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Elektromechanische Impedanz.
Die Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Impedanzen, insbesondere auf solche, die auf Grund von Resonanzschwingungen eines mechanischen Elementes Resonanzcharakteristiken auf- weisen.
Die Herstellung von mechanisch schwingenden Elementen mit weit geringerer Dämpfung als im allgemeinen in elektrischen Resonanzschaltungen üblich ist, ist bekannt und solche besitzen bei der Übertragung von Schwingungen verschiedener Frequenzen äusserst selektive Eigenschaften. In Wellenfiltern mit breitem Frequenzband führt dieser geringe Energieverlust zu einer scharfen Abgrenzung des Übertragungsbandes und zu einem hohen Wirkungsgrad über das gesamte Band. Die
Konstruktion mechanischer Schwingungskörper, die eine einfache Resonanzcharakteristik aufweisen, ist jedoch, insbesondere für hohe Frequenzen, mit Schwierigkeiten verbunden, da die Masse sowohl wie die Elastizität des schwingenden Elementes für gewöhnlich derart verteilt sind, dass sie sich ähnlich wie verlängerte Übertragungsleitungen verhalten.
Aus diesem Grunde weist der Schwingungskörper meistens eine Anzahl Resonanzen bei den durch den geometrischen Aufbau bestimmten Frequenzstufen auf.
Erfindungsgemäss werden mechanisch schwingende Elemente derart mit elektrischen Stromkreisen verbunden, dass bis auf die Wirkung der Grundsehwingung die Wirkung der sonstigen Resonanzen ausgeschaltet wird. Es entsteht somit eine elektromechanische Vorrichtung, die eine einfache Resonanzcharakteristik aufweist und bei relativ hohen Frequenzen zufriedenstellend arbeitet.
Für gewöhnlich besteht eine elektromechanische Impedanz aus einem elektrischen Stromkreis, der entweder elektromagnetisch oder elektrostatisch derart mit einer mechanisch schwingenden Vorrichtung gekoppelt ist, dass die Bewegung der letzten eine elektromotorische Kraft in den Stromkreis induziert. Die Impedanz der erfindungsgemässen Anordnung ist die, die an den Kontaktklemmen gemessen wird. Ein erfindungsgemässes Merkmal der vorliegenden elektromechanischen Kopplung besteht darin, dass die dem Schwingungskörper zugeführten Antriebskräfte in seiner Längsrichtung verteilt und derart von Punkt zu Punkt abgestuft werden, dass bis auf die Grundsehwingung dieses Körpers sämtliche sonstigen Schwingungen verhindert werden.
Im nachstehenden sind einige erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen der Erfindung. Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Wirkungsweise der Anordnung in Fig. 1. Die Fig. 4 und 5 zeigen weitere erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele. Fig. 6 ist eine schematische Darstellung der Anordnung in Fig. 4. Fig. 7 zeigt die Verwendung der erfindungsgemässen Anordnung in Wellenfiltern, während Fig. 8 eine weitere erfindungsgemässe Ausführungsmöglichkeit darstellt.
In der Fig. 1 liegt ein gespannter Draht 1 zwischen zwei Punkten A und B, an denen der Draht fest an Stützen, die nicht gezeigt sind, verankert ist. 2 und 3 sind die Pole eines Magneten, zwischen denen der Draht 1 liegt. 4 und 5 sind die Leiter, die zu den Klemmen T, und T führen. Die Magnetpole verlaufen zum Luftspalt hin konisch, wie in Fig. 2 gezeigt, um in der Nähe des Drahtes ein konzentriertes magnetisches Feld zu erzeugen. Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen, in denen die Polflächen parallel zueinander liegen, ist in der erfindungsgemässen Anordnung der Zwischenraum
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zwischen den Polflächen in der Mitte am kleinsten und nimmt an den Enden symmetrisch zu.
Der Zweck dieser Formgebung der Polflächen ist der, einen magnetischen Fluss zu bilden, dessen Stärke sich sinusförmig verändert, wobei die Flussdichte ihren Höchstwert an dem Mittelpunkt des Drahtes hat und sinusförmig an den Enden des Drahtes bis auf einen vernachlässigbar kleinen Wert sinkt.
Wenn ein Wechselstrom an die Klemmen T1 und T2 gelegt wird, so fliesst in dem Draht 1 ein
Strom, der durch die Zusammenwirkung mit dem magnetischen Fluss den Draht transversal synchron mit den Stromänderungen zum Schwingen bringt und der eine synchron rückwirkende elektromotorische Kraft in dem elektrischen Stromkreis erzeugt. Auf Grund der Masseverteilung und der transversalen Elastizität, die durch Spannung entsteht, besitzt der Draht eine Reihe von Resonanzen bei harmonischen Frequenzen. Bei der Grundschwingung bewegen sich sämtliche Punkte des Drahtes gleichzeitig in derselben Richtung. Bei höheren Resonanzen weist der Draht gleichmässig verteilte Knotenpunkte auf, wobei die Bewegungen des Drahtes rechts und links des Knotenpunktes entgegengesetzt gerichtet sind.
Schwingungen mit dieser höheren Frequenz können nur aufrechterhalten werden, wenn Energie synchron dem Draht zugeführt wird. Auf Grund der sinusförmigen Verteilung der Flussdichte in der erfindungsgemässen Anordnung wird Energie dem Draht nur bei seiner Grundschwingung zugeführt, und somit werden sämtliche sonst auftretenden Schwingungen unterdrückt. Die Vorrichtung weist somit eine einzige Resonanz auf der mechanischen Seite auf, die als eine einzige Antiresonanz in dem elektrischen Stromkreis auftritt.
Die Unterdrückung der höheren Frequenzen wird an Hand der Fig. 3 näher beschrieben. Die waagrechte Linie A-B zeigt den Draht in seiner Ruhestellung. Die Ordinaten der Kurve 4, von der Linie A-B gemessen, sind die Flussdichten an den verschiedenen Punkten dem Draht entlang, wobei diese Kurve sinusförmig verläuft. Die gestrichelte Kurve 5 zeigt die Form des Drahtes bei der dritten Oberschwingung, wobei die Verschiebung der Linie A-B ebenfalls einer sinusförmigen Veränderung unterworfen wird, jedoch von dreifacher Frequenz.
Die sinusförmige Verteilung der Flussdichte kann annähernd dadurch erreicht werden, dass der Abstand zwischen den Polflächen gleich seo.-a ; wird, worin x, wie bereits im vorhergehenden, von dem Mittelpunkt des Drahtes oder der Luftspalte gemessen wird. Auf Grund der Einfassung des magnetischen Feldes fällt die Flussdichte an den Enden der Luftspalte nicht ganz bis auf C. Aber durch Verlängerung des Drahtes an beiden Enden etwas über die Magnetpole hinaus kann diese Randwirkung zum grössten Teil ausgeglichen werden, so dass die Flussdichte an den Enden klein genug sein wird, um vernachlässigt zu werden.
In den Fig. 4 und 5 sind weitere erfindungsgemässe Ausführungsbeispiele dargestellt, in denen die mechanische Kopplung elektrostatisch statt elektromagnetisch ist. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Vorrichtung und Fig. 5 einen Querschnitt durch die Linie X-X'in Fig. 4. In dieser Anordnung besteht das Sehwingungselement aus einem dünnen Metallstreifen 8, der in der Luftspalte zwischen den leitenden Elektroden 6 und 7 gespannt liegt. Der Metallstreifen 8 ist an den Enden durch Isolationsklötze 9,9'und 10, 10'festgeklemmt, die gleichzeitig als Träger der Elektroden dienen und zur Feststellung der Luftspalte benutzt werden. Einzelheiten des Aufbaues sind der Deutlichkeit halber fortgelassen, können jedoch nach einem der bekannten Verfahren angeordnet sein.
Die Elektroden 6 und 7 sind hinsichtlich des Schwingungskörpers 8 von einer Batterie 11 polarisiert. Eine Klemme der Batterie führt direkt zu dem Schwingungskörper 8 und die andere über die hochohmigen Schutzwiderstände R und R'zu den Elektroden 6 und 7. Die Anschlussklemme Ti bzw. T2 der Anordnung ist mit der Elektrode 6 bzw. 7 verbunden.
Die Vorrichtung arbeitet in derselben Weise wie ein ausgeglichener elektrostatischer Fernspreehhörer. Die Batterie 11 bildet ein stetiges gleichmässiges elektrisches Feld zwischen dem Schwingungkörper 8 und den Elektroden 6 bzw. 7, denen ein entgegengesetzt gerichtetes Feld von einer Wechselspannung, die an den Klemmen Tl und T2 angelegt wird, überlagert ist. Die Überlagerungsspannungen wirken mit den stetigen Polarisationsfeldern zusammen und erzeugen synchron rückwirkende elektromotorische Kräfte in dem elektrischen Stromkreis. Auf Grund der gleichförmig verteilten Masse und der transversalen Elastizität besitzt der Streifen 8 eine Reihe von natürlichen Resonanzen bei harmonischen Frequenzen genau wie bei dem gespannten Draht in Fig. 1.
Auch in diesem Falle werden die höheren Frequenzen dadurch verhindert, dass die treibende Kraft der Länge des Streifens nach so abgestuft wird, dass Energie nur bei der Grundschwingung des Schwingungskörpers zugeführt werden kann. In diesem Falle ist die Antriebskraft an jedem Punkt des Streifens proportional dem Quadrat der Stärke des elektrischen Feldes an diesem Punkt, wobei das Feld aus zwei Komponenten zusammengesetzt ist, u. zw. aus einer auf Grund der Polarisationsspannung und einer auf Grund der überlagerten Wechselspannung, die beide in der gleichen Weise verteilt sind.
Bei einem symmetrischen Aufbau der Elektroden und der Stromkreise gleichen sich die Kräfte an den beiden Flächen des Schwingungkörpers durch jede Komponente einzeln aus, und die einzigen Kräfte, die eine Bewegung erzeugen, sind die, die durch das Produkt der beiden Komponenten entstehen. Da die Polarisationsspannung stetig ist, sind die Kräfte, die aus diesem Produkt entstehen, synchron mit den überlagerten Kräften.
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Zur Unterdrückung der unerwünschten Schwingungen ist es erforderlich, dass die Antriebskräfte sinusförmig wie bei der elektromagnetischen Vorrichtung in Fig. 1 dem Streifen entlang verteilt werden. Da jedoch die Abstufung der Luftspalte in diesem Falle die Verteilung der Stärke des Polarisationsfeldes und der Stärke des Wechselfeldes gleichmässig beeinflussen, ist es notwendig, dass die Luftspalten eine andere Form haben, so dass der Abstand zwischen den Elektroden von dem Schwing-
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Antriebskräfte dient, sollen die beiden symmetrisch sein.
Auf Grund der Bewegung des Schwingungskörpers verbleibt der Luftspalt nicht konstant und infolgedessen bahält die Antriebskraft ihre sinusförmige Verteilung für sämtliche Punkte des Schwill- gungskörpers. Dies ist jedoch nur von sekundärer Bedeutung für das Verhalten der Vorrichtung und verhindert nicht die fast vollständige Ausschaltung der Oberschwingungen. Die Randwirkung des elektrischen Feldes an den Enden der Elektrode kann weitestgehend durch die Verlängerung des Schwin- gungskörpers über die Elektroden hinaus, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgeglichen werden. Da für eine wirkungsvolle elektromechanische Kopplung sehr kleine Luftspalten erwünscht sind, können durch die Trägheit der Luft die Schwingungen eine beträchtliche Dämpfung erleiden.
Diese Dämpfung kann aber weitgehend dadurch verringert werden, dass die Elektrodenflächen längsgerichtete Aussparungen erhalten, wie Fig. 5 zeigt oder, falls die Vorrichtung durch Isolationswände, wie bei 12 und 12'in Fig. 5 angedeutet, vollständig eingeschlossen ist, die Luft zum Teil aus dem Inneren entfernt wird. Die Widerstände R und R'in den Polarisationskreisen sollen genügend hoch sein, damit die Verlustwirkungen vernachlässigt werden können.
Die Vorrichtung ist gleichwertig einer elektrischen Impedanz, wie in Fig. 6 dargestellt, die aus einer Induktivität L in Reihe mit einer Kapazität Ci zu einer Kapazität Co parallel geschaltet ist.
Die Kapazität 00 ist die zwischen den Elektroden 6 und 7 mit dem Schwingungskörper in Ruhezustand und bei der mittleren Spannung der beiden Elektroden. Die Induktivität LI und die Kapazität Ci werden durch die Bewegung des Sehwingungskörpers unterstützt und ihre Resonanzfrequenz ist die der mechanischen Grundresonanz des Schwingungskörpers. Die Impedanz Z der Vorrichtung ist durch die folgende Gleichung gegeben :
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in der 1 die Frequenz, 11 die Grundresonanzfrequenz des Schwingungskörpers und 12 eine höhere Frequenz bezeichnet, bei der die Zusammenziehung antiresonant ist.
Der Wert von 12 ist :
EMI3.4
in der E die Polarisationsspannung in absoluten Einheiten, p die Flächendiehte des schwingenden
Streifens in gr/cm2 und Do den kleinsten Abstand zwischen dem Schwingungskörper und den Elek- troden bedeutet.
Die Resonanzimpedanz-Charakteristiken der erfindungsgemässen Vorrichtungen machen diese als Impedanzelemenete bei der Konstruktion von Wellenfiltern mit breitem Band verwendbar, mit denen sie im wesentlichen in der gleichen Art wie andere Impedanzen mit zwei Anschlussklemmen verbunden werden können. Bei ihrer Verwendung in Wellenfiltern mit breitem Band muss die Bemessung der Elemente genauestens beachtet werden, so dass die Resonanzen und absoluten Werte der verschiedenen Elemente zusammenarbeiten, um die gewünschte Ansprechcharakteristik zu erhalten. Das Prinzip für ein solches Zusammenwirken ist bekannt.
Eine beispielsweise Anwendung der erfindungsgemässen elektrostatischen Vorrichtung in einem Kreuzgliedfilter zeigt Fig. 7, in der die Leitungszweige des Netzwerkes gleich ausgeglichenen elektrostatischen Elementen 13 und 13'der in Fig. 5 gezeigten Ausführung liegen, während die Diagonalzweige an sich gleiche Elemente 14 und 14'aufweisen, deren Resonanzen jedoch bei Frequenzen liegen, die sich von den Resonanzen der Leitungszweige unterscheiden. Die Induktivitäten L, die in allen vier Zuleitungen ausserhalb des Kreuzgliedfilters liegen, wirken mit den Netzwerkimpedanzen zusammen, um die Breite des Übrtragungsbandes zu steuern.
Ein Netzwerk von hochohmigen Widerständen Rl bis R, verbindet eine Polarisations batterie 15 mit den Elektroden der elektromechanischen Elemente, wobei die Widerstände so ausgeglichen sind, dass sie die Verteilung der Ströme in Filterzweigen nicht beeinträchtigen und so hoch bemessen sind, dass übermässige Energieverluste der übertragenen Ströme vermieden werden.
Ein weiteres erfindungsgemässes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 8, in der eine bestimmte Ober- schwingung unterdrückt wird. Diese Anordnung ist eine Abänderung der elektromagnetischen Vorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die gekrümmten Polflächen 2 und 3 durch Polflächen ersetzt werden, deren gegenüberliegende Flächen parallel zueinander liegen und sich etwa über zwei Drittel der Länge des Drahtes an beiden Seiten des Mittelpunktes erstrecken. In dieser Ausführung wird die dritt3
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Oberschwingung unterdrückt. Die Ursache für diese Unterdrückung ist aus der gestrichelten Kurve 16 leicht ersichtlich, die den Draht in seiner dritten Ob3rschwingung zeigt.
Die Bewegung der mittleren
Schleife des Drahtes erzeugt eine rückwirkende elektromotorische, Kraft in einer Richtung und die Bewegung des Drahtes in den beiden Aussenschleife erzeugt rückwirkende elektromotorische Kräfte entgegengesetzter Richtung. Da das Feld von der Mitte einer der äusseren Schleifen bis zu der Mitte der andern Schleife eine gleiche Stärke aufweist und sonst im wesentlichen gleich Null ist, ist die Summe der rückwirkenden elektromotorischen Kräfte gleich Null, und die daraus entstehende magnetische
Kopplung ist für diese Art Schwingung ebenfalls Null.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Impedanzelement, bestehend aus einem verlängerten elektromechanischen mit einem elektischen Stromkreis gekoppelten Schwingungskörper, dem mechanische Kräfte in Abhängigkeit von den in dem Stromkreis auftretenden elektrischen Schwingungen zugeführt werden, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kopplung zwischen dem Schwingungskörper und dem elektrischen Stromkreis über die Länge des Schwingungskörpers verteilt und derart von Punkt zu Punkt abgestuft ist, dass die wirksame Kopplung zum mindesten bei einer, aber vorzugsweise bei allen Oberschwingungen des Schwingungkörpers im wesentlichen gleich Null ist.