DE1254261B - Elektromechanische Verzoegerungsvorrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03h

Deutsche Kl.: 21g-34

T28132IXd/21g
10. März 1965
16. November 1967

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Verzögerungsvorrichtung, bestehend aus Wandlern und Laufzeitkörper.

Verzögerungsvorrichtungen, auch Laufzeitleitungen genannt, werden beispielsweise in Farbfernsehempfängern nach dem PAL-System, aber auch nach dem SECAM-System, für Radargeräte sowie Speicherzwecke in der Computertechnik verwendet.

Es ist bereits bekannt, solche Laufzeitleitungen aus Spulen und Kondensatoren aufzubauen und die Induktivitäten und Kapazitäten derselben so zu bemessen, daß die Signale eine möglichst geringe Dämpfung erfahren.

Es ist weiterhin bekannt, zur Erzielung von größeren Laufzeiten die zu verzögernden elektrischen Schwingungen in mechanische Wellen mit wesentlich geringerer Fortpflanzungsgeschwindigkeit umzuwandeln und diese dann eine Strecke aus einem geeigneten Medium durchlaufen zu lassen, um sie sodann wiederum in elektrische Schwingungen umzuformen.

Bei diesen elektromechanischen Verzögerungsvorrichtungen tritt immer das Problem auf, daß beim Anbringen der elektromechanischen Wandler an das Ausbreitungsmedium in Form eines Laufzeitkörpers eine Stoßstelle entsteht, und zwar auch dann, wenn man mit Hilfe eines Zwischenmediums, beispielsweise mittels Kleber oder Lötmittel, eine sehr feste mechanische Verbindung zwischen den Wandlern einerseits und dem Laufzeitkörper andererseits erzielt.

Für die Ausbreitung von Longitudinalwellen hat das Produkt aus der Dichte des Ausbreitungsmediums und seiner Schallgeschwindigkeit eine große Bedeutung. Die Größe dieses Produkts soll sich entlang des Ausbreitungsweges möglichst nicht ändern. Die Wandler bestehen jedoch im allgemeinen aus einem anderen Material als der Laufzeitkörper, und zwar insbesondere dann, wenn man breitbandige Verzögerungsvorrichtungen verlangt. Will man beispielsweise bei einer Bandmittenfrequenz von 4 MHz eine Bandbreite von +1 MHz erzielen, so hat sich bisher nur eine Vorrichtung als technisch realisierbar herausgestellt, bei der die Wandler aus PZT-Keramik als Scherschwinger zur Anregung von Transversalwellen ausgebildet sind, während der Laufzeitkörper selbst aus einem temperaturkompensierten Glasstab besteht. Da die beiden Medien einen stark unterschiedlichen Wellenwiderstand haben, hat man bei diesen breitbandigen Verzögerungsvorrichtungen starke mechanische Dämpfungen eingebaut, die die Mehrfachreflexionen an den Wellenwiderstandssprungstellen stark dämpfen sollen. Diese starken

Elektromechanische Verzögerungsvorrichtung

Anmelder:
Telefunken

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

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Wilhelm de Villiers van Keet,

Pretoria (Südafrikanische Union);

Dr. rer. nat. Manfred Börner, Ulm/Donau

mechanischen Dämpfungen bringen selbstverständlich auch einen großen Dämpfungsfaktor der Gesamtvorrichtung mit sich.

Weiterhin sind Verzögerungsvorrichtungen bekanntgeworden, bei denen zur Erreichung einer guten Ultraschallanpassung sowohl die Wandler als auch der Laufzeitkörper aus kristallinem oder (beim Laufzeitkörper) aus geschmolzenem Quarz hergestellt sind. Diese Vorrichtungen weisen jedoch einen so kleinen elektromechanischen Kopplungsfaktor und damit eine so kleine Bandbreite auf, daß auf diesem Wege keine breitbandigen Laufzeitleitungen hergestellt werden können.

Durch die Zeitschrift »Acustica«, Vol. 4, 1954, S. 171 bis 181, ist ferner eine mechanische Verzögerungsleitung bekanntgeworden, bei der Wandler und Laufzeitkörper aus einem einheitlichen Ferritkörper bestehen, wodurch die Schwierigkeiten an der Übergangsstelle von Wandler und Laufzeitkörper vermieden sind, wie sie bei zusammengesetzten Verzögerungsleitungen, beispielsweise gemäß USA.-Patentschrift 3 034 077, auftreten.

Eine derartige Konstruktion ist jedoch für einen praktischen Einsatz auf vielen Gebieten ungeeignet. Dies liegt im wesentlichen daran, daß an den Laufzeitkörper und an die Wandler unterschiedliche Forderungen gestellt werden müssen, die nicht gleichzeitig von einem Material erfüllt werden können. Für die Wandler verlangt man nämlich einen hohen elektromechanischen Koppelfaktor, der im wesentlichen temperaturunabhängig sein soll, während ein Laufzeitkörper, der für die Zwecke der Erfindung brauchbar ist, einen geringen Temperaturkoeffizienten der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schall- und Ultraschallstrahlen aufweisen muß. Außerdem ist bei

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einer einstückigen Konstruktion von Wandler und gnetostriktionseffekt wird dann unter Wechselwirkung

Laufzeitkörper noch eine weitere Forderung zu be- des Spulenwechselfeldes und des Polarisationsgleich-

friedigen, nämlich die einer hohen Koerzitivkraft feldes eine Scherschwingung erzeugt, die in der bei-

zwecks Erhaltung der magnetischen Vorpolarisation. den Magnetfeldern zugeordneten Ebene polarisiert

Ausgehend von diesem Stande der Technik ergab 5 ist. Die Querabmessungen der Ferritscheibe betragen sich die Aufgabe, eine breitbandige elektromecha- insbesondere bei höheren Frequenzen mehrere Schernische Verzögerungsleitung anzugeben, die sowohl Wellenlängen. Die Fläche des Scherwellenwandlers hinsichtlich der Eigenschaften der verwendeten strahlt dann wie eine Dipolwand mit entsprechender Wandler als auch hinsichtlich des verwendeten Lauf- Strahlungscharakteristik. Diese Strahlungscharaktezeitkörpers die Forderungen eines hohen Koppel- io ristik kann in Weiterbildung der Erfindung dadurch faktors und einer geringen Dämpfung und Tempe- beeinflußt werden, daß man das Vorpolarisationsraturabhängigkeit erfüllte und die gleichzeitig ohne magnetfeld nicht homogen macht, sondern zum Rand besondere technische Schwierigkeiten einwandfreie der Ferritscheibe hin etwas schwächt. Dies kann man Übergänge zwischen Wandlern und Laufzeitkörpern durch geeignete geometrische Formgebung des zur ermöglichte. ig Vorpolarisation des Wandlers verwendeten Magneten

Erfindungsgemäß ergab sich als Lösung dieser erzielen. Aber es reicht auch häufig aus, den nor-Aufgabe eine elektromechanische Verzögerungs- malen inhomogenen Feldverlauf eines nicht sehr ausvorrichtung, bestehend aus Wandlern und Laufzeit- gedehnten zylinderförmigen Magneten zu verwenden, körper, die gekennzeichnet ist durch die Kombination ohne daß eine besondere Abrundung seiner Endfolgender an sich bekannter Merkmale: zo flächen notwendig ist.

a) Wandler und Laufzeitkörper sind getrennte, In Weiterbildung der Erfindung hat es sich als durch eine Glas- oder Emailleanschmelzung günstig erwiesen, daß der Laufzeitkörper eine keilmechanisch fest miteinander verbundene Bau- förmige Gestalt aufweist, wobei die beiden Wandler teile- auf der der Keilspitze abgewandten Seite des Lauf-

b) sowohl Wandler als auch Laufzeitkörper be- ^a5 zeitkörpers voneinander mechanisch und elektrisch stehen aus Ferritmaterial. abgeschirmt angebracht smd.

Weiterhin hat es sich bei einer ernndungsgemaßen

Die Kombination gemäß der Erfindung gestattet Verzögerungsvorrichtung als günstig erwiesen, Mittel es einerseits, sowohl für die Wandler als auch für den vorzusehen, mittels derer durch Veränderung eines Laufzeitkörper die jeweils günstigste Bemessung zu 30 Polarisationsfeldes die Laufzeit des Laufzeitkörpers wählen, was bei einheitlichen Laufzeitgliedern nicht verändert werden kann. Diese Mittel können gleichmöglich ist. Andererseits ist es infolge der Her- zeitig zur Temperaturstabilisierung des Laufzeitstellung sowohl der Wandler als auch des Laufzeit- körpers verwendet werden. Diese Mittel können körpers aus Ferritmaterial möglich, zur Verbindung einerseits aus einer den Laufzeitkörper umgebenden, der Wandler mit dem Laufzeitkörper Glas oder 35 von einem veränderbaren Strom durchflossenen Spule Emaille zu benutzen. Es ist nämlich möglich, Glas bestehen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, herzustellen, das etwa den gleichen Ausdehnungs- daß ein in seinem Abstand vom Laufzeitkörper verkoeffizienten wie Ferrit hat, und es ist andererseits änderbarer Permanentmagnet vorgesehen ist. Zur auch möglich, die Ausdehnungskoeffizienten der Temperaturstabilisierung wird in diesen Fällen eine beiden für Wandler und Laufzeitkörper verwendeten 40 Änderung des die Spule durchfließenden Stromes Ferritarten trotz teilweise recht unterschiedlicher bzw. eine Abstandsänderung des Permanentmagneten Eigenschaften, die sich nach den eingangs ausge- vom Laufzeitkörper in Abhängigkeit von der Tempesprochenen Forderungen bemessen, praktisch gleich- raturänderung vorgenommen. In dem Fall der Temzumachen. peraturstabilisierung durch Veränderung des die

Als Wandler in einer erfindungsgemäßen Verzöge- 45 Spule durchfließenden Stromes muß die Stromstärke

rungsvorrichtung sind vorzugsweise scheibenförmige, bei einer Zunahme der Temperatur erhöht werden,

jeweils von einer Spule umgebene Scherwellen- da im allgemeinen mit steigender Temperatur die

wandler vorgesehen, die mit dem Laufzeitkörper Laufzeit größer wird, mit steigender Magnetisierung

durch eine Glas- oder Emailleanschmelzung mecha- die Laufzeit jedoch abnimmt; dies kann man mit

nisch fest verbunden sind. 50 Hilfe eines Heißleiters temperaturabhängig steuern.

Die den Wandler umgebende Spule besteht dabei Da der halbleitende Ferritkörper selbst einen nega-

aus einem Material, das sich über eine Glas- oder tiven Temperaturkoeffizienten aufweist, ist es gün-

Emailleanschmelzung fest mit dem Ferritmaterial des stig, den Ferritkörper selbst als solchen Heißleiter

Wandlerkörpers verbinden läßt. Dabei ist darauf zu zu benutzen. Neben dieser Art der Temperaturstabili-

achten, daß das Material der Spule in seinem Tempe- 55 sierung, die darauf beruht, daß die elastischen Eigen-

raturausdehnungskoeffizienten an den des Ferrit- schäften des Laufzeitkörpers und damit die Laufzeit

materials angepaßt ist. Ein geeignetes Material ist in magnetischen Materialien, also auch in Ferriten,

beispielsweise die Legierung Vacovit511 der Firma von der magnetischen Polarisation abhängig sind, ist

Vakuumschmelze. Dabei hat es sich als zweckmäßig es selbstverständlich auch möglich, in konventioneller

erwiesen, die Wicklungen aus einem solchen Material 60 Weise eine Temperaturstabilisierung mittels einer mit

noch zu vergolden oder zu versilbern, um die elek- dem Laufzeitkörper verbundenen Widerstandsheiz-

trischen Verluste zu verringern. Es ist aber auch wicklung und einem Temperaturfühler durchzu-

möglich, die den Wandler umgebende Spule aus in führen.

das Ferritmaterial des Wandlers eingebrannten Die Erfindung soll im folgenden an Hand der in

Metallbelägen, vorzugsweise Silberbelägen, herzu- 65 den F i g. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele

stellen. noch etwas näher erläutert werden.

Die Ferritscheibe des Wandlers ist senkrecht zu Wie Fig. 1 zeigt, sind die beiden elektromagne-

ihrer Oberfläche vorzumagnetisieren. Über den Ma- tischen Wandler 1 und 1' über einen Laufzeitkörper 2.

Claims (11)

miteinander mechanisch verbunden. Wandler und Laufzeitkörper bestehen erfindungsgemäß aus Ferritmaterial. Die die Wandlerkörper 1 und 1' jeweils umgebenden Spulen 5 und 5' sind mit den Wandlerkörpern durch eine Glas- oder Emailleanschmelzung 3 fest verbunden. Diese Schmelzmasse dient gleichzeitig der festen Verbindung zwischen Wandler einerseits und Laufzeitkörper andererseits. Sie weist sich durch eine besonders geringe Dämpfung aus und sollte in ihrer Dicke möglichst gering sein. Jeder Wandler weist einen zusätzlichen Permanentmagneten 4 bzw. 4' zur Vormagnetisierung auf. In der F i g. 2 ist ein einzelner elektromechanischer Wandler dargestellt. Er besteht aus einer quaderförmigen Ferritscheibe 1 mit der frequenzbestimmenden Scheibendicke d. Wie F i g. 3 zeigt, kann zur Erzielung einer vorgegebenen Strahlungscharakteristik des Wandlers 1 der Permanentmagnet geometrisch so ausgebildet sein, daß seine Endfläche nicht, wie in F i g. 2 dargestellt, parallel zur Fläche der Wandlerscheibe verläuft, sondern so, daß der Abstand zwischen der Endfläche des Magneten 4 und der Wandlerscheibe 1 zu den Rändern der Wandlerscheibe 1 hin vergrößert wird, um so an diesen Rändern ein abgeschwächtes Magnetfeld zu erzielen. Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verzögerungsvorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Fall weist der Laufzeitkörper 2 eine keilförmige Gestalt auf. Der Ferritlaufzeitkörper kann in dieser Form beispielsweise leicht durch Formpressen hergestellt werden. Die beiden Wandler 1 und Γ sind auf der gleichen Seite des Laufzeitkörpers 2 angebracht. Dabei ist sowohl für eine elektrische Abschirmung durch eine Zwischenwand 10 zwischen den beiden Wandlern als auch für eine mechanische Entkopplung durch einen entsprechenden Einschnitt 11 in dem keilförmigen Laufzeitkörper gesorgt. Der Schall nimmt den gestrichelt gezeichneten Weg vom Eingang E zum Ausgang A Durch Abschleifen der Keilspitze 12 kann die Laufzeitvorrichtung in günstiger Weise noch nach dem Zusammenbau abgeglichen werden, was bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 nicht möglich ist. Bringt man gegenüber der Keilspitze 12 einen Permanentmagneten 6 in seiner Lage verstellbar an, so ist es leicht möglich, eine Veränderung der Laufzeit jederzeit vorzunehmen. Dazu ist der Permanentmagnet 6, der beispielsweise an einer Schraube 7 befestigt ist, in dem Lager 8 verstellbar gelagert. Wird in diesem Fall das Lager 8 nicht fest mit der Grundfläche verbunden, sondern an Bimetallstreifen 9 befestigt, so ist auf diese Weise eine sehr einfache Temperaturstabilisierung der erfindungsgemäßen Verzögerungsvorrichtung zu erreichen. 55 Patentansprüche:

1. Elektromechanische Verzögerungsvorrichtung, bestehend aus Wandlern und Laufzeitkörper, gekennzeichnet durch die Kornbination folgender an sich bekannter Merkmale:

a) Wandler (1, 1') und Laufzeitkörper (2) sind getrennte, durch eine Glas- oder Emailleanschmelzung (3) mechanisch fest miteinander verbundene Bauteile;

b) sowohl Wandler (1, 1') als auch Laufzeitkörper (2) bestehen aus Ferritmateria].

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler ein scheibenförmiger, von einer Spule (5) umgebener Scherwellenwandler verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einem mit dem Ferritmaterial des Wandlerkörpers mittels einer Glas- oder Emailleanschmelzung mechanisch fest verbundenen Material besteht, das in seinem Temperaturausdehnungskoeffizienten an den des Ferritmaterials angepaßt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus in das Ferritmaterial des Wandlers eingebrannten Metallbelägen, vorzugsweise Silberbelägen, besteht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorpolarisation des Wandlers ein Magnet mit einer solchen geometrischen Formgebung vorgesehen ist, daß eine möglichst gebündelte Strahlungscharakteristik des Wandlers erzielt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laufzeitkörper (2) eine keilförmige Gestalt aufweist, wobei die beiden Wandler (1, Y) auf der der Keilspitze (12) abgewandten Seite des Laufzeitkörpers (2) voneinander mechanisch und elektrisch abgeschirmt angebracht sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, mittels deren durch Veränderung eines Polarisationsfeldes die Laufzeit des Laufzeitkörpers verändert wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Temperaturstabilisierung der elektromechanischen Verzögerungsvorrichtung vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch? oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einer den Laufzeitkörper umgebenden, von einem veränderbaren Strom durchflossenen Spule bestehen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel aus einem in seinem Abstand vom Laufzeitkörper (2) veränderbaren Permanentmagneten (6) bestehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6) zur temperaturabhängigen Abstandsänderung an Bimetallstreifen (9) befestigt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 3 034 077; »Acustica«, Vol. 4, 1954, S. 171 bis 181.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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