DE1766086B2

DE1766086B2 - Verzoegerungsleitung mit frequenzabhaengiger laufzeit

Info

Publication number: DE1766086B2
Application number: DE19681766086
Authority: DE
Inventors: Georges Tournois Pierre Vernet Jean Louis Paris Bienvenu
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1967-03-29
Filing date: 1968-03-28
Publication date: 1973-02-22
Also published as: FR1526082A; US3603043A; US3605043A; NL6804355A; DE1917604A1; DE1766086A1; GB1226560A; SE338789B

Description

wird, während die empfangenen Impulse zur Verbesserung des Störabstandes stark komprimiert werden müssen. Hierbei ist die erfindungsgemäße Verzögerungsleitung den bisher verwendeten Draht- oder Bandleitungen außerordentlich überlegen, denn sie ergibt den gleichen Kompressionsgrad mit sehr viel kleinerem RaunüVdarf und unter Anwendung von wesentlich schmaleren Frequenzbändern.

Vorzugsweise weist der Wandler zwischen seinen Endabschnitten einen konstanten ringförmigen Querschnitt auf. Dies begünstigt die Ausbildung der Wellenformen, die die gewünschten Dispersionskurven ergeben.

Hinsichtlich der Anbringung der Wandler an dem rohrförmigen Wellenleiter bestehen mehrere Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung sind die Wandler an den Stirnflächen der Endabschnitte des Wellenleiters angebracht. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der radiale Raumbedarf der Verzögerungsleitung klein gehalten werden soll.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform besteht darin, daß Impedanzanpassungsglieder zwischen dem Wellenleiter und den Wandlern angeordnet sind. Dies ermöglicht die Verwendung von Wandlern, deren Querschnitt sich nach Größe und Form von dem Querschnitt des rohrförmigen Wellenleiters unterscheidet. Eine besonders einfache Ausbildung wird in diesem Fall dadurch erhalten, daß gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung die Impedanzanpassungsglieder dadurch gebildet sind, daß sich der Innenradius und/oder der Außenradius der Endabschnitte des Wellenleiters zu den Wandlern bin allmählich ändern.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung hinsichtlich der Anbringung der Wandler besteht darin, daß die Wandler die Endabschnitte des Wellenleiters ringförmig umgeben. Diese Ausführungsform ist dann vorteilhaft, wenn die Längsausdehnung der Verzögerungsleitung klein gehcUen werden soll. Auch in diesem Fall können, falls erforderlich, Impedanzanpassungsglieder zwischen den Wandlern und dem Wellenleiter rngeordnet werden. Ferner wird die Ausbildung störender Wellen infolge von Reflexionen bei dieser Ausführungsform gemäß einer vorteilhatten Weilerbildung dadurch vermieden, daß die Endabschnitte des Wellenleiter mit absorbierenden Verkleidungen versehen sind.

Eine einfache Ausbildung der Wandler, welche die Erzeugung der gewünschten Wellenform ermöglicht, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung djr Erfindung dadurch erhalten, daß jeder Wandler einen Zylinder aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material aufweist, der auf der mit dem Wellenleiter gekoppelten Fläche und auf der entgegengesetzten Fläche jeweils eine Elektrode trägt. Bei der ersten Ausführungsform sitzen die Elektroden dann an den axialen Stirnflächen des Wandlers, während sie bei der zweiten Ausführungsform an der Innenfläche und an der Außenfläche des ringförmigen Wandlers sitzen.

Die Verzögerungsleitung kann, wie dies bei den bekannten Verzögerungsleitungen der Fall ist, lo ausgebildet sein, daß die Längsachse des Wellenleiters geradlinig ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist jedoch die Längsachse des Wellenleiters gekrümmt; dies ermöglicht eine weitere Verringerung der Längsausdehnung durch spiralförmiges oder schraubenförmiges Aufwickeln des Wellenleiters.

An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise, näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schrägansicht eines Teils der Verzögerungsleitung nach der Erfindung,
F i g. 2 eine der Erläuterung dienende graphische Darstellung,

F i g. 3 eine der Erläuterung dienende graphische Darstellung,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer ersten Ausfüh-

rungsform der Verzögerungsleitung nach der Erfindung,

F i g. 5, 6, 7 und 8 Teilschnittansichten weiterer Ausführungsformen der Verzögerungsleitung nach der Erfindung und

F i g. 9 und 10 zwei mögliche Anordnungen der Verzögerungsleitungen nach der Erfindung.

Aus F i g. 1 ist ein Teil eines rohrförmigen Wellenleiters 1 in einer perspektivischen Liinittansicht gezeigt, welche dadurch erhalten wurcL·, daß zwei

Schnitte senkrecht zu der die Längsachse bildenden .Y-Achse gelegt worden sind und ein Zylinderyektor herausgenommen worden ist, der durch zwei durch die A-Acnse gehende Ebenen begrenzt ist. F i g. 1 zeigt, wie sich der Wellenleiter 1 unter der Wirkung

einer sich entlang der x-Achse fortpflanzenden Welle verformt. Die Verformungen sind stark übertrieben, damit man die Art der vom Wellenleiter 1 übertragenen Schwingungsbewegung besser erkennen kann. Unter den Wellen, welche sich im Wellenleiter 1 fortpflanzen können, verdienen besonders diejenigen Interesse, welche ausschließlich aus Wellen P und Wellen SV zusammengesetzt sind, wobei P eine Longitudinalwelle und SV eine Scherwelle bezeichnet, welche in einer die Achse des Rohres enthaltenden Ebene polarisiert sind. Die sich ergebende Welle P + SV, welche sich im Wellenleiter 1 fortpflanzt, ist daher durch einen Verschiebungsvektor ~P + SV gekennzeichnet, der in einer radialen ΓΛ-Ebene enthalten ist und dessen Amplitude und Phase nur von χ und von /· abhängen. Wenn man sich auf den Fall einer drehsymmetrischen Welle P + SV beschränkt, kann man zwei Gruppen von Wellenformen unterscheiden, welche sich fortpflanzen können: Die antisymmetrische Wellenform, welcher die radiale Wellung der in F i g. 1 dargestellten Wand entspricht, und die nicht dargestellte symmetrische Wellenfoim, welcher eine abwechselnde Veränderung der Dicke der ringförmigen Wand des Wellenleiters entspricht. Genauer gesagt, wenn Λ, und R, Außen- bzw. Innenradius eines Querschnitts des nicht verformten Wellenleiters sind, so entspricht die aptisymmetrische Wellenform gleichsinnigen Veränderungen von R₁ und R₁, während die symmetrische Wellenform gegensinnigen Veränderungen von R_t und /?., entspricht.

Die oben definierte Welle P + SV pflanzt sich längs der .v-Achse mit einer Phasengeschwindigkeit C fort, welche von zahlreichen Parametern abhängt, von welchen die folgenden genannt werden sollen:

C_s = Fortpflanzungsgeschwindigkeit der
Scherwellen in dem elastischen
Medium, welches die Wand des Wellenleiters bildet;

= Poissonscher Modul des elastischen
Mediums, welches die Wand des
Wellenleiters bildet:

I 766 086

R₁ und R., = Außen- bzw. Innenradius des Querschnitts des Wellenleiters;

m =

R₁-R R,

- = Formfaktor des

»2 Wellenleiters;

/ = Frequenz der Schwingungsbewegung
der Welle P + SV.

Wenn man zur Vereinfachung annimmt, daß die Festigkeit und die spezifische Masse des den Wellenleiter umgebenden und das den Hohlraum des Wellenleiters ausfüllenden Mediums gegenüber den entsprechenden Eigenschaften des den Wellenleiter bildenden elastischen Mediums vernachlässigbar sind, so sind die Außenfläche und die Innenfläche des Wellenleiters frei, was das Aufsuchen von mathematischen Beziehungen zwischen den obengenannten geometrischen und physikalischen Parametern ermöglicht. Die Hcrleitung dieser Beziehungen geht über den Rahmen dieser Beschreibung hinaus, es ist jedoch möglich, von denselben eine vielkennzeichnendere graphische Darstellung zu geben.

In Fig. 2 ist eine genormte graphische Darstellung wiedergegeben, welche man auf experimentellem Wege oder durch numerische Berechnung erhält. Auf der Abszisse ist der Parameter /(/?, — R.,)iC_s und auf der Ordinate das Verhältnis CIC₈ aufgetragen. Die eingetragene Kurvenschar zeigt die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit C von der Frequenz/ der sich in der Längsrichtung fortpflanzenden Welle für verschiedene Werte des Parameters m. Die Kurven von F i g. 2 gelten für den Fall der ersten antisymmetrischen Wellenform der Welle P + SV, welche in Fig. I dargestellt ist, bei einem rohrförmigen Wellenleiter aus Kupfer.

Eine Untersuchung von F i g. 2 zeigt, daß zwischen den Extremfällen eines massiven zylindrischen Wellenleiters ohne inneren Hohlraum (m = co) und eines rohrförmigen Wellenleiters mit unendlich dünner Wand (m — 0) die Kurven für die Änderung von C als Funktion der Frequenz eine immer stärker werdende Einbuchtung in einem immer schmaler werdenden Frequenzbereich aufweisen. Diese Feststellung zeigt, daß Verzögerungsleitungen, bei welchen ein Wellenleiter mit rohrförmigen! Querschnitt verwendet wird, Drahtleitungen oder Bandleitungen bei der Kompression von Impulsen mit beträchtlicher Dauer und einem kleinen Frequenzmodulationsbereich weit überlegen sind.

F i g. 3 zeigt eine graphische Darstellung, welche man aus der Kurve für m = 2 in F i g. 2 erhält und in der auf der Abzisse der Frequenz / der sich fortpflanzenden Welle und auf der Ordinate die Gruppenlaufzeit t_R aufgetragen ist. Die ausgezogene Kurve entspricht einem rohrförmigen Wellenleiter aus Kupfer mit einer Länge I₀ = 4,075 m, einem Innenradius R₂ = 1 mm und einem Außenradius R₁ = 3 mm. Die Gruppenlaufzeit t_R ist mit der Gruppengeschwindigkeit v_g und mit der Phasengeschwindigkeit C durch die folgenden Beziehungen verknüpft:

ι _ L ^dC

d/

Die gestrichelte Kurve in F i g. 3 zeigt, zwischen velchen Grenzen man die ausgezogene Kurve näherungsweise einem geradlinigen Abschnitt gleichsetzen kann. Ein solcher Wellenleiter kann daher zur Kompression eines in einem Band . I/ = 35 kHz linear frequenzmodulierten Impulses verwendet werden, dessen Dauer vor der Kompression J,7 Millisekunden beträgt. Der Impuls nach der Kompression hat dabei eine Dauer gleich dem Kehrwert der Bandbreite .1/, d. h. 0,0286 Millisekunden.

Eine Ausführungsform einer Verzögerungsleitung

ίο mit rohrförmigen Wellenleiter ist in Fig. 4 dargestellt. Sie besteht aus einem elastischen, rohrförmigen Welcnleitcr 1 mit einer Länge /, einem lnnenradius R₂ und einem Außenradius A₁. Die Stirnflächen des Wellenleiters 1 sind an elektromechanischc Wandler 2 angekoppelt, welche piezoelektrisch oder elektrostriktiv sein können. Diese Wandler sind ringförmig ausgebildet und mit ebenen Elektroden 3 und 4 versehen. Unter der Wirkung einer auf die Elektroden 3 und 4 gegebenen elektrischen Spannung schwingen sie in einer Dickenschwingung oder einer radialen Schwingung, so daß im Wellenleiter 1 eine Schwingungswelle (P + SV) erregt wird, welche die in Fig. 1 gezeigten Verformungen ergibt. Da die Wandler 2 urriKehrbar sind und der Wellenleiter 1 eine frequenzabhängige Laufzeit besitzt, kann man auf das Elektrodcnpaar 3-4 des einen Wandlers ein elektrisches Signal geben und an den Klemmen des Elektrodenpaars 3 4 des anderen Wandlers ein elektrisches Signal abnehmen, dessen Bestandteile in Abhängigkeit von ihren Frequenzen zeitlich unterschiedlich verzögert sind.

Fig. 5 zeigt eine Variante der Verzögerungsleitung von Fig. 4. Der Wellenleiter 1 ist an jedem Ende mit einem ringförmigen Endabschnitt 5 versehen, dessen Wand zunehmend stärker wird, damit die mechanische Impedanz des Wandlers 2 an den Wellenwiderstand des eigentlichen Wellenleiters 1 mit konstantem Querschnitt angepaßt wird.

Fig. 6 zeigt eine weitere Variante der Verzögerungsleitung von Fig. 4. Der Wellenleiter 1 ist an jedem Ende mit einem ringförmigen, konischen .ldabschnitt 5 versehen, damit der Wandler 2 an den Wellenleiter 1 angepaßt wird.

F i g. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Verzögerungsleitung. Der rohrförmige Wellenleiter 1 wird nahe seinen Enden durch einen ringförmigen Wandler 2 über einen Anpassungstransformator 5 erregt, welcher ais Ring ausgebildet ist und einen mit der Entfernung von der Achse des Wellenleiters 1 wachsenden Querschnitt besitzt. Dieser Wandler wird bei einer radialen Schwingung oder einer Dickenschwingung verwendet, und seine Elektroden 3 und 4 sind konzentrisch angeordnet.

F i g. 8 zeigt eine Variante der Verzögerungsleitung von F i g. 7. Sie weist außer den in F i g. 7 gezeigten Teilen einen absorbierenden Abschluß 6 auf, welcher durch eine Verkleidung des Endes des Wellenleiters mit einem verlustbehafteten Material gebildet ist.

Fig. 9 und 10 zeigen, wie der Platzbedarf der be-

fio schriebenen Verzögerungsleitung dadurch, vermindert werden kann, daß sie zu einer Spirale oder Schraube aufgewickelt wird. Die Eigenschaften der frequenzabhängigen Laufzeit bleibt unverändert, sofern nur der mittlere Durchmesser der Aufwicklang groß gegen den Außendurchmesser des Wellenleiters I ist. Es ist wichtig, daß sich die aufeinanderfolgenden Windungen nicht berühren und daß sie von Stützen getragen werden, welche den Wellenwiderstand des

Wellenleiters im übertragenen Frequenzband nicht verändern.

Verzögerungsleitungen mit rohrförmigen! Wellenleiter sind insbesondere interessant, wenn ein sehr großes Ver'/iltnis/J/fl/Λ/ erforderlich ist. So gestattet ein auf einen Zylinder mit einem Durchmesser von

50 cm und einer Höhe von 10 cm schraubei aufgewickeltes Rohr die Kompression eines ir Frequenzbereich von 5 kHz linear frequen: liertcn Impulses von 50 Millisekunden. De primieite Impuls hat eine 25"^aCh vern Dauer.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 3 2 Patentansprüche- gepaßte Filterung von frequenzmodulierten Impuls signalen mit einem elastischen Wellenleiter, welcher

1. Verzögerungsleitung mit frequenzabhängiger eine Längsachse und zwei jeweils mit einem elektro-Laufzeit für die angepaßte Filterung von frequenz- mechanischen Wandler versehene Endabschnitte aufmodulierten Impulssignalen mit einem elastischen 5 weist.

Wellenleiter, welcher eine Längsachse und zwei Verzögerungsleitungen dieser Art werden haupt-

jeweils mit einem elektromechanischen Wandler sächlich zur Kompression von linear frequenzmodu-

versehene Endabschnitte aufweist, dadurch lierten Impulsen vei sendet. Dabei soll die Änderung

gekennzeichnet, daß der Wellenleiter ein der Gruppenlaufzeit, welche im Frequenzänderungs-

rohrförmiger Wellenleiter (1) ist, in welchem sich io bereich erhalten wird, in der gleichen Größenordnung

in der Richtung der Längsachse Druck- und liegen wie die Dauer der zu komprimierenden Im-

Schwerwellen ausbreiten, deren Verschiebungen pulse. Mit Bandleitungen oder Drahtleitungen ist

in einer die Längsachse enthaltenden Ebene lie- diese Bedingung schwierig zu erfüllen, wenn dii zu

gen, und daß die Wanddicke (A₁-A₂) des rohr- komprimierenden Impulse eine große Dauer und

f orangen Wellenleiters (1) kleiner als ein Drittel 15 einen im Verhältnis zu ihrer Dauer kleinen Frequenz-

des Verhältnisses (C_s/f_max) der Ausbreitungsge- hub aufweisen, dies würde nämlich eine unannehm-

schwindigkeit (C_s) der Scherwellen in dem Ma- bare Länge der Verzögerungsleitung erfordern und

terial des Wellenleiters (1) zu der höchsten Fre- unzulässige Verluste ergeben.

quenz (j_max) des Frequenzbandes der Scher- I_n einem \ufsatz von Junger und Rosato,

wellen ist. _{20 >>The} Propagation of Elastic Waves in Thin-Walled

2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, da- Cylindrical Shells«, in der Zeitschrift: »The Journal durch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) _of the Acoustical Society of America«, Bd. 26, Nr. 5, zwischen seinen Endabschnitten einen konstanten September 1954, S. 709 bis 713, wird die Ausbreiringförmigen Querschnitt aufweist, tung elastischer Wellen in dünnwandigen Rohren

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1 25 untersucht, und es wird eine Dispersionskurve für die oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler erste Schwingungsforrn angegeben, die in einem (2, 3, 4) an den SLrnflächen der Endabschnittt schmalen Frequenzbereich, ähnlich wie bei einer bedes Wellenleiters (1) angebracht sin !. reits früher bekai nten »Membran-Theorie«, einen

4. Verzögerungsleitung nach Anspruch 3, da- abfallenden Abschnitt großer negativer Steigung aufdurch gekennzeichnet, daß Impedanz mpassungs- 30 weist, im weiteren Verlauf aber erheblich von der glieder (5) zwischen dem Wellenleiter (1) und den nach der »Membran-Theorie« erhaltenen Kurve ab-Wandlern (2, 3, 4) angeordnet sind. weicht. Als praktische Anwendungen für diese theo-

5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 4, da- retischen Untersuchungen werden die Untersuchung durch gekennzeichnet, daß die Impedanzanpas- des Dynamikverhaltens von elektrc mechanischen sungsglieder (5) dadurch gebildet sind, daß sich 35 Wandlern und die Schallisolation angegeben, letztere der Innenradius und oder der Außenradius der insbesondere bei Flugzeugrümpfen, die sehr weit-Endabschnitte des Wellenleiters (1) zu den gehend einem dünnwandigen Zylinder entsprechen. Wandlern (2, 3, 4) hin allmählich ändern. Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu-

6. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1 gründe, eine Verzögerungsleitung der eingangs oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler 40 angegebenen Art zu schaffen, welche eine starke (2, 3, 4) die Endabschnitte des Wellenleiters (1) Kompression linear frequenzmodulierter Impulse ringförmig umgeben. großer Dauer bei verhältnismäßig kleinem Frequenz-

7. Verzögerungsleitung nach Anspruch 6, da- hub mit einer kleinen Länge der Verzögerungsleitung durch gekennzeichnet, daß Irnpedanzanpassungs- ermöglicht.

glieder (5) zwischen den Wandlern (2, 3, 4) und 45 Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht,

dem Wellenleiter (1) angeordnet sind. daß der Wellenleiter ein rohrförmiger Wellenleiter

8. Verzögerungsleitung nach Anspruch 6 ist, in welchem sich in der Richtung der Längsachse oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die End- Druck- und Scherwellen ausbreiten, deren Verschieabschnitte des Wellenleiters (1) mit absorbieren- bungen in einer die Längsachse enthaltenden Ebene den Verkleidungen (6) versehen sind. so liegen, und daß die Wanddicke des rohrförmigen

9. Verzögerungsleitung nach einem der vorher- Wellenleiters kleiner als ein Drittel des Verhältnisses gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwellen in daß jeder Wandler einen Zylinder (2) aus piezo- dem Material des Wellenleiters zu der höchsten Freelektrischem oder elektrostriktivem Material auf- quenz des Frequenzbandes der Scherwellen ist.
weist, der auf der mit dem Wellenleiter (5) ge- 55 Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die koppelten Fläche und auf der entgegengesetzten Dispersionskurven von rohrförmigen Wellenleitern Fläche jeweils eine Elektrode (3, 4) trägt. bei geeigneter Wahl der Wandstärke einen abfallen-

10. Verzögerungsleitung nach einem der An- den Bereich großer negativer Steigung aufweisen, der spräche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die einer großen und nahezu linearen Änderung der Längsachse des Wellenleiters (1) geradlinig ist. 60 Gruppenlaufzeit in einem schmalen Frequenzbereich

11. Verzögerungsleitung nach einem der An- entspricht. Dadurch ist es möglich, mit einer Verzösprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gerungsleitung geringer Länge Impulse großer Dauer, Längsachse des Wellenleiters (1) gekrümmt ist. die mit kleinem Frequenzhub linear frequenzmoduliert sind, stark zu komprimieren.

65 Die Erfindung eignet sich besonders gut für die

Verwendung bei Sonargeräten großer Reichweite, bei

Die rrfindung bezieht sich auf eine Verzögerungs- denen bekanntlich Impulse großer Dauer ausgesendet leitung mit frequenzabhängiger Laufzeit für die an- werden, damit eine große Ukraschallencrgie erhalten