DE1541088C3 - Kopplungsanordnung zur gegenseitigen Umwandlung von Kompressionsschwingungen und Torsionsschwingungen, insbesondere zwischen Kompressionswandlern und Torsionsresonatoren - Google Patents

Description

Bei mechanischen Filtern hängt die Übereinstimmung zwischen dem erreichbaren Betriebsübertragungsfaktor und seinem dem Entwurf zugrunde liegenden Verlauf von der Genauigkeit ab, mit der die geforderten Koppelfaktoren realisiert werden können. Denn diese Größen lassen sich im Gegensatz zu den Resonanzfrequenzen der einzelnen Resonatoren nicht nachträglich korrigieren. Für den Entwurf von mechanischen Filtern mit hohen Selektionsforderungen sind daher nur Schwingungsformen geeignet, die eine gute Reproduzierbarkeit der Koppelfaktoren gewährleisten. Dieser Bedingung genügen Torsionsresonatoren, die durch Koppelleitungen miteinander verbunden sind, wobei letztere entweder Torsions- oder Kompressionsschwingungen ausführen. Zu einer solchen Anordnung gehören ferner· zwei elektromechanische Wandler, die für die gegenseitige Überführung von elektrischer und mechanischer Energie sorgen. Es ist zweckmäßig, für den Wandler die gleiche Schwingungsform wie die der Filterresonatoren zu wählen, in diesem Fall also Torsionswandler zu verwenden. Einen derartigen Wandler gibt es. Er läßt sich mittels eines zirkulär zu seiner Achse vormagnetisieren magnetostriktiven Ferrits realisieren. Der für die Übertragungseigenschaften des Wandlers charakteristische elektromechanische Kopplungsfaktor ist bei dieser Ausführung jedoch so klein, daß der Wandler nur sehr selten eingesetzt wird.

In den meisten Fällen wird ein normaler magnetostriktiver Wandler für Kompressionsschwingungen verwendet. F i g. 1 zeigt schematisch den idealen Wandler dieser Art. Der zum Filterkörper gehörende Resonator 1 wird über die Koppelleitung 3 durch die gegenphasig schwingenden magnetostriktiven Ferrite 2 zu Torsionsschwingungen angeregt. Wegen des komplizierten Aufbaus und der notwendigen Gleichheit beider Wandlerteile wurde diese Anordnung bisher nicht angewendet.

In der F i g. 2 ist der am häufigsten verwendete Wandler dargestellt. (Auf die Angabe der übrigen Wandlerteile wie Spule, Magnet usw. wurde der Übersichtlichkeit wegen verzichtet.) Im Unterschied zum oben beschriebenen Wandler regt hier nur ein Ferrit 2 den Resonator 1 über die Koppelleitung 3 zu Torsionsschwingungen an. Das Metallscheibchen 6 selbst dient als mechanisches Bindeglied zwischen der Koppelleitung und dem nichtmetallischen Ferrit. Die Herstellung dieser bekannten Kopplung ist einfach, da das Koppelelement aus nur einem Draht besteht und die Schweißung in einer der Ordinatenrichtungen erfolgt. Hierzu werden ebenfalls nur einfache Schweißvorrichtungen benötigt.

Die Nachteile bestehen aus folgendem:
1. Der Ferrit ragt teilweise über die transversalen Abmessungen des Filterkörpers hinaus (s. F i g. 2). Nachträgliche Kontrollmessungen an ausgefallenen Filtern sind infolgedessen schwierig bzw. unmöglich, da das Überstehen des Ferrits ein Festspannen der Resonatoren an ihrem Umfang in

Stirnflächennähe meist nicht zuläßt.
2. Ein zweiter Nachteil besteht darin, daß die Resonatoren außer zur Torsionsgrundwelle auch zu an- ^: deren Schwingungsformen angeregt werden. Hier-

zu gehören die Oberwellen des Torsionsmodus und das Spektrum der Kompressions- und Biegeeigenfrequenzen. Führen die Resonatoren derartige Schwingungen aus, ergeben sich bei den entsprechenden Frequenzen in der Übertragungskennlinie Dämpfungseinbrüche, die sogenannten Nebenwellen. Einige dieser unerwünschten Resonanzen lassen sich vermeiden, wenn die Koppelleitung 3 auf dem Resonator an Stellen angebracht wird, die den Schwingungsknoten dieser Frequenzen entsprechen. Infolge der Unsymmetrie der Anordnung der Wandlereinheit werden Biegewellen bevorzugt angeregt. Eine dieser Frequenzen läßt sich durch die oben beschriebene Maßnahme unterdrücken, die übrigen jedoch nicht.

3. Die Toleranz des Koppelfaktors zwischen dem Ferrit und äußerem Filterkreis hängt im wesentlichen von der Reproduzierbarkeit der Schweißung und von der Genauigkeit ab, mit der der Abstand der Befestigungsstellen der Koppeldrähte von der Resonatorstirnfläche eingehalten wird. Wegen des relativ großen Koppelleitungsdurchmessers (etwa 0,5 ... 0,9 mm) sind die Streuungen des Koppelfaktors relativ sehr groß.

. 4. Wie die F i g. 2 zeigt, liegen die Enden der Koppelleitungen 3 und der Koppler 5 auf einer Geraden parallel zur Resonatorachse. Der Abstand der Schweißstelle für den Koppler 3 von der Resonatorstirnfläche liegt aus Gründen der Nebenwellenunterdrückung fest. Daher muß beim Entwurf des Filterkörpers berücksichtigt werden; daß die Koppeldrähte 5 auf dem Resonator 1 einen gewissen minimalen Abstand von dem Koppeldraht 3 haben, der durch die Durchmesser bestimmt ist. Diese Einschränkung erschwert die optimale Dimensionierung des Filterkörpers.

Es ist ferner eine Kopplungsanordnung vorgeschlagen worden (DT-PS 12 76 239), bei der die Achsen des Torsions- und Kompressionsresonators in einer Ebene senkrecht zueinander stehen und die Achse des Torsionsresonators durch die Mittelebene des Kompressionsresonators führt. Als Koppelelemente dienen zwei Längsschwingungen ausführende Drähte, von denen je ein Ende jeweils in der Nähe einer Stirnfläche des Kompressionsresonators an diesem befestigt ist, während die beiden anderen Enden diametral auf dem Umfang des Torsionsresonators in der Nähe der einen Stirnfläche angebracht sind.
Diese Anordnung gestattet zwar eine relativ neben-

wellenfreie Anregung der Torsionsschwingung durch den Kompressionswandler, besitzt aber folgende Nachteile:

— Als Wandler können nur piezoelektrische Verbundschwinger verwendet werden, da bei magnetostriktiven Wandlern das Aufbringen der Wandlerspule durch die Koppeldrähte und den Torsionsresonator verhindert wird.

— Unter den piezoelektrischen Verbundschwingern kommen nur diejenigen in Betracht, bei denen der elektrische Kurzschluß ihrer Stirnflächen durch die Koppeldrähte die Energieumwandlung nicht verhindert. Das sind Wandler mit mindestens zwei keramischen Zonen, für deren Herstellung ein erhelblich größerer Fertigungsaufwand erforderlich ist als für Wandler mit nur einer Keramikzone.

— Da die Koppeldrähte an den Stirnflächen des Torsionsresonators an dessen Umfang befestigt sind, ist die Einstellung eines gewünschten Kopplungsfaktorwertes im wesentlichen nur durch die Veränderung des Koppeldrahtdurchmessers möglich, wobei in der mechanischen Stabilität der Anordnung für kleine Kopplungen eine weitere Grenze liegt.

Es bestand daher die Aufgabe, eine Kopplungsanordnung zu entwickeln, die Kompressionsschwingungen in Torsionsschwingungen umwandelt und die vorbeschriebenen Nachteile vermeidet.

Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß nicht nur ein Koppeldraht, sondern eine gerade Anzahl von Koppeldrähten zwischen dem Kompressions- und dem Torsionsschwinger angeordnet wird, die nur an einer Stirnfläche des Wandlers befestigt sind. Dabei erstrecken sich diese Koppeldrähte in Richtungen, die mit keiner Achse des Filters übereinstimmen. Die Hälfte der Koppeldrähte sind rechts und links der Knotenebene ober- bzw. unterhalb der Mittelachse des Torsionsschwingers an diesem befestigt.

In der Fig.3 ist eine Koppelanordnung mit einem magnetostriktiven Wandler nach der Erfindung in Grund- und Aufriß schematisch dargestellt. Die Koppeldrähte 7 sind an der Metallscheibe 6 unter einem Winkel von etwa 45° zur Horizontalen befestigt und an dem Filterkörper 1 so angeschweißt, daß im Darstellungsfall je 2 Koppeldrähte rechts und links der Knotenebene ober- bzw. unterhalb der Achse des Filterkörpers t angreifen.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kopplungsanordnung sind folgende:

ίο 1. Die Ferritachse fällt mit der Filterkörper-Längsachse zusammen. Der Ferrit ragt nicht über die transversalen Abmessungen des Filterkörpers hinaus. Daher sind Kontrollmessungen in einer Spannvorrichtung für Resonatoren möglich.
2. Die Koppelleitungen sind auf der Ober- und Unterseite des Resonators in gleichem Abstand von dessen Stirnflächen angebracht. Daher werden alle Biegeresonanzen mit einer Schwingungskomponente in Richtung der Ferritachse und alle Kompressions- und Biegeresonanzen unterdrückt, sofern sie eine bezüglich der Schweißstellen ungerade Schwingungsverteilung besitzen, d. h. alle geradzahligen Harmonischen des Torsions- und Biegespektrums und alle ungeradzahligen Harmonisehen des Kompressionsspektrums. Werden ferner die Schweißpunkte der Koppelleitung auf dem Resonator in den Knoten der Biegegrundschwingung bzw. bei mehr als 2 Koppeldrähten symmetrisch zu diesen Knoten gelegt, so unterdrückt der Wandler praktisch alle Nebenwellen in der weiteren Umgebung des Filterdurchlaßbereiches.

3. Die Streuung des Koppelfaktors ist wegen der dünneren Koppeldrähte (0,2 ... 0,45 mm) bedeutend geringer als bei den bekannten und beschriebenen Kopplungsanordnungen.

4. Die Enden der Koppeldrähte 5, 7 haben einen größeren Abstand voneinander, so daß die optimale Dimensionierung des Filterkörpers vorgenommen werden kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Kopplungsanordnung zur gegenseitigen Umwandlung von Kompressionsschwingungen und Torsionsschwingungen mit einer geraden Anzahl von Koppeldrähten zwischen dem Kompressionsund dem Torsionsschwinger, bei der die Koppeldrähte sich in Richtungen erstrecken, die mit keiner Achse des Filters übereinstimmen und je zur Hälfte unterhalb und oberhalb der Filterkörper-Längsachse angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeldrähte diametral auf dem Umfang des Kompressionsschwingers und in einer Ebene senkrecht zur Filterkörper-Längsachse sowie oberhalb von dieser Achse auf der einen durch die Knotenebene der Grundschwingung begrenzten Hälfte und unterhalb dieser Achse auf der anderen Hälfte des Torsionsresonators angebracht sind.