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Elektromechanisches Filter
Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Filter, bestehend aus wenigstens zwei durch ein oder mehrere Koppelelemente miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Ubergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw, zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen.
Zum Aufbau elektromechanischer Filter werden mehrere mechanische Schwinger über Koppelstege miteinander gekoppelt. Für den Übergang von den elektrischen auf die mechanischen bzw. von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen sind zumindest die Endresonatoren eines derartigen Filters mit sogenannten elektromechanischen Wandlern versehen. Gegenüber den mit konzentrierten Schaltelementen aufgebauten Filtern zeichnen sich mechanische Filter vor allen Dingen wegen der hohen Güte der einzelnen Resonatoren und wegen ihres geringen Raumbedarfs aus. Anderseits stellen die mechanischen Resonatoren eine bestimmte, durch ihre geometrische Raumform vorgegebene Baueinheit dar, so dass sich mit ihnen nicht alle durch konzentrierte Schaltelemente darstellbaren Schaltungen ohne weiteres realisieren lassen.
Dieses Problem tritt dann besonders stark in den Vordergrund, wenn es darum geht, sogenannte polerzeugende Filterschaltungen aufzubauen. Die Nachbildung derartiger polerzeugender Schaltelemente durch mechanische Resonatoren bringt nämlich eine Reihe von Schwierigkeiten mit sich. Eine der Hauptschwierigkeiten ist vor allem darin zu sehen, dass bei manchen mechanischen Schwingern neben der Hauptschwingung noch Nebenschwingungen anregbar sind, die dann unter Umständen schon in verhältnismässig geringem Abstand vom eigentlichen Filterdurchlassbereich Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich des Filters hervorrufen und somit hinsichtlich der Selektionswirkung eines derartigen Filters störend in Erscheinung treten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismässig einfacher Weise zu begegnen, Unter anderem soll erreicht werden, dass sowohl bei den Biegeschwingungen ausführenden Resonatoren als auch bei den Koppelelementen zwei Schwingungsarten angeregt werden, wodurch sich einerseits ein ausserordentlich nebenwellenarmer Filtertyp ergibt und anderseits in weiten Grenzen frei wählbare Dämpfungspole erzeugt werden können.
Ausgehend von einem elektromechanischen Filter, bestehend aus wenigstens zwei durch ein oder mehrere Koppelelemente miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Resonatoren zwei vorzugsweise zueinander senkrechte, durch wenigstens
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eine an den Schwingern vorhandene Unsymmetrie im vorgegebenen Mass miteinander gekoppelte Biege- Eigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftretend aufweisen, wobei die Koppelelemente im Bereich eines den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich, wenn die Resonacoren aus Stäben mit quadratischem Querschnitt bestehen, bei denen wenigstens eine Kante vorzugsweise über die gesamte Länge. des Stabes abgeplattet ist, und wenn das als Koppelsteg ausgebildete Koppelelement rechteckförmigen Querschnitt hat, oder wenn die Resonatoren aus Stäben mit quadratischem Querschnitt bestehen, bei denen wenig- stens eine Kante vorzugsweise über die gesamte Länge des Stabes abgeplattet ist, und wenn das als Koppelsteg ausgebildete Koppelelement kreisförmigen Querschnitt hat.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines mechanischen Filters lässt sich ferner dadurch erreichen, dass die Resonatoren aus Stäben mit quadratischem Querschnitt bestehen und mit wenigstens einer diagonal angeordneten sichelförmigen Aussparung bzw. einem sichelförmigen Höcker versehen sind, und dass das als Koppelsteg ausgebildete Koppelelement rechteckförmigen bzw. kreisförmigen Querschnitt hat.
Weiterhin ist es günstig, wenn die Resonatoren aus Stäben mit kreisförmigem Querschnitt bestehen, die mit einer sichelförmigen Aussparung bzw. einem sichelförmigen Höcker versehen sind, und wenn
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oder wenn die Resonatoren aus Stäben kreisförmigen Querschnitts bestehen, die mit einer sich vorzugweise über die gesamte Schwingerlänge erstreckenden Abplattung versehen sind, und wenn das als Koppelsteg ausgebildete Koppelelement rechteckförmigen bzw. kreisförmigen Querschnitt hat.
Bei solchen mechanischen Filtern, bei denen die Dämpfungspole dem Filter-Durchlassbereich verhältnismässig eng benachbart sein sollen, ist es günstig, wenn das Koppelelement aus wenigstens zwei miteinander zusammenwirkenden einzelnen Koppelstegen besteht.
Vorteilhaft ist es hiebei, wenn das Koppelelement aus zwei Koppelstegen mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt besteht, die sich unter einem Winkel vorgegebener Grösse kreuzen, oder wenn die Koppelstege am Kreuzungspunkt vorzugsweise durch Punktschweissung miteinander mechanisch starr verbunden sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich ferner dadurch erzielen, dass das Koppelelement aus vier rahmenartig angeordneten Koppelstegen vorwiegend kreisförmigen Querschnitts besteht, die untereinander vorzugsweise unter einem rechten Winkel angeordnet sind, oder dass der Querschnitt zweier zumindest näherungsweise parallel verlaufender Koppelstege gleich gross und abweichend gewählt ist vom Querschnitt der beiden übrigen zumindest näherungsweise parallel verlaufenden Koppelstege, die unter sich ebenfalls die gleiche Querschnittsabmessung haben.
Es ist vorteilhaft, wenn das Koppelelement aus zwei zumindest näherungsweise aufeinander senkrecht stehenden Koppelstegen besteht.
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ters ist ferner daran gedacht, die Form des Koppelelementes derart zu wählen, dass es bei einer gegenüber den Resonatoren kleinen QuerschnittsfLäche in Längsrichtung der Resonatoren etwa die gleiche Biegesteifigkeit wie in der zu seiner Längsrichtung senkrechten Richtung hat.
Hiebei ist es vorteilhaft, wenn das Koppelelemem aus einem U-förmig gebogenen Blech besteht, oder wenn das Koppelelement aus einem Rohr mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt besteht.
Hiezu ist es ferner günstig, wenn das Koppelelement aus zwei miteinander zusammenwirkenden, Uförmig ausgebildeten einzelnen Abschnitten besteht, und wenn das Koppelelement derart an den einzelnen Resonatoren befestigt ist, dass die vom U gebildete Ebene senkrecht auf den Schwingungsebenen der Resonatoren steht.
Es ist ferner daran gedacht, das Koppelelemente doppel-U-formig auszubilden. Hiebei ist es vor-
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wenn das Koppelelement aus mehreren Drähten mit unterschiedlicher kreisförmiger Querschnittsfläche besteht, und wenn je zwei zueinander parallellaufende Drähte die gleiche Querschnittsflächen haben.
Vorteilhaft lassen sich die einzelnen Abschnitte des Koppelelements mit rechtecl : förmiger Querschnittsfläche ausbilden. Das Koppelelement kann auf die Resonatoren aufgesetzt sein, oder es kann rahmenartig ausgebildet und vorzugsweise an einander zugewendeten Oberflächen zweier benachbarter Resonatoren befestigt sein.
Zur Realisierung verhältnismässig geringer Abstände der Dämpfungspole vom Durchlassbereich des Filters ist es ferner zweckmässig, wenn die zueinander senkrechten, den Querschnitt der Resonatoren bestimmenden Abmessungen derart unterschiedlich voneinander gewählt sind, dass die beiden zueinander
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senkrechten Biege-Eigenschwingungen unterschiedliche Ordnungszahlen haben.
Hiebei ist es vorteilhaft, wenn die Resonatoren rechteckförrmigen Querschnitt haben und mit an den
Kanten verlaufenden, vorwiegend bis zur Hälfte der Resonatorlänge sich erstreckenden Abplattungen ver- sehen sind, die zumindest näherungsweise aufeinander senkrecht stehen, oder wenn wenigstens zwei als i Koppeldrähte mit unterschiedlicher kreisförmiger Querschnittsfläche ausgebildete Koppelelemente derart an den Resonatoren befestigt sind, dass der Koppeldraht mit grösserer Querschnittsfläche etwa bei 1/2 liegt, während der Koppeldraht kleinerer Querschnittrfläche etwa bei 0,3 l liegt, wenn 1 die Gesamtlän- ge des Schwingers bedeutet.
Es ist ferner daran gedacht, den Koppelelementen einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt zu geben.
Als elektrischer Vierpol lässt sich ein elektromechanischer Biegeschwinger durch eine Ausbildung als elektrostriktiv wirkender elektromechanischer Wandler in der Weise verwenden, dass die Abmessungen des Schwingers derart gewählt sind, dass zwei seiner aufeinander senkrecht stehender Biege-Eigenschwin- gungen unterschiedlicher Ordnungszahl zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftreten, dass der Schwinger mit Unsymmetrien zur Verkopplung der einzelnen Biegeschwingungen versehen ist, und dass die Wandlerelemente im Bereich der den Biege-Eigenschwingungen entsprechenden Schwin- gungsbäuche mit dem Resonator verbunden sind.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt ein mechanisches Filter, bei dem zwei mechanische Resonatoren 10 und 11 über einen Koppelsteg 12 miteinander gekoppelt sind. Die Resonatoren 10 und 11 bestehen im Ausfüh- rungsoeispiel aus. Stahl, jedoch sind auch andere Materialien mit hoher mechanischer Güte, wie z. B.
Quarzglas, denkbar. Die Resonatoren 10 und 11 sind durch die aus einem elektrostriktiven Material bestehenden Plättchen 13,14, 15,16, 17,18, 19 und 20 unterteilt. Die Plättchen 13-20 können aus einer Bleikeramik bestehen, wie sie beispielsweise unter dem Handelsnamen PZT 6 der Firma
Clevite bekannt ist. Zur Verbindung der elektrostriktiven Plättchen 13-20 mit den aus Stahl beste- henden Resonatoren 10 und 11 wird auf die Plättchen 13-20 in an sich bekannter Weise ein elek- trisch leitender Belag z. B. im Vakuum aufgedampft, der dann mit den aus Stahl bestehenden Resonato- ren verlötbar ist. Die elektrostriktiven Plättchen sind derart in die Schwinger eingebracht, dass zwischen ihnen die Spalte 21 verbleiben, die alle in den Mittelebenen der Resonatoren liegen und parallel zu- einander verlaufen.
Im Ausführungsbeispiel haben die Resonatoren 10 und 11 quadratischen Quer- schnitt, wobei je zwei sich diagonal gegenüberliegende Ecken mit den Abplattungen 22 versehen sind.
An die Aussenteile des Resonators 10 führen von einer Anschlussklemme 23 zwei flexible Zul : ; i- tungsdrähte 27 und 27', an den Mittelteil führt von einer Anschlussklemme 24 einZuleitung- draht 28. In ähnlicher Weise führen an die Aussenteile des Resonators 11 von einer Klemme 25 die beiden Zuleitungsdrähte 29 und 29'und von einer Anschlussklemrre 26 ein Zuleitungsdraht 33 an den Mittelteil. Die Zuleitungsdrähte 28 und 30 sind derart an den Resonatoren befestigt, dass sie etwa unter einem Winkel von 450 zu der oberen bzw. unteren Resonator-Begrenzungsfläche stehen und können bei entsprechend starker Ausbildung dazu benutzt werden, das gesamte Filter in einem zur besse- ren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse zu verankern.
Die elektrische Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten mechanischen Filters lässt sich folgender- massen erldären. Legt man an die Klemmen 23 und 24 eine Eingangswechselspannung Ul, dann werden die elektrostriktiven Plättchen 13 und 14 in der einen Halbperiode der Wechselspannung U 1 beispielsweise gedehnt, da ihnen durch eine Gleichstromvorbehandlung eine Polarisation im Sinne der Pfeile 31 und 32 aufgeprägt ist. Die Plättchen 15 und 16 sind im Sinne der Pfeile 33 und 34 entgegengesetzt zu den Plättchen 13 und 14 polarisiert, so dass sie sich in der gleichen Halbperiode der Eingangswechselspannung Ul zusammenziehen. Wenn sich die Polarität der Eingangswechselspannung Ul umkehrt, dann werden entsprechend die Plättchen 15 und 16 gedehnt, während die Plättchen 13 und 14 zusammengezogen werden.
Auf diese Weise führt der Resonator 10 immer dann ausgeprägte Biegeschwingungen in der Richtung des Doppelpfeiles 1 aus, wenn seine Eigenresonanzfrequenz mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung U zumindest näherungsweise übereinstimmt. Durch die sich diagonal gegenüberliegenden Abplattungen 22 ist die Symmetrie des Resonators 10 gestört.
Diese Störung hat zur Folge, dass gleichzeitig eine Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 2 im Resonator angeregt wird, deren Frequenz wegen des quadratischen Querschnittes des Resonators praktisch mit der Frequenz der in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufenden Biegeschwingung übereinstimmt. Der Resonator 10 führt somit zwei aufeinander senkrechtstehende Biegeschwingungen aus, die über die Abplattung 22 miteinander verkoppelt sind. Diese beiden Biegeschwingungen werden auf den
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schnitt 52 bildet die zusätzliche Verkopplung über die Biegekopplung des Koppelsteges nach und hat den Wellenwiderstand Z'und das Phasenmass b',
In Fig. 7 ist der in Fig. 6 mit S bezeichnete Filterabschnitt getrennt gezeichnet.
Dieser Filterab- schnitt stellt ein Filterhalbglied dar, das aus dem Resonanzkreis 2', und dem halben Leitungsab- 5 schnitt 51 (Wellenwiderstand Z, Phase b/2) besteht, denen derhalbeLeitungsabschnitt 52 (Wel- lenwiderstand Z' ; Phase b'/2) parallelgeschaltet ist. DieDämpfungspole eines symmetrischen Vier- poles liegen bekanntlich bei den Frequenzen, für die die Differenz von Kurzschluss- und Leerlaufwider- stand (WK-WL) des halben Vierpols Null ist. Nimmt man-nur zur Vereinfachung der Rechnung - für die Phase b einen Wert von 900 an, dann ergibt die Rechnung einen auf eine Bezugsbandbreite B be- ) zogenen Abstand Boo der Dämpfungspole.
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Wenn die Phase b'der Leitung 52 zu 900 gewählt wird, und anderseits das Phasenmass der Lei- tung 51 von 900 abweicht, dann ergibt sich für den Abstand Boa der Dämpfungspole die in Glei- chung (2) dargestellte Beziehung, wenn gleichzeitig für die Wellenwiderstände Z und Z'diedieQuer- i schnittsabmessungen des Koppelsteges enthaltenden Formeln in (1) eingesetzt werden :
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mechanischen Filtern häufig Dämpfungseinbrüche im Sperrbereich und Verzerrungen des Dämpfungsver- haltens im Durchlassbereich ausser durch die in den einzelnen Resonatoren möglichen Schwingungsarten noch durch eine weitere Art von Schwingungen, die durch Eigenresonanzen des gesamten Schwingungsystems eines mechanischen Filters hervorgerufen werden. Die Anzahl dieser Eigenresonanzen wird um- so grösser, je grösser die Zahl der Resonatoien ist.
Wenn es also gelingt, ein vorgegebenes Dämpfungs- schema mit einer möglichst geringen Anzahl von Resonatoren zu erfüllen, wie es beispielsweise erfin- dungsgemäss durch die doppelte Ausnutzung der Resonatoren geschieht, dann ergibt sich daraus auch ein ausserordentlich nsbenwellenarmes Filter. Der Forderung der Nebenwel1 enfreiheit kommt ferner noch ent- gegen, dass Nebenschwingungen, die beispielsweise durch Fertigungstoleranzen an den Resonatoren ent- stehen können, durch eine bewusst erzeugte Unsymmetrie in das Gesamtverhalten des Filters einbezogen werden.
Es kommt ferner hinzu, dass die Longitudinalkopplung der Biegeschwinger hinsichtlich des Kopp- lungsgrades besonders wirksam ist, so dass sich auchbei breitbandigen Filtern Koppelstege von geringer
Steifigkeit ergeben, was wieder der Entstehung von Nebenwellen entgegenwirkt. Ein weiterer Vorteil der
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reits erwähnt, der Entstehung von Nebenwellen entgegenwirkt und die eine ausserordentlich gedrängte und raumsparende Bauweise des gesamten Filters ermöglicht.
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natoren 55 und 56 über einen Koppelsteg 57 miteinander gekoppelt sind. In die Resonatoren 55 und 56 sind die aus elektrostnktivem Material bestehenden Plättchen 58-65 durch Lötung eingebracht. Die mechanische und die elektrische Wirkungsweise des in Fig. 10 dargestellten Filters entspricht völlig dem in Fig. 1 dargestellten.
Abweichend hievon ist die Art der Verkopplung der Schwingungsmoden 1 mit 2 bzw. 3 mit 4. Diese Verkopplung wird nämlich durch eine sichelförmige Aussparung 66 erzielt, die in der Diagonalen der quadratischen Schwinger 55 und 56 liegt. Der Koppelsteg 57 hat
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chen 58-65 lässt sich das elektrische Verhalten dieses Filters auf ein elektrisches Ersatzschaltbild gemäss der Fig. 6 zurückfuhren. Statt der sichelförmigen Aussparung 66 können zur Verkopplung der Schwingungsmoden l und 2 bzw. 3 und 4 auch einer oder mehrere Höcker in der Richtung der Diagonalen an den Resonatoren angebracht sein. Wesentlich für die Verkopplung der beiden aufeinander senkrecht stehenden Schwingungen ist lediglich eine Unsymmetrie an den Resonatoren.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in Fig. 11 ein mechanisches Filter dargestellt, das aus den Resonatoren 70,71, 72 und 73 besteht. Die einzelnen Resonatoren sind über die rechteckförmigen Koppelstege 74,75 und 76 miteinander gekoppelt. Die beiden Endresonatoren 70 und 73 sind mit den elektrostriktiv aktiven Plättchen 77,78, 79,80, 81,82, 83 und 84 in an sich bekannter Weise versehen.
Mit Hilfe der beiden Haltedrähte 85, die in Schwingungsknoten der Biegeschwingung befestigt sind und die günstigerweise unter einem Winkel von 450 zur unteren Begrenzungsfläche des Resonators 72 angeordnet sind, lässt sich das Filter in einem zur besseren Übersicht nicht näher darge, stellten Gehäuse verankern.
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der polarisiert sind und sich somit in einer Halbperiode der elektrischen Wechselspannung U, unter dem Einfluss des elektrischen Feldes ausdehnen, während sich gleichzeitig die im Sinne der Pfeile 88
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nung U 1 näherungsweise mit der Eigenresonanzfrequenz des Resonators 70 übereinstimmt, dann führt dieser Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 1 aus.
Durch die Abplattung 101 sind die quadratischen Resonatoren unsymmetrisch, wodurch am Resonator 70 auch eine Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 2 angeregt wird. Diese Schwingung wird über den Koppelsteg 74 auf
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den Resonator 71 übertragen und regt dort die in Richtung des Doppelpfeiles 3 verlaufende Bie- geschwingung an. Wegen der durch die Abplattung 101 am Resonator 71 erzeugten Unsymmetrie wird eine weitere Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 4 angeregt. Die Verkopplung der
Schwingungsmoden 2 und 3 erfolgt über den als Longitudinalkoppler wirkenden Koppelsteg'74.
Gleichzeitig wird der Schwingungsmodus 1 mit dem Schwingungsmodus 4 über die Biegekopplung des Koppelsteges 74 verkopppelt, so dass also die Schwingungsmoden l und 4 unter Überspringen der
Schwingungsmoden 2 und 3 zusätzlich miteinander verkoppelt sind. Analog dazu verläuft die Kopp- lung des Schwingungsmodus 4 mit dem Schwingungsmodus 5, für die der Koppelsteg 75 wieder als Längskoppler wirkt. Der Schwingungsmodus 6 erzeugt über den Koppelsteg 76 durch die Longi- tudinalkopplung die in Richtung des Doppelpfeiles 7 verlaufende Biegeschwingung. Durch die Abplat- tungen 101 werden in den Resonatoren 72 und 73 ausserdem die in Richtung der Doppelpfeile 5 und 8 verlaufenden Biegeschwingungen angeregt.
Durch die Biegekopplung der Koppelstege 75 und 76 ist zusätzlich der Schwingungsmodus 3 mit dem Schwingungsmodus 6 und der Schwingungsmodus 5 mit dem Schwingungsmodus 8 verkoppelt. Durch diese zusätzlichen Verkopplungen über die Biege- kopplung der einzelnen Koppelstege lassen sich in der bereits beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 be- schriebenen Weise Dämpfungspole im Sperrbereich des Filters in einer beliebigen Frequenzlage erzeu- gen. Durch die in Richtung des Doppelpfeiles 8 verlaufende Biegeschwingung des Resonators 73 werden die elektrostriktiven Plättchen 81,82, 83 und 84 Dehnungen und Zusammenziehungen unter- worden.
Da die Plättchen 81 und 82 entsprechend den Pfeilen 90 und 91 und die Plättchen 83 und 84 entsprechend den Pfeilen 92 und 93 entgegengesetzt zueinander polarisiert sind, entsteht zwischen dem Mittelteil und den beiden äusseren Teilen des Resonators 73 eine elektrische Wechsel- spannung, die über die Zuleitungsdrähte 99 bzw. 99'und 100 an den Ausgangsklemmen 96 und 97 als Ausgangswechselspannung U2 abgenommen werden kann.
Das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäss Fig. 11 aufgebauten Filters lässt sich durch ein acht kreisiges Bandfilter darstellen, dessen einzelne Serienresonanzkreise (vgl. auch Fig. 6) über Leitungsabr schnitte miteinander gekoppelt sind. Zusätzlich werden je zwei Serienresonanzkreise durch ein weiteres
Leitungsstück übersprungen, was mechanisch durch die ausser der longitudibalkopplung auftretende Bie gekopplung der Koppelstege 74, 75 und 76 bewirkt wird. Das in Fig. 11 dargestellte, mit vier Reso- natoren realisierte Filter entspricht somit einem achtkreisigen Bandfilter, bei dem durch die dreifache zusätzliche Verkopplung sechs Dämpfungspole in einer nahezu beliebig wählbaren Frequenzlage. erzeugt werden können.
In den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-11 sind mechanische Resonatoren mit quadratischem Querschnitt verwendet. In gleicher Weise sind auch mechanische Resonatoren kreisförmigen Querschnitts an- wendbar. Es ist dann lediglich darauf zu achten, dass zur Anregung zweier aufeinander senkrecht stehender Biegeschwingungen auch die kreisförmigen Resonatoren mit einer Unsymmetrie, wie z. B. einer Ablattung, einer sichelförmigen Aussparung und/oder einem sichelförmigen Höcker versehen sein müssen. Günstigerweise wird diese Unsymmetrie derart an den Schwingern angebracht, dass sie unter einem Winkel von etwa 450 zu den beiden Schwingungsrichtungen steht.
Die Fig. 12 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die beiden mechanischen Resonatoren 10 und 11 über einen Koppelsteg rechteckförmigen Querschnitts miteinander gekoppelt sind. Das in Fig. 12 gezeichnete mechanische Filter ist analog dem in Fig. l dargestellten aufgebaut, nur mit dem geringfügigen Unterschied, dass die Höhe des Koppelsteges 12 grösser als die Kantenlänge (as = hs) der Schwinger ist. Die elektrostriktiv wirkenden Anregungssysteme sowie Haltedrähte zur Verankerung des Filters in einem Gehäuse sind aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht mit dargestellt. Die Länge des Koppelsteges ist mit lk, die Höhe mit hk und seine Breite mit ak bezeichnet.
Abgesehen von den Materialkonstanten und der Länge des Koppelsteges 12 ist die Bandbreite im wesentlichen von der Querschnittsfläche A = ak'hk abhängig und die Lage der Dämpfungspole im wesentlichen vom Flächenträgheitsmoment I = ak'hk/12. Bandbreite und Lage der Dämpfungsspule können somit weitgehend voneinander unabhängig gewählt werden. Wie eine entsprechende Berechnung zeigt, ergeben sich z.
B. für ein Filter mit B = ; Bandbreite bei einer Mittenfrequenz von etwa 18 kHz und einer Schwingerlänge von etwa ls = 30 mm, die Länge des Koppelsteges zu lk = 24 mm, die Hohe zu hk = 11, 8 mm und die Breite zu ak = 0, 063 mm. Dieser Berechnung ist hiebei ein theoretischer, praktisch jedoch nicht zu realisierender Grenzfall zugrundegelegt, als nämlich die zu beiden Seiten des Filterdurchlassbereiches liegenden Dämpfungspole mit den Grenzfrequenzen des Filters zusammenfallen.
Jedoch wurde dieser Grenzfall deshalb gewählt, weit er in anschaulicher Weise die Wirkung einer im folgenden noch beschriebenen Weiterbildung des Erfindungsgedankens darlegt. Aus den vorstehenden Anga-
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ben zeigt sich, dass immer dann, wenn die Dämpfungspole sehr nahe an den Filterdurchlassbereich heran- rücken sollen, der Koppelsteg vor allen Dingen hinsichtlich seiner Breite ak verhältnismässig geringe
Werte annimmt, die mit Rücksicht auf die mechanische Stabilität und die leichte Herstellbarkeit des Fil- ters unerwünscht sind.
Gemäss einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens lassen sich diese Schwierigkeiten in einfacher
Weise dadurch umgehen, dass das Koppelorgan in wenigstens zwei miteinander zusammenwirkende ein- zelne Koppelelemente aufgespalten wird. In Fig. 13 ist ein entsprechendes Ausführungsbeispiel darge- stellt, bei dem die Resonatoren 10 und 11 über die beiden Koppeldrähte 160 und 161 miteinander gekoppelt sind. Die elektrostriktiv wirkenden Wandler zur Umwandlung der elektrischen in die mechani- sehen Schwingungen bzw. zur Umwandlung der mechanischen in die elektrischen Schwingungensind nicht mehr dargestellt, da sie analog dem in Fig. 1 gezeichneten Ausführungsbeispiel aufgebaut sind.
Die Wirkungsweise des Filters nach Fig. 13 entspricht ebenfalls dem in Fig. 1 dargestellten Filter.
Der
Resonator 10 wird üb--r die elektrostriktiven Wandler zu Schwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 1 angeregt, die wegen der Abplattungen 22 Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 2 her- vorrufen. Über die beiden Koppeldrähte 160 und 161 wird die in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende Schwingung auf den Resonator 11 übertragen und regt diesen zu Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 3 an. Bei der Verkopplung der Schwingungsmoden 2 und 3 werden die Koppeldrähte 160 und 161 im Rhythmus der Schwingung abhängig vom Winkel Cl sowohl auf Zug bzw.
Druck als auch auf Biegung beansprucht. (Mit grösser werdendem Winkel a wird die Biegekopplung stäiker und die Längskopplung schwächer). Durch die am Resonator 11 vorgesehene. Abplattung 22 wird dieser zu einer in Richtung des Doppelpfeiles 4 verlaufenden Biegeschwingung angeregt, deren mecha 7 nische Wirkung mit Hilfe der elektrostriktiv wirkenden Wandlersysteme in elektrische Schwingungen zurückverwandelt wird.
Gleichzeitig werden die Koppeldrähte 160 und 161 durch den Schwingungsmodus 1 abhängig vom Winkel oc auf Biegung und auf Zug-Druck beansprucht, wodurch der Schwingungsmodus l am Resonator 10 mit dem Schwingungsmodus 4 am Resonator 11 verkoppelt wird. Die Schwingungsmoden 2 und 3 werden dabei übersprungen. Das elektrische Verhalten dieses Filters lässt sich somit wieder auf das in Fig. 6 gezeichnete elektrische Ersatzschaltbild zurückführen. Die Lage der Dämpfungspole kann dabei durch Veränderung des Winkels 0'.. unter dem sich die Koppeldrähte 160 und 161 kreuzen, in weiten Grenzen variiert werden.
Für den bereits erwähnten theoretischen Grenzfall, dass nämlich die zu beiden Seiten des Filterdurchlassbereichesliegenden Dämpfungspole mitdenGrenzfrequenzen des Filters zusammenfallen, ergeben sich für die Durchmesser der Koppeldrähte 160 und 161 bereits mechanisch ohne Schwierigkeiten beherrschbare Abmessungen.
Das in Fig. 14 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in Fig. 13 dargestellten aufgebaut. Die mit den Abplattungen 22 versehenen mechanischen Resonatoren 10 und 11 sind über die Koppeldrähte 65 und 66 miteinander gekoppelt, u. zw. sind die Koppeldrähte am Kreuzungspunkt 167 beispielsweise durch Punktschweissung mechanisch starr miteinander verbunden. Das elektrische Verhalten dieses Filters entspricht dem in Fig. 13 dargestellten und lässt sich somit ebenfalls auf das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 6 zurückführen.
Für die in den Fig. 13 und 14 gezeigten Ausführungsbeispiele können Lage der Dämpfungspole und Filterbandbreite durch entsprechende Wahl des Winkels 0'., unter dem sich die Koppeldrähte kreuzen, sowie durch Wahl des Durchmessers und der Länge der Koppeldräh- te eingestellt werden. Je grösser der Winkel Cl gewählt wird, um so kleiner sind Polabstand und Bandbreite. Mit grösser werdendem Drahtdurchmesser werden anderseits der Polabstand kleiner und die Bandbreite grösser, so dass praktisch alle Bemessungsparameter frei wählbar sind.
Die Fig. 15 zeigt ein mechanisches Filter, das mit Hilfe der Biegeresonatoren 170,171, 172 und 173 aufgebaut ist. An den Resonatoren 170 und 173 sind elektrostriktive Wandlersysteme vorgesehen, wie sie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bei den Resonatoren 10 und 11 gezeichnet sind. An den einzelnen Resonatoren sind wieder die Abplattungen 22 angebracht, die die beiden aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen miteinander verkoppeln. Die Resonatoren 170-173 sind über die Koppeldrähte 175 und 176, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 15 kreisrunden Querschnitt haben und untereinander quadratisch angeordnet sind, miteinander gekoppelt. Auf diese Weise sind an jedem Schwinger zwei Koppeldrähte angebracht, deren Durchmesser der gewünschten Bandbreite und Pollage entsprechend unterschiedlich gewählt sind.
Die für die Verkopplung der-Schwingungsmoden 2 mit 3 bzw. 4 mit 5 bzw. 6 mit 7 im wesentlichen als Biegekoppler wirkenden Drähte 175 sind mit den entsprechenden, für die vorstehend erwähnten Verkopplungen im wesentlichen als Längskoppler wirken-t den Koppeldrähten 176 paarweise unter einem Winkel von vorzugsweise 90 derart verbunden, dass jeweils Drähte verschiedenen Durchmessers aufeinanderstossen. Hinsichtlich der elektrischen Wirkungsweise
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gelten auch für dieses Ausführungsbeispiel die bereits für die vorangehenden Ausführungsbeispiele gege- benen Erläuterungen. Durch die Abplattung 22 werden in den Resonatoren die aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und 6 bzw. 7 und 8 miteinander verkop- pelt.
Die Schwingungsmoden 2 und 3,4 und 5,6 und 7 sind im wesentlichen über die durch die Kop- peldrähte 175 bewirkte Biegekopplung und über die durch die Koppeldrähte 176 bewirkte Längs- kopplung miteinander verkoppelt. Zusätzlich ergibt sich eine Verkopplung der Schwingungsmoden 1 mit 4 (unter Überspringen der Schwingungsmoden 2 und 3), der Schwingungsmoden 3 mit 6 und der Schwingungsmoden 5 mit 8 über die Biegekopplung der Koppeldrähte 176 und die Längskopp- lung der Koppeldrähte 175. Durch die doppelte Ausnutzung der Resonatoren lässt sich somit bei dem in Fig. 15 gezeichneten Ausführungsbeispiel ein achtkreisiges Bandfilter mit Hilfe von nur vier Resonato- ren realisieren, wobei wegen der doppelten Ausnutzung der Koppelelemente sechs Dämpfungspole er- zielbar sind.
Die Teile 175 der Koppelelemente mit dem grösseren Durchmesser D bestimmen im wesentlichen die Filterbandbreite, während durch die Teile 176 mit dem kleineren Durchmesser d im wesentlichen die Lage der Dämpfungspole einstellbar ist.
Wenn das in Fig. 15 gezeigte Ausführungsbeispiel mit nur zwei Resonatoren (d. h. als vierkreisiges
Bandfilter) realisiert wird, dann ergeben sich für den beim Ausführungsbeispiel der Fig. 12 bereits er- wähnten theoretischen Grenzfall etwa die folgenden Werte für die Koppelelemente : lk = 9 mm,
D = 2,5 mm, d = 1, 5 mm. Aus diesen Bemessungsgrössen ist eindeutig erkennbar, dass sieb selbst in dem
Fall, in dem die Polfrequenzen mit den Grenzfrequenzen des Filters übereinstimmen, noch mechanisch ohne Schwierigkeiten realisierbare Koppelelemente ergeben, die auch eine ausreichende mechanische
Stabilität des Filters gewährleisten.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 15 sind die einzelnen Koppelelemente als Drähte mit kreisförmi- gern Querschnitt gezeichnet, wobei die einzelnen Drähte ein Quadrat bilden. Ein dem Erfindungsgedan- ken entsprechendes Filter lässt sich beispielsweise auch in der Weise realisieren, dass die einzelnen Kop- pelelemente einen von der Kreisform abweichenden Querschnitt haben, und untereinander beispielswei. - se rechteckförmig oder in Form einer Raute angeordnet sind. Es können dabei die Querschnittsabmessungen der einzelnen Koppelelemente unterschiedlich sein. In gleicher Weise kann das Filter auch mit nur einem Koppelorgan, bestehend aus jeweils nur einem Koppeldraht 175 und einem Koppeldraht 176 aufgebaut werden.
Durch die in Fig. 15 dargestellte Aufbauweise, dass nämlich die Rechteckflächen der einzelnen Schwinger etwa unter einem Winkel von 450 zu einer senkrechten Linie stehen, lässt sich das Filter in einem flachen Gehäuse raumsparend unterbringen.
Im folgenden werden noch weitere Ausführungsbeispiele elektromechanischer Filter besprochen, die es ermöglichen-ähnlichen den Ausführungsbeispielen der Fig 12-15-einen verhälntismässig geringen Abstand der Dämpfungspole vom Filterdurchlassbereich zu realisieren. Die einzelnen Resonatoren wirken als Biegeresonatoren, in denen zwei aufeinander senkrecht stehende, etwa va gleichfreluente Biegeschwin- gungen angeregt werden. Wesentlich dabei ist, dass dieKoppelelemente im Bereich derSchwingungsma- xima an den Resonatoren befestigt und derart bemessen sind, dass unter Anwendung einer Mehrfachausnutzung der Koppelelemente die Filterbandbreite und der Abstand der Dämpfungspole vom Filterdurchlassbereich in weiten Grenzen frei wählbar sind.
Das in Fig. 16 gezeichnete mechanische Filter besteht aus zwei mechanischen Resonatoren 10 und 11, die über das Koppelelement 207 miteinander gekoppelt sind. Die Resonatoren haben im wesentlichen quadratischen Querschnitt und sind entlang ihrer Längskante mit den Abplattungen 22 versehen, ZurHalterung des Systems in einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse sind die Haltedrähte 211 vorgesehen, die im Bereich der Schwingungsknoten an den Resonatoren befestigt sind.
Das Koppelelement 207 besteht aus einem dünnwandigen Blech, das etwa in Form eines U gebogen ist, und dass im Bereich des Schwingungsbauches an den Resonatoren 10 und 11 beispielsweise durch Lötung befestigt ist. Es sei angenommen, dass die beiden Resonatoren 10 und 11 mit Wandlerelementen entsprechend dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 versehen seien, und dass am Wandlerelement des Resonators 10 eine Eingangswechselspannung angelegt sei, so dass am Wandlerelement des Res0nators 11 eine Ausgangswechselspannung abgenommen werden kann. Das der Schwingungsanregung dienende Wandlersystem ist derart in den Resonator 10 eingebracht, dass eine Biegeschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 1 entsteht.
Die als Unsymmetrie wirkende Abplattung 22 hat zur Folge, dass zusätzlich eine in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende Biegeschwingung angeregt wird, die senkrecht zu der in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufenden Schwingung steht. Die Abplattung 22 wirkt somit als Koppelelement, das die beiden aufeinander senkrecht stehenden Biegeschwingungen 1 und 2 im Resonator 10 miteinander verkoppelt. Die in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende
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Innendurchmessers lässt sich in weiten Grenzen ein gewünschtes Verhältnis von Querschnittsfläche zu Flä- chenträgheitsmoment und damit ein gewünschtes Verhältnis von Bandbreite zum Abstand der Dämpfungs- pole herstellen. An Stelle eines U-Profils ist mit Vorteil auch ein Doppel-T-Profil anwendbar.
In Fig. 18 ist ein mechanisches Filter gezeigt, das aus zwei mechanischen Resonatoren 10 und 11 besteht, die über die Koppelorgane 307 und 307'miteinander gekoppelt sind. Die Koppelorgane 307 und 307'sind beispielsweise durch Lötung unmittelbar auf die Oberflächen der Resonatoren 10 und
11 aufgesetzt. Die Resonatoren haben im wesentlichen quadratischen Querschnitt und sind entlang einer
Längskante mit den Abplattungen 22 versehen. Die Koppelorgane 307 und 307'bestehen aus einem
Draht mit kreisförmigem Querschnitt der in Form eines U gebogen ist. Die Schenkel des U-förmigen
Koppelorgans sind mit den Bezugsziffern 308 und die Grundlinien mit den Bezugsziffern 309 verse- hen.
In den den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsknoten sind Haltedrähte 313 befestigt, die der Verankerung des Filters in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen.
Die Resonatoren 10 und 11 sind wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit elektrostriktivn
Wandlerelementen versehen und die Anregung der in Richtung der Doppelpfeile 1-4 verlaufenden
Schwingungsmoden erfolgt in der bereits bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 16 beschriebenen
Weise.
Bei der Verkopplung der Schwingungsmoden 2 und 3 werden die mit 308 bezeichneten Ab- schnitte der Koppelorgane im wesentlichen auf Biegung beansprucht, d. h. sie wirken als Biegekoppler, während die mit 309 bezeichneten Abschnitte im wesentlichen auf Zug bzw. Druck beansprucht wer- den, d. h. sie wirken als Längskoppler.
Gleichzeitig werden auch die Schwingungsmoden 1 und 4 über die Koppelorgane 307und307' miteinander verkoppelt. Dabei werden jedoch die Abschnitte 308 in wesentlichen auf Zug bzw. Druck beansprucht, während die Abschnitte 309 im wesentlichen auf Biegung beansprucht werden, d. h. bei einer Verkopplung der Schwingungsmoden 1 und 4 wirken die Abschnitte 308 als Längskoppler und gleichzeitig wirken die Abschnitte 309 als Biegekoppler. Bei der Verkopplung der Schwingungsmo- den 1 und 4 werden die Schwingungsmoden 2 und 3 übersprungen. Diese zusätzliche Verkopplung zweier nicht unmittelbar aufeinanderfolgender Schwingungen hat zwei Dämpfungspole im Sperrbereich des Filters zur Folge, von denen der eine unterhalb und der andere oberhalb des Filterdurchlassbereiches liegt.
Das Zustandekommen der Dämpfungspole. sowie das elektrische Ersatzschaltbild eines derartigen
Filter sind an Hand der Fig. 6 und 7 bereits eingehend erläutert worden.
Die Bandbreite des Filters wird erheblich von der Grösse des Koppelfaktors beeinflusst, mit dem die aufeinanderfolgenden Schwingungen 2 und 3 miteinander gekoppelt sind. Dieser Koppelfaktor sei mit kZ3 bezeichnet. Der Abstand der Dämpfungspole vom DurcNassbereich des Filters wird im wesentlichen von der Grösse des Koppelfaktors bestimmt, mit dem di & Schwingungsmoden lund4 miteinanderge- koppelt sind. Dieser Koppelfaktor sei mit k14 bezeichnet.
Da die Grösse des Koppelfaktors k von der Längskopplung der Abschnitte 309 und der Biegekopplung der Abschnitte 308 bestimmt wird, während der Koppelfaktor k14 voc der Längskopplung der Abschnitte 308 und der Biegekopplung der Abschnitte 309 bestimmt wird, lässt sich die Grösse dieser beiden Koppelfaktoren in weiten Grenzen durch die Wahl der Länge und der Querschnittsfläche der einzelnen Abschnitte 308 und 309 variie- ren. Da die Koppelorgane 307 und 307'im Bereich des Schwingungsbauches an den Resonatoren befe- stigt sind, sind sowohl die Biege- als auch die Längskopplung ausserordentlich wirksam, so dass schon bei kleinen Querschnittsflächen der Koppelorgane ausreichende Kopplungen zu erzielen sind.
Die elektrische Wirkungsweise des in Fig. 19 gezeichneten Filters stimmt im wesentlichen mit der des in Fig. 18 dargestellten Filters überein. Hinsichtlich des mechanischen Aufbaus unterscheiden sie sich lediglich durch die Ausbildung der Koppelorgane 307 und 307', die beim Ausführungsbeispiel der Fig. 19 aus mehreren Drähten mit unterschiedlicher kreisförmiger Querschnittsfläche bestehen. Dabei haben beispielsweise jeweils zwei zueinander parallelverlaufende Drähte die gleiche Querschnittsfläche. Zweckmässig werden die unmittelbar auf die Resonatoren aufgesetzten Abschnitte 308 und 308' mit dem grösseren Querschnitt versehen, wodurch gleichzeitig die Biegekomponente im Koppelfaktor k vergrössert wird.
Für die fertigungstechnische Herstellung des Koppelorgans ist es besonders einfach, wenn für die einzelnen vom U gebildeten Abschnitte ein rechteckförmiger Querschnitt gewählt wird, da sich ein derartiges Koppelorgan aus einem Blech stanzen lässt. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 20 schematisch angedeutet.
Die elektrische Wirkungsweise des in Fig. 21 dargestellten Filters entspricht ebenfalls der des in Fig. 18 gezeichneten Filters. Der mechanische Aufbau beim Ausführungsbeispiel der Fig. 21 ist jedoch
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so gewählt, dass die beiden U-förmigen Abschnitte des Koppelorgans 312 unmittelbar miteinander verbunden sind, so dass ein rahmenartiger Aufbau entsteht. Die Resonatoren 10 und 11 sind z. B. an den einander zugewendeten Flächen am Koppelorgan 312, befestigt. Der Abstand der Dämpfungspole sowie die Filterbandbreite lassen sich ähnlich der Ausführungsbeispiele der Fig. 18 und 19 duich entsprei chende Bemessung der einzelnen Abschnitt variieren.
Die in den Fig. 18,19 und 21 gezeigten Koppelorgane sind als Doppel-U ausgebildet. Ähnliche elektrische Verhältnisse lassen sich auch dann erzielen, wenn die einzelnen Resonatoren nur durch ein U-förmig ausgebildetes Koppelorgan miteinander verbunden sind.
In den Fig. 22-27 werden noch weitere Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Biegeresonato- ) ren aufeinander senkrecht stehende Biegeschwingungen mit unterschiedlicher Ordnungszahl ausführen.
In Fig. 22 ist ein rechteckförmiger Biegeresonator gezeichnet, der die Länge 1, die Höhe al und die Breite a2 hat. Der Resonator ist derart innerhalb eines rechtwinkeligen räumlichen Koordinatensystems angeordnet, dass die Längskanten 1 parallel zur z-Achse, die d : e Hohe al bestimmenden Kanten parallel zur y-Achse und die die Breite a2 bestimmenden Kanten parallel zur x-Achse verlaufen.
In den Fig. 23 und 24 sind die Ausschlagsfunktionen des Resonators in der y-bzw. in der xRichtung in Abhängigkeit von der z- Koordinate gezeigt, u. zw. unter der Vorraussetzung, dass der Resonator zwei aufeinander senkrechte Biegeschwingungen verschiedener Ordnungszahlen ausführt. Als Beispiel ist dabei angenommen, dass die den Querschnitt al und a2 bestimmenden Abmessungen des
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Richtung(erste Eigenschwingung) und die in x- Richtung verlaufende Schwingung die zweite Eigenschwingung . darstellt, deren Frequenz zumindest näherungsweise mit der Frequenz der in y- Richtung verlaufen- den Schwingung übereinstimmt.
Für einen rechteckförmigen Resonator lässt sich das in einfacher Weise durch entsprechende Wahl der Abmessungen al und a2 erreichen, da bekanntlich die Biege-Eigenfre- quenz von dem in Schwingungsrichtung wirksamen Flächenträgheitsmoment erheblich mitbestimmt wird.
Die in den Fig. 23 und 24gezeichneten Funktionen lassen sich bekanntlich an Hand der für die soge- mnnte elastische Linie gültigen Gesetze herleiten. Die Schwingungsbäuche der in y-Richtung verlaufenden Grundschwingung befinden sich in der Mitte (0, 5'1) und an den Enden des Schwingers, die Schwingungsbäuche der zweiten Eigenschwingung befinden sich bei etwa 0, 3"1 und 0, 7'1 sowie ebenfalls an den Resonatorenden. Zu beachten ist hiebei, dass die Resonatorenden bei der ersten Eigenschwingung in Phase schwingen, während sie bei der zweiten Eigenschwingung in Gegenphase sind.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind bereits elektrostriktiv wirkende Anregungssysteme angegeben, die es gestatten, den sogenannten direkten piezoelektrischen Effekt zur Anregung \on Biegeschwingungen auszunutzen. Es sei angenommen, dass der in Fig. 1 gezeichnete Schwinger in der Weise mit solchen Anregungssystemen versehen ist, dass die in y- Richtung verlaufende Grundschwingung entsprechend dem Doppelpfeil 1 angeregt. wird. Im folgenden wird nosh erläutert, wie aus der Grundschwingung heraus die in x- Richtung verlaufende zweite Eigenschwingung entsprechend dem Doppelpfeil 2 angeregt werden kann.
Zu diesem Zweck werden am Schwinger Unsymmetrien vorgesehen, die beispielsweise entsprechend dem in Fig. 25 gezeigten Ausführungsbeispiel áusgebildet sein können. Hiezu wird die bereits vorgeschlagene Methode mit an den Kanten der Resonatoren verlaufenden Abplattungen 405 und 406 auf Resonatoren mit rechteckförmigem Querschnitt übertragen. Da sich jedoch bei depim Ausführungsbeispiel ausgenutzten zweiten Eigenschwingung das Vorzeichen der Krümmung in der Schwingermitte ändert (s. Fig. 24), muss auch die Abplattung an dieser Stelle entsprechend versetzt werden. Zweckmässig werden die Abplattungen derart am Schwinger vorgesehen, dass die von ihnen gebildeten Ebenen zumindest näherungsweise aufeinander senkrecht stehen.
Die Abplattungen können dabei an beliebigen Kanten des Resonators vorgesehen sein bzw. können auch mehr als zwei Abplattungen am Schwinger angebracht sein. Darüber hinaus ist es nicht unbedingt erforderlich, die Abplattungen bis zur Schwingerhälfte verlaufen zu lassen, wenn nur darauf geachtet wird, dass der für die Verkopplung der beiden Schwingungen erforderliche Kopplungsfaktor erzielt wird, dessen Grösse durch die Tiefe der Abplattungen steuerbar ist. Um die Anbringung der Abplattungen noch zu verdeutlichen, sind in Fig. 25 noch die in Richtung der Schnittebenen A-AundB-B sichtbaren Querschnittbilder gezeichnet.
Der Aufbau eines mechanischen Filters, dessen Resonatoren in der vorher beschriebenen Weise doppelt ausgenutzt werden, ist in Fig. 26 gezeigt. Das Filter besteht aus den beiden Resonatoren 407 und 408, die mit den gegeneinander versetzten Abplattungen 405 und 406 versehen sind. Die beiden Re- sonatoren sind über die aus einem Draht mit kreisförmigem Querschnitt bestehenden Koppelelemente Kl
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und K2 miteinander gekoppelt. Die im wesentlichen auf Biegung beanspruchten Koppler Kl liegen im Bereich des Schwingungsbauches der Grundschwingung und verkoppeln somit die in Richtung der Dop- pelpfeile 1 und 4 verlaufenden Schwingungsmoden.
Im Bereich des Schwingungsbauches der Ober- schwingung sind die Koppler K2 an den Resonatoren befestigt, die im wesentlichen auf Zug- bzw. auf ! Druckkräfte beansprucht werden und die die in Richtung der Doppelpfeile 2 und 3 verlaufenden
Schwingungsmoden miteinander verkoppeln. In den Schwingungsknoten der Grundschwingungen sind die Haltedrähte 409 an den Resonatoren befestigt, die der Verankerung des Filters in einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse dienen. Die Haltedrähte werden zweckmässig, wie in Fig. 5 gezeichnet, um einen Winkel von etwa 900 abgebogen, so dass der senkrecht verlaufende Abschnitt durch die Schwingungsmoden 2 und 3 auf Biegung beansprucht wird.
Wenn der Schwinger durch die lediglich schematisch angedeuteten elektrostriktiv wirkenden Wand- lersysteme W zu Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 1 (Grundschwingung) angeregt wird, dann erzeugt diese Schwingung auf Grund der Abplattungen 405 und 406 in der bereits beschrie- benen Weise die in wichtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende etwa gleichfrequente zweite Eigen- schwingung. Über die Koppeldrähte K2 wird im Resonator 408 die in Fluchtung des Doppelpfeiles 3 verlaufende zweite Biege-Eigenschwingung angeregt, die ihrerseits wieder über die Abplattungen 405 und 406 die in Richtung des Doppelpfeiles 4 verlaufen' : le Grundschwingung anregt. Die mechanische
Wirkung dieser Schwingung wird dann mittels der Wandlersysteme W'in elektrische Schwingungen zurückverwandelt.
Damit wirkt das Filter wie ein vierkrei : iges Bandfiltei, dessen Bandbreite im wesent- lichen von der Stärke der Längskopplung zwischen den Schwingungsmoden 2 und 3 bestimmt wird, die abgesehen von den Materialkonstanten und der Länge des Kopplers-im wesentlichen durch die Quer- schnittsfläche des Kopplers K2 steuerbar ist. Die Grösse dieses Koppelfaktors sei mit kg bezeich- net.
Der auf Biegung beanspruchte Koppler Kl verkoppelt zusätzlich die Schwingungsmoden 1 und 4.
Da der Koppler Kl einerseits im Schwingungsmaximum der in Richtung 1 und 4 verlaufenden
Grundschwingungen und anderseits (s. die Fig. 23 und 24) im Minimum der in Richtung 2 und 3 ver- laufenden zweiten Eigenschwingung angeordnet ist, werden bei der zusätzlichen Verkopplung der Schwin- gungsmoden 1 und 4 die Schwingungsmoden 2 und 3 übersprungen und die zwischen den Schwin- gungsmoden 2 und 3 wirksame Kopplung nahezu nicht beeinflusst.
Die zusätzliche Verkopplung zwi- schen den Schwingungsmoden 1 und 4 bestimmt : aber im wesentlichen den Abstand der zu beiden Sei- ten des Filterdurchlassbereiches liegenden Dämpfungspol, und ist im wesentlichen wegen der Biegebe- anspruchung vom Flächenttägheitsmoment des Kopplers Kl abhängig. Die Grösse dieses Koppelfaktors sei mit k14 bezeichnet. Umgekehrt trägt auch der Koppler K2 zur Verkopplung der Schwingung- moden 1 und 4 nahezu nicht bei, da er gegenüber dem Schwingungsmaximum der Schwingungs- moden 1 und 4 versetzt ist und gegenüber Biegeschwingungen eine wesentlich geringere Steifigkeit aufweist.
In der nachfolgenden Tabelle sind Messergebnisse für die Koppelfaktoren k14 uns ka zu- sammengestellt, die an einem gemäss Fig. 26 aufgebauten Filter gemessen sind, dessen Resonatoren einen
Querschnitt von 4,2 x 1, 5 mm und eine Länge von 43 mm haben. Der Koppler Kl hat einen Durch- messer von 0.5 mm und der Koppler K2 einen Durchmesser von 0,3 mm.
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<tb>
<tb>
Kopplungen <SEP> k <SEP> k <SEP>
<tb> nur <SEP> zwei <SEP> Kopple <SEP> : <SEP> Kl <SEP> 0,0225 <SEP> 0,00435
<tb> zusätzlich <SEP> zwei <SEP> Koppler <SEP> K2 <SEP> 0,0227 <SEP> 0, <SEP> 180 <SEP>
<tb>
Aus der Tabelle ist zu ersehen, dass durch die zusätzliche Anbringung der Koppler K2 der den Abstand der Dämpfungspole bestimmende Koppelfaktor Kl1 nahezu nicht verändert wird. Änderung ungefähr 0, 9%, während der die Bandbreite bestimmende Koppelfaktor k23 sich etwa um den Faktor 40 ändert.
Das elektrische Ersatzschaltbild eines gemäss Fig. 26 aufgebauten mechanischen Filters sowie das Zustandekommen der Dämpfungspole wurden an Hand der Fig. 6 und 7 bereits ausführlich erläutert.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens sind in den Fig. 27 und 28 elektromechanische Schwinger dargestellt, die als elektrostriktiv wirkende elektromechanische Wandler ausgebildet sind und die sowohl als elektrische Vierpole als auch als elektrische Zweipole betrieben werden können. Der Schwinger nach Fig. 27 besteht aus den drei Stahlteilen 415,416 und 417 mit rechteckförmigem Querschnitt. Zwi-
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schen den Stahlteilen 416 und 417 sind die aus einem elektrostriktiven Material bestehenden Plättchen 420,421, 422 und 423 eingelötet. Zwischen den Stahlteilen 415 und 416 liegen die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen 424,425, 426 und 427. Die elektrostriktiven Plättchen sind derart in den Schwinger eingebracht, dass entlang der neutralen Faser die Spalte S und S'verS bleiben.
Zusätzlich sind dieelektrostriktiven Plättchen durch elektrisch leitende Schichten, vorzugsweise Silberschichten unterteilt, die senkrecht zur Längsachse des Schwingers verlaufen, so dass zwischen den Plättchen 420 und 421 die Silberschicht 430 liegt, zwischen den Plättchen 422 und 423 liegt die Silberschicht 431, zwischen den Plättchen 424 und 425 liegt die Silberschicht 432 und zwischen den Plättchen 426 und 427 liegt die Silberschicht 433. Von den Silberschichten 430 und ) 431 führen die Anschlussdrähte 435 und 436 zu einer gemeinsamen Anschlussklemme 439, von den Silberschichten 432 und 433 führen die Anschlussdrähte 437 und 438 zu einer gemeinsamen Anschlussklemme 440.
Darüber hinaus sind die drei Stahlteile durch elektrisch leitende Verbindungen 453 miteinander verbunden, so dass beim Anlegen einer elektrischen Wechselspannung die Stahlteile 415,416 und 417 auf dem gleichen elektrischen Potential liegen. Durch eine Gleichspannungsvorbehandlung sind die elektrostriktiven Plättchen mit einer Polarisation versehen, wie sie durch die Pfeile 442-449 angedeutet ist. Die Polarisation ist dabei so gewählt, dass jeweils zwei einander benachbarte Plättchen in entgegengesetzter Richtung polarisiert sind und dass zusätzlich die auf der einen Seite der neutralen Fasern liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den auf der andern Seite der neutralen Fasern liegenden Plättchen polarisiert sind. Unter den neutralen Fasern sind dabei diejenigen Ebenen zu verstehen, entlang denen die im Schwinger wirksamen Biegekräfte ihr Vorzeichen umkehren.
Am Schwinger sind die Abplattungen 405 und 406 in der Weise vorgesehen, dass die von ihnen gebildeten Ebenen zumindest näherungsweise zueinander senkrecht stehen. Mit den Stahlteilen sind die Anschlussdrähte 450 und 451 verbunden, die zu den Anschlussklemmen E führen.
Legt man zwischen die Klemmen 439 und E eine elektrische Wechselspannung, dann entsteht zwischen den Silberschichten 430, 431 und den Stahlteilen 416,417 ein elektrisches Feld. Unter dem Einfluss dieses Feldes dehnen sich beispielsweise die Plättchen 420 und 421 in der einen Halbperiode der elektrischen Wechselspannung aus, während gleichzeitig die Plättchen 422 und 423 wegen der
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elektrischen Wechselspannung kehrt sich diesem Vorgang um. Dadurch werden im Schwinger Biegekräfte wirksam, die ihn zu Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 1 anregen, wenn seine BiegeEigenfrequenz mit der Frequenz der angelegten wechselspannung übereinstimmt.
Wählt man die den Querschnitt des Schwingers bestimmenden Abmessungen so, dass die in Richtung des Doppelpfeiles 2 mögliche zweite Eigenschwingung etwa bei der gleichen Frequenz auftritt wie die dazu senkrechte, in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufende Biege-Grundschwingung, dann wird in der bereits beschriebenen Weise über die Abplattungen 405 und 406 auch diese zweite Eigenschwingung in Richtung des Doppelpfeiles 2 angeregt. Im Bereich des Schwingungsbauches dieser zweiten Eigenschwingung (vgl.
Fig. 23 und 24) liegt das aus den Plättchen 424-427 bestehende elektrostriktiv aktive System, bei dem beispielsweise die Plättchen 424 und 435 immer dann gedehnt werden, wenn gleichzeitig die Plätt- chen 426 und 427 verkürzt werden. Wegen dieser Dehnungs- und Verkürzungsbewegungen in Verbindung mit der durch die Pfeile 446 -44. 9 angedeuteten Polarisation entsteht zwischen den Silberschichten 432,433 und den Stahlteilen 415,416 eine elektrische Wechselspannung, die zwischen den Klemmen 440 und E als Ausgangswechselspannung abgenommen werden kann. Aus den vorstehenden Erläuterungen ist auch zu erkennen, dass die zur Vermeidung von Nebenwellen vorgesehenen Spalte S und S' aufeinander senkrecht stehen müssen, da auch die den Schwingungsmoden 1 und 2 zugehörigen neutralen Fasern aufeinander senkrecht stehen.
Wegen der doppelten Ausnutzung des Schwingers ergibt sich die Wirkung eines zweikreisigen Bandfilters, so dass das elektrischeErsatzschaltbildbeispielswei- se einem T-Glied entspricht, in dessen Längszweigen zwei auf etwa die gleiche Frequenz abgestimmte Serien-Resonanzkreise liegen und in dessen Querzweigen Koppelkapazitäten liegen. Der eine Serien-Re- sonanzkreis entspricht der in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufenden Schwingung, der zweite Serien-Resonanzkreis entspricht der in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufenden Schwingung und die Koppelkapazitäten werden von der statischen Kapazität der elektrostriktiven Systeme bzw. den Abplat- tungen nachgebildet.
In Fig. 28 ist schematisch ein aus Stahl bestehender Biegeresonator dargestellt, dessen r1ektriscne Wirkungsweise weitgehend mit der des in Fig. 27 gezeichneten Resonators übereinstimmt. Das in der Schwingermitte vorgesehene Wandlersystem W1, das die in Richtung des Doppelpfeiles 1 verlaufende Biegeschwingung (Grundschwingung) anregt, ist analog zu dem beim Ausführungsbeispiel der Fig. 27 verwendeten mittlerenWandlersystem aufgebaut. Über die Abplattungen 405 und 406 wird di0 in Rich-
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tung des Doppelpfeiles 1 verlaufende Beigeschwingung (Grundschwingung) anregt, ist analog zu dem beim Ausführungsbeispiel der Fig. 27 verwendeten mittleren Wandlersystem aufgebaut.
Über die Abplat- tungen 405 und 406 wird die in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufende zweite Eigenschwingung gleicher Frequenz angeregt. Das Wandlersystem W2 verwendet jedoch den sogenannten transversalen piezoelektrischen Effekt zur Umwandlung der mechanischen in die elektrischen Schwingungen. Dazu ist im Bereich des Schwingungsbauches ein elektrostriktiv aktives Plättchen 460 am Schwinger festgelö- tet, das auf der dem Resonator abgewendeten Seite mit einer Metallisierung versehen ist. Mit dieser Me- tallisierung ist der zur Anschlussklemme 440 führende Zuführungsdraht 461 verlötet. Auf Grund der in Richtung des Doppelpfeiles 2 verlaufenden Biegeschwingung entsteht zwischen der Metallisierung und dem Stahlteil des Schwingers eine elektrische Wechselspannung, die zwischen den Klemmen 440 und E abgenommen werden kann.
Die durch das Wandlersystem W1 getrennten Stahlteile werden zweckmä- ssig durch einen Draht 462 miteinander verbunden, wodurch die beiden Stahlteile beim Anlegen elek- trischer Wechselspannungen auf gleichem elektrischem Potential liegen.
In den Fig. 27 und 28 sind Haltedrähte zur Verankerung des Schwingers in einem Gehäuse aus Grün - den der besseren Übersicht nicht mehr dargestellt ; als zweckmässig hat es sich erwiesen, diese Haltedrähte, ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fig. 26, in den Schwingungsknoten der Grundschwingung (Schwingungsrichtung 1) zu befestigen und unter eÍllem Winkel von etwa 900 abzubiegen, so dass sie hinsichtlich der in Schwingungsrichtung 2 verlaufenden Schwingung auf Biegung beansprucht werden.
Da durch die Ausnutzung verschiedener Ordnungszahlen der aufeinander senkrecht stehenden Eigenschwingungen die Resonatoren rechteckförmigen Querschnitt haben, lassen sie sich beispielsweise durch Stanzen verhältnismässig einfach herstellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanisches Filter, bestehend aus wenigstens zwei durch ein oder mehrere Koppelelemente miteinander gekoppelten, Biegeschwingungen ausführenden mechanischen Resonatoren und Wandlern zum Übergang von den elektrischen auf die mechanischen Schwingungen bzw. zum Übergang von den mechanischen auf die elektrischen Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonatoren zwei vorzugsweise zueinander senkrechte, durch wenigstens eine an den Schwingern volhandene Unsymmetrie im vorgegebenen Mass miteinander gekoppelte Biege-Eigenschwingungen zumindest näherungsweise bei der gleichen Frequenz auftretend aufweisen, wobei die Koppelelemente im Bereich eines den Biegeschwingungen entsprechenden Schwingungsbauches an den Resonatoren befestigt sind.