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Procédé et dispositif pour la coulée de fer, acier, alliages d'acier, métaux et alliages métalliques de tous genres.
On sait déjà que, grâce à un secouage, on peut favorablement influencer dans leur solidification les masses rendues liquides par fusion. C'est ainsi que par exemple on a déjà proposé, pour la coulée de l'acier, de secouer le moule ou la coquille, pendant la coulée ou pendant la soli- dification. Grâce à ce procédé connu, on arrive à ce que la matière soit fortement dégazée,, et on empêche, dans une large mesure, la formation de pailles. On parvient encore, grâce @
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à cette mesure connue, à obtenir un lingot de grain relative- ment fin, attendu que, par l'action du secouage., on provoque la formation d'un plus grand nombre de foyers de cristallisa- tion. En outre, on obtient une fonte plus homogène et plus exempte de ressuage.
On a utilisé le secouage pour l'acier et pour les alliages métalliques des genres les plus différents
Le secouage qui est utilisé en vue de l'obtention de la fonte dite "secouée" était jusqu'à présent obtenu par le fait que le moule de coulée était placé sur un dispositif approprié auquel on imprimait un mouvement par à-coups au moyen de cames, par l'air comprimé ou d'une autre manière analogue, les cames soulevant par exemple le dispositif pour ensuite le laisser retomber librement. Ces dispositifs, grâce auxquels, en général, on ne peut obtenir qu'un nombre relati- vement restreint de chocs dans l'unité de temps, entraînent une fatigue importante de l'installation.
En particulier pour les blocs lourds tels que ceux qu'on produit par exemple dans les aciéries, de très importantes fatigues de chocs doivent être supportées par les organes du dispositif, ayant pour conséquence un endommagement prématuré. En outre, et par suite de ces fatigues importantes ainsi que par la nature même des secousses produites, il n'est pas possible de provoquer un nombre élevé de chocs dans l'unité de temps, alors que du point de vue métallurgique, il est avantageux d'imprimer à la matière un nombre de chocs aussi grand que possible au cours de la coulée et de la solidification.
Au lieu du secouage provoqué par des chocs, on a également proposé d'imprimer des oscillations à des coulées de fer, d'acier ou d'autres métaux, et l'on a à cet effet proposé d'une part des oscillations à fréquences dépassant la limite audible, et d'autre part des fréquences inférieures @
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à la limite d'audibilité. Dans les deux cas, les coulées devaient être mises en oscillation à l'aide de vibrateurs pénétrant dans le bain lui-même. Indépendamment du fait que ce procédé, lorsqu'il s'agit d'ondes ultrasonores, ne peut être que difficilement appliqué ou est même complètement irréalisable par suite des réflexions des ondes sonores qui se produisent, ces deux propositions présentent l'inconvé- nient que le vibrateur est attaqué par le bain.
En outre, il est difficile, au moyen d'un vibrateur qui pénètre dans le bain et qui par conséquent ne se trouve en contact avec ce- lui-ci que sur une partie limitée de la coulée, de transmet- tre audit bain l'énergie nécessaire. Ceci est en particulier le cas lorsqu'il s'agit des unités de coulée courantes dans l'industrie de l'acier, donnant des lingots en coquille d'un poids de deux tonneset davantage. Le résultat est qu'on ne réalise pas un travail suffisant de la coulée.
Conformément à l'invention, on propose d'exposer la matière, pendant la coulée et/ou la solidification, à des oscillations continues, c'est-à-dire non amorties, entrete- nues, du genre des oscillations sinusoïdales, et l'on procé- dera de telle manière que l'ensemble du moule, coquille, ou autre, sera soumis aux oscillations en même temps que la cou- lée qui y a été introduite. Grâce à l'utilisation d'oscilla- tions suivant l'invention, on écarte tous les inconvénients inhérents au secouage proprement dit, mentionnés plus haut, et l'on obtient par ailleurs des avantages métallurgiques beaucoup plus étendus.
A l'encontre des procédés connus dans lesquels on transmet des oscillations sonores directement dans le bain, on obtient, conformément à l'invention, l'avantage que même les plus gros lingots peuvent être ainsi soumis à
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l'influence des oscillations entretenues, non amorties, d'une amplitude telle que la totalité du contenu du moule de coulée est mise en oscillation.
Ce mode de mouvement permet d'agir de façon relati- vement facile sur les masses, et même lorsqu'on traite les lingots les plus lourds, on évite une fatigue du dispositif de coulée et de vibration par le fait de chocs non amortis, ceux-ci, par leur grandeur, pouvant être considérés dans les calculs. Attendu qu'il est sans autres difficultés possi- ble de faire osciller le système en résonance et également suivant une branche ascendante ou descendante de la courbe de résonance, les forces qui sont nécessaires pour obtenir le mouvement sont notablement plus faibles et l'on peut en outre, sans autres difficultés, obtenir des mouvements beau- coup plus forts que ceux qu'il était possible de provoquer dans la coulée par le secouage connu, ou par application du procédé consistant à introduire directement des oscillations sonores dans le bain.
Les oscillations de forte amplitude et de nombre réduit dans l'unité de temps, obtenues dans les pro- cédés et les dispositifs connus, pour le secouage de la fonte, entrainent le risque de la projection du métal fondu hors du moule, de sorte qu'avec les procédés connus on se trouve en général obligé de procéder au secouage seulement après qu'une solidification en partie sous forme de la formation d'une croûte, empêchant la projection, s'est déjà manifestée.
Dans le procédé suivant l'invention, on utilise des fréquences d'une hauteur quelconque. Convenablement, on reste toutefois en deçà de la limite audible. Si l'on utilise des moyens purement mécaniques, en vue de l'obtention des oscillations, il a été reconnu que des vibrations de par
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exemple 100 oscillations par seconde étaient particulièrement convenables. Si l'on utilise une excitation électro-magnéti- que, le nombre d'oscillations par seconde peut être augmenté, et un nombre d'oscillations allant jusqu'à 10. 000 par seconde a été reconnu satisfaisant.
Attendu que les oscillations qui doivent être adoptées suivant l'invention sont d'une faible amplitude, les métaux peuvent déjà.pendant la coulée, ainsi qu'également pendant la solidification, être exposés à des forces d'oscillation importantes, sans qu'on risque que des parcelles de la matière fondue soient projetées hors du moule.
Les forces d'oscillations élevées, à l'intérieur de la masse en fusion, apportent, du point de vue métallurgique, tous les avantages déjà provoqués par le secouage connu. Par suite de l'énergie d'oscillation notablement plus importante, les résultats qu'on cherche à obtenir par le secouage sont atteints de façon presque plus complète grâce aux mesures qui font l'ob- jet de la présente invention.
En outre, le nouveau procédé présente l'avantage qu'on peut travailler avec des températures de coulée compa- rativement plus basses que dans les procédés connus, d'âpres lesquels les oscillations sont transmises directement dans le bain au moyen d'un plongeur, ou dispositif analogue, attendu que ce dispositif de transmission risquerait d'être bloqué par le métal en solidification, perdant sa fluidité. Même avec des moules à parois minces, et grâce aux oscillations, on réalise un remplissage satisfaisant du moule par le métal déjà visqueux. De même, des dispositifs particuliers, desti- nés à l'évacuation de l'air hors du moule à remplir, devien- nent superflus, attendu que cet air peut s'échapper à travers le métal lui-même.
Le procédé est également utilisable avantageusement dans les cas où. le moule de coulée lui-même fait en même temps
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office de creuset de fusion. Convenablement, on amorcera dans ces cas le mouvement d'oscillation avant que la masse soit complètement entrée en fusion, ou bien au moment où seu- lement certains constituants de l'alliage sont déjà fondus.
Le procédé est applicable au fer, à l'acier, aux alliages d'acier, aux métaux et aux alliages de métaux de tout genre, en particulier aussi aux alliages comportant des métaux à point de fusion élevé et à poids spécifique élevé, comme par exemple les alliages de métaux durs.
L'invention a en outre pour objet un dispositif à l'aide duquel on peut exposer aux oscillations suivant l'invention même les lingots les plus importants. A cet effet, et conformément à l'invention, on placera la coquille ou le moule sur un appui supporté élastiquement, qui sera dans la suite appelé plaque suspendue, et qui sera mis en oscillation au moyen d'une masse déséquilibrée mise en rota- tion électriquement ou mécaniquement.
De la sorte, et contrai- rement à ce qu'il en est dans les procédés précédemment pro- posés, on provoque l'oscillation de l'ensemble du système, c'est-à-dire de la plaque suspendue, du moule ou de la coquil- le, et de la matière qui occupe les moules ou les coquilles; la masse totale des moules, de la plaque suspendue et de la matière coulée ou en cours de solidification, ainsi que celle de la suspension, constitue le système oscillant. On peut cal- culer la suspension pour la fréquence désirée, en appliquant la formule connue :
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où f désigne la fréquence, ± la constante des ressorts en kg/cm, et m la masse égale au poids multiplié par l'accéléra- tion due à la pesanteur.
L'invention sera exposée plus en détail dans ce qui suit, à l'appui des dessins annexés qui représentent à titre
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d'exemple deux formes de réalisation de l'invention.
Dans ces dessins:
La Fig. 1 représente schématiquement un dispositif destiné à recevoir deux coquilles 1 et 2 qui sont assujetties à la plaque suspendue 4 par l'intermédiaire du dispositif de fixation 3. La plaque suspendue 4 repose sur deux ou plusieurs ressorts 5, représentés sous forme de ressorts d'acier, mais qui pourrait aussi être établis en caoutchouc. Ces ressorts 5 reposent sur un contrepoids 7 supporté par des blocs de caoutchouc 6 ou autres dispositifs analogues qui l'isolent par rapport au sol de l'atelier, ledit contrepoids représen- tant convenablement un multiple du poids du reste du disposi- tif.
Les oscillations non amorties nécessaires au traite- ment de la coulée sont provoquées par deux masses déséquili- brées 8 accouplées, tournant en sens inverse, ainsi qu'on l'a montré schématiquement à la Fig. 1. La force nécessaire à la rotation de ces masses déséquilibrées est extrêmement fai- ble et peut par exemple être fournie par un petit moteur élec- trique, qui sera convenablement monté au voisinage du disposi- tif, de façon fixe, et qui sera réuni aux masses déséquilibrées par l'intermédiaire d'un arbre souple. La rotation desdites masses peut aussi être obtenue par l'action de vapeur ou d'air comprimé.
Par l'action des masses déséquilibrées accouplées et tournant en sens inverse, on évite des oscillations laté- rales. Une seule masse déséquilibrée a été également reconnue utilisable, attendu que la suspension latérale du système est, différente de la suspension verticale et que par conséquent les forces latérales développées par la masse déséquilibrée ne peuvent se faire sentir.
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Pour la coulée, on procédera de la façon suivante : on mettra tout d'abord en oscillation les moules ou coquilles vides en même temps que la plaque suspendue, par le mouvement des masses déséquilibrées. On entretient le mouvement d'oscil- lation pendant la coulée et jusqu'à solidification complète.
Pendant la coulée, la fréquence de résonance du système se modifie. Par suite, la commande est prévue réglable, c'est-à- dire qu'on peut modifier la vitesse de rotation du dispositif d'entraînement. Il est ainsi possible, indépendamment du poids des moules et/ou de la coulée de rester toujours en résonance ou, ce qui s'est montré particulièrement judicieux, de travail- ler à amplitude constante sur un point déterminé de la branche ascendante ou descendante de la courbe de résonance.
Dans la Fig. 2, on a schématiquement représenté une forme de réalisation qui s'écarte de celle représentée à la Fig. 1 en ce qui concerne la disposition des massess déséquilibrées et le montage de la plaque suspendue. La co- quille 1 est fixée à la plaque suspendue 4, convenablement au moyen de boulons ou par des moyens analogues, comme montré à la Fig. 1. La plaque suspendue 4 repose sur des ressorts d'acier ou de caoutchouc 5, au nombre de deux ou davantage, chaque ressort 5 étant lui-même suspendu sur un contrepoids lourd 8 au moyen d'un contre-ressort 6, par l'intermédiaire du tirant 7. Le contrepoids 8 est suspendu par des blocs de caoutchouc 9 qui l'isolent du sol de l'atelier.
Une lame de ressort 10 sert à mettre le système en mouvement. Elle est rigidement reliée en son milieu à la plaque suspendue 4, comme indiqué en 11. Les deux extré- mités 12 et 13 libres de la pièce 10 sont chacune pourvue d'un poids 14 et 15. Le poids 15 est en outre pourvu d'une masse déséquilibrée et rotative 16. Pour mettre le système @
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en mouvement de manière à provoquer les oscillations, on fait tourner la masse de déséquilibrage 16, grâce à quoi tout d'abord la pièce 10 entre en oscillation avec ses poids 14 et 15; la plaque suspendue 4 et la coquille 1, vide ou pleine, sont ainsi mises elles-mêmes en oscillation.
On doit mentionner que les poids 14 et 15, ainsi que la pièce élastique 10, présentent à peu près la même oscillation propre que le restant du système, c'est-à-dire la coquille y compris le bain qu'elle contient, la plaque suspendue et les ressorts' 5.
Au lieu de la masse déséquilibrée unique 16, on pourrait aussi prévoir au même endroit des masses déséquili- brées accouplées, tournant en sens opposé, comme dans la Fig.l.
Le dispositif suivant Fig. 2 peut, ainsi qu'il en est pour celui qui fait l'objet de la Fig. 1, être soumis à des fréquences de hauteurs différentes, mais il s'est mon- tré judicieux de rester, en ce qui concerne la fréquence adoptée, en deçà de la limite audible. L'excitation du sys- tème peut en outre être réalisée électromagnétiquement.
L'électro-aimant, dont le barreau est fixé à la plaque sus- pendue 4, remplace alors les masses déséquilibrées et est alimenté par du courant alternatif de fréquence variable.
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Method and device for casting iron, steel, steel alloys, metals and metal alloys of all kinds.
We already know that, thanks to shaking, the masses made liquid by fusion can be favorably influenced in their solidification. Thus, for example, it has already been proposed, for the casting of steel, to shake the mold or the shell, during the casting or during the solidification. By means of this known process, the material is obtained to be highly degassed, and the formation of straws is largely prevented. We still manage, thanks @
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to this known extent, to obtain an ingot of relatively fine grain, since, by the action of shaking, one causes the formation of a greater number of focal points of crystallization. In addition, a more homogeneous and bleeding-free cast iron is obtained.
Shaking has been used for steel and for metal alloys of the most different kinds.
The shaking which is used with a view to obtaining the so-called "shaken" cast iron was heretofore obtained by the fact that the casting mold was placed on a suitable device to which a movement was imparted in jerks by means of cams, by compressed air or the like, the cams for example lifting the device and then allowing it to fall freely. These devices, by virtue of which, in general, it is only possible to obtain a relatively small number of shocks in the time unit, cause significant fatigue in the installation.
In particular for heavy blocks such as those produced for example in steelworks, very significant impact fatigue must be supported by the members of the device, resulting in premature damage. In addition, and as a result of these significant fatigue as well as by the very nature of the shocks produced, it is not possible to cause a high number of shocks in the unit of time, whereas from the metallurgical point of view, it is advantageous to impart to the material as many impacts as possible during casting and solidification.
Instead of shaking caused by shocks, it has also been proposed to impart oscillations to castings of iron, steel or other metals, and for this purpose it has been proposed, on the one hand, of oscillations at frequencies exceeding the audible limit, and on the other hand lower frequencies @
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at the limit of audibility. In both cases, the castings had to be set in oscillation using vibrators penetrating into the bath itself. Regardless of the fact that this process, in the case of ultrasonic waves, can only be applied with difficulty or is even completely impracticable owing to the reflections of the sound waves which occur, these two proposals have the disadvantage that the vibrator is attacked by the bath.
Furthermore, it is difficult, by means of a vibrator which penetrates into the bath and which consequently is in contact with the latter only over a limited part of the casting, to transmit to said bath the bath. energy required. This is particularly the case with the casting units common in the steel industry, resulting in shell ingots weighing two tons and more. The result is that sufficient work is not done on the casting.
In accordance with the invention, it is proposed to expose the material, during casting and / or solidification, to continuous oscillations, that is to say not damped, sustained, of the kind of sinusoidal oscillations, and the The procedure will be such that the whole of the mold, shell, or the like, will be subjected to the oscillations at the same time as the casting which has been introduced therein. By virtue of the use of oscillations according to the invention, all the drawbacks inherent in the shaking proper, mentioned above, are eliminated, and moreover much more extensive metallurgical advantages are obtained.
Unlike the known methods in which sound oscillations are transmitted directly into the bath, according to the invention, the advantage is obtained that even the largest ingots can thus be subjected to
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the influence of sustained, non-damped oscillations of an amplitude such that the entire contents of the casting mold are put into oscillation.
This mode of movement makes it possible to act relatively easily on the masses, and even when the heaviest ingots are processed, fatigue of the casting and vibration device is avoided due to un-damped shocks, those - here, by their size, can be considered in the calculations. Since it is without other difficulties possible to make the system oscillate in resonance and also in an ascending or descending branch of the resonance curve, the forces which are necessary to obtain the movement are notably lower and one can moreover, without other difficulties, to obtain movements much stronger than those which it was possible to cause in the casting by the known shaking, or by application of the process consisting in directly introducing sound oscillations into the bath.
The oscillations of high amplitude and of reduced number in the unit of time, obtained in the known methods and devices, for shaking the cast iron, entail the risk of the molten metal being projected out of the mold, so that With the known methods it is generally necessary to carry out the shaking only after a solidification partly in the form of the formation of a crust, preventing the projection, has already occurred.
In the method according to the invention, frequencies of any height are used. Appropriately, however, it remains below the audible limit. If purely mechanical means are used, with a view to obtaining the oscillations, it has been recognized that vibrations of
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For example 100 oscillations per second were particularly suitable. If electromagnetic excitation is used, the number of oscillations per second can be increased, and a number of oscillations of up to 10,000 per second has been found satisfactory.
Since the oscillations which are to be adopted according to the invention are of low amplitude, metals can already during casting, as well as during solidification, be exposed to large oscillating forces, without being risk of pieces of the molten material being thrown out of the mold.
The high oscillating forces, inside the molten mass, provide, from a metallurgical point of view, all the advantages already caused by the known shaking. As a result of the significantly greater oscillation energy, the results sought to be obtained by shaking are achieved almost more completely by the measures which are the subject of the present invention.
Furthermore, the new process has the advantage that it is possible to work with comparatively lower casting temperatures than in the known processes, after which the oscillations are transmitted directly into the bath by means of a plunger, or similar device, since this transmission device would risk being blocked by the solidifying metal, losing its fluidity. Even with thin-walled molds, and thanks to the oscillations, a satisfactory filling of the mold with the already viscous metal is achieved. Likewise, special devices intended for the evacuation of the air out of the mold to be filled become superfluous, since this air can escape through the metal itself.
The method can also be used advantageously in cases where. the casting mold itself made at the same time
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office as a melting crucible. Conveniently, in these cases, the oscillatory movement will be initiated before the mass has completely melted, or else when only certain constituents of the alloy are already melted.
The process is applicable to iron, steel, steel alloys, metals and metal alloys of all kinds, especially also to alloys with high melting point and high specific gravity metals, as by example hard metal alloys.
A further subject of the invention is a device with the aid of which even the largest ingots can be exposed to the oscillations according to the invention. For this purpose, and in accordance with the invention, the shell or the mold will be placed on an elastically supported support, which will be called the suspended plate in the following, and which will be put into oscillation by means of an unbalanced mass rotated. tion electrically or mechanically.
In this way, and contrary to what is the case in the previously proposed methods, the entire system, that is to say of the suspended plate, of the mold or of the shell, and of the matter which occupies the mussels or the shells; the total mass of the molds, of the suspended plate and of the material cast or in the course of solidification, as well as that of the suspension, constitutes the oscillating system. The suspension can be calculated for the desired frequency, by applying the known formula:
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where f denotes the frequency, ± the spring constant in kg / cm, and m the mass equal to the weight multiplied by the acceleration due to gravity.
The invention will be explained in more detail in the following, in support of the accompanying drawings which represent by way of
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example two embodiments of the invention.
In these drawings:
Fig. 1 schematically shows a device intended to receive two shells 1 and 2 which are secured to the suspended plate 4 by means of the fixing device 3. The suspended plate 4 rests on two or more springs 5, shown in the form of springs of steel, but which could also be made of rubber. These springs 5 rest on a counterweight 7 supported by rubber blocks 6 or other similar devices which isolate it from the floor of the workshop, said counterweight suitably representing a multiple of the weight of the rest of the device.
The undamped oscillations necessary for the processing of the casting are caused by two unbalanced masses 8 coupled together, rotating in the opposite direction, as shown schematically in FIG. 1. The force necessary for the rotation of these unbalanced masses is extremely low and can for example be supplied by a small electric motor, which will be suitably mounted in the vicinity of the device, in a fixed manner, and which will be joined together. to unbalanced masses via a flexible shaft. The rotation of said masses can also be obtained by the action of steam or compressed air.
By the action of unbalanced masses coupled and rotating in the opposite direction, lateral oscillations are avoided. A single unbalanced mass has also been recognized as usable, since the lateral suspension of the system is different from the vertical suspension and therefore the lateral forces developed by the unbalanced mass cannot be felt.
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For casting, we will proceed as follows: we will first of all oscillate the molds or empty shells at the same time as the suspended plate, by the movement of the unbalanced masses. The oscillating movement is maintained during casting and until complete solidification.
During casting, the resonant frequency of the system changes. As a result, the control is provided adjustable, that is to say that the speed of rotation of the drive device can be changed. It is thus possible, regardless of the weight of the molds and / or of the casting, to always remain in resonance or, which has been shown to be particularly judicious, to work at constant amplitude on a given point of the ascending or descending branch of the the resonance curve.
In Fig. 2, there is schematically shown an embodiment which departs from that shown in FIG. 1 regarding the arrangement of the unbalanced masses and the mounting of the suspended plate. The shell 1 is fixed to the hanging plate 4, suitably by means of bolts or the like, as shown in FIG. 1. The suspended plate 4 rests on steel or rubber springs 5, two or more in number, each spring 5 being itself suspended on a heavy counterweight 8 by means of a counter-spring 6, by the 'Intermediate of the tie rod 7. The counterweight 8 is suspended by rubber blocks 9 which isolate it from the workshop floor.
A leaf spring 10 is used to set the system in motion. It is rigidly connected in its middle to the suspended plate 4, as indicated at 11. The two free ends 12 and 13 of the part 10 are each provided with a weight 14 and 15. The weight 15 is furthermore provided with a weight. 'an unbalanced and rotating mass 16. To put the system @
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in movement so as to cause the oscillations, the unbalancing mass 16 is rotated, whereby first of all the part 10 starts to oscillate with its weights 14 and 15; the suspended plate 4 and the shell 1, empty or full, are thus themselves set in oscillation.
It should be mentioned that the weights 14 and 15, as well as the elastic part 10, exhibit roughly the same own oscillation as the rest of the system, that is to say the shell including the bath it contains, the hanging plate and springs' 5.
Instead of the single unbalanced mass 16, one could also provide at the same location unbalanced coupled masses rotating in the opposite direction, as in Fig.l.
The device according to Fig. 2 can, as is the case for that which is the subject of FIG. 1, be subjected to frequencies of different heights, but it was judicious to remain, as regards the adopted frequency, below the audible limit. The excitation of the system can also be carried out electromagnetically.
The electromagnet, the bar of which is fixed to the suspended plate 4, then replaces the unbalanced masses and is supplied with alternating current of variable frequency.