DE2637373A1

DE2637373A1 - Vorrichtung zur erzeugung von oberflaechenwellen in einem fluessigkeitskoerper

Info

Publication number: DE2637373A1
Application number: DE19762637373
Authority: DE
Inventors: Stephen Hugh Salter
Original assignee: University of Edinburgh
Current assignee: University of Edinburgh
Priority date: 1975-08-20
Filing date: 1976-08-19
Publication date: 1977-03-03
Also published as: JPS5226247A; FR2321338A1; DE2637373C2; FR2321338B3; JPS5913691B2; NL7609318A; US4170898A

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ, FINSTERWALD & GRÄMKOW

München, den 19.8.76 S/2/Sv-U 2004

THE UNIVERSITY COURT OF THE UNIVERSITY OP EDIHBUEGH 14 George Square, Edinburgh EH8 9JZ, Schottland

Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem

Flüssigkeitskörper

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper.

Modelle von Schiffen, Ölanlagen und Hafeneinrichtungen werden mit Modellwellen in einem Testtank getestet und die Vorrichtur^rjzur Erzeugung dieser Wellen bilden einen wesentlichen Teil der Ausrüstung in dem Testtank.

Es gibt drei allgemein bekannte Arten von Wellenerzeugungsvorrichtungen, nämlich Klappen, Kolben und Keile, die in schematischer Form in den Pig. 1a, 1b und 1c der Zeichnung dargestellt sind. Die Wirkungsweise einer jeden dieser Vorrichtungen und der ihr gegebene beschreibende !"ame ergeben sich unmittelbar aus der Betrachtung der Fig. 1a, 1b und 1c, wobei die Pfeile in jeder Figur die Art und Weise angeben, in der jede der Verschiebungsvorrichtungen bewegt wird, um die Wellen zu erzeugen. Bei jedöa dieser bekannten Typen

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DR. C. MANITZ · DIPL.-ING. M. FINSTERWALD D [ P L. - I N G . W. G R A M K O W ZENTRALKASSE BAYER. VOLKSBANKEN

MÖNCHEN 22. ROBERT-KOCH-STR ASSE I 7 STUTTGA KT SO (BAD CANNSTATT) MÖNCHEN. KONTO-NUMMER 7270

TEL. (089) 22 42 11. TELEX OS-29672 PATMF SEELBERGST^i. 23/25. TEL. (0711)56 72 61 POSTSCHECK: MÖNCHEN 77062-805

ist die Verschiebungsvorrichtung mit einer Antriebsvorrichtung verbunden und wird von dieser bewegt. Die einfachste Antriebsvorrichtung ist ein sich kontinuierlich drehender elektrischer Motor und eine Kurbel. Fig. 1a zeigt ein Beispiel einer Antriebsvorrichtung in der Form eines Motors und einer Kurbel. Bei den bekannten Anordnungen, die eine aus einem Motor und einer Kurbel bestehende Antriebsvorrichtung verwenden, wird die Wellenperiode durch die Motorgeschwindigkeit eingestellt und der Hubbereich der Verdrängungsanordnung wird durch die Kurbelexzentrizität eingestellt. Es ist möglich, die Verschiebungsvorrichtung und den Motor mittels eines Verbindungsgestänges zu verbinden, das eine Einstellung des Hubs ermöglicht, ohne daß der Motor angehalten wird, und in Fällen, in denen es wünschenswert ist, daß die Vorrichtung in der Lage ist, irgendeinen Wellentyp aus einem gewünschten Spektrum zu erzeugen, kön- . nen kompliziertere Verbindungsvorrichtungen verwendet werden, die hydraulische Betätigungs- und Servosysteme umfassen.

Bei all diesen bekannten Anordnungen wird die Stellung der Verdrängungsvorrichtung von der Antriebsvorrichtung gesteuert und innerhalb der Grenzen der Festigkeit der mechanischen Teile und des Antriebs stellt die Wasser-Verdrängungsvorrichtung einen nicht nachgebenden Körper dar, der schnell angetrieben wird. Das hat die nachteilige Wirkung, daß, wenn die Vorrichtung in einem Testtank verwendet wird, im allgemeinen Wellen, die zur Verdrängungsvorrichtung zurückreflektiert werden, sich so verhalten, als ob sie beispielsweise eine senkrechte Klippenoberfläche treffen wurden, und werden von dieser mit einem Reflexionskoeffizienten reflektiert, der nahezu gleich Eins ist. Derart reflektierte Wellen treffen auf neue, von der Vorrichtung produzierte Wellen und dies führt zu einer unerwünschten

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Instabilität im Wellenmuster in dem Tank. Selbst wenn die Verdrängungsvorrichtung nicht angetrieben wird, "benötigt die Flüssigkeitsoberflache im Testtank eine lange Zeit, um sich zu "beruhigen, da die "Verdrängungsvorrichtung sich immer noch wie eine senkrechte Klippe verhält.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung von Wellen in einem IFlüssigkeitskörper zu schaffen, die eine mit einer Antriebs-Bewegungsvorrichtung verbundene Verdrängervorrichtung aufweist, sich jedoch hinsichtlich reflektierter Wellen nicht wie ein nicht nachgebender Körper wie z.B. eine senkrechte Klippe verhält.

Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem I¹IUssigkeitskörper vorgesehen, die folgende Teile umfaßt: einen IPlüssigkeitsverdränger, eine Vorrichtung zur Vor- und Rückbewegung des Verdrängers, um die Wellen in dem Flüssigkeitskörper zu erzeugen, eine Vorrichtung zum Bedampfen des Verdrängers, so daß er sich im Betrieb wie ein gedämpftes System verhält, bei dem die auf den Verdränger einwirkende Kraft und seine Bewegung miteinander in Phase bzw. im wesentlichen miteinander in Phase liegen.

Vorzugsweise wird die Dämpfung durch eine Vorrichtung ausgeübt, die die momentane resultierende Kraft, die auf den Verdränger einwirkt, mißt und ein erstes Antriebssignal in Abhängigkeit hiervon erzeugt, das dazu dient, die Bewegungsvorrichtungen anzutreiben, und durch eine Vorrichtung, die die momentane Geschwindigkeit des Verdrängers mißt, und ein zweites Antriebssignäl erzeugt, das vom ersten Signal abgezogen wird, um auf diese Weise die Dämpfung auf den Verdränger auszuüben. .

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Vorzugsweise wird auch eine Differenziervorrichtung verwendet, die aus dem... zweiten Signal ein Signal erzeugt, das repräsentativ für die momentane Beschleunigung des Verdrängers ist, und dieses Signal wird ebenfalls von dem ersten Antriebssignal abgezogen, damit sich auf diese Weise das System so verhält, als ob seine Trägheit stark verringert wäre.

auch noch
Vorzugsweise wird/ein weiteres Signal von dem zweiten Signal mit Hilfe einer Integrationsvorrichtung abgeleitet und dieses Signal wird ebenfalls vom ersten Signal abgezogen, so daß sich das System so verhält, .als ob die ihm eigene Federsteifheit stark verringert wäre.

Diese Anordnungen tragen dazu bei, daß sich der Verdränger im Betrieb so bewegt, als ob er ein perfektes, gedämpftes, hinsichtlich der Kraft und der Geschwindigkeit in Phase befindliches System wie z.B. ein Kolben mit verschwindender Trägheit wäre, der in einem Dämpfungszylinder betrieben und von einer Feder mit niederer Steifigkeit geführt wird, was ein System darstellt, durch das Energie einem Flüssigkeitskörper zugeführt und entnommen werden kann, und daß der Verdränger, da seine Geschwindigkeit mit der auf ihn einwirkenden Kraft in Phase liegt, effektiv zu keiner Zeit für z.B. reflektierte Wellen einen nicht nachgebenden Gegenstand darstellt. Auch ist die zum Antrieb der Bewegungsvorrichtung erforderliche Energie weit geringer, als wenn der Verdränger ohne Verwendung der die Kraft und die Geschwindigkeit in Phase bringenden Anordnung einfach vor- und zurückbewegt würde. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß besser vorhersagbare und stabilere Wellenkonfigurationen in dem Tank erzeugt werden können.

•Die Meß- bzw. kühlvorrichtungen der Anordnung sind vorzugsweise elektrische Meßwertgeber , die mit einer elektrischen Steuerschaltung verbunden sind, welche Leistungsver-

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stärker mit Ausgängen von einigen Hundert Watt, beispielsweise bis hin zu einem Kilowatt umfaßt, während die Bewegungsvorrichtungen einen elektrischen Motor, bequemerweise eine]|. mit einer niederen Betriebsträgheit umfassen. Ein besonders ^geeigneter Motor ist ein Motor mit gedrucktem Anker, der über ein Reduktionsgetriebe so als Antriebsvorrichtung wirkt, daß sich vom Motor zum Verdränger eine Gesamt-Geschwindigkeitsverringerung in der Größenordnung von 150:1 ergibt.

Es ist wünschenswert, daß der Aufbau des Flüssigkeitsverdrängers es ermöglicht, die auf ihn einwirkende Kraft einschließlich der auf ihn von den Wellen ausgeübten Kraft genau zu messen. Das bedeutet, daß Kolben und Klappen für die Erfindung nicht sehr gut geeignet sind, da bei beiden auf jeder Seite des Verdrängers Wellen erzeugt und die auf der einen Seite erzeugten Wellen nicht verwendet werden. Es ist schwierig, die translätorische Zwangsbewegung des gleitenden Keils reibungsfrei zu machen und daher ist seine Verwendung in der Erfindung nur beschränkt möglich. Weiterhin erzeugen sowohl der Kolben als auch der Keil die gleiche Verschiebung in verschiedenen Tiefen, was dazu führt, daß das Wasser sich so verhält, als ob es eine größere Trägheit besitzen würde.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrnngsform bewegt daher die Bewegungsvorrichtung den Flüssigkeitsverdränger in einer zyklischen Weise und passenderweise ist der Flussigkeitsverdränger so befestigt, daß er sich um eine Achse bzw. Welle dreht, die im Gebrauch etwas unterhalb des ruhigen Oberflächenniveaus des Flüssigkeitskörpers angeordnet ist, in dem die Wellen erzeugt werden sollen, wobei der Flüssigkeitsverdranger so ausgeformt ist, daß er eine Verdrängung bzw. Verschiebung erzeugt, die zum Muster der Wasserbewegung in der Welle paßt. Es ist bekannt, daß dieses Bewegungsmuster in tiefem Wasser ein Satz von Kreisbahnen ist. An der Oberfläche ist der Durch-

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messer der Kreisbahn gleich, der Wellenhöhe. Unterhalb der Oberfläche wird der Durchmesser durch den Faktor

verringert, wobei d die Tiefe und Λ die Wellenlänge sind, normalerweise ist es praktisch nicht durchführbar, eine Form zu entwerfen, die zu allen Bewegungsamplituden aller Wellenperioden-Gemische bei allen Tiefen paßt, doch funktionieren Verdränger mit einer Form, wie sie in Fig. 2 der Zeichnung dargestellt ist, ziemlich gut. Wenn eine übermäßige Verdrängung bzw. Verschiebung stattfinden muß -v so sollte sie nicht an der Oberfläche stattfinden. Die hohle, konkave Innenseite entspricht einer konvexen, rückwärtigen Oberfläche, doch ergibt sie keine großen Auftriebskräfte, die eine zusätzliche Belastung der Lager darstellen wurden. Die Auslenkamplituden können bis zu 30° betragen. Es können in zufriedenstellender Weise Wellen mit Längen zwischen R und 1OR erzeugt werden. Die kreisförmigen Profile können leicht angerissen und gebaut werden. Die Weite bzw. Breite des Flüssigkeitsverdrängers ist vorzugsweise genügend schmal, so daß nur eine ziemlich geringe Änderung der Wellenphase quer zur Frontoberfläche des Flüssigkeitsverdrängers für schräglaufende Wellen auftritt.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wellenerzeugungsvorrichtung werden im folgenden beispielsweise anhand der Fig. 2 bis 6 der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 2 eine Skizze einer bevorzugten Gestalt eines Flüssigkeitsverdrängers ,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Flüssigkeitsverdrängers und der zugehörigen Ausrüstung bzw. Geräte,

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Fig. 4 ein Schaltungsdiagramm des zur Steuerung der Bewegung des Flüssigkeitsverdrangers verwendeten Steuerungsnetzwerkes,

Fig. 5 einen schematischen Seitenaufriß einer modifizierten Form der erfindungsgemäßen Wellen-Erzeugungsvorrichtung und

Fig. 6 einen schematischen Seitenaufriß einer weiteren modifizierten Form der erfindungsgemäßen Wellen-Erzeugungsvorrichtung.

Der in Fig. 2 in Seitenansicht im Detail dargestellte Verdränger "besitzt eine konstante Breite, die an den Tank "bzw. Behälter angepaßt ist, zu dem der Verdränger passen soll. Die Breite des Verdrängers ist vorzugsweise genügend klein, so daß nur eine ziemlich kleine Änderung der Wellenphase quer über die Frontoberfläche des Verdrängers für schräglaufende Wellen auftritt. Der Verdränger ist mehr in seiner geometrischen Form denn in seiner physikalischen Ausführung dargestellt und kann als aus zwei beanstandeten Seitenplatten der dargestellten Form bestehend betrachtet werden, die durch die beiden gekrümmten Platten 1a und 1c miteinander verbunden sind,-während die dritte Seite in einer flachen Ebene 1b liegt. Der Verdränger ist um das Krümmungszentrum der Platte 1c drehbar und das KrümmungsZentrum der Platte la liegt auf der Linie, in der die Ebene 1b die Ebene der Platte a trifft. Der Krümmungsradius der Platte 1a ist doppelt so groß wie der der Platte 1c und der Verdränger wird im Betrieb so angeordnet, daß seine Rotationsachse um 0,7E. unter der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers liegt, in dem die Wellen erzeugt werden sollen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. ■

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Ein Verdränger von der in der Fig. 2 dargestellten Form ist einfach herzustellen, da für die Platten 1a und "Ic kreisförmige Profile verwendet werden. Die von dem Verdränger erzeugten Wellen breiten sich von der Oberfläche 1a und von der Rückseite des Verdrängers aus, die von der zu diesem Zweck konkaven bzw. "hohlen" Platte 1c gebildet wird. In der Anwendung ist dies äquivalent dazu, daß man die Seitenplatten wesentlich größer macht und daß die Platte 1c konvex ist und in bezug auf der in Fig. 2 dargestellten Seite auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse liegt, außer daß, wenn die Rückseite in der dargestellten Weise konkav ist, die Auftriebskräfte wesentlich kleiner sind, wodurch die auf die Lagerung des Verdrängers wirkenden Kräfte wesentlich kleiner werden.

In der Darstellung von Fig. J ist ein Verdränger 1, der eine der in Fig. 2 dargestellten geometrischen Form entsprechende physikalische Form aufweist, auf zwei beabstandeten Scheiben 2 befestigt, die sich auf den beiden Enden einer Spindel bzw. Welle 3 drehen. Zwei vieladrige Edelstahlkabel 4 sind auf die Kante bzw. Felge einer jeden Scheibe 2 aufgestiftet, wobei jedes Kabel auch noch eine Rolle 5 umgreift. Um jede Rolle 5 sind zwei Schläge bzw. Schlingen herumgelegt, nach denen die Kabel zurückkehren, um eine 180°-Wicklung um die Ränder der Scheiben 2 herum zu vervollständigen. Eine spiralförmige Rille (nicht dargestellt) mit einer Ganghöhe, die gerade größer als der Durchmesser des Kabels ist, ist in jede Rolle bzw. Riemenscheibe 5 eingeschnitten, um die Wickelung des Kabels um·die Rolle bzw. Scheibe herum zu steuern, wenn diese sich dreht. Ein Getriebekasten 6, der einen Elektromotor und Zahn-

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räder (nicht dargestellt) trägt, um die Riemenscheiben bzw. Rollen 5 synchron bzw. im GMchlauf anzutreiben, ist im Punkt 7 frei beweglich befestigt und wird an einer ]-Drehung um den Punkt 7 durch einen kraftempfindlichen Meßwertumformer 8 gehindert. Ein zweiter Meßwertumformer (in Fig. 3 nicht dargestellt) ist an den Motorantrieb angekoppelt, um die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdr ängers zu messen.

In der dargestellten Ausführungsform ist dies ein Tachogenerator (T in Fig. 4-).

Die in Fig. 3 mit 1a, 1b und 1c bezeichneten Oberflächen entsprechen denen, die in Fig„ 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Oberflächen 1a und 1c erstrecken sich zwischen den gewölbten Seitenplatten und umgrenzen einen hohlen Verdrängerkörper, der an den beiden Scheiben 2 befestigt und an der Oberseite offen ist.

Wird der in Fig. 2 dargestellte Verdränger gedreht, während er, so wie in Fig. 2 gezeigt, im Wasser angeordnet ist, dann hat die Volumenänderung der verdrängten Flüssigkeit die Tendenz, den Verdränger zurückfedern bzw. zurückspringen zu lassen und das System weist eine inhärente Federwirkung bzw.' ein inhärentes Federungsvermögen auf. Das Federverhältnis bzw. die Federkonstante dieser Federkraft hat den Wert 4-p g (L. 2 ) Hewtonmeter pro Bogeneinheit und Einheitsbreite, wobei ρ die Dichte" der Flüssigkeit ist und L. und Ip die in Fig. 2 wiedergegebenen Abstände bedeuten. Bei dem Betrieb der Vorrichtung spielt also ein Trägheitsfaktor eine Rolle und diese Trägheit ergibt sich aus dem Trägheitsmoment der Masse des Verdrängers plus dem Trägheitsmoment des Getriebekastens 6 plus dem Trägheitsmoment der vom Verdränger beeinflußten Flüssigkeit. Diese

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dritte Größe kann nicht ohne weiteres berechnet werden, doch scheint sie am kleinsten zu sein, wenn der Verdränger am "besten an die Flüssigkeitsbewegung angepaßt ist.

Wenn der Federkraft-Ausdruck dem Trägheits-Ausdruck das Gleichgewicht hält und die Bewegung des Verdrängers lediglich durch die Dämpfung gesteuert wird, dann arbeitet die Vorrichtung in der wirksamsten Weise als Energieabsorber. Man kann erreichen, daß diese natürliche Frequenz für die Wellenlänge auftritt, die am interessantesten ist, doch kann die Vorrichtung so modifiziert werden, daß sich das Arbeitsband verbreitert. Wird also der Verdränger aus leichten, aber widerstandsfähigen Materialien gebaut, so hat er eine geringe Trägheit, doch schwimmt er nach oben aus der Flüssigkeit heraus. Er kann durch eine Kraft zurückgedrückt werden, die von einer Quelle mit niederer Federkonstante bzw. Federsteife stammt. Bei Ausführungsformen, in denen die Vorrichtung klein ist, kann eine geeignete Kraft mit niederer Federkonstante dadurch erzeugt werden, daß man einen Standstrom im Antriebsmotor fließen läßt. Bei größeren Vorrichtungen stellt dies eine Energieverschwendung dar und bei diesen Ausführungsformen kann die Kraft mit Hilfe eines elastischen Elementes erzeugt werden, wie z.B. mit Hilfe eines "Tensators" oder einer Rollmembran wie z.B. "Bellofram", die beide eine konstante Kraft abgeben.

Erzeugen die Auftriebseffekte einer solchen Vorrichtung eine höhere Federkraft als wünschenswert ist, so kann diese dadurch verringert werden, daß man zu dem Steuerungsnetzwerk ein der Stellung des Verdrängers proportionales Signal mit einer solchen-Phase zurückführt » ^daß aufwärts gerichtete Bewegungen eine Kraft erzeugen, die den Verdränger nach oben hebt. "Übertreibt man dies, so kann das zu ei-

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nem instabilen Betrieb führen, wenn die geringste Abweichung von der Mittelstellung vergrößert wird. Die beste Einstellung liegt unterhalb des kritischen Wertes, jedoch genügend hoch für den Arbeitsbereich, ungeachtet der niederen Trägheit. Es warden Versuche durchgeführt, diese Technik weiter voranzutreiben, um sogar eine negative Trägheit miteinzuschließen, doch waren diese Versuche weniger erfolgreich. Es ist möglich, ein der Beschleunigung proportionales Signal an das Steuerungsnetzwerk mit einer solchen Phase zu senden, daß die Beschleunigung vergrößert wird; dann scheinen die beweglichen Teile der Vorrichtung eine verringerte Trägheit zu haben. Unglücklicherweise haben empfindliche Beschleunigungsmesser ziemlich niedere Maximalfrequenzen. Eine Alternative zur Verwendung eines Beschleunigungsmessers besteht darin, ein Geschwindigkeitssignal zu differenzieren, um ein Beschleunigungssignal zu erhalten, vorausgesetzt, daß es frei von Impulsspitzen und Störungen ist. Ein geeigneter Geschwindigkeitsmeßumformer kann aus einem Mikroamperemeter hergestellt werden, dessen Bewegung mit der Tragwelle des Verdrängers verkoppelt ist.

Das elektronische Blockdiagramm des Steuerungsnetzwerks, . das zusammen mit dem Verdränger aus Fig. 3 verwendet wird, ist in Fig.4 dargestellt. Der Operationsverstärker 11 konditioniert den Tachogenerator T (oder einen anderen die Geschwindigkeit messenden Meßwertgeber). Er sollte mit einer niederen Offset-Spannung ausgewählt werden. Der Verstärker 12 erzeugt aus dem von T herkommenden Geschwindigkeitssignal ein Beschleunigungssignal. C,, und R. bestimmen das Verhalten des Verstärkers 12 bei den Wellenfrequenzen. Co beschneidet die Übertragungscharakteristik für hohe Frequenzen und Eo verhindert eine Instabilität des Verstärkers. Der' Verstärker 15 sollte so ausgewählt werden, daß er niedere Offset-Spannung und -Strom aufweist. Er wirkt als Integrator

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für die Signale "bei den Arbeitsfrequenzen und sein Verhalten

wird durch R₂ und C₂ bestimmt. R,. beschneidet die ITiederfre- o ο 4

quenz-Drift. Der Verstärker 14 konditioniert die Brückenschaltung, die den Meßwertumformer 8 (z.B. einen Dehnungsbzw. Spannungsmesser) umfaßt, wobei dieser Schaltkreis mit

lieh

Energie von einer sauberen, zusätz/stabilisierten Quelle versorgt wird, in die er sich lediglich mit der Trimm-Steuerung teilt, die einen Standstrom im Motor einstellt, um bei niederen Wellenniveaus das tote Spiel des Getriebes aufzunehmen. Bei großen Einheiten wird der größte Teil der Trimmkraft auf mechanischem Wege zugeführt. Der Verstärker 15 summiert die verschiedenen Ausdrücke bzw. Werte und treibt einen Leistungsverstärker PA. Dessen Gewinn bzw. Verstärkung sollte so hoch eingestellt werden, wie es die Unvollkommenheiten des Systems erlauben. Der Leistungsverstärker treibt den Motor M, der die Bewegungen des Verdrängers 1 steuert. Die Werte der Eingangswiderstande hängen von den Skalenfaktoren der verschiedenen Meßwertumformer ab. Die in 3fig. 4 wie der gegebenen Parameterwerte sollen lediglich als Richtgrößen dienen.

Die Steuerungsschaltung arbeitet kurz gesagt in folgender Weise:

Es sei angenommen, daß die resultierende, auf den Verdränger einwirkende Kraft so groß ist, daß sich ein Ausgangssignal des Verstärkers 14 mit einem bestimmten Wert ergibt. Dieses Signal wird mit dem Trimm-Steuersignal und einem hereinkommenden Steuerungssignal summiert und dem Leistungsverstärker PA zugeführt und von diesem verstärkt; das Ausgangssignal von PA treibt den Motor M in der entsprechenden Richtung, die Rotation des Motors M (und folglich die Bewegung des Verdrängers) veranlaßt den Tachogenerator T, ein Signal abzugeben, das der Geschwindigkeit proportional

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ist und das vom Verstärker 11 verstärkt wird; dieses Signal wird von dem den Motor M treibenden Signal abgezogen, so daß dieser abbremst. Es wird also auf elektrischem Weg die Bewegung des Verdrängers bedämpft, um so die Versetzung und die Geschwindigkeit zumindest im wesentlichen miteinander in Phase zu bringen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 bei 12. differenziert _? um ein Signal zu erzeugen, das für die Beschleunigung des Verdrängers repräsentativ ist"; weiterhin wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 bei 13 integriert, um ein Signal zu erzeugen, das für das Federungsvermögen bzw. die Federelastizität des Systems repräsentativ ist; die für die Beschleunigung und das !Federungsvermögen repräsentativen Signale werden ebenfalls von dem den Motor treibenden Signal abgezogen, wodurch auf elektrische Weise die Trägheit und das Federungsvermögen des Systems auf wirksame Weise verringert werden und sich der Verdränger de facto in einer Weise bewegt, die einem vollkommen gedämpften System, in dem diese Kraft in Phase mit der Geschwindigkeit ist, noch näher kommt.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Wellen-Erzeugungsvorrichtung, die in Verbindung mit der Steuerungsschaltung aus Mg. 4 verwendet werden kann. Der Flüssigkeitsverdränger 1 hat eine etwas unterschiedliche Form und einen etwas unterschiedlichen Aufbau» Er zeigt eine Form ähnlieh der, wie sie in den britischen Patentanmeldungen Nr. 53119/ 73 und 19763/74- beschrieben ist, und erzeugt wiederum eine Welle in der Vorwärtsrichtung, ohne daß sich eine Welle in der Rückwärtsrichtung ausbreitet. Man sieht, daß die Antriebsanordnung zwischen dem Motor und dem Verdränger in Fig. 5 verschieden von der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsform ist, doch die Abtastung bzw« Messung der Geschwindig-

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keit des Verdrängers und der auf ihn einwirkenden Kraft wird in ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 3 wiedergegebenen Ausführungsform durchgeführt.

In der Anordnung von Pig. 5 wird der Verdränger 1A von einem Motor und einer aus einem Getriebe und einem Tachogenerator bestehenden Einheit 6A, 11A über einen bei 17 schwenkbaren Antriebsarm 16 und eine Antriebsstrebe 18 angetrieben, die schwenkbar am Verdränger und am freien Ende des Arms 16 befestigt ist. Die Dehnungs- bzw. Spannungsmesser 8A sind an dem Arm an dessen Ansatz befestigt.

Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Form des Verdrängers, die für größere Versionen von wellenerzeugenden Vorrichtungen besser geeignet ist.

Der modifizierte Verdränger ist in Fig. 6 in einer Schnittansicht durch den Verdränger in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Verdrängers dargestellt.

Der Verdränger aus Fig. 6 wird von zwei voneinander beabstandeten Platten 1B (von denen nur eine in Fig. 6 dargestellt ist) gebildet, wobei jede Platte mit einer kreisförmigen Öffnung 2B versehen ist, die konzentrisch zum hinteren Teil P des Umfangs der Platte 1 angeordnet ist. Die beiden Platten sind miteinander durch eine gewölbte Rückwand 3B und eine gewölbte Vorderwand A-B miteinander verbunden. Die Wände 3B und A-B sind an- ihren unteren Kanten 5B miteinander verbunden und umgrenzen somit ein sich verjüngendes Volumen, das an der Oberseite offen und an jedem Ende bzw. an jeder Seite durch die Seitenplatten verschlossen ist.

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Der Flüssigkeitsverdränger wird in dem Tank (wobei der Wasserspiegel typischerweise sich an dem in Jig. 6 mit 6B bezeichneten Punkt befindet) mit Hilfe vonKreuz-

Blattlagern 7B in schwenkbarer Weise getragen, wobei die Lager zwischen L-f örmigen Stäben bzw. Balken 8B und 9B befestigt sind und der Stab 8B an seinen Enden an Platten 1OB befestigt ist, die an den Seitenplatten des Flüssigkeitsverdrängers angebracht sind, während die Stange 9B durch die Öffnung 2B in jeder Seitenplatte hindurchtritt und (auf irgendeine geeignete Weise) an äußeren Stützen außerhalb des Flüssigkeitsverdrängers befestigt ist. Ein Stab bzw. eine Stange 11B erstreckt sich.zwischen den Seitenplatten in der in Fig. 6 bezeichneten Lage und ist mit einem flexiblen Strang 12B (z.B. aus Draht) verbunden, der an einer Auftriebs-Ausgleichsvorrichtung (nicht dargestellt, doch oberhalb des Wasserspiegels 6 .angeordnet) befestigt ist, wobei die nach oben gerichtete, auf den Strang 12B ausgeübte Kraft während der Hin- und Herbewegung des Flüssigkei tsver drangers um seine durch die gekreuzten Blattlager 7B definierte Achse in der Weise variiert, daß die auf den Flüssigkeitsverdranger aus* geübte Auftriebskraft, die von den unterschiedlichen Eintauchtiefen des abgeschlossenen, zwischen den Wänden JB und 4-B gebildeten Hohlvolumens bewirkt wird, vollständig kompensiert wird. · . · - · · ...

An jeder Seitenplatte ist zwischen den Wänden 3 "und 4- eine Sektorenplatte 13B befestigt, längs deren Oberkante ein. flexibles, aus mehreren Strängen bestehendes Edelstahlkabel 14B angeordnet ist. Die einander gegenüberliegenden Enden des Kabels ΉΒ sind um Stifte bzw. Bolzen 15B herumgewickelt und eine Schlinge bzw. Schleife des Kabels ist um eine mit einem Gewinde versehene Riemenscheibe bzw.

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Rolle 16B herumgelegt, die an der Antriebswelle eines Elektromotors I7B befestigt ist. Da an jeder Seitenplatte eine gekrümmte Platte befestigt ist, werden zwei Motoren verwendet, die von den entgegengesetzten Hälften einer zweifachen Energiequelle mit elektrischem Strom versorgt werden.

Werden die Motoren eingeschaltet, dann rotieren die Riemenscheiben bzw. Rollen Ί6Β und aufgrund ihres Eingriffs mit den Schleifen des Kabels 14B ergibt sich eine Schaukelbewegung des Flüssigkeitsverdrängers um seine Achse in einer Richtung. Ein Einschalten der Motoren mit umgekehrter Polarität kehrt die Richtung der Schaukelbewegung um. Die Amplitude der Schaukelbewegung und ihre Geschwindigkeit kann in eindeutiger Weise durch die Dauer der Stromversorgung in jedem Richtungsimpuls und durch die Amplitude der Stromversorgung gesteuert werden.

Jeder Motor ist über zwei Dehnungsmeßstreifen 18B an einem Schwingarm 19B befestigt.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 4· beschrieben wurde, ist die Steuerung des Motors I7B eine Funktion der auf die Dehnungsmeßstreifen 18B ausgeübten Kräfte und seiner eigenen Geschwindigkeit, die von einem Tachogenerator gemessen wird und die auf wirksame Weise auch von einem unabhängigen Meßwertgeber gemessen werden könnte, wie z.B. durch die Bewegung eines Mikroamperemeters, das" unabhängig mit dem Verdränger verbunden ist. Das Mikroamperemeter und der "Verdränger können durch ein einfaches Yerbindungsgestange miteinander verbunden werden.

Ein toter Gang im Antrieb zwischen den Motoren I7B und den Kabeln 14-B kann wieder dadurch vermieden werden, daß, wenn

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sich der Flussigkeitsverdranger in. einer stationären Stellung "befindet, sichergestellt wird, daß ein kleiner Rest— strom durch jeden Motor hindurchfließt, um entgegengesetzt gerichtete, auf die beiden Seitenplatten wirkende Kräfte zu erzeugen, wie es oben bereits "beschrieben wurde.

Der in Fig. 6 dargestellte Flüssigkeitsverdränger wurde für eine maximale Winkelauslenkung von + 30° entworfen, ""' doch werden in der Praxis bei allen Aus führungs formen keine Schaukelschwingungen Anwendung finden, die über + 15 -hinausgehen.

Dadurch, daß die Stange 11B zwischen der 6-uTir-Stellung . und der 9-Uhr-Stellung angeordnet wird, ergibt sich eine Obertotpunkt-Federwirkung, die dazu beiträgt, den Einfluß der Federkraft und "der Trägheit auf die Bewegung des Ver- ■ diangers zu verringern, und die so die Bewegung des Verdrängers in stärkerem Maße von den Dämpfungskräften abhängig macht.

Obwohl die Vorderwand 4B in Form eines Kreisbogens dargestellt ist, könnte man eine leicht verbesserte Wirkungsweise dadurch erzielen, daß man von der streng kreisförmigen Form abweicht, um eine genauere Anpassung der Charakteristika des. Verdrängers an die Auftriebsfeder zu erzielen, die an dem anderen Ende des Strangs Ϊ2Β Verwendung findet. Es ist Jedoch zweifelhaft, ob der durch die Verwendung einer nicht kreisförmigen Kurve für die Vorderwand 4-B erzielte, geringfügige Vorteil den zur Herstellung dieser Frontwand nötigen, komplizierteren technischen Aufwand rechtfertigt.

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Der Strang 12B kann durch, eine Schrauben- bzw. Spiralfeder ersetzt werden und die Lage der Stange ΉΒ kann zwischen 4-5° und 55° unterhalb der Horizontalen variiert werden.

Der Eab el antrieb 14B und 16B der Ausfuhrungsformen in Fig.6. und in Fig.3 kann durch einen Reibungsantrieb ersetzt werden. (z.B. durch eine Rolle bzw. Walze, die gegen eine gewölbte Antriebsoberfläche drückt und die Drähte ersetzt).

Zusammenbau
TJm einen einfachen / der beschriebenen Vorrichtung zu ermöglichen, können die Sektorenplatten der in der IPig* 3 bzw. in Fig. 6 beschriebenen Ausführungsformen in entfernbarer Weise an den Seitenplatten befestigt werden.

Die Konstruktion des beschriebenen Wellenerzeugungsapparats kann leicht elektronischen SteuerungsSignalen mit einem flachen Ansprechverhalten in der Hitte seines Arbeitsbereiches folgen. Es können ohne weiteres gemischte Seespektren erzeugt werden und die Konstruktion ermöglicht eine wesentlich verbesserte Stabilität der Wellenhöhe, wobei einige Promill für Wellen mittlerer Höhe erreicht werden. Die beschriebene Vorrichtung kann sogar dazu verwendet werden, stabile stehende Wellen zu erzeugen. Auch ist es möglich, zwei der beschriebenen Wellen-Erzeugungsgeräte zu verwenden, die ihre Wellen gegeneinander senden, was bisher nicht möglich war. Auch wird es möglich, die Modelle mit in zwei verschiedenen Richtungen laufenden Wellenzügen zu testen, wie das z.B. am Pentland Firth auftritt.

Die Konstruktion des Elüssigkeitsverdrängers, der in einer Richtung verlaufende Wellenzüge erzeugt (z.B. wie er in den Fig. 2,3j5 und6 dargestellt ist) stellt einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung dar.

- Patentansprüche 709809/0365

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Öberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper, g e .k e η η ze i c h η e t durch einen FlüssigkeItsverdranger, durch eine Vorrichtung zur Vor- und Zurückbewegung des Flüssigkeitsverdrängers zur Erzeugung der Wellen in dem. Flüssigkeitskörper, und durch eine Vorrichtung zur Dämpfung des Verdrängers, so daß er sich im Betrieb wie ein "bedampftes -System verhält,· bei dem . , die auf den Verdränger einwirkende -Kraft-und seine Bewegung miteinander in Phase bzw. im wesentlichen miteinander in Phase sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dämpfung durch eine Vorrichtung bewirkt wird, die die momentane resultierende Eraft mißt, die auf den Verdränger einwirkt,- und ein erstes Antriebsbzw. Treibersignal erzeugt, das von dieser Kraft abhängt und dazu dient, die Bewegungsvorrichtung zu treiben, und durch eine Vorrichtung, die die momentane Geschwindigkeit des Verdrängers mißt und ein zweites Antriebs- bzw. Trei-

- bersignal erzeugt, das von dem ersten Signal subtrahiert wird, um auf diese Weise die Dämpfung auf den Verdränger auszuüben. ·.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Differenziervorrichtung vorgesehen ist, die aus dem■zweiten Signal ein Signal erzeugt, das für die momentane Beschleunigung des Verdrängers repräsentativ ist, und daß-dieses Signal ebenfalls vom ersten Treiberbzw. Antriebssignal subtrahiert wird, damit sich auf diese Weise das System so verhält, als ob seine Trägheit stark verringert wäre.

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4-, Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß ein weiteres Signal von dem zweiten Signal mit Hilfe einer Integrationsvorrichtung abgeleitet wird und daß dieses Signal ebenfalls vom ersten Signal subtrahiert wird, damit sich auf diese Weise das System so verhält ,als ob die ihm inhärente FederSteifheit stark verringert wäre.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßfühler der Vorrichtung elektrische Meßwertgeber sind, die einer elektrischen Steuerschaltung zugeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennze-ichnet , daß die Bewegungsvorrichtung einen Elektromotor mit niederer Trägheit umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

ze ichne t , daß der elektrische Motor mit dem Verdränger über eine die Geschwindigkeit vermindernde Getriebevorrichtung verbunden ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Verdränger durch eine Schaukelbewegung um eine Achse vor- und zurückverschoben werden kann.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Flussigkeitsverdranger so geformt ist, daß er ein Verdrängungs- bzw. Verschiebungsmuster erzeugt, das zu dem Muster des Wasseranstiegs bzw. Wasserinkremenz in. der Welle paßt.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger einen Auftriebs-hohlraum, umfaßt, der einerseits von einer VerdrängungsfLache "begrenzt wird, die sich mit anwachsendem Radius relativ zur Schaukelachse von einem Basiskreis aus krümmt, der seine Mitte auf dieser Achse hat, und andererseits von einer Backfläche, die auf diesem Basiskreis liegt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1Q, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum weiterhin von voneinander "beanstandeten Seitenplatten umgrenzt wird, zwischen denen sich die obigen Flächen erstrecken.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger von Kreuzblattlagern getragen wird.

13· Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennz eichnet durch eine Auftriebs— Ausgleichsvorrichtung, die dazu dient, den Auftriebskräften, die auf den Verdränger einwirken, das Gleichgewicht zu halten.

14-, Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß die durch die Auftriebs-Ausgleichsvorrichtung ausgeübte Kraft variiert werden kann, um vollständig die auf den Flüssigkeitsverdränger ausgeübte, durch unterschiedliche Eintauchtiefen des Verdrängers in die Flüssigkeit bewirkte Auftriebskraft zu kompensieren.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h.n e t , daß die Bewegungsvorrichtung Antriebs drähte umfaßt, die mit dem Verdränger verbunden sind.

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