DE894239C - Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Stoffen durch Schallwellen oder sonstige mechanische Schwingungen - Google Patents

Description

• Verfahren und VorricÜtung zur Behandlung von Stoffen durch Schallwellen oder sonstige mechanische Schwingungen Es ist bekannt, durch SchaIlwellen oder elektrische Wellen bestimmte Wirkungen an Leb,-ivesen oder leblosen Gegenständen hervorzurufen. Für die meisten Beeinflussungen dieser Art haben sich Schwingungen hoher Frequenz und großer Intensität als besonders wirksam erwiesen. Die Steigerung der Frequenz unter g' leichzeitiger Erhöhung der Intensität ist jedpch nur in beschränktem Maße möglich.
• Es ist fernerbekanntanStelleeiner Schwingung be-stimmter Frequenz gleichzeitig mehrere SchwingunglIn. verschiedener Frequenz auf das zu behandelnde Gut einwirken zu lassen. Dabei ist aber keinerl-ei Vorschrift für die Wahl der Frequenz und die Bemessung der Amplituden gegeben. Vor allen Dingen ist nichts über die Phasenbeziehungen der verschiedenen Schwingungen zueinander ausgesagt. Nach dem überlagerungsprinzip erhält man. durch Zusammensetzung von S#inusschwingungen, deren Frequenzen in ganzzahligem Verhältnis stehen, Schwingungen mit -nicht sinnsförmigen. Schwingungskurven, deren Form von der Wahl der Amptituden und Phasen der Teilschwingungen abhängt. Umgekehrt kann »nach dem Theorern von F o u r i e, r eine Schwingungskurve von beliebiger Form in eine, Reihe, von. Teilschwingungen bestimmter Phase und Amplitude zerlegt werden und durch Zusammenwirken derselben verwirklicht bzw. angenähert erreicht werden. Die Form der Schwingungskurve, und zwar im Hinblick auf die Größe und den Verlauf des ersten und zweiten Differentialquo#tienten bzw. die Höchst"verte dieser Diff#erentialquotienten und ihre Verteilung, sind aber bei der Schallbeeinflussung von wesentlicher Bedeutung. Die gute Wirksamkeit von Schwingungen, z.B. von, Schallschwingungen.höher Frequenz und Intensität, ist vorwiegend auf die hohen Geschwindrigkeiten b-zw. Beschleunigungen zurückzuführen, die das Me-dium bzw. die Teilchen des Mediums bei diesen Schwingung-en erfahren.
• Das Wesen der Erfindung besteht somit darin, daß mehrere, vorzugsweise in ganzzahligem Verhältnis zueinander stehende Schwingungsfreiquenzen mit einem solchen Amplitudenverhältnis und einer solchen Phaseneinstellung zur Zusammen# wirkung gebracht werden, daß die entstehende Schwingungskurve stellenweise, besonders große Werte des ersten bzw. zweiten Differentialquotienten bzw. für beide Schwingungsrichtungen verschieden große Werte dieser Differentialquotienten aufweist.
• Vorteilhaft wählt man die Amplituden der Schwingungen umgekehrt proportional der Frequenz, um große Werte des ersten Differentialquotienten- der Schwingungskurve 'bzw. große Teilchengeschwindigkeiten des. Mediums bei Scha,11-wellen zu erzielen. Für manche Zwecke ist es auch vorteilhaft, die Werte für den zweiten Differentialquotienten der ' Schwingungskurve bzw. bei, Schallwellen dieTeilchenbeschleurtigungen rnöilichst groß zu machen und zu diesem Zweck die Amplituden der Schwingungen, umgekehrt proportional dein Quadrat der Frequenz einizustellen. Durch diese Maßnahmen läßt sich die Wirksamkeit der Schwin-g -u ngen mit verhältnismäßig. geringem Leistungsaufwand wesentlich verbessern. Als besonders wirksam, vor allen Dingen bei der Behandlung und Erzeugung von Dispersionen, -und zur Beeinflussung chemischer Vorgänge, haben sich Schwingungen mit unsymmetrischern Verlauf des ersten bzw. .zweiten, Differentialquotienten erwiesen, bei denen die hohen Teilchengeschwindigkeiten bzw. -beschleunigungen oder großen Werte des ersten und zweiten Differen-tialquotienten nur nach einer Schwingungsrichtung hin auftreten.
• Die Erfindung sei an einigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
• Abb. i bis 4 zeigen verschiedene Anordnungen mehrerer verschieden abgestimmter Schallerzenger; Abb,- 5 bis 8 veranschaulichen verschiedene Schwingungsformen; Abb. 9 bis ii zeigen gleichzeitig in mehreren Eigenschwingungen erregbare Schwingungsgebilde in drei verschiedenen Ausführungsformen; -Abb. 12 zeigt eine mechanische Anordnung zur Erzeugung erzwungener Schwingungen; Abb. 13 zeigt eine Schaltung für elektrisch betriebene Schwingungserzeuger; Abh. 14 zeigt eine Schwingeranordnung mit Staffelung der Strahlflächen zur Einstellung der richtigen.gegenseitigen Phasenlagen.
• Die-, in den Zeichnungen dargestellten Vorrichtungen dienen zur Beeinflussung von Gegenständen .durch Schallwellen oder sonstige Vibrationen. Ihnen allen ist gemeinsam die- Verwendung mehrerer gleichzeitig auf das zu behandelnde, Gut einwirkender Schwingungsfrequenzen. Durch dieses Zusammenwirken verschiedener Schwingungsfrequenzen lassen sich vorteilhafte Wirkungen erzielen-, insbesondere wenn die Zusammenwirkung in einer solchen- Weise erfolgt, daß dadurch große Geschwindigkeiten oder große Beschleunigungen hervorgerufen werden.
• Zur Erzeugung der verschiedenen gleichzeitig auf das zu behandelnde Gut zur Einwirkung bzw. zur Zusammenwirkung zu bringenden. Schwingungsfrequenzen können. je nach dem Verwen--dungszweck und insbesondere je nach Höhe der zu erzeugenden Schwingungsfrequenzen elektrisch oder mechanisch erregte Schwingungserzenger verwendet werden.
• Zur Erzeugung hoher Schwingungsfrequenzen sind vorteilhaft elektrisch erregte Schallerzeuger zu verwenden, wie beispielsweise in Abb. i bis 4 veranscha,ullicht.
• Abh. i'zeigt eine Vorrichtung, bei der z. B. vier elektromagnetisch erregte Schwinger i bis 4 um einen das zu behandelnde Schallmittel enthalten-,den Raum 5 angeordnet sind, so daß die Schallwellen von verschiedenen Seiten her in das Schallmittel abgestrahlt werden und dann zur überlagerung kommen.
• Zur Durchführung des Verfahrens kann jeder Schallerzeuger, der Scha,11wellen von, der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen in der Lage ist, verwendet werden.
• Abb.:2 zeigt eine Anordnung, bei der Magnetostriktionsschwinger in Stabform parallel zueinander angeordnet auf den Schallmittelraum einwirken. T-Tin eine wirksame Überlagerung zu erzielen, können die Schwinger für die einzelnen Frequenzen unterteilt und miteinander verschachtelt sein. Abb. 2, zeigt drei Paare von je zwei auf dieselbe Frequenz abgestimmten Schwingern 6a, 6b, 7-, 7 b und 8a, Sb.
• Abh. 3 zeigt eine) Schallerzeugeranordnung, bestehend aus zwei konzentrischen, magnetostriktiv erregbaren Ringschwingern 9 und io, die gemeinsam auf den von ihnen eingeschlossenen Ringrauni ir einwirkeni Der Behandl-ungsraum kann auch, wie in Abb. 4 dargestellt, Rohrform aufweisen -und durch zwei an, den Rohrenden angebrachte Schallerzeuger 12, 13 beschallt wer-den. Diese Amordnung eignet sich besonders zur Behandlung gasförmiger Schallmittel. Das Rohr 14 ist hierbei zweckmäßig als Durchflußrohr für das zu behandelnde Mittel ausg-ebildet und kann für die Schwingungender bei-den Schallerzeuger 12 und 13 auf Resonanz abgestimmt sein.
• Will man Schwingungen mit hohen Geschwindigkeiten erzeugen, so ist es im Hinblick auf den Energieverbrauch zweckmäßig, die Amplituden der einzelnen Schwingung ,en umgekehrt proportional der Frequenz zu machen. Sollen dagegen große Beschleunigungen erzielt werden, so wählt man die Amplituden vorteilhaft umgekehrt proportional dem Quadrat der Frequenz. Abb. 5 bis 8 zeigen verschiedene Formen von Schwingungen mit großen Geschwindigkeiten bzw. Beschleunigungen.
• Bei der Rechteckkurve Abb. 5 wird die Geschwindigkeit zeitweise unendlich groß. Natürlich ist es weder möglich noch erforderlich, eine exakte Rechteckschwingung zu erzielen, vielmehr wird man sich mit einer mehr oder weniger großen Annäherung an die Rechteckkurve begnügen. Diese Annäherung wird am einfachsten und zweckmäßigstendadurch erreicht, daß man Schwingungen nach den Gliedern der für die Rechteckkurve abgeleiteten Fourierschen Reihe überlagert. Diese Reihendarstellung lautet: Hierin bedeutet A die Amplitude, co die Kreisfrequenz der Schwingung und t die Zeit.
• Abb. 5 a- zeigt die den ersten drei Reihenglie#dern entsprechenden, Schwingungen, während in Abb. 5 b und Abb. 5 c die Annäherung andie Rechteckkurve durch Überlagerung der ersten beiden und ersten drei Reihenglieder dargestellt ist. DieGeschwindig# keit der resultierenden Schwingung in den Nulldurchgängen wächst, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, proportional mit der Anzahl der überlagerten, Reihenglieder.
• Bei der Dreieckkurve nach Abb. 6 treten an den Spit7en. große, Beschleunigungen auf. Ihre Fourierreihe lautet: Besondere Wirkungen, insbesondere auf Dispersionen von nicht kugelförmigen Teilchen. und auf Lösungen unsymmetrisch aufgebauter länglicher Moleküle, kann man mit einer Schwingungsform erreichen, die einen stark unsymmetrischen Verlauf der Geschwindigkeit bzw. Beschleunigungen aufweist. Abb. 7a und 7b zeigen zwei Sägezahnkurven mit entgegengesetzter Richtung der langsamen und schnellen Schwingungsteile. Die zugehörigen Fourierreihen laut-en: A.bb. & zeigt ein Gehänge aus Parabelbögen.. Die Reihe dafür lautet: oder bei Umkehrung der Richtung großer Beschleunigung Bei den Schwingungsformen nach Abb. 5 bis 7 ist die Geschwindigkeitsamplitude für alle Schwingungen gleich; für alle Frequenzen ist daher die gleiche Leistung aufzubringen. Mit n-Schwingungen wird die Geschwindigkeit an den Sprungstellen auf das n-fache gesteigert. Hierbei ist das n-fache der Leistung der Grundschwingung aufzubringen. Wollte man die- gleiche Geschwindigkeitszunahme durch Steigerung der Amplitude einer einzelnen Schwingung erreichen, so wäre die n2-fache Leistung aufzubringen.
• Bei den Schwingungsformen der Abb. 8 bleibt der gesamte Leistungsbedarf unter dem n2 -fachen 6 .der Grundschwingung.
• Die Beschleunigung in der Spitze steigt bei n-Schwingungen, auf das m-fache. Wollte man dasselbe mit einer einzelnen Schwingung erreichen, so müßte man die n2-f ache Leistung aufwenden.
• Um eine =symmetrische Schwingungsform zu erhalten, muß man mindestens zwei Schwingungen zusammenwirken Iassen. In der Praxis wird man mit einer geringen Anzahl von Schwingungen, aus# zukommen versuchen und normalerweise nicht Über drei bis fünf Schwingungen hinausgehen.
• Es ist nicht unbedingt erforderlich, für jede Schwingungsfrequenz einen besonderen Schwinger vorzusehen, vielmehr können auch Schwingungseinrichtungen vorgesehen sein, die gleichzeitig in mehreren, Eigenschmringungen, erregbar sind. Abb. 9 bis i i zeigen hierfür drei Ausführungsbeispiele. Abb. 9 zeigt einen in zwei verschiedenen Eigenfrequenzen magnetostriktiv erregbaren Stabschwinger 15, der durch eine Wicklung 16 mit Joch 17 in der Grundschwingung und durch zwei Wicklungen 18, 18 mit Jochen ig, ig in der ersten Oberwelle zum Schwingen angeregt wird. Die Resonanzen f.ür den glatten Stabschwinger stehen nicht in genau ganzzahligem Verhältnis zueinander, sondern. die Eigenfrequenz der Grundschwingung ist relativ zu hoch, und die Eigenfrequenzen der Oberschwingungen, sind zu niedrig. Um ein genau ganzzahliges Verhältnis zu erzielen, gibt man dem Stab, einen über seine Länge veränderlichen Querschnitt. Für den Fall. der Abb. 9 läßt sich beispielsweise das ganzzahlige, Verhältnis durch Aussparungen:2o geeigneter Größe in der Stabmitte herstellen, da hierdurch die Eigenfrequenz der Grund#schwingung erniedrigt, die Eigenfrequenz der ersten Oberschwingung dagegen erhöht wird.
• Man kann auch, wie in Abb. io veranschaulicht, eine Membran in mehreren Eigenfrequenzen zum Schwingen anregen, indem z. B. auf die Wicklung 2#i des elektromagnetischen Erregersystems für die Membran.22 entsprechende Frequenzen[ gegeben werden. Die Resonanzfrequenzen einer Membran stehen in, keineni ganzzahligen Verhältnis; auch hier läßt sich jedoch, wenn erwünscht, durch geeignete Querschnittsgestaltung eine gewisse Korrektion der Abweichung von dem ganzzahligen Verhältnis erzielen.
• Der Schwingungsantrieb kann auch auf mechanischem Wege erfolgen.. Abb. ii zeigt ein Beispiel für die mechanische Erregung eines Schwingungsgebildes in zwei Eigenfrequenzen. Der Antrieb er# folgt durch zwei den Eigenfrequenzen entsprechend verschieden schnell umlaufende Kurbeltriebe:2,3, 24. Diese wirken Über Kupplungsfedern 25 auf einen mit Geradführung:26, 27 versehenen z. B. trogartigen Schwingungskörper 2-8 ein, der zusammen mit einer Masse 51, mit der er Über Federn 52, 53 verbunden ist, einen hochabgestimmten Tonpilz bildet. Die Masse dieses Tonpilzes bildet zusa"mmen mit der Masse 54, mit der sie durch Federn 55 verbunden ist, einen tiefabgestimmten Tonpilz. Die ganze Schwingungseinrichtung ruht auf weichen Federn 56.
• Gegebenenfalls kann auch auf die Resonanz verzichtet werden. Abb. 12 zeigt einen mechanischen Antrieh für eine erzwungene Schwingung. Hierbei werden die, vertikalen Kurbelbewegungen, von z. B. zwei mit verschiedener Geschwindigkeit umlaufenden Kurbeln 29, 30 über ein Gestänge 3 1, 3:2, 33 auf einen Schwinggungskörper 34 Übertragen.
• Bei elektrischer Sch-,vingungserzeugung für Schwingungsformen nach Abb. 5 bis 8 werden die Betriebsspannungen vorteilhaft, wie, aus Abb. 13 ersichtlich, für die Schwinger 35 einem Schwingungserzeuger 36 (Multiviihrator oder Frequenzvervielfacher) mit einer von der Sinusform abweichenden Kurvenforrn 37 entnommen. Durch Siebe 38, 3,9, 40 werden sodann in ganzzahligem Verhältnis zueinander steh-ende Frequenzen, Z. B. 20, 40 und 6oilzHz, ausgesiebt, in Vorrichtungen 44 42, 43 auf die richtige Phase (Drehknöpfe P) sowie Amplitude (Drehknöpfe A) eingestellt und so-dann auf Leistungsverstärker 44,. 45, 46 gegeben, an deren Ausgang die Schwinger 3,5 angeschlossen sind.
• Zur Einstellung der richtigen Phase können, auch, wie in Abh. 14 gezeigt, die Strahlflächen 47 ,der Schwinger entsprechend gestaffelt werden. Die richtige Einstellung läßt sich durch einen. aperi,o,dischen Prüfempfänger 48, der die resultierende akustische Schwingung im Behandlungsraum 49 anzeigt, feststellen. Der den Behandlungsraum 49 umschließende Behälter ist zweckmäßig zur Vermeid--ung von störenden Reflexionen mit .einer schallschluckenden Auskleidung 5o -versehen.
• Die Erfindung ist nicht auf die -dargestellten Beispiele beschränkt, vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und andere Ausführungen- möglich. Bei der Erzeugung der Steluerspannungen für den elektrischen Schwin,','Ungsantrieb kann man von elektrischen Schwingungsformen ausgehen, die der beabsichtigter. akustischen Schwingung gleichen. Man- erhält dann die erforderlichen Steuerspannungen gleich in, der richtigen Phase und braucht nur die Amplitude einzuregeln. Bei Benutzung von Phasendrehern kann man natürlich auch von einer beliebigen obertonhaltigen Wellen, form ausgehen; wie in Abb. 13 veranschaulicht. Die Schwinger für die verschiedenen Frequenzen lassen sich gegebenenfalls statt nebeneinariderauchhintereinander schalten, wobei deren Wicklung durch einen gemeinsamen Strom durchflossen wird, der ,die zur Anregung der Schwingungen erforderlichen Komponenten enthält. % In einer stehenden Welle, wie sie beispielsweise bei der Vorrichtungnach Abb. 4 zustande kommt wechselt die Schwingungsform längs der stehenden Welle. Eine vorgegebene Schwingungsform läßt sich daher durch Wahl geeignet-er Amplituden und Phasen,der anregenden Schwingungen stets nur an bestimmten Stellen des beschallten Raumes verwirklichen.
• Stehen die Schwingungen nicht in ganzzahligem Verhältnis und ist der Schallraum reflexion#sfrei, so tritt eine periodische Verlagerung des Ortes, an .dem eine bestimmte Schwinguilgsform verwirklicht ist, ein.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHF: i. Verfahren zur Behandlung von Stoff-en .durch Schallwellen oder sonstige mechanische Schwingungen, bei dem gleichzeitig mehrere Schwingungsfrequenzen zur Einwirkung gebracht werden, insbesondere zur Erzeugung und Behandlung von Dispersionen -und plastischen Massen sowie zur Be#einflussttllc" chemischer Vorgänge, dadurch gekennzeichnet, -daß mehrere, vorzugsweise in ganzzahligem Verhältnis zueinander stehende SchW.ingungsfrequenzen mit einem solchen Amplitudenverhältnis -und einer solchen Phaseneinstellung zur Zusamtnenwirkung gebracht werden, daß .die entstehende- resultierende Schwingung stellenweise besonders große Werte des ersten bzw. zweiten Differentialquotienten bzw. für beideSchwingungsrichtungen J verschieden t' große Werte dieser Differentialquotienten, aufweist.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung großer Werte des erst-en Differentialquotienten der Schwingungskurvei bzw. großer Teilchengeschwindigkeiten bei Schallwellen die Amplitude#n. der Schwingungenumgekehrt proportional der Frequenz, zur Erzeugung großer Werte des zweiten Differentialquotienten der Schwingungskurve bzw. großer Teilchenbeschleunigungen bei Schallwellendie Amplituden der Schwingungen umgekehrt proportional dem Quadrat der Frequenz sind. 3. Verfahren nach den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen von solcher Frequenz, Phase und Amplitude zusammenwirken, wie sie durch die Fouriersche Reihenentwicklung für Rechteckform gegeben sind, -,vob,e#i diese Reihe nach zwei oder mehr Gliedern abgebrochen wird. 4. Verfahren nach den Ansprüchen. i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen zusammenwirken, wie sie durch die Reihenentwicklung für Dreieckform gegeben sin.d. 5. Verfahren nach -den Ansprüchen i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen so gestaltet werden, daß die hohen, Werte des ersten bzw. zweiten Differentialquotienten der resultierenden Schwingung nur nach einer Schwingungsrichtung auftreten. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen von solcher Frequenz, Phase und Amplitude zusammenwirken, wie sie durch die Fouriersche P-eihen.-entwicklung für Sägezahnform gegeben sind, wobei diese, Reihe nach zwei oder mehr Gliedern abgebrochen, wird. 7. Verfahren nach Anepruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schwingungen zusammenwirken, wie sie durch die Reihenentwicklung für Gehänge aus Parabelhogen gegeben sind. 8. Vorrichtung zur AusÜbung des Verfahrens nach Anspruch i oder folgenden, bei der mehrere, vorzugsweise in Resonanz betriebene Schwingungsanordnunngen zur Erzeugung*verschiedener Schwingungsfrequenzen gemeinsam auf das zu behandelnde Gut einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungserzeuger fürdie verschie-deneni Frequenzen, so eingestellt sind und betriebenwerden, daß die überlagertein Schwingungen die zur Erlangung der vorgegebenen resultierend,-nSchwingungsfOTM erforderlichen Phasen- undAmplitudenbeziehungen aufweisen. g. Vorrichtung nach den Ansprüchen i bis 8, gekennzeichnet durch gleichzeitig in mehreren. Eigenschwingungen erregbare Schwingungseinrichtungen. io. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen: Stabform besitzender Schwinger Über seine Länge einen veränderlichen Querschnitt aufweist, derart, daß mehrere im voraus bestimmte Eigenfrequenzen des Stabes in genau ganzzahligem Verhältnis zueinander stehen. ii. Vorrichtung nach Anspruch 8 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannungen für die mit ganzzahligem Verhältnis derFrequenzen elektrisch betriebenenSchwinger einem Schwingungserzeuger, z. B. Multivibratchr (Frequenzvervielfacher), mit einer von derSinnsform a;bweichenden verzerrtenKurvenform entnommen werden. 12. Vorrichtung nach Anspruch 8, da-durch gekennzeichnet, daß,die Betriebsspannungen f#ür .die elektrisch betriebenen Schwinger mehreren Wicklungen einer elektrischen Maschine oder mehreren Maschinen mitgemeinsamem Antrieb entnommen werden. 13. Vorrichtung nach Anspruch8 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, gekennzeichnet durch mechanische Schwingungsgetriebe, die mit einer gemeinsamen Welle oder synchron laufenden Mcktoren arbeiten, derart, daß ihre Schwingungen in ganzzahligeni Verhältnis zueinander stehen. 14. Vorrichtung -nach Anspruch 8 und den Ansprüchen i i bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Veräniderung von Phase und Amplitude der einzelnen, Schwingungen vorgesehen, sind. 15. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch , ennzeichnet, daß gek bei Verwendung von Strahlern als Schwingungserzeuger die gewünschte Phasenwrschiebung der überlagerten Schwingungen durch Staffelung der Strahlflächen der Schw#inger eingestellt wird. An-gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 445 775; französische Patentschrift Nr. 826 336.