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Mechanisches Frequenzfilter, bestehend aus rechteckfönnigen, zu Flächenscherschwingungen
anregbaren Platten als Resonanzkörper Die Erfindung betrifft ein mechanisches Frequenzfllter,
das aus rechteckförmigen, zu Flächenscherschwingungen anregbaren Platten als Resonanzkörpern
besteht, die durch Biegeschwingungen ausführende Koppelelemente verbunden sind.
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Bei einem bekannten mechanischen Filter sind die zu Flächenscherschwingungen
anregbaren plattenförmigen Resonanzkörper in einer Ebene so angeordnet, daß die
Schmalseiten größeren Flächeninhaltes einander zugewandt sind. Die Kopplung dieser
Resonatoren erfolgt entweder durch Biegeschwingungen ausführende kurze Drahtstücke
oder durch Koppelbänder, die sowohl auf Biegung als auch auf Scherung beansprucht
werden. Der Anteil der Biegeschwingungen an der Gesamtschwingung der Koppelbänder
hängt von ihrem Länge-Breite-Verhältnis ab (schweizerische Patentschrift 277 467).
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Ein anderes bekanntes mechanisches Filter weist zu Flächenscherschwingungen
erregbare streifenförmige Resonatoren auf, die in einer Ebene so aufeinanderfolgen,
daß die Schmalseiten kleineren Flächeninhalts einander gegenüberstehen. Die Resonatoren
dieses Filters sind durch dünne Stäbe gekoppelt, die einen sehr geringen Kopplungsfaktor
der Resonatoren ergeben (USA.-Patentschrift 2 696 590).
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Des weiteren gehört bereits ein mechanisches Filter dem Stand der
Technik an, bei welchem Flächencherschwingungen ausführende kreisscheibenförmige
Resonatoren in parallelen Ebenen so angeordnet sind, daß sie mit ihren Stirnflächen
einander gegenüberstehen. Die sich bei ihren Schwingungen elliptisch verformenden
Resonatoren sind jeweils durch einen c°ünnen Stab runden Querschnittes gekoppelt,
dessen . ,chse auf derselben Geraden liegt wie die Achsen . er Resonatoren (USA.-Patentschrift
2 696 590).
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Schließlich ist bereits ein mechanisches Filter beschrieben, bei welchem
als Schwingkörper plattenf'irmige, in parallelen Ebenen angeordnete Resonat@,)ren
dienen, die zur zweiten Harmonischen jener c drundbiegeschwingung angeregt werden,
für welche f chwingungsauslenkungen der Platte innerhalb der 'lattenebene charakteristisch
sind. Bei dieser Schwin-L ingsform bleibt nur der Mittelpunkt jeder Breitseite ccer
schwingenden Platte in Ruhe. Als Koppelelemente c'er Resonatoren sind durchlaufende,
Biegeschwingungen ausführende Drähte vorgesehen (schweizerische Patentschrift 267
220).
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Ausgehend von diesen bekannten Filtern, die sämtlich mindestens in
einigen der nachstehend angeführten Punkte verbesserungsbedürftig sind, stellt sich
die Erfindung die Aufgabe, ein mechanisches Frequenzfilter anzugeben, das einerseits
eine hohe mechanische Stabilität aufweist und sich insbesondere leicht haltern läßt,
andererseits aber auch eine sehr einfache Fertigung gestattet. Dazu soll das neue
Filter eine leicht überschaubare Verkopplung der einzelnen Resonanzkörper benutzen,
bei er zudem der Kopplungsfaktor von Glied zu Glied ohne weiteres und definiert
auf jeden gewünschten Wert eingestellt werden kann. Gefordert wird weiter eine Ausbildung
und Anordnung der Resonanzkörper derart, daß eine besonders weitgehende Unterdrückung
unerwünschter Nebenresonanzen gewährleistet wird, ohne daß eine Beeinträchtigung
der Durchlässigkeit für die Hauptfrequenz zu befürchten ist.
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Allen diesen Forderungen genügt das Filter nach der Erfindung, das
der Gruppe der mechanischen Siebanordnungen angehört, die aus rechteckförmigen,
zu Flächenscherschwingungen anregbaren Platten als Resonanzkörper und aus Biegeschwingungen
ausführenden Koppelelementen aufgebaut sind, durch die Kombination folgender, an
sich bekannter Merkmale: a) Anordnung der zu Flächenscherschwingungen anregbaren
Resonanzkörper in parallelen Ebenen, b) Verwendung durchlaufender Drähte als Koppelelemente.
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Diese erfindungsgemäße Kombination bringt einmal den Vorteil der sehr
leichten Berechenbarkeit des Koppelfaktors. Weiter kann der Koppelfaktor in weitem
Maße durch eine Veränderung der Befestigungspunkte der Koppeldrähte an den Resonanzkörpern
verändert und innerhalb des Filters unterschiedlich eingestellt werden. Außerdem
zeichnet sich die Anordnung nach der Erfindung durch ein besonders leichtes Herstellungsverfahren
aus, das sich sehr gut für eine Fertigung in automatisch arbeitenden Maschinen eignet.
Es ist ein kompakter Aufbau
mit hoher mechanischer Stabilität erreichbar,
der eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen aufweist. Aus einer Reihe
von Halterungsmöglichkeiten kann die den Erfordernissen des Einzelfalles am besten
entsprechende ausgewählt werden.
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Es hat sich ferner gezeigt, daß beim Filter nach der Erfindung die
bekannten nächstliegenden Maßnahmen zur Herabsetzung auf die Nebenwelligkeit der
Resonatoren zurückzuführenden Störerscheinungen bereits zum Ziel führen.
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In den Zeichnungen zeigt F i g. 1 eine zu Flächenscherschwingungen
angeregte Resonanzplatte, F i g. 2 a und 2 b zwei Ausführungsformen des Filters
nach der Erfindung.
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Es ist bekannt, daß durch eine Flächenscherschwingungen ausführende
quaderförmige piezoelektrische Kristallplatte ein Stab zu Longitudinalschwingungen
anregbar ist, der von einer der zwei Schmalseiten geringeren Flächeninhaltes in
der Nähe einer kurzen Kante ausgeht und zu dieser Schmalseite senkrecht verläuft.
Analog läßt sich die in F i g. 1 wiedergegebene. quaderförmige Platte 1 durch einen
Longitudinalschwingungen abgebenden elektromechanischen Wandler zu Flächenscherschwingungen
anregen. In F i g. 1 ist ein solcher Wandler schematisch als magnetostriktiv wirkender
Wandler 9 veranschaulicht, dessen magnetostriktiver Bestandteil durch einen Permanentmagneten
vormagnetisiert wird. In der Platte 1 bildet sich dabei die Bewegungsknotenebene
10 aus, die senkrecht zur Plattenebene und parallel zu den Plattenkanten größter
Länge sich erstreckt. Der durch diese Knotenebene sich ergebende obere Teil der
Platte 1 führt somit gegenüber den unteren Scherschwingungen in der Plattenebene
aus. Die Eigenresonanzfrequenz einer solchen zu Flächenscherschwingungen angeregten
Platte ergibt sich aus der Formel
Darin bedeutet = Scherresonanzfrequenz, K = 2,088 für die Grundwelle, b = Plattenbreite,
Gs = Scherungsmodul, o = Dichte, E = Elastizitätsmodul.
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Da bei Flächenscherschwingungen ausführenden Platten die Plattenbreite
und nicht die Plattenlänge für die Eigenresonanzfrequenz maßgebend ist, ergeben
sich für in ihrer Grundwelle angeregte Platten auch noch bei hohen Frequenzen fertigungstechnisch
tragbare Abmessungen. Eine Platte aus der unter dem geschützten Warenzeichennamen
»Ni-Span C« bekanntgewordenen Legierung mit einer Breite b von 4,6 mm hat z. B.
eine Flächenscherresonanzfrequenz von etwa 400 kHz. Die warmverformbare und aushärtbare
Legierung »Ni-Span C« besteht zu etwa 42% aus Nickel und zeichnet sich durch hohe
Zugfestigkeit sowie durch einen im Temperaturbereich von -45 bis 94° C konstanten
Elastizitätsmodul aus.
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Die F i g. 2 a und 2 b zeigen zwei Ausführungsbeispiele des Filters
nach der Erfindung mit drei zu Flächenscherschwingungen angeregten 'Resonanzplatten
1, 2, 3, die entsprechend den Lehren der Erfindung in parallelen Ebenen angeordnet
und durch durchlaufende homogene Drähte 4, 5, 6, 7 als Koppelelemente verbunden
sind. Die Drähte 4 bis 7 sind an zwei gegenüberliegenden Schmalseiten der Resonanzplatten
1, 2, 3 angeschweißt oder angelötet.
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Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 a sind die für die Platten
1, 2, 3 vorgesehenen Koppeldrähte 4 bis 7 an jenen Plattenschmalseiten angeschweißt,
die parallel zur Knotenebene 10 der Platten verlaufen. Da diesen Schmalseiten entlang
die Flächenscherschwingungen mit größter Amplitude auftreten, ergibt diese Bauart
des Filters für die Platten maximale Kopplungsfaktoren.
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Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 b sind die Koppeldrähte 4,
5, 6, 7 an den senkrecht zur Knotenebene 10 verlaufenden Schmalseiten-der Platten
1, 2, 3 im Abstand x von der Knotenebene angeschweißt. Durch passende Wahl der Strecken
x bei jeder Platte ist ein bestimmter Koppelfaktor für jeweils aufeinanderfolgende
Platten verwirklichbar. Durch die auf diese Weise herbeiführbare Stufung der Koppelfaktoren
der einzelnen Resonanzkörper innerhalb eines Filters lassen sich die jeweiligen
Forderungen an den Verlauf der Filterdurchlaßkurve mit vergleichsweise geringem
Aufwand erfüllen.