DE1929546C

DE1929546C - Electromechanical belt filter chain

Info

Publication number: DE1929546C
Authority: DE
Inventors: Die Anmelder Sind
Original assignee: Kaljajewa, AHa Nikolajewna; Pletnew, Dmitrij Wasiljewitsch; Leningrad (Sowjetunion)
Publication date: 1972-06-15

Description

Die vorliegende Erfindung geht von einer elektromechanischen Bandfilterkette aus, die hantelfürmige mechanische F.esonatoren und hanteiförmige magnetostriktive Wandler enthält.The present invention is based on an electromechanical belt filter chain, the dumbbell-shaped contains mechanical resonators and dumbbell-shaped magnetostrictive transducers.

Es sind elektromechanische Stab-Bandfilterketten mit hantelförmigen mechanischen Resonatoren und hantelförmigen magnetostriktiven Wandlern bekannt, die durch zylindrische Kopplungen — einfache (eingliedrige) und komplizierte (dreigliedrige) (britische Patentschrift 947 145) — verbunden sind,They are electromechanical rod band filter chains with dumbbell-shaped mechanical resonators and dumbbell-shaped magnetostrictive transducers known, which by cylindrical couplings - simple (one-piece) and intricate (tripartite) (British Patent 947 145) - connected,

Die Grundmängel derartiger Filter liegen darin, daß sie für die Arbeit im Niederfrequenzbereich ungeeignet sind und daß es unmöglich ist, eine größere Gliederxahl zu verwenden, was bei der Herstellung von Schmalbandfiltern erforderlich ist. Die Erhaltung von Schmalbändern wird im allgemeinen durch die zulässige mechanische Fesivgkeit des Filters und dessen Herstellungsbedingungen begrenzt.The basic shortcomings of such filters are that they are designed to work in the low frequency range are unsuitable and that it is impossible to use a larger number of links, which is the case in manufacture of narrow band filters is required. The preservation of narrow belts is generally achieved by the permissible mechanical Fesivgkeit the filter and its manufacturing conditions are limited.

Die Zusammenstellung von hantelförmigen mechanischen Resonatoren mit einfachen zylindrischen Kopplungen in einem Stabfilter für einen Niederfrequenzbereich führt zur Vergrößerung des minimalen Verhältnisses der Wellenwiderstände.The combination of dumbbell-shaped mechanical resonators with simple cylindrical ones Couplings in a bar filter for a low frequency range leads to an increase in the minimum Ratio of the wave resistance.

Ferner muß man, um die Grenzen der zulässigen mechanischen Festigkeit des Filters nicht zu überschreiten und dessen Herstellungsmöglichkeiten sicherzustellen, die Länge '_K der Kopplung wesentlich geringer als deren optimale Länge /._{k o} wählen, die eine Viertelwellenlänge aufweist. All das führt zur Abnahme der Verstimmung zwischen den Resonatoren und erlaubt es nicht, Schmalbanotilter für den Niederfrequenzbereich mit einfachen zylindrischen Kopplungen auszuführen.Furthermore, in order not to exceed the limits of the permissible mechanical strength of the filter and to ensure that it can be manufactured, the length ' _{K of} the coupling must be substantially less than its optimal length /. _{choose ko} , which has a quarter wavelength. All of this leads to a reduction in the detuning between the resonators and does not allow narrow-gauge filters for the low-frequency range to be implemented with simple cylindrical couplings.

Die Anwendung von komplizierten zylindrischen Kopplungen trägt zur Verkleinerung des Durchlaßbereiches bei. Die Längenabmessungen der Filter für den Niederfrequenzbereich werden dabei in dem Maße vergrößert, das es unmöglich wird, ein Filter mit einer zureichend großen Gliederzahl herzustellen und folglich die erforderliche Selektivität des Filters zu gewährleisten. The use of complex cylindrical couplings contributes to the reduction of the transmission area at. The length dimensions of the filters for the low frequency range are in this case increases that it becomes impossible to manufacture a filter with a sufficiently large number of members, and hence to ensure the required selectivity of the filter.

Bei Anwendung von komplizierten zylindrischen Kopplungen sowie auch von einfachen ist es unmöglich, maximal schmale Durchlaßbereiche zu erhalten, weil die Länge jedes Elementes einer komplizierten Kopplung wesentlich geringer als die optimale Länge angenommen werden muß. When using complex cylindrical couplings, as well as simple ones, it is impossible to obtain maximally narrow passage areas, because the length of each element of a complicated coupling must be assumed to be considerably less than the optimal length.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches Schmalbandfilter hoher Zuverlässigkeit in MiniaturausfUhrung zu schaffen, das sich so für den Betrieb in einem Frequenzbereich von einigen kHz bis zu einigen hundert kHz eignet.The invention is based on the object of creating an electromechanical narrow-band filter of high reliability in a miniature version that is so suitable for operation in a frequency range from a few kHz to a few hundred kHz.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Kopplungen einer elektromechanischen Filterkette aus Elementen ausgeführt werden, die die Form einer Hantel {Hantettopplungen) aufweisen.The problem posed is achieved in that the Couplings of an electromechanical filter chain are carried out from elements that have the shape of a Have a dumbbell.

Bine derartige Konstruktion der Kopplungen erlaubt es, die Llngenabmessungen des Filters wesentlich zu reduzieren und die erforderliche äquivalente Wellenlänge der Kopplungen, darunter auch deren optimale Länge zu erhalten, die einer Viertelwellen« Stage der mechanischen Schwingungen gleich ist Dabei wird die Starrheit des Systems infolge einer Verkleinerung der Länpnabe und Durch· rnessersprUngen beim Übergang vom Resonator zur Kopplung vergrößert.Such a construction of the couplings makes it possible to reduce the length dimensions of the filter considerably and to obtain the required equivalent wavelength of the couplings, including their optimal length, which is equal to a quarter-wave stage of the mechanical oscillations the length and diameter jumps at the transition from the resonator to the coupling are increased.

Selektivität des Filters vergrößern, indem man eine größere Gliederzahl verwendet.Increase the selectivity of the filter by using a larger number of links.

Die vorliegende Erfindung soll nachstehend an Hand eines konkreten Ausführungsbeispiels und der Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigtThe present invention is intended below on the basis of a specific exemplary embodiment and the Drawings are explained in more detail. It shows

F i g. 1 eine elektromechanische Bandfilterkette ge maß der Erfindung,F i g. 1 an electromechanical belt filter chain according to the invention,

F i g. 2 eine einfache zylindrische Kopplung,F i g. 2 a simple cylindrical coupling,

F i g. 3 eine komplizierte Kopplung, die sich aus drei zylindrischen Elementen zusammensetzt,F i g. 3 a complicated pairing that results from composed of three cylindrical elements,

F i g. 4 eine einfache Hantelkopplung gemäß der Erfindung,F i g. 4 a simple dumbbell coupling according to the invention,

F i g. 5 eine komplizierte Kopplung, die sich aus drei hantelförmigen Elementen zusammensetzt, gemäß der Erfindung.F i g. FIG. 5 shows a complicated coupling, which is composed of three dumbbell-shaped elements, according to FIG the invention.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, enthält ein Filter durch hanteiförmige Kopplungen 1 miteinander verbundene hanteiförmige Resonatoren 2 und magnetostriktive Wandler aus Ferrit: einen Eingangswandler mit einem magnetostriktiven Element 3 aus Ferrit und einen Ausgangswandler mit einem magnetostriktiven Element 4. Bei der Zuleitung einer elektrischen Spannung aus der elektrischen Schaltung (nicht aufgezeigt) des Eingangswandlers entstehen im magnetostriktiven Element 3 Drehschwingungen,, die durch das ganze mechanische System des zu betrachtenden Filters gesiebt werden.As shown in FIG. 1, a filter contains a filter connected to one another by dumbbell-shaped couplings 1 dumbbell-shaped resonators 2 and magnetostrictive transducers made of ferrite: an input transducer with a magnetostrictive element 3 made of ferrite and an output transducer with a magnetostrictive Element 4. When an electrical voltage is supplied from the electrical circuit (not shown) of the input converter arise in magnetostrictive element 3 torsional vibrations, which run through the whole mechanical system of the one to be considered Filters are sifted.

Der Ausgangswandler mit dem magnetostriktiven Element 4 setzt die mechanischen Schwingungen in elektrische um. Im vorliegenden Filter kommen einfache eingliedrige Hantelkopplungen (F i g. 4) zur Geltung. In einer Reihe von Fällen ist es aber zweckmäßig, in derartigen Filtern komplizierte hanteiförmige Kopplungen (F i g. 5) einzusetzen, die aus einigen hantelförmigen Elementen bestehen.The output transducer with the magnetostrictive element 4 sets the mechanical vibrations electric around. In the present filter, simple single-part dumbbell couplings (FIG. 4) are used Validity. In a number of cases, however, it is expedient to use complicated dumbbell-shaped couplings (FIG. 5) in such filters that consist of consist of some dumbbell-shaped elements.

Nachfolgend werden Berechnungen angeführt, die die Vorteile der vorliegenden elektromechanischen Filtsrkette mit Kopplungen aus hantelförmigen Elementen im Vergleich zu den bekannten Filtern mit zylindrischen Kopplungen bestätigen.The following are calculations that demonstrate the benefits of the present electromechanical Filtsrkette with couplings from dumbbell-shaped elements compared to the known filters with Confirm cylindrical couplings.

Es ist bekannt, daß Tür das Glied eines elektromechanischen Filters mit dem schmälsten Band (dieIt is known that the door is the link of an electromechanical filter with the narrowest band (the

Länge der Kopplungselemente beträgt -£■) die Durchlaßbandbreite angenähert durch folgende Gleichung ermittelt wird: The length of the coupling elements is - £ ■) the bandwidth is approximately determined by the following equation :

2JF
/0 2JF
/ 0

Darin sind Z_tp —Wellenwiderstand der Resonatoren (es wird ein Filter mit gleichen Resonatoren betrachtet). M₂₁|/_o — Modul des Koeffizienten A₁, der Kettenmatrix bei der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches des Filters.There are Z _tp - characteristic impedance of the resonators (a filter with the same resonators is considered). M ₂₁ | / _o - module of the coefficient A ₁ , the chain matrix at the center frequency of the passband of the filter.

Bei einem konstanten Wert von Z,p wird die Änderung der Durchlaßbandbreite durch die von A₃₁ bedingt.With a constant value of Z, p , the change in the pass bandwidth is caused by that of A ₃₁ .

Für eine einfache zylindrische Kopplung (Fig. 9For a simple cylindrical coupling (Fig. 9

mit einer Länge von -j ergibt sich die Matrix zu: B β Alwith a length of -j the matrix results in: B β Al

kann also die Zuverlässigkeit des niters er· höhen, icfKnate Durchlaßbereiche erhatten und diecan thus increase the reliability of the niter, obtain icfKnate passbands and the worin Z, « der Wellenwiderstand des Abschnitts I istwhere Z, «is the wave resistance of section I.

Für eine einfache Hantelkopplung (F i g. 4) ergibt sich die Matrix zu:For a simple dumbbell coupling (Fig. 4) the matrix is:

Z,_lr = Wellenwiderstand des Abschnitts 5; Z, _lr = wave resistance of section 5;

K_r = —' <ζ 1 = Verstimmungskoeffizient
^flr der Hantel: K _r = - '<ζ 1 = detuning coefficient
^for the dumbbell:

Z₂ r = Wellenwiderstand des Abschnitts 6; β = -=i : 'ir· kr < '· Länge des Abschnitts 5 bzw. 6; Z_tr = Ersatzwellenwiderstand der Kopplung. Z ₂ r = wave resistance of section 6; β = - = i: 'ir · kr <' · length of section 5 or 6; Z _tr = equivalent wave resistance of the coupling.

Betrachten wir den Fall l_lr = /_2r.Let us consider the case l _lr = / _2r .

Als Äquivalenzbedingung nehmen wir Z_c = Z_£ran. We assume Z _c = Z _{£ r} as the equivalence condition.

Wie aus der Formel für die Bandbreite ersichtlich, vermindert die Reduzierung des Wellenwiderstandes der Kopplung die mechanische Festigkeit des Systems. Beim übergang zur hanteiförmigen Kopplung kann die Bedingung Z_Er<Z_c erfüllt werden, da in Verbindung mit einer Verkleinerung der Längenabmessungen der Hantelkopplungen und einer Verkleinerung von Durchmessersprüngen beim übergang von den Resonatoren zur Kopplung die mechanische Starrheit des Systems bedeutend zunimmt.As can be seen from the formula for the bandwidth, the reduction in the characteristic impedance of the coupling reduces the mechanical strength of the system. In the transition to the dumbbell-shaped coupling, the condition Z _Er <Z _{c can be} fulfilled, since in connection with a reduction in the length dimensions of the dumbbell couplings and a reduction in diameter jumps during the transition from the resonators to the coupling, the mechanical rigidity of the system increases significantly.

Die Gleichheitsbedingung Für die Wellenwiderstände ist also keinesfalls optimal, und praktisch kann man in einem System mit einer hanteiförmigen Kopplung schmalere Bandbreiten erreichen.The equality condition for the wave resistance is therefore by no means optimal, and it can be practical narrower bandwidths can be achieved in a system with a dumbbell-shaped coupling.

Zwecks Vereinfachung der Analyse wird ein Fall mit einer symmetrischen Kopplung behandelt:To simplify the analysis, a case with a symmetric coupling is treated:

I₁, = Gesamtlänge der Hantel;
/ = Länge eines Abschnitts der Hantel bzw. die einer einfachen zylindrischen Kopplung ist. Bei Betrieb mit Torsionsschwingungen: I ₁ , = total length of the dumbbell;
/ = Length of a section of the dumbbell or that of a simple cylindrical coupling. When operating with torsional vibrations:

d_u =d _u =

WrWr

d_lt = d\%. d _lt = d \%.

</,, « Durchmesser des Abschnitts 5; d_u ■ Durchmesser des Abschnitts 6;</ ,, «diameter of section 5; d _u ■ diameter of section 6;

d « Durchmesser einer einfachen zylindrischen Kopplung (F i g. 2) ist. Setzen wir d «is the diameter of a simple cylindrical coupling (Fig. 2). Let's sit

so istso is

ft 0,318/.ft 0.318 /.

Hantelkopplung um das Dreifache kleiner als die einer einfachen zylindrischen Kopplung unter Beibehaltung der Durchlaßbandbreite, Dabei wird in bedeutendem Maße die mechanische Starrheit den Systems erhöht, was die Erhaltung von schmaleren Durchlaßbereichen ermöglicht.
BeiDumbbell coupling is three times smaller than that of a simple cylindrical coupling while maintaining the passband width. The mechanical rigidity of the system is thereby increased to a significant extent, which enables the maintenance of narrower passbands.
at

"2r"2r

ist die Länge einer einfachen Hantelkopplung um das Vierfache kleiner als die einer einfachen zylindrischen Kopplung.the length of a simple dumbbell coupling is four times shorter than that of a simple cylindrical one Coupling.

Analoge Beziehungen bleiben auch bei Ersatz einer komplizierten zylindrischen Kopplung (Fig. 3) durch eine komplizierte Hant-Kopplung (Fig. 5) in Kraft.Analogous relationships remain even if a complicated cylindrical coupling is replaced (Fig. 3) by a complicated Hant coupling (Fig. 5) in force.

In Anbetracht einer bedeutenden Vergrößerung der mechanischen Festigkeit bei Anwendung von hanteiförmigen Kopplungen ist es möglich, entweder die Durcliiaßbereiche im Vergleich zu den einfachen und komplizierten zylindrischen Kopplungen durch Ver-· kleinern von Z_cr oder die Länge der Kopplungen bei gleichzeitiger Verkleinerung von Z_cr zu vermindern. In view of a significant increase in mechanical strength when using dumbbell-shaped couplings, it is possible either to reduce the diameter areas in comparison to the simple and complicated cylindrical couplings by reducing Z _cr, or to reduce the length of the couplings while reducing Z _{cr at the same time} .

Auf solche Weise kann unter gleichen anderen Bedingungen die Länge der hantelförmigen Kopplungen V₅ bis Vio der Länge der zylindrischen Kopp-In this way, under the same other conditions, the length of the dumbbell-shaped couplings V ₅ to Vio the length of the cylindrical coupling

lungen betragen. Es ist zu berücksichtigen, daß es im Niederfrequenzbereich überhaupt unmöglich ist, ein Filter mit einfachen oder komplizierten zylindrischen Kopplungen auszuführen, bei denen dielungs. It must be taken into account that in the low frequency range it is at all impossible to carry out a filter with simple or complex cylindrical couplings in which the

Länge der Elemente gleich * ist.Length of the elements is equal to *.

Somit ist selbst ftir so eine kleine Nichtanjpassung van Durchmessern die Gesamtlänge einer einfachen Da die Länge der komplizierten Kopplungen in niederfrequenten Schmalbandfiltern mit der der Resonatoren vergleichbar wird, ermöglicht es der übergang zu den Hantelkopplungen, nicht our die Durch- Thus, even for such a small non-adjustment of diameters, the total length of a simple one.

laßbandbreite des Filters, sondern auch dessen Länge um ein Mehrfaches zu reduzieren, was seinerseits die Möglichkeit gibt, den Arbeitsfrequenzbereich zu vermindern und die Gliederzahl in einem Schmalbandsystem zu vergrößern.Let bandwidth of the filter, but also to reduce its length by a multiple, which in turn reduces the There is a possibility to reduce the working frequency range and the number of links in a narrow band system to enlarge.

Das erfindungsgemäße elektromechanische Filter gewährleistet bei einer beliebigen vorgegebenen Frequenz in einem Frequenzbereich von 6 bis 15OkHz eine hochselektive Filterung von elektrischen Signalen mit einem Durchlaßbereich, der in Grenzen von 0,05 bis 3% der Mittenfrequenz des Filters eingestellt wird.The electromechanical filter according to the invention works at any given frequency Highly selective filtering of electrical signals in a frequency range from 6 to 150 kHz with a pass band that is set within 0.05 to 3% of the center frequency of the filter will.

Dabei übe^rsteigt der Rechteckfaktor der Amplitudenfrequenzcharakteristik des Filters bei einem Pegel von 6 uiid 40 db keineswegs 2, während dessenThe square-wave factor of the amplitude frequency characteristic of the filter increases above ^{r at a level of 6 and 40 db by no means 2, during this}

5S Selektivität bei einer Verstimmung von 1,5 Durchlaßbandbreiten nicht weniger als 70 db ist. 5S selectivity with a detuning of 1.5 bandwidths is not less than 70 db.

Die Eigendämpftmg des vorliegcinden Fitters im Durehlaflbereich unterschreitet einen Wert von 5 db, wobei der Temperaturkoeffizient der Frequenz inThe self-damping of the present fitter in the Durehlaflbereich falls below a value of 5 db, where the temperature coefficient of frequency in

einem Temperaturbereich von -10 bis +6O⁰C untera temperature range from -10 to + 6O ⁰ C below einem Wert von IO ■ I0"^e rjg Hegt.a value of IO ■ I0 " ^e rjg Hegt.

Die vorliegende eiektromechanische Bandfiiterkette kann nicht nur für einen Frequenzbereich von «S θ bis 150 kHz, sondern auch für höhere Frequenzen mit schmalen Durchlaßbandbreiten ausgeführt sein.The present electro-mechanical belt filter chain can be used not only for a frequency range from «S θ to 150 kHz, but also for higher frequencies with narrow pass bandwidths.

Hierbei erhalten wir ein Hochpaßfilter in MiniaturauslVmmg.Here we get a miniature high-pass filter.

fiel der Herstellung des Filters gibt es eine Möglichkeit einer einfachen Umstimmung des meeha* nisehen Systems insbesondere bei der Abstimmung nach dem Dufehlaßbereich durch Änderung der Abschnitte 6 (P i g. 3 und 5), was von besonderer Bedeutung bei der Herstellung einer Reihe von Filtern ist, die auf verschiedene Frequenzen abgestimmt sind.fell the manufacture of the filter there is a possibility of a simple retuning of the meeha * This system is particularly important when it comes to voting according to the diffusion range by changing the Sections 6 (P i g. 3 and 5) what is particular This is important in making a range of filters that are tuned to different frequencies.

Im angegebenen Frequenzbereich können die Filter einheitlich ausgeführt sein.The filters can be designed uniformly in the specified frequency range.

Claims

Patentanspruch:Claim:

Elektrornechanische Bandfflterkette, die hantel· förmige mechanische Resonatoren und hantel· förmige magnetostriktive Wandler enthält, die durch Kopplungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dafl die Kopplungen (1) aus Elementen ausgeführt sind, die die Form einer Hantel aufweisen.Electromechanical band filter chain, the dumbbell -shaped mechanical resonators and dumbbell-shaped magnetostrictive transducers containing the are connected by couplings, characterized in that the couplings (1) are made of elements that have the shape of a dumbbell.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings