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Elektromechanisches Bandfilter Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches
Bandfilter zum Aussondern einer bestimmten, insbesondere tiefen Frequenz, oder eines
bestimmten Frequenzbandes.
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Es besteht aus mechanischen Leitungsresonatoren, die durch mechanische
Koppelelemente miteinander verbunden sind.
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Bekannt sind elektromechanische Bandfilter mit metallischen, 2/2-langen
Leitungselementen als Resonatoren, wobei mit 7, die Wellenlänge bezeichnet ist.
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Die Verkopplung der einzelnen Resonatoren wird in der Regel durch
reine Kopplungsvierpole in Form von n - 2/4 langen Leitungsabschnitten realisiert,
wobei rz eine ungerade Zahl ist, aber auch über =/z fz - 2!4 lange Leitungsabschnitte
(schweizerisches Patent 358 873).
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Außer benachbarten können auch nicht benachbarte Resonatoren in bekannter
Weise verkoppelt sein. Für die Resonatoren und Koppler, die in der Regel aus Ni-Legierungen
bestehen, werden vorzugsweise gestreckte Stäbe mit kreisförmigem, elliptischem oder
rechteckigem Querschnitt verwendet (deutsches Patent 1100 334). Die Form
der Resonatoren ist von der Art der Nutzschschwingungen abhängig.
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Von den vielen Arten der mechanischen Schwingungen werden in der Praxis
hauptsächlich Längsschwingungen, Drehschwingungen und Biegeschwingungen ausgenutzt.
Die Anregung derartiger Filterketten, d. h. die Ankopplung an die entsprechenden
elektrischen Eingangs- und Ausgangskreise, geschieht in üblicher Weise durch magnetostriktive
oder piezoelektrische Wandler. Die übertragungseigenschaften dieser elektromechanischen
Filter sind durch die Anzahl und die Abmessungen der Resonatoren und Koppler und
durch die Größe der Abschlußwiderstände festgelegt.
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Es sind auch sogenannte akustische Filter bekannt, bei denen die Resonatoren
aus luftgefüllten Hohlräumen bestehen, die untereinander durch luftgefüllte Kanäle
verbunden sind (deutsches Patent 477 847). In begrenztem Maße werden für die Resonatoren
auch thermisch kompensierte Ferrite angewendet.
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Die wesentlichen Vorzüge elektromechanischer Filter mit Metallresonatoren
bestehen außer in der elektrischen und mechanischen Stabilität und den geringen
Eingangswiderständen in der geringen Größenabmessung. Für den Einsatz im niederen
Frequenzbereich tritt der Vorteil der geringen Größenabmessung jedoch nicht auf,
da nach der bekannten Formel
wobei mit v die Ausbreitungsgeschwindigkeit = Schallgeschwindigkeit bei der Ausbreitung
akustischer Wellen und mit f die Frequenz bezeichnet ist, die Wellenlänge für niedere
Frequenzen länger als für höhere Frequenzen ist. Damit wächst auch die Länge Z der
Resonatoren, die l = 2/2 lang sind.
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Die bekannten Materialien für Filterkörper haben eine Ausbreitungsgeschwindigkeit
von @ 5 - 105 cm/s für Kompressionswellen. Damit ergibt sich z. B. für eine Frequenz
f = 500 kHz eine Resonanzlänge Z = 0,5 cm, für eine Frequenz f = 50 kHz jedoch bereits
l = 5,0 cm. Das Gesamtfilter hätte bei einer Frequenz von f = 50 kHz eine große
Länge, so daß wesentliche Vorzüge elektromechanischer Filter verlorengingen.
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Es ist bekannt, daß die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit in Gasen
etwa vc." = 5 . 104 cm/s beträgt.
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Damit ergibt sich: v : vc", = 10.
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Es verhalten sich demnach nach der Formel (1) auch die Resonanzlängen
wie 1 : 10, d. h., die aus einer Gassäule bestehenden Resonatoren und Koppler sind
bei gleichen Frequenzen im Verhältnis zu Festkörpern zehnmal kleiner.
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In analoger Weise gilt dieses Verhalten der Gase auch für Flüssigkeiten.
Aus der Lehre zur Dimensionierung von Filtern folgt, daß die Eigenschaften hinsichtlich
der Frequenzbandbegrenzung wesentlich durch die Zahl der im Filter enthaltenen Resonatoren
bestimmt werden. Bei hohen Forderungen an die Frequenzbandbegrenzung entstehen deshalb
auch bei der Anwendung luftgefüllter Hohlräume als Resonatoren Filter mit großen
Abmessungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromechanische Bandfilter
mit technisch und ökonomisch vertretbaren Abmessungen auch niederen Frequenzbereichen
zugänglich zu machen.
Wie sich aus der Theorie der Netzwerke (Filter)
ergibt, läßt sich die Güte der Frequenzbandbegrenzung (Selektion) bei gleicher Anzahl
der im Filter verwendeten Resonatoren durch die Schaffung von Dämpfungspolen erhöhen.
Unter Anwendung dieses Prinzips ist es möglich, elektromechanische Bandfilter mit
wesentlich geringeren Baugrößen auch im Bereich niederer Frequenzen wirtschaftlich
einzusetzen.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei Filtern, die aus
Hohlraumresonatoren bestehen, die durch Kanäle miteinander verbunden sind, auch
nicht benachbarte Hohlräume in der angegebenen Weise durch Kanäle untereinander
verbunden werden. Es entstehen dadurch akustische Umwegkopplungen. Diese Verbindung
selbst kann auch aus Resonatoren und Kopplern bestehen.
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Die technischen und technisch-ökonomischen Auswirkungen der Erfindung
bestehen als Folge der Größeneinsparung in einer erweiterten Anwendbarkeit des elektromechanischen
Bandfilters als Bauelement in der gerätefertigenden Industrie. Durch die Anwendung
von akustischen Umwegkopplungen wird die Dimensionierung mehrkreisiger elektromechanischer
Filter auch für tiefere Frequenzbereiche möglich, wo der Einsatz herkömmlicher Filteranordnungen
zu unvertretbaren Abmessungen führen würde.
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Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
In der Zeichnung, die selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist, sondern lediglich
zur Erläuterung der Erfindung dient, sind gasgefüllte Hohlräume 1, die von Segmenten
3 und 4 umschlossen sind, zu erkennen. Durch Kanäle 2 sind die als Resonator wirkenden
Hohlräume 1 miteinander verkoppelt. Die gesamte Anordnung wird durch eine Hülse
5 zusammengehalten bzw. zu einer Resonatorenkette vereinigt. Der Kanal 6 stellt
eine akustische Umwegkopplung dar. Eine Umwegkopplung 7 besteht aus einer Kette
von Resonatoren und Kopplern.