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Dokumentenidentifikation DE2637373C2 12.10.1989
Titel Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper
Anmelder The University Court of the University of Edinburgh, Edinburgh, GB
Erfinder Salter, Stephen Hugh, Edinburgh, GB
Vertreter Manitz, G., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Finsterwald, M., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 19.08.1976
DE-Aktenzeichen 2637373
Offenlegungstag 03.03.1977
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse E02B 1/02

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper, insbesondere Testbecken, bestehend aus einem im Flüssigkeitskörper angeordneten Flüssigkeitsverdränger mit einer gekrümmten Wellenerzeuger-Oberfläche, der zur Erzeugung der Wellen von einer Antriebseinrichtung relativ zum Flüssigkeitskörper bewegt wird, und einer der Antriebseinrichtung zugeordneten Dämpfungseinrichtung.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Testbassins eingesetzt, in welchen Schiffe, Hafeneinrichtungen und ähnliches mit Hilfe von Modellwellen getestet werden. Bei den Tests kommt es insbesondere darauf an, ein möglichst stabiles Wellenmuster mit einer definierten Wellenperiode und einer definierten Wellenamplitude zu erzeugen.

Bei einer aus der FR-PS 9 42 140 bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art wird der Flüssigkeitsverdränger über einen längeren Betätigungsarm in Bewegung versetzt, welcher an einem Ende am Grund des Testbassins schwenkbar gelagert ist. Der Betätigungsarm ist über ein Hebelgestänge, eine Kulisse und ein Zwischenglied aus Zylinder und im Zylinder geführtem gefederten Kolben mit einem Antriebsmotor verbunden. Während über die Kulisse die Bewegungsamplitude des Flüssigkeitsverdrängers vorgebbar ist, sollen durch das Zwischenglied Kraftstöße vermieden werden.

Das Zwischenglied mag zwar in gewissem Maße einen druckfreien Betrieb der Vorrichtung ermöglichen, aufgrund der getroffenen Anordnung ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß gegen den Flüssigkeitsverdränger anlaufende Wellen reflektiert werden und es zu Instabilitäten im Wellenmuster kommt, was durch die vorgesehene Federung noch begünstigt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche unter Vermeidung einer Reflexion der auf den Flüssigkeitsverdränger auftreffenden Wellen eine Erzeugung besser definierter und stabilerer Wellen ermöglicht.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Dämpfungseinrichtung eine erste Einrichtung zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden Kraft und eine zweite Einrichtung zur zeitlichen Erfassung der Verdrängerbewegung sowie eine die Antriebseinrichtung ansteuernde und von den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung beaufschlagte Steuereinrichtung umfaßt und daß die Ausgangssignale der Steuereinrichtung die Antriebseinrichtung so steuern, daß zur Erzielung einer zumindest im wesentlichen zum Verlauf der auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden Kraft gleichphasigen Verdrängerbewegung in dem vorliegenden Schwingungssystem die Dämpfungskomponente im Vergleich zur Trägheits- und Rückstellkomponente groß ist.

Aufgrund dieser Ausbildung lassen sich rasch und zuverlässig stets genau definierte und stabile Wellenmuster erzeugen. Die Vorrichtung verhält sich praktisch wie ein gedämpftes Systen, in welchem die auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkende Kraft mit der Verdrängerbewegung in Phase ist und welches beispielsweise mit einer solchen Anordnung vergleichbar ist, bei der ein Kolben mit gerinstmöglicher Trägheit in einem Dämpfungszylinder bewegt und von einer Feder mit niederer Steifigkeit geführt wird. Dem Flüssigkeitskörper kann demnach sowohl Energie zugeführt als auch Energie entnommen werden, wobei insbesondere auch sichergestellt ist, daß der Flüssigkeitsverdränger für die auftreffenden Wellen zu keiner Zeit als starres Hindernis wirkt. Ferner ist die zum Antrieb der Vorrichtung erforderliche Energie wesentlich herabgesetzt.

Die Steuereinrichtung kann zur Ansteuerung der Antriebseinrichtung Leistungsverstärker mit einem Leistungsvermögen von einigen hundert Watt, beispielsweise bis zu einem Kilowatt, umfassen. Ein für die Antriebseinrichtung vorgesehener Motor sollte einen möglichst trägheitsarmen Betrieb gewährleisten. Besonders geeignet ist beispielsweise ein Motor mit gedrucktem Anker, welcher über ein Reduktionsgetriebe derart auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkt, daß sich vom Motor zum Flüssigkeitsverdränger insgesamt eine Geschwindigkeitsverringerung in der Größenordnung von 150 : 1 ergibt.

Die Ausführungsvarianten gemäß den Ansprüchen 5 bis 9 begünstigen insbesondere eine problemlose und genaue Messung der auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden resultierenden Kraft. Wesentlich ist hierbei u. a., daß während einer jeden Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers die Belastung der jeweiligen Lager möglichst gering und damit die Messung eventuell beeinträchtigende Reibung im Bereich dieser Lager auf ein vernachlässigbares Maß reduziert sind.

Darüber hinaus ergibt insbesondere die Ausgestaltung des Flüssigkeitsverdrängers gemäß den Ansprüchen 5 und 6 eine gute Anpassung an eine Vielzahl von praktisch in Betracht kommenden Wellenmustern. Hierbei ist bekannt, daß das Bewegungsmuster in tiefem Wasser ein Satz von Kreisbahnen ist. An der Oberfläche ist der Durchmesser der Kreisbahn gleich der Wellenhöhe. Unterhalb der Oberfläche wird der Durchmesser durch den Faktor



verringert, wobei d die Tiefe und λ die Wellenlänge angibt. Zwar ist es praktisch nicht realisierbar, eine solche Form des Flüssigkeitsverdrängers anzugeben, die genau zu allen Bewegungsamplituden aller Wellenperioden-Gemische bei sämtlichen Tiefen paßt. Die bevorzugte und insbesondere in den Ansprüchen 5 und 6 angegebene Verdrängerform stellt jedoch ein weitgehendes Optimum dar.

Gute Ergebnisse lassen sich insbesondere bei einer zyklischen Anregung des Flüssigkeitsverdrängers erzielen. Die Auslenkamplituden können beispielsweise bis zu 30° betragen. Ferner können die kreisförmigen Profile leicht angerissen und geraut sein. Die Breite des Flüssigkeitsverdrängers sollte zweckmäßigerweise so schmal sein, daß nur eine relativ geringe Änderung der Wellenphase quer zur Frontoberfläche des Flüssigkeitsverdrängers für schräglaufende Wellen auftritt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Skizze einer bevorzugten Gestalt eines Flüssigkeitsverdrängers, einer Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Flüssigkeitsverdrängers und der zugehörigen Geräte der Vorrichtung,

Fig. 3 ein Schaltungsdiagramm einer zur Steuerung der Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers verwendeten Steuereinrichtung,

Fig. 4 einen schematischen Seitenaufriß einer modifizierten Form der Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen und

Fig. 5 einen schematischen Seitenaufriß einer weiteren modifizierten Form der Vorrichtung.

Ein in Fig. 1 in Seitenansicht im Detail dargestellter Flüssigkeitsverdränger besitzt eine konstante Breite, die an den Tank bzw. Behälter angepaßt ist, zu dem der Flüssigkeitsverdränger passen soll. Die Breite des Flüssigkeitsverdrängers 1 ist vorzugsweise genügend klein, so daß nur eine relativ kleine Änderung der Wellenphase quer über die Frontoberfläche des Flüssigkeitsverdrängers für schräglaufende Wellen auftritt. Der Flüssigkeitsverdränger 1 ist mehr in seiner geometrischen Form als in seiner physikalischen Ausführung dargestellt und umfaßt zwei beabstandete Seitenplatten der dargestellten Form die durch zwei gekrümmte eine Wellenerzeuger-Oberfläche und eine Rückfläche bildende Platten 1a bzw. 1c miteinander verbunden sind, während die dritte Seite in einer flachen Ebene 1b liegt. Der Flüssigkeitsverdränger 1 ist um das Krümmungszentrum der Platte 1c drehbar, während das Krümmungszentrum der Platte 1a auf der Linie liegt, in der die Ebene 1b die Platte 1c trifft. Der Krümmungsradius der Platte 1a ist doppelt so groß wie der der Platte 1c. Der Flüssigkeitsverdränger 1 wird im Betrieb so angeordnet, daß seine Rotationsachse um 0,7 R unter der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers liegt, in dem die Wellen erzeugt werden sollen, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Hierbei gibt R den Krümmungsradius der Platte 1c an.

Der Flüssigkeitsverdränger der in der Fig. 1 dargestellten Form ist einfach herzustellen, da für die Platten 1a und 1c kreisförmige Profile verwendet werden. Die vom Flüssigkeitsverdränger 1 erzeugten Wellen breiten sich von der eine Wellenerzeuger-Oberfläche bildenden Platte 1a und von der Rückfläche des Flüssigkeitsverdrängers 1 aus, die von der zu diesem Zweck konkaven bzw. "hohlen" Platte 1c gebildet wird. Praktisch ist dies äquivalent dazu, daß man die Seitenplatten wesentlich größer macht und daß die Platte 1c konvex ist und in bezug auf der in Fig. 1 dargestellten Seite auf der gegenüberliegenden Seite der Rotationsachse liegt, mit der Ausnahme, daß dann, wenn die Rückfläche in der dargestellten Weise konkav ist, die Auftriebskräfte wesentlich kleiner sind, wodurch die auf die Lagerung des Flüssigkeitsverdrängers wirkenden Kräfte wesentlich kleiner werden.

In der Darstellung von Fig. 2 ist ein Flüssigkeitsverdränger 1, der eine der in Fig. 1 dargestellten geometrischen Form entsprechende physikalische Form aufweist, auf zwei beabstandeten Scheiben 2 befestigt, die sich auf den beiden Enden einer Spindel bzw. Welle 3 drehen. Zwei vieladrige Edelstahlkabel 4 sind auf die Kante bzw. Felge einer jeden Scheibe 2 aufgestiftet, wobei jedes Kabel 4 auch noch eine Rolle 5 umgreift. Um jede Rolle 5 sind zwei Schläge bzw. Schlingen herumgelegt, nach denen die Kabel 4 zurückkehren, um eine 180°-Wicklung um die Ränder der Scheiben 2 herum zu vervollständigen. Eine spiralförmige Rille (nicht dargestellt) mit einer Ganghöhe, die gerade größer als der Durchmesser des Kabels 4 ist, ist in jede Rolle 5 bzw. Riemenscheibe eingeschnitten, um die Wicklung des Kabels 4 um die Rolle 5 herum zu steuern, wenn diese sich dreht. Ein Getriebekasten 6, der einen Elektromotor und Zahnräder (nicht dargestellt) trägt, um die Rollen 5 synchron bzw. im Gleichlauf anzutreiben, ist im Punkt 7 freibeweglich befestigt und wird an einer Drehung um den Punkt 7 durch einen kraftempfindlichen Meßwertumformer gehindert, welcher einer ersten Einrichtung 8 zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkenden Kraft zugeordnet ist. Ein zweiter Meßumformer (in Fig. 2 nicht dargestellt) ist an den Motorantrieb angekoppelt, um die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdrängers zu messen.

In der dargestellten Ausführungsform ist dieser zweite Meßwertumformer ein Tachogenerator welcher einer zweiten Einrichtung (T11) zur zeitlichen Erfassung der Verdrängerbewegung bzw. -geschwindigkeit zugeordnet ist.

Die in Fig. 2 mit 1a und 1c bezeichneten Oberflächen bzw. Ebenen entsprechen denen, die in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Wellenerzeuger-Oberflächen 1a und die Rückfläche 1c erstrecken sich zwischen den Seitenplatten und umgrenzen einen hohlen Verdrängerkörper, der an den beiden Scheiben 2 befestigt und an der Oberseite 15 offen ist.

Bei einer Drehung des in Fig. 1 dargestellten Flüssigkeitsverdrängers 1 weist die Volumenänderung der verdrängten Flüssigkeit bei in das Wasser eingetauchtem Verdränger (vgl. Fig. 1) die Tendenz auf, den Verdränger zurückfedern bzw. zurückspringen zu lassen. Das System weist eine inhärente Federwirkung bzw. ein inhärentes Federungsvermögen auf. Das Federverhältnis bzw. die Federkonstante dieser Federkraft hat den Wert



pro Bogeneinheit und Einheitsbreite, wobei p die Dichte der Flüssigkeit ist und L&sub1; und L&sub2; die in Fig. 1 wiedergegebenen Abstände angeben. Beim Betrieb der Vorrichtung spielt demnach ein Trägheitsfaktor eine Rolle. Diese Trägheit ergibt sich aus dem Trägheitsmoment der Masse des Flüssigkeitsverdrängers 1 plus dem Trägheitsmoment des Getriebekastens 6 plus dem Trägheitsmoment der vom Flüssigkeitsverdränger 1 beeinflußten Flüssigkeit. Diese dritte Größe kann nicht ohne weiteres berechnet werden, doch scheint sie am kleinsten zu sein, wenn der Flüssigkeitsverdränger am besten an die Flüssigkeitsbewegung angepaßt ist.

Wenn der Federkraft-Ausdruck dem Trägheits-Ausdruck das Gleichgewicht hält und die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 lediglich durch die Dämpfung gesteuert wird, dann arbeitet die Vorrichtung in der wirksamsten Weise als Energieabsorber. Man kann erreichen, daß die natürliche Frequenz für die Wellenlänge auftritt, die am interessantesten ist, doch kann die Vorrichtung so modifiziert werden, daß sich das Arbeitsband verbreitert. Wird also der Flüssigkeitsverdränger 1 aus leichten, jedoch widerstandsfähigen Materialien gebaut, so hat er eine geringe Trägheit, doch schwimmt er nach oben aus der Flüssigkeit heraus. Er kann durch eine Kraft zurückgedrückt werden, die von einer Quelle mit niederer Federkonstante bzw. Federsteife stammt. Bei Ausführungsformen, in denen die Vorrichtung klein ist, kann eine geeignete Kraft mit niederer Federkonstante dadurch erzeugt werden, daß man einen Standstrom im Antriebsmotor fließen läßt.

Erzeugen die Auftriebseffekte einer solchen Vorrichtung eine höhere Federkraft als erwünscht, so kann diese dadurch verringert werden, daß man zur Steuereinrichtung ein der Stellung des Flüssigkeitsverdrängers 1 proportionales Signal mit einer solchen Phase zurückführt, daß aufwärts gerichtete Bewegungen eine Kraft erzeugen, die den Flüssigkeitsverdränger nach oben hebt. Übertreibt man dies, so kann das zu einem instabilen Betrieb führen, wenn die geringste Abweichung von der Mittelstellung vergrößert wird. Die beste Einstellung liegt unterhalb des kritischen Wertes, jedoch genügend hoch für den Arbeitsbereich, ungeachtet der niederen Trägheit. Es ist möglich, ein der Beschleunigung proportionales Signal an die Steuereinrichtung mit einer solchen Phase zu senden, daß die Beschleunigung vergrößert wird. In diesem Fall scheinen die beweglichen Teile der Vorrichtung eine verringerte Trägheit zu haben. Da empfindliche Beschleunigungsmesser ziemlich niedere Maximalfrequenzen aufweisen, besteht eine Alternative zur Verwendung eines Beschleunigungsmessers darin, ein Geschwindigkeitssignal zu differenzieren, um ein Beschleunigungssignal zu erhalten, vorausgesetzt, daß es frei von Impulsspitzen und Störungen ist. Ein geeigneter Geschwindigkeitsmeßumformer kann aus einem Mikroamperemeter hergestellt werden, dessen Bewegung mit der Tragwelle des Verdrängers gekoppelt ist.

Das elektronische Blockdiagramm der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung (8 bzw. T11) und der Steuereinrichtung (12-15, PA, M), die zusammen mit dem Flüssigkeitsverdränger gemäß Fig. 2 verwendet werden, ist in Fig. 3 dargestellt. Diese Steuereinrichtung umfaßt Verstärker 12-15 sowie einen Leistungsverstärker PA zur Ansteuerung eines Motors M, welcher den Flüssigkeitsverdränger 1 antreibt. Die als Operationsverstärker ausgebildete zweite Einrichtung 11 konditioniert den Tachogenerator T (oder einen anderen die Geschwindigkeit messenden Meßwertgeber). Er sollte mit einer niederen Offset-Spannung ausgewählt werden. Der Verstärker 12 erzeugt aus dem vom Tachogenerator T kommenden Geschwindigkeitssignal ein Beschleunigungssignal. C&sub1; und R&sub1; bestimmen das Verhalten des Verstärkers 12 bei den Wellenfrequenzen. C&sub2; beschneidet die Übertragungscharakteristik für hohe Frequenzen und R&sub2; verhindert eine Instabilität des Verstärkers. Der Verstärker 13 sollte so ausgewählt werden, daß er eine niedere Offset-Spannung und einen geringen Offset-Strom aufweist. Er wirkt als Integrator für die Signale bei den Arbeitsfrequenzen. Sein Verhalten wird durch R&sub3; und C&sub3; bestimmt. R&sub4; beschneidet die Niederfrequenz-Drift. Der Verstärker 14 konditioniert eine Brückenschaltung, die den als erste Erfassungseinrichtung 8 dienenden Meßwertumformer 8 (z. B. einen Dehnungs- bzw. Spannungsmesser) umfaßt, wobei dieser Schaltkreis mit Energie von einer sauberen, zusätzlich stabilisierten Quelle versorgt wird, die er lediglich mit der Trimm-Steuerung teilt, welche einen Standstrom im Motor M einstellt, um bei niederen Wellenniveaus das tote Spiel des Getriebes aufzunehmen. Bei großen Einheiten wird der größte Teil der Trimmkraft auf mechanischem Wege zugeführt. Der Verstärker 15 summiert die verschiedenen Werte und treibt den Leistungsverstärker PA. Dessen Verstärkung sollte so hoch eingestellt werden, wie es die Unvollkommenheiten des Systems erlauben. Der Leistungsverstärker PA treibt den Motor M, der die Bewegungen des Flüssigkeitsverdrängers 1 steuert. Die Werte der Eingangswiderstände hängen von den Skalenfaktoren der verschiedenen Meßwertumformer ab. Die in Fig. 3 wiedergegebenen Parameterwerte dienen lediglich als Richtgrößen.

Die Steuereinrichtung arbeitet in folgender Weise:

Es sei angenommen, daß die resultierende, auf den Flüssigkeitsverdränger einwirkende Kraft so groß ist, daß sich ein Ausgangssignal des Verstärkers 14 mit einem bestimmten Wert ergibt. Dieses Signal wird mit dem Trimm-Steuersignal und einem hereinkommenden Steuersignal summiert, dem Leistungsverstärker PA zugeführt und von diesem verstärkt; das Ausgangssignal des Leistungsverstärkers PA treibt den Motor M in der entsprechenden Richtung. Die Rotation des Motors M (und folglich die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers) veranlaßt den Tachogenerator T, ein Signal abzugeben, das der Geschwindigkeit proportional ist und das vom Operationsverstärker 11 verstärkt wird. Dieses Signal wird vom den Motor M treibenden Signal abgezogen, so daß dieser abbremst. Es wird also auf elektrischem Weg die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers gedämpft, um so, die Versetzung und die Geschwindigkeit zumindest im wesentlichen miteinander in Phase zu bringen. Zusätzlich wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 im den Verstärker 12 umfassenden Schaltungsabschnitt differenziert, um ein Signal zu erzeugen, das für die Beschleunigung des Flüssigkeitsverdrängers 1 repräsentativ ist. Ferner wird das Ausgangssignal des Verstärkers 11 in einem den Verstärker 13 umfassenden Schaltungsabschnitt integriert, um ein Signal zu erzeugen, das für das Federungsvermögen bzw. die Federelastizität des Systems repräsentativ ist. Die für die Beschleunigung und das Federungsvermögen repräsentativen Signale werden ebenfalls von dem den Motor M treibenden Signal abgezogen, wodurch auf elektrische Weise die Trägheit und das Federungsvermögen des Systems auf wirksame Weise verringert werden und sich der Flüssigkeitsverdränger de facto in einer Weise bewegt, die einem vollkommen gedämpften System, in dem diese Kraft in Phase mit der Geschwindigkeit ist, noch näher kommt.

Fig. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der zur Erzeugung von Oberflächenwellen dienenden Vorrichtung die in Verbindung mit der Steuereinrichtung 12-15, PA, M gemäß Fig. 3 verwendet werden kann. Der Flüssigkeitsverdränger 1 hat eine etwas andere Form und einen etwas anderen Aufbau und erzeugt wiederum eine Welle in Vorwärtsrichtung, ohne daß sich eine Welle in Rückwärtsrichtung ausbreitet. Man sieht, daß die Antriebsanordnung zwischen dem Motor und dem Flüssigkeitsverdränger 1 in Fig. 4 verschieden von der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsform ist. Jedoch wird die Abtastung bzw. Messung der Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdrängers und der auf ihn einwirkenden Kraft in ähnlicher Weise wie bei der in Fig. 2 wiedergegebenen Ausführungsform durchgeführt.

In der Anordnung gemäß Fig. 4 wird der Flüssigkeitsverdränger 1 von einem Motor und einer aus einem Getriebe und einem Tachogenerator bestehenden Einheit 6A, 11A über einen bei 17 schwenkbaren Antriebsarm 16 und eine Antriebsstrebe 18 angetrieben, die schwenkbar am Flüssigkeitsverdränger und am freien Ende des Antriebs 16 befestigt ist. Dehnungs- bzw. Spannungsmesser sind am Antrieb 16 an dessen Ansatz befestigt und bilden als Meßwertumformer wiederum eine Einrichtung 8 zur Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger 1 einwirkenden Kraft.

Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Form des Flüssigkeitsverdrängers 1, die für größere Versionen von wellenerzeugenden Vorrichtungen besser geeignet ist.

Der modifizierte Flüssigkeitsverdränger 1 ist in Fig. 5 in einer Schnittansicht durch den Verdränger in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Verdrängers dargestellt.

Der Flüssigkeitsverdränger 1 gemäß Fig. 5 wird von zwei voneinander beabstandeten Platten 1B (von denen nur eine in Fig. 5 dargestellt ist) gebildet, wobei jede Platte 1B mit einer kreisförmigen Öffnung 2B versehen ist, die konzentrisch zum hinteren Teil P des Umfangs der Platte 1B angeordnet ist. Die beiden Platten 1B sind durch eine gewölbte Rückwand 3B und eine gewölbte Vorderwand 4B miteinander verbunden. Die Wände 3B und 4B sind an ihren unteren Kanten 5B miteinander verbunden und umgrenzen somit ein sich verjüngendes Volumen, das an der Oberseite offen und an jedem Ende bzw. an jeder Seite durch die seitlichen Platten 1B verschlossen ist.

Der Flüssigkeitsverdränger 1 wird in einem Tank in dem der Wasserspiegel 6B an der in Fig. 5 angedeuteten Stelle liegt mit Hilfe von Kreuz-Blattlagern 7B in schwenkbarer Weise getragen, wobei die Lager zwischen L-förmigen Stäben bzw. Balken 8B und 9B befestigt sind und der Stab 8B an seinen Enden an Platten 10B befestigt ist, die an den seitlichen Platten 1B des Flüssigkeitsverdrängers 1 angebracht sind, während der Stab 9B durch die Öffnung 2B in jeder seitlichen Platte 1B hindurchtritt und (auf irgendeine geeignete Weise) an äußeren Stützen außerhalb des Flüssigkeitsverdrängers 1 befestigt ist. Ein Stab bzw. eine Stange 11B erstreckt sich zwischen den seitlichen Platten 1B in der in Fig. 5 bezeichneten Lage und ist mit einem flexiblen Strang 12B (z. B. aus Draht) verbunden, der an einer Auftriebs-Ausgleichsvorrichtung (nicht dargestellt, doch oberhalb des Wasserspiegels 6B angeordnet) befestigt ist, wobei die nach oben gerichtete, auf den Strang 12B ausgeübte Kraft während der Hin- und Herbewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 um seine durch die gekreuzten Blattlager 7B definierte Achse in der Weise variiert, daß die auf den Flüssigkeitsverdränger ausgeübte Auftriebskraft, die von den unterschiedlichen Eintauchtiefen des abgeschlossenen, zwischen den Wänden 3B und 4B gebildeten Hohlvolumens abhängt, vollständig kompensiert wird.

An jeder seitlichen Platte 1B ist zwischen den Wänden 3B und 4B eine Sektorenplatte 13B befestigt, längs deren Oberkante ein flexibles, aus mehreren Strängen bestehendes Edelstahlkabel 14B angeordnet ist. Die einander gegenüberliegenden Enden des Kabels 14B sind um Stifte bzw. Bolzen 15B herumgewickelt und eine Schlinge bzw. Schleife des Kabels 14B ist um eine mit einem Gewinde versehene Riemenscheibe bzw. Rolle 16B herumgelegt, die an der Antriebswelle eines Elektromotors 17B befestigt ist. Da an jeder seitlichen Platte 1B eine gekrümmte Platte befestigt ist, werden zwei Motoren verwendet, die von den entgegengesetzten Hälften einer zweifachen Energiequelle mit elektrischem Strom versorgt werden.

Werden die Motoren eingeschaltet, dann rotieren die Rollen 16B und aufgrund ihres Eingriffs mit den Schleifen des Kabels 14B ergibt sich eine Schaukelbewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 um seine Achse in einer Richtung. Ein Einschalten der Motoren mit umgekehrter Polarität kehrt die Richtung der Schaukelbewegung um. Die Amplitude der Schaukelbewegung und ihre Geschwindigkeit kann in eindeutiger Weise durch die Dauer der Stromversorgung in jedem Richtungsimpuls und durch die Amplitude der Stromversorgung gesteuert werden.

Jeder Motor ist über zwei Dehnungsmeßstreifen an einem Schwingarm 19B befestigt, die als Meßwertumformer 8 eine erste Einrichtung 8 zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger 1 einwirkenden Kraft bilden.

Wie unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde, ist die Steuerung des Elektromotors 17B eine Funktion der auf die Meßwertumformer ausgeübten Kräfte und seiner eigenen Geschwindigkeit, die von einem Tachogenerator gemessen wird und die auf wirksame Weise auch von einem unabhängigen Meßwertgeber gemessen werden könnte, wie z. B. durch die Bewegung eines Mikroamperemeters, das unabhängig mit dem Flüssigkeitsverdränger 1 verbunden ist. Das Mikroamperemeter und der Flüssigkeitsverdränger können durch ein einfaches Verbindungsgestänge miteinander verbunden sein.

Ein toter Gang im Antrieb zwischen den Motoren 17B und den Kabeln 14B kann wieder dadurch vermieden werden, daß, wenn sich der Flüssigkeitsverdränger 1 in einer stationären Stellung befindet, sichergestellt wird, daß ein kleiner Reststrom durch jeden Motor hindurchfließt, um entgegengesetzt gerichtete, auf die beiden seitlichen Platten 1B wirkende Kräfte zu erzeugen, wie es oben bereits beschrieben wurde.

Der in Fig. 5 dargestellte Flüssigkeitsverdränger 1 wurde für eine maximale Winkelauslegung von ±30° entworfen, doch werden in der Praxis bei allen Ausführungsformen keine Schaukelschwingungen Anwendung finden, die über ±15° hinausgehen.

Dadurch, daß der Stab 11B zwischen der 6-Uhr-Stellung und der 9-Uhr-Stellung angeordnet wird, ergibt sich ein Übertotpunkt-Federwirkung, die dazu beiträgt, den Einfluß der Federkraft und der Trägheit auf die Bewegung des Flüssigkeitsverdrängers 1 zu verringern, und die so die Bewegung des Verdrängers in stärkerem Maße von den Dämpfungskräften abhängig macht.

Obwohl die Vorderwand 4B in Form eines Kreisbogens dargestellt ist, könnte man eine leicht verbesserte Wirkungsweise dadurch erzielen, daß man von der streng kreisförmigen Form abweicht, um eine genauere Anpassung der Charakteristika des Flüssigkeitsverdrängers an die Auftriebsfeder zu erzielen, die an dem anderen Ende des Strangs 12B Verwendung findet. Es ist jedoch zweifelhaft, ob der durch die Verwendung einer nicht kreisförmigen Kurve für die Vorderwand 4B erzielte, geringfügige Vorteil den zur Herstellung dieser Frontwand nötigen, komplizierten technischen Aufwand rechtfertigt.

Der Strang 12B kann durch eine Schrauben- bzw. Spiralfeder ersetzt werden und die Lage des Stabs 11B kann zwischen 45° und 55° unterhalb der Horizontalen variiert werden.

Der durch Edelstahlkabel 14B bzw. 4 und die Rolle 16B bzw. 5 gebildete Kabelantrieb 14B und 16B der Ausführungsformen gemäß Fig. 5 und Fig. 2 kann durch einen Reibungsantrieb ersetzt werden (z. B. durch eine Rolle bzw. Walze, die gegen eine gewölbte Antriebsoberfläche drückt und die Drähte ersetzt).

Um einen einfachen Zusammenbau der beschriebenen Vorrichtungen zu ermöglichen, können die Sektorenplatten der in der Fig. 2 bzw. in Fig. 5 beschriebenen Ausführungsformen in entfernbarer Weise an den seitlichen Platten 1B befestigt werden.

Die Konstruktion der beschriebenen Wellenerzeugungsvorrichtung kann elektronischen Steuerungssignalen mit einem flachen Ansprechverhalten innerhalb des Arbeitsbereiches folgen. Es können ohne weiteres gemischte Seesprektren erzeugt werden und die Konstruktion ermöglicht eine wesentlich verbesserte Stabilität der Wellenhöhe, wobei einige Promill für Wellen mittlerer Höhe erreicht werden. Die beschriebene Vorrichtung kann sogar dazu verwendet werden, stabile stehende Wellen zu erzeugen. Auch ist es möglich, zwei der beschriebenen Vorrichtungen zu verwenden, die ihre Wellen gegeneinander senden. Auch wird es möglich, Modelle mit in zwei verschiedenen Richtungen laufenden Wellenzügen zu testen.

Die Konstruktion des gezeigten Flüssigkeitsverdrängers 1 erzeugt in einer Richtung verlaufende Wellenzüge.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Flüssigkeitskörper, insbesondere Testbecken, bestehend aus einem im Flüssigkeitskörper angeordneten Flüssigkeitsverdränger mit einer gekrümmten Wellenerzeuger-Oberfläche, der zur Erzeugung der Wellen von einer Antriebseinrichtung relativ zum Flüssigkeitskörper bewegt wird, und einer der Antriebseinrichtung zugeordneten Dämpfungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung eine erste Einrichtung (8) zur zeitlichen Erfassung der auf den Flüssigkeitsverdränger (1) einwirkenden Kraft und eine zweite Einrichtung (T, 11) zur zeitlichen Erfassung der Verdrängerbewegung sowie eine die Antriebseinrichtung (4, 5; 16, 18) ansteuernde und von den Ausgangssignalen der ersten und zweiten Erfassungseinrichtung (8 bzw. T, 11) beaufschlagte Steuereinrichtung (12-15, PA, M) umfaßt und daß die Ausgangssignale der Steuereinrichtung die Antriebseinrichtung so steuern, daß zur Erzielung einer zumindest im wesentlichen zum Verlauf der auf den Flüssigkeitsverdränger (1) einwirkenden Kraft gleichphasigen Verdrängerbewegung in dem vorliegenden Schwingungssystem die Dämpfungskomponente im Vergleich zur Trägheits- und Rückstellkomponente groß ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die momentane Geschwindigkeit des Flüssigkeitsverdrängers (1) repräsentative Ausgangssignal ≙ der zweiten Erfasssungseinrichtung (T, 11) innerhalb der Steuereinrichtung (12-15, PA, M) zur Erzeugung der Dämpfungskomponente vom Ausgangssignal der ersten Erfassungseinrichtung (8) substrahiert ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12-15, PA, M) eine Differenziereinrichtung (12, R&sub1;, C&sub2;) umfaßt, die aus dem Ausgangssignal ≙der zweiten Erfassungseinrichtung (T, 11) ein für die momentane Beschleunigung des Flüssigkeitsverdrängers (1) repräsentatives Signal () erzeugt, und daß dieses Signal ebenfalls vom Ausgangssignal der ersten Erfassungseinrichtung (8) zur Verringerung der Trägheitskomponente subtrahiert ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (12-15, PA, M) zur Erzeugung eines weiteren Signals (R) aus dem Ausgangssignal ≙ der zweiten Erfassungseinrichtung (T, 11) eine Integrationseinrichtung (13, C&sub3;, R&sub4;) umfaßt, und daß dieses weitere, für die momentane Lage des Flüssigkeitsverdrängers (1) repräsentative Signal (R) ebenfalls vom Ausgangssignal der ersten Erfassungseinrichtung (8) zur Verringerung der Rückstellkomponente substrahiert ist.
  5. 5. Vorrichtungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsverdränger (1) um eine unterhalb der Oberfläche des Flüssigkeitskörpers gelegene horizontale Achse drehbar gelagert ist, und daß am Flüssigkeitsverdränger (1) eine zylindrische Wellenerzeuger-Oberfläche (1a) ausgebildet ist, deren Zylinderachse parallel zur Flüssigkeitsverdränger-Drehachse verschoben ist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Flüssigkeitsverdränger (1) zwischen der zylindrischen Wellenerzeuger-Oberfläche (1a) und einer dieser abgewandten, zylindrischen Rückfläche (1c) ein Auftriebshohlraum ausgebildet ist, daß die Zylinderachse dieser Rückfläche (1c) mit der Drehachse des Flüssigkeitsverdrängers (1) im wesentlichen zusammenfällt und daß der erzeugende Radius dieser Rückfläche im wesentlichen dem Abstand der Flüssigkeitsverdränger-Drehachse von der Zylinderachse der Wellenerzeuger-Oberfläche (1a) entspricht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftriebshohlraum außerdem von zwischen der Wellenerzeuger-Oberfläche (1a) und der Rückfläche (1c) sich erstreckenden parallelen Seitenflächen umschlossen ist.
  8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auftriebs-Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist, die dazu ausgelegt ist, den auf den Flüssigkeitsverdränger (1) einwirkenden Auftriebskräften das Gleichgewicht zu halten.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Auftriebs-Ausgleichseinrichtung ausgeübte Kraft einstellbar ist, um die auf den Flüssigkeitsverdränger (1) ausgeübte, durch unterschiedliche Eintauchtiefen des Flüssigkeitsverdränger s (1) in die Flüssigkeit bewirkte Auftriebskraft vollständig zu kompensieren.






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