-
Elektromechanisches Filter mit magnetostriktiv wirkenden Eingangs-
und Ausgangswandlern Die vorteilhaften Eigenschaften der mechanischen Schwingsysteme
von elektromechanischen Filtern kommen nur dann voll zur Geltung, wenn die elektromechanischen
Wandler solcher Filter einer Reihe von Anforderungen genügen. Die Weiterentwicklung
der elektromechanischen Siebanordnungen steht daher in engem Zusammenhang mit den
Fortschritten, die sich bei den Eingangs- und Ausgangswandlern dieser Filter erzielen
lassen.
-
Es ist bekannt, daß sich das übertragungsverhalten von elektromechanischen
Filtern im Durchlaßbereich durch die Erhöhung des elektromechanischen Kopplungsfaktors
der Wandler verbessern läßt. Im Zusammenhang hiermit sind bereits auf magnetostriktiver
Grundlage arbeitende Wandler für elektromechanische Filter angegeben worden, bei
deren Entwurf davon ausgegangen wurde, dem durch die Materialkonstanten von vornherein
festgelegten theoretischen Höchstwert des elektromechanischen Kopplungsfaktors dadurch
nahezukommen, daß zum einen als Anbringungsort der Wandlerspule ein Abschnitt des
Wandlerelements vorgesehen ist, dessen Mitte einen Knotenpunkt seiner Schwingbewegung
bildet, und daß zum anderen die Längen der Abschnitte zwischen diesem Knotenpunkt
und den Enden des Wandlerelements nach schwingungstechnischen Gesichtspunkten bemessen
sind. Für ein elektromechanisches Filter, bei welchem als mechanisches Schwingsystem
zu axialsymmetrischen Biegeschwingungen erregte, plattenförmige Resonatoren vorgesehen
sind, deren Stirnflächen in geringen gegenseitigen Abständen einander gegenüberstehen
und bei welchem parallel verlaufende, sich zwischen den Resonator-Stirnflächen erstrekkende
Drahtstücke der Kopplung der einzelnen Resonatoren dienen, ergaben sich auf diese
Weise Wandler mit einem drahtförmigen, Longitudinalschwingungen ausführenden Element,
dessen Länge drei Vierteln der Wellenlänge der longitudinalen Grundschwingung im
Werkstoff des Wandlerelements entspricht und dessen von der Wandlerspule umgebener
Schwingungsknoten von dem Drahtende, das mit dem Endresonator des Filter-Schwingsystems
verbunden ist, einen Abstand aufweist, welcher der Hälfte dieser Wellenlänge gleich
ist.
-
Ferner ist es bereits bekannt, daß sich der effektive elektromechanische
Kopplungsfaktor der magnetostriktiv wirkenden Wandler von elektromechanischen Siebanordnungen
durch ein Gehäuse aus magnetisch weichem Werkstoff um die Wandlerspulen merklich
erhöhen läßt. Bei Filtern dieser Art mit einem einzigen Resonator, der zugleich
das schwingfähige Element des Eingangs- und des Ausgangswandlers bildet, wird dieses
Gehäuse vielfach so ausgeführt, daß es den Spulen beider Wandler Raum gibt und zugleich
ihre gegenseitige Beeinflussung unterbindet.
-
Schließlich gehören bereits magnetostriktiv wirkende Wandler für elektromechanische
Filter dem Stande der Technik an, bei welchen die Steigerung des elektromechanischen
Kopplungsfaktors durch die Anwendung mehrerer in Reihe geschalteter Spulen erreicht
ist, welche dem entsprechend länger ausgeführten, zu Longitudinalschwingungen anregbaren
Element solcher Wandler an Stellen zugeordnet sind, die als Knotenpunkte seiner
Schwingbewegung in Erscheinung treten. Beim schwingfähigen Element solcher Wandler
sind in dem Fall, daß die Spulen in einem Abstand aufeinanderfolgen, welcher der
halben Wellenlänge der Grundschwingung des Elements entspricht, an den zwischen
zwei Spulen befindlichen Teilen jeweils zwei Abschnitte zu unterscheiden, von welchen
der zur einen Spule zu rechnende Abschnitt sich im betrachteten Zeitpunkt verkürzt,
während der zur anderen Spule zu zählende Abschnitt sich verlängert. Von den verschiedenen
bekannten Maßnahmen, durch welche diesem Sachverhalt beim Eingangswandler und beim
Ausgangswandler Rechnung getragen werden kann, kommt unter der Voiaussetzung, daß
die Vormagnetisierung des Wandlerelements in der üblichen Weise erfolgen soll, in
erster Linie der Wechsel des Wicklungssinnes bei den in Reihe geschalteten Spulen
in Betracht.
-
Mit der Vergrößerung der Zahl der Wandlerspulen mehren sich -jedoch
rasch die Schwierigkeiten beim Zusammenbau und Betrieb der Wandler. Der Anbringungsort
der einzelnen Wandlerspulen maß bei der Fertigung mit großer Genauigkeit eingehalten
werden.
Des weiteren ist bei magnetostriktiv wirkenden Wandlern mit einer Vielzahl von Spulen
und abgestimmt betriebenem Wandlerelement mit vorzeitiger Dejustierung und dementsprechend
starkem Abfall des Wirkungsgrades zu rechnen. Ausgehend von einem elektromechanischen
Filter mit magnetostriktiv wirkenden Eingangs- und Ausgangswandlern, bei welchen
jeweils das eine Ende des drahtförmigen, zu Longitudinalschwingungen anregbaren
Wandlerelementes aus magnetostriktivem Material mit einem Resonator des mechanischen
Filter-Schwingsystems verbunden ist und bei welchen dem Wandlerelement mehrere in
Reihe geschaltete Spulen passend gewählten Wicklungssinnes zugeordnet sind, die
das vormagnetisierte Wandlerelement an aufeinanderfolgenden Knotenstellen seiner
Schwingbewegung umgeben, lassen sich diese Schwierigkeiten erfindungsgemäß umgehen
durch die Anwendung von Wandlern mit lediglich zwei Spulen in Verbindung mit der
Anwendung eines die beiden Spulen aufnehmenden, aus magnetisch weichem Werkstoff
bestehenden Gehäuses bei jedem Wandler, das durch einen zwischen die beiden Spulen
ragenden rotationssymmetrischen Vorsprung jede Spule für sich abschirmt.
-
Bei der nach den Lehren der Erfindung ausgebildeten Siebanordnung
wird eine nennenswerte Steigerung des elektromechanischen Kopplungsfaktors der Wandler
mit vergleichsweise geringem Aufwand erreicht, zumal da sich durch die Gehäuse für
die Wandler weitere Abschirmungen zur Beseitigung unerwünschter Kopplungen zwischen
dem Eingang und dem Ausgang des Filters erübrigen.
-
Es empfiehlt sich, bei dem Filter nach der Erfindung hinsichtlich
der Bemessung der Länge der aus den beiden Wandlerspulen ragenden Endabschnitte
des schwingfähigen Wandlerelements ebenso wie bei bekannten Wandlern von elektromechanischen
Filtern mit einer einzigen Spule zu verfahren und demgemäß die Länge des Abschnittes
am Wandlerelement zwischen seinem mit dem Resonator verbundenen Ende und dem diesem
Resonator nächstgelegenen und von einer Wandlerspule umgebenen Schwingungsknoten
so zu wählen, daß sie der Hälfte der Wellenlänge der longitudinalen Grundschwingung
im Werkstoff des Wandlerelements entspricht und für die Länge des Abschnittes zwischen
dem freien Ende des Wandlerelements und dem diesem Ende nächstgelegenen und von
einer Wandlerspule umgebenen Schwingungsknoten ein Viertel dieser Wellenlänge vorzusehen.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Filters nach der Erfindung
ist das Abschirmgehäuse für die Wandlerspulen in an sich bekannter Weise durch zwei
halbzylindrische Teile aus gepreßtem Eisenpulver verwirklicht, welche Ausnehmungen
für die Wandlerspulen aufweisen.
-
Weitere Einzelheiten des Filters nach der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen. In
den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform der Siebanordnung nach der Erfindung
in Seitenansicht bei aufgeschnittener Abdeckhaube, F i g. 2 den Eingangswandler
des Filters nach F i g. 1, F i g. 3 die Stirnansicht des Wandlers nach F i g. 2,
F i g. 4 ein Schaubild, aus welchem die Verteilung der Geschwindigkeit der Schwingungsauslenkungen
längs des schwingfähigen Elements der Wandler des Filters hervorgeht.
-
Bei dem durch F i g. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel des elektromechanischen
Filters nach der Erfindung ist eine Grundplatte 10 vorgesehen, auf der zwei
Träger 11 und 12 befestigt sind. Zwei Hohlzylinder 13 und
14 erstrecken sich durch diese Träger 11 und 12. An die Zylinder
13 und 14
sind jeweils Endplatten 16 und 17 angeschweißt.
-
Zwischen den Endplatten 16 und 17 wird durch sich in
der Längsrichtung des Filters erstreckende Koppeldrähte 19 eine Vielzahl
von Resonatoren 18
getragen. Die Resonatoren 18 sind auf Grund ihrer
Abmessungen zu axialsymmetrischen Biegeschwingungen anregbar und weisen Eigenfrequenzen
auf, die im Durchlaßbereich des Filters liegen. Die Koppeldrähte 19 führen
longitudinale Schwingungen aus. An den Resonatoren, die sich unmittelbar neben den
Endplatten 16 und 17 befinden, sind die das schwingfähige Wandierelement
verwirklichenden Drähte 21 und 22 aus magnetostriktivem Werkstoff
befestigt. Die Drähte 21 und 22 ragen in den Innenraum der Zylinder
13 und 14 und werden dort von den Wandlerspulen umgeben. Die Zylinder
13 und 14 bestehen aus Messing oder einem anderen geeigneten nichtmagnetischen
Material. Die Drähte 21
und 22 sind vormagnetisiert. Auf Grund ihrer
Dimensionierung und der äußeren Beschaltung des Filters sind die Drähte
21 und 22 als Resonatoren mit einer Eigenfrequenz wirksam, die der
Mittenfrequenz des Filter-Durchlaßbereichs entspricht.
-
Aus dem Zylinder 13 treten zwei Leitungen 23 und
24 aus, die an den durch die Grundplatte 10 geführten Anschlußklemmen
26 enden, die das Eingangsklemmenpaar des Filters bilden. In gleicher Weise
sind zwei von dem Zylinder 14 ausgehende Leitungen 27 und
28 an den die Grundplatte 10 durchsetzenden Anschlußklemmen
29 befestigt, die bei der angenommenen Übertragungsrichtung das Ausgangsklemmenpaar
darstellen. In F i g. 1 ist jeweils nur eine der in doppelter Anzahl vorhandenen
Klemmen 26 und 29
zu sehen.
-
An der Grundplatte 10 vorgesehene Befestigungsschrauben
31 und 32 dienen der Anbringung des Filters auf einem Chassis. Die
Abdeckhaube 33 ist üblicherweise von rechteckiger Form und an die Grundplatte
10 geschweißt oder gepreßt.
-
F i g. 2 zeigt den im Zylinder 13 angeordneten Eingangswandler
des Filters nach der Erfindung im Schnitt längs des drahtförmigen Wandlerelementes
21. Die Endplatte 16 weist an ihrem unteren Rand eine Aussparung auf,
so daß der Draht 21 sie nicht berührt. Im Zylinder 13 befinden sich
die Antriebsspulen 36 und 37, die von dem Abschirmgehäuse
44
aus magnetisch weichem Material umgeben sind.
-
Die Leitung 23 ist an das eine Ende der Spule 36 angeschlossen.
Die Leitung 43 verbindet die Spulen 36 und 37 miteinander.
Die Leitung 24 ist an das verbleibende Ende der Spule 37 angeschlossen.
-
Da die Spulen 36 und 37 aufeinanderfolgende Knotenpunkte
der longitudinalen Schwingbewegung des Drahtes 21 umgeben, verlängert sich
beispielsweise in einem betrachteten Zeitpunkt der Abschnitt des Drahtes, der unter
dem Einfluß der Spule 36
steht, während sich der der Spule 37 zugehörige
Drahtabschnitt verkürzt. Die von der Spule 37 in diesem Zeitmoment in ihrem Drahtabschnitt
auszulösenden
Kräfte müssen daher die umgekehrte Richtung aufweisen
wie die Kräfte, welche die Spule 36 in ihrem Drahtabschnitt verursacht. Dies wird
dadurch erreicht, daß die beiden Spulen 36 und 37 entgegengesetzten Wicklungssinn
aufweisen. Die Längen der aus den Spulen 36 und 37 ragenden Endabschnitte des Drahtes
21 sind analog bekannten Wandlern für elektromechanische Filter mit einer einzigen
Spule bemessen. Demgemäß entspricht die Länge des Abschnittes des Drahtes 21 zwischen
seinem mit dem Resonator 18 verbundenen Ende und dem diesem Resonator nächstgelegenen,
von der Spule 37 umgebenen Schwingungsknoten die Hälfte der Wellenlänge n, der longitudinalen
Grundschwingung des Drahtes 21, während die Länge des Abschnittes zwischen dem freien
Ende des Drahtes 21 und dem von der Spule 36 überdeckten Knotenpunkt einem Viertel
der Wellenlänge;. gleich ist. Da die den Anbringungsort der Spulen 36 und 37 bestimmenden
Knotenpunkte einen gegenseitigen Abstand aufweisen, welcher der halben Wellenlänge
a entspricht, stimmt die Gesamtlänge des Drahtes 21 mit fünf Vierteln der Wellenlänge
i überein.
-
Für das Gehäuse 44 kommt als Werkstoff beispielsweise gepreßtes Eisenpulver
in Betracht. Für die Fertigung des Wandlers ergeben sich Vorteile, wenn das Abschirmgehäuse
44 in an sich bekannter Weise so ausgeführt wird, daß es aus zwei Halbzylindern
46 und 47 zusammensetzbar ist. Die in F i g. 3 wiedergegebene Stirnansicht des durch
F i g. 2 im Schnitt veranschaulichten Wandlers läßt die beiden Halbzylinder 46 und
47 deutlich erkennen. Unabhängig von der Art, wie sich in das Gehäuse 44 die Wandlerspulen
36 und 37 einbringen lassen, ist von diesem Gehäuse zu fordern, daß es den für den
Wechselfluß dieser Spulen maßgebenden magnetischen Widerstand auf seinen Bahnen
außerhalb des Spulen-Innenraumes verkleinert und eine Feldkonzentration des Wechselflusses
jeder Spule auf seiner Bahn durch den Draht 21 herbeiführt. Das Gehäuse 44 weist
deshalb drei rotationssymmetrische Vorsprünge 48, 49 und 51 auf, die so nahe wie
möglich an den Draht 21 sowie an die Spulen 36 und 37 herangeführt sind. Auf diese
Weise trägt das Gehäuse 44 wesentlich zur Steigerung des effektiven elektromechanischen
Kopplungsfaktors des Wandlers bei. Die den Spulen 36 und 37 zugewandten Seitenwände
der Vorsprünge 48 und 51 sowie die Seitenwände des Vorsprungs 49 sind zugleich Bestandteil
der Ausnehmungen, in welchen sich diese Spulen befinden. Der Vorsprung 49 schirmt
zugleich die beiden Spulen 36 und 37 gegeneinander ab, deren Wechselfelder auf Grund
ihres unterschiedlichen Wicklungssinnes sich gegenseitig schwächen würden.
-
Die im Diagramm der F i g. 3 eingetragene Kurve veranschaulicht den
Betrag der Schnelle v der Schwingungsauslenkungen längs des drahtförmigen magnetostriktiven
Wandlerelements 21 bei der im vorangehenden stets vorausgesetzten Erregung zu seiner
Eigenschwingung mit der niedrigstmöglichen Frequenz. Auf dieser Kurve, die bekanntlich
sinusförmig verläuft, sind die von den beiden Spulen 36 und 37 umgebenen Knotenpunkte
der Schwingbewegung durch die Buchstaben A und B hervorgehoben. An
den Punkten geringster Geschwindigkeit längs des Drahtes 21 herrscht bekanntlich
der maximale Wechseldruck. Auf den Resonator 18 übt somit der Draht 21 die höchste
zur Verfügung stehende Kraft aus. Der im Zylinder 14 enthaltene Ausgangswandler
stimmt in allen Einzelheiten mit dem Eingangswandler überein.
-
Das Filter nach der Erfindung ist mit denselben Bandmittenfrequenzen
und Bandbreiten ausführbar wie bekannte elektromechanische Siebanordnungen, die
gleichfalls mechanische Schwingsysteme mit scheibenförmigen, zu axialsymmetrischen
Biegeschwingungen anregbaren Resonatoren und mit drahtförmigen, Longitudinalschwingungen
ausführenden Koppelelementen aufweisen. Das an Hand der Zeichnungen im einzelnen
beschriebene Filter ist somit beispielsweise auch mit einer Bandmittenfrequenz von
450 kHz zu verwirklichen.