Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen einer Schwingung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Schwingung, deren Frequenz ein gebrochenes Vielfaches der Frequenz einer Grundschwingung ist.
In der Technik, vor allem in der Rechenmaschinen technik, ist es vielfach erwünscht, eine Schwingung zu erzeugen, deren Frequenz ein gebrochenes Vielfaches der Frequenz einer Grund- oder Normalschwingung ist. Bisher geschieht das dadurch, dass von der Grund- schwingung, von der ausgegangen wird, d. h. von der Ausgangsschwingung bestimmte Harmonische und Sub- harmonische abgeleitet und in bestimmten Verhältnissen miteinander gemischt werden, gegebenenfalls nochmals Harmonische und Subharmonische abgeleitet werden und so fort.
Dieses bekannte Vorgehen erfordert einen verhält- nismässig grossen Schaltungsaufwand; die dabei übliche Verwendung von Multivibratoren bringt darüber hinaus den Nachteil mit sich, dass eine einwandfreie Phasenbe ziehung zwischen der Ausgangsschwingung und der erzeugten Schwingung nicht mehr besteht. Das gilt insbesondere dann, wenn kompliziert abzuleitende Fre quenzen erzeugt werden sollen, wie beispielsweise das 13/22-fache der Ausgangsfrequenz.
Es ist bekannt, eine Schwingung auf ein sich dieser Schwingung gegenüber nichtlinear verhaltendes System zu geben, das die Reaktion des Systems auf die Schwingung darstellende Schwingungsgemisch abzuneh men und eine gewünschte Schwingung, d. h. eine Schwingung mit einer gewünschten Frequenz aus dem Schwingungsgemisch auszufiltern. Bisher wurde dieses Verfahren jedoch ausschliesslich zur Bildung von ganzzahligen Harmonischen und Subharmonischen ver wendet, d. h. von Schwingungen, deren Frequenz durch Multiplikation mit oder Division durch eine kleine ganze Zahl aus der Frequenz der Ausgangsschwingung errech net werden konnte.
überraschenderweise hat sich gezeigt, dass dieses bekannte Verfahren auch zum Erzeugen von Schwingun gen geeignet ist, deren Frequenz ein gebrochenes Vielfaches der Frequenz einer Ausgangsschwingung ist, d. h. die Frequenzen der erzeugten Schwingung und der Ausgangsschwingung haben ein Verhältnis von 2/3, 3/4, 3/s usw. zueinander.
Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine Schwingung zu erzeugen, deren Frequenz ein gebroche nes Vielfaches der Frequenz einer Ausgangsschwingung ist, ohne dass der dazu bisher notwendige Schaltungsauf wand benötigt wird und wobei eine starre Phasenbezie hung zwischen der Ausgangsschwingung und der erzeug ten Schwingung herrscht.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Grundschwingung mit einer solchen Amplitude auf ein schwingungsfähiges System gegeben wird, dass dieses sich der Schwingung gegenüber nichtlinear verhält, dass das die Reaktion des Systems auf die Schwingung darstellende Schwingungsgemisch abgenommen wird, und dass die gewünschte Schwingung aus dem Schwingungsgemisch ausgefiltert wird.
Durch die Ausgangsschwingung wird in das System Energie eingeführt, und wenn nur die erzeugte Schwin gung abgenommen wird, würde das System immer mehr Energie aufnehmen. In weiterer Ausbildung der Erfin dung wird deshalb vorgeschlagen, dass die im System enthaltene und durch die Ausgangsschwingung einge führte Energie abgeführt wird.
Wenn das System z. B. ein mechanische Schwingun gen ausführender Körper ist, wird die durch die Ausgangsschwingung zugeführte Energie normalerweise in Wärmeenergie umgesetzt, und diese kann am einfachsten dadurch abgeführt werden, dass der Körper gekühlt wird. Wenn die zugeführte Energie auch bei andere Schwingungen ausführenden Systemen in Wär meenergie übergeführt wird, kann das selbstverstänlich in gleicher Weise geschehen. Gewöhnlich geschieht das durch Konvektion und Wärmeabfuhr über die Zulei tungsdrähte.
Die Energie der zu erzeugenden Schwingungen ist natürlich begrenzt, und es kommt deshalb darauf an, die Verluste im System möglichst klein zu halten. Bei mechanische Schwingungen ausführenden Körpern beru hen diese Verluste hauptsächlich auf innerer Reibung. Diese kann durch Kühlung auf sehr tiefe Temperaturen ganz wesentlich herabgesetzt werden, insbesondere wenn der Körper auf Temperaturen unterhalb von 80 K gekühlt wird.
Aus älteren Untersuchungen (US-Patent- schrift 3 012 204) ist es bekannt, dass die inneren Verluste frequenzselektiv herabgesetzt werden können, wenn bei Temperaturen im Bereich von 30 K gearbeitet wird; in weiterer Ausbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, das auch beim erfindungsgemässen Ver fahren zu tun, wenn besonders hohe Anforderungen zu erfüllen sind. Sonst lohnt sich der zur Erzeugung so tiefer Temperaturen erforderliche Aufwand nicht.
Zur praktischen Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Schwingungsgenerator an ein schwingungsfähiges, nicht lineares System angekoppelt ist, dass ein Schwin gungsdetektor an das schwingungsfähige System ange koppelt ist, und dass der Schwingungsdetektor über ein Filter an einen Schwingungsverbraucher angeschlossen ist.
Die Erfindung soll anhand der Zeichnung beispiels weise näher erläutert werden; es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Schwingung; Fig. 1 a die Vorrichtung nach Fig. 1 in üblicher Schaltsymbolik; Fig. 2 eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung in Schaltsymbolik; Fig. 3 eine dritte Vorrichtung nach der Erfindung in üblicher Schaltsymbolik;
Fig. 4 eine Ausgangsschwingung mit überlagerter erzeugter Schwingung sowie die erzeugte Schwingung nach Vorfilterung; Fig. 5 für das gleiche Frequenzverhältnis wie in Fig. 4 eine Überlagerung der Ausgangsschwingung und der erzeugten Schwingung zur Darstellung der phasenmässig einwandfreien Beziehung der beiden Schwingungen auch bei abweichender relativer Phasenlage;
und Fig. 6 eine mit der erzeugten Schwingung überlagerte Ausgangsschwingung sowie die erzeugte Schwingung nach endgültiger Ausfilterung bei einem Frequenzver- hältnis 13/22.
Wie in Fig. 1 dargestellt,, ist ein piezoelektrischer Schwinger 11, bestehend aus einem in bekannter Weise in einer bestimmten kristallographischen Richtung ge schnittenen Quarzplättchen 12 und zwei Metallbeschich tungen 13 und 14, an die in üblicher Weise Elektroden angeschlossen sind, in einer Kühlvorrichtung 15 unterge bracht.
In der Kühlvorrichtung herrscht eine Temperatur von 77 K; wenn die inneren Verluste im Kristall 12 noch stärker herabgesetzt werden sollen, werden vor zugsweise Temperaturen im Bereich von 30 K und darunter verwendet. Unbedingt erforderlich ist eine Kühlung auf tiefe Temperaturen nicht, es genügt völlig, wenn die im Quarzplättchen erzeugte Wärme abgeführt wird, ohne dass Temperaturen unter Zimmertemperatur erreicht werden.
Der Kristall 12 hat eine Eigenfrequenz von 25 MHz, und er ist an einen Generator 16 angeschlossen, der eine Schwingung mit dieser Frequenz liefert. Die Spannungs amplitude beträgt ca. 1 Volt.
Weiter sind die Elektroden 13 und 14 an einen Detektor 17 angeschlossen, der wenigstens ein Filter enthält, das auf ein gebrochenes Vielfaches der Aus gangs- oder Erregungsfrequenz von 25 MHz abgestimmt ist.
Wird an den Detektor 17 ein Oszillograph ange schlossen, so ergeben sich je nach Stärke der Ausfilte rung beispielsweise die in Fig. 4 dargestellten Bilder. In Zeile 1 von Fig. 4 ist noch eine Mischung der Ausgangsfrequenz von 25 MHz mit der im Kristall 12 erzeugten Schwingung zu erkennen; in Zeile 2 von Fig. 4 ist die erzeugte Schwingung dargestellt; die leichte Verzerrung der dargestellten Schwingung, die nach einer Original-Oszillographenaufnahme gezeichnet ist, ist ver mutlich auf Erscheinungen im Filter zurückzuführen.
Wie sich durch Abzählung der positiven Maxima der beiden übereinander dargestellten Kurven in einem Bereich zwischen zwei Wiederholungen des gleichen Schwingungsbildes ergibt, verhält sich die Frequenz der erzeugten Schwingung (Zeile 2) zur Frequenz der Ausgangsschwingung wie 3/8.
In Fig. 5, ebenfalls bei einem Frequenzverhältnis 3/8, ist einwandfrei zu erkennen, dass sich nach acht positiven (oder negativen) Maxima der Grund- oder Ausgangsschwingung das Schwingungsglied identisch wiederholt, also zwischen der Ausgangs- oder Grund schwingung und der erzeugten Schwingung eine starre phasenmässige Beziehung besteht, auch wenn eine andere relative Phasenlage zwischen beiden Schwingun gen vorliegt, wie durch die Abweichungen in Fig. 5 gegen Zeile 1 von Fig. 4 ersichtlich.
Diese einwandfreie Beziehung besteht auch bei einer in Fig. 6 dargestellten Schwingungskombination, bei der die Frequenz der erzeugten Schwingung 13/22 der Ausgangsschwingung beträgt. Wieder ist in Zeile 1 eine überlagerung der Grund- oder Ausgangsschwingung von 25 MHz mit der erzeugten Schwingung und in Zeile 2 die erzeugte Schwingung dargestellt.
Wenn bei der Vorrichtung nach Fig. 1 die Grund- schwingung mit einer Amplitude von einigen Volt auf den Schwinger 11 gegeben wird, entsteht am Detektor 17 die erzeugte Schwingung mit einer Amplitude von einigen Millivolt, also in einer für praktische Zwecke völlig ausreichenden Stärke. Es ist jedoch zu erwarten, dass bei weiterer Verringerung der inneren Verluste und Verbesserung der Einspeisung der Grund- oder Erre gungsschwingung in den Schwinger 11 der Bedarf an Anregungsenergie wesentlich verringert werden kann.
Geeignete Techniken hierzu sind beispielsweise in der US-Patentschrift 3 012 204 beschrieben.
Andere geeignete Anordnungen sind in Fig. 2 und 3 dargestellt. Gemäss Fig. 2 ist ein Schwinger 21 mit einer Eigenfrequenz von 25 MHz an einen Generator 22,, der diese Eigenfrequenz liefert, angeschlossen. An den Schwinger 21 ist ein weiterer Schwinger 23 angekoppelt, der an einen Detektor 24 angeschlossen ist. Der Schwinger 23 ist zweckmässigerweise auf die Frequenz der zu erzeugenden Schwingung abgestimmt, dadurch wird ein Filter im Detektor 24 eingespart. Notwendig ist diese Abstimmung jedoch nicht.
Die Amplitude der erzeugten Schwingung ist bei der Vorrichtung nach Fig. 2 gleich der Amplitude der in einer Vorrichtung nach Fig. 1 und la erzeugten Schwingung; es wird jedoch eine höhere Amplitude der Ausgangsschwingung benö- tigt. Bei Verbesserung der Ankopplungstechnik der beiden Schwinger 21 und 23 kann dieser erhöhte Energiebedarf verringert werden.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist ebenfalls ein Schwinger 31 an einen Generator 32 angeschlossen und mit einem Schwinger 33, der an einen Detektor 34 angeschlossen ist, gekoppelt, aber über einen Körper 35 aus einem festen Werkstoff. Bei Verwendung eines Körpers 35 aus festem Werkstoff ist es möglich, den Generator- und Detektorkreis galvanisch zu trennen, und es können für den Körper 35 beliebige Werkstoffe verwendet werden, die die Eigenschaft haben, Ultra schallschwingungen ohne grosse Verluste zu leiten.