DE1095883B - Vorrichtung zur Umwandlung eines hochfrequenten Wechselstromes in eine Schallwelle, und umgekehrt - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Umwandlung eines hochfrequenten, vorzugsweise niederfrequent modulierten Wechselstromes in eine entsprechende Schallwelle, und umgekehrt.

Solche Vorrichtungen, deren Wirkung auf der Steuerung einer Spitzenentladung besteht, sind an sich bekannt.

Es sind auch Vorrichtungen- bekannt, die mit einem kegelstumpfmantelförmigen Trichter versehen sind, bei denen in der Verlängerung der Trichterachse von der Trichterursprungsöffnung aus eine Innenelektrode und eine diese umgebende Außenelektrode vorgesehen ist. Bei diesen bekannten Vorrichtungen liegt zwischen den Elektroden eine Gleichspannung, die moduliert wird, und zusätzlich ist die Verwendung eines Luftstromes vorgesehen.

Um eine große Schalleistung des Wandlers zu erreichen, muß die Ionenquelle möglichst stark sein. Hierfür wiederum ist eine hohe Feldstärke an der Innenelektrode erforderlich, was aber die Gefahr von Funkenübergängen mit sich bringt.

Mit Gleichspannung betriebene Wandler wiederum verursachen ein Grundrauschen, das den Betrieb des Wandlers in Frage stellt. Ebenfalls bringt ein Luftstrom erhebliche Störungen mit sich.

Die Erfindung schlägt deshalb zur Vermeidung der den bekannten Vorrichtungen anhaftenden Nachteile vor, daß bei einer mit Wechselstrom betriebenen Umwandlungsvorrichtung mit einem Trichter die Innenelektrode durch einen rohrartigen Isolierkörper aus festem, hitzebeständigem Werkstoff von der Außenelektrode getrennt ist. Vorzugsweise kann der Isolierkörper aus Quarz bestehen.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen) Vorrichtung ist die Leichtigkeit, mit welcher die Innenelektrode auf der thermoionischen Temperatur gehalten werden kann. Es wurde gefunden, daß die Temperatur der Innenelektrode zur Erzielung der besten Ergebnisse auf annähernd 1000° C gehalten werden muß. Man könnte einwenden, daß eine solche Temperatur für die Anwendung der Vorrichtung einen wesentlichen Nachteil darstellt. Es zeigt sich jedoch, daß das Gerät als Ganzes bei geringerer Temperatur arbeitet, und daß eine sehr geringe Menge der Wechselstrom-Energie zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur der Innenelektrode aufgebraucht wird. Der Wärmewirkungsgrad ist also sehr hoch, und die Elektrode gibt eine große Menge von Elektronen zur Aufrechterhaltung des Ionisierungsprozesses ab.

Infolge der Wärmestauung an der Innenelektrode könnte auch eingewendet werden, daß diese Elektrode rasch weggebrannt wird und häufig ausgewechselt werden muß. Die Erfahrung hat nun aber gezeigt, daß dies nicht der Fall ist. Elektroden wurden mehrere Vorrichtung zur Umwandlung

eines hochfrequenten Wechselstromes

in eine Schallwelle, und umgekehrt

Anmelder:
Siegfried Klein, Paris

Vertreter: Dr. M. Eule, Patentanwalt,
München 13, Kurfürstenplatz 2

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 12. Mai 1951

Siegfried Klein, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

tausend Stunden lang in Betrieb gelassen, ohne einen merklichen Verschleiß aufzuweisen. Ein Unterschied besteht dabei gegenüber der Anwendung einer solchen Elektrode an der freien Luft, wobei insbesondere eine Spitze daran ziemlich rasch zerstört wird, trotzdem sie sich in frei strömender Luft befindet und vermutlich einer geringeren Wärmestauung ausgesetzt ist. Der Grund der großen Lebensdauer der Elektroden im beschriebenen Gerät läßt sich bis jetzt noch nicht ganz erklären. Ein weiterer Grund der Wärmestauung an der Elektrodenspitze und an der Entladungsstelle ist der dielektrische Wärmeverlustfaktor des Quarzes. Es ist möglich, daß die heißen Wände zu diesem Ergebnis beitragen. Die dielektrischen Verluste sind nun aber ein verhältnismäßig geringer Grund der Erhitzung der Elektrode im Vergleich zur Wärme, die durch die Einwirkung der Entladung auf der Elektrode entwickelt wird.

Es ist möglich, daß die Wirksamkeit der Vorrichtung teilweise von der Verminderung der Luftdichte an der Entladungsstelle herrührt, die sich selbst aus der hohen Temperatur an dieser Stelle ergibt.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung läuft die Innenelektrode in eine Spitze aus, und diese Spitze deckt die Trichterursprungsöffnung ab. Durch diese dichte Abdeckung wird eine weitere

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Wärmeenergiekonzentration erreicht, und durch die eindeutige Abstrahlung der Schalleistung in einer Richtung wird eine besonders gute Wirkung erzielt.

Die Außenelektrode kann die Innenelektrode auch in einem in gewissem Abstand von der Trichterursprungsöffnung befindlichen Trichterbereich umgeben. Dadurch wird eine besonders zweckmäßige Form des Feldes zwischen.den Elektroden erzielt. Die Außenelektrode wird meistens zylindrisch ausgebildet und koaxial zur Innenelektrode angeordnet.

Der rohrartige Isolierkörper kann den Anfangsteil des Trichters bilden. Gegebenenfalls kann aber auch der ganze Trichter aus festem und hitzebeständigem Werkstoff bestehen.

Zur weiteren Verbesserung der Umwandlungsvorrichtung sieht die Erfindung vor, daß der Trichter zumindest in den der Sprühladung der Innenelektrode benachbarten Bereichen von einem einen Vakuumraum umschließenden Mantel umgeben ist. Durch diese Maßnahme wird eine weitere Wärmeisolierung der Entladungsstrecke erreicht, die zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Vorrichtung führt. Der Raum zwischen dem Trichter bzw. dem Mantel des Vakuumraumes und der Außenelektrode kann mit Isoliermaterial, z. B. Glaswolle, ausgefüllt sein.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung und weitere Einzelheiten sind in den Figuren beschrieben.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Vorrichtung als Lautsprecher;

Fig. 3 ist ein Teilschnitt in größerem Maßstab und zeigt eine andere Anordnung der Innenelektrode;

Fig. 4 ist ein Teilschnitt einer Vorrichtung mit einer mit einem Überzug versehenen Innenelektrode;

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzeugung mechanischer Wellen in einer Flüssigkeit;

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Erzeugung von Ultraschallwellen.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem langgestreckten Trichter 21 aus feuerfestem Werkstoff, dessen linkes Ende eine Platinelektrode (Innenelektrode) 22 enthält. Diese Elektrode erstreckt sich axial in den Trichter, und ihre Spitze 23 befindet sich am Anfang des Trichters. Der Trichter erweitert sich allmählich, und zwar exponentiell, nach außen hin und läuft am anderen Ende in ein Mundstück 24 aus. Zum Schutz der Elektrode 22 und zum Auswechseln ist diese in einen rohrförmigen Einsatz 25 dicht eingesetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Innenseite des Trichters21 an der Stelle26 eingeengt. Diese Einengung bildet somit den Anfang des Trichters. Der Einsatz 25 ist derart bemessen, daß die Spitze23 zwangläufig in der Einengung gehalten wird. Die Elektrode 22 besteht vorzugsweise aus einem Platinstift oder einem Platindraht, dessen Durchmesser an der Spitze annähernd 1,6 mm beträgt. Natürlich können auch Elektroden aus Metallen mit ähnlicher Temperaturbeständigkeit benutzt werden.

Der Trichter 21 sowie der rohrförmige Einsatz bestehen vorteilhafterweise aus geschmolzenem Quarz, der eine gute Festigkeit hat, elektrisch und wärmetechnisch gut isoliert und selbst bei äußerst großen Temperaturschwankungen nicht reißt. Es ist möglich, daß die dielektrischen und oberflächlichen Eigenschaften des geschmolzenen Quarzes zu diesen Ergebnissen beitragen. Zum Isolieren der Elektrode 22 bei Hochspannung und zur Vermeidung der Wärmeverluste nach außen hin während des Arbeitens der Elektrodenspitze 23 bei hoher Temperatur, ist der Trichter 21 mit einem äußeren dicht geschlossenen Mantel 27 versehen, der einen ringförmigen Vakuumraum 28 einschließt.

Mit der Vorrichtung werden positive Ionen mit hoher Konzentration im engen Raum vor der Elektrode 22 erzeugt. An die Innenelektrode 22 und die Außenelektrode 30 wird eine hochfrequente Hochspannung angelegt, die vorzugsweise durch eine Niederfrequenzspannung moduliert wird. Beim dargestellten Beispiel hat die Außenelektrode 30 die Gestalt einer Büchse. Die Büchse ist vorzugsweise gleichachsig mit der inneren Spitze 23 angeordnet und überdeckt den Trichter 21 in der dargestellten Weise. Die Kante30a der Außenelektrode ist vorzugsweise gegen die Elektrodenspitze 23 nach vorne hin versetzt. Es wurde nämlich gefunden, daß diese Anordnung die Wirksamkeit der Entladung verbessert. Der Raum zwischen dem Trichter und der Außenelektrode ist mit Glaswolle gefüllt, die einen zusätzlichen Wärmeschutz bildet und auch die Möglichkeit einer akustischen Resonanz ausschaltet. Die Gesamtlänge des in Fig. 1 dargestellten Trichters kann z.B. 154mm betragen.
Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit Zubehörteilen. Modulierte Wechselspannung wird der Innenelektrode 22 von einem Schwingungserzeuger^ zugeführt. Zur Vermeidung von Verlusten befindet sich der Schwingungserzeuger in der Nähe des Wandlers auf einem Halter 41. An der Innenseite dieses Halters befindet sich ein zentrisch angebrachter Transformator 42, der vorzugsweise gleichachsig mit der Elektrode 22 angeordnet ist. Der Schwingungserzeuger40 ist mit einer Spannungsquelle45 und einem Modulationsgerät 46 verbunden.

An das Mundstück des Trichters der Vorrichtung ist ein weiterer Trichter 50 angeschlossen, der eine glatte exponentiell Erweiterung des Trichters 21 bildet. Natürlich ist die dargestellte Gestalt des Trichters 50 nicht unerläßlich, und er kann auch jede sonstige Gestalt erhalten, vorausgesetzt, daß der Trichter 21 sanft in diesen Trichter 50 übergeht, und daß die Erweiterung mindestens annähernd exponentiell verläuft. Andere mögliche Ausführungsformen der Erfindung sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Die mit 23a bezeichnete Elektrodenspitze ist hier nicht über den rohrförmigen Einsatz 25α verlängert. Sie ist dagegen etwas ausgespart und liegt etwas gegen eine Einschnürung 26 α zurück. Der Abstand ist aber so gering, daß sich unter üblichen Betriebsverhältnissen die Entladung weit über die Einschnürung hinaus erstreckt, auch bei geringer Modulation, wodurch die getreue Wiedergabe nicht gefährdet wird. Es wurde gefunden, daß die Anordnung gemäß Fig. 3 bei verhältnismäßig geringen Frequenzen, z. B. 400 kHz, bessere Ergebnisse zeitigt als bei hohen Frequenzen in der Größenordnung von 27 MHz. Gegebenenfalls kann die Innenelektrode zur Erzielung einer größeren Ionenabgabe mit einem Überzug versehen werden, wie er in Fig. 4 angedeutet ist. Hier ist der mit 25 b bezeichnete Einsatz mit einem Überzug 26 & versehen. Die Beschaffenheit dieses Überzuges kann die in der USA.-Patentschrift Nr. 2 524 227 beschriebene sein. Die bei diesem Beispiel vorgesehene Elektrode 22 b ist vorzugsweise in der dargestellten Weise ausgespart.

Der Hals des Trichters ist erweitert, um eine größere Innenelektrodenfläche aufzunehmen. Im übrigen ist die Anordnung diejenige gemäß den Fig. 1 und 2. Gegebenenfalls kann der Überzug unmittelbar auf die Elektrodenspitze 23 (Fig. 1) oder auf die umgebenden Wände aufgebracht werden. Es hat sich jedoch ge-

zeigt, daß dies bei Anwendung einer Erregung mit Rundfunkfrequenzen nicht erforderlich ist.

Die Wand des Trichters kann bei der Erfindung aus einer einzigen Schicht aus Quarz oder einem inerten und wärmebeständigen, keramischen Werkstoff bestehen. Gegebenenfalls kann ein Isoliermantel aus elektrisch und wärmeisolierendem Feststoff geeigneter Art vorgesehen werden.

Bisher wurde die Erfindung für ein Gerät zur Erzeugung von Schallwellen in der Luft beschrieben. Sie ist jedoch auch als Mikrophon und allgemeiner, z.B. gemäß den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen anwendbar.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das in der Lage ist, eine mechanische Welle im Wasser zu erzeugen. Der mit 80 bezeichnete Wandler besitzt einen Trichter 81, eine Innenelektrode 82 und eine Außenelektrode 83. Das Gerät ist in eine Wand 84 eingebaut, welche z. B. die mit dem Wasser 85 in Berührung stehende Außenwand eines Schiffes sein kann. In das Mundstück des Trichters 81 ist ein Verschlußkörper 86 aus federndem Werkstoff eingesetzt. In einem Versuchsgerät bestand der Verschlußkörper 86 aus Gummi und hatte einen Durchmesser von annähernd 3 cm und eine Wandstärke von annähernd 1 cm. Mit der dargestellten Anordnung war es möglich, an das Wasser eine wesentliche Energiemenge mit Ultraschallfrequenz zu übertragen. Selbstverständlich kann die Elektrode 82 zur Erregung durch einen Schwingungserzeuger genau wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angeordnet werden. Der Verschlußkörper 86 soll derart ausgebildet sein, daß er auf der linken Seite 86a eine geringe Dichte aufweist und auf der rechten Seite 86& eine Dichte hat, die sich derjenigen des Wassers nähert. Durch eine solche Veränderung der Dichte soll die Wirksamkeit der Übertragung der Energie zwischen der Luft und dem Wasser erhöht werden, d. h. eine gute Anpassung erzielt werden. Ferner kann die eingeschlossene Luft zum Ausgleich der Impedanz unter Druck gesetzt werden.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung für Heilzwecke, bei welchem der mit 90 bezeichnete Wandler mit einem vorne gekürzten Trichter 91 versehen ist, der nicht unbedingt eine sich erweiternde Gestalt haben muß. Auch hier ist eine Innenelektrode 92 und eine Außenelektrode 93 vorgesehen. Die Elektrode 92 ist zur Erregung an einen Schwingungserzeuger 94 mit einstellbarer Frequenz angeschlossen, der von Hand auf die gewünschte Frequenz abgestimmt werden kann. Bei der Erzeugung einer Entladung durch die Elektrode 92 findet man, daß der Trichter 91 nicht nur eine Ultraschallwelle, sondern auch eine ultraviolette Strahlung von verhältnismäßig großer Stärke abgibt. Die Ultraschallwelle und die ultraviolette Strahlung können auf einen Körper 95 gerichtet werden und lassen sich besser konzentrieren als mit den üblichen Quellen für ultraviolette und Ultraschallschwingungen. Durch Veränderung der Frequenz des einstellbaren Schwingungserzeugers 94 kann die Ultraschallwelle in gewünschter Weise angepaßt werden. Zu diesem Zweck ist eine Modulation erforderlich, und die Frequenz des Schwingungserzeugers kann gegebenenfalls in einem Bereich von 20 bis kHz entsprechend der zu erzielenden Wirkung schwanken.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Umwandlung eines hochfrequenten, vorzugsweise niederfrequent modulierten Wechselstromes in eine entsprechende Schallwelle, und umgekehrt, mit einem kegelstumpfmantelförmigen Trichter, einer in der Verlängerung der Trichterachse von der Trichterursprungsöffnung aus vorgesehenen Innenelektrode und einer sie umgebenden Außenelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode durch einen rohrartigen Isolierkörper aus festem, hitzebeständigem Werkstoff von der Außenelektrode getrennt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierkörper aus Quarz besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenelektrode mit ihrem in eine Spitze auslaufenden Ende die Trichterursprungsöffnung abdeckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode einen von der Trichterursprungsöffnung in Abstand befindlichen Trichterbereich umgibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode zylindrisch ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenelektrode koaxial zur Innenelektrode angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfangsteil des Trichters den rohrartigen Isolierkörper bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter zumindest in den der Sprühladung der Innenelektrode benachbarten Bereichen von einem einen Vakuumraum umschließenden Mantel umgeben ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen dem Trichter bzw. dem Mantel des Vakuumraumes und der Außenelektrode mit einem Isoliermaterial, z. B. Glaswolle, ausgefüllt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 350 500, 351 955,

351956, 438 385, 556 402;

USA.-Patentschrift Nr. 1 806 745;
»Comptes Rendus Acad. Sei.«, Bd. 222, 1946,

S. 1282 bis 1284.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen