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Akustisdies Ubertragungssystem Die Erfindung bezieht sich auf ein
akustisches Übertragungssystem, insbesondere auf ein solches, bei dem eine elektrische
oder kinetische Energie in eine akustische umgewandelt wird, und umgekehrt; solche
Energiewandler sind an sich bekannt, z. B. in Form von Quarzen, die geeignet sind,
Ultraschall zu erzeugen. Sie sind ferner bekannt in Form von Energiewandlern, welche
elektrische Energie in akustisch hörbare Frequenzen umwandeln, oder umgekehrt. Es
ist dabei bekannt, den Energiewandler durch einen Generator zu erregen und ferner
an den Energiewandler einen Verbraucher anzukoppeln. Die Erfindung bezieht sich
aber auch auf solche Systeme, bei denen eine beliebig gespeiste Schalleitung vorhanden
ist, vorzugsweise in der Form, daß an die Schalleitung wiederum ein Wandler für
die Abnahme der Schallenergie angekoppelt ist. Die Erfindung hat den Zweck, die
Wirkungsweise derartiger Systeme zu verbessern und da-rüber hinaus solche Systeme
für weitere Anwendungsgebiete brauchbar zu machen. Dementsprechend besteht die Erfindung
dem Prinzip nach darin, daß der Verbraucher über akustisch wirksame Mittel an den
Generator undl!oder die Schalleitung angepaßt ist, oder umgekehrt. Daraus ergibt
sich ein akustischer Transformator, der für die Verwendung auf den verschiedensten
Gebieten geeignet ist, z. B. als Ersatz eines elektrischen Transformators. Die Anpassung
erfolgt zweckmäßig durch Einschaltung von ein oder mehreren Medien entsprechender
Dichte, Schallgeschwindigkeit und Dicke in den Schallweg; dabei sind die Medien
vorzugsweise parallel zur Wellenfront geschichtet und haben je für sich zweckmäßig
eine konstante Dicke. Die Dicke der Medien ist zweckmäßig verschieden von
einem
ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge, insbesondere kleiner als diese.
Die Schichten werden gemäß der Erfindung aufeinander so abgestimmt, daß der Generator
durch Kompensation von Reflexionen an den Begrenzungsflächen der Schichten reell
belastet ist.
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Das vorgeschlagene akustische Übertragungssystem kann gemäß der weiteren
Erfindung dazu benutzt werden, -Medien auf gewisse Eigenschaften hin zu prüfen,
dabei wird das zu prüfende Medium gemäß der Erfindung in den Schall#-#,eg geführt
und ruft bei Abweichung vom Normal eine Änderung der Anpassung hervor, die eine
Anzeige, im Generatorkreis auslöst.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann das vorgeschlagene Übertragungssystem
auch zur Speicherung und Verzögerung von Signalen verwendet werden; dabei werden
vorteilhaft zwei an eine Schalleitung, deren akustische Länge der gewünschten Speicherungs-
oder Verzögerungszeit entspricht, angepaßte Energiewandler, z. B. Quarze, verwendet,
von denen der eine die Energie in akustische und der andere umgekehrt verwandelt.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann das vorgeschlagene Übertragungss-#,-stem
auch zur Kopplung zwischen zwei Stufen bei der Cbertragung elektrischer Schwingungen,
z. B. in Verstärkern, verwendet werden; dabei werden vorteilhaft zwei einander angepaßte
Energiewandler, z. B. Quarze, vorgesehen, von denen der eine die elektrische Energie
in akustische umwandelt und der andere umgekehrt.
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Eine weitere Anwendung besteht darin, die Energiewandler als Koppler
in elektrischen, vorzugsweise mehrkreisigen Bandfiltern zu verwenden, wobei die
Anordnung so getroffen sein kann, daß die Bandbreite des Filters einstellbar ist.
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Gemäß der weiteren Erfindung kann das vorgeschlagene System auch zur
Beeinflussung des Frequenzbandes bei elektrischen Schwingungen nach Art eines Filters
verwendet werden, indem die Anpassung so gewählt ist, daß die Bandbreite des Energiewandlers
in der gleichen Größenordnung ist, wie der Abstand zweier benachbarter akustischer
Resonanzfrequenzen im Schallweg.
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Die Erfindung und dazugehörige Einzelheiten werden an Hand der Abb.
i bis 17 beispielsweise erläutert. In Abb. i ist eine Anlage dargestellt, bei der
von einem Generator i ein Energiewandler 2 gespeist wird, der über einen akustischen
Transformator, bestehend aus den zur Wellenfront parallelen Schichten
3 und 4, Schallenergie an eine Schalleitung 5
liefert. Diese Leitung
ist über einen weiteren akustischeu Transformator, gebildet aus den Schichten
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und 7, an einen Verbraucher i# angeschlossen.
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Ein akustischer Transformator wird nach folgenden Gesichtspunkten
dimensioniert. Aus der Leitungstheorie ist es bekannt, daß man jeden Widerstand
mit Hilfe eines Leitungsstückes, dessen Länge mit der halben Wellenlänge vergleichbar
ist, innerhalb gewisser Grenzen auf jeden anderen Wert übersetzen kann. Das gleiche
Prinzip führt in der Akustik zum akustischeu Transformator, der besonders bei höheren
Frequenzen wichtig ist. Dieser wird dargestellt durch eine oder mehrere Materialschichten
verschiedener Dicke und unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften wie die begrenzenden
Materialien. Die Begrenzungsflächen decken sich vorzugsweise mit den akustischen
Wellenfronten. Die wichtigsten Materialkonstanten sind in dem Schallwellenwiderstand,
dem Produkt aus Dichte und Schallgeschwindigkeit zusammengefaßt. Bezieht man diesen
auf den entsprechenden Wert für den Energiewandler, so gewinnt man den normierten
Schallwellenwiderstand N., der den Anschluß an die Vierpol- und die
Leitungstheorie ermöglicht, wenn man Anlagen behandeln will, die von einem speziellen
Energiewandler als Schallquellen gespeist werden.
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Das Übersetzungsverhältnis eines nur aus einer Schicht bestehenden
akustischen Transformators wird durch dessen normierten Schallwellenwiderstand und
Schichtdicke bestimmt. Eine Variation der ersteren ist nur in sehr engen Grenzen
realisierbar, während die letztere frei gewählt werden kann. Weicht die Schichtdicke
aber von einem ganzzahligen Vielfachen der Viertelwellenlänge ab, so müssen zwangläufig
akustische Blindkomponenten auftreten, die zu einer Verstimmung des Energiewandlers
führen. Diese können durch die Einschaltung weiterer Schichten anderer physikalischer
Eigenschaften wie die erste Schicht kompensiert werden.
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Die Einführung dieser Schichten und deren Amvendungen für Probleme
der Akustik, insbesondere bei höheren Frequenzen, ist Gegenstand der Erfindung.
Mit Hilfe von zwei Schichten ist es immer möglich, zu erreichen, daß sich die Blindkomponenten
aufheben und außerdem die geforderte Transformation der Wirkkomponenten erreicht
wird, da zwei Variable, nämlich die Schichtdicken, verfügbar sind.
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Die richtige Dimensionierung der Schichtdicken bei vorgegebenen Schallwellenwiderständen
läßt sich auf verschiedene Weisen finden. Empirisch findet man sie, indem man die
auftretenden Blindkomponenten in bekannter Weise, z. B. aus der Verwerfung Eigenfrequenz
und die Wirkkomponenten aus der Dämpfung oder der Bandbreite des Energiewandlers,
bestimmt. Die Schichtdicken werden dann so lange geändert, bis die geforderten Bedingungen
realisiert sind. Dieses Verfahren ist sehr zeitraubend. Einfacher kommt man zum
Ziel, wenn man zunächst die Konstanten der zur Verfügung stehenden Materialien,
insbesondere die Dichte, Schallgeschwindigkeit und die innere Dämpfung, feststellt.
Aus diesen Werten gewinnt man das auf die Längeneinheit bezogene Übertragungsmaß
und den normierten Schallwellenwiderstand. Mit diesen Größen lassen sich die Schichtdicken
graphisch oder rechnerisch bestimmen.
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In Abb. 16 ist die graphische Lösung einer solchen Aufgabe dargestellt.
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Man zeichnet zunächst auf der reellen X-Achse der komplexen Ebene
die normierten Schallwellenwiderstände N", und N 92 der verwendeten Schichten
ein. Dann trägt man den am Energiewandler notwendigen normierten Schallwellenwiderstand
N, und den am Ausgang des Transformators vorhandenen N, auf der
N' N# reellen Achse ein. jetzt werden die Werte - 4 Ni
' N2 berechnet und eingetragen. Dann zeichnet man die
Ortskreise
0, und 0, deren Mittelpunkte auf der reellen Achse liegen und die
durch N, und
bzw. N, und gehen. Sie schneiden sich in den konjugiert komplexen
Punkten A und A'. Diese beiden Punkte bieten zwei mögliche Lösungen
der Aufgabe. Der Einfachheit halber wird hier jedoch nur der Punkt A betrachtet.
Die notwendigen Schichtdicken der Materialien findet man aus den Winkeln al und
a, die die Tangenten an die Leitkreise L, und L, mit der reellen Achse bilden. Die
Leitkreise sind Kreise, die durch die Punkte A und AT., bzw. N, gehen und
deren Mittelpunkte P, bzw. P, auf der immer imaginären Achse liegen. Man findet
P, und P, als Schnittpunkte der Mittelsenkrechten auf den Sehnen AN"
bzw.
AN., mit der imaginären Achse. Die Radien r, und r2 zwischen P, bzw.
P, und N" bzw. N" bilden mit der imaginären Achse die Winkel al' und a,'.
Aus geometrischen Gründen ist a,' = al und a,' = a,
Die in Grad gemessenen Winkel al und a, verhalten sich nun zu 36o' wie die notwendige
Schichtdicke d, bzw. d2 zur halben Wellenlänge in dem betreffenden Material.
In dieser Beschreibung ist nur ein spezieller Weg geschildert, um von
N, nach N, zu kommen. Grundsätzlich ist auch eine andere Zusammensetzung
der Wege auf den Ortskreisen möglich. Die Schichtdicken ändern sich dann entsprechend.
In diesem Verfahren ist der Einfluß der inneren Dämpfung der Schichten nicht berücksichtigt.
Da die Transformation jedoch immer möglichst verlustfrei erfolgen soll, kann in
den meisten Fällen davon abgesehen werden.
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Die allgemeine rechnerische Lösung der gestellten Aufgabe ist z. B.
mit Hilfe der zweimaligen Anwendung der in Feldtkellers rEinführung in die Vierpoltheorie«,
4. Auflage, Hirzel-Verlag, Leipzig, 1944, S. 30ff. angegebenen Formeln oder
graphischen Verfahren nach S. 8off. möglich. Sie führt jedoch zu recht umfangreichen
Rechnungen, so daß man in der Praxis meist das graphische Verfahren vorziehen wird.
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Einen praktischen wichtigen Sonderfall erhält man, wenn
N., gleich N, wird. Dieser ist beim Beschallen von Flüssigkeiten
nach Abb. 2 von besonderem Nutzen. Man braucht dann nur in einem geeigneten nach
obigem zu ermittelnderf Abstand 9 vor dem Energiewandler io, der vom Generator
ii gespeist wird, eine Scheibe 12 aufzustellen, deren Dicke, wie geschildert, bestimmt
wurde. Die erste Schicht wird von der Flüssigkeit 13 selbst gebildet. Mit dieser
Einrichtung kann jeder geforderten Bandbreite, d. h. Bedämpfung des Energiewandlers,
entsprochen werden, Die Scheibe 12 selbst kann z. B. aus Glas bestehen.
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Soll nach Abb. 3 ein fester Körper 14 beschallt werden, so
kann dieser mit der zweiten Schicht 15 des aus den Schichten 15 und 16 bestehenden
akustischen Transformators über die Schicht 17 in akustisch festen Kontakt gebracht
werden. Der Energiewandler 18 wird dann wieder in gewünschter Weise belastet. Bestehen
die Schichten 16 und 17 aus dem gleichen Material, dieses ist durchaus möglich,
so ist es nur nötig, die Summe ihrer beiden Dicken genau einzubalten. Die Schicht
17 wird vorzugsweise die Dicke eines ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge
in diesem Material haben. Die Schichten 16 und 17 können vorzugsweise aus einem
Kittmittel, z. B, Schellack, das beim Erwärmen weich wird, bestehen. Bisher ist
der akustische Transformator nur in direkter Verbindung mit einem Energiewandler
behandelt worden.
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In Abb. 4 wird er aus den Schichten ig und 20 bestehend dazu benutzt,
um ein Material 21 kleiner Eigendämpfung an ein solches 22 großer Eigendämpfung
anzukoppeln, Bei richtiger Anpassung erscheint das erstere 21 dann für den Schallstrahl
23 sehr weit ausgedehnt, d. h. ohne Begrenzungsflächen für den Schall
zu sein. ig und 21 können wiederum aus dem gleichen Material bestehen. Da die Transformation
frequenzabhängig ist, kann man sie so einrichten, daß sie nur für bestimmte Frequenzen
wirksam wird. Man kann so insbesondere den Klangcharakter von Räumen beeinflussen.
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In Abb. 5 wird die in Abb. 3 beschriebene Einrichtung
umgekehrt. Der aus einem festen Körper 24 austretende Schall wird über ein Kopplungsglied
25
auf einen akustischen Transformator, bestehend aus den Schichten
26 und 27, gegeben und regt damit einen Energiewandler 28 an,
der den Verbraucher 29 speist.
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Wenn 25 und 27 aus dem gleichen Material bestehen, gelten
sinngemäß die zu Abb. 3 gegebenen Dimensionierungsvorschriften für die Schichten
16 und 17.
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Die Möglichkeiten, den Schall mit Hilfe des akustischen Transformators
in definierter Weise, die sich exakt vorbestimmen läßt, beliebig in ein Material
hinein oder hinaus leiten zu können, erschließt dem Schall, insbesondere dem Ultraschall,
eine große Reihe von neuen Anwendungsgebieten.
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Einige Beispiele dafür werden im folgenden beschrieben: Es ist aus
der Vierpoltheorie (Feldtkeller S. 25/26) bekannt, daß der Eingangsscheinwiderstand
einer Leitung, die an ihrem Ende leerläuft bzw. kurzgeschlossen ist, sich aus folgenden
Formeln ergibt: W,1 = Z - coth (b +
ja) ,
T#,7"t = 7 - tgh (B + j a) .
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Wandelt man diese Formeln sinngemäß für den Schall ab, so findet man
für den Eingangsscheinschallwidertztand: NI N" - coth (b + j a)
,
N4 N. - tgh (b + j a)
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Für eine Schalleitung, deren Länge ein gerad- oder ungeradzahliges Vielfaches
einer Viertelwellenlänge beträgt, ergibt sich daher, wenn diese akustisch z. B.
durch Begrenzung mit Luft kurzgeschlossen ist: N,1 = N, coth
b
oder N,k = JN7, tgh b .
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Die innere Dämpfung b ist direkt von der Zähigkeit abhängig,
während der Schallwellenwiderstand dem Produkt aus Dichte o, und Schallgeschwindigkeit
e,
proportional ist. Da in die letztere der Elastizitätsmodul eingeht, wird:
Die Indizes , beziehen sich in diesem Fall auf die entsprechenden Werte für
Quarz.
Eine einfache Einrichtung, die diese Zusammenhänge zur laufenden Überwachung der
angeführten Materialkonstanten benutzt, zeigt Abb. 6. Sie besteht aus einem
bekannten einstufigen rückgekoppelten Hochfrequenz-Generator mit der Röhre
30,
der angezapften SchwingkreissPule 31, dem Gitterkondensator
32, dem Gitterableitwiderstand 33, einem Kondensator 34, der die Gleichspannung
vom Energiewandler 37 trennt, dem zur Frequenzbeeinflussung veränderbaren
Kondensator 36, einem akustischen Transformator, bestehend aus den Schichten
39 und 4o, und dem Reflektor 41. Der Energiewandler 37
ist vorzugsweise
ein Quarz, der auf beiden Seiten mit einer MetallisierUng 38 versehen ist.
Er wird vorzugsweise in die Wand des Gehäuses 42 eingefügt. Sein innerer Beleg wird
über einen Kontakt 43 mit dem Gehäuse verbunden, das seinerseits zusammen mit der
Kathode des Generators geerdet ist. Dem Außenbeleg des Wandlers wird die elektrische
Hochfrequenzspannung elastisch zugeführt. Der Reflektor, der auch ein Teil der Gehäusewand
sein kann, wird in dem angeführten Beispiel insbesondere über eine Halterung 44
außerhalb des Schallstrahls 4s gehalten. Die Halterung 44 kann dicht an den Reflektor
41 anschließen, so daß dieser mit seiner Rückseite gegen Luft liegt. Die Spindel
46 stellt die Verbindung zwischen Halterung und Gehäuse 42 dar. Durch Drehen der
Spindel kann der Reflektor in Richtung des Schallstrahls verschoben werden. Die
ganze Einrichtung wird in senkrechter Richtung zum Schallstrahl so von dem zu untersuchenden
Medium durchströmt, daß alles oder der größte Teil durch den Schallstrahl laufen
muß.
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Der akustische Transformator wird zur Erzielung der bestmöglichen
Anpassung so ausgelegt, daß die Eigendämpfung d, des speisenden Schwingkreises
gleich der Dämpfung d, des Quarzes wird. Damit außerdem der Scheinwiderstand
des belasteten Quarzes gleich dem Betriebswirkwiderstand des elektrischen Schwingkreises
wird, muß die Quarzscheibe die Oberfläche F haben.
Das in die Gitterableitung 33 eingefügte Meßgerät 35 kann direkt nach
dem den Energiewandler 37 belastenden Schall-,vellenwiderstand geeicht werden,
da die Amplitude des Anodenkreises und daher auch der Citterstrom davon abhängig
ist. Als Anzeigegerät 35
kann ein selbstschreibendes, wie etwa der Neumann-Schreiber
oder der Pegelschreiber der Firma Sieniens & Halske, verwendet werden.
Der Hochfrequenzgenerator muß dabei unter Umständen moduliert werden. In der Niederschrift
wird iede Änderung der Materialkonstanten und auch jeäe Verunreinigung der Flüssigkeit
genau registriert, so daß eine laufende Überwachurig möglich ist.
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Prinzipiell die gleiche Anordnung kann auch für feste Stoffe verwendet
werden, wenn man diese durch ein Flüssigkeitsbad führt, das die Rohrleitung ersetzt.
Der Abstand zwischen akustischem Transformator und Prüfling soll möglichst ein ganzzahliges
Vielfaches der halben Wellenlänge sein. Das gleiche gilt für den Abstand des Reflektors
vom Prüfling.
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Mit der geschilderten einfachen Anordnung kann nur das konstante Zusammenwirken
der Materialkonstanten überwacht werden. Zu deren Trennung muß die Anlage noch etwas
vervollkommnet werden, und zwar so, daß sowohl der Kurzschluß wie auch der Leerlauffall
hergestellt werden können. Der Übergang von dem einen zu dem anderen Fall kann durch
mechanische oder elektrische Änderung der akustischen Länge der Schalleitung in
dem zu prüfenden Medium um mehr als eine Viertelwellenlänge erfolgen. Die mechanische
Änderung läßt sich besonders leicht für deformierbare Materialien durchführen, wenn
man den Reflektor z. B. durch Drehung der Spindel um seine Ruhelage mit genügender
Amplitude pendeln läßt. Das Schreibgerät wird dabei einen Gang des Schallwellenwiderstandes
nach Abb. 7 registrieren. Das Verhältnis von Pendelhub P zur Viertelwellenlänge
gibt bei Berücksichtigung des Schreibmaßstabest die Schallgeschwindigkeit. Der norinierte
Schallwellenwiderstand N" folgt aus dem geometrischen Mittel der Extremwerte W,
, und Wl k leicht durch eine graphische Transformation über
den akustischen Transformator, wie schon weiter oben beschrieben. Die beiden Werte
sind dazu über den Wellenwiderstand des Energiewandlers zu normieren. Der vertikale
Schreibmaßstab kann auch direkt für den norrnierten Schallwellenwiderstand geeicht
sein. Die innere Dämpfung b, wird aus der Dämpfting b
berechnet
Nach diesem Verfahren kann auch die Dämpfung in Materialien mit großen inneren Verlusten
gemessen werden. Die Dichte p, und der Elastizitätsmodul. E" werden berechnet
nach:
Nu ist der Schallwellenwiderstand des Energiewandlers und c die Schallgeschwindigkeit
im Medium, das untersucht wird. Für diese Art von Messungen ist es zweckmäßig, den
Energiewandler und den akustischen Transformator für die Belastung mit dem normierten
Schallwellenwiderstand des zu prüfenden Mediums auszulegen.
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Bei nicht defonnierbaren Materialien, insbesondere festen Stoffen,
ist die geschilderte mechanische
Methode zur Trennung der Materialkonstanten
nicht anwendbar, da ja die akustische Länge der Schallstrecke bei konstanter Frequenz
nicht geändert werden kann. Man muß da zur elektrischen Änderung der akustischen
Leitungslänge übergehen, indem man die Frequenz des Hochfrequenzgenerators so ändert,
daß die Leitung im zu untersuchenden Medium um ganzzahlige Vielfache der Viertelwellenlänge
kürzer oder länger erscheint. Aus der für den Übergang von einem Extrem zum anderen
nötigen Frequenzänderung df folgt für die Schallgeschwindigkeit c =
2 -1 df. Die Streckenlänge 1 setzt sich zusammen aus allen
von dem Schall durchlaufenen Strecken. Für die nicht im zu untersuchenden Medium
durchlaufenen Strecken sind entsprechende Korrekturen anzubringen, Für laufende
Untersuchung kann zur Frequenzvariation z. B. ein mechanisch angetriebener Kondensator
verwendet werden. Der Hub kann z. B. durch Reihen- und/oder Parallelkapazitäten
eingestellt werden. Ist der Frequenzgang der Wobblung auf der Niederschrift bekannt,
so kann hierbei die notwendige Änderung zwischen den beiden Extremwerten direkt
abgelesen und damit die Schallgeschwindigkeit ermittelt werden. Der akustische Transformator
ist in diesem Fall zweckmäßig so auszulegen, daß die Resonanzkurven des Senderkreises
und des belasteten Energiewandlers die nötige Breite haben, um ohne wesentliche
Amplitudenänderung die Wobblung zu gestatten. Dieses Verfahren hat auch für leicht
deformierbare Körper den Vorteil der großen Genauigkeit, mit der eine elektrische
Frequenzmessung möglich ist, verlangt jedoch Schalleitungen von einer größeren akustischen
Länge als etwa zehn Wellenlängen. Für sehr genaue Messung oder solche, die wegen
der geringen akustischen Leitungslänge, die zur Verfügung steht, bei großen Abweichungen
von der Eigenfrequenz des Energiewandlers ausgeführt werden, müssen die gefundenen
Widerstandswerte berichtigt werden, da der Energiewandler bei einer Frequenzabweichung
um
den wahren Schallwellenwiderstand N'auf N' = N'
übersetzt, also
Eine voraussichtlich sehr wesentliche Anwendung kann der akustische Transformator
in Schaltung der Filter- und der Verstärkertechnik finden. Es sind schon mehrfach
Versuche gemacht worden, in Verstärkern den Übergang der Hochfrequenz von einer
Stufe zur nächsten, z. B. durch magnetische Kopplung mit Eisenkernen# frei von unerwünschten
Nebenkopplungen, insbesondere kapazitiver Art, zu machen. Diese Versuche haben aber
nicht in vollem Umfange befriedigt. Der elektroakustische Energiewandler, insbesondere
ein Piezoquarz in Verbindung mit dem akustischen Transformator, bietet nun die Möglichkeit,
Hochfrequenzenergie praktisch verlustfrei von einer Seite eines dichten Abschirmgehäuses
von geeigneter Wandstärke durch dieses hindurch auf die andere Seite zu bringen,
wo die akustische Energie wiederum über einen akustischen Transformator in elektrische
Energie zurückverwandelt wird. Die ganze Einrichtung wird im folgenden Koppler genannt.
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Abb. 8 zeigt das Prinzipschallbild. Von einer Stufe, dargestellt
durch die Röhre 48, wird die Hochfrequenzenergie durch die Abschirmwand 49 über
den weiter unten genau beschriebenen Koppler 50 zu dem Verbraucher, dargestellt
durch die Röhre 51, geleitet.
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Der Koppler 5o von Abb. 8 ist in Abb. 9 genauer dargestellt.
Er besteht aus einem Energiewandler 52,
der von dem Generator 53 gespeist
wird. Die von diesem abgegebene Schalleistung wird über den akustischen Transformator,
bestehend aus den Schichten 54 und. 55 an einen zweiten, bestehend aus den
Schichten 56 und 57, an den zweiten Energiewandler 58 gegeben,
der den Verbraucher 59 speist. Die Schichten 54 und 57 bzw.
55 und 56 können aus dem gleichen Material bestehen. Sie können gleicher
oder verschiedener Dicke sein, insbesondere so, daß die Summe der Dicke von Schichten
aus gleichem Material ein Vielfaches der halben Wellenlänge ergibt. Diese letztere
Möglichkeit ist an Hand des in Abb. 6
gezeigten Diagramms abzulesen, wenn
man die Ortskreise so durchläuft, daß man von N, wieder nach NI
zurückkommt.
In diesem besonderen Fall ist allerdings dafür zu sorgen, daß die Belastung der
beiden Energiewandler 52 bzw. 58 durch den Generator 53
bzw.
Verbraucher 59 einander gleich sind. Ist dieses nicht der Fall, so müssen
die akustischen Transformatoren so ausgelegt werden, daß 53 und
59 wiederum einander angepaßt sind. Es ist bisher noch nichts ausgesagt über
die Verbindungsstelle 6o zwischen den beiden akustischen Transformatoren. Diese
Freiheit kann insbesondere dafür ausgenutzt werden, der Summe der Wandstärken, z.
B. von 55 und 56, einen mechanisch gleich realisierbaren Wert zu geben.
Bei vorgegebenem Generator und Verbraucher sind dann auch die Schichtdicken von
54 und 57 bestimmt. An Stelle der Dicke der aus den Schichten 55 und
56
bestehenden Abschirmwand können auch andere Daten, insbesondere der Phasenwinkel
zwischen Generator und Verbraucher vorgegeben werden, da immer noch ein Freiheitsgrad
übrig ist. In Abb. io ist die mechanische Ausführung eines nach den vorstehenden
Überlegungen gebauten akustischen Kopplers dargestellt. Er besteht aus einem Gehäuse
61 insbesondere einem Rohrstück, das in der Mitte die'#bschirmwand 63 enthält.
Die Abschirinwand ist insbesondere eine halbe Wellenlänge dick. Rechts und links
von der Abschirmwand befinden sich zwei mit einer, insbesondere einer gleichen Flüssigkeit
gefüllte Räume, die dann durch den Druckausgleich 62 miteinander und nach
außen verbunden sind.
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Die Flüssigkeitsräume werden begrenzt durch die in den Halterungen
65 gelagerten Energiewandler, insbesondere Quarzen 66 und
67. Die der Flüssigkeit zugewandten metallisierten Seiten der Quarze sind
über die Kontaktfedern 68 mit der Abschirmung verbunden. Die Quarzhalterungen
65 sind im Gehäuse 6 1, insbesondere durch Drehung in einem Gewinde
verschiebbar
angeordnet. Die rnetallisierten Außenseiten der Quarze
werden über die federnden Zuführungen 69
mit dem Generator bzw. Verbraucher
verbunden. Die Zuführu, gen sind in den Isolierteilen 70 gelagert. Die ,ganze
Einrichtung kann durch den Flansch,7i in die Abschirmungswand zwischen Generator
und Verbraucher eingebaut werden. Zur Justierung der ganzen Einrichtung wird eine
der Quarzhalterungen 65
durch Drehung um ihre Achse so lange in dem Gehäuse
verschoben, bis die geforderten Werte erreicht sind. Verwendct man als Generator
und Verbraucher elektrisch gleichwertige Kreise, so arbeitet die Anlage wie ein
dreiteiliges Bandfilter. Die Durchlaßkurve hat ein gerades Dach, wenn man die Quotienten
der elektrischen Wellenwiderstände der Kreise toL und der QuarzeZ"gleich dem Quadrat
derKreisdämpfungd gemacht hat.
Daraus ergibt sich für den Durchmesser D einer geeigneten runden Quar7scheibe, die
mit elektrischen Schwingkreisen der Kapazität CK, bei der Frequenz f
bL-Iastet
ist
Wählt man in Abb. io die Schichtdicken der Flüssigkeit 64 und der -Mittelschicht
63 so, daß sie sich züi einem Vielfachen der halben Wellenlänge ergänzen,
so kann man insbesondere die Flüssigkeitsschichten ganz weglassen. Man erhält dann
die in Abb. ii dargestellte Anordnung. Danach speist ein Generator 72 den
Energiewandler 73, insbesondere einen Quarz, der direkt haftend, z. B. durch
Aufsprengen, an der Abschirmwand 74, die an dieser Stelle die Dicke eines ganzzahligen
Vielfachen der halben Wellenlänge hat, befestigt ist, über einen zweiten gleichen
Energiewandler75 dem Verbraucher 76, der insbesondere genau wie der Generator
72 ei:' elektrischer Schwingkreis ist. Läßt man auch noch die Abschirmung
74 wegfallen, so kommt man zu dem in Abb. 12 dargestellten Koppler. Hier
sind die beiden Energiewandler 77, deren wirksame Oberflächen 78 metallisiert
sind, direkt miteinander haften, verbunden und in die Abschirmwand 79 SO
eingefügt, daß die beiderseitigen Innenseiten der Energiewandler mit der Abschirmwand
79 in leitendem Kontakt stehen.
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Diese letzte Anordnung ist besonders wichtig für Filterschaltungen,
da durch die elektrische Ab-
schirmung in der Mitte die Kapazität zwischen
den beiden Außenbelegen der Quarze für die Form der Durchlaßkurve unwirksam wird.
Sie wird insbesondere bei Verwendung eines Schwingkreises als Generator und Verbraucher
in dessen Abstimmkapazität einb-,zogen. Der Quarz wirkt dann nur als Serienkreis.
Da er praktisch verlustfrei arbeitet, ist diese Anordnung einem Filter aus drei
gewöhnlichen verlustbehafteten Kreisen energiemäßig um 3o Ili, überlegen. Bei dem
Verbinden der beiden Quarze ist die Vorschrift, daß deren Gitterebenen parallel
sein müssen, streng einzuhalten, um brauchbare Durchlaßkurven zu erzielen. Bei Verwendung
von Quarzen z. B. im X-Schnitt als Dickenschwinger bedeutet dies, daß die Y-Acbsen
in jedem Fall gleichsinnig parallel s#4-1 müssen. Legt man die elektrischen X-Achsen
der Quarze zueinander antiparallel, so entsteht zwischen den beiden Außenbelegen
des gesamten Kopplers keine wesentliche elektrische Spannungsdifferenz. Eine etwa
zwischen diesem noch bestehende Kopplung ist daher unwirksam. Legt man die beiden
Achsen gleichsinnig parallel, so kann man die entstehende Spannung über eine geeignete
Kopplung zwischen den beiden Außenbelegen dazu benutzen, um an beliebiger Stelle
des Durchlaßbereiches der Filter ein Loch zu erzeugen, insbesondere bei Überlagerungsempfängern,
z. B. für Rundfunkzwecke, wird man dieses Loch 9 kHz neben die Mitte des
Durchlaßbereiches eines Filters legen.
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Da die Bandbreite des gesamten Durchlaßbereiches von dem Verhältnis
der Resonanzwiderstände der angeschlossenen Schwingkreise zu dem Wellenwiderstand
der Quarze abhängig ist, kann man durch Variation der ersteren die Breite des Durchlaßbereiches
verändern. Den gleichen Effekt erhält man, wenn man die Schwingkreise mit Anzapfungen
z. B. der Spule versieht, die stufenweise oder kontinuierlich umschaltbar sind,
wie in Abb. 13 gezeigt. In Abb. 13 speist eine Röhre 8o einen aus der Kapazität
81 und der mit Anzapfungen versehenen Spule 82 bestehenden elektrischen Schwingkreis,
der über den Schalter 83 umschaltbar mit einem Koppler 84 verbunden ist.
Der Koppler ist in die Abschirmwand 85 eingefügt. Cber den weiteren Schalter
86, der insbesondere mit 83 gemeinsam betätigt werden kann, wird ein
weiterer eloktrischer Schwingkreis, bestehend aus der mit An-7apfung versehenen
Spule 87 und dem Kondensator88, gespeist, der seinerseits am Gitter der Röhre
89 liegt. Beim Umschalten des Kopplers können die Schwingkreise durch die
dann anders eingehenden Eigenkapazitäten des Kopplers geringfügig verstimmt werden.
Dieser Einfluß ist gegebenenfalls durch geeignete 'Maßnahmen auszugleichen. Mit
Hilfe der Koppler können auch Filterketten mit beliebig vielen Gliedern aufgebaut
werden, wie Abb. 14 zeigt. In Abb. 14 z. B. ist eine zweigliedrige, Kette dargestellt.
Sie besteht aus den mit Anzapfung versehenen Schwingkreisen 94, go und
95, den beiden Kopplern gi und den insbesondere gemeinsam zu betätigenden
Schaltern 92. Der am Filtereingang 93 liegende Schwingkreis 94 hat den gleichen
Wellenwiderstand wie der Schwingkreis 9.5 am Filterausgang 96. Der
Schwingkreis go dagegen kann entsprechend der Filtertheorie einen andern Wellenwiderstand
haben. Die Koppler sind in die Abschirmwände 97 eingefügt. Durch Betätigung
der Schalter 92 wird die Breite des Durchlaßbereiches des ganzen Filters variiert.
Auch in diesem Fall kann eine etwaige Verstimmung der einzelnen Schwingkreise vermieden
oder kompensiert werden. Um besonders große Flankensteilheiten zu erreichen, kann
man zweckmäßig durch verschiedene zusätzliche ' Kopplungen induktiver oder
kapa7itiver Art, die parallel zu den Kopplern liegen, Löcher in den Flanken des
Durchlaßbereiches in z. B. symmetrischem Abstand von der'#-Iittelfrequenz anstreben.
Die
zusätzliche Kopplung, parallel züm ersten Koppler, kann z. B. ein Loch unterhalb
des Filterbereiches bewirken und die beim zweiten Koppler ein solches oberhalb.
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Ein völlig neuartiges Element der Filtertechnik erhält man, wenn man
den Energiewandler, insbesondere einen Quarz mit dem elektrischen Wellenwiderstand
Z., über einen akustischen Transformator so mit einer Schalleitung abschließt, daß
im Resonanzfall der Energiewandler kurzgeschlossen züi sein scheint. An seinen elektrischen
Klemmen erscheint dann der kleine Widerstand R, Bei einer durch die Länge der Schalleitung
und die Schallgeschwindigkeit bestimmten Verstimmung vl wird R, um das reziproke
Quadrat der Leitungsdämpfung b vergrößert. Kleinere Werte als
erreicht die Belastung bei größeren Verstimmungen nicht mehr, wenn der Energiewandler
und der akustische Transformator so ausgelegt sind, daß
Ist diese Anordnung einem ohmschen Widerstand R parallel geschaltet, so findet man
die größte Flankensteilheit der Resonanzkurve bei der Verstimmung v,
Weist R, einen Frequenzgang auf, so kann 7, z. B. rechnerisch oder graphisch
ermittelt werden. Die Eigenfrequenz des Energiewandlers und v, werden zweckmäßig
so gewählt, daß sich 7,. mit der steilsten Stelle der Frequenzkurve von R
deckt. Damit ist dann auch die Länge der Schalleitung bestimmt. In Abb. 15 ist eine
derartige Anordnung gezeigt. Sie besteht aus dem Energiewandler 97, der über
den akustischen Transformator, bestehend aus den Schichten 98 und
99, an eine Schalleitung ioo angekoppelt ist. Die Länge der Schalleitung
ist mit Hilfe des durch die Spindel 102 in Richtung des Schallstrahles verschiebbaren
Reflektors ioi begrenzt. In diesem Falle besteht die Schalleitung zweckmäßig aus
einer Flüssigkeit, z. B. Wasser oder Tetrachlorkohlenstoff. Wenn man für die Schalleitung
festes Material wählt, so fällt der Reflektor fort. Er wird durch die Begrenzungsfläche
des festen Materials am Ende der Leitung ersetzt, Die Länge der Schalleitung wird
zweckmäßig so eingerichtet, daß sich stehende Wellen auf ihr bei der Eigenfrequenz
des Energiewandlers bilden. Die nächste Resonanzstelle soll in genügendem Frequenzabstand
dazu liegen, d. h. etwa im Abstand der halben Bandbreite des belasteten Energiewandlers,
Eine weitere spezielle Anwendung des gesamten in Abb. i geschilderten Prinzips zeigt
Abb. 17, Darin ist eine Anlage dargestellt, die zur Verzögerung oder Speicherung
von Signalen dient, die von dem Generator 103 ausgesandt und dem Empfänger 104 empfangen
werden. Sie besteht aus den Energiewandlern 105 und io6 sowie den dazugehörigen
akustischen Transformatoren, bestehend aus den Schichten 107, io8 und iog, iio.
Die Schalleitung iii besteht in diesem speziellen Fall aus einem festen -Medium,
das über die Leitungsstücke 112 und 113 an die akustischen Transformatoren angekoppelt
ist. Man kann die Laufzeit zwischen Generator und Verbraucher variieren, wenn man
als Schalleitung eine Flüssigkeit verwendet und einen der Energiewandler mit dem
dazugehörigen akustischen Transformator darin verschiebbar anordnet. Bei richtiger
Anpassung, die durch die Dimensionierung der Transformatoren erreicht wird, werden
keine störenden Echos auftreten. Die gleiche Einrichtung kann durch geeignete Maßnahmen
auch mit nur einem Energiewandler im Simultanbetrieb verwendet werden. Der Einfachheit
halber ist in der vorstehenden Beschreibung immer nur von dem Quarz als Energiewandler
gesprochen worden, da er für hohe Frequenz wegen seiner günstigen Materialeigenschaften,
insbesondere der geringen inneren Verluste, besonders geeignet ist. Es sind aber
auch andere Kristalle, wie z. B. die in S c h e i b e - Piezoelektrizität
des Quarzes « aufgeführten, verwendbar. Auch die sonstigen bekannten Energiewandler
kommen in den Frequenzbereichen, für die sie geeignet sind, in Betracht.