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Mit Ultraschall angeregter Stab zur Ubertragung bestimmter Frequenzen
und Impulse Es ist vorgeschlagen, künstliche Echos elektrischer Schwingungen .durch
Stäbe hervorzurufen, die im nachfolgenden Laufzeitstäbe genannt werden. Durch einen
Schwingkristall werden Schallschwingungen erzeugt, die auf den Laufzeitstab übertragen
und durch diesen infolge seiner Schalleitfähigkeit weitergeleitet werden. Am Ende
des Körpers findet eine Reflexion statt, wodurch die Schwingung zum anregenden Kristall
zurückläuft. Diese Reflexion soll den ursprünglichen Impuls genauwiderspiegeln.
Der reflektierte Impuls regt den Schwingkristall wieder zu mechanischen Schwingungen
an, die dieser infolge seiner piezoelektrischenEigenschaften in elektrische Schwingungen
umsetzt. Am Schwingkristall tritt nun auch wieder eine Reflexion auf, die am anderen
Ende des Stabes wieder zurückgeworfen wird. Diese kommt zum Schwingkristall zurück.
Dies wiederholt sich mehrere Male.
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Die Erfindung schlägt vor, die Stäbe so auszugestalten, daß bei der
Erregerfrequenz Durchmesserresonanz des Stabes auftritt. Dies wird dadurch erreicht,
daß der Stabdurchmesser auf einen ganz bestimmten Wert gebracht wird. Die Staboberfläche
wird im übrigen gemäß der weiteren Erfindung zur Erniedrigung der Dämpfung fein
ausgeschliffen oder poliert.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden überlegungen, .die nachstehend
im einzelnen erläutert
werden, gehen von der Erkenntnis aus, daß
ein derartiger Laufzeitstab- nicht nur Longitudinal-, sondern in der Hauptsache
Transversalschwingungen, oder auch Durchmesserschwingungen oder Radialschivingungen
genannt, ausführt. Bei den bisher vorgeschlagenen Laufzeitstäben ist das Auftreten
der Transversalschwingungen vernachlässigt 'worden, was -äußerlich darin erkenntlich
ist, daß der Stab eine rauhe Oberfläche hatte und sogar mit einer zusätzlichen Masse
in Form eines Überzuges versehen wurde. Wenn überhaupt Überlegungen in Richtung
der Transversalschwingungen vorgelegen haben, so sollten dieselben unterdrückt werden,
während,die Erfindung sie gerade ausnutzt und ihre Ausbildung begünstigt.
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Wie bekannt, untersdheidet die Theorie über die Schallfortpflanzung
in Stäben drei Arten von Schwingungen, nämlich Biegungsschwingungen, Longitudinalschwingungen
und Transversalschwingungen (Radial- oder Durchmesserschwingungen).
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Reine Longitudinalschwingungen hat man vorzugsweise bei Stäben, deren
Durchmesser klein ist gegenüber der - Scha11wellenlänge. Ist z.. B. die Schallwellenlänge
in der Größenordhüng von ö,i bis i mm, so müßte der Durchmesser auch in der gleichen
Größe liegen, wenn stark ausgeprägte Longitudinalschwingungen erregt werden sollen.
Diese Angaben stellen natürlich keine genauen Werte dar, sondern sollen nur überlegungsmäßig
einen Hinweis geben.
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Reine Transversal- oder Durchmesserschwingungen erhält man dann, wenn
man einen Stab, dessen Durchmesser gleich oder größer ist als die Wellenlänge, dessen
Länge aber kleiner ist als eine Wellenlänge (Scheibe), erregt.
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Biegungsschwingungen treten im Fall der Erfindung wegen der angewendeten
Erregungsform nicht auf.
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Im folgenden werden daher die Biegungäschwingungen nicht weiter berücksichtigt.
Die weiteren Erläuterungen berücksichtigen daher nur die Longitudinäl- und Durchmesserschwingungen.
In Wirklichkeit ist naturgemäß eine solche scharfe Unterscheidung der Schwingungsarten
bei schwingenden Stäben nicht möglich. Es sind nämlich die Longitudinahwellen bei
einem vorzugsweise in Durchmesserresonanz schwingenden Stab durch die elastischen
Konstanten miteinander gekoppelt.
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Die Abbildung zeigt schematisch die erfindungsgemäße Anordnung. An
dem einen Ende eines zylindrischen Laufzeitstabes St i:st ein Quarz 0 aufgekittet.
Die Kittstelle ist mit K bezeichnet. Der Quarz ist auf der dem Stab abgewandten
Seite mit einer Versilberung versehen, die als die eine erregeride Elektrode E i
dient. Die Gegenelektrode E:2 ist ebenfalls in Form einer Versilberung an dem Stabende
aufgebracht, das dem Quarz benachbart ist.
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Regt man den in der Abbildung gezeigten Stab mit einem hochfrequenten
Wellenzugimpuls an, d. h. mit Hilfe von hochfrequenten Impulszeichen, zwischen denen
eine solche zeitliche Unterbrechung besteht, daß .die Zeitdauer eines Wellenzuges
(Tastdauen) klein ist gegenüber dem reziproken Wert der Impulsfolgefrequenz, so-wird
immer nur einTeil des Stabes erregt. Es kommen die Longitudinalschwingungen wegen
der Kürze der auf den Quarz gegebeneri- Impulse nicht in Resonanz, da norinalerweise
die Impulszeit (Tastdauer) nur einen Bruchteil der Laufzeitdauer ausmacht. Die Laufzeit
der einzelnen Wellenzüge der Impulse über den Durchmesser ist aber gering gegenüber
der Impulszeit. Wird erfindungsgemäß der Durchmesser so gewählt, daß Resonanz auftritt
mit der Frequenz, die der Frequenz der einzelnen Wellenzüge des Impulses entspricht,
so können sich über den Durchmesser nur stehende Wellen ausbilden. Hieraus ergibt
sich nun wiederum in Verbindung mit den nachfolgend angeführten Tatsachen, daß der
Schall nur eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit in Richtung der Stabachse hat. Würden
diese Bedingungen nicht eingehalten, so würden die in der Nähe der Stabachse sich
fortpflanzenden Sehallwellenzüge eine höhere Fortpflanzungsgeschwindigkeit besitzen,
als die sich in der Nähe des Zylindermantels bewegenden Schallwellenzüge. Bei diesen
zwei verschiedenen Wellenzügen mit verschiedener Geschwindigkeit treten naturgemäß
am Ende des Stabes Interferenzerscheinungen auf, die die gewünsclhte eindeutige
Reflexion verhindern-. Treffen nun diese nicht einwandfreien Reflexionen auf dem
Rückweg wieder beim Kristallein, so ist die notwendige Folge eine Verformung des
ursprünglich auf den Kristall gebrachten Impulses. Nach mehreren Hin- und, Herlaufen
ist die Verformung so stark geworden, daß der ursprüngliche Impuls nicht mehr zu
erkennen ist, zum Teil treten zwei Impulse auf oder auch große und kleine. Bei einem
einwandfreien Stab erwartet und, erhält man einen Abfall nach einer e-Funktion entsprechend
der Streckendämpfung im Medium.
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Nun kann-man zwar bei Stäben, die einen großen Durchmesser gegenüber
der Schallwellenlänge besitzen, z. B. über 20 : r, durch Dämpfung an dien Mantelfläche
eine ziemlich weitgehende Unterdrückung der Randwellenzüge erreichen. Diese wirkt
sich natürlich auf den Strahl in der Mitte durch die stets vorhandene elastische
Kopplung so aus, daß die Anzahl der Reflexionen vermindert wird, d. h. die
Anzahl der zurückkehrenden Zeichen ist um ein Drittel bis ein Fünftel geringer als
im Falle der erfindungsgemäß vorgeschlagenen reinzn Durchmesserresonanz. Beim Stab
mit zusätzlicher mechanischer Randdämpfung bleibt in der Hauptsache nur der sich
in der Mitte des Stabes bewegende Schallwellenzug übrig, der sich so wie in einem
unbegrenzten Medium befindlich fortpflanzt. Dieser erfährt aber, wie gesagt, eine
erhebliche Dämpfung.
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Die Anregung des Stabes durch einen aufgwkitteten Quarz kann nur über
die Querkontraktion der Quarzplatte erfolgen. Diese muß natürlich so bemessen sein,
daß ihre Dicke gleich einer halben Wellenlänge der Frequenz der einzelnen Wellenzüge
des Impulses ist. Auch muß dafür gesorgt werden, daß die Ordnungszahl der Wellen
der
Quarzoberfläche die gleiche ist wie die des Zylinders. Ein kolbenförmiges
Einstrahlen d[es Ultraschalls in den Glaszylinder ist nicht möglich, da, an der
freien Oberfläche des O_uarzes sich kein Medium befindet, auf das der Quarz sich
stützen könnte.
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Die Querkontraktion ist eine radiale Schwingung des Quarzes. Die Oberfläche
des OOuarzes ist über dem Kittmittel mit dem Durchmesser des Stabes verbunden und
regt diesen dann zu Durchmesserschwingungen an. Das Kittmittel selbst hat zw,°i
Aufgaben zu erfüllen. Erstens dient es zur Cbertragung der Bewegungsenergie, und
zweitens stellt es eine gewisse Entkopplung zwischen Quarz und Stab dar, da die
Wellenlängen von Quarz und Stab nur annähernd übereinstimmend zu finden sind und
da der Quarz als anisotropes Medium keine genauen Radialsc'hwingungen machen kann.
Im Falle nämlich wo das Kittmittel das gleiche elastische Verhalten und das gleiche
spezifische Gewicht wie Quarz und Stabmaterial 'haben würde, ergibt sieh eine solche
zusätzliche Dämpfung, daß der erwünschte Vorgang sich nicht mehr einstellt. Noch
ein weiterer Nachteil der zusätzlichen mechanischen Dämpfung am Zylindermantel ist
die verminderte Wirksamkeit des O_uarzes sowohl bei der Staberregung als auch bei
der Umformung der mechanischen Reflexion in Spannung. Der Quarz wirkt in diesem
Falle nur mit einem Teil seines inneren Durchmessers, da der äußere Teil durch den
außen nicht mitschwingenden Stab zusätzlich gedämpft wird.
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Die vorstehend hinsichtlich der Durchmesserresonanz gemachten Überlegungen
gelten sowohl hinsichtlich der Grundschwingung als auch einer Oberwelle von ihr,
die Erregerfrequenz kann daher sowohl der Grundschwingung als auch ihrer Oberwelle
entsprechen.
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Wie eingangs schon erwähnt, werden die Stäbe gemäß der weiteren Erfindung
zur Erniedrigung ihrer Dämpfung fein ausgeschliffen oder poliert.
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Um an sämtlichen! Stellen des Stabes in bezug auf den Schwingungsvorgang
eindeutige Verhältnisse zu erhalten, werden die Stirnflächen zu den Zylinderflächen
zweckmäßigerweise senkrecht gestellt, auch wird der Übergang zwischen den Stirnflächen
und der Zylinderfläche möglichst scharfkantig ausgebildet, Auch muß peinlich dafürgesorgt
werden, daß irgendwelche Ausplatzungen oder Beschädigungen der scharfen Kanten vermieden
werden. Die Oberfläehenbearheitung der Stirnflächen braucht im übrigen nicht so
weit getrieben zu werden wie beim Zylindermantel der Stäbe.