Der Röhren-Betonschwinger
ein Bastelprojekt

-Der vierte Streich des H.M.Sauer im Röhrenbude-Forum-

Hallo liebe Röhrenfreunde.

Nach den erfolgreichen Versuchen mit einem röhrenerregten Stimmgabeloszillator, über die hier schon mehrfach berichtet wurde, konnte ich nunmehr auch einen massiven Betonquader (80 x 10 x 5 cm, ca. 10 kg schwer) mittels Röhrenpower in Eigenresonanz versetzen. Dabei führt der Quader Biegeschwingungen aus.


Der Betonquader ist in den Knotenpunkten der Biegeschwingung auf dünnen Metallstiften gelagert (d.h. an Punkten, die etwa 1/4seiner Länge von den Enden des Quaders entfernt sind). An den Enden des Quaders sind zwei Neodym-Eisen-Bor. Magnete befestigt, die in je eine Spulen mit hoher Windungszahl (17000 bzw. 23000 Wdg.) eintauchen. Eine dieser Spulen (L1) dient als Signalaufnehmer. Das Signal wird verstärkt und der Erregerspule L2 zugeführt, die den Betonquader zu Biegeschwingungen anregt. Die Frequenz beträgt hier etwa 250 Hz. Auch Oberschwingungen sind möglich, wenn man den Betonquader in den Knotenpunkten der jeweiligen Schwingungsmode lagert.




Der Betonquader muss absolut frei von Haarrissen und Lufteinschlüssen sein, um schwingen zu können. Es hat zwei Fehlschläge gedauert, bis mir das gelungen ist.
Wenn man mit dem Hammer leicht dagegen klopft, klingen die Eigenresonanzen zunächst eher dumpf und unspektakulär. Bei Berührung mit der Hand und vor allem am Oszilloskop merkt man aber deutlich, dass der Block heftig vibriert.

Als Grundlage für den Verstärker habe ich einen einfachen 6V6GT-SE verwendet, den ich hier vor ca. 1 Jahr vorgestellt habe. Dieser Verstärker ist auf einen Eingangspegel von 400 mV für Vollaussteuerung ausgelegt. Es hat sich gezeigt, daá diese Verstärkung nicht ausreicht, trotz der hohen Windungszahl der Aufnehmerspule L1 und des starken Erregermagneten. Deshalb habe ich eine zusätzliche Vorverstärkerstufe mit einer Triode 6AV6 vorgeschaltet. - Hier die Schaltung:


Um den Betonquader zu Eigenschwingungen anregen zu können, mü?ssen nach meinen Beobachtungen zwei wesentliche Bedingungen erfüllt werden: 1. Die Phasenverschiebung zwischen der Spannung an der Aufnehmerspule L1 und dem Strom durch die Erregerspule L2 muss sehr nahe an 0 bzw. 180 Grad sein, je nachdem wie die Permanentmagnete am Betonquader gepolt sind. Die Phasenverschiebung zwischen Strom und SPannung in der Erregerspule ist also äußerst störend. Daher habe ich sie hochohmig direkt über die Anode der Endpentode angesteuert und zusätzlich einen 47 nF Kondensator parallelgeschaltet. Der AÜ des Verstärkers dient hier als Anodendrossel, die der 6V6GT Anodenspanung zuführt. Dadurch wird außerdem der Anodengleichstrom von der Erregerspule ferngehalten.

2. Man braucht eine ziemlich effektive Übertragung von elektrischer Energie auf das mechanische System, um überhaupt nennenswerte Amplituden zu erreichen. Der Betonquader hat leider eine nur geringe Güte von ca. 20 bis 30. Der Verstärker muss also ziemlich viel Energie nachliefern, um Schwingungen von nennenswerter Amplitude aufrecht zu erhalten. In der gezeigten Schaltung wird dies über die Impedanzanpassung der Spule L2 an den optimalen Arbeitswiderstand der Endröhre von etwa 5 Kiloohm erreicht. Ganz optimal ist es in meiner Schaltung noch nicht gelungen, aber die Energieübertragung ist deutlich besser als bei allen Stimmgabeloszillatoren, die ich bisher probiert habe. Naja, eine Stimmgabel mit Gütefaktor 3000 ist da deutlich genügsamer als so ein Betonklotz.
Wenn der Verstärker läuft, und wenn man die Verstärkung mit dem Lautstärkeregler langsam erhöht, erreicht man wie bei einem Audion den Punkt, wo Schwingungen einsetzen. Die allerdings hört man dann bei mir zu Hause bis ins Treppenhaus. Die Erregerspule habe ich schließlich mit Doppelklebeband am Tisch befestigen und mit Zwischenlagen aus Papier dämpfen müssen, weil sie sonst wegen der Vibration auf dem Tisch herumtanzt.

Eine endgültige Verstärkerschaltung muss ich mir noch überlegen, aber immerhin sind mir die wesentlichen Anforderungen nun ziemlich klar.
Ich habe in meinem Aufbau etwa 70 dB; aus 50 mV Signalspannung an der Aufnehmerspule werden 150 V an der Erregerspule. Wenn man mehr will, sollte man Stör- und Brummspannungen herausfiltern und die Bandbreite des Verstärkers stark einschränken, sonst pfeift, heult und brummt es in allen Tonlagen.
Mit der Frequenzstabiliät des Betonschwingers ist es nicht sehr weit her. Ich würde sagen, man kann den Schwinger durch ändern der Ansteuerung so um +/- 15 Hz verstimmen, bei 250 Hz Betriebsfrequenz. - Als Frequenznormal also weniger zu empfehlen.

Grüße,
Hans Martin

Am 04.04.2010 erzählte Hans Martin uns von weiteren Untersuchungen und Fortschritten seiner doch ziemlich aussergewöhnlichen Idee, einen Betonquader und, durch Gesprächen im Forum dazu angeregt, eine Bratpfanne in Resonanz zu bringen.
Hier nun die Fortsetzung seines vierten (Genie-) Streichs.


Hallo liebe Röhrenfreunde,
hier im Forum wurde ja inzwischen schon mehrfach über Experimente mit Röhrenschaltungen berichtet, die mechanische Eigenschwingungen von Stimmgabeln, Weingläsern und Betonklötzen anregen. Ich habe während der Feiertage einige Fortschritte gemacht. Vor allem habe ich jetzt einen Verstärker aufgebaut, der über Elektromagnete auch sehr schwere Gegenstande in Schwiungung versetzen kan - mit einer simplen EL 95 als Endstufe.

Die folgenden Abbildungen zeigen, wie eine Aktor- und eine Aufnehmerspule unter dem Betonquader installiert sind. Die Biegeschwingungen des Quaders vermitteln eine Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang des Verstärkers.




Zunächst zum Schaltungsproblem:

Entscheidend ist die elektromechanische Anpassung des Verstärkers an den akustisch gesehen sehr harten Betonklotz (bzw. die Bratpfanne). Die Spule im Anodenkreis und der darin steckende Permanentmagnet müssen aus wenig Strom eine hohe Stellkraft erzeugen können. Also viele Windungen auf engstem Raum, viel Induktivität.
Von einem Eisenkern in der Spule muß ich hier übrigens abraten, dieser wird vom Feld des verwendeten Neodyn-Eisen-Bor-Magneten sofort in die Sättigung geschickt und verhindert mit brutaler Kraft jede Justierung der Spule vor dem Betonschwinger. Ich habe die Magnetspule aus dem Zulaufventil einer alten Waschmaschine verwendet. Damit kann ich aus 65 mA Spitzenstrom eine Kraft von etwa 3 N (300 Gramm) erzeugen.
Außerdem muß der Verstärker die Spule auch richtig ansteuern können. Insbesondere muß der gelieferte Strom a.) unabhängig von der Selbstinduktionsspannung an dieser Spule und
b.) phasengleich mit der Eingangsspannung sein.
Ideal ist daher ein Verstärker mit sehr hohem Ausgangswiderstand. Also das, was man bei Audioverstärkern eben nicht will. Daneben sollten Endstufe wie auch Magnetspule hohe Selbstinduktionsspitzen aushalten.
Eine der Spulen, mit denen ich experimentiert habe, hat sich schon mit Knistergeräuschen und dünnen Rauchschwade verabschiedet. Freilaufdioden und Dämpfungkondensatoren parallel zur Spule habe ich auch schon probiert: die machen den hohen Ausgangswiderstand wieder kaputt. Kann man vergessen.

Zwei Gründe, weshalb ich den Verstärker mit Röhren aufgebaut habe, auch wenn man so etwas natürlich mit modernen HV-Mosfets machen kann. Hier die Schaltung:




Ich habe zwischen den Kathoden der EL95 und der ersten Vorverstärkerstufe eine variable Stromgegenkopplung eingebaut. Das treibt erstens den Ausgangswiderstand noch weiter in die Höhe. Zweitens lässt sich die Verstärkung (eigentlich müsste man hier eher Verstärker-Steilheit sprechen) zwischen 90 und 1100 mA Ausgangsstrom pro Volt Eingansspannung regulieren. Dadurch kann man den Einsatzpunkt der Eigenschwingungen recht feinfühlig einjustieren.

Nun zu den Ergebissen:

Der 8-kg-Quader aus Beton macht je nach dem, wie er gelagert wird, Biegeschwingungen bei Eigenfrequenzen von 270, 480 und 725 Hz. Ein Trinkglas oder ein kleiner Stein, den man auf den Betonklotz legt, beginnt dabei zu tanzen. Auch eine gusseiserne Bratpfanne konnte ich bei 206 Hz zum Dröhnen bringen.
Der Wohnzimmerschrank, auf den ich den Betonquader aufgebaut habe, neigt zu Eigenschwingen von 72 Hz. Das Ikea-Regal bevorzugt dagegen tiefere Frequenzen von 10 bis 12 Hz.
Solche Versuche sind leicht durchzuführen. Einfach paar Stücke Stahlfolie auf das Versuchsobjekt kleben (die Folie gibt es als Magnettafelfolie selbstklebend von der Rolle), Permanentmagneten draufsetzen, Spulen davor, und schon kann es losgehen.

Und noch ein paar Daten:

Die maximale Schwingungsamplitude an den Enden des Betonquaders liegt übrigens bei etwa 10 µm. Die übertragene Leistung (= Kraft x Weg x Kreisfrequenz) habe ich auf etwa 10 bis 30 mW geschätzt, je nachdem, wie ich es rechne. Erstaunlich wenig für die doch recht heftigen Vibrationen. Bei der gusseisernen Bratpfanne komme ich auf etwas höhere Werte. Die elektrische Leistungsabgabe des Verstarkers läßt sich nur schwer ermitteln und ist auch keine wirklich nützliche Zahl, weil Strom und Spannung um nahezu 90° phasenverschoben sind. Jedenfalls geht eine Menge Energie als Wärme an die Erregerspule.

Als nächstes würde ich neben den Biegeschwingungen gern auch Kompressionsschwingungen in Beton oder Stein erzeugen. Hier sind die Bedingungen noch ein wenig "härter".

Grüse und weiterhin noch ein frohes Osterfest,

Hans Martin

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