DE1218083B - Mechanical frequency filter, consisting of rectangular plates as resonance bodies that can be excited to surface shear vibrations - Google Patents

Description

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.Mechanical frequency filter, consisting of square-wave, surface shear vibrations excitable plates as a resonance body The invention relates to a mechanical frequency filter, that of rectangular plates that can be excited to shear surface vibrations as resonance bodies exists, which are connected by coupling elements executing flexural vibrations.

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).In the case of a known mechanical filter, these are too shear vibrations excitable plate-shaped resonance body arranged in a plane so that the Narrow sides of larger surface area are facing each other. Coupling this Resonators are made either by short pieces of wire that carry out bending vibrations or by means of coupling straps that are subject to both bending and shearing will. The proportion of flexural vibrations in the total vibration of the coupling belts depends on their length-to-width ratio (Swiss patent specification 277 467).

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).Another known mechanical filter exhibits surface shear vibrations excitable strip-shaped resonators that follow one another in a plane so that that the narrow sides of the smaller area face each other. The resonators these filters are coupled by thin rods that have a very low coupling factor of the resonators (U.S. Patent 2,696,590).

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).Furthermore, a mechanical filter already belongs to the state of the art Technology, in which surface shear vibrations executing circular disk-shaped Resonators are arranged in parallel planes so that their end faces face each other. The elliptically deforming with their oscillations Resonators are each coupled by a round cross-section, whose . , axis lies on the same straight line as the axes. he resonators (U.S. Patent 2,696,590).

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).Finally, a mechanical filter has already been described in which As a vibrating body, resonators arranged in parallel planes are plate-like serve, which are excited to the second harmonic of that c torsional bending vibration, for which vibrational deflections of the slab within the slat plane are characteristic are. With this Schwin-L ingsform only the center of each broad side remains ccer swaying plate at rest. The coupling elements of the resonators are continuous, Wires carrying bending vibrations are provided (Swiss patent specification 267 220).

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.Based on these known filters, all of which are at least in some of the points listed below are in need of improvement, arises the invention has the object of specifying a mechanical frequency filter that on the one hand has high mechanical stability and is particularly easy to hold, on the other hand, however, a very simple production is also permitted. The new Filters use an easily manageable coupling of the individual resonance bodies, in addition, the coupling factor from link to link is easily defined can be set to any desired value. Training is also required and arrangement of the resonance body in such a way that a particularly extensive suppression unwanted secondary resonance is guaranteed without impairment the permeability of the main frequency is to be feared.

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.The filter according to the invention satisfies all of these requirements belongs to the group of mechanical sieve arrangements, which consist of rectangular, Plates that can be excited to surface shear vibrations as resonance bodies and from bending vibrations executing coupling elements are constructed by the combination of the following well-known features: a) Arrangement of the excitable surface shear vibrations Sound box in parallel planes, b) Use of continuous wires as coupling elements.

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.This combination according to the invention once brings the advantage of the very easy calculability of the coupling factor. The coupling factor can go further Dimensions by changing the attachment points of the coupling wires on the resonance bodies can be changed and set differently within the filter. aside from that the arrangement according to the invention is characterized by a particularly easy manufacturing process which is very suitable for production in automatically operating machines. It is a compact structure achievable with high mechanical stability, which has a low sensitivity to vibrations. From a series of mounting options can best meet the requirements of the individual case appropriate to be selected.

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.It has also been shown that the filter according to the invention known closest measures to reduce the secondary ripple Resonators to be traced back disturbance phenomena already lead to the goal.

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.In the drawings, F i g. 1 one to surface shear vibrations excited resonance plate, FIG. 2 a and 2 b two embodiments of the filter according to the invention.

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.It is known that a bar-shaped piezoelectric crystal plate can be excited to longitudinal vibrations by means of a square-shaped piezoelectric crystal plate which emanates from one of the two narrow sides of smaller surface area near a short edge and runs perpendicular to this narrow side. The in FIG. 1 reproduced. Excite cuboid plate 1 to shear surface vibrations by means of an electromechanical transducer which emits longitudinal vibrations. In Fig. 1, such a transducer is illustrated schematically as a magnetostrictive transducer 9, the magnetostrictive component of which is premagnetized by a permanent magnet. In the plate 1, the movement node plane 10 is formed, which extends perpendicular to the plate plane and parallel to the plate edges of the greatest length. The upper part of the plate 1 resulting from this nodal plane thus executes opposite the lower shear vibrations in the plane of the plate. The natural resonance frequency of such a plate excited to surface shear vibrations results from the formula This means = shear resonance frequency, K = 2.088 for the fundamental wave, b = plate width, Gs = shear modulus, o = density, E = modulus of elasticity.

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.Since plates that cause surface shear vibrations are the plate width and the plate length is not decisive for the natural resonance frequency for plates excited in their fundamental wave even at high frequencies portable dimensions. A plate from the under the registered trademark name "Ni-Span C" known alloy with a width b of 4.6 mm has z. B. a shear surface resonance frequency of about 400 kHz. The thermoformable and curable Alloy »Ni-Span C« consists of about 42% nickel and is characterized by high Tensile strength as well as a constant in the temperature range from -45 to 94 ° C Modulus of elasticity.

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.The F i g. 2 a and 2 b show two exemplary embodiments of the filter according to the invention with three 'resonance plates excited to surface shear vibrations 1, 2, 3 arranged in parallel planes in accordance with the teachings of the invention and connected by continuous homogeneous wires 4, 5, 6, 7 as coupling elements are. The wires 4 to 7 are on two opposite narrow sides of the soundboard 1, 2, 3 welded or soldered on.

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.In the embodiment according to FIG. 2 a are those for the plates 1, 2, 3 provided coupling wires 4 to 7 welded to those narrow sides of the plate, which run parallel to the nodal plane 10 of the plates. Since along these narrow sides the surface shear vibrations occur with the greatest amplitude, results in this design of the filter for the plates maximum coupling factors.

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.In the embodiment according to FIG. 2 b are the coupling wires 4, 5, 6, 7 on the narrow sides of the plates that run perpendicular to the nodal plane 10 1, 2, 3 welded on at a distance x from the nodal plane. By choosing the right routes x for each plate is a certain coupling factor for each successive one Plates realizable. Through the grading of the coupling factors that can be brought about in this way the individual resonance bodies within a filter can be the respective Requirements for the course of the filter transmission curve with comparatively low Meet effort.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Mechanisches Frequenzfilter, bestehend aus rechteckförmigen, zu Flächenscherschwingungen anregbaren Platten als Resonanzkörper, die durch Biegeschwingungen ausführende Koppelelemente verbunden sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale: a) Anordnung der zu Flächenscherschwingungen anregbaren Resonanzkörper in parallelen Ebenen, b) Verwendung durchlaufender Drähte als Koppelelemente. Claims: 1. Mechanical frequency filter, consisting of rectangular, Plates that can be excited to surface shear vibrations as resonance bodies, which are caused by bending vibrations executing coupling elements are connected, characterized by the combination the following, per se known features: a) Arrangement of the surface shear vibrations excitable sound box in parallel planes, b) use of continuous wires as coupling elements. 2. Mechanisches Frequenzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von Kopplungen unterschiedlichen Koppelfaktors zwischen den einzelnen Resonanzkörpern die durchlaufenden Koppeldrähte an Punkten der ResonatoroberHächen befestigt sind, deren Abstände von den Resonator-Knotenebenen dem jeweils geforderten Betrag der Koppelfaktoren entsprechen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 912709; schweizerische Patentschriften Nr. 267 210, 277 467; USA.-Patentschriften Nr. 2 696 590, 2 493145; Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 45, Nr. 1, S. 5 bis 16 (Januar 1957).2. Mechanical frequency filter according to claim 1, characterized in that, in order to achieve couplings with different coupling factors between the individual resonance bodies, the connecting wires passing through are attached to points on the resonator surfaces whose distances from the resonator node planes correspond to the respectively required amount of coupling factors. Documents considered: German Patent No. 912709; Swiss patents No. 267 210, 277 467; U.S. Patent Nos. 2,696,590, 2,493,145; Proceedings of the Institute of Radio Engineers, Vol. 45, No. 1, pp. 5-16 (January 1957).