DE748409C - Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwingungen mittels -piezoelektrischer oder magnetostriktiver Systeme. Es ist bereits bekannt, piezoelektrische Kristalle elektrisch mit Hilfe ungedämpfter Schwingungen, die sich mit Elektronenröhren in jeder Frequenz und Intensität erzeugen lassen, anzuregen. Die Anschaltung des Quarzes an den Röhrensender erfolgt hierbei im einfachsten Falle dadurch, dali der Quarz parallel zur Kapazität des SchwitigUngskreises geschaltet wird. Der aus Selbstinduktion und Kapazität bestehende Schwingungskreis wird hierbei durch Variation der Kapazität auf die Eigenfrequenz des Quarzes abgestimmt. 1'11s Rohrensendeschaltnng benutzt man die Dreipunktschaltung. Bei dieser Art der Anschaltung des Piezoquarzes an den Ilochfrequenzgenerator, die inan als Resonatorschaltung bezeichnet, wird der Quarz durch das elektrische Mrecliselfeld zti erzwungenen Schwingungen angeregt. Außer dieser Schwingungsanregung ist zur Erzeugung von Ultraschall mittels piezoelektrischerKristalle noch diebisheramhäufigsten benutzte Oszillatorschaltung bekanntgeworden. Hierbei arbeitet der Piezokristall als Oszillator und steuert in seiner Eigenfrequenz eine Elektronenröhre, die wiederum das zur Aufrechterhaltung der Kristallschwingungen nötige Wechselfeld liefert. Der Quarz liegt bei den Oszillatorschwingungen entweder zwischen Gitter und Anode der Röhre oder zwischen Gitter und positivem Pol der Anodenbatterie oder unmittelbar zwischen Gitter und Kathode der Röhre.
• Die Wirkungsweise ist liiei-bei derart, clali durch einen Einschaltvorgang der ( " )uarz zu Eigenschwingungen angestoßen wird, so dal3 auf dessenElektroden infolge der mechanischen Deformation durch den direkten piezoelektrischen Effekt Wechselspannungen entstehen, die über (las Gitter der Röhre den Atiodenstroni ini richtigen Takt steuern, so dali der

  Quarz erneut zu Srht@-inl;uugeu angestoßen

  wird. Es bildet sich dann ein stationärer

  Schwingungszustand aus, und die Schwin-

  gungsfrequenz und damit die Frequenz der

  vorn Kristall ausgebenden Schallwellen ist

  nur durch den Quarz bedingt.

  Es ist scliliel,llicli auch bekanntgeworden,

  zur Erzeugung gut frequenzkonstanter und

  intensiver Schallwellen den Röhrensender,

  der in Resonatorsclialtung den scliallieferti-

  den Quarz erregt, durch einen zweiten gleich

  abgestimmten Quarz in Oszillatorschaltung.

  zu steuern.

  Die vorliegende Erfindung besteht titin

  demgegenüber in einer Vorrichtung zur Er-

  zeugung niecliani@clier Scliwingüngen mit

  Hilfe piezoelektrischer oder inagnetostrik-

  tiver Svsteine, welche dadurch gekenn7eicli-

  net ist, daß sowohl am Gitter als auch an der

  Anode einer Elel:trotienrölire, insbesondere

  einer Verstärkerröhre, je ein eigenes piezo-

  elektrisches oder magnetostriktives System

  liegt, die beide incclianiscli miteinander ge-

  koppelt sind und von denen zum mindesten

  eines eine ausgeprägte Eigenscliwinrung be-

  sitzt.

  Man gewinnt so den Vorteil eines besseren

  Schwingungseinsatzes. Durchdiemeclianisclie

  Kopplung der beiden Systeme hat nian ferner

  die Möglichkeit einer weiteren und itis1>eson-

  Jere auch feineren Abstimmung. Außerdem

  läßt sich die Abstimmung durch Zusatzmas-

  sen am mechanischen Kopplungsglied besser

  bewerkstelligen als an den Systemen selbst.

  .11s besonders vorteilhaft erweist es sich

  Tierbei, im Falle der Benutzung mechanisch

  ,-ekoppelter piezoelektrischer Systeme ein aus

  ;Zocliellesalzplatten bestehendes im genannten

  ;inne einzuordnen. Um nun hierbei wiederum

  eine besonders hohe Festigkeit und Empfind-

  ichkeit des piezoelektrischen Seignettesalz-

  :ristalles zu gewährleisten, sind bei der Er-

  indung die Kristallplatten in besonderer

  ;onstruktiver Weise derart aufgebaut, daß

  Lire Svinnietrieebene nicht finit der 1likro-

  >honebetie parallel liegt. -

  Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn

  lie piezoelektrischen Platten zti einer Doppel=

  cliale zusammengesetzt sind. Eine solche

  )oppelschale stellt inan vorzugsweise derart

  leg, dai3 inan lliezoelektrisclie Einzelplatten

  t1 einem polveder- oder kalottenforinigen

  Kler polveder- und prismenffirtnigen oder

  Prismen- und kalottenförmigen (;ebilde zu-

  aininenkittet.@ Die einzelnen zu einer solchen

  )oppelschale -zusammengesetzten Kristall-

  latten können aus einem großen Quarz-,

  .'urmalin-, vorzugsweise aber Seil-iicttes<tlz-

  :ristall ausgesägt sein.

  Will tnan jedoch noch größere Festigkeits-

  igenschaften haben, so erweist e, sich als

  zweckmäLlig, die Doppelschale aus künstlich gewachsenen Rochellesalzplatten in der beschrieberien Weise zusammenzusetzen. Lä ßt man dabei den Kristall bei seiner Herstellung nur in der c-Riclitung wachsen, so c»rreiclit man auf diese besonders einfache Weise die größte erreichbare Festigkeit.
• Die Erfindung sei an Hand der in den Figuren schematisch dargestellten beispielsweisen Ausführungsformen noch näher erläutert.
• Bei der erfindungsgeinä ßen Vorrichtung zur Erzeugung meclianisclier Schwingungen gemäß Fig. i sind die beiden piezoelektrischen Systeme i und 2 fest miteinander durch einen Stab 3 verbunden. Der Stall 3 bestellt z. I3. aus Hartgummi. Die piezoelektrischen Systeme i und ? sind an den Gegenseiten über Brolizefedern oder Brotizelileclie .4 an ein Halterungsgestell 7 befestigt. Die beiden piezoelektrisclien Systeme i und 2 sind oktaederförmig ausgebildet und in Fig.2 und 3 noclunals besonders dargestellt. Die Fig.2 zeigt den piezoelel:tri.clieti Körper in perspektivischer Ansicht, und Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung durch die obere und untere Ecke der polyederförmigen Doppelschale. Die Lage der Svtnnietrieebene ist durch s-s und die Lage der Mikrophonebene durch nt-m angedeutet. Die Schnittflächen des Achtfäcliner: sind finit 6, , 8 und 9 bezeichnet. Die zu einer Doppelschale zusammengesetzten piezoelektrischen Platten, die die Seitenflächen des Polyeders bilden und einen Hohlraum H einschließen, sind an den zusammenstoßenden Kanten und Ecken miteinander utiver,cliiei>-bar verkittet. An der unteren Ecke des Polveders ist durch eine Bohrung ein Halterungsstift io eingeführt, der mit der metallischen Innenbelegung i I leitend verbunden ist; die äußere metallische Belegung 12 ist an eine auf eine Isolationsbuchse 13 aufgesetzte Metallbuchse 14 angeschlossen. Bei Schalldruck von oben sind alle Einzelflächen unter Druckspannung, am Außenumfang unter Ztispannung. Es entstehen dann außen und innen entgegengesetzte Ladungen. Ein derart aufgebautes piezoelektrisches System ist außerordentlich stabil.
• Bei der Vorrichtung nach Fig. i sind nun die beiden Elektroden de, piezoelektrischen Systems i parallel ztt einem Widerstand i in den Anodenkreis einer I:lel:trolienrölire i6 geschaltet. Der M'iderstand t ist dem Riilirenwiderstand angepaßt. Zur 131ockierung des Gleichstromes ist in einer der Elektrocienzuführungen des piezoelektrischen Systems i noch ein Kondensator 17 vorgesehen. Das piezoelektrische System 2 ist an den Gitterpreis der Röhre 16 angeschlossen, an der Klemme '-, --1 liegt die Anodenspannungsquelle. Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach der Erfindung ist nun folgende. Wird der Anodenstrom eingeschaltet, so wird durch den Einschaltvorgang am Widerstand 15 das piezoelektrische System i erregt. Dieses übt entsprechend seiner piezoelektrischen Deformation einen Stoß über das Glied 3 auf das piezoelektrische System 2. aus. Dieses System ist so angeordnet, daß es bei dem Stoß eine positive Spannung an das Gitter der Verstärkerröhre abgibt, so daß der Strom an der Anode zunimmt und durch das Svstem i auf das System 2 eine weitere Drucksteigerung erfolgt. Durch diese Stoßerregung wird die Eigenschwingung des Systems 2 angeregt. Diese schaukelt sich auf und bleibt als ungedämpfte Schwingung bestehen. -Statt der - in den Figuren angegebenen Systeme können. auch Rochelledoppelplattensvsteme verwendet werden. Die hierbei erzeugten Frequenzen sind dann entsprechend den tiefen Eigenschwingungen dieser Platten wesentlich niedriger. In der Fig. 4. ist die Schnittlage einer geeigneten- Kristallplatte angedeutet. Aus derart ausgeschnittenen Platten ,werden die erwähnten Doppelplatten-oder Doppelstreifensysteme hergestellt. Das auszuschneidende Plattenstück ist in der Fig.4 schraffiert dargestellt. llit a, h und c sind in der Fig. 4. die Achsen des Kristalles benannt. Von diesen Streifen werden nun jeweils zwei aufeinandergeklebt, so daß sich beim Gebrauch der eine verlängert und der andere verkürzt. Setzt man nun solche Doppelstreifensvsteine wieder zu piezoelektrischen Doppelschalen zusammen, so ergeben sich u. a. Jie in Fig. 6 a bis c schematisch dargestellten Deformatiorlszustände. Die Eigenfrequenz ist hierbei gegeben durch die Länge. Breite und Dicke des Einzelschenkels. Bei der Herstellung solcher Doppelstreifensvsteme werden die Einzelstreifen mit fest aufgeklebten metallischen Belegungen versehen und aufeinandergelegt. Die Streifen werden erhitzt, bis das Kristallwasser austritt. Dem Kristallwasser wird ein Benetzungsmittel zugesetzt, und dann werden die Kristallplatten schnell abgeschreckt, so daß eine allmählich verzögerte Rekristallisation einsetzt. -Der gegenseitige Abstand der beiden je an der Anode bzw. ain Gitter der Elektronenröhre liegenden piezoelektrischen Systeme kann an sich beliebig sein oder kann gegebenenfalls auch gleich der Wellenlänge eiir mechanischen Schwingungen oder gleich einem Vielfachen derselben gemacht werden. Bei der in Fig. i dargestellten Anordnung ist es zweckmäßig, die Halterungsfeder auswechselbar anzuordnen, um jederzeit die 1Iöglichkeit zti haben, auch mit anderen Systemen an Stelle der mit i und 2 bezeichneten zu arbeiten. Die Erfindung ist keineswegs auf die in der Zeichnung dargestellten Systeme beschränkt, es lassen sich vielmehr auch andere piezoelektrische Systeme ohne weiteres benutzen. Statt des piezoelektrisclien Systems an der Anode könnte auch eine magnetostriktive Anordnung zur Anwendung kommen.
• Schließlich kann an Stelle des in der Fig. i gezeigten stabförmigen mechanischen Kopplungsgliedes auch ein anderes Kopplungsglied oder auch ein Körper, der eine bestimmte Eigenfrequenz hat, wie z. B. ein Hohlkörper, insbesondere aber auch ein Helmholtz_-Resonator vorgesehen sein.
• Die Fig. 5 zeigt eine Einrichtung für die Schwingungserzeugung derart, daß das Kopplungssvstem zwischen- den beiden Kristallen eine Stimmgabel ist.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer Schwinguügen mit Hilfe piezoelektrischer oder- magnetostriktiver Systeme, dadurch gekennzeichnet. daß sowohl an der Anode als auch am Gitter einer Elektronenröhre, insbesondere einer @Verstärkerrölire, je ein eigenes piezoelektrisches oder magnetostriktives System liegt, die beide mechanisch fest miteinander gekoppelt sind und von denen zum mindesten eines eine ausgeprägte Eigenschwingung besitzt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische System aus Rochellesalzplatten, insbesondere aus piezoelektrischen Doppelkristallplatten besteht.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch i bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das schwingende System ein piezoelektrischesKristallsystein ist, dessen Symmetrieebene die Mikrophonebene kreuzt und vorzugsweise ein zit einem doppelschalenförmigen Gebilde zusammengesetztes System von piezoelektrischen Rochellesalzplatten ist. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß künstlich gewachsene piezoelektrische Kristallplatten zu einem doppelschalenförmigen Gebilde zusammengesetzt sind. 5. Vorrichtung nach Anspruch i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem der leiden Systeme, die beide mechanisch fest initeinandcr gekoppelt sind und von denen mindestens eines eine Eigenschwingung besitzt, ein U'iderstand oder eine findtikti\'itat zugeschaltet ist. 6 . N' 0 rrichtung t' nach Anspruch i bis >, dadurch gekennzeichnet, daß (las die beid f,n Systeme (i, 2) miteinander verbindende Kopplungsglied ein Hartgummistab ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die beiden Systeme (1, 2) miteinander verbindende Kopplungsglied ein Helmholtz-Resonator ist. 5. Vorrichtung nach Anspruch i bis dadurch, gekennzeichnet, daß das die beiden Systeme (1, 2) miteinander verbindende Kopplungsglied ein gasgefüllter Hohlraum ist, der eine Eigenschwingung besitzt. cg. Vorrichtung nach Anspruch i bis ;. dadurch gekennzeichnet. daß (las die beiden Systeme (1, 2) miteinander verbindendeKopplungsglied eine Stimmgabel ist. io. Vorrichtung nach Anspruch g, dadurch gekennzeichnet. daß auf jede der beiden Gabelzinken einer Stimmgabel ein piezoelektrisches System wirkt. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren keine Druckschriften in Betracht gezogen worden.