DE1208923B - Magnetostriktiver Verbundschwinger, vornehmlich fuer Impulsbetrieb - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRiFT

Int. α.:

B 06 b

Deutsche KL: 42 s-1/08

Nummer: 1208 923

Aktenzeichen: J 23775IX a/42 s

Anmeldetag: 28. Mai 1963

Auslegetag: 13. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetostriktiven Verbundschwinger, vornehmlich für Impulsbetrieb, bestehend aus einem primär magnetostriktiv mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz angeregten Viertelwellenschwinger und einem von diesem mechanisch angeregten Koppelglied, das als Transformationsglied dienen kann und aus einem auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmten Viertelwellenschwinger besteht.

Die bekannten magnetostriktiven Verbundschwinger finden häufig Verwendung bei der Beschallung von Medien, die z. B. zur Zerstörung bzw. Beschädigung des eigentlichen Schwingers bei direktem Eintauchen führen könnten. Außerdem werden sie verwendet, wenn eine Vergrößerung des Ausschlages der die Energie abstrahlenden Fläche, also eine Transformation des Ausschlages, erzielt werden soll.

Es ist bereits bekannt, einen magnetostriktiven Schwinger mit einer Länge von einer oder mehreren Halbwellenlängen an seiner die Schwingungsenergie abstrahlenden Fläche mit einem Koppelstück zu versehen. Zur Kopplung werden dazu die beiden aneinandergrenzenden Flächen des Koppelstückes und des Schwingers plangeschliffen und z. B. zusammengelötet. Die Halterung erfolgt in einem Bewegungsknoten, der sich im Falle eines Halbwellenschwingers in der Mitte des Schwingers ausbildet. Die Länge des Koppelstückes wird so gewählt, daß Koppelstück und Schwinger auf die gleiche mechanische Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Soll das Koppelstück als Transformationsglied ausgebildet sein, so erhält es die Form eines Exponentialtrichters, während Abstimmung und Kopplung ebenso in der genannten Weise erfolgen. Weiterhin ist bekannt, ein derartiges Schwingsystem durch ein mitschwingendes Lager zu haltern. Das Lager hat zylindrische Form und umgibt den als Koppelstück dienenden Stab. Es ist an einem Punkt in der Nähe der Verbindung des Stabes mit dem eigentlichen Schwinger verschraubt, Das Lager ist, gewöhnlich als Viertelwellenresonator ausgebildet weil in diesem Fall (Parallelresonanz) dem zu halternden Schwinger die geringste Energie entzogen wird. Der Angriffspunkt der Lagerung kann bei im Dauerbetrieb arbeitenden Schwingern auch sehr genau in den Bewegungsknoten gelegt werden, so daß keine wesentlichen Verluste auftreten.

Schwieriger liegt der Fall, wenn es sich um Schwinger handelt, die unsymmetrisch eingespeist werden und im Impulsbetrieb arbeiten. Hier ist der Schwingungsknoten nicht stationär, er wandert vielmehr während des Einschwingvorganges langsam vom angeregten Ende in Richtung des Schwingermittelpunktes und ist

Magnetostriktiver Verbundschwinger,
vornehmlich für Impulsbetrieb

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale
Büro-Maschinen Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ.), Tübinger Allee 49

Als Erfinder benannt:
Max Preisinger, Darmsheim

erst dann als stabil anzusehen, wenn die pro Schwingungsintervall injizierte Energie klein gegenüber der bereits im schwingenden System enthaltenen Energie ist. Bei solchen Anordnungen wird eine beträchtliche Energie im Lager verbraucht, was insbesondere nachteilig ist, wenn solche Schwinger mit kleinsten Anregungsenergien in kurzer Zeit auf eine beträchtliche Amplitude gebracht werden sollen. Auch die Kombination von mehreren Halbwellenstücken ist dann von Nachteil, da bei konstantem Injektionsgrad mit steigender Belastungslänge die in einer bestimmten Zeit erzielte Amplitude kleiner wird.

Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, einen magnetostriktiven Verbundschwinger aus zwei sich zu einem einseitig angeregten Halbwellenschwinger ergänzenden Viertelwellenschwingern derart aufzubauen, daß er an der in Nähe des Bewegungsknotens liegenden Verbindungsstelle beider Viertelwellenschwinger mittels einer Membran gehaltert ist, deren äquivalente Federsteifigkeit so gewählt wird, daß sich ein fester Zusammenhang zwischen Schwebungsdauer und Einschwingzeit des Systems ergibt. Außerdem ist vorgeschlagen worden, den sekundär mechanisch angeregten Viertelwellenschwinger im Gebiet der mechanischen Hysterese des verwendeten Materials zu betreiben, so daß eine kurzzeitige zugeführte Anregungsenergie möglichst schnell verbraucht wird und der Schwingungsvorgang damit möglichst schnell abklingt. Bei der Kopplung und Halterung der beiden Viertelwellenschwinger durch eine Membran entsteht aber ein wesentlicher Nachteil. Die Membran, zur Energieinjektion ungeeignet, verkürzt den magnetostriktiv angeregten Viertelwellenschwinger am Fußpunktende, also gerade dort, wo von dem cos²-förmig über den

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Schwinger verteilten Injektionsgrad das Maximum effekt nur auf einem Viertelwellenschwinger erfolgt,

liegt; folglich kann bei einer bestimmten Fiequenz in die in den Schwinger hineingesteckte Schwingungs-

der Zeiteinheit weniger Energie in das System injiziert energie also besonders gering ist, ist auch die An-

werden. Insbesondere bei großen Übersetzungen vom kopplung des Koppelstückes besonders kritisch. Zur

primär magnetostriktiv zum sekundär mechanisch 5 Erklärung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen

angeregten Viertelwellenschwinger wird die Energie- Verbundschwingers wird zunächst auf F i g. 2 ver-

einbuße, die das ganze schwingende System erleidet, wiesen. Hier ist ein im Bewegungsknoten fest ein-

besonders hoch, da der Kopplungspunkt immer gespannter Viertelwellenschwinger 10 dargestellt. Die

weiter in den bewegten Schwingerteil hineinwandert, über der Länge κ des Schwingers aufgezeichnete

die Verkürzung damit sehr hoch wird, aber die Energie- io Kurve 11 zeigt die Energieverteilung längs des Schwin-

injektion nur über den magnetostriktiven Schwinger- gers, die bekanntlich einer Funktion sin² α entspricht,

teil möglich ist. Der Energieinhalt je Längeneinheit ist demnach am

Durch die Erfindung soll nun eine wesentliche Bewegungsknoten am größten und fällt zum BeVerbesserung des bekannten, mittels einer Membran wegungsbauch am frei schwingenden Ende des gehalterten und gekoppelten, aus zwei Viertelwellen- 15 Schwingers hin gemäß dieser Funktion ab. Die Kurve schwingern bestehenden Schwingsystems erzielt wer- 12 zeigt das Integral über die Funktion gemäß Kurve 11. den. Insbesondere zur Vermeidung der Energieeinbuße Um den Schwinger bis zu einer bestimmten Ampli- und damit zur Erzielung einer höheren Injektions- tude anzuregen, muß ihm die dazu erforderliche Gegeschwindigkeit der Schwingungsenergie bei gegebenen samtenergie über den Magnetostriktionseffekt zuge-Werten für die mechanische Resonanzfrequenz und 20 führt werden. Dieser Gesamtbetrag der Energie ist in das Übersetzungsverhältnis ist gemäß der Erfindung diesem Falle mit 100% bezeichnet. In F i g. 3 ist nun der magnetostriktive Viertelwellenschwinger in seinem ein entsprechender Schwinger 20 dargestellt, der in Bewegungsknoten gehäusefest und das Transfor- seinem Bewegungsknoten mittels einer membranartigen mationsglied in seinem Bewegungsknoten mit dem Halterung 23 eingespannt ist. Die über der Länge <x magnetostriktiven Viertelwellenschwinger in einem 25 des Schwingers 20 aufgezeichnete Kurve 21 zeigt solchen Abstand von dessen Befestigungsstelle fest wiederum die Energieverteilung längs des Schwingers, verbunden, daß zwischen beiden Schwingern Leistungs- und die Kurve 22 zeigt das Integral über diese Kurve21. anpassung besteht und daß die beiden Schwinger auf Durch Vergleich der F i g. 2 mit F i g. 3 ist die Wireine bei gegebener Anregungsdauer des magnetostrikti- kung der membranartigen Halterung 23 deutlich zu ven Viertelwellenschwingers ein Amplitudenmaximum 3° erkennen. Die membranartige Halterung 23 verkürzt im Transformationsglied hervorrufende Schwebungs- den Schwinger 20 am Fußpunkt um etwa 15°. Dadurch frequenz abgestimmt werden. wird ein beträchtlicher Teil der Gesamtschwingungs-

Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergibt energie — im gezeichneten Beispiel 33 °/₀ — in diese sich vor allem eine extrem kurze Einschwingzeit auf Halterung geleitet. Im eigentlichen Schwinger ist demein vorgegebene bzw. maximal zulässige Amplitude. 35 nach nur noch der Restbetrag der Schwingungsener-Eine besonders einfache und günstige Anordnung gie — im vorliegenden Falle 67 % — gegenüber dem in wird dadurch erreicht, daß der magnetostriktive F i g. 2 gezeigten, in seinem Fußpunkt bzw. Knoten-Viertelwellenschwinger aus einem Rohr besteht, in punkt fest eingespannten Schwinger 10 enthalten. Nun dessen Innerm das Transformationsglied mittels einer wird aber die Schwingungsenergie durch Umwandlung steifen Kopplungsscheibe befestigt ist. 40 über den Magnetostriktionseffekt dem Schwinger zuge-

Eine weitere wesentliche Verkürzung der Ein- führt. Folglich läßt sich der in F i g. 3 dargestellte, schwingzeit kann noch dadurch erreicht werden, mittels einer membranartigen Halterung 23 versehene daß das als magnetostriktiver Viertelwellenschwinger Schwinger 20 in der gleichen Zeit nicht zu so hohen dienende Rohr aus stark kaltverformtem, aus vor- Schwingungsamplituden anregen wie der in F i g. 2 EUgsweise CoFe-Blech bestehendem Material gerollt 45 dargestellte, im Bewegungsknoten fest eingespannte wird, derart, daß die Rohrachse mit der Walzrichtung Schwinger 10. Der erfindungsgemäße Aufbau gemäß einen Winkel von etwa 45° bildet. F i g. 1 vermeidet diesen Nachteil. Der Viertelwellen-Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschrei- schwinger 1 ist rohrförmig und besteht aus magnetobung in Verbindung mit den Zeichnungen und dem striktivem Material. Er ist in seinem Bewegungsdadurch näher erläuterten Ausführungsbeispiel. Es 50 knoten 3 durch die ihn umgebende Masse 6 fest eingeist dargestellt in spannt. Auf dem Umfang des magnetostriktiven Vier-

F i g. 1 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, telwellenschwingers 1 ist die Anregungswicklung 2 an*

in geordnet. Im Rohrinnern ist senkrecht zur Rohrachse

F i g. 2 die Energiebilanz eines fest eingespannten in einem noch zu definierenden Abstand α vom Bewe-

Viertelwellenschwingers und in 55 gungsknoten 3 eine steife Kopplungsscheibe 5 fest mit

F i g. 3 die Energiebilanz eines durch eine membran- der Rohrwandung verbunden. Ein zweiter, stabförmi-

artige Halterung verkürzten Viertelwellenschwingers. ger Viertelwellenschwinger 4 ist in seinem Bewegungs-

Bei im Impulsbetrieb verwendeten Verbundschwin- knoten 7 fest mit der Kopplungsscheibe 5 verbunden, gern besteht unter anderem die Forderung, daß die und zwar so, daß seine Schwingungsrichtung mit der Anregung des Schwingvorganges ebenso wie die 60 des magnetostriktiven Viertelwellenschwingers 1 überBeendigung des Schwingvorganges in möglichst kur- einstimmt. Wird nun der magnetostriktive Viertelzen Zeiten erreichbar ist. Aus dieser Forderung ergibt wellenschwinger 1 über die Anregungswicklung 2 in sich die Bedingung, daß die zur Anregung erforder- seiner Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt, liehe Energie möglichst gering ist. Die Verwendung so bildet sich am Ort der Einspannung ein Bewegungseines Schwingsystems mit einer Gesamtlänge von nur 65 knoten 3 und am gegenüberliegenden Ende ein Beweeiner halben Wellenlänge erweist sich hier als besonders gungsbauch aus. Über die Kopplungsscheibe 5 wird günstig. Da aber bei einem derartigen Verbund- nunmehr auch der zweite, z. B. als Transformationsschwinger die Anregung über den Magnetostriktions- glied dienende Viertelwellenschwinger 4 mechanisch in

der gleichen Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt. An der Koppelscheibe 5, im Einspannort, wird dem dünnen Schwinger die Bewegungsamplitude des dicken Schwingers aufgedrückt. Die Amplitude nimmt dann über die Schwingerlänge sinusförmig bis zum Maximum am freien Ende zu. Der Schwingvorgang ist im unteren Teil der F i g. 1 schematisch dargestellt. Über den beiden Viertelwellenschwingern 1 und 4 ist der Verlauf der Schwingungsamplituden λ aufgezeichnet.

Der Abstand α der Bewegungsknoten 3 und 7 der beiden Viertelwellenschwinger 1 und 4 ist im wesentlichen durch das Übersetzungsverhältnis vom primär magnetostriktiv zum sekundär mechanisch angeregten Viertelwellenschwinger bestimmt. Er wird so gewählt, daß zwischen beiden Schwingern Leistungsanpassung besteht. Mit größer werdendem Übersetzungsverhältnis wächst der Abstand a. Nur bei Leistungsanpassung zwischen beiden Schwingern wird erreicht, daß die über den Magnetostriktionseffekt in den primären Viertelwellenschwinger 1 geschobene Schwingungsenergie in möglichst kurzer Zeit auf den sekundären Viertelwellenschwinger 4 übertragen wird. Bei Unter- bzw. Überanpassung würde entweder nur ein allmählicher Übergang der Schwingungsenergie erzielt werden, oder der sekundäre Viertelwellenschwinger 4 würde nicht zu seiner entsprechend der dem primären Viertel wellenschwinger 1 zugeführten Energie maximalen Schwingungsamplitude angeregt werden.

Gegenüber der bekannten Anordnung, bei der die beiden Viertelwellenschwinger mittels einer Membran gehaltert und gekoppelt sind, ergibt sich insbesondere der Vorteil, daß die durch die Membran dem primären Viertelwellenschwinger entzogene Schwingungsenergie, die wohl eine Leistungsanpassung herbeiführen kann, aber die Einschwingzeit des Systems vergrößert, aktiv über den Magnetostriktionseffekt dem primären Viertelwellenschwinger zugeführt werden kann. Außerdem ist die Lage der erfindungsgemäßen Schwinganordnung durch die feste Einspannung am Bewegungsknoten 3 streng definiert.

Eine beträchtliche Verkürzung der Einschwingzeit ergibt sich noch aus der Verwendung eines unter 45° zur Walzrichtung des für den magnetostriktiven Viertelwellenschwingers 1 benutzten Bleches ausgeschnittenen Rohrmantels. Die statische Magnetostriktion in sehr stark kaltverformten Materialien, z. B. CoFe-Blech, erreicht ein Maximum unter 45 zur Walzrichtung. Diese Tatsache hat bei gegebenen Schwingerabmessungen und gegebener Schwingungsamplitude eine erhebliche Einsparung an erforderlicher Anregungsenergie zur Folge.

Eine Verjüngung des als Transformationsglied dienenden Viertelwellenschwingers 4 derart, daß an jeder Stelle des Schwingers der gleiche Spannungszustand herrscht, ermöglicht die Ausnutzung der von den Abmessungen und dem verwendeten Material abhängigen maximal zulässigen Schwingungsamplitude. Außerdem tritt bei einer bestimmten Schwingungsamplitude an jeder Stelle des Schwingers die Wirkung der mechanischen Hysterese ein, wodurch das Abklingen der einmal angeregten Schwingung in möglichst kurzer Zeit erreichbar wird.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Magnetostriktiver Verbundschwinger, vornehmlich für Impulsbetrieb, bestehend aus einem primär magnetostriktiv mit seiner mechanischen Resonanzfrequenz angeregten Viertelwellenschwinger und einem von diesem mechanisch angeregten Koppelglied, das als Transformationsglied dienen kann und aus einem auf dieselbe Resonanzfrequenz abgestimmten Viertelwellenschwinger besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Viertelwellenschwinger (1) in seinem Bewegungsknoten (3) gehäusefest eingespannt ist und das Transformationsglied (4) in seinem Bewegungsknoten (7) mit dem magnetostriktiven Viertelwellenschwinger (1) in einem solchen Abstand (a) von dessen Befestigungsstelle (3) fest verbunden ist, daß zwischen beiden Schwingern Leistungsanpassung besteht und daß die beiden Schwinger auf eine bei gegebener Anregungsdauer des magnetostriktiven Viertelwellenschwingers (1) ein Amplitudenmaximum im Transformationsglied (4) hervorrufende Schwebungsfrequenz abgestimmt werden.

2. Magnetostriktiver Verbundschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Viertelwellenschwinger (1) aus einem Rohr besteht, in dessen Innerm das Transformationsglied (4) mittels einer steifen Kopplungsscheibe (5) befestigt ist.

3. Magnetostriktiver Verbundschwinger nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das als magnetostriktiver Viertelwellenschwinger (1) dienende Rohr aus stark kaltverformtem, vorzugsweise aus CoFe-Blech bestehendem Material gerollt wird, derart, daß die Rohrachse mit der Walzrichtung des Bleches einen Winkel von etwa 45^r bildet.

4. Magnetostriktiver Verbundschwinger nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Transformationsglied (4) sich vom Bewegungsknoten (7) zum Bewegungsbauch hin derart verjüngt, daß an jeder Stelle der gleiche Spannungszustand herrscht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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