Mechanisches Frequenzfilter Die Erfindung betrifft ein mechanisches
Frequenzfil.ter, weiches aus zu, mechanischen Schwingungen erregten Resonanzkörpern
besteht, die über mechanische Koppelelemente miteinander gekoppelt sind. Derartige
Filter sind in den verschiedensten Formen-bekannt; wie z. B. aus ° der Literaturstelle
»Proceedings I. R: E,«; Januar 1957,:. S.- 5 bis 16, hervorgeht. In diesem Aufsatz
sind auch-bereits Filter beschrieben, die aus einzelnen kreisförmigen Platten bestehen,-diedurch
an den Plattenrändern angeschweißtetÄZ>rä-hle; miteinander verkoppelt sind. Dabei
werden-die Plattenin Schwingungen erregt, die man als rotationssymmetrische Biegeschwingungen
bezeichnen könnte. Derartige Filter neigen sehr stark zu Nebenwellen, d. h. zur
Anregung in unerwünschte Schwingungsformen, in denen die Platten nicht nur kreisförmige,
zentralsymmetrische Knotenlinien, sondern auch radial verlaufende Knotenlinien der
Schwingung ausbilden. Durch die Erfindung werden Frequenzfilter ähnlicher Form beschrieben,
die diese Schwierigkeiten nicht bzw. in sehr viel geringerem Maße zeigen.Mechanical frequency filter The invention relates to a mechanical frequency filter
Frequency filter, soft from resonance bodies excited by mechanical vibrations
exists, which are coupled to one another via mechanical coupling elements. Such
Filters are known in a wide variety of forms; such as B. from ° the literature reference
"Proceedings I. R: E,"; January 1957,:. Pp. 5 to 16. In this essay
Filters that consist of individual circular plates have also already been described
welded to the plate edges ÄZ> rä-hle; are coupled to each other. Included
- the plates are excited in vibrations, which are called rotationally symmetrical bending vibrations
could denote. Such filters have a very strong tendency to produce spurious waves, i. H. to the
Excitation in undesired waveforms, in which the plates are not only circular,
centrally symmetrical nodal lines, but also radial nodal lines of the
Develop vibration. The invention describes frequency filters of a similar shape,
which do not show these difficulties or show them to a much lesser extent.
Die Erfindung geht von einem mechanischen Frequenzfilter aus, bei
welchem die zu Biegeschwingungen erregten Resonanzkörper durch longitudinal schwingende
Koppeldrähte oder -streifen miteinander gekoppelt sind, die zugleich der Halterung
der Resonatoren dienen. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch zylindrische oder
prismatische Stäbe als Resonanzkörper. Als Resonanzkörper wird man gestreckte Stäbe
von vorzugsweise kreisförmigem, elliptischem oder rechteckförmigem Querschnitt verwenden,
wie sie beispielshalber in Fig. l a, 1 b und 1 c dargestellt sind. Bezeichnet
man mit L die Länge des Schwingkörpers, mit a die Seite des rechteckigen Querschnitts,
parallel zu welcher die Biegeschwingung verläuft (Fig. 1 a), so ergibt sich für
die Eigenfrequenz F der Biegeschwingungen:
Dabei ist unter m die Größe m=(k+1/2) zu verstehen, bei welcher k die Ordnungszahl
der Harmonischen ist, in die der Stab zur Schwingung angeregt wird. E ist der Elastizitätsmodul,
aus dem der Resonanzkörper gefertigt ist. Für kreisförmigen Querschnitt (Fig. 1
b) ergibt sich für die Eigenfrequenz entsprechend die Formel:
Fig. 2 zeigt die Ausführung eines Filters mit derartigen, in Biegeschwingungen erregten
Resonanzkörpern. Dabei sind die einzelnen Resonanzkörper 1 durch an geeigneten Punkten
ihrer Oberfläche angeschweißte, in longitudinalen Schwingungen erregte Drähte miteinander
gekoppelt. An sich genügt bereits ein einzelner durchlaufender Draht 2, der jeweils
an jedem Resonanzkörper an einem Punkt der Mantelfläche in der Mitte zwischen den
beiden Enden angeschweißt ist. Die Abstände der Befestigungspunkte auf dem Draht
werden vorzugsweise zu .1 /4 für die Longitu@dinalwellen in dem Draht gewählt. Vorteilhafter
wegen der besseren Symmetrie und damit größeren Sicherheit gegen Erregung von Nebenwellen
ist eine Anordnung, bei der - wie in Fig. 3 gezeigt -zwei Koppeldrähte verwendet
werden, die jeweils an gegenüberliegenden Punkten der Mantelfläche der Resonanzkörper
angeschweißt sind. Eine weitere Kopplungsmöglichkeit, die noch größere mechanische
Stabilität besitzt, besteht darin, die Kopplungsdrähte an den Enden der Schwingkörper
zu befestigen, wie dies Fig. 4 zeigt. Die Anregung derartiger Filtergebilde, d.
h. die Ankopplung an die entsprechenden elektrischen Eingangs- und Ausgangskreise,
geschieht in bekannter Weise z. B. durch magnetostriktive Wandler, die in den Fig.
2 bis 4 jeweils mit dem Bezugszeichen 3 angedeutet sind. Diese Wandler können auch
selbst als Resonanzelemente rechnerisch mit in die Filtercharakteristik eingehen
und sind für die dargestellte Form der Ankopplung als longitudinal schwingende Resonanzelemente
aufzufassen. Statt der dargestellten magnetostriktiven Wandler können auch andere
elektromechanische Wandler verwendet werden. Hierauf soll jedoch im vorliegenden
Zusammenhang nicht eingegangen werden, da sie nicht zum eigentlichen Gegenstand
der Erfindung gehören.The invention is based on a mechanical frequency filter in which the resonance bodies excited to flexural vibrations are coupled to one another by longitudinally vibrating coupling wires or strips, which at the same time serve to hold the resonators. The invention is characterized by cylindrical or prismatic rods as resonance bodies. Stretched rods of preferably circular, elliptical or rectangular cross-section, such as those shown by way of example in FIGS. 1a , 1b and 1c, will be used as the resonance body. If one denotes the length of the vibrating body with L, and with a the side of the rectangular cross-section to which the bending vibration runs (Fig. 1 a), then for the natural frequency F of the bending vibrations we get: Here, m is to be understood as the quantity m = (k + 1/2), for which k is the ordinal number of the harmonics in which the rod is excited to vibrate. E is the modulus of elasticity from which the sound box is made. For a circular cross-section (Fig. 1 b), the following formula results for the natural frequency: Fig. 2 shows the design of a filter with such resonance bodies excited in flexural vibrations. The individual resonance bodies 1 are coupled to one another by wires which are welded to their surface at suitable points and are excited in longitudinal vibrations. A single continuous wire 2, which is welded to each resonance body at a point on the lateral surface in the middle between the two ends, is already sufficient. The distances between the fastening points on the wire are preferably selected to be .1 / 4 for the longitudinal waves in the wire. More advantageous because of the better symmetry and thus greater security against excitation of secondary waves is an arrangement in which - as shown in Fig. 3 - two coupling wires are used, which are each welded to opposite points on the outer surface of the resonance body. Another coupling option, which has even greater mechanical stability, consists in attaching the coupling wires to the ends of the oscillating bodies, as FIG. 4 shows. The excitation of such filter structures, ie the coupling to the corresponding electrical input and output circuits, takes place in a known manner, for. B. by magnetostrictive transducers, which are each indicated in FIGS. 2 to 4 with the reference number 3. These transducers themselves can also be included in the filter characteristics as resonance elements and are to be understood as longitudinally oscillating resonance elements for the form of coupling shown. Instead of the magnetostrictive converters shown, other electromechanical converters can also be used. However, this should not be discussed in the present context, since they do not belong to the actual subject matter of the invention.
Die beschriebenen Filterformen lassen auch eine Variation des Kopplungsgrades
zwischen den einzelnen Filterelementen zu. An sich hängt der Kopplungsgrad
von
den mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Kopplungsdrähte ab, so daß
man die Kopplung durch geeignete Wahl des Drahtmaterials und des Drahtquerschnitts
einstellen kann. Es ist jedoch häufig erwünscht, verschiedene Kopplungsgrade zwischen
den einzelnen Resonanzelementen mit der gleichen Drahtsorte herzustellen, insbesondere
wenn man durchgehende Drähte zur Verkopplung sämtlicher Resonanzelemente verwendet.
In diesem Falle können die Drähte an anderen Stellen als in den Fig. 2, 3 und 4
angedeutet, nämlich zwischen den Mittelpunkten und den Endpunkten -der stabförmigen
Resonanzelemente angeschweißt werden. Die Knotenpunkte der Schwingung eines in Biegeschwingungen
erregten stabförmigen Resonanzkörpers liegen an Stellen, die 0,2241 von den Endpunkten
entfernt liegen. Eine Befestigung der Kopplungsdrähte an dieser Stelle würde also
theoretisch eine Kopplung ergeben, die gleich Null ist. Sehr kleine Kopplungen können
demnach durch Befestigung der Koppeldrähte in der Nähe dieser Stelle erreicht werden,
während größere Kopplungen erhalten werden, wenn man die Befestigungspunkte weiter
.von dieser -- Stelle weg wählt.- Ein - Filter mit variierter Kopplung nach diesem
Prinzip ist in Fig. 5 dargestellt. Es sind noch viele andere Ausführungsformen der
Erfindung möglich, die nicht alle im einzelnen dargestellt werden können.The filter shapes described also allow the degree of coupling to be varied
between the individual filter elements. In itself, the degree of coupling depends
from
the mechanical and geometric properties of the coupling wires, so that
the coupling is achieved by a suitable choice of the wire material and the wire cross-section
can adjust. However, it is often desirable to have different degrees of coupling between
to produce the individual resonance elements with the same type of wire, in particular
when using continuous wires to couple all of the resonance elements.
In this case, the wires can be in other places than in FIGS
indicated, namely between the centers and the end points -the rod-shaped
Resonance elements are welded on. The nodal points of the vibration of one in bending vibrations
energized rod-shaped resonance bodies are located at locations 0.2241 from the endpoints
be distant. An attachment of the coupling wires at this point would therefore
theoretically result in a coupling that is equal to zero. Very small couplings can
can therefore be achieved by fastening the coupling wires in the vicinity of this point,
while larger couplings are obtained by moving the attachment points further
.from this - selects away.- A - filter with varied coupling after this
The principle is shown in FIG. 5. There are many other embodiments of the
Invention possible, which cannot all be shown in detail.