DE745196C - Device for registering or measuring the pressure curve of acoustic waves - Google Patents

Device for registering or measuring the pressure curve of acoustic waves

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DE745196C
DE745196C DET54393D DET0054393D DE745196C DE 745196 C DE745196 C DE 745196C DE T54393 D DET54393 D DE T54393D DE T0054393 D DET0054393 D DE T0054393D DE 745196 C DE745196 C DE 745196C
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DET54393D
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Dr-Ing Hubert Schardin
Dr-Ing Guenther Turetschek
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GUENTHER TURETSCHEK DR ING
HUBERT SCHARDIN DR ING
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GUENTHER TURETSCHEK DR ING
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H3/00Measuring characteristics of vibrations by using a detector in a fluid

Description

Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen, und zwar in gasförmigen oder flüssigen Medien oder an festen Körpern.Device for registering or measuring the pressure curve of acoustic Waves The invention relates to a device for registration or measurement the pressure curve of acoustic waves, in gaseous or liquid Media or on solid bodies.

Es ist bekannt, eine derartige Druckmessung mit Hilfe eines den Wellen ausgesetzten Piezokristalls vorzunehmen, dessen Ladung zur Steuerung des Registrier- oder Meßgerätes, z. B. eines Oszillographen, benutzt wird. Es ist bisher jedoch nicht gelungen, piezoelektrische Empfänger herzustellen, bei denen alle Frequenzen bis etwa 1 Äll Hz oder noch höher hinauf gleichmäßig übertragen werden. Es konnten also z. B. weder Stoßwellen, die ja wegen der steilen Front außerordentlich hohe Frequenzen enthalten, einwandfrei aufgezeichnet werden, noch war es möglich, solche aperiodischen Empfänger für Messungen im Ultraschaliwellengebiet zu verwenden.. It is known to carry out such a pressure measurement with the aid of one of the shafts exposed piezocrystal, the charge of which is used to control the registration or measuring device, e.g. B. an oscilloscope is used. It is so far however failed to manufacture piezoelectric receivers at which all frequencies can be transmitted evenly up to about 1 Äll Hz or even higher. It could so z. B. neither shock waves, which are extraordinarily high because of the steep front Frequencies contained, could be properly recorded, nor was it possible for such to use aperiodic receiver for measurements in the ultrasonic wave range.

Bei der oszillographischen Registrierung des Druckverlaufs der akustischen Wellen ist die Frequenzbandbreite der verwendeten Übertragungsglieder, wie Empfänger und Verstärker, maßgebend für die Giite der Übertragung. Die Erfindung bezweckt daher, einen Empfänger für akustische Wellen zu schaffen, dessen obere Grenzfrequenz nach Möglichkeit etwa ebenso hoch liegt wie bei Breitbandverstärkern, bei denen sich ohne Schwierigkeit mehrere Megahertz erreichen lassen. With the oscillographic registration of the pressure curve of the acoustic Waves is the frequency bandwidth of the transmission elements used, such as receivers and amplifiers, decisive for the quality of the transmission. The invention aims hence, to provide an acoustic wave receiver, its upper limit frequency if possible is about as high as with broadband amplifiers, where several megahertz can be achieved without difficulty.

Auf diesem Wege geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß bei einer Verwendung von piezoelektrisdhen Kristallen, wie Quarz oder Turmalin, für den akustischen Empfänger sich zwar sehr hohe Eigenfrequenzen erreichen lassen, aber die Dämpfung und die Halterung des Kristalles große Schwierigkeiten bereiten, da an der Halterung leicht Reflexionen auftreten, die eine zu großeEmpfangsampIitude vortäuschen können und den Kristall zu Eigenschwingungen anregen. In this way, the invention is based on the knowledge that with a use of piezoelectric crystals, such as quartz or tourmaline, for the acoustic receiver can achieve very high natural frequencies, but the damping and holding of the crystal cause great difficulties, because reflections easily occur on the bracket, which would result in too high a reception amplitude can pretend and stimulate the crystal to vibrate naturally.

Gemäß der Erfindung werden diese Schwierigkeiten bei der eingangs genannten Verwendung eines Piezokristalls zur Druckregistrierung oder Messung dadurch behoben, daß der Kristall akustisch, z. B. durch Auflitten, mit einem Körper von solchen Schlvingungseigenschaften verbunden ist, daß die in den Kristall eintretende Welle reflexionsfrei in den Körper übertritt und entweder überhaupt nicht bzw. mit so starli verkleinerter Amplitude oder solcher Zeitverzögerung zum Piezokristall zurückkehrt, daß die reflektierte Welle das Äfeßergebnis nicht bzw. bei sehr kurzen Meßvorgängen, z. B. Messung eines Knalles, nicht mehr verfälschen kann. Hierdurch wird also ein Empfangssystem geschaffen, das als Ganzes wenigstens für die Dauer des jeweiligen Meßvorganges praktisch eigenfrequenzfrei ist, d. h. von den ankommenden Wellen praktisch nicht zu Eigenschwingungen angeregt wird. According to the invention, these difficulties are initially mentioned use of a piezo crystal for pressure registration or measurement thereby fixed that the crystal acoustically, e.g. B. by sledding, with is connected to a body of such Schlvingungse characteristics that the Wave entering the crystal passes into the body without reflection and either at all not or with so starli reduced amplitude or such a time delay to Piezo crystal returns that the reflected wave does not or for very short measuring processes, e.g. B. Measurement of a bang, no longer falsify can. In this way, a receiving system is created, at least as a whole is practically free of natural frequencies for the duration of the respective measuring process, d. H. is practically not stimulated to natural oscillations by the incoming waves.

Dies kann z.B. bei einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung dadurch erreicht werden, daß an dem Kristall eine vorzugsweise aus Aluminium bestehende lange Stange angekittet wird. Die Länge der Stange muß dabei, wenn es sich um einen einmaligen Vorgang handelt, nach Niaßgabe des für die Stange verwendeten Werkstoffes so gewählt werden, daß die an ihrem freien Ende reflektierte Welle erst dann zuln Kristall zurückiiehrt, wenn der zu registrierende Vorgang bereits abgelaufen ist. Praktisch treten in diesem Falle keine den Registrier oder Meßvorgang störenden Reflexionen an der Verbindungsstelle der Stange mit dem Kristall auf. This can be done, for example, in an expedient embodiment of the invention can be achieved that a preferably made of aluminum on the crystal long pole is cemented. The length of the pole must be included if it is one is a one-time process, after giving up the material used for the rod be chosen so that the wave reflected at its free end only then increases Crystal returns when the process to be registered has already expired. In this case, there are practically no disturbances to the recording or measuring process Reflections at the junction of the rod with the crystal.

Wie schon erwähnt, hat man es z. B. durch die Bemessung der Länge des Anschlußkörpers in der Hand, die Störung, welche am Kristall durch die am freien Ende des Anschlußkörpers reflektierte und durch diesen zum Kristall zurücklaufende Welle hervorgerufen werden könnte, beliebig spät eintreffen zu lassen. Wenn die Länge der Stange dabei die Einrichtung übermäßig groß machen würde, empfiehlt es sich, gemäß einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung, die Stange schraubenlinienförmig aufzuwickeln; dies bringt keine wesentlichen Änderungen mit sich. wenn der Durchmesser und die Steigung der Schraubengänge nicht zu gering gewählt wird. As already mentioned, you have it z. B. by measuring the length of the connecting body in the hand, the disturbance, which on the crystal by the on the free End of the connecting body reflected and running back through this to the crystal Wave could be caused to arrive any late. If the It recommends length of the pole doing this would make the facility excessively large According to an expedient embodiment of the invention, the rod turns helically to wind up; this does not entail any significant changes. if the diameter and the pitch of the screw threads is not chosen too low.

Eine derartige Anordnung mit langem Allschlußkörper kounnt für die Registrierung t-inmaliger Vorgänge, z. B. Verdichtungsstöße, in Betracht. Bei diesen ändert sich der Druck sprungartig, d. h. der Druckverlauf wird durch ein Fourierintegral dargestellt, in dem die höchsten Frequenzen mitenthalten sind. Der Druckempfänger muß also für die genaue Wiedergabe des Drucksprunges bis zu einem Megabertz herauf und höher unverzerrt übertragen. Such an arrangement with a long all-connection body kounnt for Registration of repeated processes, e.g. B. compression surges into consideration. With these the pressure changes suddenly, d. H. the pressure curve is determined by a Fourier integral in which the highest frequencies are included. The print receiver must therefore for the exact reproduction of the pressure jump up to a megabertz and higher transmitted without distortion.

Eine weitere Möglichkeit, die am Ende des Anschlußkörpers reflektierte Welle unschädlich zu machen, besteht gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung darin, daß man die Stange aus stark dämpfendem Werkstoff herstellt, Dadurch wird erreicht, daß die an ihrem freien Ende reflektierte Welle nach ihrem Hinweg bis zu diesem Ende und Rückweg bis zur Verbindungsstelle praktisch auf Null abgeklungen ist. Als dämpfender Werkstoff wurde Blei für geeignet gefunden. Another option that reflected at the end of the connector body To render the shaft harmless is another expedient embodiment the invention is that the rod is made of strongly damping material, This ensures that the wave reflected at its free end after its The way to this end and the way back to the junction is practically zero has subsided. Lead was found to be suitable as a damping material.

Eine weitere Möglichkeit zur Beseitigung der Reflexionen, die für sich oder in Verbindung mit der vorgenannten Ausführung Anwendung finden kann, besteht gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung der Erfindung darin, den Anschlußkörper seinerseits in mechanisch gute Verbindung mit einem stark dämpfenden Werkstoff zu bringen; dabei muß die Dämpfung so bemessen werden, daß die Energie der ankommenden Welle restlos vernichtet wird, ohne reflektiert zu werden. Eine solche Anordnung würde ein vollkommen akustisches Analogon zu einem Kabel darstellen, das an seinem End mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossell ist, wobei das Kabel der Stange und der Wellenwiderstand dem zusätzlichen Dämpfungskörper entspricht. In diesem Falle könnte die Stange sehr kurz sein. Another way of eliminating the reflections that are for can be used or in connection with the aforementioned embodiment according to a further expedient embodiment of the invention therein, the connection body in turn in a mechanically good connection with a strongly damping material bring; the attenuation must be measured in such a way that the energy of the incoming Wave is completely destroyed without being reflected. Such an arrangement would be a perfectly acoustic analogue of a cable connected to his End with its wave impedance is closed, with the cable of the rod and the wave resistance corresponds to the additional damping body. In this case the rod could be very short.

Älit der zuletzt erwähnten Anordnung könneii Wellen von beliebig langer Dauer, d. h. auch stationäre Vorgänge, aufgenommen werden. Ein solcher Breibandempfänger ist besonder für die Ultraschalltechnik von Wichtigkeit, wo aperiodische Empfänger für verschiedene Zwecke benötigt werden. With the last-mentioned arrangement, any shafts can be used long duration, d. H. stationary processes can also be recorded. Such a broadband receiver is particularly important for ultrasound technology, where aperiodic receivers are needed for different purposes.

Für die Verbindungsstelle zwischen dem Kristall und dem Anschhißkörper soll bei allen vorher erwähnten Ausführungsarten der Erfindung, utn günstige Ergebnisse zu erhalten, die Bedingung eingehalten werden, daß der an den Kristall angeschlossene Körper zylindrische oder prismatische Form besitzt und aus einem Stoff besteht, für den das Produkt aus Elastizitätsmodul und Ouerschnitt dividiert durch die Schallgeschwindigkeit praktisch den gleichen Wert besitzt wie der entsprechende Ouotient für den Kristall; d. h. im Falle einer Stange, die den gleichen Querschnitt wie der Kristall besitzt. soll die aliustische Härte des Kristalls, die durch den Quotienten des Elastizitätsmodul durch die Schallgeschwindigkeit im Kristall ausgedrückt wird, die gleiche sein wie die akustisehe Härte für die Stange. Auf Grund die ser Bedingung ergibt die Theorie in Übereinstimmung mit der Messung, drall liei der vorzugsweise hier erfolgenden Benutzung des direkten piezoelektrischen Effektes Reflexionen an der Verbindungsstelle nur in sehr geringem Maße auftreten, wenn der Kristall als Quarzzylinder ausgebildet und als Anschlußkörper eine Aluminiumstange von gleichem Ouerschnitt aufgekittet ist. For the connection point between the crystal and the connection body is intended to produce favorable results in all of the aforementioned embodiments of the invention To obtain, the condition that the attached to the crystal is met Body has a cylindrical or prismatic shape and consists of a material, for which the product of the modulus of elasticity and the cross section divided by the speed of sound has practically the same value as the corresponding ouotient for the crystal; d. H. in the case of a rod that has the same cross-section as the crystal. is said to be the aliustic hardness of the crystal, which is determined by the quotient of the modulus of elasticity expressed by the speed of sound in the crystal will be the same as the acoustic hardness for the bar. The theory is based on this condition in accordance with the measurement, the twist is preferably carried out here Use of the direct piezoelectric effect reflections at the junction occur only to a very minor extent when the crystal is considered to be Quartz cylinder formed and an aluminum rod of the same cross-section as the connecting body is puttied up.

Soll hingegen ein Werkstoff von anderer Schallhärte als der Kristall für den Anschlußkörper verwendet werden, so soll der Querschnitt dieses Anschlußkörpers im Rahmen der vorgenannten Bedingung gewählt werden, wobei aber nach Möglichkeit größere Querschnittsverschiedenheiten an der Verbindungsstelle vermieden werden sollen, da anderenfalls die Bedingung des Ebenbleibens der Ouerschnitte nicht genau erfüllt ist. Should, however, a material with a different sound hardness than the crystal are used for the connection body, the cross section of this connection body should can be selected within the framework of the aforementioned condition, but if possible larger cross-sectional differences at the connection point can be avoided otherwise the condition that the cross-sections remain flat will not be exact is satisfied.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt; es zeigt Abb. I den Piezokristall 1 in Verbindung mit einer langen Stange 2 aus Aluminium und mit einem Aufnahmekörper 3 aus Aluminium. In the drawing, three exemplary embodiments of the invention are shown; Fig. I shows the piezo crystal 1 in connection with a long rod 2 Aluminum and with a receiving body 3 made of aluminum.

Dieser Aufnahmekörper ragt in eine Öffnung der Schutzwand 4. Die Leitungen zur Abnahme der Ladung von den Körpern 2 und 3 sind nicht gezeichnet. Die zu messende Welle tritt nur von der Vorderseite bzw. in der Zeichnung linken Seite der Einrichtung ein.This receiving body protrudes into an opening in the protective wall 4. The lines for the removal of the charge from the bodies 2 and 3 are not shown. The one to be measured Wave only occurs from the front or left side of the device in the drawing a.

Die Registrierung tnittels eines Oszillographen erfolgt in an sich bekannter Weise. The registration by means of an oscilloscope takes place in itself known way.

Die Ausführungsform nach Abb. 2 unterscheidet sich von der nach Abb. I nur dadurch, daß an Stelle des Anschlußkörpers 2, der lang sein soll, ein Anschlußkörper 20 vorgesehen ist, der schraubenlinienförmig aufgewickelt ist. Durch die Länge dieses zweckmäßig aus Aluminium bestehenden Körpers wird erreicht, daß die an seinem freien Ende reflektierte Welle erst dann an der Verbindungsstelle mit dem Quarz I auftrifft, wenn der Meß- oder Registrierungsvorgang beendet ist. The embodiment according to Fig. 2 differs from that according to Fig. I only in that instead of the connection body 2, which should be long, a connection body 20 is provided, which is wound helically. By the length of this expediently made of aluminum body is achieved that the at its free The end of the reflected wave only hits the junction with the quartz I, when the measurement or registration process is finished.

Bei der Ausführungsform nach Abb. 3 ist zum Unterschied von der nach Abb. I am Ende der Steige 2 noch ieine Stange 5 ange-I ; ittet, die aus stark dämpfendem Werkstoff besteht. In dieser Stange wird die ankommende Welle so weit aufgezehrt, daß eine Reflexion nicht mehr nennenswert auftreten kann bzw. die reflektierte Welle praktisch den Meßvorgang am Kristall 1 nicht mehr zu stören vermag. Die Stange I kann in diesem Falle sehr kurz sein oder sogar ganz fortfallen. In the embodiment according to Fig. 3, in contrast to that according to Fig. I at the end of the crate 2 there is also a pole 5 attached; ittet that made of strongly damping Material. In this rod the incoming wave is consumed so far, that a reflection can no longer occur appreciably or the reflected wave practically no longer able to interfere with the measuring process on the crystal 1. The pole I in this case can be very short or even omitted entirely.

Bei allen drei Ausführungsformen sind die Körper 2 und 3 bzw. 20 und 5 durch Aufkitten mit dem Quarz I verbunden. In all three embodiments, bodies are 2 and 3 and 20, respectively and 5 connected to the quartz I by cementing.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE : 1. Einrichtung zur Registrierung oder Messung des Druckverlaufs von akustischen Wellen, z.B. Knallwellen, in gasförmigen, flüssigen Medien oder an festen Körpern, mit Hilfe eines den Wellen ausgesetzten Piezokristalls, dessen Ladung zur Erregung des Registrier- oder Meßgerätes, z. B. eines Oszillographen, benutzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall akustisch, z. B. durch Aufkitten, mit einem Körper von solchen Schwingungseigenschaften verbunden ist, daß die in den Kristall eintretende Welle reflexionsfrei in diesen Körper übertritt und entweder überhaupt nicht bzw. mit so stark verkleinerter Amplitude oder solcher Zeitverzögerung zum Piezokristall zurückkehrt, daß die reflektierte Welle das Meßergebnis nicht bzw. bei sehr kurzen Meßvorgängen, z. B. Messung eines Knalles, nicht mehr verfälschen kann. PATENT CLAIMS: 1. Device for registering or measuring the Pressure curve of acoustic waves, e.g. bang waves, in gaseous, liquid Media or on solid bodies, with the help of a piezo crystal exposed to the waves, whose charge to excite the recorder or measuring device, e.g. B. an oscilloscope, is used, characterized in that the crystal acoustically, e.g. B. by puttying, is associated with a body of such vibrational properties that the in The wave entering the crystal passes into this body without reflection and either not at all or with such a greatly reduced amplitude or such a time delay returns to the piezo crystal that the reflected wave does not affect the measurement result or for very short measuring processes, e.g. B. Measurement of a bang, no longer falsify can. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an den Kristall angeschlossene Körper zylindrische oder prismatische Form besitzt und aus einem Stoff besteht, für den das Produkt aus Elastizitätsmodul und Querschnitt dividiert durch die Schallgeschwindigkeit praktisch den gleichen Wert besitzt wie der entsprechende Quotient für den Kristall. 2. Device according to claim 1, characterized in that the on the body connected to the crystal has a cylindrical or prismatic shape and consists of a substance for which the product of the modulus of elasticity and cross-section divided by the speed of sound has practically the same value as the corresponding quotient for the crystal. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer langen Stange, vorzugsweise aus Aln minium. 3. Device according to claim 2, characterized by the use a long rod, preferably made of aluminum. 4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der angeschlossene Körper schraubenförmig aufgewickelt ist. 4. Device according to claim 2, characterized in that the connected Body is helically wound. 5. Einrichtung nach Anspruch I und, gekennzeichnet durch die Verwendung eines stark dämpfenden Werkstoffes, vorzugsweise Blei, für den angeschlossenen Körper zur Aufzehrung der reflektierten Welle. 5. Device according to claim I and, characterized by the use a strong damping material, preferably lead, for the connected body to absorb the reflected wave. 6. Einrichtung nach *-Ntlspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß der angeschlossene Körper in einen Körper von so starker Dämpfung ausläuft, daß die ankommende Welle von diesem zusätzlichen Dämpfungskörper im >-esentlichen absorbiert wird. 6. Device according to * -Ntlspruch I. characterized in that the connected body leaks into a body of so much damping that the incoming wave is essentially absorbed by this additional damping body will.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2998723A (en) * 1956-06-15 1961-09-05 Acoustica Associates Inc Sonic wave conductor

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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