DE977407C - Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. MAI 1966

C 2ip3p IXdI 74a

Es ist bereits eine Anordnung zur Abstrahlung von Ultraschallwellen vorgeschlagen worden, die aus einer dünnen Platte und Einrichtungen zur Erzeugung von mechanischen Biegewellen in dieser Platte besteht. Eine derartige Anordnung liefert zwar an sich ausgezeichnete Ergebnisse, doch ist es damit aus Gründen des Raumbedarfs nicht möglich, Schallschwingungen mit sehr niedrigen Frequenzen in der Größenordnung von 50 bis 500 Hz abzustrahlen. Es wurde festgestellt, daß die Geschwindigkeit der Biegewelle eine Funktion ist, die zugleich mit der Dicke der Platte und der Frequenz wächst. Da diese Geschwindigkeit, damit überhaupt eine Abstrahlung von Energie stattfindet, über der Schallgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium liegen muß, ist für eine gegebene Frequenz eine untere Grenze für die Dicke der Platte festgelegt. Das Ziel der Erfindung ist eine Anordnung gleicher Art, die von dieser Einschränkung befreit ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung enthält gleichfalls eine Platte, deren Dicke klein gegen die Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls in dem umgebenden Medium ist, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zwei sich in einer bestimmten Richtung erstreckende Kanten aufweist, daß zwei sich in der gleichen Richtung erstreckende Stangen jeweils mit einer der Kanten gekoppelt sind und daß Einrichtungen zur Erzeugung von gegenphasigen Torsionsschwingungen in den beiden Stangen vorgesehen sind.

Die in Torsionsschwingungen versetzten Stangen erzeugen in der Platte eine Biegeschwingung, die sich in der Richtung der beiden Stangen ausbreitet. In der so gebildeten Anordnung hängt

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die resultierende Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie von der Eigengeschwindigkeit der Torsionsschwingung in den Stangen, der Eigengeschwindigkeit der Biegeschwingung in der Platte und dem Kopplungskoeffizient zwischen der Platte und den Stangen, der von der Art der Verbindung zwischen der Platte und den Stangen abhängt, ab. Durch Einwirkung auf diese drei Parameter läßt sich eine Anordnung schaffen, in der sich eine fortschreitende Welle mit einer bestimmten resultierenden Geschwindigkeit ausbreitet, die wesentlich größer als die Geschwindigkeit der Welle bei der gleichen Frequenz in der Platte allein ist. Man kann daher bei gleicher Plattendicke noch mit wesentlich niedrigeren Frequenzen als bei den früher vorgeschlagenen Anordnungen eine Abstrahlung erzielen, selbst wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem umgebenden Medium groß ist, wie in Wasser; oder man kann bei gleicher Frequenz wesentlich dünnere Platten als in den älteren Anordnungen verwenden.

Die Erfindung ermöglicht es daher, die ausgezeichneten Strahlungseigenschaften von in Biegeschwingungen versetzten Platten auch bei sehr niedrigen Frequenzen auszunützen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt

Fig. ι eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Anordnung von Fig. ι und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels.
In Fig. ι sind zwei Stangen 1 und 2 dargestellt.

In diesen beiden Stangen ist eine dünne Platte 3 eingefügt, deren Dicke klein gegen die Wellenlänge der Schallwelle in dem umgebenden Medium ist. Die beiden Stangen und die dünne Platte bestehen aus Flußstahl. Schwingungserzeuger 4 und 5 versetzen die beiden Stangen in Torsionsschwingungen (Fig. 2), und zwar so, daß in jedem Querschnitt der Anordnung die Schwingungen die gleiche Amplitude und eine entgegengesetzte Phase haben. Unter diesen Bedingungen führt die Platte 3 selbst Biegeschwingungen aus. Die beiden Stangen geben somit einen Teil ihrer Energie an die Platte ab.

Die in Torsionsschwingungen versetzten Stangen strahlen praktisch keine Energie ab. Dagegen wird die gesamte Energie der Platte abgestrahlt. Wenn in jedem zu beiden Seiten eines beliebigen Querschnitts (Fig. 2) liegenden, unendlich kleinen Volumen die Schwingungsenergie der Platte den Wert W₂ und die Schwingungsenergie jeder Stange den Wert W₁ hat, bezeichnet man als Kopplungskoeffizient C den Ausdruck

W,

2W₁

Wenn V_% die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Torsionswelle in den Stangen und V₃ die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Biegewelle in der Platte für sich allein genommen sind, läßt sich zeigen, daß die resultierende Ausbreitungsgeschwindigkeit V₁ der Schwingung in der Anordnung von Fig. 1 eine Funktion der Ausbreitungsgeschwindigkeiten V₂ und V₃ sowie des Kopplungskoeffizienten C ist. Man kann also durch Beeinflussung dieser Größen die resultierende Geschwindigkeit V₁ verändern.

Es ist bekannt, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit V₂ der Torsionsschwingung in den Stangen ausschließlich von der Querschnittsform der Stangen, nicht dagegen von den Abmessungen oder dem Material der Stangen abhängt. Die Geschwindigkeit V₂ der Torsionswelle in einer Stange ist durch folgende Gleichung gegeben:

F₂ = Vc \ —

2(1+ σ)

darin sind Vq die Geschwindigkeit einer Druckwelle in der gleichen Stange, σ der Poissonsche Koeffizient des Materials, aus dem die Stange besteht, und ω ein Koeffizient, der von der Querschnittsform abhängt; für diesen Koeffizient gilt:

ω = ι für einen runden Querschnitt,

ω = 0,843 für einen quadratischen Querschnitt. _go

Für einen rechteckigen Querschnitt hängt der Wert von ω von dem Seitenverhältnis — ab. Beispielsweise gilt für:

-_- = 6 ; ω = o,O95

— = 2: ω = ο,55.

Durch die Bemessung der Querschnittsform kann also ω und damit nach vorstehender Gleichung auch V₂ in einem großen Bereich gewählt werden.

Dagegen ist die Geschwindigkeit V₃ der Biegewelle in der Platte im allgemeinen sehr klein. Diese Geschwindigkeit ist eine Funktion, die mit der Dicke der Platte ansteigt; die Dicke ist gering, da sie klein gegen die Wellenlänge in dem umgebenden Medium bei der Frequenz der Schwingung sein soll.

Durch geeignete Wahl von V₂ und C läßt sich somit für jede beliebige Dicke der Platte jede gewünschte Geschwindigkeit V₁ erhalten, insbesondere eine Geschwindigkeit in der Größenordnung der Ausbreitungsgeschwindigkeit F₄ des Schalls in dem umgebenden Medium. Wenn angenommen wird, daß dieses Medium Wasser ist, liegt V₁ in iao der Größenordnung von 1500 m/s.

Bekanntlich hängt die Strahlung einer in Biegeschwingungen versetzten Platte von dem Verhältnis der resultierenden Geschwindigkeit V₁ der Biegewelle in der Platte und der Geschwindigkeit V_t der Schallwelle in dem umgebenden Medium ab.

Für V_i^>V_i findet keine Abstrahlung statt.

Für V₁ > V₄ strahlt die Platte in einer Ebene, die einen Winkel Θ mit der Plattenebene bildet, wobei Θ durch folgende Gleichung gegeben ist:

cos© =

V₁

ίο Ferner erfolgt die Strahlung aus Symmetriegründen in der parallel zu den Stangen liegenden Symmetrieebene der Anordnung. Die Strahlungsrichtung liegt also entlang der Schnittlinie der zuvor definierten Ebene und der Symmetrieebene.

Für den Fall, daß C in der Größenordnung von einem Zehntel liegt, ist V₁ im wesentlichen gleich

Die in Torsionsschwingungen versetzten Stangen

strahlen nur sehr wenig. Zur Verhinderung jeder

ao Abstrahlung von den Stangen können sie mit einem akustischen Isoliermaterial, beispielsweise Klegecell, überzogen werden.

In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Stangen 1 und 2 rechteckig sind und »5 die Platte 3 auf eine Seite jeder der Stangen aufgeschweißt ist.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Abstrahlung von Schallwellen mit einer Platte, deren Dicke klein gegen die Wellenlänge des abzustrahlenden Schalls in dem umgebenden Medium ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Platte zwei sich in einer bestimmten Richtung erstreckende Kanten aufweist, daß zwei sich in der gleichen Richtung erstreckende Stangen jeweils mit einer der Kanten gekoppelt sind und daß Einrichtungen zur Erzeugung von gegenphasigen Torsionsschwingungen in den beiden Stangen vorgesehen sind.

2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stangen einen rechteckigen Querschnitt haben.

3. Anordnung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanten mit den beiden Stangen verschweißt sind.

4. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stangen einen runden Querschnitt haben.

5. Anordnung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kanten in die beiden Stangen eingefügt sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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