SE467077B

SE467077B - Generator for acoustic pressure waves

Info

Publication number: SE467077B
Application number: SE9003063A
Authority: SE
Inventors: B Holm
Original assignee: Conson Ab
Priority date: 1990-09-27
Filing date: 1990-09-27
Publication date: 1992-05-18
Also published as: SE9003063D0; SE9003063L

Abstract

Generator for acoustic pressure waves of audible frequency or lower frequency down to and within the infrasonic range. It comprises a pressure chamber 11 which is connected to an acoustic resonant member 20 and is arranged in the form of a gap space between two delimiting walls, one 6 of which can be acted on magnetically so as to be imparted a movement relative to the other, which periodically changes the volume of the gap space. Magnets 12, 13 are arranged on opposite sides of the gap space so as, by means of periodically varying magnetic force fields, to impart to said one delimiting wall an oscillating movement with components both in the extent of the delimiting wall and across the gap space. <IMAGE>

Description

4 2 appÉåZer9¿7Zörn. En typisk högeffektljudsändare av sådant slag är baserad på vevstaksdrift med kolv i en cylinder, vars volym till en del bildar tryckkammare, ansluten till ett resonanshorn. Hornets impedans kan på grund av mekanismen aldrig motverka kolvrörelsen, förutsatt att den mekaniska drivkraften är tillräcklig. Denna typ av ljudalstring är på så sätt karakteriserad av extrema högimpedansegenskaper. 4 2 appÉåZer9¿7Zörn. A typical high-power sound transmitter of this kind is based on connecting rod drive with piston in a cylinder, the volume of which partly forms a pressure chamber, connected to a resonant horn. Due to the mechanism, the impedance of the horn can never counteract the piston movement, provided that the mechanical driving force is sufficient. This type of sound stringing is thus characterized by extreme high impedance characteristics.

Mot bakgrund av verkningsgradens stora betydelse, särskilt vid generering av höga effektnivåer, har ytterligare en prin- cip utvecklats, där mekanismen för tryckkammarens oscillation kunnat förenklas och effektiviseras. Relativt hög impedans möjliggöres utan komplicerad vev- och kolvmekanism. Tillräck- ligt höga frekvenser kan åstadkommas - vid elmotordrift utan att rotationen måste växlas upp till hastigheter med besvä- rande masströghetsproblem. Denna nya princip baseras på ett dynamiskt magnetfält för kraftöverföringen till ett oscille- rande organ och kallas därför magnetodynamisk. Ett utförande, som är beskrivet i patentet SE - B - 452 541, innefattar en rotationssymmetrisk tryckkammare bildad av ett mantelformat spaltutrymme, vilket till sin volym periodiskt påyerkas av ett magnetfält i rotationsrörelse. Magnetkrafterna vid en periodiskt varierande spalt kan tack vare sin progressivitet i viss mån jämföras med krafterna vid mekaniskt kopplade mekanismer; man slipper dock en rad besvärande nackdelar.In view of the great importance of efficiency, especially when generating high power levels, another principle has been developed, where the mechanism for the oscillation of the pressure chamber has been simplified and made more efficient. Relatively high impedance is possible without complicated crank and piston mechanism. Sufficiently high frequencies can be achieved - during electric motor operation without the rotation having to be shifted up to speeds with troublesome mass inertia problems. This new principle is based on a dynamic magnetic field for the power transmission to an oscillating organ and is therefore called magnetodynamic. An embodiment, which is described in the patent SE - B - 452 541, comprises a rotationally symmetrical pressure chamber formed by a jacket-shaped gap space, which in its volume is periodically affected by a magnetic field in rotational motion. Due to its progressiveness, the magnetic forces at a periodically varying gap can to some extent be compared with the forces at mechanically coupled mechanisms; however, it avoids a number of troublesome disadvantages.

Metoden erbjuder impedansegenskaper som kan förbättra anpass- ningen till resonanshorn.The method offers impedance properties that can improve the adaptation to resonant horns.

Föreliggande uppfinning avser en generator av inledningsvis angivet slag; i syfte att uppnå hög driftsäkerhet, hög verk- ningsgrad och hög akustisk effekt under utnyttjande av ett fördelaktigt enkelt drivsystem har en tryckvågsgenerator en- ligt uppfinningen erhållit kännetecken som angivits i patent- kravet 1. I den magnetodynmiska generatorn enligt uppfinning- en förändras en tryckkammares volym med viss amplitud och frekvens. Båda storheterna bestämmes av ett varierande mag- netfält, exempelvis roterande med permanenta magneter. Tryck- kammaren är till sin natur och form ett magnetiskt gap, som kan vara mantelformat med en längs axelns ena riktning avta- gande,tvärsnitt. Genom att ena väggen i tryckkammaren är ax- ielltirörlig i förhållande till en motsatt begränsningsvägg åstadkommas volymändringar, vilka medför tryckvariationer i takt med rörelsen. Tryckvariationerna kan få en avsevärd amp- litud tack vare anslutning av tryckkammaren mot en hög utim- pedans; ett resonanshorn är här ett naturligt organ för över- föring till den yttre omgivningen.The present invention relates to a generator of the kind indicated at the outset; In order to achieve high operational reliability, high efficiency and high acoustic power while utilizing an advantageous simple drive system, a pressure wave generator according to the invention has obtained characteristics as claimed in claim 1. In the magnetodynamic generator according to the invention, a pressure chamber volume with a certain amplitude and frequency. Both quantities are determined by a varying magnetic field, for example rotating with permanent magnets. The pressure chamber is by its nature and shape a magnetic gap, which can be shell-shaped with a decreasing cross-section along one direction of the axis. Because one wall in the pressure chamber is axially movable in relation to an opposite boundary wall, volume changes are effected, which result in pressure variations in step with the movement. The pressure variations can have a considerable amplitude thanks to the connection of the pressure chamber to a high outdoor impedance; a resonant horn is here a natural organ for transmission to the external environment.

För närmare förklaring av uppfinningen hänvisas till bifogade ritning, på vilken Fig 1 är en axialsektionsvy av en tryckvågsgenerator enligt uppfinningen, med en koniskt rotationssymmetrisk, axiellt rörlig trumma, Fig 2 är en utbredd mantelyta av en i generatorn ingående magnetrotor i 4-poligt utförande, vilket betyder 4 jämnt för- delade grupper av magneter, Fig 3 är en utbredd mantelyta av en magnetrotor såsom i Fig 2 men med dubbelverkande magnetsystem, och Fig 4 är en del av axialsektionsvyn enligt Fig 1 men med ett elektromagnetiskt styrt spärrdon för blockering av trummans oscillation. nl 3 467 077 Med hänvisning till Fig 1 innefattar den visade anordningen förutom en elmotor (1) för direktdrift av en konisk magnetro- tor (2) ett i huvudsak koniskt hus (3), som tillsammans med en gavelfläns (4) och en fästfläns (5) innesluter en axiellt rörlig, till väsentlig del stel trumma (6), ävenledes av konisk form. Trumman är elastiskt infäst längs husets perife- ri medelst en ringformad planfjäder (7) och är därtill cent- rerad vid lilländen med hjälp av dels en styrhylsa (8), dels en ringmagnet (9), som är fäst vid rotoraxeln och vars repul- sionsfält verkar mot minst tre permanentmagneter (10), som är anbragta på trumman.For a more detailed explanation of the invention, reference is made to the accompanying drawing, in which Fig. 1 is an axial sectional view of a pressure wave generator according to the invention, with a conically rotationally symmetrical, axially movable drum, Fig. 2 is an extended mantle surface which means 4 evenly distributed groups of magnets, Fig. 3 is a widespread mantle surface of a magnetic rotor as in Fig. 2 but with double-acting magnet system, and Fig. 4 is a part of the axial section view according to Fig. 1 but with an electromagnetically controlled detent oscillation. Referring to Fig. 1, in addition to an electric motor (1) for direct drive of a conical magnet rotor (2), the device shown comprises a substantially conical housing (3), which together with an end flange (4) and a mounting flange (5) encloses an axially movable, substantially rigid drum (6), also of conical shape. The drum is elastically attached along the periphery of the housing by means of an annular planar spring (7) and is centered thereon at the small end by means of a guide sleeve (8) and an annular magnet (9), which is attached to the rotor shaft and whose repulsion field of action acts on at least three permanent magnets (10), which are mounted on the drum.

Mellan trumman (6) och den av elmotorn (1) drivna rotorn (2) bildas det gap (11) med mantelformad utbredning, som utgör tryckkammare för den akustiska alstringen av en tryckvâg.Between the drum (6) and the rotor (2) driven by the electric motor (1), a gap (11) with a mantle-shaped extension is formed, which constitutes a pressure chamber for the acoustic generation of a pressure wave.

Härvid utgör rotorns koniska yta den i rummet fasta, eller mer exakt icke oscillerande, begränsningsväggen i tryckkamma- ren, medan trumman med sin skalkonstruktion bildar en axiellt rörlig vägg i tryckkammaren. När trumman rör sig axiellt, förändras tryckkammarens volym sålunda, att en rörelse i riktning mot rotorns storände medför en kontraktipn av tryck- kammaren, innebärande minskad volym - och vice versa. Trum- mans generatris är i figuren visad parallell med rotorns, men så behöver inte nödvändigtvis vara fallet. Ett mot lilländen ökande gap kan nämligen vara motiverat av aerodynamiska skäl, särskilt vid mycket höga effekter. Üscillationskrafterna pâ trumman âstadkommes i det visade ut- förandet med hjälp av magneter i roterande rörelse, i figuren visade såsom permanentmagneter (12) infattade i en rotor. Al- ternativt kan elektromagneter användas, fasta eller roteran- de. Utefter trummans ytteryta finns ävenledes ett antal mag- neter (13), som i likhet med rotorn kan vara arrangerade i grupper för att bilda poler i det totala magnetodynamiska systemet. Till sin fördelning motsvaras trummans magneter av magneterna på rotorns yta, för den avsedda samverkan av mag- netkrafterna över gapet. I princip kan varje pol utgöras av en enda magnet på trumman och en motsvarande på rotorn; om detta är tillräckligt beror på magneternas styrka och på ef- fektbehovet. Magneternas placering inbördes pâ trumma och rotorlväljes så, att tillräcklig attraktionskraft uppstår, även när gapet däremellan är maximalt. Enligt de fysikaliska lagarna innebär detta krav, att viss ändring av magnetflödet skall bli följden av varje ändring av gapet. Ytterläget av trumman, när gapet är maximalt, bestämmes i huvudsak av direktionskraften hos den ringformade planfjädern (7). Läget när gapet är minst bestämmas i första hand av den progressiva fjäderkraften genom inverkan av det kurvformade sätet (14) och i andra hand av en ansatsring (15), som slutgiltigt för- hindrar så stor rörelse att trumman berör rotorns yta.In this case, the conical surface of the rotor forms the boundary wall in the space, which is fixed, or more precisely non-oscillating, in the pressure chamber, while the drum with its shell construction forms an axially movable wall in the pressure chamber. When the drum moves axially, the volume of the pressure chamber changes so that a movement in the direction of the large end of the rotor causes a contraction of the pressure chamber, which means reduced volume - and vice versa. The generator's generatrix is shown in the figure in parallel with the rotor, but this does not necessarily have to be the case. An increasing gap towards the small end can in fact be justified for aerodynamic reasons, especially at very high effects. The oscillating forces on the drum are effected in the embodiment shown by means of magnets in rotating motion, shown in the figure as permanent magnets (12) mounted in a rotor. Alternatively, electromagnets can be used, fixed or rotating. Along the outer surface of the drum there are also a number of magnets (13), which, like the rotor, can be arranged in groups to form poles in the overall magnetodynamic system. For its distribution, the magnets of the drum correspond to the magnets on the surface of the rotor, for the intended interaction of the magnetic forces across the gap. In principle, each pole can consist of a single magnet on the drum and a corresponding one on the rotor; whether this is sufficient depends on the strength of the magnets and on the power requirement. The position of the magnets relative to each other on the drum and rotor is chosen so that sufficient attraction occurs, even when the gap between them is maximum. According to the laws of physics, this requirement means that some change in the magnetic flux must result from each change in the gap. The outer position of the drum, when the gap is maximum, is mainly determined by the directional force of the annular flat spring (7). The position when the gap is smallest is determined primarily by the progressive spring force by the action of the curved seat (14) and secondarily by a shoulder ring (15), which ultimately prevents so much movement that the drum touches the surface of the rotor.

Vid rotorns kringvridning under drivning medelst motor eller manuellt - genom mekanisk hopkoppling - utsattes trumman med sina magneter för krafter, som är tangentiella, radiella och axiella. De tangentiella vridningskrafterna har ingen funk- tionell verkan på trumman, eftersom denna är periferiellt förankrad längs fjäderns (7) kanter. En särskilt fördelaktig utföringsform, som kan vara befogad vid höga överföringsef- fekter, kännetecknas av att särskilda repulsionsmagneter (16) och (17) alstrar ett rotationen motriktat vridmoment, som har maximal styrka i det rotationsläge, då gapet mellan trumman och rotorn har sitt minimum och attraktionen härmed sitt max- imum. Denna anordning innebär reducerat krav pâ fasthållning längs den ringformade fjäderns periferier. 467 Û77 5 PATENTKRAV 1. Generator för akustiska tryckvàgor av hörbar frekvens eller lägre frekvens ned till och inom infraljudomrâdet, innefattande en till ett akustiskt resonansorgan ansluten tryckkammare (11), anordnad som ett spaltutrymme mellan tvâ begränsningsväggar, varav den ena är magnetiskt påverkbar för att bibringas en spaltutrymments volym periodiskt förändrande rörelse relativt den andra, ß k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att magneter (12), (13) på spaltutrymmets motsatta sidor är anordnade att genom periodiskt varierande magnetiska kraft- fält bibringa den nämnda ena begränsningsväggen (6) en oscil- lerande rörelse med komposanter såväl i begränsningsväggens utsträckning som tvärs spaltutrymmet. .u 2. Generator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att den nämnda ena begränsningsväggen till tryckkammaren ut- göres av en i huvudsak konisk, rotationssymmetriskt formad trumma (6), som är förenad till en fast del (4) medelst ett fjädrande organ (7), vars axiella kraft på trumman ökar företrädesvis exponentiellt med dess rörelse. \ 3. -Generator enligt patentkrav 2, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att en motordriven eller manuellt driven rotor (2) är anord- nad koaxiellt inuti trumman och att magneterna innefattar ett antal utefter rotorns mantelyta periferiskt jämnt fördelade permanent- eller elektromagneter (12), (12') och för samver- kan därmed utefter trummans mantelyta periferiskt jämnt för- delade permanent- eller elektromagneter (13), varvid magne- terna tillsammans bildar poler i ett magnetodynamiskt system. 4. Generator enligt patentkrav 3, k ä nln e t e c k n a d d ä r a v, att permanent- eller elektromagneterna är anordnade på sådant sätt, att kraftfälten mellan rotorns och trummans magneter strävar att bibringa trumman periodisk, axiell rörelse betingad av de momentana inbördes lägena av ä ena sidan rotorns och å andra sidan trummans magneter, när rotorn för- sättes i rotation. 5. Generator enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att magneterna på endera av eller båda sidorna av spaltutrym- met utgöres av elektromagneter med sina spolar genomflutna av elektrisk ström med en periodicitet anpassad efter den önska- de frekvensen hos tryckkammarens volymändringar.When rotating the rotor during drive by motor or manually - by mechanical coupling - the drum with its magnets is subjected to forces which are tangential, radial and axial. The tangential torsional forces have no functional effect on the drum, since it is circumferentially anchored along the edges of the spring (7). A particularly advantageous embodiment, which may be justified at high transmission effects, is characterized in that special repulsion magnets (16) and (17) generate a rotation-opposite torque which has maximum strength in the rotational position when the gap between the drum and the rotor has its minimum and the attraction herewith its maximum. This device entails a reduced requirement for holding along the peripheries of the annular spring. 467 Û77 5 CLAIMS 1. Generator for acoustic pressure waves of audible frequency or lower frequency down to and within the infrasound range, comprising a pressure chamber (11) connected to an acoustic resonant means, arranged as a gap space between two boundary walls, one of which is magnetically actuatable to the volume of one gap space is periodically changing relative to the other, characterized in that magnets (12), (13) on the opposite sides of the gap space are arranged to impart to said one boundary wall (6) by periodically varying magnetic force fields oscillating movement with components both to the extent of the boundary wall and across the gap space. 2. A generator according to claim 1, characterized in that said one limiting wall to the pressure chamber is constituted by a substantially conical, rotationally symmetrically shaped drum (6), which is connected to a fixed part (4) by means of a resilient means (7), the axial force of which on the drum preferably increases exponentially with its movement. Generator according to claim 2, characterized in that a motor-driven or manually driven rotor (2) is arranged coaxially inside the drum and that the magnets comprise a number of permanent or electromagnets evenly distributed along the circumferential surface of the rotor (12). ), (12 ') and for co-operation therewith along the mantle surface of the drum peripherally evenly distributed permanent or electromagnets (13), the magnets together forming poles in a magnetodynamic system. 4. A generator according to claim 3, characterized in that the permanent or electromagnets are arranged in such a way that the force fields between the magnets of the rotor and the drum strive to impart periodic, axial movement to the drum due to the instantaneous mutual positions of one side the magnets of the rotor and on the other hand the drum, when the rotor is set in rotation. 5. A generator according to claim 1, characterized in that the magnets on either or both sides of the gap space consist of electromagnets with their coils traversed by electric current with a periodicity adapted to the desired frequency of the pressure chamber volume changes.

"J 6. Generator enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att magneterna bildar så orienterade poler, att momentan attraktion uppstår mellan å ena sidan rotorns poler (12) och ä andra sidan trummans poler (13). 5 467 077 En speciell utföringsform av en tryckvâgsgenerator enligt uppfinningen innebär, att magnetkrafterna mellan rotorn och trumman omväxlande verkar i båda axialriktningarna. Magnet- fältet över gapet blir på detta sätt dubbelverkande, med andra ord omväxlande attraherande och repellerande. I Fig 3 visas, hur denna effekt àstadkommes genom att varannan magnet eller grupp av magneter - pol i magnetodynamisk betydelse - har omvänd polaritet. En förutsättning är att samma förhål- lande skall gälla för trumman.Generator according to claim 3, characterized in that the magnets form such oriented poles that instantaneous attraction occurs between on the one hand the poles (12) of the rotor and on the other hand the poles (13) of the drum. 5 467 077 A special embodiment of a pressure wave generator according to the invention means that the magnetic forces between the rotor and the drum act alternately in both axial directions.The magnetic field across the gap thus becomes double-acting, in other words alternately attractive and repulsive.In Fig. 3 it is shown how this effect is achieved by every other magnet or group of magnets - pole in magnetodynamic sense - has the opposite polarity, a condition is that the same relationship applies to the drum.

Utföringsformen med dubbelverkande magnetsystem har en av sina fördelar däri, att âterföringskraften hos den ringforma- de fjädern (7) kan göras mindre utan samma krav på att fjä- derkraften i en rörelsefas skall upphäva attraktionskraften; detta är särskilt vid stora maskiner praktiskt betydelse- fullt. En annan fördel med växelverkan ligger däri, att lägre frekvenser kan genereras, genom att en 2-polig generator (det enklaste fallet) vid ett varvs kringvridning ger en komplett cykel i tryckkammaren. Detta förhållande bör jämföras med att tvâ arbetscykler per varv genereras vid tidigare beskrivna utföranden utan växelverkan. Eftersom en allmänt jypisk för- del hos den magnetodynamiska tryckvågsgenereringen ligger i den maskinella enkelheten, är särskilt för alstring av in- fraljud eller frekvenser nära infraljud den omständigheten väsentlig, att elmotorer med vanligt förekommande standard- varvtal kan användas.The embodiment with double-acting magnetic system has one of its advantages in that the return force of the annular spring (7) can be made smaller without the same requirement that the spring force in a movement phase must cancel the force of attraction; this is especially important in the case of large machines. Another advantage of interaction lies in the fact that lower frequencies can be generated by a 2-pole generator (the simplest case) when rotating one revolution giving a complete cycle in the pressure chamber. This ratio should be compared with the fact that two duty cycles per revolution are generated in previously described embodiments without interaction. Since a generally typical advantage of magnetodynamic pressure wave generation lies in the mechanical simplicity, the fact that electric motors with commonly occurring standard speeds can be used, especially for generating infrasound or frequencies close to infrasound.

Det fysikaliska tryckvâgsförloppet blir vid dubbelverkande magnetodynamiskt system mera likt en sinuskurva än vad fallet blir vid enkelverkande system. Vid industriell användning av ljud - exempelvis för rörelseaktivering - kan en sinusliknan- de väg vara en produktionsteknisk fördel, eftersom övertoner hos tryckvâgen innebär störande ljud utan önskad effekt. Vid signalering däremot är det generellt en fördel om signalen är övertonsrik, vilket är en typegenskap vid magnetodynamisk ljudalstring med enkelverkande magnetsystem.The course of the physical pressure wave becomes more like a sine curve in a double-acting magnetodynamic system than it is in a single-acting system. In the industrial use of sound - for example for motion activation - a sine-like path can be a production-technical advantage, since harmonics of the pressure wave mean disturbing sound without the desired effect. When signaling, on the other hand, it is generally an advantage if the signal is rich in harmonics, which is a typical feature of magnetodynamic sound stringing with single-acting magnetic systems.

Claims

467 077 5 PATENT REQUIREMENTS

A generator for acoustic pressure waves of audible frequency or lower frequency down to and within the infrasound range, comprising a pressure chamber (11) connected to an acoustic resonant means, arranged as a gap space between two boundary walls, one of which is magnetically actuable to impart a the periodically changing movement of the gap space relative to the second, characterized in that magnets (12), (13) on the opposite sides of the gap space are arranged to impart an oscillating said boundary wall (6) through periodically varying magnetic force fields. movement with components both to the extent of the boundary wall and across the gap space. .H * J

Generator according to claim 1, characterized in that said one limiting wall to the pressure chamber consists of a substantially conical, rotationally symmetrically shaped drum (6), which is connected to a fixed part (4) by means of a resilient member. (7), the axial force of which on the drum preferably increases exponentially with its movement. \

Generator according to claim 2, characterized in that a motor-driven or manually driven rotor (2) is arranged coaxially inside the drum and that the magnets comprise a number of permanent or electromagnets evenly distributed along the circumferential surface of the rotor (12). , (12 ') and for cooperation therewith along the mantle surface of the drum peripherally evenly distributed permanent or electromagnets (13), the magnets together forming poles in a magnetodynamic system.

4. A generator according to claim 3, characterized in that the permanent or electromagnets are arranged in such a way that the force fields between the magnets of the rotor and the drum strive to impart periodic, axial movement to the drum due to the instantaneous mutual positions of one side the magnets of the rotor and on the other hand the drum, when the rotor is set in rotation.

5. A generator according to claim 1, characterized in that the magnets on either or both sides of the gap space consist of electromagnets with their coils traversed by electric current with a periodicity adapted to the desired frequency of the pressure chamber volume changes. m

Generator according to claim 3, characterized in that the magnets form poles so oriented that instantaneous attraction occurs between the poles (12) of the rotor on the one hand and the poles (13) of the drum on the other side. 7

7. A generator according to claim 3, characterized in that the magnets on both the rotor and the drum form alternating poles along the periphery between one and the other polarity in order to generate alternating attraction and repulsion during the rotation. 467 077

Generator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that said one wall of the pressure chamber is temporarily blockable, preferably in the position where the volume of the pressure chamber is largest, under such influence of an electromagnetic field or an electromechanically regulated magnetic field, that the wall-affecting magnetic attraction is overcome.

9. A generator according to claim 2, characterized in that the pressure chamber has a cross section whose area decreases along the axis to a lesser degree than linearly in the direction of the resonant means.