Elektromechanisches Wellenfilter. Die Erfindung bezieht sich auf ein elek- tromeehanisches Wellenfilter, das eine Reihe von miteinander gekoppelten mechanisehen Schwingungselementen aufweist, wobei die Endelemente der Reihe, welche zur Umfor mung von elektrischen Schwingungen in me chanische Schwingungen, respektive umge kehrt, dienen, aus einem Material mit hohen Koeffizienten der Magnetostriktion und der innern mechanischen Dämpfung bestehen, die Zwischenelemente dagegen aus einem Material mit niedrigem Koeffizienten der innern me chanischen Dämpfung.
Gegenüber den üblichen Wellenfiltern rein elektrischer Art, welche die verschieden sten Kombinationen von Widerständen, Selbst induktionen und Kapazitäten aufweisen, be sitzen bekannte elektromechanische Filter der vorstehend genannten Art für manche An wendungen gewisse Vorzüge.
Ein Vorzug der elektromechanisehen Wel lenfilter besteht in den hohen Gütefaktoren, die erhalten werden können. Demzufolge kön nen mit nur wenigen Filterelementen scharf abgeschnittene Bandpasscharakteristiken er reicht und die körperlichen Dimensionen sol cher Filter relativ klein gehalten werden.
Die bisherigen Filter dieser Art arbeiten aber nur bei relativ geringen Frequenzen be friedigend, und die vorliegende Erfindung be zweckt, diese Filter so zu verbessern, dass sie auch im Ultraschallgebiet wesentlich oberhalb von 25 kHz arbeiten können.
Gemäss der Erfindung ist das elektro mechanische Wellenfilter dadurch gekenn zeichnet, dass jedes Schwingungselement aus einer ebenen, rechteckigen Platte besteht, wo bei die beiden Endelemente gleich breit sind, alle Zwischenelemente einander in der Breite gleich sind, die Frequenz der Breitenresonanz- sehwingtlng für alle Platten dieselbe ist und alle diese Platten so in einer Ebene angeordnet sind, dass die Breiten in der übertragungsrich- tung der Bewegungsenergie durch das Filter liegen.
Der Koeffizient. der Magnetostriktion eines Materials wird durch Messung der relativen Längenänderung eines Probestabes, der in Längsrichtung einem magnetischen Feld von 50 Gauss ausgesetzt wird, bestimmt. Diese Längenänderung beträgt bei reinem Nickel 2 X 10-7 pro Gauss. Wenn der Koeffizient eines Materials grösser als 0,5 X 10-7 pro Gauss ist, so soll er als hoch betrachtet wer den.
Als Koeffizient der innern mechanischen Dämpfung eines Materials wird das logarith mische Dä.mpfungsdekrement eines mechani schen Schwingungselementes aus diesem Mate rial bezeichnet, wenn das Schwingungselement keine Arbeit nach aussen abgibt; dieses Dekre- ment ist umgekehrt proportional zum Güte faktor. Wenn der Koeffizient der innern Dämpfung grösser als 0,001 ist, so wird er als hoch bezeichnet,. und wenn er kleiner als 0,001 ist, so wird er als niedrig bezeichnet.
In den Figuren der beiliegenden Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfin- dungsgegenstandes dargestellt.
Fig.1 ist ein Längsschnitt durch eine Aus führungsform des elektromechanischen Wel lenfilters gemäss der Erfindung, das in einen Radioempfänger eingebaut. ist, dessen Strom kreise schematisch dargestellt sind.
Fig. 2 ist ein Grundriss des in Fig.1 dar gestellten Filters.
Fig. 3 ist ein Grundr iss eines Teils des Fil ters von Fig.1 und 2.
Fig.4 ist eine schematische Ansicht des Filters gemäss den Fig.1 und 2, die zwecks besserer Verständlichkeit etwas anders ausge führt ist.
Fig. 5 zeigt für zwei verschiedene Radio empfänger die Dämpfung in Funktion der Frequenz.
Fig.6 zeigt auf ähnliche Art wie Fig.l eine etwas andere Ausführungsform des Fil ters gemäss der Erfindung.
Fig.7 zeigt. eine Variante der Kopplung zwischen den Schwingungselementen nach Fig. 6.
Fig. S und 10 zeigen andere Anordnungen einzelner Teile der Filter nach Fig. 1. und 6, und die Fig. 9 und 11 zeigen schematisch die ent sprechenden Schwingungsarten.
Gemäss Fig. 1 werden die von der Antenne 1 aufgenommenen Radiofrequenzsignale ini Verstärker und Frequenzumformer 2 ver stärkt und in Zwischenfrequenzsignale umge formt.. Die Anodenspannungsquelle ist durch B -I- angedeutet. Die Zwischenfrequenzsignale werden über einen Abwärtstransformator 3 an einen am einen Ende des elektro mechanischen Filters angeordneten magneto- striktiven Übertrager 4 geleitet.
In diesem werden die Signalströme in mechanische Vi- brationen umgewandelt, welche durch den Mittelteil 5 übertragen und dann am andern Ende des Filters durch den magnetostriktiven Übertrager 6 in Signalströme zurückverwan- delt werden. Die Signalströme vom Übertra ger 6 werden über einen Aufwärtstransforma tor 7 zum Zwischenfrequenzverstärker und Detektor ä geleitet, wo sie auf übliche Weise gleichgerichtet, verstärkt und dem Lautspre cher 9 auf-,edrüekt werden.
Die Zwisehenfrequenzsignale vom Umfor mer 2 werden den Primär@vindun--eii 10 des erwähnten Abwärtstransforniators 3 aufge drückt. Der Kondensator 11, der parallel zur Primä.rwieklung 10 liegt, seliwingt mit der In duktanz dieser Wieklung zusammen mit Zwi schenfrequenz, wobei ein relativ grosser Strom in dem von der Primärwicklung 10 und der Kapazität 11B gebildeten Stromkreis fliesst. Die an der Sekundärwielzlung <B>11A</B> auftre tende Spannung rührt vom Stromfluss in der Primärwieklun- 10 des Transformators 3 leer.
Die Sekundärwicklung 11_1 besitzt relativ wenig Windungen im Vergleich zur ZVieklung 10, was bewirkt, dass die in die Sektindärwiek- lung 11-1 übertragene Impedanz und die darin auftretenden Spannungen beide niedrig sind.
Die Sekitndärwindnng 11_1 von niedi-ig-er Im pedanz ist mit der Kapazität 1.1 B tind der Ein gangsspule l2 des ma-netostriktiven L'bertra- gers 4 in Serie geschaltet, wobei die Impedanz der Spule 12 auch niedrig ist, so dass auf die Spule 1.2 eine grosse Leistung übertragen wird.
Die Kapazität 11B sehw ingt mit der Induk- tanz der Spule 12 bei der Zwischenfrequenz in Resonanz. Der Strom, der zur Eingangsspule 12 fliesst, als Folge der in der Sekundärwick lung 11.A induzierten Spannung, erzeugt im Endsehwingungselement 13 des Filters einen magnetischen Fluss von sieh verändernder Dichte. Der von einem Si-nalstrom erzeugte Fluss, der in die Eingangsspule 12 fliesst, ver läuft parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Energie durch das elektromeehanisehe Filter.
Der Permanentmagnet 14 erzeugt im Endele ment 13 einen konstanten Floss, der parallel ist zu dem Fluss, der vom in die Eingangs spule 12 fliessenden Strom erzeugt wird: der konstante Fluss dient zur Vorspannung des Endelementes 13. Dadurch erzeugt der in folge eines Signalstromes schwankende ma gnetische Fluss in der Eingangsspule 12 einen magnetostriktiv en Effekt im Element. 13. Die ser magnetostriktive Effekt erzeugt eine Ver änderung der Dimension des Elementes 13 parallel zum magnetischen Fluss.
Die von die sem magnetostriktiven Effekt erzeugte Bewe gungsenergie wird aufeinanderfolgend durch die Kopplungsglieder 15 und die dazwischen liegenden Zwischenschwingungselemente 16, <B>17, 18</B> und 19, und vom letzten Zwisehenele- nient 19 durch andere Kopplungsglieder 15 auf ein zweites Endelement 20 übertragen. Das Endelement 20 liegt in der Ausgangsspule 21 des magnetostriktiven Übertragers 6. Der Per manentmagnet \'? ruft im Endelement 20 einen konstanten, zur Achse der Ausgangs spule<B>21</B> parallelen Fluss hervor.
Im Feld des permanenten Magneten 22 ruft eine Verände rung derjenigen Dimension des Elementes 20, -elche parallel zu diesem Feld liegt, einen niagnetostriktiven Effekt hervor, was eine ent sprechende Veränderung des magnetischen Flusses im Element 20 veranlasst. In der Aus , gang:sspule \?l wird demgemäss eine entspre chende Spannung erzeugt.
Diese Spannung wird über die Kapazität 23_1 der Primärwiek- lung 23 des Aufwärtstransformators 7 aufge drückt, welche Kapazität eine solche Grösse besitzt, dass sie mit der Induktanz der Aus gangsspule 2l zusammen bei der Zwisehenfre- quenz in Resonanz schwingt.
Die Zwischenfre- (luenz-Signalspannung, welche an der Sekun- därcvieklun,)- ''4 des Aufwärtstransformators 7 erseheint, besitzt. eine verstärkte Amplitude, und wenn die Sekundärwieklung 24 und die Kapazität 25 mit der Zwischenfrequenz mir Resonanz gebracht werden, dann ist die Im pedanz des Resonanzstromkreises genügend gross, um eine wirksame Kopplung mit dem Gitterstromkreis der nachfolgenden Zwischen verstärkungsstufe zu ergeben.
Die Gleiehrieh- tung der Modulationssignale, die Verstärkung und Wieder=abe werden in den Elementen 8 und 9 auf übliche Weise vorgenommen. Eine am Seliwin-ungskreis abgenommene Regel spannung AVC wird in üblieher Weise zum Ausgleich des Fadings verwendet.
Die Funktionsweise des elektromechani- sehen Wellenfilters geht, am besten aus der schematischen Darstellung von Fig.4 hervor. Es ist. ersiehtlieh, dass das elektromeelianiselie Wellenfilter mehrere miteinander gekoppelte Schwingungselemente umfasst, die in einer Reihe angeordnet sind, nämlich die Endele- mente 13, \?0 und eine Anzahl von Zwischen elementen 16, 17, 18 und 19.
In Fig. 4 ist. eine Anordnung gezeigt zur Erzeugung eines Flus ses durch die Endelemente 13 und 20 parallel 2.ur Achse der Spulen 12 und 21. Ein magne tischer Fluss fliesst von entsprechenden Polen durch die Endelemente 13 und 20. Jedes Schwingungselement besteht aus einer ebenen rechteckigen Platte. Die beiden Endelemente sind gleich breit; alle Zwischen elemente sind einander in der Breite gleich, wobei die Breite der Zwisehenelemente von der der Endelemente abweichen kann.
Alle Plat ten sind so in einer Ebene angeordnet., dass die Breiten in der Übertragungsriehtung der Wel len durch das Filter liegen. Weil die Breite des Endelementes 13 parallel zum magneti schen Fluss liegt, der durch den durch die Eingangsspule 1? fliessenden Signalstrom er zeugt wird, ist es diese Breite, die durch den inagnetostriktiv en Effekt in diesem Element verändert wird. Jede einzelne Platte weist eine Resonanz auf, wenn die Breite der Platte einer halben Wellenlänge der Schwingungen in der Platte entspricht.
Um zu erreichen, dass die Resonanz aller Platten bei der gleichen Frequenz auftritt, müssen alle Zwischenele mente einander in Breite gleichen; da. die End- elemente aus einem andern Material herge stellt sind, erfordern sie im allgemeinen eine Breite, welche von der der Zwischenelemente abweicht. Die Kupplungsdrähte 15 zwischen den be- naehbarten Sehwingungselementen sind ela stische Glieder von niedriger Masse und haben @-orzugsweise eine Länge, die mindestens an nähernd einem Achtel der Wellenlänge der Resonanzschwingungen in den Platten ent spricht, also einem Viertel der Plattenbreite.
Die Endelemente 13 und 20 bestehen zum Beispiel aus Nickel, das einen grossen Koeffi zienten der 3lagnetostriktion aufweist, näm lich 2 X 10-7 pro Gauss. Der Koeffizient der innern mechanischen Dämpfung ist ebenfalls hoch, nämlich 0,003. Die Platten 16, 17, 18 und 19 bestehen zum Beispiel aus rostfreiem Stahl, das einen nied rigen Koeffizienten der innern mechanischen Dämpfung hat, nämlich 0,0001. Es ist weder ein Vorteil noch ein Nachteil, wenn das in den Zwischenelementen verwendete Material geringe magnetostriktive Eigenschaften be sitzt.
Das für die Kopplungsdrähte 15 verwen dete Material sollte ebenfalls eine geringe innere Dämpfung besitzen. Beispiele für Ma terialien mit geringen mechanischen Dämp- fungskoeffizienten sind Quarz, Aluminium und Stahl. Die Teile 41 bis 44A. von Fig.1 werden später im Zusammenhang mit Fis. 6 erläutert.
Die Kurve A. in Fig.5 zeigt die Dämp- fungscliarakteristik oder Selektivitätskurv e für einen Siperheterodyne-Radioempfänger üblicher Art. Die Kurve B zeigt die Dämp- fungscharakteristik oder Selektivitätskurve eines Superheterodyneempfängers, der (las in Fig.1 gezeigte und darauf bezugnehmend be schriebene elektromechanische Filter enthält.
Auf der Ordinatenachse ist die relative Grösse der Ausgangsspannung in logarithmiseliem Massstabe aufgetragen, auf der Abszissenachse die Frequenz.
Die Überlegenheit eines ein Filter gemäss Fig.1 enthaltenden Radioempfängers gegen über einem gegenwärtig auf dem Markt be findlichen Empfänger geht. aus einem Ver gleich der Kurven A und B von Fig. 5 hervor. Die Kurve 13 zeigt eine im wesentlichen flache Charakteristik über einen Frequenzbereieh von 8 Kilohertz Bandbreite. Diese Charak teristik ist erwünscht, um eine gleichmässige Verstärkung der beiden Seitenbandfrequenzen zu gewährleisten, welche bei den üblichen am plitudenmodulierten Radiosignalen vorhanden sind.
Die Kurve A zeigt, dass ein üblicher Ra dioempfänger keine solch flache Charakteristik hat. Bei einem ein beschriebenes elektromeeha- nisches Filter enthaltenden Empfänger ver läuft die Schwächung der mehr als 4 Kilohertz beidseitig der eingestellten Frequenz liegen den Radiosignale, wie man sieht, äusserst rasch.
Gemäss Fig. 6 werden die Zwischenfre- quenzsignale vom Radiofrequenzv erstärker und Umformer 2 direkt. mit der Hochimpe- danz-Eingangsspule 25 des magnetostriktiven Übertragers 26 gekoppelt. Der Strom, welcher in dieser Hoehimpedanzspule 25 als Folge die ser Zwischenfrequenzsignale fliesst, erzeugt einen magnetischen Fluss veränderlicher Dichte.
Ein vom Permanentmagneten 28 her rührender konstanter inagtietischer Fluss durchfliesst das Endelement 27, das durch eine rechteckige ebene Platte gebildet wird, in einer Richtung parallel zur Richtung des variierenden magnetischen Flusses, der von der Eingangsspule 25 erzeugt wird.
Wie beim Filter gemäss Fig.1 ist es die Breite des Endelementes 27, welche parallel zum magnetischen Fluss angeordnet ist, und deshalb wird durch den magnetostriktiven Effekt in diesem Element die Breite variiert.
Die magnetostriktive Bewegung des Ele mentes 27 pflanzt sieh durch den Mittelteil 29, der eine Anzahl von Zwischenelementen 30, 31, 32 und 33 aufweist, zum Endelement 35 fort, das ebenfalls als ebene Platte ausgebildet ist. Alle diese Schwingungselemente 27, 30, 31, 32, 33 und 25 sind rechteckige Platten gleicher Breite, die in derselben Ebene liegen und so angeordnet sind, dass die Breite in Richtung der Wellenfortpflanzung liegt.
Die Kopplungsglieder zwisehen diesen sechs Ele inenten sind Drähte wie im Falle von Fig.1. Die vom Endelement. 35 im niagnetostriktiven Übertrager 34 aufgenommene Bewegungsener gie wird in der Hoehimpeclanz-Ausgangsspule 36 in elektrische Impulse umgewandelt. Der permanente Magnet 37 bewirkt, dass ein kon stanter magnetischer Fluss durch das Endele- ment 35 fliesst.
Die in der Iloehimpedanz-Aus- ga.ngsspule 36 auftretenden elektrischen Im pulse sind Zwisehenfrequenzsignale, welche denen, die der Hochimpeclanz-Eingangsspule 25, aufgedriiekt werden, entsprechen, mit dem Unterschied, dass nur die im Passband liegen den Frequenzen übertragen werden.
Die Im pedanz der Ausgangsspule 36, wenn sie mit der Kapazität 46 in Resonanz steht, ist ge nügend gross, dass sie direkt mit dem Gitter eingang einer nachfolgenden Verstärkerstufe 38 verbunden werden kann. Der Zwisehenfre- quenzverstärker, der Detektor und die Hör r requenz-Verstärkerstufen 38 erfüllen ihre üblichen Funktionen und liefern ein Hör signal, das der Modulation des vom Filter 39 erhaltenen Zwischenfrequenzsignals entspricht. Dieses Hörsignal wird vom Lautsprecher 40 wiedergegeben.
Die Schwingungselemente sind so dimen sioniert, dass die Querschnittsfläche der Zwi schenelemente mindestens annähernd doppelt so gross ist wie die Querschnittsfläche der End- elemente, welche Quersehnittsflächen senk recht zur Fortpflanzungsrichtung der Wellen durch das Filter stehen.
Diese Dimensionierung ist. analog zu der jenigen eines rein elektrischen Filters, bei dem in üblicher Weise in den Endabschnitten elek trische Seriereaktanzen benützt werden, die halb so gross sind wie diejenigen, die in den Zwischenabschnitten verwendet werden, um Reflexionen vermeiden zu können.
L m ein bestimmtes Passband für das elek tromechanische Wellenfilter zu erhalten, das in den Fig.1 und 6 gezeigt ist, muss der Durchmesser der Kopplungsdrähte so gewählt werden, dass das Verhältnis vom Gesamtquer schnitt der Kopplungsglieder zwischen be nachbarten Elementen zum Querschnitt der Endelemente (die Querschnitte in Ebenen rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung der Bewegungsenergie durch das Filter) im we sentlichen gleich ist g/2mal dem Verhältnis der Breite des gewünschten Passbandes zu dessen Mittelfrequenz ist.
Ebene rechteckige Metallplatten können bei einer grossen Zahl von Frequenzen auch Biegesehwingungen ausführen. Um die Plat ten 30, 31, 32 und 33 zu verhindern, bei die sen Frequenzen Energie zu übertragen, wer den Dämpfungsstreifen oder Dämpfer 41 und 42 für unerwünschte Schwingungen auf bei den Seiten dieser Platten angebracht. Diese Dämpfungsstreifen können aus Gummi oder einem andern Material bestehen, das Schwin- gungen wirksam dämpft.
Diese Streifen dienen gleichzeitig zur Halterung der Schwingungsele- mente. So wie sie angeordnet sind, haben diese Dämpfungsstreifen nur wenig Einfluss auf die Schwingungen der Schwingungselemente, die in Breitenrichtung der Platten, also in der Längsrichtung, schwingen. Man bemerkt, dass dieselben Dämpfungsstreifen auch in der Ausführung nach Fig.1 erscheinen. Die Strei fen erfüllen dort dieselbe Aufgabe und wer den nach den gleichen Gesichtspunkten an geordnet.
Die Platten 43 und 44 und der Bü gel 44I1 in Fig.l und 6 dienen als elektro statische und elektromagnetische Abschirmung zwischen der Eingangs- und der Ausgangs spule in den Endpartien der in diesen Figu ren gezeigten elektromechanisehen Filter.
In Fig.7 sind die Zwischenelemente 47, 48, 49 und 50 und die Kopplungsglieder 51, 52, 53, 54 und 55 als Ganzes aus einem ein zigen Blechstück mit geringer innerer mecha nischer Dämpfung ausgestanzt. Rein beispiels weise kann angeführt werden, dass es sich wieder um rostfreien Stahl handeln kann. Die Endelemente 56 und 57 bestehen wieder aus ebenen Platten aus magnetostriktivem Mate rial mit. hohen Koeffizienten der Magneto- striktion und der innern mechanischen Dämp fung. Sie können mit den Kopplungselementen 54 und 55 durch Schweissung oder sonstwie fest verbunden werden.
Eine solche Fabrika tionsweise ist einfach und billig. Das Verhält nis zwischen dem Querschnitt der Kopplungs glieder und dem Querschnitt der Endelemente, das im Zusammenhang mit dem Filter gemäss Fig.1 und 6 angegeben wurde, führt bei hohen Frequenzen zu unausführbar schmalen Kopp lungsgliedern. Um dem abzuhelfen, kann man die magnetostriktiven Endelemente, die Zwi schenelemente und die Kopplungsglieder auf andere Weise schwingen lassen, als bisher an genommen wurde.
Bei der schematischen Darstellung von Fig. 8 erzeugen die Spule 58 und der Perma nentmagnet 59 im Endelement 60 je einen Fluss, dessen Richtung parallel zur Länge der rechteckigen Platte 60 liegt, so dass die Reso nanzfrequenz des Filters durch diese Länge bestimmt wird. Diese Länge und deshalb die Schwingungsrichtung des Elementes 60 steht normal zur Fortpflanzungsrichtung der Be- wegungsenergie (der Wellenfortpflanzungs- riehtung) durch das Filter, was bewirlzt, dass die Kopplungsglieder für die Energieübertra gung ebenfalls in dieser Richtung schwingen.
Kopplungselemente mit einem ausführbaren Querschnitt ergeben dann keine übermässige Kopplung zwischen den Schwingungselemen ten mehr. Diese Art der Erregung kann da her vorteilhaft bei einem elektromechanischen Filter, das die in bezug auf Fig.7 beschrie benen Elemente aufweist, angewandt werden.
Fig. 9 zeigt. stark übertrieben die Verände rungen, die bei einem Filter gemäss Fig.8 auftreten. Das Endelement ist in einem ge wissen Moment quer zur Fortbewegungsrich tung der Welle stark ausgedehnt; das an schliessende Kopplungsglied muss an dieser Ausdehnung teilnehmen, weil es mit seinem linken Rand mit dem rechten Rand des End- elementes verbunden ist. Die Ausdehnung ver läuft in der Breitenriehtung des Kopplungs gliedes und wird durch Schubkräfte von links nach rechts weitergeleitet.
Der rechte Rand des Kopplungsgliedes ist an das nächste plat- tenförmige Schwingungselement angeschlos sen, und ein kleiner Teil der auf den linken Rand des Kopplungsgliedes wirkenden Aus dehnungskraft wird auf dieses Element über tragen.
Wenn die Breite W des Kopplungsgliedes grösser gemacht wird, wird ein grösserer Pro zentsatz der am linken Rand auftretenden Ausdehnung auf den rechten Rand des Kopp lungsgliedes übertragen; ferner wirken die auf das folgende Element. übertragenen Kräfte zwischen zwei weiter voneinander entfernten Punkten, wobei eine gegebene Kraft eine grö ssere Expansion des folgenden Elementes be wirkt. Die Wirksamkeit der Kopplung und deshalb die Bandbreite des Filters wird so mit der Vergrösserung von W rasch vergrö ssert.
Anderseits bewirkt. eine Vergrösserung der Länge L des Kopplungsgliedes eine Vermin derung dieses Prozentsatzes der ursprüngli- ehen Ausdehnung, die am rechten Rand des Kopplungselementes auftritt. Eine Vergrösse rung der Länge vermindert deshalb die Wirk- samkeit der Kopplung und verkleinert die Bandbreite.
Jede gewünselite Bandbreite kann durch eine unendliche Zahl von Kombinationen der Länge L und Breite W erzielt werden; inner halb gewisser Grenzen werden diese Kombina tionen sich auch für das Stanzen des in Fig. 7 gezeigten Bleehstüekes als praktisch erweisen.
Gemäss Fig. 10 erzeugt die Eingangsspule 61 einen sich verändernden magnetischen Fluss, dessen Richtung parallel zur Fortpflan zungsrichtung der Bewegungsenergie durch das Filter verläuft. Der permanente -Magnet 63 erzeugt jedoch ini Endelement 63 einen Fluss, der normal zur Fortpflanzungsrichtung der BewegLingsenergie liegt. Die resultieren den magnetostriktiv en Kräfte bewirken, dass das Element so schwingt, wie dies in Fig.l1 gezeigt ist.
Die Kopplungsglieder eines diese Erregungsart verwendenden Filters schwin gen dann so, wie ebenfalls ans Fig. 11 ersielit- lieh ist, und es können daher auch Kopplungs glieder verwendet -erden, die mit den Seli #in- C ungsplatten aus einem Stück bestehen, wie in Fig. 7 gezeigt. wurde.
Gemäss Fig. 1.1 bewegt. sieh der ganze rechte Rand des Endelementes in umgekehr ter Richtung wie der linke Rand. Diese Bewe gung wird durch das bei diesem Vorgang ver zerrte Kupplungsglied auf den linken Rand des folgendem #;chwinguii-selenieiites übertra gen.
Innerhalb des Kopplungselementes kön nen drei Zonen unterschieden werden: Eine zentrale Zone, in welcher im wesentlichen nur Selrubkräfte auftreten, und zwei Randzonen, die an das Endelement und das folgende Schwingungselement. anschliessen und in wel chen von der Biegung herrührende Zug- und Druckkräfte vorherrschen.
Wenn 11' bedeu tend grösser ist als L, sind die Seliubkräfte in der zentralen Zone wesentlich; die Kopp lung ist dann proportional zu W und umge kehrt proportional zu L. Wenn IV jedoch be deutend kleiner als L ist, schrumpft die zen trale Zone zusammen, und die Nachgiebigkeit. des Streifens für die Übertragung der par allelen Bewegung wird liauptsäelilich durch die Biegung in den beiden Randzonen be- herrscht. Die Kopplung wird dann direkt pro portional zur dritten Potenz von W und um gekehrt proportional zur dritten Potenz<I>von L.</I>
Wenn L und<B>IV</B> von der gleichen Grössen ordnung sind, wird eine Berechnung der Kopplung äusserst schwierig. Auf alle Fälle wird jedoch die Kopplung verstärkt durch Vergrösserung von W und Verkleinerung von L. Es ist wiederum möglich, mit vielen Kombi nationen von L und W eine gewünschte Kopp lung zu erzielen, wobei einige davon auch für die Fabrikation geeignet sind.
Es ist klar, dass das erfindungsgemässe elektromechanisehe Wellenfilter auch in an dern Gebieten als bei Radioempfängern ver wendet werden kann. Beispielsweise können diese Filter auch in der Trägertelephonie und in der Verstärkerteehnik angewendet werden.
Electromechanical wave filter. The invention relates to an electromechanical wave filter which has a series of mechanical vibration elements coupled to one another, the end elements of the series, which are used to convert electrical vibrations into mechanical vibrations, or vice versa, are made of a material with high There are coefficients of magnetostriction and internal mechanical damping, while the intermediate elements are made of a material with a low coefficient of internal mechanical damping.
Compared to the usual wave filters of purely electrical type, which have the most different combinations of resistances, self-inductances and capacities, be sitting known electromechanical filters of the type mentioned above for some applications to certain advantages.
A benefit of the electromechanical wave filters is the high quality factors that can be obtained. As a result, sharply cut bandpass characteristics can be achieved with only a few filter elements and the physical dimensions of such filters can be kept relatively small.
The previous filters of this type work only at relatively low frequencies be satisfactory, and the present invention is intended to improve these filters so that they can work well above 25 kHz in the ultrasonic area.
According to the invention, the electro-mechanical wave filter is characterized in that each vibration element consists of a flat, rectangular plate, where the two end elements are the same width, all intermediate elements are equal in width, the frequency of the width resonance oscillation for all plates is the same and all these plates are arranged in one plane so that the widths lie in the direction of transmission of the kinetic energy through the filter.
The coefficient. The magnetostriction of a material is determined by measuring the relative change in length of a test rod which is subjected to a magnetic field of 50 Gauss in the longitudinal direction. With pure nickel this change in length is 2 X 10-7 per Gauss. If the coefficient of a material is greater than 0.5 X 10-7 per Gauss, it should be considered high.
The coefficient of internal mechanical damping of a material is the logarithmic damping decrement of a mechanical vibration element made from this material when the vibration element does not deliver any work to the outside; this decrement is inversely proportional to the quality factor. If the coefficient of internal damping is greater than 0.001, it is said to be high. and if it is less than 0.001, it is said to be low.
Some exemplary embodiments of the subject of the invention are shown in the figures of the accompanying drawing.
Fig.1 is a longitudinal section through an embodiment of the electromechanical Wel lenfilters according to the invention, which is built into a radio receiver. is, whose circuits are shown schematically.
Fig. 2 is a plan view of the filter provided in Fig.1.
FIG. 3 is a plan view of a portion of the filter of FIGS.
4 is a schematic view of the filter according to FIGS. 1 and 2, which leads out somewhat differently for the purpose of better understanding.
Fig. 5 shows the attenuation as a function of frequency for two different radio receivers.
Fig. 6 shows in a similar way to Fig.l a slightly different embodiment of the Fil age according to the invention.
Fig.7 shows. a variant of the coupling between the vibration elements according to FIG. 6.
S and 10 show other arrangements of individual parts of the filter according to FIGS. 1 and 6, and FIGS. 9 and 11 show schematically the corresponding types of vibration.
According to FIG. 1, the radio frequency signals picked up by the antenna 1 are amplified ver ini amplifier and frequency converter 2 and converted into intermediate frequency signals .. The anode voltage source is indicated by B -I-. The intermediate frequency signals are passed via a step-down transformer 3 to a magnetostrictive transformer 4 arranged at one end of the electromechanical filter.
In this the signal currents are converted into mechanical vibrations, which are transmitted through the central part 5 and then converted back into signal currents at the other end of the filter by the magnetostrictive transmitter 6. The signal currents from the Ütransformer 6 are passed through a step-up transformer 7 to the intermediate frequency amplifier and detector ä, where they are rectified in the usual way, amplified and the loudspeaker 9 is printed out.
The dual frequency signals from the converter 2 are pushed to the primary @ vindun - eii 10 of the step-down transformer 3 mentioned. The capacitor 11, which is parallel to the primary winding 10, selects the inductance of this weighing together with the intermediate frequency, with a relatively large current flowing in the circuit formed by the primary winding 10 and the capacitor 11B. The voltage occurring at the secondary winding <B> 11A </B> is due to the current flow in the primary circuit 10 of the transformer 3 empty.
The secondary winding 11_1 has relatively few turns in comparison to the ZVieklung 10, which has the effect that the impedance transmitted into the Sektindärwiek- development 11-1 and the voltages occurring therein are both low.
The Sekitndärwindnng 11_1 of low impedance is connected in series with the capacitance 1.1 B tind of the input coil l2 of the magnetostrictive transformer 4, the impedance of the coil 12 also being low, so that on the Coil 1.2 a large power is transmitted.
The capacitance 11B oscillates in resonance with the inductance of the coil 12 at the intermediate frequency. The current that flows to the input coil 12, as a result of the voltage induced in the secondary winding 11.A, generates a magnetic flux of varying density in the final vibration element 13 of the filter. The flux generated by a Si-nalstrom, which flows into the input coil 12, runs parallel to the direction of propagation of the energy through the electro-mechanical filter.
The permanent magnet 14 generates a constant raft in the end element 13, which is parallel to the flux generated by the current flowing into the input coil 12: the constant flux is used to pretension the end element 13 Magnetic flux in the input coil 12 has a magnetostrictive effect in the element. 13. This magnetostrictive effect produces a change in the dimension of the element 13 parallel to the magnetic flux.
The motion energy generated by this magnetostrictive effect is successively transmitted through the coupling members 15 and the intermediate vibration elements 16, 17, 18 and 19, and from the last intermediate element 19 through other coupling members 15 to a second end element 20 transferred. The end element 20 is in the output coil 21 of the magnetostrictive transmitter 6. The permanent magnet \ '? causes in the end element 20 a constant flux parallel to the axis of the output coil <B> 21 </B>.
In the field of the permanent magnet 22, a change in that dimension of the element 20, which is parallel to this field, causes a niagnetostrictive effect, which causes a corresponding change in the magnetic flux in the element 20. A corresponding voltage is generated in the output coil.
This voltage is pressed across the capacitance 23_1 of the primary wave 23 of the step-up transformer 7, which capacitance has such a size that it oscillates in resonance with the inductance of the output coil 2l at the second frequency.
The intermediate frequency (luence signal voltage, which is seen on the secondary vieklun,) - '' 4 of the step-up transformer 7 has. an amplified amplitude, and if the secondary oscillation 24 and the capacitance 25 are brought to resonance with the intermediate frequency, then the impedance of the resonance circuit is sufficiently large to produce an effective coupling with the grid circuit of the subsequent intermediate amplification stage.
The equilibrium of the modulation signals, the amplification and reproduction are carried out in the elements 8 and 9 in the usual way. A control voltage AVC taken from the Seliwin-ungskreis is used in the usual way to compensate for the fading.
The mode of operation of the electromechanical wave filter can be seen best from the schematic representation of FIG. It is. It can be seen that the electromeelianiselie wave filter comprises several vibrating elements coupled to one another, which are arranged in a row, namely the end elements 13, 0 and a number of intermediate elements 16, 17, 18 and 19.
In Fig. 4 is. an arrangement is shown for generating a flux through the end elements 13 and 20 parallel to the axis of the coils 12 and 21. A magnetic flux flows from corresponding poles through the end elements 13 and 20. Each vibration element consists of a flat rectangular plate. The two end elements are equally wide; all intermediate elements are equal to one another in width, it being possible for the width of the intermediate elements to differ from that of the end elements.
All plates are arranged in one plane so that the widths lie in the transmission direction of the waves through the filter. Because the width of the end element 13 is parallel to the magnetic flux that flows through the input coil 1? If a flowing signal current is generated, it is this width that is changed by the inagnetostrictive effect in this element. Each individual plate has a resonance when the width of the plate corresponds to half a wavelength of the vibrations in the plate.
To achieve that the resonance of all plates occurs at the same frequency, all intermediate elements must be equal in width; there. If the end elements are made of a different material, they generally require a width which differs from that of the intermediate elements. The coupling wires 15 between the nearby visual vibration elements are ela tical members of low mass and have a length that corresponds to at least one eighth of the wavelength of the resonance vibrations in the plates, so a quarter of the plate width.
The end elements 13 and 20 are made, for example, of nickel, which has a large coefficient of 3-position netting, namely 2 X 10-7 per Gauss. The coefficient of internal mechanical damping is also high, namely 0.003. The plates 16, 17, 18 and 19 are made, for example, of stainless steel, which has a low coefficient of internal mechanical damping, namely 0.0001. It is neither an advantage nor a disadvantage if the material used in the intermediate elements has low magnetostrictive properties.
The material used for the coupling wires 15 should also have a low internal attenuation. Examples of materials with low mechanical damping coefficients are quartz, aluminum and steel. Parts 41 to 44A. of Fig.1 are later in connection with Fis. 6 explained.
Curve A. in FIG. 5 shows the attenuation characteristic or selectivity curve for a siperheterodyne radio receiver of the usual type. Curve B shows the attenuation characteristic or selectivity curve of a superheterodyne receiver that (read shown in FIG. 1 and described with reference to it) contains electromechanical filter.
The relative magnitude of the output voltage is plotted on the ordinate axis in a logarithmic scale, and the frequency is plotted on the abscissa axis.
The superiority of a radio receiver containing a filter according to FIG. 1 compared to a receiver that is currently on the market is a matter of fact. from a comparison of curves A and B of FIG. Curve 13 shows an essentially flat characteristic over a frequency range of 8 kilohertz bandwidth. This charac teristic is desirable in order to ensure a uniform amplification of the two sideband frequencies, which are present in the usual amplitude-modulated radio signals.
Curve A shows that a conventional radio receiver does not have such a flat characteristic. In the case of a receiver containing a described electro-mechanical filter, the attenuation of the radio signals, which are more than 4 kilohertz on both sides of the set frequency, is extremely rapid, as can be seen.
According to FIG. 6, the intermediate frequency signals from the radio frequency amplifier and converter 2 are direct. coupled to the high-impedance input coil 25 of the magnetostrictive transformer 26. The current which flows in this high impedance coil 25 as a result of these intermediate frequency signals generates a magnetic flux of variable density.
A constant magnetic flux originating from the permanent magnet 28 flows through the end element 27, which is formed by a rectangular flat plate, in a direction parallel to the direction of the varying magnetic flux generated by the input coil 25.
As with the filter according to FIG. 1, it is the width of the end element 27 which is arranged parallel to the magnetic flux, and the width is therefore varied in this element by the magnetostrictive effect.
The magnetostrictive movement of the ele mentes 27 propagates through the middle part 29, which has a number of intermediate elements 30, 31, 32 and 33, to the end element 35, which is also designed as a flat plate. All of these vibration elements 27, 30, 31, 32, 33 and 25 are rectangular plates of equal width, which lie in the same plane and are arranged so that the width lies in the direction of wave propagation.
The coupling elements between these six elements are wires as in the case of FIG. The one from the end element. 35 in the niagnetostrictive transducer 34 recorded movement energy is converted in the Hoehimpeclanz output coil 36 into electrical pulses. The permanent magnet 37 causes a constant magnetic flux to flow through the end element 35.
The electrical impulses occurring in the Iloehimpedanz-Ausga.ngsspule 36 are dual frequency signals which correspond to those imposed on the high-impeclance input coil 25, with the difference that only the frequencies in the pass band are transmitted.
The impedance of the output coil 36, when it is in resonance with the capacitance 46, is ge sufficiently large that it can be connected directly to the grid input of a subsequent amplifier stage 38. The Zwisehenfre- frequency amplifier, the detector and the hearing r requenz amplifier stages 38 fulfill their usual functions and deliver a hearing signal that corresponds to the modulation of the intermediate frequency signal obtained from the filter 39. This audio signal is reproduced by the loudspeaker 40.
The oscillation elements are dimensioned so that the cross-sectional area of the intermediate elements is at least approximately twice as large as the cross-sectional area of the end elements, which cross-sectional areas are perpendicular to the direction of propagation of the waves through the filter.
This sizing is. analogous to that of a purely electrical filter, in which electrical series reactances are used in the usual way in the end sections, which are half as large as those used in the intermediate sections in order to be able to avoid reflections.
To obtain a specific pass band for the electromechanical wave filter shown in FIGS. 1 and 6, the diameter of the coupling wires must be chosen so that the ratio of the total cross section of the coupling links between neighboring elements to the cross section of the end elements ( the cross-sections in planes at right angles to the direction of propagation of the kinetic energy through the filter) is essentially equal to g / 2 times the ratio of the width of the desired pass band to its center frequency.
Flat, rectangular metal plates can also perform flexural vibrations at a large number of frequencies. In order to prevent the Plat th 30, 31, 32 and 33 from transmitting energy at the sen frequencies, who attached the damping strips or dampers 41 and 42 for undesired vibrations on the sides of these plates. These damping strips can consist of rubber or another material that effectively dampens vibrations.
These strips also serve to hold the vibration elements. The way they are arranged, these damping strips have only little influence on the vibrations of the vibration elements, which vibrate in the width direction of the plates, i.e. in the longitudinal direction. One notices that the same damping strips also appear in the embodiment according to FIG. The strips there fulfill the same task and are arranged according to the same criteria.
The plates 43 and 44 and the bracket 44I1 in Fig.l and 6 serve as electrostatic and electromagnetic shielding between the input and output coil in the end portions of the electromechanical filter shown in these figures.
In Figure 7, the intermediate elements 47, 48, 49 and 50 and the coupling members 51, 52, 53, 54 and 55 are punched out as a whole from a single piece of sheet metal with low internal mechanical damping. Purely for example, it can be stated that it can again be stainless steel. The end members 56 and 57 again consist of flat plates of magnetostrictive material with. high coefficient of magnetostriction and internal mechanical damping. They can be firmly connected to the coupling elements 54 and 55 by welding or otherwise.
Such fabrication is simple and cheap. The ratio between the cross section of the coupling members and the cross section of the end elements, which was specified in connection with the filter according to FIGS. 1 and 6, leads to impracticably narrow coupling members at high frequencies. To remedy this, you can swing the magnetostrictive end elements, the inter mediate elements and the coupling members in a different way than was previously assumed.
In the schematic representation of FIG. 8, the coil 58 and the permanent magnet 59 each generate a flux in the end element 60, the direction of which is parallel to the length of the rectangular plate 60, so that the resonance frequency of the filter is determined by this length. This length and therefore the direction of oscillation of the element 60 is normal to the direction of propagation of the kinetic energy (the wave propagation direction) through the filter, which has the effect that the coupling elements for the energy transmission also oscillate in this direction.
Coupling elements with an executable cross-section then no longer result in excessive coupling between the oscillation elements. This type of excitation can therefore advantageously be used in an electromechanical filter which has the elements described with reference to FIG. 7.
Fig. 9 shows. the changes that occur in a filter according to FIG. 8 are greatly exaggerated. The end element is in a ge know moment transversely to the direction of movement direction of the wave greatly expanded; the connecting link must take part in this expansion, because its left edge is connected to the right edge of the end element. The expansion ver runs in the Breitenriehtung of the coupling member and is passed on by thrust from left to right.
The right edge of the coupling member is connected to the next plate-shaped vibration element, and a small part of the expansion force acting on the left edge of the coupling member is transmitted to this element.
If the width W of the coupling member is made larger, a larger percentage of the expansion occurring at the left edge is transferred to the right edge of the coupling member; they also act on the following element. transmitted forces between two points further apart, whereby a given force causes a greater expansion of the following element. The effectiveness of the coupling and therefore the bandwidth of the filter is thus rapidly increased as W is increased.
On the other hand causes. an increase in the length L of the coupling member a reduction in this percentage of the original expansion that occurs at the right edge of the coupling element. Increasing the length therefore reduces the effectiveness of the coupling and reduces the bandwidth.
Any desired bandwidth can be achieved by an infinite number of combinations of length L and width W; Within certain limits, these combina- tions will also prove to be practical for punching the bleed piece shown in FIG.
According to FIG. 10, the input coil 61 generates a changing magnetic flux, the direction of which runs parallel to the propagation direction of the kinetic energy through the filter. The permanent magnet 63, however, generates a flux in the end element 63 which is normal to the direction of propagation of the moving energy. The result of the magnetostrictive forces cause the element to oscillate as shown in Fig.l1.
The coupling elements of a filter using this type of excitation then vibrate as is also shown in FIG. 11, and coupling elements can therefore also be used which are made in one piece with the selection plates, as in FIG 7 shown. has been.
Moved according to Fig. 1.1. see the entire right edge of the end element in the opposite direction as the left edge. This movement is transferred to the left edge of the following #; chwinguii-selenieiites by the coupling link distorted during this process.
Three zones can be distinguished within the coupling element: A central zone, in which essentially only self-friction forces occur, and two edge zones, which are applied to the end element and the following vibration element. and in which tensile and compressive forces resulting from the bend prevail.
If 11 'is significantly greater than L, the self-forces in the central zone are essential; the coupling is then proportional to W and inversely proportional to L. However, if IV is significantly smaller than L, the central zone shrinks, and so does the compliance. of the strip for the transmission of the parallel movement is dominated mainly by the bend in the two edge zones. The coupling is then directly proportional to the third power of W and inversely proportional to the third power <I> of L. </I>
If L and IV are of the same order of magnitude, calculating the coupling becomes extremely difficult. In any case, however, the coupling is increased by increasing W and decreasing L. It is again possible to achieve a desired coupling with many combinations of L and W, some of which are also suitable for fabrication.
It is clear that the electromechanical wave filter according to the invention can also be used in areas other than radio receivers. For example, these filters can also be used in carrier telephony and in amplifier technology.