DE1541908A1

DE1541908A1 - Schalleitung mit frequenzabhaengiger Laufzeit

Info

Publication number: DE1541908A1
Application number: DE19671541908
Authority: DE
Inventors: Pierre Tournois
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1966-03-17
Filing date: 1967-03-15
Publication date: 1970-02-19
Also published as: FR1482899A; DE1541908C3; GB1157193A; US3464033A; DE1541908B2

Description

iü GuNEKALE DE TELEGHAPHIE SANS PIL 47» rue Dutnont d'Urville, Paris/Frankreich

Schalleitung mit freq.uenzabhängiger Laufzeit

.Die .Erfindung bezieht sich auf passive Anordnungen zum Komprimieren eines frequenzmodulierteti elektrischen signals Ln der Weise, dass dessen Amplitude vergrosserfc und dessen Dauer verringert wird. Anordnungen dieser Art beistehen aus elektrischen Schaltungen mit konzentrierten, ociiaitungaeletnenten oder aus iibertragun^aleitungeri mit einem Wellenleiter mit froquenzabhängiger Laufzeit. Zwiücn-en dein eingang und den Äuagäng der Kompreösionsanordnung" erleiden die Bestandteile des Signals eine freqaanzabhängige "Verzögerung , wodurch sie zeitlich rdnet werden.

•/α den bekannten "üotiipröüsLonsa-uordnungeu gimdren .die eleiztromagnet ischen Anordnungen, welche- den llacntel.1 Huf'v!2L3eri, dass sie wegen der grossen auftretenden Wellenlängen sehr umfangreich sind. Man kann ferner

die

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BAD ORIGINAL

die elektrischen Schaltungen nennen, deren Synthese und Ausführung sich als schwierig erweisen. Schliesslich bleiben die akustischen Systeme, wie Ultraschall-Verzögerungsleitungen, welcne im allgemeinen Leibungen mit frequenzunabhängiger Laufzeit sind, und eine beträchtliche Verzögerung bei allen Frequenzen erzeugen können.

Damit die Vorteile der Impulskompression vollständig ausgenutzt werden können, müssen Systeme realisiert werden, deren Laufzeit in einem beträchtlichen, i'requenzband eine sehr starke Frequenzabhängigkeit aufweist; ferner müssen diese Systeme einen geringen Umfang haben und einfach auszuführen seiu„

Eine nach der Irfindung ausgeführte Scnalleitung mit frequenzabmtgiger Laufzeit für die Kompression von frequenzinoduliertan elektridchen Signalen tnio einem Ulfcraschallwellenleiter, der eine Achse aufweist, in deren Richtung sich eina Schallwelle ausbreitet, die an den Ariden des .ichallv,ellenleiters mit Hilfe geeigneter elektroakustischer V/andier erregt bzw, abgenommen wird, ist tir, wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass der Schallwellenleiter einen Sockel aus einem ersten Feststoff und eine parallel zu der Achse auf der Oberfläche des Sockels angebrachte dünne Schicht aus einem zweiten feststoff aufweist, dass die Ausbreitungsgeschwindi^keiten

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der mechanischen Schwingungen in dem ersten Feststoff grosser als in dem zweiten Fest*off sind, und dass die Wandler mit der Schicht derart gekoppelt sind, dass die Sohwingungsaussehläge der Welle in Sbenen liegen, die senkrecht zu der Schicht und parallel zu der Achse liegen« Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung teiapielshalber beschrieben, Darin zeigen:

Fig.1 einen geschichteten Schallwellenleiter nach der Erfindung,

Fig·2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Jig.3 eine erste Ausführung der Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung,

«4 eine zweite Ausführungsform der Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit nach der Erfindung und

Fig.5 und 6 Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise,

Fig.1 zeigt ein Achsensystem x, y, ζ sowie einen in Bezug auf das Achsensystem dargestellten Absciinitt eines geschichteten Mediues mit einer dünnen ücuicht 2 der Dicke e, deren Flächen y = O und y = e parallel zu der xz-Ebene liegen. Diese Festatoffscuicnt liegt zwischen zwei Medien,

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von

■«■■■■»■■Μ

E; .D ORIGINAL

von denen das eine einen Feststoffsockel 1 und das andere einen Reflektor 3 bilden. Die Medien 1 und 3 haften vollkommen an der Schicht 2 und können in allen Raumfrichtungen eine unendlich grosse Ausdehnung haben« Erfindungsgemäss kann der Reflektor 3 unendlich starr oder unendlich verformbar in Bezug auf die beiden anderen Bestandteile des geschichteten Mediums sein« Diese unterscheiden sich dadurch, dass sich im Medium 1 die mechanischen Schwingungen mit grösserer Geschwindigkeit als im Medium 2 ausbreiten. Mit K^ bzw. <ξ₂ seien die spezifischen Massen, mit U₁ und U₂ die Steifigkeiten, mit C, und C₂ die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Longitudinalwellen und mit OJ und C' die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Transversalwellen im S_ockelj1 bzw. in der Schicht 2 bezeichnet.

In Bezug auf die Ausbreitungsrichtung einer Welle in einem festen Medium mit einer Einfallsebene können sich drei Wellentypen ausbreiten: Die Longitudinalwellen P, deren Schwingungsausschläge parallel zu der Ausbreitungsrichtung der Welle liegen, und die Transversalwellen SH und SV, deren S_chwingungsausschläge senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung und senkrecht zu der Einfallsebetfe bzw. in der Einfallsebene liegen. Die Wellen P und SV erzeugen durch tjberlagerung eine sogenannte RayleighBch« Welle, deren Schwingungsausschläge in Ebenen liegen, die senkrecht zu der Schicht 2 und parallel zu der χ-Achse stehen. Xn Fig.1 sind die Ausschläge des Punktes S dargestellt.

Diese

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Diese Ausschläge haben zwei Komponenten S und S , die sich

gleichzeitig aus einer skalaren Potentialfunktion 0 und einer Vektor-Potentialfunktion u/ mit einer in der z-Achse liegenden Eomponente ψ ableiten lassen, jüies sind die folgenden Punktionen/

Tj =

. e .e

β .e

₂Ύ ~φ_γ j( ω-t - kx

+ ^A' · β 7 e

2 ι t

Der Index 1 bezieht sich auf den Sockel 1, und der Index 2 bezieht sich auf die Schicht 2. O^ i-sfc die K^eisfreq.uenz und k die Wellenzahl der in dem geschichteten Medium erregton Rayleighschen Welle» A₁, B₁, A₂, AJ,, B₂ und B₂ sind Integrationskonstanten und C^₁, <^"₂, C^, ^₂ sind durch die nachstehenden Gleichungen gegeben;

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=*² -φ²

Die Elastiaitätatheorie liefert als Punktion der Potentiale 0 und u/ die Ausschläge und Spannungen im Inneren des geschichteten Mesiums:

den Normalausschlag : S = ^

den langentialausschla^: S = -jr^- + —

Ox Jy

die H₀rtnalspannung s P = X «£^ 0 + 2 Ai -—■·*"

^y ' a J

die i'angentialspannung: P = 11 (■ ' +

. ' ό χ <f y

^ und u. sind die Lame-Koeffizienten des betreffenden Materials.

Das Vorhandensein der Rayleighschen Wellen in den gescaichteten Medien von Fig,1 ist durch die Gleichungen bedingt, welche für die Flächen y = 0 und y = e der Schicht 2 erfüllt sein müssen und die Kontinuität der Ausschläge und Spannungen ausdrucken.

Hierzu

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Hierzu gehören vier Bedingungen für die Fläche y = O und zwei Bedingungen für die Fläche,y = e. Die beiden letzten Bedingungen können aber verschieden sein, je nachdem, ob die Fläche y = e frei oder völlig starr ist· Man verfügt schlieaslich über ein System von sechs Gleichungen mit seohs Unbekannten A^, A₂, B₁, B₂, A] , B^t die symbolisch in folgender Form geschrieben werden können:

BJ * O m.BJ « O -«0

— — Π

-«0

a, b, c, d ··· sind Funktionen von tu, k , ^I₁, yu₂ ,^₁, >2 und e.

Die Determinante £± dieses Systems muss Null sein, denn es muss möglich sein, willkürlich eine de^sechs Unbekannten zu wählen, um die Tatsache zu berücksichtigen, (tee die komplexe Amplitude der Rayleighschen Wellen von den Quellen abhängig ist, welche das geschichtete Medium erregen. Wenn man die Determinante £± gleich Null setzt, erhält man eine Dispersionsbeziehung, die sich symbolisch folgendermassen schreiben lässt ι

009808 /Ö63T BAOORfGlNAL

0»

Mit Hilfe einer etwas mühsamen Rechnung, die nicht näher edäutert zu werden braucht, kann man graphisch die Funktion der Phasengeschwindigkeit C der Reyleighschen Wellen in dem geschichteten Medium von Fig.1 darstellen.

Pig.2 zeigt ein normalisiertes Diagramm, bei welchem auf der Abszisse der Parameter &*=· aufgetragen 1st, worin f

°2
die !frequenz der Rayleighschen Welle ist, während auf der Ordinate eine Veränderliche P aufgetragen ist, welche die Verhältnisse — , -» und -=■ darstellt, welche die

σ» σι τ

frequenzabhäntf-gen Eigaechaften des geschichteten Mediums von Fig.1 kennzeichnen. Zar Bildung dieses Diagramms ist angenommen worden, dass die Oberseite der Schicht 2 frei ist, und dass für die Medien 1 und 2 gilt:

°1 °2 0»

— « — »VT ; -¹ « 3,147

Ot 0« C·
12 ^d

-¹ - 1,39 ; jJ- - 13,766
72 '2

Di,e in vollen Linien gezeichneten Kurven beziehen sich auf die erste antisymmetrische Schwingungsform Μ.,., wilohe sich in dem geschichteten Medium ausbreiten kann, während die gestrichelten Kurven sich auf die erste symmetrische Schwingungsform Mp₁. beziehen.

^ Die 009808/0637 ^ß4

Kurven ψπ- zeigen, dass sich, die Pha senge sch wfadigkeit

°2
G der Rayleighsohen Wellen mit der frequenz f ändert; es

hand&t sich also wirklich um ein Medium mit frequenz-

V abhängiger Ausbreitungsgeaohw&ndigkeit,. Die Kurven sind aus den ersten Kurven abgeleitet und stellen die Änderung der Gruppengeschwindigkeit V als Funktion der Frequenz f dar.

Die Kurven — sind die Kehrwerte der Kurven -*· , sie x O₂

geben als Punktion der Frequenz den Wert der Laufzeit t der fiayleighschen Wellen an, wobei als Einheit die Laufzeit^ einer transversalen Welle gewählt ist, welche mit der Ehasengeschwindigkeit GX durch die Schicht 2 läuft.

*r Die in voller linie gezeichnete Kurve — zeigt, dass die Disperisionskennlinie der ersten antisymmetrischen Form der Rayleighschen Wellen sich in vollkommenerWeise zum Komprimieren eines linear frequenzmodulierten Signals eignet, weil zwischen den Werten 0,34 und 0,43 des

^ef ^tr

Koeffiaients —— eine lineare Zunahme von -— erhalten

0« ' -C

wird, die von Ο77 bis 2,4 geht. Die gestrichelte Kurve

—=· ist in dieser Hinsicht weniger günstig.

Fig. 3

BAD ORIGINAL 009 80 8/00 3?

' Fig.3 zeigt bei (a) ein erstes Ausftihrungsbeiapiel einer nach der Erfindung ausgeführten Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit. Sie enthält einen Sockel 1 der Dicke a, auf dessn Oberfläche eine dünne -Schicht 2 der Dicke e aufgebracht ist. Die Aussenseite der Schicht 2 ist frei* und trägt an ihren Enden 0 und O¹ die im Abfand 1 voneinander liegen,zwei Anordnungen, die jeweils aus einem Kopplungsr prisma 4 und einem damit verbundenen elektroakustischen Wandler 5 bestehen» Die linke Anordnung 4, 5 erregt in der Leitung 1, 2 Rayleighsche Wellen, deren S_chwingungsaussohläge in der Zeichenebene liegen. Die reohteA_nordnung 4,5 nimmt diese Wellen auf, nachdem sie die Strecke 1 durchlaufen haben. Jenseits jedes Wandlers ist die Leitung 1,2 verjüngt,.um zu vermeiden, dass die Rayleighschen Wellen am Ende der Leitung reflektiert werden. In dem Diagramm (b) von Fig.3 sind schematisch in Abhängigkeit von der Zeit die frequenzmodulierteu Signale V und V dargestellt, die nacheinander an den Klemmen des linken Wandlers 5 bzw. des rechten Wandlers 5 erscheinen.

Wenn das Frequenzmodulationsintervall für das Signal Y mit der Dauer T den Wert /S^ 5 hat, erhält man die gewitschte Kompression, indem man eine Änderung ^, t der Laufzeit anwendet, die den tfert T hat. Die erforderliche Länge 1 ' der Leitung ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

■1

009808/063* BAD

·°4

die Änderung von P -ist, die dem Wert entaprioht.

In diesen J¹SlI läaat sich zeigen, dass der linear freiueaiaedttiierte Impuls Y in dem Verhältnis D = E.^ P komprimiert wird, denn der komprimierte Impuls Y* hat die Breite 1/A ^y·

Tig·4 Btigt ein zweites Atisführungsbeispiel der Schallleitung alt frequenzabhängiger Laufzeit nach derErfindung. Sie unterscheidet sich von der Anordnung von Pig,3 durch die Hinaftigung eines Reflektors 3, welcher jeder Schwingbewegung der Oberseite der Schicht 2 Widerstand leistet.

Die Erregung der Rayleighsohen Wellen in den Schall-

leitungen von Pig.5 und 4 kann mit Hilfe der in Pig«5 and 6 dargestellten Anordnungen erfolgen.

£ «eigt eineti elektroakustischer! Wandler 5, der über ein Prisna 4 mit der Schicht 2 des geschichteten Mediums 1, 2 gekoppelt ist. Der Wandler 5 erzeugt in dem Prisma 4 eine Behaungs-Longitudinalwelle mit einem Einfallswinkel θ in Bezug auf die Fläche y « e der Schicht 2. Diese Welle erregt in'der Schicht 2 eine Rayleighsche Welle, deren parallel zur Zeichenebene liegende Schwingungsausschläge schematisch gestrichelt angedeutet sind. Die Verformungen

der 009808/0637

BAD

der Schicht 2 sind unter der Annahme einer antisymmetrisohen Wellenform, "beispielsweise M^ dargestellt. Wenn O die Geschwindigkeit der Longitudinalwellen in dem Prisma 4 ist, erfüllt der Einfallswinkel θ die Gleichung:

sin θ =
9

Darin ist 0 die Phasengeschwindigkeit der Eayleighschen Wellen, die sich in der Tliohtung der x-Achse ausbreiten.

Fig.6 zeigt einen elektroakustischen Wandler 6, der über ein Prisma 4 mit der Schicht 2 des geschichteten Mediums 1 , 2 gekoppelt ist.Der Wandler 6 erzeugt in dem Prisma eine Scherungs-Transversalwelle mit einem Einfallswinkel Θ¹ in Bezug auf die Fläche χ = e der Schioht2, Diese Welle erregt in der Schicht 2 eine Rayleighsche Welle, deren parallel zur Zeichenebene liegende Schwingungsausschläge schematisch gestrichelt dargestellt sind· Die Verformungen der Schicht 2 sind unter der Annahme einer symmetrischen Wellenform, z.B. ML* dargestellt. Ferner sind gestrichelt

die Verformungen des Wandlers 6 und der freien Fläche des Prismas 4 dargestellt. Wenn C' die Phasengeschwindigkeit der Transversalwellen im Prisma 4 ist, erfüllt der Einfalls winkel θ· die Beziehung:

sin Θ« = g

Die

009808/OS3?

Die Erregungsanordnungen von Pig.5 und 6 können unterschiedslos "bei den Schalleitungen von Pig. 3 und 4 angewendet werden. Die in P₀ rm von Rayleighschen Wellen sich ausbreitende Wellenform hat allgemein die Porm M_ffln, deren Dispersionskennlinie
die Kompression eines frequenzmodulierten elektrischen Signals nach einer geeigneten Punktion ermöglicht. Natürlich können
die Schalleitungen in beiden Richtungen verwendet werden,
d.h. sowohl zur Kompression als auch zur Dehnung von
frequenzmodulierten Signalen,

Patentansprüche

009808/0837

Claims

Patentansprüche

1. Schalleitung mit frequenzabhängiger Laufzeit für die Kompression von frequenzmodulierten elektrischen Signalen mit einer Längsachse, in deren Richtung ein geschichteter Feststoff-Schalleiter liegt, der aus einem Sockel und einer den Sockel bedeckenden dünnen Schicht zusammengesetzt jst, wobei sich mechanische Schwingungen In dem Sockel mit einer grösseren Geschwindigkeit als in der Schicht ausbreiten und die Schicht an ihren Enden mit einem ersten bzw. einem zweiten elektromechanischen Wandler versenen ist, der mit der freien ]?läche der Schicht gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandler in dem Wellenleiter Rayleighsche Wellen erregen bzw. aufnehmen, deren Schwingungsausschläge in Ebenen liegen, die senkrecht zu der Schicht und parallel zu der Längsachse stehen.

2. Schalleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass de Schicht auf den Sockel aufgebracht ist.

3. Schalleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass reflektierende Mittel an der freien Fläche der Schicht angebracht sind.

4· Schalleitung naen. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kupplungseinrichtungen vorgesehen sind, welche die Wandlereinrichtungen mit der Schicht koppeln, und dass die kupplungseinrichtungen aus Feststoffprismen bestehen, die .eine in

Ü09808/0637 _fii„ ■

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■ ·

Berührung mit den Wandlereinriohtungen und eine in Berührung

jolt der Schicht stehende fläche aufweisen, wobei diese Flächen

\ ■■■'"'

einen Winkel bilden, dessen Sinus gleich dem Verhältnis der Ausbreitungsgesohwlndigkeit in dem Prisma zu der Aasbreitangegesohwindigkeit in dem Wellenleiter 1st.

5· Schalleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinriohtungen in den Prismen eine Kompressions-Longitudinalwelle erregen bzw« abnehmen·

9* Schalleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinrichtungen in dem Prisma eine Scherungs-Transrersalvielle erregen bzw. abnehmen·

7· SchalleItung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sookel Zwischen den Wanllereinriehtungen einen konstanten Querschnitt hat and an seinen Enden mit absorbierenden Mitteln versehen 1st.

6. Schalleitung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass de Enden des Socjcels so geformt sind, dass sie einen abnehmenden Querschnitt haben.

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