FR2477434A1

FR2477434A1 - Wave generator for hydrodynamic testing appts. - oscillates capillary column extending above liq. to generate sinusoidal surface waves

Info

Publication number: FR2477434A1
Application number: FR8008307A
Authority: FR
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1980-03-07
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1981-09-11
Also published as: FR2477434B1; DE3008734A1; DE3008734C2

Abstract

The generator uses stimulated oscillation of a fluid column (5) to generate the sinusoidal surface waves in the fluid (1) above which the column extends. The fluid column (5) is obtained via a vertical tube section (3) with its open end dipping into the fluid (1) contained in the wave tank and made of a material and having a radius (r) such that the fluid column (5) rises up the pipe section by capillary action. Pref. the oscillations are generated by an electronic oscillator delivering an LF sinusoidal wave via an amplifier to a loudspeaker coil with the loudspeaker cone coupled via a connection line (6) to the space above the liquid column (5). The generator provides waves of precise amplitude and frequency.

Description

L'invention concerne un procédé pour produire des ondes sur une surface liquide par un système de canalisation tdbouchant au voisinage de la surface liquide. Elle concerne en outre un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procède. The invention relates to a method for producing waves on a liquid surface by a pipe system leading to the vicinity of the liquid surface. It also relates to a device for the implementation of this process.

Pour les expérimentations avec des ondes, par exemple dans des cuves à ondes, pour l'enseignement et la recherche, on désire généralement avoir des ondes sinusoidales qui soient Si possible non perturbes et dont on puisse r8gler les frdquences et les amplitudes possibles avec exactitude. For experiments with waves, for example in wave tanks, for teaching and research, it is generally desired to have sinusoidal waves which are if possible undisturbed and whose frequencies and possible amplitudes can be precisely adjusted.

I1 est connu de produire des ondes par des dispositifs pulsatoires mcaniques effectuant un mouvement alternatif de monte et d'abaissement au voisinage de la surface liquide. De tels pulsateurs mécaniques prdsentent des inconvénients en ce qui concerne la faculté de réglage de la fréquence et de l'amplitude et en ce qui concerne la pureté de la forme sinusoSdale des ondes, inconvénients qui sont décrits en détail dans la demande de brevet français 77 33 703.Pour éliminer ces inconvénients, il est proposé, dans cette demande de brevet, de souffler de l'air pulsé provenant d'une source appropriée sur la surface de l'eau. Pour produire des ondes circulaires, ce document prévoit des tubes dont les embouchures sont situées au-dessus de la surface de l'eau et d'ou le courant d'air pulsé sort en direction de la surface de l'eau. Cette disposition a l'inconvénient que l'air s'échappant latéralement produit non seulement le mouvement ondulatoire souhaité mais aussi des perturbations ondes sirables de la surface de l'eau.Pour la production d'ondes planes, cette demande antérieure décrit un profilé en U ouvert en bas et plongeant dans le liquide, dans lequel aboutit une canalisation d'amenée d'air par une rangée d'orifices situés au-dessus de la surface du liquide. A travers ces orifices, devant avoir des diamètres différents en raison de la perte de charge dans la canalisation d'amenée d'air, l'air pulsé pénètre dans l'espace délimité par le profilé en U et la surface liquide et produit de ce fait l'ondulation souhaitée. L'air quitte cet espace par une ouverture dans la partie supérieure du profilé. Ce dispositif a l'inconvénient qu'il est difficile à fabriquer et à régler.Enfin, il faut dans les deux cas une pompe à membrane relativement puissante comme source d'air, dont le moteur doit en outre avoir une caractéristique rigoureusement linéaire pour la précision des mesures, ce qui augmente encore plus la dépense technique. I1 is known to produce waves by mechanical pulsating devices performing an alternating movement of raising and lowering in the vicinity of the liquid surface. Such mechanical pulsators have drawbacks as regards the ability to adjust the frequency and the amplitude and as regards the purity of the sinusoSdale form of the waves, drawbacks which are described in detail in French patent application 77 To eliminate these drawbacks, it is proposed in this patent application to blow pulsed air from an appropriate source onto the surface of the water. To produce circular waves, this document provides tubes whose mouths are located above the surface of the water and from which the flow of forced air exits towards the surface of the water. This arrangement has the disadvantage that the air escaping laterally produces not only the desired wave motion but also disturbable wave disturbances of the water surface. For the production of plane waves, this previous application describes a profile in U open at the bottom and immersed in the liquid, into which an air supply pipe ends by a row of orifices located above the surface of the liquid. Through these orifices, which must have different diameters due to the pressure drop in the air supply pipe, the forced air enters the space delimited by the U-shaped profile and the liquid surface and product of this makes the desired ripple. The air leaves this space through an opening in the upper part of the profile. The drawback of this device is that it is difficult to manufacture and adjust. Finally, in both cases a relatively powerful diaphragm pump is needed as an air source, the motor of which must also have a strictly linear characteristic for the precision of measurements, which further increases the technical expense.

L'invention vise à apporter un procédé comme indiqué au début mais avec lequel il n'y a plus de perturbations indésirables à la surface de l'eau. Le dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé doit en outre astre de construction nettement plus simple et permettre le réglage simple de la fréquence et de l'amplitude de l'ondulation. The invention aims to provide a method as indicated at the start but with which there are no longer undesirable disturbances on the surface of the water. The device for implementing this method must also be considerably simpler in construction and allow simple adjustment of the frequency and amplitude of the ripple.

Selon une caractéristique essentielle du procédé de l'invention, une colonne de liquide située au moins dans la région de l'embouchure du système de canalisation, se terminant à l'intérieur du liquide, est animée d'oscillations et utilisée pour la transmission des oscillations à la surface du liquide, de l'eau par exemple. Du fait que la surface liquide est attaquée non plus par un courant d'air pulsé évacué latéralement mais par une colonne de liquide oscillante qui reste en permanence en contact avec le liquide (et ne s'écoule donc pas latéralement), les perturbations lndésirées de la surface de l'eau ne se produisent plus.La colonne de liquide peut titre couplée directement par le système de canalisation ou avec interposition d'un coussin d'air au générateur d'oscillations, de manière que les oscillations produites par ce générateur soient transmises à la surface de l'eau avec maintien rigoureux de leur forme et de leur fréquence. According to an essential characteristic of the method of the invention, a column of liquid located at least in the region of the mouth of the pipe system, ending inside the liquid, is animated by oscillations and used for the transmission of oscillations on the surface of the liquid, for example water. Because the liquid surface is attacked no longer by a pulsed air flow discharged laterally but by an oscillating column of liquid which remains permanently in contact with the liquid (and therefore does not flow laterally), the undesired disturbances of the surface of the water no longer occurs.The liquid column can be coupled directly by the piping system or with the interposition of an air cushion to the oscillation generator, so that the oscillations produced by this generator are transmitted to the surface of the water with rigorous maintenance of their shape and frequency.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, le système de canalisation se terminant dans le liquide est conformé dans la région de son embouchure de manière que la colonne de liquide se forme par capillarité. Cela oblige à choisir de petites dimensions, de sorte que l'énergie nécessaire à la mise en oscillation de la colonne de liquide est très faible puisque, d'une part, la masse de la colonne est petite, d'autre part, pendant chaque oscillation, le mouvement ascendant de la colonne de liquide, s'effectuant contre la pesanteur, est soutenu par la capillarité. According to a particularly advantageous embodiment, the channeling system terminating in the liquid is shaped in the region of its mouth so that the column of liquid is formed by capillarity. This requires choosing small dimensions, so that the energy required for the oscillation of the liquid column is very low since, on the one hand, the mass of the column is small, on the other hand, during each oscillation, the upward movement of the liquid column, taking place against gravity, is supported by capillarity.

En raison de cette très faible consommation d'énergie, il est possible et avantageux, dans le cadre de l'invention, d'utiliser comme générateur d'oscillations une membrane accouplée à l'élément vibrant d'un haut-parleur. La bobine mobile du haut-parleur peut etre anime de façon simple, par un générateur, d'oscillations exactement sinusoldales, par exemple, lesquelles sont alors transmises à la surface de l'eau par la colonne de liquide. Il est naturellement possible aussi de transmettre des oscillations autres que sinusoSdales de façon exacte à la surface de l'eau.Because of this very low energy consumption, it is possible and advantageous, within the framework of the invention, to use as oscillation generator a membrane coupled to the vibrating element of a loudspeaker. The voice coil of the loudspeaker can be animated in a simple way, by a generator, of exactly sinusoidal oscillations, for example, which are then transmitted to the surface of the water by the column of liquid. It is of course also possible to transmit oscillations other than sinusoidal exactly to the surface of the water.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des figures l à 4 du dessin annexé. Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows of several nonlimiting exemplary embodiments, as well as from FIGS. 1 to 4 of the appended drawing.

La figure 1 montre la région d'embouchure d'un système de canalisation 2 se terminant dans un liquide 1. Le liquide 1 est contenu dans une cuve à ondes, dont seul le fond 4 est visible. La région d'embouchure du système de canalisation 2 est formée par un tronçon de tube 3 ayant un diamètre r. Le diamètre r et le matériau du tronçon de tube 3 sont choisis de manière qu'une colonne de liquide 5 de la hauteur h se forme par capillarité dans le tronçon de tube 3.La hauteur de la colonne de liquide est déterminée par la formule de Jurin
2A cos h = r. #.g où est l'angle entre la surface du liquide et la paroi p est la masse de la colonne de liquide
A est la force issue de la capillarité r est le rayon intérieur du tronçon de tube 3 g est la pesanteur
Comme matériau pour le tronçon de tube 3, on peut utiliser-un métal ou un matériau analogue, de l'aluminium par exemple, dont la surface a eté finement sablée ou soumise à un traitement analogue.Figure 1 shows the mouth region of a pipe system 2 ending in a liquid 1. The liquid 1 is contained in a wave tank, of which only the bottom 4 is visible. The mouth region of the pipe system 2 is formed by a section of tube 3 having a diameter r. The diameter r and the material of the tube section 3 are chosen so that a liquid column 5 of the height h is formed by capillarity in the tube section 3. The height of the liquid column is determined by the formula of Jurin
2A cos h = r. # .g where is the angle between the surface of the liquid and the wall p is the mass of the column of liquid
A is the force from capillarity r is the inside radius of the tube section 3 g is gravity
As the material for the tube section 3, it is possible to use a metal or similar material, for example aluminum, the surface of which has been finely sanded or subjected to a similar treatment.

Dans le tronçon de tube 3 débouche, d'en haut, un tuyau 6 qui mène au générateur d'oscillations non représenté sur la figure 1. In the tube section 3 opens, from above, a pipe 6 which leads to the oscillation generator not shown in FIG. 1.

Le coussin d'air se trouvant dans le tuyau 6 et dans l'espace 7 audessus de la colonne 5 est mis en vibration par le générateur d'oscillations, de manière que la colonne de liquide 5 dans le tronçon de tube 3 est animée d'un mouvement oscillant de montée et d'abaissement, mouvement au cours duquel la colonne 5 forme en permanence - donc également å sa position la plus basse - un bouchon fermant le tronçon de tube 3 et restant en contact avec ie liquide 1.The air cushion in the pipe 6 and in the space 7 above the column 5 is vibrated by the oscillation generator, so that the liquid column 5 in the section of tube 3 is animated by an oscillating movement of raising and lowering, movement during which the column 5 permanently forms - therefore also at its lowest position - a plug closing the tube section 3 and remaining in contact with the liquid 1.

Danstl'exemple de la figure 2, le système de canalisation 2 se terminant à l'intérieur du liquide 1 est conformé dans la région de son embouchure à la façon d'un élément en U 8 qui est ouvert en bas et dont les ailes sont désignées par 9 et 10. L'écartement des ailes 9 ét 10 est de nouveau choisi de manière qu'il se forme antre elles une colonne de liquide 5. La flèche il indique que le volume 7 se trouvant au-dessus de la colonne de liquide 5 communique avec le générateur d'oscillations, de préférence par plusieurs raccordements répartis sur la longueur de l'élément en U 8. In the example of FIG. 2, the channeling system 2 ending inside the liquid 1 is shaped in the region of its mouth in the manner of a U-shaped element 8 which is open at the bottom and whose wings are designated by 9 and 10. The spacing of the wings 9 and 10 is again chosen so that they form between them a column of liquid 5. The arrow indicates that the volume 7 located above the column of liquid 5 communicates with the oscillation generator, preferably by several connections distributed along the length of the U-shaped element 8.

La figure 2 montre une autre particularité de l'invention: l'aile 9 de l'élément en U 8 s'étend jusqu'au fond 4 de la cuve à ondes, tandis que l'aile 10 affleure seulement la surface de l'eau. Figure 2 shows another feature of the invention: the wing 9 of the U-shaped element 8 extends to the bottom 4 of the wave tank, while the wing 10 is only flush with the surface of the water.

Les ondes planes produites se propagent de ce fait seulement dans une direction (vers la droite), tandis que la zone située à gauche de l'élément en U 8 reste tranquille.The plane waves produced therefore propagate only in one direction (to the right), while the area to the left of the U-shaped element 8 remains quiet.

L'élément en U 8 peut être droit mafs il peut également avoir toute autre forme desiréei une autre forme la forme circulaire, est représentée sur la figure 3. L'espace annulaire 7 se trouvant dans ce cas au-dessus de la colonne de liquide 5 est de nouveau relié à plusieurs endroits - indiqués par les flèches Il au générateur d'oscillations. L'aile intérieure 14 de l'élément ou profilé 8 s'étend jusqu'au fond 4 de la cuve à ondes, tandis que l'aile extérieure 15 s'arrête à une faible distance sous la surface du liquide. A l'intérieur de l'élément annulaire 8 est ainsi formée une zone tranquille, tandis que les ondes se propagent en cerclas vers l'extérieur. The U-shaped element 8 can be straight mafs it can also have any other desired shape, another shape the circular shape, is represented in FIG. 3. The annular space 7 being in this case above the liquid column 5 is again connected in several places - indicated by the arrows II to the oscillation generator. The inner wing 14 of the element or profile 8 extends to the bottom 4 of the wave tank, while the outer wing 15 stops a short distance below the surface of the liquid. Inside the annular element 8 is thus formed a quiet zone, while the waves propagate in circles towards the outside.

Le petit tube 3 de la figure 1 et l'élément en U 8 des figures 2 et 3 ont de préférence des dimensions suffisamment petites pour que la colonne de liquide soit formée par capillarité. Le diamètre r du petit tube 3 et l'écartement des deux ailes du profilé en U peuvent etre de 2 mm par exemple en cas d'utilisation des matériaux mentionnés ci-dessus. The small tube 3 of FIG. 1 and the U-shaped element 8 of FIGS. 2 and 3 preferably have dimensions that are small enough for the column of liquid to be formed by capillarity. The diameter r of the small tube 3 and the spacing of the two wings of the U-shaped profile can be 2 mm for example when using the materials mentioned above.

La figure 4 montre schématiquement un exemple de réalisation d'un générateur d'oscillations selon l'invention. 16 désigne globalement un générateur électronique d'oscillations, de préférence d'ondes sinusoTdales pour basses fréquences. Ce générateur agit par l'intermédiaire d'un amplificateur 17 sur la bobine 18 d'un haut-parleur. A l'élément vibrant du haut-parleur, à sa bobine mobile par exemple, est accouplée une membrane 20 qui forme une paroi d'un bottier fermé 21. De ce bottier 21 part le tuyau de raccordement 6 menant à l'espace 7 au-dessus de la colonne de liquide 5. Les vibrations -ou oscillations produites par la membrane 5 peuvent ainsi etre transmises de façon exacte à la colonne de liquide 5. FIG. 4 schematically shows an embodiment of an oscillation generator according to the invention. 16 generally designates an electronic generator of oscillations, preferably of sine waves for low frequencies. This generator acts via an amplifier 17 on the coil 18 of a loudspeaker. To the vibrating element of the loudspeaker, to its moving coil for example, is coupled a membrane 20 which forms a wall of a closed case 21. From this case 21 leaves the connection pipe 6 leading to space 7 at above the column of liquid 5. The vibrations or oscillations produced by the membrane 5 can thus be transmitted exactly to the column of liquid 5.

Claims

RESELL I CAT IONS

1. Method for producing waves on a liquid surface by a pipe system opening out in the vicinity of the liquid surface, characterized in that a liquid column (5) located at least in the region of the mouth of the pipe system (2), ending inside the liquid (1), is animated by oscillations and used for the transmission of the oscillations on the surface of the liquid, water for example.

2. Device for implementing the method according to claim 1, characterized in that the channeling system (2) opens into the liquid (1) and is coupled to an oscillation generator (18 to 21) intended to produce pressure oscillations.

3. Device according to claim 2, characterized in that the liquid column (5) is directly coupled to the oscillation generator.

4. Device according to claim 2, characterized in that the channeling system (2) ending in the liquid (1) is shaped in the region of its mouth so that the liquid column (5) is formed by capillarity.

5. Device according to claim 4, characterized -an that the oscillation generator is formed by a membrane (20) coupled to the vibrating element (19) of a loudspeaker.

6. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the channeling system (2) ending in the liquid (1) is shaped in the region of its mouth like a small tube (3) which is disposed approximately perpendicular to the liquid surface and whose diameter is small enough for the liquid column (5) to be able to form by capillarity.

7. Device according to claim 4 or 5, characterized in that the channeling system (2) ending in the liquid (1) is shaped in the region of its mouth like a U-shaped element (8) open at the bottom and elongated shape, the lateral wings (9, 10 respectively 14, 15) have a sufficiently small spacing to ensure the formation of a column of liquid inside by capillarite, the spacing being for example 2 mm.

8. Device according to claim 7, installed on a wave tank, characterized in that one (9, 14) of the two wings (9, 10 respectively 14, 15) of the U-shaped element (8) s' extends to the bottom (4) of the wave tank.

9. Device according to claim 7 or 8, characterized in that the U-shaped element (8) of elongated shape is rectilinear.

10. Device according to claim 7 or 8J characterized in that the U-shaped element (8) of elongated shape is curved, circular for example.