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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung sei an einigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
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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.
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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.
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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.
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Zur Erzeugung hoher Schwingungsfrequenzen sind vorteilhaft elektrisch
erregte Schallerzeuger zu verwenden, wie beispielsweise in Abb. i bis 4 veranscha,ullicht.
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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.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann jeder Schallerzeuger, der Scha,11wellen
von, der gewünschten Frequenz und Amplitude zu erzeugen in der Lage ist, verwendet
werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bei den Schwingungsformen der Abb. 8 bleibt der gesamte Leistungsbedarf
unter dem n2 -fachen 6
.der Grundschwingung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.