-
Instrument zur Messung einer Schallstrahlungskraft
Die Erfindung betrifft
eine Anordnung zur sung der Kraft einer Schallstrahlung, insbesondere einer Ultraschallstrahlung.
Sie ermöglicht die Herstellung eines handlichen und transportablen, allseitig geschlossenen
Meßinstrumentes, dessen Skala z. B. in Schalleistung (Watt) geeicht sein kann.
-
Dem Instrument nach der Erfindung liegt das Prinzip zugrunde, in
einem vollständig mit einer Ühertragungsflüssigkeit gefüllten, allseitig geschlossenen
Behälter mit einem schalldurchlässigen Wandungsteil einen unter dem Einfluß des
Strahlungsdrucltes bewegbaren Körper anzuordnen und dessen Bewegung zur Meßanzeige
zu benutzen.
-
Nach diesem Prinzip arbeitende Schallradiometer sind bekannt. Der
unter dem Einfluß des Strahlungsdruckes bewegbare Körper besteht hierbei in der
Regel aus einem um eine quer zur Schallstrah lung verlanfende Ach,se drehbaren RadNiometerflügel,
der sich unter dem Einfluß des Strahlungsdruckes bis zu go0 dreht. Diese Drehung
wird entweder mechanisch auf einen Zeiger übertragen oder durch Ablenkung eines
Lichtstrahls sichthar gemacht. Nachteilig ist, daß mit größer werdender Schallstrahlungskraft
wegen der kleiner werdenden Fläche, auf die die Schallstrahlung auftrifft, und des
sich ändernden Strahleneinfallswinkels der Strahlungsdruck nicht proportional mit
der Kraft zunimmt. Da die Drehung des Flügels nicht allein vom Strahlungsdruck,
sondern auch von der Lage seines Angriffspunktes in bezug auf die Drehachsc des
Flügels abhängt, können inhomogene Strahler, wie sie auf dem Ultraschallgebiet in
der Regel vor-
liegen, nicht miteinander verglichen werden. Störend
ist ferner, daß mit dem Schallradiometer nur horizontal gerichtete Schallstrahlungskräfte
gemessen werden können.
-
Es sind weiterhin Schalldruckmeßanordnungen bekanntgeworden, die
nach dem Waagenprinzip arheiten und die auch vertikal gerichtete Schallstrahlungskräfte
zu messen erlauben. Die unter dem Einfluß des Schallstrahlungsdruckes bewegbaren,
vertikal aufgehängten Aleßkörper können aber infolge ihrer ungenügend starren Aufhängung
an einem einfachen Waagebalken noch eine seitliche Ausweichbewegung im Winkel zur
Schallstrahlungsrichtung vollführen, daher ändert sich auch bei diesen Anordnungen
der Strahleneinfallswinkel, und die Größe der Ausweichbewegung ist nicht proportional
dem Strahlungsdruck. Man versuchte, diesem Übelstand abzuhelfen, indem man den unter
dem Einfluß des Strahlungsdruckes aus weich enden Körper durch Auflegen von Gewichten
wieder in seine Ruhelage zurfickführte, in der er auf Grund der vorausgegangenen
Justierung die vorteilhafteste Winkellage zum Schallfeld einnimmt. Das genaue Austarieren
einer solchen Druckwaage während jeder Messung ist aber sehr umständlich und zeitraubend.
-
Durch die Erfindung werden die angegebenen Nachteile sund Schwierigkeiten
auf vorteilhafte Weise behoben.
-
Bei dem Meßinstrument nach der Erfindung ist der unter dem Einfluß
des Strahlungsdruckes ausweichende Körper mit einer Seite eines rhombus-oder rhomboidarttg
aufgebauten Systems fest verbunden, das mit seiner gegenüberliegenden Seite am Gehäuse
befestigt ist und dessen Seiten derart gelenkig miteinander verbunden sind, daß
es in bezug auf die Größe seiner Winkel entgegen einer Rückstellkraft veränderbar
ist. Hierdurch ist erreicht, daß der Reflexions- und/oder Absorptionskörper unter
dem Einfluß des Strahlungsdruckes stets parallel zu sich selbst ausweicht, so daß
der Strahlungsdruck proportional mit der Strahlungskraft wächst und die Größe der
Ausweichbewegung von der Lage des Angriffspunktes des Strahlungsdruckes unabhängig
ist.
-
Gemäß weiterer Erfindung kann die gelenkige Verbindung der Seiten
des Tragsystems für den Ausweichkörper durch Torsionsbändchen hergestellt werden.
Jede Lagerreibung ist in diesem Falle vermieden. Die Einspannung der Torsionsbändchen
erfolgt vorteilhaft derart, daß die Winkel des Meßsystems in der Ruhestellung nur
wenig von 900 abweichen. In dieser Ausgangsstellung des WIeßsystems hat das Instrument
seinen größtmögchen Arbeitswinkel.
-
Bei einem besonders einfachen Aufbau des erfindmigsgemäßen Systems
sind vier zueinander parallele Torsionsbändchen vorgesehen, von denen zwei mit ihren
Endpunkten am Ausweichkörper, die anderen zwei an der Gehäusewand befestigt sind
und je eines der am Ausweichkörper augetrachten Bändchen mit je einem an der Wandung
1 efestigten. durch einen starren, vorzugsweise bandartigen Teil verbunden ist,
der zweckmäßig in der Mitte zwischen den Einspannungen der Bändchen an diese angreift
und vorteilhaft einen Zeiger trägt. Gegenüber einem ebenfalls möglichen Aufbau,
bei dem die Torsionsbändchen in galielförmige Enden der bandartigen Verbindungsteilc
eiligespannt sind und zwischen ihren Einspannungen mit dem Ausweichkörper bzw. der
Gehäuselvalldullg verbunden sind, hat dieser Aufbau den Vorteil, daß wegen der kleineren
Verbindullgsteile und der Älöglichkeit der Anbringung etwa erforderlicher veränderbarer
Abspaniivorrichtuiigen am feststehenden Systemteil das Gewicht des veränderbaren
Systems gering gehalten werden kann.
-
Das Gewicht des Meßsystems verursacht eine von der Lage des Instrumentes
abhängige Verdrehung der Torsionsbändchen. Diese Verdrehung kann gemäß weiterer
Erfindung in allen Stellungen des Meßsystems durch ein Gegengewicht ausgeglichen
werden, das zweckmäßig aus mindestens zwei Teilgewichten besteht, die in zwei aufeinander
senkrecht stehenden Richtungen verstellbar sind.
-
Als Gegengewicht kann man auch mit dem rhombus-oder rhomboidartig
aufgebauten System ein zweites solches System derart zusammenbauen, daß beide Systeme
die an der Wandung liegende Seite gemeinsam haben und ihre zusammenstoßenden Seiten
einen Winkel von etwa 900 einschließen. Dieses zweite System verhindert ein Unstabilwerden
des Meßinstrumentes, wenn die Winkel des ersten Systems nahezu o bzw. 1800 betragen,
weil die Winkel des zweiten Systems dann nahezu go0 groß sind und dieses System
seine stabilste Stellung hat.
-
Der Arbeitswinkel des Doppelsystems kann also mehr als go0 betragen.
Anstatt das Gewicht des Meßsystems durch Gegengewichte auszugleichen. die die Bändchen
zusätzlich auf Biegung beanspruchen, rüstet man vorteilhafter das Meßsystem mit
Mitteln aus, die einen entsprechenden Auftrieb des Systems bedingen. Zu diesem Zweck
können der Ausweichkörper und vorzugsweise auch weitere starre Teile des Meßsystems
oder ein zusätzlicher, an diesem Meßsystem angeordneter Teil aus einem Stoff bestehen,
dessen spezifisches Gewicht gleich oder kleiner ist als dasjenige der Übertragungsflüssigkeit.
-
Es ist zvorteilhaft, das Meßinstrument mit Dämpfungsflügeln zu versehen,
die, falls eine starke Dämpfung erwünscht ist, in einem Dämpfungszylinder angeordnet
sein können und vorzugsweise an den starren Verbindungsteilen der Torsions-1,äIldchc-n
befestigt sind.
-
Aii einem der an der Wandung befestigten Torsionsl)ändchen kann eine
Vorrichtung angebracht seit. die eine Verdrehung dieser Bändchen zwecks Nui Ipunkteinstellung
ermöglicht.
-
Damit die von dem Ausweichkörper reflektierte und die ankommende
Schallstrahlung nicht stehende Wellen bilden, hat man bereits einen kegelsiumpfförmigen
Körper verwendet, d. h. einen Körper, dessen Fläche gegenüber der Schallstrahlungsrichtung
geneigt ist. Bildet man den unter dem Einfluß des Strahlungsdruckes bewegbaren Körper
nach
der vorliegenden Erfindung jedoch satteldachartig aus und ordnet ihn so an, daß
sein First sich in der Schwenkungsebene des Meßsystems erstreckt, so liegt die die
Ausweichbewegung auslösende Wirkkomponente des Strahlungsdruckes ausschließlich
in der Richtung der Schallstrahlung.
-
Das Meßsystem wird demzufolge quer zur Richtung der Schallstrahlung
nicht beansprucht.
-
Die von dem geneigten Reflektor reflektierte Strahlung wird zweckmäßig
in einem zusätzlichell Ahsorptionskörper absorbiert, der in Richtung dieser reflektierten
Strahlung aufgestellt ist. Derartige Absorptionskörper sind an sich bekannt. Als
besonders wirksam hat sich jedoch ein Absorptionskörper erwiesen, der aus Kunststoffasern
(Polyvinylchlorid- oder Polyamidfasern) besteht, die sich im wesentlichen in Richtung
der zu absorbierenden Strahlung erstrecken.
-
Die vollständige Füllung des Gehäuses mit der Übertragungsflüssigkeit
macht es erforderlich, einen Wandungsteil des Gehäuses als Ausdehnungsgefäß auszubilden.
Falls der schalldurchlässige Wandungsteil von einer Metnbran gebildet wird, kann
diese Membran gleichzeitig die Funktion eines Ausdehnungsgefäßes übernehmen. Man
kann aber auch gemäß weiterer Erfindung das ge samte Gehäuse aus einem Stoff herstellen,
der praktisch den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die Übertragungsflüssigkeit
hat. Bei der Verwendung von Wasser besteht das Gehäuse zweckmäßig aus Polyvinylchlorid.
-
An der Schalleintrittsstelle kann die Wandung des Gehäuses erfindungsgemäß
einen sich halsartig nach außen erstreckenden, offenen Behälter für eine Koppelflüssigkeit
bilden, der zur Aufnahme bzw.
-
Halterung des Schallstrahlers bei der Messung dient.
-
Die Verwendung von Iioppelflüssigheiten zwischen dem Schallstrahler
und dem Nleßgefäß in einem besonderen Behälter ist an sich bekannt.
-
Ebenso ist ein Schallkopf bekannt, der einen halsartigen Ansatz für
eine Koppelflüssigkeit besitzt.
-
Nicht bekannt ist die Ausrüstung eines AIeßgefäßes mit einem sich
halsartig nach außen erstrekkenden, offenen Behälter für eine Koppelflü ssigkei
t, dessen innere Wandung der äußeren Form des Schallstrahlers angepaßt ist und der
zur Aufnahme und Halterung des Schallstrahlers bei der hrcssung dient.
-
Weitere Älerkmale des Gegenstandes der Erfindung werden nachfolgeild
an Hand der Figurcn erläutert, die zwei Ausführungsbeispiele eines Meßinstrumentes
nach der Erfindung. veranschaulichen.
-
Die Fig. I zeigt in schaubildlicher Darstellung ein Meßinstrument
gemäß der Erfindung mit zum Teil aufgebrodenem Gehäuse. Auf der Grundplatte 1 aus
Messing sind die beiden U-förmigen Messingbügel 2 und 3 befestigt, die die beiden
parallel zueinander liegenden Torsionsbändchen 4 und 5 aus Zinnbronze tragen. In
der Mitte jedes dieser Bändchen sind die starren handartigen Halteteile 6 und 7
aus Kunststoff angebracht, die über die Torsionsbändchen 8 und g den satteldachartigen
Reflektor 10 aus Kunstharz tragen. Der Reflektor I0, die Halteteile 6 und 7 und
die Grundplatte I bilden ein parallelepipedisches, rahmenartiges System, dessen
Winkel in Ruhestellung nur wenig von 900 abweichen und dessen Seiten durch die Torsionsbändchen
4, 5, 8 und 9 derart gelenkig miteinander verbunden sind, daß ein unter dem Einfluß
der Schallstrahlung auf den Reflektor 10 einwirkender Schallstrahlungsdruck dieses
System hinsichtlich der Größe seiner Winkel entgegen der Rückstellkraft der Torsionsbändchen
verändert.
-
Diese Winkeländerung wird über den an dem Halteteil 7 befestigten
Zeiger 1 1 auf der in die Wandutig des haubenartigen Gehäuseteiles 13 eingesetzten
Skala I2 von außen sichtbar gemacht. Diese Skala ist beispielsweise in Watt gereicht.
Die Verdrehung der Bändchen gegenüber ihrer Ruhelage durch das Gewicht des Reflektors
10 und der Halteteile 6 und 7 ist durch die drei Gewichte I4, 15 und I6 aufgehoben,
die in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen verstellbar sind. Der Halteteil
7 ist mit dem Dämpfungsflügel I7 versehen, der innerhalb des Dämpfungszylinders
18 bewegbar ist. Unmittelbar vor der einen Einspannstelle des Bändchen 4 ist der
Hebel 19 mit diesem Bändchen verbunden. In das freie geschlitzte Ende des Hebels
19 greift ein an einer Stange befestigter Mitnehmer ein, der durch Drehen der Stellschraube
20 gehoben oder gesenkt werden kann, wodurch das Bändchen 4 zwecks Nullpunkteinstellung
geringfügig verdreht wird. Zu beiden Seiten des Reflektordaches 10 sind die Absorptionskörper
21 bzw. 22 angeordnet. Sie bestehen aus Polyvinylchlorid- oder Polyamidfasern, die
derart geordnet in einem Rahmen befestigt sind, daß sie sich im wesentlichen in
Richtung der zu absorbierenden Strahlung erstrecken. In diesen Absorbern wird die
vom Reflektor reflektierte Schallstrahlung in Wärme umgesetzt. Derhauhenartige,
mit der Grundplatte I flüssigkeitsdicht zusammengeschraubte Teil I3 des Gehäuses
besteht ebenfalls aus Polyvinylchlorid. Er ist oben mit einer kreisförmigen Öffnung
versehen, die durch die schalldurchlässige Schicht 23 abgeschlossen ist. Diese Schicht
kann sehr dünn sein oder aus einem Stoff bestehen, der den gleichen Wellenwiderstand
wie die Ubertragungsflüssigkeit hat, oder kann ein ganzzahliges Vielfaches der halben
Schallwellenlänge dick sein.
-
Im vorliegenden Fall ist sie 40At stark und besteht aus Polyamid.
Über dieser Schicht liegt der stelle förmige Rost 24, der als Auflage für den Schallstrahler
dient und den schalldurchlässigen Wandungsteil schützt. Die Außenwandung des haubell
artigen Gehäuseteiles I3 geht an der Schalleintritts stelle in den Ring 25 über,
der ein oben offenes Kopplungsgefäß bildet, das zur Aufnahme des Schallstrahlers
und einer Koppelflüssigkeit zur lDbertragung der Strahlung vom Schallstrahler auf
die schalldurchlässige Gehäusewandung dient. Die innere Wandung dieses Gefäßes ist
der äußeren Form des Schallstrahlers angepaßt, so daß sie die sen führt und seine
Lage fixiert. Die Einfüllöffnung itn Gehäuse hefindet sich unter der Stellt
schraube
20 und ist durch diese flüssigkeitsdicht verschlossen. Das Meßinstrument ist mit
entgastem destilliertem Wasser als Übertragungsflüssigkeit vollständig gefüllt.
Da Polyvinylchlorid, aus dem das Gehäuse besteht, den gleichen Ausdehnungskoeffizienten
wie das Wasser besitzt, ist ein zusätzliches Ausgleichsgefäß entbehrlich.
-
Die Fig.2 zeigt eine schaubildliche Darstellung eines äußerlich und
im Prinzip gleich aufgebauten Meßinstrumentes ohne Gehäuse. Bei dem auf der Grundplatte
26 befestigten Meßsystem ist an Stelle zusätzlicher Ausgleichsgewichte und des Dämpfungszylinders
ein zweites parallelepipedisches, rahmenartiges System mit dem ersten derartigen
System in bestimmter Weise zusammengesetzt. Dieses zweite System wird von den Torsionsbändchen
27, 2S, 29 und 30 sowie den aus leichtem Kunststoff bestehenden bandartigen Verbindungsteilen
31, 32, 33 und der Grundplatte 26 gebildet. Mit dem ersten System, bestehend aus
dem Reflektor 34. den Verbindungsteilen 35 und 36, den Torsions-Bändchen 27, 28,
37 und 38 und der Grundplatte 26, hat das zweite System die Bändchen 27, 28 und
die Grundplatte 26 gemeinsam. Die zusammenstoßenden Verbindungsteile 31 und 35 sowie
33 und 36 schließen Winkel von etwa go0 ein. Dadurch ist erreicht, daß in den unstabilen
Stellungen des ersten Systems (wenn seine Winkel nahezu o bzw I800 betragen) das
zweite System, dessen Winkel dann nahezu go0 groß sind, stabilisierend wirkt. Die
beiden Systeme sind durch die Größe ihrer starren Verbindungsteile so bemessen,
daß sie einander hinsichtlich ihres Gewichtes und ihres Auftriebes entsprechen,
die Bändchen also in keiner Weise belasten. Der Reflektor besteht aus schaumartigem
Kunststoff oder aus flüssigkeitsdicht gedoppelten Blechen. Eine gewisse Dämpfung
des Meßsystems wird durch die an den Verbindungsteilen 3I, 33, 35 und 36 befestigten
Dämpfungsflügel 39 bis 42 bewirkt. Von den zusätzlichen Absorptionskörpern, die
die von dem Reflektor 34 reflektierte Strahlung in Wärme umwandeln, ist der Übersichtlichkeit
wegen nur einer, 43, dargestellt.