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Bezeichnung Parametrischer Verstärker und Oszillator für mechanische
Schwingungen Gegenstand der Erfindung ist ein parametrischer Verstärker und Oszillator
für mechanische Schwingungen. Erstellt einen Energiewandler dar, der mechanische
und elektrische Schwingungen ineinander umwandelt. Er hat vielfältige technische
Anwendungsmöglichkeiten auf den verschiedensten technischen Gebieten.
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Der Mechanismus der parametrischen Verstärkung ist seiteinigen Jahren
bekannt. Es existieren auch funktionsfähige elektrische Modelle für Hochfrequenz
bis in den Mikrowellenbereich hinein, in neuerer Zeit auch einige optische Modelle
unter Verwendung von Lasern. Auch für mechanische Schwingungen sind bereits parametrische
Verstärker bekannt, die jedoch nicht zufriedenstellend arbeiten oder deren Arbeitsweise
nur Spezialisten verständlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, paranetrische Verstärker
für die verschiedensten Anwendungsgebiete zu
schaffen, die voll
funktionsfähig sind, d.h., die bis über die Instabilitätsgrenze hinaus betrieben
werden können, wo sie zu parametrischen Oszillatoren werden. Dabei soll der parametrische
Verstärker gemäß der Erfindung in seinem Aufbau und seiner Funktion leicht verständlich
sein, so daß er zur Erklärung des Mechanismusses der parametrischen Verstärkung
im physikalischen Unterricht an Schulen und Hochschulen besonders geeignet ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei einem parametrischen Verstärker
und Oszillator für mechanische Schwingungen gemaß der Erfindung durch ein magnetisches
Wechselfeld (Pumpfeld) als Energiequelle, durch einen ersten Signalkreis in Gestalt
eines mechanischen Resonators und durch einen zweiten, e3ektrischen Signalkreis
in Gestalt einer kapazitiv oder ohmsch belasteten Induktivität, wobei deren Anordnung
derart ist, daß bei einer Auslenkung des mechanischen Resonator die Induktivität
vom Pump-Magnetfluß durchdrungen wird bzw umgekehrt bei einem Stromfluß in der Induktivität
infolge des Pumpfeldes eine den mechanischen Resonator aus lenkende Kraft erzeugt
wird.
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Mit anderen Worten dient beim parametrischen Verstärker und Oszillator
gemäß der Erfindung zum Pumpen, d.h. also als Energiequelle, ein magnetisches Wechselfeld.
Er besitzt zwei Signalkreise. Der eine Signalkreis ist ein mechanischer Resonator,
Zr ob ein einfaches Pendel, ein Torsionspendel, ein Fedcrpedel usw. Der andere Signalkreis
ist elektrisch und besteht aus einer kapazitiv oder ohmsch belasteten Induktivität,
z.B einer Spule mit oder ohne ferromagnetischem Kern, einem Spulensystem usw. Die
Induktivität
ist schwingender Teil des Resonators, wobei die Spule, deren Kern oder beide gemeinsam
an der Schwingung beteiligt sein können. Dabei muß die Anordnung bezüglich des Pumpfeldes
so sein, daß bei Auslenkung des mechanischen Resonators die Induktivität von einem
Magnetfluß durchdrungen wird. Umgekehrt erzeugt dann ein Strom in der Induktivität
eine den mechanischen Resonator auslenkende Kraft.
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Dieser allgemeine Aufbau des parametrischen Verstärkers und Oszillators
gemäß der Erfindung ist konstruktiv auf vielfältige Weise ausführbar, was anhand
einiger Beispiele weiter unten noch dargestellt wird.
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Bei Verwendung als parametrischer Verstärker mit fp als Pumpfrequenz
und f als mechanischer Eigenfrequenz wählt man den Kondensator parallel zur Signalinduktivität
so, daß sich ein elektrischer SchwiWkreis der Eigenfrequenz fe ergibt, die der Bedingung
e =ptm genügt.
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Der Verstärker mit fe = fp f,kann instabil werden, wenn die Pumpintensität
einen kritischen Wert überschreitet.
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Für den Bau von parametrischen Oszillatoren muß man daher diese Frequenzkombination
wählen. Begnügt man sich mit einer höheren kritischen Pumpintensität, dann sind
für den elektrischen Signalkreis einige Vereinfachungen möglich. Parametrische Oszillation
ist auch erreichbar, wenn man die Signalspule mit einem entsprechenden ohmschen
Widerstand belastet, was bei ausreichendem Wicklungswiderstand
durch
Kurzschluß der Signal spule realisierbar ist. Eine besonders einfache Ausführung
ergibt sich, wenn man als Wicklung eine einzige kurzgeschlossene Windung in Form
eines geeigneten Metallrohres wählt. Verwendet man einen ferromagnetischen Metallstab,
so ist die rohrförmige Wicklung implizit im Stab enthalten.
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Wie sich insbesondere noch aus einer Betrachtung der nachfolgend erörterten
Ausführungsbeispiele erkennen läßt, eignet sich der parametrische Verstärker und
Oszillator gemäß der Erfindung vorzüglich zur Erläuterung des Mechanismusses der
parametrischen Verstärkung im physikalischen Unterricht, so daß er als Modell zur
Demonstration der parametrischen Verstärkung ausführbar ist. In seiner Eigenschaft
als Energiewandler, der mechanische und elektrische Schwingungen ineinander umwandelt,
ist der parametrische Verstärker gemäß der Erfindung als Meßwandler z.B. zur Messung
mechanischer Schwingungen und umgekehrt zur mechanischen Demonstration elektrischer
Schwingungen geeignet. Ferner kann man ihn als Pendelantrieb verwenden, wobei dieser
Pendelantrieb selbstanschwingend ist.
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Es gibt zahlreiche weitere technische Anwendungsmöglichkeiten des
parametrischen Verstärkers und Oszillators, beispielsweise seine Verwendung als
mobile Vorrichtung zu Werbungszwecken od.dgl., so daß die hier aufgeführten Anwendungsmöglichkeiten
keineswegs als erschöpfende Aufzählung anzusehen sind.
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Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung einiger der Erläuterung
und nicht etwa
der Abgrenzung des Erfindungsgedankens dienender
Ausführungsbeispiele, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird.
In den Zeichnungen zeigen: Fig. 1, 2 und 5 bis 7 in schematischen Darstellungen
verschiedene Ausführungsformen des parametrischen Verstärkers und Oszillators gemäß
der Erfindung und Fig. 3 und 4 zwei Beispiele vnn Elektromagneten zur Erzeugung
des Pumpfeldes.
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Die im folgenden'beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele können mit einem Pumpfeld der Frequenz 50 Hz betrieben werden,
das direkt aus dem Wechselstromnetz gewonnen werden kann, und ihre mechanischen
Signalresonatoren besitzen Eigenfrequenzen von etwa 0,5 Hz' bis etwa 50 llz. Es
werden vornehmlich Signalspulen mit Kern und Elektromagnete verwendet, dä hierdurch
ein höherer Wirkungsgrad erzielt wird.
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In Fig. 1 ist en homogenes Wechsel- bzw. Pumpfeld llp dargestellt,
in dem quer ein ferromagnetischer Kern als beweglicher Teil eines mechanischen Resonators
Ks angeordnet ist, der Drehschwingungen v ausführen kann. Fest auf den ferromagnetischen
Kern ist t eine Spule gewickelt, die die Induktivität Ss darstellt. Daher bildet
der ferromagnetische Kern als Kern der Spule der Induktivität Ss einen Teil dieser
Induktivität und ist ugleich Teil des mechanischen Resonators Ks.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist ein zylinderförmiger, ferromagnetischer
Kern fest angeordnet, der
als Kern Kp2 zur Gestaltung des Pumpfeldes
Hp2 beiträgt.
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Ss2 Die Spule 4 der Induktivität/ist drehbar-um den Kern Kp2 angeordnet
und führt die Drehschwingungen v2 aus.
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Hier bildet also die Spule der Induktivität zugleich den beweglichen
Teil des Resonators, und der feststehende zylindrische Kern Kp2 ist zugleich als
Spulenkern Teil der Signal-Induktivität.
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Aus den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen
wird bereits erkennbar, daß die hier verwendeten Bezeichnungen "Induktivität" und
"mechanischer Resonator" funktionell und nicht etwa gegenständlich zu verstehen
sind.
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In den Figuren 1 und 2 ist die Erzeugung des Wechsel-oder Pumpfeldes
nicht dargestellt. Für die Erzeugung des Pumpfeldes sind in den Figuren 3 und 4
zwei Beispiele von Elektromagneten dargestellt. Fig. 3 zeigt einen gewöhnlichen
Elektromagnr-ten mit Kern Kp3 und Wicklung Sp3, wobei zwischen den Polschuhen des
Kerns bekanntlich ein annähernd homogenes Wechsel- oder Pumpfeld Hp3 erzeugt wird.
Der in Fig 4 dargestellte Elektromagnet ist mit seinem Kern Kp4 und seinen Spulen
Sp4 erkennbar dem von Gleichstrommotoren nachgebildetv Ordnet man beispielsweise
das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zwischen den Polschuhen dieses Elektromagneten
an dann trägt 1 wie bereits ausgeführt « der feste Kern Kp2 zu der in Fig. 2 schematisch
dargestellten Gestaltung des Pumpfeldes Sp2 aus dem in Fig. 4 dargestellten Pumpfeld
Hp4 bei.
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Es ist nicht erforderlich, die Drehschwingung bei den Ausführungsbeispielen
gemäß Fig. 1 und 2 für ein reines Torsionspendel auszunutzen. Man kann auch, wie
es beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 dargestellt ist, mit der Torsionsschwingung,
zu der die Signal-Spule Ss5 und der Kern Ks5 angeregt werden und die in Richtung
der Doppelpfeile v5 verläuft, ein gewöhnliches, in Richtung des Doppelpfeiles v5'
schwingendes Pendel P anregen.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 wird von zwei gleichsinnig erregten
Wechsel- oder Pumpfeldkernen Kp6 ein spezielles, inhomogenes Pumpfeld Hp6 erzeugt.
Zwischen diesen Kernen Kp6 ist ein ferromagnetischer Kern als mechanischer Resonator
Ks6 angeordnet, der zugleich den Kern der auf ihn gewickelten Spule der Induktivität
Ssfi bildet und linear in Richtung der Pfeile v6 als Teil eines Federpendels oder
auch als Pendelkörper eines gewöhnlichen Pendels schwingt.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 besteht aus einem U-förmigen
Wechsel- oder Pumpfeldkern Kp7, über dessen Schenkelenden ein ferromagnetisches
Joch als mechanischer Resonator Ks7 in Richtung des Doppelpfeiles v7 am Pendelarm
B pendelnd angeordnet ist. Der Kern Kp7 ist mit zwei Spulensystemen bewickelt, die
nicht direkt miteinander gekoppelt sind. Die Pumpfeld-Spulen Sp7 sind so geschaltet,
daß sie beide Schenkel parallel magnetisieren. Das die Induktivität (Ss7) des elektrischen
Signalkreises bildende Spulensystem ist desgleichen auf den Schenkeln des Kerns
Kp7 angeordnet und derart gewickelt, daß die Schenkel vom Signalstrom entgegengesetzt
magnetisiert
werden, so da der magnetische Fluß durch das Joch geführt
wird. Der Kern Kp7 ist zusätzlich auch mit Ks7' bezeichnet, weil er auch Teil des
Signalspulenkerns ist.
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Selbstverständlich könnte man bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7
auch antiparallele Pumpmagnetisierung und parallele Signalmagnetisierung anwenden,
also eine Vertauschuh von Pump- und Signalfluß vornehmen, ohne die Funktionsfähigkeit
des Verstärkers zu beeinträchtigen.
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Eine besonders einfache Ausführungsform eines pararnetrischen Pendelverstärkers
zeigt Fig. 8. Hier schwingt ein den mechanischen Resonator Ks8 und zugleich den
Kern der auf ihn gewickelten Induktivitäts-Spule Ss8 bildender ferromagneti scher
Kern, der in Richtung des Doppelpfeiles v8 pendeln aufgehängt ist, im Streufeld
Hp8 eines Stabmagneten, dessen Kern m t Kp8 und dessen Spule mit Sp8 bezeichnet
sind. Hierbei tritt simultan lineare Schwingungsanregung (ähnlich Fig. 6) und Drehschwingungsanregung
(ähnlich Fig. 1) auf.
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Bei Pumpbetrieb mit Netzfrequenz (5 Hz) wurden bei Versuchen einige
Verstärker gemäß den Figuren 1, 6, 7 und 8 bei einer ltagnetfeldamplitude der Größenordnung
von 50 Gauss instabil, wenn ein Signalschwingkreis verwendet 3 wird (z.B. Kern aus
Transformatorblechen 8 x 8 x 50 mm 10000 Windungen, Kondensator 3µF). Tauscht rnan
die Wicklung gegen ein Kupferrohr (Wandstärke 2 mm) aus, dann erhöht sich die kritische
Feldstärke auf etwa 100 Gauss.
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Bei einem Pendel gemäß den Figuren 6 und 8 mit einer Länge von 80
cm kann die parametrische Oszillation so stark werden, daß das Pendel überschwingt,
d.h. rotiert.