DE2436734C3

DE2436734C3 - Mit Mehrfachreflexion arbeitende elektroakustische Verzögerungsleitung

Info

Publication number: DE2436734C3
Application number: DE2436734A
Authority: DE
Inventors: Michel L'etang-La-Ville Marly Seguin
Original assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Current assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS FR
Priority date: 1973-07-30
Filing date: 1974-07-30
Publication date: 1984-08-30
Also published as: GB1485270A; FR2241166B1; US3914718A; FR2241166A1; FR2239812B1; FR2239812A1; DE2436734B2; DE2436734A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Mehrfachreflexion arbeitende elcktroakustische Verzögerungsleitung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Verzögerungsleitungen dieser Art. die aus den US-PS 33 17 861 und 33 17 862 bekannt sind, werden dazu verwendet, elektrischen Signalen sehr hoher Frequenzen mit annehmbarer Dämpfung eine im Vergleich zur Länge des Schallausbreitungskörpers beträchtliche Verzögerung zu erteilen. Zu diesem Zweck wandelt ein Eingangswandler die elektrischen Signale in elastische Wellen um, die sich im Schaüausbreitungskörper mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die sehr klein gegen die Lichtgeschwindigkeit ist, bis sie nach mehreren Reflexionen an den Stirnflächen auf den Ausgangswandlcr auftreffen, der sie wieder in elektrische Signale zuriickverwandelt. Je nachdem, ob die Anzahl der Reflexionen geradzahlig oder ungeradzahlig ist, liegen der Eingangswandler und der Ausgangswandler an der gleichen Stirnfläche oder an den entgegengesetzten Stirnflächen des Schallausbreitungskörpers. Im ersten Fall arbeitet die Verzögerungsleitung im Reflexionsbetrieb, im zweiten Fall im Übertragungsbetrieb. Die kugelförmig gekrümmten Stirnflächen ergeben eine fokussierende Wirkung, die eine Konzentration der Schallwelle bei jeder Reflexion nach den Gesetzen der geometrischen Optik gewährleistet. Dies dient der Verringerung der Energieverluste der Welle im Schallausbreitungskörper, die insbesondere von Störreflexionen an den Rändern infolge der Streuung verursacht werden.

In diesen Patentschriften sind auch bereits Maßnahmen beschrieben, um die Auftreffpunkte der Schallwellenechos höherer Ordnung an den Stirnflächen deutlich voneinander zu trennen. Bei einem Schallausbreitungskörper mit zwei kugelförmig gekrümmten Stirnflächen, deren Krümmungsmiuelpunkte auf der Zylinderachse des zylindrischen Schallausbreitungskörpers liegen.

wird der Eingangswandler zu diesem Zweck so auf die gekrümmte Stirnfläche aufgesetzt, daß die Schallwelle unter einem Winkel zur Flächennormale abgestrahlt wird. Dies erfordert eine komplizierte Form des Wandlers bzw. eines entsprechenden Zwischenstücks und eine schwierige Justierung bei der Montage. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ist es aus den gleichen Druckschriften bekannt, eine der beiden Stirnflächen eben auszubilden und die Wandler unter Verwendung von keilförmigen Zwischenstücken auf der ebenen Stirnfläche anzubringen; in diesem Fall erfolgt aber bei jeder zweiten Reflexion keine Fokussierung.

Bei einer in der US-PS 33 17 862 beschriebenen anderen Ausführungsform ist nur eine der beiden Stirnflä- chzn kugelförmig gekrümmt, während die andere Stirnfläche aus zwei kugelförmig gekrümmten Teilflächen zusammengesetzt ist Diese Ausbildung erfordert eine schwierige Bearbeitung des Schallausbreitungskörpers. Aus der US-PS 26 72 590 ist eine elektroakustische Verzögerungsleitung bekannt, bei der eine Stirnfläche eben ist und senkrecht zur Achse des Schallausbreitungskörpers steht. An dieser ebenen Stirnfläche sind zwei Wandler symmetrisch zueinander in bezug auf die Achse angebracht. Die gegenüberliegende Stirnfläche weist zwei ebene Flächenabschnitte auf, die symmetrisch zueinander derart gegen die Achse geneigt sind, daß sie eine von einem der Wandler kommende, parallel zur Achse einfallende Schallwelle zur Mitte der gegenüberliegenden ebenen Stirnfläche reflektieren. Eine von einem der Wandler ausgesendete Schallwelle gelangt somit nach drei Reflexionen und dem vierfachen Durchlaufen des Schallausbreitungskörpers zu dem anderen Wandler. Die Echos höherer Ordnung legen infolge des symmetrischen Aufbaus der Verzögerungsleitung stets die gleichen Wege zurück, so daß ihre Auftreffpunkte an allen reflektierenden Flächen zusammenfallen. Es ist daher nicht möglich, Echos höherer Ordnung durch die Bestimmung ihrer Auftreffpunkte auszusondern. Da somit die Echos höherer Ordnung nur störend in Erscheinung treten, ist in der Mitte der ebenen Stirnfläche eine Schallcnergie absorbierende Zelle angebracht, welche die Echos höherer Ordnung beim wiederholten Auftreffen stark dämpft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer mit Mehrfachrcflexion arbeitenden elektroakustischen Verzögerungsleitung der eingangs angegebenen Art eine einfache Anbringung der Wandler an der bzw. den kugelförmig gekrümmten Stirnflächen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Verzögerungsleitung nach der Erfindung können die Wandler in der herkömmlichen Weise an den kugelförmig gekrümmten Stirnflächen angebracht sein, so daß sie in der Richtung der Flächennormalen abstrahlen bzw. empfangen. Es ist daher weder eine besondere Ausbildung der Wandler noch eine schwierige Justierung erforderlich. Durch die gegenseitige Versetzung der Krümmungsmittelpunkte und die Neigung der Mittelpunktsradien der Stirnflächenkugelkalotten wird M) dennoch eine deutliche Trennung der Auftreffpunkte der Schallwcllenechos erzielt, wobei der Vorteil erhalten bleibt, daß bei jeder Reflexion eine Fokussierung erfolgt. Für die Herstellung des Schallausbreitungskörpers macht es dagegen keinen Unterschied, ob die Mitb^r> telpunklsradien der Stirnflächenkugelkalotten mit der Zylinderachse zusammenfallen oder gegen diese geneigt sind.

Ausfühlungsbeispiele der Erfindung sind in der

Zeichnung dargestellt In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Verzögerungsleitung nach der Erfindung,

F i g. 2 den Weg der Schallwelle in der Verzögerungsleitung von F i g. 1,

F i g. 3 eine Projektion der aufeinanderfolgenden Reflexionspunkte der Wellen an den beiden Stirnflächen des Schallausbreitungskörpers auf eine gemeinsame Ebene,

F i g. 4 ein Diagramm der Dämpfung der mit der Verzögerungsleitung von F i g. 1 erhaltenen aufeinanderfolgenden Echos,

F i g. 5 eine andere Ausführungsform der Verzögerungsleitung nach der Erfindung und

F i g. δ ein Diagramm der Dämpfung der mit der Verzögerungsleitung von F i g. 5 erhaltenen aufeinanderfolgenden Echos.

Fig. 1 zeigt eine elektroakustische Verzögerungsleitung mit einem Schallausbreitungskörper 14. Jer im wesentlichen die Form eines Zylinders mit der Zylinderachse X-X' hat Der Schallausbreitungskörper 14 ist ein Einkristall, und der Zylinderachse X-X' entspricht eine Kristallachse des Einkristalls. Die beiden Stirnflächen 15 und 16 des zylindrischen Schallausbreitungskörpers sind Kugelkalotten, deren nicht dargestellte Krümmungsmittelpunkte auf einer Geraden liegen, welche die Zylinderachse X-X' unter einem Winkel schneidet. Die Krümmungsradien der beiden Kugelkalotten können gleich groß sein; in diesem Fall ist jeder Radius vorzugsweise im wesentlichen viermal so groß wie die Höhe des Zylinders mit der Zylinderachse X-X'.

An der kugelkalottenförmigen Stirnfläche 15 ist ein elektroakustischer Eingangswandler 11 angebracht, der über einen Leiter 12 mit einer nicht dargestellten Höchstfrequenz-Erregerschaltung verbunden ist. Die vom Eingangswandler 11 erzeugten Schallwellen breiten sich in dem Schallausbreitungskörper 14 aus und können nach mehreren Reflexionen an den Stirnflächen 15 und 16 mit Hilfe eines Abtastkontaktes 18 abgenommen werden, der entweder am Eingangswandler 11 selbst oder, wie in F i g. 1 dargestellt ist, an einem an der entgegengesetzten Stirnfläche 16 angebrachten Ausgangswandler 19 angeordnet ist.

Die Fokussierung der elastischen Wellen bedingt eine Beziehung zwischen der Länge des Schallausbreitungskörpers 14, die durch die zu erzielende Verzögerung festgelegt ist, und der Brennweite der Reflektorfläche^ d. h. zwischen dem Krümmungsradius der Kugeln und der mechanischen Länge des Schallausbreitungskörpers. Da nämlich der Wandler 11 eine ebene Welle (Bündel aus parallelen Strahlen) aussendet, wird die maximale Konzentration nach der ersten Reflexion im bildseitigen Brennpunkt der reflektierenden Stirnfläche 16 erhalten. Der Abstand dieses Brennpunktes vom Scheitel des von der Reflektorfläche 16 gebildeten Hohlspiegels ist gleich der Hälfte des Krümmungsradius des Hohlspiegels, wie allgemein bekannt ist. Der Komentrationseffekt wird am besten ausgenutzt, wenn dieser Brennpunkt in der Nähe der Stirnfläche 15 liegt. Diese Bedingung ist jedoch nicht unerläßlich, da die Konzentrationswirkung für jede Strecke erhalten wird, die kleiner als die Hälfte des Krümmungsradius ist. Eine Konzentrationswirkung könnte bereits dann erhalten werden, wenn die Stirnfläche 15 eben wäre. Das gleiche gilt, wenn die beiden Flächen fokussierend sind und den gleichen Krümmungsradius haben. Diese Bedingung kann jedoch wegen der Abstände der Auftreffpunkte der reflektierten Bündel einen zu großen Querschnitt des stofflichen Ausbreitungsmediums erfordern. Optimale Ergebnisse werden auch dann erhalten, wenn die beiden Stirnflächen verschiedene Krümmungsradien haben, die so gewählt sind, daß die folgende Bedingung erfüllt ist:

ίο worin Ri und R2 die Krümmungsradien und e die Länge des Ausbreitungsmediums entlang der Rotationssymmetrieachse ist

Diese Beziehung entspricht näherungsweise der Konjugationsgleichung von Kugelspiegeln. Die Fokussierungswirkung wird jedoch für jeden Wert von e erhalten, der kleiner als der durch die Gleichung (1) definierte optimale Wert ist, sowie auch für geringfügig größere Werte. Die mit solchen Verzögerungsleitungen erhaltenen experimentellen Ergebnisse zeigen nämlich, daß die Dämpfung der Echos sehr nahe bei dem theoretischen Wert liegt, der auf Grund der Absorption im Ausbreitungsmedium und der Umwandlungsgrade der Wandler berechnet wird.
F i g. 2 zeigt den Weg der Schallwelle in einer Verzögerungsleitung der beschriebenen Art, welche die folgenden Eigenschaften aufweist: Das Material des Schallausbreitungskörpers 14 ist Korund, und die mechanische Länge der Mantellinien beträgt 4,5 cm, was einer Verzögerung von 4 \ls für einen einzigen Weg zwischen den beiden reflektierenden Stirnflächen 15 und 16 entspricht, die durch Kugelkalotten mit dem Radius 20 cm gebildet sind. Der Abstand zwischen den Mittelpunkten der beiden Kugelkalotten beträgt 0,5 mm, und die beiden Mittelpunkte liegen symmetrisch

J5 in bezug auf die Achse X-X'. Es ist zu bemerken, daß bei dieser Ausführungsform der Brennpunkt jeder der beiden sphärischen Reflektorflächen 15 und 16 nicht auf der anderen Reflektorfläche liegt. Die Konzentrationswirkung ist jedoch beträchtlich. Wenn angenommen wird, daß der Eingangswandler 11 punktförmig ist und im Punkt 0 liegt, sind die aufeinanderfolgenden Reflexionspunkte der elastischen Welle nacheinander mit 1,2, 3, 4 ... numeriert. Es ist zu erkennen, daß der Auftreffpunkt des Bündels bei der zehnten Reflexion in der Nähe des Erregungspunktes liegt. Der Klarheit wegen ist der Verlauf nicht über das zehnte Echo hinaus fortführt.

F i g. 3 zeigt eine Projektion der verschiedenen Auftreffpunkte des Schallwellenbündels auf eine Ebene, die senkrecht zur Achse X-X' des zylindrischen Schallausbreitungskörpers steht. Wie zu erkennen ist, sind die aufeinanderfolgenden Auftreffpunkte des Schallwellenbündels deutlich voneinander getrennt. Durch den in voller Linie gezeichneten Kreis ist die Zone der beiden Stirnflächen dargestellt, die von den Wandlern 11 und 19 bedeckt ist. Die beiden Zonen werden nacheinander mit Hilfe eines punktförmigen Kontakts abgetastet, wie etwa des Kontakts 18, der durch ein Metallband gebildet ist, an das man das abgerundete Ende eines Kapillarrohres aus Isoliermaterial, wie Glas, andrückt. Das andere Ende des Metallbandes ist mit einem Meßgerät nach Art eines ^urch die Eingangssignale synchronisierten Oszilloskops verbunden. Das Kapillarrohr wird von einem Mikromanipulator getragen, der durch die Bedienungsperson gesteuert wird. Die Verzögerung des Echos ermöglicht die Identifizierung seiner Rangnummer. Der Auftreffpunkt ist durch die Position des Kapillarrohres definiert, die dem maximalen Empfangssignal ent-

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spricht. Es ist zu bemerken, daß die Auftreffpunktc nicht |- i g. 4 zeigt schematisch das Oszillogramm der in einer Linie liegen, wie es der Fall wäre, wenn die Echos, die im Verlauf der Abtastung der Oberfläche des Kugelkalotten zentrisch zur Symmetrieachse X-X' la- Wandlers 19 mit Hilfe eines Kontakts 18 erhalten wergen. Die Ergebnisse der an dieser Verzögerungsleitung den. dessen Lage am Mikromanipulator in Abhängigdurchgeführten quantitativen Messungen sind in F i g. 4 ^r, keit von der Verzögerung gesteuert wird, und in der Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1	0	4	12	20	28	3b	44	52	60
Verzögerung (μα)	-80	-49	-80	-80	-4b	-55	<-80	<-80	-43
Dämpfung (dB)

Die Dämpfung des fünfzehnten Echos isl auf 43 dB begrenzt.

In der Tabelle 2 sind die Meßwerte der Dämpfung des ι fünfzehnten Echos im Frequenzband von 1 bis 1,4 GHz aufgetragen. Die Tabelle 1 entspricht den bei 1,3GH/. durchgeführten Messungen. Wie zu erkennen isl, isl die beschriebene Verzögerungsleitung verhältnismäßig wenig selektiv. Das Frequenzband von 1 bis 1,4 GHz wird mit einer relativen Dämpfung von weniger als 3 dB erfaßt.

Tabelle 2	Dämpfung bei b0 μα
Frequenz	44 dB 4IdB 42dB 43 dB 47 dB
IGHz 1,1GHz 1,2GHz 1,3GHz 1,4GHz

s

F i g. 5 zeigt den Weg der elastischen Weile bei einer anderen Ausführungsform, bei welcher die kugelkalottenförmigen Stirnflächen 15' und 16' des Schallausbreitungskörpers 14' verschiedene Krümmungsradien haben. Das gewählte Material ist wie zuvor Korund, und die Länge der Erzeugenden ist die gleiche wie bei dem vorhergehenden Beispiel, nämlich 4,5 cm. der Radius der Kalotte 15' beträgt 15 cm, und derjenige der Kalotte 16' beträgt 30 cm. Der Abstand der beiden Mittelpunkte, projiziert auf eine Normale auf die Achse X-X', beträgt 2 cm. Auch in diesem Fall wird die Wirkung einer Streuung der Auftreffpunkte erhalten.

F i g. 6 zeigt den relativen Pegel der aufeinanderfolgenders Echos, die durch Abtasten des Eingangswaridlers 11 mit Hilfe eines beweglichen Kontakts in der zuvor erläuterten Weise erhalten werden. Die Leitung hat eine Dämpfung von —44 dB bei einer Verzögerung von 64 μβ und von —39 dB bei einer Verzögerung von 32 μ*.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Mit Mehrfachreflexion arbeitende eiektroakustische Verzögerungsleitung mit einem Schallausbreitungskörper von im wesentlichen zylindrischer Form, dessen Stirnflächen kugelförmig gekrümmt sind, wobei auf wenigstens einer Stirnfläche Wandler zur Umwandlung von elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt angebracht sind, d a durch gekennzeichnet, daß jede kugelförmig gekrümmte Stirnfläche (15, 16; 15', 16') derart geneigt ist, daß der Radius vom Mittelpunkt der entstehenden Stirnflächenkugelkalotte und die Zylinderachse (X-X') einen Winkel zueinander bilden, und daß die die Krümmungsm'ttelpunkte der beiden Stirnflächen verbindende Strecke die Zylinderachse (X-X') unter einem Winkel schneidet.

2. Elektroakustisch^ Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius einer Stirnfläche wenigstens doppelt so groß wie die Länge des akustischen Weges zwischen dieser Stirnfläche und dem an der anderen Stirnfläche liegenden Wandler ist.

3. Elektroakustisch^ Verzögerungsleitung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangswandler und der Ausgangswandler an der gleichen Stirnfläche angeordnet sind.