DE1270197B - Verzoegerungsanordnung mit Dispersion fuer akustische Wellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES MPTWl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

H03h

Deutsche Kl.: 21 g - 34

1270 197
P 12 70 197.2-35
2. August 1963
12. Juni 1968

Die Erfindung betrifft eine Verzögerungsanordnung mit Dispersion für akustische Wellen mit einem wellenfortpflanzenden Medium und einem Sender, welcher Wellen verschiedener Frequenzen durch das Medium einem Empfänger zuführt.

Es ist bekannt, zur Umformung relativ langer Signalzüge in kürzere Signalzüge mit den gleichen Frequenzkomponenten elektrische Dispersions-Verzögerungsleitungen zu verwenden. Diese elektrischen Dispersions-Verzögerungsleitungen sind aus punktförmig verteilten Schaltelementen aufgebaut.

Derartige elektrische Verzögerungsleitungen sind sehr teuer, und es ist schwierig, sie so zu dimensionieren, daß sie befriedigend arbeiten. Ursache dafür ist vor allem das Auftreten unvermeidlicher Verluste in den Spulen der punktförmig verteilten Schaltelemente und das Vorhandensein einer großen Anzahl von Blindwiderständen. Außerdem ist es schwierig, die Erzeugung falscher Impulse als Folge der periodischen Fehler in der Leitung zu vermeiden.

Bei einer weiteren bekannten Verzögerungsanordnung wird eine Überschalldrahtleitung verwendet, die derart aufgebaut ist, daß sie sich wie ein Wellenleiter nahe seiner Grenzfrequenz verhält.

Eine derartige Einrichtung eignet sich jedoch nur für relativ niedrige Frequenzen, da die Drahtleitungen nicht so dünn hergestellt werden können, daß die bei höheren Frequenzen auftretende Dämpfung die erforderlichen niedrigen Werte annimmt. Außerdem ist die Frequenzabhängigkeit der durch solche Leitungen gegebenen Dispersion nicht linear.

Ferner ist eine Verzögerungszelle bekannt (britische Patentschrift 748 438), bei der mittels eines Eingangswandlers Wellen in einen Körper geschickt werden, die nach einer Anzahl Reflexionen von einem Empfangs- 3 Wandler aufgenommen werden. Die mit dieser Einrichtung erzielbare Verzögerung entspricht der Zeit, die die Wellen vom Eingangswandler bis zum Ausgangswandler benötigen. Mittels dieser Verzögerungszelle kann jedoch keine Dispersion erreicht werden, da sämtliche Wellen in gleicher Weise verzögert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verzögerungsanordnung mit Dispersion für akustische Wellen zu schaffen, die es gestattet, einen relativ langen Signalzug, dessen Frequenz zwischen zwei Grenzwerten der Frequenz schwankt, in einen alle Frequenzen enthaltenden wesentlich kürzeren Signalzug umzuwandeln und in entsprechender Weise einen Impuls, der einen Bereich benachbarter Frequenzen enthält, in einen längeren Zug gewobbelter Frequenzen umzuformen.

Verzögerungsanordnung mit Dispersion für
akustische Wellen

Anmelder:

The Marconi Company Limited, London

Vertreter:

Dr. W.Müller-Bore, Dipl.-Ing. H. Gralfs
und Dr. G. Manitz, Patentanwälte,
3300 Braunschweig, Am Bürgerpark 8

Als Erfinder benannt:

Wilfrid Sinden Mortley,

Great Baddow, Essex (Großbritannien)

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 3. August 1962 (29 851),
vom 20. Mai 1963

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Zwischen Sender und Empfänger ist im Wege der Wellen ein Beugungsgitter mit sich längs des Gitters ändernder Gitterkonstante angeordnet, wobei jeder Gitterkonstante eine bestimmte Frequenz zugeordnet ist;

b) die Anordnung vom Sender, Empfänger und Gitter ist derart getroffen, daß ein ganz bestimmtes Beugungsmaximum jeder Gitterstelle bei der zugeordneten Frequenz auf den Empfänger fällt;

c) die Wege der Wellen zwischen den einzelnen Punkten des Senders sind über das Gitter zum Empfänger unterschiedlich lang.

Damit werden die Vorteile erzielt, daß die Verzögerungsanordnung einen kompakten Aufbau erhält, relativ billig herzustellen ist und vor allem auch bei hohen Frequenzen einwandfrei arbeitet. Des weiteren treten im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen nur sehr geringe Verluste auf, und die bei den bekannten Schaltungen aus dem Vorhandensein von Blindwiderständen resultierenden Schwierigkeiten sind bei der erfindungsgemäßen Verzögerungsanordnung vermieden.

809 559/389

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind beiden Richtungen verwendbar, und demgemäß kann Sender und Empfänger von dem die Wellen fort- jeder der Wandler sowohl als Eingang als auch als pflanzenden Medium getrennt. Damit wird erreicht, Ausgang verwendet werden. In der Fig. 1 ist jedaß als wellenfortpflanzendes Medium sowohl ein doch angenommen, daß der Wandler 2 als Eingang festes als auch ein flüssiges Medium verwendet 5 dient. Auf der geneigten Oberfläche ID befindet sich werden kann. ein nach irgendeiner bekannten Methode — beispiels-

Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung weise durch ein Verfahren, das dem der Herstellung der Erfindung besitzt das die Wellen fortpflanzende optischer Strichgitter dient — hergestelltes reflektie-Medium zur Beseitigung unerwünschter Wellenenergie rendes Beugungsgitter 4 mit sich längs des Gitters selektive Absorptionseigenschaften. io ändernder Gitterkonstante, d.h. deren Abstände

Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung zwischen den Gitterlinien sich zwischen einem Ende sind an den nicht von den Wandlern betätigten Seiten des Gitters und dem anderen vorzugsweise linear verder Verzögerungsanordnung absorbierende Schichten ändern. Die Linien des Gitters verlaufen senkrecht angebracht. zur Ebene des Papiers in F i g. 1. Es ist unmöglich,

Damit wird der Vorteil erzielt, daß in diesen 15 so ein feines Gitter auch nur annähernd genau in Schichten unerwünschte Wellenenergie ganz oder teil- einer Zeichnung wie Fig. 1 zu zeigen, und demweise vernichtet wird. gemäß sind die Linien des Gitters in der Figur durch

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die Punkte angedeutet. Aus F i g. 3 (obwohl diese Figur Verzögerungsanordnung piezoelektrische Wandler auf, gleichermaßen schematisch ist) ist eine zweckmäßige die mit einem aus Quarz bestehenden, wellenfortpflan- 20 Form des Gitters zu entnehmen; sie zeigt ein Paar zenden Medium verbunden sind. der in Fig. 1 mit Punkten angedeuteten Linien,

Schließlich besteht gemäß einer Weiterbildung der Bei der in Fig. 3 dargestellten Form sind die RückErfindung das die Wellen fortpflanzende Medium aus Seiten AA der in das Material des Körpers geschnitteeinem piezoelektrischen Kristall, und die Sender und nen Linien flach und geneigt. Hinter dem Beugungs-Empfänger werden von Elektrodensystemen gebildet, 25 gitter, d.h. auf seiner dem Körper abgewandten die an den äußeren Oberflächen des Kristalls anliegen Seite, befindet sich eine Schicht aus geeignetem, und jeweils aus einem Paar kammartiger Elektroden wellenabsorbierendem Material, z.B. Lötmittel. Weiter mit Zähnen bestehen, deren gegenseitiger Abstand ab- befindet sich wellenabsorbierendes Material auf den gestuft ist. Rückseiten der Wandler und auf den Außenseiten der

Die Dicke des piezoelektrischen Senders bzw. 30 Oberflächen IB und IE. In den Fig. 1 und 2 wird Empfängers nimmt dabei vorzugsweise von dem einen dieses wellenabsorbierende Material gewöhnlich durch Ende zum anderen Ende hin ab. Schraffur angedeutet.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen im Wenn ein vorherbestimmter gewobbelter Frequenzeinzelnen erläutert. Es zeigt zug — vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise

Fig. 1 eine schematisch dargestellte Draufsicht 35 ein linear gewobbelter Frequenzzug — in den einer Ausführungsform einer Verzögerungsanordnung Wandler 2 eingegeben wird, fallen Wellen aller im mit Dispersion für akustische Wellen gemäß der gewobbelten Zug enthaltenen Frequenzen auf die Erfindung, ganze Länge des Beugungsgitters. Jedoch sind die

F i g. 2 eine Seitenansicht der Verzögerungsanord- Geometrie und die Abmessungen des Körpers 1 sowie nung nach Fig. 1, 40 die verschiedenen Abstände zwischen benachbarten

Fig. 3 eine vergrößert dargestellte Ansicht eines Gitterlinien so gewählt, daß jeder einzelne Bereich bei der Verzögerungsanordnung verwendeten ab- des Gitters eine bestimmte Frequenz im Wobbelgestuften Gitters, bereich in Richtung auf den Wandler 3 selektiv reflek-

Fig. 4 und 5 weitere Ausführungsformen der tiert, so daß die Weglängen für Wellen verschiedener Verzögerungsanordnung gemäß der Erfindung, 45 Frequenz von einem Wandler über das Beugungsgitter

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform eines Gitters, zum anderen Wandler verschieden sind, d.h., die Fig. 7 eine Weiterbildung der Erfindung, bei der Wellen werden verschieden verzögert, und die Verdrei Wandler verwendet sind, zögerungen sind solcher Art, daß die Zelle analog

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Er- zu einer Verzögerungsleitung mit Dispersion arbeitet, findung, bei der kammartige Elektroden verwendet 5° indem sie einen in den Wandler 2 eingegebenen besind, stimmten relativ langen gewobbelten Frequenzzug in Fig. 9 eine die Teildarstellung der bei der Aus- einen kurzen Ausgangsfrequenzimpuls aus dem Wandführungsform nach Fig. 8 verwendeten kamm- ler 3 verwandelt; würde umgekehrt ein solcher kurzer artigen Elektroden und Impuls auf den Wandler 2 gegeben, so würde ein Fig. 10 ein im vergrößerten Maßstab dargestell- 55 gewobbelter Wellenzug erhalten werden, wie er am tes Kammelektrodenpaar. Wandler 3 vorliegt.

Der in den Fig. 1 bis 3 flächenartige Körper 1 Im folgenden werden der Auf bau und die Wirkungsaus geeignetem wellenfortpflanzendem Material, z.B. weise einer Verzögerungsanordnung mit Dispersion geschmolzenem Quarz, hat zwei parallele Flächen IA für akustische Wellen, wie sie beispielsweise in F i g. 1 und IB, eine zu diesen im rechten Winkel liegende 60 gezeigt ist, beschrieben und erklärt. Die erfindungs-Fläche IC, eine schräge Fläche ID zwischen den gemäße Verzögerungsanordnung kann in beiden Flächen IA und IB und eine schräge Fläche IE Richtungen arbeiten, und daher kann ihre Arbeitszwischen den Flächen XA und IC. Auf der Fläche IA weise ohne Rücksicht darauf betrachtet werden, ob befindet sich ein piezoelektrischer Wandler bzw. kurze Impulse oder lange Frequenzzüge an den Ein-Sender 2, und auf der Fläche IC befindet sich ein 65 gang angelegt werden. Aus Gründen einer möglichst weiterer piezoelektrischer Wandler bzw. Empfänger 3. einfachen Erklärung wird der erste Fall zur Darstellung Die nunmehr zu beschreibende Ausführungsform ist der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Verzögewie andere Ausführungsformen der Erfindung in rungsanordnung gewählt.

5 6

Man betrachte einen kurzen »ebenen« Impuls, der Offensichtlich kann man unendlich viele Werte

normal auf eine mit gleichförmigem Abstand ange- _f.. λ ....
ordnete Reihe von Linienreflektoren fällt, z.B. normal ^ur 1 ^{wa en}'
auf ein Reflexionsstrichgitter, mit gleichförmigem Es werde gewählt:

Linienabstand. Die Reflektoren senden dann zirkuläre 5 χ

Wellen aus, die entlang dem Strichgitter sich nach —r = 0,5.

links und nach rechts ausbreiten, und zwar in Form

eines langen Impulses konstanter Frequenz, wobei die _{Da die Strahlen Qormal zueimnder sind d}. _h-

Wellenlange gleich der Abstandsemheit der Serie ist.

Bei einem solchen Gitter ist diese Wirkung nicht ίο (Θ + Φ) = —

umkehrbar, da keine Dispersion stattfindet. Ein 2 '

langer, entlang des Gitters gerichteter Impuls der. _{und man zei k daß}
selben konstanten Frequenz wurde eine dreieckige
Umhüllende ergeben, die dieselbe Frequenz und nicht a _ „„„ .„„

einen Impuls enthalt, und die Richtungen der Wege 15 \ i/l/2 / 4

wären dieselben. Man betrachte nun den Fall eines ^j_{t und}
abgestuften Gitters mit sich längs des Gitters ändernder Gitterkonstante. Ein normal auf dieses auffallen- ^24° 15- = ¹U ^c· (5)
der Impuls erzeugt eine ansteigende Frequenz die _{pür die Konstruktion ist es} zweckdienlich zu sich m einer Richtung fortpflanzt, und eine abfallende 20 _scjy._eib_err
Frequenz in der anderen Richtung, wobei die Zeitdauer des Signals wie im vorigen Fall von der Zeit I₂₄= ₁₈, = 2cT (6)
abhängt, in der die Welle entlang der Länge des _und
Gitters im verwendeten speziellen Medium wandert.

Man überlege nun, was sich ereignet, wenn eine 25 _d _ τ χ _ ^^c (n\

Welle normal auf ein Gitter trifft, dessen Strichabstand ^a4°¹⁸' /' ^w

nicht gleich der Wellenlänge ist. Wenn die Wellenlänge kleiner ist als der Strichabstand, wirken die Man betrachte nun ein Ausführungsbeispiel wie Wellenfronten zusammen und bilden einen Strahl mit in F i g. 1 und nehme an, die Frequenz ändere sich einem Winkel Θ zur Normalen, der gegeben ist durch 30 von Z₁ bis /₂ in der Zeit T. Der Abstand d muß bei

„_„ _ci„ 3 geeigneten Entfernungen s von einem Ende des

^= d ' ^W Gitters der doppelten Wellenlänge Λ. = 7- gleich sein.

wobei λ die Wellenlänge ist, die natürlich kleinei ist Man kann zeigen, daß
als der Linienabstand d. 35 ,

Natürlich ist immer eine im Einfallswinkel refiek- d = — ° (8)

tierte Welle vorhanden; im hier betrachteten Fall wird ^ ^s . f

sie direkt zurück zur Wellenquelle reflektiert. Dieser /(/_a — /1) ^x

Fall ist jedoch nicht von unmittelbarem Interesse. χ

Wenn somit ein gewobbelter Frequenzzug normal 40 oder mit -j = 0,5
auf ein derartiges Gitter trifft, wird ein Strahl in der
ausgezeichneten Richtung Θ nur von dem Teil des 2 c

Gitters ausgesendet, für den Sinus Θ gleich -=-. Wenn j /a ~ /1 ₍n\

sich die Frequenz ändert, wandert der den Strahl 45 —^—^-7—1- ———

reflektierende Teil über das Gitter. Wenn die Frequenz /2 — /1 ^cI

sich in der richtigen Richtung und mit dem richtigen _{Die L der einzelnen Linien können einzel]1)}

Betrage ändert, wird ein kurzer Wellenimpuls gebildet, _{bei 5 = 0} beginnend, errechnet werden. Es sollen wennι der^aktive Teil des Gitters (für den entsprechen- _{den L die Lösungen do}, _dl>

den Wert von Θ) sich mit der Geschwindigkeit der *° _{d dn} entsprechen, wobei gut:
Wellenfortpflanzungsgeschwmdigkeit bewegt.

Es kann gezeigt werden, daß der für einen gegebenen _ ⁷^¹ . C₁ «■>

Einfallswinkel Θ und Reflexionswinkel Φ (oder um- ⁿ ~£₀ ' ^{K }}

gekehrt) erforderliche Strichabstand durch den Ausdruck gegeben ist: 55 Wenn die Frequenz sich nach oben verändert,

sollte der »Anfang« (d. h. 5 = 0) des Gitters dem

— = sin d Θ — sin Φ (2) Übertrager am nächsten liegen, und umgekehrt.

d ~ ' Die Genauigkeit bei der Bestimmung der ver

schiedenen Strichgitterabstände d muß natürlich hoch

Die Dauer T des Impulses mit gewobbelter Fre- 60 sein; es ist die bei optischen Strichgittern übliche quenz ist gegeben durch Genauigkeit erforderlich. Die Tiefe der Striche des

Gitters und/oder deren Breite kann vorteilhafterweise

j, _ (J_\ (_sm Q _ _sj_n φ\ (2) ^an dem Ende mit den größten Abständen größer

\ c j gemacht werden und zum anderen Ende hin abnehmen.

65 Es leuchtet nunmehr ein, daß zu jedem Zeitpunkt

wobei / die Gitterlänge (gemessen senkrecht z;u den nur ein kleiner Teil des Gitters ein Signal von einem Strichgitterlinien) ist und c die Wellengeschwindig- Wandler zum anderen reflektiert, wobei der jeweilige keit in dem Medium. Bereich von der entsprechenden, von ihm refiek-

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tierten Frequenz abhängt. Dessenungeachtet ist das wenigstens den Großteil der spiegelbildlich reflekganze Gitter »beleuchtet« und reflektiert Signale in tierten Energie aufzunehmen. In F i g. 4 ist ein verschiedene andere Richtungen. Diese Signale sind typischer Weg spiegelbildlich reflektierter Energie unerwünscht und müssen, soweit möglich, beseitigt durch die gepfeilte strichpunktierte Linie Z angewerden, bevor sie über eine Mehrfachreflexion beim 5 deutet. Die Hauptstrahlen der gewünschten Energie Empfangswandler ankommen. Dieses Vernichten bzw. sind wie in F i g. 1 durch die strichpunktierte Linie X Absorbieren kann ganz oder teilweise im Medium dargestellt. Um F i g. 4 zu vereinfachen, ist energiestattfinden, insbesondere, wenn die Wege der uner- absorbierendes Material nicht gezeigt, und das Gitwünschten Signale wesentlich länger sind als die ter4 ist einfach durch eine strichlierte Linie ange-Wege der erwünschten Signale. Die Verhältnisse io deutet.

zwischen den erstgenannten Weglängen und den F i g. 5 zeigt ein abgeändertes Ausführungsbeispiel,

zuletzt genannten Weglängen können durch große bei dem ein durchlässiges Beugungsgitter 44 anstatt Abstände zwischen den Wandlern und dem Gitter des reflektierenden Beugungsgitters 4 der vorstehend vergrößert werden. Absorption kann auch dadurch beschriebenen Ausführungsform benutzt wird und erreicht werden, daß man die nicht für Wandler 15 bei dem natürlich der Ausgangswandler 2 hinter oder Reflektoren benötigten Oberflächen mit stark dem Gitter angebracht ist, so daß er die erforderliche, absorbierendem Material überzieht, wie beispielsweise vom Gitter selektiv durchgelassene Wellenenergie mit Lötmittel; dieses Hilfsmittel ist in den F i g. 1 empfängt. In F i g. 5 hat der Körper 1 die Gestalt und 2 dargestellt. einer dreieckigen Platte. In Fig. 6 ist in ähnlicher

Es ist auch von Vorteil, nur den Teil des Gitters 20 Weise wie in F i g. 3 eine geeignete Ausführungsform stark zu »beleuchten«, der im Augenblick das ge- eines Gitters gezeigt. Die erforderliche Energie gelangt wünschte Signal reflektiert. Dies kann durch Ver- durch die ebenen Oberflächen 44^4. Es ist eine schrägwendung von Wandlern mit abnehmender Stärke geneigte Facette F, die demselben Zweck wie in zu einem gewissen Grad erreicht werden, so daß F i g. 4 dient, gezeigt, und wieder ist das Gitter nur der Punkt der größten Amplitude auf jedem Wandler 25 einfach durch eine gestrichelte Linie angedeutet, von einem Ende zum anderen wandert, wenn sich und energieabsorbierendes Material, das im Bedarfsdie Frequenz verändert. Dieses Hilfsmittel kann für falle vorgesehen werden kann, ist nicht gezeigt, beide Wandler ähnlich gewählt werden, weil beide F i g. 7 zeigt eine Weiterentwicklung der Ausfüh-

über ihrer Länge das gleiche Frequenzspektrum ver- rungsform nach F i g. 5 mit drei Wandlern 2A, IB arbeiten. Der einzige Unterschied besteht in dem 30 und 3. Wenn ein vorherbestimmter gewobbelter Zeitpunkt, zu welchem diese Komponenten vorhanden Wellenzug als Eingangssignal an den Wandler IA sind. Die Wandler müssen natürlich einen hohen gelegt wird, erscheint ein kurzer Ausgangsimpuls Ö-Faktor haben, nachdem sie der Bandbreite nach am Wandler 3. Wenn ein sonst ähnlicher, aber in alle Frequenzkomponenten in der Einhüllenden des entgegengesetzter Richtung gewobbelter Wellenzug langen Impulses aufnehmen müssen, so daß die 35 in den Wandler 25 gegeben wird, erscheint ein ähn-Amplitude ausreichend kurze Anstiegs- und Abfall- licher kurzer Impuls bei 3. Die zwei Wandler 2 A zeiten aufweist. und 25 gestatten es somit der Zelle, zwei Wellen-

Man sieht aus F i g. 1, daß das die Wellenenergie züge entgegengerichteter Wobbeirichtungen zu verabsorbierende Material solches Material einschließt, arbeiten. Wenn vorherbestimmte gewobbelte Wellendas zur Absorption unerwünschter Reflexionen und 40 züge, die einander bis auf entgegengesetzte Wobbelauch (und zwar dasjenige auf den Rückseiten der richtung gleichen, in den Wandler 3 gegeben werden, Wandler) zur Belastung der Wandler und somit zur dann erzeugt einer einen kurzen Ausgangsimpuls Vergrößerung der Bandbreite dient. bei IA und der andere einen kurzen Ausgangsimpuls

Wie bereits erklärt, wird unerwünschte Wellen- bei 25. Somit kann die Zelle dazu benutzt werden, energie vom Gitter reflektiert. Vermutlich ist der 45 entgegengesetzt gewobbelte, aber sonst gleiche geGroßteil dieser unerwünschten Reflexion spiegelbild- wobbelte Wellenzüge zu trennen. Weitere Anwenliche Reflexion in Richtungen, die mit der Richtung düngen der Zelle sind möglich. Selbstverständlich ist der gewünschten, auf den Ausgangsübertrager zu das Hilfsmittel, einen der Wandler zweifach in der reflektierten Energie einen Winkel einschließen. Aus Art nach F i g. 7 anzubringen, nicht auf die Fälle diesem Grund ist es vorteilhaft, den Körper 1 mit 50 beschränkt, in denen durchlassende Beugungsgitter mindestens einer geneigten (beispielsweise um 30°) verwendet werden, sondern in gleicher Weise auf Facette auszustatten, die so angeordnet ist, daß sie die Fälle, bei denen reflektierende Beugungsgitter spiegelnd reflektierte Energie aufnimmt und auf verwendet werden, anwendbar, solche Weise zurück in den Körper reflektiert, daß Es ist nicht notwendig, daß die Wandler getrennte

sie zwischen den Seitenoberflächen des Körpers auf 55 Bauteile sind und daß der Körper nur zur Fortleitung einem Zickzackweg ziemlich oft hin- und herreflek- der Wellen dient, da, wenn die maximale erforderliche tiert wird (und zwar zwischen den Oberflächen, die Verzögerung, die in der Verzögerungsanordnung bzw. der Papierebene der F i g. 1 und 4 parallel sind). in der Zelle erzeugt wird, einen gewissen Betrag Diese Flächen sind mit wellenabsorbierendem Ma- nicht überschreitet, es möglich ist, den Körper aus terial überzogen, um die in Frage stehende Energie 60 magnetischem Ultraschallmaterial, wie beispielsweise zu absorbieren. Eisen, Nickel oder Ferrit, herzustellen und magne-

F i g. 4 zeigt eine Abänderung des Ausführungs- tische Übertragung anzuwenden, beispielsweise durch beispiels der F i g. 1, bei der dies der Fall ist. Wie Fließenlassen eines Stromes durch zickzackartige man sieht, unterscheidet sich F i g. 4 von F i g. 1 Metallagen auf einer isolierenden Oberfläche des nur dadurch, daß zwei ähnliche Facetten F vor- 65 Körpers. Man kann auch vorzugsweise den Körper gesehen sind, sowie durch die Tatsache, daß der aus piezoelektrischem Material, wie beispielsweise Körperl viel größer ist als in Fig.1, und zwar piezoelektrischem Quarz oder Bariumtitanat, herderart, daß die Facetten F lang genug sind, um stellen und ihn auch dazu verwenden, an der Um-

9 10

formung von elektrischen Signalen in fortzupflanzende _{Die ZaM die von der Form d =} α _{{ wq}_

Wellen, und umgekehrt, teilzunehmen. Piezoelek- s + b

trischer Quarz kann verwendet werden, wenn die bei α und b aus der Gleichung (11) ableitbare

maximale Verzögerung nicht größer ist als etwa Systemkonstanten sind, kann auf einem Digital-

10 Mikrosekunden. Man kann in piezoelektrischem 5 rechner bestimmt werden.

Material ohne die Verwendung getrennter Wandler Bei Hinzufügen von Indizes erhält man

Wellen erzeugen, indem man alternierende metal- _a

lische, kammähnliche Elektroden an den entsprechen- d_n — — (13)

den Oberflächen des Materials, z. B. in Form von ⁿ

auf dieses aufgebrachtem Metallfilm, verwendet. io und

Piezoelektrisches Material, wie z.B. Kristallquarz, $_n _ g_n_ _|_ ^_n. (14)
hat eine dreizählige Symmetrie um die Haupt-(oder

Z-)Achse, mit drei »elektrischen« (oder X-)Achsen, Elektrodenzähne einer Polarität, d. h. in einem

die drei »mechanische« (oder F-)Achsen winkel- Kamm eines Paares, befinden sich in Lagen S_n, und

mäßig halbieren. Ein elektrisches Feld in Richtung 15 diejenigen des alternierenden Kammes befinden sich

der X-Achse verursacht Zusammenziehung oder Aus- in Lagen

dehnung entlang dieser Achse (piezoelektrischer d_n

Effekt). Ein elektrisches Feld in Richtung einer ⁿ "■ 2~'
F-Achse verursacht durch Verlängern einer X-Achse

und Kürzen einer anderen eine Scherung. In den 20 Ein Kammpaar wird in Fig. 10 noch deutlicher F i g. 8, 9 und 10 ist eine Zelle dargestellt, bei der dargestellt. Die »Rückseiten« der Kämme sind mit die gewählte Ausbreitungsrichtung entlang der IiSTl und \K2 bezeichnet; entsprechende Anschlüsse X-Achse liegt und bei der die Elektroden, die an werden durch auf das Quarzelement aufgebrannte zwei zur F-Achse parallelen Flächen liegen, auch so Silberpunkte 2K\ und 2K2 dargestellt. Die Kammdimensioniert sind, daß sie Wirkungen hervorbringen 25 zähne werden mit 3Kl und 3K2 bezeichnet, und die wie die getrennten Gitter, die in den vorherbeschrie- Abstände sind abgestuft; das Maximum befindet benen Ausführungsformen verwendet wurden. Die sich links in Fig. 10 und das Minimum rechts. Die F i g. 8 und 9 sind schematisch aufeinander senkrecht Kämme (Rücken und Zähne) bestehen aus aufgestehende Ansichten der Verzögerungsanordnung, und brachtem Gold und können, um ein praktisches F i g. 10 ist eine Ansicht viel größeren Maßstabes 30 Beispiel zu geben, zwischen 0,1 und 0,2 μ dick sein, und zeigt eines der zwei Paare der alternierenden Die Zähne können zwischen 30 und 40 μ breit sein kammähnlichen Elektroden. Wie man weiter unten und befinden sich in der weiter oben angegebenen sehen wird, hat die Ausführungsform nach den Lage. Weitere praktische Größenverhältnisse werden F i g. 8, 9 und 10 zwei Gitter; jedes wird von einem in den F i g. 8 und 10 gezeigt. Für c = 5,72 · 10⁵ cm Elektrodensystem gebildet, und jedes besorgt die 35 pro Sekunde wurden die folgenden Werte gewählt: Hälfte der gesamten Dispersion. T = 10 Mikrosekunden; Z₁ = 60 MHz, /₂ = 45MHz; In den F i g. 8 und 9 besteht der Körper 1 aus der Frequenzgang war im wesentlichen linear. Die piezoelektrischem Quarz und weist zwei Paare kamm- Verzögerungszeit zwischen dem Ende des 10-Mikroartiger Elektroden an seinen schräggeneigten Flächen sekunden-Eingangsimpulses und dem Zentrum des auf, und zwar auf jeder Fläche ein Paar. In den 40 von einem Frequenzgang erzeugten kurzen Impulses F i g. 8 und 9 wird geerdetes, wellenabsorbierendes hängt von der Amplitudenform des Eingangsimpulses Metall durch Schraffur angedeutet; in Fig. 8 ist ab. Für rechtwinklige Eingangsimpulse ist die Aus-

jedes Paar kammartiger Elektroden Z₁UUd^₂ durch _mpui_{sform von} Sinus ^-Form mit einer

zwei parallele, nahe beieinanderhegende stnchlierte <=.= *- _x

Limen mit Abstand von der anhegenden Körperober- 45 Halbwertsbreite von ^V = 0,06 Mikrosekunden flache dargestellt, obwohl sie tatsachhch darauf ange- /1 — Λ

bracht sind. in diesem Fall. Wenn die Eingangsimpulse näherungs-

Die X- und F-Achsen sind in F i g. 8 mit ent- weise typisch Gaußsche Amplitudenverteilung haben, sprechend bezeichneten Pfeilen gekennzeichnet. Bei dann hat der Ausgangsimpuls eine ähnliche Ampli-Anordnungen dieser Art, bei denen die Gitter von 50 tudenverteilung, und die Impulsbreite wird auf etwa alternierenden kammartigen Elektroden gebildet wer- 0,11 oder 0,12 Mikrosekunden vergrößert. Damit den, ist die der vorhin erwähnten Größe d ent- liegt in diesem Fall der »Kompressionsfaktor« zwischen sprechende Größe d der Abstand zwischen zwei 80 und 90. Die Länge W eines jeden Elektrodennebeneinanderliegenden »Zähnen« desselben »Kam- systems war 3,3 cm. Diese Werte dienen natürlich mes«. Man kann zeigen, daß für einen linearen Fre- 55 nur als Beispiel.

quenzgang die Größe d durch folgende Gleichung Vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, sollte in

gegeben ist: allen Ausführungsformen gemäß der Erfindung die

Grundfrequenz größer als die Wobbeifrequenz sein, — c² Tcosec² Θ ^so daß zu jeder Zeit nicht mehr als höchstens ein Teil

7 2 60 eines Wandlers einen Strahl abstrahlt.

Γ /1 . W Z₁ \1 Grundsätzlich kann bei Ausführung der Erfindung

(/2 - Ji) \s + \γ c-< cosecfcfj \jT-Z7f^j\ die Wellenform longitudinal oder transversal sein;

letztere kann jedoch nur in festen Medien verwendet (H) werden; für eine gegebene Weglänge erreicht man

Die erforderliche Anzahl m von Zahnpaaren ⁶5 mit ihr die größte Verzögerung. Es ist auch möglich, (eines in jedem Kamm) ist gegeben durch diese Wellenform ohne Umformung in die andere

aufrechtzuerhalten; somit wird eine Signalverlust- m =s= T(/₂ + /j). (12) quelle vermieden. Aus diesen Gründen werden im

allgemeinen transversale Wellen in normalen bekannten Verzögerungszellen festen Mediums verwendet, jedoch gelten diese Gründe bei der vorliegenden Erfindung nicht in gleicher Weise, und transversale Wellen sind nicht immer besser. In manchen Fällen wird man longitudinal Wellen bevorzugen, wenn die geometrische Anordnung nicht als Folge der Umwandlung longitudinaler Wellen in transversale Wellen zu Schwierigkeiten führt. Im allgemeinen wird bei der Ausführung der Erfindung die longitudinale Wellenform bevorzugt, weil man dazu ein größeres, leichter herzustellendes Gitter benötigt. Für sehr lange Eingangsfrequenzzüge bevorzugt man jedoch die transversale Wellenart, weil man kleinere und damit billigere Verzögerungsanordnungen verwenden kann.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die Verwendung von wellenfortpfianzenden Körpern der in der Zeichnung gezeigten Gestalt oder auf die Verwendung ebener Gitter beschränkt. In allen Fällen kann die insgesamt erforderliche Dispersion auf eine Anzahl Gitter auf dem gewünschten Wellenfortpflanzungsweg vom Eingang zum Ausgang verteilt werden, wobei jedes die erwünschte Wellenenergie zum nächsten (so vorhanden) reflektiert oder durchläßt. Die Aus-Wahlmöglichkeiten für den Gitterwinkel sind groß, wie man aus der oben wiedergegebenen mathematischen Beschreibung ersieht. So kann beispielsweise gezeigt werden, daß bei einem ebenen Gitter unter einem Winkel von 45° gilt:

(15)

Si(f,-fd+fi

35

An Stelle eines langen, sich über die entsprechende Oberfläche des die Wellen leitenden Körpers erstrekkenden Wandlers kann man eine Anzahl von Einzelwandlern verwenden, die zusammenarbeiten und die, eng einer am anderen liegend, dieselbe Länge bedecken. In einem solchen Fall haben die Wandlerelemente vorzugsweise parallelogrammartige Gestalt, so daß die Linien, mit denen jedes am anderen anliegt, keine rechten Winkel mit der Richtung der Längserstreckung bilden, über welche sich die Serie von Wandlerelementen erstreckt, sondern vielmehr einen schrägen Winkel.

Obwohl aus Gründen der Zweckmäßigkeit und Einfachheit der Beschreibung im obenstehenden nur auf die Erzeugung kurzer Impulse durch einen gewobbelten Frequenzzug eingegangen wurde, wird darauf hingewiesen, daß in der Praxis, wenn die gewobbelte Zugumhüllende etwa quadratische Form hat, man einen kurzen Hauptimpuls von solcher Zeitdauer (gemessen über der Halbwertsbreite) erhält, die gleich ist dem Kehrtwert des Frequenzbereiches, der durch den Frequenzgang überfahren wird. Dieser Hauptimpuls und kleinere Impulse stehen dabei gewöhnlich etwa in demselben Zusammenhang wie die Hauptkeulen und die Seitenkeulen in dem Polardiagramm einer Radiorichtantenne mit gleichförmiger Amplitudenverteilung entlang der strahlenden »Öffnung«. Wenn jedoch die abfallenden Bereiche der Zugumhüllenden im wesentlichen einer Gaußschen Verteilung entsprechen, dann werden die kleineren Impulse sehr stark reduziert, und zwar auf Kosten eines Anstiegs der Breite des Hauptimpulses um etwa 60 bis 70%.

Claims (18)

Patentansprüche:

1. Verzögerungsanordnung mit Dispersion für akustische Wellen mit einem wellenfortpflanzenden Medium und einem Sender, welcher Wellen verschiedener Frequenzen durch das Medium einem Empfänger zuführt, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Zwischen Sender (2, 2A, 2B) und Empfänger (3) ist im Wege der Wellen ein Beugungsgitter (4, 44) mit sich längs des Gitters ändernder Gitterkonstante angeordnet, wobei jeder Gitterkonstante eine bestimmte Frequenz zugeordnet ist;

b) die Anordnung vom Sender, Empfänger und Gitter ist derart getroffen, daß ein ganz bestimmtes Beugungsmaximum jeder Gitterstelle bei der zugeordneten Frequenz auf den Empfänger fällt;

c) die Wege der Wellen zwischen den einzelnen Punkten des Senders sind über das Gitter zum Empfänger unterschiedlich lang.

2. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (2, 2A, 2B) und Empfänger (3) aus elektromechanischen Wandlern bestehen.

3. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (2, 2A, 2B) und Empfänger (3) von dem die Wellen fortpflanzenden Medium (1) getrennt sind.

4. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter ein reflektierendes Beugungsgitter (4) verwendet ist.

5. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Beugungsgitter (4) ein durchlässiges Beugungsgitter (44) verwendet ist.

6. Verzögerungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellen fortpflanzende Medium (1) zur Beseitigung unerwünschter Wellenenergie selektive Absorptionseigenschaften besitzt.

7. Verzögerungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß an den nicht von den Wandlern (2, 2A, 2 B, 3) bedeckten Seiten der Verzögerungsanordnung absorbierende Schichten angebracht sind, in denen die unerwünschte Wellenenergie ganz oder teilweise vernichtet wird.

8. Verzögerungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellen fortpflanzende Medium (1) ein fester Körper ist.

9. Verzögerungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellen fortpflanzende Medium (1) flüssig ist.

10. Verzögerungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß an den Eingangs- bzw. Ausgangsflächen der Verzögerungsanordnung jeweils ein einziger Sender (2, 2A, 2B) bzw. Empfänger (3) vorgesehen ist.

11. Verzögerungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl an der Eingangs- als auch an der Ausgangsfläche jeweils mehrere Einzelsender bzw. Einzelsender vorgesehen sind.

12. Verzögerungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie piezoelektrische Wandler

(Kl, K2) aufweist, die mit einem aus geschmolzenem Quarz bestehenden wellenfortpflanzenden Medium (1) verbunden sind.

13. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellen fortpflanzende Medium (1) aus einem sich sowohl zur Wellenfortpflanzung als auch zur Umwandlung von elektrischen Signalen in sich fortpflanzende Wellen eignenden Material besteht.

14. Verzögerungsanordnung nach den An-Sprüchen 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß das die Wellen fortpflanzende Medium (1) aus einem piezoelektrischen Kristall besteht und Sender (2, IA, 2B) und Empfänger (3) von Elektrodensystemen gebildet werden, die an den äußeren Oberflächen des Kristalls anliegen und jeweils aus einem Paar kammartiger Elektroden (Kl, Kl) mit Zähnen (3Kl, 3K2) bestehen, deren gegenseitiger Abstand abgestuft ist.

15. Verzögerungsanordnung nach den An-Sprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (2, 2A, 2B) und Empfänger (3) von keilförmiger Gestalt sind und eine derartige Steigung besitzen, daß der Punkt der größten Amplitude bei gewobbelter Frequenz auf ihnen entlangwandert.

16. Verzögerungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß piezoelektrische Sender (2, 2A, 2B) bzw. Empfänger (3) verwendet sind, deren Dicke von dem einen Ende zum anderen Ende hin abnimmt.

17. Verzögerungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite und/oder Tiefe der Beugungsgitterlinien in der Weise abgestuft ist, daß die Breite und/oder Tiefe dort größer ist, wo der Abstand größer ist, und dort kleiner ist, wo der Abstand kleiner ist.

18. Verzögerungsanordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Beugungsgitter (4, 44) eben sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 748 438;

USA.-Patentschriften Nr. 2 416 338, 2 455 389;

»The Journal of the Acoustical Society of America«, Vol. 21, Nr. 5, S. 471 bis 481 (September 1949);

»Zeitschrift für technische Physik«, Bd. 15, Nr. 12, S. 630 bis 637 (1934);

E. Meyer, »Electro-Acoustics«, Verlag G. Bell and Sons, London, 1939, S. 24 und 479.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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