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Elektromechanische Verzögerungsanordnung Die Erfindung befaßt sich
mit einer elektromechanischen Verzögerungsanordnung für Ultraschallwellen, bestehend
aus mindestens zwei elektromechanischen Wandlern, die über einen Laufzeitkörper
mechanisch miteinander verbunden sind.
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Das Prinzip der Ultraschallverzögerungsleitungen ist bekannt (vgl.
beispielsweise in der Zeitschrift »Philips' Technische Rundschau«, Bd. 24 [19651,
Heft 4/5, S. 89 bis 110 die Abhandlung »Ultraschallverzögerungsleitungen und ihre
Anwendung im Fernsehen«). Hierbei wird die relativ geringe Geschwindigkeit mechanischer
Wellen in festen Stoffen benutzt, um elektrische Signale großer Bandbreite zu verzögern.
Die erreichbaren Verzögerungszeiten sind abhängig vom Elastizitätsmodul und der
Dichte des Verzögerungskörpers sowie dem Weg, den die mechanischen, d. h. Ultraschallwellen
im Körper zurücklegen, und liegen in der Größenordnung von einigen Mikrosekunden
bis zu einigen Millisekunden. Ferner ist es bekannt, mit Hilfe von Mehrfachreflexionen
der Schallwellen im Laufzeitkörper die Abmessungen des erforderlichen Körpers für
große Laufzeiten erheblich zu verringern. Die bisher bekannten Verzögerungskörper
mit ebenen Begrenzungsflächen bilden zwar parallele Wellenbündel, die vom Eingangswandler
angeregt werden, relativ gut auf den Ausgangswandler ab, doch ist es bekannt, daß
eine parallele Bündelung nur im sogenannten Nahfeld gegeben ist. Im Fernfeld hingegen,
wie es für große Verzögerungsstrecken praktisch immer der Fall ist, liegt ein divergierendes
Wellenbündel vor. Der Eingangswandler hat, entsprechend einer Antenne, eine Richtungscharakteristik
mit einer Haupt- und mehreren Nebenkeulen.
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Außerdem ist bereits bekannt, die Reflexionsstellen einer derartigen
Verzögerungsanordnung als Kreisbogen auszubilden, um eine Fokussierung der Wellenbündel
zu erzielen (vgl. deutsche Auslegeschrift 120150l.). Auch hierbei wird jedoch davon
ausgegangen, daß jeder Punkt des Eingangswandlers ein streng paralleles Wellenbündel
aussendet. Um dieses Wellenbündel schon vom Wandler her zu fokussieren, kann der
Wandler konkav ausgebildet werden, was jedoch bezüglich der technischen Herstellbarkeit
erhebliche Schwierigkeiten mit sich bringt. Außerdem zeigen konkave Schwingungsgebilde
bei Anregung zu mechanischen Schwingungen erhebliche Nebenwellen. Aus obiger Literaturstelle
ist ferner bekannt, am Kreisumfang der Verzögerungsleitung wenigstens eine Stelle
mit dem doppelten Halbmesser des Zylinders vorzusehen.
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Durch die deutsche Auslegeschrift 1139 218 ist es ferner bekannt,
derartige Laufzeitkörper mit Bohrungen zu versehen, um hierdurch die Störsignale
zu verringern.
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Darüber hinaus ist in der USA.-Patentschrift 2 839 731. bei
einer Festkörper-Verzögerungsanordnung beschrieben, daß man im Laufzeitkörper zu
beiden Seiten der Wandler Schlitze anbringen kann, um damit die Störsignale zu verringern.
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Bei den bisher bekanntgewordenen Verzögerungsanordnungen hat es sich
gezeigt, daß man auf Grund der nicht genügend unterdrückten Nebenkeulen der Charakteristik
unerwünschte Reflexionen erhält, was die Ausgangssignale verfälscht. Auch können
besonders bei Verwendung von polykristallinem Material, z: B. Ferrit, allzu dichte
Überschneidungen der Wellenzüge zu Störungen führen.
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Ziel vorliegender Erfindung ist es deshalb, die oben geschilderten
Nachteile zu vermeiden. Ausgehend von einer elektromechanischen Verzögerungsanordnung
mit Unterdrückung schädlicher Nebenwellen für Ultraschallwellen, bestehend aus mindestens
zwei elektromechanischen Wandlern, die über einen Laufzeitkörper mechanisch miteinander
verbunden sind und Grund- und Deckflächen aufweisen, die Form eines n-Ecks mit einer
ungeraden Zahl von Ecken hat und bei der die Ein- und Ausgangspunkte der Schallwelle
sowie deren Reflexionspunkte auf dem gleichen Kreis liegen, wobei der Krümmungsradius
der abgerundeten Seiten gleich dem Durchmesser des Kreises ist, auf dem die Reflexionspunkte
liegen, wird hierzu erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß folgende an sich bekannte
Teilmerkmale gleichzeitig angewendet werden: a) Die Mantelflächen des Vieleckkörpers
sind zusätzlich noch in vertikaler Richtung gewölbte Flächen, deren Krümmungsradius
gleich dem Durchmesser des Kreises ist, auf dem die Reflexionspunkte liegen;
b)
der Laufzeitkörper besitzt ein Innenloch, das die die Form eines Vielecks hat; c)
zu beiden Seiten der Wandler sind Schlitze im Laufzeitkörper angebracht.
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An Hand der Figur soll im folgenden die Erfindung und deren Vorteile
näher erläutert werden.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Laufzeitkörper
Grund- und Deckflächen in Form eines Fünfecks auf, welches (5-2) abgerundete Seiten
aufweist, die mit 2, 3 bzw. 4 bezeichnet sind. Auf den beiden geraden
Seiten 5 und 6 des Laufzeitkörpers 1 sind die beiden Wandler 7 und 8 angebracht,
die den Wellenzug aussenden bzw. empfangen. In dem gezeigten Beispiel wird der Wellenzug
dreimal an den Berandungsflächen des Fünfeckkörpers reflektiert. Die Ein- und Austrittsstelle
sowie die Reflexionsstellen liegen alle auf dem Umfang des gleichen Kreises, dessen
Radius mit r bezeichnet ist. Damit das divergierende Wellenbündel durch die verschiedenen
Reflexionen nicht in unerwünschter Weise noch verbreitert wird, sind die reflektierenden
Flächen der Seiten 2, 3 und 4 als Kreisbogen ausgebildet, deren Mittelpunkte 2',
3' und 4' der Schnittpunkt der Einfallslote mit dem Umfang des obenerwähnten Kreises
ist, wobei der Krümmungsradius der abgerundeten Seiten 2, 3 bzw.
4 gleich dem Durchmesser des erwähnten Kreises gewählt ist. Damit erreicht
man, daß die divergierenden Wellenbündel nach der Reflexion wieder in einem Punkt
vereinigt werden. Durch die ungerade Zahl der Reflexionen wird somit jeder Punkt
des strahlenden Eingangswandlers 7 wieder im genau gleichen Punkt des Ausgangswandlers
8 abgebildet. Durch die Verwendung eines geschlossenen Vielecks einerseits sowie
jeder Seite eines Vielecks für eine Reflexion bzw. Eingang und Ausgang andererseits
ergeben geringe Winkelverschiebungen der Seiten gegeneinander, beispielsweise durch
Schrumpfung beim Sintern des Laufzeitkörpers, nur eine Parallelverschiebung der
Strahlen im Ausgangswandler, da die Summe aller Winkel stets 360° bleibt. Auf Grund
der einfachen geometrischen Beziehungen läßt sich bei Kenntnis der Werte für den
Elastizitätsmodul E und die Dichte 99 des Materials sowie der geforderten Laufzeit
z die erforderliche Weglänge l sowie die Größe des Vielecks berechnen. Es gelten
folgende Beziehungen
wobei r den Radius des Kreises und n die Zahl der Teilstrahlen innerhalb
des Laufzeitkörpers von Wand zu Wand bedeutet und mit cp der Halbwinkel zwischen
zwei an der gleichen abgerundeten Seite des Vielecks reflektierten Strahlen bezeichnet
ist.
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Die Größe des Laufzeitkörpers kann dadurch in einfacher Weise den
jeweiligen Bedingungen angepaßt werden. Außerdem ist es durch Abschleifen an einer
der reflektierenden Stellen leicht möglich, die Laufzeit nach Anbringen der Wandler.
exakt abzugleichen. Um auch die Divergenz des Wellenbündels in vertikaler Richtung
zu kompensieren, kann die Mantelfläche des Vieleckkörpers an den Reflexionsseiten
eine auch in der vertikalen Richtung gewölbte Fläche bilden, deren Krümmungsradius
in der vertikalen Richtung ebenfalls gleich dem Durchmesser des in der Zeichnung
gestrichelt eingezeichneten Kreises 9 ist.
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Um zu vermeiden, das Störwellen, z. B. auch von den Nebenkeulen, auf
direktem Weg vom Eingangswandler zum Ausgangswandler gelangen und störende Signale
hervorrufen, ist in Weiterführung der Erfindung in der Mitte des Laufzeitkörpers
eine Aussparung 10 vorgesehen, die ebenfalls durch ein Vieleck gebildet wird.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Aussparung besteht darin, daß man hierdurch eine
einfache Halterungsmöglichkeit für den Laufzeitkörper erhält.
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In Weiterführung der Erfindung werden seitlich der Wandler 7 bzw.
8 Schlitze 11, 12 bzw. 13, 14 angebracht, um damit unerwünschte Störwellen zu unterdrücken.
Bei der Verwendung von magnetostriktiven Wandlern, die bekanntlich einer Vormagnetisierung
bedürfen, bringt dies den zusätzlichen Vorteil, die erforderlichen Dauermagnete
in Form von Kappen über die Wandler zu stülpen. Dies bringt eine Verstärkung der
Vormagnetisierung. Darüber hinaus ergibt sich durch die Anbringung der obenerwähnten
Schlitze eine einfache Möglichkeit zur Anbringung einer Spule. Man ist dadurch in
der Lage, ohne Zuhilfenahme von besonderen Wandlern am Laufzeitkörper
1 direkt Longitudinalschwingungen zu erzeugen.
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Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind Eingangswandler 7 und
Ausgangswandler 8 an zwei nicht angrenzenden Seiten des Vielecks angeordnet, so
daß man eine ausreichende elektrische und magnetische Entkopplung erreicht.
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In einer Weiterführung der Erfindung ist der Laufzeitkörper aus magnetischem
Material, insbesondere Ferrit, aufgebaut. Dadurch ergibt sich der weitere Vorteil,
daß die Laufzeit der Ultraschallwelle im Material beeinflußt werden kann. Auch hierfür
bietet die erfindungsgemäße Anordnung besondere Vorteile. Durch die Anbringung der
zentralen Aussparung 10
kann beispielsweise eine zusätzliche Wicklung angebracht
werden, um den Laufzeitkörper in der Ebene der Wellenausbreitung vorzumagnetisieren.
Da hierbei ein geschlossener, magnetischer Kreis vorliegt, reichen relativ niedrige
Ströme aus, um die erforderlichen Feldstärken zu realisieren im Gegensatz zu Körpern
mit stark geschertem, magnetischem Kreis, beispielsweise mit einem geraden oder
V-förmig ausgebildeten Stab.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine zusätzliche Gleichstromversorgung
für die gewünschte Vormagnetisierung dadurch vermieden, daß man Dauermagnete verwendet.
Dies kann derart erfolgen, daß auf der Grund- und/oder Deckfläche des Laufzeitkörpers
1 Dauermagnete derart angebracht sind, daß sie gegeneinander verdreht werden
können. Ein derartiger Dauermagnet besteht beispielsweise aus einer Scheibe mit
einer Innenbohrung, die abwechselnd mit einem Süd- bzw. einem Nordpol versehen ist.
Die gesamte Anordnung ist dann derart aufgebaut, daß zwei solche Magnetscheiben
vorgesehen sind, von denen eine unterhalb und eine oberhalb des Laufzeitkörpers
so angeordnet sind, daß die Verbindungslinien der Pole untereinander möglichst parallel
zu den Fortpflanzungslinien der Welle liegen. Eine Abstimmöglichkeit besteht darin,
daß man eine Scheibe bezüglich der anderen drehbar anordnet, so daß die beiden Extremfälle
möglich sind, bei denen
einmal gleiche Pole, zum anderen entgegengesetzte
Pole übereinanderliegen. Mit Hilfe dieser drehbar ausgeführten Anordnung der Dauermagnete
wird eine kontinuierliche und einfache Variation ermöglicht.
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Ferner bietet die Erfindung die Möglichkeit, eine Verzögerungsanordnung
aufzubauen, bei der die Laufzeit in einem festen Verhältnis einstellbar ist. Dies
wird dadurch möglich, daß an den Reflexionsstellen der Wellen (beim in der Figur
dargestellten Ausführungsbeispiel an den Punkten 2", 3" bzw. 4") zusätzliche Ausgangswandler
vorgesehen werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Laufzeitkörpers die Weglängen
der Teilwellen innerhalb des Körpers alle gleiche Länge aufweisen, ergeben sich
somit Laufzeiten, die im Verhältnis einfacher ganzer Zahlen stehen. Beim dargestellten
Ausführungsbeispiel in Form eines fünfeckigen Laufzeitkörpers kann man durch Anbringen
der obenerwähnten zusätzlichen Ausgangswandler somit ein Laufzeitverhältnis von
1 : 2 : 3 : 4 wahlweise abgreifen.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung der Verzögerungsanordnung weist eine
einfache Form auf, die insbesondere bei Verwendung von Ferrit als Material für den
Laufzeitkörper preß- und sintertechnisch einfach herzustellen ist, so daß eine rationelle
Fertigung gewährleistet ist, was bei Verwendung in Fernsehgeräten beispielsweise
von ausschlaggebender Bedeutung ist.