EP0500765A1 - Resonanzschwinger. - Google Patents

Resonanzschwinger.

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EP0500765A1
EP0500765A1 EP91900029A EP91900029A EP0500765A1 EP 0500765 A1 EP0500765 A1 EP 0500765A1 EP 91900029 A EP91900029 A EP 91900029A EP 91900029 A EP91900029 A EP 91900029A EP 0500765 A1 EP0500765 A1 EP 0500765A1
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EP
European Patent Office
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resonance
oscillator
container
piston
column
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EP91900029A
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English (en)
French (fr)
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EP0500765B1 (de
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Joergen Brosow
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Original Assignee
Individual
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Publication of EP0500765A1 publication Critical patent/EP0500765A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0500765B1 publication Critical patent/EP0500765B1/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0677—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a high impedance backing
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators

Definitions

  • the invention relates to a resonance oscillator with an active, e.g. disc-shaped transducer part.
  • the value of the inactive material can be taken as the speed of sound v.
  • the value v should only be corrected if the slice thickness or the length of the solid body are comparable. An average of v is then used.
  • the coupling oscillator thus formed that it only emits greater ultrasonic energy in the resonance range in accordance with its length dimension. Excitation can also take place in corresponding harmonic stages, but with reduced radiated energy.
  • a disadvantage of this coupling oscillator is the fact that an inactive solid of certain length dimensions must be provided for each desired resonance frequency that deviates from that of the natural frequency of the active transducer element.
  • the object of the invention is to create a resonance oscillator of the type mentioned at the outset, in which the resonance frequency can be changed continuously.
  • the resonance oscillator according to the invention in which this object is achieved, is essentially characterized in that the active oscillator part is in contact with a passive oscillator part of comparatively greater length, forming a coupling oscillator, which mainly determines the resonance frequency and consists of a liquid - Or solid column, the length of which can be changed continuously in the direction of the sound vector in order to change the resonance frequency.
  • the invention is thus based on the knowledge that a continuous change can be made in a simple manner simply by continuously changing the length of the coupling material
  • a prerequisite for a particularly high effectiveness of the inactive oscillator part is the use of a liquid with the greatest possible density J, with high sound velocity v and with the greatest possible sound wave resistance. v.
  • the following properties are therefore important: A sound wave resistance _ • v » ⁇ which differs from that of the medium surrounding the resonance oscillator, a sound speed v that is as large as possible v, so that a sufficiently large scope for changing the length is available, and a sound absorption coefficient that is as low as possible, to keep the losses in the coupling medium low.
  • the active oscillator part is arranged on the bottom of a resonance container, which is limited by a corrosion-resistant cover plate of high strength and which is as thin as possible and which contains the liquid forming the liquid column, that an axially displaceable piston is assigned to the resonance container. which determines with its position the length of the liquid column of the resonance container and thus the resonance frequency, and that the resonance container with a compensating container for receiving or delivering the liquid displaced from or sucked into the resonance container when the piston is displaced Connection is established.
  • the coupling liquid forming the passive oscillating part is always under pressure, namely under the pressure that is outside the counter membrane prevails.
  • the required non-positive connection between the active oscillator part, namely the transducer element (PZT) and the liquid forming the passive oscillator part is guaranteed.
  • the threshold value of using cavitation is increased.
  • a structurally particularly favorable design results if the resonance container and / or the compensating container are cylindrical.
  • a particularly simple, trouble-free design is achieved in that the piston is axially displaceable in a cylinder by separating the resonance tank located on its front from the expansion tank located on its rear, that the connection of the resonance tank with the expansion tank in the area of the piston is provided and that the active vibrating part rests against the corrosion-resistant cover plate delimiting the resonance container at its end remote from the piston.
  • Fig. 1 is a schematic view of a resonance oscillator designed as a coupling oscillator from a relatively thin active oscillator part and one through
  • Solid-state column formed passive oscillator part of comparatively greater length
  • Fig. 3 shows a section through a modified embodiment of the resonance oscillator according to the invention.
  • FIG. 4 shows a section through a detail of the resonance oscillator according to FIG. 3.
  • the resonance oscillator 1 shown in FIG. 1 in the form of a coupling oscillator comprises an active disc-shaped oscillation part 2, namely a PZT transducer element and a passive oscillation part 3 designed in the form of a solid body.
  • This coupling oscillator has a resonance frequency, which largely depends on the speed of sound v of the material of the passive oscillating part 3. Only if the thickness of the disk-shaped vibrating part 2 is very small in relation to the length of the passive vibrating part 3 can the resonance frequency be derived practically exclusively from the length of the passive vibrating part 3 with sufficient accuracy.
  • the length of the solid body which forms the passive oscillator part 3 corresponds to half the wavelength, i.e. ⁇ A / 2.
  • the resonance container 6 shows a resonance oscillator designed according to the invention in the form of a coupling oscillator 4, in which the active oscillation part 2 is embedded in a piston 5 made of insulating material with good HF properties.
  • This piston 5, which can be made of Teflon, for example, is slidably mounted within an elongated container, preferably in the form of a cylinder, the bottom of which it forms. He defines the resonance container 6.
  • the resonance container 6 On the side opposite the active oscillator part 2, the resonance container 6 has a corrosion-resistant cover plate 7 high strength and small thickness, which should be less than 1/100 of the largest sound wavelength. Titanium is preferably used as the material for this cover plate 7.
  • the resonance tank 6 is connected via a lateral tank opening 8 to a likewise preferably cylindrical expansion tank 9.
  • This container opening 8 is located in the region of one end of the resonance container 6 remote from the active oscillating part 2.
  • the latter is provided with a counter-pressure membrane 10 which is provided at the end of the counter-pressure container 9 remote from the lateral container opening 8.
  • the resonance container 6 there is liquid which forms a liquid column 11 which extends between the active oscillating part 2 and the cover plate 7. The length of this liquid column 11 can be changed by axially displacing the piston 5 forming the base.
  • Liquid is understood to mean all flowable substances in the broadest sense, regardless of whether they are of inorganic or organic origin or even of a metallic nature, e.g. Mercury. It is only essential that the liquid has a sound wave resistance. v has, which differs from that of the medium outside the resonance container 6. In addition, it must ensure that the sound velocity v is as large as possible, so that there is sufficient scope for changing the length. Finally, the sound absorption coefficient should be low.
  • the frequency is limited by the length of the passive oscillator part.
  • vibrating parts with lengths corresponding to a multiple of / 2 are also conceivable.
  • the resonance body according to the invention is not only as
  • Ultrasonic transmitters of selected frequencies can be used successfully. Rather, it can also be used successfully as an ultrasound scanner in the resonance range, i.e. with a narrow bandwidth, for example for locating environmental pollution in seawater and in rivers as well as schools of fish, taking advantage of the fact that the latter emit characteristic frequencies for them and for navigation purposes.
  • variable-length solid column 3 has been explained above on the basis of a resonance body with a variable-length liquid column 11, as illustrated in FIG. 2. Instead, it is also possible to implement a variable-length solid column 3 and to use it successfully.
  • two-part column training is required.
  • the type of separation of the column into the two parts 3 ', 3 is indicated schematically in FIG. 1 by the dashed line 12.
  • Each of the two parts has a plane-ground contact surface in accordance with the course of the dashed line 12.
  • the plane of the Contact surfaces of both column parts 3 ', 3 "enclose an equally large acute angle with the column axis of the solid column 3.
  • the length of the solid column i.e.
  • the distance of the one column surface extending transversely to the column axis, which is in contact with the active oscillating part 2, from the column surface of the other column part 3 ', which practically extends parallel thereto, can be changed by moving the two column parts along their contact surfaces.
  • FIG. 3 and 4 illustrate an embodiment of a resonance oscillator which is modified compared to FIG. 2.
  • the piston 5, which is axially displaceable in a cylinder 12 separates the actual resonance tank 6, which is located on its front side, from the expansion tank 9 located on its rear side, which is used in this embodiment
  • REPLACEMENT LEAF takes the place of the laterally connected separate expansion tank of the first embodiment.
  • the connection of the resonance tank 6 with the expansion tank 9 is provided in the area of the piston 5.
  • the piston 5 is guided at a distance from the cylinder wall in order to form the connection between the resonance container 6 and the compensating container 9.
  • the active oscillator part rests on the corrosion-resistant cover plate 7 which delimits the resonance container 6 at its end remote from the piston 5.
  • the piston 5 On its front side, the piston 5 has a chamber 13 which is closed off with a cover film 14 opposite the resonance container 6.
  • This cover film 14 is formed by a metallic film, preferably made of titanium.
  • the active oscillator part 2 which is designed as a composite oscillator, consists of two oscillating disks 16, 17 made of piezoelectrically active material, which bear against one another in opposite directions with their voltage-carrying “hot” side via a common contact connection 15. Furthermore, this figure shows that the cylinder 12 receiving the piston 5 has in the region of its base 18 a bore 20 provided with a sealing sleeve 19 through which the piston rod 21 is guided.
  • the piston-cylinder-vibrating part unit is mounted in a housing 22 which is closed to the outside.
  • the active oscillator part 2 is suspended in a damped manner with the cover plate 7 resting against it in order to suppress vibration transmission relative to the housing 22.
  • a rubber disc can be switched on for this purpose.
  • a first decoupling groove 23 is provided between the housing 22 and the piston-cylinder-oscillator part unit.
  • SPARE BLADE washers 16, 17 is held in fixed contact with the cover plate by means of an electrically conductive holding plate 24 which corresponds functionally to the electrically conductive cover plate 7.
  • the holding disk 24 has a diameter which is larger than the diameter of the disk-shaped active vibrating part in the form of the two vibrating disks 16, 17.
  • the cylinder 12 is provided with a flange 25, the diameter of which is greater than the diameter of the Zy ⁇ protrudes 12 and corresponds to the diameter of the holding disc 24.
  • the flange 25 of the cylinder 12 is firmly connected to the housing 22 together with the abutting edge 26 of the retaining disk 24.
  • flange 25 of the cylinder 12 and the edge 26 of the holding disc 24 are penetrated by a plurality of screw bolts 27 which are passed through bores in the edge region of the cover disc 7.
  • a second decoupling groove 28 is provided between the holding plate 24 and the holding plate edge 26 penetrated by the screw bolts 27.
  • Fig. 3 shows that the piston rod 21 extends into the space 29 between the cylinder 12 and housing 22.
  • a drive mechanism with which the piston rod 21 is coupled is mounted in a manner that is not illustrated in any more detail.
  • the position of the piston 5 via the piston rod 21 and thus the resonance frequency can be freely selected in the desired manner.
  • the entire electronics for operating the resonance oscillator are also protected from the outside, and the contact connection 15 of the compound oscillator is connected to this electronics via a cable, not shown.

Description

Resonanzschwinger
Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonanzschwinger mit einem aktiven, z.B. scheibenförmigen Schwingerteil.
Zur Erzeugung von Ultraschallschwingungen werden in der Praxis meistens aktive, z. B. scheibenförmige Wandlerele¬ mente, z.B. PZT-Keramikelemente eingesetzt. Diese Scheiben¬ schwinger liefern Dickenschwingungen in einem Frequenzbereich von ca. 300 kHz bis ca. lO MHz. Aus Herstellungsgründen sind zur Zeit nur Scheibendicken von 0,5 bis 10 mm zweckmäßig. Die Frequenz dieser Wandlerelemente hängt dabei ausschließlich von den Abmessungen ab. Versuche haben gezeigt, daß durch feste Verbindung, d.h. Koppelung eines inaktiven Festkörpers mit dem aktiven, scheibenförmigen Wandlerelement ein Koppelschwinger mit einer Resonanzfrequenz f erzielbar ist, die - aufgrund der Beziehung λ = 2c - mit der Längenabmessung - korreliert
_-.
ZBLATT und - aufgrund der Beziehung f - - der
Schallgeschwindigkeit v proportional ist.
Mit hinreichender Genauigkeit kann dabei als Schall- geschwindigkeit v der Wert des inaktiven Materials zugrun¬ degelegt werden. Erst bei vergleichbaren Abmessungen der Scheibendicke bzw. der Länge des Festkörpers ist der Wert v zu korrigieren. Es wird dann ein Mittelwert von v eingesetzt.
Charakteristisch für den so gebildeten Koppelschwinger ist, daß er größere Ultraschallenergie nur im Resonanzbereich entsprechend seiner Längenabmessung abstrahlt. Eine Anregung kann auch in entsprechenden Oberwellenstufen, jedoch mit ver¬ minderter abgestrahlter Energie erfolgen.
Nachteilig ist bei diesem Koppelschwinger somit die Tatsache, daß für jede gewünschte Resonanzfrequenz, die von derjenigen der Eigenfrequenz des aktiven Wandlerelements ab¬ weicht, ein inaktiver Festkörper bestimmter Längenabmessungen vorgesehen sein muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Re¬ sonanzschwinger der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Resonanzfrequenz kontinuierlich veränderbar ist.
Der Resonanzschwinger nach der Erfindung, bei dem diese Aufgabe gelöst ist, zeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, daß der aktive Schwingerteil unter Bildung eines Koppel¬ schwingers mit einem passiven Schwingerteil vergleichsweise größerer Länge in Berührung steht, der die Resonanzfrequenz hauptsächlich bestimmt und aus einer Flüssigkeits- oder Fest¬ stoffsäule besteht, deren Länge in Richtung des Schallvektors zur Änderung der Resonanzfrequenz kontinuierlich veränderbar ist. Die Erfindung basiert somit auf der Erkenntnis, daß sich allein durch stufenlose Veränderung der Länge des Koppel- materials auf einfache Weise eine kontinuierliche Veränderung
BLÄTT der Resonanzfrequenz erzielen läßt.
Während die kraftschlüssige Verbindung zwischen einem aktiven Schwingerteil und einem als Festkörper ausgebildeten inaktiven Schwingerteil besondere Probleme stellt, ist bei Einsatz der Flüssigkeitssäule als passives Schwingerteil in sehr vorteilhafter Weise eine einwandfreie Verbindung mit dem aktiven Schwingerteil besonders problemlos sichergestellt.
Voraussetzung für eine besonders hohe Wirksamkeit des inaktiven Schwingerteils ist der Einsatz einer Flüssigkeit mit möglichst großer Dichte J , mit großer Schallgeschwindig¬ keit v und mit möglichst großem Schallwellenwiderstand . v. Wichtig sind somit die folgenden Eigenschaften: Ein Schall- wellenwiderstand _ • v» ^er sich von dem des den Resonanzschwinger umgebenden Mediums unterscheidet, eine möglichst große Schallgeschwindigkeit v, damit ein genügend großer Spielraum der Längenveränderung zur Verfügung steht, und ein möglichst niederer Schallabsorptionskoeffizient, um die Verluste im Koppelmedium gering zu halten.
Als in baulicher Hinsicht besonders günstig hat es sich erwiesen , wenn der aktive Schwingerteil am Boden eines durch eine korrosionsfeste Abdeckplatte hoher Festigkeit möglichst geringer Dicke begrenzten Resonanzbehälters angeordnet ist, der die die Flüssigkeitssäule bildende Flüssigkeit enthält, daß dem Resonanzbehälter ein axial verschiebbarer Kolben zugeordnet ist, der mit seiner Position die Länge der Flüs¬ sigkeitssäule des Resonanzbehälters und damit die Reso- nanzfrequenz bestimmt, und daß der Resonanzbehälter mit einem Ausgleichsbehälter zur Aufnahme bzw. Abgabe der bei Ver¬ schiebung des Kolbens aus dem Resonanzbehälter verdrängten bzw. in ihn angesaugten Flüssigkeit in Verbindung steht. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die den passiven Schwin- gerteil bildende Koppelflüssigkeit stets unter Druck steht, und zwar unter dem Druck, der außerhalb der Gegenmembran herrscht. Ferner ist so die geforderte kraftschlüssige Ver¬ bindung zwischen dem aktiven Schwingerteil, nämlich dem Wand¬ lerelement (PZT) und der den passiven Schwingerteil bildenden Flüssigkeit gewährleistet. Gleichzeitig wird der Schwellwert des Einsatzes der Kavitation erhöht.
Eine baulich besonders günstige Ausführung ergibt sich, wenn der Resonanzbehälter und/oder der Ausgleichsbehälter zy¬ lindrisch ausgebildet sind.
Eine besonders einfache störungsfrei arbeitende Ausführung wird dadurch erzielt, daß der Kolben in einem Zylinder axial verschiebbar ist, in dem er den an seiner Vorderseite befindlichen Resonanzbehälter von dem auf seiner Rückseite befindlichen Ausgleichsbehälter trennt, daß die Verbindung des Resonanzbehälters mit dem Ausgleichsbehälter im Bereich des Kolbens vorgesehen ist und daß der aktive Schwin¬ gerteil an der den Resonanzbehälter an seinem dem Kolben abgelegenen Ende begrenzenden korrosionsfesten Abdeckplatte anliegt.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Er¬ findung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller nicht im Text beschriebenen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines als Koppelschwinger ausgebildeten Resonanzschwingers aus einem relativ dünnen aktiven Schwingerteil und einem durch eine
Festkörpersäule gebildeten passiven Schwingerteil vergleichsweise größerer Länge,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht des erfindungs- gemäßen Resonanzschwingers mit durch Änderung der
Länge einer Flüssigkeitssäule veränderbarer Reso-
ERSATZBLATT nanzfrequenz ,
Fig . 3 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführung des erf indungsgemäßen Resonanzschwingers , und
Fig. 4 einen Schnitt durch eine Einzelheit des Resonanzschwingers nach Fig. 3.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, umfaßt der in Fig. 1 gezeigte Resonanzschwinger 1 in Form eines Koppelschwingers einen aktiven scheibenförmigen Schwingerteil 2, nämlich ein PZT-Wandlerele ent und einen in Form eines Festkörpers aus¬ gebildeten passiven Schwingerteil 3. Dieser Koppelschwinger hat eine Resonanzfrequenz, die maßgebend von der Schall- geschwindigkeit v des Materials des passiven Schwingerteils 3 abhängt. Nur wenn die Dicke des scheibenförmigen Schwinger¬ teils 2 im Verhältnis zur Länge des passiven Schwingerteils 3 sehr klein ist, läßt sich die Resonanzfrequenz praktisch ausschließlich von der Länge des passiven Schwingerteils 3 mit hinreichender Genauigkeit ableiten. Erreicht die Scheibendicke eine Größenordnung etwa derjenigen des Festkörpers, bedarf es einer Korrektur des Wertes v, und zwar ist dann ein Mittelwert der Geschwindigkeit v anzusetzen. Wie ersichtlich, entspricht die Länge des Festkörpers, der den passiven Schwingerteil 3 bildet, der halben Wellenlänge, d. ^A /2.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäß in Form eines Kop¬ pelschwingers 4 ausgebildeten Resonanzschwinger, bei dem der aktive Schwingerteil 2 in einem aus Isoliermaterial mit guten HF-Eigenschaften bestehenden Kolben 5 eingebettet ist. Dieser Kolben 5, der beispielsweise aus Teflon gefertigt sein kann, ist innerhalb eines langgestreckten Behälters, vorzugsweise in Form eines Zylinders, dessen Boden er bildet, verschiebbar gelagert. Dabei definiert er den Resonanzbehälter 6. Auf der dem aktiven Schwingerteil 2 gegenüberliegenden Seite weist der Resonanzbehälter 6 eine korrosionsfeste Abdeckplatte 7 hoher Festigkeit und geringer Dicke auf, die kleiner als 1/100 der größten Schallwellenlänge sein sollte. Als Material für diese Abdeckplatte 7 wird vorzugsweise Titan eingesetzt.
Der Resonanzbehälter 6 steht über eine seitliche Be¬ hälteröffnung 8 mit einem ebenfalls vorzugsweise zylindrisch ausgebildeten Ausgleichsbehälter 9 in Verbindung. Diese Be¬ hälteröffnung 8 befindet sich im Bereich des dem aktiven Schwingerteil 2 abgelegenen einen Endes des Resonanzbehälters 6. Für den Abschluß des Ausgleichsbehälters 9 ist letzterer mit einer Gegendruckmembran lO versehen, die am der seitlichen Behälteröffnung 8 abgelegenen Ende des Gegendruckbehälters 9 vorgesehen ist. Im Resonanzbehälter 6 befindet sich Flüs¬ sigkeit, die eine sich zwischen dem aktiven Schwingerteil 2 und der Abdeckplatte 7 erstreckende Flüssigkeitssäule 11 bil¬ det. Die Länge dieser Flüssigkeitssäule 11 ist durch axiales Verschieben des den Boden bildenden Kolbens 5 veränderbar. Bei Verringerung der Länge dieser Säule fließt ein Teil der Flüssigkeit aus dem Resonanzbehälter 6 über die Behälter- Öffnung 8 in den Ausgleichsbehälter 9, und bei Vergrößerung umgekehrt aus letzterem zurück in den Resonanzbehälter. Dabei verformt sich die Gegendruckmembran 10, über die der außerhalb des Resonanzbehälters 6 herrschende Druck auf die im Reso¬ nanzbehälter befindliche, den passiven Schwingerteil bildende Flüssigkeitssäule 11 wirkt.
Unter Flüssigkeit sind alle fließfähigen Substanzen im weitesten Sinne zu verstehen, gleichgültig ob anorganischen oder organischen Ursprungs oder gar mit metallischer Natur, wie z.B. Quecksilber. Wesentlich ist lediglich, daß die Flüs¬ sigkeit einen Schallwellenwiderstand . v besitzt, der sich von dem des Mediums außerhalb des Resonanzbehälters 6 unter¬ scheidet. Außerdem muß sie eine möglichst große Schall¬ geschwindigkeit v sicherstellen, damit ein genügend großer Spielraum der Längenveränderung zur Verfügung steht. Schlie߬ lich soll der Schallabsorptionskoeffizient gering sein.
ERSATZELATT Aus nachstehender Tabelle sind die charakteristischen
Werte der Dichte 5 , der Geschwindigkeit v und des Schall-
Wellenwiderstands S . v ersichtlich:
SATZBLATT Flüssigkeiten -1
Wasser 20°C
Acetylentetrat
Äthylenbromid
Bromnaphtalin
Bromal
Gyzerin
Nitroäthylalkoh
Quecksilber
Tetrabromäthan
Trimethylenbrom
Feststoffe:
Aluminium Edelstahl PZT-Keramik
Alle vorgenannten Werte beziehen sich auf Raumtemperatur. Aufgrund der Beziehung \ = v/f ergibt sich für f = 30 kHz die Länge des passiven Schwingerteils bei Verwendung von Glycerin mit 1 = /2 zu
λ . 192 300 cm = 6,41 30 000 und
1 = 1/2 = 3,2 cm
Durch die Länge des passiven Schwingerteils ist die Frequenz nach oben hin begrenzt. Es sind jedoch auch Schwin- gerteile mit Längen entsprechend einem Vielfachen von /2 denkbar.
E.RSÄT2BLATT Der erfindungsgemäße Resonanzkörper ist nicht nur als
Ultraschallsender gewählter Frequenzen mit Erfolg einsetzbar. Er läßt sich vielmehr auch mit Erfolg als Ultaschallscanner im Resonanzbereich, also mit enger Bandbreite einsetzen, beispielsweise zur Ortung von Umweltverschmutzungen im Meerwasser und in Flüssen sowie Fischschwärmen, wobei man die Tatsache ausnutzt, daß letztere für sie charakteristische Frequenzen aussenden, sowie zu Navigationszwecken.
Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Resonanz¬ körpers mit einer längenveränderlichen Flüssigkeitssäule 11 erläutert, wie sie in Fig. 2 veranschaulicht ist Stattdessen ist es auch möglich, eine längenveränderliche Festkörpersäule 3 zu verwirklichen und mit Erfolg einzusetzen. Zu diesem Zweck bedarf es einer zweiteiligen Säulenausbildung. Die Art der Trennung der Säule in die beiden Teile 3', 3" ist in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 12 schematisch angedeutet. Jeder der beiden Teile weist entsprechend dem Verlauf der ge¬ strichelten Linie 12 eine plangeschliffene Kontaktfläche auf. Die Ebene der Kontaktflächen beider Säulenteile 3 ' , 3" schließt mit der Säulenachse der Festkörpersäule 3 einen gleich großen spitzen Winkel ein. Die Länge der Festkörper¬ säule, d.h. der Abstand der einen sich quer zur Säulenachse erstreckenden, mit dem aktiven Schwingerteil 2 in Kontakt stehenden Säulenfläche von der sich hierzu praktisch parallel erstreckenden Säulenfläche des anderen, am ersten Säulenteil 3' anliegenden Säulenteils 3" ist durch Verschieben der beiden Säulenteile längs ihrer Kontaktflächen veränderbar.
In den Fig. 3 und 4 ist eine gegenüber Fig. 2 abge¬ wandelte Ausführung eines Resonanzschwingers veranschaulicht. Abweichend von der Ausführung nach Fig. 2 trennt bei dieser Abwandlung der in einem Zylinder 12 axial verschiebbare Kolben 5 den eigentlichen Resonanzbehälter 6, der sich an seiner Vorderseite befindet, von dem auf seiner Rückseite befindlichen Ausgleichsbehälter 9, der bei dieser Ausführung
ERSATZBLATT an die Stelle des seitlich angeschlossenen gesonderten Aus¬ gleichsbehälters der ersten Ausführung tritt. Die Verbindung des Resonanzbehälters 6 mit dem Ausgleichsbehälter 9 ist im Bereich des Kolbens 5 vorgesehen. Wie aus Fig. 3 entnehmbar, ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Kolben 5 zur Bildung der Verbindung des Resonanzbehälters 6 mit dem Ausgleichs¬ behälter 9 mit Abstand von der Zylinderwandung geführt. Außerdem liegt bei dieser Ausführung der aktive Schwingerteil an der den Resonanzbehälter 6 an seinem dem Kolben 5 ab- gelegenen Ende begrenzenden korrosionsfesten Abdeckplatte 7 an. An seiner Stirnseite weist der Kolben 5 eine Kammer 13 auf, die mit einer Abdeckfolie 14 gegenüber dem Resonanz¬ behälter 6 abgeschlossen ist. Diese Abdeckfolie 14 ist durch eine metallische Folie, vorzugsweise aus Titan gebildet.
Der Fig. 3 ist entnehmbar, daß der als Verbundschwinger ausgebildete aktive Schwingerteil 2 aus zwei Schwingerscheiben 16, 17 aus piezoelektrisch aktivem Material besteht, die über gegensinnig mit ihrer spannungsführenden "heißen" Seite über einen gemeinsamen Kontaktanschluß 15 aneinander anliegen. Ferner läßt diese Figur erkennen, daß der den Kolben 5 auf¬ nehmende Zylinder 12 im Bereich seines Bodens 18 eine mit einer Dichtungsmuffe 19 versehene Bohrung 20 aufweist, durch die die Kolbenstange 21 hindurchgeführt ist. Die Kolben- Zylinder-Schwingerteil-Einheit ist in einem nach außen geschlossenen Gehäuse 22 gelagert. Der aktive Schwingerteil 2 ist dabei mit der anliegenden Abdeckscheibe 7 zur Un¬ terdrückung einer Schwingungsübertragung gegenüber dem Gehäuse 22 gedämpft aufgehängt. Zu diesem Zweck kann eine Gummischeibe eingeschaltet sein. Stattdessen ist bei der Ausführung nach Fig. 3 zwischen dem Gehäuse 22 und der Kolben-Zylinder- Schwingerteil-Einheit eine erste Entkopplungsnut 23 vor¬ gesehen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen, daß der aktive Schwingerteil 2 mit den negativen, "kalten" Seiten der beiden Schwin-
ERSÄTΣBLATT gerscheiben 16, 17 mittels einer funktionell der elektrisch leitenden Abdeckscheibe 7 entsprechenden, elektrisch lei¬ tenden Haltescheibe 24 in fester Anlage an der Abdeckscheibe gehalten wird. Die Haltescheibe 24 weist zu diesem Zweck einen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser des schei¬ benförmigen aktiven Schwingerteils in Form der beiden Schwin¬ gerscheiben 16, 17. Der Zylinder 12 ist mit einem Flansch 25 versehen, dessen Durchmesser über den Durchmesser des Zy¬ linders 12 vorsteht und dem Durchmesser der Haltescheibe 24 entspricht. Der Flansch 25 des Zylinders 12 ist zusammen mit dem anliegenden Rand 26 der Haltescheibe 24 mit dem Gehäuse 22 fest verbunden. Zu diesem Zweck sind der Flansch 25 des Zylinders 12 und der Rand 26 der Haltescheibe 24 von mehreren Schraubbolzen 27 durchsetzt, die durch Bohrungen im Rand- bereich der Abdeckscheibe 7 hindurchgeführt sind. Außer der ersten Entkopplungsnut 23 zwischen der Abdeckscheibe 7 und dem Abdeckscheibenrand ist zwischen der Haltescheibe 24 und dem von den Schraubbolzen 27 durchsetzten Haltescheibenrand 26 eine zweite Entkopplungsnut 28 vorgesehen.
Fig. 3 läßt erkennen, daß sich die Kolbenstange 21 in den Raum 29 zwischen Zylinder 12 und Gehäuse 22 erstreckt. In diesem Raum 29 ist auf nicht näher veranschaulichte Weise ein Antriebsmechanismus gelagert, mit dem die Kolbenstange 21 gekoppelt ist. Durch Fernsteuerung des Antriebsmechanismus läßt sich die Lage des Kolbens 5 über die Kolbenstange 21 und damit die Resonanzfrequenz in gewünschter Weise frei wählen. In diesem Raum 29 befindet sich nach außen geschützt auch die gesamte Elektronik für den Betrieb des Resonanzschwingers, und der Kontaktanschluß 15 des Verbundschwingers steht mit dieser Elektronik über ein nicht gezeigtes Kabel in Verbindung.
ERSATZSLAT

Claims

A n s p r ü c h e
1. Resonanzschwinger mit einem aktiven,z.B. schei¬ benförmigen Schwingerteil (2), dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Schwingerteil (2) unter Bildung eines Koppelschwingers mit einem passiven Schwingerteil vergleichsweise größerer Länge in Berührung steht, der die Resonanzfrequenz haupt¬ sächlich bestimmt und aus einer Flüssigkeits- oder Fest¬ körpersäule (11) besteht, deren Länge in Richtung des Schall¬ vektors zur Änderung der Resonanzfrequenz kontinuierlich ver- änderbar ist.
2. Resonanzschwinger nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule (11) durch Flüssigkeit mit möglichst großer Dichte J , mit großer Schall- geschwindigkeit v und mit möglichst großem Schallwellen¬ widerstand 'j ' v gebildet ist.
3. Resonanzschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Schwingerteil (2) am Boden eines durch eine korrosionsfeste Abdeckplatte hoher Festigkeit möglichst geringer Dicke begrenzten Resonanzbehälters (6) angeordnet ist, der die die Flüssigkeitssäule (11) bildende Flüssigkeit enthält, daß dem Resonanzbehälter (6) ein axial verschiebbarer Kolben (5) zugeordnet ist, der mit seiner Po- sition die Länge der Flüssigkeitssäule (11) des Resonanz¬ behälters (6) und damit die Resonanzfrequenz bestimmt, und daß der Resonanzbehälter mit einem Ausgleichsbehälter (9) zur Aufnahme bzw. Abgabe der bei Verschiebung des Kolbens (5) aus dem Resonanzbehälter verdrängten bzw. in ihn angesaugten Flüssigkeit in Verbindung steht.
4. Resonanzschwinger nach Anspruch 3, dadurch ge-
ERSATZBLÄTT kennzeichnet, daß der aktive Schwingerteil (2) am den Boden des Resonanzbehälters (6) bildenden verschiebbaren Kolben (5) angeordnet ist, der der korrosionsfesten Abdeckplatte (7) ge¬ genüberliegt.
5. Resonanzschwinger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzbehälter (6) über eine seit¬ liche Behälteröffnung (8) mit dem Ausgleichsbehälter (9) in Verbindung steht, der in Bezug auf die Umgebung mittels einer eine Volumenänderung entsprechend der axialen Verschiebung des Kolbens (5) ermöglichenden Gegendruckmembran (10) abgeschlos¬ sen ist.
6. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzbehälter (6) und/oder der Ausgleichsbehälter (9) zylindrisch ausgebildet sind.
7. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche Behälteröffnung (8) im Bereich des dem aktiven Schwingerteil (2) abgelegenen einen Endes des Resonanzbehälters (6) vorgesehen ist.
8. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegendruckmembran (10) am der seitlichen Behälteröffnung (8) abgelegenen Ende des Aus¬ gleichsbehälters (9) vorgesehen ist.
9. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Schwingerteil (2) in den aus Isoliermaterial mit guten HF-Eigenschaften be¬ stehenden, den verschiebbaren Boden des Resonanzbehälters bil¬ denden Kolben (5) eingebettet ist.
10. Resonanzschwinger nach Anspruch 9, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Kolben (5) aus Teflon besteht.
ERSATZB
11. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (7) des Resonanzbehälters (6) eine Dicke besitzt, die kleiner als 1/100 der größten Schallwellenlänge ist.
12. Resonanzschwinger nach einem der Ansprsüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (7) aus Titan besteht.
13. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitssäule (11) durch Silikonöl gebildet ist.
14. Resonanzschwinger nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, daß die Festkörpersäule (3) durch mindestens zwei Säulenteile (3', 3") mit jeweils einer plangeschliffenen Kontaktfläche gebildet ist, daß die Ebene der Kontaktflächen beider Säulenteile (3', 3") mit der Säulenachse einen gleich großen spitzen Winkel einschließt und daß die Länge der Festkörpersäule (3), d.h. der Abstand der einen sich quer zur Säulenachse erstreckenden, mit dem aktiven Schwingerteil (2) in Kontakt stehenden Säulenfläche von der sich hierzu parallel erstreckenden Säulenfläche des anderen, am ersten Säulenteil (3') anliegenden Säulenteils (3") durch Verschieben der beiden Säulenteile längs ihrer Kontaktflächen veränderbar ist.
15. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (5) in einem Zylinder (12) axial verschiebbar ist, in dem er den an seiner Vor- derseite befindlichen Resonanzbehälter (6) von dem auf seiner Rückseite befindlichen Ausgleichsbehälter (9) trennt, daß die Verbindung des Resonanzbehälters mit dem Ausgleichsbehälter im Bereich des Kolbens vorgesehen ist und daß der aktive Schwin¬ gerteil (2 ',2") an der den Resonanzbehälter (6) an seinem dem Kolben (5) abgelegenen Ende begrenzenden korrosionsfesten Abdeckplatte (7) anliegt.
ERSATΣBLATT
16. Resonanzschwinger nach Anspruch 15, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Kolben (5) zur Bildung der Verbindung zwi¬ schen Resonanz- (6) und Ausgleichsbehälter (9) mit Abstand von der Zylinderwandung (12) geführt ist.
17. Resonanzschwinger nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben an seiner Stirnseite eine Kammer (13) aufweist, die mit einer Abdeckfolie (14) gegenüber dem Resonanzbehälter (6) abgeschlossen ist.
18. Resonanzbehälter nach Anspruch 17, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Abdeckfolie (14) durch eine metallische Folie, vorzugsweise aus Titan gebildet ist.
19. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 15 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß der als Verbundschwinger ausgebildete aktive Schwingerteil (2) aus zwei Schwin¬ gerscheiben (16, 17) aus piezoelektrisch aktivem Material besteht, die gegensinnig mit ihrer spannungsführenden "heißen" Seite über einen gemeinsamen Kontaktanschluß (15) aneinander anliegen.
20. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 15 bis
19, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kolben aufnehmende Zylinder im Bereich seines Bodens ( 18 ) eine mit einer Dich¬ tungsmuffe (19) versehene Bohrung (20) aufweist, durch die die Kolbenstange (21) hindurchgeführt ist.
21. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Schwin¬ gerteil-Einheit (2, 5, 12) in einem nach außen geschlossenen Gehäuse (22) gelagert ist und daß der aktive Schwingerteil mit der anliegenden Abdeckscheibe zur Unterdrückung einer Schwin¬ gungsübertragung gegenüber dem Gehäuse (22) gedämpft auf- gehängt ist.
ERSATZBLATT
22. Resonanzschwinger nach Anspruch 21, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß zwischen dem Gehäuse (22) und der Kolben- Zylinder-Schwingerteil-Einheit (2, 5, 12) eine erste Ent¬ kopplungsnut (23) vorgesehen ist.
23. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Schwingerteil (2) mit den negativen, "kalten" Seiten der beiden Schwin¬ gerscheiben (16,17) mittels einer funktionell der elektrisch leitenden Abdeckscheibe (7) entsprechenden, elektrisch lei¬ tenden Haltescheibe (24) in fester Anlage an der Abdeckscheibe gehalten wird, daß die Haltescheibe einen Durchmesser auf¬ weist, der größer ist als der Durchmesser des scheibenförmigen aktiven Schwingerteils, daß der Zylinder (12) mit einem Flansch (25) versehen ist, dessen Durchmesser über den Außen¬ durchmesser des Zylinder vorsteht und dem Durchmesser der Haltescheibe (24) entspricht und daß der Flansch (25) des Zylinders (12) zusammen mit dem anliegenden Rand (26) der Haltescheibe (24) mit dem Gehäuse (22) fest verbunden ist.
24. Resonanzschwinger nach Anspruch 23, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß der Flansch (25) des Zylinders (12) und der Rand (26) der Haltescheibe (24) von mehreren durch Bohrungen im Randbereich der Abdeckscheibe (7) hindurchgeführten Schraubbolzen (27) durchsetzt sind.
25. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß außer der ersten Ent¬ kopplungsnut (23) zwischen der Abdeckscheibe (7) und dem Abdeckscheibenrand eine zweite Entkopplungsnut (28) zwischen der Haltescheibe (24) und dem von den Schraubbolzen (27) durchsetzten Haltescheibenrand (26) vorgesehen ist.
26. Resonanzschwinger nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (21) mit einem im Raum (29) zwischen Zylinder (12) und Gehäuse (22)
ERSATZBLATT gelagerten Antriebsmechanismus gekoppelt ist, der ebenso wie der Kontaktanschluß (15) des aktiven Schwingerteils (2) mit der im Raum (29) vorgesehenen Elektronik für den Schwingerbetrieb in Verbindung steht.
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