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Einrichtung zum Messen der Schallintensität eines Schall- oder Ultraschall-Schwingungserzeugers
Zum
Messen der Schallintensität von Schall- oder Ultraschall-Schwingungserzeugern sind
bereits verschiedenartige Einrichtungen bekannt. die meisten Einrichtungen dieser
Art bestehen aus Sonden, die in das von dem Schwingungserzeuger abgestrahlte SWchallwellenbündel
eingeführt werden und die Feststellung der Schallintensität an verschiedenen Stellen
des Schallwellenbündels ermöglichen. Es fehlt jedoch bis jetzt aii einer Meßeinrichtung,
die es gestattet, die gesamte, von einem Schwingungserzeuger ausgehende SChallintensität
unmittelbar während der Verwendung des Schwingungserzeugers zur Beschallung irgendweelchen
Gutes zu messen. Zur Bestimmung der gesamten, von einem Schwingungserzeuger ausgehenden
Schlallintensität ist es zwar bekannt, das gesamte Schallwellenbündel des Schwingungserzeugers
in einem geeigneten pfropfenförmigen Körper aufzufangen, doch ist diese Messung
naturgemäß nur in Vergleichsversuchen durchführbar, nicht dagegen, wie es mitunter
erwünscht ist, unmittelbar während der Beschallung eines Gutes.
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Dieser Ntangel wird durch die Einrichtung nach der Erfindung beseitigt.
Die Einrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß in den ÄVeg des von dem Schwingungserzeuger
abgestrahlten Schallwellenbündels ein dessen Querschnitt in der Größe angepaßter
Prüfkörper von solcher Art angeordnet
wird, daß er den Durchgang
der Schallwellen nur wenig hinder, und daß Zustandsänderungen dieses Prüfkörpers,
die dieser durch Absorption von Schallwellenenergie erfährt, z. B. eine durch Erwärmung
verursachte Änderung seiner Länge oder seines elektrischen Widerstandes, als maß
für die Schallintensität der Schwingungserzeuger dient. Besondern vorteilhaft ist
est, als Prüfkörper ein Drahtgitter zu verwenden, dessen Schallabsorption vorzugsweise
auf Grund seiner von der Beschallung abhängigen elektrischen Widerstandsänderung
gemessen wird. Da bei einer solchen Einrichtung nach der Erfindung der Prüfkörper
den ganzen Querschnitt des Schallwellenbündels ausfüllt, gibt die Einrichtung im
Gegensatz zu den bekannten, sondenartigen Meßeinrichtungen nicht die Intensität
eines einzelnen Punktes des Schallwellenbündels, sondern einen Mittelwert der gesamten
Strahlung an. Da die Drähte des in das Schallwellenbündel eingesetzten Drahtgitters
sehr dünn gemacht werden können, wird eine Reflexion von Schallwellen, die eine
unerwünschte Rückwirkung auf den Schwingungserzeuger ausüben könnte, praktisch vermieden.
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Dünne Drähte haben ferner den Vorteil, daß sie nur ganz wenig Energie
absorbieren. Die absorbierte Energie kann weniger als 1% der Gesamtenergie betragen.
Dies ist von besonderem Vorteil, denn bei einer größeren Energieabsorption würde
die Wirtschaftlichkeit des Betriebes leiden. Die Wärmekapazität eines aus dünnen
Drähten hergestellten Gitters ist so gering, daß es sich verhältnismäßig rasch auf
eine stationäre Temperatur einstellt, so daß die Einsltelldauer nur wenige Sekunden
beträgt.
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Schliell,lich besteht ein wichtiger Vorteil der Eine richtung nach
der Erfindung auch darin, daß sie ein direktes Ablesen der Meßwerte ermöglcht.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung und deren Vorteile werden an Hand
eingier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert.
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In Fig. I der Zeichnung ist ein Behälter I dargestellt, der eine
zu beschallende Flüssigkeit enthält. in der Wandung dieses Gutbehälters ist eine
Öffnung 2 vorgesehen, an die ein den Schwingungserzeuger 3 entihaltendes kapselförmiges
Gehäuse 4 angeflanlscht ist. Der SchwingunSgserzeuger ist im vorliegenden Falle
ein piezoelektrischer Schwinger, dessen Elektroden mit 5 und' 6 bezeichnet sind.
Die Elektrode 5 besteht aus einem dünnen Metala'belag, während die Elektrode 6 m,embranartig
ausgebildet und mit ihrem Rand zwischen dem Flanschrand des Gehäuses 4 und der Wandung
des Behälters eingeklemmt ist. An der Elektrode 5 liegt in bekannter Weise ein luftgefülltes
Reflexionsgehäuse 7 an, welches ein Abstrahlen von Schallschwingungen nach der Rückseite
des Schwingungserzeugers hin verhindert, so dß der Schwingungserzeuger um so kräftiger
den Inhallt des Behälters 1 be, schalllt. Der Hohlraum des Gehäuses 4 ist mit Öl
oder einer anr deren elektrisch isolierenden Flüssigkeit gefüllt.
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Erfindungsgemäß ist nun in dem Weg des von dem Schwingungserzeuger
abgestrahlten Schallwellenbündels als Prüfkörper ein Drahtgitter angeordnet, das
aus sehr dünnen Widerstandsdrähten besteht, von einem Tragrahmen 9 frei schwebend
gehalten wird und mit diesem an der Innenseite der Gutbehälterwandung an der Öffnung
2 derart angebracht ist, daß es sich über den ganen Querschnitt des Schallwellenbündels
erstreckt. eine Vorderansicht des Drahtgitters 8 mit dem Tragrahmen 9 ist in Fig.
2 gezeigt. Wird der Schwingungserzeuger in Betrieb gesetzt, so wird von dem Drahtgitter
nur ein ganz kleiner Teil der Energie des Schallwellenbündels absorbiert, wodurch
sich das Drahtgitter erwärmt. Da sich mit der Erwärmung des Gitters gleichzeitlig
auch sein elektrischer Widerstand ändert, kann die Änderung des Widerstandes in
irgendeiner bekannten Weise, beispielsweise mittels eines Galvanometers, gemessen
werden. Dies Messung des Widerstandes gibt aber gleichzeitig auch einen Mittelwert
für die Ändernumng der gesamten Schallintensität des von dem Schwingungserzeuger
abgestrahlten Schallwellenbündels an, so daaß das Galvanometer gegebenfalls gleich
in Schallintensitätswerten geeicht werden kann.
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Gemäß der weiteren ausbildung der Einrichtung nach der Erfindung
kann die Schallabsorption des Drahtgitters zur Erzielung stärkerer Meßströme dadurch
erhöht werden, daß das Drahtgitter mit einer gut schallabsorbierenden Masse versehen
wird, an der es anliegen oder in die es eingebettet werden kann. Die Drähte des
Drahtgitters können hierzu mit einem gut schallabsorbierenden Überzug, beispielsweise
aus einem geeigneten Lack, versehen werden. Auch mitsamt einem solchen Überzug können
die Drähte des Gitters noch so dünn sein, daß sie praktisch keine Energie reflektieren
und nur ganz wenig absorbieren. Die Verwendung eines derart ausgebildeten Prüfkörpers
der Einrichtung nach der Erfindung gibt die möglichkeit, in einfacher Weise die
Abhängigkeit der Meßeinrichtung nach der Erfindung von der während des Betriebes
steigenden Temperatur des zu beschalAlenden Gutes zu beseitigen oder doch zum mindesten
weitgehend herabzusetzen.
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Zu diesem Zwecike wird außer dem Prüfkörper in dem Weg des von dem
Schallerzeuger abgestrahlten Schallwellenbündels zusätzlich noch ein zweiter elektrischer
Widerstandskörper als hilfsprüfkörper angeordnet, der vorzugsweise die gleiche Auslbihldung
wie der Prüfkörper, jedoch unter Fortlassung besonderer schallabsorbierender Massen,
hat, wobei als Maß für die Schallintensität des Schwingungserzeugers die Differenz
der Widerstandsänderungen des Prüfkörpers und des Hilfsprüfkörpers verwendet wird.
Diese Differenz kann zweckmäßig in einer Brückenschaltung gemessen werden.
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Ein Ausführungsibeispiel hierfür ist in Fig. 3 der Zeichnung dargestellt.
Die Teile I bis g sind die gleichen wie in Fig. I. Unterschiedlich ist, daß parallel
zu dem als Prüfkörper vorgesehenen Drahtgitter 8 zusätzlich als Hilfsprüfkörper
noch ein zweites Drahtgitter 10 mit dem Tragrahmen 9' angeordnet ist. Die Drähte
des Gitters 8 sind mit einem gut schallabsorbierenden Überzug versehen, während
die Drähte des Gitters I0 blank sind. Wird die dargestellte Anordnung in Betrieb
gesetzt, so absorbiert sowohl das Gitter 8 als auch das Gitter 10 einen
kleinen
Teil tier Schwingungsenergie des Schallwellenbündels, dloch ist die von dem Gitter
8 absorbierte Energiemenge infolge des schal labsorbierenden Überzuges wesentlich
größer, so daß auch d'ie Erwärmung des Gitters 8 wesentlich größer als die des Gitters
10 ist. Nimmt nun die Tempertur der zu beschallenden, beide Gitter umspükenden Flüssigkeit
während des Betriebes zu, so erfahren beide Gitter durch die Flüssigkeit die gleiche
Erwärmung.
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Von den Schallwellen dagegen wird das Gitter 8 infolge seines schallabsorbierenden
Überzuges erheblich stärker erwärmt als das blanke Gitter 10, so daß die Differenz
der von den beiden Gittern angezeigten Werte ein MaB fiir die Schallintensität ist,
das praktisch unabhängig von der Erwärmung der Flüssigkeit ist.
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Zum Messen dieser Differenz eignen sich besonders die an sich bekannten
Brückenschaltungen, wie es in Fig. 4 in einem einfachen Beispiel gezeigt ist.
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Die beiden Drahtgitter sind auch hier mit 8 und 10 bezeichnet. Die
übrigen Teile der Brückenschaltung sind zwei Abgleichwiderstände 11 und 12, eine
Spannungsquelle 13, ein Schalter 14, ein Potentiometer Ij und ein Anzeigegerät I6.
Die Bedienung dieser Brückenschaltung erfolgt in bekannter Weise.
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In Fig. 5 ist gezeigt, daß die beiden Drahtgitter 8 und 10 gleichzeitig
auf ein und demselben Tragrahmen g befestigt sein können. Die Wirkungsweise ist
auch in diesem Falle die gleiche wie bei Fig. 3 und 4.
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Die Einrichtung nach der Erfindung ist nicht auf die in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann in mannigfacher Weise
abgewandelt werden. Ist der Schwingungs erzeuger, wie es l>ei piezoelektrischen
Kristallschwingern üblich ist, von dem zu beschallenden Gut getrennt in einer Isolierflüssigkeit
angeordnet, so können sowohl der Prüfkörper als auch der Hilfsprüfkörper auch innerhalb
der Isolierflüssigkeit angeordnet werden. Statt der in Fig. 4 gezeigten, besonders
einfachen Brückenschaltung zur Messung der Widerstandsdifferenz kann auch eine beliebige
andere Brückenschaltung mit größerer Empfindlichkeit verwendet werden. Sind die
erzielten Meßströme sehr klein, so können beliebige Verstärker einrichtungen verwendet
werden. Da die Empfindlichkeit der Eirnichtung bei größeren Schallingensitäten,
d. h. bei größerem Ausschlag bzw. größeren Temperaturdifferenzen, geringer wird,
kann man zur Beseitigung dieses nachteils Exponentialröhren verwenden, die bekanntlich
die Eigenschaft haben, daß ihre Verstärkung mit zunehmen, der Gitterspannung größer
wird. Ist es erwünscht, die Einrichtung nach der Erfindung unabhängig von der Einfallrichtung
des Schallwellenbündels zu machen, so kann das Drahtgitter gewölbt. z. B. kugel-oder
halbkugelförmig, ausgeführt werden, indem es beispielsweise auf einem entsprechend
geformten Tragkörper angebracht wird.
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Die bauliche Ausbildung des Drahtgitters kann ebenfalls mannigfach
abgewandelt werden. Liegt beispiedlsweise beim Arbeiten mit hohen Schallfrequenzen
die Schallwellenlänge in der Flüssigkeit in der Größenordnung der Drahtabstände
des Gitters, so können zur Vermeidung von Beugungserscheinungen die Drähte zickzackförmig
angeordnet werden, wie es in Fig. 4 angedeutet ist. Das Drahtgitter braucht nicht
unbedingt frei schwebend angeordnet zu werden, sondern kann auch an oder in einen
membranartlig ausgebildeten Tragkörper, beispielsweise einer Zellhornfolie, vorgesehen
werdenl. So kann beispielsweise, wenn ein piezoelektrischer Schwingungserzeuger
in einer 1 sol ierflüssigkeit angeordnet und von dem zu beschallenden Gut durch
eine memibranartige Zwischenwand getrennt ist, das Drahtgitter des Prüfkörpers unmittelbar
im Innern der Zwischenwand angeordnet werden. Eine weitere vorteilhafte Ausbildung
des Prüfkörpers ergibt sich, wenn die Drahtwindungen eines Drahtgitters auf eine
Zellhornfolie aufgelegt und auf dieser mit einem Lacküberzug festgeklebt werden,
wobei der Lacküberzug gleichzeitig den das Drahtgitter einbettenden gut schallabsorbierenden
Stoff darstellen kann.
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Schließlich sei noch erwähnt, daß statt eines Drahtgitters als Prüfkörper
nach der Erfindung an sich auch andere Prüfkörper verwendet werden können, die den
Durchgang der Schallwellen nur wenig hindern und sich bei Beschallung in irgendeiner
meßbaren Weise verändern. Beispielsweise kann als Prüfkörper eine eingespannte Folie,
z. B. aus Zellhorn, verwendet werden, die sich bei der Beschallung durch Erwärmung
längt und ausbiegt und hierdurch geeignete Meß- oder Anzeigegeräte steuert. Ebenso
ist es für die Einrichtung nach der Erfindung gleichgültig, ob die zu überwachenden
Schall- bzw. Ultraschallwellen von einem piezoelektrischen Schwingungserzeuger oder
irgendeinem anderen Schwingungserzeuger hervorgerufen werden.
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PATENTANSPROCHE: I. Einrichtung zum Messen der Schallintensität eines
Schall- oder Ultraschall-Schwinguingserzeugers, beispielsweise eines piezoelektrischen
Kristallschwingers, während seiner Verwendung zur Beschallung irgendwelchen Gutes,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Weg des von dem Schwingungserzeuger abgestrahlten
Schallwellenbündels ein dessen Querschnitt in der Größe angepaßter Prüfkörper von
solcher Art angeordnet ist, daß er den Durchgang der Schallwellen wenig hindert,
und daß Zustandsänderungen des Prüfkörpers, die dieser durch Absorption von Schallwellenenergie
erfährt, z. B. eine durch Erwärmung verursachte Änderung seiner Länge oder seines
elektrischen Widerstandes, als Maß für die Schallintensität des Schwingungserzeugers
dient.