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Demodulationsvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung
zur Umwandlung modulierter Hochfrequenzwellen in niederfrequente Schallwellen.
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Erfindungsgemäß ist bei einer Demodulationsvorrichtung, bei welcher
ein auf die zu demodulierende Frequenz abgestimmter piezoelektrischer Kristall zur
Umwandlung der modulierterrTrägerfrequenz in Niederfrequenz dient, der Kristall,
welcher im Verhältnis zur Dicke große, mit Elektroden bedeckte Seitenflächen besitzt,
so angeordnet, .daß wenigstens eine der großen Seitenflächen direkt auf das umgebende
gasförmige Medium einwirkt und Schallwellen erzeugt, welche der niederfrequenten
Modulation entsprechen.
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Es ist schon eine Demodulationseinrichtung bekanntgeworden, bei welcher
die mit Sprechfrequenz modulierten Hochfrequenzschwingungen einer Kondensatorplattenanordnung
zugeführt werden, so daß die eine Platte Schallwellen in der Luft erzeugt, welche
der Sprechfrequenz, mit der die zugeführten Hochfrequenzschwingungen moduliert sind,
entsprechen. Bei dieser vorbekannten Anordnung ist aber der Kondensatorlautsprecher
nicht auf die Hochfrequenz abgestimmt, so daß der Wirkungsgrad dieser Anordnung
sehr klein ist. Ferner treten bei dieser Anordnung starke Verzerrungen auf,, weil
die auf .die bewegliche Belegung aus-_ gefibte Kraft .dem Quadrat der Amplitude
proportional ist.
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Ferner gehört zum Stand der Technik ein Empfänger für Hochfrequenz,
bei dem ein piezoelektrischer Kristall die Hochfrequenz empfängt und gleichzeitig
eine schallübermittelnde Membran erregt. Da der Kristall die Membran in der Ruhelage
nur ganz lose berührt, kann er auf die Membran nur Stöße übertragen, dagegen keine
Zugwirkungen. Die akustische Gleichrichterwirkung hängt bei dieser Anordnung also
von einer mechanischen Kupplung ab, welche nur Druckstöße überträgt und keine Zugwirkungen
ausübt. Ferner ist diese Kupplung zwischen Kristall und Membran äußerst empfindlich.
Außerdem treten Verzerrungen infolge der Eigenschwingungen der Membran auf, welche
beire Erfindungsgegenstand vermieden sind.
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Schließlich ist eine Vorrichtung zum Senden und Empfangen ultrasonorer
Wellen im Wasser bekanntgeworden, bei welcher ein piezoelektrischer Kristall Schall
abstrahlt oder empfängt. Diese Vorrichtung arbeitet aber nicht als Demodulator.
Die akustischen
Schwingungen stimmen in ihrer Frequenz mit den an
den Belegungen des Kristalls liegenden elektrischen Schwingungen überein.
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An Hand der Abbildungen sollen einice Ausführungsbeispiele der Erfindung
erläutert werden.
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Die Fig. i und 2 zeigen ein Stativ i, das mit einem Arm 3 aus Isolationsmaterial
versehen ist, der mit der Stellschraube :I festgeklemmt «-erden kann. Zwei Federn
6 aus leitendem Material sind an beiden Seiten des Armes 3 mit Schrauben 7 befestigt
und halten mit ihren äußersten Enden 9 die piezoelektrische Platte B. Die Platte
kann z. B. aus Quarz bestehen, dessen X-Schnitt so liegt, Mali die Hauptflächen
senkrecht zu der elektrischen Achse des kristallinischen Materials liegen. Die beiden
Hauptflächen ler Platte 8 sind mit einem Silberüberzug io versehen. An Stelle des
Silberüberzuges kann eine dünne Schicht aus Platin oder einem anderen Material durch
Zerstäubung oder durch Verdampfung in Vakuum aufgetragen werden. Nt@enn ein Silberüberzug
zur Verwendung kommt, kann er gegen Beschädigung durch einen zusätzlichen Platinüberzug
geschützt werden. Die dünnen Metallschichten sind sehr leicht und nachgiebig, haften
an dem Kristall und bewegen sich mit den Flächen des Kristalls, wenn dieser schwingt.
Um der piezoelektrischen Platte 8 ein elektrisches Feld zu geben, sind die Liter
i i und 12 vorgesehen, die an den elektrischen Anschlüssen 13 auf den Federn 6 befestigt
und mit der leitenden Schicht io auf beiden Seiten der Platte 8 verbunden sind.
Im vorliegenden Falle beträgt die Fläche der Platte 3,8 qcm, während die Stärke
o,28 cm ist. Das elektrische Feld wird der Platte in der Richtung ihrer Dicke zugeführt
und bewirkt, daß sich die Platte in dieser Richtung ausdehnt und zusammenzieht.
Liegt an der Platte ein Wechselfeld, dessen Frequenz der Eigenfrequenz der Platte
entspricht, so wird die Platte in Schwingung versetzt. Für die Dickenschwingungen
liegt die Resonanz bei einer Frequenz, die sich aus der nachstehenden Gleichung
ergibt:
Wenn die Platte 8 in der oben beschriebenen Weise schwingt, ändert sich die Dicke
der Platte regelmäßig, so daß sich ihre Hauptflächen abwechselnd auseinander und
zueinander bewegen. Die Bewegung einer jeden Hauptfläche ist die gleiche wie die
eines Kolbens mit sehr großem Querschnitt und sehr kleinem Hub. Messungen an dem
oben beschriebenen Kristall haben ergeben, daß die Betv e-ung einer jeden Fläche
etwa 8 # i o-5 ein beträgt. Aus der Fläche der Platte und aus der Amplitude der
Bewegung kann man leicht errechnen, daß jeder Hub der Fläche etwa i cmm Luft bewegt.
Bei i Million Hüben pro Sekunde beträgt die gesamte Luftbewegung, falls diese addiert
werden, mehr als 1 1 pro Sekunde für jede Fläche der schwingenden Platte. Die atmosphärische
Luft ist ein Gas, bestehend aus etwa 77°(0 Stickstoff und :21'/, Sauerstoff, wobei
der Rest aus anderen Gasen zusammengesetzt ist. Die wirksamen Molekulardurchmesser
betragen 3,39Ängström-Einheiten für Sauerstoff und 3,5 Angström-Einheiten für Stickstoff.
Die mittlere freie Weglänge für Sticks s toff beträgt etwa goo Ängströin-Einlieiten
und für Sauerstoff etwa iooo ÄngstrÖni-Einheiten. Mit einer Bewegungsamplitude t-)n
8 # io-cm oder 8oooÄngström-Einheiten für die Fläche der Platte 8 und in der Annahme,
daß die atmosphärische Luft aus Molekülschichten mit einem Zwischenraum zwischen
den Schichten besteht, der etwa iooo Ängström-Eiiilieiten beträgt, ist leicht ersichtlich,
daß bei jedem Hub nach außen die Fläche der Platte 8 durch einen !Zaum hindurchläuft,
der gleich io Molekülschichten ist und diese Moleküle nach außen antreibt. Während
der Bewegung der Platte nach außen werden die willkürlich gerichteten Gasmoleküle
in der Nähe der Fläche in einer tun- senkrecht zu der Fläche bewegt. Die Betregung
der Gasmoleküle am Umfang der Platte 8 ist noch willkürlich, und wenn sich die Fläche
des Kristalls schnell nach innen bewegt, haben die willkürlich gerichteten -Moleküle
das Bestreben, in den Raum einzudringen, den nie schwingende Fläche soeben verlassen
hat. Durch Versuche ist festgestellt worden, daß die Luft nach innen gegen die Kanten
der piezoelektrischen Platte bewegt und als ein Strom senkrecht zu der Platte von
den beiden großen schwingenden Flächen herausgeschleudert wird. Da die Amplitude
der Schwingung der piezoelektrischen Fläche der Amplitude der aufgedrückten hochfrequenten
elektromotorischen Kraft, durch die die Schwingungen erregt sind, entspricht, nimmt
der Betrag der Schwingungen mit erhöhter Amplitude der aufgedrückten elektrischen
Schwingungen zu und nimmt dementsprechend mit abnehmenden aufgedrückten Schwingungen
ab. Daraus folgt, daß die nach außen von der schwingenden Fläche der Platte 8 fortgetriebene
Luft Aniplitudenschwankungen ausführt, die den -Modulationen der aufgedrückten elektrischen
Schwingungen entsprechen. Entsprechen diese -Modulationen Sprechwellen, so stimmen
die daraus entstehenden Scliwungbetveg:angen in dem gleichgerichteten Luftstrom
mit den Sprechwellen
überein und bilden somit entsprechende Schallwellen.
Somit transformiert die Platte 8 die Energie der elektrischen, Hochfrequenzschwingungen
in entsprechende mechanische Hochfrequenzschwingungen und bewirkt gleichzeitig die
Gleichrichtung dieser mechanischen Schwingungen.
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Zur Verwirklichung einer akustischen Gleichrichtung ist es nicht erforderlich,
daß die Flächenausdehnung im Vergleich zur Dicke groß ist. Bei niedrigen Frequenzen,
beispielsweise unter 5oo kH, ist es nicht ratsam, ein großes Verhältnis zwischen
den Dimensionen zu wählen, da die Dicke groß ist, jedoch die zur Verfügung stehenden
Abmessungen der Kristallplatte beschränkt sind. Es ist jedoch erwünscht, eine möglichst
große Kristallfläche zu benutzen, damit eine möglichst hohe Schallenergie erzeugt
werden kann. Sollte eine noch größere Schallenergie erforderlich sein, als mit einer
piezoelektrischen Platte erzeugt werden kann, so müssen mehrere Platten parallel
geschaltet werden.
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Wenn die Frequenz der modulierenden Welle verhältnismäßig niedrig
ist, kann die piezoelektrischeVorrichtung trotz ihrer selektiven Charakteristik
die entstehenden Seitenbänder übertragen. Erstrecken sich dagegen die Frequenzen
der modulierenden Wellen über ein breiteres Band, wie beispielsweise bei Sprache
oder Musik, so benachteiligt die Vorrichtung die Seitenbandfrequenzen. Um solche
Verzerrungen zu vermindern, kann die piezoelektrischeVorrichtung mit einer mechanischen
oder elektrischen Dämpfung versehen werden. In der Vorrichtung, die in der Fig..I
dargestellt ist, entsteht eine gewisse mechanische Dämpfung durch die Klemmwirkung
der Federn 6. Eine elektrische Dämpfung kann in Verbindung mit der mechanischen
Dämpfung mittels eines veränderlichen Reihenwiderstandes 14 und eines Parallelwiderstandes
15 bewirkt werden. In der Praxis kann der Reihenwiderstand 14 in der Fig. i etwa
500 bis 5ooo Ohm betragen. Der Parallelwiderstand 15 kann etwa iooo Ohm,
aber im allgemeinen weniger als iooo Ohm, betragen.
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Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andere Ausführungsforiu der Erfindung,
bei der eine viereckige piezoelektrische Platte 16 an ihren Ecken zwischen den Metallrahmen
17 und 18 aus leitendem Material mit Hilfe der Bolzen i9 festgeklemmt ist. Die Bolzen
erstrecken sich durch Isolierbuchsen 2o und werden auf der anderen Seite mit der
Gegenmutter 21 befestigt. Die Rahmen 17 und 18 ruhen auf einer senkrechten Platte
22 aus Isoliermaterial, auf der sie mittels der Schrauben 23 befestigt sind. Die
elektrische Verbindung mit den Belegungen der Platte erfolgt über die Rahmen 17
und 18, die elektrisch mit den Enden 24 und 25 der Litze 26 verbunden sind. Eine
gewisse mechanische Dämpfung wird durch entsprechende Konstruktion der Rahmen 17
und 18 hervorgerufen. Mit Hilfe der Widerstände 14 und 15 kann eine elektrische
Dämpfung hinzugefügt werden.
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Wenn der Kristall schwingt, wird Luft von außen .durch die Spalte
zwischen den Rahmen 17 und 18 und durch .den Zwischenraum 27 zwischen dem Umfang
der Platte 16 und den Rahmen seitlich. hineingesogen. Eine gewisse :Menge Luft wird
auch über die Außenseite der beiden Rahmen 17 und 18 hineingesogen. Die Luft wird
nach außen von jeder Seite der Platte 16 senkrecht zu der Fläche der Platte angetrieben.
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Die Fig. -5 zeigt eine Hochfrequenzempfangsanlage, die aus der Antenne
28, dem Kupplungstransformator 29 und dem auf die Frequenz der zu empfangenden Wellen
abgestimmten Kreis 30 besteht. Die von der Antenne aufgenommenen Schwingungen
werden dem Abstimmungskreis zugeführt und in der Vierpolröhre 31 verstärkt, die
die Kathode 32, ein Steuergitter 33, eine Anode 34 und ein Schirmgitter 35 besitzt.
Das Steuergitter 33 erhält in der bekannten Art eine Vorspannung aus der Spannungsquelle
36. Die Anode 34 ist mit dem positiven Pol der Spannungsquelle 37 verbunden, während
das Schirmgitter 35 über einen hochohmigen Widerstand 38 an einen Zwischenpunkt
der Spannungsquelle 37 angeschlossen ist. Die verstärkten Schwingungen «-erden mittels
eines Transformators 39, dessen Primärwicklung in dem Ausgangskreis der Verstärkerröhre
31 und dessen Sekundärkreis zwischen den Klemmen 40 liegt, der akustischen Gleichrichtervorrichtung
zugeführt, die wie in Fig. i oder 3 dargestellt angeordnet sein kann. Im Betrieb
werden die modulierten ankommenden Trägerwellen, deren Trägerfrequenz der Frequenz
des Abstimmungskreises 30 und der Resonanzfrequenz der Gleichrichtervorrichtung
41 entspricht, empfangen und nach der Verstärkung in der Röhre 31 der akustischen
Gleichrichtervorrichtung 41 zugeführt, um Schallwellen zu erzeugen, die dem Ton,
der Sprache oder der Musik, mit denen die ankommende Trägerwelle.moduliert ist,
entsprechen.. Auf diese Weise wird eine hohe Selektivität erreicht, weil unerwünschte
Schwingungen sowohl durch den Abstimmungskreis 30 als auch durch die
akustische Gleichrichtervorrichtung benachteiligt werden.
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Die Fig. 6 zeigt einen Superheterodynempfänger, bei dem die Antenne
42 mit dem Abstimmungskreis 43 des Hochfrequenzverstärkers 44 gekoppelt ist, aus
dem .die verstärkten
empfangenen modulierten Schwingungen dem Modulator
45 zusammen mit örtlich erzeugten Schwingungen von einem Überlagerungsgenerator
q.6 in der bekannten Weise zugeführt werden. Der Überlagerungsgenerator besitzt
eine Abstimmungsvorrichtung, beispielsweise einen veränderlichen Kondensatorq.7,
so daß die modulierten: Zwischenfrequenzschwingungen in ein Frequenzband fallen,
welches der Zwischenfrequenzverstärker 48 verstärkt. Der Ausgangskreis des Zwischenfrequenzverstärkers
.48 ist mittels eines Transformators d.9 mit der akustischen Gleichrichtervorrichtung
5o verbunden. Die Selektivität der akustischen Gleichrichtervorrichtung 5o wirkt
ergänzend auf die Selektivität des Zwischenfrequenzverstärkers q.8. Diese Schaltung
gestattet die Verwendung einer piezoelektrischen Vorrichtung mit niedrigeren Eigenfrequenzen
und dieVerwendung einer bestimmten akustischen Gleichrichteranordnung 5o in einem
größeren Bereich von ankommenden Trägerfrequenzschwingungen, weil die örtliche Schwingungsfrequenz
und die Abstimmung des Eingangskreises d.3 unabhängig oder gleichzeitig nach dem
bekannten Superheterodynverfahren verändert werden können.
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Durch die Einschaltung einer Induktivität in Reihe mit dem piezoelektrischen
Element wird der Abstand zwischen den Resonanz-und Antiresonanzpunkten der Schaltung
vergrößert. Diese Wirkung kann bei der Ausführung der Erfindung verwendet werden,
und es ist festgestellt worden, daß das Frequenzband, in welchem der Kristall tatsächlich
schwingt, wesentlich durch die Einfügung der Induktivität erhöht wird. Die Fig.
7 zeigt eine solche Schaltung, die an Stelle des in den Fig. 5 und 6 rechts von
der Linie C-C liegenden Teiles verwendet werden kann. Die Induktivität 51 in der
Fig. 7 wird vorzugsweise so bemessen, daß diese mit der elektrostatischen Kapazität
zwischen den Elektroden der piezoelektrischen Platte 5-2 eine Eigenfrequenz ergibt,
die gleich der Antiresonanzfrequenz des Kristalls ist. Die Breite des Ansprechbereiches
des piezoelektrischen Elementes kann auf diese Weise so groß wie io°/o der Resonanzfrequenz
des Kristalls gemacht werden. Dieses Verfahren zur Verbreiterung des Bandes verursacht
kleinere Verluste als die mechanische und elektrische Dämpfungsanordnung, die oben
beschrieben ist.