CH193750A - Electromechanical Impedance. - Google Patents

Electromechanical Impedance.

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CH193750A
CH193750A CH193750DA CH193750A CH 193750 A CH193750 A CH 193750A CH 193750D A CH193750D A CH 193750DA CH 193750 A CH193750 A CH 193750A
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Bell Telephone Manufac Anonyme
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Bell Telephone Mfg
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

  

  Elektromechanische Impedanz.    Die Erfindung bezieht sich auf elektro  mechanische Impedanzen,     insbesondere    auf  solche, die auf Grund von     Resonanzschwin-          gungen    eines mechanischen     Elementes    Reso  nanzcharakteristiken aufweisen.  



  Die Herstellung     von        Impedanzen    mit  mechanisch schwingenden Elementen mit  weit geringerer Dämpfung als diejenige der  üblichen elektrischen Resonanzschaltungen  ist bekannt; solche Impedanzen besitzen bei  der     Übertragung    von Schwingungen. ver  schiedener Frequenzen äusserst selektive Ei  genschaften. In     Wellenfiltern    mit breitem  Frequenzband führt dieser geringe Energie  verlust zu einer scharfen Abgrenzung des       Cbertragungsbandes    und zu einem hohen  Wirkungsgrad über das     gesamte    Band.

   Die  Konstruktion mechanischer Schwingungs  körper, die eine einfache Resonanzcharakte  ristik aufweisen, ist jedoch, insbesondere für  hohe Frequenzen., mit     Schwierigkeiten    ver  bunden, da die Masse sowohl wie die Elasti-         zität    des schwingenden     Elementes    gewöhn  lich derart     verteilt    sind, dass sie sich ähnlich  wie lange     Übertragungsleitungen    verhalten.  Aus diesem     Grunde    weist     der,Schwingungs-          körper    meistens eine Anzahl     Resonanzen    bei  den durch :den geometrischen Aufbau be  stimmten     Frequenzstufen    auf.  



       Gewöhnlich        besteht    eine elektromechani  sche Impedanz aus einem     elektrischen    Strom  kreis, der     entweder        elektromagnetisch    oder  elektrostatisch derart mit     einer        mechanisch     schwingenden Vorrichtung gekoppelt ist, dass  die     Bewegung    der     letzteren    eine elektromoto  rische Kraft     im.Stromkreis        induziert.     



  Die elektromechanische Impedanz nach  der Erfindung,     in    welcher ein     langgestreck-          ter    mechanischer     Sehwingungskörper    vorhan  den ist, welcher     mit    einem     elektrischen          Stromkreis        elektromechanisch    gekoppelt ist  und auf den     elektromechanische    Kräfte     in     Abhängigkeit von den im Stromkreis.

   auftre  tenden     Schwingungen    ausgeübt werden, ist      dadurch gekennzeichnet, 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 wirk  same Kopplung zum     mindesten    bei einer  Oberschwingung des     :Schwingungskörpers          praktisch    ,gleich Null     ist.     



  In einigen Fällen genügt :es, falls nur eine       bestimmte        Oberschwingung    beseitigt werden  soll, die     Antriebskräfte    nur an einer verhält  nismässig kleinen Anzahl von     Punkten    längs  des     Schwingungskörpers    abzustufen.     Bei-          spielsweise    kann die elektromechanische Im  pedanz so ausgebildet werden, falls die     dritte          Oberschwingung    ausgeschaltet werden:

   soll,  dass die Antriebskraft im mittleren Teil  des     Schwingungskörpers        praktisch    konstant  bleibt, dagegen an den beiden     Endteilen     praktisch Null ist, wie dies im speziellen  Beschreibungsteil anhand der     Fig.    8 ausführ  lich beschrieben     ist.     



  Im     nachstehenden    sind einige     Ausfüh-          rungs        #beispiele    des     Erfindungsgegenstandes     anhand der Abbildungen näher beschrieben.  



  Die     Fig.    1 und 2 zeigen zwei Ansichten  eines     Ausführungs#beis:piels    der Erfindung;  die       Fig.    3 ist eine     schematische        Darstellung     der Wirkungsweise der Anordnung in der       Fig.    1; die       Fig.    4 und 5 zeigen     weitere    Ausführungs  beispiele; die       Fig.    6 ist eine schematische     Darstellung     der Anordnung in     Fig.    4;

   die       F'ig.    7 zeigt die Verwendung der erfin  dungsgemässen Impedanz in     Wellenfiltern,          "während    die       Fig.    8 eine     weitere        Ausführungsmöglich-          keit    darstellt.  



  In der     Fig.    1 liegt ein gespannter Draht  1     zwischen    zwei Punkten<I>A</I> und<I>B,</I> an denen  der Draht fest an Stützen, die nicht gezeigt  sind, verankert ist. 2 und 3 sind die Pole  eines Magnetes, zwischen denen der Draht 1  liegt. 4 und 5 sind die Leiter, die zu den       Klemmen        T1    und     TZ    führen.

   Die Magnet  pole     verlaufen        zum    Luftspalt hin     konisch,       wie in der     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 par  allel zueinander liegen, ist in der dargestell  ten     Anordnung    der     Zwischenraum        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        F1uss    zu     bilden,    des  sen Stärke sich     sinusförmig    verändert, wobei  die     Flussdichte    ihren Höchstwert an dem Mit  telpunkt des Drahtes hat und     sinusförmig    an  den Enden des Drahtes bis auf einen     ver-          nachlässsigbar    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 Zusammen  wirkung mit dem     magnetischen    Fluss den  Draht     trangversal    synchron mit den Strom  änderungen zum     Schwingen    bringt und der  eine synchron rückwirkende     elektromatorische     Kraft in :dem elektrischen Stromkreis er  zeugt.

   Auf Grund der     Masseverteilung    und  der     transversalen    Elastizität, die :durch Span  nung     entsteht,    besitzt -der Draht :eine Reihe  von Resonanzen bei harmonischen Frequen  zen. Bei der     Grundschwingung    bewegen  sich     sämtliche        Punkte        des    Drahtes gleichzei  tig in derselben Richtung.

   Bei höheren     Re-          sonanzen,        weist    der Draht .gleichmässig ver  teilte     ]Knotenpunkte    auf, wobei die Bewegun  gen des Drahtes rechts und links .des Knoten  punktes entgegengesetzt     gerichtet    sind.  Schwingungen mit dieser     höheren        Frequenz     können nur aufrecht erhalten bleiben,     wenn     Energie     synchron    dem Draht     zugeführt    wird.

    Auf Grund der     sinusförmigen    Verteilung der       Fluss.dichte    in der dargestellten Anordnung  wird Energie dem Draht nur bei seiner       Grundschwingung    zugeführt, und somit wer  den sämtliche sonst auftretenden Schwingun  gen unterdrückt.  



  Die     Unterdrückung    der höheren Frequen  zen wird anhand .der     F'i,g.    3 näher beschrie  ben. Die     waagrechte    Linie     A-B    zeigt den  Draht in seiner Ruhestellung. Die Ordinaten  der     Kurve    4, von der Linie     A-B    gemessen,      sind die     Fluss-dichten    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 Ver  schiebung der Linie     A-B        ebenfalls        einer          sinu.sförmigen        Veränderung    unterworfen  wird, jedoch von dreifacher     Frequenz.     



  An dem Draht entlang, von dem Mittel  punkt 0 gemessen, ist die     Flussdichte    B an  einem     Punkte    auf dem Abstand x von dem  Mittelpunkt  
EMI0003.0013     
    worin     B"    die     Flussidichte    an dem Mittelpunkt  und     l    die Länge des Drahtes     bedeutet.    Die       Schwingungsgeschwindigkeit    verändert sich       sinusförmig    dem Draht entlang in derselben  Weise wie die Verschiebung und ihr Wert V  an     dem        Punkt    x     ist     
EMI0003.0023     
    worin     Va    die Geschwindigkeit an dem Mittel  punkt 

  der angenommenen Schwingung be  deutet. Die     rückwirkende        elektromotorische     Kraft, die durch ein angenommenes Element       dx    des Drahtes an .dem Punkt<I>x</I>     induziert     wird, ist  
EMI0003.0029     
    und die     gesamte        rückwirkende    elektromoto  rische Kraft     Eb#.    wird wie folgt     ausgedrüc'."t:     
EMI0003.0034     
    Wenn der Ausdruck  
EMI0003.0035     
    gesetzt wird, so erhält die Gleichung 4 fol  gende Form:  
EMI0003.0036     
    die .den     Wert    Null hat.

      Da die     Bewegung    der     angenommenen    drit  ten     Oberschwingung    eine     rückwirkende    elek  tromotorische Kraft gleich Null erzeugt, so  folgt daraus, dass der Draht, wenn er in der  obengenannten Art     schwingt,    keine Energie  von dem elektrischen Stromkreis     entnehmen     kann, so     @dass,    diese     Schwingung    nicht auf  recht     erhalten:

      werden     kann.    Diese Über  legung mit Bezug auf andere Oberschwin  gungen führt zu Ausdrücken, die ähnlich der  Gleichung 5 für die     rückwirkende    elektro  motorische Kraft sind     und        deren.    Werte in  jedem Falle gleich Null sind. Die rückwir  kende elektromotorische Kraft     Eb,    der     Grun.d-          sehwingung        ist     
EMI0003.0055     
         wobei        V"    die     Geschwindigkeit    für diese       Schwingungsart    an dem     Mittelpunkt    be  deutet.  



  Die Impedanz des schwingenden Drahtes,  die in dem elektrischen Stromkreis gemessen  wird, kann     aus    der     Differentialgleichung    für  .die Bewegung des Drahtes     entnommen:    wer  den. Die treibende Kraft an     einem    Element  des     Drahtes        dx    an einem Punkt     auf    dem  Abstand x von der Mitte     des    Drahtes     ist     
EMI0003.0070     
    in der i den augenblicklichen Wert des Stro  mes in dem Draht bedeutet.

   Diesem Wert  wirken zwei     Komponenten    entgegen, und  zwar eine auf Grund der     transversalen    Ela  stizität des Drahtes, der durch die     Spannung          unterstützt    wird, und eine auf     Grund    der       entgegenwirkendenMassebeschleuniggungeiner     elementaren     Länge        dx.    Die erste     Komponente     hat den     fol--enden    Wert  
EMI0003.0081     
    in der z die .Spannung des Drahtes und y die       transversale        Verschiebung    des     Drahtes    an  dem Punkt x bedeutet.

   Der Wert der zwei  ten     Komponente    ist  
EMI0003.0086     
           worin        die        lineare    Dichte des     Drahtes    mit p  bezeichnet ist. Die Differentialgleichung für  die Bewegung ist somit  
EMI0004.0005     
    und deren     Auflösung     
EMI0004.0007     
    in .der     co    die Frequenz des Stromes ist. Es       ist    hier zu beachten,     dass1    die Gleichung 8  eine einzige Resonanz bei einer Frequenz er  zibt, die  
EMI0004.0011     
    entspricht.

   Die     rückwirkende    elektromoto  rische Kraft, die durch die Bewegung des  Drahtes     erzeugt        wird,        ist     
EMI0004.0016     
         Abgesehen    von einer Komponente, die gleich  -dem Widerstand     des    Drahtes ist und die in  Reihe hinzugefügt wird, wird die Impedanz  durch das Verhältnis     zwischen    rückwirken  der elektromotorischer Kraft und dem Strom       ermittelt    und hat     clen    folgenden Wert:

    
EMI0004.0022     
    der der Impedanz einer Kapazität mit dem       Wert     
EMI0004.0024     
    die mit einer     Induktivität     
EMI0004.0026     
    parallel     geschaltet    ist, entspricht.     Wenn    die  verschiedenen Grössen in C.     G..S.-Einheiten          gemessen        werden,        so        ergeben        die     12 und 18 ,die Kapazität und die     Induktivität     in absoluten elektrischen Einheiten.  



  Die     sinusförmige        Verteilung    der Fluss  dichte kann     annähernd    dadurch erreicht wer  den, dass der Abstand zwischen den Polflä  chen     deich     
EMI0004.0040     
    wird, worin x, wie bereits im vorhergehen  den, von dem     Mittelpunkt    des Drahtes oder  der Luftspalte gemessen wird. Auf     Grund     der Einfassung des magnetischen Feldes fällt  die     Fluss,dichte    an den Enden der Luftspalte  nicht ganz bis auf null.

   Aber durch Ver  längerung 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        erfin-          dungsgemässe    Ausführungsbeispiele     darge-          stellt,    in denen die mechanische Kopplung  elektrostatisch statt     elektromagnetisch    ist.  Die     Fig.    4     zeigt    einen Längsschnitt durch .die  Vorrichtung     und,die        Fig.    5 einen Querschnitt  durch die Linie     X-X'        in    der     Fig.    4.

   In die  ser Anordnung besteht :das     .Schwingungs-          element    aus einem dünnen Metallstreifen 8,  der im     Luftspalt    zwischen den     leitenden     Elektroden 6     und    7     gespannt    liegt. Der Me  tallstreifen 8 ist an den Enden durch     Isola-          tionsklötze    9, 9' und 10,     1o'        festgeklemmt,     die     gleichzeitig    als Träger der     Elektroden     dienen und zur Feststellung des Luftspaltes  benutzt werden.  



  Die Elektroden 6 und 7 sind bezüglich  des     Schwingungskörpers        .8    von einer Batte  rie 11     polarisiert.    Eine Klemme ,der     Batterie          führt    direkt zu dem     Schwingungskörper    8  und die andere über die     hochohmigen    Schutz  widerstände R und     R'    zu den Elektroden 6  und 7. Die     Anschlussklemme        T,        bezw.        T2    der      Anordnung ist mit der Elektrode 6     bezw.    7  verbunden.  



  Die     Vorrichtung    ,arbeitet in derselben       Weise    wie ein ausgeglichener elektrostati  scher     Fernsprechhörer.    Die     Batterie    11 bil  det ein stetiges gleichmässiges elektrisches  Feld zwischen dem Schwingungskörper 8 und  den Elektroden 6     bezw.    7, denen ein entge  gengesetzt     .gerichtetes    Feld von einer Wech  selspannung, die an den Klemmen     T,    und     TZ     angelegt wird,

   überlagert     ist.    Die     Überlage-          rungsspannungen    wirken     mit    den stetigen       Polarisationsfeldern        zusammen    und erzeu  gen synchron rückwirkende elektromotorische  Kräfte in dem     elektrischen        ,Stromkreis.    Auf  Grund der gleichförmig verteilten Masse und  der     transversalen    Elastizität besitzt der Strei  fen 8 eine Reihe von natürlichen Resonanzen  bei harmonischen Frequenzen genau wie bei  dem gespannten Draht in der     Fig.    1.     Audi     in diesem Falle werden die höheren Frequen  zen dadurch.

   verhindert, dass die     treibende     Kraft der Länge des     Streifens    nach so abge  stuft wird,     dass    Energie nur bei der Grund  schwingung des Schwingungskörpers zuge  führt     \verden    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 zusammen  gesetzt ist, und zwar 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 Elek  troden und der Stromkreise gleichen sich die  Kräfte an den beiden Flächen     des    Schwin  gungskörpers durch jede Komponente ein  zeln aus, und die einzigen Kräfte, die eine       Bewegung        erzeugen,    sind die, die durch das  Produkt der beiden Komponenten     entstehen.     Da die     Polarisationsspannung    konstant ist,  sind die Kräfte, die aus diesem Produkt ent  stehen, synchron mit den     überlagerten:    Kräf  ten.  



  Zur Unterdrückung der unerwünschten  Schwingungen ist es erforderlich,     dass    die       Antriebskräfte        sinusförmig    wie bei der elek-         tromagnetischen    Vorrichtung in der     Fig.    1  dem     Streifens    entlang verteilt werden.

   Es  kann jedoch, da die Abstufung der Luft  spalte in diesem Falle die     Verteilung    der  Stärke des Polarisationsfeldes und der Stärke  des Wechselfeldes gleichmässig beeinflussen.,  gezeigt werden, dass die Luftspalte eine an  dere Form besitzen sollten, so, dass der Ab  stand     zwischen    den     Elektroden    von dem  Schwingungskörper proportional dem     Wert     
EMI0005.0044     
    ist, wobei x der Abstand von     der    Mitte des  Schwingungskörpers und     l    die Länge der       Elektroden    bedeutet.

   Da jeder Luftspalt als  eine     besondere    Quelle für die Antriebskräfte  dient, sollen die beiden symmetrisch     sein.     



  Wegen der     Bewegung    des     Schwingungs-          körpers    verbleiben     .die        Luftspalte    nicht kon  stant, doch sind die     Wirkungen:    dieser Ver  änderungen klein und nicht derart,     @dass@    ,die  fast vollständige Ausschaltung der Ober  schwingungen     verhindert    wird.

   Die     Rand-          wirkung,des        elektrischen    Feldes an den En  dender Elektroden kann weitgehend durch die       Verlängerung    des     -Schwingungskörpers        über     die Elektroden hinaus,     wie        in    der     Fig.    4 dar  gestellt, ausgeglichen     werden.    Da für     eine     wirkungsvolle     elektromechanische    Kopplung  sehr kleine Luftspalte erwünscht sind, kön  nen durch die Trägheit der Luft die Schwin  gungen eine beträchtliche Dämpfung erleiden.

    Diese Dämpfung     kann    aber weitgehend da  durch verringert werden,     dass:    die Elektroden  flächen längsgerichtete Aussparungen     erhal-          ten"        wie    die     Fig.    5     zeigt,    oder, falls die     Vor-          richtung        durch        Isolationswände,        wie        bei        12    .  



  und 12' in der     Fig.    5 angedeutet,     vollständig      eingeschlossen ist, die Luft zum Teil aus dem  Innern     enfernt    wird. Die Widerstände     R     und     R'    in den     Polarisationskreisen    sollen ge  nügend hoch     sein,        damit    die Verlustwirkun  gen vernachlässigt werden können.  



  Die Vorrichtung ist gleichwertig einer  elektrischen Impedanz, wie in der     Fig.    6 dar-  gestellt, die aus einer     Induktivität        L1    in      Reihe mit einer Kapazität     C,    zu einer Kapa  zität Co parallel geschaltet ist.

   Die Kapazi  tät     C,,        ist    ,die, welche zwischen den Elektro  den 6 und 7 mit dem     Schwingungskörper    im  Ruhezustand und bei der     mittleren    Span  nung der     beiden.    Elektroden     besteht.    Die       Resonanzfrequenz    der     Induktivität        L1    und  die Kapazität     Cl    ist die der mechanischen  Grundresonanz     des        ,

  Schwingungskörpers.    Die  Impedanz Z der     Vorrichtung    ist durch die       folgende    Gleichung     gegeben:     
EMI0006.0017     
    in der     f    die     Frequenz,        f,.    die Grundresonanz  frequenz ,des     Schwingungskörpers    und f 2  eine höhere Frequenz     bezeichnet,    bei der       Anti-Resonanz    auftritt.

   Der Wert von f 2 ist  zu     entnehmen        aus     
EMI0006.0026     
    in der E die     Polarisationsspannung    in abso  luten     Einheiten,    O die     Flächendichte    des  schwingenden     .Streifens    in     .gr/cm2    und     D"    den       kleinsten    Abstand zwischen dem     Schwin-          gungskörper    und- den Elektroden bedeutet.  



  Die     Resonanzimpedanzcharakteristiken    der       beschriebenen    Vorrichtungen machen diese  als     Impedanzelemente    bei der     Konstruktion     von     Wellenfiltern    mit breitem Band ver  wendbar, mit denen sie im wesentlichen in  der gleichen     Art    wie andere     Impedanzen.    mit  zwei     Anschlussklemmen    verbunden werden  können.

   Bei ihrer     Verwendung    in Wellen  filtern mit breitem Band muss die Bemessung  der Elemente genauestens beachtet werden,  um die     gewünschte        Ansprechcharakteristik     zu     erhalten.    Das Prinzip für ein solches Zu  sammenwirken ist     bekannt.     



       .Eine        beispielsweise    Anwendung der be  schriebenen     elektrostatischen    Vorrichtung in  einem     Kreuzgliedfilter    zeigt die     Fig.    7, bei  der in den Leitungszweigen des Netzwerkes       gleiche    elektrostatische Elemente 13 und 13'  der in der     Fig.    5     gezeigten    Ausführung lie  gen,     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 Kreuz  gliedfilters liegen, wirken     mit    den Netzwerk  impedanzen zusammen, um die Breite des       Übertragungsbandes    zu     steuern.        Ein    Netz  werk von     hochohmigen    Widerständen     Bi    bis       RB    verbindet eine     Polarisationsbatterie    15  mit den     Elektroden    der     elektromechanischen     Elemente, wobei die Widerstände so ausge  glichen sind,

       dass    sie .die Verteilung der  Ströme in     Filterzweigen    nicht     beeinträchti-          gen,    und so hoch bemessen sind,     dass    über  mässige Energieverluste der übertragenen  Ströme     vermieden    werden.  



  Ein     weiteres    Ausführungsbeispiel der Er  findung     zeigt    die     Fig.    8,     in    der eine be  stimmte Oberschwingung unterdrückt wird.  Diese     Anordnung    ist eine Abänderung der       elektromagnetischen        Vorrichtung,    die in der       Fig.    1 ,gezeigt     ist,    wobei die gekrümmten  Polflächen 2 und 3 durch Polflächen ersetzt  sind, deren. gegenüberliegende Flächen paral  lel zueinander liegen und sich .etwa über     2/3     der Länge des Drahtes an beiden Seiten des  Mittelpunktes erstrecken.

   In dieser Ausfüh  rung wird die dritte     Oberschwingung    unter  drückt. Die Ursache für diese     Unterdrückung     ist aus .der     ,gestrichelten    Kurve 16 leicht er  sichtlich, .die den Draht in     seiner    dritten       Oberschwingung    zeigt.

   Die     Bewegung    .der       mittleren    Schleife des Drahtes erzeugt eine  rückwirkende elektromotorische Kraft in  einer Richtung, und die Bewegung des Drah  tes in den beiden Aussenschleifen erzeugt  rückwirkende     elektromotorische    Kräfte ent  gegengesetzter     Richtung.    Da das Feld von  der     Mitte    einer der äussern Schleifen bis zu  der     Mitte    der andern Schleife eine gleiche  Stärke aufweist und sonst im wesentlichen  gleich Null     ist,    ist die     Summe    der rückwir  kenden elektromotorischen     Kräfte    gleich  Null,

   und die daraus entstehende magne  tische Kopplung ist für diese Art Schwin  gung ebenfalls Null.



  Electromechanical Impedance. The invention relates to electro-mechanical impedances, in particular to those which have resonance characteristics due to resonance oscillations of a mechanical element.



  The production of impedances with mechanically oscillating elements with much less damping than that of the usual electrical resonance circuits is known; such impedances have when transmitting vibrations. different frequencies extremely selective properties. In wave filters with a wide frequency band, this low energy loss leads to a sharp delimitation of the transmission band and to a high degree of efficiency over the entire band.

   The construction of mechanical vibrating bodies, which have simple resonance characteristics, is, however, associated with difficulties, especially for high frequencies, since the mass and the elasticity of the vibrating element are usually distributed in such a way that they are similar to long transmission lines behave. For this reason, the vibrating body usually has a number of resonances at the frequency levels determined by: the geometric structure.



       Usually, an electromechanical impedance consists of an electrical circuit that is coupled either electromagnetically or electrostatically to a mechanically oscillating device in such a way that the movement of the latter induces an electromotive force in the circuit.



  The electromechanical impedance according to the invention, in which an elongated mechanical visual oscillation body is present, which is electromechanically coupled to an electrical circuit and on the electromechanical forces as a function of the in the circuit.

   Occurring vibrations are exerted is characterized in that the coupling between the vibrating body and the electrical circuit is distributed over the length of the vibrating body and is graduated from point to point in such a way that: the effective coupling at least at one harmonic of the vibrating body practically, is zero.



  In some cases it is sufficient: if only a certain harmonic is to be eliminated, the driving forces should only be graded at a relatively small number of points along the vibrating body. For example, the electromechanical impedance can be designed in such a way if the third harmonic is switched off:

   is intended that the driving force remains practically constant in the middle part of the vibrating body, but is practically zero at the two end parts, as is described in detail in the special part of the description with reference to FIG.



  In the following, some exemplary embodiments of the subject matter of the invention are described in more detail using the figures.



  FIGS. 1 and 2 show two views of an embodiment example of the invention; Fig. 3 is a schematic representation of the operation of the arrangement in Fig. 1; FIGS. 4 and 5 show further exemplary embodiments; Fig. 6 is a schematic representation of the arrangement in Fig. 4;

   the F'ig. 7 shows the use of the impedance according to the invention in wave filters, while FIG. 8 shows a further possible embodiment.



  In FIG. 1, a tensioned wire 1 lies between two points <I> A </I> and <I> B, </I> at which the wire is firmly anchored to supports that are not shown. 2 and 3 are the poles of a magnet, between which the wire 1 lies. 4 and 5 are the conductors that lead to terminals T1 and TZ.

   The magnet poles are tapered towards the air gap, as shown in FIG. 2, in order to generate a concentrated magnetic field in the vicinity of the wire. In contrast to the known arrangements in which the pole faces are par allel to one another, in the dargestell th arrangement the space between the pole faces in the middle is smallest and increases symmetrically at the ends.

   The purpose: this shaping of the pole faces is to form a magnetic flux whose strength changes sinusoidally, with the flux density having its maximum value at the center of the wire and sinusoidally at the ends of the wire to a negligibly small value sinks.



  If an alternating current is applied to the terminals T1 and T2, a current flows in the wire 1 which, through the interaction with the magnetic flux, causes the wire to oscillate transversely synchronously with the current changes and which generates a synchronously retroactive electromotive force in: the electrical circuit he testifies.

   Due to the mass distribution and the transversal elasticity, which: is created by tension, the wire has: a series of resonances at harmonic frequencies. With the fundamental oscillation, all points of the wire move simultaneously in the same direction.

   With higher resonances, the wire has "evenly distributed" nodes, the movements of the wire to the right and left of the node being directed in opposite directions. Vibrations at this higher frequency can only be sustained if energy is fed synchronously to the wire.

    Due to the sinusoidal distribution of the flux density in the arrangement shown, energy is only supplied to the wire at its fundamental oscillation, and thus all oscillations that otherwise occur are suppressed.



  The suppression of the higher frequencies is based on the F'i, g. 3 described in more detail. The horizontal line A-B shows the wire in its rest position. The ordinates of curve 4, measured from line A-B, are the flux densities at the various points along the wire, this curve being sinusoidal.

   The dashed curve 5 shows the shape of the wire at the third harmonic, where the displacement of the line A-B is also subjected to a sinusoidal change, but of three times the frequency.



  Along the wire, measured from the center point 0, the flux density B is at a point on the distance x from the center
EMI0003.0013
    where B "means the flux density at the midpoint and l the length of the wire. The oscillation speed varies sinusoidally along the wire in the same way as the displacement and its value is V at the point x
EMI0003.0023
    where Va is the velocity at the center point

  the assumed vibration signifies. The retroactive electromotive force induced by an assumed element dx of the wire at the point <I> x </I> is
EMI0003.0029
    and the total retroactive electromotive force Eb #. is expressed as follows: "t:
EMI0003.0034
    If the expression
EMI0003.0035
    is set, equation 4 has the following form:
EMI0003.0036
    which has the value zero.

      Since the movement of the assumed third harmonic generates a retroactive electromotive force equal to zero, it follows that the wire, when it vibrates in the above-mentioned manner, cannot draw any energy from the electrical circuit, so this vibration does not occur get right:

      can be. This consideration with reference to other harmonics leads to expressions that are similar to Equation 5 for the retroactive electromotive force and their. Values are zero in each case. The retroactive electromotive force Eb, which is the basic vibration
EMI0003.0055
         where V "is the speed for this mode of oscillation at the midpoint.



  The impedance of the vibrating wire, which is measured in the electrical circuit, can be taken from the differential equation for .the movement of the wire: who the. The driving force on an element of the wire is dx at a point on the distance x from the center of the wire
EMI0003.0070
    in which i means the instantaneous value of the current in the wire.

   This value is counteracted by two components, one due to the transverse elasticity of the wire, which is supported by the tension, and one due to the counteracting mass acceleration of an elementary length dx. The first component has the following value
EMI0003.0081
    in which z is the tension of the wire and y is the transverse displacement of the wire at point x.

   The value of the second component is
EMI0003.0086
           where the linear density of the wire is denoted by p. The differential equation for motion is thus
EMI0004.0005
    and their resolution
EMI0004.0007
    in .der co is the frequency of the current. It should be noted here that equation 8 yields a single resonance at a frequency which
EMI0004.0011
    corresponds.

   The retroactive electromotive force generated by the movement of the wire is
EMI0004.0016
         With the exception of one component equal to the resistance of the wire, which is added in series, the impedance is determined by the ratio between the electromotive force and the current and has the following value:

    
EMI0004.0022
    that of the impedance of a capacitance with the value
EMI0004.0024
    those with an inductance
EMI0004.0026
    is connected in parallel, corresponds. If the various quantities are measured in C.G..S. units, 12 and 18 result in the capacitance and inductance in absolute electrical units.



  The sinusoidal distribution of the flux density can approximately be achieved by dike the distance between the pole faces
EMI0004.0040
    where x, as in the previous one, is measured from the center point of the wire or the air gap. Due to the framing of the magnetic field, the flux does not drop to zero at the ends of the air gaps.

   But by lengthening the wire at both ends a little beyond the magnetic poles, this edge effect can for the most part be compensated, so that. the flux density at the ends will be small enough to be neglected.



  4 and 5 show further exemplary embodiments according to the invention, in which the mechanical coupling is electrostatic instead of electromagnetic. FIG. 4 shows a longitudinal section through the device and FIG. 5 shows a cross section through the line X-X 'in FIG.

   In this arrangement: the .Schwingungs- element consists of a thin metal strip 8, which is stretched in the air gap between the conductive electrodes 6 and 7. The metal strip 8 is clamped at the ends by insulation blocks 9, 9 'and 10, 10', which at the same time serve as supports for the electrodes and are used to establish the air gap.



  The electrodes 6 and 7 are polarized by a battery 11 with respect to the vibrating body. One terminal, the battery leads directly to the vibrating body 8 and the other via the high-resistance protective resistors R and R 'to the electrodes 6 and 7. The terminal T, respectively. T2 of the arrangement is with the electrode 6 respectively. 7 connected.



  The device operates in the same way as a balanced electrostatic telephone handset. The battery 11 bil det a steady uniform electric field between the vibrating body 8 and the electrodes 6 respectively. 7, to which an oppositely directed field from an alternating voltage that is applied to terminals T and TZ,

   is superimposed. The superimposition voltages interact with the constant polarization fields and generate synchronously retroactive electromotive forces in the electrical circuit. Due to the uniformly distributed mass and the transversal elasticity of the Strei fen 8 has a number of natural resonances at harmonic frequencies just like the tensioned wire in Fig. 1. Audi in this case, the higher Frequen zen.

   prevents the driving force from being graduated along the length of the strip in such a way that energy can only be added to the vibrating body during the fundamental vibration. In this case the driving force at each point of the strip is proportional to the square of the strength of the electric field at that point, the field being composed of two components, one due to the polarization voltage and one due to the superimposed alternating voltage, the both are distributed in the same way.

    With a symmetrical construction of the electrodes and the circuits, the forces on the two surfaces of the vibrating body are balanced by each component individually, and the only forces that create a movement are those that arise from the product of the two components. Since the polarization voltage is constant, the forces that arise from this product are synchronous with the superimposed: forces.



  In order to suppress the undesired vibrations, it is necessary that the drive forces are distributed sinusoidally, as in the case of the electromagnetic device in FIG. 1, along the strip.

   However, since the gradation of the air gaps in this case uniformly influence the distribution of the strength of the polarization field and the strength of the alternating field, it can be shown that the air gaps should have a different shape so that the distance between the electrodes of the vibrating body proportional to the value
EMI0005.0044
    where x is the distance from the center of the vibrating body and l is the length of the electrodes.

   Since each air gap serves as a special source of driving forces, the two should be symmetrical.



  Because of the movement of the vibrating body, the air gaps do not remain constant, but the effects of these changes are small and not such that @ that @, the almost complete elimination of the harmonics is prevented.

   The edge effect of the electric field at the ends of the electrodes can largely be compensated for by extending the vibrating body beyond the electrodes, as shown in FIG. 4. Since very small air gaps are desired for an effective electromechanical coupling, the vibrations can suffer considerable damping due to the inertia of the air.

    This attenuation can, however, be reduced to a large extent by the fact that: the electrode surfaces receive longitudinally directed recesses "as FIG. 5 shows, or, if the device is provided by insulation walls, as at 12.



  and 12 'indicated in FIG. 5, is completely enclosed, the air is partially removed from the interior. The resistances R and R 'in the polarization circles should be sufficiently high so that the loss effects can be neglected.



  The device is equivalent to an electrical impedance, as shown in FIG. 6, which is connected in parallel from an inductance L1 in series with a capacitance C to a capacitance Co.

   The capaci ity C ,, is the one between the electrons 6 and 7 with the vibrating body at rest and at the mean voltage of the two. Electrodes. The resonance frequency of the inductance L1 and the capacitance Cl is that of the basic mechanical resonance of the,

  Vibrating body. The impedance Z of the device is given by the following equation:
EMI0006.0017
    in which f is the frequency, f ,. the fundamental resonance frequency of the vibrating body and f 2 denotes a higher frequency at which anti-resonance occurs.

   The value of f 2 can be found in
EMI0006.0026
    in which E is the polarization voltage in absolute units, O is the areal density of the vibrating "strip" in .gr / cm2 and D "is the smallest distance between the vibrating body and the electrodes.



  The resonant impedance characteristics of the devices described make them useful as impedance elements in the construction of wide band wave filters, with which they are used in essentially the same manner as other impedances. can be connected with two connection terminals.

   When used in wave filters with a wide band, the dimensioning of the elements must be carefully observed in order to obtain the desired response characteristics. The principle for such cooperation is known.



       An example of an application of the described electrostatic device in a cross-member filter is shown in FIG. 7, in which the same electrostatic elements 13 and 13 'of the embodiment shown in FIG. 5 lie in the branches of the network, while the diagonal branches are identical elements 14 and 14 ', the resonances of which, however, are at frequencies which differ from the resonances of the line branches.

   The inductances L, which are in all four feed lines, outside the cross member filter, interact with the network impedances to control the width of the transmission band. A network of high-ohmic resistors Bi to RB connects a polarization battery 15 with the electrodes of the electromechanical elements, the resistors being balanced so that

       that they do not impair the distribution of the currents in filter branches and are dimensioned so high that excessive energy losses from the currents transmitted are avoided.



  A further embodiment of the invention is shown in FIG. 8, in which a certain harmonic is suppressed. This arrangement is a modification of the electromagnetic device shown in Fig. 1, wherein the curved pole faces 2 and 3 are replaced by pole faces, their. opposite surfaces are paral lel to each other and extend about 2/3 of the length of the wire on both sides of the center point.

   In this version, the third harmonic is suppressed. The cause of this suppression can easily be seen from the dashed curve 16, which shows the wire in its third harmonic.

   The movement of the middle loop of the wire produces a retroactive electromotive force in one direction, and the movement of the wire in the two outer loops produces retroactive electromotive forces in the opposite direction. Since the field from the center of one of the outer loops to the center of the other loop has the same strength and is otherwise essentially zero, the sum of the retroactive electromotive forces is zero,

   and the resulting magnetic coupling is also zero for this type of oscillation.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Elektromechanische Impedanz mit einem langgestreckten mechanischen Schwinagungs- körper, welcher mit einemelektrischen.Strom- kreis elektromechanisch gekoppelt ist und auf den elektromechanische Kräfte in Ab hängigkeit von den, in dem Stromkreis auf tretenden elektrischen Schwingungen: PATENT CLAIM: Electromechanical impedance with an elongated mechanical vibration body which is electromechanically coupled to an electrical circuit and on which electromechanical forces are dependent on the electrical vibrations occurring in the circuit: aus geübt werden, .dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen dem Schwingungs körper und dem elektrischen Stromkreis über die Länge des Schwingungskörpers verteilt und derart von Punkt zu Punkt abgestuft ist, dass die wirksame Kopplung zum minde sten bei einer Oberschwingung des Schw in gungskörpers praktisch gleich Null ist. <B>UNTERANSPRÜCHE:</B> 1. are exercised, characterized in that the coupling between the vibrating body and the electrical circuit is distributed over the length of the vibrating body and is graduated from point to point in such a way that the effective coupling is practically the same for at least one harmonic of the vibrating body Is zero. <B> SUBClaims: </B> 1. Elektromechanische Impedanz nach Pa tentanspruch, dadurch .gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen dem elektrischen Stromkreis und .dem Schwingungskörper ihren Höchstwert in einem Punkt auf weist, in welchem die grösste Schwin- gungsg-eschwindigkeit des Schwingungs körpers bei seiner Grundfrequenz vorhan den ist, und alsdann auf etwa den Wert Null herabsinkt, .der in einem Punkt er reicht wird, in welchem die Schwingungs geschwindigkeit bei der Grundfrequenz des Schwingungskörpers gleich Null ist. Electromechanical impedance according to patent claim, characterized in that the coupling between the electrical circuit and the vibrating body has its maximum value at a point at which the greatest vibration speed of the vibrating body is present at its fundamental frequency, and then drops to approximately zero, which is reached at a point at which the vibration speed at the fundamental frequency of the vibrating body is zero. 2. Elektromechanische Impedanz nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung derart von Punkt zu Punkt des Schwingungskörpers abgestuft ist. dass sie praktisch .den Geschwindigkeiten an verschiedener Punkten des mit seiner Grundfrequenz schwingenden Schwin gungskörpers entspricht. 3. 2. Electromechanical impedance according to Pa tentans claims, characterized in that the coupling is graded from point to point of the vibrating body. that it practically corresponds to the velocities at different points of the oscillating body oscillating at its fundamental frequency. 3. Elektromechanische Impedanz nach Pa tentanspruch, .dadurch gekennzeichnet, dass ein gleichförmiger gespannter leitender Draht m einem querliegenden magneti schen Feld schwingt, das im Mittelpunkt des Drahtes am stärksten ist und sinus- förmig zu den Enden hin auf etwa den Wert Null herabsinkt. Electromechanical impedance according to patent claim, characterized in that a uniformly tensioned conductive wire oscillates in a transverse magnetic field that is strongest in the center of the wire and sinks in a sinusoidal manner towards the ends to approximately zero. 4. Elektromechanische Impedanz nach Un- teransprueh 3, dadurch . ,gekennzeichnet, dass der Draht symmetrisch zwischen zwei magnetischen Polflächen einer sol chen Form angeordnet ist, dass; sich der Luftspalt von dem Mittelpunkt des Drah tes nach den Enden hin verbreitert. 4. Electromechanical impedance according to sub-claim 3, thereby. , characterized in that the wire is arranged symmetrically between two magnetic pole faces of such a shape that; the air gap widens from the center of the wire towards the ends. 5. Elektromechanische Impedanz nach Un teranspruch<B>:3,</B> dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Feld von einem Magneten erzeugt wird, dessen einander geigenüberliegenden Polflächen einen Luft spalt bilden, in dem der Draht frei schwingen kann, wobei der Abstand zwi schen den Polflächen in der Mitte des Drahtes am kleinsten ist und sich nach den Enden hin vergrössert in Überein stimmung mit der Gleichung, 5. Electromechanical impedance according to claim <B>: 3, </B> characterized in that the magnetic field is generated by a magnet, the pole faces of which form an air gap in which the wire can vibrate freely, the distance is smallest between the pole faces in the middle of the wire and increases towards the ends in accordance with the equation, EMI0007.0053 in der a die Breite des Luftspaltes in der Entfernung x von der Mitte des Drahtes, 80 die Breite,des Luftspaltes in der Mitte des Drahtes und l die Länge des Drahtes bezeichnet. 6. Elektromechanische Impedanz nach Pa tentanspruch, gekennzeichnet durch einen zwischen parallelen Polflächen eines Mag netes gleichförmigen gespannten leitenden Draht, der sich an beiden Enden um '/s seiner Länge über die Polflächen hinaus erstreckt. 7. EMI0007.0053 in which a denotes the width of the air gap at the distance x from the center of the wire, 80 the width of the air gap in the center of the wire and l the length of the wire. 6. Electromechanical impedance according to Pa tent claims, characterized by a conductive wire between parallel pole faces of a Mag netes uniformly tensioned, which extends at both ends by '/ s of its length beyond the pole faces. 7th Elektromechanische Impedanz nach Pa tentanspruch, mit einem viereckigen ge spannten Metallstreifen, leitenden Elektro den, die der Breitfläche des Metallstreifens gegenüberliegen und die in bezug auf den Streifen Polarisationspotentialen unter- worfen werden, dadurch gekennzeichnet, .dass der Abstand zwischen den Elektroden und dem Metallstreifen in der Mitte des Streifens am kleinsten ist und sich nach den Enden hin vergrössert. B. Electromechanical impedance according to patent claim, with a square ge tensioned metal strip, conductive electrodes, which lie opposite the broad surface of the metal strip and which are subjected to polarization potentials with respect to the strip, characterized in that the distance between the electrodes and the metal strip in is smallest in the middle of the strip and increases in size towards the ends. B. Elektromechanische Impedanz nach Un teranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Elektrode und dem Metallstreifen praktisch durch die Gleichung: EMI0008.0002 bestimmt wird, in der d den Abstand in einem Punkt, der in der Entfernung x von der Mitte liegt, 8o den Abstand in der Mitte und l die Länge des Metallstreifens bezeichnet. Electromechanical impedance according to claim 7, characterized in that the distance between the electrode and the metal strip is practically given by the equation: EMI0008.0002 is determined in which d is the distance at a point which is at the distance x from the center, 8o is the distance in the center and l is the length of the metal strip.
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