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Mechanisches Frequenzfilter
Es sind in den letzten Jahren eine Reihe von Vorschlägen für mechanische Filter gemacht worden, die zum grössten Teil in die Klasse der Koppelfilter gehören, d. h. Unendlichkeitsstellen der Dämpfung nur im Unendlichen haben (Proc. I. R. E.
Januar 1957, Seiten 5-16). Sie bestehen aus mechanischen Resonanzkörpern, die als J2-Abschnitte von akustischen Leitungen aufgefasst werden können und die durch Koppelelemente miteinander gekoppelt sind, welche üblicherweise-jedoch nicht notwendig-die Länge von 14 oder eines ungeradzahligen Vielfachen davon besitzen. Wenn im folgenden von).. 12- oder À/4-Leitungsabschnitten die Rede ist, sollen-wo dies sinnvoll ist-auch solche von nua/2 bzw. nua/4 Länge verstanden sein, wobei n eine ganze bzw. eine ungerade Zahl ist.
Bei derartigen Anordnungen sind verschiedene Anregungsmöglichkeiten von akustischen Schwingungen in den Filterelementen vorhanden, insbesondere können die Resonanzkörper in Longitudinalschwingungen oder in Torsionsschwingungen erregt werden. Üblicherweise sind die Koppelelemente in den gleichen Schwingungsformen erregt wie die Resonanzelemente. Es ist jedoch auch schon vorgeschlagen worden, z. B. in Torsionsschwingungen erregte Resonanzelemente durch in Longitudinalschwingungen erregte Koppeldrähte miteinander zu verbinden, um ein mechanisches Frequenzfilter zu erhalten. Filter der beschriebenen Art sind bisher nicht mit Dämpfungspolen ausgestattet worden, wie dies bei rein elektrischen Filtern bereits bekannt ist.
Mit solchen Filtern lassen sich sehr steile Filterflanken nur durch Aufwand von sehr vielen Schwingkreisen erreichen. Eine Verbesserung und Verbilligung solcher Filter ist nur zu erreichen, wenn man-wie bei elektrischen Filtern-Pole im Endlichen realisiert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den gesamten Querschnitt einer in einem mechanischen Filter vorhandenen akustischen Leitung an einer Stelle so festzuhalten, dass für eine bestimmte Frequenz, die Polfrequenz f oo, die Weiterleitung der Schwingung vollkommen unterdrückt wird.
Gemäss der Erfindung geschieht dies dadurch, dass zusätzliche, auf die Polfrequenzen abgestimmte Re-
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chende Schaltelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Ankopplungen 3 und 4 können als Koppelvierpole zwischen den elektrischen Kreisen 3'und 4'an den Enden der Kette und den für die Schwingkörper J und 2 erscheinenden Parallelschwingkreisen dargestellt werden. Die Teilstücke 5 und 5'des Koppeldrahtes erscheinen wiederum als Koppelvierpole. Die Polelemente 6 und 7 können als Reihenkreise dargestellt werden, die quer in das Filter eingeschaltet sind und dadurch für ihre Abstimmungsfrequenzen einen Kurzschluss bilden.
Bei einer Bemessung f1 > f > f , wie sie oben angedeutet wurde, stellt der eine Kreis im Durchlassbereich um fou herum eine Kapazität, der andere eine Induktivität dar, so dass ihre Wirkung im Durchlassbereich selbst der eines über die Koppelvierpole 5 bzw. 5'angekoppelten Parallelkreises entspricht.
Fig. 2 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein gleichartiges wie Fig. I ausgebildetes Filter, bei welchem aber sowohl die Schwingkörper 1 und 2 als auch der Koppeldraht 5, 5'in Torsionsschwingungen erregt sein mögen. In diesem Falle werden die Polelemente 6 und 7 nicht wie im Beispiel der Fig. l parallel, sondern senkrecht zur Richtung des Koppeldrahtes 5, 5'an diesen angeschweisst. Während der Koppeldraht 5, 5'selbst in Torsionsschwingungen erregt ist, werden die Polelemente 6 und 7 in Longitudinalschwingungen erregt und ihre Längen Xj/4 bzw. X 4 müssen entsprechend für diese Schwingungsform bemessen sein. Das Er-
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dargestellt.
Bei den vorstehend geschilderten Ausführung- beispielen wurden als Polelemente ) Schwinger verwendet, deren nicht mit dem Koppeldraht verbundene Enden frei schwingen können. Statt dessen können auch)../2 lange Polelemente 8, 8'bzw.
9, 9'verwendet werden, deren nicht mit dem Koppeldraht 5, 5'verbundenes Ende durch Befestigen an einer grossen Masse M in dem in Frage kommenden Frequenzbereich festgelegt ist. Dafür sind Aus- führungsbeispiele in den Fig. 3 und 4 angedeutet, und zwar in Fig. 3 für die Ankopplung an einen in Longitudinalschwingungen erregten Koppeldraht 5, 5'und in Fig. 4 für die Ankopplung an einen in Torsionsschwingungen erregten Koppeldraht. Die weiteren Elemente des Filters selbst sind in diesen Figuren nicht dargestellt.
Es ist weiterhin möglich, die die Polstellen erzeugenden Resonanzkörper über zusätzliche Koppeldrähte anzukoppeln. In diesem Falle ist es nicht notwendig, dem Resonanzkörper denselben geringen Durchmesser zu geben wie dem Koppeldraht 5,5' selbst. Fig. 5 zeigt dafür ein Ausführungsbeispiel für ein Filter mit einem in Longitudinalwellen erregten Koppeldraht. Die übrigen Filterelemente sind wiederum nicht dargestellt. An der Stossstelle zwischen den Teilen 5 und 5'des Koppeldrahtes sind hier Polelemente befestigt, insbesondere angeschweisst (von denen nur eines dargestellt ist), die je aus einem Koppeldraht 11 und einem an seinem Ende befestigten Resonanzkörper 12 bestehen.
Die Resonanzkörper 12 besitzen dabei vorzugsweise einen grösseren Durchmesser als die Koppelelemente 11 und sind entweder als am andern Ende frei schwingende X/4-Schwinger oder als am andern Ende an einer grossen Masse M, wie in Fig. 3, befestigte X/2-Schwinger ausgebildet. Entsprechende Anordnungen sind auch bei in Torsionsschwin- gungen erregten Koppeldrähten 5, 5'möglich, wie Fig. 6 zeigt. Dort ist das Polelement aus einem in Längsschwingungen, erregten Resonanzkörper 14 und, einem Koppeldraht 13 gebildet, der sich senkrecht zur Koppelleitung 5, 5'erstreckt. Auch hier wird man vorteilhaft mehrere, auf verschiedene Pol-
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ankoppeln.
Fig. 7 und 8 stellen Anwendungsbeispiele der Erfindung auf mechanische Filter dar, bei denen in Torsionsschwingungen erregte Schwingkörper als Filterelemente vorgesehen sind, die durch eine oder mehrere longitudinal schwingende Koppelleitungen miteinander gekoppelt sind.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel für die direkte Ankopplung derartiger Polelemente an die Koppelleitung.
Dabei werden die als Polelemente dienenden Resonanzkörper ebenso wie die Schwingkörper des Filters selbst in Torsionsschwingungen angeregt.
Zwischen den beiden Schwingkörpern 21 und 22, die durch vier Koppeldrähte 23,24, 25,26 miteinander gekoppelt sind, sind die Resonanzkörper 27 und 28 angebracht. Diese Resonanzkörper besitzen die Länge 12 für die Polfrequenz und sind jeweils in einer Mittelebene mit den Koppeldrähten 23, 24 bzw. 25,26 verschweisst. Wenn 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 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 Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass sie sehr kompakt ist und in einem kleinen Gehäuse leicht untergebracht werden kann.
Die Erfindung wurde bisher an Beispielen erläutert, bei denen jedes Polelement nur eine Resonanzstelle erzeugte. Es sind aber auch Polelemente möglich, die mehrere Resonanzstellen aufweisen, wie im folgenden erläutert werden soll. In der Fig. 9 ist in a) ein Polelement gezeigt, das aus zwei gekoppelten,. abgestimmten Schwingkör- pem 31 und 32 besteht, die durch ein 1/4-Koppel-
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Koppelfrequenzen to, und M ; ; und ihre Mittenfrequenz liegt bei M, etwa wie in b) der Fig. 9 dargestellt. Der Zweipolwiderstand eines solchen Körpers hat dann bei o eine Serienresonanz und Par-
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allelresonanzen bei tOl und #2. Ein Ersatzschaltbild ist in c) der Fig. 2 gezeigt.
In Fig. 10 zeigt bei a) eine Abwandlung dieses zweikreisigen Polelements, bei der die Kräfte p nicht am Ende des Resonanzkörpers 31, sondern in einem Abstand #/4, z. B. also in der Mitte des als );/2-Kreis ausgebildeten Resonanzkörpers angreifen. Die gleiche Wirkung erreicht man durch ein am Ende des Resonanzkörpers 31 angesetzes À/4-Trans- formationsglied 34, wie in b) der Fig. 10 gezeigt. Gegenüber dem in Fig. 9 dargestellten Fall tritt durch diese Massnahme eine Inversion des Scheinwiderstandes auf, d. h. es tritt jetzt bei Wo eine Parallelresonanz und bei o) und t02 Serienresonan- zen auf, wie in c) in Fig. 10 dargestellt.
Man erkennt hier schon, besonders aus dem Ersatzschaltbild d) der Fig. 10, dass damit ein mechanischer Zweipol realisiert ist, wie er für rein elektrische Filter mit Polstellen im Endlichen als Querglied bekannt ist.
In Fig. 11 sind die Verhältnisse für drei Schwingkreise dargestellt. a) stellt die mechanische Anordnung dar mit den Resonanzkörpern 41, 42, 43, die durch Zwischenschaltung von Koppelelementen 44, 45 miteinander gekoppelt sind, wobei dann die Kräfte p am Ende des Schwingers 41 angreifen.
Dies muss aber nicht notwendig an einem der äusseren'Schwinger sein, wie dargestellt, sondern die Kräfte können ebensogut am mittleren Schwinger 42 angreifen. Das Ersatzschaltbild dieser Anordnung ist in c) der Fig. 11 dargestellt. Es liefert an drei Stellen Parallelresonanz, nämlich bei M, M , #, und an zwei Stellen Serienresonanz, nämlich bei #1 und Ma, wie in b) der Eg. 11 gezeigt.
Wenn man ein solches Filterelement als Abzweigglied in einem Filter benutzt, so ergeben sich also bei einem Durchlassbereich um die Frequenz M Pole bei W1 und ( ferner weitere zwei Pole ausserhalb von M und t04. Man erkennt nun leicht, dass sich diese Darstellung beliebig weiterführen lässt, wobei für Abzweige mit Polstellen alle die Anordnungen brauchbar sind, wo bei ungerader Kreiszahl die Kräfte am Ende der Schwinger angreifen und bei gerader Kreiszahl in der Mitte eines Schwingers, oder am Ende einer zusätzlichen Transformationsleitung.
Für die Dimensionierung eines Filters erhält man aus den Forderungen der Sperrcharakteristik nun Dimensionierungen für die Grösse der im Ersatzbild auftretenden Induktivitäten und Kapazitäten. Mechanisch führt dies zu Forderungen über die Durchmesser der einzelnen Schwinger und der zugehörigen Koppelelemente, so dass die Abmessungen der in einem solchen Polelement benutzten Schwingkreise keineswegs gleich, sondern recht unterschiedlich sein können. Die Abstimmung der einzelnen Kreise kann auf der Mittelfrequenz des Filters liegen, muss es aber nicht.
Es soll nun an einigen Beispielen gezeigt werden, wie solche mehrgliedrigen Polelemente in mechanische Filtern angewandt werden können. Ein einfaches Filter zeigt Fig. 12a. Es besteht aus zwei longitudinal schwingenden Endschwingkreisen 51 und 52 und einem Polelement 53 entsprechend Fig. 10, welches in Torsionsschwingungen erregt ist. Die Endkreise mögen aus magnetostriktivem Material bestehen und damit gleichzeitig die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische vornehmen. Die Dämpfungscharakteristik eines solchen Filters zeigt Fig. 12b mit Polen bei den Kop- pelfrequenzen 001 und w, des Polelementes 53.
Die Breite der Durchlasscharakteristik ergibt sich aus dem Verhältnis der Scheinwiderstände der benutzten Schwingkreise und der Koppelelemente und wird in genau der gleichen Weise berechnet wie bei elektrischen Filtern.
Fig. 13 zeigt die Anwendung der Erfindung auf Filter mit torsional schwingenden Resonanzelementen, die mittels longitudinal schwingender Koppelelemente, insbesondere in Form von Drähten, miteinander gekoppelt sind. Zwischen den Schwingelementen 54 und 55 ist ein Polelement 56 eingeschaltet, welches gemäss Fig. 11 a ausgebildet ist.
Fig. 14 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel der Erfindung. Hier ist in ein an sich bekanntes Filter aus Torsionsschwingungen erregten Filterelemente 61,62 ein Polglied gemäss Fig. 11 eingekoppelt, welches jedoch teilweise in torsionale und teilweise in longitudinale Schwingungen erregt ist. Während nämlich das Element 41 ebenso wie die Elemente 61 und 62 in Torsionsschwingungen erregt ist, sind die Elemente 42 und 43 in Longiez tudinalschwingungen erregt.
Fig. 15 zeigt schematisch ein in Longitudinalschwingungen erregtes Filter mit den Resonanzelementen 65,66, zwischen welche ein ebenfalls in Longitudinalschwingungen erregtes Polglied aus den Elementen 31 und 32 gemäss Fig. lOb angekoppelt ist, das jedoch, anders als in Fig. lOb, in Longitudinalschwingungen erregt ist.
Fig. 16 zeigt eine weitere, besonders platzsparende Ausführungsform eines Filters mit einem Polelement gemäss Fig. 11. Das Filter ist aus torsional schwingenden Resonanzelementen 72 aufge- baut, die abwechselnd über torsional schwingende Koppelelemente 72 und über longitudinal schwingende Koppelelemente 73 gekoppelt sind. In dieses Filter ist ein Polelement gemäss Fig. lla eingeschaltet, dessen Resonanzkörper 41, 42,43 äusserlich genauso aussehen und angeordnet sind wie die Kombination aus drei Schwingkörpern 71 mit zwei Doppelelementen 72, das aber als Zweipol in die Filterkette eingekoppelt ist und daher gemäss der Erfindung die Pole zu beiden Seiten der Durchlasscharakteristik erzeugt.
Das Filter wird in an sich bekannter Weise angeregt durch einen magnetostriktiven Wandler 77 und die Ausgangsklemmen sind ebenfalls an einem magnetostriktiven Wandler 78 vorgesehen. Ein solches Filter zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau aus lauter Elementen von gleichen Längsabmessungen aus. Es können daher gemeinsame Halterungsvorrichtungen zur Einspannung sämtlicher Elemente verwendet werden.
Vorstehend sind mehrere Ausführungsformen von
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altern mit Polelementen beschrieben, bei denen lie Polelemente als mechanische Abzweigglieder tus zwei gekoppelten Resonanzkörpern gebildet ; ind, deren Zweipolwiderstand oberhalb und unterlalb des Durchlassbereichs je eine Parallelresonanz- ; telle und im Durchlassbereich eine Reihenresonanzstelle besitzt.
Gemäss weiterer Erfindung werden je zwei ein solches Abzweigglied bildende Resonanzkörper symmetrisch zu beiden Seiten des betreffenden, im Zuge der Filterkette liegenden Resonanzkörper angeordnet. Dadurch ergibt sich eine besonders vorteilhafte Gesamtanordnung der Elemente des Gesamtfilters, insbesondere auch hinsichtlich der Vermeidung von eventuellen Nebenwellen. Weiterhin können die symmetrisch angeordneten Resonanzkörper und gegebenenfalls ihre Ankoppelelemente auch zur Halterung des Filters an einem Tragkörper od. dgl. verwendet werden. Da die Polelemente seitlich am Filterkörper angebracht sind, eignen sie sich für den Zweck der Halterung bzw. Aufhängung des Filters besonders gut.
Fig. 17 zeigt ein mechanisches Frequenzfilter mit torsional schwingenden zylindrischen Resonanzelementen 101, 102, 103, 104 und 105, die über Koppelelemente 107,108, 109 und 110 mitein- ander gekoppelt sind. Dabei bestehen die Koppelelemente aus mit den Resonanzelementen gleich- achsigen Zylindern geringeren Querschnitts. Der ganze Körper, bestehend aus Resonanz- und Kop- pelelementen, kann dabei aus einem Stück gedreht sein. Die beiden äusseren Resonanzelemente 101 und 105 sind in bekannter Weise als magneto- striktive Wandler ausgebildet und zu diesem Zweck mit einer Ein- bzw. Auskoppelspule 112 bzw. 113 versehen.
An den Resonanzkörper 102 sind über Koppelelemente 114, 115 zu beiden Seiten Reso- nanzkörper 116, 117 angekoppelt, und zwar derart, dass sie durch die Schwingungen des Filterelements
102 zu longitudinalen Schwingungen angeregt wer- den. Zur Erzeugung von Polstellen sind sie auf
Frequenzen abgestimmt, die z. B. kurz oberhalb und kurz unterhalb des Durchlassbereichs der Filter- charakteristik liegen. Diese Resonanzkörper werden
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ausgenutzt, dass sie an ihrem vom Filter entfernten
Ende jeweils über ein Kopplungselement 118 bzw.
119 mit einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten Tragkörper 120 fest verbunden sind.
Der Tragkörper 120 muss dabei eine so grosse Masse besitzen. dass er durch die Schwingungen des Fil- ters nicht wesentlich zu Eigenschwingungen ange- regt wird.
Neben dem Resonanzkörper 102 ist in gleicher
Weise der Resonanzkörper 104 mit longitudinal i schwingenden, Polstellen erzeugenden Resonanz- körpern versehen, so dass eine Aufhängung des
Filters an vier Punkten des Tragkörpers 120 mög- lich ist. Bei Filtern dieser Art, die aus mehr Glie- dern bestehen, können noch weitere zwischenlie- ) gende Resonanzelemente mit Polstellen erzeugen- den Resonanzkörpern gekoppelt werden, die dann ebenfalls zur Aufhängung des Filters an weiteren Punkten des Tragkörpers verwendet werden können.
Statt der in der Zeichnung dargestellten, vorzugsweise A/4-langen Koppelelemente können auch 6 : in an sich bekannter Weise Elemente verwendet werden, die aus mehreren abwechselnd dünnen und dicken A/4-Stücken aufgebaut sind.
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dessen Resonanz- und Koppelelemente in gleicher 7 Weise wie in Fig. 17 aufgebaut und angeordnet sind. Entsprechende Teile sind daher mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 17 bezeichnet. Zur Erzeugung der Polstellen dienen hier jedoch ebenfalls in Torsionsschwingungen erregte Resonatoren 121,
122, 123 und 124, welche achsparallel zur Achse des Filterkörpers selbst angeordnet sind und über Koppeldrähte 125, 126, 127, 128 mit den Resonanzelementen 102 bzw. 104 verkoppelt sind.
Dabei sind die Koppeldrähte über die Resonanzkör- per selbst hinweg verlängert und mit ihren Enden an dem Tragkörper 120 befestigt. Diese Befestigung geschieht ebenso wie die Befestigung der Koppel- drähte an den Resonanzkörpern durch Schweissen.
Fig. 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind Resonanzkörper 131, 132, 133, 134 vorgesehen, die Torsionsschwingungen ausführen und durch vier Koppeldrähte 135, 136, 137, 138 miteinander gekoppelt sind. Die Pole ge- mäss der Erfindung werden durch Resonanzkörper
141, 142, 143, 144 gebildet, die über torsional wirkende Kopplungsglieder in an sich bekannter
Weise an die Resonanzkörper 131 und 134 beid- seitig angeschlossen sind. Das Filter wird durch einen longitudinal schwingenden Wandler M ? angeregt und die Ausgangsschwingung von einem gleichartigen Wandler 146 abgenommen.
Bei mechanischen Filtern gemäss der Erfindung werden die Koppelleitungen zwischen den Reso- nanzkörpern des Filters selbst und zwischen diesen und den Resonanzkörpern, die zur Erzeugung der
Pole vorgesehen sind, vorzugsweise etna allang bemessen, da die Verhältnisse dann rechnerisch be- sonders übersichtlich sind und die mittlere Fre- quenz des Durchlassbereichs eines durch das Filter gebildeten Vierpols mit der Resonanzfrequenz der einzelnen Resonanzkörper übereinstimmt.
Die
Erfindung ist aber nicht auf derartige Bemessungen beschränkt, sondern es können auch andere Län- gen der einzelnen Koppelleitungen verwendet wer- den, wodurch lediglich eine gewisse Verschiebung der Mittelfrequenz des Durchlassbereichs und/oder der Eigenfrequenzen der polerzeugenden Elemente bewirkt wird.
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