DE659157C - Verfahren und Anordnung zur Sichtbarmachung schneller piezoelektrisch, pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion erzeugter mechanischer Schwingungen - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Sichtbarmachung schneller piezoelektrisch, pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion erzeugter mechanischer Schwingungen

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DE659157C
DE659157C DEK137388D DEK0137388D DE659157C DE 659157 C DE659157 C DE 659157C DE K137388 D DEK137388 D DE K137388D DE K0137388 D DEK0137388 D DE K0137388D DE 659157 C DE659157 C DE 659157C
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Description

  • Verfahren und Anordnung zur Sichtbarmachung schneller piezoelektrisch, pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion erzeugter mechanischer Schwingungen Die Erfindung bezieht sich darauf, diejenigen mechanischen Schwingungen sichtbar oder in anderer Weise optisch erkennbar u machen, die durch schnelle elektrische Schwingungen erzeugt werden und eine derartige mechanische Schwingungsamplitude besitzen, daß diese nicht ohne weiteres feststellbar bzw. erkennbar ist. Solche Schwingungen treten in erster Linie auf bei piezoelektrischenKristallen und sonstigen piezoelektrisch erregbaren Körpern (insbesondere Kristallzusammenstellungen u. dgl.), bei denen mit Hilfe des piezoelektrischen Umkehreffektes elektrische Schwingungen in elastische Schwingungen -umgebildet werden. Gegebenenfalls kann die Erfindung auch verwendet werden bei Körpern, die auf Grund eines pyroelektrischen Effektes oder eines Effektes der NIagnetostriktion mit kleiner, zunächst ohne weiteres nicht sichtbarer, mechanischer Amplitude schwingen.
  • Die Erläuterung der Erfindung möge für den speziellen Fall erfolgen, daß piezoelektrische Kristalle durch elektromagnetische Schwingungen erregt und die daraus resultierenden mechanisch-elastischen Schwiiigungen gemäß der Erfindung nachgewiesen werden.
  • Zur Erläuterung mögen einige allgemeine Bemerkungen vorangeschickt werden. Bekanntlich zeigen gewisse Kristalle, die eine polare Achse besitzen, die Erscheinung: wenn sie z. B. in Richtung einer solchen Achse einem Druck ausgesetzt werden, treten an bestimmten Stellen des Kristalls elektrische Ladungen auf (piezöelektrischer Ef- fekt, Brüder Curie). Aus thermodynamischen Überlegungen folgerte man theoretisch, daß hierzu ein Umkehreffekt existieren müßte. Wenir man z. B. gegenüberliegende Flächen einer polaren 21,chse eines piezoelektrischen Kristalls entgegengesetzt elektrisch auflädt, war gemäß diesem Umkehreffekt eine Dehnung oder Zusammenziehung des Kristalls zu erwarten, unter anderem in Richtung derselben polaren Achse. Es war von vornherein zu erwarten, daß dieser reziproke piezoelektrische Effekt nur äußerst klein sei>> würde. Für Ouarz ergab sich theoretisch bei einer piezoelektrischen Konstante d =. 6,3-2 # 10-s (im' Zentimeter-Gramm-Sekunden-System gemessen): Wenn man bei einem Ouarzprisma die Endflächen senkrecht zur optischen Achse auf eine Spannung von z. B. 3oo Volt gegeneinanderbringt, . d. h. auf die Einheit der Spannung in elektrostatischem Maßsystem, müßte sich eine Längsausdehnung oder Zusammenziehung des Quarzprismas um ein Stück von nur c1 = 6,32 # 10-s CM ergeben. Daß eine solche Längsausdehnung, auch wenn sie theoretisch vorhanden ist, praktisch unmeßbar sein wird, ergibt sich schon aus der Bemerkung,- dafi diese. durch 300 Volt hervorgerufene Längenänderung nur so viel beträgt wie der Abstand zweier gleichberechtigter Atome im Kristallgitter des Quarzes (die Gitterkonstanten des Quarzes betragen etwa 5 # io-s cm'). Tatsächlich sind in dieser Richtung selbst hei :,-#,nwendun,g wesentlich höherer Spannungelr 1 im allgemeinen nicht die Längenäncleruni#,hi,r direkt beobachtet worden, sondern andtt` Erscheinungen, die man ,glaubt als Folgee erscheinungen der Längenänderungen und sofinit als Bestätigung des Vorhandenseins des piezoelektrischen Umkehreffektes deuten zu können. Dieser theoretisch zu erwartende Effekt, vier durch Anlegung einer konstanten Spannung an dem Kristallstück theoretisch zu erwarten ist, möge als der statisch piezoelektrische Umkehreffekt bezeichnet werden. Obgleich bei konstanter Spannung und ruhendem Kristall die-- Möglichkeiten der Beobachtung von Längenänderungen noch relativ günstig sind, bereiten viele der tatsächlich durchgeführten Beobachtungen zur Feststellung dieses -Effektes (Röntgen) durchaus theoretische Schwierigkeiten (vgl. z. 13. Voigt, Kristallphysik,. S.8io bis 8i4).
  • An piezoelektrischen Kristallen sind ferner Erscheinungen bekanntgeworden, die bei der Stabilisierung der hochfrequenten Schwingungen eines Senders technisch ausgenutzt werden (Oszillatoren, Cady) und die zum Nachweis von hochfrequenten Schwingungen einer bestimmten Frequenz, auf die der Kristall anspricht, benutzt werden (Leuchtresonatoren, Giebe und Scheibe). Wenn eine durchgearbeitete Theorie dieser elektrotechnisch ausgenutzten Schwingun.gs- und Resonanzerscheinungen an piezoelektrischen Kristallen vorläge, würde diese Theorie auf der Voraussetzung aufbauen müssen, daß neben dem piezoelektrischen Effekt der piezoelektrische Umkehreffekt vorhanden ist. Die tatsächlichen Beobachtungen der bekannten Erscheinungen an Schwing- und Leuchtkristallen zur Frequenzstabilisierung und Schwingungsanzeige zeigen aber rein experimentell lediglich Zusammenhänge zwischen elektrischen Erscheinungen. Selbst wenn zur Erklärung dieser Erscheinungen theoretisch- der piezoelektrische Umkehreffekt benutzt wird, zeigen diese Erscheinungen alsb nichts darüber, ob wirklich der piezoelektrische Umkehreffekt vorhanden ist. Eine Andeutung der theoretisch vermutlich vorhandenen Zusammenhänge hat der Erfinder gegeben (in Geiger und Scheel, Handbuch der Physik, Band 13 Kapitel 8: Falkenhagen, Pyro-und Piezoelektrizität, S.:291 Füßnote2, deren Aufnahme vom Erfinder veranlaßt wurde). Selbst wenn man sich aber auf den Standpunkt stellt, -daß theoretisch bei der -elektrotechnischen Wirksamkeit der Schwing-. und Leuchtkristalle mechanische Schwingungen vorhanden sind, können diese elektrischen Erscheinungen nicht als Nachweis des Vörhändenseins mechanischer Schwingungen angesehen werden. Auf keinen Fall läßt sich mit @NLilfe dieser elektrischen Erscheinungen irt-z.r.'endein Anhält für die Größenordnung der ..Itaretisch zu erwartenden und möglicherweise vorhandenen mechanischen Kristallschwingungen gewinnen.
  • Bei einer weiteren technischen Anwendung des piezoelektrischen Effektes für die Zwecke der Unterwasserschall-Signalgebung (vorzugsweise mit Ultraschallfrequenzen, Langevin) werden unter dem Einfluß der elektrischen Erregung piezoelektrischer Kristalle in dein flüssigen Medium Druckschwankungen hervorgerufen: Feststellungen darüber, ob diese Druckschwankungen.in der Flüssigkeit auf mechanischen Bewegungen des Kristalls von meßbarer Amplitude beruhen, lassen sich auf diese Weise nicht ohne weiteres treffeil.
  • :'1n die bekannte Unter Wasser schall-Senderanordnung; bei der ein piezoelektrischer Kristall in einer Flüssigkeit angeordnet war und mit dieser zur Erzeugung von Druckschwankungen zusammetaarbeitete, knüpfen Versuche von Wood und Loomis an, bei denen ein Quarzkristall- in gut isolierendem Transforinatorenöl eingebettet ist und durch hochfrequente Wechselspannungen so höher Spannung beeinflußt wird, wie man sie noch ohne Durchschlaggefahr in dem gut isolierenden Öl zwischen den Belegungen des Quarzes anwenden kann, Größenordnungen der benutzten Spannung mindestens 50 000 Volt, möglichst ioöoooVolt und'darüber. Die durch derart hohe Spannungen hoher Frequenz erzeugten Quarzschwingungen erzeugen in dem Transformatorenöl Druckschwankungen, vorzugsweise wenn die Höhe der Flüssigkeitssäule ein gerades Vielfaches der benutzten Wellenlänge ist. Diese Zusammenwirkung des Quarzes mit dem Öl ist angewendet worden zur Erzielung verschiedenartiger Effekte (Herstellung von Eiliulsionen, Erhitzung von mit dem Transformatorenöl in Berührung gebrachten Körpern infolge der auftretenden erheblichen Reibung). Diese ergaben jedoch gemäß den Überlegungen des Erfinders keinen ganz zwangsläufigen Nachweis für das Vorhandexisein mechanischer Schwingungen für den Fall, daß der Kristall allein ohne Zusaminenwirküng mit deal Transförmatorenöl schwingt. Außerdem waren die benutzten Spannungen der Größenordnung Von ioo ono Volt so hoch, daß man hierbei schon finit der Möglichkeit eines wirklichen Nachweises eines rein statischen piezoelektrischen Unikehreffektes hätte rechnen -können. (Der Betrag der Längenänderung beim statischen Effekt würde bei dieser Spannung o,ooo-gi mni betragen, also evtl. sogar, mikroskopisch nachweisbar sein.) Tatsächlich haben sich die Erscheinungen bei Wood und Loomis insofern an den statischen piezoelektrischep Effekt angeschlossen, als bei diesen Beobachtern auf den Kristall elektrische Schwingungen einwirkten von einer solchen Frequenz, die nicht Eigenfrequenz des Kristalls war, so daß es sich dabei nicht um freie, sondern um erzwungene Schwingungen des Kristalls gehandelt hat.
  • Die bekannten piezoelektrischen Resonanzeffekte treten jedoch auch bei Kristallen auf, denen nur Spannungsamplituden von einigen Volt -rugeführt werden 'beispielsweise 2o bis 30 Volt, jedenfalls unter der Spannung von 300 Volt, für die, wie angegeben wurde, die Längenänderung beim statischen piezoelektrischen Umkehreffekt in der Größenordnung der Kristallgitterkonstante liegt. Dies wird bei der Erfindung ausgenutzt.
  • Die piezoelektrischen Effekte, z. B. bei Sendern, treten im allgemeinen auf bei Resonanz cler in Betracht kommenden elektrischen Schwingung mit einer Eigenschwingung des Kristalls. Man konnte dabei jedoch nicht feststellen, ob die unter normalen Verhältnissen für eine direkte oder mittelbare Beobachtung viel zu kleinen piezoelektrischen UmkehreffeIcte durch die Resonanz eine so größere Amplitude erhalten, daß damit die mechanischen Schwingungen sichtbar werden.
  • Auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anzeigen und sonstigen optischen Sichtbarmachen derartiger piezoelektrisch erregter n iechanisch-elastischer Schwingungen bezieht sich die Erfindung und bedient sich dazu der Resonanz einer piezoelektrisch (oder pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion) erregbaren mechanischen Eigenschwingung eines schwingenden festen Körpers mit der Frequenz einer erregenden elektromagnetischen Schwingung.
  • Versuche, die Schwingungsamplitude des Kristalls direkt etwa unter einem Mikroskop zu beobachten, führten zu keinem brauchbaren Ergebnis. Verschiedene andere Versuche, die mechanische Schwingungsamplitude nachzuweisen, konnten deshalb bei den in Betracht kommenden Schwingungen nicht zum Erfolg führen, weil bei den hohen Frequenzen (beispielsweise 3 Millionen Hertz Beobachtungen mechanischer Schwingungen im allgemeinen schwer erzielbar sind und Belastung des schwingungsfähigen Kristalls mit der Beobachtung dienenden Massen fester Körper im allgemeinen die Schwingung erheblich dämpft und den Effekt beeinträchtigt.
  • Durch die Erfindung wird die Aufgabe in zufriedenstellender und einfacher Weise gelöst. Gemäß der Erfindung werden die inechanisch " schwingenden piezoelektrischen, festen Körper auf Flüssigkeitsoberflächen derart zur Einwirkung gebracht, claß sie Unebenheiten auf diesen Flüssigkeitsoberflächen erzeugen, die das Vorhandensein .der Schwingungen anzeigen. Es hat sich nämlich durch Versuche des Erfinders ergeben, daß man sogar mit einfachen Anordnungen durch Einwirkung der schwingenden piezoelektrischen Körper auf Flüssigkeitsoberflächen merkliche Unebenheiten der Flüssigkeitsoberflächen erhalten kann, die ohne weiteres sichtbar sind bzw. optisch erkennbar gemacht werden können. Beispielsweise lassen sich stehende Wel-A len auf Flüssigkeitsoberflächen sowie andere Unebenheiteli der Flüssigkeit durch die schwingenden Kristalle erzeugen, bei denen die Flüssigkeit durch die Schwingung veranlaßt wird, Oberflächengestalt anzunehmen, die verschieden ist von denjenigen Oberflächenausbildungen, die die Flüssigkeit im allgemeinen auf Grund der Schwerkraft einerseits und auf Grund der Oberflächenspannung andererseits (Minimum der Oberflächenenergie) annimmt. Außer Oberflächenwellen läßt seich die Bildung von Menisken an Flüssigkeiten erzeugen sowie beispielsweise auch die Ausbildung gleichmäßig auf dem Kristall verteilter Erhöhungen der Flüssigkeitsoberfläche. Auch durch Bewegungen von Flüssigkeitströpfchen lassen sich die mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Kristalls sichtbar machen.
  • Die .auf diese Weise erzielbaren Effekte sind besonders bemerkenswert dadurch, daß sie schon dann auftreten, wenn der Kristall mit relativ geringen Spannungen beeinflußt wird. Bei den zu Versuchen benutzten Spannungen (wesentlich unter 300 Volt) würden nach dem Gesagten die mechanischen Schwingungsamplituden dann, wenn nur die Größe des statischen piezoelektrischen Effektes vorläge, nur zu Verschiebungen Anlaß geben, die Bruchteile der Gitterkonstanten des Ouarzes wären. (Dabei mag die Frage dahingestellt bleiben, ob es mit Rücksicht auf die überlagerte Wärmebewegung überhaupt einen Sinn hat, von so kleinen Verschiebungen der Kristallionen zu sprechen.) Die Beobachtungen des Erfinders haben den Nachweis dafür geliefert, daß beimpiezoelektrischenResonanzeffekt die Amplitude der mechanisch-elastischen Ouarzschwingung ein bedeutendes Vielfaches der beim statischen Effekt zu erwartenden Längenänderung ist. Trotzdem sind auch diese mechanischen Amplituden des Resonanzeffektes noch so klein, daß sie nicht ohne weiteres sichtbar oder direkt optisch erkennbar sind.
  • Durch die Erfindung werden jedoch mit Hilfe sehr einfacher Mittel, nämlich unter Zuhilfenahme einer Flüssigkeitsoberfläche, init der der Kristall direkt in Berührung kommt, die äußerst kleinen Amplitudqn der mechanischen Kristallschwingung übersetzt zu großen optisch sichtbaren Amplituden. Diese Übersetzung beruht auf einer Art Surninierungswirl@tmg, hervorgerufen dadurch, claß die Schwingungen von zwar kleiner Amplitude mit sehr hoher Frequenz erfolgen und dadurch die Flüssigkeit so häufig anstoßen, (lall insgesamt dadurch die Ungleichmäßigkelt der- Flüssigkeitsoberfläche sichtbar in Eischeinung tritt.
  • "'r Die Erfindung ist in den Abbildungen in beispielsweisen Ausführungsformen scheinatisch dargestellt. Als .elektromagnetisch erregten piezoelektrischer Kristall wurde dabei ein geeignet geschnittenes Stück Quarzkristall verwendet, ausgebildet als Platte, beispielsweise von 2 cm Länge in Richtung der optischen Achse, 2 cm Breite und einer Stärke von etwa sh iniii. Der Kristall besaß, wie Messungen ergeben haben; in einem elektrischen Schwingungskreis in einer Fassung mit Elektroden, die an den beiden quadratischen Flächen anliegen, eine elektrische Eigenschwingung von etwa ioo in Wellenlänge, d. h. 3 Millionen Hertz. In einem Schwingungserzeuger für Schwingungen dieser Wellenlänge beispielsweise nach der in cl er amerikanischen Patentschrift 2 017 897 beschriebenen Schaltung wurde der Kristall zu elektrischen Resonanzschwingungen in seiner Eigenfrequenz erregt mit relativ kleiner Amplitude von nur einigen Volt. Jedenfalls ergaben sich gute Effekte bereits bei Erregung. des Quarzes in dieser Frequenz mit Spannungen von sehr wesentlich unterhalb der erwähnten 30o Volt.
  • In den sechs Abbildungen stellt i ein Stück piezoelektrischen- Kristall, beispielsweise das beschriebene Quarzstück, dar, dessen in Abb. i bis 5 dargestellte Elektroden ,I und 5 an den Kristall beispielsweise in der aus den Abbildungen- ersichtlichen - Weise anliegen. Zur Ausbildung einer freien Schwingungs.-möglichkeit für den Kristall sind die Elektroden so ausgebildet, daß sie nicht, wie es bei Oszillatoren üblich ist, diegesamte Quärzfläche bedecken, sondern erhebliche Teile frei. lassen.
  • Die Abb. i bis q..zegen verschiedene Anordnungen zur Erzielung der erfindun,gsgen iäßenBewegung vonFlüssigkeitsoberflächen. Abb. 5 und 6 zeigen Anordnungen zur wendung der Erfindung für verschiedene, insbesondere optische Zwecke, - Insbesondere zeigen 11bb. i bis 4 beispielsweise Formen von mikroskopisch erkennbaren Flüssigkeitsbewegungen, insbesondere solchen, bei denen Oberflächenspannungen überwunden werden. Diese Flüssigkeitsbewegungen werden mit Hilfe des piezoelektrisch schwingenden Kristalls i erzeugt, obgleich die die mechanischen :Schwingungen anregenden hochfrequenten elektrischen Schwingurigen nur mit Hilfe kleiner Energien_erregt wurden. Wenn nian bei einer :"tiordiitln.g nach Abb. i den Kristall i nur in ganz geringem Maße, etwa iuit einer Ecke, in die Flüssigkeit hineintaucht, erhält man eine Zerstäuherwirkung derart; daß die zerstäubte Flüssigkeit in feinsterVerteilttng fortgeschleudert wird. .Tuch hieraus kann man (las Vorhandensein der Quarzschwingungen nach@veisen.@ Vorteilhaft ist jedoch hierfür die Anordnung nach Abb. i. Wenn man nämlich den Kristall genügend tief in die Flüssigkeit hineintaücht, so daß die mechanischen Quarzschwingungen bereit eine gewisse Dämpfung erfahren und eine Zerstäuberwirkung infolge der zu großen Mengen angestoßener Flüssigkeit nicht mehr ausgeübt wird (beispielsweise indem der Kristall finit einer Längskante in die Flüssigkeit hineintaucht) : treten im Gefäß -finit Flüssigkeit 2o die dort schematisch dargestellten stehenden Wellen auf der Flüssigkeitsoberfläche auf. Der Übergang von der bei kleiner Berührung auftretenden Zerstäuberwirkung zur Entstehung der stehenden Wellen gemäß Abb. i kann einerseits -durch die Anordnung des Kristalls bewirkt werden, indem nian den Kristall tief- in die Flüssigkeit eintaucht (aber immer noch derart, daß keine Flüssigkeit zwischen die Elektrode und den Quarz gelängen kann), oder indem man den Quarz mit einer langen Kante mit der Flüssigkeitsoberfläche in Berührung bringt. Je zäher die Flüssigkeit ist, um so leichter tritt der Übergang zur Entstehung der Wellenbewegung und -sonstiger schneller Oberflächenschwingungen der Flüssigkeiten ein. Bei gleicher Anordnung der Elektroden kann nian erreichen, daß etwa bei Benutzung von Äther die Flüssigkeit zerstäubt wird, bei Benutzung von Öl die Flüssigkeit Oberflächenwellen zeigt gemäß Abb. i und bei Benutzung von Wasser beide Vorgänge zu gleicher Zeit eintreten.
  • Im Zusammenhang hiermit steht der Vorgang, der in Abb.2 dargestellt ist. Wenn nämlich die Längskante der Quarzplatte genau parallel zur Flüssigkeitsoberfläche argeordnet ist, etwa im Ruhezustand dicht unter der Flüssigkeitsoberfläche, so würde in bekannter Weise ein kleiner (punktiert gezeichneter) Meniskus 21 auftreten. Setzt man nunmehr den Kristall in Schwingungen, so tritt ein viel stärkerer Meniskus 2= auf. Die Flüssigkeit steigt am Quarz uni mehrere iNIillimeter empor. Überraschenderweise tritt diese Erscheinung vielfach nur auf der einen Seite des Quarzkristalls auf; während auf der anderen Seite der Flüssigkeitsverlauf etwa derselbe ist wie bei ruhendem Kristall, d. h. längs des Meniskus 2i.
  • Während in Abb. i und 2 der Kristall beispielsweise senkrecht in den Flüssigkeitsbehälter bis zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche hineingetaucht wurde, zeigen :1bb.3 und. Avei Anordnungen mit vorzugsweise horizontaler Lage des Quarzkristalls.
  • stellt eine bestimmte Kristallfläche dar, z. B. senkrecht zur optischen Achse. Von dem Elektrodenpaar 4., 5 mag die untere Elektrode 5 unterhalb der sichtbaren Elektrode .. liegen. Die Anordnungen nach Abb. 3 und q. können vorzugsweise dann zum Nachweis der Schwingungen verwendet werden, wenn die vorhandenen Kräfte aus irgendwelchen Gründen klein sind, insbesondere wenn sie so klein sind, daß beispielsweise eine Zerstäubung der Flüssigkeit nicht erzielt werden würde. 'Wenn man beispielsweise einen so großen @liissiglceftstropfen verwendet, daß die Amplituden .des Quarzes zu einer Zerstäubung der Flüssigkeit nicht ausreichen (wenn aber andererseits die Flüssigkeitsmenge nicht so groß ist, daß dadurch die Schwingung überhaupt gedämpft wird), bewegen sich die Flüssigkeitstropfen 23 auf der Quarzplatte i in der Weise, daß, durch die Knoten und Bäuche der mechanischen Schwingung Unebenheiten 24. der Flüssigkeitsoberflächen auftreten, die im ällgeineinen etwa entspre,-chend den Punkten eines quadratischen Gitters angeordnet sind. Man kann dies beispielsweise mit Flüssigkeiten, wie Tetrachlorkohlenstoff, von dem man einen größeren Tropfen auf die Kristallplatte aufträgt, zum einfachen Nachweis auch relativ kleiner Schwingungsamplituden verwenden. Bei Benutzung von dünnflüssigen oder leicht verdunstbaren Flüssigkeiten, wie Tetrachlorkohlenstoft, tritt die Erscheinung im allgemeinen nur vorübergehend auf. Sobald nämlich entweder durch die lebhafte Bewegung ein Teil der Flüssigkeit verdunstet oder an den Randgebieten mit größerer Amplitude ein Teil der Flüssigkeit schon zerstäubt oder abgeschleudert wird, verringert sich die Flüssi,gkeitsinenge auf dem Kristall ständig. Die Amplitude des Kristalls wird dadurch entsprechend .größer. Die Unebenheiten der Flüssigkeit werden stärker ausgebildet; bis schließlich die Amplitude so :groß- wird, daß die verbleibende Flüssigkeit nunmehr zerstäubt. Vielfach tritt diese Erscheinung bei 1?lüssi:glceiten geringerer Zähigkeit plötzlich beinahe explosionsartig auf. Dies dürfte so zu erklären sein, daß an den zahlreichen gitterförmig angeordneten Punkten, an denen die Flüssigkeit eine große Amplitude aufweist, clie Verhältnisse ungefähr gleichartig verlaufen. Wenn nun an diesen Punkten (in Abb. 3 sind 25 derartige Punkte schematisch eingezeichnet) zu gleicher Zeit die Amplitude des Quarzes so groß geworden ist, daß sie nunmehr imstande ist; die betreffenden an den Punkten bewegten Flüssigkeitsteile zu zerstäuben, wird an allen 25 Punkten gleichzeitig die Zerstäubung der Flüssigkeitsteile in feinste Unterteile eintreten. Für Kristalle mit größerer Amplitude empfiehlt sich daher die Verwendung von beispielsweise zähflüssigem Öl.
  • Quecksilbertropfen behalten im allgemeinen ihre kugelförmige Gestalt. Während bei genügend großen Schwingungsenergien auch derartige Quecksilbertropfen zerstäubt werden können, lassen sich bei Benutzung kleiner Energien auch die Einflüsse auf Quecksilbertropfen zu einem sehr wichtigen Nachweis für die auftretenden Schwingungsarten verwenden. Wenn man nämlich einen Quecksilbertropfen von einem Durchmesser vorzugsweise unter i mm, beispielsweise 1/2 111111, auf eine horizontale Quarzplatte bringt, so verbleibt er bei normalen Schwingungsamplituden auf der Plattenfläche. Genaue Beobachtungen-ergaben, däß er keineswegs ruht. sondern unter dem Einfluß der Kristallschwingungen bewegt wird, und zwar kann man auf diese Weise eine Rotationsbewegung des Quecksilbertropfens erzeugen, bei der das Quecksilberkügelchen um seine eigene Achse sich dreht. Das Vorhandensein der Rotation kann sichtbar gemacht werden durch Aufbringung eines feinen Staubteilchens auf das Quecksilberkügelchen. Sofern die hochfrequenten elektrischen Schwingungen von den Elektroden ¢ und 5 des Quarzes abgeschaltet werden, verlangsamt sich die Rotationsgeschwindigkeit des Quecksilbertropfens, der alsdann zur Ruhe kommt und, falls die Kristallfläche nicht völlig waagerecht ist,-nunmehr herabfällt. Dieser Nachweis der Schwingung finit Hilfe der Bewegung eines Quecksilbertropfens läßt sich mit einer Anordnung nach Abb. q. erreichen. Sie gibt einen Anhalt für die Art der vorhandenen Quarzschwingung, da die Rotation des Quecksilbertropfens ein Beweis dafür ist, daß nicht etwa lediglich reine Dilatationsschwingungeii beim Quarz vorhanden sind, sondern solche Schwingungen vorhanden sein müssen, die den betreifenden Drehsinn des rotierenden Ouecksilbertropfens erzeugen.
  • Näheres ergibt sich durch einen Vergleich der Abb. 3 und 4.. Die einzelnen gitterförmig verteilten Punkte 25 der Abb.3, die insgesamt ein größeres Gebiet 23 umfassen, deuten auf das Auftreten von Teilschwingungen auf der Platte, gemäß denen nicht reine Biegungsvorgä nge auftreten. Vielmehr dürften gleichmäßige Teilschwingungen-der einzelnen Plattenteile vorliegen, bei denen vermutlich die Dicke der Quarzplatte auf die Ausdehnung der schwingenden Plattenteile von Einfluß ist. Jedenfalls ist der. Abstand der einzelnen gitterförmig verteidlten Punkte 24. ungefähr von derselben Größenordnung wie die Dicke der Quarzplatte. Auf das Vorhandensein solcher Partialschwingungen deutet auch die in Abb. 4. dargestellte Anordnung hin. Die Tatsache der Drehbewegung des Quecksilbertropfens beweist, daß auch die einzelnen Teile der Platten nicht reine Dilätationsbewegungen ausführen, sondern 4,aß sich die Bewegungen der einzelnen Plattenteile in einer bestimmten Richtung fortpflanzen, so däß auf diese Weise durch Phasenunterschiede zwischen den Bewegungen auch der benachbarten Plattenteile die Drehbewegung hervorgerufen werden kann.
  • Die Erfindung, die für Quarzkristalle einer bestimmten Gestalt beispielsweise beschrieben «-orden ist, kann auch .unter Verwendung von anderen piezoelektrischen Kristallsorten und hei anderer Gestalt der Platten Verwendung finden. Die Flüssigkeiten, mit denen die Erfindung durchgeführt werden kann, sind insbesondere bei den Anordnungen nach Abb. i und 2 vorzugsweise leicht bewegliche Flüssigkeiten mit geringer innerer Reibung, wie Wasser; Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Äther oder Alkohol.
  • Die Erfindung kann einerseits benutzt werden, um das Vorhandensein der mechanischen Schwingungen direkt anzuzeigen. Sofern die mechanischen Schwingungen ihre Ursache in zugeführten elektrischen Schwingungen haben, kann die Erfindung auch zum indirekten Nachweis von schnellen elektrischen Schwingungen benutzt werden, indem man die nachzuweisenden Schwingungen den Elektroden .4 und 5 des Quarzes i zuführt und die mechanischen Quarzschwingungen sichtbar macht, was in der beschriebenen Weise möglich ist.
  • Die bei Anwendung der Erfindung auftretenden Veränderungen der Flüssigkeitsoberflächen lassen sich ferner zur Herstellwig und Betätigung optischer und elektro-opti-. scher Relais verwenden. Dies ist schematisch in Abb. 5 in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Von einer Lichtquelle 26 gehen Lichtstrahlen durch einen Spalt 27; die auf den Kristall i etwas oberhalb seiner unteren Kante auffeilen. Mit der unteren Längskante bzw. einem Paarbenachbarter Längskanten ist der Kristall in der Flüssigkeit 2o angeordnet. Solange der Kristall nicht schwingt, tritt nur ein kleiner Meniskus :2i auf. Sobald der Quarz zu schwingen beginnt, vergrößert sch den: Meniskus, evtl. wachsend mit der Schwingungsamplitude,- zum Meniskus 2 Die Einstellung des Spalts 27 in bezug auf den Lichtstrahl von der Lichtquelle 26 kann beispielsweise derart ausgeführt werden, daß der Lichtstrahl den niedrigen Meniskus ?i nicht erreicht, also durch die planparallele Platte i ungehindert hindurchgeht, daß jedoch beim Erregen von Schwingungen durch d: ii größeren Menisleus 22 eine Ablenkung- oder ev t1. Brechung eintritt. Indem man den Lichtstrahl, der durch die Anordnung hindurchgelaufen ist, auf einen Film 25 gelangen läßt, kann man beispielsweise die Schwingungsamplitude des Senders unter Benutzung der Erscheinung nach Abb. 2 aufzeichnen.
  • Die Erscheinung nach Abb. i kann weiterhin zur direkten einfachen Sichtbarmachung der Schwingung dienen. Wenn unter denn Gefäß 2o ein scharf begrenzter Gegenstand" etwa Schrift, beispielsweise der Buchstabe L (Abb. 6) angeordnet ist, und unter dem Einfluß der Schwingungsbewegung des Quarzes i Oberflächenwellen auftreten, verschwimmen scharfe Kanten und ermöglichen eine sehr einfache qualitative Anzeige des Auftretens von Schwingungen, die evtl. durch Hindurchschicken von Lichtstrahlen; die verschieden stark zerstreut werden, auch quantitativ angewendet «-erden kann, zumal außer der Zerstreuung bzw. der Amplitude der Oberflächenwellen atrtch deren Wellenlänge für die Messang herangezogen werden kann.
  • Die Anordnung .gemäß den -Abb. 5 und 6 gibt eine weitere Möglichkeit zur Anzeige hochfrequenter elektrischer Schwingungen. Die bekannte Anzeige finit Hilfe von Leucht-° röhren stößt dann auf Schwierigkeiten, weriii die Beobachtung bei zu starkem Licht vorgenommen wird bzw. erfordert in diesem Fall die Einrichtung besonderer Abdunklungen. Die Anzeigenvorrichtung beispielsweise nach Abb. 6 arbeitet auch bei stärkstem Licht einwandfrei. Außerdem ist für das Auftreten der Leuchterscheinungen selbst bei Anregung durch Hochfrequenz eine gewisse, wenn auch niedrige Spannung erforderlich. E,s treten aber mitunter bereits Schwingungen des Kristalls auf, wenn eine Leuchtröhre noch nicht zum Ansprechen gebracht werden kann. Solche .geringen Schwingungsamplituden lassen sich finit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtungen anzeigen. Während also eine .'nordnung nach Abb. 6 oder ähnliche Anordnungen zum sehr bequemen Nachweis für das Vorhandensein mechanischer Schwingungen und daher auch elektrischer Schwingungen dienen kann, eignet sich eine Anordnung wie diejenige nach Abb. 5 oder eine ähnliche zum sehr genauen quantitativen Nachweis, ferner auch zur Aufzeichnung der Schwingungen. An Stelle der Anordnung nach Abb. 5 kann man irgendeine andere Anordnung verwenden, bei der ein Lichtstrahl durch einen schwingenden piezoelektrischen Kristall und durch eine von diesem bewegte Flüssigkeitsoberfläche so hindurchgeschickt wird, daß die durch die Schwingungen des Kristalls hervorgerufenen Änderungen des Lichtweges irgendwie aufgezeichnet werden.
  • Die .in den Abbildungen dargestellten Anordnungen weisen, wie erwähnt, besondere Vorteile auf, wenn sie bei Resonanz betrieben werden. Sie sind aber auch an sich durchaus neu und vorteilhaft. Fluch wenn sie aus besonderen Gründen ohne Resonanz betrieben werden sollten, weisen sie insbesondere gegenüber den bekannten Anordnungen von Wood und L oomis, bei denen der QuarzkriAtall ganz in eine Flüssi.glceit-(Öl) eingetaucht wa; , den großen Vorteil auf, daß der piezoelektrischeKörper viel leichter zum mechanischen Schwingen zu bringen ist, wenn er, wie in dien Abb. i, a, 5 und 6, nur teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht oder, wie in den Abb. 3 und 4., mit einem Flüssigkeitstropfen zusammenwirkt, weil die völlig in Flüssigkeit eingetauchten Kristalle wegen der geringen Zusammendrückbarkeit der Flüssigkeit eine sehr große und energieverbrauchende Dämpfung erfahren.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRÜCHE: " i. Verfahren zur Sichtbarmachung oder optischen Erkennbarmachung von wegen ihrer geringen Amplitude an sich direkt nicht erkennbaren mechanischelastischen Schwingungen fester Körper, hervorgerufen durch elektromagnetische Schwingungen, die auf piezoelektrisch, pyroelektrisch oder durch Magnetostriktion erregbare Körper einwirken und diese zu mechanischen Schwingungen erregen, dadurch gekennzeichnet, daß der schwin -gende feste Körper durch die erregenden elektromagnetischen Schwingungen in Resonanz mit den mechanischen Eigenschwingungen des festen Körpers zu mechanischen Schwingungen gebracht wiM, die auf eine Flüssigkeitsoberfläche derart einwirken, daß der schwingende feste Körper durch die infolge der Frequenz der Schwingung häufigen gleichmäßigen Einwirkungen auf die Flüssigkeitsoberfläche Bewegungen und Unebenheiten der Flüssigkeitsoberflächen erzeugt, vorzugsweise derartige, die mit freiem Auge sichtbar sind. a. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch derartiges teilweises Eintauchen des schwingenden Körpers in die Flüssigkeit, daß Oberflächenwellen bei der Flüssigkeit erzeugt werden ('lbb. i). ' 3. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch derartiges teilweises geringes Eintauchen des schwingenden Körpers in die Flüssigkeit, daß ein vergrößerter Meniskus der Flüssigkeit an dem hineintauchenden festen Körper erzeugt wird (Abb. z). Anordnung nach Anspruch z oder 3 oder zur Durchführung des Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein schwingender Kristall in einten Behälter mit einer zweckmäßig leichtflüssigen Flüssigkeit hineinragt in so geringem Maße, daß trotz der durch die Flüssigkeit auf den Kristall ausgeübten Dämpfung die mechanische Schwingung des Kristalls aufrechterhalten bleibt und daß die Anordnung der Elektroden auf dem Kristall so getroffen ist, beispielsweise durch genügend große Abstände der Eleh troden von :der Flüssi,gkeitsoberfläche, daß ein Eindringen von Flüssigkeit zwischen Kristallfläche und Elektrodenfläche vermieden wird. 5. Anordnung nach einem der 'Artsprüche z, 3 oder 4., dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mit einer Längskante oder zwei benachbarten Längskantenin die Flüssigkeit hineinragt (Abb. i, 2, 5). 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein piezoelektrischer, zu Resonanzschwingungen erregter Körper auf einer etwa horizontalen Fläche: einen Flüssigkeitstropfen aufweist von unter dem Einfluß der Schwingungen unebener Gestalt und Oberflächenbewegung (Abb. 3, 4.). 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der horizontalen Fläche des schwingenden Körpers aufgebrachte Flüssigkeitstropfen aus einer leichtbeweglichen, vorzugsweise den schwingenden Körper benetzenden Flüssigkeit besteht derart, daß sich beim Schwingen des Körpers gleichmäßig verteilte Oberflächenunebenheiten auf der Flüssigkeitsoberfläche ergeben (Abb.3). S. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf der horizontalen Fläche aufgebrachte Flüssigkeitstropfen aus einer schweren, vorzugsweise den schwingenden Körper nicht benetzenden Flüssigkeit, wie Quecksilber, -besteht und dieser an einer solchen Stele des schwingenden Körpers aufgebracht ist, an der seine benachbarten Teile Phasenverschiebungen gegeneinander aufweisen oder an der in sonstiger Weise der aufgebrachte Flüssigkeitstropfen durch die Schwingungen des Körpers in Rotationsbewegungen versetzt wird (Abb. 4). g. Verfahren nach Anspruch i bzw. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis ä, gekennzeichnet durch- die Anwendung eines festen Körpers von ziemlich hoher Frequenz einer seines mechanischen Eigenschwingungen, vorzugsweise 1nerklich über der Hörbarkeitsgrenze, etwa in der Größenordnung von i Million Hertz. io. Anwendung des Verfahrens nach -,Anspruch i und> der Vorrichtungen na,--lt den Ansprüchen :2 bis 9, insbesondere der Ansprüche 3. 4., 5, zur Anzeige des Vorhandenseins hochfrequenter elektrischer Schwingungen (Abb. 5 und 6). i i. Anordnung zum Aufzeichnen Ton schnellen mechanischen Schwingungen geringer Amplitude nach einem' der Ansprüche i Iris 9 oder von elektrischen Schwingungen nach Anspruch io, insbe-@ ondere für Zwecke eines optischen oder s s elektro-optischen Relais, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtstrahl durch einen schwingenden piezoelektrischen Kristall und gegebenenfalls durch eine von diesem bewegte Flüssigkeitsoberfläche hindurchgeschickt wird in derartiger Anordnung. <laß die durch die -Schwingungen des Kristalls hervorgerufenen Änderungen des Lichtweges aufgezeichnet werden (Abb. 5.). 1a. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch i oder einer Anordnung nach einem der Ansprüche bis 9, insbesondere nach den Anspriichen @, .4 und 5; zum Nachweis von hochfrequenten mechanischen oder von hochfrequenten : elektrischen Schwingungen, dadurch gekennzeichilet, daß die durch den schwingenden festen Körper zu Unebenheiten bewegte Flüssigkeitsoberfläche zur optischen Zusammenwirkung .gebracht wird mit einem optisch wirksamen Gegenstand, beispielsweise einer Marke, einem scharfkantigen Buchstaben o, dgl., derart, claß die durch die Flüssigkeitsbewegung hervorgerufene Brechung der von dieser Marke ausgesandten Lichtstrahlen die Anzeige des Schwingtuigszustandes ergibt (Abb. 6). -
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