt und einer Länge von etwa (2n
- 2) /4, dessen Ende mit der breiten Kernstirnseite fest verbunden ist, und einen
sich verjüngenden Abschnitt mit einer Länge von 1 in Nk (wobei Nk die Quadratwurzel
aus dem Verhältnis der Querschnittsflächen des breiten und des schmalen Endes des
sich verjüngenden Konzentratorabschnitts und k die Wellenzahl ist) sowie einen zweiten
Abschnitt mit konstantem Querschnitt aufweist, wobei die Querschnittsflächen des
breiten und des schmalen Endes des sich verjüngenden Konzentratorabschnitts den
Querschnittsflächen des ersten bzw. des zweiten Abschnitts mit konstantem Querschnitt
an ihren Verbindungsstellen gleich sind.
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Von Vorteil ist dabei eine konische Form für den sich verJingenden
Konzentratorabschnitt; dieser Konzentratorabschnitt kann aber auch eine Exponentialform
aufweisen.
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Der erfindungsgemäß ausgebildete Ultraschall-Geschwindigkeitstrans
formator gewährleistet die Erzeugung von stabilen mechanischen Longitudinalschwingungen
mit vorgegebener Amplitude und Frequenz auf einer Querschnittsfläche, die ungefähr
der des Transformator-Eingangsendes entspricht. Die obere Grenze für die Schallschnelle
am Strahlungsende wird bei diesem Transformator nur durch die Vibrationsfestigkeit
des für seine Herstellung gewählten Werkstoffes bestimmt. Hierbei gelten die nachstehenden
Beziehungen für den Maximalquerschnitt, der nicht größer als ./2 ist, also in den
Grenzen der Genauigkeit der Webster-Gleichungen (vgl. z. B. den Beitrag von N.S.
Noskow, A.S. Swesdkin und A.D. Jakowlew Berechnung von Ultraschallschwingungs-Konzentratoren
in der Zeitschrift 'tWestnik maschinostrojenija, 1969, Nr. 10, S. 57 ... 59). Die
Größe der Strahlungsfläche ist durch potentielle Möglichkeiten des elektromechanischen
Wandlers begrenzt.
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Durch die Ausführung des sich erweiternden Kernabschnitts mit einer
Länge von k ln Nc wird der Gewinnfaktor des Schwingungstransformators, dessen Größe
etwas vom Gewinnfaktor des Konzentrators abweicht, praktisch nicht vermindert. Dafür
wird aber die Frequenzanpassung des Kernes an den Konzentrator und an den Wandler
erleichtert und die Festigkeit des Transformators erhöht. Bei Wahl einer konischen
Form für den sich erweiternden Abschnitt ergibt sich eine wesentliche Erleichterung
für
die Herstellung und die Berechnung des Geschwindigkeitstransformators.
Eine Exponentialform für den sich erweiternden Kernabschnitt gibt die Möglichkeit,
bei dem erfindungsgemäßen Geschwindigkeitstransformator die maximal möglichen Gewinnfaktorwerte
je nach dem Verhältnis der Querschnittsflächen der breiten und der schmalen Enden
der Transformatorabschnitte zu erreichen. Durch die Ausführung des'sich erweiternden
Kernabschnitts mit einer Länge, die nur vom Wert der Quadratwurzel aus dem Verhältnis
der Flächen des breiten und des schmalen Kernendes sowohl bei konischen, als auch
bei exponentialförmigen Kernen abhängt, ergibt sich die Möglichkeit, die verschiedenen
Arten von Ultraschall-Geschwindigkeitstransformatoren zu vereinheitlichen und bei
ihrer Analyse die Methode der verallgemeinerten Parameter zu benutzen, wobei die
ingenieurtechnischen Berechnungen sehr erleichtert werden und aus elementar einfachen
Rechenoperationen bestehen.
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In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung an bevorzugten
Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen: Fig.
1 bis 16 Seitenansichten in teilweise aufgeschnittener Darstellung für sechzehn
verschiedene Ausführungsformen von Ultraschall-Geschwindigkeitstransformatoren in
erfindungsgemäßer Ausbildung; Fig. 17 eine schematische Darstellung einer Einrichtung
zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen; Fig. 18 eine grafische Darstellung der
Abhängigkeit
des Amplituden-Verstärkungsfaktors M vom Kennwert
N des Geschwindigkeitstransformators; Fig. 19 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit
des reduzierten Koeffizlenten tpvom Kennwert N des Geschwindigkeitstransformators
und Fig. 20 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des elektroakustischen Wirkungsgrades
Q im System elektromechanischer Wandler - Geschwindigkeitstransformator - Belastung
vom Amplitudenwert A1 der Schwingungen am Ausgang eines Transformators mit abgestuftem
Konzentrator, kegelförmigem Ubergangsabschnitt und Exponentialkonzentrator.
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Der in Fig. 1 dargestellte Ultraschall-Geschwindigkeitstransformator
1 enthält einen Kern mit veränderlichem Querschnitt, der in Strahlungsrichtung einen
sich erweiternden Abschnitt 2 und einen Abschnitt 3 mit konstantem Querschnitt aufweist.
Das Ende des Kernabschnitts 3 ist mit einem abgestuften Konzentrator akustisch fest
verbunden, bei dem in Strahlungsrichtung ein Abschnitt 4 mit konstantem Querschnitt,
ein sich verjüngender Abschnitt 5 und ein Abschnitt 6 mit konstantem Querschnitt
aufeinanderfolgen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Querschnittsflächen
und die Formen der Abschnitte 3 und 4 gleich Der sich erweiternde Kernabschnitt
2 und der sich verjüngende Konzentratorabschnitt 5 weisen Kegelform und eine Länge
12 = k In Nc (5)
beziehungsweise l5 = 1/k ln Nk (6) auf. Hierbei
bedeuten \ = die Wellenlänge der Longitudinalschwingungen in einem Kern mit konstantem
Querschnitt ( A = 2 k = #/c = 2##/c # die Kreisfrequenz, Frequenz, c die Schallgeschwindigkeit);
Nc = d)/Do ~ Kernkennwert, der im allgemeinen als Quadratwurzel aus dem Verhältnis
von Querschnittsflächen des breiten und des schmalen Endes des sich ausbreitenden
Kernabschnitts definiert wird; Nk = d /D - Konzentratorkennwert.
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71 Die gesamte Kernlänge l2-3 entspricht der halben Wellenlänge mit
Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeitsdispersion in dem sich erweiternden Abschnitt.
Dieselbe Länge hat auch der abgestufte Konzentrator.
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Die Gesamtlänge des Geschwindigkeitstransformators beträgt l = #
.
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Dieser Geschwindigkeitstransformator wird aufgrund der Beziehungen
berechnet:
bel
In diesen Beziehungen sind M2-3= A3/Ao der Gewinnfaktor des Kernes, M4-6 = A1/A3
der Gewinnfaktor des Konzentrators, M = A1/A0 der Amplituden-Gewinnfaktor des gesamten
Geschwindigkeitstransformators, Ao die Schwingungsamplitude an der eingangsseitigen
schmalen Stirnseite des sich erweiternden Kernabschnitts 2, A3 die Schwingungsamplitude
an der Verbindungsstelle des Kernes und des Konzentrators, A1 die Schwingungsamplitude
an der Ausgangs-Stirnseite des Konzentrators.
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Auch bei gleichen Querschnittsflächen am Eingang und am Ausgang des
Geschwindigkeitstransformators wird somit in der Strahlungsrichtung ein Gewinn in
der Verschiebungsamplitude
und folglich im Amplitudenwert der
Schallschnelle erreicht.
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Die potentiellen Möglichkeiten der Geschwindigkeitstransformatoren
können bequem mit dem Verhältnis der Schwingungsenergiegrößen an ihrem Eingang und
Ausgang beschrieben werden. Dieses nachstehende Verhältnis wird reduzierter Übertragungsfaktor
genannt.
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= = w1/w0 (19) Hierbei sind WO = 0,5 S cV0² SO (20) und W1 = 0,5
# cV1²1 S1 (21) In diesen Beziehungen bedeuten WO, W1 die Schwingungsenergie am
Eingang bzw. am Ausgang des Geschwindigkeitstransformators; g - Dichte des Transformatorwerkstoffs
V0 = 2# \3 Ao und V1 =2## A1 den Amplitudenwert der Schallschnelle am Eingang bzw.
am Ausgang des Transformators; So = #/4 D²o und S1 = #/4 D²1 die ein- bzw. ausgangsseitige
Querschnittsfläche des Geschwindigkeitstransformators.
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Mit Nc = Nk = N gilt für den dargestellten Geschwindigkeitstransformator
# # N3,5 (22) und für den abgestuften Zweimal-Viertelwellen-Konzentrator #p = N²,
(23)
während für einfache, als exponential-, kegel- und kettenförmige
Stäbe ausgeführte Konzentratoren #p # N (24) ist.
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Diese Beziehungen zeigen die Vorteile eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Geschwindikeitstransformators gegenüber den bekannten Konzentratorausführungen in
bezug auf die Übertragung der Energie von elektromechanischen Wandlern großer Leistung
in die zu behandelnden Medien.
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Zur Erleichterung der Berechnungsarbeit sind in der nachstehenden
Tabelle l die Zahlenwerte für die Beziehungen (7) bis (18) aufgeführt.
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Tabelle 1 %N M2-3 M4-6 M kl2 . kl3 kl2-3 kl4 kl4-6 kl3-4 kl kl7 1,1
1,00 1,21 1,21 0,10 3,06 3,15 1,52 3,14 4,58 6,29 1,44 1,2 1,00 1,44 1,43 0,18 2,99
3,17 1,48 3,14 4,42 6,32 1,28 1,3 0,99 1,68 1,67 0,26 2,93 3,20 1,44 3,15 4,28 6,35
1,24 1,4 0,98 1,95 1,92 0,34 2,89 3,23 1,41 3,16 4,30 6,39 1,16 1,5 0,98 2,23 2,18
0,40 2,85 3,26 1,38 3,17 4,24 6,43 1,090 1,6 0,97 2,52 2,44 0,47 2,82 3,29 1,36
3,19 4,17 6,48 1,03 1,7 0,96 2,82 2,71 0,53 2,79 3,32 1,34 3,21 4,13 6,53 0,99 1,8
0,95 3,14 2,98 0,59 2,77 3,36 1,32 3,23 4,09 6,58 0,95 1,9 0,94 3,47 3,25 0,64 2,74
3,39 1,30 3,25 4,05 6,64 0,91 2,0 0,92 3,81 3,53 0,69 2,72 3,42 1,29 3,27 4,02 6,69
0,87
N M2-3 M4-6 M kl2 kl3 kl2-3 kl4 kl4-6 kl3-4 kl kl7 2,1 0,91
4,16 3,80 0,74 2,70 3,45 1,28 3,30 3,99 6,75 0,84 2,2 0,90 4,52 4,08 0,79 2,69 3,48
1,27 3,23 3,96 6,80 0,81 2,3 0,89 4,89 4,36 0,83 2,67 3,50 1,26 3,35 3,93 6,86 0,79
2,4 0,88 5,27 4,64 0,88 2,66 3,53 1,25 3,38 3,91 6,91 0,77 2,5 0,87 5,65 4,92 0,92
2,64 3,56 1,24 3,41 3,89 6,96 0,74 2,6 0,86 6,04 5,19 0,96 2,63 3,58 1,24 3,44 3,87
7,02 0,72 2,7 0,85 6,44 5,47 0,99 2,61 3,60 1,24 3,46 3,85 7,07 0,71 2,8 0,84 6,84
5,74 1,03 2,60 3,63 1,23 3,49 3,87 7,12 0,69 2,9 0,83 7,25 6,02 1,06 2,59 3,65 1,23
3,52 3,81 7,17 0,67 3,0 0,82 7,66 6,28 1,10 2,57 3,69 1,22 3,55 3,80 7,22 0,66 3,1
0,81 8,08 6,55 1,13 2,56 3,71 1,22 3,58 3,79 7,27 0,64 3,2 0,80 8,50 6,82 1,16 2,55
3,71 1,22 3,60 3,77 7,32 0,63 3,3 0,79 8,92 7,08 1,19 2,54 3,73 1,22 3,63 3,78 7,37
0,62 3,4 0,78 9,35 7,34 1,22 2,53 3,75 1,22 3,66 3,75 7,41 0,61 3,5 0,78 9,78 7,60
1,25 2,52 3,77 1,22 3,68 3,74 7,46 0,59 3,6 0,77 10,22 7,85 1,28 2,51 3,79 1,22
3,71 3,73 7,50 0,58 3,7 0,76 10,65 8,10 1,31 2,50 3,81 1,22 3,74 3,71 7,55 0,57
3,8 0,75 11,09 8,35 1,34 2,49 3,82 1,22 3,76 3,70 7,59 0,56 3,9 0,74 11,53 8,59
1,36 2,48 3,84 1,22 3,79 3,70 7,63 0s55 5,0 0s74 11,97 8,83 1,39 2,47 3,86 1,22
3,82 3,69 7,68 0,54 Die Tabelle 1 ermöglicht die Bestimmung von Gewinnfaktoren und
Längen einzelner Transformatorabschnitte mit Nc = Nk = N. Ist Nc # Nk, so findet
man die gesuchten
Werte für die Kernabschnitte 2 und 5 und die
Konzentratorabschnitte 4, 5 und 6 in verschiedenen Zeilen, die den vorgegebenen
Werten Ne und Nk entsprechen.
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Aus der Tabelle 1 kann man ersehen, daß die Länge des Abschnitts
3 mit konstantem Querschnitt annähernd gleich der halben Wellenlänge der Longitudinalschwingungen
ist und bei Vergrößerung von Ne kleiner wird.
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Gleichzeitig verringert sich auch die Länge des Konzentratorabschnitts
4. Die Maximallänge dieses Abschnitts ist 14max = Ä/4.
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Die beschriebene Ausführung des Geschwindigkeitstransformators gewährleistet
gute Frequenzanpassung, hohe Festigkeit des Transformators sowie Übereinstimmung
seiner berechneten und experimentell ermittelten Parameter.
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In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform für einen Geschwindigkeitstransformator
dargestellt, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist.
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Der Unterschied liegt hier nur darin, daß die Länge des Konzentratorabschnitts
4 mit konstantem Querschnitt um die halbe Wellenlänge kleiner gewählt ist. Dabei
erfüllt ein Teil des in Fig. 1 gezeigten Kernabschnitts mit konstantem Querschnitt
die Konzentratorfunktion. Der sich somit ergebende Abschnitt 7 (Fig. 2) hat bei
| N0 = Nk = N die Länge |
| ciI' cd |
| 2 X |
| k i 7;)61 y w7,yeA'v |
Die übrigen Abmessungen und der Gesamtgewinnfaktor entsprechen
den Beziehungen (7) bis (18). In der vorstehenden Tabelle 1 ist die nach der Beziehung
(25) berechnete Länge des Abschnitts 7 angegeben.
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Die beschriebene Aus führungs form des Geschwindigkeitstransformators
mit einer Länge, die der halben Wellenlänge mit Berücksichtigung der Dispersion
entspricht, weist die Kenndaten auf, die den Charakteristiken des in Fig. 1 gezeigten
Transformators entsprechen.
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Fig. 5 zeigt eine dritte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1, die der oben beschriebenen Ausführungsform wiederum sehr ähnlich ist.
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Der Unterschied liegt dabei darin, daß die Länge des Abschnitts 4
des in Fig. 1 gezeigten Konzentrators um eine ganze Zahl von Halbwellen der Longitudinalschwingungen
vergrößert ist. Wie bei der zweiten Ausführungsform beeinflußtdiese Maßnahme die
Daten des Transformators in keiner Weise, sie führt aber zu einer wesentlichen Vergrößerung
der Seitenfläche. Bei Querschnittsabmessungen für die Abschnitte 5 und 8 mit konstantem
Querschnitt, die ungefähr ) /4 ... A /2 betragen, weist die Ultraschallabstrahlung
von der Seitenfläche in Flüssigkeit eine beträchtliche Leistung auf, die 50 bis
60 ffi der gesamten vom Transformator übertragenen Leistung ausmacht.
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Die Länge des durch die Konzentratorverlängerung entstandenen Abschnitts
8 (Fig. 5) mit konstantem Querschnitt ist 18 = n /2 + 14 (26)
Die
Werte für 14 sind in der vorstehenden Tabelle 1 angegeben, und n ist eine ganze
Zahl von eins bis unendlich.
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In Fig. 4 ist auch eine vierte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 dargestellt.
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Der Unterschied besteht dabei darin, daß der Kernabschnitt 5 (Fig.
4) und der Konzentratorabschnitt 4 verschiedene Querschnittsgrdßen aufweisen. Dadurch
werden in vielen Fällen der Einbau des Transformators und seine Auswechselung erleichtert.
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Die Berechnung dieser Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
erfolgt nach den Beziehungen (7) bis (18) oder (26), oder nach Angaben der Tabelle
1 unter Benutzung verschiedener Tabellenzeilen.
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Eine fünfte ähnlich der vorstehenden Ausführung aufgebaute Ausführungsform
für einen Geschwindigkeitstransformator unterscheidet sich von dieser dadurch, daß
der sich erweiternde Kernabschnitt 9 (Fig. 5) und der sich verjüngende Konzentratorabschnitt
12 Exponentialform aufweisen. Dadurch können praktisch maximal mögliche Gewinnfaktoren
beim gegebenen Kennwert N erreicht werden.
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Dieser Geschwindigkeitstransformator wird nach folgenden Beziehungen
berechnet:
Zur Erleichterung der Berechnung sind in der nachstehenden Tabelle 2 die Zahlenwerte
für die Beziehungen (27) bis (38) aufgeführt.
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Tabelle 2.
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N M9-10 M11-13 M kl9 kl 10 kl9-10 kl11 kl11-13 kl10-11 kl kl14 1,00
1,00 1,00 1,00 0,00 3,14 3,14 1,57 3,14 4,71 6,28 1,57 1,25 1,00 1,56 1,55 0,22
2,96 3,18 1,46 3,14 4,42 6,32 1,28 1,50 0,98 2,23 2,19 0,40 2,84 3,24 1,38 3,16
4,22 6,40 1,08 1,75 0,97 2,98 2,88 0,56 2,75 3,31 1,32 3,20 4,09 6,50 0,95 2,00
0,95 3,82 3,62 0,69 2,68 3,37 1,27 3,23 3,95 6,60 0,81 2,25 0,93 4,72 4,39 0,81
2,62 3,43 1,23 3,27 3,85 6,70 0,71 2,50 0,92 5,68 5,19 0,92 2,57 3,48 1,20 3,32
3,77 6,80 0,63 2,75 0,90 6,69 6,02 1,01 2,52 3,53 1,18 3,37 3,70 6,89 0,56 3,00
0,88 7,75 6,87 1,10 2,48 3,58 1,16 3,42 3,64 6,99 0,50 3,25 0,87 8,85 7,75 1,18
2,44 3,62 1,14 3,46 3,58 7,08 0,44 3,50 0,86 10,00 8,66 1,25 2,41 3,66 1,12 3,49
3,53 7,16 0,39 3,75 0,86 11,17 9,59 1,32 2,38 3,70 1,11 3,54 3,49 7,24 0,35 4,00
0,80 12,38 10,54 1,39 2,35 3,73 1,10 3,59 3,45 7,32 0,31 Mit Hilfe der Tabelle 2
kann man Gewinnfaktoren und Längen einzelner Transformatorabschnitte bei Nc = Nk
= N berechnen. Ist Nc # Nk, so findet man die gesuchten Werte fUr die Kernabschnitte
9, 10 und Konzentratorabschnitte 11, 12, 13 in verschiedenen Zeilen, die den vorgegebenen
Werten von Nc und Nk entsprechen.
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Fig. 6 zeigt eine sechste Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1, die der oben beschriebenen Ausführung ähnlich ist.
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Sie unterscheidet sich nur dadurch, daß die Länge des Konzentratorabschnitts
11 um eine halbe Wellenlänge kleiner gewählt ist. Dabei erfüllt ein Teil des Kernabschnitts
10 gleichzeitig die Konzentratorfunktion. Der dabei entstandene Abschnitt 14 (Fig.
6) hat bei Nc = Nk = N die Länge:
Die übrigen Abmessungen und der Gesamt-gewinnfaktor entsprechen den Beziehungen
(26) bis (58). In der vorstehenden Tabelle 2 ist die nach der Beziehung ()9) berechnete
Länge des Abschnitts 14 angegeben.
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Die Länge des in Fig. 5 gezeigten Konzentratorabschnitts 11 kann
um eine ganze Zahl von Halbwellen der Longitudinalschwingungen vergrößert werden:
lll = 111 + n h /2 (40) Eine siebente ähnlich ausgeführte Ausführungsform für den
Geschwindigkeitstransformator 1 unterscheidet sich von der oben beschriebenen dadurch,
daß der abgestufte Konzentrator in der Strahlungsrichtung einen Abschnitt 4 (Fig.
7) mit konstantem Querschnitt und einer Länge von ungefähr (2n - 2) # /4 sowie einen
sich verjüngenden Abschnitt 5 mit einer Länge von k ln Nk aufweist.
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Die Länge 13 4 des mittleren Abschnitts mit konstantem Querschnitt
wird aus einer der Beziehungen (13), (25), (26), (55), (39) oder (40) bestimmt.
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Der Gewinnfaktor für diesen Transformator beträgt eins. Der Transformator
kann zur Ultraschallübertragung vom Wandler zu einem von ihm entfernten Verbraucher
benutzt werden. Gegenüber dem Kern mit konstantem Querschnitt und mit Resonanzlänge
weist dieser Transformator ein geringeres Gewicht auf. Die erwähnte Ubertragungsart
ist bei einem die Seitenfläche umgebenden Gasmedium oder beim Vakuum günstig. Wenn
erforderlich, können mehrere Transformatoren miteinander verbunden werden.
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Die Anwendung der zuletzt beschriebenen AusfUhrungsform für einen
Geschwindigkeitstransformator kann auch bei Beschallung von ausgedehnten Objekten,
z. B. langen Rohren von Vorteil sein. Dabei wird mittels einer der beschriebenen
Ausführungsformen des Transformators nach Fig. 1 bis 6 der erforderliche Gewinnfaktor
erreicht, w9-bei die Benutzung der Ausstrahlung von den Seitenflächen des in Fig.
7 dargestellten Transformators in der Flüssigkeit die Erzeugung von ausgedehnten
Kavitationszonen im Haum zwischen dem zu beschallenden Objekt und dem Transformator
ermöglicht. Die Behandlung des Objekts mit der größten Amplitude wird in der Zone
des schmäler werdenden Konzentratorabschnitts 5, 12 erreicht.
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In Fig. 8 ist eine achte ähnliche Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 dargestellt.
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Sie unterscheidet sich nur dadurch, daß der Kern zusätzlich einen
Abschnitt 15 (Fig. 8) mit konstantem
Querschnitt und mit Resonanzlänge
bezogen auf den longitudinalen Schwingungsmode aufweist. Das Ende dieses Abschnitts
ist mit dem schmalen Ende des sich erweiternden Kernabschnitts fest verbunden.
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Diese Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator 1 erleichtert
seinen Anschluß an den Wandler und ergibt eine schwächere Seitenstrahlung bei der
Ultraschallübertragung vom Wandler zu einem von ihm entfernten Verbraucher.
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Bei einer neunten Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 liegt der Unterschied zu den oben beschriebenen darin, daß die Länge des Konzentratorabschnitts
16 (Fig. 9) einer Viertelwellenlänge entspricht. Dies erleichtert den Anschluß des
Geschwindigkeitstransformators 1 an eine Apparatur 17 mit Hilfe einer Flanschhalterung
18, die an der Verbindungsstelle des Abschnitts 16 mit konstantem Querschnitt und
des sich verjüngenden Konzentratorabschnitts 12 vorgesehen ist. Dabei ist 116 =
N,'4 - 118 und l18< #/20k.
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Bei dieser Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 weist der Konzentrator einen dem Abschnitt 15 (Fig. 5! ähnlichen Abschnitt 19
mit konstantem Querschnitt auf. Die Länge des Abschnittes 19 (Fig. 9) weicht aber
von der Länge des erwähnten Abschnitts 15 (Fig. 5) ab.
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Ein derartiger Geschwindigkeitstransformator wird mit Hilfe folgender
Beziehungen berechnet:
Zur Erleichterung der Berechnungen sind in der nachstehenden Tabelle 3 die Zahlenwerte
für die Beziehungen (41) bis (51) bei Nc = Nk = N aufgeführt.
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Tabelle 3.
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N M9-10 M11-18 M kl9 kl10 kl0 kl 1,0 1,00 1,00 1,00 0,00 3,14 1,57
6,28 1,25 1,00 1,55 1,55 0,22 2,96 1,39 6,36 1,50 0,98 2,19 2,16 0,40 2,84 1,29
6,51 1,75 0,97 2,90 2,80 0,56 2,75 1,23 6,66 2,00 0,95 3,66 3,47 0,69 2,68 1,18
6,82 2,25 0,93 4,48 4,15 0,81 2,62 1,15 6,96 2,50 0,92 5,31 4,85 0,92 2,57 1,12
7,09 2,75 0,90 6,19 5,57 1,01 2,52 1,10 7,21 3,00 0,88 7,11 6,30 1,10 2,48 1,09
7,34 3,25 0,87 8,05 7,05 1,18 2,44 1,08 7,45 3,50 0,86 9,02 7,81 1,25 2,41 1,06
7,55 3,75 0,86 10,01 8,60 1,32 2,38 1,05 7,64 4,00 0,86 11,03 9,40 1,39 2,35 1,04
7,74 Fig. 10 zeigt eine zehnte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1.
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Der Unterschied dieses Geschwindigkeitstransformators besteht darin,
daß in diesem Transformator ein axialer Durchgangskanal 20 (Fig. 10) sowie Querkanäle
21 vorgesehen sind, die es ermöglichen, die zu behandelnden flüssigen Medien durch
die erwähnten Kanäle 20 und 21 der Ausgangsstirnseite des Geschwindigkeitstransformators
1 zuzuführen.
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Eine den beschriebenen Ausführungen ähnlich aufgebaute elfte Ausführungsform
für den Geschwindigkeitstransformator
1 unterscheidet sich dadurch,
daß der Abschnitt mit konstantem Querschnitt eine zusätzliche Schwingungsquelle
in der Art von ringförmigen piezoelektrischen Wandlern 22 (Fig. 11) aufweist, die
miteinander über Metallzwischenlagen (Elektroden) 25 verbunden sind. Die piezoelektrischen
Wandler 22 sind mittels einer Stiftschraube zusammengespannt und an einen vom Hauptgenerator
gespeisten Anpassungstransformator angeschlossen, der auch den elektromechanischen
Hauptwandler erregt. Die Stiftschraube, der Anpassungstransformator und der Generator
sind in der Zeichnung nicht gezeigt.
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Diese Ausführungsform des Geschwindigkeitstransformators gibt die
Möglichkeit, die Seitenstrahlungsverluste zu kompensieren und Schwinger mit ausreichender
Länge zur Behandlung von ausgedehnten Objekten zu schaffen.
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In Fig. 12 ist eine zwölfte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 dargestellt.
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Ihr Unterschied besteht darin, daß an der Ausgangsstirnseite des
Geschwindigkeitstransformators 1 lange flexible Wellenleiter 24 (Fig. 12) starr
befestigt sind, die man aus hartem Draht herstellt. Bei Erregung dieser Wellenleiter
24 bis zu einer Schwingungsamplitude, die zur Störung ihrer stabilen Lage führt,
vollführen sie Biegeschwingungen, die eine intensive Ultraschallbeeinflussung des
umgebenden Mediums bewirken.
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Eine dreizehnte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
l unterscheidet sich dadurch, daß mit der Ausgangsstirnseite des Geschwindigkeitstransformators
1
ein kegelförmiger Konzentrator 25 (Fig. l)) mit-Resonanzlänge
fest verbunden ist. Dadurch lassen sich Amplitudenwerte der Schallschnelle erreichen,
die um das Mehrfache höher als die maximal zulässigen Werte für Kerne mit konstantem
Querschnitt liegen.
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Fig. 14 zeigt eine vierzehnte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1, die den beschriebenen Varianten ähnlich ist.
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Ihr Unterschied besteht darin, daß der mittlere Abschnitt des in
Fig. 5 dargestellten Geschwindigkeitstransformators 1 zusätzlich mit dünnen Platten
26 (Fig. 14) ausgestattet ist, die an Knoten- und Bauchstellen der stehenden Welle
befestigt solid. Die Maximaldicke der in den Stehwellenbäuchen befindlichen Platten
darf nicht den Wert l\i/20k und der in den Knoten befestigten Platten den Wert von
lX /40k überschreiten. Dadurch wird die Behandlung großer Volumina infolge der Erregung
von Biegeschwingungen in den erwähnten Platten 26 und 27 möglich.
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In Fig. 15 ist eine fünfzehnte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1 dargestellt.
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Ihr Unterschied liegt darin, daß an die Ausgangsstirnseite des Geschwindigkeitstransformators
1 mit Hilfe von Viertelwellenabschnitten 28 (Fig. 15) Platten 26 und 27 angeschlossen
sind. Dadurch wird die Behandlung großer Volumina mit vergrößerten Amplituden der
Ultraschall-Schwingungen möglich.
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Eine sechzehnte Ausführungsform für den Geschwindigkeitstransformator
1
unterscheidet sich durch die Verbindung zweier nacheinanderfolgender Geschwindigkeitstransformatoren
1, was eine Amplitudenverstärkung für die Schallschnelle um mehrere zehn Mal ergibt.
-
Bei Benutzung aller Ausführungsformen für den Geschwindigkeitstransformator
1 in Einrichtungen, die z. B.
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zum Reinigen, Schweißen oder Dispergieren bestimmt sind, wird die
schmale Stirnseite des sich erweiternden Kernabschnitts 2 (Fig. 17) fest mit der
Ausgangsstirnseite des elektromechanischen Wandlers 29 verbunden, der von einem
zur Erzeugung harmonischer elektrischer Schwingungen bestimmten Generator SO erregt
wird.
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Der dargestellte Ultraschall-Geschwindigkeitstransformator arbeitet
wie folgt.
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Das Ausgangsende des Transformators 1 (Fig. 17) ist mit dem Ausgang
des elektromechanischen Wandlers 29 akustisch fest verbunden. Zur Gewährleistung
der Erregung des Geschwindigkeitstransformators 1 darf seine Eigenfrequenz nur unwesentlich
vonr Resonanzfrequenz des Wandlers 29 abweichen. Eine größere Frequenzverstimmung
des Transförmators 1 gegenüber dem Wandler 29 (z. B. um mehrere Hundert Hertz) wird
durch Verkürzung des Abschnitts 5 mit konstantem Querschnitt beseitigt, wenn seine
Eigenfrequenz unter der Resonanzfrequenz des Wandlers 29 liegt.
-
Im Gesöhwindigkeitstransformator 1 werden longitudinale Stehwellen
erregt. Ein kleiner Teil der Energie dieser Wellen, der die potentielle Leistung
des elektromechanischen Wandlers nicht überschreitet, kann in die Umgebung ausgestrahltywerden.
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Ein wesentlicher Vorteil des dargestellten Geschwindigkeitstransformators
1 ist eine Verkleinerung der Amplitude der Longitudinalschwingungen in den mittleren
Transformatorzonen. Der sich erweiternde Kern hat einen Amplitudenverstärkungsfaktor,
der etwas unter Eins liegt, dabei pflanzt sich die Welle über Abschnitte mit größerem
Querschnitt fort. All dies verringert die Vibrationsspannungen und erhöht die Standfestigkeit
sowie die Lebensdauer des Geschwindigkeitstransformators gegenüber den be- -kannten
Typen von Ultraschallkonzentratoren. Gleichzeitig weist dieser Geschwindigkeitstransformator
eine bedeutende mechanische Festigkeit auf und kann zur Beeinflussung von Stoffen
durch Kraft z. B. beim Pressen, Extrudieren, Spritzen benutzt werden.
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ähnlich ist das Arbeitsprinzip auch bei den übrigen Ausführungsformen
für den Geschwindigkeitstransformator 1.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise des Geschwindigkeitstransformators
ist in Fig. 18 die Abhkngigkeit des Gewinnfaktors M vom Kennwert N (Nc = Nk = N)
grafisch dargestellt, wobei entlang der Ordinatenachse die Werte von M und entlang
der Abszissenachse die Kennwerte N aufgetragen sind. In dieser grafischen Darstellung
bezieht sich die Kurve "a" auf die Geschwindigkeitstransformatoren nach Fig. 1,
2 und 5 und die Kurve b auf die in Fig. 5 und 6 gezeigten Transformatoren. Bei Berechnung
wird die Leistung der von Radialschwingungen erzeugten Seitenstrahlung gleich Null
angenommen.
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In Fig. 19 ist die Abhängigkeit des reduzierten Ubertragungsfaktors
itp R des Geschwindigkeitstransformators von seinem Kennwert N grafisch dargestellt,
wobei entlang der Ordinatenachse der reduzierte Ubertragungsfaktor tp und entlang
der Abszissenachse die Kennwerte N aufgetragen sind.
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Die in Fig. 19 gezeigten Kurven entsprechen denselben Ausführungsformen
wie in Fig. 18.
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Aus dem Vergleich der Kurven "a" und "b" von Fig. 18 und 19 ist ersichtlich,
daß die Gewinnfaktoren und die reduzierten Ubertragungsfaktoren der in Betracht
kommenden Ausführungsformen, die für den Geschwindigkeitstransformator gemäß der
Erfindung am meisten typisch sind, im Gebiet der größten Kennwerte N nur geringe
Unterschiede aufweisen. Praktisch werden gerade diese Kennwerte benutzt, und gewöhnlich
ist N S 2...), da sonst die Gefahr eines Verlustes der Querstabilität entsteht.
Bei Vergrößerung von N wird außerdem auch der Durchmesser des Mittelabschnitts mit
konstantem Querschnitt größer, was zur Verletzung der Bedingungen von Gleichungen
führt, die den Schwingungsvorgang beschreiben. Wenn sehr hohe Gewinnfaktoren erforderlich
sind, verwendet man Geschwindigkeitstransformatoren 1 in Hintereinanderverbindung,
wie dies in Fig. 16 gezeigt wurde.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Geschwindigkeitstransformatoren
weisen keine sprunghaften Querschnittsänderungen auf, die für abgestufte Konzentratoren
kennzeichnend sind. Als Ubergangsabschnitte dienen kegelförmige oder exponentialförmige
Abschnitte, die eine gleichmäßige Wellenverteilung auf dem gesamten Querschnitt
ermöglichen.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Geschwindigkeitstransformatoren
gestatten es, die potentiellen Möglichkeiten von elektromechanischen Wandlern auch
mit größter Leistung maximal auszunutzen. Zur Bestätigung dieser Tatsache
sind
in Fig. 20 die experimentell ermittelten Werte des elektroakustischen Wirkungsgrades
t im System elektromechanische Wandler - Geschwindigkeitstransformator - Wasser
in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude A1 einer in Wasser eingetauchten Strahlungsfläche
angegeben. Der elektroakustische Wirkungsgrad wurde als das Verhältnis der in die
Flüssigkeit eingeführten Leistung zu der vom Netz verbrauchten Leistung bestimmt.
Die in die Flüssigkeit eingeführte akustische Leistung wurde mit Hilfe der Kalorimetrie
bestimmt. Entlang der Ordinatenachse von Fig. 20 ist der elektroakustische Wirkungsgrad
V und entlang der Abszissenachse die Schwingungsamplitude A1 der Strahlungsfläche
bei der Schwingungsfrequenz von 18 kHz aufgetragen.
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In der grafischen Darstellung bezieht sich die Kurve "a" auf den
in Fig. 1 gezeigten Geschwindigkeitstransformator, die Kurve "c" auf den abgestuften
Konzentrator mit kegelförmigem Ubergangsabschnitt und die Kurve "d" auf den Exponentialkonzentrator.
Die Gerade "e" zeigt den maximal möglichen Wirkungsgrad des benutzten Wandlers und
den Wert des elektroakustischen Wirkungsgrades für den in Fig. 16 dargestellten
Transformator. Die erwähnten Geschwindigkeitstransformatcren wurden mit den Durchmessern
von Do = D1 = 65 mm hergestellt, die gleich dem Durchmesser der Ausgangsstirnseite
des Wandlers waren. Die Konzentratoren wurden mit dem Durchmesser der Eingangsstirnseite
von Do = 65 mm gefertigt.
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Aus dem Diagramm ist ersichtlich, daß die bekannten Konzentratorausführungen
(der abgestufte und der Exponentialkonzentrator) Werte für den elektroakustischen
Wirkungsgrad tt ergeben, die vielfach kleiner sind als die potentiell
möglichen
Größen. Die erfindungsgemäß ausgebildeten Geschwindigkeitstransformatoren gestatten
es, die potentiellen Möglichkeiten des elektromechanischen Wandlers praktisch voll
auszunutzen.
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Zu bemerken ist, daß die Größe V als # = # .#1 . #2 . #3 (52) definiert
werden kann. Hierbei ist t der Ubertragungs faktor des Transformators oder des Konzentrators
( # # 1 für den Transformator nach Fig. 16), und #1, 2 25 sind Wirkungsgradwerte
für den Generator, den Wandler bzw. den Geschwindigkeitstransformator (tls 0,5 ...
0,9; 2 ~ 0,3 ... 0,9; #3 = 0,9 ... 0,99). Bei Anderung von Y1 spielt der übertragungsfaktor
des Geschwindigkeitstransformators die Hauptrolle, dessen Wert von der Größe der
Strahlungsfläche, von der Schwingungsamplitude auf dieser Fläche und von der Art
des umgebenden Mediums abhängt.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Geschwindigkeitstransformatoren
ermöglichen gleichzeitig eine Änderung der Teilchenversetzungsamplitude und eine
Vergrößerung der Strahlungsfläche, wobei Maximalwerte für den elektroakustischen
Wirkungsgrad erreicht werden. Sie gestatten weiter die Erzeugung von akustischen
Schwingungen mit großer Leistung und vorgegebener Frequenz in einem Intensitätsbereich
von Bruchteilen bis zu Hunderten W/cm2 bei maximaler Ausnutzung der Leistung W des
elektromechanischen Wandlers. Ein bedeutender Vorteil dieser Geschwindigkeitstransformatoren
ist die Möglichkeit, ihre Länge in einem breiten Bereich zu ändern. Die minimale
Länge
des Transformators entspricht einer halben Wellenlänge mit
Berü9ksichtigung der Dispersion und stimmt ungefähr mit der Länge der am meisten
verbreiteten Konzentratoren mit der Exponential-, Kegel- und Kettenflächenform überein.
Dank einer bedeutenden Vergrößerung der Schwingungsamplitude ohne Änderung der Strahlungsfläche
oder mit deren kleinen Erweiterung oder Verkleinerung können die Geschwindigkeitstransformatoren
eine weitgehende Verwendung sowohl in der Industrie als auch bei labormäßigen Untersuchungen
finden.
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L e e r s e i t e