DE1247387B - Wandler fuer eine elektroakustische Verzoegerungsleitung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

H03k

Deutsche Kl.: 21 al - 36/04

Nummer: 1247

Aktenzeichen: J 23650 VIII a/21 al

Anmeldetag: 3. Mai 1963

Auslegetag: 17. August 1967

Die Erfindung betrifft einen Wandler für eine .elektroakustische Verzögerungsleitung, bei dem mittels zugeordneter Erregerwicklungen und zweier magnetostriktiver Stäbe elektrische Signale in Torsionswellen auf der Verzögerungsleitung umgesetzt werden und bei dem über die zwei magnetostriktiven Stäbe in einem geschlossenen magnetischen Kreis ein permanenter Vormagnetisierungsfluß er_r zeugt wird.

In elektroakustischen Verzögerungsleitungen wird die Verzögerungszeit bestimmt durch, die Zeit, die ein akustischer Impuls oder eine Druckwelle braucht, um von dem einen zum anderen Ende eines Leiters, z. B. eines Drahtes, zu gelangen. Der zu verzögernde elektrische Impuls wird durch einen Wandler mit dem einen Ende des Drahtstückes gekoppelt, um die Erzeugung eines <aktustischen Impulses oder einer Druckwelle zu bewirken, und ein weiterer Wandler befindet sich an einer anderen Stelle der Leitung, um den akustischen Impuls in einen elektrischen Impuls umzuwandeln. Die zeitliche Verzögerung zwischen den elektrischen Eingangs- und Ausgangsimpulsen wird, in erster Linie durch die Länge der Verzögerungsleitung bestimmt; die Qualität, d. h. die Größe der Verzerrung oder Streuung, der Nutzpegel usw. des Ausgangsimpulses wird durch die Eingangs- und Ausgangswandler sowie durch die Charakteristika der Leitung bestimmt.

Das Prinzip und der Aufbau solcher Verzöge-

Wandler für eine elektroakustische Verzögerungsleitung

Anmelder:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. (V. St. A.) Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen, Sindelfinger Str.

Als Erfinder benannt: Nicolaos S. Tzannes, Apalachine, N. Y.; Paul Evans Bakeman jun., Pittsford, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 7. Mai 1962 (192894) --

zen. Seine Erfindung wurde veröffentlicht in der USA.-Patentschrift 3 011136.

Was an den Wandlern Scarrotts typisch ist, ist die Zuordnung je einer Spule zu jedem auf die Oberrangsleitungen wurde durchNicholson am 23. Juni 30 fläche des Verzögerungsleitungsdrahtes aufgeschweiß-1944 beim USA.-Patentamt angemeldet. Die Erfin- · ten magnetostriktiven Elementes. Hervorzuheben ist, dung wurde geschützt durch die USA.-Patentschrift daß ScarrOtt bereits die Zusammensetzung der ein-2 401094. Es sei erwähnt, daß in dieser amerikani- zelnen magnetostriktiven Elemente aus zwei oder sehen Erfindung ausschließlich die Ausbildung und mehreren Bändern oder Drähten, die miteinander Abführung von longitudinalen Magnetostriktionen 35 verbunden sind, angab.

innerhalb des verzögerten Mediums erwähnt ist. Durch die vorliegende Erfindung wird eine beson-

Beim Betrieb von Verzögerungsleitungen ist die ders vorteilhafte Lösung für den Aufbau eines Wand-Aufrechterhaltung der unverzerrten Impulsform von lers für eine elektroakustische Verzögerungsleitung größter Wichtigkeit. Andererseits muß es Ziel der zur Ausbildung von Torsionsschwingungen offenbart. Konstruktion sein, möglichst energiereiche Impulse 40 Der Wandler gemäß der Erfindung ist dadurch geeingangsseitig in die Verzögerungsleitung einzubrin- kennzeichnet, daß — im Gegensatz zu den bereits gen, damit auch bei langen Verzögerungen, d. h. bei genannten Anordnungen — nur eine Steuerspule langen Leitungen, am Ausgabeende noch genügend gleichzeitig Verkürzungen bzw. Verlängerungen des Energie verfügbar ist. Zur Erreichung dieser beiden ' einen Stabes und Verlängerungen bzw. Verkürzun-Ziele hat es sich als zweckmäßig ergeben, an Stelle 45 gen des anderen Stabes, welche beide zusammen das reiner LongitudinalschwingungenTorsionsschwingun- torsionsschwingungserzeugende. Element ausbilden, gen in die Verzögerungsleitung einzugeben. Eine bewirkt. Durch Vereinfachung der Anordnung auf Möglichkeit dazu wurde in' den Proceedings of- the eine einzige Spule ergeben sich jedoch nicht nur kon-IEE, Teil B, Bd. 103, März 1956, S. 501 angegeben. struktive, sondern sogar wesentlichere Vorteile, Am 17. August 1959 ließ sich Scarrott besonders 50 welche im folgenden noch bei der Beschreibung der günstige Anordnungen zur Ausbildung solcher Tor- einzelnen erfindungsgemäßen Beispiele an Hand der sionsschwingungen in Verzögerungsleitungen schüt- Figuren erläutert werden. Es sei im voraus auf die

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längere Lebensdauer von Permanentmagneten' bei quasi geschlossenem.magnetischen Kreis und ebenfalls auf die erzielbare elektromechanische Symmetrie hingewiesen.

Bei einer vorteilhafteren Ausführungsform des Wandlers gemäß der Erfindung wird die permanente Magnetisierung durch zwei zwischen den Stäben angeordnete Permanentmagneten erzeugt, wobei nur eine Steuerspule zwischen-den Permanentmagneten beide Stäbe umfassend angeordnet ist, ---;

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die magnetostriktiven Stäbe selbst in Längsrichtung permanent magnetisiert, und der geschlossene magnetische Kreis wird durch direkte Verbindung der. Stäbe an ihrem einen Ende und über die Verbindung ihres anderen Endes mit der Verzögerungsleitung gebildet. "■'■■-"-"- '-■■- "

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Verschiedene Ausführungen der Erfindung werden nunmehr an Hand der ,Beschreibung und den nachfolgend aufgeführten Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Figvl eine.schematis'che Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wandlers,

F i g. 2 schematisch zwei gemäß der Erfindung an eine Verzögerungsleitung angeschlossene Wandler,

F i g. 3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, , .

F i g. 6 eine Erläuterung der Funktion der Verzögerungsleitung.

Die Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung besteht aus einem Eingangswandler 10 (Fig. 2), der eigentlichen Verzögerungsleitung 15 und einem Ausgangswandler 1(M, der wie der Eingangs wandler aufgebaut ist. Der _Eingangswandler " besteht im wesentlichen aus zwei magnetostriktiven Stäben 11 und.13 (Fig. 1), die aus mehreren Lamellen zusammengesetzt sind. Das eine Ende jedes der Stäbe 11 und 13 ist an diametral entgegengesetzte Stellen auf dem Umfang der Verzögerungsleitung 15 angeschweißt. Das andere Ende der Stäbe 11 und 13 ist in eine schwingungsdämpfende Substanz 17 eingebettet, wobei das in der Substanz 17 eingebettete eine· Ende.eines der Stäbe auf Erdpotential liegt, um Rauschen, auszuschalten. Die Substanz 17 dämpft die. Schwingung der magnetostriktiven_: Stäbe 11 und 13, um reflektierte Druckwellen auszuschalten. Eine Spule 19 ist um beide Stäbe 11 und 13 gewickelt und an einen Impulsgenerator 21 angeschlossen. Der Impulsgenerator 21 erzeugt ■ mittels der Spule 19 ein Wechselstrom-, Signal- oder Steuerflußfeld für die Stäbe 11 und 13, wie noch erläutert wird.

Zwei Dauermagneten 23 und 25 sind so zwischen den magnetostriktiven Stäben 11 und 13 und beiderseits der Spule 19 angeordnet, daß die von ihnen ausgehenden magnetischen Kraftlinien von dem einen Magneten 23 durch einen Teil des Stabes 11, durch den anderen Magneten 25, durch den anderen Stab 13 und zurück zum Magneten 23 verlaufen, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Weil der von den beiden Magneten gebildete magnetische Kreis eine geschlossene Schleife bildet, ist der magnetische Verlust fast gleich Null, so daß die Dauermagneten eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben. Der von den Dauermagneten 23 und 25 erzeugte magnetische Fluß kann als ein Gleichstromvormagnetisierungsfluß mit geschlossener, ununterbrochener Schleife angesehen werden.

■ Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß F i^g. 1 erfahren Dauermagneten, deren Kraftlinien durch Luft verlaufen, große Verluste und altern daher ziemlich schnell. Außerdem ist bei den bekannten Wandlern, bei denen um jeden der Stäbe 11 und 13 eine Spule gewickelt ist, die Einstellung der Spulen in bezug auf ihre jeweiligen Abstande vom Schweißpunkt an der Verzögerungsleitung zum Rand der Spule kritisch. Es muß genau darauf geachtet werden, daß diese ίο Abstände gleich groß sind. Bei dem Wandler gemäß Fig. 1 entfällt dieses Problem, da nur eine Spule verwendet wird.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Magne-. ten 23 und 25 ziemlich nahe aneinander anzuordnen, und zwar hatten in einem Ausführungsbeispiel die Magneten einen Abstand -von etwa 1,8 mm voneinander. Im selben Ausführungsbeispiel bestand die Spule aus Drahtverbindungen, und die .Stäbe 11 und 13 hatten dann einen Abstand von etwa 0,5 mm voneinander.

Die Kurve in F i g. 6 zeigt die relative Dehnung der magnetostriktiven Stäbe 11 und 13. Die relative Dehnung wird dargestellt durch das Verhältnis —=r- und

die magnetische Feldstärke (H) angegeben. Die Vor-

„ magnetisierungspunkte der beiden Stäbe sind, mit A und B angegeben. Beide liegen darstellungsgemäß auf verschiedenen Kurven, weil der magnetische Fluß in beiden Stäben 11 und 13 in relativ entgegengesetzter Richtung verläuft. Beim Anlegen einer Signal-

... spannung an die Spule 19 verläuft der von ihr erzeugte zusätzliche magnetische Fluß in beiden Stäben 11 und 13 in gleicher Richtung. In dem einen Stab wird daher der von den Dauermagneten 23 und 25 gebildete Vormagnetisierungsfluß verstärkt, im anderen Stab dagegen wird er vermindert. Der eine der beiden Stäbe dehnt sich also, während der andere Stab sich zusammenzieht. Dies ergibt über die beiden Schweißstellen auf die Verzögerungsleitung 15 zwei sich addierende Torsionsmomente.

Fig. 2. zeigt die übliche Anordnung einer Verzögerungsleitung 15, die hier mit einem Eingabewandler 10 "und einem Ausgabewandler 10.4 betrieben wird, die beide dem Aufbau gemäß Fig. 1 entsprechen. An die Spule 19 des Ausgabewandlers 10^4 ist ein Verstärker 22 angeschlossen. Über den Eingabewandler 10 in die Verzögerungsleitung 15 eingegebene Torsionswellen gelangen an das andere Ende mit dem Ausgabewandler IQA. Die Torsionswelle wirkt dort auf das Ende der beiden Stäbe 11 und 13

- ein und erzeugt in diesen eine longitudinale Welle. Diese longitudinale Welle erzeugt ihrerseits in diesen magnetostriktiven Stäben Änderungen der Permeabilität und damit Änderungen des magnetischen Flusses, der von den beiden Dauermagneten 23 und 25 herrührt und durch die Spule 19 führt. Damit wird in der Spule 19 eine Ausgangsspannung induziert, diese im Verstärker 22 verstärkt und einer nicht gezeigten Auswerteschaltung zugeführt.

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses gleicht dem von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß an Stelle einer gemeinsamen um die beiden Stäbe 11 und 13 zwei getrennte Spulen 19^4 und .19 B gewickelt sind, welche in Reihe liegen. Die

Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht der bereits genannten USA.-Patentschrift 3 Oll 136 sowie auch den zitierten Proceedings of the IEE. Unterschiedlich ist dagegen ebenfalls hier die konstruktive

Anordnung der beiden Dauermagneten innerhalb der beiden Stäbe 11 und 13, so daß sich ein beinahe ideal geschlossener magnetischer Kreis ergibt.

F i g. 4 wiederum zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit nur einer Spule und nur einem Dauermagneten 25, der innerhalb der beiden Stäbe 11 und 13 angeordnet ist. Der Rückfluß der magnetischen Kraftlinien erfolgt von einem Stab 11 auf den anderen Stab 13 durch die Verzögerungsleitung 15 selbst von einem Schweißpunkt zum anderen. In ihre Wirkungsweise ist die Anordnung gemäß Fig. 4 gleich der von F i g. 1.

Ein viertes Ausführungsbeispiel gibt die Fig. 5 wieder. Dort sind die Stäbe 11 und 13 selbst permanent magnetisiert. Ein zweckmäßiges Material hierfür enthält z.B. 49% Nickel, 49% Eisen und 2% Vanadium. An einem Ende ist dabei der magnetische Kreis wie in F i g. 4 über die Schweißstellen und die Verzögerungsleitung gegeben, auf der anderen Seite durch entsprechende Formung und Verbindung der beiden Stäbe 11 und 13.

Es sei im übrigen darauf hingewiesen, daß es zweckmäßig ist, entweder einen Stab 11 wie in F i g. 1 oder den Verbindungspunkt beider Stäbe 11 und 13 wie in Fig. 5 dargestellt, zu erden, um Rauschen oder andere Störungen auszuschalten. Die Halterungen 17 sind aus schwingungsdämpfendem Material hergestellt, um Reflektionseinflüsse möglichst gering zu halten.

Zusammenfassend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß in den erfindungsgemäßen Wandlern der Hauptpfad der Kraftlinien des Vormagnetisierungsfeldes durch geschlossene Schleifen durch die magnetostriktiven Stäbe hindurchläuft. Die Einflüsse von Luftspalten sind außerordentlich gering gehalten. Dadurch wird der magnetische Fluß durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen nur wenig beeinflußt und ist daher sehr stabil gegenüber äußeren Einflüssen. Den Wandlern nach Fig. 1, 4 und 5 ist darüber hinaus gemeinsam, daß nur eine einzige Spule vorgesehen ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Wandler für eine elektroakustische Verzögerungsleitung, bei dem mittels zugeordneter Erregerwicklungen und zweier magnetostriktiver Stäbe elektrische Sigale in Torsionswellen auf der Verzögerungsleitung umgesetzt werden und bei dem über die zwei magnetostriktiven Stäbe in einem geschlossenen magnetischen Kreis ein permanenter Vormagnetisierungsfluß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Steuerspule gleichzeitig Verkürzungen bzw. Verlängerungen des einen Stabes (11) und Verlange- ' rangen bzw. Verkürzungen des anderen Stabes (13) bewirkt.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder zwei zwischen den Stäben (11, 13) angeordnete Permanentmagneten (23, 25) die permanente Vormagnetisierung erzeugen und daß bei Verwendung nur eines Magneten der Permanentmagnet (25), Teile der Stäbe (11, 13) und der Endquerschnitt der Verzögerungsleitung (15) den geschlossenen magnetischen Kreis bilden.

3. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven Stäbe (U, 13) selbst in Längsrichtung permanent magnetisiert sind und daß der geschlossene magnetische Kreis durch direkte Verbindung der Stäbe an ihrem einen eingespannten Ende und über die Verbindung ihres anderen Endes mit der Verzögerungsleitung gebildet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 3 011136, 2401094; Proc. of the IEE/B, Bd. 103, 3/56, S. 501.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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