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Nach dem Magnetostriktionsprinzip wirkendes Schwingungsgebilde für
Unterwasserschallsender bzw. -empfänger Die Erfindung betrifft eine Verbesserung
an Schwingungsgebilden, die zum Aussenden und Empfangen von Schallwellen hoher Frequenz
in Wasser dienen und bei denen die magnetostriktiven Eigenschaften des Materials
des schwingenden Körpers zur Umformung elektrischer Energie in Schwingungsenergie
und umgekehrt benutzt werden.
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So ist es bekannt, durch einen einseitig eingespannten Stab, der als
Kern eines.Wechselstrommagneten ausgebildet ist, Longitudinalschwingungen ausführen
zu lassen. 'Irgendwelche Anweisung über die Stelle des Stabes, an der die Wechselstromspule
zur Erzeugung besonders günstiger Longitudinalschwingungen an dem Stab angeordnet
werden soll, war aber nicht gegeben.
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Es ist auch bekannt, den zur magnetischen Anregung der Schwingungen
dienenden, von einer von Wechselstrom durchflossenen Spule erzeugten magnetischen
Wechselfluß in einem geschlossenen magnetischen Kreis verlaufen zu lassen und dadurch
die Energieumformung wirksamer zu machen. Der geschlossene magnetische Kreis verläuft
hierbei ganz oder nur zum Teil in magnetostriktivem Material. In letzterem Falle
wird der Kreis durch Joche aus magnetischem Material geschlossen, in denen die durch-
Wechselmagnetisierung entstehenden Verluste durchAnwendung bekannter Mittel (Lamellierung,
Auswahl geeigneten Materials) möglichst klein gehälten werden. Die Erfindung hat
sich die Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad solcher Schwingungsgebilde durch eine
besondere Verteilung des magnetischen Flusses weiter zu erhöhen.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, claß bei nach dem Magnetostriktionsprinzip
wirkenden Schwingungsgebilden mit im wesentlichen geschlossenem magnetischem Kreis
für Unterwasserschallsender bzw. -empfänger zwecks Erhöhung des Wirkungsgrades der
Umformung elektrischer Energie in mechanische und umgekehrt nur diejenigen Bereiche
des magnetostriktiven Schwingungsgebildes einer im Vergleich zu ,den übrigen Teilen
des Schwingungsgebildes starken Wechselmagnetisierung unterworfen sind, innerhalb
derer bei Resonanz die Dehnungsamplitude den Maximalwert erreicht und diesen im
wesentlichen beibehält.
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Erfindungsgemäß. wird es deshalb angestrebt, daß die Bereiche großer
Dehnungsamplituden des Schwingungsgliedes mit dem Bereich größten magnetischen Kraftflwsses
zusammenfallen. Die Mittel, die hierfür angewendet werden, können verschiedener
Art sein.
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In manchen Fällen wird es genügen, durch ein Joch aus magnetischem
Material, z. B. lamellierten Eisenblechen, eine Konzentration des magnetischen -
Wechselflusses 'an den Stellen größter Defhnungsamplitüde des Schwingungsgliedes
herbeizuführen. Hierdurch
erzielt man häufig noch -den besonderen
Vorteil, daß man das Joch als Spulenträger ausnutzen kann und auf diese Weise eine
bequeme Möglichkeit hat, Spulen großer Windungszahl unterzubringen. Wenn man mit
polarisierten Systemen arbeitet, bedeutet dies, daß man mit geringeren konstanten
Magnetisierungsströmen auskommen kann.
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Ein anderer Weg besteht darin, daß man den magnetischen Fluß in bekannter
Weise sich im magnetostriktiven Material schließen läßt, aber dafür sorgt, daß dieses
an den Stellen großer Dehnungsamplitude einen wesentlich kleineren Querschnitt hat
als an denjenigen Stellen, wo die Dehnungsamplitude geringer ist. Dabei bildet man
das Schwingungsgebilde zweckmäßig derart aus, daß in den Teilen, wo der magnetische
Fluß durch Querschnittverringerung konzentriert ist und in denen die Dehnungsamplitude
ihren Maximalwert erreicht, diese letztere möglichst gleichmäßig diesen Maximalwert
hat.
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Die Erfindung ist an Hand der schematischen Zeichnung beispielsweise
erläutert. Es stellt dar: Abb. i eine Ansicht eines gleichartigen Gebildes mit magnetischem
Joch, teilweise geschnitten, Abb.2 eine Ansicht eines Schwingungsgebildes nach einer
etwas anderen Ausführung, welches in seinem Oberton erregt wird, teilweise geschnitten,
Abb.3 eine Ansicht eines Schwingungsgebildes, das sich aus zwei stabförmigen Gliedern
zusammensetzt, teilweise geschnitten, Abb.4 eine Ansicht eines Schwingungsgebildes
mit zwei longitudinal schwingenden Stegen, teilweise geschnitten, Abb. 5 eine Ansicht
eines ähnlichen Gebildes, jedoch mit magnetischem Joch, teilweise geschnitten.
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Bei der Bauart nach Abb. 1 ist ein Schwingungsglied 4 dargestellt,
das mit seinem einen Ende an einer Masse 5 starr befestigt ist. Um den magnetischen
Kraftfluß, der durch den Strom, welcher eine Spule 6 durchfließt, erzeugt wird,
auf das Gebiet großer Dehnungsamplituden des Schwingungsgliedes.4 zu beschränken,
sindjoche7 aus lamelliertenEisenblechen vorgesehen. Die Masse 5 kann dabei als ein
Teil eines aus den Jochen 7 gebildeten Joches benutzt werden und wird ebenfalls
aus lamellierten Eisenblechen hergestellt-Die Joche 7 können dazu benutzt werden,
Spulen 8 aufzunehmen. Wird ein Wechselstrom von einer Frequenz, die der Eigenfrequenz
des Schwingungsgliedes 4 entspricht, durch die Spule 6 geschickt, so wird -das Schwingungsglied
in seiner Eigenschwingung durch magnetostriktive Kräfte angeregt. Dadurch, daß die
Angriffsstelle der magnetostriktiven Wirkung auf die Zone großer Dehnungsarriplituden
des Schwingungsgliedes 4 beschränkt ist, weil der magnetische Wechselfluß nur diesen
Teil des Schwingungsgebildes durchfließt, erfolgt die Umwandlung der Energie mit
besonders gutem Wirkungsgrad. Umgekehrt wird bei Erregung des Schwingungsgebildes
4 durch mechanische Schwingungen, z. B. durch Schallwellen, an der Stelle der Spule
6 die Umwandlung dieser mechanischen Schwingungen in elektrische mit dem besten
Wirkungsgrad stattfinden, weil hier bei Resonanz des Schwingungsgliedes die Dehnungsamplitude
den größten Wert erreicht. Die Spulen 8 können teils zur Erzeugung des magnetischen
Wechselflusses dienen, teils auch für Polarisationszwecke Verwendung finden.
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Bei der Bauart nach Abb.2 ist ein ähnliches Schwingungsgebilde, wie
in Abb. i dargestellt, vorgesehen, jedoch mit dem Unterschied, daß die Erregung
eines stabförmigen Schwingungsgliedes 9 nicht in seiner Grundschwingung,sondern
in einer Oberschwingung erfolgen soll. Wenn das Glied 9, das an einer Masse io einseitig
befestigt ist, in seiner Oberschwingung schwingt, so bilden sich Stellen großer
Dehnungsamplitude am unteren Ende in der Nähe der Masse io aus und weiter oben am
Schwingungsglied 9 im Abstande von etwa 1/4 Wellenlänge vom freien Stabende. Um
die Schwingungserregung mit möglichst gutem Wirkungsgrad vorzunehmen, wird zweckmäßig
der magnetische Wechselfluß auf diese Stelle großer Dehnungsamplitude beschränkt,
wie dies z. B. durch Joche i i angedeutet ist.
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In Abb. 3 ist ein Schwingungsgebilde dargestellt, welches aus einer
Mehrzahl von Blecken 12, die in zwei Paketen nebeneinander angeordnet sind, besteht.
Die beiden Blechpakete sind gegebenenfalls durch starre Verbindung mit Deckplatten
13 zu einem einheitlichen Schwingungskörper von bestimmtem Eigenton vereinigt. Um
den Schwingungskörper mit möglichst gutem Wirkungsgrad in seiner Eigenschwingung
anregen zu können, werden Spulen 14 auf die Mittelzone der Schwingungsglieder 12
aufgebracht, und es wird durch Anordnung von zwei magnetischen Jochen 15 dafür gesorgt,
daß der magnetische Kraftfluß sich im wesentlichen auf die Mittelzonen der Schwingungsgebilde
12 beschränkt, an denen bei Erregung der Grundschwingung die Dehnungsamplitude am
größten ist. Zweckmäßig wird die Wicklung etwa auf die halbe Länge des Schwingungsgliedes
beschränkt. Die Bewegungsamplitude dieses Schwingungskörpers ist an den freien Enden
13 am größten, und diese Stellen werden als strahlende Fläche zur Erzeugung der
Schallwellen im Wasser verwendet.
Abb. 4 stellt einen aus einzelnen
Blechen 16 bestehenden Schwingungskörper dar. Die einzelnen Bleche sind zu einem
Paket aufeinandergeschichtet und beispielsweise durch Deckplatten zusammengehalten.
Der Schwingungskörper 16 weist zwei Stege 17 auf, deren Längsschwingung ausgenutzt
wird. Der Querschnitt dieser Stege 17 ist klein im Verhältnis zu dem Querschnitt
des Materials an den Enden des Schwingungsgebildes. Wenn also ein Strom durch die
Spulen 18, die sich auf den Stegen 17 befinden, geschickt wird, so ist der magnetische
Fluß in den Stegen 17 wesentlich dichter als in den Endmassen i9 und 2o des Systems.
Der Schwingungskörper schwingt nach Art eines Tonpilzes. Die Elastizität liegt im
wesentlichen in den Stegen 17, während die Masse in den Enden i9 und 2o konzentriert
ist. In den Stegen 17 ist die Dehnungsamplitude nahezu konstant und weicht nur wenig
von ihrem Maximalwert ab. Die magnetische Kraftwirkung wird deshalb auf das Gebiet
dieser Stege 17 beschränkt.
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In Abb.5 ist schließlich ein ähnlicher Schwingungskörper wie in Abb.
4 dargestellt, jedoch ist ein magnetisches Joch 21 innerhalb einer Aussparung der
Bleche 22 angeordnet. Dieses Joch 21 trägt eine Spule 23. Das Joch kann nachträglich
mit seiner Spule in die Aussparung -des magnetostriktiven Schwingungskörpers eingesetzt
werden, so daß eine leichte Herstellung.der Wicklung dieser Spule ermöglicht wird.
Der magnetische Fluß in dem magnetostriktiven Material der Bleche 22 konzentriert
sich im wesentlichen wieder in den Stegen 24, während in den Endmassen, infolge
ihres größeren Querschnittes, die magnetische Flußdichte wesentlich geringer ist.
Die Umwandlung der Energie findet deshalb im wesentlichen in den Stegen, wo die
größten Dehnungsamplituden beim Schwingen auftreten, statt.
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Sämtliche beschriebenen Schwingungsgebilde stellen nur Ausführungsbeispiele
dar, die in vielseitiger Weise Abänderungen erfahren können. : Wird die Spulenwicklung
des Schwingungsgebildes mit Wechselstrom geeigneter Frequenz betrieben, so können
die Schwingungen als Sender benutzt werden. Sie können jedoch in gleicher Weise
auch als Empfänger Verwendung finden. Zu diesem Zwecke wird die Spulenwick hing
mit einem Verstärker und einem Telephon oder sonstigen Anzeigeinstrument verbunden.
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Das Schwingungsgebilde nach der Erfindung ist auch geeignet für Luftschall.