DE1112214B - Mechanisches Filter mit Daempfungspolen bei endlichen Frequenzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

T13093Vma/21g

ANMELDETAG: 12. JANUAR 1957

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 3. A U G U S T 1961

Es sind mechanische Frequenzfilter in mannigfachen Formen bekanntgeworden. Diese Filter bestehen zuweilen aus mechanischen Resonanzkörpern, die ihrer Länge nach als A/2-Abschnitte von akustischen Leitungen aufgefaßt werden können und die durch Koppelelemente miteinander gekoppelt sind, welche üblicherweise — jedoch nicht notwendig — die Länge von λ/4 oder eines ungeradzahligen Vielfachen davon besitzen. Wenn im folgenden von ?./2- oder λ/4-Leitungsabschnitten die Rede ist, sollen, wo dies sinnvoll ist, auch solche von η λ/2 bzw. n/4 Länge verstanden sein. Dabei ist η eine ganze bzw. eine ungerade Zahl. Im vorhergehenden sind unter λ Wellenlängenwerte der akustischen Schwingungen in den Werkstoffen der Resonatoren und Koppelelemente zu verstehen, die Frequenzen entsprechen, die im Filter-Durchlaßbereich liegen.

Bei derartigen Anordnungen sind verschiedene Anregungsmöglichkeiten von akustischen Schwingungen in den Filterelementen denkbar, insbesondere können die Resonanzkörper in Longitudinalschwingungen oder in Torsionsschwingungen erregt werden. Vielfach sind die Koppelelemente in den gleichen Schwingungsformen erregt wie die Resonanzelemente. Es ist jedoch auch schon ein mechanisches Filter bekannt, bei welchem die in Torsionsschwingungen erregten Resonanzelemente durch Koppeldrähte miteinander verbunden sind, welche Longitudinalschwingungen ausführen. Jedes Resonanzelement dieses Filters weist zwei, bereits hinsichtlich ihrer Form sich unterscheidende Abschnitte auf, von welchen der eine die elastischen Eigenschaften und der andere das Trägheitsmoment des Resonators bestimmt.

Es sind ferner bereits mechanische Frequenzfilter bekannt, bei welchen der in Longitudinalschwingungen erregte Resonanzkörper selbst in seiner Mitte, d. h. in dem Punkt, in dem ein Knotenpunkt der Bewegung für die Sollwelle vorhanden ist, mit quer zu seiner Längserstreckung liegenden stabförmigen Fortsätzen oder mit einer Scheibe versehen ist, die so bemessen sind, daß sie für eine zu unterdrückende Frequenz bei Erregung in Biegeschwingungen einen Resonanzpunkt aufweisen (USA.-Patentschriften 2 345 491 und 2 342 813). Mit derartigen Anordnungen ist es nicht möglich, wirkliche Dämpfungspole zu erzeugen, da die angesetzten Biegeschwinger nicht auf den ganzen Querschnitt des zur Kopplung verwendeten Longitudinalschwingers einwirken können, da der letztere einen verhältnismäßig großen Querschnitt hat, der nicht als ganzer absolut festgehalten werden kann. Bei einem weiteren mechanischen Filter mit Dämpfungspolen im Endlichen bestehen der die Schwin-Mechanisches Filter mit Dämpfungspolen
bei endlichen Frequenzen

Anmelder:

Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3 *

Dipl.-Ing. Ernst Kettel

und Dipl.-Phys. Manfred Börner, Ulm/Donau,
sind als Erfinder genannt worden

gungen übertragende bzw. dämpfende Vierpol und die mechanischen Zweipole zur Erzeugung der Dämpfungspole aus parallel liegenden Plattenschwingern, die über mehrere an den Plattenrändern befestigte Koppeldrähte verkoppelt sind. Bei diesem bekannten mechanischen Filter sind die die Dämpfungspole erzeugenden Zweipole an diskreten Punkten der Ränder der den Durchlaßbereich ergebenden Plattenschwinger befestigt und können daher die Ränder der letzteren für die Polfrequenzen nicht am ganzen Umfang völlig festhalten. Aus diesem Grunde und da ferner die Polresonanzkörper nur an den beiden Enden des Vierpols angekoppelt sind, können mit dieser bekannten Anordnung keine wirksamen Dämpfungspole für die Filtercharakteristik erzeugt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, auf den gesamten Querschnitt einer in einem mechanischen Filter vorhandenen akustischen Leitung so einzuwirken, daß für eine bestimmte Frequenz, die Polfrequenz /00, die Weiterleitung der Schwingung vollkommen unterdrückt wird.

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Filter, bei welchem Resonanzkörper verhältnismäßig großen Querschnittes und Kopplungselemente von vergleichsweise geringem Querschnitt den die mechanischen Schwingungen übertragenden bzw. dämpfenden Vier-Sa pol bilden, an den mechanische Zweipole angekoppelt sind, die Resonatoren enthalten, durch welche sich Dämpfungspole in der Filtercharakteristik ergeben,

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und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren X₁JA bzw. /l₂/4 müssen demzufolge für diese Schwinder mechanischen Zweipole entweder direkt oder über gungsform bemessen sein. Das Ersatzschaltbild sieht weitere Kopplungselemente auf Vierpol-Kopplungs- genauso aus wie bei der Anordnung gemäß Fig. la. elemente an Stellen zwischen den Befestigungspunkten Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeider Vierpol-Resonatoren einwirken, so daß die 5 spielen wurden zur Erzeugung der Dämpfungspole Schwingungen der Vierpol-Kopplungselemente im 2/4-Schwinger verwendet, deren nicht mit dem Koppel-Frequenzbereich der Dämpfungspole die kleinst- draht verbundene Enden frei schwingen können, möglichen Amplitudenwerte aufweisen. Statt dessen können auch λ/2 lange Resonanzkörper

Die Erfindung soll unter Bezugnahme auf die verwendet werden, deren zweites, nicht mit dem

Figuren an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher io Koppeldraht 5, 5' verbundenes Ende durch Befestigen

erläutert werden. an einer großen Masse M in dem in Frage kommenden

Fig. la zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Frequenzbereich festgelegt ist. Dafür sind Ausführungs-

zweikreisiges Koppelfilter, welches aus zwei in Longi- beispiele in den Fig. 3 und 4 angedeutet, und zwar

tudinalschwingungen erregten Resonanzkörpern 1 und in Fig. 3 für die Ankopplung der Polresonanzkörper

2 besteht, die auf die Mittenfrequenz /₀ des Durch- 15 an einen in Longitudinalschwingungen erregten Koplaßbereichs abgestimmt sind, indem sie eine ent- peldraht 5, 5' und in Fig. 4 für die Ankopplung der sprechende Länge /t_o/2 für die Longitudinalschwin- Polresonanzkörper an einen in Torsionsschwingungen gungen in dieser Frequenz aufweisen. An den Reso- erregten Koppeldraht.

nanzkörpern, die z. B. als vormagnetisierte Ferrit- Es ist weiterhin möglich, die Resonanzkörper zur

körper ausgebildet seien, werden durch Ankopplungen 20 Erzeugung der Dämpfungspole über zusätzliche

3 bzw. 4 die Signalfrequenzen zu- bzw. abgeführt. Koppeldrähte anzukoppeln. In diesem Falle ist es nicht Natürlich ist auch irgendeine andere Art der elektro- notwendig, dem den Dämpfungspol hervorrufenden mechanischen Kopplung eingangsseitig und ausgangs- Resonanzkörper denselben geringen Durchmesser seitig anwendbar. Die beiden Resonanzkörper sind zu geben wie dem Koppeldraht 5, 5', der zwei Resodurch ein drahtförmiges Kopplungselements mit- 25 nanzkörper verbindet, deren mechanische Eigeneinander gekoppelt, in welchem sich die Signal- schäften sich in erster Linie auf den Durchlaßbereich frequenzen ebenfalls als Longitudinalwellen ausbreiten. auswirken. Fig. 5 zeigt diesbezüglich ein Ausführungs-Im Mittelpunkt des Drahtes 5 sind etwa parallel zu beispiel für einen in Longitudinalschwingungen erihm verlaufende Polelemente in Form von weiteren regten Koppeldraht. An der Stoßstelle zwischen den Drähten 6, 7 mit ihrem einen Ende befestigt, ins- 3° Teilen 5 und 5' sind hier weitere Koppeldrähte 11 besondere festgeschweißt. Diese Drähte mögen für befestigt, insbesondere angeschweißt, deren anderes Longitudinalwellen die Längen 1J4- und λ₂/4 auf- Ende jeweils mit einem der Bildung eines Dämpfungsweisen. Es entsprechen dabei /I₁ und /I₂ den Pol- poles dienenden Resonanzkörper 12 insbesondere frequenzen /_x bzw. /₂, die durch das Filter unter- durch Schweißung verbunden ist. Aus Gründen der drückt werden sollen. Bei einem Bandfilter wird man 35 Übersichtlichkeit ist in Fig. 5 nur ein einziger PoI-diese Frequenzen Z₁ und /₂ vorzugsweise nahe ober- resonanzkörper zusammen mit dem ihm zugeordneten halb und nahe unterhalb des Durchlaßbereichs legen. Koppeldraht 11 dargestellt. Die Resonanzkörper 12,

Fig. Ib stellt ein elektrisches Ersatzschaltbild für die vorzugsweise einen größeren Durchmesser als die die Anordnung nach Fig. 1 a dar. Darin sind ent- Koppelelemente 11 aufweisen, können als am anderen sprechende Schaltelemente mit den gleichen Bezugs- 4° Ende frei schwingende A/2-Schwinger oder als am zeichen versehen. Die Ankopplungen 3 und 4 stellen anderen Ende an einer großen Masse M befestigte sich als Koppelvierpole zwischen den elektrischen 1/4-Schwinger ausgebildet sein. Entsprechende An-Kreisen 3' und 4' an den Enden der Kette und den für Ordnungen sind auch bei in Torsionsschwingungen die Schwingkörper 1 und 2 erscheinenden Parallel- erregten Koppeldrähten 5, 5' möglich, wie Fig. 6 zeigt. Schwingungskreisen dar. Die Teilstücke 5 und 5' 45 Dort ist der in Längsschwingungen erregte, zu einem des Koppeldrahtes erscheinen wiederum als Koppel- Dämpfungspol Anlaß gebende Resonanzkörper 14 vierpole. Die Polelemente 6 und 7 stellen sich als über den Koppeldraht 13, der sich senkrecht zur Reihenkreise dar, die quer in das Filter eingeschaltet Koppelleitung 5, 5' erstreckt, an diese angekoppelt, sind und dadurch für ihre Abstimmungsfrequenzen Auch hier wird man vorteilhaft mehrere auf vereinen Kurzschluß bilden. Bei einer Bemessung /_x>/₀ 50 schiedene Polfrequenzen abgestimmte Körper am >/₂, wie sie oben angedeutet wurde, stellt der eine gleichen Punkt über Koppeldrähte ankoppeln.
Kreis im Durchlaßbereich um /₀ herum eine Kapazität, Fig. 7 und 8 stellen Anwendungsbeispiele der Lehre der andere eine Induktivität dar, so daß ihre Wirkung nach der Erfindung auf bereits vorgeschlagene mechaim Durchlaßbereich selbst der eines über die Koppel- nische Filter ein, bei welchen die in Torsionsschwinvierpole 5 bzw. 5' angekoppelten Parallelkreises ent- 55 gungen erregten Resonanzkörper die verteilte Elastispricht. zität und Masse aufweisen, durch eine oder mehrere

Fig. 2 zeigt die Anwendung der Lehre nach der longitudinal schwingende Koppelleitungen miteinander

Erfindung auf ein gleichartig wie Fig. 1 a ausgebildetes gekoppelt sind.

Filter, bei welchem aber sowohl die Schwingkörper 1 Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die direkte Ankopplung

und 2 als auch der Koppeldraht S, 5' in Torsions- 60 der zur Bildung von Dämpfungspolen vorgesehenen

schwingungen erregt sein mögen. In diesem Falle Resonanzkörper an die Koppelleitung. Dabei werden

werden die Zweipole 6 und 7 zur Erzeugung der die Resonanzkörper zur Erzeugung der Dämpfungs-

Dämpf ungspole nicht wie im Beispiel der Fig. 1 a pole ebenso wie die Schwingkörper des Filters, welche

parallel, sondern senkrecht zur Richtung des Koppel- in dessem elektrischem Ersatzschaltbild als Schwin-

drahtes 5, 5' an diesen angeschweißt. Während der 65 gungskreise in Erscheinung treten, die auf Frequenzen

Koppeldraht 5, 5' selbst in Torsionsschwingungen innerhalb des Filter-Durchlaßbereiches abgestimmt

erregt ist, werden die Resonanzkörper 6 und 7 in sind, in Torsionsschwingungen angeregt. Zwischen den

Longitudinalschwingungen erregt, und ihre Längen beiden Schwingkörpern 21 und 22, die durch vier

Koppeldrähte 23, 24, 25, 26 miteinander gekoppelt sind, befinden sich die einen Dämpfungspol herbeiführenden Resonanzkörper 27 und 28. Diese besitzen die Länge λ/2 für die Polfrequenz und sind jeweils in einer Mittelebene mit den Koppeldrähten 23, 24 bzw. 25, 26 verschweißt. Da sie auf die gleiche Polfrequenz abgestimmt sind, können die Körper 27 und 28 auch zu einem einzigen, durchgehenden Körper vereinigt sein.

Fig. 8 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem die in Torsionsschwingungen erregten Resonanzkörper 27 und 28, welche Dämpfungspole hervorrufen, nicht direkt, sondern über weitere Koppelelemente 31, 32, 33, 34 bzw. 35, 36, 37, 38 an die Koppeldrähte 23, 24, 25 und 26 angekoppelt sind. Eine derartige An-Ordnung hat den besonderen Vorteil, daß sie sehr kompakt ist und in einem kleinen Gehäuse leicht untergebracht werden kann.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere auch nicht auf zweikreisige Koppelfilter, die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens beschrieben wurden. Sie kann vielmehr auch bei mehrkreisigen Filtern, die aus einer größeren Anzahl von Resonanzschwingkörpern bestehen, sinngemäß angewendet werden. Im Rahmen der Erfindung sind auch noch viele andere Kombinationen von in verschiedenen Schwingungsarten erregten Resonanzkörpern, Resonanzkörpern zur Erzeugung der Dämpfungspole und Kopplungselementen möglich, die im einzelnen nicht alle auf- geführt werden sollen. Es sei nur erwähnt, daß man z. B. bei Anordnungen, wie sie der Fig. 7 und der Fig. 8 zugrunde liegen, auch Polstellen durch Resonanzkörper gemäß Fig. la, 3 und 5 erzeugen kann.

Bei mechanischen Filtern gemäß der Erfindung werden die Koppelleitungen zwischen den Resonanzkörpern bzw. zwischen den Resonanzkörpern und den Resonanzkörpern zur Erzeugung der Dämpfungspole, vorzugsweise etwa λ/4-la.ng bemessen, da die Verhältnisse dann rechnerisch besonders übersichtlich sind und die mittlere Frequenz des Durchlaßbereichs eines durch das Filter gebildeten Vierpols mit der Resonanzfrequenz/₀ der einzelnen Resonanzkörper übereinstimmt. Die Lehre nach der Erfindung ist aber nicht nur auf Filter mit derartig bemessenen Koppelelementen anwendbar, sondern es sind unter Zugrundelegung dieser Lehre auch Filter mit Koppelleitungen anderer Länge realisierbar, womit lediglich eine gewisse Verschiebung der Mittelfrequenz des Durchlaßbereichs und/oder der Eigenfrequenzen der polerzeugenden Elemente einhergeht. Der zu erwartenden Verschiebung der Eigenfrequenzen der polerzeugenden Elemente kann beim Filterentwurf durch auf die transformierte Polfrequenz abgestimmte Schwinger des die Dämpfungspole hervorrufenden Zweipoles Rechnung getragen werden.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mechanisches Frequenzfilter, bei welchem Resonanzkörper verhältnismäßig großen Querschnittes und Kopplungselemente von vergleichsweise geringem Querschnitt den die mechanischen Schwingungen übertragenden bzw. dämpfenden Vierpol bilden, an den mechanische Zweipole angekoppelt sind, die Resonatoren enthalten, durch welche sich Dämpfungspole in der Filtercharakteristik ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren der mechanischen Zweipole entweder direkt oder über weitere Kopplungselemente auf Vierpol-Kopplungselemente an Stellen zwischen den Befestigungspunkten der Vierpol-Resonatoren einwirken, so daß die Schwingungen der Vierpol-Kopplungselemente im Frequenzbereich der Dämpfungspole die kleinstmöglichen Amplitudenwerte aufweisen.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweipole zur Erzeugung der Dämpfungspole aus am einen Ende festgehaltenen, am anderen Ende direkt oder über eine weitere Kopplung an der Koppelleitung befestigten, auf die Polfrequenz abgestimmten η λ/2- bzw. m /1/4-Schwingern bestehen (n = ganze Zahl, m — ungerade ganze Zahl) (Fig. 3, 4).

3. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweipole zur Erzeugung der Dämpfungspole aus am einen Ende frei schwingenden, am anderen Ende direkt oder über eine weitere Kopplung an der Koppelleitung befestigten, auf die Polfrequenz abgestimmten ηλ/4- bzw. /M/l/2-Schwingern bestehen (n = ganze Zahl, m = ungerade ganze Zahl) (Fig. 5, 6).

4. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweipole zur Erzeugung der Dämpfungspole aus an beiden Enden frei schwingenden, in ihrem Schwingungsknoten direkt an der Koppelleitung befestigten, auf die Polfrequenz abgestimmten /l/2-Schwingern bestehen (Fig. 7).

5. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zweipole zur Erzeugung der Dämpfungspole aus auf die gegebenenfalls transformierte Polfrequenz abgestimmten /l/2-Schwingern bestehen, die außerhalb ihrer Schwingungsknoten über besondere Koppelleitungen an die eigentliche Koppelleitung angekoppelt sind (Fig. 8).

In Betracht gezogene Druckschriften:

Französische Patentschrift Nr. 1 113 648;

USA.-Patentschriften Nr. 2 342 813, 2 345 491;

Warren P. Mason, »ElectromechanicalTransducers and Wave Filters«, 2. Auflage, New York, Toronto, London, 1948, S. 80 bis 83;

Electrical Engineering, Vol. 50, Nr. 5, S. 349 bis 351 (Mai 1931).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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