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Mechanisches Filter mit mehreren durch den Poissonschen Effekt gekoppelten
Längsschwingern In der Nachrichtentechnik wird oft gefordert, daß nur ein Signal
in einem gewünschten Frequenzbereich abgeleitet wird. Für diesen Zweck werden im
allgemeinen verschiedenartige, aus Induktionsspulen und Kondensatoren bestehende
Filter verwendet. Wenn aber bei den Bandpaßfiltern die Breite des Durchlaßbereichs
kleiner wird als einige Prozent der Mittenfrequenz, werden bei den LC-Filtern wegen
der Verluste der Bauelemente, vor allem der Induktionsspulen, die Realisierung der
gewünschten Kennlinie erschwert, der Verlust in der Bandmitte vergößert und die
Kennlinie in der Nähe der Grenzfrequenz verschlechtert. Um den Verlust zu verkleinern,
genügt es, wenn die Spule vergrößert wird, was aber eine Vergrößerung des Filters
mit sich bringt und einen hohen Kostenaufwand bedingt. Es ist schon bekannt, daß
in einem solchen Fall ein mechanisches Filter, dessen Bauelement aus einem mechanischen
Schwinger mit kleinen Verlusten, das ist mit hohem Q, besteht, vorteilhafterweise
verwendet wird. Bei den mechanischen Filtern ist der Freiheitsgrad des Entwurfs
nicht so groß wie beiden LC-Filtern und die Ausbildung begrenzt, so daß das Verfahren
zur Erhöhung der Steilheit der Sperrkennlinie nicht angewendet werden kann, das
in der Erzeugung eines beliebigen Dämpfungspols im Dämpfungsbereich, vor allem in
der Erzeugung eines Dämpfungspols in der Nähe der Grenzfrequenz, liegt. Wenn es
demnach beabsichtigt ist, durch ein mechanisches Filter eine steile Sperrkennlinie
zu erreichen, gibt es nur die Möglichkeit, die Zahl von in Kaskade geschalteten
Resonatoren zu vermehren. Da ein solches mechanisches Filter demnach mehrere Resonatoren
aufweist, wird seine Form vergrößert und sein Kostenaufwand erhöht. Andererseits
tritt der Nachteil auf, daß die Laufzeitstörung am Ende des Durchlaßbereichs, aus
dem Gesichtspunkt der Kennlinie betrachtet, vergrößert wird, da die Zahl der Strecken
vermehrt wird.
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Bei einem in Längsrichtung schwingenden Z/2-Schwinger wird im Mittelteil,
der eine große Schwingungsverzerrung aufweist, die Änderung der Querschnittsfläche
wegen des Einflusses des Poissonschen Effektes bemerkbar, so daß dieser Schwinger
eine zu seiner Längsrichtung rechtwinklige Schwingungskomponente aufweist. Die Art
dieser Schwingung ist übertrieben in F i g. 1 dargestellt. Wenn die Schwingung in
Längsrichtung den Schwinger verkürzt, wird die Querschnittsfläche, wie in F
l g. 1 b gezeigt ist, im Mittelteil vergrößert. Wenn demgegenüber die Schwingung
in Längsrichtung den Schwinger dehnt, wird die Querschnittsfläche, wie in F i g.
1 c gezeigt ist, im Mittelteil verkleinert. Ein Verfahren, nach dem ein solcher
Längsschwinger unter Benutzung der auf dem Poissonschen Effekt beruhenden Schwingungskomponente
in Querrichtung mit einem weiteren Schwinger gekoppelt und hierdurch ein elektromechanisches
Filter gebildet wird, ist bereits durch USA.-Patentschrift 2 738 467 bekannt. Wie
in F i g. 2 gezeigt ist, ist nach dieser Patentschrift das mechanische Filter so
ausgebildet, daß zwei A/2-Längsschwinger in ihrem Mittelteil zueinander rechtwinklig
gekoppelt sind und der eine durch den magnetostriktiven Effekt angetrieben und die
elektrische Leistung von dem anderen abgeleitet wird. Diese Anordnung hat den Vorteil,
daß keine besonderen Koppler vorgesehen zu werden brauchen, die Ausbildung einfach
und mechanisch fest und die Herstellung leicht ist.
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Wird die Länge des Längsschwingers mit 1, der Elastizitätsmodul des
Materials mit E und die Dichte mit O bezeichnet, so ist die minimale Resonanzfrequenz
dieses Längsschwingers durch die Formel
bestimmt und beträgt bei 100 kHz etwa 25 mm, wenn es sich um allgemeines Metallmaterial
handelt.
Wenn somit der Schwinger, der die in F i g. 2 gezeigte,
auf dem Poissonschen Effekt beruhende Kopplung benutzt, bei einer Frequenz unter
100 kHz verwirklicht werden soll, ergibt sich der Nachteil, daß ein sehr großer
Raum eingenommen werden muß. In der modernen Nachrichtentechnik besteht aber die
Tendenz, verkleinerte Einrichtungen herzustellen.
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Es läßt sich nicht vermeiden, daß ein mechanischer Schwinger um so
mehr vergrößert wird, je tiefer die Frequenz ist. Deshalb sind verschiedene Verfahren
zur Herstellung des Schwingers in möglichst kleiner Ausführung vorgeschlagen worden.
Im Prinzip liegen diese Verfahren hauptsächlich darin, daß an der die größte Schwingungsweite
aufweisenden Stelle die Masse konzentriert und die Querschnittsfläche verkleinert
wird, um an der Stelle mit großer Verzerrung die äquivalente Steife zu verringern.
Wird dieses Prinzip auf den Längsschwinger angewendet, ergeben sich Schwinger nach
F i g. 3.
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In F i g. 3 a ist ein Schwinger mit kreisförmigem Querschnitt dargestellt,
wobei die Enden und der Mittelteil im Durchmesser konzentrisch verschieden sind
und an den Enden die Masse vorgesehen ist, um die Frequenz zu verringern. F i g.
3 b zeigt ein Beispiel für die Anwendung dieses Prinzips auf einen Schwinger mit
rechteckförmigem Querschnitt, wobei der gleiche Effekt durch eine Vergrößerung der
Breite an den Enden erreicht ist. Wenn man beabsichtigt, solche Schwinger, wie in
F i g. 2 gezeigt ist, durch den Poissonschen Effekt zu koppeln, wird die Form kompliziert
und die Bearbeitung sehr erschwert. Wenn z. B. der in F i g. 3b gezeigte Schwinger
gekoppelt werden soll, ist die Bearbeitung mit hoher Genauigkeit unmöglich, soweit
das Ausstanzen usw., das auf der Ultraschallbearbeitung beruht, nicht verwendet
wird.
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Die Erfindung geht von einem mechanischen Filter mit mehreren durch
den Poissonschen Effekt gekoppelten Längsschwingern aus. Die Aufgabe der Erfindung
besteht darin, bei einem solchen mechanischen Filter die Kennlinie zu verbessern,
ohne das Filter aufwendig gestalten zu müssen.
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Zur Lösung sieht die Erfindung vor, daß die Schwinger derart angeordnet
sind, daß die in jedem Schwinger zueinander rechtwinklig gerichteten Schwingungskomponenten
parallel zueinander ausgerichtet werden und daß die benachbarten Teile der Schwinger
mit zueinander parallelen Schwingungskomponenten durch Koppler gekoppelt sind.
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Die durch ein solches Filter erreichte Kennlinie entspricht der Kennlinie
eines bekannten mechanischen Filters mit der doppelten Zahl von Resonatoren. Ein
Filter mit zwei gekoppelten Schwingern hat somit eine Kennlinie, die der Kennlinie
eines bekannten Filters mit vier Resonatoren entspricht. Somit wird die Stückzahl
der Resonatoren verringert und damit wird das Filter verkleinert und verbilligt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Teile der
Schwinger mit Spalten gleichförmiger Tiefe längs der Symmetrieachsen versehen sind,
wobei die Spalte in den Schwingern rechtwinklig zueinander angeordnet sind, und
daß die Schwinger aus Scheiben oder rechteckförmigen Platten bestehen.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt, und zwar sind F i g. 4 perspektivische Ansichten von Resonatoren verschiedener
Formen, aus denen das erfindungsgemäße mechanische Filter gebildet wird, F i g.
5 ein Schaltbild einer elektrischen Ersatzschaltung für die Resonatoren in F i g.
4, F i g. 6 eine perspektivische Ansicht eines weiteren mechanischen Filters nach
der Erfindung, F i g. 7 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung Anordnung nach F i
g. 6, F i g. 8 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
mechaziisehen Filters, ..,u.,, F i g. 9 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung der
Anordnung nach F i g. 8, F i g. 10 und 11 perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Filters, F i g. 12 Aufsichten auf Ausführungsformen eines
Schwingers, F i g. 13 eine Vorderansicht und eine Seitenansicht eines Schwingers
mit der Anregungsanordnung, F i g. 14 ein Schaltbild der Ersatzschaltung der Anordnung
nach F i g. 13 und F i g. 15 eine Vorderansicht und eine Seitenansicht einer weiteren
Ausführungsform eines Schwingers. Die Resonatoren nach F i g. 4 stellen Kopplungsschwinger
dar, bei denen zwei Längsschwingungen ausführende 1/a ,-Schwinger im Mittelteil,
der große Verzerrungen aufweist, durch den Poissonschen Effekt miteinander gekoppelt
sind. Hierbei sind als Beispiel Schwinger mit einer priezoelektrischen Keramikplatte
zur Anregung der mechanischen Schwingungen . dargestellt.
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Gemäß F i g. 4a sind in die von der Mitte abgehenden Teile eines Längsschwingers
zwei mit einer Silberelektrode versehene piezoelektrische Keramikplatten durch Klebung
eingeführt, durch die der Schwinger in Längsrichtung angeregt wird. Gemäß F i g.
4b sind an beide Enden eines Längsschwingrs zwei mit einer Silberelektrode versehene
piezoelektrische Keramikplatten geklebt, durch die dieser Schwinger in Längsrichtung
angeregt wird. Die Öffnung im Mittelteil dient zur Regelung der Stärke der Kopplung
beider Längsschwinger. In F i g. 4c ist ein Kopplungsschwinger dargestellt, bei
dem die nach den freien Enden hin im Querschnitt vergrößerten Längsschwinger durch
den Poissonschen Effekt gekoppelt sind. Die Abmessung ist dabei so gewählt, daß
die Resonanzfrequenzen der miteinander gekoppelten Schwingungen des Schwingers in
rechtwinkliger Richtung übereinstimmen.
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In F i g. 5 ist die elektrische Ersatzschaltung für die Schwinger
in F i g. 4a, 4b und 4c dargestellt, wobei eine durch die Kopplung der zwei Resonanzkreise
gebildete Schaltung dargestellt ist, durch welche die Frequenzkenulinie eines Bandpaßfilters
erreicht wird..
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 sind zwei in F i g. 4 gezeigte
und durch den Poissonschen Effekt gekoppelte Schwinger verwendet, wobei die Komponenten
der Längsschwingungen in jeder Richtung, die sich rechtwinklig kreuzen, über die
Biegeschwingungskoppler 5, 5', 6, 6' gekoppelt sind. Beim Schwinger der F i g. 6
ist der Antriebsumformer nicht dargestellt, jedoch wird die elektrische Anregung
dieses Umformers in gleicher Weise wie in F i g. 1 durchgeführt. Unter der Annahme,
daß die Koppler 6, 6' außer Betracht gelassen werden und beide Schwinger nur durch
die Koppler 5, 5' gekoppelt sind, wird beim Antrieb des linken Schwingers in Pfeilrichtung
1 die Schwingung in dieser Richtung durch den Poissonschen Effekt mit der Schwingung
in Pfeilrichtung 2 gekoppelt. Die Schwingung wird über die Koppler 5, 5' mit der
Schwingung
in Pfeilrichtung 3 des rechten Schwingers und ferner durch den Poissonschen Effekt
mit der Schwingung in Pfeilrichtung 4 gekoppelt.
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Der jeweilige Kopplungsgrad wird so gewählt, daß die benötigte Breite
des Durchlaßbereichs erreicht wird. Wenn entsprechend der Schwingung in Pfeilrichtung
4 diese Schwingung in eine elektrische Größe umgewandelt und als Ausgang
abgeleitet wird, kann ein mechanisches Filter mit einer Filterkennlinie, die ein
aus vier längsgekoppelten Resonanzkreisen bestehendes Bandpaßfilter aufweist, erhalten
werden.
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Die durch den Poissonschen Effekt ausgebildeten Schwinger können,
da ein Koppler nicht verwendet ist, einstückig hergestellt werden, so daß diese
Schwinger als ein Schwinger angesehen werden können. Wenn diese beiden Schwinger
in üblicher Weise mittels eines Kopplers gekoppelt werden, kann die Kennlinie erreicht
werden, die der Kennlinie bei Verwendung eines üblichen mechanischen Filters mit
vier Resonatoren entspricht. Dadurch können die Stückzahl der Resonatoren verringert
und die Vorteile der Verkleinerung des mechanischen Filters und der Absenkung der
Herstellungskosten erreicht werden. Dadurch, daß zwischen beiden Schwingern die
Koppler 6, 6' außer den Kopplern 5, 5' hinzugefügt werden, werden außer den Hauptkopplungen
1-2, 2-3 und 3-4 die Schwingungen 1 und 4 nicht über die Schwingungen 2 und 4, sondern
direkt gekoppelt, so daß die Kennlinie der in F i g. 7 gezeigten Ersatzschaltung
verwirklicht werden kann.
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Durch die Analyse der in F i g. 7 gezeigten Ersatzschaltung wird gefunden,
daß an einer hohen und einer tiefen Stelle, das ist an zwei Stellen des Durchlaßbereichs,
Dämpfungspole erzeugt werden. Wenn auf diese Weise ein Dämpfungspol als reelle Frequenz
erhalten wird, kann gegenüber dem Fall ohne Pol die Sperrkennlinie steiler gemacht
werden, ohne daß zur Erreichung der gewünschten Sperrkennlinie die Zahl der Resonatoren
vergrößert wird. Die Zahl der Strekken in der Kaskadenschaltung wird somit verringert,
so daß auch der Vorteil auftritt, daß die Phasenkennlinie, d. h. die Kennlinie der
Laufzeitstörung des Filters, verbessert wird.
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F i g. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung bei
drei durch den Poissonschen Effekt gekoppelten Schwingern angewendet ist. Wenn man
die Kopplungen zwischen 1-4 und 3-6 vernachlässigt, sind anscheinend nur drei Schwinger
vorhanden, jedoch kann die Filterkennlinie ohne Pol durch eine Kakadenschaltung
von sechs Resonanzkreisen erreicht werden. Wenn dann noch die Kopplungen zwischen
1-4 und 3-6 berücksichtigt werden, kann die in F i g. 9 gezeigte Ersatzschaltung
erreicht und je zwei Dämpfungspole, insgesamt vier Dämpfungspole an einer hohen
und einer tiefen Stelle, erhalten werden. Da bei der erfindungsgemäßen Ausbildung
die Abmessungen der Koppler unabhängig voneinander gewählt werden können, ist der
Freiheitsgrad beim Entwurf sehr groß, so daß ein wirtschaftliches, kleines mechanisches
Filter dadurch ausgebildet werden kann, daß für die beste Dämpfungsnorm die optimale
Anordnung des Dämpfungspols untersucht und aus dem dementsprechenden Kopplungsgrad
die Abmessung des Kopplers gefunden wird.
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Wenn wie bei der Erfindung durch den Poissonschen Effekt gekoppelte
Längsschwinger vorgesehen sind und die benachbarten Schwingungskomponenten jeweils
in obenerwähnter Weise entsprechend gekoppelt werden, wird die gleiche Kennlinie
wie bei einer Kaskadenschaltung von 2 n Resonatoren erreicht, wobei 2(n-1) Dämpfungspole
erzeugt werden können. Da hierdurch die Stückzahl der Schwinger, die zur Erreichung
der gewünschten Kennlinie benötigt wird, verringert wird, kann ein kleines mechanisches
Filter mit verbesserter Kennlinie ohne den großen Kostenaufwand geschaffen werden.
Die im praktischen Betrieb erreichbare Wirkung ist sehr groß.
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Es ist auch möglich, als Umformer einen Langevin-Schwinger nach F
i g. 10 oder die in F i g. 11 gezeigte ebene Anordnung zu verwenden.
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F i g. 12a zeigt ein Anwendungsbeispiel für den scheibenförmigen Schwinger,
wobei ein Rundstab entsprechender Dicke geschnitten ist und dann von dem Kreisumfang
gleichmäßig tiefe Ausnehmungen mit gleicher Breite entlang den zueinander rechtwinklig
gerichteten Durchmessern vorgesehen sind. Dieser Schwinger besteht aus zwei Längsschwingern
A, C und B, D, deren Querschnitt in Längsrichtung geändert ist und die im
Mittelteil rechtwinklig gekoppelt sind. Bei jedem Schwinger A, C und
B, D ist die Querschnittsfläche im Mittelteil klein und nach dem Rand hin
vergrößert. Auf Grund des obengenannten Prinzips ist die Resonanzfrequenzgegenüber
dem Längsschwinger mit gleicher Länge und gleichmäßigem Querschnitt wesentlich verringert.
Wenn der Schwinger A, C in Pfeilrichtung 1 gedehnt wird, wird der Mittelteil
wegen des Poissonschen Effektes in der zur Richtung 1 rechtwinkligen Richtung geschwächt,
so daß der Schwinger B, D in der Pfeilrichtung 2 geschwächt wird und beide
Schwinger demnach miteinander gekoppelt werden.
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In F i g. 12b sind längs der Symmetrieachsen einer quadratischen Platte
gleichmäßig tiefe Ausnehmungen mit gleicher Breite vorgesehen, wobei der gleiche
Effekt wie bei dem obigen scheibenförmigen Schwinger erreicht wird. Eine weitere
Möglichkeit zeigt F i g. 12 c.
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In F i g. 13 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem piezoelektrische
Keramikplatten an dem Schwinger angeklebt sind, um diesen elektrisch anzuregen.
Wenn an die piezoelektrische Keramikplatte 3 das Eingangssignal angelegt wird, wird
der Schwinger A, C in Längsrichtung angeregt und die angeregte Schwingung infolge
des oben näher erläuterten Effektes mit dem Schwinger B, D gekoppelt, wodurch
eine elektrische Ladung auf der in Längsrichtung des Schwingers B, D angeklebten
piezoelektrischen Keramikplatte 4 hervorgerufen wird. Die elektrische Ersatzschaltung
dafür ist in F i g. 6 gezeigt, wodurch die Kennlinie eines Bandpaßfilters verwirklicht
werden kann.
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F i g. 15 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Schwingers aus piezoelektrischem
Keramikmaterial dar. Auf einer Seite ist eine gemeinsame Silberelektrode vorgesehen,
die als Erdungselektrode dient, während auf der anderen Seite eine gemeinsame Elektrode
auf der Fläche A, C vorgesehen und von der Elektrode auf der Fläche B, D
elektrisch isoliert ist. Wenn die Klemmen der Elektroden A, C als Eingang und die
Klemmen der verbundenen Elektroden B, D als Ausgang verwendet werden, ergibt
sich die in F i g. 14 gezeigte Ersatzschaltung.
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Die Ausnehmungen brauchen nicht mit gleichmäßiger Breite ausgeführt
zu werden und können V-, U-förmig od. dgl. sein.
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Durch die Erfindung kann ein kleiner und fester Kopplungsschwinger,
bei dem zwei Schwinger nicht
durch einen Doppler, sondern durch
den Poissonschen Effekt gekoppelt sind, ohne Schwierigkeit und mit hoher Genauigkeit
realisiert werden.