DE1219600B - Mechanisches Frequenzfilter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

Auslegetag:

H03h

Deutschem.: 21g-34

1219 600
T13529IXd/21;
26. April 1957
23.Juni 1966

Die Erfindung betrifft ein mechanisches Frequenzfilter, bei welchem miteinander gekoppelte Resonatoren einen mechanischen Vierpol bilden, bei dem zumindest ein mechanischer Zweipol einwirkt, der zwei oder mehr durch Koppelelemente aneinandergereihte Resonanzkörper aufweist, welche in der Filter-Übertragungscharakteristik Dämpfungspole in unmittelbarer Nähe des Durchlaßbereiches hervorrufen.

Es sind mechanische Filter bekanntgeworden, die zum größten Teil in die Klasse der Koppelfilter gehören, d. h. nur Unendlichkeitsstellen der Dämpfung im Unendlichen haben (Proc. I. R. E., Januar 1957, S< 5 bis 16). Mit solchen Filtern lassen sich sehr steile Filterflanken nur durch Aufwand von sehr vielen Schwingkreisen erreichen. Eine Verbesserung und Verbilligung solcher Filter ist nur zu erreichen, wenn man^ wie bei elektrischen Filtern, Pole im Endlichen realisiert.

Es ist bereits ein mechanisches Frequenzfilter bekannt, bei dem der in Longitudinalschwingungen erregte· Resonanzkörper selbst in seiner Mitte, d.h. in dem Punkt, in dem ein Knotenpunkt der Bewegung für die Sollwelle vorhanden ist, mit quer in seiner Längserstreckung liegenden Fortsätzen versehen ist, die· so bemessen sind, daß sie für eine zu unterdrük- ^ende Frequenz bei einer Erregung in Biegeschwingungen eine Länge von A/4 besitzen (USA.-Patentschrift 2345 491). Dabei ist es auch bekannt, einen solchen Schwingkörper zur Kopplung zweier elektromechanischer Wandler in Form von piezoelektrischen Kristallen zu verwenden. Mit derartigen Anordnungen ist es nicht möglich, wirkliche Dämpfungspole zu erzeugen, da die angesetzten λ/4-Biegeschwinger nicht auf den ganzen Querschnitt des zur Kopplung verwendeten Longitudinalschwingers einwirken können, da der letztere einen verhältnismäßig großen Querschnitt hat, der nicht als Ganzer absolut festgehalten werden kann.

.. Weiterhin ist bereits eine mechanische Filteranordnung bekanntgeworden, die mit Hilfe von zwei Abzweigungen jeweils eine Sperresonanz ober- und unterhalb des Durchlaßbereiches erzeugen. Die Technik, um dieses zu erreichen, besteht darin, beiden Sperresonanzen mit Hilfe von in Biegeschwingungen erregbaren Abzweigungen, die auf einen longitudinal erregbaren Vierpol aufgesetzt sind, die Mitte dieses A/2-Kreises festzuhalten, also einen Kurzschluß für die Polfrequenzen zu erzwingen. Diese Forderung läßt sich jedoch in der Praxis nicht realisieren. Weiterhin kann sich bei dieser bekannten Anordnung nur einer der beiden Dämpfungspole in der Nähe des Mechanisches Frequenzfilter

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Ernst Kettel,
Horst Ohnsorge, Ulm/Donau

Durchlaßbereiches befinden, wodurch sich der gewünschte Effekt, die Flanken der Filtercharakteristik zn versteuern, nur an einer der Flanken einstellt. Die Lage der Sperresonanzen und damit auch der Durchlaßresonanz wird durch geeignete Dimensionierung des Wellenwiderstandsverhältnisses vom längsschwingenden Vierpol und der biegeschwingenden Abzweigungen festgelegt.

Ebenso ist ein mechanisches Filter bekanntgeworden, welches aus mechanisch miteinander gekoppelten Resonanzkörpern aufgebaut ist, die einen Vierpol bilden, an welchem zwei Abzweigungen angekoppelt sind. Diese Abzweigungen erzeugen bei diesem Filter Parallelresonanzen, also Kurzschlüsse bei der PoIf requenz. In einem Ausführungsbeispiel dieser bekannten Filteranordnung erzeugen zwei Scheiben, die auf einer Seite der Filterkette als Abzweigung angeordnet sind, zwei Parallelresonanzen, die beide oberhalb des Durchlaßbereiches des Filters liegen, während die am anderen Ende des Filters angeordneten Abzweigungen Parallelresonanzen bei Frequenzen unterhalb des Durchlaßbereiches des Filters erzeugen. Diese Art der Anordnung der polstellenerzeugenden Abzweigungen hat den großen Nachteil, daß die Abstimmungen der Abzweigungen wesentlich verschieden von denen der anderen Filterelemente des Vierpols sein müssen, da jede Abzweigung zwei Sperrresonanzen erzeugt, die entweder oberhalb oder unterhalb des Durchlaßbereiches liegen, sowie eine Durchlaßresonanz zwischen den beiden Sperresonanzen. In diesem Fall kann nicht vermieden werden, daß die Abzweigungen auf den Vierpol zurückwirken und der mit dem Abzweig belastete Resonanzkörper

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und die Resonanzkörper der Abzweigung individuell abgestimmt werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile der bereits bekannten Polfilteranordnungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist die Filteranordnung zur Erzeugung einer Filtercharakteristik mit Polen gekennzeichnet durch einen mechanischen Zweipol, dessen Resonatoren und Kopplungsglieder so bemessen sind, daß sich in der Filtercharakteristik Dämpfungspole bei wenigstens zwei Frequenzen ergeben, zwischen welchen sich der Filterdurchlaßbereich erstreckt.

Damit ergibt sich der wesentliche Vorteil gegenüber den bisher bekannten Ausführungen, daß die Resonanzkörper des Vierpols der Filteranordnung und die Resonanzkörper der Abzweigung wenigstens angenähert gleich abgestimmt sind und damit die oben angeführten Nachteile vermieden werden.

Für die Verwirklichung des erfindungsgemäß einzufügenden Zweipols bieten sich vor allem zwei Ausführungsformen an. Gemäß der einen besteht er aus torsional schwingenden Zylindern, die über in gleicher Achse liegende torsional schwingende Kopplungselemente miteinander gekoppelt sind, und in der anderen besteht er aus longitudinal schwingenden Zylindern, die über in gleicher Achse liegende longitudinal schwingende Kopplungselemente miteinander gekoppelt sind. Während sich die erste Ausführungsform insbesondere für mechanische Frequenzfilter eignet, deren Resonanzkörper zu Torsiönalschwingungen anregbar sind, eignet sich die zweite Ausführungsform sowohl für derartige Filter als auch für solche Filter, deren Resonanzkörper Longitudinalschwingungen ausführen.

Zur Erläuterung ist zunächst in F i g. 1 a ein einfacher, mechanischer Schwinger T gezeigt mit einer Resonanzfrequenz ωθ seiner Torsionsschwingung. Ein solcher Körper hat natürlich viele Resonanzen, nämlich immer dann, wenn die Länge des Körpers einem Vielfachen einer halben Wellenlänge entspricht. Davon betrachten wir nur die Umgebung einer einfachen Resonanzstelle. Dieser einfache Schwingkörper hat dann als Zweipol gesehen den in F i g. Ib gezeigten Verlauf des Scheinwiderstarides und kann in der Umgebung einer seiner Resonanzstellen durch den in Fig. Ic gezeigten Parallelschwingkreis dargestellt werden. Die Anfachung' des Schwingkörpers erfolgt in der Darstellung der Fig. la durch am Ende angreifende Tangentialkräfte p, d. h., es ist der Fall reiner Torsionsschwingungen dargestellt. Die Erfindung ist aber keineswegs auf diesen Fall beschrankt, sondern es könnte ebensogut die äußere Kraft axial angreifen und würde dann den Körper zu longitudinalen Schwingungen anregen.-Dies gilt auch für alle folgenden Betrachtungen und Beispiele, wenn auch zunächst immer nur der Fall der Torsionsanregung dargestellt ist.

In der F i g. 2 a ist nun die Darstellung der F i g. 1 erweitert auf zwei gekoppelte, abgestimmte Kreise T₁ und T₂, wobei die Kopplung durch ein 2/4-Koppelelement K erzeugt ist. (K könnte auch von anderer Länge, z. B. kürzer sein.) Diese gekoppelten beiden Schwingkreise T₁ und T₂ haben die beiden Koppelfrequenzen (ülund ω 2, und ihre Mittenfreqüenz liegt bei ωθ, wie etwa durch Fig. 2b dargestellt. Der Zweipolwiderstand eines solchen Körpers hat dann bei ω 0 eine Serienresonanz und Parallelresonanzen bei col und ω 2. Ein Ersatzschaltbild zeigt Fig. 2c.

Fi g. 3 a zeigt nun dieses zweikreisige Filterelement dahin abgewandelt, daß die Kräfte ρ nicht am Ende des Schwingers, sondern in einem Abstand λ/4, ζ. Β. also in der Mitte eines 2/2-Kreises, angreifen. Das gleiche erreicht man durch ein am Ende eines der Schwingkreise angesetzten A/4-Transformationsgliedes T, wie Fig. 3b zeigt. Gegenüber dem in Fi'g. 2 dargestellten Fall tritt durch diese Maßnahme eine Inversion des Scheinwiderstandes auf, d. h., es tritt

ίο jetzt bei ω 0 eine Parallelresonanz und bei ω 1 und ω 2 Serienresonanzen auf, wie in Fig. 3c dargestellt. Man erkennt hier schon, besonders aus dem Ersatzschaltbild der Fig. 3d, daß damit ein mechanischer Zweipol realisiert ist, wie er für rein elektrische FiI-ter mit Polstellen im Endlichen als Querglied verwendet wird.

Das Filterelement läßt sich nun noch erweitern, wie z. B. in F i g. 4 dargestellt. Hier sind in F i g. 4 a drei Schwingkreise T₁, T₂, T₃ unter Zwischenschal-

rung von Koppelelementen K₁, K₂ miteinander gekoppelt, wobei dann die Kräfte ρ wieder am Ende des Schwingers T₁ angreifen. Dies muß aber dabei nicht an einem der äußeren Schwinger sein, wie dargestellt, sondern die Kräfte könnten ebensogut am mittleren Schwinger T₂ angreifen. Das Zweipolersatzbild (Fig. 4c) dieser Anordnung liefert drei Parallelresonanzen ωθ, ω3, ω4 und Serienresonanzen bei ω 1 und ω 2, wie F i g. 4 b zeigt.
Würde man ein solches Filterelement als Abzweigglied in einem Filter benutzen, so ergeben sich also bei einem Durchlaßbe'reich ω0 Pole bei col und ω2,

'■" ferner weitere zwei Pole außerhalb von ω 3 und ω 4. Man erkennt nun leicht, daß sich diese Darstellung beliebig weiterführen läßt, wobei für Abzweige mit Polstellen alle die Anordnungen brauchbar sind, wo bei ungerader Kreiszahl die Kräfte am Ende der Schwinger angreifen und bei gerader Kreiszahl in der Mitte eines Schwingers oder am Ende einer zusätzlichen Transformationsleitung. Für die Dimensiönierung eines Filters erhält man'aus den Forderungen der Sperrcharakteristik nun Dimensionierungen für

• die Größe der im Ersatzbild auftretenden Induktivitäten und Kapazitäten. Mechanisch führt das zu Forderungen über die Durchmesser der einzelnen Schwinger und der zugehörigen Koppelelement^,· so daß die Abmessungen der in einem solchen Polelement benutzten Schwingkreise keineswegs gleich, sondern recht unterschiedlich sein kann. ■

Es soll nun an einigen Beispielen gezeigt werden, wie solche Polglieder in mechanischen Filtern angewandt werden können. Ein einfaches Filter zeigt F i g. 5 a, bestehend aus zwei longitudinal schwingenden Endschwihgkreisen 1 und 2 und einem'Polelement 3 entsprechend Fig.3a, welches in Tofsionsschwingungen erregt ist. Die Endkreise mögen aus magnetostriktivem Material bestehen und damit gleichzeitig die Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische vornehmen. Die Dämpfungscharakteristik eines solchen Filters zeigt Fig. 5b mit Polen bei den Koppelfrequenzen ω 1 ütld ω 2 des Torsionsgliedes. Die Breite der Durchlaßcharakte-

^: ristik ergibt sich aus dem Verhältnis der Scheinwiderstände der benutzten Schwingkreise und der Koppelelemente und wird in genau der gleichen Weise berechnet wie bei elektrischen Filtern.

F i g. 6 zeigt die Anwendung der Erfindung auf Filter mit torsional schwingenden Resonanzelementen, die mittels longitudinal schwingender

Koppelelemente, insbesondere in Form von Drähten, miteinander gekoppelt sind, so wie sie in der älteren Erfindung T12831 VIIIc/21g beschrieben sind. Zwischen den Schwingelementen 4 und 5 ist ein Polelement 6 eingeschaltet, welches gemäß F i g. 4 a ausgebildet ist.

F i g. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform für die Anwendung der Erfindung bei einem Filter. Es handelt sich dabei um ein Filter, das im wesentlichen aus torsional schwingenden Resonanzelementen T₀ aufgebaut ist, die abwechselnd über torsional schwingende Koppelelemente K₁ und longitudinal schwingende Koppelelemente K₂ gekoppelt sind. In dieses Filter ist ein Polelement gemäß F i g. 4 a eingeschaltet, welches äußerlich genauso aussieht wie die Kombination aus drei Schwingkörpern T₀ mit zwei Koppelelementen K₁, das aber als Zweipol in die Filterkette eingekoppelt ist und daher gemäß der Erfindung die Pole zu beiden Seiten der Durchlaßcharakteristik erzeugt. Das Filter wird in an sich bekannter Weise angeregt durch einen magnetostriktiven Wandler?, und die Ausgangsklemmen sind ebenfalls an einem magnetostriktiven Wandler 8 vorgesehen. Ein solches Filter zeichnet sich durch besonders einfachen Aufbau aus lauter Elementen von gleichen Längsabmessungen aus. Es können daher gemeinsame Halterungsvorrichtungen zur Einspannung sämtlicher Elemente verwendet werden.

F i g. 8 zeigt ein anderes Anwendungsbeispiel der Erfindung. Hier ist in ein an sich bekanntes Filter aus in Torsionsschwingungen erregten Filterelementen T₀ ein Polglied gemäß F i g. 4 angekoppelt, welches jedoch teilweise in torsionale und teilweise in longitudinale Schwingungen erregt ist. Während nämlich das Element T₁ ebenso wie die Elemente T₀ in Torsionsschwingungen erregt ist, sind die Elemente T₂ und T₃ in Longitudinalschwingungen erregt.

Fig. 9 zeigt schematisch ein in Longitudinalschwingungen erregtes Filter mit den Resonanzelementen T₀, zwischen welche ein ebenfalls in Longi-

tudinalschwingungen erregtes Polglied aus den Elementen T₁ und T₂ gemäß F i g. 3 b angekoppelt ist.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Mechanisches Frequenzfilter, bei welchem miteinander gekoppelte Resonatoren einen mechanischen Vierpol bilden, auf den zumindest ein mechanischer Zweipol einwirkt, der zwei oder mehr durch Koppelelemente aneinandergereihte Resonanzkörper aufweist, welche in der Filter-Übertragungscharakteristik Dämpfungspole in unmittelbarer Nähe des Durchlaßbereiches hervorrufen, gekennzeichnet durch einen mechanischen Zweipol, dessen Resonatoren und Kopplungsglieder so bemessen sind, daß sich in der Filtercharakteristik Dämpfungspole bei wenigstens zwei Frequenzen ergeben, zwischen welchen sich der Filterdurchlaßbereich erstreckt.

2. Mechanisches Frequenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol aus torsional schwingenden Zylindern besteht, die über in gleicher Achse liegende, torsional schwingende Kopplungselemente miteinander gekoppelt sind.

3. Mechanisches Frequenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweipol aus longitudinal schwingenden Zylindern besteht, die über in gleicher Achse liegende, longitudinal schwingende Kopplungselemente miteinander gekoppelt sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
französische Patentschrift Nr. 1113 648;
USA.-Patentschrift Nr. 2 332 120;

Mason, »Elektromechanical Transducers and Wave Filters«, 2. Auflage, New York, Toronto, London, 1948, S. 80 bis 83;

»Technische Mitteilungen PTT«, Bd. 30, Februar 1952, Nr. 2, S. 41 bis 50.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen