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Elektrisch angeregte Stimmgabel Zur Erzeugung sehr konstanter Schwingungen,
verwendet man im Bereich von ioo bis 2o ooo Hz vorteilhaft mechanische Oszillatoren,
meist in Form der Stimmgabel. Die Anregung einer Gabel zu dauernden Schwingungen
erfolgt gewöhnlich durch magnetische Kräfte über ein Magnetsystem, ähnlich dem System
eines Telephons, das vom Anodenwechselstrom einer Verstärkerröhre durchflossen wird
und dessen magnetische Flußänderung auf die meist aus ferromagnetischen Materialien
bestehende Gabel direkt einwirkt. In einem zweiten, mit dem Gitter der Röhre verbundenen
gleichen Magnetsystem werden beim Schwingen der Gabel .elektrische Spannungen induziert,
die, verstärkt, bei richtiger Phasenlage die Gabel mit konstanter Amplitude anregen.
Fig. i zeigt eine Stimmgabel der üblichen Ausführung. Der Stiel der Gabel i ist
in einer Halterung auf der Grundplatte starr befestigt. Ein elektromagnetisches
Antriebssystem 2, das zwischen den Zinken der Gabel angeordnet ist, erregt die Gabel
zu mechanischen Schwingungen, wenn! der zugeführte Wechselstrom mit der Eigenschwingung
der Gabel übereinstimmt. In einem zweiten elektromagnetischen System, bestehend
aus den Spulen 3 und q., entsteht durch Flußän,derung bei Bewegungen der Gabel eine
Spannung. Für Zwecke der Rückkopplung wird das eine Spulensystem mit dem Gitter
einer Verstärkerröhre verbunden, das zweite System mit dem Anodenkreis. Die Stimmgabel
i und die beiden elektromagnetischen Systeme sind starr auf einer gemeinsamen Grundplatte
5 befestigt.
An Stelle der elektromagnetischen Systeme kann der
Antrieb der Stimmgabel auch durch ein elektrostatisches System erfolgen, ebenso
die Energieabgabe. In diesem Fall stehen zwischen den Zinken Elektroden, die isoliert
auf der Grundplatte befestigt sind. Der Abstand zwischen: Gabel und feststehender
Elektrode beträgt wenige Zehntelmillimeter. In diesem Fall genügen etwa 1o V Wechselspannung
zur Anregung der Gabel zu Schwingungen. Falls die Energieentnahme ebenfalls elektrostatisch
erfolgt, stehen an Stelle der Spulen 3 und q. der Fig. i isolierte Elektroden: von
etwa i cm2 Fläche an der Außenseite der Zinken gegenüber. Auch dieses System ist
isoliert auf der Grundplatte befestigt.
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Die Energieübertragung der schwingenden Gabel auf die Grundplatte
bildet einen erheblichen Beitrag zur Dämpfung der Gabel. Das Mitschwingen der Grundplatte
bedeutet nicht nur einen Energieverlust, also eine Herabsetzung der Güte Q, sondern
auch gleichzeitig eine Frequenzänderung. Jede an der Schwingung teilnehmende Masse
geht in die Frequenz des Oszillators ein. Die Platte überträgt ihrerseits wieder
Energie auf die Unterlage.
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Es sind unter anderem symmetrische Doppelstimmgabeln,bekannt, bei
denen sich Stellen finden, die aus Symmetriegründen in Ruhe bleiben und an denen
die Befestigung der Gabel mit der Montageplatte vorgenommen werden soll. Da aber
der Stiel einer Gabel eine sehr komplizierte Schwingungsverteilung aufweist, gelingt
es auch bei sehr symmetrischem Aufbau einer Doppelgabel nie, die Energieübertragung
völlig zu unterbinden. Außerdem bleibt die Kopplung der Gabel mit der Grundplatte
über das Antriebssystem bestehen.
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Außerdem sind Stimmgabeln bekannt (britisches Patent 488 5o2),
bei denen die Antriebsspulen starr auf den Zinken der Gabel befestigt sind. Der
Antriebsstrom soll hierbei durch Kontakte gesteuert werden, von denen einer auf
der Gabel, der Gegenkontakt auf einer Grundplatte angeordnet ist. In diesem Fall
muß auch die Gabel selbst starr mit der Grundplatte verbunden sein. Auch eine an
gleicher Stelle beschriebene, akustische Rückkopplung über ein gegen die Gabel feststehendes
Mikrophon erfordert eine starre Verbindung von Gabel und Mikrophon auf einer gemeinsamen
Grundplatte od. dgl.
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Die Erfindung vermeidet die durch das Mitschwingen der Grundplatte
entstehenden Schwierigkeiten völlig. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrischen Organe für Antrieb und Rückkopplung auf den Zinken der Gabel starr
befestigt sind und somit die Schwingungen derselben mitmachen und daß die Energieübertragung
zwischen den beiden Systemen nur über die mechanischen Bewegungen der Gabel erfolgt.
Die Grundplatte fällt völlig weg. Die Gabel kann an dünnen Spiralfedern innerhalb
des Gehäuses aufgehängt werden. Das Gehäuse schließt die Gabel druckdicht ein und
ist gewöhnlich zur Verringerung der Luftreibung ganz oder teilweise evakuiert. Ehe
die möglichen; Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, sollen kurz die
Stoffe charakterisiert werden, die man zur Herstellung von. Stimmgabeln verwendet.
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Es sind einige Eisen-Nickel-Legierungen bekannt, mit denen der Temperaturkoeffizient
der Frequenz. einer Gabel sehr klein wird (TKf< i - io-5). Solche Legierungen,
z. B. Elinvar, WT/zo oder die unter dem Handelsnamen »Nivarox« bekannte Legierung,
haben aber den Nachteil, daß ihre elastischen Eigenschaften sich im Laufe der Zeit
ständig ändern. Die Alterung dieser Stoffe erreicht auch nach Jahren keine merkliche
Abnahme. Im Gegensatz zu den genannten Legierungen erwiesen sich Stoffe wie Quarzglas
(geschmolzener Quarz) und Ouarzkristalle als praktisch unveränderlich. Ihre Frequenzänderunb
n liegen, soweit sie wirklich nur auf das Material zurückzuführen sind, um mehrere
Größenordnungen unter denen aller bekannten Eisenlegierungen.
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Im folgenden sei nun die Erfindung beschrieben in Verbindung mit den
verschiedenen Möglichkeiten des elektrischen Antriebes und der Rückverwandlung der
Energie. In Fig. z ist schematisch eine Stimmgabel gezeichnet, die aus einem der
beschriebenen Materialien besteht und bei der die Energieumwandlung elektromagnetisch
erfolgt.
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Die Gabel i trägt zwei gleiche elektromagnetische Systeme. Jedes System
besteht aus einem permanenten Magneten 2, dem gegenüber ein lamellierter Eisenkern
3 angeordnet ist, der eine Spule 4. trägt. Diese Spule 4. kann einpolig mit der
:Rasse der Stimmgabel verbunden sein, das andere Ende der Spule führt über die Spiralfedern
5 bzw. 7 zum Gitter bzw. zur Anode der Antriebsröhre. Beide Systeme sind möglichst
an den: Enden der Zinken befestigt, an Stellen, an denen die Amplitude der Gabel
ein Maximum ist. Da beide Systeme gleich aufgebaut sind, können ihre Funktionen
vertauscht werden. Die Anordnung der beiden Systeme muß derart sein, daß kein direktes
magnetisches Übersprechen zwischen denselben möglich ist, d. h. so, daß der Streufluß
des unteren in das obere System der Fig. 2 extrem klein ist. Ein dem einen Spulensystem
zugeführter Wechselstrom darf keine meßbare Spannung in dem zweiten System erzeugen,
solange die Gabel nicht mitschwingt. Erst lvenn die Gabel schwingt, wird in dem
zweiten System durch die Bewegung der Gabel eine Spannung induziert. Die beiden
Systeme sind also ausschließlich durch den Schwingvorgang gekoppelt.
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An Stelle der in Fig.2 gezeigten Ausführung, bei der sowohl der permanente
Magnet wie das lamellierte Eisen der Spule stabförmig ausgebildet ist, wird man,
zweckmäßigerweise geschlossene magnetische Systeme verwenden, also entweder in U-Form
oder in Topfform. Falls notwendig, können noch zwischen den beiden Systemen magnetische
Abschirmbleche vorgesehen sein, die auf den Zinken starr befestigt sind, also an
der Bewegung gleichfalls teilnehmen. Der Luftabstand der beiden antreibenden Pole
beträgt i bis 2 mm. Die Energie, die der Gabel zur Deckung der Verluste zugeführt
werden
muß, liegt je nach der Amplitude uni dem Druck des die Gabel umgebenden Gases bei
io-3 bis io-5 Watt.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung trägt ein Zinken jeweils einen
permanenten ?Magneten und der gegenüberliegende Zinken die Antriebsspule. Die Kräfte,
die auf beide Zinken ausgeübt werden, sind trotz der scheinbaren Unsymmetrie grundsätzlich
gleich groß. Der Stiel der Gabel macht bei symmetrischer Massenverteilung keine
Querschwingungen. Die unvermeidbaren Längsschwingungen des Stieles werden durch
die Spiralfedern nicht meß@bar auf das Gehäuse übertragen.
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Bei einer Ausführung entsprechend Fig. 3 trägt jeder Zinken sowohl
einen permanenten Magneten wie eine Wechselstromspule. Vorteilhafterweise verwendet
man als Kern für die Spule ein Material, das sich gleichzeitig permanent magnetisieren
läßt und das keine Wirbelstromverluste aufweist. In diesem Fall hätte eine Stimmgabel.
gleiche Systeme, von denen jeweils zwei in Serie geschaltet sind.
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In Fig. q. ist schematisch ein elektrostatischer Antrieb einer Stimmgabel
dargestellt. Die Gabel besteht aus Quarzglas od. dgl. Jeder Zinken trägt eine Metallelektrode
von etwa i cm2 Fläche. Der Abstand der beiden Elektroden beträgt etwa 0,2 mm. Die
Spannungszuführungen auf der Gabel sind Metallstreifen, die in bekannter Technik
aufgedampft oder eingebrannt sind. Für die Aufhängung gilt dasselbe, was bei dem
elektromagnetischen Antrieb gesagt wurde.
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Die Elektroden müssen eine Gleichvorspannung von etwa ioo V erhalten.
Bei dem antreibenden System wird die Wechselspannung der Gleichspannung überlagert.
Für die Erzeugung einer Rückkopplungsspannung liegt zwischen der Vorspann.ungsquelle
und den Elektroden eine Widerstand von ioe bis i07 Ohm. Die Kapazitätsänderungen
der Gabel im Schwingzustand erzeugen in bekannter Weise an diesem Widerstand eine
Wechselspannung (Prinzip: Kondensatormikrophon).
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Der elektrostatische Antrieb kann auch bei Metallgabeln angewendet
werden. Iii, diesem Fall sind die Antriebselektroden und die Zuleitung isoliert
an den Gabelenden, zu befestigen.
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Fig. 5 zeigt eine Ausführung einer Stimmgabel, bei der der Antrieb
elektrostatisch, die Rückverwandlung der Schwingungsenergie in ein elektrisches
Signal elektromagnetisch geschieht.
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Bei den in Fig.2 und q. dargestellten Stimmgabeln sind die beiden
Systeme einpolig durchverbunden. Eine derartige Stimmgabel benötigt nur drei Zuführungen.
Eine solche Durchverbindung ist möglich, falls die Stimmgabel in Verbindung mit
einer Elektronenröhre als Generator einer konstanten Wechselspannung dienen soll.
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Die bisher beschriebene Stimmgabel kann aber auch allgemein als elektromechanisches
Filter verwendet werden. Fig. 6 zeigt schematisch ein solches Filter mit elektromagnetischem
Antrieb und Rückgewinnung der Spannung, Fig.7 ein Filter mit elektrostatischer Energiewandlung.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung müssen die Wandlerorgane auf ,der Gabel selbst
befestigt sein und an den Bewegungen teilnehmen. Außerdem soll die direkte magnetische
oder kapazitive Kopplung des Einganges des Vierpols mit dessen Ausgang klein sein.
gegenüber der elektromechanischen Kopplung durch die Schwingung der Gabel. Der Durchlaßbereich
eines solchen Filters ist gegeben durch den Verlauf der Resonanzkurve der Stimmgabel.
Die Energieverluste einer solchen Stimmgabel sind so klein, daß deren Güte Q je
nach Frequenz und Abmessung Werte von 104 bis io5 erreicht. Die Güte Q hestimmt
die relative Breite des durch das Filter übertragenen Frequenzbandes.
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Verbindet man den Eingang eines solchen Filters mit dem Anodenkreis
einer Verstärkerröhre, den Ausgang mit dem Gitterkreis, dann wird durch Rückkopplung
über die Gabelbewegung deren Eigenfrequenz angeregt, sobald bei richtiger Phasenlage
der antreibenden Kraft die Verstärkung ausreicht, um die mechanischen und elektrischen
Verluste der Anordnung zu decken.
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An Stelle der bisher beschriebenen einfachen Stimmgabel kann eine
Doppelstimmgabel in H-Form treten. Bei einer derartigen Gabel können die zu einem
Vierpol vereinigten elektrischen oder magnetischen Systeme auf der gleichen oder
der entgegengesetzten Gabelhälfte angeordnet sein.