DE2637373C2 - - Google Patents
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- Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von
Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper, insbesondere
Testbecken, bestehend aus einem im Flüssigkeitskörper angeordneten
Flüssigkeitsverdränger mit einer gekrümmten Wellenerzeuger-Oberfläche,
der zur Erzeugung der Wellen von einer
Antriebseinrichtung relativ zum Flüssigkeitskörper bewegt
wird, und einer der Antriebseinrichtung zugeordneten Dämpfungseinrichtung.
Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Testbassins
eingesetzt, in welchen Schiffe, Hafeneinrichtungen und ähnliches
mit Hilfe von Modellwellen getestet werden. Bei den
Tests kommt es insbesondere darauf an, ein möglichst stabiles
Wellenmuster mit einer definierten Wellenperiode und
einer definierten Wellenamplitude zu erzeugen.
Bei einer aus der FR-PS 9 42 140 bekannten Vorrichtung der
eingangs genannten Art wird der Flüssigkeitsverdränger über
einen längeren Betätigungsarm in Bewegung versetzt, welcher
an einem Ende am Grund des Testbassins schwenkbar gelagert
ist. Der Betätigungsarm ist über ein Hebelgestänge, eine Kulisse
und ein Zwischenglied aus Zylinder und im Zylinder geführtem
gefederten Kolben mit einem Antriebsmotor verbunden.
Während über die Kulisse die Bewegungsamplitude des Flüssigkeitsverdrängers
vorgebbar ist, sollen durch das Zwischenglied
Kraftstöße vermieden werden.
Das Zwischenglied mag zwar in gewissem Maße einen druckfreien
Betrieb der Vorrichtung ermöglichen, aufgrund der getroffenen
Anordnung ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß gegen
den Flüssigkeitsverdränger anlaufende Wellen reflektiert
werden und es zu Instabilitäten im Wellenmuster kommt, was
durch die vorgesehene Federung noch begünstigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung
einer Reflexion der auf den Flüssigkeitsverdränger auftreffenden
Wellen eine Erzeugung besser definierter und stabilerer
Wellen ermöglicht.
Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die
Dämpfungseinrichtung eine erste Einrichtung zur zeitlichen
Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden
Kraft und eine zweite Einrichtung zur zeitlichen Erfassung
der Verdrängerbewegung sowie eine die Antriebseinrichtung ansteuernde
und von den Ausgangssignalen der ersten und zweiten
Erfassungseinrichtung beaufschlagte Steuereinrichtung
umfaßt und daß die Ausgangssignale der Steuereinrichtung die
Antriebseinrichtung so steuern, daß zur Erzielung einer zumindest
im wesentlichen zum Verlauf der auf den Flüssigkeitsverdränger
einwirkenden Kraft gleichphasigen Verdrängerbewegung
in dem vorliegenden Schwingungssystem die Dämpfungskomponente
im Vergleich zur Trägheits- und Rückstellkomponente
groß ist.
Aufgrund dieser Ausbildung lassen sich rasch und zuverlässig
stets genau definierte und stabile Wellenmuster erzeugen.
Die Vorrichtung verhält sich praktisch wie ein gedämpftes
Systen, in welchem die auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkende
Kraft mit der Verdrängerbewegung in Phase ist und welches
beispielsweise mit einer solchen Anordnung vergleichbar
ist, bei der ein Kolben mit gerinstmöglicher Trägheit in
einem Dämpfungszylinder bewegt und von einer Feder mit niederer
Steifigkeit geführt wird. Dem Flüssigkeitskörper kann
demnach sowohl Energie zugeführt als auch Energie entnommen
werden, wobei insbesondere auch sichergestellt ist, daß der
Flüssigkeitsverdränger für die auftreffenden Wellen zu
keiner Zeit als starres Hindernis wirkt. Ferner ist die zum
Antrieb der Vorrichtung erforderliche Energie wesentlich herabgesetzt.
Die Steuereinrichtung kann zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung
Leistungsverstärker mit einem Leistungsvermögen von
einigen hundert Watt, beispielsweise bis zu einem Kilowatt,
umfassen. Ein für die Antriebseinrichtung vorgesehener Motor
sollte einen möglichst trägheitsarmen Betrieb gewährleisten.
Besonders geeignet ist beispielsweise ein Motor mit gedrucktem
Anker, welcher über ein Reduktionsgetriebe derart auf
den Flüssigkeitsverdränger einwirkt, daß sich vom Motor zum
Flüssigkeitsverdränger insgesamt eine Geschwindigkeitsverringerung
in der Größenordnung von 150 : 1 ergibt.
Die Ausführungsvarianten gemäß den Ansprüchen 5 bis 9 begünstigen
insbesondere eine problemlose und genaue Messung der
auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden resultierenden
Kraft. Wesentlich ist hierbei u. a., daß während einer jeden
Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers die Belastung der jeweiligen
Lager möglichst gering und damit die Messung eventuell
beeinträchtigende Reibung im Bereich dieser Lager auf ein
vernachlässigbares Maß reduziert sind.
Darüber hinaus ergibt insbesondere die Ausgestaltung des Flüssigkeitsverdrängers
gemäß den Ansprüchen 5 und 6 eine gute
Anpassung an eine Vielzahl von praktisch in Betracht kommenden
Wellenmustern. Hierbei ist bekannt, daß das Bewegungsmuster
in tiefem Wasser ein Satz von Kreisbahnen ist. An der
Oberfläche ist der Durchmesser der Kreisbahn gleich der Wellenhöhe.
Unterhalb der Oberfläche wird der Durchmesser durch
den Faktor
verringert, wobei d die Tiefe und λ die Wellenlänge angibt.
Zwar ist es praktisch nicht realisierbar, eine solche Form
des Flüssigkeitsverdrängers anzugeben, die genau zu allen Bewegungsamplituden
aller Wellenperioden-Gemische bei sämtlichen
Tiefen paßt. Die bevorzugte und insbesondere in den Ansprüchen
5 und 6 angegebene Verdrängerform stellt jedoch ein
weitgehendes Optimum dar.
Gute Ergebnisse lassen sich insbesondere bei einer zyklischen
Anregung des Flüssigkeitsverdrängers erzielen. Die Auslenkamplituden
können beispielsweise bis zu 30° betragen.
Ferner können die kreisförmigen Profile leicht angerissen
und geraut sein. Die Breite des Flüssigkeitsverdrängers
sollte zweckmäßigerweise so schmal sein, daß nur eine relativ
geringe Änderung der Wellenphase quer zur Frontoberfläche
des Flüssigkeitsverdrängers für schräglaufende Wellen
auftritt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert;
in dieser zeigt
Fig. 1 eine Skizze einer bevorzugten Gestalt eines Flüssigkeitsverdrängers,
einer Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen
in einem Flüssigkeitskörper
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Flüssigkeitsverdrängers
und der zugehörigen Geräte
der Vorrichtung,
Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer zur Steuerung der Bewegung
des Flüssigkeitsverdrängers verwendeten Steuereinrichtung,
Fig. 4 einen schematischen Seitenaufriß einer modifizierten
Form der Vorrichtung
zur Erzeugung von Oberflächenwellen und
Fig. 5 einen schematischen Seitenaufriß einer weiteren modifizierten
Form der
Vorrichtung.
Ein in Fig. 1 in Seitenansicht im Detail dargestellter Flüssigkeitsverdränger
besitzt eine konstante Breite, die an den Tank bzw. Behälter
angepaßt ist, zu dem der Flüssigkeitsverdränger passen soll. Die
Breite des Flüssigkeitsverdrängers 1 ist vorzugsweise genügend klein, so
daß nur eine relativ kleine Änderung der Wellenphase quer
über die Frontoberfläche des Flüssigkeitsverdrängers für schräglaufende
Wellen auftritt. Der Flüssigkeitsverdränger 1 ist mehr in seiner geometrischen
Form als in seiner physikalischen Ausführung dargestellt
und umfaßt zwei beabstandete Seitenplatten der
dargestellten Form die durch zwei
gekrümmte eine Wellenerzeuger-Oberfläche und eine Rückfläche bildende Platten 1 a bzw. 1 c miteinander verbunden sind,
während die dritte Seite in einer flachen Ebene 1 b liegt. Der
Flüssigkeitsverdränger 1 ist um das Krümmungszentrum der Platte 1 c drehbar, während
das Krümmungszentrum der Platte 1 a auf der Linie liegt,
in der die Ebene 1 b die Platte 1 c trifft. Der Krümmungsradius
der Platte 1 a ist doppelt so groß wie der der
Platte 1 c. Der Flüssigkeitsverdränger 1 wird im Betrieb so angeordnet,
daß seine Rotationsachse um 0,7 R unter der Oberfläche des
Flüssigkeitskörpers liegt, in dem die Wellen erzeugt werden
sollen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei gibt R den
Krümmungsradius der Platte 1 c an.
Der Flüssigkeitsverdränger der in der Fig. 1 dargestellten Form
ist einfach herzustellen, da für die Platten 1 a und 1 c
kreisförmige Profile verwendet werden. Die vom Flüssigkeitsverdränger
1 erzeugten Wellen breiten sich von der eine Wellenerzeuger-Oberfläche bildenden
Platte 1 a und von der Rückfläche des Flüssigkeitsverdrängers 1 aus, die von der
zu diesem Zweck konkaven bzw. "hohlen" Platte 1 c gebildet
wird. Praktisch ist dies äquivalent dazu, daß man
die Seitenplatten wesentlich größer macht und daß die
Platte 1 c konvex ist und in bezug auf der in Fig. 1 dargestellten
Seite auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse
liegt, mit der Ausnahme, daß dann, wenn die Rückfläche in der
dargestellten Weise konkav ist, die Auftriebskräfte wesentlich
kleiner sind, wodurch die auf die Lagerung des Flüssigkeitsverdrängers
wirkenden Kräfte wesentlich kleiner werden.
In der Darstellung von Fig. 2 ist ein Flüssigkeitsverdränger 1, der
eine der in Fig. 1 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 4 auch noch eine
Rolle 5 umgreift. Um jede Rolle 5 sind zwei Schläge bzw.
Schlingen herumgelegt, nach denen die Kabel 4 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 4 ist, ist in jede Rolle 5 bzw. Riemenscheibe
eingeschnitten, um die Wicklung des Kabels 4
um die Rolle 5 herum zu steuern, wenn diese sich
dreht. Ein Getriebekasten 6, der einen Elektromotor und Zahnräder
(nicht dargestellt) trägt, um die
Rollen 5 synchron bzw. im Gleichlauf anzutreiben, ist
im Punkt 7 freibeweglich befestigt und wird an einer
Drehung um den Punkt 7 durch einen kraftempfindlichen
Meßwertumformer gehindert, welcher einer ersten Einrichtung 8 zur
zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger
einwirkenden Kraft zugeordnet ist.
Ein zweiter Meßumformer
(in Fig. 2 nicht dargestellt) ist an den Motorantrieb
angekoppelt, um die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdrängers
zu messen.
In der dargestellten Ausführungsform ist dieser zweite Meßwertumformer ein Tachogenerator
welcher einer zweiten Einrichtung (T 11)
zur zeitlichen Erfassung der Verdrängerbewegung bzw. -geschwindigkeit
zugeordnet ist.
Die in Fig. 2 mit 1 a und 1 c bezeichneten Oberflächen bzw. Ebenen
entsprechen denen, die in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind. Die Wellenerzeuger-Oberflächen 1 a und die Rückfläche 1 c erstrecken
sich zwischen den Seitenplatten und
umgrenzen einen hohlen Verdrängerkörper, der an den beiden
Scheiben 2 befestigt und an der Oberseite 15 offen ist.
Bei einer Drehung des in Fig. 1 dargestellten Flüssigkeitsverdrängers 1
weist die Volumenänderung der verdrängten Flüssigkeit
bei in das Wasser eingetauchtem Verdränger (vgl. Fig. 1) die Tendenz auf, den Verdränger zurückfedern bzw.
zurückspringen zu lassen. Das System weist eine inhärente
Federwirkung bzw. ein inhärentes Federungsvermögen auf. Das
Federverhältnis bzw. die Federkonstante dieser Federkraft
hat den Wert
pro Bogeneinheit
und Einheitsbreite, wobei p die Dichte der Flüssigkeit ist
und L₁ und L₂ die in Fig. 1 wiedergegebenen Abstände angeben.
Beim Betrieb der Vorrichtung spielt demnach ein Trägheitsfaktor
eine Rolle. Diese Trägheit ergibt sich aus
dem Trägheitsmoment der Masse des Flüssigkeitsverdrängers 1 plus dem
Trägheitsmoment des Getriebekastens 6 plus dem Trägheitsmoment
der vom Flüssigkeitsverdränger 1 beeinflußten Flüssigkeit. Diese
dritte Größe kann nicht ohne weiteres berechnet werden,
doch scheint sie am kleinsten zu sein, wenn der Flüssigkeitsverdränger
am besten an die Flüssigkeitsbewegung angepaßt ist.
Wenn der Federkraft-Ausdruck dem Trägheits-Ausdruck das
Gleichgewicht hält und die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 lediglich
durch die Dämpfung gesteuert wird, dann arbeitet
die Vorrichtung in der wirksamsten Weise als Energieabsorber.
Man kann erreichen, daß die 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 Flüssigkeitsverdränger 1 aus
leichten, jedoch 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.
Erzeugen die Auftriebseffekte einer solchen Vorrichtung
eine höhere Federkraft als erwünscht, so kann diese
dadurch verringert werden, daß man zur Steuereinrichtung
ein der Stellung des Flüssigkeitsverdrängers 1 proportionales
Signal mit einer solchen Phase zurückführt, daß aufwärts
gerichtete Bewegungen eine Kraft erzeugen, die den Flüssigkeitsverdränger
nach oben hebt. Übertreibt man dies, so kann das zu einem
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 ist möglich,
ein der Beschleunigung proportionales Signal an die
Steuereinrichtung mit einer solchen Phase zu senden, daß
die Beschleunigung vergrößert wird. In diesem Fall scheinen die beweglichen
Teile der Vorrichtung eine verringerte Trägheit
zu haben. Da empfindliche Beschleunigungsmesser
ziemlich niedere Maximalfrequenzen aufweisen, besteht eine Alternative
zur Verwendung eines Beschleunigungsmessers
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
gekoppelt ist.
Das elektronische Blockdiagramm der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung (8 bzw. T 11) und der Steuereinrichtung (12-15, PA, M),
die zusammen mit dem Flüssigkeitsverdränger gemäß Fig. 2 verwendet werden,
ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Steuereinrichtung umfaßt Verstärker
12-15 sowie einen Leistungsverstärker PA zur Ansteuerung eines
Motors M, welcher den Flüssigkeitsverdränger 1 antreibt. Die als Operationsverstärker ausgebildete zweite Einrichtung 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 vom Tachogenerator T kommenden Geschwindigkeitssignal
ein Beschleunigungssignal. C₁ und R₁ bestimmen das Verhalten
des Verstärkers 12 bei den Wellenfrequenzen. C₂ beschneidet
die Übertragungscharakteristik für hohe Frequenzen
und R₂ verhindert eine Instabilität des Verstärkers.
Der Verstärker 13 sollte so ausgewählt werden, daß er eine niedere
Offset-Spannung und einen geringen Offset-Strom aufweist. Er wirkt als Integrator
für die Signale bei den Arbeitsfrequenzen. Sein Verhalten
wird durch R₃ und C₃ bestimmt. R₄ beschneidet die Niederfrequenz-Drift.
Der Verstärker 14 konditioniert eine Brückenschaltung,
die den als erste Erfassungseinrichtung 8 dienenden Meßwertumformer 8 (z. B. einen Dehnungs-
bzw. Spannungsmesser) umfaßt, wobei dieser Schaltkreis mit
Energie von einer sauberen, zusätzlich stabilisierten Quelle versorgt
wird, die er lediglich mit der Trimm-Steuerung
teilt, welche einen Standstrom im Motor M 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 Werte und treibt
den Leistungsverstärker PA. Dessen Verstärkung
sollte so hoch eingestellt werden, wie es die Unvollkommenheiten
des Systems erlauben. Der Leistungsverstärker PA
treibt den Motor M, der die Bewegungen des Flüssigkeitsverdrängers 1
steuert. Die Werte der Eingangswiderstände hängen von
den Skalenfaktoren der verschiedenen Meßwertumformer ab.
Die in Fig. 3 wiedergegebenen Parameterwerte dienen lediglich
als Richtgrößen.
Die Steuereinrichtung arbeitet in folgender
Weise:
Es sei angenommen, daß die resultierende, auf den Flüssigkeitsverdränger 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 Steuersignal summiert, dem Leistungsverstärker PA zugeführt und von diesem verstärkt; das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers PA treibt den Motor M in der entsprechenden Richtung. Die Rotation des Motors M (und folglich die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers) veranlaßt den Tachogenerator T, ein Signal abzugeben, das der Geschwindigkeit proportional ist und das vom Operationsverstärker 11 verstärkt wird. Dieses Signal wird vom den Motor M treibenden Signal abgezogen, so daß dieser abbremst. Es wird also auf elektrischem Weg die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers gedämpft, um so, die Versetzung und die Geschwindigkeit zumindest im wesentlichen miteinander in Phase zu bringen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 im den Verstärker 12 umfassenden Schaltungsabschnitt differenziert, um ein Signal zu erzeugen, das für die Beschleunigung des Flüssigkeitsverdrängers 1 repräsentativ ist. Ferner wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 in einem den Verstärker 13 umfassenden Schaltungsabschnitt 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 M treibenden Signal abgezogen, wodurch auf elektrische Weise die Trägheit und das Federungsvermögen des Systems auf wirksame Weise verringert werden und sich der Flüssigkeitsverdränger de facto in einer Weise bewegt, die einem vollkommen gedämpften System, in dem diese Kraft in Phase mit der Geschwindigkeit ist, noch näher kommt.
Es sei angenommen, daß die resultierende, auf den Flüssigkeitsverdränger 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 Steuersignal summiert, dem Leistungsverstärker PA zugeführt und von diesem verstärkt; das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers PA treibt den Motor M in der entsprechenden Richtung. Die Rotation des Motors M (und folglich die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers) veranlaßt den Tachogenerator T, ein Signal abzugeben, das der Geschwindigkeit proportional ist und das vom Operationsverstärker 11 verstärkt wird. Dieses Signal wird vom den Motor M treibenden Signal abgezogen, so daß dieser abbremst. Es wird also auf elektrischem Weg die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers gedämpft, um so, die Versetzung und die Geschwindigkeit zumindest im wesentlichen miteinander in Phase zu bringen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 im den Verstärker 12 umfassenden Schaltungsabschnitt differenziert, um ein Signal zu erzeugen, das für die Beschleunigung des Flüssigkeitsverdrängers 1 repräsentativ ist. Ferner wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 in einem den Verstärker 13 umfassenden Schaltungsabschnitt 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 M treibenden Signal abgezogen, wodurch auf elektrische Weise die Trägheit und das Federungsvermögen des Systems auf wirksame Weise verringert werden und sich der Flüssigkeitsverdränger 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. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der zur Erzeugung von
Oberflächenwellen dienenden Vorrichtung die in Verbindung mit der Steuereinrichtung
12-15, PA, M gemäß Fig. 3 verwendet werden kann. Der Flüssigkeitsverdränger
1 hat eine etwas andere Form und einen
etwas anderen Aufbau und erzeugt wiederum eine
Welle in Vorwärtsrichtung, ohne daß sich eine Welle in
Rückwärtsrichtung ausbreitet. Man sieht, daß die Antriebsanordnung
zwischen dem Motor und dem Flüssigkeitsverdränger 1 in Fig. 4
verschieden von der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsform
ist. Jedoch wird die Abtastung bzw. Messung der Geschwindigkeit
des Flüssigkeitsverdrängers und der auf ihn einwirkenden Kraft
in ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 2 wiedergegebenen
Ausführungsform durchgeführt.
In der Anordnung gemäß Fig. 4 wird der Flüssigkeitsverdränger 1 von
einem Motor und einer aus einem Getriebe und einem Tachogenerator
bestehenden Einheit 6 A, 11 A über einen bei 17
schwenkbaren Antriebsarm 16 und eine Antriebsstrebe 18
angetrieben, die schwenkbar am Flüssigkeitsverdränger und am freien
Ende des Antriebs 16 befestigt ist. Dehnungs- bzw. Spannungsmesser
sind am Antrieb 16 an dessen Ansatz befestigt und bilden
als Meßwertumformer wiederum eine Einrichtung 8 zur Erfassung der auf den
Flüssigkeitsverdränger 1 einwirkenden Kraft.
Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Form des Flüssigkeitsverdrängers 1, die
für größere Versionen von wellenerzeugenden Vorrichtungen
besser geeignet ist.
Der modifizierte Flüssigkeitsverdränger 1 ist in Fig. 5 in einer Schnittansicht
durch den Verdränger in einer Ebene senkrecht zur
Drehachse des Verdrängers dargestellt.
Der Flüssigkeitsverdränger 1 gemäß Fig. 5 wird von zwei voneinander beabstandeten
Platten 1 B (von denen nur eine in Fig. 5 dargestellt
ist) gebildet, wobei jede Platte 1 B mit einer kreisförmigen
Öffnung 2 B versehen ist, die konzentrisch zum
hinteren Teil P des Umfangs der Platte 1 B angeordnet ist.
Die beiden Platten 1 B sind durch eine gewölbte
Rückwand 3 B und eine gewölbte Vorderwand 4 B miteinander
verbunden. Die Wände 3 B und 4 B sind an ihren unteren Kanten
5 B miteinander verbunden und umgrenzen somit ein sich
verjüngendes Volumen, das an der Oberseite offen und an
jedem Ende bzw. an jeder Seite durch die seitlichen Platten 1 B
verschlossen ist.
Der Flüssigkeitsverdränger 1 wird in einem Tank in dem der
Wasserspiegel 6 B an der in Fig. 5
angedeuteten Stelle liegt mit Hilfe von Kreuz-Blattlagern
7 B in schwenkbarer Weise getragen, wobei
die Lager zwischen L-förmigen Stäben bzw. Balken 8 B und
9 B befestigt sind und der Stab 8 B an seinen Enden an Platten
10 B befestigt ist, die an den seitlichen Platten 1 B des Flüssigkeitsverdrängers
1 angebracht sind, während der Stab
9 B durch die Öffnung 2 B in jeder seitlichen Platte 1 B hindurchtritt
und (auf irgendeine geeignete Weise) an äußeren
Stützen außerhalb des Flüssigkeitsverdrängers 1 befestigt
ist. Ein Stab bzw. eine Stange 11 B erstreckt sich zwischen
den seitlichen Platten 1 B in der in Fig. 5 bezeichneten
Lage und ist mit einem flexiblen Strang 12 B (z. B. aus
Draht) verbunden, der an einer Auftriebs-Ausgleichsvorrichtung
(nicht dargestellt, doch oberhalb des Wasserspiegels
6 B angeordnet) befestigt ist, wobei die nach oben
gerichtete, auf den Strang 12 B ausgeübte Kraft während der
Hin- und Herbewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 um seine
durch die gekreuzten Blattlager 7 B definierte Achse in der
Weise variiert, daß die auf den Flüssigkeitsverdränger ausgeübte
Auftriebskraft, die von den unterschiedlichen Eintauchtiefen
des abgeschlossenen, zwischen den Wänden 3 B
und 4 B gebildeten Hohlvolumens abhängt, vollständig
kompensiert wird.
An jeder seitlichen Platte 1 B ist zwischen den Wänden 3 B und 4 B eine
Sektorenplatte 13 B befestigt, längs deren Oberkante ein
flexibles, aus mehreren Strängen bestehendes Edelstahlkabel
14 B angeordnet ist. Die einander gegenüberliegenden
Enden des Kabels 14 B sind um Stifte bzw. Bolzen 15 B
herumgewickelt und eine Schlinge bzw. Schleife des Kabels 14 B
ist um eine mit einem Gewinde versehene Riemenscheibe bzw.
Rolle 16 B herumgelegt, die an der Antriebswelle eines Elektromotors
17 B befestigt ist. Da an jeder seitlichen Platte 1 B 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
Rollen 16 B und aufgrund ihres Eingriffs mit den
Schleifen des Kabels 14 B ergibt sich eine Schaukelbewegung
des Flüssigkeitsverdrängers 1 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 an einem
Schwingarm 19 B befestigt, die als Meßwertumformer
8 eine erste Einrichtung 8 zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger
1 einwirkenden Kraft bilden.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde, ist die
Steuerung des Elektromotors 17 B eine Funktion der auf die Meßwertumformer
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 Flüssigkeitsverdränger
1 verbunden ist. Das Mikroamperemeter und der Flüssigkeitsverdränger
können durch ein einfaches Verbindungsgestänge
miteinander verbunden sein.
Ein toter Gang im Antrieb zwischen den Motoren 17 B und den
Kabeln 14 B kann wieder dadurch vermieden werden, daß, wenn
sich der Flüssigkeitsverdränger 1 in einer stationären Stellung
befindet, sichergestellt wird, daß ein kleiner Reststrom
durch jeden Motor hindurchfließt, um entgegengesetzt
gerichtete, auf die beiden seitlichen Platten 1 B wirkende Kräfte
zu erzeugen, wie es oben bereits beschrieben wurde.
Der in Fig. 5 dargestellte Flüssigkeitsverdränger 1 wurde
für eine maximale Winkelauslegung von ±30° entworfen,
doch werden in der Praxis bei allen Ausführungsformen
keine Schaukelschwingungen Anwendung finden, die über
±15° hinausgehen.
Dadurch, daß der Stab 11 B zwischen der 6-Uhr-Stellung
und der 9-Uhr-Stellung angeordnet wird, ergibt sich ein
Übertotpunkt-Federwirkung, die dazu beiträgt, den Einfluß
der Federkraft und der Trägheit auf die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers
1 zu verringern, und die so die Bewegung des Verdrängers
in stärkerem Maße von den Dämpfungskräften abhängig
macht.
Obwohl die Vorderwand 4 B 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 Flüssigkeitsverdrängers an die Auftriebsfeder zu
erzielen, die an dem anderen Ende des Strangs 12 B 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, komplizierten technischen Aufwand
rechtfertigt.
Der Strang 12 B kann durch eine Schrauben- bzw. Spiralfeder
ersetzt werden und die Lage des Stabs 11 B kann zwischen
45° und 55° unterhalb der Horizontalen variiert werden.
Der durch Edelstahlkabel 14 B bzw. 4 und die Rolle 16 B bzw. 5 gebildete Kabelantrieb 14 B und 16 B der Ausführungsformen gemäß Fig. 5
und Fig. 2 kann durch einen Reibungsantrieb ersetzt werden
(z. B. durch eine Rolle bzw. Walze, die gegen eine gewölbte
Antriebsoberfläche drückt und die Drähte ersetzt).
Um einen einfachen Zusammenbau der beschriebenen Vorrichtungen zu
ermöglichen, können die Sektorenplatten der in der Fig. 2
bzw. in Fig. 5 beschriebenen Ausführungsformen in entfernbarer
Weise an den seitlichen Platten 1 B befestigt werden.
Die Konstruktion der beschriebenen Wellenerzeugungsvorrichtung
kann elektronischen Steuerungssignalen mit einem flachen
Ansprechverhalten innerhalb des Arbeitsbereiches
folgen. Es können ohne weiteres gemischte Seesprektren 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
Vorrichtungen zu verwenden, die ihre Wellen gegeneinander
senden. Auch wird es möglich,
Modelle mit in zwei verschiedenen Richtungen laufenden
Wellenzügen zu testen.
Die Konstruktion des gezeigten Flüssigkeitsverdrängers 1 erzeugt in einer
Richtung verlaufende Wellenzüge.
Claims (9)
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem
Flüssigkeitskörper, insbesondere Testbecken, bestehend
aus einem im Flüssigkeitskörper angeordneten Flüssigkeitsverdränger
mit einer gekrümmten Wellenerzeuger-Oberfläche,
der zur Erzeugung der Wellen von einer Antriebseinrichtung
relativ zum Flüssigkeitskörper bewegt wird, und
einer der Antriebseinrichtung zugeordneten Dämpfungseinrichtung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dämpfungseinrichtung eine erste Einrichtung (8)
zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger
(1) einwirkenden Kraft und eine zweite Einrichtung
(T, 11) zur zeitlichen Erfassung der Verdrängerbewegung
sowie eine die Antriebseinrichtung (4, 5; 16, 18) ansteuernde
und von den Ausgangssignalen der ersten und zweiten
Erfassungseinrichtung (8 bzw. T, 11) beaufschlagte Steuereinrichtung
(12-15, PA, M) umfaßt und daß die Ausgangssignale der Steuereinrichtung
die Antriebseinrichtung so steuern, daß zur
Erzielung einer zumindest im wesentlichen zum Verlauf der
auf den Flüssigkeitsverdränger (1) einwirkenden Kraft
gleichphasigen Verdrängerbewegung in dem vorliegenden
Schwingungssystem die Dämpfungskomponente im Vergleich
zur Trägheits- und Rückstellkomponente groß ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das für die momentane Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdrängers
(1) repräsentative Ausgangssignal
der zweiten Erfasssungseinrichtung (T, 11) innerhalb der
Steuereinrichtung (12-15, PA, M) zur Erzeugung der
Dämpfungskomponente vom Ausgangssignal der ersten Erfassungseinrichtung
(8) substrahiert ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung (12-15, PA, M) eine Differenziereinrichtung
(12, R₁, C₂) umfaßt, die aus dem Ausgangssignal
der zweiten Erfassungseinrichtung (T, 11) ein
für die momentane Beschleunigung des Flüssigkeitsverdrängers
(1) repräsentatives Signal ( ) erzeugt, und daß
dieses Signal ebenfalls vom Ausgangssignal der ersten Erfassungseinrichtung
(8) zur Verringerung der Trägheitskomponente
subtrahiert ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinrichtung (12-15, PA, M) zur Erzeugung
eines weiteren Signals ( R ) aus dem Ausgangssignal
der zweiten Erfassungseinrichtung (T, 11) eine Integrationseinrichtung
(13, C₃, R₄) umfaßt, und daß dieses
weitere, für die momentane Lage des Flüssigkeitsverdrängers
(1) repräsentative Signal ( R ) ebenfalls vom Ausgangssignal
der ersten Erfassungseinrichtung (8) zur Verringerung
der Rückstellkomponente substrahiert ist.
5. Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Flüssigkeitsverdränger (1) um eine unterhalb der
Oberfläche des Flüssigkeitskörpers gelegene horizontale
Achse drehbar gelagert ist, und daß am Flüssigkeitsverdränger
(1) eine zylindrische Wellenerzeuger-Oberfläche
(1 a) ausgebildet ist, deren Zylinderachse parallel zur
Flüssigkeitsverdränger-Drehachse verschoben ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Flüssigkeitsverdränger (1) zwischen der zylindrischen
Wellenerzeuger-Oberfläche (1 a) und einer dieser abgewandten,
zylindrischen Rückfläche (1 c) ein Auftriebshohlraum
ausgebildet ist, daß die Zylinderachse dieser
Rückfläche (1 c) mit der Drehachse des Flüssigkeitsverdrängers
(1) im wesentlichen zusammenfällt und daß der erzeugende
Radius dieser Rückfläche im wesentlichen dem Abstand
der Flüssigkeitsverdränger-Drehachse von der Zylinderachse
der Wellenerzeuger-Oberfläche (1 a) entspricht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Auftriebshohlraum außerdem von zwischen der Wellenerzeuger-Oberfläche
(1 a) und der Rückfläche (1 c) sich
erstreckenden parallelen Seitenflächen umschlossen ist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Auftriebs-Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist,
die dazu ausgelegt ist, den auf den Flüssigkeitsverdränger
(1) einwirkenden Auftriebskräften das Gleichgewicht
zu halten.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die durch die Auftriebs-Ausgleichseinrichtung ausgeübte
Kraft einstellbar ist, um die auf den Flüssigkeitsverdränger
(1) ausgeübte, durch unterschiedliche Eintauchtiefen
des Flüssigkeitsverdränger s (1) in die Flüssigkeit bewirkte
Auftriebskraft vollständig zu kompensieren.
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