DE3008734A1

DE3008734A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzegung von wellen auf einer fluessigkeitsoberflaeche

Info

Publication number: DE3008734A1
Application number: DE19803008734
Authority: DE
Inventors: Antrag Auf Nichtnennung
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: LD Didactic GmbH
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1980-03-07
Publication date: 1981-09-24
Also published as: FR2477434A1; FR2477434B1; DE3008734C2

Description

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH

Köln-Bayental

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wellen auf einer Flussigkeitsoberfläche

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung von Wellen auf einer Flüssigkeitsoberfläche mit einem im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche mündenden Leitungssystem. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.

Beim Experimentieren mit Wellen, z. B. in Wellenwannen, zu Unterrichts- oder Forschungszwecken sind in der Regel möglichst ungestörte Sinuswellen erwünscht, welche hinsichtlich der möglichen Frequenzen und Amplituden exakt einstellbar

sind.
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Es ist bekannt, die Wellen mit mechanischen Schwingern zu erzeugen, die im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche auf- und abschwingen. Derartige mechanische Schwinger sind hinsichtlich der Einstellbarkeit von Frequenz und Amplitude sowie hinsichtlich der Reinheit der Sinusform der Wellen mit Nachteilen behaftet, die im einzelnen in der französischen Patentanmeldung Nr. 77 33 703 beschrieben sind. Zur Beseitigung dieser Nachteile wird deshalb in der genannten französischen Patentanmeldung vorgeschlagen, mittels einer gepulsten Gasquelle geförderte Luft auf die Wasseroberfläche zu blasen. Für die Erzeugung von Zirkularwellen sind Rohre vorgesehen, deren Mündungen oberhalb der Wasseroberfläche enden und aus denen der gepulste Luftstrom in Richtung Wasseroberfläche austritt. Nachteilig daran ist, daß die seitlich abströmende Luft außer der gewünschten Wellenbewegung noch zusätzliche unerwünschte Störungen der Wasseroberfläche hervorruft. Für die Erzeugung von ebenen Wellen wird eine nach unten offene, in die Flüssigkeit eintauchende U-förmige Schiene beschrieben, in der eine Luftzuführungsleitung mit einer Reihe oberhalb

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der Flüssigkeitsoberfläche mündenden Öffnungen endet. Aus diesen Öffnungen, die wegen des Druckabfalls innerhalb der Luftzuführungsleitung unterschiedliche Durchmesser haben müssen, strömt die gepulste Luft in den von der U-Schiene und der Wasseroberfläche gebildeten Raum ein und erzeugt dadurch die gewünschte Wellenbewegung. Durch eine im oberen Teil der U-Schiene befindliche Öffnung tritt die Luft aus diesem Raum hinaus. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß sie schwierig zu fertigen und schwer justierbar ist. Schließlich ist es in beiden Fällen erforderlich, eine relativ leistungsstarke Membranpumpe als Luftquelle zu verwenden, deren Motor darüber hinaus aus meßtechnischen Gründen eine streng lineare Kennlinie haben muß, wodurch der technische Aufwand weiterhin erhöht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Wellen auf einer Flüssigkeitsoberfläche mit einem im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche mündenden Leitungssystem anzugeben, bei dem keine zusätzlichen Störungen der Wasseroberfläche mehr auftreten. Weiterhin soll die für die Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung in ihrem Aufbau wesentlich einfacher sein und eine einfache Regelung von Frequenz und Amplitude der Wellenbewegung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der

eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine zumindest im 30

Mündungsbereich des innerhalb der Flüssigkeit endenden Leitungssystems befindliche Flüssigkeitssäule zu Schwingungen angeregt wird und der Übertragung der Schwingungen auf die Wasseroberfläche dient. Dadurch, daß nicht mehr ein gepulster, seitlich abströmender Luftstrom, sondern eine ständig mit der Flüssigkeit in Verbindung stehende, schwingende (also nicht seitlich abströmende) Flüssigkeitssäule auf die Oberfläche einwirkt, treten unerwünschte Störungen der Wasseroberfläche nicht mehr auf. Die Flüssigkeitssäule kann über das

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Leitungssystem direkt oder über ein Luftpolster mit dem j Schwingungsgenerator gekoppelt sein, so daß die vom j Schwingungsgenerator erzeugten Schwingungen exakt in Form und Frequenz auf die Wasseroberfläche übertragen werden.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn das in der Flüssigkeit "Ό endende Leitungssystem im Mündungsbereich so gestaltet ist, daß sich die Flüssigkeitssäule infolge von Kapillarkräften bildet. Das setzt die Wahl kleiner Abmessungen voraus, so daß die für die Erzeugung der Schwingbewegung der Flüssigkeitssäule notwendige Energie äußerst gering ist, da zum einen die Masse der schwingenden Säule klein ist und das der Schwerkraft entgegengerichtete Aufschwingen der Flüssigkeitssäule von den Kapillarkräften unterstützt wird. Wegen dieses äußerst geringen Energieverbrauchs ist es im Rahmen der Erfindung möglich und zweckmäßig, als

^£U Schwingungsgenerator eine mit dem schwingenden Element eines Lautsprechers gekoppelte Membran zu verwenden. Die Spule des Lautsprechers kann in einfacher Weise mittels eines Generators z. B. in exakte Sinusschwingungen versetzt werden, die dann mittels der Flüssigkeitssäule auf die

Wasseroberfläche übertragen werden. Natürlich ist es auch möglich, andere als Sinusschwingungen auf die Wasseroberfläche exakt zu übertragen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert werden.

Figur 1 zeigt den Mündungsbereich eines in einer Flüssigkeit 1 endenden Leitungssystems 2. Die Flüssigkeit 1 befindet sich in einer Wellenwanne, von der nur der Boden O₅ sichtbar ist. Der Mündungsbereich des Leitungssystems 2 wird von einem Rohrabschnitt 3 mit dem Durchmesser r gebildet. Der Durchmesser r und das Material des Rohrabschnittes 3 sind so gewählt, daß infolge von Kapillarkräften im

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Rohrabschnitt 3 eine Flüssigkeitssäule 5 der Höhe h sich ausbildet. Die Höhe der Flüssigkeitssäule ist durch das Jurin'sche Gesetz bestimmt:

2A cos θ r.p.g

Dabei bedeuten:
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Θ: Winkel zwischen Flüssigkeitsoberfläche und Wandung

p: Masse der Flüssigkeitssäule

A: Kapillarkraft

r: innerer Radius des Rohrabschnittes 3

g: Schwerkraft

Als Material für den Rohrabschnitt 3 kommt Metall oder dgl., z. B. Aluminium, mit einer gut gesandeten oder ähnlich ! behandelten Oberfläche infrage.

Von oben mündet in den Rohrabschnitt 3 eine Leitung 6, die zu dem in Figur T nicht dargestellten Scnwingungsgenerator führt. Das in der Leitung 6 und im Raum 7 oberhalb der Säule 5 befindliche Luftpolster wird vom Schwingungsgenerator derart in Schwingungen versetzt, daß die Säule 5 im Rohrabschnitt 3 auf- und abschwingt, und zwar derartig, daß die Säule 5 ständig - also auch in ihrer untersten Stellung einen den Rohrabschnitt 3 verschließenden, mit der Flüssigkeit 1 ständig in Verbindung stehenden Stopfen bildet«

_on In Figur 2 ist das innerhalb der Flüssigkeit 1 endende Leitungssystem 2 in seinem Mündungsbereich als nach unten offenes, ü-förmiges Element 8 mit den Schenkeln 9 und 10 ausgebildet. Der Abstand der Schenkel 9 und 10 ist wieder so gewählt, daß sich zwischen den beiden Schenkeln die Flüssigkeitssäule 5 ausbildet. Durch den Pfeil 11 ist angedeutet, daß das oberhalb der Flüssigkeitssäule 5 befindliche Volumen 7 - vorzugsweise durch mehrere Anschlüsse längs des U-förmigen Elementes 8 - mit dem Schwingungsgenerator in Verbindung steht.

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Figur 2 zeigt eine weitere Besonderheit der Erfindung. Der Schenkel 9 des U-förmigen Elementes 8 erstreckt sich bis zum Boden 4 der Wellenwanne, während der Schenkel 10 bis zur Wasseroberfläche reicht. Dadurch breiten sich die erzeugten ebenen Wellen nur nach einer Richtung (nach rechts) aus, während die Zone links vom U-förmigen Element 8 ruhig bleibt.

Das U-förmige Element 8 kann gerade Form haben; es kann aber auch beliebige andere Formen annehmen, von denen eine nämlich die Ringform - in Figur 3 dargestellt ist. Der oberhalb der Flüssigkeitssäule 5 befindliche Ringraum 7 ist wieder an mehreren Stellen - angedeutet durch die Pfeile 11-mit dem Schwingungsgenerator verbunden. Der innere Schenkel 14 erstreckt sich bis zum Boden 4 der Wellenwanne, während sich der äußere Schenkel 15 bis kurz unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche erstreckt. Dadurch entsteht innerhalb des ringförmigen Elementes 8 eine ruhige Zone, während sich die Wellen nach außen kreisförmig ausbreiten.

Das Röhrchen 3 in Figur 1 und das U-förmige Element 8 in den Figuren 2 und 3 haben zweckmäßigerweise hinreichend kleine Abmessungen, um die Bildung einer Flüssigkeitssäule durch Kapillarwirkung zu gewährleisten. Der Durchmesser r des Röhrchens 3 bzw. der Abstand der beiden Schenkel des U-förmigen Elementes kann z. B. 2 mm betragen, wenn die weiter oben erwähnten Materialien verwendet werden.

In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Schwingungsgenerator dargestellt. Mit ist allgemein ein elektronischer Schwingungsgenerator vorzugsweise ein Sinusgenerator für niedrige Frequenzen bezeichnet. Dieser wirkt über einen Verstärker 17 auf die Spule 18 eines Lautsprechers ein. Mit dem schwingenden

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Element 19 des Lautsprechers, ζ. B. dem Anker, ist eine Membran 20 gekoppelt, welche eine Wand eines geschlossenen Topfes 21 bildet. In diesen Topf 21 mündet die Anschlußleitung 6, die jeweils mit dem Raum 7 oberhalb der Flüssigkeitssäule 5 verbunden wird. Die von der Membran 10

erzeugten Schwingungen können dadurch exakt auf die Flüssigkeitssäule 5 übertragen werden.

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Claims

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LEYBOLD-HERAEUS GMBH

Köln-Bayental

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Wellen auf einer Flüssigkeitsoberfläche

Ansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Wellen auf einer Flüssigkeitsoberfläche mit einem im Bereich der Flüssigkeitsoberfläche mündenden Leitungssystem, dadurch gekennzeichnet, daß i eine zumindest im Mündungsbereich des innerhalb der Flüssig! keit (1) endenden Leitungssystems (2) befindliche Flüssigkeitssäule (5) zu Schwingungen angeregt wird und der Übertragung der Schwingungen auf die Wasseroberfläche

dient.
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2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungssystem (2) innerhalb der Flüssigkeit (1) mündet und mit einem Schwingungsgenerator (18 bis 21) zur Erzeugung von Druckschwingungen

gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule (5) direkt mit dem Schwingungsgenerator gekoppelt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

das in der Flüssigkeit (1) endende Leitungssystem (2) im Mündungsbereich so gestaltet ist, daß sich die Flüssigkeitssäule (5) infolge von Kapillarkräften bildet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwingungsgenerator eine mit dem schwingenden Element (19) eines Lautsprechers gekoppelte Membran (20) Verwendung findet.

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, Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Flüssigkeit (1) endende Leitungssystem (2) im Mündungsbereich als etwa senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche angeordnetes Röhrchen (3) mit für die Ausbildung der Flüssigkeitssäule (5) durch Kapillarwirkung hinreichend kleinen Durchmesser ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß das innerhalb der Flüssigkeit (1) endende Leitungssystem (2) im Mündungsbereich als langgestrecktes, nach

unten offenes U-förmiges Element (8) ausgebildet ist, 15

dessen Seitenschenkel (9, 10 bzw. 14, 15) einen hinreichend kleinen Abstand haben, um die Bildung einer Flüssigkeitssäule durch Kapillarwirkung zu gewährleisten, z. B. 2 mm.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer Wellenwanne,

dadurch gekennzeichnet, daß sich einer (9, 14) der beiden Schenkel (9, 10 bzw. 14, 15) des ü-förmigen Elementes (8) bis zum Boden (4) der Wellenwanne erstreckt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet daß das langgestreckte ü-förmige Element (8) gerade ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,dadurch gekennzeichnet, daß das langgestreckte U-förmige Element gekrümmt ausgebildet ist, z. B. kreisförmig

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