CH659959A5 - Verfahren zur erzeugung akustischer schwingungen und schaltungsanordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens. - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung akustischer Schwingungen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 2.

Es ist ein Verfahren zur Erzeugung von Impulsen akustischer Schwingungen bekannt, das auf einer Stosserregung eines magnetostriktiven Wandlers beruht und in der 1950 veröffentlichten GB-Patentschrift 646 882 beschrieben ist. Gemäss diesem Verfahren wird durch die Wicklung des Wandlers ein vorher aufgeladener Kondensator entladen.

Ausserdem ist ein Verfahren zur Erzeugung akustischer Schwingungen bekannt, bei dem der Wicklung eines magnetostriktiven Wandlers Stromimpulse mit einer Folgefrequenz zugeführt werden, die um das 3 bis lOfache kleiner als die Frequenz der akustischen Schwingungen ist und durch die Eigenfrequenz des magnetostriktiven Wandlers teilbar ist, während die Impulsdauer nicht grösser als die halbe Periode der akustischen Schwingungen ist (s. den SU-Urheberschein 251 287 vom 01.07.1968). Die spektrale Zusammensetzung der elektrischen Erregersignale bei den beiden genannten Verfahren gestattet es nicht, die magnetostriktiven Eigenschaften des Werkstoffes des Wandlers in vollem Masse auszunutzen, weshalb sich die Amplitude und die Leistung der akustischen Schwingungen bei Benutzung der bekannten Verfahren als unzureichend für die Durchführung der meisten Ultraschallbearbeitungsvorgänge erweisen.

Es ist ferner eine Schaltungsanordnung für die Erzeugung akustischer Schwingungen bekannt, die in der 1950 veröffentlichten GB-Patentschrift 646 882 beschrieben ist und zur Verhinderung der Ausbildung von Inkrustationen in Wärmeaustauschapparaten benützt wird. Diese Schaltungsanordnung enthält einen magnetostriktiven Wandler, ein mechanisches Schaltelement, einen Speicherkondensator einen Speisungsblock und einen Impulsfolgefrequenzgeber.

Diese bekannte Schaltungsanordnung arbeitet gemäss dem oben beschriebenen Verfahren, das auf einer Entladung des vorher aufgeladenen Speicherkondensators über die

Wicklung des magnetostriktiven Wandlers beruht, und für diese Schaltungsanordnung gilt alles, was über das Verfahren erwähnt ist. Darüber hinaus macht das Vorhandensein des mechanischen Schaltelementes in dieser Schaltungsanordnung diese trägheitsbehaftet und beschränkt deren Leistung.

Es ist auch eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung akustischer Schwingungen bekannt, die eine Speisequelle, einen an diese mit seinem Eingang angeschlossenen Impulsfolgefrequenzgeber und einen Speicherkondensator enthält. An die Elektroden des Kondensators ist über den Laststromkreis eines aus einem Thyristor aufgebauten Schaltelementes die Erregerwicklung des magnetostriktiven Wandlers (s. den SU-Urheberschein 575 144 vom 5.10.1977) angeschaltet. Diese Schaltunganordnung wird gleichfalls durch eine begrenzte Leistungsfähigkeit gekennzeichnet, die mit einer niedrigen Wirksamkeit der Erregung des magnetostriktiven Wandlers zusammenhängt.

Die Schwingungsamplitude des magnetostriktiven Wandlers ist in der bekannten Schaltungsanordnung durch die Grösse der statischen Magnetostriktion begrenzt und unterschreitet 1 bis 1,4 |im bei einer Schwingungsfrequenz von 20 kHz. Deshalb ruft eine Vergrösserung der Amplitude eines den Wandler über einen mit der Sättigung des magnetostriktiven Werkstoffes zusammenhängenden bestimmten Pegel hinaus erregenden elektrischen Impulssignales keine Vergrösserung der Amplitude der Ultraschallschwingungen hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung akustischer Schwingungen zu schaffen, bei dem die magnetostriktiven Eigenschaften des Werkstoffes des Kernes des Wandlers am besten zur Geltung kommen, was gestattet, die Amplitude und die Leistung der akustischen Schwingungen zu erhöhen. Ebenso ist der Erfindung die Aufgabe zugrundegelegt, eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die eine einfache Schaltungstechnik und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das vorgeschlagene Verfahren gemäss der Erfindung die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 erwähnten Merkmale aufweist. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung weist gemäss der Erfindung die im Kennzeichen des Patentanspruches 2 aufgeführten Merkmale auf.

Das erfindungsgemässe Verfahren sichert durch die weiteste Ausnutzung der magnetostriktiven Eigenschaften des Werkstoffes des Kernes des Wandlers eine hohe Wirksamkeit der Erregung der akustischen Schwingungen.

Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung weist eine einfache Schaltungstechnik auf, ist aus in der Elektrotechnik bekannten Elementen aufgebaut, gewährleistet eine grosse Leistungsabgabe bei einem hohen Wirkungsgrad, einer grossen Sicherheit und Betriebsstabilität.

Die Erfindung ist in der die nachfolgenden Beschreibung einer konkreten Ausführungsform anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Abhängigkeit der Magnetostriktionskraft P von der Magnetisierung M des Kernes des Wandlers,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung, und

Fig. 3 a, b, c, d, e Verläufe elektrischer und mechanischer Signale an verschiedenen Punkten der Schaltungsanordnung wobei auf der Abszissenachse jeweils die Zeit aufgetragen ist.

Das Wesen des Verfahrens zur Erzeugung akustischer Schwingungen besteht in folgendem.

An die Wicklung des magnetostriktiven Wandlers wird ein elektrischer Impuls in Form einer unipolaren Halbperiode einer Kosinusspannung angelegt. Ein dadurch in der Wicklung entstehender Stromimpuls erzeugt ein den Werk-

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Stoff des Kernes magnetisierendes Magnetfeld, wodurch eine Änderung der Kernlänge anstrebende Magnetostriktions-kraft hervorgerufen wird. Die Änderung der Kernlänge in der Zeit wird durch die Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungen des Wandlers und durch die Impedanz einer akustischen Belastung bestimmt und hat in der Regel die Form einer Schwingung.

Zur Vergrösserung der Amplitude der mechanischen Schwingungen des Wandlers wird zweckmässigerweise die Grösse der Magnetostriktionskraft P aufwerte in der Nähe der Sättigung bei Pmax (Fig. 1) zugebracht.

Da die Abhängigkeit der Magnetostriktionskraft P von der Magnetisierung M der Gleichung P = f(Ma) genügt, worin M — die Magnetisierung des Kernes des Wandlers bedeutet und a — sich für die meisten magnetostriktiven Werkstoffe in Grenzen von 1 bis 2 bewegt, wird die Dauer der Halbperioden der Kosinusspannung bis zur Sättigung gleich «a» Halbperioden der akustischen Schwingungen des belasteten Wandlers gewählt.

So wird die Dauer der Halbperiode der Kosinusspannung im Falle einer linearen Abhängigkeit der Magnetostriktionskraft von der Magnetisierung gleich einer Halbperiode der akustischen Schwingungen des belasteten Wandlers genommen.

Im Falle einer quadratischen Abhängigkeit P = f(M2) wird die Dauer der Halbperiode der Kosinusspannung gleich zwei Halbperioden eines akustischen Signals des belasteten Wandlers genommen.

Derartige Wahl der Impulsdauer der erregenden Kosinusspannung gewährleistet eine Koinzidenz der Eigenfrequenz des magnetostriktiven Wandlers mit dem Maximum des Spektrums der Magnetostriktionskraft.

Nach Abklingen des elektrischen Impulses bricht das äussere Magnetfeld in sich zusammen, und dementsprechend bleibt die Magnetostriktionskraft P aus, während das Schwingsystem des Wandlers seine Abmessungen unter der Wirkung der in diesem gespeicherten Energie weiter ändert. Der Werkstoff des Kernes wird auf den Wert einer Restmagnetisierung entmagnetisiert, die dem Wert einer remanenten Magnetostriktionskraft PD (Fig. 1) entspricht. Bei nachfolgenden Zuführungen der unipolaren Impulse der erregenden Kosinusspannung ändert sich die Magnetostriktionskraft in Grenzen von P0 bis Pmax. Der durch einen geringen Wert der Magnetostriktion gekennzeichnete Abschnitt der Magneto-striktionskurve von P0 bis P'0 wird nicht ausgenutzt.

Die Folgefrequenz der elektrischen Erregerimpulse wird gleich der Frequenz der akustischen Schwingungen des belasteten Wandlers oder als ganzzahliger Teil derselben gewählt, weshalb die Wirkung der Magnetostriktionskraft im Takt mit den Schwingungen des Wandlers erfolgt. Dies wird dadurch gewährleistet, dass jeder nachfolgende Impuls der Kosinusspannung an die Wicklung des Wandlers zu dem Zeitpunkt angelegt wird, wo der Zustand des samt der Belastung schwingenden Wandlers einem Übergang aus dem negativen in den positiven Bereich (Fig. 3e) entspricht. Die Schwingungsamplitude der akustischen Schwingungen des Kernes nimmt allmählich zu. Die Vergrösserung der Schwingungsamplitude von einem Impuls zum anderen wird so lange fortgesetzt, bis die dem Wandler jedesmal beigegebene Energie gleich der Strahlungs- und Verlustenergie im Wandler für die gleich Zeit geworden ist.

Nach der Einstellung der Einspeisung der Impulse der Kosinusspannung auf die Wicklung des magnetostriktiven Wandlers klingen dessen Schwingungen langsam ab.

Die zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagene Schaltungsanordnung enthält einen magnetostriktiven Wandler 1 (Fig. 2) mit einer Hauptwicklung 2 und einer Hilfswicklung 3, die auf dessen Kern 4 angeordnet und

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gleichsinnig geschaltet sind. Die Hauptwicklung 2 ist über den Laststromkreis eines Schaltelementes 5 an die Elektroden eines Speicherkondensators 6 gelegt. Ausserdem enthält die Schaltungsanordnung einen Speisungsblock 7, der über den Laststromkreis eines zusätzlichen Schaltelementes 8 und über die Hilfswicklung 3 an die Elektroden des Kondensators 6 angeschlossen ist. An die Steuerkreise der Schaltelemente 5 und 8 sind die Ausgänge einer Steuereinheit 9 angeschlossen, deren einer Eingang an den Ausgang eines Impulsfolgefrequenzgebers 10 und deren anderer Eingang über eine Phasenschieberkette 11 an einen Rückkopplungsgeber 12 angeschlossen ist. Dieser kann ein kapazitiver, piezoelektrischer oder elektromagnetischer Wandler sein, der mit dem Kern 4 mechanisch verbunden ist. Als Schaltelemente 5, 8 können steuerbare Ventile, z. B. Thyristoren eingesetzt werden. Der Impulsfolgefrequenzgeber 10 kann auf der Basis eines selbsterregten Generators oder eines monostabilen Mul-tivibrators mit einer Fremdauslösung ausgeführt werden.

Die Steuereinheit 9 für die Schaltelemente 5, 8 kann auf der Basis eines symmetrischen monostabilen Multivibrators ausgeführt werden, der durch ein Signal des Rückkopplungsgebers 12 synchronisiert wird.

Bei Schwingungen des magnetostriktiven Wandlers 1 wird am Ausgang des Rückkopplungsgebers 12 ein elektrisches Signal erzeugt, das den mechanischen Schwingungen des Wandlers 1 entspricht.

Falls die durch die Steuereinheit 9 für die Schaltelemente festgelegte Frequenz der Steuerimpulse mit der Eigenfrequenz des belasteten Wandlers 1 zusammenfallt, beeinflusst das Synchronisationssignal vom Ausgang der Phasenschieberkette 11 die Folgefrequenz der Steuerimpulse in keiner Weise. Bei einer Abweichung der Folgefrequenz der Steuerimpulse von der Frequenz der Eigenschwingungen des belasteten Wandlers 1 ändert das Signal vom Ausgang der Phasenschieberkette 11 die Folgefrequenz der Steuerimpulse in entsprechender Weise, wodurch die Arbeit des magnetostriktiven Wandlers 1 auf dessen Resonanzfrequenz und dementsprechend auch eine maximale Ausstrahlung der Schallenergie gewährleistet werden.

Die Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt. Der Impulsfolgefrequenzgeber 10 erzeugt einen Impuls, der die Steuereinheit 9 für die Schaltelemente 5, 8 auslöst. Die Einheit 9 erzeugt einen Steuerimpuls U i (Fig. 3a), der das Schaltelement 8 (Fig. 2) öffnet, das den Speicherkondensator 6 über die Hilfswicklung 3 des Wandlers 1 an den Ausgang des Speisungsblocks 7 anschaltet. Der Speicherkondensator 6 wird durch einen Strom I (Fig. 3c) geladen, der vom Speisungsblock 7 (Fig.2) über das Schaltelement 8 und über die Wicklung 3 des Umwandlers 1 fliesst. Die Ladung erfolgt im Schwingbetrieb und an den Wicklungen 2, 3 des Wandlers 1 ändert sich die Spannung U2 (Fig. 3d) beinahe kosinusoidal. Die im magnetostriktiven Werkstoff des Kernes 4 entstehende Kraft P setzt das Schwingungssystem des Wandlers 1 in Bewegung. Am stärksten werden die Schwingungen bei Frequenzen sein, die nahe an den Eigenfrequenzen liegen, die durch die Ersatzmasse, die Elastizität des Wandlers 1 und die Impedanz der Belastung bestimmt werden. Zur Vergrösserung der Amplitude der akustischen Schwingungen wird die Dauer des elektrischen Erregerimpulses (Fig. 3c, d), die durch die Kapazität des Speicherkondensators 6 und die Induktivität der einen der Wicklungen 2 oder 3 unter Berücksichtigung der Nichtlinearität der Magnetostriktionskurve und des Einflusses der mechanischen Seite des Wandlers auf die elektrische im Übergangsvorgang bestimmt wird, in Grenzen von einer bis zwei Halbperioden der Resonanzfrequenz des belasteten Wandlers gewählt. Zu dem Zeitpunkt, wo der Strom I (Fig. 3c) auf Null absinkt, schliesst das Schaltelement 8 (Fig. 2), und der Wandler 1 schwingt frei.

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Zu dieser Zeit wird an den Wicklungen 2 und 3 die Spannung U2 (Fig. 3d) durch einen reziproken Magnetostriktions-effekt induziert. Zu dem Zeitpunkt, wo die Schwingungen des Wandlers 1 durch die Null aus dem negativen in den positiven Bereich (Fig. 3e) gehen, erzeugt die Steuereinheit 9 (Fig. 2) einen Auslöseimpuls U3 (Fig. 3b), der das Hauptschaltelement 5 (Fig. 2) öffnet, das den Speicherkondensator 6 über die Hauptwicklung 2 des Wandlers 1 entlädt. Die Entladung des Kondensators hat wie auch seine Aufladung die Art einer Schwingbewegung und dauert im Laufe einer Zeit, die nahe an der Ladungszeit des Kondensaors 6 (Fig. 3c) liegt. Da die beiden Wicklungen 2 (Fig. 2) und 3 gleichsinnig geschaltet sind, baut der Entladestrom I des Kondensators 6 im Kern 4 ein Magnetfeld der gleichen Richtung wie auch bei der Aufladung des Kondensators 6 auf. Die Energiezuführung zum Wandler 1 erfolgt also im Takt mit seinen Schwingungen, wodurch diese vergrössert werden, und an den Wicklungen 2 und 3 des Wandlers 1 wird ein unipolarer kosinusförmiger Spannungsimpuls induziert.

Nach Abklingen des Stromimpulses (Fig. 3c) schaltet das Schaltelement 5 ab, und der Kondensator 6 erweist sich als entgegengesetzt geladen gegenüber dem Speisungsblock 7. Bei einer wiederholten Öffnung des Schaltelementes 8 steigen der Stromimpuls I und die Spannung U2 an den Wicklungen 2,3 des Wandlers in entsprechender Weise gegenüber dem vorhergehenden Ladezyklus des Kondensators 6 (s. Fig. 3c, d) an, es wird auch die Schwingungsamplitude (Fig. 3e) des Wandlers 1 (Fig. 2) zusätzlich angefacht.

Die Vergrösserung der Schwingungsamplitude bei einer wechselweisen Ladung-Entladung des Kondensators 6 über die Wicklungen 2 und 3 des Wandlers 1 erfolgt so lange, bis sich eine Gleichheit zwischen der beigegebenen und der für die gleiche Zeit verbrauchten Energie eingestellt hat. Nach Beendigung der Arbeit des Impulsfolgefrequenzgebers 10 und nach der Einstellung der Erzeugung der Steuerimpulse Uj und U2 (Fig. 3a, b) durch die Steuereinheit 9 für die Schaltelemente zu dem Zeitpunkt, wo der Strom I (Fig. 3c) über die Wicklungen 2 (Fig. 2) und 3 und die Schaltelemente 5 oder 8 gleich Null geworden ist, bleiben die beiden Schaltelemente 5 und 8 (Fig. 2) geschlossen, und die Schwingungen des Wandlers 1 klingen allmählich (Fig. 3e) ab. Bei der Erzeugung des nächsten Impulses beliebiger akustischer Schwingungen wiederholen sich die Vorgänge.

Es ist eine Betriebsart der Schaltungsanordnung möglich, bei der die Schaltelemente nicht bei der Frequenz der akustischen Schwingungen, sondern bei einer niedrigeren betätigt werden, die aber einem ganzzahligen Teil der ersteren entspricht. Die erfindungsgemässe Schaltunganordnung sorgt für eine Steigerung der Wirksamkeit der Erregung des magnetostriktiven Wandlers bezüglich der Amplitude um das 3fache gegenüber Impulsquellen mit einer Stosserregung.

Bezüglich der Leistungsabgabe ist die vorgeschlagene Schaltungsanordnung analog zu bekannten Schaltungsanordnung, bei denen die magnetostriktiven Wandler bei einer linearisierten Betriebsart angeregt werden.

Die zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens vorgeschlagene Schaltungsanordnung, kann mit Erfolg für verschiedene Ultraschallbearbeitungvorgänge wie z.B. Ultraschallschneiden, Ultraschallreinigung von Ablagerungen in Wärmeaustauschapparaten, oder Ultraschallschweissung z.B. in der Medizin usw. eingesetzt werden.

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1. Verfahren zur Erzeugung akustischer Schwingungen, bei dem ein magnetostriktiver Wandler durch elektrische Impulse stossweise erregt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an den Wandler elektrische Impulse in Form einer unipolaren Halbperiode einer Kosinusspannung mit einer Dauer von einer bis zwei Halbperioden der akustischen Schwingungen mit einer Folgefrequenz angelegt werden, die der Frequenz der akustischen Schwingungen entspricht oder ein ganzahliger Teil derselben ist.

2. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Patentanspruch 1, mit einem Speisungsblock (7), einem Impulsfolgefrequenzgeber (10) und einem Speicherkondensator (6), an dessen Elektroden eine Erregerwicklung (2) des magnetostriktiven Wandlers (1) über ein steuerbares Schaltelement (5) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetostriktive Wandler (1) eine weitere, mit der genannten Erregerwicklung (2) gleichsinnig geschaltete Erregerwicklung (3) aufweist, die über ein weiteres, steuerbares Schaltelement (8) an die Elektroden des Speicherkondensators (6) angeschlossen ist, wobei für die Schaltelemente (5, 8) eine Steuereinheit (9) vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Ausgang des Impulsfolgefrequenzgebers (10) und deren Ausgänge mit je einem der steuerbaren Schaltelemente (5, 8) verbunden sind.