CH404736A - Oszillator - Google Patents

Oszillator

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CH404736A
CH404736A CH82763A CH82763A CH404736A CH 404736 A CH404736 A CH 404736A CH 82763 A CH82763 A CH 82763A CH 82763 A CH82763 A CH 82763A CH 404736 A CH404736 A CH 404736A
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CH82763A
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Mario Dr Gallo
Kleiber Andreas
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Wirth Armin
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03BGENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B5/00Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input
    • H03B5/30Generation of oscillations using amplifier with regenerative feedback from output to input with frequency-determining element being electromechanical resonator
    • GPHYSICS
    • G10MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10HELECTROPHONIC MUSICAL INSTRUMENTS; INSTRUMENTS IN WHICH THE TONES ARE GENERATED BY ELECTROMECHANICAL MEANS OR ELECTRONIC GENERATORS, OR IN WHICH THE TONES ARE SYNTHESISED FROM A DATA STORE
    • G10H3/00Instruments in which the tones are generated by electromechanical means
    • G10H3/12Instruments in which the tones are generated by electromechanical means using mechanical resonant generators, e.g. strings or percussive instruments, the tones of which are picked up by electromechanical transducers, the electrical signals being further manipulated or amplified and subsequently converted to sound by a loudspeaker or equivalent instrument
    • G10H3/22Instruments in which the tones are generated by electromechanical means using mechanical resonant generators, e.g. strings or percussive instruments, the tones of which are picked up by electromechanical transducers, the electrical signals being further manipulated or amplified and subsequently converted to sound by a loudspeaker or equivalent instrument using electromechanically actuated vibrators with pick-up means

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Description


      Oszillator       Es ist bekannt, dass eine schwingende gespannte  Saite oder ein schwingender beiderseitig eingespannter  Stab eindeutige, von der jeweils herrschenden mecha  nischen Spannung abhängige Eigenfrequenzen (Grund  frequenz und höhere Harmonische) aufweist. Es ist  somit grundsätzlich möglich, entweder die mechanische       Spannung    durch Messung der Eigenfrequenzen, oder  die     Eigenfrequenzen    durch Messung der mechanischen  Spannung zu     ermitteln.     



  Im Folgenden wird     anstelle    von  Stab oder Saite   nur (Saite  geschrieben und vorläufig von nur einer  Frequenz     gesprochen.     



  Zum     vorgenannten        Zweck    muss aber die     Saite     mittels einer     Erregereinrichtung    derart zu Schwingun  gen angeregt werden, dass die     Eigenfrequenz    nicht     be-          einflusst        wird,    da sonst die     Ermittlung    der mechani  schen     Spannung    durch Messung der Frequenz oder  der Frequenz durch     Messung    der     mechanischen    Span  nung nicht mehr eindeutig und     auswertbar    wäre.

   Der  nachstehend beschriebene     Saiten-Oszillator    ist eine       Vorrichtung,    welche geeignet ist,     eine        Saite    dauernd auf  der Eigenfrequenz zu erregen. Dies     schliesst    nicht eine  Verwendung     mit        stossweiser        Erregung    mit dazwischen  liegenden     Messzeiten    aus.  



  Die mechanische Spannung der Saite     kann    innerhalb  weiten Grenzen variieren. Die     Eigenfrequenz    der Saite  variiert ebenfalls     innerhalb    eines breiten     Bereiches,     da     die    Eigenfrequenz mit der Wurzel der Saitenspan  nung variiert. Daraus ergeben sich zwei     wichtige    Fol  gen:  1. Die Vorrichtung zur Erregung der Saite     soll    in  einem breiten     Frequenzband    korrekt arbeiten.  



  2. Dadurch dass die Eigenschaften des     Oszillators     im wesentlichen durch     ein    mechanisches Schwingsy  stem bestimmt werden     und        dass    die Eigenfrequenz  dieses Schwingsystems in weiten     Grenzen        variieren     kann, gehört der     erfindungsgemässe        Oszillator    zur Gü-         te-Klasse    des     bekannten        Stimmgabel-Oszillators    mit  dem zusätzlichen Vorteil, dass     seine        Frequenz    sehr  leicht und präzis in weiten Grenzen variiert werden  kann.  



  Ausführungsbeispiele des     Erfindungsgegenstandes     werden     nachfolgend    anhand der     Zeichnung    beschrie  ben.  



  Die in Schwingung zu     bringende        Saite        soll        elektrisch     leitend sein. Sie kann also aus z. B. Metall (M),     (Fig.    la)  oder aber aus     metallisierten,    (M)     isolierenden    oder  schlecht leitenden     Materialien    z. B.

   Quarz oder     Invar          etc.        (Is)        (Fig.        1'b)    bestehen, oder auch     mit        einer    oder       mehreren    leitenden Seelen     (M)    versehen werden       (Fig.    1 c). Diese Saite wird sowohl als mechanisches       Schwingungssystem,        als    auch     als        elektrische    Leitung  vom Widerstand     R,    verwendet<B>Mg.</B> 2).

   Die Teile     m:it          Index    8 bis 10     sind    zunächst als nacht vorhanden an  zunehmen. Die Saite 1 an deren Enden     Spannköpfe     15  &  16 befestigt sind, liegt in einem statischen Ma  gnetfeld     (NS),    quer zur Längsachse der ruhenden  Saite und quer zur Schwingungsrichtung, Schwin  gungen der Saite in diesem     Magnetfeld    führen  zu elektromotorischen     Kräften        in    der Saite.

   Die elek  tromotorische Kraft ist proportional zur Frequenz und  zur Amplitude der     Schwingung.    Wird die Saite     in    einer  balancierten,     resistiven    Brücke     R"        R2,        R3,    R4 einge  schaltet, mit     R.,-R2;        R3=R4;        R3    >     R,    R4>     R2,    so  erscheint die oben     genannte        elektromotorische        Kraft    als  Spannung U über der     einen    Diagonale der Brücke.

   Die  se Spannung U ist unabhängig vom     allfälligen    Wert  des die Saite     durchfliessenden    elektrischen Stromes I.  Die     schwingende    Saite, zusammen mit der     Brücken-          schaltung,    kann als Elektrogenerator aufgefasst wer  den, in welchem die mechanisch     schwingende    Saite  elektrisch nur     zweipolig,    d. h. über die mechanisch  festen Punkte (15, 16) mit der Brückenschaltung ver  bunden ist.

        Wird anderseits die Saite von     einem    Strom I durch  flossen, so     erfährt    sie eine Kraft, die     unabhängig    von  der Frequenz     und    proportional zur Amplitude des  Stromes ist. Unter der Einwirkung     dieser    Kraft be  nimmt sich die     gespannte    Saite wie     ein    mechanisches,       einkreisiges,        annäherungsweise    lineares Schwingsy  stem.

   Die     Amplitude    der     Saitenschwingung    ist propor  tional zur erregenden Kraft und variiert mit der Erre  gerfrequenz im Sinne einer     Resonanz.    Dabei liegt das  Maximum der     Schwingungsamplitude    bei einer etwas       niedrigeren    Frequenz als der     Eigenfrequenz,    während  die Phasenverschiebung zwischen Schwingung und er  regender Kraft bei     der        Eigenfrequenz    null ist.  



  Der die Saite     durchfliessende    Strom ist     Teil    eines  Stromsystems in der Brückenschaltung. Da die Wider  stände     R3    und     R4    viel grösser als die zwei übrigen ge  wählt wurden, d. h. da die elektromotorische Kraft in  der Saite klein gemacht wurde     gegenüber    der Speise  spannung der Brücke, ist der     Brückenspeisestrom        Iw          annäherungsweise    zweimal so gross wie der Saiten  strom I, ungeachtet des Schwingungszustandes der  Saite.  



  Die     Brückenschaltung    zusammen     mit    der dadurch  elektrisch gespeisten Saite kann als Elektromotor     auf-          gefasst    werden, bei welchem die Saite motorisch in  Bewegung     gesetzt    wird. Die     Brückenspeisespannung          Uw    ist proportional zum     Brückenspeisestrom    und ist  somit in ihren     Eigenschaften    durch die oben be  schriebenen Zusammenhänge definiert.  



  Man     kann    nun die Brücke     R,.    bis     R4,    wobei     R,.     durch de Saite dargestellt ist, als Vierpol ansehen,  welcher von der Spannung     Uw    gespeist wird und die  Spannung U in unbelastetem Zustande liefert.

   Dabei  sind U und     Uw    als synchrone Spannungen anzusehen,  deren Amplituden und Phasenverhältnisse     durch    die  oben     angeführten        Zusammenhänge    definiert     sind.    Der  vorgenannte Vierpol ist ein     elektrisches    Filter, welches  die selektive Charakteristik eines     einkreisigen        Paral-          lelschwingkreises    aufweist, d. h.     sowohl    das     Amplitu-          denmaximum    wie auch die Phasenverschiebung null  bei der     Eigenfrequenz    vorhanden ist.

   Die Selektivität  des elektrischen Filters ist     ausschliesslich    durch die me  chanischen     Eigenschaften    der schwingenden Saite be  stimmt und ist viel höher als jene der     elektrischen    Fil  ter gleicher Resonanzfrequenz.  



  Wird die Spannung U durch     einen        passenden    Ver  stärker     wieder    an     den    Eingang des Vierpols gegeben,  so ist eine     Selbsterregung    des Systems     Vierpol-Ver-          stärker    möglich.

   Man stelle sich     zunächst    vor, dass das  System auf der     Eigenfrequenz        schwinge.        Wenn    der  Verstärker nicht selektiv     ;ist    und eine Phasenverschie  bung     null    und     eine    Verstärkung     Uw    / U aufweist, die  dem     Übertragungsmass    des Vierpols bei der     Eigen-          frequenz    entspricht,

   so ist das System     schwingungs-          fähig    und     labil.    Für die übrigen     Frequenzen    ist das  System nicht     schwingungsfähig,    da     die    Verstärkung der       offenen.        Schleife        ungenügend    ist. Das System soll nun  auf eine feste vorzugsweise kleine Schwingungsampli  tude stabilisiert werden.

   Hierzu soll der     Verstärker          urlinear    gemacht werden; der Verstärker soll für    kleine Amplituden mehr verstärken als in obigem Bei  spiel des labilen     Oszillators,    für grosse Amplituden  weniger. Man stelle sich einen     begrenzenden    Verstär  ker vor, welcher für ganz kleine, hier nicht interessie  rende     Amplituden    unabhängig von den Amplituden  verstärkt, d. h. eine Ausgangsspannung proportional  zur Eingangsspannung liefert, während er von einer       gewissen    Amplitude an eine konstante Ausgangsspan  nung liefert, ungeachtet der Eingangsspannung.

   Dabei       sei    die Ausgangsspannung des Verstärkers ebenso     si-          nusförmig    wie die     Eingangsspannung,    mit ihr synchron  und in der Amplitude konstant (linearer     Verzerrer).     Unter diesen Umständen wird sich die Saite auf die  jenige Amplitude stabilisieren, bei welcher die (um  gekehrt mit der Amplitude     varierende)        Verstärkung     den Wert des obigen Beispiels des labilen     Oszülators     annimmt.

   Die Änderungsgeschwindigkeit der Saiten  schwingungsamplitude bzw. der Ausgangsspannung des  Vierpols hängt von der Art der     Unlinearität    ab.     Im        be-          schriebenen    Beispiel des konstant begrenzenden Ver  stärkers ist die erregende mechanische     Kraft    auf     die     Saite     konstant    und die     Dämpfungskraft    auf die Saite  annäherungsweise proportional zur Amplitude. Die  Differenz dieser zwei Kräfte ist proportional zur Ab  weichung zwischen der momentanen     Amplitude    und  dem Sollwert der Amplitude.

   Ist die Amplitude klei  ner als der Sollwert, so wird sie     asymptotisch    den  Sollwert erreichen mit einem exponentiellen Verlauf  definiert durch eine     charakteristische     Zeitkonstante     i    = 2     0/wo     mit Q = Güte des mechanischen Schwingkreises und  wo Eigenwert     der    Kreisfrequenz     desselben.    Ist die Am  plitude grösser all erwünscht, so wird     sie    mit demsel  ben Verlauf zum Sollwert     abklingen.     



  Wird der Verstärker regulierend gemacht, d. h.  wird die Ausgangsspannung umso kleiner je grösser  die Eingangsspannung, so wird diese     Zeitkonstante     verkürzt.  



       Stationäre    Änderungen .in der     Dämpfungskraft          führen    .im ersten Fall zu gleich grossen,     sm    zweiten  Fall zu kleineren     stationären    Änderungen der Schwin  gungsamplitude. Dasselbe gilt für Änderungen der  erregenden Kraft.  



  Soll die Saite auf der     Grundfrequenz        schwingen,    so  genügt ein einziges Polpaar wie in     Fig.    2 schematisch  angedeutet ist. Sollen höhere Harmonische     erregt    wer  den, so wird die Anzahl der     Polschuhpaare    entspre  chend erhöht, z. B. gemäss     Fig.    5 auf 3 Paare oder       Fig.    2 bzw. 8 auf 5 bzw. 4 Paare. Die Breite der Pol  schuhe soll in den Grenzen von 1/ bis 9/1o, vorzugs  weise     bei    etwa     '11o    des Knotenabstandes     liegen.     



       Fig.    6 und 7 zeigen     als    Ausführungsbeispiel 5 c       förmige    Magnete 11 in     einem    geschlossenen     Rahmen     12, 12 a. Am oberen Joch 13 dieses Rahmens ist     in          einer    Bohrung 14 isoliert der eine Spannkopf 15 der  Saite 1     gelagert,        während    der andere Spannkopf 16  der     Saite    1     metallisch    .leitend mit der Masse 17 fest  verbunden ist, welche mit, gegenüber dem Rahmen 12       isoliert,

      zwei     Blattfedern    18     (Fig.    7a) parallel geführt  ist, so dass die Saite 1 im Luftspalt zwischen den Pol-           schuhen        N-S    zentriert ist. Mit zwei     Anschlussdrähten     19 und 20 wird die Saite in die vorstehend beschriebe  ne - Brücke eingeschaltet.

   Die Anordnung gemäss       Fig.    6 kann als Beschleunigungsmesser     dienen    (für  vertikale Beschleunigung) oder als Kraftmesser oder  Waage (Zug 21 nach unten) oder als     Oszillator    zur  Erzeugung einer bestimmten     Frequenz    (Auflegen von  Gewichten auf eine nicht     gezeichnete    bei 21 ange  brachte Schale).  



       Fig.    8, 9 und 10 zeigen als Ausführungsbeispiel, in  welcher Weise die Abmessungen miniaturisiert werden       können.    Zwei wechselweise magnetisierte Stäbe 23  stehen einander gegenüber, mit Polschuhen 24 (welche  auch aufgesetzt sein     körnen).    Jeder Stab 23 trägt eine  Ankerplatte 25     (Fig.    10). Zwei solche Teile zusam  mengelegt     (Fig.    9) ergeben das     erforderliche    geschlosse  ne Magnetsystem.  



  Die unerwünschten höheren     Harmonischen    wurden  bis jetzt     stillschweigend    aus dem Spiel gelassen. In Tat  und Wahrheit     sollen        apparative        Massnahmen        getroffen     werden, damit die     unerwünschten        höheren    Harmoni  schen nicht     miterregt    werden.

   Ideal wird dies dadurch  erreicht, dass die Feldstärke des     Magnetfeldes    gemäss       Fig.    4a einen     sinusförmigen    Verlauf in Funktion der  Längskoordinate der Saite (wie die     Schwingungsampli-          tude    selbst) aufweist. Unter diesen Umständen würden  Schwingungen höherer Ordnung überhaupt nicht er  regt werden, da die Erregerkraft in gewissen     Saitenab-          schnitten    durch entgegengesetzte Kräfte in anderen  Seitenabschnitten kompensiert würde.

   Diese extreme  Massnahme ist aber nicht notwendig,     wenn    man die  Feldstärke in einem zentralen     Abschnitt    der Saite       annähernd    konstant macht und ausserhalb dieses     'Zen-          tralabschnittes    in natürlicher Weise abfallen lässt       (Fig.    4 b), insofern der Verstärkungsgrad des     un-          selektiv    vorausgesetzten Verstärkers für     keine    Ampli  tude übertrieben hoch ist.

   So ist es möglich, die  gewählte Frequenz noch zu     erregen,    während für die  höheren     Harmonischen    die     Schwingungsbedingung          .nicht        erfüllt    ist. Für extrem hohe Ansprüche kann das       Magnetfeld    auch genauer     sinusförmig    gestaltet werden,  z. B. durch Wölben     der    Polschuhe oder dadurch, dass  der     sinusförrnige    Verlauf des Magnetfeldes durch ent  sprechend verlaufendes     Quermagnetisieren    von Stäben  (ähnlich     Fig.    8 aber     ungekerbt)    erreicht wird..  



  Ist es aber von Interesse, eine höhere     Harmonische     zu erregen, um beispielsweise die Störeffekte der Ein  spannstellen zu     verkleinern,    so kann eine Schar von  oben beschriebenen     Magneten    mit abwechslungsweiser  Polarität     in    gleichen Abständen entsprechend     einer     halben Wellenlänge verwendet werden.     Dabei    soll  ähnlich wie bei     eitlem    Elektromotor dafür gesorgt  werden, dass die Nebenschlüsse zwischen den ver  schiedenen Magnetsystemen bescheiden     bleiben,    was  mit der oben beschriebenen Anordnung nicht in Wi  derspruch steht.

   Die     Fig.    5 zeigt schematisch,     Fig.    6  und 7 zeigen Ausführungsbeispiele einer derartigen  Magnetschar.  



       In        beiden    oben beschriebenen Fällen, in jenem der       Grundfrequenz    und in jenem einer höheren Harmoni-    sehen, wurde die Ordnung des Eigenwertes (l. Ord  nung:     Grundfrequez;    2. Ordnung: zwei     Harmonische;          u:s.w.)    durch eine     geometrisch-selektive    Magnetfeld  verteilung erreicht. Der Verstärker ist     breitbandig    und  trägt nicht zur     Selektivität    der offenen Schleife bei.

    Somit ist es die Saite allein, welche für die gewählte       Ordnung    des Eigenwertes die Schwingungseigenschaf  ten des     Oszillators    bestimmt.  



  Vorstehend ist     beschrieben,    wie die Saite 1 als  Widerstand     R,    .galvanisch in den Brückenstromkreis  eingeschaltet ist. Dies ist jedoch nicht notwendig. Es  kann gemäss     Fig.    2 unter Wegnahme der Verbindun  gen     zwischen    den Punkten 4-5 und 6-7 die     Wicklung     9 des     Transformators    10 in die Brücke     eingeschaltet     werden, während die Saite an die andere Wicklung 8  des gesagten Transformators 10 angeschlossen ist.

       Im          Grenzfahl        kann    die     Wicklung    9 des gesagten Transfor  mators 10 eine     einzige    Windung aufweisen.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH Von äusseren Kräften in seiner Frequenz beein- flusster Oszillator, enthaltend eine metallische bzw. nichtmetallische, aber durch metallischen Überzug oder metallische Seele leitend gemachte Saite bzw. Stab, dadurch gekennzeichnet, dass Saite bzw.
    Stab sowohl als mechanisches Schwingungssystem (1) als auch als elektrischer Widerstand (R,.) in einem Statischen Ma gnetfeld quer zur Längsachse der ruhenden Saite bzw. des Stabes und quer zur Schwingungsrichtung ange bracht ist, wobei die Saite bzw . der Stab über die Einspannstellen (15, 16) zweipolig mit einer Brücken- schaltung verbunden ist.
    UNTERANSPRÜCHE 1. Oszillator nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass das mechanische Schwingungssystem, Saite-bzw. Stab, als Widerstand (Rh) in eine abgegli chene Widerstandsbrücke eingeschaltet ist, derart, dass die beim Schwingen von Saite bzw.
    Stab ent stehende elektromotorische Kraft als Spannung " über einer Diagonale der Brücke erscheint, welche proportional zur Schwingungsamplitude und unabhän gig vom allfälligen Wert des die Saite durchfliessenden Stromes ist, wobei die generatorisch in Saite bzw. Stab erzeugte Spannung phasengleich durch wen Verstär ker und eine Brücke in Strom umgesetzt, Saite bzw.
    Stab durchfliesst und damit den im Magnetfeld befind lichen Leiter, Saite bzw. Stab, motorisch bewegt. 2. Oszillator nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass Saite bzw. Stab als Widerstand (R1) mit einem gleich grossen Widerstand (R2) und zwei wesentlich grösseren, unter sich gleichen Wider ständen (R3 und R4 eine Brücke bilden, wobei Saite bzw.
    Stab über ihre Einspannstelle mit der Brücken schaltung galvanisch oder transformatorisch verbunden ist. 3. Oszillator nach Patentanspruch; dadurch gekenn- zeichnet, dass die Saite aus Metall besteht oder aus nicht- oder schlecht leitendem Material hergestellt und mit einem gut .leitenden Belag versehen ist, oder aus nicht- oder schlecht leitendem Grundmaterial besteht und mit einer oder mehreren gut leitenden Seelen ver sehen ist.
    4. Oszillator nach Patentanspruch, dadurch gekenn zeichnet, dass mit mehreren Polpaaren höhere Harmo nische erregt werden, so dass der Verlauf der Feld stärke zwischen den Knoten der Saite sinushalbwellen- förmig, (Fig. 4a)
    also wie die Schwingungsform der Saite selbst gewählt wird und dass dieser sinushalbwel- len-förmige Verlauf der Feldstärke durch einen Luft- spalt variabler Breite oder durch verschieden stark quermagnetisierte längs der Saite laufende Stäbe er zeugt wird.
    5. Oszillator nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass ein annähernd gemäss einem Tra pez mit zwei abgerundeten Ecken verlaufendes Magnet feld (Fig. 4 b) durch Polschuhe mit einer Länge von 1/4 bis 9/l. des Knotenabstandes erzeugt wird.
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