PL247946B1 - Generator fal akustycznych uderzeniowych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest generator fal akustycznych uderzeniowych, do zastosowania do celów naukowych, zwłaszcza w laboratoriach fizycznych. Generator zawiera cylinder (1), którego jeden koniec jest zamknięty szczelnie połączonym z nim na stałe dnem (2), zaś drugi koniec jest zamykany szczelnie pokrywą (3) w kształcie koła, połączoną zawiasowo z cylindrem (1) za pomocą sworznia (4), przechodzącego przez prostokątny wypust w dolnym brzegu tej pokrywy i prostokątny wypust w ścianie cylindra (1). W górnej części pokrywa (3) ma też prostokątny wypust, przylegający do prostokątnego wypustu w ścianie cylindra (1) i na te wypusty jest nasuwana od góry zrywana obejma (5) w kształcie prostokątnego pierścienia. Cylinder (1) wraz z dnem (2) i pokrywa (3) są wykonane z metalu sprężystego, zaś obejma (5) jest wykonana z metalu o małej sprężystości i małej wytrzymałości na rozrywanie. Do obu końców cylindra (1) są przymocowane od dołu słupki (6, 7) w kształcie prętów o przekroju poprzecznym kwadratowym i dolne końce tych słupków są osadzone na wcisk w otworach płyty uchylnej (8) w kształcie prostokąta. Płyta (8) jest połączona zawiasowo z poziomą podstawą (9), też w kształcie prostokąta, za pomocą osi (10), przechodzącej przez otwór wzdłuż dolnego boku płyty (8) i otwory w dwóch prostokątnych wspornikach, przykręconych do boków podstawy (9) za pomocą śrub na jednym jej końcu. Do boków podstawy (9) na jej drugim końcu są przykręcone dwie prowadnice (15), (16) w kształcie łuków za pomocą śrub (17), (18).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest generator fal akustycznych uderzeniowych, mający zastosowanie do celów naukowych, zwłaszcza w laboratoriach fizycznych do badania właściwości materiałów i odporności urządzeń na dźwięki o dużym natężeniu.

Z książki Szczepana Szczeniowskiego 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, przy czym na końcach struny tworzą się węzły fali stojącej.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że generator fal akustycznych uderzeniowych zawiera cylinder, którego jeden koniec jest zamknięty szczelnie połączonym z nim na stałe dnem, zaś drugi koniec jest zamykany szczelnie pokrywą w kształcie koła, połączoną zawiasowo z cylindrem za pomocą sworznia, przechodzącego przez prostokątny wypust w dolnym brzegu tej pokrywy i prostokątny wypust w ścianie cylindra. W górnej części pokrywa ma też prostokątny wypust, przylegający do prostokątnego wypustu w ścianie cylindra i na te wypusty jest nasuwana od góry zrywana obejma w kształcie prostokątnego pierścienia. Cylinder wraz z dnem i pokrywa są wykonane z metalu sprężystego, korzystnie ze stali nierdzewnej, zaś obejma jest wykonana z metalu o małej sprężystości i małej wytrzymałości na rozrywanie, korzystnie z aluminium. Do obu końców cylindra są przymocowane od dołu słupki w kształcie prętów o przekroju poprzecznym kwadratowym i dolne końce tych słupków są osadzone na wcisk w otworach płyty uchylnej w kształcie prostokąta. Płyta jest połączona zawiasowo z poziomą podstawą, też w kształcie prostokąta, za pomocą osi, przechodzącej przez otwór wzdłuż dolnego boku płyty i otwory w dwóch prostokątnych wspornikach, przykręconych do boków podstawy za pomocą śrub na jednym jej końcu. Do boków podstawy na jej drugim końcu są przykręcone dwie prowadnice w kształcie łuków za pomocą śrub. Prowadnice mają wycięcia, przez które przechodzą śruby z radełkowanymi łbami wkręcone w boki płyty. W środku cylindra znajdują się dwie kulki iskiernika nie stykające się ze sobą i osadzone na prętach, przechodzących wzdłuż średnicy cylindra przez cylindryczne izolatory, osadzone w ścianie cylindra, przy czym wychodzące na zewnątrz końce tych prętów są przyłączone giętkimi przewodami w izolacji, przechodzącymi przez otwór w płycie do wyjścia zasilacza impulsowego wysokiego napięcia, przymocowanego do podstawy. Zasilacz wytwarza impulsy napięcia o częstotliwości regulowanej pokrętłem i amplitudzie regulowanej innym pokrętłem, sprzężonym z wyłącznikiem zasilacza. Ponadto kulki i pręty, na których są one osadzone, są wykonane z metalu trudnotopliwego, korzystnie z wolframu, natomiast izolatory są wykonane z materiału o dużej rezystywności i odpornego na wysoką temperaturę, korzystnie ze szkła kwarcowego.

Zaletą rozwiązania jest wytwarzanie powtarzalnych impulsów fal akustycznych o bardzo dużym natężeniu, których czas trwania i energia mogą być w ławy sposób zmieniane.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok generatora z boku, fig. 2 stanowi jego wygląd z góry, natomiast fig. 3 pokazuje widok generatora z przodu.

Generator fal akustycznych uderzeniowych zawiera cylinder 1, którego jeden koniec jest zamknięty szczelnie połączonym z nim na stałe dnem 2, zaś drugi koniec jest zamykany szczelnie pokrywą 3 w kształcie koła, połączoną zawiasowo z cylindrem 1 za pomocą sworznia 4, przechodzącego przez prostokątny wypust w dolnym brzegu tej pokrywy i prostokątny wypust w ścianie cylindra 1. W górnej części pokrywa 3 ma też prostokątny wypust, przylegający do prostokątnego wypustu w ścianie cylindra 1 i na te wypusty jest nasuwana od góry zrywana obejma 5 w kształcie prostokątnego pierścienia. Cylinder 1 wraz z dnem 2 i pokrywa 3 są wykonane ze stali nierdzewnej, zaś obejma 5 jest wykonana z aluminium. Do obu końców cylindra 1 są przymocowane od dołu słupki 6, 7 w kształcie prętów o przekroju poprzecznym kwadratowym i dolne końce tych słupków są osadzone na wcisk w otworach płyty uchylnej 8 w kształcie prostokąta. Płyta 8 jest połączona zawiasowo z poziomą podstawą 9, też w kształcie prostokąta, za pomocą osi 10, przechodzącej przez otwór wzdłuż dolnego boku płyty 8 i otwory w dwóch prostokątnych wspornikach 11, 12, przykręconych do boków podstawy 9 za pomocą śrub 13, 14 na jednym jej końcu. Do boków podstawy 9 na jej drugim końcu są przykręcone dwie prowadnice 15, 16 w kształcie łuków za pomocą śrub 17, 18. Prowadnice 15, 16 mają wycięcia, przez które przechodzą śruby 19, 20 z radełkowanymi łbami wkręcone w boki płyty 8. W środku cylindra 1 znajdują się dwie kulki iskiernika 21,22 nie stykające się ze sobą i osadzone na prętach, przechodzących wzdłuż średnicy cylindra 1 przez cylindryczne izolatory 23, 24, osadzone w ścianie cylindra, przy czym wychodzące na zewnątrz końce tych prętów są przyłączone giętkimi przewodami w izolacji 25, przechodzącymi przez otwór 26 w płycie 8 do wyjścia zasilacza impulsowego wysokiego napięcia 27, przymocowanego do podstawy 9.

Zasilacz 27 wytwarza impulsy napięcia o częstotliwości f, regulowanej pokrętłem 28 i amplitudzie U, regulowanej pokrętłem 29, sprzężonym z wyłącznikiem zasilacza 27. Kulki 21,22 i pręty, na których są one osadzone, są wykonane z wolframu, natomiast izolatory 23, 24 są wykonane ze szkła kwarcowego.

Zasada działania generatora fal akustycznych uderzeniowych polega na tym, że początkowo cylinder 1 jest szczelnie zamknięty pokrywą 3, przytrzymywaną w pozycji dociśniętej do końca cylindra 1 za pomocą obejmy 5, nasuniętej od góry na wypusty rury 1 i pokrywy 3. W tej sytuacji pokrętłem 29 włącza się zasilacz 27 i ustala wstępnie amplitudę impulsów napięcia U, które powodują wyładowania elektryczne między kulkami 21 i 22. Następujące seryjnie wyładowania są słyszalne, jako trzaski oraz powodują wzrosty i spadki ciśnienia powietrza wypełniającego rurę 1, które rozchodzą się w tej rurze, jako fale akustyczne, ulegające odbiciu do dna 2 i pokrywy 3. Z kolei pokrętłem 28 ustala się częstotliwość f impulsów napięcia na wartości f = nv/(2L), która jest równa jednej z częstotliwości rezonansowych rury o długości L w zbudowanym generatorze. W podanym wzorze n oznacza liczbę naturalną, zaś v jest prędkością rozchodzenia się fal akustycznych w powietrzu, wypełniającym rurę 1. W tej sytuacji w rurze 1 dochodzi do rezonansu i jest wytwarzana fala akustyczna stojąca 30, której węzły znajdują się na zamkniętych końcach tej rury. Zwiększając pokrętłem 29 amplitudę impulsów napięcia powoduje się rezonansowy wzrost amplitudy fali stojącej i energii zgromadzonej w rurze 1. Po pewnym czasie, nazywanym czasem pompowania rezonatora, ciśnienie fali akustycznej stojącej 30, wytworzonej w rurze 1 i działające na pokrywę 3 jest tak duże, że powoduje zerwanie obejmy 5 i opadnięcie tej pokrywy do pozycji 31. To z kolei powoduje przekształcenie się fali stojącej 30 w impuls fali akustycznej uderzeniowej o dużym natężeniu, wyemitowany jako fala bieżąca z otwartego końca rury 1 i rozchodzący się w powietrzu. W celu wytworzenia kolejnego impulsu fali uderzeniowej należy wyłączyć zasilacz 27 pokrętłem 29, podnieść pokrywę 3 do pozycji początkowej, nałożyć nową obejmę 5 na wypusty rury 1 i pokrywy 3, zamykając przez to szczelnie rurę 1. Dalej postępuje się w sposób opisany poprzednio, przy czym można ustawić pokrętłem 28 inną częstotliwość rezonansową wyładowań f, odpowiadającą innej wartości n. Kierunek, w którym są wysyłane impulsy fali akustycznej uderzeniowej można zmieniać przez zmianę kąta nachylenia do poziomu płyty 8, połączonej zawiasowo z podstawą 9. W tym celu odkręca się ręcznie śruby 19, 20, obraca płytę 8, doprowadzając ją do wymaganej pozycji. Po tym znowu dokręca się ręcznie śruby 19, 20, dociskając je do prowadnic 15, 16, co powoduje zamocowanie płyty 8 w wybranej pozycji. Wykonanie cylindra 1 wraz z dnem 2 i pokrywą 3 z metalu sprężystego, korzystnie ze stali nierdzewnej zapewnia wysoką dobroć rury 1, jako rezonatora i wytworzenie impulsu fali akustycznej uderzeniowej o dużym natężeniu. Ponadto stal nierdzewna zabezpiecza cylinder 1 z dnem 2 i pokrywę 3 przed korozją w powietrzu o podwyższonej temperaturze, spowodowanej wyładowaniami elektrycznymi. Również wykonanie kulek 21, 22 i prętów, na których te kulki są osadzone, z wolframu oraz izolatorów 23, 24 ze szkła kwarcowego, zapewnia odporność tych elementów na wysoką temperaturę podczas wyładowań elektrycznych. Z kolei wykonanie obejmy 5 z metalu o małej sprężystości i małej wytrzymałości na rozrywanie, korzystnie z aluminium, umożliwia łatwe otwarcie rury 1 i wyemitowanie fali akustycznej uderzeniowej. Energię tej fali można zmieniać również przez zmianę przekroju poprzecznego obejmy 5, przy czym zastosowanie obejmy o większym przekroju poprzecznym umożliwia wytworzenie fali o większej energii.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Generator fal akustycznych uderzeniowych, znamienny tym, że zawiera cylinder (1), którego jeden koniec jest zamknięty szczelnie połączonym z nim na stałe dnem (2), zaś drugi koniec jest zamykany szczelnie pokrywą (3) w kształcie koła, połączoną zawiasowo z cylindrem (1) za pomocą sworznia (4), przechodzącego przez prostokątny wypust w dolnym brzegu tej pokrywy i prostokątny wypust w ścianie cylindra (1), a ponadto w górnej części pokrywa (3) ma też prostokątny wypust, przylegający do prostokątnego wypustu w ścianie cylindra (1) i na te wypusty jest nasuwana od góry zrywana obejma (5) w kształcie prostokątnego pierścienia, a ponadto cylinder (1) wraz z dnem (2) i pokrywa (3) są wykonane z metalu sprężystego, zaś obejma (5) jest wykonana z metalu o małej sprężystości i małej wytrzymałości na rozrywanie, a oprócz tego do obu końców cylindra (1) są przymocowane od dołu słupki (6, 7) w kształcie prętów o przekroju poprzecznym kwadratowym i dolne końce tych słupków zostały osadzone na wcisk w otworach płyty uchylnej (8) w kształcie prostokąta, a ponadto płyta (8) jest połączona zawiasowo z poziomą podstawą (9), też w kształcie prostokąta, za pomocą osi (10) przechodzącej przez otwór wzdłuż dolnego boku płyty (8) i otwory w dwóch prostokątnych wspornikach (11, 12), przykręconych do boków podstawy (9) za pomocą śrub (13, 14) na jednym jej końcu, a poza tym do boków podstawy (9) na jej drugim końcu są przykręcone dwie prowadnice (15, 16) w kształcie łuków za pomocą śrub (17, 18), a ponadto prowadnice (15, 16) mają wycięcia, przez które przechodzą śruby (19, 20) z radełkowanymi łbami wkręcone w boki płyty (8), natomiast w środku cylindra (1) znajdują się dwie kulki iskiernika (21, 22) nie stykające się ze sobą i osadzone na prętach, przechodzących wzdłuż średnicy cylindra (1) przez cylindryczne izolatory (23, 24), osadzone w ścianie cylindra, przy czym wychodzące na zewnątrz końce tych prętów są przyłączone giętkimi przewodami w izolacji (25), przechodzącymi przez otwór (26) w płycie (8) do wyjścia zasilacza impulsowego wysokiego napięcia (27), przymocowanego do podstawy (9), a poza tym zasilacz (27) wytwarza impulsy napięcia o częstotliwości (f), regulowanej pokrętłem (28) i amplitudzie (U), regulowanej pokrętłem (29), sprzężonym z wyłącznikiem zasilacza (27), a poza tym kulki (21,22) i pręty, na których są one osadzone, są wykonane z metalu trudnotopliwego, natomiast izolatory (23, 24) są wykonane z materiału o dużej rezystywności i odpornego na wysoką temperaturę.
2. 2. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że cylinder (1) wraz z dnem (2) i pokrywa (3) są wykonane ze stali nierdzewnej.
3. 3. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że obejma (5) jest wykonana z aluminium.

   PL 247946 Β1
4. 4. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że kulki (21, 22) i pręty, na których są one osadzone, są wykonane z wolframu.
5. 5. Generator według zastrz. 1, znamienny tym, że izolatory (23, 24) są wykonane ze szkła kwarcowego.