DE2913804A1 - Verfahren und vorrichtung zum regeln eines plasmas - Google Patents

Description

P ATINTANWXlTt

DU E. WIEGAND DIPL-ING W. NIEMANN

MÖNCHEN H/ M eu RG

DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C. GERNHARDT

MÖNCHEN MÜNCHEN TELEFON: 53 0338/9 8 00 0 MÖNCHEN 2, TELEGRAMME: KARPATENT MATHlLDENSTRASSE TELEXi 529068 KARP D _ ¹J __

W. 43 417/79 5. April 1979

ALAN EUGEHE HILL Albuquerque, New Mexico,(V.St.A)

Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines

Plasmas

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~⁸~ 1913804

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen und Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit eines Plasmas in Luft. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schallerzeugung unter Verwendung von grossvolumigen Plasmen, bei welchen die .Ausgleichsvorgänge ohne Zeitverzögerung oder Störung aufgrund des Fehlens der Trägheit des aktiven Mediums wiedergegeben werden. Der Frequenzgang ist darüberhinaus flach und frei von Resonanzen.

Es sind verschiedene Systeme zur Schallerzeugung bzw. Lautsprecher mit einer massenlosen Membran bekannt. Ein bekannter Lautsprecher mit einer massenlosen Membran arbeitet mit einer mit Natrium angeimpften Acetylenflamme, die durch Schmelzen von Glas entsteht, um eine leitende Bahn zu bilden. In der Flamme angeordnete Elektroden führen einen tonmodulierten Gleichstrom ein. Dieses System erfordert überaus hohe Temperaturen um eine Ionisation zu erreichen. Das Fehlen einer Regelung über die Wärmeverteilung macht dieses System für eine Verwendung im Handel unbrauchbar. Ein anderes System weist einen tonmodulierten Mikrowellen-Generator auf, der ein sehr kleines kugelförmiges Plasma erzeugt, das durch einen Quarzhohlraum gebunden und in einer Expon-entialform angeordnet ist. Dieses System ist in seinem Frequenzgang und in seiner Austrittsenergie aufgrund der sehr kleinen Plasmagrösse begrenzt. Eine Horn- oder Trichteraufladung (horn loading) ist erforderlich, um eine vernünftige Austrittsintensität zu erzielen.

Im Nachstehenden sind einige US-Patentschriften aufgeführt, die jedoch die Erfindung nicht nahelegen:

2.403 990
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1513804

2 483 768

2 836 o33

3 23ο 5ο6

3 286 226 ·

3 371 3o9

Die US-BS 2 483 768 bezieht sich auf einen Schallerzeuger mit einem absorbierenden Gas, das in einem Behälter eingeschlossen ist und mit Mirkowellen bestrahlt wird, die bei einer Tonfrequenz moduliert werden.

Die US-PS 3 371 3o9 zeigt einen Schallwellengenerator, der Druckwellen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen erzeugt, die von einer Gleichstromquelle hervorgerufen werden.

Die US-PS 3 23o 5o6 offenbart einen Wandler zur Erzeugung von Impulsen in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit.

Die US-PS 2 4o3 99o beschreibt einen Funkenstrecken-Wandler zur Erzeugung von Schallwellen.

Die US-PS 2 836 o33 zeigt ein wärmegesteuertes Schallwellen-System, bei welchem Wärme einer begrenzten Flüssigkeitssäule zugeführt und wieder entnommen wird, um Schwingungen in der Flüssigkeit zu erzeugen.

Die US-PS 3 286 226 beschreibt ein Schallsystem mit Funkenentladung für eine Verwendung unter Wasser.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit eines Plasmas in Luft und zum Aussenden von Schallenergie,

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indem das Plasma durch ein Signal moduliert wird.

Es ist daher Ziel und Zweck der Erfindung ein System zum Aussenden von Schallenergie zu schaffen.

Ferner ist es Ziel und Zweck der Erfindung ein System zum Aussenden von Schallenergie zu schaffen, bei welchem die Gestalt, die Temperaturverteilung, der Druck, die Dichte und die elektrische Leitfähigkeit eines Plasmas geregelt und moduliert wird.

Weiterhin ist es Ziel und Zweck der Erfindung, ein System zum Aussenden von Schallenergie zu schaffen, bei welchem ein geregeltes und moduliertes Plasma dünn ist im Vergleich zur kürzesten, auszusendenden Wellenlänge und sich über einen grossen Bereich erstreckt, um einen gewünschten Druckwert auszustrahlen.

Darüberhinaus ist es Ziel und Zweck der Erfindung, ein Verfahren zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit eines Plasmas in Luft zu schaffen, bei welchem Temperatur- und Dichtegefälle gebildet werden.

Ferner ist es Ziel und Zweck der Erfindung ein Verfahren zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas in Luft zu schaffen, indem dem Plasma Wärmeenergie zugeführt wird.

Weiterhin ist es Ziel und Zweck der Erfindung, ein System zum Ausstrahlen von Schallenergie zu schaffen, bei welchem ein Plasma zwischen einer Vielzahl von in gegenseitigem Abstand angeordneten Elektroden gebildet und ein erhitztes

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Gas dem Plasma zugeführt sowie das Plasma durch ein Tonsignal moduliert wird.

Scbliesslich ist es Ziel und Zweck der Erfindung ein System zum Aussenden von Schallenergie zu schaffen, bei welchem ein System mit einem modulierten und erhitzten Plasma eine Vorrichtung für die Wärmeabfuhr umfasst, um eine Gleichgewichtstemperatur -während des Betriebes des Systems zu schaffen.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand von Zeichnungen näher erläutert, in welchem gleiche Bezugszeichen, gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren bezeichnen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Plasmas mit der Darstellung der darin herrschenden Energiebedingungen,

Fig. 2 eine teilweise schematische Seitenansicht eines Plasmas gemäss der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Energiebedingungen des in Fig. 2 gezeigten Plasmas,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Amplitude und der Frequenz des Systems zur Schallerzeugung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Amplitude und der Frequenz einer einzigen Zunahme der in Fig. 4 gezeigten graphischen Darstellung,

Fig. 6 eine teils perspektivische und teils schemati-909841/0891

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sehe Darstellung einer anderen Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. 7 eine teils perspektivische und teils schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. '8 eine perspektivische Darstellung der Erfindung mit mechanischen und elektrischen Einzelheiten,

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht längs der Linien 9-9 in Fig. 1o,

Fig. 1o eine Draufsicht längs der Linien 1o-1o in Fig. 9» Fig. 11 einen Querschnitt längs der Linien 11-11 in Fig.

Fig. 12 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. 13 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. 14 eine teilweise schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. 15 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform gemäss der Erfindung,

Fig. 16 eine schematische Darstellung des Aufhaus einer Elektrode,

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung einer beim Erfindungsgegenstand verwendbaren akustischen Linse,

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Pig. 18 eine schematische Darstellung eines den Schall ausbreitenden Systems, welches die Erfindung umfasst und eine aerodynamische Technik anwendet, um den Wert des Schalldruckes zu erhöhen,

Fig. 19 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der aerodynamischen Technik, und

Pig. 2o eine'schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der aerodynamischen Technik.

Die nachfolgende Beschreibung erläutert auf anschauliche Weise die Verfahren, Bauformen und Möglichkeiten der Ausführung der Erfindung. Die Beschreibung ist nicht in einem begrenzenden Sinn zu betrachten, sondern dient lediglich zur Darstellung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung.

Es wird an dieser Stelle auf das "Disclosure Document" des U-S.Patentamtes vom 6. Pebruar 1978 mit dem Aktenzeichen 068168 Bezug genommen, das ein Zeugnis für den Grundgedanken und die tatsächliche Verwirklichung der Erfindung in der Praxis ablegt.

Die im Nachstehenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung umfassen grossvolumige Plasmen, die hinsichtlich der Gestalt, der Temperaturverteilung und der elektrischen Leitfähigkeit genau geregelt werden und daher in der Lage sind, grosse Mengen an Schallenergie ohne eine Horn- oder Trichteraufladung (horn loading) über einen weiteren Frequenzbereich und mit einer geringeren Störung auszustrahlen, als dies bei bekannten Verfahren und Bauformen möglich ist.

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Der hier verwendete Ausdruck "Plasma" hat folgende Bedeutung:

Plasma: Eine Ansammlung oder ein Gemisch von Ionen, Elektronen, neutralen Atomen und Molekülen, in welchen die Bewegung der Teilchen durch elektromagnetische Wechselwirkungen beherrscht wird. Ein Plasma ist nach aussenhin neutral. Es gibt daher eine gleiche Anzahl von positiven und negativen Ladungen in jedem mikroskopischen Volumen eines Plasmas. Ein Plasma ist ein Leiter und steht mit elektromagnetischen Feldern in Wechselwirkung.

Die im Nachstehenden beschriebenen Bauformen und Verfahren erzeugen Schallwellen direkt aus einer elektro-akustischen oder thermo-akustischen Energieumwandlung in Luft und ohne die Verwendung von mechanisch schwingenden Bauformen. Da das Plasma keine Trägheit besitzt, können die Ausgleichsvorgänge (transient phenomena) ohne eine Störung, Verzerrung und Zeitverzögerung wiedergegeben werden. Derartige Störungen ,Verzerrungen und Zeitverzögerungen kennzeichnen die herkömmlichen Lautsprecher. Der Frequenzgang (frequency response) ist flach und frei von Resonanzen und die Verzerrung durch Zwischenmodulation und die Klirrdämpfung sind beträchtlich vermindert verglichen mit herkömmlichen Lautsprechern. Es gibt keine Brechungswelle in Verbindung mit einer Druckwelle und dementsprechend sind keine herkömmlichen Gehäuse erforderlich. Die durch die Gehäuseresonanz hervorgerufene Klangfärbung und die durch die Druckbelastung hervorgerufene Klirrdämpfung sind daher beseitigt.

Das System strahlt eine nahezu vollkommene halbkugelförmige Wellenfront über seinen gesamten Frequenzbereich aus,

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was zu einer überlegenen, interferometrischen stereophonen Darstellung führt, wenn das System bei zwei Lautsprechern für eine stereophone Wiedergabe verwendet wird.

Me nachfolgende Analyse dient als Hintergrund und Grundlage für den später beschriebenen physikalischen .Aufbau, auf dem die Verwirklichung der Erfindung in der Praxis beruht.

Es ist beabsichtigt, einen Plasmamantel zu bilden, der im Vergleich zur kürzesten, wiederzugebenden Wellenlänge (etwa 2o MHz) dünn ist und sich über einen genügend grossen Bereich erstreckt, um jeden gewünschten Wert für den Schalldruck auszusenden, ohne zur Hornaufladung (horn loading) Zuflucht zu nehmen. Der Mantel kann gekrümmt sein, um die -Winkel verteilung des Ausstrahlmusters zu erweitern, wenn seine Fläche gross ist im Vergleich zu den interessierenden Wellenlängen. Dies geht aus der Tatsache hervor, dass die Beugung allein nürfc das gewünschte, halbkugelförmige Muster ergibt. Der Ionisationsgrad des Plasmas kann durch eine äussere Strahlungsquelle, wie einen Elektronenstrahl, oder mit Hilfe eines elektrischen Feldes gesteuert werden. Aber in federn Fall ist ein angelegtes elektrisches Feld vorhanden, welches dazu dient, dem Plasmamantel thermische Energie zuzuführen. Das Plasma hat ein heisses Innere mit einem steilen Temperaturgefälle längs der Grenzfläche, welche an die Umgebungsluft angrenzt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist. Die Wärmeenergie (Hitze) fliesst, vom Temperaturgefälle bzw. den Wärmegradienten getrieben und von der Konvektion gezwungen, quer über die Grenzfläche, so dass der Wärmeeingang und der Wärmeausgang im Gleichgewicht stehen und die Temperatur (T) sich mit der Zeit nicht ändert. Dies gilt auch für das Diclitegefälle bzw. den Dichtegradienten(p), der umgekehrt proportional dem Temperaturgradienten ist, so

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dass das heisse Plasma gemäss dem idealen Gasgesetz etwas weniger dicht als die Umgebungsluft ist, aber bei dem gleichen Druck liegt.

PpT
O) _2 ₌ _i 2

^p ι ~ Pi * ^T1

hierin bedeuten : P der Druck,f die Dichte und T die Temperatur und die Indizes 1,2 die Anfangsund Endwerte.

Es wird nun angenommen, dass die Grosse des Energieflusses in das Plasma geändert, beispielsweise erhöht wird. Wenn die Änderung allmählich erfolgt, wird das Plasma einfach eine neue Temperatur erreichen, das Volumen leicht ändern und weniger dicht werden, während der Druck im Inneren immer noch dem Aussendruck entsprechen wird. Wenn jedoch die Änderung rasch genug erfolgt, so dass der nach aussen fliessende Wärmetransport dieser auftretenden Änderung nicht folgen kann, entsteht eine augenblickliche Druckänderung, die in der adiabatischen Grenze wie folgt ausgedrückt werden kann:

(2) -££ = id wobei γ = ^{ρ Ρ}1 Si ' ^

hierin bedeuten: C = die spezifische Wärme bei einem

konstanten Druck,

C = die spezifischen Wärme bei einem konstanten Volumen.

Wenn man., nun adiabatisch von T. zu T₂ = T + ίτ mit einer zugehörigen Druckänderung von P^ zu P₂ = P + SPgeht,

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ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2):

1 + 2Ϊ - 1

Bei Verwendung der Erweiterung:

UuC "T" O ? ■"· "** ~2. I ·"

wird deutlich^ dass die Gleichung (3) annähernd vereinfacht werden kann auf:

jr-

wobei nur ein Fehler von 1,2 ^ bei Temperaturschwankungen in der Gros sen Ordnung von ^_| _{= 0}^ _{auftritt (ein ¥eT}^ der in diesem !"all nicht erreicht wird). Diese Druckschwankungen setzen Schallwellen mit folgender Energieintensität in Gang:

W <5F> watts

hierin bedeuten ^iP? der quadratische Mittelwert der durchschnittlichen Grosse der Druckschwankungen, ρ , die ümgebungsdichte und P der Umgebungsdruck. Da in diesem Umfang die Bedingungen adiabatisch sind, kann man die ausgestrahlte akustische Energie auf die Temperaturschwankungen

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2&138Q4

wie folgt beziehen:

oder

W .

wenn man die lineare Annäherung verwendet. Es ist sofort ersichtlich, dass der Wirkungsgrad für die Schallerzeugung quadratisch mit der Abnahme der Plasmatemperatur T zunimmt (bei einer konstanten Temperaturstörung <*T).

/T

Es ist nun zu bestimmen, was für ein in die

Gleichung (7) im Hinblick auf den Energieeingang des Plasmas und die Grenzbedingungen einzusetzen ist. Dies wird dadurch getan, dass die Wärmegleichung gelöst wird, welche die allgemeine Form hat:

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hierin bedeuten:

OCdie Wärmeleitfähigkeit, Q' die Wärme/Volumeneinheit χ Zeiteinheit, T die Temperatur und t die Zeit.

Aus Gründen der Darstellung werden einige vereinfachende Annahmen über die Form der Temperaturverteilung getroffen. Eine abgeschlossene Lösung ist dann möglich, welche die auffallenden physikalischen Tatsachen offenbaren wird. Es wird angenommen, dass die Wärme als eine dünne Platte in der Mitte des Plasma s erscheint und durch einen linearen Temperaturgradienten an jeder Oberfläche zur Umgebungsluft geführt wird, wie dies in Pig. 1 gezeigt ist. Es wird ferner angenommen, dass die Wärme durch die Konvektion eines Gases abgeführt werden kann, welches durch das Plasma mit einer Geschwindigkeit "v hindurchstreicht. Obgleich dies mit der Annahme über die Wärmeableitung unvereinbar ist, kann die Energieableitung über das ganze Volumen des Plasmas als gleichförmig betrachtet werden. Die hauptsächliche Konsequenz dieser Unvereinbarkeit ist eine Unterschätzung der Temperatur durch einen Faktor von nahezu zwei. Aber dies erlaubt eine direkte eindimensionale Integration der Wärmegleichung, wobei das meiste an physikalischer Bedeutung erhalten bleibt.

Die Wärmegleichung (8) kann für eine Temperatur -Störung T (temperature perturbation), den Energieeingang und die Wärmeverluste (sowohl Wärmeleitung als auch Konvektion) wie folgt ausgedrückt werden:

in «τ,

- [■

O V

Nach dem Differenzieren und unter Verwendung der Um-909841/0891

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Wandlung

= T + T

nimmt diese Gleichung die folgende !Form an:

(τ)

+ A¹

= B¹ üicos

wobei

(11)

(Ax)² _fo

Konstante für die Σ- = thermische Relaxationszeit

(12) B' =

10⁶J * I (^T'p)

Energie-Eingang

worin

2*wf, f = Antriebsfrequenz

Modulationsfaktor

Atmosphärendruck =10^ Neutronen/m ^c atmosphärische Dichte = 1,24 ng/m Aussentemperatur = 300° K

Fliessgeschwindigkeit des Gases durch das Plasma

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(T)

Plasmadicke, Mitte zur Aussengrenze Temperatur (⁰K)
Zeit in Sek.

Wärmeleitfähigkeit des Plasmas Stromdichte des Plasmas
elektrisches Feld des Plasmas.

Die Stufen, die zur Lösung der Gleichungen (1ο), (11), und (12) erforderlich sind, sind für eine Aufnahme in dieser Beschreibung zu langwierig, so dass die Lösung angegeben wird. Eür die Grenzbedingungen der Pig. 1 ist die Lösung wie folgt:

ST

MB

(13)

3'

sin

ωΤ + aretan [- —

• Al

worin

und

O ν

Die endgültige Antwort für die ausgesandte akustische Energie in Watt/m lässt sich wie folgt ausdrücken:

(14)

e"^AT-cos

2iiA'² . ; Λ]^ (Α² ₊ω²) ^ HJJ

- 1

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für die Konstante A¹ für die thermische Relaxationszeit und für den Snergieeingang B¹. Ein physikalischer Einblick kann durch die Untersuchung der Gleichung in ihrer ausführlichsten Form gewonnen werden. Diese ausführlichste Form ist:

W _

™* TTTl _/-· a.. + ^At

γ-

s in Γατ)

- 1

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Der Ausdruck j * E im Nenner zeigt, dass die Schallwiedergabe umso unwirksamer wird, je mehr Gleichstromenergie angelegt wird, oderwenn die durchschnittliche Plasmatemperatur erhöht wird. Es kann jedoch um diesen Preis eine grössere Linearität erzielt werden. Diese Gleichungen sind nur gültig, solange verbaltnismässig wenig Wärmeenergie aus dem Plasma auf der Zeitskala einer akustischen Störung (acoustical perturbation) abgeführt wird. Bei einer vorgegebenen physikalischen Geometrie ist eine Tonfrequenz f-j- vorhanden, unter welcher die Intensität der Schallerzeugung fällt. Zu diesem Zeitpunkt ist die adiabatische Annahme, dass ρ ^ ο·ψ ist, nicht mehr richtig, und anstelle von j> = konstant (= Atmosphärendruck) an der Grenze, an welcher die Frequenz gegen Null geht, wird keine Schallwelle erzeugt.

kann zeigen, dass der Ausdruck A¹ der Gleichung (11) tatsächlich die Zeitkonstante für eine eintretende V/ärmeänderung bei einer plötzlichen Änderung der Antriebsenergie j * E ist, der in B enthalten ist. Wenn ein Energieimpuls eine Temperaturstufe <f T über der normalen Temperatur T erzeugt (wenn die Aussenluft eine Temperatur von T hat;, wird dies zu einer Bückschwingung zu T gemäss folgender Gleichung führen:

fm -"A.T

= 1 - e , or the time required is

ST

worm

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Die Erfindung offenbart Verfahren und Bauformen für
eine zunehmende Verteilung von verschiedenen Werten dieser physikalischen Parameter im Raum über das elektrische Entladungsvolumen hinweg, so dass jede räumliche Zunahme eine andere Frequenzgangkurve erzeugt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist.

Man wünscht einen gleichförmigen !Frequenzgang zwischen zwei Grenzwerten f.. und f , so dass die Verteilung der Kurven in Fig. 4 die gleiche Amplitude bei jeder Frequenz erzeugen muss, wenn sie über das gesamte Entladungsvolumen integriert, d.h. summiert oder gemittelt wird.

Im allgemeinen kann das ™ der Gleichung (15) als
Volumenintegration über eine geeignete Verteilungsfunktion (A,- ν ) ausgedrückt werden:

, so dass die Verteilungsfunktion einfach eine abgeleitete Kettenfunktion der Gleichung (15) ist, wobei
sämtliche räumlichen Freiheitsgrade erfasst sind.

Es ist daher zu erwarten, dass die Schallerzeugung abnimmt, wenn das Viertel der Taktzeit wesentlich langer als die Zeitkonstante der Wärmeübertragung wird, oder wenn

Jk > _1 » ^oder
4f A¹

Auf der anderen Seite wird aus der Gleichung (15)

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klar, dass der Wirkungsgrad der Schallerzeugung auch für

f y A_ fällt, da die Amplitude der Welle den Wert 4ΤΓ

• hat. Physikalisch gesehen erfolgt dies des-

2 Q "" ' 7

halb, weil die positiven und negativen Zyklen der thermischen Störung einander mehr und mehr aufheben, wenn die Zeitspanne T klein wird im Vergleich zur Wärmeübergangszeit 1/A¹.

Das Ergebnis ist, dass für eine physikalische Geometrie bzw. Grosse (d.h. insbesondere x, v, T , K) der Frequenzgang im allgemeinen die in Fig. 5 gezeigte Form hat.

Wenn man eine räumliche Änderung nur in einer Richtung betrachtet (d.h.das elektrische Feld in der Richtung z) und wenn man eine Symmetrie um die anderen beiden orthogonalen Koordinaten .annimmt, kann das Kriterium wie folgt festgehalten werden:

3	3A'	P	3T
3A'	3T	3z

^2 = I di ^az = / j SaT 3TIxT ~3i

so dass W/m = konstant, unabhängig von f zwischen f, und

f, ist. Die Ausdrücke 9 , 3A' , und 9 AJ~ ⁿ 9A· 3 Ux; B T

sind aus der Gleichung (15) bekannt, so dass nur noch die Ausdrücke <f T und 3 Ax bestimmt zu werden brauchen,

f ζ 3 ζ
um das obige Kriterium zu erfüllen. Als besonderes Beispiel kann man 3'edes zusätzliche ITolumenelement längs ζ bezeichnen, um einen entsprechenden zusätzlichen Teil des Frequenzspektrums wiederzugeben. Das heisst für jede Entfernung ζ beträgt A¹ = 4f für die optimale Leistung bei der Frequenz

f , so dass man fordert, dass f = f, + ^ ^£1 ~ ^fh^ ζ ^{Z z λ} ( ■ 1 )

ist, und man Δχ oder ν oder T oder Jede Kombination hier-

P
von ändert, so dass

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!$13804

(18)

_£ + _Z = 4f = 4

für alle ζ ist. Die Summe über alle Volumenelemente von ζ =0 bis 1 in der Gleichung (17) würde einen Gesamtausgang an Energie ergeben, der unabhängig von der Frequenz

zwischen f_n und f, ist.
l η

Wie im Nachstehenden noch näher beschrieben wird, können zwei getrennte Arten von elektrischen Entladungen verwendet werden, um das Plasma zu erzeugen, welches das Arbeitsmedium für die Schallerzeugung ist.

1. Selbständige Entladung. In diesem Fall muss das elektrische Feld gross genug sein, um eine Ionisierung hervorzurufen. Diese Art ist in den Fig. 2, 6, 7* 8, 9, 10 und 11 dargestellt. Die Elektronen und Ionen werden durch das gleiche Feld beschleunigt, welches sie erzeugt, wodurch ein Strom entsteht, der im Entladungsvolumen zwischen den Elektroden der Kathode und Anode fliesst. Wenn die Entladung nicht durch die hier beschriebenen Verfahren und Einrichtungen gesteuert wird, schrumpft die Entladung aufgrund der Instabilitäten der thermischen Ionisation und der GrenzWirkungen der Elektrode auf eine kleine, dichte Säule zusammen.

2. Fremdionisiertes Plasma. In diesem Fall verlässt sich das Plasma nicht auf das elektrische Potential, welches einen Gleichstromfluss in ihm erzeugt, um seine Ionisierung zu bewirken. Das Plasma leitet seine Ionisierung von einer äusseren Energiequelle, wie einem Elektronenstrahl ab. Diese Art ist in den Fig. 12 bis 2o gezeigt. Das elektrische Feld kann hier irgendeine Grosse von Full bis zu einem der selbständigen Entladung entsprechenden Wert haben und ist nicht an den Wert für die selbständige Ent-

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ladung gebunden. Die Plasmagrenzen, das Volumen und die Elektronendichte (Potential für den Gleichstromfluss) können vollkommen von einer äusseren Ionisierungsquelle gesteuert werden, während deren Energie von einem elektrischen Feld abgeleitet wird, welches die Plasmadichte oder Verteilung nicht stört. Wie im vorstehenden näher angegeben und in der theoretischen Analyse näher erläutert worden ist, ist es erforderlich, das Plasma und seine Grenzflächen zu gestalten, um einen gleichförmigen Frequenzgang zu erzeugen. Darüberhinaus muss das Plasma in der Portpflanzungsrichtung des Schalls dünn sein im Verhältnis zu den interessierenden Wellenlängen. Bas Plasma muss einen grossen Oberflächenbereich haben, um die erforderliche Schallintensität zu erzeugen.

In der nachfolgenden Beschreibung werden die gleichen Bezugszeichen zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile verwendet.

1. Selbständige Entladung.

Bei der selbständigen Entladung zur Erzeugung eines Plasmas kann ein vorgewärmtes Gas, wie Luft oder Helium , in den Entladungsraum eingeleitet und durch die Entladung hindurchgedrückt werden. In Pig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 2o eine hohle, rohrförmige Elektrode, die mit einer Spannungsquelle 31 verbunden ist. Eine andere Elektrode 22 ist in Abstand von der Elektrode 2o angeordnet, um einen Entladungsraum zu begrenzen. Ein Ballastwiderstand 3o und eine modulierende Signalquelle 32 vervollständigen den Schaltkreis. Ein vorerhitzes Gas wird durch die hohle Elektrode 2o in den Entladungsraum gedrückt. Der heisse Gasstrom erzeugt einen heissen Wärmeschirm rund um das Plasma, (Pig. 1) was zu einer Verteilung und Stabilisierung des Plasmas

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über ein grösseres Volumen führt, indem die Dichte in den Aussenbereichen des Plasmas gesenkt wird. In Pig. 3 sind die Temperaturverläufe in den Bereichen A und B gezeigt. Die Verteilung und Stabilisierung wird daher durch ein Medium (Gas) bewirkt, das nicht direkt an der Entladung beteiligt ist. Das Verhältnis von elektrischem Feld zu Druck (E/P) und somit der Ionisationsgrad werden aufgrund der thermisch induzierten Dichteabnahme in den äusseren Bereichen erhöht. Aber diese Wirkung führt nicht zu Instabilitäten bei der Entladung, da die zugeführte Wärme, welche die Wirkung hervorruft,ausserhalb der Entladung ist und nicht mit den Parametern für die Entladung zusammenhängt. Der aussen erzeugte Wärmeschirm oder Wärmemantel wandelt die in Fig. 1 gezeigte Grenzschicht üxab und erscheint in der Gleichung (11) und steuert daher die Konstante (A¹) für die thermische Relaxationszeit. Das heisse Gas tritt divergierend aus der Elektrode 2o aus und breitet sich gegen den elektrisch leitenden Entladungskorper aus, so dass jeder einzelne Bereich durch eine andere Konstante (A¹) für die thermische Eelaxationszeit gekennzeichnet ist. Diese räumliche Ausbreitung von unterschiedlichen Werten für die Konstante (A¹) erweitert den Frequenzgang und kann der idealen Bedingung für einen gleichförmigen Frequenzgang sehr nahe kommen, wie er in Gleichung (17) ausgedrückt ist.

Es ist einleuchtend, dass das Gas aus irgendeiner Quelle, wie einem Gebläse, Verdichter oder Vorratsbehälter kommen und die Wärme durch jede beliebige Einrichtung erzeugt werden kann. Die im Bereich des Kathodenfalls erzeugte Wärme kann gegen die Abgabeleitung des Gases gerichtet werden, um den heissen Mantel an der Grenzfläche zu erzeugen.

In Fig. 6 wird das Gas durch den Verlust IR in der aus Metall bestehenden Zuführleitung 26 erhitzt, die mit

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einem Abwärtstransformator 27 verbunden ist, der einen Strom mit niedriger Spannung und hoher Ampe*rezahl liefert. Bei dieser Ausführungsform ist das Austrittsende der Leitung 26 so geformt, dass es sich trompetenartig nach aussen erweitert, um den erhitzten Gasstrom besser im Entladungsraum zu verteilen. Die Kathode 28 umgibt das trompetenartig aufgebogene Ende und bildet zusammen mit der in Abstand angeordneten Anode 29 den Entladungsraum. Ein Ballastwiderstand' 3o, eine Spannungsquelle 31 und eine Tonmudulationsquelle 32 vervollständigen den Schaltkreis.

Pig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Entladung durch die Verwendung von einzelnen getrennten Elektroden mit Stromregelung ausgebreitet ist. Eine Vielzahl von Anoden 33 bis 37 ist in Abstand von der Kathode 43 angeordnet. Die Anoden 33 bis 37 haben eigene Ballastwiderstände 38 bis42. Diese Anordnung fächert die Entladung auf. Die Regelung wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Ballastwiderstände bewirkt. Es kann jedoch auch eine Regelung mit Hilfe von elektronischen Vakuumröhren als volles Äquivalent verwendet werden. Die Kathode kann ebenfalls in eine Vielzahl von einzelnen Segmenten aufgeteilt werden. Die restlichen Schaltkreiskomponenten sind die gleichen wie in Fig. 6. Diese Anordnung hat sich als zweckmässig bei der Erzeugung von ausgefallen geformten Entladungen erwiesen, die räumliche Änderungen in der Dichte j des Entladungsstromes (Gleichung 12) erzeugen, die wiederum die Konstante (A') für die thermische Relaxationszeit beeinflußt. Die Formgebung wird durch die örtliche lage der einzelnen Elektroden bestimmt, indem ungleiche Ballastwiderstände oder andere Einrichtungen zur Regelung des Stromes oder eine asymmetrische Anzahl von Kathoden und Anoden oder eine Kombination hiervon verwendet werden.

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Die Wärme oder thermische Energie, die zur Erzielung von thermischen Gradienten und Dichtegradienten im Grenzbereich des Plasmas in der Fähe der Umgebungsluft zugeführt wird, muss vom System mit einer Geschwindigkeit entfernt werden, die eine Betriebstemperatur für ein im Gleichgewicht stehendes System schafft. Ein bevorzugtes Verfahren zum Entfernen der Wärme besteht in diesem Fall darin, Metallplatten vorzusehen, welche mit dem Plasma längs Linien in Berührung stehen, die über den gesamten Oberflächenbereich ohne eine Beeinträchtigung der Entladung verteilt sind. Ein laminierter Aufbau 50 ist bei den Ausführungsformen der Fig. 8 bis 11 gezeigt. Eine Spannungsquelle 31, ein Ballastwiderstand 3o und eine Quelle für eine Modulationsspannung 32 sind schematisch dargestellt und entsprechen den Ausführungsformen der Fig. 2, 6 und 7 und führen die gleichen Funktionen aus. Eine Vielzahl von Metallrohren 51 bis 55 leitet ein erhitztes Gas aus einem Vorratsbehälter 56 und erfüllt die Aufgabe einer Reihe seitlich in Abstand nebeneinander angeordneter Kathoden. Eine Anode 22 ist angeordnet, um einen Entladungsraum zu bilden. Einzelne Ballastwiderstände 57 bis 6o' sind mit entsprechenden, einzelnen rohrförmigen Kathoden verbunden, wie dies in Fig. 8 schematisch gezeigt ist;. Die einzelnen Platten 61, welche den laminierten Aufbau 5o bilden, sind durch Isolatoren 62 gegeneinander isoliert und in einem rechten Winkel zu der Ebene angeordnet, die sich zwischen den Elektroden erstreckt und die Ebene des Plasmas 63 ist, wie dies in den Fig. 9 und 11 zu sehen ist. Die Platten sind ausgespart oder ausgeschnitten, wie dies am besten bei 64 in der perspektivischen Darstellung der Fig. 8 zu sehen ist, um einen Hohlraum für das Plasma zu bilden. Die Platten 61 sind in einem gegenseitigen Abstand angeordnet, so dass das Produkt des elektrischen Feldes aus den einzelnen Platten mal dem Abstand die Kathodenabfallspannung für das gewählte Material nicht übersteigt.

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"³¹~ 1913804

Ein typisches Beispiel sind 3oo Volt pro Platte. Der Abstand zwischen den Platten kann entsprechend der Darstellung in der Zeichnung gleichförmig sein. Der Abstand zvjischen den Platten kann auch mit der Lage längs der Entladungsrichtung geändert werden, um räumliche Änderungen in der Grosse Ax der Wärmeübertragung, bzw. des Wärmetransports zu erzielen (Fig. 1). Diese Wirkung erfüllt die Bedingungen der vorstehenden Gleichungen (17) und (18) um eine gleichförmige Charakteristik des Frequenzgangs zu erzielen. Ein Gebläse 65 mit Schaufeln 66, das von einem nicht dargestellten Motor angetrieben wird, drückt Kühlluft in Richtung der in Fig. 8 gezeigten Pfeile in die Zwischenräume zwischen die Platten, aus denen die Luft wieder austritt. Auf diese V/eise wird die Wärme abgeführt, so dass das System auf einer stabilen Temperatur gehalten wird. Die isolierenden Distanzstücke 62 erfüllen eine zweifache-Wirkung. Sie wirken als Ablenkelemente, um zu verhindern, dass die Kühlluft in den Hohlraum für das Plasma gelangt. Darüberhinaus dienen sie als Mantelformbrett zur Reflexion des Schalls nach vorne in Richtung eines Zuhörers. Eine Platte 67 aus einem Isoliermaterial kann am vorderen Ende bzw. an der dem Zuhörer zugekehrten Seite des Systems angeordnet sein. Eine Öffnung 68 ist in der Platte 67 ausgebildet, um die Schallenergie austreten zu lassen. Begrenzungsplatten 69 und 7° halten die Plattenanordnung in der Sandwich-Form und tragen isolierende Durchführungen 71 und 72. Diese sind vorgesehen, um die Elektroden in einer richtigen mechanischen und elektrischen Beziehung zu halten. Die Elektrode 22 kann auch ein Rohr sein, das mit einem Vorratsbehälter 56 verbunden ist, um das heisse Gas in den Entladungsraum zu führen.

Ein Verfahren zum Einleiten der Entladung ist erforderlich, da das elektrische Feld, das zum Einleiten der Entladung erforderlich ist, um ein Vielfaches grosser ist als

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das elektrische Feld, das erforderlich ist, um die Ionisation in einer selbständigen Entladung aufrecht zu erhalten. Ein Weg, um dies zu erreichen, besteht in einer elektronischen Regulierung. Der Wärmeableiter 5° aus verteiltem Metall oder eine Reihe von verteilten Anlasszapfen könnten über grosse Widerstände an das gesamte Potential über die Entladung angeschlossen werden, so dass das gesamte Potential über die Bodenelektrode und die Metallplatte oder den am nächsten liegenden Zapfen fliesst (es ist kein IR-Abfall in irgendeinem Widerstand vorhanden), wenn kein Entladungsstrom fliesst. Die Entladung schlägt am nächsten Punkt durch, was dazu führt, dass ein Strom durch seinen Verbindungswiderstand fliesst. Das Potential fällt daher im Durchschlagbereich der Entladung, aber steigt zwischen den nächsten beiden Punkten, wo das Potential als nächstes durchschlägt usw.. Die Widerstände können gross gewählt werden, so dass nach dem Durchschlagen der gesamten Entladung sehr'wenig Energie von der Entladung in den Anlasschaltkreis abzweigt.

Die Entladung kann auch physikalisch von mechanischen Einrichtungen zum Überschlag gebracht werden. Ein Beispiel kann beschrieben werden. In diesem Pail wird ein Anlasszapfen nahezu über die Entladung kurzgeschlossen, wenn keine Energie angelegt ist. Der Anlasszapfen wird von einem Hebelarm aus einem thermischen Bimetallstreifen getragen. Wenn die Vorrichtung eingeschaltet wird, entsteht ein Lichtbogen über den schmalen Spalt und der Strom wird durch ein Heizelement auf dem Bimetallstreifen geleitet. Der erhitzte Streifen biegt sich dann durch und hebt den Durchschlag- oder Überschlagzapfen vom Entladungsbereich langsam ab, so dass die Entladung gebildet wird. Der Zapfen wird ausserhalb des Entladungsbereiches gehalten, bis das System abgeschaltet wird und der Bimetallstreifen abkühlt.

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Es gibt viele andere mechanische Möglichkeiten für eine derartige Anordnung, die sich einem Fachmann selbst anbieten.

Der Toneingang zum System kann eine Gleichstromquelle umfassen, die mit Aufwärtstransformatoren für den akustischen Signaleingang verbunden ist. Ein herkömmlicher Bailastwider— stand wird bei dem Schaltkreis verwendet. Ein anderer Schaltkreis für den Toneingang verwendet einen Verstärker der Klasse A mit einer Vakuumröhre,um gleichzeitig einen Hochspannungsschall und eine Stromsteuerung zu erzielen. Dies verdoppelt den elektrischen Wirkungsgrad (Gleichstrom und' Schall), da die Ballastwiderstände beseitigt sind und die Röhren für die Schallverstärkung die Funktionen eines Strorareglers übernehmen. Die Verstärker der Klasse A sind unwirksam, wie sie in der Vergangenheit verwendet wurden, aber hier wird die normalerweise überschüssige Energie verwendet, um die Entladung zu betreiben und nur 5 - Io fo der Energie gehen tatsächlich verloren (beim Plattenverlust der Röhre). Darüberhinaus ist der Schallumwandler beseitigt. Wandler führen in der Regel zu einer Qualitätsminderung, da die Rückkopplung dem Leistungsverstärker nicht zur Verfugung steht, um die Fehler auszugleichen. Wenn die Charakteiiistika des Plasmas maximiert vjorden sind, um die Charakteristika für einen möglichst flachen Frequenzgang zu erzielen, kann irgendein zusätzlicher Ausgleich je nach Wunsch durch elektronische Filter vorgesehen werden, die dem Verstärkerschaltkreis vorgeschaltet sind. Eine Ausgangsröhre kann für jede Elektrode vorgesehen werden, ohne dass ein zusätzlicher Ballast erforderlich ist. Die Gleichstrom-Regulierung wird mit Hilfe des IR-Abfalls in den Kathodenwiderständen einer Jeden Röhre vorgenommen, welche das Gitter mehr negativ beaufschlagt, um den Strom zu erhöhen. Der Ausgang aus einer jeden Röhre kann auf zwei oder mehr

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Elektrodenkanäle aufgeteilt werden, indem kleine, zusätzliche Gleichstrom-Ballastwiderstände hinzugefügt werden.

Das Anlassen des Systems ist im Handel wichtig, ja sogar kritisch, wo die Verlässlichkeit eine grosse Rolle spielt. In diesen Fällen ist oas verwendete Gas Helium, Argon oder Stickstoff. Es wurde eine logische Schaltung gefunden, die zufriedenstellende und verlässliche Anlassergebnisse bringt. Diese Schaltung tastet die Grösse der Spannung über den Elektroden und die Grösse des fliessenden Stromes ab. Wenn die Spannung innerhalb bestimmter Grenzen liegt, aber kein Strom fliesst, öffnet die Schaltung ein Solenoidventil, welches Gas in den Hohlraum für das Plasma eintreten lässt. Während des normalen Betriebes des Systems ist das Abtasten der Spannung und des Stromes ein kontinuierlicher Überwachungsvorgang, der dazu dient, den Störungen des Plasmas durch starke Luftzüge in der Umgebungsluft oder starke Winde während eines Betriebes im Freien entgegenzuwirken.

2. Fremdionisiertes Plasma.

Wie im Vorstehenden erläutert wurde, stützt sich ein frenidionisiertes Plasma nicht auf das elektrische Potential, v/elches den Stromfluss im Plasma erzeugt, um die Ionisation zu bewirken. Ein fremdionisiertes Plasma leitet seine Ionisation von einer äusseren Quelle, wie beispielsweise einem Elektronenstrahl ab. Das auf diese Weise erzeugte Plasma unterscheidet sich grundlegend von dem vorstehend beschriebenen Plasma darin, dass das elektrische Feld jeden beliebigen Wert von Null bis zum Wert der selbständigen Entladung haben kann und nicht an den Wert der selbständigen Entladung gebunden ist. Die Plasmagrenzen, das Volumen und die Elektronendichte (oder das Potential für den Stromfluss) können vollständig von einer äusseren

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Ionisierungsquelle gesteuert werden, während deren Energie mit Hilfe eines elektrischen Feldes abgeleitet werden kann, welches die Plasmadichte und Plasmaverteilung nicht stört.

Ein Elektronen-Beschleuniger arbeitet wie eine grosse gittergesteuerte Vakuumröhre mit der Ausnahme, dass die Elektronen eine ausreichende Energie von etwa 3o bis 12o KEV haben, um durch die dünne Platte hindurchzutreten, welche die Vakuumkammer von der Umgebungsluft trennt. Wenn die Elektroden einmal aussen sind^erzeugt jedes Elektron Sekundärpaare aus einem Elektron und einem Ion pro cm bei einem Atmosphärendruck (typisch S = 5° bis 100) bis es aus der Energie herausläuft. Etwa 3o EV an Energie sind für jeden Ionisierungsprozess erforderlich. Eine als Elektrode dienende Spannungsquelle ist quer über dieses leitende Plasma angeordnet und erzeugt ein elektrisches Feld, welches einen Strom durch das aussen ionisierte Gas fliessen lässt. Aber die Grösse dieses Feldes reicht nicht aus, um die Ionisation ohne eine Unterstützung von der äusseren Ionisierungsquelle aufrecht zu erhalten. Die Plasmaleitung dieses Stromes erzeugt die erforderliche Wärmezufuhr in Abhängigkeit von der Ionisationsquelle, um die Plasmaparameter zu steuern und einen Schall entsprechend den Prinzipien zu erzeugen, die in dem vorstehenden theoretischen Abschnitt dargelegt wurden.

Die von einem Elektronenstrahl j, erzeugte Elektronenzahldichte η kann dadurch gefunden werden, dass die Geschwindigkeitsgleichung für stabile Zustandsbedingungen gelöst wird:

^dne ^S'h ΛχΤ

hierin bedeuten:

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j, = Stromdichte des Elektronenstrahls

ν, = Geschwindigkeit des Elektronenflusses α

P = Druck

ζ ,Of = Townsendlawine - und Anlagerungskoeffizienten

Φ> = Wiedervereinigungs-Koeffizient

S^ = Querschnitt der Sekundärionisation (^50-100)

Die Lösung ist:

(20)

ⁿe

-ρ¹ -γ

4α JS^

Wenn sowohl (X als auch οζ im Plasma mitwirken, kann r a

eine vernünftige Wahl von Gasmischung und j, zu einer nahezu vollständigen Vorherrschaft der Anlagerung oder der Wiedervereinigung führen, was zu einer einfachen quadratischen oder linearen Abhängigkeit von η vom Strahlstrom j, führt. Ein lineares System verlangt nach der zweiten Bedingung, für die gilt:

"_e cc »

^e(Vb

Wenn das Gas Luft ist, wird diese Bedingung leicht erfüllt, da aufgrund von O der Anlagerungskoeffizient für P 2 den Wert oC g^össenordnungsmässig beherrscht.

Wenn ein äusseres elektrisches Feld E angelegt wird, lässt sich der Sekundärstrom, welcher die Entladung erhitzt, wie folgt wiedergeben:

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(21) 3

Sv.

Die Modulation des in der vorstehend beschriebenen Weise erzeugten Plasmas kann auf verschiedene Arten erfolgen. Es wird nun auf Pig, 12 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 73 bezeichnet einen Elektronenstrahl-Generator mit einem Gitter 76 und einer Kathode 75· Durchführungen 74- für Hochspannung sind für die Anschlüsse zur Energiequelle 75^X für die Kathode und zur Spannungsquelle 76' vorgesehen. Eine Platte 77 verschliesst das Gehäuse. Die Platte 77 ist für die Elektronen durchlässig. Die Anode 78 und die Kathode 79 sind im erzeugten Plasma angeordnet und sind an einer Energiequelle 1oo angeschlossen, welche das elektrische Feld zuführt, um den Strom fliessen zu lassen und das Plasma zu erhitzen. Der Schalleingang ist an Klemmen 98 und 99 eines Transformators 97 angeschlossen. Während des Betriebes dieses Systems wird das fremdionisierte Plasma mit der Vorspannung erhitzt, welche eine überlagerte Vechselstromkomponente aufweist, die das Schallsignal enthält.Es ist kein Ballast oder äussere Stromsteuerung erforderlich, da das elektrische PeId sowie der Strom innerhalb bestimmter Grenzen frei von Änderungen sind .. Der Lautstärkeumfang jedoch ist begrenzt und nicht vollständig linear, da o<~., <χ , <χ alle Punktionen des angelegten elektrischen Peldes sind.

Es wird nun auf Pig. 13 Bezug genommen, die ein verbessertes System zeigt. Das Bezugszeichen 8o bezeichnet einen Elektronenstrahl-Generator. Die dargestellte Ausführungsform hat einen inneren Aufbau mit einer Kathode 81, einer Plasmakathode 82, einem Gitter 83 und einer Platte 84, welche das Gehäuse verschliesst und für die Elektronen durchlässig ist. Die als Beschleuniger-wirkende Energiezufuhr trägt das Bezugszeichen 85, die Energiezufuhr für die

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Plasmakathode das Bezugszeichen 86 und die negative Gittervorspannung das Bezugszeichen 87. Der Schalleingang ist an die Klemmen 88 und 89 angeschlossen. Die Energiezufuhr für den Strom zum Erhitzen des Plasmas trägt das Bezugszeichen 91. Die Anordnungen aus Anode und Kathode, die im Plasma untergebracht sind, tragen die Bezugszeichen 92 und 93-Dieses System hält das äussere elektrische Feld konstant, während der Strom (j ) des Elektronenstrahls moduliert wird, wodurch auch der äussere Strom (i ) moduliert wird. Dieses Modulationssystem ist linearer als das vorstehend beschriebene Modulationssystem für das elektrische Feld.

Es gibt bei diesem System keinen äusseren Tonverstärker, da · der Verstärker, der Elektronenstrahl-Beschleuniger selbst zusammen mit dem Vorgang zur Multiplikation der Elektronen im Plasma zwischen der primären und sekundären Ionisation ist· Ein kleines, an das Beschleunigergitter angelegte Tonsignal steuert den gesamten Entladungsvorgang, der hunderte von Watt verbrauchen kann.

Es wird nun auf Fig. 14 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 113 bezeichnet einen Elektronenstrahl-Generator oder eine Elektronenkanone, wie der Generator in der Technik häufig genannt wird. Eine Anodenreihe 114 und eine Kathodenreihe 115 ist im Plasma und in der Nähe eines Fensters 116 angeordnet. Eine feste Spannungsquelle 117 für Gleichstrom erzeugt den Strom, welcher das Plasma erhitzt. Die einzelnen Anodenelemente können unterschiedliche Spannungen haben und an getrennte Spannungsquellen 118 angeschlossen sein, um den Frequenzgang je nach Wunsch abwandeln zu können. Die Anoden- und Kathodenreihen wirken auch als Wärmeableiter, um die Wärmeenergie zu entfernen und das System zusammen mit dem Fenster auf einer gleichförmigen Betriebstemperatur zu halten. In diesem Zusammenhang wird Kühlluft oder Kühlgas

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von irgendeiner Quelle durch ein Rohr 119 zugeführt. Das Gas tritt aus den Zwischenräumen zwischen den Reihen in Richtung der Schallausbreitung aus, wie dies durch den Pfeil gezeigt ist. Dieser Elektronenstrahl ist ein Plasma-Kathodenstrahl mit einer kontinuierlichen Gittermodulation und macht es erforderlich, dass das Tonsignal (annähernd 3o YoIt)¹ auf der Spitze der Gleichstrom-Beschleunigungsspannung (2o.ooo bis 1oo.ooo Volt) reitet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein Hochfrequenztransformator in die Basis der nicht dargestellten Elektronenkanone eingebaut wird. Ein auf Hochfrequenz abgestimmter Schwingkreis erzeugt den erforderlichen Spannungsanstieg quer über einen Induktor mit einem dielektrischen Kern. Wenn ein Koaxialkabel für die Sekundärseite verwendet wird, wird das am geerdeten Ende des Kabels angelegte Tonsignal auf der Spitze des vollen Hochfrequenzpotentials am hohen Spennungsende reiten. Zusätzliche Wicklungen am Hochspannungsende schaffen die erdfreien Potentiale, die in der Elektronenkanone benötigt werden, um die Gitter vorzuspannen und die Plasmaquelle zu erzeugen. Die vorstehenden Verbindungen führen zu einem hochfrequenzmodulierten Elektronenstrahl mit einem Tonträger. Das Hochfrequenzsignal kann durch bekannte Schaltungen gleichgerichtet werden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde angegeben, dass die Anoden-und Kathodenanordnungen in dem von der Elektronenkanone erzeugten Plasma untergebracht sind und zwei Funktionen haben. Auf der einen Seite dienen sie als Wärmeableiter und auf der anderen Seite bilden sie Elektroden für das elektrische Feld. Es wird nun auf die Fig. 15 bis 17 hingewiesen, in welchen einige Ausführungsbeispiele für Bauformen für Elektroden gezeigt sind, welche die beiden vorstehend erwähnten Funktionen erfüllen.

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Es wird zunächst auf Pig. 15 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 113 bezeichnet einen Elektronenstrahl-Generator. Die beiden Bezugszeichen 119 und 12o zeigen Einlassleitungen für das Kühlgas. Der Elektronenstrahl dringt in die Zwischenräume zwischen der Anode 124 und der Kathode 125 ein. Eine Spannungsquelle 117 ist vorgesehen und einzelne Spannungsquellen 118 führen getrennte Spannungswerte den Anodenelementen zu. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind die einzelnen Elemente der Anode und der Kathode konzentrische Ringe. Jedes ringförmige Elemente der Anode ist in einem unterschiedlichen Abstand von seinem zugehörigen Kathodenelement in der Vertikalebene angeordnet, um die thermische Relaxationszeit über ausgewählte Werte durch die Entladung zu verteilen.

In Pig. 16 ist eine andere Anordnung von Anode 126 und Kathode 12? gezeigt, die bei den vorstehend beschriebenen Elektronenstrahl-Generatoren verwendet werden können. Eier greifen die einzelnen ringförmigen Anodenelemente fingerartig in die einzelnen ringförmigen Kathodenelemente ein. Das angelegte elektrische Feld kann von Element zu Element geändert werden, um die thermische Relaxationszeit über ausgewählte Werte zu verteilen.

In Fig. 17 ist eine akustische Linse gezeigt, die das Bezugszeichen 128 trägt. Diese akustische Linse kann für die vorstehend beschriebenen Elektronenstrahl-Generatoren verwendet werden. Die Linse hat die Wirkung, dass die akustische Energie in einer gewünschten Bahn konzentriert wird, um die Schallintensität in eine gewünschte Richtung zu bringen. Wie aus Mg. 17 hervorgeht, bilden Platten 129 die verteilte Anode. Die Platten 129 sind über einzelne Spannungsquellen 118 an die Spannungsquelle 117 angeschlossen, um getrennte Spannungswerte an 'getrennte

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Platten anzulegen. Die Platten 129 weisen einen segmentartigen Ausschnitt längs einer ringförmigen Bahn 13o auf. Die verteilten Elemente 111 der Kathode sind mit den anderen Klemmen der Spannungsquelle 117 verbunden.

Die dargestellte Linse ist in dem von der Elektronenkanone erzeugten Plasma angeordnet und erfüllt dreierlei Aufgaben. Die Linse erfüllt erstens die Aufgabe von Elektroden, um ein elektrisches Feld im Plasma zu erzeugen. Zweitens wirkt die Linse als Wärmeableiter, wenn das Kühlgas oder Luft über die Elemente hinwegstreicht. Drittens erfüllt die Linse die Aufgabe einer Linse, um die Schallenergie zu konzentrieren und in eine gewünschte Bahn und Richtung zu lenken.

Wenn Elektronenstrahlen mit hoher Energie verwendet werden, können grosse Mengen von Ozon erzeugt werden. Ferner können Röntgenstrahlen entstehen, wenn die Spannungen des Elektronenstrahls 18 KW überschreiten ader wenn radioaktive Materialien für die Vorionisation verwendet werden. Es müssen daher in diesen Fällen besondere SicherheitsVorkehrungen getroffen werden. Es kann natürlich ein Schutzschirm oder eine Schutzwand verwendet werden. Es kann jedoch auch das den Entladungsbereich erregende Gas durch oder über besondere chemische, kathalytische Filter geführt werden, um das Ozon zu neutralisieren oder abzufangen. Es kann auch eine sehr dünne Membran verwendet werden, welche den Schall überträgt, um das gesamte Gas in der Vorrichtung zu halten. In diesem Fall wird das Gas wahrscheinlich nicht Luft sein. Zum Abhalten der Röntgenstrahlen kann eine wärmeableitende Schutzanordnung aus gewelltem Metall zwischen dem Plasma und dem Hörer angeordnet werden. Die wärmeableitende Schutzanordnung kann ein Teil des Elektrodenaufbaus sein. Der unregelmässige Teil gestattet keine der Sichtlinie entspre-

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cbende Übertragung der Röntgenstrahlen;, sondern überträgt den Schall. Das unregelmässige Teil kann ferner bei einer akustischen Linse (Fig. 17) vorgesehen sein, um eine akustische Streuung zu erzielen. Ausreichend schwere Materialien, wie Blei, können verwendet werden, wo es erforderlich ist, die Tragkonstruktion zu verbessern, auf welcher ein Röntgenfolienfenster mit einer Dicke von weniger als 0,0025 eh& Dicke angeordnet ist. Ein derartiges Fenster wäre kräftig genug, um dem Atmospbärendruck gegenüber dem in der Elektronenkanone herrschenden Vakuum standzuhalten. Dies würde eine Übertragung der Elektronenstrahlen in den Entladungsbereich gestatten, wobei die Elektronenstrahlen eine Energie von weniger als 1o bis 29 KV hätten. Nur die Notwendigkeit, eine 0,025 nim dicke Folie zu durchdringen, würde es erforderlich machen, Spannungen zu verwenden, die hoch genug sind, um ein Röntgenstrahlen-Problem hervorzurufen.

Der Wert oder die Höhe des Schalldruckes bei den vorstehend beschriebenen Bauformen gemäss der Erfindung kann durch die Verwendung von aerodynamischen Techniken verbessert werden. Eine von einem Elektronenstrahl gesteuerte elektrische Entladung oder irgendeine Einrichtung für eine akustisch modulierte Wärmezufuhr ist in einem rasch fliessenden Gasstrom in einem Kanal angeordnet. Die Zeit für den Gasaustausch durch die Entladung oder den erhitzten Bereich muss rasch sein im Vergleich zu einer einzigen Periode der kürzesten, zu erzeugenden akustischen Wellenlänge. Der Gasfluss wird auf eine Machzahl in der Nähe von

ji = wobei (^= C /C ) beschleunigt, indem der Quer-

vyr P v

schnitt des Kanals geändert wird. Diese Geschwindigkeitszunahme führt dazu, dass die von der Entladung erzeugten /f T - Änderungen aerodynamisch in dp - Änderungen umgewandelt werden, was die akustische Energie in Gang setzt.

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Systeme mit? den vorstehenden Prinzipien können nahezu eine unbegrenzte akustische Energie liefern.

Es wird nun auf die Fig. 18 bis 2o hingewiesen,, die Schallsysteme mit einer sehr hohen Intensität zeigen, wobei aerodynamische Massnahmen angewandt worden sind.

Es wird zunächst auf Fig. 18 Bezug genommen. Das Bezugszeichen 150 bezeichnet einen bekannten Elektronenstrahl-Generator mit Gittermodulation und einer Schallsignalquelle 152, die mit dem Generator verbunden ist. Einlassleitungen 153 und 154 leiten ein Gas unter einem hohen Druck in einen Verteiler 155. Elektroden 156 und 157 sind an die Energiequelle 158 angeschlossen und liefern das elektrische Feld zum Erhitzen der Entladung. Ein Venturirohr 159 mit den bekannten dynamischen Fliesseigenschaften weist zwei Kegelstumpf förmige Konusabschnitte auf, die an ihren kleinen Enden mit einem sehr kurzen Zylinder verbunden sind.

Die Ausführungsform nach Fig. 19 beruht auf dem gleichen Aufbau wie die vorstehend beschriebene Anordnung, verwendet jedoch ein elektrisches Widerstands-Heizelement I60, das im Venturirohr angeordnet ist, um das Plasma zu erhitzen und zu modulieren. Die Energiezufuhr I58 und die Schallsignal-Quelle 152 sind mit dem Element I60 verbunden. Diese Ausführungsform ist weniger wirkungsvoll und hinsichtlich des Frequenzganges mehr begrenzt,aber dafür einfach.

Eine chemische Reaktion oder Verbrennung kann gemäss der in Fig. 2o gezeigten Ausführungsform verwendet werden. Die Verbrennungskammer ist mit dem Bezugszeichen I70 versehen und besitzt Leitungen 175 und 176, um Kraftstoff und Oxidationsmittel zuzuführen. Eine Schallsignal-Quelle 152 und, ein akustischer Treiber I77 führen die Schallenergie den

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Elektroden 156 und 157 zu.

Es gibt eine Anzahl von anderen Verfahren zur Herstellung eines fremdionisierten Plasmas. Beispiele für diese Verfahren sind: radioaktive Materialien, ultraviolette Bestrahlung und rasch gesteuerte Elektronenlawine.

Schwere isotope Materialien können auf eine feste Fläche aufgetragen werden. Sekundäre Paare aus Ionen und Elektronen werden konstant von irgendeiner dieser primären Ionisierungsstrahlung erzeugt und treten an die Stelle des Elektronen-Beschleunigers. In diesem Fall wird nun die Modulation des Ε-Feldes verwendet. Die Wahl des radioaktiven Materiales hängt von Faktoren, wie Halbwertszeit, dagegen erreichbare sekundäre Ionisierungsgeschwindigkeit, Kosten und Sicherheit ab. Die^- Strahler sind im allgemeinen sicher, wenn sie nicht in d-en Körper gelangen. Die Technologie könnte auf zweierlei Weise verwirklicht werden: (1) als eine Einrichtung, welche die Ionisation im Plasma ausschliesslich von aussen aufrecht erhält, oder (2) als eine Einrichtung, die mithilft, die räumliche Verteilung einer Entladung zu steuern, die bei einem Wert E/P in der Nähe oder an der Stelle der Selbstentladung arbeitet. Im Fall (1) könnte man η = Io zu Ίο" erreichen, wodurch ein grossflächiges schwach ionisiertes, kaltes Plasma erzeugt werden könnte. In diesem Fall könnte eine mittlere Ionisation das Schallsignal an das Plasma anlegen.

Die Energie von kurzwelligen, ultravioletten Strahlen erzeugt eine Ionisation durch mehrere Mechanismen. Die Wellenlängen, die ausreichend kurz sind, um direkt eine \tfesentliche Ionisation in der Luft hervorzurufen, durchdringen keine gewöhnlichen Fenster. Es können jedoch winzige Mengen von Chemikalien dem Glas zugesetzt werden, wodurch es mög-

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lieh ist, dass die kurzwellige UV-Strahlung eine beachtliche Ionisation erzeugt. Es ist früher schon gezeigt worden, dass eine Strahlung mit 11oo 5 und 16oo ° Tri - η Propylamin ionisiert und es viele andere Kohlenwasserstoffe hierfür gibt. Kontinuierliche, elektrische Entladungen oder elektrische Entladungen mit raschen Impulsen in verschiedenen Gasen mit niedrigem Druck, die durch CaP-Penster gebunden sind, können eine derartige Strahlung abgeben. Sehr rasche Iinpulsfrequenz-Polgen ( 50.000 PPS) mit überaus kurzen Impulsen können ebenfalls verwendet werden. Diese Entladungen können nach einer der beiden vorstehend beschriebenen .Arten arbeiten. In jedem Pail wird ein von aussen angelegtes, vorgespanntes PeId mit einer Tonmodulation-Komponente an das durch UV-Strahlung ionisierte Gas angelegt. Es kann auch eine kontinuierliche, verhältnismässig langwellige UV-Strahlungsquelle verwendet werden, wie beispielsweise eine 2537 S erzeugende, von einem Quarzmantel umgebene Quecksilberentladung, um eine besonders behandelte Kathode zu erhellen, um den Austritt von Potoelektroden aus der Kathodenfläche zu bewirken. Diese -Art der Entladung wird vermutlich bei einem E/P-V/ert arbeiten, welcher die Ionisation lediglich mit Hilfe der Potokathoden (Quelle) aufrecht erhält.

Die elektrischen Entladungen können bei Bedingungen oberhalb des elektrischen Lawinenfeldes bei grossen Volumina des unter Druck stehenden Gases, d.h. in Luft, für sehr

kurze Zeitspannen, (^ 2-5 χ 1o~ ' Sek.) arbeiten. Wenn die Entladungen dann mit einer Geschwindigkeit von etwa I00.000 Entladungen pro see. wiederholt werden, vereinigen sich die Elektronen und Ionen z;vischen den Impulsen im wesentlichen nicht. Ein zweites kontinuierliches, elektrisches Gleichstrom-Peld kann an ein in dieser Weise erzeugtes Plasma angelegt werden, wenn sein E/P-Wert unter der Grenze

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der selbständigen Ionisation liegt. Das elektrische Gleichstrom-Feld dieses Systems enthält eine Tonmodulation-Komponente. Das vorstehend beschriebene System ist in der Praxis tatsächlich für die Laser-Technik angewandt worden (s. Hill, Alan E., "Continuous Uniform Excitation of Medium Pressure COp Laser Plasmas by Means of Controlled Avalanche Ionization", Applied Physics Letters, Band 22, Kr. 12, Juni 15, 1973-)

Es ist etwas auf dem Gebiet zur Verwendung mehrerer Entladungsarten getan worden, welche miteinander zusammenarbeiten (s. Tulip, J. and Sequin, H.J.J., "High Pressure Glow Discharges Using a Differentially Pumped Cathode"., Applied Physics Letters, Band 27, Nr. 1, JuIi 1, 1975·) Eine Koronaentladung oder ein in das Plasma eingebrachtes radioaktives Material oder eine hochbelastete Townsend-Glühentladung oder eine Hochfrequenz-Entladung oder auch eine Mikrowellen-Entladung können eine gleichförmige Ionisationsfront schaffen, um hierdurch eine höher ionisierte Entladung zu erzielen. Die eine Entladungsart kann daher eine verteilte, gasförmige Kathode oder Anode für eine zweite stärkere Entladung geben, wodurch deren räumliche Verteilung geregelt wird. Man kann jede Entladung auf verschiedene Betriebsdrücke oder vorherrschende Gaszusammensetzungen begrenzen. Man kann insbesondere eine poröse, isolierende Sperre verwenden, um eine Townsend-Entladung bei einem grossen Volumen mit einem niedrigen Druck von der Hauptentladung zu trennen, welche den Schall erzeugt. Das durch die Membran hindurchdiffundierende, ionisierte Gas bildet eine verteilte Elektrodenfläche für die Haupt entladung. Helium wird der steuernden Entladung zugeführt, welche die Verteilung des Bereiches des Kathodenspannungsabfalls über einen viel grösseren Bereich unterstützt, wodurch die Stromdichte abnimmt. Das Helium diffundiert dann

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durch die poröse Anordnung, wodurch ein Übergangsbereich für die Entladungseigenschaften des Plasmas entsteht, um wieder eine Angleichung an die Bedingungen der Luftentladung zu erzielen. Eine Anzahl von getrennten, hohlen Kathoden, die durch Ballastwiderstände unabhängig stromgesteuert sind, könnte unter Druck stehendes Helium als Alternative zum Verfahren mit der porösen Platte sein.

Eine Hochfrequenz- oder Mikrowellenenergie als Hilfsquelle zur Unterstützung der Stabilität oder räumlichen Verteilung der Hauptentladung und zum Zwecke der Energiezufuhr zur Hauptentladung ist zweckmässig.

Die Auswahl eines Gases oder Gasgemisches hängt von den Vorteilen ab, Vielehe für die Verwendung gewünscht werden. Die Zufuhr eines Gases oder Gasgemisches zur Entladung kann beispielsweise aus dem Grund erfolgen, um das Gleichgewicht zwischen einer Anlagerung und Wiedervereinigung der Ionen und Elektronen abzuwandeln. Der Umfang der Anlagerung hängt linear von der Elektronendichte ab. Es ist daher wünschenswert,den Anlagerungs- Vorgang über den Wiedervereinigungsvorgang für den Verlust an Ionisation vorherrschen zu lassen, da die sich ergebende Verzerrung bei der Tonwiedergabe geringer ist. Bei Luft ist jedoch die Anlagerung überaus vorherrschend und eine leichte Verschiebung gegen eine vorherrschende Wiedervereinigung ergibt eine grössere Entladungsstabilität, höhere Stromdichten und grössere Wirkungsgrade bei der Elektronen-Erzeugung. Bestimmte Gaszusätze oder ein Ersatz für O^ könnten zur Anwendung gebracht werden, um dieses Gleichgewicht auf ein Optimum zu bringen.

Es ist auch ein anderes Beispiel möglich. Man kann ein Gas oder ein Gasgemisch der Entladung zugeben, um den Um-

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fang der Townsend-Ionisation abzuwandeln. Wenn die Fotoionisation verwendet wird, um die Entladung zu ergänzen, werden die Zusätze so gewählt, dass der Querschnitt der Foto-Ionisation vergrössert wird. Ein Beispiel für einen derartigen Zusatz ist Tri-n-propylamin. Wenn die Zusammenstösse der Elektronen vor dem Ionisationsvorgang vorherrschen, wie dies bei Lawinen, oder Elektronenstrahl-Entladungen der Fall ist, werden Zusätze mit geringen Ionisations-Potentialen, wie Natirum, verwendet.

Bei einem anderen Beispiel kann ein Gas oder Gasgemisch der Entladung zugegeben werden, um die Wärmeleitfähigkeit herabzusetzen. Es ist manchmal wünschenswert, die Wärmeleitfähigkeit des Plasmas aus drei Gründen zu senken:

1. der maximale Wert der thermischen Verzögerungszeit wird herabgesetzt, wodurch die Grenze des Frequenzgangs der Vorrichtung hinausgeschoben wird;

2. die kühlere Plasmatemperatur gestattet eine Steigerung des Wirkungsgrades der Schallerzeugung und

3. bei kühleren Temperaturen begünstigt die Plasmakinetik einen stabileren Betrieb der Entladung über grössere Volumina- Helium ist ein Beispiel für einen derartigen Zusatz. Das Helium verringert die Stromdichte an der Kathode, so dass sich die Entladung über einen grösseren Bereich ausbreitet.

Bei einem weiteren Beispiel kann ein Gas oder ein Gasgemisch der Entladung zugegeben werden, um die Energie zu entschärfen, die in den Schwingungszuständen der Moleküle gespeichert ist. So absorbieren N₂ oder ein Ersatz für derartige Moleküle, wie N_2;viel von der Entladungsenergie in ihre molekularen Schwingungszustände. Diese Zustände haben

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eine lange Lebensdauer im Vergleich zu den akustischen Zeitdauern, weshalb dies die Leistung der Schallerseugung stark senkt. Die Zugabe von Spuren von CO₂ oder Wasserdampf, der aucii von der Zugabe winziger Mengen an Hp herrühren kann, wird die Energie rasch auf kinetischem Weg herabsetzen, die in den Schwingungszustanden von N₂ und anderen Molekülen gespeichert ist. In einem geschlossenen System kann Argon oder irgendein anderer atomarer Bestandteil als vollständiger Ersatz für N₂ oder Luft verwendet werden. Bei einem geschlossenen System ist es zweckmässig O₂ zu beseitigen, wodurch das Problem einer Potentialoxidation der Elektroden und auch die Entstehung von Ozon beseitigt wird. Ein anderes Anlagerungsmittel würde O₂ ersetzen und ein Ersatz für Np würde die übermässige Schwingungsenergie beseitigen.

Wenn das Arbeitsgas abgewandelt wird, wurden Abweichungen im Molekulargewicht eine Streuung des Schalls an der inneren Grenzfläche zwischen Gas und Atmosphäre verursachen, was störend und lästig sein kann. Das Gemisch kann jedoch durch den Zusatz von Gasen wie Argon, so ausgelegt werden, dass es dem Molekulargewicht vcn Luft entspricht.

Die Erfindung schafft also ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen direkt aus einer elektro-akustischen und thermo-akustischen Energie. Die Erfindung umfasst in diesem Zusammenhang genau gesteuerte, grossvolumige Plasmen, die eine Schallenergie mit einem sehr hohen Wert aussenden.

Es ist ersichtlich, dass viele Abänderungen im Aufbau und in der Anordnung der einzelnen Teile getroffen werden können, ohne dass vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird·

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Claims (1)

1. -γ- —

   PATENTANSPRÜCHE

   1.J Verfahren zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit eines Plasmas in Luft, dadurch gekennzeichnet,
   dass ein Plasma in Luft erzeugt und Wärmeenergie an
   das Plasma angelegt wird, wodurch thermische Gradienten und Dichtegradienten im Grenzbereich des Plasmas in unmittelbarer Nähe der Umgebungsluft gebildet werden.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie an das Plasma dadurch angelegt wird, dass ein erhitztes Gas andasPlasma angelegt wird.

   3· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass . Wärmeenergie an das Plasma dadurch angelegt wird, dass ein elektrisches Feld angelegt wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma dadurch erzeugt wird, dass eine Vielzahl
   von seitlich in Abstand angeordneten Elektroden der gleichen Polarität vorgesehen wird, um das Plasma über einen gewünschten Bereich zu verteilen.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromfluss und die Dichte im Plasma reguliert
   werden.

   6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmenergie mit einer Geschwindigkeit entfernt
   wird, die eine Gleichgewichtstemperatur während des Systembetriebes schafft.

   7« Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, 9 0984 1/089 1

   dass das Plasma in Abhängigkeit von einem Signal moduliert wird.

   8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma in Luft dadurch erzeugt wird, dass ein Elektronenstrahl-Generator vorgesehen wird.

   9. Vorrichtung zur Regelung der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit eines Plasmas in Luft mit dem Zweck zum Aussenden einer Schallenergie, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Herstellung eines Plasmas in Luft und eine: Einrichtung zum Modulieren des Plasmas durch ein Signal.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma dünn ist im Vergleich zur kürzesten, auszusendenden Wellenlänge und einen grossen Bereich ein·» nimmt, um einen Schalldruck mit einem gewünschten Wert auszusenden.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas eine Einrichtung umfasst, welche ein heisses Gas an das Plasma anlegt.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Ableiten der Wärme mit einer Geschwindigkeit, die eine Gleichgewichtstemperatur während des Betriebes des Systems schafft.

   13- Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Plasmas in Luft zu-.

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   mindest zwei in Abstand angeordnete Elektroden und eine Einrichtung umfasst, die eine Hochspannung zwischen den Elektroden anlegt.

   14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der beiden in Abstand angeordneten Elektroden eine Vielzahl von seitlich in Abstand angeordneten Elementen aufweist.

   15· Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente Rohre sind.

   16. Vorrichtung nach Anspruch 15» gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche das heisse Gas durch die Rohre und in einen Raum drückt, welcher von den in Abstand angeordneten Elektroden begrenzt ist.

   17· Vorrichtung" nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichne/t, dass zumindest eine der Elektroden ein trompetenartig nach aussen aufgeweitetes Rohrelement aufweist.

   18. Vorrichtung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, welche das heisse Gas durch das rohrförmige Element und in den Raum zwischen den Elektroden drückt.

   19· Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Ableiten der Wärmeenergie einen Wärmeableiter und ein Gebläse aufweist, welches Kühlluft durch den Wärmeableiter hindurchdrückt.·

   2o. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableiter eine Vielzahl von in parallelem Abstand angeordneten Platten aus einem Material mit einer

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   hohen Wärmeleitfähigkeit und einer hohen elektrischen Leitfähigkeit aufweist und die Platten gegenseitig elektrisch isoliert sind.

   21. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass jede Platte einen rechten Winkel mit der Achse bildet, welche die in Abstand angeordneten Elektroden verbindet.

   22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine Ablenkeinrichtung, die im Wärmeableiter angeordnet ist und gleichzeitig zur Reflexion der Schallenergie und zum Ablenken der Kühlluft vom Plasma dient.

   23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das heisse Gas Helium ist.

   24. Vorrichtung nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine akustische Linse, welche die Schallenergie in eine gewünschte Richtung lenkt.

   25· Vorrichtung nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Einleiten der Entladung zwischen zwei in Abstand angeordneten Elektroden.

   26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Einleiten der Entladung zwischen den in Abstand angeordneten Elektroden einen Schaltkreis umfasst, der eine Hochspannungsquelle besitzt, die mit den Platten des Wärmeabieiters verbunden ist, um eine allmähliche Entladung von Platte zu Platte einzuleiten.

   27. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Modulieren des Plasmas einen Schaltkreis umfasst, der einen Schallverstärker besitzt,

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   dessen Ausgang mit der Einrichtung zur Erzeugung des Plasmas in Luft verbunden ist.

   28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Schallverstärker ein Verstärker der Klasse A ist.

   29. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung des Plasmas in Luft ein Elektronenstrahl-Generator ist.

   30. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Regeln der Gestalt, der Temperaturverteilung, des Druckes, der Dichte und der elektrischen Leitfähigkeit des Plasmas eine Einrichtung umfasst, die ein elektrisches Feld an das Plasma anlegt.

   31. Vorrichtung nach Anspruch 3o, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an das Plasma eine im Plasma angeordnete Anode und Kathode sowie einen Schaltkreis besitzt, der eine Hochspannungsquelle aufweist, die mit der Anode und Katode verbunden ist.

   32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode und die Kathode de we ils einen Gitteraufbau haben.

   33· Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode und die Kathode Jeweils eine Vielzahl von konzentrischen Ringen aufweisen.

   34· Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Ringe ineinandergreift.

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   35· Vorrichtung nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet, dass die Anode und die jeweils eine Vielzahl von parallelen, in Abstand angeordneten Platten aufweisen.

   36. Vorrichtung nach Anspruch 35» dadurch gekennzeichnet, dass die parallelen, in Abstand angeordneten Platten die Gestalt einer akustischen Linse haben.

   37- Vorrichtung nach Anspruch 31» gekennzeichnet durch ein Venturirohr, das mit dem Elektronenstrahl-Generator verbunden ist.

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