DE3439546A1

DE3439546A1 - Schallsonde

Info

Publication number: DE3439546A1
Application number: DE19843439546
Authority: DE
Inventors: Karl 8300 Kumhausen Fürst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-12-10
Filing date: 1984-10-29
Publication date: 1986-11-20

Description

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Karl Fürst
Ahornstr. 17

8300 Kumhausen

Schallsonde"
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schallsonde nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Ermittlung insbesondere von Rohrleckstellen, beispielsweise an Wasser- oder Gasleitungen, aber auch zur Prüfung von sonstigen an Strömungsdrosselstellen entstehenden Körperschallwellen oder von Reibungsgeräuschen in mechanischen Vorrichtungen.

Es ist eine derartige Leitungssonde im Handel (Produkt der seba dynatronic, D-8601 Baunach), die ein dynamisches Mikrophon verwendet, zu dem der Körperschall über einen etwa 60 cm langen Messingstab übertragen wird. Die bekannte Schallsonde leidet einerseits an relativ geringer Empfindlichkeit für die feinen Geräusche, wie sie beispielsweise durch ausströmendes Gas im Leitungsrohr erzeugt werden, und andererseits an relativ hoher Empfindlichkeit für Umgebungs- und Handgeräusche, die sich störend dem Nutzgeräusch überlagern. Es ist deshalb nur die Feststellung und Ortung massiver Fehler möglich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schallsonde zu schaffen, die für den aufzunehmenden Körperschall eine hohe Empfindlichkeit und für Störgeräusche eine sehr niedrige Empfindlichkeit aufweist. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst, gemäß der das scheibenförmige Umsetzerelement, das durch den Schwingstift in Schwingungen entsprechend dem Körperschall versetzt wird, diese Schwingungen mit Hilfe des Helmholtz-Resonators in einem selektiv ausgewählten Frequenzbereich verstärkt und somit in diesem Frequenzbereich auch bei minimalen Eingangsamplituden für ausreichende Schwingungsamplituden am akustisch-elektrischen Umsetzerelement sorgt. Insbesondere ist der Helmholtz-Resonator auf ein Frequenzmaximum in der Größenordnung von 7 kHz und Harmonische hiervon abgestimmt, jedoch breitbandig bis etwa 40 kHz, da

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-δ-es sich hierbei um die typische Charakteristik von Strömungsaustrittsgeräuschen handelt.

Die Konstruktion hat sich als zweckmäßig erwiesen, daß das Umsetzerelement den als Helmholtz-Resonator wirkenden Hohlraum in zwei Teilkammern unterteilt, wobei dieser Hohlraum vorzugsweise gemäß Anspruch 4 einerseits durch einen Sonden-Vorderteil und andererseits durch einen Sonden-Griff teil begrenzt wird, die miteinander verbunden sind. Die entsprechenden Ausnehmungen in diesen Griffteilen, die nach der Zusammenfügung den Hohlraum bilden, können sehr präzis bearbeitet werden. Auch könnte es möglich sein, durch Austausch eines der Sondenteile die Resonanzfrequenz des Hohlraums anders zu wählen.

Die Maßnahmen nach den Ansprüchen 5 und 6 ergeben einen sehr guten Übergang vom Schwingstift zum Umsetzerelement bei einfacher Handhabung des Geräts. Vorzugsweise besteht der Schwingstift nach Anspruch 7 aus einem sehr spröden gehärteten Silberstahl, der die übertragenen Schwingungen möglichst wenig dämpft. Insbesondere für die Schallprüfung spannungsführender elektrischer Leiter, beispielsweise zum Zweck einer Koronaprüfung, kann als isolierender Schwingstift auch nach Anspruch 8 einer aus Quarz verwendet werden.

5 Die Maßnahme nach Anspruch 9 dient andererseits dem Zweck, das Umsetzerelement von mechanischen Schallwellen abzuschirmen, die über die zum Verstärker laufende Leitung eingestreut werden könnten. Die Maßnahme nach Anspruch 10 dient dem Zweck, diese Leitung selbst bereits weitgehend von Störschwingungen, insbeson-30dere von der sogenannten Handmikrophonie, freizuhalten. Die Maßnahme nach Anspruch 11 dient ebenfalls der Vermeidung des Entstehens von Schwingungen im Schallbereich in der Leitung und außerdem der Verhinderung der elektrischen Einstreuung, wenn das Umsetzerelement und der Verstärker hochohmig sind. Vorzugs-5 weise ist nach Anspruch 12 das Gehäuse insgesamt, bestehend aus dem Sondenvorderteil und dem Griffteil, schallschluckend oder mit schallschluckenden Lagen ausgebildet, so daß nur die über den Schwingstift eingeleitete Schwingung im Umsetzerelement

in ein elektrisches Signal umgesetzt wird.

Dieses Umsetzerelement besteht zweckmäßigerweise aus einem Piezokeramikelement mit einer Eigenfrequenz, die im Rahmen der technischen Möglichkeiten möglichst nahe an die Resonanzfrequenz des Helmholtz-Resonators herangerückt ist. Auch hierbei muß das Resonanzmaximum ziemlich abgeflacht verlaufen. Nach Anspruch 15 ist dieses scheibenförmige Piezokeramikelement entlang seinem Rand angeklebt und eingespannt, wobei es durch diese Randlagerung auf die Eigenschaften des Gehäusematerials abgestimmt werden kann.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung der Sonde mit daran angeschlossenem Verstärker;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Schallsonde;

Fig. 3 ein Schaltschema des Verstärkers.

Eine Schallsonde 1 ist über ein hochflexibles abgeschirmtes Kabel

2 mit einem Verstärker 3 verbunden, dessen Gehäuse etwa Zigarettenschachtelgröße aufweist. Außen am Verstärker sitzen ein Eingangsanschluß 4 für das Kabel 2, ein Ausgangsanschluß 5 für einen Ohrhörer, ein Kippschalter 6 zum An- und Ausschalten, ein Verstärkungsgradeinstellknopf 7 und ein Niederfrequenz-Millivoltmeter 8. Die Schallsonde 1 gibt über das Kabel 2 an den beim beschriebenen Beispiel sehr hochohmigen Eingang 4 des Verstärkers

3 ein elektrisches Signal ab, das von dem durch ein 9-V-Batterie gespeisten Verstärker verstärkt wird. Am Millivoltmeter 8 kann die Amplitude des verstärkten Signals abgelesen werden, am beim Anschluß 5 einsteckbaren Ohrhörer kann das aufgenommene Geräusch nach Verstärkung unmittelbar wahrgenommen werden.

Die Schallsonde 1 selbst hat eine Gesamtlänge von 160 mm. Die beschriebene Gerätschaft kann also ohne Schwierigkeit zum Einsatzort mitgenommen, dort mobil gehandhabt und anschließend in der Tasche verstaut werden.
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In der in Fig. 2 dargestellten Weise ist das Kabel 2 an einem in der Schallsonde 1 befindlichen akustisch-elektrischen Umsetzerelement 13 in Form eines Piezokeramikelements angeschlossen, und zwar über dünne Silberdrähte 14 und Silberlot. Die Silberdrähte 14 verlaufen zwischen dem Kabel 2 und dem Element 13 ohne mechanische Spannung mit einem kleinen Umweg, so daß von der Leitung 2 kaum Schwingungen auf das Element 13 übertragen werden können.

Auf der anderen Seite des Umsetzerelements 13 schließt ein Schwingstift 15 aus einem harten, spröden Material, nämlich beim beschriebenen Beispiel aus gehärtetem Silberstahl, an. Der Schwingstift 15 endet vorne in einer Tastspitze 16. Rückseitig weist er eine dem kontaktierten Oberflächenbereich des Umsetzerelements 13 komplementäre Anschlußflächenkonfiguration auf, so daß zwischen diesen Bauteilen ein Flächenkontakt über eine Fläche von einem Bruchteil eines Quadratmillimeters besteht. Insbesondere liegen eine sphärische Fläche und eine Kugelkalottenfläche aneinander an.

Der Halterung des Kabels 2,. des Umsetzerelements 13 und des Schwingstifts 15 dient ein Gehäuse aus einem sich nach vorne zu etwa kegelförmig verjüngenden Sondenvorderteil 17 und einem dahinter anschließenden Griffteil 18. Diese beiden Gehäuseteile sind miteinander verschraubt oder ein Teil ist auf den anderen aufgeschrumpft, oder sie sind durch einen auf beide Teile aufgezogenen Schrumpfschlauch, der auch elektrisch abschirmende Eigenschaften hat, miteinander verbunden. Beide Teile haben kreisförmige Querschnitte und sind langgestreckt mit übereinstimmender Längsachse. Im Bereich der Verbindung des Sondenvorderteils mit dem Griffteil haben sie gleichen Durchmesser, der Durchmesser des Vorderteils nimmt indessen zur Tastspitze 16 zu stetig ab und der Durchmesser des Griffteils nimmt in geringem

Abstand von der Verbindungsstelle stufig auf einen für seine Funktion als Griff zweckmäßigen Durchmesser, der beispielsweise dann noch 18 mm beträgt, ab. Der Durchmesser im Bereich der Verbindung der beiden Gehäuseteile hängt von den in diesem Bereich im Gehäuse befindlichen Besonderheiten ab und kann beispielsweise 26 mm betragen.

Im Bereich der Verbindung des Sondenvorderteils mit dem Griffteil ist nämlich innerhalb des Gehäuses ein Hohlraum 21 gebildet, der einerseits durch eine Ausnehmung 22 im Sondenvorderteil 17 und andererseits durch eine Ausnehmung 23 im Griffteil 18 begrenzt ist. Der insgesamt rotationssymmetrische Hohlraum ist nach den bekannten Gesetzen als gedämpfter Helmholtz-Resonator gestaltet, der für eine Resonanzfrequenz von 7 kHz und die Harmonischen dieser Frequenz dimensioniert ist. Die Frequenzspitze von 7 kHz ist jedoch ein flaches Maximum, der Resonator schwingt noch bis zu einer Frequenz von 40 kHz mit. Der Helmholtz-Resonator bewirkt eine selektive Verstärkung des ihn erregenden Frequenzgemischs vor allem in einem Frequenzbereich, der typisch für Strömungsdrosselgeräusche ist, also für Austrittsgeräusche an Leitungsundichtigkeiten und dergleichen.

Das scheibenförmige akustisch-elektrische Umsetzerelement 19 ist im Hohlraum 21 angeordnet und teilt diesen in zwei Teilkammern, indem es entlang seinem ümfangsrand über einen 0,2 mm breiten ringförmigen Randbereich abgestützt wird. Dieser Randbereich ist mit Hilfe eines schnellhärtenden Cyanakrylatklebers, der glashart wird, an eine entsprechende stirnseitige Ringfläche des Griff teils 18 angeklebt und wird außerdem durch den Sondenvorderteil 17 noch an diese Ringfläche angepreßt. Diese harte Einspannung bewirkt, daß sich auch sehr schwache Amplituden noch auswirken. Das Umsetzerelement selbst hat beim beschriebenen Beispiel eine Eigenfrequenz von 3,76 kHz, da es derartige Elemente mit einer noch stärker an 7 kHz angenäherten Eigenfrequenz zur Zeit.

nicht gibt. Aufgrund einer relativ flachen Resonanzcharakteristik, die erst bei 42 kHz das Mitschwingen beendet, ergibt sich jedoch im Bereich der Maximumfrequenzen des Helmholtz-Resonators noch eine sehr gute Empfindlichkeit.

Der Schwingstift 15 verläuft vom Umsetzerelement 13 aus durch eine axiale Bohrung im Sondenvorderteil 17 nach vorn und steht vorne aus diesem Vorderteil wie eine Bleistiftmine vor. Er bietet kaum Auffangflächen für Störgeräusche aus der Luft. Gemäß einer speziellen Ausführung kann auch noch die Länge des Schwingstifts 15 auf die Resonanzfrequenz oder eine Harmonische hiervon ausgelegt sein, um so eine Vorselektion vorzunehmen.

Das Kabel 2 läuft durch eine axiale Bohrung des Griffteils 18 nach hinten und ist in diesem durch schallträge Materialien wie Schaumstoff oder Moosgummi, in die es eingebettet ist, gegen die Übernahme von Schwingungen aus dem Griff stück 18 geschützt. Ergänzend kann noch eine Zugentlastungsschraube im Griffteil 18 angeordnet sein, die das Kabel 2 in üblicher Weise gegen stoßweisen Zug festhält. Da das Kabel an dieser Stelle am ehesten bricht, wird indessen eine ausreichende Befestigung entlang der Länge der Bohrung im Griff stück bevorzugt.

Da wegen des relativ hohen angepaßten Verstärker-Eingangswiderstands die Gefahr von Brumm- oder Störfeldeinstreuungen am Kabel 2 sehr groß wäre, ist dieses mit einem sehr dichten Abschirmgeflecht versehen. Wird eine niederohmige Eingangsstufe des Verstärkers vorgesehen, so müßte dem Wandler noch ein Anpassungsübertrager in Form eines MikroÜbertragers nachgeschaltet sein.

Das von dem Umsetzerelement 13 (Fig. 2) kommende elektrische Signal gelangt gemäß Fig. 3 über einen Eingangskondensator C„ an die Basis eines in Emitterschaltung betriebenen Eingangs-Transistors T-, der über einen Widerstand FL mit Spannungs-Gegenkopplung arbeitet. Am Collector-Arbeitswiderstand R„ fällt das verstärkte Spannungs-Signal ab, das über einen Koppel-Kondensator Co und einen Entkopplungs-Widerstand R„ auf den invertierten Eingang eines ersten Verstärkers IC₁ gelangt. Das von IC₁ verstärkte Signal wird wegen der Linearisierung des Frequenzganges sehr stark gegengekoppelt über einen Widerstand Rj.. Die frequenzabhängige Gegenkopplung erfolgt zusätzlich über Cg...

Das verstärkte Ausgangs-Signal gelangt über einen Kondensator C₄ auf den Verstärkungsgradeinsteller 7, dessen eine Seite mit Masse galvanisch verbunden ist. Der Schleiferabgriff liegt über einen Trennkondensator C- und einen' Entkopplungswiderstand FL am invertierten Eingang eines Verstärkers IC₀, dessen Gegenkopplung abermals exakt in den elektrischen Werten auf die zu erwartenden Frequenzen ausgelegt ist. Die Höhenbeschneidung dieser frequenzabhängigen Gegenkopplung ist allerdings anders ausgelegt, da die Gefahr des Rauschens (Schrot- bzw. Funkelrauschen) in dieser Stufe nicht mehr so hoch ist. Die leistungsmäßige Auskopplung des Signals erfolgt über einen Auskoppel-Kondensator C₇ direkt auf einen Basis-Spannungsteiler und Entkoppler der Endstufe T„, die als Emitterfolger ausgebildet ist und für den Ohrhöreranschluß 5 eine leistungsangepaßte Endstufe darstellt.

Am kalten Ende des Auskoppel-Kondensators C„ wird über einen Widerstand R₁₂ der Pegel des Signals abgegriffen und über weitere Transistorstufen einer optischen Anzeige zugeführt, nämlich dem Millivoltmeter 8.

Die Betriebsspannung des Gerätes beträgt im Normalfall 9 Volt und kann über einen handelsüblichen Energieblock für Transistorgeräte geliefert werden. Die ermittelte durchschnittliche Betriebsdauer beträgt ca. 120 Stunden mit einer frischen Batterie.

Im folgenden sei anhand von zwei Beispielen die Betriebsweise der Sonde beschrieben.

Angenommen sei eine dünne, kleine Leckstelle an einer unter Druck stehenden Wasserleitung (auch unterirdisch). Bei normalen Umweltgeräuschen wird selbst ein geübtes Ohr auch bei direktem Anlegen an das Rohrsystem ein leichtes Fließ- bzw. Strömgeräusch nicht oder nur sehr ungenau wahrnehmen können. Bei Anlegung der Schallsonde jedoch ist das Fließgeräusch bzw. Ausströmgerausch sofort - auch über größere Entfernungen hin - gegenüber anderen Schallereignissen abgrenzbar und deutlich wahrnehmbar.

Durch den eingebauten Indikator in Form des Millivoltmeters 8

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kann auch während des Absuch-Vorganges optisch dargestellt werden, ob die Abtastsonde sich auf die Schadstelle hin- oder von ihr wegbewegt. Der Zeigerausschlag des Indikators ist ein äquivalenter Wert der gesuchten Signal-Amplitude. Somit ist relativ leicht die Richtung der Schadstelle sowohl akustisch als auch optisch abgrenzbar. Die eingebaute Regelmöglichkeit erlaubt jederzeit die optimale Anpassung an bestehende Pegel Verhältnisse.

Gemäß einem weiteren Beispiel ist eine geringfügige Undichtheit im Kreislaufsystem des Kühlmittels einer häuslichen oder gewerblichen Kühl- oder Gefrier-AnIage zu ermitteln. Üblicherweise befindet sich im Kältekreislauf dieser Systeme bzw. Anlagen Ammoniak oder ein Kohlenwasserstoff-Abkömmling der sogenannten Freone. Diese Kühlmittel stehen während der Verdichtungsphase unter erheblichem Druck, so daß geringste Kapillaröffnungen des Leitungs-Systems ein Entweichen des Stoffes ermöglichen. Bei ganz geringen Verlusten ist mit normalen Sinnesorganen diese Schadstelle nicht auffindbar. Durch Einsatz der Schallsonde ist jedoch ein genaues Heranarbeiten an die Leckstelle problemlos möglich.

Dies trifft auch bei allen anderen Stoffen zu, ebenfalls für unter Druck stehende Luft.

Durch Anschluß einer besonderen Sonde ist dieses Gerät auch in der Lage, ähnliche Signale z.B. im medizinisch-diagnostischem Bereich aufzunehmen, aufzubereiten und zu verarbeiten.

Eine weitere Möglichkeit ergibt sich, um Korona-Erscheinungen im Bereich Hochspannung führender Teile festzustellen. Hier ist ebenfalls mit der üblichen Sonde nicht mehr zu arbeiten, da in diesem Fall eine Gefährdung der Bedien-Person nicht auszuschließen wäre.

In diesem Fall kann - je nach zu erwartender Spannung - eine ggSpezial-Sonde verwendet werden, die statt dem üblichen metallnen Schwingstift aus einer speziellen metallischen Legierung einen solchen aus Quarzglas verwendet. Der Abstand der Tastsondenspitze zum Handgriff muß in diesem Fall jedoch erheblich größer

sein, ähnlich den Tastköpfen für Hochspannung bei entsprechenden Meßgeräten. Auch das Sonden-Griff stück ist in diesem Falle aus speziellen Werkstoffen gefertigt.

Bei Summierungen von Störgeräuschen auf dem abzutastenden Medium besteht die Möglichkeit, durch Einfügen von aktiven Filtern elektrischer Art ein ganz bestimmtes Frequenz-Spektrum, bzw. nur Teil-Lagen eines Frequenz-Spektrums den Verstärkerzug passieren zu lassen, wodurch eine echte Ausfilterung nicht erwünschter Anteile problemlos möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Schallsonde (1) zur Umsetzung von an einem Fehlerort entstehenden Körperschallwellen in ein elektrisches Signal, mit einer Tastspitze (16) zum Aufsetzen auf einen schallführenden Körper und einem akustisch-elektrischen Umsetzerelement (13), das mit der Tastspitze über einen Schwingstift (15) mechanisch verbunden ist, zum Anschluß an einen elektrischen Verstärker (3) und einen von diesem gespeisten Generator (8) eines wahrnehmbaren Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsetzerelement (13) die Grundform einer schwingungsfähigen Scheibe aufweist, die mit einem als Helmholtz-Resonator wirkenden Hohlraum (21) in Verbindung steht, der eine frequenzselektive Schwingungscharakteristik mit einem flachen Maximum im Bereich des Frequenzmaximums der festzustellenden Körperschallwellen aufweist.

2. Schallsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung von an einer Strömungsdrosselstelle entstehenden Körperschallwellen der Hohlraum ein Resonanzmaximum bei 7 kHz aufweist.

3. Schallsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsetzerelement (13) den als Helmholtz-Resonator Hiirkenden Hohlraum (21) in zwei Teilkammern unterteilt.

4. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum von zwei Ausdrehungen (22, 23), deren eine in einem Sonden Vorderteil (17) und deren andere in einem Sonden-Griff teil (18) gebildet ist, eingeschlossen ist.

5. Schallsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstift (15) durch den Sonden Vorderteil (17) verläuft und am Umsetzerelement (13) mit einer Auflagefläche anliegt.

6. Schallsonde nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der gegenseitigen Berührung zwischen dem Umsetzerelement (13) und dem Schwingstift (15) komplementäre Formung aufweisen.

7. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstift (15) aus sehr sprödem gehärtetem Silberstahl besteht.

8. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingstift (15) aus Quarz besteht.

9. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein das Umsetzerelement (13) mit dem Verstärker (3) verbindendes abgeschirmtes Kabel (2) über dünne, mechanisch nicht gespannte Drähte am Umsetzerelement angelötet ist.

3010. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das das Umsetzerelement (13) mit dem Verstärker (3) verbindende Kabel in einem Griffteil (18) der Schallsonde zugentlastet und schwingungsmechanisch abgeschirmt befestigt ist.

11. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das das Umsetzerelement (13) mit dem

1 Verstärker (3) verbindende Kabel (2) hochflexibel und elektrisch abgeschirmt ist.

12. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch 5 gekennzeichnet, daß sie ein Gehäuse aufweist, das zumindest

teilweise aus schallschluckendem Material besteht.

13. Schallsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Umsetzerelement (13) ein Piezokera-

10 mikelement ist.

14. Schallsonde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das ümsetzerelement (13) eine Eigenresonanz aufweist, die nächstmöglich an 7 kHz herangerückt ist.

15. Schallsonde nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenförmige ümsetzerelement (13) entlang seinem Rand angeklebt und eingespannt ist.