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Elektromechanisches Band-Filter mit elektromechanischen Wandlern fUr
tiefe Tonfrequenzen Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter
mit elektromechanischen Wandlern, insbesondere piezoelektrischen Wandlern1 für tiefe
Tonfrequenzen, mit in einer Ebene parallel zueinander liegenden, in einer gemeinsamen
Einspannmasse einseitig eingespannten, massengekoppelten Schwingzungen.
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Im Zusammenhang mit dem Erfindungsgegenstand soll unter dem Begriff
tiefe Tonfrequenzen" solche im Bereich zwischen 100 und 500 Hz verstanden werden.
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Einleitung Rundsteueranlagen dienen dazu, von einer Kommandostelle
aus
über das elektrische Versorgungsnetz Schaltbefehle an alle Verbraucherstellen
des Netzes zu senden, sei es zur Ein- oder Ausschaltung von Verbrouchern oder zur
anderweitigen Steuerung von Schaltern. In bekannter Weise werden hierzu in der Kommandostelle
tonfrequente Impulse in das Netz eingespeist und die zu steuernden Verbraucher weisen
Empfänger auf, die auf vorbestimmte Kommandos ansprechen und die befohlenen Schaltfunktionen
ausfUhren. Zu diesem Zweck sind in den Empfänger eingängen Filter vorgesehen, die
die tonfrequenten Impulse aus dem Gemisch von Netzfrequenz, deren Harmonischen und
allen anderen im Netz vorkommenden Frequenzen selektieren.
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Stand der Technik Zur Aussiebung der Tonfrequenz hat man elektrische
Filter verwendet, die aber bei tiefen Tonfrequenzen eine ungenügende Trennschärfe
aufweisen und zudem sehr platzaufwendig sind.
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Aus diesem Grunde hat man elektrische Filter durch elektromechanische
ersetzt. Das sind mechanische Schwinger in Verbindung mit elektromechanischen Wandlern.
Damit lassen sich sehr selektive Durchlasskurven erzielen, da man den Gütefaktor
mechanischer Schwinger sehr hoch treiben kann.
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Für bestimmte Anwendungszwecke ist neben einer selektiven Durchlasskurve
auch eine grosse Bandbreite des Durchlassbereiches notwendlgc Damit lassen sich
kleine Ansprechzeiten der Empfungèr erreichen.
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Ein bekanntes elektromechanisches Bandfilter fUr höhere Tonfrequenzen
besteht aus zwei antiparallel in einer Ebene zueinander angeordneten Schwingzungen,
die als Biegungsschwinger arbeiten, mit piezoelektrischen Wandlern versehen und
mit zwei drahtförmigen Koppelungselementen an ihren Knotenpunkten torsionsgekoppelt
sind. Es wird mit solchen Filtern eine relativ breite Resonanzkurve, aber nur eine
geringe Flankensteilheit und nur eine Güte von ungefähr 200 erreicht.
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Die Welligkeit im Resonanzbereich ist gering.
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Ein weiteres ähnlich gestaltetes bekanntes Bandfilter fUr höhere Tonfrequenzen
unterscheidet sich vom vorgenannten dadurch, dass die piezoelektrischen Wandler
nur auf zwei einander diagonal gegenüberliegenden Enden der Schwingzungen angebracht
und die Schwingungsknoten der beiden Schwingzungen voneinander verschieden sind,
wobei die Kopplungselemente zwischen diesen Schwingungsknoten liegen. Dadurch können
die Kopplungselemente breiter dimensioniert werden.
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Man hat versucht, eine Verbesserung der Durchlasskurve von mechanischen
Filtern zu erreichen, indem zahlreiche Resonatoren, die zu Kompressions- oder Torsionsschwingungen
anregbar sind, durch mehrere, voneinander abweichende Kopplungsfaktoren aufweisende
Kopplungselemente verbunden werden.
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Es wurde auch die Wichtigkeit des Abgleichens der Kopplung
zur
Beeinflussung der Resonanzkurve elektromechanischer Schwinger erkannt. So wurde
vorgeschlagen, bei einem elektromechanischen Filter für tiefere Frequenzen mit mehreren
parallelen, in einer Ebene zueinanderliegenden Schwingzungen, die durch Kopplungsdrähte,-Federn,
-Bänder oder -Stege miteinander verbunden sind, den Koppel faktor durch Abtragen
oder Aufbringen von Material bei den zwischen den Zungen in der gleichen Ebene liegenden
Kopplungselementen zu verändern.
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Es wurden auch mehrere, einseitig eingespannte in parallelen Ebenen
hintereinander angeordnete Schwingzungen vorgeschlagen, bei denen die freien Enden
abgleichbar verkoppelt waren.
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Diese können gegebenenfalls so ausgebildet werden, dass sie Dämpfungspole
im Sperrbereich aufweisen. Es wurden jedoch keine Angaben über die auf diese Art
erreichten Resonanzkurven bekannt.
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Aufgabenstellung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches
Bandfilter fUr tiefe Tonfrequenzen mit einfachem, platzsparenden Aufbau zu schaffen,
das eine breite Resonanzkurve mit geringer Welligkeit und steilen Flanken aufweist,
dessen Kopplungsfaktor leicht einzustellen ist und das eine hohe Temperaturbeständigkeit
besitzt.
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Kennzeichen Diese Aufgabe wird gelöst durch ein elektromechanisches
Filter
der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Kopplung der Schwingzungen durch mindestens eine auf einer Flachseite der
Schwingzungen parallel zu diesen angeordnete und an der gemeinsamen Einspannmasse
ME befestigte Zusatzmasse MK erfolgt mit einem Verhältnis von Einspannmasse ME und
Zusatzmasse MK Masse einer Schwingzunge M1 von mindestens 5:1. Dabei sind die Schwingungsebenen
der Schwingzungen zueinander parallel.
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Der Erfindungsgegenstand ist weiter gekennzeichnet durch Verwendung
des vorstehend definierten elektromechanischen Filters in der Rundsteuerung.
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Beschreibung der Zeichnungsfiguren Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Sie zeigt in: Fig. 1 eine allgemein
bekannte Ausführung der einseitigen Einspannung von zwei Schwingzungen 1, 2.
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Fig. 2 ein erfindungsgemässes elektromechanisches Bandfilter und
in Fig. 3 ein erfindungsgemässes elektromechanisches Bandfilter.
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Bereits die Ausführung des Bandfilters nach Fig. 1 ist ein elektromechanisches
Filter mit auf beiden Flachseiten der
Schwingzungen 1, 2 angeordneten
Einspann- und Kopplungsmassen 6, 7, wobei die Längsachsen der Schwingzungen und
diejenigen der Massen zueinander senkrecht stehen.
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Das erfindungsgemdsse Bandfilter nach Fig. 2 besitzt eine auf nur
einer Flachseite der Schwingzungen 1, 2 angeordnete Kopplungsmasse 8, wobei die
Längsachsen der Schwingzungen und die der Kopplungsmasse zueinander parallel stehen.
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Das ebenfalls erfindungsgemässe Bandfilter nach Fig. 3 ist mit - an
der Einspannmasse 13, 14 befestigten - auf beiden Flachseiten der Schwingzungen
1, 2 symmetrisch angeordneten Kopplungsmassen 9, 10 plus 11, 12 ausgestattet. wobei
wiederum die Langsachsen der Schwingzungen und die der Kopplungsmassen zueinander
parallel sind.
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Jedes elektromechanische Bandfilter der Fig. 2 bis 3 besitzt zwei
einzelne, in einer Ebene parallel zueinanderliegende, an einem Ende eingespannte
und durch ihre gemeinsame Einspannmasse M, 13, 14 bereits massengekoppelte Schwingzungen
1. 2. Die Schwingzungen 1, 2 bestehen vorzugsweise aus permanent-elastischem sogenanntem
Konstantmodul-Material, das im praktischen Betriebsbereich einen tempe raturunabhängigen
Elastizitätsmodul besitzt. Sie schwingen vorzugsweise als Biegeschwinger mit in
der Einspannung lokalisiertem Schwingungsknoten. FUr die Einspannmasse ME 13, 14
in Fig. 2 und 3
wird vorzugsweise ein relativ weiches Metall, wie
Messing, verwendet. Sie kann beispielsweise durch- Kleben mit den Schwingzungen
1, 2 im Bereich ihrer Einspannstellen fest verbunden sein.
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In der Nähe des Fussendes der Schwingzungen 1 und 2 ist durch Löten,
Kleben oder ähnliche bekannte Befestigungsarten je ein elektromechanischer Wandler
3 und 4 befestigt. Diese dienen als Ein- und Ausgangswandler für die Umwandlung
eines elektrischen Signals aufgrund des Piezoeffektes oder durch Elektro- oder Magnetostriktion
in ein elektrisches Signal.
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Vorzugsweise wird ein Piezo-Element auf der Basis von Pb-Zirkonot-Titanat
mit beidseitiger Silberschicht verwendet. Diese elektromechanischen Wandler 3 und
4 sollen in der Breite und Dicke ungefähr den diesbezüglichen Dimensionen der Schwingzungen
1 und 2 entsprechen.
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Das Filterelement, bestehend aus den zwei mit je einem elektromechanischen
Wandler 3 und 4 betriebenen Schwingzungen 1 und 2 und der Einspannmasse ME 13, 14
in Fig. 2, 3 kann zwei Schwingungszustände aufweisen: einen, in welchem diese gleichsinnig
schwingen und einen, in welchem sie gegensinnig schwingen.
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Die gegensinnige Betriebsart wird nur durch die Dimensionen und die
mechanischen Eigenschaften des Materials der Schwingzungen 1, 2 bestimmt. Die geichsinnige
Betriebsart wird dagegen durch die Kopplung bestimmt. Das ganze Filter soll in einer
elastischen Masse, vorzugsweise einem im interessierenden
Temperaturintervall
seine Eigenschaften nicht verändernden Kautschuk derart gehalten werden, dass diese
Schwingungszustände nicht beeinflusst werden.
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Diese beiden Schwingungsgrundzustände liegen bei einer Einspannmasse
ME - 509 (13, 14 in Fig. 2. 3) und einer Frequenz der Schwingzungen 1, 2 von ca.
170 Hz um etwa 100 Hz auseinander, wenn die Dimensionierung der Zungen auf die niedrigere
der beiden Frequenzen abgestimmt ist.
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Durch eine Vergrösserung der Einspannmasse ME 13, 14 in Fig.
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2, 3 mit einer zur Kopplung dienenden Zusatzmasse MK 8 in Fig.
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2 und 91 10 in Fig. 3 können die Frequenzen beider Schwingungsgrundzustände
ohne Aenderung der anderen Variabeln bis auf etwa 2 Hz nebeneinander gelegt werden.
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Dabei spielt jedoch nicht nur das Verhältnis der gesamten Masse MT
= ME + MK d. i. 13, 14, 8 in Fig. 2 und 9, 10, 13, 14 in Fig. 3 zur konstant bleibenden
Masse M1 jeder der Schwingzungen 1, 2 eine Rolle, sondern ebenso die Verteilung
der Masse MT Dieser Sachverhalt beruht auf den physikalischen Gesetzmässigkeiten
über Impuls, Drehimpuls und Schwerpunkt.
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Das Temperaturverhalten des Bandfilters ist praktisch von den der
Kopplung dienenden Massen unabhängig und nur durch die Eigenschaften des Materials,
aus denen die Schwingzungen bestehen, und denjenigen der elektromechanischen Wandler
bestimmt.
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Bereits die in Fig. 1 gezeigte bekannte, nicht erfindungsgemasse Anordnung
stellt ein elektromechanisches Bandfilter dar.
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Gemäss Fig. 1 ist die zur Kopplung dienende Masse > 6, 7 auf beiden
Flachseiten der Schwingzungen 1 und 2 im Bereich ihrer Einspannung 5 symmetrisch
verteilt als Kopplungsmasse 6 und 7. Im Abgleich asymmetrischer Durchlasskurven
können diese Kopplungsmassen 6, 7 auch leicht voneinander abweichen. Die Kopplung
zwischen den Scnwingzungen l, 2 kann in einfachster und Ubersichtlicher Weise durch
Veränderung der Kopplungsmassen 6 und 7 in weiten Grenzen verändert werden.
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Bei dem erfindungsgemässen elektromechanischen Bandfilter nach Fig.
2 ist die an der Einspannmasse 13, 14 befestigte zur Kopplung dienende Zusatzmasse
MK nur auf einer Flachseite der Schwingzungen 1, 2 in Form einer zu diesen parallel
angeordneten Platte 8 ausgeführt. Diese kann sich, je nach dem gewUnschten Kopplungskoeffizienten
nur über einen Teil oder die ganze Länge der Schwingzungen 1, 2 erstrecken. Sie
soll mindestens so breit sein, dass sie, quer zu den Schwingzungen 1, 2 deren äussere
Ränder überragt. Die Masse der Platte 8, sowie ihre Dimensionierung gegenüber den
Schwingzungen 1, 2 bestimmt die gegenseitige Kopplung dieser Zungen.
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In der Fig. 3 ist erfindungsgemäss eine weitere Ausführungsform eines
elektromechanischen Filters mit beidseitiger Anordnung der Kopplungsmasse 9, 10
dargestellt. Die zur Kopplung
dienende Zusatzmasse MK besteht in
diesem Fall aus zwei beidseitig parallel zu den Schwingzungen 1, 2 an der Einspannmasse
ME angebrachten plattenförmigen Trägern 9 und 10, an deren freiem Ende auf den einander
abgewandten oder zugewandten Seiten plattenförmige Verstärkungen 11 und 12 befestigt
ind. In der Fig. 3a ist der eine Träger 10 geschnitten darbesteht und die Verstärkung
12 weggelassen, um die Schwingzungen 1, 2 deutlich sichtbar werden zu lassen.
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In Fig. 3b ist die Masse MK in Form der Träger 9, 10 und deren-Verstärkung
11, 12 im Schnitt dargestellt. Die gegenseitige Kopplung der Schwingzungen 1, 2
lässt sich in einfacher Weise durch Veränderung- der Verstärkungen 11, 12 und deren
Abstand von der Befestigung der Träger 9 und 10 in relativ weiten Grenzen verschieben.
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Wirkungsweise Zwei in einer gemeinsamen Masse M 13, 14 in Fig. 2 und
3 E einseitig eingespannte Schwingzungen 1, 2 besitzen zwei Schwingungsgrundzustände.
Der erste Schwingungsgrundzustand I ist durch gegensinnig schwingende Zungen gekennzeichnet,
der zweite II dagegen durch gleichsinnig schwingende Zungen.
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Damit das beschriebene Schwingungssystem keine Reaktionskräfte und
Reaktionsmomente auf die Unterlage ausüben kann, muss die Masse ME 13, 14 für beide
Schwingungsgrundzustände immer in Ruhe bleiben,
Vorausgesetzt wird
dabei, dass beide einseitig eingespannten Schwingzungen 1, 2 gleich grosse Massen
Ml, gleich grosse Massenträgheitsmomente el, bezogen auf eine gleiche Hauptachse
beider Zungen, gleich grosse Drehgeschwindigkeiten w1 haben und die Schwerpunkte
der beiden Schwingzungen l, 2 gleich grossen Abstand vom Schwerpunkt des gesamten
Schwingungssystems aufweisen.
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Speziell kommen folgende Bedingungen hinzu fUr die an den Schwingzungen
teilnehmenden Elementen im - Schwingungsgrundzustand 1: Beide Schwingzungen 1, 2
haben gleich grosse, aber entgegengesetzt gerichtete Drehgeschwindigkeiten.
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Die Masse MK 8 in Fig. 2 und 9, 11; 101 12 in Fig. 3 nimmt an den
Schwingungen nicht teil.
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- Schwingungszustand II: Beide Schwingzungen 1, 2 mit der Masse 2ml
und dem Massenträgheitsmoment 2e1 haben eine gemeinsame Drehgeschwindigkeit wl.
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Die Drehgeschwindigkeit <£>l w1 beider beider Zungen 1, 2 ist
um den Fakel tor 2 ë~~ verschieden von derjenigen der Masse MK 8 in Fig.
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K 2 und 9, 11; 10, 12 in Fig. 3 und ihr entgegengesetzt gerichtet.
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Die für die beiden Schwingungsgrundzustände I, II der zwei Schwingzungen
1, 2 beschriebene Wirkungsweise setzt weiterhin
voraus, dass die
Amplituden der Schwingungen klein bleiben.
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Die Masse Mk 8 in Fig. 2 und 9, 11; 10, 12 in Fig. 3, die nur an den
Schwingungen des Schwingungsgrundzustandes II teilnimmt, wie oben gezeigt wurde,
beeinflusst zusätzlich die Kopplung der Schwingzungen 1, 2 in diesem Bewegungszustand.
Dagegen hat sie keinen Einfluss auf den gegensinnigen Bewegungszustand I.
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Die Kopplung wird bei massengekoppelten Schwingzungen be-M stimmt
durch den Faktor kM MT M1 " Masse einer Schwingzunge MT - die der Kopplung dienende
Totalmasse - ME + MK Mit dem Kopplungsfaktor k M sind ferner die Eigenresonanzen
f 1,2 der Schwingzunge verknüpft.
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1,2 2 =f12 (l + 2 kM) fl " Frequenz der gegensinnigen Schwingung
I f2 = Frequenz der gleichsinnigen Schwingung II
Bei der bekannten
Ausführungsform gemäss Fig. 1 können Massen-MT verhältnisse -bis etwa 80:1 für die
in Frage kommenden M1 Frequenzen eines Bandfilters erreicht werden. Ein typisches
Massenverhältnis für 170 Hz Mittelfrequenz und ein spezifisches Frequenzverhalten
ist 50:1.
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Bei erfindungsgemässen Ausführungsformen gemäss Fig. 2 ist MT 35:1
bei gleichem Frequenzverhalten wie bei Ausführungsform gemäss Fig. 1. Dabei ergibt
sich eine Differenz der beiden Schwingungszustände von etwa 3 Hz.
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Bei der erfindungsgemässen Ausführungsform nach Fig-. 3 be-MT nötigt
man ein Verhältnis MT von nur 20:1 bei gleichem Frequenzverhalten. Bei den erfindungsgemässen
Ausführungsformen ist das höchste Massenverhältnis für tiefste Tonfrequenzen 80:.
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Vorteile Bei der einfachsten und raumsparenden erfindungsgemässen
Ausführung nach Fig. 2 kann bei einer Mittenresonanzfrequenz um 170 Hz eine Filtergüte
von mehreren Tausend erreicht werden. Dadurch lassen sich ausserordentlich hohe
Flankensteilheiten der Resonanzkurve z.B. von 1,5 Hz bei 10 db und 3,5 Hz bei 20
db Abfall bei optimalem Abschlusswiderstand erzielen. Auch die andere Ausführungsform
gemäss Fig. 3 liefert vergleichbare Werte. Die 3 db-Bandbreite kann bei beiden
Ausführungsformen
beispielsweise zwischen 3 bis 5 Hz bei einer Welligkeit von maximal 2 db im Bereich
von 100 bis 500 Hz oder 8 bis 10 Hz bei maximal 2 db Welligkeit im Bereich von 150
bis 500 Hz betragen. In gewissem Grad kann diese Welligkeit durch die Bemessung
der Filterabschlusswiderstände beeinflusst werden. Die Durchgangsdämpfung ist gering.
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Durch die grosse Bandbreite, verbunden mit einer hohen Flankensteilheit
bei geringer Welligkeit lässt sich bei Verwendung der erfindungsgemässen Bandfilter
in der Rundsteuerung eine grosse Uebertragungsgeschwindigkeit, hohe Empfängerempfindlichkeit
und grosse Betriebssicherheit erreichen.
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Die Kopplungsfaktoren der Schwingzungen und die Bandbreite des Filters
lassen sich durch die Bemessung und Anordnung der zur Kopplung dienenden Massen
in weiten Grenzen und auf einfache Art einstellen. Dagegen haben diese nur einen
äusserst geringen Eihfluss auf die Temperaturbeständigkeit des Filters, die durch
geeignete Wahl des Materials der Schwingzungen sowie des der elektromechanischen
Wandler auch über lange Zeit und in weitem Temperaturbereich konstant gehalten werden
kann.