DE2655686A1 - Ultraschallwellentrichter - Google Patents

Description

MATSUSHITA ELECTRIC WORKS, LTD., OSAKA (JAPAN)

Ultraschallwellentrichter

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwellentrichter mit einem sich bezüglich eines nahe der Emitterseite eines Ultraschallwellenerzeugers angeordneten vererben Trichterhalses allmählich erweiternden Wand, die in einer abgeflachten Öffnung mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeblichen Länge zur Breite endet.

Schalltrichter der vorgenannten Art dienen der mittels Ultraschall vorgenommenen Ortung bestimmter Objekte, wobei diese Ortung auf die bloße Existenz eines jeweiligen

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Objekts wie auch dessen bestimmte Lage, eine Bewegungsphase des Objekts oder auch die Ermittlung eines Abstandes von einem bestimmten Bezugspunkt u.dgl. ausgerichtet sein kann. Bei dieser Ortung werden die ausgestrahlten Ultraschallwellen durch das zu ortende Objekt reflektiert, wobei es auch dadurch zu Falschmeldungen kommen kann, daß bei dieser Reflektion fremde Ultraschallwellen mitempfangen werden. Daneben gibt es für diese Schalltrichter auch noch spezielle Einsatzgebiete, bei denen es darauf ankommt, für die ausgestrahlten Ultraschallwellen eine bestimmte Richtwirkung zu erzielen, wobei diese Richtwirkung dann im wesentlichen abhängig ist von dem sog. Strahlungsdiagramm des betreffenden Ultraschallwellenerzeugers bzw. umgekehrt von der Ansprechempfindlichkeit eines betreffenden Empfängers.

Sofern nun speziell in dieser zuletzt angesprochenen Umgebung eine Richtwirkung bezüglich Objekten erzielt werden soll, bei denen das Verhältnis der Länge zur Breite weitgehend ungleich ist, so beispielsweise bei mittels eines solchen Schalltrichters bedienbaren automatischen Garagentoren, die in der Regel eine ziemlich große Breite und eine im Verhältnis dazu nur kleine Länge haben, dann sollte der Schalltrichter ein Strahlungsdiagramm bzw. eine entsprechende Ansprechempfindlichkeit haben, das bzw. die genau oder zumindest weitgehend mit der Form bzw. dem Umriß einer solchen Fläche übereinstimmt. Der Schalltrichter, auf den sich mithin die mit der vorliegenden Anmeldung angesprochene Gattung bezieht, muß folglich in den für die maßgebliche Länge und für die maßgebliche Breite bezogenen Richtungen eine entsprechend unterschiedliche Richtwirkung erbringen, was nach den bisher gesammelten Erfahrungen jedoch noch reichlich unvollkommen ist, sofern zur Erzielung dieser unterschiedlichen Richtwirkung die dem verengten Trichterhals ferne Öffnung beispielsweise einen elliptischen Umriß erhält, wie es bei den bisherigen Schalltrichtern ausschließlich geübt wird. Es treten dabei nämlich dann zwangsläufig

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eine Vielzahl von Nebenzipfeln im betreffenden Strahlungsdiagramm auf, die selbstverständlich eine beträchtliche Verfälschung der Richtwirkung ergeben können.

Eine nähere Erläuterung der hier speziell angesprochenen Problematik ist über die' Figur 1 der Zeichnung möglich, die einen herkömmlichen Ultraschallwellentrichter zeigt. Der Trichter hat einen verengten Hals &_r an den sich eine allmählich erweiternde Wand c anschließt, die in einer abgeflachten Öffnung b mit einem etwa elliptischen Umriß endet. Nach der anderen Seite hat der Trichterhals a mit einer Kammer Verbindung, die einen Ultraschallwellenerzeuger d aufnimmt, bei dessen Anschluß an eine geeignete Energiequelle die durch den Trichter ausgestrahlten Ultraschallwellen dann das Strahlungsdiagramm gemäß der Fig. 1D und 1E erhalten, welches wegen des elliptischen Umrisses der Trichteröffnung b bezüglich deren (größerer) Hauptachse anders aussieht als bezüglich der (kleineren) Nebenachse. Mithin zeigt das an dem Längsschnitt gemäß Fig. 1B abgenommene Strahlungsdiagramm der Fig. 1D, daß der Schaildruck Hh an den Orten vergleichsweise groß ist, wo der am Trichterhals a auftretende Winkel o4kleiner ist als ein bestimmter Bezugswert, während umgekehrt dieser Schalldruck Hh überall dort vergleichsweise klein ist, wo dieser Winkel ^CK, größere Werte annimmt. Das Strahlungsdiagramm der Fig. 1D gilt also für die Hauptachse der elliptischen Trichteröffnung b, wobei der Schalldruck Hh entlang von Schnittlinien gemessen ist, welche die Längsachse des Trichters entlang dieser Hauptachse der Ellipse im wesentlichen an dem verengten Trichterhals a unter den mithin verschieden großen Winkeln oi. schneiden. In entsprechender Weise ist das in Fig. 1E gezeigte Strahlungsdiagramm über den in Fig. 1C gezeigten Längsschnitt an der entsprechenden Nebenachse der elliptischen Gehäuseöffnung abgenommen, wo mithin die entsprechenden Schalldrücke Hv in der Richtung von Schnittlinien gemessen sind, welche die Längsachse des Trichters wieder im wesentlichen an dem verengten Trichterhals entlang der Nebenachse unter dem mithin gleichfalls

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wechselnden WinkelyO schneiden. Aus dem für die Nebenachse maßgeblichen Strahlungsdiagramm der Fig. 1E ist nun erkennbar, daß dabei anders als bei dem für die Hauptachse gewonnenen Strahlungsdiagramm der Fig. 1D eine Vielzahl von Nebenzipfeln erscheinen, die mithin eine entsprechend starke Schwankung der maßgeblichen Schalldrücke zwischen jeweiligen Maximal- und Minimalwerten ausweisen, mit der Besonderheit, daß diese Schwankungen dort am größten sind, wo der Winkelyi? am kleinsten bezüglich eines maßgeblichen Bezugswertes ist und umgekehrt. Diese durch die Webenzipfel des Strahlungsdiagramms ausgewiesenen Schwankungen der Schall drücke ergeben mithin eine entsprechend schlechte Richtwirkung des Schalltrichters in der hier berücksichtigten Ausrichtung der Nebenachse von dessen elliptischer Trichteröffnung, was sich entsprechend nachteilig auf eine präzise Ortung auswirkt.

Mithin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen solchen Ultraschallwellentrichter so auszubilden, daß bei einer an ihm verwirklichten Trichteröffnung mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeblichen Länge zur Breite in den maßgeblichen Strahlungsdiagrammen solche Nebenzipfel zumindest weitgehend unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem solchen Ultraschallwellentrichter auch der verengte Trichterhals einen abgeflachten Querschnitt bzw. Austrittsumriß mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeblichen Länge zur Breite aufweist, wobei dessen maßgebliche Hauptachse zu der maßgeblichen Hauptachse der Trichteröffnung rechtwinklig ausgerichtet ist. Mit dieser Maßnahme ist es dann möglich, die in Fig. 1E für die Schalltrichter der bis jetzt bekannten Konstruktionen typischen Nebenzipfel im für die Schalldrücke maßgeblichen Strahlungsdiagramm der apostrophierten Nebenachse weitgehend in Wegfall zu bringen, so daß dann dieses Strahlungsdiagramm ein praktisch gleiches Erscheinungsbild ergibt wie das in der apostrophierten Hauptachse der Trichteröffnung mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeb-

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lichen Länge zur Breite eines solchen Schalltrichters gewonnene Strahlungsdiagramm.

Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den darauf bezogenen Unteransprüchen erfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die bereits beschriebene Ausführungsform eines bekannten Ultraschallwellentrichters in einer Perspektivansicht der Trichteröffnung und in zwei Längsschnitten mit den dazugehörigen Strahlungsdiagrammen,

Fig. 2-6 in einer entsprechenden Darstellung mit einer Draufsicht auf die Trichteröffnung und zwei Längsschnitten mit zugehörigen Strahlungsdiagrammen einen Ultraschallwellentrichter gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine Perspektivansicht der zur Erzielung einer bestimmten Richtwirkung maßgeblichen Schranke, die bei diesem Schalltrichter in den Trichterhals eingebaut ist,

Fig. 8 einen der Fig. 3 entsprechenden und damit ebenfalls die Hauptachse einer elliptisch ausgeführten Trichteröffnung enthaltenden Längsschnitt durch einen Ultraschallwellentrichter gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 den die Nebenachse der elliptischen Trichteröffnung enthaltenden entsprechenden Längsschnitt nach der Linie IX-IX in Fig. 8,

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Fig. 10 und 11 die zu diesen Längsschnitten zugehörigen

Strahlungsdiagramme dieses Schalltrichters,

Fig..12 bis 15 eine dritte Ausführungsform des erfindungsge-. mäßen Schalltrichters und die zugehörigen Strahlungsdiagramme für die Schalldrücke in einer den Fig. 8 bis 11 entsprechenden Darstellung,

Fig. 16- . die Stirnansicht eines erfindungsgemäßen

... - - ,,Schalltrichters gemäß einer vierten Ausfüh-. ■-....,... .rungsform,

Fig. -17 ..den zugehörigen Längsschnitt nach der Linie

XVII-XVII in Fig. 16, welcher die maßgeblichen Hauptachsen der beiden bei dieser Ausführungs- _: f.prm verwirklichten Einzeltrichter aufnimmt,

Fig. 18 ν . die· zugehörigen Längsschnitte nach den Linien

XVIIIA-XVIIIA und XVIIIB-XVIIIB, welche die. betreffenden Nebenachse des jeweiligen Einzeltrichters, aufnehmen,

Fig. 19 und 20 ,die zu dieser Ausführungsform zugehörigen

.... Strahlungsdiagramme, die für die Hauptachse ,.. und; für-die Nebenachse gewonnen werden,

Fig. 21 ein aus den beiden Strahlungsdiagrammen der

Fig. 19 und 20 gewonnenesGesamt-Strahlungsdiagramm und

Fig. 22 einen .die maßgebliche Hauptachse aufnehmenden

Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwellentrichter gemäß einer fünften Ausführungsform.

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Eel dear; !!!.tEascfeallMainLsiitiricMHir la der AtmJMirungsform geniaS dem Flg„ 2 bis T Ist wie Bei den bekannten Schalltrl <i$it;ertt elrte sidE bezSgllcJii eines: verengten Trichterhalses alltaaKllicSL· erweiternd!© Trlcfeterwamdl t veirwlrklicht, die in einer* im V^senCLieloen! eOlllptlsclEeam IrlchterOifnung 3 endet. Eter Trlehterbsls 2 ist- an. seiner Endstelle durch eine runde und insbesondere fereisfairniige WaxiäMlhung gebildet, die mit eimern inicfcseltigeii EoMraiam: äles Triciiters verbunden ist, in weHLcnen ein UitraiSGfeiallWelXenerzeiger 4 eingebaut, ist. Dieser- besteht aus einem: piezoeQLefe.trIschen KristallstüGk 4a _f das zwei EXektrerdieni 4b UMfk>fl;t:._t; sa> daß; beim; inOlegen einer Hochan ζ,-ftrel dafuir -mrgmsekeme Anschlußklemmen 4c das

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(längere) Hauptachse und eine (kürzere) tfebenachse auftritt.

Wie mn für diese Ausführungsform durch die. Fig. 5 und 6 ausgewiesen werden kann, ist das mit der Fig. W gleichartig gewonnene Strahlungsdiagramm der Fig.. 5 für die, in der maßgeblichen Hauptachse der elliptischen Trichteröffnung in Abhängigkeit von dem Winkel o£ gewonnenen Schalldrücke Hh praktisch völlig gleich, während das mit der Fig. 1E in gleicher Weise gewonnene Strahlungsdiagramm der Fig. β für die Schalldrücke Hv an der maßgeblichen Nebenachse in Abhängigkeit von dem entsprechenden Winkel/v? doch wesentlich anders aussieht. Hier sind die bei den bekannten Schalltrichtern auftretenden ETebenzipfel völlig in Wegfall gebracht und die Schalldrücke Hv sind ähnlich den drücken Hh dort am größten, v/o der maßgebliche Winkel/^ bezüglich eines angenommenen Bezugswertes am kleinsten ist und umgekehrt. Mithin ist zu schließen, daß der Schalltrichter dieser Ausführungsform ein wesentlich günstigeres Richtvermögen hat als die bekannten Schalltrichter* mit der Besonderheit, daß die Schalldrücke Hv in der niaffgebli eisen. Hebenachse einen praktisch gleichen Kurveimwerlauf im maßgeblichen Strahlungsdiagramm ergeben wie; die Schalldrücke Hh in der maßgeblichen Hauptachse.

Bei der Äusführungsfarm. gemäß den. Fig., S bis 11 wird ein ähnlich vorteilhaftes- Ergebnis erzielt, iüaicfi hier ist eine sich bezüglich eines verengten TricBrterhauLses 12 allmählich erweiternde Trichterwand 1T verwirklicht;,, diie in einer elliptischen Trichteröffnung 13 endet« An. 6Ί& TrichterwaiM 11 schließt sich nach rückwärts ein zylindrischer (iiruiid!kö3rp.er an, der mit einer zentralen Bdhnmg. 141» versehen ist. In diese Bohrung I4b ist am verengten TrlehteriiaXs; 12 eine mit der Platte 5 der vorherigen Ausführungsfbrm; vergleichbare Schranke 16 integriert, die eine der TrichteraffÄisg 13 entsprechende elliptische Durchtrittsöffnung 15 aufweist., Bie Hauptachse dieser Durchtrittsöffnung 15 ist gleich groß wie der

Durchmesser der Bohrung 14b, nämlich beispielsweise 13 mm bei einer praktischen Ausführungsform dieses Schalltrichters, sofern dessen in einem rückwärtigen Abschnitt vergrößerten Durchmessers der Bohrung 1Ab untergebrachter Ultraschallwellenerzeuger 17 für die Erzeugung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 40 KHz eingerichtet ist. Die Hauptachse der elliptischen Durchtrittsöffnung 15 ist im übrigen auch hier rechtwinklig zu der Hauptachse der elliptischen Trichteröffnung 13 angeordnet, so daß mithin auch die Nebenachse, die bei dieser praktischen Ausführungsform dann 9 mm mißt, eine entsprechende rechtwinklige Ausrichtung hat zu der entsprechenden Nebenachse der Trichteröffnung 13. Weitere Hauptabmessungen bei diesem Schalltrichter sind eine in Richtung der Längsachse 11a des Trichters gemessene Dicke von 2 mm der Schranke 16, eine axiale Länge von 4 mm des anschließenden Abschnittes der Bohrung 14b, bis diese sich in eine Bohrung 14a von 6,5 mm Länge des vergrößerten Durchmessers von 18 mm erweitert, während der sich daran anschließende Abschnitt 14b¹ der Bohrung 14b wieder eine Länge von 4 mm hat. Die Bohrung 14b ist also in Richtung der Längsachse 11a des Trichters in einzelne Abschnitte mit verschieden großen Querschnitten unterteilt, wobei es besonders der elliptische Querschnitt am verengten Trichterhals 12 ist, der für die Strahlungsdiagramme nach den Fig. 10 und 11 den wesentlichen Beitrag liefert. Die in diesen Diagrammen erfaßten Maximalwerte für die Schalldrücke Hh und Hv sind dabei selbstverständlich abhängig von der Größe des erzeugten Ultraschalls, wobei für die diesbezügliche Wechselbeziehung beispielsweise gilt, daß bei einer Wellenlänge /*>der Ultraschallwellen die Hauptachse der elliptischen Durchtrittsöffnung 15 der Schranke 16 etwa 3/2A und deren Nebenachse etwa A messen sollte.

Die Ausführungsforra nach den Fig. 12 bis 15 unterscheidet sich bei sonst gleichen Abmessungen von der vorbeschriebenen Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 nur in der Einzel-

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heit, daß hier die Schranke 16' mit der elliptischen Durchtrittsöffnung 15' "bezüglich des verengten Trichterhalses 12 axial weiter zurück in den zylindrischen Gehäuseteil 14 verlegt ist und sich direkt an den Abschnitt 14a¹ anschließt, der den vergrößerten Durchmesser aufweist. Nach vorne zur Trichteröffnung 13 hin schließt sich an die Schranke 16' eine der Bohrung 14b entsprechende Bohrung 14c an, die denselben Durchmesser von 13 mm hat jedoch eine axiale Länge von nur 2 mm. Ein Vergleich mit den Fig. 5 und 6 zeigt, daß bei diesen beiden Ausführungsformen der Fig. 8 bis 15 eine noch wesentlich weitergehende Verbesserung der Richtwirkung vorliegt.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 16 bis 21 sind zwei Einzeltrichter 21 und 22 verwirklicht, deren elliptische Trichteröffnungen 28 verschieden lange Hauptachsen haben, zu dem Zweck, daß beispielsweise der eine Trichter 21 für die Ausstrahlung von Ultraschallwellen eingerichtet ist, die dann nach einer Reflektierung durch ein damit zu ortendes Objekt mittels des anderen Trichters 22 wieder empfangen werden. Beide Einzeltrichter weisen jeweils einen verengten Trichterhals 21a und 22a auf, in welche entsprechend der Ausführungsform nach den Fig. 2 bis 7 Schranken 26 mit einer jeweils elliptischen Durchtrittsöffnung 27 eingebaut sind₅ wobei der Einbau auch hier so erfolgt ist, daß die jeweils maßgebliche Hauptachse dieser Durchtrittsöffnungen senkrecht ausgerichtet ist zu der entsprechenden Hauptachse der zugeordneten Trichteröffnung 28. Damit sind auch die entsprechenden Nebenachsen rechtwinklig zueinander ausgerichtet, wodurch sich für die von den eingebauten Ultraschallwellenerzeugern 25 der beiden über einen Steg 29 und eine Schweißstelle 30 starr miteinander verbundenen Trichtern 21 und 22 erzeugten Ultraschallwellen die Strahlungsdiagramme der Fig. 19 bis 21 gewinnen lassen.

Hierzu gehört, daß durch die größere Länge der Hauptachse

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der elliptischen Trichteröffnung 28 des Trichters 21 der zugehörige Winkele^ größer ist als der entsprechende Winkel bei dein Trichter 22, dessen elliptische Trichteröffnung eine kürzere Hauptachse aufweist. In entsprechender Weise sind auch die Winkel />>-/ und/o% unterschiedlich groß, weil auch die maßgeblichen Nebenachsen der beiden Trichter 21 und 22 verschieden groß sind. Mithin treten auch in den Fig. 19 und 20 jeweils zwei verschiedene Kurven A1 und A2 bzw. B1 und B2 für die Schalldrücke Hh und Hv der betreffenden Strahlungsdiagramme für die beiden Trichter 21 und auf, was kennzeichnend ist für eine entsprechend unterschiedliche Richtwirkung der beiden Trichter. Diese unterschiedliche Richtwirkung läßt sich zu dem in Fig. 21 gezeigten Gesamt-Strahlungsdiagramm überlagern, daß in der Kurve A3 die aus den beiden anderen Kurven A1 und A2 gewonnenen Dezibel-Mittelwerte in Abhängigkeit von dem WinkeloC festhält, wobei auch aus dieser Darstellung wieder erkennbar ist, welche Überlegenheit der erfindungsgemäße Schalltrichter gegenüber den bis jetzt bekannten Ausführungsformen bringt.

Bei der schließlich noch in Fig. 22 gezeigten Ausführungsform ist eine herstellungstechnische Variante verwirklicht, indem hier der kleinere Durchmesser der Bohrung 14b' bei der Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 durch das Einsetzen eines Ringes I4d gewonnen ist. Ein sonstiger Unterschied zu der Ausführungsform nach den Fig. 8 bis 11 besteht hier jedoch nicht.

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Claims (10)

1. Ansprüche

   Ultraschallwellentrichter mit einem sich bezüglich eines nahe der Emitterseite eines Ultraschallwellenerzeugers angeordneten verengten Trichterhalses allmählich erweiternden Wand, die in einer abgeflachten Öffnung mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeblichen Länge zur Breite endet, dadurch gekennz eichnet, daß auch der verengte Trichterhals (2, 12, 21a, 22a) einen abgeflachten Querschnitt bzw. Austrittsumriß mit einem ungleichen Verhältnis der maßgeblichen Länge zur Breite aufweist, wobei dessen maßgebliche Hauptachse ^rzu der maßgeblichen Hauptachse der Trichteröffnung (3, 13, 28) rechtwinklig ausgerichtet ist.
2. 2. Trichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeflachte Querschnitt bzw. Austrittsumriß des Trichterhalses (2, 12, 21a, 22a) und der Trichteröffnung (3, 13, 28) elliptisch ist.
3. 3. Trichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß in den verengten Trichterhals (2) ein plattenförmiges Einsatzstück (5) als bezüglich des Ultraschallwellenerzeugers (4) wirksame Schranke eingbaut ist, das eine zentrale Durchtrittsöffnung (6) mit dem abgeflachten Querschnitt aufweist»
4. 4. Trichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Schranke (16) einstückig ausgebildet ist mit der den verengten Trichterhals (12) an der der Trichteröffnung (13) fernen Stelle bildenden Trichterwand (11).

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5. 5. Trichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Schranke (16) am Ende einer Zylinderbohrung (14b) ausgebildet ist, in deren rückwärtiges Ende der Ultraschallwellenerzeuger (17) eingebaut ist.
6. 6. Trichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderbohrung (14b) einen zwischen der Schranke (16) und dem Ultraschallwellenerzeuger (17) liegenden Abschnitt (14a) vergrößerten Durchmessers aufweist.
7. 7. Trichter nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die maßgebliche Hauptachse der Durchtrittsöffnung (15) der Schranke (16) im wesentlichen gleich lang ist wie der Durchmesser der Zylinderbohrung (I4b).
8. 8. Trichter nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen dem Abschnitt (14a) mit dem vergrößerten Durchmesser und. dem Ultraschallwellenerzeuger (17) ein weiterer Abschnitt (14b¹) der Zylinderbohrung (14b) mit gleichem Durchmesser ausgebildet ist.
9. 9. Trichter nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Schranke . (I6^f) unmittelbar im Anschluß an den Abschnitt (I4a^l) mit dem vergrößerten Durchmesser der Zylinderbohrung ausgebildet ist und die Zylinderbohrung noch einen Abschnitt (14c) umfaßt, der in Richtung auf die Trichteröffnung (13) vor der Schranke (16') ausgebildet ist.
10. 10. Trichter nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß er aus wenigstens zwei Einzeltrichtern (21, 22) zusammengebaut ist, bei denen die Trichteröffnungen (28) verschieden große ungleiche Verhältnisse der maßgeblichen Länge zur Breite aufweisen.

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