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Vorrichtung zur Erzeugung eines Schallimpulses
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großer Energie Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur
Erzielung eines Schallimpulses großer Energie durch plötzliche Freigabe einer Öffnung
eines Druckbehälters mit überkritischem Druckverhältnis.
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Solche Vorrichtungen zur Erzeugung eines Schallimpulses, bei dem in
einer sehr kurzen Zeit eine große Schallenergie abgestrahlt wird, werden beispielsweise
benötigt, um Schallausbreitungsmessungen über größere Entfernungen oder um raumakustische
Messungen bei gleichzeitig wirkenden hohen Störschallpegeln durchführen zu können.
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Es ist bekannt, daß bei akustischen Modellversuchen Schallimpulse
verwendet werden, die durch Funkenentladungen erzeugt werden. Ebenso ist es bekannt,
daß beim plötzlichen Öffnen eines Ventils oder beim Platzen von Berstscheiben
bei
Druckbehältern mit überkritischem Druckverhältnis für Gase ein sehr lauter Knall
entstehen kann. Die dabei auftretenden Schalldruckspitzenwerte hängen jedoch stark
von dem Zeitverlauf der Ventilöffnung ab, wobei zu der-Steigerung des Schalldruckwertes
die Öffnungszeiten nur schwer genügend kurz gemacht werden können. Funkenentladungen
benötigen für hohe Schalldruckwerte entsprechend hohe elektrische Leistungen und
die Reproduzierbarkeit ist nicht immer gegeben. Berstscheiben, die beispielsweise
aus mit kreuzweiser Einfräsung versehenen Metallplättchen bestehen, sind zu schwer
oder teuer, wenn sie genügend genau für eine gute Reproduzierbarkeit hergestellt
sind, und im übrigen sehr gefährlich wegen wegfliegender Metallteilchen beim Bersten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines Schallimpulses großer Energie zu schaffen, bei der die Schallenergie in möglichst
kurzer Zeit abgestrahlt wird, die Fourierzerlegung der Impulsform ein möglichst
breitbandiges Spektrum liefert, bei einfacher Bedienung eine gute Reproduzierbarkeit
gegeben ist, und die, nicht ortsgebunden, leicht transportierbar sowie auch in explosionsgefährdeten
Bereichen benutzbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung
der eingangs genannten Art vorgeschlagen, daß die Öffnung des Druckbehälters durch
eine Membran aus Kunststoff verschlossen ist und der überkritische Druck durch den
Berstdruck der Membran bestimmt ist.
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Es wurde gefunden, daß die aufgabengemäßen Anforderungen in einfachster
Weise durch eine Membran aus Kunststoff erfüllt werden. Membranen aus Kunststoff
haben sehr geringe Öffnungszeiten und bersten reproduzierbar bei dem gleichen Druck,
wenn sie aus der gleichen Charge stammen und ihre Abmessungen gleich sind.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet. Es wurde festgestellt, daß die oben genannten Anforderungen in einfachster
Weise erfüllt werden können, wenn als Druckbehälter ein zylindrisches Rohr verwendet
wird, an dessen Enden Flansche angeschweißt sind. Eine Seite wird durch einen Deckel
verschlossen, auf der anderen Seite wird eine Kunststoffmembran aufgelegt und durch
einen zweiten Flansch eingespannt. Die Abdichtung zwischen den Flanschen und der
Membran erfolgt durch Rundschnurringe. Etwa in Rohrmitte ist eine Anschlußleitung
eingeschweißt, ein hieran befestigter Druckschlauch verbindet das Rohr mit einer
Preßluftflasche.
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Zum Auslösen des Schallimpulses wird die Preßluftflasche geöffnet
und es strömt in das senkrecht stehende Rohr Preßluft ein.
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Dabei wölbt sich die Membran nahezu halbkugelförmig nach oben, bis
sie birst. Normalerweise reißt die Membran beim Bersten über Kreuz ein und es klappen
vier ungefähr gleich große Teile nach oben. Ein Aufreißen und Wegfliegen von kleinen
Membranteilen ist sehr selten und wegen deren geringer Masse ungefährlich. Der eigentliche
Öffnungsvorgang spielt sich innerhalb sehr kurzer Zeit ab. Für Membranen aus der
gleichen Charge ist der Berstdruck und damit auch die abgestrahlte Schallenergie
praktisch konstant.
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Der zeitliche Verlauf des Schalldrucksignales und die Richtwirkung
der Schallquelle können beeinflußt werden, indem man ein offenes Rohr oder einen
Trichter als Verlängerung an dem Flansch befestigt, mit dem die Membran eingespannt
wird Die Größe der abgestrahlten Schallenergie und die spektrale Zusammensetzung
des Schallimpulses hängen von den Abmessungen der Schallquelle, von dem Berstdruck
und der Öffnungszeit der Membran und von dem verwendeten Gas ab. Um eine möglichst
große Schallenergie zu erzielen, sollten folgende Bedingungen erfüllt sein und müssen
in ihrer Verwirklichbarkeit gegeneinander abgewogen
werden: Schallquelle
möglichst groß, Berstdruck der Membran möglichst groß, Öffnungszeit der Membran
möglichst klein, Hochdruckgas möglichst leicht.
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In der beigefügten Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt.
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Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Schallimpulsquelle bestehend
aus einem zylindrischen Rohr 1, welches unten durch eine an Flanschen 2 befestigte
Platte 3 verschlossen ist und dessen obere Öffnung durch eine Membran 4 verschlossen
ist, welche zwischen Flanschen 5 und einem Ring 6 eingespannt ist.
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In der Mitte des Rohres 1 befindet sich eine Anschlußleitung 7 für
eine Druckquelle. Zwischen den Flanschen 2 und 5 und der Platte 3 bzw. dem Ring
6 befinden sich Rundschnurringe 8. Diese Ausführung der Schallimpulsquelle liefert
einen ersten Druckimpuls hoher Energie, an welchen sich eine Reihe abklingender
Schwingungen anschließen, die durch dem Ausströmgeräusch über lagerte Reflexionen
im Rohr 1 zustandekommen.
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Fig. 2 zeigt in Ansicht schematisch im verkleinerten Maßstab ein Rohr
1 einer Schallimpulsquelle nach Fig. 1, wobei sich außen an die Membran ein offenes
zylindrisches Rohr 9 anschließt.
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Dieses ist mit einem Flansch 10 an den Flansch 5 angeschlossen, wobei
die Membran 4 zwischen den Flanschen 5 und 10 eingespannt ist. Die derart ausgebildete
Schallimpulsquelle liefert einen schärfer ausgeprägten Schallimpuls, die nachfolgenden
Schwingungen sind schwächer als bei der Ausführung nach Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit einem Trichter 11, welcher die
Membran einspannend über einen Flansch 12 mit dem Flansch 5 verbunden ist. Diese
Ausführung erlaubt eine Richtwirkung des Schalles, die jeweils durch die Trichterform
beeinflußbar ist.
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Ausführungsbeispiel: Druckbehälter: Edelstahlrohr, Innendurchmesser
100 mm, Länge 800 mm Membran: Kunststoff (Hostaphan), 0,2 mm dick, beim Bersten
wird der volle Rohrquerschnitt freigegeben, Berstdruck ca. 10 bar Druckgas: Preßluft
Schallimpuls: In 3,5 m Entfernung von der Schallquelle unter Freifeldbedingungen
steigt der Schalldruck in etwa 0,2 msec auf seinen N Maximalwert von knapp 1000
Pa = N2 -2 (10 2bar) an und fällt dann in etwa 0,7 msec wieder ab. Hieran schließt
sich eine Reihe von abklingenden Schwingungen an, die durch dem Ausströmgeräusch
überlagerte Reflexionen im Rohr zustandekommen. Die gesamte Energie des Druckimpulses
ist in einem Zeitraum von etwa 6 bis 7 msec enthalten.
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Spitzenschalldruckpegel in 3,5 m Entfernung L = 154 dB Schalleistungspegel
für eine Bezugs zeit von 7 msec: LW = 156 dB Gesamte Schallenergie: E = 28 Joule.
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