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Vorrichtung zum gerichteten Senden und Empfangen von Schallwellen
Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen zum gerichteten Senden und Empfangen
von Schallwellen, bei denen ein lamellierter magnetostriktiver Schwinger im Grund
eines Trichters angeordnet ist. Dabei wird der Trichtergrund durch die Strahlfläche
des lamellierten Magnetostriktionsschwingers gebildet. Bei den bisher bekannten
Anordnungen dieser Art ist der Magnetostriktionsschwinger als Stabschwinger mit
ebener Strahlfläche ausgebildet. Erfindungsgemäß läßt sich eine insbesondere für
die Verwendung als Drehbasis vorteilhaftere Anordnung dadurch erzielen, daß die
den Grund des Trichters bildende Strahlfläche durch einen Teil der Manteloberfläche
eines Ringschwingers gebildet wird, dessen übrige Oberflächenteile abgeschirmt sind.
Der magnetostriktive Ringschwinger zeichnet sich durch besondere gute Schwingungseigenschaften
aus. Für die Verwendung als Drehbasis hat er den Vorteil, daß seine Achse als Drehachse
benutzt werden kann, und daß dabei eine fast vollkommene Auswuchtung erzielt wird.
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Zur Erlangung einer besonders leichten Bauart ist zwar schon vorgeschlagen
worden, einen nicht lamellierten magnetostriktiven Rohrschwinger zu Ringschwingungen
zu erregen und diesen Schwinger mit einem Trichter zu verbinden. Lamellierte magnetostriktive
Ringschwinger dagegen sind bisher noch nicht in Verbindung mit einem Schalltrichter
verwendet worden.
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Weiterhin hat man schon vorgeschlagen, einen magnetostriktiven lamellierten
Ringschwinger im wesentlichen wie einen ebenen Schwinger zu verwenden, indem der
größte Teil seiner Manteloberfläche
abgeschirmt und nur ein kleiner
Oberflächenteil in gleicher Weise wie die ebene Strahlfläche eines magnetostriktiven
Stabschwingers zur Strahlung benutzt wird. Dabei wurde jedoch nicht von einem Schalltrichter
Gebrauch gemacht. Ohne Trichter läßt sich aber mit einer derartigen Anordnung infolge
der Abhängigkeit zwischen Durchmesser und Frequenz bzw: Wellenlänge nur eine verhältnismäßig
geringe Richtschärfe erzielen, und zwar nimmt die Richtschärfe zunächst mit zunehmendem
Winkelbereich der ausgenutzten Schwingerflä.che zu, erreicht bei etwa go bis i--2o'
ein Maximum und nimmt bei weiterer Vergrößerung der zur Strahlung ausgenutzten Mantelfläche
wieder ab. Bei dieser Anordnung sieht man deshalb zur Erlangung einer optimalen
Richtschärfe eine Blende vor, die etwa 3(4 des Ringschwingers abdeckt. Gemäß einer
zweckmäßigen Ausführung der Erfindung läßt sich eine wesentlich größere Richtschärfe
und bessere Ausnutzung des Ringschwingers sowie bei einer zweckmäßigen Gestaltung
des Trichters gleichzeitig eine wesentliche Verkleinerung der Nebenmaxima dadurch
erzielen, daß der ausgenutzte Strahlflächenteil größer als ein Viertel und vorzugsweise
etwa gleich dem halben Umfang des Ringschwingers gewählt wird. Durch den Trichter
läßt es sich erreichen, daß auch die Flächenteile des Ringschwingers, die gegenüber
der Vorausrichtung um einen Winkel größer als q.5° versetzt sind, noch mit zur Strahlung
in der Vorausrichtung und zur Erhöhung der Richtschärfe herangezogen werden. Dabei
wird die Trichterwandung vorteilhaft derart konvex gekrümmt, daß die für ,die Hauptstrahlrichtung
an den verschiedenen Stellen der Strahlfläche infolge der Krümmung sich ergebenden
Phasendifferenzen durch die Form des Trichters kompensiert werden, was durch eine
konvexe, ungefähr exponentielle Krümmung zu erreichen ist.
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Die Erfindung ist in den Abbildungen beispielsweise veranschaulicht.
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Abb. i zeigt eine Ringschwingeranordnung mit einseitiger Abschirmung
durch eine 27o°-Blende, Abb.2 die zugehörige Richtcharakteristik, Abb. 3 einen Ringschwinger
mit als Trichter ausgebildeter Blende mit ebenen Trichterwänden, Abb. q. die zugehörige
Richtcharakteristik, Abb. 5 eine Ringschwingeranordnung mit Trichter nach der Erfindung,
Abb. 6 die zugehörige Richtcharakteristik, Abb: 7 und 8 ein Anwendungsbeispiel für
die in Abb.5 dargestellte Ringschwingeranordnung zum gerichteten- räumlichen Senden
und Empfangen von Schallwellen.
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Der Ringschwinger ist aus ringförmigen Lamellen i aufgebaut, die mit
Löchern 2 zur Aufnahme einer °, Wicklung versehen sind. Für die Strahlung wird bei
der in Abb. i dargestellten, schon vorgeschlagenen Anordnung nur ein Winkelbereich
von go° der äußeren Mantelfläche ausgenutzt. Der übrige Teil der Mantelfläche ist
mit einer schallabschirmenden Abdeckung 3 versehen, auch die innere Mantelfläche
des Ringschwingers ist durch eine Schallabschirmung q. abgedeckt. Mit dem Winkelbereich
von go° erzielt man mit dieser Anordnung die größtmögliche Richtschärfe, wie sie
aus der Richtcharakteristik Abb. 2 zu erkennen ist.
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Versucht man nun, auch den abgedeckten Teil der Schwingermantelfläche
für die Strahlung mit heranzuziehen, so erhält man, wie Abb. q. zeigt, bei Anordnung
einer trichterförmigen Blende mit ebenen Trichterwänden 5, nach Abb. 3, ein zwar
wesentlich schärferes Hauptmaximum 6, jedoch treten neben dem Hauptmaximum stark
ausgeprägte Nebenmaxima 7 auf, die im allgemeinen nicht zugelassen werden können.
Die Nebenmaxima 7 lassen sich jedoch, wie aus Abb. 5 und 6 zu erkennen ist, fast
vollständig zum Verschwinden bringen, wenn man dem Trichter nach außen gewölbte
Flächen gibt. Die Wölbung ist dabei so zu wählen, daß die infolge der Krümmung für
die Hauptstrahlrichtung sich ergebenden Phasendifferenzen durch die Form des Trichters
kompensiert werden.
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Eine Ringschwingeranordnung nach Abb. 5 kann besonders vorteilhaft
Anwendung finden als Drehbasis, indem der Schwinger um seine Achse drehbar angeordnet
wird. Da der Schwinger rotationssymmetrisch ist, ergibt sich hierbei eine praktisch
vollkommene Auswuchtung und ein einfacher, leicht zu betätigender Antrieb. Abb.
7 und 8 zeigen die Anwendung der Ringschwingeranordnung für das gerichtete räumliche
Senden öder Empfangen von Schallwellen. Dabei ist die Ringschwingeranordnung in
einem Hüllkörper g drehbar gelagert. Auf der Schwingerachse io ist an einem Stirnende
ein Kegelradsegment ii befestigt, das über Kegelräder 12, 13, 1q. von einer Zahnstange
16 über ein Ritzel 15 angetrieben wird. Der Hüllkörper g ist zusammen mit der Ringschwingeranordnung
um eine Welle 17 drehbar. Die Zahnstange 16 zum Schwenken des Ringschwingers ist
durch die hohle Welle 17 des Hüllkörpers g hindurchgeführt. Durch Drehen der Welle
17 und Verschieben der Stange 16 läßt sich der Ringschwinger mit der Trichterblende
ig in jede beliebige Richtung innerhalb des Halbraumes einstellen.
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An den Stirnenden des Ringschwingers sind zusätzlich Schallricht-
bzw. Trichterflächen 18 vorgesehen. Dabei ist die Länge des Ringschwingers so gewählt,
daß sich im Zusammenwirken mit dem Trichter für die beiden zueinander senkrechten
Mittelebenen des Trichters etwa die gleichen Richtcharakteristiken ergeben. Zur
Anpassung an die gewölbte stromlinienförmige Gestalt des Hüllkörpers g sind die
in Abb. 5 mit 8 bezeichneten Flächen der Trichterblende abgerundet, so daß sie von
der Mitte nach den Enden des Ringschwingers zu schmaler werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungen möglich,
insbesondere könnte bei der Anwendung als Drehbasis der Ringschwinger auch feststehen
und die Trichterblende um den Ringschwinger drehbar angeordnet sein. Die Größe des
ausgenutzten Strahlflächenteiles kann auch von 18o° mehr oder weniger abweichen.
Vorteilhaft macht man den ausgenützten Flächenteil jedoch gleich oder etwas größer
als 18o". Dabei kann der Trichter zusammen mit der rückseitigen Abschirmung als
einheitlicher Bauteil ausgebildet und
der Ringschwinger von vorn
in die so gestaltete Trichterblende eingebracht werden.
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Die Schwingungsgebilde können ferner so ausgebildet werden, daß ihre
Richtcharakteristik mehr oder weniger von der rotationssymmetrischen Form abweicht,
z. B. elliptisch gestaltet ist.