DE1491314B2 - Dispersive schalleitung - Google Patents

Dispersive schalleitung

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DE1491314B2 DE19651491314 DE1491314A DE1491314B2 DE 1491314 B2 DE1491314 B2 DE 1491314B2 DE 19651491314 DE19651491314 DE 19651491314 DE 1491314 A DE1491314 A DE 1491314A DE 1491314 B2 DE1491314 B2 DE 1491314B2
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Description

Die HiTmdiiii!! bezieht sich aiii eine disper- ;\ e i^ehalleituim mit einem elastischen Wellenleiter und Zwei in Richtung seiner l.ängsaeh--e angeordiu-icn elektromechanischen Wandlern zur hrregung b/w. /.um !'.i'r.j-.iV.;".^ e;::jv ·:■."!'. i1.'. ■'■■'' Iiii'htiiiin der I i'Mi's- zz achse ausbreitenden mechanischen Welle, wobei der Wellenleiter aus einem Feststollsockel mil einer : ti der l.ängsaehsc parallelen l-iäehe und einer aiii diese lache auli'.ebraehten dünnen Schicht aus elastischem Material besteht und die Ausbreitmigsgeschw'mdig- fio keil der mechanist her, Wellen in tier Schicht kleiner als in dem l-csistolKockcl ist.
Disp.ersixe Schalleitimgcn. ti. h. Schalleiiiinuen mit fret|iienzabliängiger Laufzeit, dienen insbesondere dem Zweck der kompression oiler Dehnuim von Wc'llenzügen Wenn ein kurzer impuKlönnigcr WeI- 1'.1./.Hg über cine dispersive Schalleitung eescliickt wire, kommen die verschiedenen Spektralkomponcnten entsprechend den unterschiedlichen Lauf/eiiju nacheinander am Lude der Schaiieitung an. so da!1. ein getleiuiter frequenzniodulierter Wellenzug eriiallen svirt!. Wenn umgekehrt ein in geeigneter Wei---.-fretiuen/r.i'itluiiener Wel!en/ug über die Schallei;.:ii.-gc-sfliickt V-. ird. kann erreicht werden, dal.1 die ·. e:- scliiedeiien SpektiaikonipuiieP.len am knuc nai-e/u Lileichzeiiii; ankommen, wodurch ein kisnipriniieM.e: Wellen/im .mit entsprechend, erhöhter Spitzcnle.stun.j erhalien wird. Diese Maßnahmen werden insbe-..η ■ iere bei Riicksirahloriiingsgeräieii angewendet, um li.irch .AiissentluiiL; eines verhältnismäßig lanzen In- !"ililses bei del \ erüiiibai'eii Spitzenleistung eine j:<-L'ere Lneigiemeiige alislrahleil zu können und cir.pfaiiLisseiiiu durch KompressKin ties Lehoinijiiilses ein.. erit'prechend erhöhte Leistung zu erhalten und --ü-Llleich tla-- .Aufli":suivjs\.ermÖL;en zu '.-„rbcs-erii.
Ail· tier /eiischriii I kk Traii^aci:--ns on ί !na-.inies iuiuineeriiiLi Vol. I L-~". Nr. 2. Juni 1'Ίιΐι. S. 53 liis 5iS. ist eine t!ispers|-.e ! lir;:- ■ ■ ,aüciunig hekanni. die aus einem prismatr chen Stab- aus einem elastischen beslstoll besteht, an tie-sen beiden Si-rnlläcl-ei; elektroniechanisclie Wandler aiiLiebrachi -ind. diL iii dem Stab' LoiiLiiludinalweilen (Druckwellen 1 erzeugen, /ur Linearisierung der Kennlinie eine! solchen di-.pcrsi\i_n SchallcitunL! ist es au-, der Vcröllen'-lichung ..\l)(\\ IRL Internationai Coineniioi; Record . \'ol. '). i'ait i>. S. 334 bis 342. bekannt. (L-n Stab mit einem von tier I-'.iimanusseile /m Ause;:'i'j·- seile sietig zunehmentien Ouerseliniit au.-.zubild-.-n.
Diese bekannten Schalleitungen arbeiten mit Longilutlinalw eilen, die ebenso wie Hi-eiieschw ir:- gumisvvellen SchwiiiLiunLisaussehlaae iierv orru'.'en. tli^ in der I'.bene liegen, die senkre'.'hi zu der die .-u1.-· breitungsachse enthaltenden Lb.r.: steht. Die eii:- wantllreie biregunu solcher Wellen ist s.;h\\ ieric. inul es bestelii immer die Cjelahi des Auftreten'- von unerwünschten W'ellenlormcn: insl'iescndere können Biegeschw ingungsw eilen uiul I .on.Liitutlinab', eilen gleichzeitig nebeneinander bestehen, so dal.» stets c|je Ciefalii" einer I-inw andkuiLi tier einen W'ellenioni' in tue andere ν orhanden lsi.
In der Zeitschrift Geophysics . Voi. LS. Ni. 4. Oktober ll)53. S. S44 bis S7(i". v.inl die Ausbreitung von Schallwellen in niehrschicliligen S"ukiiireii untersucht, insbesondere auch in einer Struklui mit ei'-er elastischen I-"esi.-.tnil^c}iieht aiii einem elastischen oder starren Feststoilsockcl. de^-eii Dicke grol'i gegen die Dicke tier Schicht ist. wobei unterschiedliche Aiisbreilungsge-.chwiiuiigkeiten in den beiden Feststoffen zugrunde iielegi werden. Diese L'niers.ucluingen werden ebenfalls nur i'ür den !-all \ou Loii'jiiutlinalw eilen und ßieix-schw iii::ungsvvelien angestillt, und es werden hierfür die Dispersinnskurven ■Hill,'(I b,'ll
Aiif'.'.abe tier lirfir.ikiim ist ilie SelialiunL' eine; tlispersiven Schaiieitung. welche die einwandfreie Lr-/euguiig einer reinen Weileiilorm olme die fiefahr lies ,Aulireteiis von störe itien Wellenformeii oder tier I'mw.intilung in eine andete Wellenlorm erniöglichi.
Ausgelientl von einer dispersiv en Schalkitunn der eingangs angegebenen AiI wiid these Aufgabe nach tier l-'.rlinthmg t'.adinch ueliist. daß die mechanische Welle cmc Scherungswellc ist. die Schw iiiLiungsausschläge in tier Richtung senkrecht zu dei tlie I.änusachse lies Wellenleiters enthaltenden mit! senkrecht /u der Cirenzfläehe zwischen Schicht und F'esistolT-sockel siehenden Lbene erzeiiLit. und daß die !Unis-
Sioii-tlächen eier Wandler senkrecht zu dieser libelle Ungeordnet sind und unter der W irkung einer an ihre K ein inen angelegten Frreguiiiisvsechselspannurm t'/eimen. die senkrecht zu dieser Fbenc »erichtei
l).e erlip.dungsgemäl.'e Ausbildung der dispcrsivcii
S : :;!!eriU!i : eruMH die r.rreüunii \op. transversalen S !IeI-IiIm-WeIIeH. die Sclivv ingungsaiissehläsie parallel j 'er (iienztläche /wischen Schicht und Fcststoil- !■ .ei und senkrecht /u der die Ausbreiumgsiich-
I darstellenden Längsachse des Wandlers auf-
\ .n. Diese auch unter der Bezeichnung LOYF-'■-Men bekannten Scherimgswcllen stellen eine leine *- üeuioim dar. die nicht dazu nciüt. sich in eine :e:v Wellenform uni/uw aiidcln.
■ ,-,.■ A.usgestalumg der LiTmdung besteht darin.
t .!er Fcsisuiüsockel prismatisch i-i und daß die \..':-.i!er elektrostriktiv c Wandler -Ind. von denen ι : :'e zwei 1 .ingangskiemnicn /um '--.mpUiiiu eines j ;eii/modulierten Fingangssimials und der andere
i 'vusgangsklcmmen zur .Abgabe eine- frequenz-
1 !..liierten .Ausgangssignals aulweisen. Diese Aus- ; ...Itiinü ei mi>uLlicln tue Lr/cugunn der Scherunnsieii auf eiiilache und sichere Weise.
'■ ine besividers gute Kopplung /wischen den ■■.:d:cm und der Schicht wird ücniäl.' einer W eiter-
! !i;ng dadurch erreicht, dal.) jeder Wandler nut der : : jiiuen Fläche eines auf die Schicht aufgelegten • pplunusnrismas ückoppcli ist.
■)ie günstigsten Verhältnisse bestehen in diesem Ί ■][ dann, wenn tiemäß einer weiteren Ausgestal-.L1 der 1 ründung der Cosinus des Winkels zwischen . .;■ schrägen l-'läche des kopplungsprismas und der ■chicht gleich dem X'erhältnis der Wellenlängen d-er Wellen ist, welche im Kopplungsprisma b/w. in der S.'iiieht jrrcut werden.
Die Lilindung wird nachsteheiul an Hand der /eichnuim beispielshalber beschrieben. Dann zeigen !•in. I. 2. 3. 4. 5. h Diagramme zur Lrläuterung des zu lösenden "roblems.
Ii !'.. 7. (S und y Darstellungen zur Lrläuierung des l'rin/ips der Lrlhidung.
1: ι ;:. IU ein !'rinzipschema der erhndungsgeniäl.'en Sehaileitung.
l;iu. Il und Π Stirnansichten der Schalleitung s on L i l!. 1 O und
1 ig. 13 das Schema eines zweiten Auslührungsbeispiels ύ\:ν Schalleitung nach der rirlindung.
I·'i u. 1 /eint einen wahrend einer Zeit 7' i'.esei,-
deten impulsfurmigen Wellenzug, der linear l'rei|ucn/.-
modiiüert ist. wobei die ersten Wellen des Zuges die höchste Frequenz haben. Das Modulaüonsgesev.
i{i) ist in Fig. 2 ciargesleih.: Die Ki'eislVei|uenz
der Wellen des Zugs ändert sich linear von ··< - <·<„ im HiMiinn dt's Wi'llen/Ui'.s liis v, , I11 \-.·ι.
Dieser We!len/ug soll in ein Signal kurzer Dauer umgewandelt weiden.
Ls ist bekannt, zu diesem Zweck dispersive Leitungen zu verwenden, d. h. Leitungen, deren Fortpllanzumiskonstante eine Funktion der Frequenz der Welle ist. Diese Leitungen bestehen im allgemeinen aus diskreten Gliedern, doch zur Vereinfachung sei angenommen, daü es sich um wirkliche Leitungen handelt, auf den ι sieh eine Welle mit einer bestimmten Wellen/ahl K ausbreitet.
Fs sei in diesem Zusammenhalt daran erinnert.
dal.l die Wvllenzahl K einer Welle lautet: K 2:, )..
Es wird eine Leitunu verwendet, bei der die Wellenzahl mit der Krcislrequcnz durch eine Beziehung lolgender form verknüpf ι ist:
worin \ eine Konstante ist.
Wenn die Gruppcllgcschw illdigkeit der Weile a.:!
/JK
hüllet die Laufzeit:
1 Ja; in sind / eile Länge tier Leitung und ·,. ,.
Konstante.
l· i g. 3 zeigt der. Zu-amnici.hailg /\·. i-chei: λ ui>! i-i. F i g. 4 zeigt den S'eliaui von IV al>. ! ur:'..':. ■■:! von ι-,, und L i g. 5 /eiut den Yerk".ii '.on /," a,-l-'unktion ν on .·..
[■-s iäl.'t sich lolüeiides zeigen: Wenn tiem i .üu.an·.' einer ilispei'siv en Leitun«: mit solchen Au-breitiing-kenngiöl.'.en ein Wellenzug der in Fig. \ g.vcigien Art zugeführt wird, erhält ιΐι:·η am Ausgang der Le:- iiiηii nach einer bestimmten Laufsireeke eini. :i cleiciii'alls irequen/modulierteii Weüenzug, de^en iüiüktirve jedoch die in I- i si. (Ί ii'.veiüie Forni hai. D;e maximale Amplitude hat foliienden Wert:
Die ganze Lncrgie ist prakliscii in einer Kurse der Breite 2 γ in konzeniriert, und die Ampliluile wild in Zeitpunkten zu Null, die um Vielfache von 2.-' i< ■ voneinander entfernt sind.
F i g. 7 zeigt den prinzipiellen .Aufbau einer Anordnung, v.eiche die zuvor ueschiiderte Wirkung lür den Fall ergibt, dal.i der fretuien/modulierie Wellenzim in l;orm einer mechanischen Welle vorlie1.:". waaucii im Fall elektrischer Signale durch ί mvva.'.d'nng in Lltraschallwellen mit Hilfe gceigucier elei-'.romechanischer Wandler erreiciit werden kann. Dk in l: i g 7 gezeigte dispersive Schalleiumi: ist eine Melallsch.iene. die aas zwei Metallen zusammengesetzt ist. nämlich ;;us einer Metallschicht A/., mit einer sehr geringen Dicke <■ und einem Metall-ockel A/,. der ;:egenL'iber der Metallschicht A/., eine -ehr grol'e Diel·',· hat.
Wenn in einer solchen Schiene (Fig. S) traiv-v ersale Schwingungen erregt werden, welche -ich m der Richtung der ..-Achse ausbreiten, vvr.bei die Schw;nuunüsaussehläüc in der Richtung der y-Achse liei.'en. die senkrecht zur r-Acnse stent, uiui ieiuei me -\u~- breitungsgeschwind.gkeil C, der entsprechenden Scherungswelleti in dem Medium A/., kleine;" als die Ausbreitunusgesehwindigkeit C1 dieser Sclurimg-vv eilen im Medium M1 ist. also ('.,<(",. -o entstehen in der .Anordnung Oberllächenwellen. welche eine AusbreilunL'sijeschwindigkeit C. haben, tür die gilt: C.,<(: :i<Cr Diese Wellen werden auch LOVL-Wellen genannt. Wenn die Welle an der Oberfläche der Schicht A/„ erregt wird, fällt ihre Amplitude mit zunehmender Tiefe in dem Socke! '/, exponentiell ab. wie in Fi ». cS angedeutet ist, -o daß die Schwinminusenereie in der Schicht A/., konzentriert ist.
F i g. 9 zeigt experimentell aufgenommene Kurven, die gleiche Anordnung von dem entsprechenden Ende
welche den Verlauf der Phasengeschwindigkeit und her gezeigt ist. Eine zusätzliche Masse 5 ist an den
der Gruppengesehwindigkeil als Funktion des Para- Wandler angelötet. Dieser Wandler übt auf die
meters e ■ r zeiuen, wobei >· die Frequenz der Welle Schiene eine transversale Wechselkrafl aus. wie durch
ist. ,Ϊ die Pfeile angedeulet ist. Am anderen Hilde der Lei-
In \oller Linie erkennt man den Verlauf der Pha- tung ist ein gleichartiger F.mpiangswandler angeord-
senuesehwindigkeit in m s und gestrichelt ucv. Ver- net, der aus den gleichen Organen besteht und mit
lauf der Gruppengeschwindigkeit für eine Kupfer- einer nachfolgenden Stufe 7 ties Radarempfängers
Eisen-Anordnung, wobei e · r in MFIz ■ u ausgedrückt verbunden ist (Fig. 12). Die Wirkungsweise diener
ist. ίο Anordnung ist ohne weiteres ersichtlich.
Wie in dieser Darstellung zu erkennen ist, hat ein Oa die Wellenlänge der LOY'h-Wellen ^ehr kleiiganzer Abschnitt der Kurve der Gruppengesehwin- ist (in der Größenordnung von 0.4 bis 0,5 mm), helligkeit eine hyperbolische Form. Für e - const, er- steht jedoch das Problem, daß die Abmessungen des hält man daher eine Funktion i'i,'(»·) dei in Γ i g. 4 Wandlers 3 groß gegen diese Wellenlänge sind. Da gezeigten Art. 15 die auf der Schicht 2 aufliegende Oberfläche des
Unter dieser Voraussetzung hat die Schalleilung Wandlers eine Phasenfläche der Schwingung ist. ersolche frequenzabhängige Eigenschaften, daß bei Zu- gibt sich eine schlechte Kopplung mit der Schicht.
führung eines Wellenzugs der in F' i g. 1 gezeigten Die Anordnung von Fig. 13 ermöglicht die lie-Art am Anfang der Schalleilung nach einer bc- seitigung dieses Nachteils. Diese Darstellung /eiiit stimmten Laufstrecke ein Wellenzug der in Fig.fi 2n im Querschnitt eine F.rregungsanordnung. welche gezeigten Art am Ausgang erhalten wird. besser als die zuvor beschriebene angepaßt ist.
Die Kurven von F i g. 9 entsprechen einer Lauf- In Fig. 13 sind die gleichen Teile wie in F" i a. 10.
zeitkurve (vgl. Fig. 5), die für Werte des i'aranie- Π und 12 mit den gleichen Be/ugszeichen wie dort
terse·!· zwischen 200 und 600 Einheiten in MHz ■ u verse;.on. Der Wandler 3. der Kräfte senkrecht zur
linear ist. 25 Zeichenebene ausübt, ist auf ein Prisma 10 aulge-
Mil einer Kupferschicht von 70 u Dicke, die auf setzt, das beispielsweise aus Plexiglas besteht, und
Eisen aufgetiagen ist. und mit einer Frequenz )■„ von in dem die Ar.sbreimngsgesehwindiükeit der trans-
5 MHz kann man also ein Frequenzband v;-.vs .! :■ versa!·'" Scherungsw eilen in der Größenordnung von
\on 2 MHz zu beiden Seiten von i·,, verwenden, was V1, z 1 1 20 m s liegt, und dessen Scheitelwinkel 1-1 so
einem auf 0,5 ns komprimierten Impuls entspricht. 30 bemessen ist. daß gilt:
F i g. 10 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer I1
in dieser Weise aulgebauten dispersive!! Schalleitung. Sln'"' .. ·
Sie bezieht aus einem rechteckigen Sr.ckcl 1 von gro- :1
ßer Dicke, beispielsweise aus Eisen. Auf diesen Sok- wobei C'., die Ausbieiümgsgeschwindiekcit der
kel ist ein Kupierfilm 2 von beispielsweise 70 u Dicke 35 LOVE-Wellen ist. Wenn der Wandler in Betrieb ist.
aufgetragen. erzeugt er in dem Prisma Phasenflächen /-..S. weiche
Am einen Ende der Schalleitung ist ein elektro- in der Schicht 2 die Bildung von Phasenflächen hcr-
stnkti\er Wandler 3 angeordnet, der an den Zwi- vorrufen, welche im Abstand der richtigen Wellen-
schcnfrequenzkanal 4 eines Radarempfängers od. dgl. länge zur Erregung der LOVE-Wellen voneinander
i;r,gj -eh!o:,'..e:i ;·,'.. wie in Fig. 11 zu erkennen ist. wo 40 liefen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche
1. Dispersiv C Schilllciliiny. ir.il einem elastischen Wellenleiter und zwei in Richtung seine! I. ä Ml-. a eh se angeordneten elektromechanischen Wandlern /.:: LriemillL: !v.vv. 'im f-mpf-nn' nner Meh in dei' Richtung der Laufachse ausbreitenden mechanischen Welle, wobei der Wellenleiter ans einem FeststolL.ockel mit euer zu tier Längsachse parallelen Flüche und einer auf diese !■Liehe aufgebrachten dünnen Schicht aus elastisch.-m Material besteht und die Ausbreilinm^'iesehw indigkeit der mechanischen Wellen in der Schicht kleinei als in dem Feststolfsockel is;. d a d U ι c h g e k e ι; η / e i c h, net, daß die mechanische W'ciic eine Schci imgswclie ist. die Schwingungs^·.--schlage in der Richtung!·,) ^.-n!,-reclll /Il der die Lüilüsachse I.".) des W eücnkiu ,* enthaltenden und senkrecht /u der (iren/lläeiie /uischi.-ii Schicht (2) und Fesisiolisocke! (ί i sieileiiden Lbenc (.Y;:-Lbenc) i.-rzeugt und daß d:e l· niissioii'-ilaehen der Waiuiler (3) senkrecht /i; die--er Lhciic I λ r.-kbcne) angeordnet sind und ur
!er der Wirkung einer an ihre Klemmen ar.Lieleülen Li reiumgsw echselspannung Schcrungsschw ingungcn erzeugen, die senkrecht n\ dieser l-.beite (.vr.-lihe···:) gerichtet sind.
2. Dispersive Schalleitunt: i,aeh .Anspruch I. dadurch iiekcmi/cii.'l\ncl, da!.'· der Fcststolisockel(l) prismatisch ist ui:d ib|J die Wand'cr(3) clei.irn-tnklh e Wandler sind. \on denen der eine /wei Liiigangskicmnicn zum Lmpfang eines frctuicn/modulierien l-.iniiangssiLinak und der andere zwei .Ausgangsklemmen zur Abgabe eines I Yc t j iienz modulierte η AusgaiiLissignals aiii weisen.
3. Dispersive Schalleitung nach .Anspruch .:. dadurch -jckcnn/cichnet. daß jeder Wandler (3) mit der schrägen Fläche eines aiii die Schicht i'-'-i aub-iclcLiten KoppiiiiiLisprismas (10) vickcippclt ist.
4. Dispersive Schulleitung nach ,Anspruch 3. dadurch Lzekenn/eichiiel. dall del" Cosinus ties Winkels (0) zwischen der schrägen I-Iiiche des Ko[iplim;.;sprismas (10) und der Schicht (2) gleich dem Verhältnis der Wellenlängen der Weilen ist. welche im Kopplungsprisma (K)) bzw. in der Schicht (2) errcL't weiden.
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