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Mechanisches Frequenzfilter, bei welchem die Achsen der rotationssymmetrischen
Resonanz-und Koppelelemente eine Gerade bilden Im allgemeinen bestehen mechanische
Frequenzfilter aus Resonanzelementen, die für die Durchlaßfrequenz A/2 oder ein
Vielfaches davon abgestimmt sind, und aus Koppelelementen, die je zwei benachbarte
Resonanzelemente miteinander verkoppeln. Wesentlich für den Verlauf der Filtercharakteristik
ist die richtige Bemessung der Kopplung zwischen den einzelnen Resonanzelementen,
die dadurch bewirkt wird, daß der Wellenwiderstand der Resonanzelemente wesentlich
verschieden vom Wellenwiderstand der Koppelelemente ist. Aus rechnerischen Gründen
wählt man die Länge der Koppelelemente im allgemeinen zu A/4 oder einem Vielfachen
davon, z. B. drei A/4, wobei das Koppelelement aus drei Stücken von je A/4 Länge
mit verschiedenem Wellenwiderstand bestehen kann. Mit den letztgenannten, an sich
bekannten Koppelelementen kann man besonders kleine Kopplungsfaktoren zwischen den
einzelnen Resonanzelementen erhalten und damit einen sehr schmalen Durchlaßbereich
des Gesamtfilters erzielen.
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Jeder Körper aus elastischem Material kann in verschiedenen Schwingungsmodi
angeregt werden, z. B. in Longitudinal-, Torsions-, Biege- oder Scherschwingungen.
Bei den bekannten Filtern werden die Resonanzkörper in dem gleichen Schwingungsmodus
angeregt. Bei Filtern, deren kreisförmige Resonanzkörper zu Biegeschwingungen erregt
sind, liegen die Eigenschwingungen oft nahe beieinander, so daß sie zu störenden
Nebenwellen Anlaß geben. Es .ist möglich, durch eine geeignete Formgebung der Resonanzkörper,
z. B. nach der USA.-Patentschrift 2 802 992, unerwünschte Nebenwellen in der Filtercharakteristik
zu unterdrücken.
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Bei Filtern, deren Resonanzkörper zu Longitudinal- oder Torsionsschwingungen
angeregt sind, werden die einzelnen unter sich gleichen Resonanzkörper des Filters
meist in ihrer Grundschwingung erregt, d. h., sie haben bei der Resonanzfrequenz
des Filters je eine Länge von A/2. Der Abstand der Oberschwingungen der einzelnen
Resonanzkörper für den erregten Schwingungstyp ist genügend groß, so daß eine Störung
der Filtercharakteristik nicht zu befürchten ist. Jedoch können in den Resonanzkörpern
Schwingungen eines anderen unerwünschten Schwingungsmodus auftreten, beispielsweise
können in torsional erregten Resonanzkörpern Biegeschwingungen oder Longitudinalschwingungen
erregt werden. Da bei gleicher äußerer Form diese störenden Nebenresonanzen der
einzelnen Resonanzkörper auf der gleichen Frequenz. liegen, werden sie durch die
Koppelelemente miteinander verkoppelt und heben sich an. Es entstehen so oft in
der Nähe der Durchla.ßfrequenz oder im beliebigen Abstand hiervon unerwünschte starke
Nebenwellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Resonanzen der unerwünschten
Schwingungsmoden der Einzelelemente des Filters auf verschiedene Frequenz zu legen,
ohne die gewünschten Resoanzfrequenzen der einzelnen Resonanzkörper und die vorgeschriebenen
Kopplungen zwischen ihnen zu verändern.
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Diese Aufgabe wird bei einem mechanischen Frequenzfilter, bei welchem
die Achsen der rotationssymmetrischen Resonanz- und Koppelelemente eine Gerade bilden
und bei welchem die drei oder mehr, durchweg auf Frequenzen des Füterdurchlaßbereiches
abgestimmten Resonatoren sowie die Koppelelemente unter sich hinsichtlich ihres
Querschnittes' voneinander abweichen, erfindungsgemäß gelöst durch Querschnittsunterschiede
solchen Ausmaßes zwischen den im Filterschwingsystem aufeinanderfolgenden Resonantoren,
daß die auf die Nebenwelligkeit der Resonanzkörper zurückgehenden Störschwingungen
von gleichem Schwingungsmodus sich bei benachbarten Resonatoren auf ein derart breites
Frequenzband verteilen, daß die Störschwingungen jeweils aufeinanderfolgender Resonatoren
weitgehend entkoppelt sind, und feiner gelöst durch Koppelelemente, deren Durchmesser
in Abhängigkeit von den Resonatordurchmessern so gewählt sind, daß die Filterdurchlaßkurve
die vorgeschriebene Form aufweist.
Bei einem mechanischen Frequenzfilter,
bei welchem die Achsen der rotationssymmetrischen Resonanz- und Koppelelemente eine
Gerade bilden und bei welchem zumindest ein Teil der drei oder mehr, durchweg auf
Frequenzen des Filterdurchlaßbereiches abgestimmten Resonatoren aus Abschnitten
unterschiedlichen Durchmessers besteht, während die gegebenenfalls vorhandenen restlichen
Resonanzkörper sowie die Koppelelemente rechteckförmigen Aufriß zeigen und die Koppelglieder
unter sich hinsichtlich ihres Querschnittes voneinander abweichen, wird die Aufgabe
erfindungsgemäß gelöst durch eine solche, jeweils von der Form und den Abmessungen
der benachbarten Resonatoren abhängige Dimensionierung der Durchmesser für die einzelnen
Abschnitte der aus Teilen unterschiedlichen Querschnittes zusammengesetzten Resonanzkörper,
daß die auf die Nebenwelligkeit der Resonatoren zurückgehenden Störschwingungen
von gleichem Schwingungsmodus sich bei benachbarten Resonanzkörpern auf ein derart
breites Frequenzband verteilen, daß die Störschwingungen jeweils aufeinanderfolgender
Resonatoren weitgehend entkoppelt sind, und ferner gelöst durch Koppelelemente,
deren Durchmesser in Abhängigkeit von den Resonatordurchmessern so gewählt sind,
daß die Filterdurchlaßkurve die vorgeschriebene Form aufweist.
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Ein mechanisches Frequenzfilter, bei welchem die Achsen der rotationssymmetrischen
Resonanz- und Koppelelemente eine Gerade bilden und bei welchem die-drei .oder mehr,
durchweg auf-Frequenzen des Filterdurchlaßbereiches abgestimmten Resonatoren sowie
die Koppelelemente unter sich hinsichtlich ihres Querschnittes voneinander abweichen,
ist durch-die.USA.."gatentschrift. 2,617882 bekannt.. Mit einem solchen Filter
soll eine maximale Flachheit im Verlauf der Dämpfungskurve im Durchlaßbereich erreicht
werden. Bei einer entsprechend. den Entwurfgrundsätzen der USA.-Patentschrift 2
617 882 aufgebauten Siebanordnung mit einer größeren Anzahl von Resonanzkörpern
unterscheiden sich die Durchmesser der im mittleren Abschnitt des Filterschwingsystems
vorzusehenden Resonatoren nur um ganz geringfügige Beträge. Die Störschwingungen
benachbarter Resonanzkörper dieses Filterabschnittes heben sich dadurch gegenseitig
so stark an, daß sie auf ihrem Weg zum Ausgangswandler auch durch die vergleichsweise
starke Abstufung .der Durchmesser der in den Filterendabschnitten gelegenen Resonanzkörper
keine genügend große Dämpfung mehr erfahren. Dem erfindungsgemäßen Filter liegt
die Erkenntnis zugrunde.. daß sich, ausgehend von einem Filter nach der USA.-Patentschrift
2 617 882, nur dann eine nennenswerte Entkopplung der Nebenwellen benachbarter Resonatoren
ergibt, wenn die Durchmesser aufeinanderfolgender Resonanzkörper sich erheblich
voneinander unterscheiden. Bei einer Siebanordnung mit solchen Resonanzkörpern läßt
sich der gleiche, durch maximale Flachheit gekennzeichnete Verlauf der Dämpfungskurve
im Durchlaßbereich erzielen wie bei dem Filter nach der USA.-Patentschrift 2 617
882, wenn bei der Bemessung der Koppelelemente die im Zusammenhang mit der Nebenwelligkeit
der Resonatoren vorgenommene Umdimensionierung der Rtsonatorquerschnitte mit in
Rechnung gesetzt wird.
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Ein mechanisches Filter, bei welchem die Achsen der rotationssymmetrischen-Resonanz-
und Koppelelemente eine Gerade bilden und bei welchen zumindest ein Teil der drei
oder mehr, durchweg auf Frequenzen des Filterdurchlaßbereiches abgestimmten Resonatoren
aus Abschnitten unterschiedlichen Durchmessers besteht, während die gegebenenfalls
vorhandenen restlichen Resonanzkörper sowie die Koppelelemente rechteckförmigen
Aufriß zeigen und die Koppelglieder unter sich hinsichtlich ihres Querschnittes
voneinander abweichen, ist 'W den Aufsatz von R. W. G e o r g e, »Electromechariical
Filters for 100-Kc Carrier and Sidebänd- Selectiön«, Proc. IRE, Vol. 44, Nr. 1,
bekannt. Bei dieseln Filter werden die Resonanzkörper mit Eindrehungen in der Resonatormitte
bzw. an den Resonatorenden versehen, die dem Feinabgleich der Resonanzkörper dienen.
Ein mit einer Eindrehung in der Resonatormitte versehener Resonanzkörper ist auch
aus der USA.-Patentschrift 2 753 529 bekannt. Die Eindrehung dient hier einer Herabsetzung
der Grundfrequenz des Resonanzkörpers bei vorgegebener Länge bzw. ermöglicht eine
Verkürzung des Resonanzkörpers bei vorgegebener Resonanzfrequenz. Die aus Gründen
des Feinabgleichs an solchen Resonatoren vorgenommenen Eindrehungen ergeben jedoch
nicht Resonatorabschnitte, deren Querschnittsunterschiede bewirken, daß die Nebenwellenspektren
benachbarter Resonatoren innerhalb eines Filterschwingsystems erheblich voneinander
abweichen. Erst wenn zumindest zwei Resonatoren zum Aufbau des Filterschwingsystems
herangezogen werden, von welchen die eine Art durch Abschnitte stark unterschiedlichen
Durchmessers gekennzeichnet ist, während die .andere Art entweder gleichfalls -
Abschnitte erheblich unterschiedlichen, jedoch von der ersten 'Resonatorart zumindest
zum Teil abweichenden Querschnittes aufweist oder die zweite Resonatorart durch
rotationssymmetrische Resonanzelemente mit rechteckförmigem Aufriß verwirklicht
ist, verteilen sich die Frequenzen der Störschwingungen von gleichem Schwingungsmodus
auf ein breites Frequenzspektrum. Die Zahl der anzuwendenden Resonatorarten l'ä.ßt
sich auf ein Minimum herabsetzen, wenn im Zuge des Filterschwingsystems Resonatoren
der einen und der anderen Art abwechselnd aneinandergereiht werden. Auf diese Weise
sind bereits die Störschwingungen benachbarter Resonatoren wirksam entkoppelt. Bei
einer Siebanordnung mit derartigen Resonanzkörpern läßt sich der mit den Filtern
nach dem obengenannten Aufsatz angestrebte Verlauf der Dämpfungscharakteristik im
Durchlaß- und Sperrbereich frei von den auf die Resonatornebenwelligkeit zurückgehenden
Störerscheinungen unter der Voraussetzung erzielen, daß bei der Dimensionierung
der Koppelelemente auf die spezifische Ausbildung der Resonatoren und deren Anbringungsärt
Bedacht genommen wird.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt ein Filter aus rotationssymmetrischen Resonanzelementen
von z. B. A/2 Länge, die durch axiale Koppelelemente geringeren Querschnittes miteinander
verkoppelt sind. Die Resonanzkörper 1, 3 und 5 besitzen geringeren Querschnitt als
die Resonanzkörper 2 und 4, so daß die Nebenwellen der beiden Arten von Resonatoren
an verschiedenen Stellen des Frenquenzspektrums liegen. Die Schwingungen werden
über die Klemmen 6 einer Koppelspule
7 zugeführt, welche den ersten
Resonanzkörper 1, welcher aus magnetostriktivem Material besteht, zu Schwingüngen
anregt. Zur Vormagnetisierung ist ein Permanentmagnet 8 vorgesehen. Die Auskopplung
geschieht über eine in gleicher Weise angeordnete Koppeleinrichtung, bestehend aus
der Spule 9 und dem Permanentmagneten 10, die mit dem letzten Resonanzkörper
5 gekoppelt sind. An den Klemmen 11 werden die Ausgangsschwingungen abgenommen.
Die einzelnen mechanischen Resonanzelemente sind durch 2/4 lange Koppelelemente
12, 13, 14 und 15 mechanisch miteinander verkoppelt.
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Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform werden die Resonanzelemente
zu longitudinalen Schwingungen erregt. Jedoch ist durch entsprechende Ausbildung
der Ankopplungselemente auch eine Erregung zu Torsionsschwingungen in bekannter
Weise möglich. Die Erfindung ist sowohl auf Filter anwendbar, bei denen die Resonanzelemente
einen geringeren Querschnitt besitzen als die Koppelelemente, als auch auf Filter,
bei denen die Koppelelemente einen geringeren Querschnitt besitzen als die Resonanzelemente.
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F i g. 2 zeigt den mechanisch schwingenden Teil eines ähnlich wie
in F i g. 1 aufgebauten Filters. Dabei ist die Formgebung der verschiedenen Resonanzelemente
in der Weise verschieden. gestaltet, daß jeweils ein zylindrisches Koppelelement
21,'23 .
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bzw. 25 mit eines aus drei zylindrischen Teilen verschiedenen Durchmessers
aufgebauten Koppelelement 22 bzw. 24 abwechselt. Die Herstellung derartiger Filter
ist besonders einfach, da der größere Durchmesser bei den Elementen 22 und 24 gleich
dem Durchmesser der Elemente 21, 23 bzw. 25 sein kann. Die Formgebung der Elemente
22 und 24
kann in einfacher Weise auf der Drehbank durch Eindrehen
einer Nut vorgenommen werden. Dabei ist zu beachten, daß - wie die Zeichnung nicht
zeigt - die Gesamtlänge der Elemente 22 und 24
im allgemeinen wegen
der in ihnen auftretenden Wellenwiderstandssprünge eine andere wird als die Länge
der Elemente 21, 23 und 25. Bei geeigneter Wahl der Nutbreite können auch trotz
der Nut alle Resonatoren, d. h. die mit und die ohne Nut, gleiche Länge erhalten.
Auch ein solches Filter kann zu longitudinalen oder zu torsionalen Schwingungen
angeregt werden.
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Die F i g. 3 und 4 zeigen zum Vergleich die Durchlaßcharakteristik
eines neunkreisigen Filters bekannter Bauart und eines neunkreisigen Filters, bei
dem die Erfindung angewendet ist. Neben der Durchlaßcharakteristik ist schematisch
der Aufbau des Filters jeweils angedeutet. Als erster und letzter Kreis ist jeweils
der durch einen Kondensator abgestimmte elektrische Koppelkreis angedeutet. Der
mechanische Teil des Filters der F i g. 3 besteht aus sieben gleichartigen Zylindern
von V2-Länge, die durch axiale Koppelstege von V4-Länge mechanisch miteinander gekoppelt
sind. Das Filter, das für eine Mittenfrequenz von etwa 467 kHz berechnet war, zeigt
bei etwa 12 °/o Abweichung von der Sollfrequenz ein starkes Nebenwellenspektrum.
Durch Anwendung der Erfindung ist dieses Nebenwellenspektrum, wie aus F i g. 4 zu
ersehen, unterdrückt worden. Die Zylinder dieses Filters haben abwechselnd Durchmesser
von 2,5 und 4 mm. Unterhalb der Mittenfrequenz des Durchlaßbereiches zeigen sich
dabei bis 370 kHz keine Nebenwellen und oberhalb der Mittenfrequenz ist das Filter
bis 650 kHz nebenwellenfrei.