PL228918B1 - Generator fal akustycznych impulsowych - Google Patents

Description

Generator fal akustycznych impulsowych

	(73) Uprawniony z patentu:
(43) Zgłoszenie ogłoszono:	UNIWERSYTET ŁÓDZKI, Łódź, PL
03.07.2017 BUP 14/17	(72) Twórca(y) wynalazku:
	STANISŁAW BEDNAREK, Łódź, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
30.05.2018 WUP 05/18	(74) Pełnomocnik:
	rzecz, pat. Wojciech Zajączkowski

oo σ>

oo

CM

CM

Ω.

PL 228 918 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator fal akustycznych impulsowych przeznaczony do wytwarzania fal akustycznych impulsowych, mający zastosowanie w technice laboratoryjnej przy badaniu materiałów, w szczególności poddanych zmiennym naprężeniom mechanicznym o dużej amplitudzie.

Z książki Szczepana Szczerbowskiego pod tytułem „Fizyka doświadczalna, część I, mechanika i akustyka”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1972 r. znany jest przyrząd do wytwarzania fal akustycznych, nazywany rurą Kundta. Przyrząd ten składa się ze szklanej rury umieszczonej poziomo. Z jednej strony do rury wsunięta jest lekka tarcza wykonana z korka i osadzona na pręcie zamocowanym w środku jego długości, natomiast z drugiej strony do rury wsunięty jest metalowy tłok, również zamocowany na pręcie. Wewnątrz rury na dolnej części jej powierzchni znajduje się proszek otrzymany ze zmielonego korka. Działanie znanego przyrządu polega na tym, że w pręcie wzbudza się drgania podłużne przez pocieranie go tkaniną posypaną sproszkowaną kalafonią. Drgania te przenoszone są na tarczę z korka i na słup powietrza, znajdujący się w rurze. Przez przesuwanie tłoka dobiera się taką długość słupa powietrza, na której mieści się nieparzysta liczba ćwiartek długości fali rozchodzącej się w powietrzu. Wówczas w słupie powietrza tworzy się fala stojąca, przy czym na powierzchni tłoka powstaje węzeł, a na tarczy strzałka. Amplituda drgań tej fali uwidacznia się przez zróżnicowaną szerokość rozkładu korka, która jest najmniejsza w węzłach fali, a największa przy strzałkach.

Rura Kundta o podobnej konstrukcji i zasadzie działania znana jest również z książki Henryka Szydłowskiego, zatytułowanej „Pracownia fizyczna” i wydanej przez Wydawnictwo Naukowe PWN w Warszawie w 1994 r.

Z kolei w książce Mieczysława Jeżewskiego pod tytułem „Fizyka”, wydanej przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1970 r. opisany jest przyrząd do wytwarzania fal akustycznych w pionowym słupie powietrza. Przyrząd ten składa się z pionowej rury szklanej, otwartej od góry i zwężonej u dołu. Na to zwężenie nałożony jest jeden koniec węża gumowego, uformowanego w kształcie litery U. Drugi koniec tego węża nałożony został na dolną końcówkę szklanego rezerwuaru w kształcie kulistym, otwartego od góry. Rezerwuar, wąż oraz dolna część rury stanowią naczynia połączone i wypełnione są wodą, której powierzchnia w rezerwuarze i w rurze jest na tym samym poziomie. Działanie przyrządu polega na tym, że nad górnym, otwartym końcem rury umieszcza się kamerton pobudzony do drgań przez uderzenie w niego młoteczkiem. Drgania kamertonu przenoszone są na słup powietrza, znajdujący się w rurze ponad powierzchnią wody. Przez przesuwanie rezerwuaru w górę albo w dół, reguluje się poziom wody i wysokość słupa powietrza w pionowej rurze, aż do osiągnięcia takiej wartości, na której mieści się nieparzysta liczba ćwiartek długości fali wytwarzanej przez kamerton. Wtedy przy górnym końcu rury tworzy się strzałka fali stojącej, a przy powierzchni wody węzeł i następuje wzmocnienie drgań słupa powietrza, które jest słyszalne, jako głośniejszy dźwięk.

Ponadto w podręczniku B. Jaworskiego i A. Dietłafa, zatytułowanym „Kurs fizyki, Tom III, ruch falowy, optyka, fizyka atomowa i jądrowa”, wydanym przez Państwowe Wydawnictwo Naukowe w Warszawie w 1971 r. opisane są metalowe struny naprężone i zamocowane na obu końcach. Struny te pobudza się do drgań przez szarpnięcie. W wyniku tego wytwarzane są drgania, początkowo o różnych częstotliwościach i długościach fali. Spośród tych drgań wzmacniane są drgania o takich częstotliwościach, dla których długość struny jest równa wielokrotności połówek długości fali, czy czym na końcach struny tworzą się węzły fali stojącej.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że generator fal akustycznych impulsowych zawiera zamkniętą komorę roboczą w kształcie graniastosłupa o podstawie wielokąta foremnego, mającego parzystą liczbę boków. Do każdej z bocznych, prostokątnych ścianek tej komory przymocowana jest prostopadle rura o przekroju kołowym i osie wszystkich rur przecinają się w jednym punkcie, stanowiącym środek komory roboczej. Każda z rur, wychodząca z sąsiednich ścianek bocznych pierwszej połowy komory roboczej jest zaopatrzona w głośnik elektrodynamiczny o dużej mocy, przymocowany do zewnętrznego końca tej rury i wszystkie głośniki połączone są szeregowo z generatorem impulsów elektrycznych o regulowanej częstotliwości i amplitudzie. Każda z przeciwległych rur wychodząca ze ścianki bocznej drugiej połowy komory roboczej ma koniec zewnętrzny zamknięty i wyposażon y w tulejkę z gwintem, w którą wkręcony jest nagwintowany pręt zakończony kołnierzem, umieszczonym w nakładce przymocowanej do tłoka znajdującego się wewnątrz rury. Ponadto, każda rura zaopatrzona w głośnik jest zamknięta sztywną przegrodą, umieszczoną bezpośrednio przed kołnierzem głośnika oraz mającą podłużny otwór, zasłonięty przez przymocowane do przegrody dwa sprężyste paski o wewnętrznych brzegach, przylegających do siebie i wygiętych w stronę komory roboczej. Komora robocza, rury,

PL 228 918 B1 tłoki i przegrody są wykonane z materiału o dużym współczynniku odbicia fal akustycznych, korzystnie ze stali, albo mosiądzu, natomiast paski zostały wykonane, korzystnie z kauczuku silikonowego.

W środku komory roboczej zamocowany jest pręt z próbką badanego materiału, podawanego działaniu fal akustycznych.

Główną zaletą impulsowego generatora fal akustycznych impulsowych według wynalazku jest wytwarzanie w komorze roboczej drgań o dużej amplitudzie w wyniku konstruktywnej interferencji fal impulsowych. Dodatkowymi zaletami są możliwość regulacji amplitudy i częstotliwości tych drgań oraz zabezpieczenie głośników przed uszkodzeniem.

Generator fal akustycznych impulsowych według wynalazku pokazany jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok ogólny generatora, natomiast fig. 2 pokazuje przekrój osiowy przez jedną parę rur i komorę roboczą.

Generator fal akustycznych impulsowych zawiera zamkniętą komorę roboczą 1 w kształcie graniastosłupa o podstawie sześciokąta foremnego, którego bok wynosi 150 mm. Do każdej z bocznych, prostokątnych ścianek tej komory przymocowana jest prostopadle rura 2 o średnicy 120 mm i długości 460 mm, zaś osie wszystkich rur przecinają się w jednym punkcie, stanowiącym środek komory roboczej. Każda z rur 2, wychodząca z trzech sąsiednich ścianek bocznych pierwszej połowy komory roboczej 1 jest zaopatrzona w głośnik elektrodynamiczny 3 o mocy 80 W, przymocowany do zewnętrznego końca tej rury i wszystkie głośniki połączone są szeregowo z generatorem impulsów elektrycznych G o regulowanej częstotliwości i amplitudzie. Każda z przeciwległych rur 4 o średnicy 120 mm i długości 460 mm, wychodząca z trzech ścianek bocznych drugiej połowy komory roboczej 1 ma koniec zewnętrzny zamknięty i wyposażony w tulejkę z gwintem 5, w którą wkręcany jest nagwintowany pręt 6, zakończony kołnierzem umieszczonym w nakładce 7, przymocowanej do tłoka 8, znajdującego się wewnątrz rury. Ponadto, każda rura 1, zaopatrzona w głośnik 3 jest zamknięta sztywną przegrodą 9, umieszczoną bezpośrednio przed kołnierzem głośnika 3 oraz mającą podłużny otwór, zasłonięty przez przymocowane do przegrody dwa sprężyste paski 10 o wewnętrznych brzegach, przylegających do siebie i wygiętych w stronę komory roboczej 1. Komora robocza 1, rury 2, 4, tłoki 8 i przegrody 9 są wykonane ze stali, natomiast paski 10 zostały wykonane z kauczuku silikonowego. W środku komory roboczej zamocowany jest pręt z próbką badanego materiału 11, podawanego działaniu fal akustycznych.

Zasada działania generatora fal akustycznych impulsowych zasady działania generatora fal akustycznych impulsowych według wynalazku polega na tym, że po włączeniu generatorem impulsów elektrycznych G oraz ustaleniu amplitud i częstotliwości wytwarzanego przez niego napięcia, membrany głośników elektrodynamicznych 3 wykonują ruchy drgające o tych samych częstotliwościach. Szeregowe połączenie głośników zapewnia tę samą fazę drgań wszystkich membran, które z kolei wytwarzają impulsy falowe, rozchodzące się w słupach powietrza zawartych w rurach 2, 4. Impulsy te dochodzą do tłoków 8 i odbijają się od nich ze zmianą fazy na przeciwną, a następnie wracają w kierunku przegród 9 i również odbijają się od nich też ze zmianą fazy na przeciwną, po czym poruszają się znowu w kierunku tłoków 8. W tym momencie generator G wytwarza kolejny impuls elektryczny, co powoduje wytworzenie przez membrany głośników 3 następnego impulsu falowego, który interferuje konstruktywnie z impulsem odbitym. W ten sposób pojawia się wzmocniony impuls falowy poruszający się w stronę tłoków 8. Następnie opisane zjawiska powtarzają się, powodując dalsze wzmocnienie impulsów falowych, poruszających się w rurach 2, 4. Ponadto impulsy ze wszystkich rur przechodzą jednocześnie przez komorę roboczą 1 i również konstruktywnie interferują ze sobą, co skutkuje wytwarzaniem impulsu wypadkowego o jeszcze większym natężeniu, który oddziałuje na badaną próbkę 11. Przez obracanie nagwintowanych prętów 6 powoduje się przesuwanie tłoków 8 i dokładne dobranie długości słupów powietrza w rurach 2, 4, co zapewnia jednoczesne spotykanie się wszystkich impulsów falowych i osiągnięcie maksymalnego wzmocnienia. Zewnętrzne brzegi sprężystych pasków 10, dzięki ich wygięciu, rozchylają się podczas ruchu membran głośników 3 w kierunku środka komory roboczej 1, natomiast pozostają zamknięte podczas padania na przegrodę odbijającego się impulsu falowego lub ruchu membran w kierunku przeciwnym. W ten sposób paski 10 spełniają rolę zastawek, ułatwiających jednokierunkowe przekazywanie energii drgań do słupów powietrza oraz zabezpieczających membrany głośników 3 przed zbyt dużą amplitudą drgań i ich uszkodzeniem.

Claims (3)

1. PL 228 918 Β1

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Generator fal akustycznych impulsowych, mający głośniki elektrodynamiczne dużej mocy, zamocowane na końcach rur i połączone szeregowo z generatorem impulsów elektrycznych oraz pręt z próbką badanego materiału, znamienny tym, że zawiera zamkniętą komorę roboczą (1) w kształcie graniastosłupa o podstawie wielokąta foremnego, mającego parzystą liczbę boków, przy czym do każdej z bocznych, prostokątnych ścianek komory (1) przymocowana jest prostopadle rura (2) albo (4) o przekroju kołowym i osie wszystkich rur przecinają się w jednym punkcie, stanowiącym środek komory roboczej (1), a ponadto każda z rur (4), wychodząca ze ścianki bocznej drugiej połowy komory roboczej (1) ma koniec zewnętrzny zamknięty i wyposażony w tulejkę (5) z gwintem, w którą wkręcony jest nagwintowany pręt (6), zakończony kołnierzem, umieszczonym w nakładce (7), przymocowanej do tłoka (8), znajdującego się wewnątrz rury (4), przy czym każda rura (2), zaopatrzona w głośnik (3) jest zamknięta sztywną przegrodą (9), umieszczoną bezpośrednio przed kołnierzem głośnika oraz mającą podłużny otwór, zasłonięty przez przymocowane do przegrody (9) dwa sprężyste paski (10) o wewnętrznych brzegach, przylegających do siebie i wygiętych w stronę komory roboczej (1).
2. 2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że komora robocza (1), rury (2, 4), tłoki (8) i przegrody (9) są wykonane z materiału o dużym współczynniku odbicia fal akustycznych, korzystnie ze stali albo mosiądzu.
3. 3. Generator według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że paski (10) są wykonane z kauczuku silikonowego.