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Hochfrequenzschallsender Hochfrequente Schallwellen mit Frequenzen
von etwa io ooo Hertz bis weit hinein. in das nicht mehr hörbare Ultraschallgebiet,
d. h. bis etwa in die Gegend von i ooo ooo Hertz, werden in Gasen, Flüssigkeiten
oder festen Körpern entweder über elektroinagnetisch :erregt: Eisenmetalle nach
der sog. MagnetostriktIonsmethode durch schwingende, piezio,elektrisch erregte Quarzkristalle
oder mit Luftpfeifen erzeugt. Die e lektrischen Methoden haben den Nachteil, komplizierte
elektrische Anregungs-und Steuersysteme mit meist recht schlechtem Wirkungsgrad
zu erfordern, während die Pfeifensysteme zwar mechanisch einfacher sind, ,aber nur
wenig Energie auszustrahlen vermögen.
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Die vorliegende Ertiiidwng geht für die Erzeugung hochfrequenter Schallwellen
von der ,an sich bekannten Verwendung der technisch gut zu betreibenden und steuerbaren
Drehungen rotierender Drehkärper, z. B. Räder, oder von hin und her gehenden Torslonsschwingung`en
solcher Drehkörper aus, die sich in einer Flüssigkeit bewegen und die an ihrem äußeren
Umfang oder an Stirnflächen mit Durchbrüchen, Schlitzen o.. dgl. "ersehen sind und
sich .an ruhenden, mit etwa gleichartigen Durchbrüchen. Schlitzen .o-. dgl. versehenen
Rädern oder Hülsen vorbeibe@vegen. Die umlaufenden .oder schwingenden Räder oder
sonstigen Drehkörper mögen im folgenden der Einfachheit halber !als Erregerräder
bezeichnet werden. Für die B:elvegung der Drehkörper kommen minütliche Dreh- oder
Schwingzahlen von etwa 3ooo bis 30000 entsprechend Frequenzen von #5o bis
5oo Hertz in Frage. In diesem Bereich können die Drehzahlen sehr gut konstant gehalten
werden, da man unmittelbar beispielsweise an große Drehstromnetze gehen kann.
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Erfindungsgemäß werden d':e Erregerräder am Umfang oder an den Stirnflächen
beschaufelt, wobei die Zahl der Schaufeln von der Teilungszahl des feststehenden
Rades .abweicht.
Dies ist deshalb erforderlich, um mit den verhältnismäßig
niedrigen und gut anwendbaren Antriebsdreh- und Schwingungszahlen der Räder auf
hohe Frequenzen k1, kommen. Zweckmäßig verhalten sich Schaufel- oder Zahnzahlen
der beiden Rä(f«twie nahe beieinanderliegende relative Prirri= zahlen. Gegenüber
denSchaufeln derErregerräder stehen vorteilhaft Schaufeln eines feststehenden Rades
oder feststehender Scheiben. die mit dem Schallsender fest verbunden sein oder sogar
selbst als Schallsender wirken können. Sie sollen im folgenden deshalb als Senderäder
bezeichnet werden.
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Als Flüssigkeit, in der die Erregerräder umlaufen oder schwingen,
dient besonders zweckmäßig Quecksilber. Letzteres ist in diesem Fall zur Schwingungsübertragung
besonders geeignet, da :es eine sehr hohe Dichte, geringe Zähigkeit und damit geringe
Dämpfung hat.
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Die Schaufeln des Senderades sollen möglichst eine Eigenfrequenz haben,
die dem Produkt aus Umlaufoder Schwingungszahl des Erregerrades und dessen Schaufel-
oder Zahnzahl entspricht. Zweckmäßig wird dann auch das Senderad selbst so gestaltet,
daß es die gleiche Eigenfrequenz als Grundschwingung hat. Ferner empfiehlt sich
eine solche Anordnung, bei der die Schaufelzahl des Senderades oder der Sendescheibe
mit der Knotenzahl einer Oberschwingung für die stehende Welle übereinstimmt. Wenn
das Senderad im wesentlichen kreisringförmig ist, so soll es z. B. 16, 32
oder 64 Zähne oder Schaufeln tragen entsprechend der Oberschwingung 4., 5. oder
6. Ordnung. Auf diese Weise wird ein sehr energ estarkes hochfrequentes Schuingsystem
:erhalten, da die Knotenpunkte für die Oberschwingungen des Senderades festliegen
und über jeden Knotenpunkt in Eigenfrequenz Schwingungsenergie zugeführt wird, wobei
durch Stoßwellen die Schaufeln im Takt angeregt werden.
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Die Anregung ist dann besonders stark, wenn bei der An.strömu@ng der
des Senderades Kavitation ausgelöst wird, was nach den aus dem Strömungsmaschinenbau
bekannten Erfahrungen leicht zu erreichen ist, z. B. durch möglichst hohe Schaufelbelastung,
kleine Krümmungsradien und die Ausbildung von Spalten, profilierten Kanälen und
Kanten.
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In Abb. i bis 3 der Zeichnung werden beispielsweise zwei Ausführungen
:eines solchen rotierenden Systems im Grundriß und im Schnitt. dargestellt. In Abb.
i und 2 ist i das über die Welle 2 angetriebene Erregerrad (Drehungssinn Pfeil C).
während 3 das.Senderad ist. Das Erregerrad i ist mit Schaufeln 4, das Senderad 3
mit Schaufeln 5 ausgerüstet. Zwischen den Schaufeln 4 und 5 läuft die anstoßende
Flüssigkeit um, insbesondere Quecksilber. Beispielsweise bleibt das Quecksilber
,.zwischen dem gesamten äußeren Schaufelraum
| g einem Axialkanal 6 des Erregerrades t |
| Umlauf, wobei eine zentrifugalpumpe n- |
| liche Besch.aufelung i diesem Raum 6 |
finit Schaufelflächen 7 den Umlauf unterstützt. Dabei wird von der in Richturig
des Pfeils A strömenden Flüssigkeit zunächst nur der Raum zwischen den Schaufeln-1
des Erregerrades gefüllt. Der Zutritt zu den zwischen den Schaufeln 5 des Senderades
liegenden Räumen ist durch Birne Scheibe 8 .auf der Einströmseite abgesperrt. Die
umgepumpte Flüssigkeit kann also unter der Wirkung der Zentrifugalkraft nur aus
den Schlitzen 9 zwischen den Schaufeln 4 aussieben; sie stößt in die Lücken zwischen
den Schaufeln 5 und auf diese Schaufeln selbst und stößt sie in Eigenfrequenz an
entsprechend der jeweiligen Bemessung dieser Teile. Dabei kann die Voi"-richtung
nur so weit mit Quecksilber gefüllt sein, daß die Lücken zwischen den Schaufein
über dem Flüssigkeitsspiegel stehen. Dann erfolgt die Erregung durch die frei auftretenden
Strahlen, im .anderen Fall durch die Kopfwellen des Erregerrades.
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Die Flüssigkeit tritt dann am unteren (.außenliegenden) Ende der Schaufeln
5 wieder aus und wird wieder nach der Zentralbohrung 6 des Erregerrades geleitet
(Pfeil B). in der sie wieder neu beschleunigt wird. Das Gehäuse io, in dem das Senderad
3 eingesetzt ist, kann, wenn nötig, gekühlt werden (Bohrungen 13 ). Zur Verbesserung
der Kühlleistung, -zugleich zur Verhütung des Auftretens von Quecksilberdämpfen
ist es auch möglich, über dem Quecksilber eine leichtere Flüssigkeit, etwa Wasser,
einzufüllen.
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Wenn die Flüssigkeit durch eine gesondert aufgestellte Pumpe -zwischen
den Schaufelkränzen umgepumpt wird, kann auch ein vollkommen geschlossenes Sendeorgan
benutzt werden, indem man, das Erregerrad i in der gein, -inschten Frequenz zu Torsio:nsschw-ingungen
erregt, deren Amplitude mindestens der Schaufelteilung entspricht. Beispielsweise
ergeben folgende Beschaufelungszahlen braucbbare Verhältnisse Schaufelzahl des Erregerrades
... 30, Schaufelzahl des Senderades .... 32, so da.ß sich in der rotationssymmetrischen
Besch.aufelung die relativen Primzahlen 15
und 16 finden. Bei einer Antriebsdrehzahl
des Erregerrades von 6ooo in der Minute, entsprechend einer Drehschnelle. von i
ooj Sek.. müssen dann die Schaufeln des Senderades eine Frequenz von 3ooo Hertz
erhalten, während sich entsprechend der Beschaufelung des Senderades die 5. Oberschwingung
gleich
dem 16fachen = 48 000 Hertz ieins"ellt. Die Schaufeln
des Senderades können zur Vermeidung von überträgungsverlusten aus dem Vollen des
Radkranzes gearbeitet oder gegossen sein. -Die Außenfläche--des Senderades oder
der Sendescheibe, die als solche dann eine Stirnflächenbeschaufelung zu tragen hätte,
ist in an sich bekannter Weise je nach dem gewünschten Zweck .als Abstraliler, etwa
als Hohlspiegel, Doppelhühlspiegel usw., .auszugestalten, kann aber auch z. B. als
glatte zylindrische Walzenfläche einen Ringspalt in einer Rohrleitung bilden oder
als Walze der Auflage von Stoffbahnen dienen und dabei zusätzlich rotieren usw.
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Soll die Abstrahlung der Schallwellen ,aus verfahrenstechnischen oder
nachrichtentechnischen Gründen in einem bestimmten Takt unterbrochen -werden, so
genügt es, durch einen Kolben,* -Schieber oder ein sonst beka.nates Absperrorgan
den Flüssigkeitsstrom zwischen Senderad und Erregerrad taktmäßig zu unterbrechen.
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Für viele Fälle ist ,auch noch eine vereinfachte Ausführung des Senderades
3 energieintensiv genug. Nach Abb. 3 hat das Senderad 3 keine eigene Beschaufelung;
der Aufbau des Erregerrades i mit den Schaufeln ¢ und der Umlaufpumpe 6 ist derselbe
wie in Abb. i und a. Die taktmäßigen Stöße durch aufschlagendes Quecksilber werden
dem Senderad 3 durch ein Leitrad i i zugeführt, in das gekrümmte Kanäle 12 neingearbeitet
sind. Die Anzahl dieser Kanäle entspricht der der Schaufeln 5 ,am Senderad 3 nach
Abb. i. Das Leitrad I 1 umschließt .das Erregerrad i zylindrisch mit möglichst
kleinem Laufspiel. Die Kanäle sind so gekrümmt, daß der aus den Lücken zwischen
den Schaufeln 4. des Erregerrades i herausschlagende Quecksilberstrahl möglichst
stoßfrei aufgefangen und in radialer Richtung ,auf das Senderad 3 umgeleitet wird;
die Stellung der Schaufelflächen hängt also von der Umdrehungsgeschwindigkeit des
Erregerrades ab. Nach dem Erregungsstoß ,auf die Innenfläche des Senderades 3 fließt
das Quecksilber wieder frei in den Unterteil des Gehäuses ,ab, um von der Pumpe
6 erfaßt und wieder der Beaufschlagung nachentsprechender Beschleunigung zugeführt
zu «-:erden. 'Diese glatte, ringförmige Ausführung :des Senderades 3 gestattet vorteilhafte
leichte Auswechslung dieses Teiles, da eine Abstimmung bei Maßhaltigkeit nicht nötig
ist. Z. B. können auch Glas- oder Quarzringe Verwendung finden. -