DE2330288C3 - Frequenzbandfilter - Google Patents
FrequenzbandfilterInfo
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
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-
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Description
Die Erfindung betrifft ein Frequenzbandfilter, das mi zwei Resonatoren aufweist, die über eine elastisch in
einer Halterung aufgehängten Masse miteinander gekoppelt sind und die mit elektromechanischen
Wandlern versehen sind, bei welchen der den Resonatoren gegenüberliegende Abschnitt einen Betr. standteil der koppelnden Masse bildet.
Solche Frequenzbandfilter finden beispielsweise in
den Empfangsapparaten von Rundsteuerungsanlagen Anwendung. Dort dienen sie dazu, tonfrequente
Steuerimpulse vom Netzstrom der normalerweise eine
Frequenz von 50 oder 60 Hz aufweist, zu trennen. Die in einem Starkstromnetz mögliche Zahl von Steuerkanälen für tonfrequente Steuerimpulse hängt wesentlich
von den Eigenschaften der zur Kanaltrennung verwendeten Frequenzbandfiltern ab. Um eine gute Kanaltrennung zu ermöglichen, müssen Frequenzbandfilt.er mit
möglichst großer Flankensteilheit der Durchlaßkurve verwendet werden. In diesem Falle können nämlich die
Steuerkanäle rrfativ nahe nebeneinander angeordnet werden, was wiederum erlaubt, den bevorzugten Teil
des Niederfrequenzbereiches, also etwa den Bereich von etwa 100 bis 1000 Hz gut auszunützen. Dies ist der
Bereich, der für die Zwecke der Übertragung von Steuersignalen in Starkstromnetzen besonders günstig
ist, weil hier die Steuersignale durch die im Netz vorhandenen Transformatoren bei der Übertragung nur
wenig gedämpft werden.
Es ist bereits ein elektromechanisches Bandfilter
bekanntgeworden, das ein elektromechanisch angeregtes Schwingungssystem besitzt, welches aus zwei
schwingungsfähigen mechanischen Gliedern besteht, die mittels eines dazwischen angeordneten Kopplungskörpem miteinander gekoppelt sind (DE-PS 8 54 228).
Im Gegensatz zu elektrischen Filtern besitzt ein solches mechanisches Bandfilter eine höhere Güte, so daß auch
relativ steile Flanken der Resonanzkurve erzielt werden. Die Massenkopplung hat anstelle der sonst
üblichen Federkopplung den Vorteil, daß die Frequenzstabilität nicht durch die Art der Montage beeinflußt
wird. Massenkopplung allein kann jedoch Frequenzstabilität nicht gewährleisten. Bei einem Filter, dessen
Resonatoren aus ferromagnetischem Material bestehen, treten Frequenzverschiebungen auch bei Temperaturänderungen auf. Ebenso wirken sich bei Wandlern, die
am geststehenden Teil als auch im beweglichen Teil ferromagnetisches Material aufweisen, Kräfte auf die
Frequenzstabilität aus, indem sich nämlich die Eisenteile, je nach der Entfernung voneinander, mehr oder
weniger stark anziehen und somit die Schwingungscharakteristik dcj Resonators beeinflussen.
Mangelnde Frequenzstabilität eines Frequenzbandfilters kann sich jedoch sehr ungünstig auswirken, weil
dadurch der Frequenzbereich z. B. in einen von Störungen verseuchten Bereich verschoben werden
kann, so daß Störimpulse zu Störungen im Rundsteuerempfänger führen können. Bei einer rrequenzverschiebung sinkt aber andererseits auch die Empfindlichkeit
des Rundsteuerempfängers, so daß dieser nicht oder nicht immer auf ein Steuersignal anspricht.
Besonders kritisch wirb die Lage bei einem Kanal in der Nähe der Harmonischen der Netzfrequnez, wo in
der Regel ein besonders großes Störpegel vorhanden ist.
Durch die CH-PS 4 77 043 wird eine auf elektromagnetischem Wege in Schwingung gehaltene Stimmgabel als Gangsordnerschwinger für ein zeithaltendes
Gerät offenbart, bei welcher die Stimmgabelarme aus ferromagnetischem Material bestehen, und als Rückschluß für ein Permanentmagnetsystem dienen. Jedes
freie Ende eines Stimmgabelarmes bildet den Pol eines Permanentmagnetsystems und schwingt über einer
Spulenanordnung, die aus einer Steuerspule und einer Triebspule besteht. Diese Spulen werden durch zwei zu
der Schwingungsebene der Stimmgabel parallel angeordneten Flachspulen gebildet. Die Flachspulen sind
auf einem ferromagnetischen Teil angebracht, der als Rückschlußteil dient. Dinier ist ein durch ein Abstandsstück mit dem Stimmgabelsteg verbundenes, parallel zur
Spulenebene angeordnetes flaches Element Das Permanentmapnetsystem besteht aus wenigstens einem
senkrecht zu den genannten Ebenen magnetisierten
ι Stabmagneten. Der für einen Stimmgabeloszillator für
einen Gangordnerschwinger geschaffene Wandler weist einen relativ geringen Kopplungsfaktor auf, was
bei Oszillatoren, nicht aber bei Frequenzbandfiltern, erwünscht ist
ίο Durch schwingungstechnische Gesichtspunkte, also
z. B. durch die Länge und den Querschnitt der Resonatorzunge, wird nämlich beim Gegenstand der
CH-Patentschrift die Ausgestaltung des Magneülußweges weitgehend beschränkt, so daß eine Sättigung des
π ferromagnetischen Materials bei den gegebenen Dimensionen rasch erreicht wird.
Bei einem relativ geringen Kopplungsfaktor ist es jedoch bei einem Frequenzbandfilter nicht möglich,
kleine Welligkeit im Durchlaßbereich zu erzielen. Des
_>D weiteren er'aubt die gezeigte Ausbildung des Gangordnungsschwingers für den Resonator ' ine Materialaus
wahl nach ausschließlich schwingungite"hnische Ge
Sichtspunkten. Da der Resonator als Teil des Gleichflußkreises wirkt, muß er notgedrungen aus ferromagneti-
>> schem Material bestehen.
Die französische Patentschrift 15 71910 offenbart
ebenfalls eine auf elektromagnetischem Wege in Schwingung gehaltene Stimmgabel als Gangordnungsschwinger für ein zeithaltendes Gerät wobei wiederum
«ι eine Steuerspule und eine Triebspule vorgesehen sind,
welche die Form von Flachspulen besitzen. Es ist dabei über jeder Spulenhälfte ein Permanentmagnetsystem
bestehend aus einem Magneten vorgesehen, der aus einem Stück besteht aber je zur Hälfte in einem
r> anderen Sinne magnetisiert ist so daß die Magnetisierungsachsen senkrecht zur Schwingungsrichtung des
' Stimmgabelannes sowie senkrecht zu den Rachspulen
verlaufea Da aber die Pole des Magneten unmittelbar nebeneinander liegen, treten die magnetischen FeIdIi
nien nicht von einem Pol senkrecht in einen Teil der
Spulen über, um über den Rückschlußteil wieder in eint .3 anderen Teil der Spulen zum anderen Pol
senkrecht zurückzukehren, sondern rühren bereits im Luftspalt von einem Pol in einem Bogen zum andern Pol
4Ί ohne eine Windung zu schneiden. Ein weiterer Teil der
Feldlinien schneidet zwar die Windungen, aber nicht senkrecht zur Spulenachse. Auch hier ist somit der
Kopplungsfaktor relativ gering, was für einen Oszillator auch durchaus zulässig oder sogar erwünscht ist.
in Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Frequenzbandfilter von hoher Frequenzstabilität und einer der idealen Rechteckform angenäherten Durchlaßkurve zu schaffen.
Die· vird gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht
ν. durch die Verwendung von Wandlern mit je einer
Flachspule und je finem resonatorseitig ve rpesehenen
Permanentmagnetsystem, mit der Maßgabe, daß der als Blattfeder ausgebildete Resonator an seinem freischwingenden Ende ein Plättchen aus weichmagneti
«ι schem Material au.weist, an welchem zwei Permanentmagnete angebracht sind, deren Magnetisierungsachsen
senkrecht zum Plättchen und senkrecht zur Schwingungsrichtung des Resonators sowie senkrecht zu den
Windungen einer durch einen Luftspalt von den freien
h'i Polenden getrennten Flachspule verlaufen, die auf einer
Platte aus weichmagxetischem Material in der V/eise angeordnet ist, daß der magnetische Gleichflußkreis des
Permanentmagnetsystems diametral gegenüberliegen-
de Abschnitte der Flachspulen in entgegengesetzter Flußrichtung durchsetzt.
Das erfindungsgemäße Filter weist eine hohe Frequenzstabilität und eine der idealen Rechteckform
angenäherten Durchlaßkurve auf und kann außerdem äußerst kompakt ausgestaltet werden. Insbesondere ist
auch die Welligkeit im Durchlaßbereich gering. Die Verluste bei Frequenzen im Durchlaßbereich sind beim
erfindungsgemäßen Filter auch bei seiner Verwendung im unteren Niederfrequenzbereich sehr klein, so daß es
sich speziell für die Zwecke der Rundsteuerungstechnik eignet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich ein großer Teil oder der größte
Teil der genannten koppelnden Masse in der Nähe der Linie, die die beiden Schwingungsschwerpunkte der
Resonatoren miteinander verbindet. Dies hat den Vorteil, daß das Filter besonders kompakt und leicht
besonders günstige Ausgestaltung des Wandlers.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Frequenzbandfilters werden nun anhand der Zeichnung
beschrieben. Es zeifct
F i g. I eine Aufsicht auf eine Ausführungsform des elektromechanischen Schwingsystems des Frequenzbandfilters,
wobei das Schwingungssytem elektrodynamische Wandler auweist,
F i g. 2 eine Ansicht A des Systems von F i g. 1 und dessen Aufhängung im Gehäuse unter Verwendung von
Polstern aus Schaumstoffen,
F i g. 3 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform, bei der die Aufhängung des Schwingungssystems mittels
einer Blattfeder erfolgt,
F i g. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des elektromechanischen Schwingungssystems,
Fig. 5 mögliche Dämpfungscharakteristiken des dargestellten elektromechanischen Schwingungssy-
äüSgciunri WcfucM Kann, uci cincf TciätiVcii υαϊϊιιυϊΧΐί£
von z. B. 1 zu 200 beträgt bei einer Resonatorschwingmasse von 1 g die kleinste Kopplungsmasse nur
ungefähr 200 g, wenn sie in der Nähe der genannten Linie liegt. Wenn jedoch die Kopplungsmasse nicht auf
die genannte Linie konzentriert wurde, wie dies bei vorbekannten Filtern der Fall ist, so könnte die
koppelnde Masse leicht Beträge bis zu einem Kilo und mehr annehmen. Demgegenüber weist eine Ausführungsform
der Erfindung für das bevorzugte Anwendungsgebiet d. h. das untere Niederfrequenzbereich,
Ausmaße von nur wenigen Zentimetern auf. Ein vergleichbares elektrisches Bandfilter für die gleichen
Frequenzen ließe sich, wenn überhaupt, nur mit Induktivitäten auf sehr großen Kernen und großvolumigen
Kondensatoren realisieren, so daß das elektrische Filter um ein Mehrfaches größer ausfallen würde als das
beschriebene elektromechanische Frequenzbandfilter.
Die Resonatoren des Filters der Erfindung sind mechanisch miteinander gekoppelt. Wenn auch andere
starre Kopplungen denkbar sind, so stellt eine mechanische Kopplung die denkbar einfachste und
billigste Kopplung dar.
Beide der Resonatoren können aus einem Federelement bestehen, das an einem Ende an der elastisch
aufgehängten Masse befestigt ist und am anderen Ende eine Schwungmasse trägt. Dadurch wird ein sehr
einfaches und leicht abzustimmendes Resonatorsystem geschaffen.
Das Federelement des Filters der Erfindung ist eine Blattfeder. Da eine Blattfeder bei einem entsprecheden
Verhältnis zwischen Dicke und Breite in einer Richtung steifer ist als in der anderen Richtung, kann sie praktisch
nur in einer Ebene schwingen. Dies kann von Vorteil sein, wenn die von der Blattfeder getragene Endmasse
aus einem Magnetsystem besteht, das den bewegten Teil eines elektrodynamischen Wandlers bildet Dieser
bewegliche Teil soll nämlich immer in der gleichen Bahn relativ zum stationären Teil des Wandlers bewegt
werden können und auf keinen Fall etwa den stationären Teil berühren. Das Magnetsystem ist seitlich
am freien Ende der Blattfeder angebracnt, und der magnetische Pfad ist dort, wo er das Magnetsystem
verläßt, praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder gerichtet Da die Blattfeder, wie schon
geschildert wurde, senkrecht zur Schwingungsebene steif ist kann das Magnetsystem wegen dieser Steife der
Blattfeder nicht in eine Spuie eines Wandlers hineingezogen werden, deren Achse senkrecht zur Schwingungsebene
der Blattfeder liegt Dies ermöglicht eine F i g. 6 einen elektrodynamischen Wandler im Schnitt
entlang der Linie l-l von Fig. 1,
Fig. 7 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform des elektromechanischen Schwingsystems des
Frequenzbandfilters und
F ι g. 8 eine Ansicht A des Systems von F i g. 7.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte elektromechanische
Frequenzbandfilter stellt eine zweckmäßige Ausführe .igsform der Erfindung dar. Es sind noch
zahlreiche andere Ausführungsformen eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden elektromechanischen
Frequenzbamifilters denkbar. Es wird deshalb weiter unten der Erfindungsgegenstand anhand eines
elektrischen Analogiemodells betrachtet werden, wobei dann besonders Gewicht auf die Charakterisierung der
für die Gewährleistung der gewünschten Funktionen notwendigen Bauteile gelegt werden wird.
Das in F i g. 1 und 2 gezeigte elektromechanische Frequenzbandfilter besteht grundsätzlich aus einem
Schwingungssystem mit zwei mechanischen Schwingern, im folgenden Resonatoren 2,4 genannt die mittels
einer elastisch aufgehängten Masse (Masse M) miteinander in Verbindung stehen. Diese Masse A/wird durch
das Basisstück 1 und die starr damit verbundenen Teile gebildet. Die Anregung des Schwingungssystems mil
den Resonatoren 2, 4 geschieht am Filtereingang zweckmäßigerweise mittels eines elektrodynamischen
Wandlers 3, der auf den Resonator 2 einwirkt Der Resonator 2 wirkt dann seinerseits durch die bereits
erwähnte Kopplung über die Masse des Basisstücks 1 auf den Resonator 4 ein. Die Schwingungsenergie des
über Resonator 2 indirekt angeregten Resonates 4 kann am Filterausgang mit Hilfe eines weiterer
dynamischen Wandlers 5 abgenommen werden. Es liegt somit ein Zweitor oder ein sogenannter Vierpol vor
Dazu ist noch zu bemerken, daß es an sich gleichgültig ist welcher Resonator 2, 4 als Eingangsresonator
verwendet wird, wenn Ein- und Ausgangsimpedanz gleich groß gewählt werden.
Grundsätzlich kann das rein mechanische Schwingungssystem des Zweitors mittels geeigneter Wandler
an weitere Systeme, z. B. an mechanische, optische oder thermische Systeme angepaßt werden. Für die Verwendung
in elektrischen Schaltungen wird die Anpassung zweckmäßig mit Hilfe von elektrodynamischen Wandlern
3, 5 vorgenommen. Das Filter läßt sich in diesem Falle direkt in elektrische Stromkreise einschalten und
kann auch hinsichtlich seiner Eigenschaften wie ein elektrisches Filter beschrieben und verwendet werden
Elektrodynamische Wandler weisen keine negative magnetische Elastizität auf, welche die Frequenzen
verschiebt. Das Frequenzbandfilter ist daher hochstabil. Die vorzugsweise aus Permanentmagneten gebildeten
Magnetsysteme 7, 9 sind Teile sowohl der elektrodynamischen Wandler 3, 5 als auch der
Resonatoren 2, 4. Die Magnetsysteme 7, 9 sind an je einem ?,nde der Federelemente 11, 13 befestigt, die
vorzugsweise als Blattfedern ausgebildet sind. Die Magnetsysteme 7, 9 stellen mit ihrer Masse und der
Eigenmasse der Federelemente 11, 13 die Schwingmassen der Resonatoren 2, 4 dar. Dabei bilden die
Federelemente 11, 13 die elastische Komponente. Die Resonatoren 2, 4 selbst bestehen also aus je einem
Federlement 11 bzw. 13 und je einer Endmasse, die vorugsweisc in Form von Magnetsystemen 7, bzw, 9
ausgebildet ist. Im harmonischen Schwingungszustand eines solchen Resonators 2, 4 pendelt die Energie
nn^lnrlirnU -*■■>· r/«U »n «-Inm CnrJnrnUmnnl Im nfnnnnt *%n
L/Vf tuuiiivii L v* IJVIiVIi UViIi ι ννι vi vi viii viii im cvji/unii ivu,
d h. durchgebogenen Zustand, und der beschleunigten Masse (Magnetsystem plus Masse des Federelementes)
hin und her. Das Basisstück 1, an welchem die Resonatoren 2, 4, befestigt sind, ist ebenfalls Teil der
beschleunigten Masse. Damit dieses Basisstück 1 ebenfalls zum Mitschwingen angeregt werden kann, ist
es, wie z. B. F i g. 2 zeigt, relativ frei beweglich in dem Gehäuse 15 aufgehängt. Zweckmäßigerweise geschieht
diese Aufhängung mittels Polstern 17 aus z.B. Schaumgummi oder Schaumkunststoffen. Es ist aber
auch möglich, das Basisstück 1 andersweitig aufzuhängen, w.^ dies später noch beschrieben werden wird. Wie
bereits erwähnt, dient das Basistück 1 dazu, die Schwingungsenergie des einen Resonators auf den
anderen zu übertragen. Wenn man das Ganze betrachtet, liegt deshalb ein gekoppeltes Schwingungssystem vor, in dem die beiden Resonatoren 2,4 nicht frei
schwingen können, sondern durch die Massenkopplung in gewissem Sinne erzwungene Schwingungen ausführen.
Dadurch erklären sich die speziellen Eigenschaften des Frequenzbandfilters.
Wird das elektromechanische Frequenzbandfilter mit einem kontinuierlichen Frequenzspektrum, z. B. mit
Hilfe des gezeigten elektrodynamischen Wandlers 3 angeregt, so erscheinen am Ausgang des Frequenzbandfilters,
d. h. am elektrodynamischen Wandler 5 (oder umgekehrt) nur Frequenzen aus einem relativ schmalen
Bereich des ganzen Spektrums. Es liegt somit ein Bandpaß, im speziellen ein Frequenzbandfilter vor,
dessen Eigenschaften nun durch Transformation in
elektrische Analogie bestimmt werden sollen.
Diese Analogien bestehen in bezug auf die mathematischen Beziehungen von Kraft K und Geschwindigkeit
deinerseits und Strom /und Spannung Uandererseits.
Die Verknüpfung ist durch das Induktionsgesetz und das Gesetz von Ampere gegeben. Man erhält die folgende
Analogien:
in Masse
V
V
K /
m Kapazilät C
HIasiizitäl E--
-Indtiktivilül /.
Damit läßt sich das erfindungsgemäße mechanische Filter in der durch F i g. 4 angegebenen Form als
elektrisches Äquivalent beschreiben. Die einzelnen
zen Zi, Z>, Zj in Form von Induktivitäten L und
Kapazitäten C.
Die Widerstände R repräsentieren die durch die als ideal angenommenen elektrodynamischen Wandler 3,5
angepaßten externen Schaltungen und Leitungen. Die speziellen Eigenschaften dieses elektrischen Netzwerkes
entsprechen jenen des mechanischen Systems und werden durch die gleichen mathematischen Ausdrücke
beschrieben.
Für ein Filter dieser Art interessiert vor allem die Übertragungsfunktion, die im allgemeinen komplex ist
und Dämpfungs- und Phasenbeziehung angibt. Sie kann durch Auflösen der Netzwerkgleichungen aufgrund der
Kirchhoffschen Strom- und Spannungsgesetze oder allgemein durch Aufstellen und Auswerten der Vierpolersatzmatrix
erhalten werden.
Am einfachsten wird mit der [A]-Matrix gerechnet, weil diese am einfachsten aus der Kettenschaltung von
Impedantvierpolen gewonnen werden kann. Sie verknüpft Ein- und Ausgang eines Vierpols in der folgenden
Art:
wobei
«22 die Koeffizienten der Matrix sind.
Die allcemeine Form für das vorliegende Netzwerk lautet
Die einzelnen Ausdrücke Z1. Z2. Zj sind beliebige Impedanzen in den einzelnen Zweigen des symmetrischen
Netzwerkes und bedeuten im vorliegenden Fa!!:
Z1 = J1
Ι'-ιίΙ ■ C
Mit den Vereinfachungen
t^
es wobei
'"" = TW
lassen sich die Koeffizienten der Matrix folgendermaßen angeben:
«21 = (I -
Durch Einführung von Quellen- und Lastwiderstand R kann nun die übertragungsfunktion bzw. deren
Rcziprokcnwcrt angegeben werden.
= 2(1-.'Z) |2
- 2
/L„«r · Il -
ί/ΐΓ"
L--(2
Da nur ein kleines Frequenzgebiet in der Nahe der
Resonanzfrequenz (π,, interessiert, sind folgende Vereinfachurmen
zulässig:
«■-■-»
worin h die Bandbreite bedeutet. Somit wird O' unter
Vernachlässigung kleiner Größen
= Realteil Rc -t Imaginärleil Im
Re = 0 liefert die Bandgrenze „, ,
daraus folgt
daraus folgt
nR(
]
J
J
bzw.
Re — 2a
— 2 = 2ub*
I /n l*s , Γ nr( ..ι- ' Λ " I2
= \/\2ab*- + Ci11RCl ah*- I —
Y LV u) ",„RC}
Im übrigen ist die Form und Lage der in Fig. 5 dargestellten Dämpfungskurven durch die Wahl
R und C festgelegt, R bestimmt die Welligkeit im
Durchlaßbereich D und die Flankensteilheit F. Mit L und C wird die untere Lochgrenze des Bandfilters
festgelegt, und die Bandbreite ist allein bestimmt durch das Verhältnis a der Querkapazität (Zj) und der
Längskapazität (Z2).
Diese interessanten Tatsache ist der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Bandfilters. Zieht man
nämlich die einleitend gegebenen Analogiebeziehungen zwischen mechanischen und elektrischen Systemen
wieder herani so sieht man soforti daß der die
Bandbreite bestimmende Faktor
I
h — , um welchen Betrau nun eine Koordi- jh
h — , um welchen Betrau nun eine Koordi- jh
natentransformation vorgenommen wird mittels folgender Substitution:
(b* + )
Im = HinRC (ah*2 - ) — - "
Für die Dämpfung ist der Betrag von G maßgebend. so daß die Dämpfungsfunktion sich so darstellen läßt:
Die hergeleitete Dämpfungsfunktion des Filters ist abhängig von a, welches bestimmend ist für die
Bandbreite. Dann für b= ' wird der Reziprokwert der
«
Übertragungsfunktion rein imaginär, wodurch die Bandgrsnzen ω_ι, ω + ι festgelegt sind. (Siehe auch
entsprechende Koordinationstransformation.)
Z,
C„
nichts anderes ist als das Massenverhältnis gegeben durch die aktive Masse M des Basisstückes 1 und der
starr daran befestigten Teile und der Masse m der Resonatoren des elektromechanischen Filters. Da
praktisch der größte Teil der Masse m durch die Magnetsysteme 7, 9 gebildet wird, ist mit dem
beschriebenen Filter eine einfache Möglichkeit geschaffen, die Bandbreite b derselben genau zu bestimmen und
fertigungstechnisch in engen Grenzen zu halten.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die hergeleitete Zusammenhänge aufgrund eines symmetrischen, reziproken
Vierpols gemacht wurden. Dies bedeutet, daß diese Gültigkeit haben für ein elektromechanisches
Filter der gezeigten Art, welches ebenfalls symmetrisch aufgebaut ist, dessen Magnetsysteme 7, 9 mit den
entsprechenden Federn 11, 13 die gleiche Masse m aufweisen.
Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, mittels eines unsymmetrischen Aufbaues des elektromechanischen
Filters die Eigenschaften des Bandfilters zu ändern und abweichende Dämpfungsverläufe A zu erhalten. Ein
derartiges unsymmetrisches Ffilter läßt sich ebenfalls mit
Hilfe der dargestellten Ableitungen berechnen.
Eine anhand der genannten Erkenntnisse aufgebaute Ausführungsform der Erfindung wird nun noch im
Detail beschrieben. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist,
bestellt die zentrale Masse M grundsätzlich aus dem Basisstück 1. Dieses Basisstück 1 muß frei beweglich
sein. Sieht man zu seiner Aufhängung im Inneren eines Gehäuses 15, wie in Fig.2 dargestellt, Polster 17 aus
elastischem Material vor, so bedeutet dies, daß die «ktive Masse M gefedert mit dem festen Aufbau, also
hier dem Gehäuse 15 verbunden ist.
Im elektrischen Analogiemodell entspricht dies einer verhältnismäßig großen Induktivität parallel zur Impedanz
Zz, deren Reaktanz gegenüber Zz vernachlässigbar
ist, wie dies der gemachten Voraussetzung entspricht. Als zweckmäßiges Material für die Polster 17 kann
Schaumstoff bzw. Schaumgummi vorgesehen werden. Es ist aber auch beispielsweise eine Aufhängung des
Basisstückes 1 im Gehäuse 15 mittels zahlreicher kleiner Spiralfedern verteilt rings um das Basisstück I
angeordnet, denkbar. Eine einfache Aufhängung kann auch durch eine Befestigung des Schwingungssystems
am 3asisstück 1 mittels dreier Stäbe 51, 53, 55 (Fig. 1)
hoher Elastizität erfolgen. Es ist auch möglich, das Basisstück 1 an der von den Schwingmassen 7, 9
entfernten Seite mit einer Blattfeder 57 (Fig.4) am Gehäuse 15 zu befestigen. Die Blattfeder 57 ist dabei bei
der Symmetrieachse der aufgehängten Masse, also des Basisstückes 1, befestigt, und zwar derart, daß ihre
Schwingungsebene ungefähr mit jenen der Resonatoren zusammenfällt.
Bei den gezeigten Ausführungsformen von F i g. 1 bis
3, hat das Basistück 1 die Form eines T. Dies hat den Vorteil, daß am Fuß 33 des T die elektrodynamischen
Wandler 3,5 auf einfache Art befestigt werden können, wie dies noch beschrieben werden wird. Die T-Form ist
jedoch nicht zwingend. Für die Festlegung der aktiven Masse M des Basisstückes 1 und der daran starr
befestigten Teile muß lediglich das Momentanzentrum Z der angeregten Schwingbewegung bestimmbar sein.
Mit Hilfe des bezüglich dieses Momentanzentrums Z vorliegenden Trägheitsmomentes θ und des wirksamen
Abstandes r ergibt sich die aktive Masse in jedem beliebigen Falle zu
Sollte die relative Bandbreite so bestimmt sein, daß man gezwungen ist, mit einer möglichst kleinen
koppelnden Masse auszukommen, so legt diese Formel nahe, den größen Teil der koppelnden Masse in der
Gegend der Bewegungslinie der Schwingungsschwerpunkte der beiden Resonatoren zu konzentrieren.
An den beiden Schenkeln 19, 21 des T-förmigen Basisstückes 1 sind die beiden Federelemente 11, 13
symmetrisch befestigt, so daß sie sich parallel zueinander und zum Fuß 33 des T erstrecken. Die Verbindung
kann beispielsweise durch Anschrauben, Kleben, Schweißen, Nieten oder Hartlöten erfolgen und muß
starr sein. Die Federelemente 11, 13 bilden mit den Magnetsystemen 7, 9 zusammen die beiden Resonatoren
2, 4 die mittels des Basisstückes 1. also der aufgehängten Masse, miteinander gekoppelt sind.
Damit diese Resonatoren 2,4 möglichst kleine Masse im Verhältnis zur Wandlerstärke aufweisen, ist, wie
bereits erwähnt wurde, deren Schwingmasse m zweckmäßig in Form der Magnetsysteme 7,9 am freien
Ende der Federn 11, 13 konzentriert. Die Magnetsysteme
7,9 bestehen vorzugsweise aus einem Plättchen 6 aus weichmagnetischem Material, an welchem zwei
prismatische Permanentmagnete 8, die beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung bestehen können,
befestigt sind. Die Magnetisierungsachse der Permanentmagnete 8 verläuft ungefähr senkrecht zum
·> Plättchen 6. Die Permanentmagnete 8 werden so angeordnet, daß ein magnetischer Pfad 29, w>e in F i g. 7
dargestellt, entsteht. Es wäre aber :uch möglich, ein
Magnetsystem aus einem Stück zu gestalten, wenn dabei ein magnetischer Pfad 29 von der in F i g. 7 dargestellten
in Form erreicht werden kann.
Die Gewährleistung der hohen Stabilität der Bandfiltereigenschaften
und die Temperaturunabhängigkeiten der Parameter (ωο, ω-1, ω +1) wird durch geeignete
Materialauswahl,ζ. B.»Elinvar«,»NiSpan C«,»Thermelast«
und durch geeignete thermische Behandlung dieser Materialien bewirkt. Damit ist der eigentliche bestimmende
Filterteil, der durch die dargestellte [A]-Mati ix bestimmt wird, beschrieben worden.
Die Ein- und Auskopplung der Schwingungsenergie
Die Ein- und Auskopplung der Schwingungsenergie
ju gesCilicili aiii ciiic Schwingmasse /77 bzw. VOm cincF
Schwingmasse m. Es ist zweckmäßig und entspricht auch der vorliegenden Ausführung, dabei an elektrische
Systeme, wie Oszillatoren, Leitungen, Verstärkerstufen etc. zu koppeln. Die dafür vorgesehenen elektrodynami-
2~> sehen Wandler 3,5 bestehen ihrerseits ebenfalls aus den
Magnetsystemen 7, 9 als dem hauptbeweglichen Teil und aus Flachspulen 23, 25 aus dem weniger
beweglichen Teil. Die Flachspulen 23,25 sind direkt auf einer gemeinsamen Platte 27 aus weichmagnetischem
«ι Material geklebt und befinden sich unter dem jeweiligen
Magnetsystem 7, 9, so daß sie von dessen Kraftlinien optimal geschnitten werden. Die Platte 27, die aus einem
weichmagnetischen Material, z. B. aus »Ferroxcube« besteht, trägt an ihren Enden die beiden Flachspulen 23,
Γι 25 und ist am Fuß 33 des T des Basisstückes 1 starr
befestigt.
F i g. 6 zeigt beispielsweise den Aufbau eines Wandlers. Dabei ist die Anordnung von Magnetsystem 7.
Flachspule 23 und Platte 27 deutlich ersichtlich. Der
-to magnetische Pfad 29 ist bei lieser Anordnung sehr kurz,
wodurch ein hoher Wirkungsgrad des Wandlers gewährleistet ist. Das Fe^erelement 11 schwingt mit
dem Permanentmagnetsystem 7 periodisch in der angegebenen Pfeilrichtung 31 und induziert durch
4ϊ Flußänderung in der Flachspule 23 entsprechende
Spannungsschwankungen, die einem Verbraucher R (Fig.4) zugeführt werden können. Durch einen der
Flachspule 23 aufgeprägten Wechselstrom aus einer Quelle mit dem Innenwiderstand R kann aber auch das
"ΊΙ mechanische System 7, 11, also der Resonator, in
Schwingung versetzt werden.
Die elektrodynamischen Wandler 3, 5 können als praktisch ideal betrachtet werden, und Quellen- sowie
Verbraucherimpedanz werden in dem berechneten
V) Anschlußwert R einbezogen. Verluste der elektrodynamischen
Wandler 3, 5 lassen sich jedoch ebenso einfach in diesen extern zu schaltenden Widerständen R
berücksichtigen. Die hohe Güte des gezeigten elektromechanischen Filters — es lassen sich ohne weiteres
wi Werte von einigen Tausend bei niedrigen Frequenzen
(100—1000 Hertz) erreichen — machen es praktisch möglich, das Frequenzbandfilter in allen Anwendungsfällen mit unveränderten Eigenschaften einzubauen.
Darin liegt, wie bereits einleitend gesagt wurde, ein
p"> großer Vorteil des vorliegenden elektromechanischen Frequenzbandfilters. Im bevorzugten Anwendungsbereich,
d. h. für den unteren Niederfrequenzbereich, lassen sich im Gegensatz zu rein elektrischen Filtern
handliche Abmessungen erzielen. Das beschriebene Frequenzbandfilter weist z. B. Außenmaße von wenigen
Zentimetern auf, wogegen sich elektrische Bandfilter für die gleichen Frequenzen, wenn Oberhaupt, so nur mit
Induktivitäten auf großen Kernen und großvolumigen Kondensatoren realisieren lassen. Im Gegensatz zu
diesen, elektrischen, Frequenzbandfiltern, deren Güte nur sehr geringe, für Filterzwecke unbrauchbare Werte
aufweist, zeichnet sich das vorliegende Frequenzbandfilter
im gleichen Frequenzbereich durch sehr hohe Gütefaktoren aus.
Dadurch ist eine besonders gute Selektivität gegeben, weshalb sich dieses Filter zum Aussieben von
niederfrequenten Nutzsignalen aus einem Frequenzbereich von hohem Störpegel bzw. sehr hohem Fremdspannungspegel
besonders gut eignet.
Die in den F i g. 7 und 8 gezeigte Ausführungsform des elektromagnetischen Schwingungssystems des Frequenzbandfilters
unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen grundsätzlich dadurch,
daß anstelle eines T-förmigen Basisteils ein Basisteil verwendet wird, der aus einem prismatischen
Basisstück la und einer Grundplatte 16 besteht Das prismatische Basistück la kann z.B. auf der Platte 16
durch Weichlöten befestigt werden. Weiter sind bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 8 und 9 anstelle einer
einzigen Ferritplatte für beide Flachspulen der Wandler zwei separate Platten 27a, 276 vorgesehen, die ebenfalls
au«· einem weichmagnetischen Material, z. B. »Ferroxcube«,
bestehen.
Im übrigen ist der Aufbau des Frequenzbandfilters nach den Fig. 7 und 8 grundsätzlich derselbe wie beim
Frequenzbandfilter nach Fig. I. Es werden daher die gleichen Bezugsziffern verwendet so daß hierfür auf die
vorangehende Beschreibung verwiesen werden kann.
Um nun zu den bereits erwähnten Merkmalen der vorliegenden Ausführungsform näher einzugehen, sei
vorerst erwähnt, daß die beschriebene Ausgestaltung des Basisteils in Form eines Basisstücks la und einer
Grundplatte 16 den Vorteil besitzt, daß durch die Wahl
der Grundplattendicke ei für jede beliebige Frequenz die
Bandbreite eingestellt werden kann. Es wäre aber auch möglich, die Platte 16 so auszugestalten, daß mit
Leichtigkeit Teile von der Grundplatte abgetrennt werden können. Andererseits ist es auch möglich, durch
Anbringen von zusätzlichen Massen an dar Grundplatte
ίο eine entsprechende Veränderung der Bandbreite zu
erzielen. Dabei kann die aktive Masse auch dadurch verändert werden, daß die genannte zusätzliche Masse
auf der Platte anders plaziert wird.
Was nun die Verwendung von separaten Platten 27a
π und 276 für die Flachspulen 23, 25 der Wandler
anbetrifft, hat diese den Vorteil, daß bei jedem Resonator die Flachspule, die zweckmäßigerweise auf
der Platte 27a, 276 festgeklebt ist, bei jedem Resonator
2, 4 genau und unabhängig vom anderen Resonator an den richtigen Ort unter das Magnetsystem geschoben
werden kann. Zweckmäßigerweise erfolgt die Befestigung der Platte 27a, 276 auf der Grundplatte la durch
Festkleben.
Gesamthaft betrachtet ermöglicht die beschriebene Ausführungsform der Erfindung bei serienmäßiger Herstellung verschiedener Filter, bei denen verschiedene Lochfrequenzen und verschiedene Bandbreiten benötigt werden, mit Standardelementen zu arbeiten. Solche Standardekmente sind die Spulen, die Platten
Gesamthaft betrachtet ermöglicht die beschriebene Ausführungsform der Erfindung bei serienmäßiger Herstellung verschiedener Filter, bei denen verschiedene Lochfrequenzen und verschiedene Bandbreiten benötigt werden, mit Standardelementen zu arbeiten. Solche Standardekmente sind die Spulen, die Platten
jo für die Spulen, die Permanentmagnete, die Jochplättchen
für die Permanentmagnete, das prismatische Basisstück zur Befestigung der Blattfedern, Blattfedern
verschiedener Dicke, aber gleicher Breite, sowie Grundplatten verschiedener dicke oder Grundplatten
r. mit abtrennbaren Teilen, gegebenenfalls auch zusätzliche
Massenteile zur Vergrößerung der Masse der Grundplatte.
Hicr/u 4 Ulait Zi ichnuncen
Claims (21)
- Patentansprüche:J. Frequenzbandfilter, das zwei Resonatoren aufweist, die Ober eine elastisch in einer Halterung aufgehängten Masse miteinander gekoppelt und die mit elektromechanischen Wandlern versehen sind, bei welchen der den Resonatoren gegenüberliegende Abschnitt einen Bestandteil der koppelnden Masse bildet, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wandlern mit je einer Flachspule (23,2S) und je einem resonatorseitig vorgesehenen Permanentmagnetsystem mit der Maßgabe, daß der als Blattfeder (11,13) ausgebildete Resonator (2, 4) an seinem frei schwingenden Ende ein Plättchen (6) aus weichmagnetischem Werkstoff aufweist, an welchem zwei Permanentmagnete (8) angebracht sind, deren Magnetisierungsachsen senkrecht zum Plättchen (6) und senkrecht zur Schwingungsrichtung des Resonators (2, 4) sowie senkrecht zu den Windungen einer durch einen Luftspalt von den freien Polenden der Permanentmagnete (8) getrennten Flachspule (23,25) verlaufen, die auf einer Platte (27) aus weichmagnetischem Material in der Weise angeordnet ist, daß der magnetische Gleichflußkreis (29) des Permanentmagnetsystems diametral gegenüberliegende Abschnitte der Flachspule (23, 2S) in entgegengesetzter Flußrichtung durchsetzt.
- 2. Frcqucnzbandfiiier nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Teil oder der größte Teil der genannten Masse in der Nähe der Linie, die die beiden Srhwingungsschwerpunkte der Resonatoren miteinander verbindet, befindet
- 3. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (7, 9) seitlich am freien Ende der Blattfeder (11, 13) angebracht ist und daß das magnetische Feld in dem zwischen den zwei Wandlerteilen vorhandenen Luftspalt praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder (11, 13) gerichtet ist und daß die Achse jeder Flachspule (23,2S) praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder (U, 13) ausgerichtet ist
- 4. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (27) aus weichmagnetischem Material derart bemessen ist, daß auch bei der maximalen Amplitude des Resonators (2, 4) die Form des Kraftlinienverlaufes vom Magnetsystem (7,9) zur Platte (27) unverändert bleibt.
- 5. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (23, 25) beider Wandler (3, 5) auf der gleichen Platte (27) befestigt sind.
- 6. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch aufgehängte Masse durch einen Basisteil (1) in Form eines T gebildet ist, der zwei Schenkel (19, 21) zur Befestigung der Federelemente (U, 13) und einen Fuß (33) besitzt.
- 7. Frequenzbandfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (11, 13) symmetrisch zu einer Mittelebene des Basisteils an den Schenkeln (19,21) befestigt sind, und daß sich die Federelemente (11,13) parallel zueinander und zum Fuß (33) erstrecken.
- 8. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch aufgehängte Masse durch ein Basistück (tej zur Befestigung der Federelemente (11, 13) sowie eine Grundplatte [Xb) gebildet ist, mit welcher das Basisstück (IaJ verbunden ist
- 9. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (1Z>) abtrennbare Teile zur Veränderung der Bandbreite aufweist
- 10. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch auf der Grudplatte (ib) aufbringbare Massenteile zur Veränderung der Bandbreite.
- 11. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen auf der Grundplatte justierbaren Massenteil zur Veränderung der Bandbreite.
- 12. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (23, 23) jedes Wandlers (3,5) auf einer einzelnen Platte (27a, 27b,) aus weichmagnetischem Material befestigt ist
- 13. Frequenzbandfilter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (27a, 27b) aus weichmagnetischem Material auf der Grundplatte (tb)befestigt ist
- 14. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung der Masse durch elastische Befestigung derselben in einem Gehäuse (15) erfolgt
- 15. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch«? Befestigung durch eine Polsteiang(17) erfolgt
- 16. Frequeiubandfiuer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der Polsterungsmasse (17) zusammen mit der gesamten Masse des Schwingungssystems tiefer liegt als dessen tiefste Durchlaßfrequenz.
- 17. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung mittels Stäben (Sl1 52, 53) von dünnem Querschnitt erfolgt
- 18. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung mittels mindestens eines Feder». lementes (57) erfolgt
- 19. Frequenzbandfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet daß das Federelement (57) eine Blattfeder ist.
- 20. Frequenzbandfilter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (57) bei der Symmetrieachse und fußseitig der Resonatoren an der aufgehängten Masse befestigt ist, und daß die Schwingungsebene der Blattfeder (57) mit jenen der Blattfedern der Resonatoren (2,4) zusammenfällt
- 21. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge (53, 55) vorgesehen sind, weche die Schwingungsamplitude des Resonators (2,4) begrenzen.
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