DE1247387B - Wandler fuer eine elektroakustische Verzoegerungsleitung - Google Patents
Wandler fuer eine elektroakustische VerzoegerungsleitungInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
H03k
Deutsche Kl.: 21 al - 36/04
Nummer: 1247
Aktenzeichen: J 23650 VIII a/21 al
Anmeldetag: 3. Mai 1963
Auslegetag: 17. August 1967
Die Erfindung betrifft einen Wandler für eine .elektroakustische Verzögerungsleitung, bei dem mittels zugeordneter Erregerwicklungen und zweier
magnetostriktiver Stäbe elektrische Signale in Torsionswellen auf der Verzögerungsleitung umgesetzt
werden und bei dem über die zwei magnetostriktiven Stäbe in einem geschlossenen magnetischen
Kreis ein permanenter Vormagnetisierungsfluß err
zeugt wird.
In elektroakustischen Verzögerungsleitungen wird die Verzögerungszeit bestimmt durch, die Zeit, die
ein akustischer Impuls oder eine Druckwelle braucht, um von dem einen zum anderen Ende eines Leiters,
z. B. eines Drahtes, zu gelangen. Der zu verzögernde elektrische Impuls wird durch einen Wandler mit
dem einen Ende des Drahtstückes gekoppelt, um die Erzeugung eines <aktustischen Impulses oder einer
Druckwelle zu bewirken, und ein weiterer Wandler befindet sich an einer anderen Stelle der Leitung, um
den akustischen Impuls in einen elektrischen Impuls umzuwandeln. Die zeitliche Verzögerung zwischen
den elektrischen Eingangs- und Ausgangsimpulsen wird, in erster Linie durch die Länge der Verzögerungsleitung
bestimmt; die Qualität, d. h. die Größe der Verzerrung oder Streuung, der Nutzpegel usw.
des Ausgangsimpulses wird durch die Eingangs- und Ausgangswandler sowie durch die Charakteristika
der Leitung bestimmt.
Das Prinzip und der Aufbau solcher Verzöge-
Wandler für eine elektroakustische Verzögerungsleitung
Anmelder:
International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt, Böblingen, Sindelfinger Str.
Als Erfinder benannt: Nicolaos S. Tzannes, Apalachine, N. Y.; Paul Evans Bakeman jun., Pittsford, N. Y.
(V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7. Mai 1962 (192894) --
zen. Seine Erfindung wurde veröffentlicht in der USA.-Patentschrift 3 011136.
Was an den Wandlern Scarrotts typisch ist, ist die Zuordnung je einer Spule zu jedem auf die Oberrangsleitungen
wurde durchNicholson am 23. Juni 30 fläche des Verzögerungsleitungsdrahtes aufgeschweiß-1944
beim USA.-Patentamt angemeldet. Die Erfin- · ten magnetostriktiven Elementes. Hervorzuheben ist,
dung wurde geschützt durch die USA.-Patentschrift daß ScarrOtt bereits die Zusammensetzung der ein-2
401094. Es sei erwähnt, daß in dieser amerikani- zelnen magnetostriktiven Elemente aus zwei oder
sehen Erfindung ausschließlich die Ausbildung und mehreren Bändern oder Drähten, die miteinander
Abführung von longitudinalen Magnetostriktionen 35 verbunden sind, angab.
innerhalb des verzögerten Mediums erwähnt ist. Durch die vorliegende Erfindung wird eine beson-
Beim Betrieb von Verzögerungsleitungen ist die ders vorteilhafte Lösung für den Aufbau eines Wand-Aufrechterhaltung
der unverzerrten Impulsform von lers für eine elektroakustische Verzögerungsleitung
größter Wichtigkeit. Andererseits muß es Ziel der zur Ausbildung von Torsionsschwingungen offenbart.
Konstruktion sein, möglichst energiereiche Impulse 40 Der Wandler gemäß der Erfindung ist dadurch geeingangsseitig
in die Verzögerungsleitung einzubrin- kennzeichnet, daß — im Gegensatz zu den bereits
gen, damit auch bei langen Verzögerungen, d. h. bei genannten Anordnungen — nur eine Steuerspule
langen Leitungen, am Ausgabeende noch genügend gleichzeitig Verkürzungen bzw. Verlängerungen des
Energie verfügbar ist. Zur Erreichung dieser beiden ' einen Stabes und Verlängerungen bzw. Verkürzun-Ziele
hat es sich als zweckmäßig ergeben, an Stelle 45 gen des anderen Stabes, welche beide zusammen das
reiner LongitudinalschwingungenTorsionsschwingun- torsionsschwingungserzeugende. Element ausbilden,
gen in die Verzögerungsleitung einzugeben. Eine bewirkt. Durch Vereinfachung der Anordnung auf
Möglichkeit dazu wurde in' den Proceedings of- the eine einzige Spule ergeben sich jedoch nicht nur kon-IEE,
Teil B, Bd. 103, März 1956, S. 501 angegeben. struktive, sondern sogar wesentlichere Vorteile,
Am 17. August 1959 ließ sich Scarrott besonders 50 welche im folgenden noch bei der Beschreibung der
günstige Anordnungen zur Ausbildung solcher Tor- einzelnen erfindungsgemäßen Beispiele an Hand der
sionsschwingungen in Verzögerungsleitungen schüt- Figuren erläutert werden. Es sei im voraus auf die
709 637/587
längere Lebensdauer von Permanentmagneten' bei quasi geschlossenem.magnetischen Kreis und ebenfalls
auf die erzielbare elektromechanische Symmetrie hingewiesen.
Bei einer vorteilhafteren Ausführungsform des Wandlers gemäß der Erfindung wird die permanente
Magnetisierung durch zwei zwischen den Stäben angeordnete Permanentmagneten erzeugt, wobei nur eine
Steuerspule zwischen-den Permanentmagneten beide Stäbe umfassend angeordnet ist, ---;
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die magnetostriktiven Stäbe selbst in Längsrichtung
permanent magnetisiert, und der geschlossene magnetische Kreis wird durch direkte Verbindung der.
Stäbe an ihrem einen Ende und über die Verbindung ihres anderen Endes mit der Verzögerungsleitung gebildet.
"■'■■-"-"- '-■■- "
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Verschiedene Ausführungen
der Erfindung werden nunmehr an Hand der ,Beschreibung
und den nachfolgend aufgeführten Zeichnungen erläutert. Es zeigt
Figvl eine.schematis'che Darstellung eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Wandlers,
F i g. 2 schematisch zwei gemäß der Erfindung an eine Verzögerungsleitung angeschlossene Wandler,
F i g. 3 bis 5 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, , .
F i g. 6 eine Erläuterung der Funktion der Verzögerungsleitung.
Die Verzögerungsleitung gemäß der Erfindung besteht aus einem Eingangswandler 10 (Fig. 2), der
eigentlichen Verzögerungsleitung 15 und einem Ausgangswandler 1(M, der wie der Eingangs wandler
aufgebaut ist. Der _Eingangswandler " besteht im wesentlichen aus zwei magnetostriktiven Stäben 11
und.13 (Fig. 1), die aus mehreren Lamellen zusammengesetzt
sind. Das eine Ende jedes der Stäbe 11 und 13 ist an diametral entgegengesetzte Stellen auf
dem Umfang der Verzögerungsleitung 15 angeschweißt. Das andere Ende der Stäbe 11 und 13 ist
in eine schwingungsdämpfende Substanz 17 eingebettet,
wobei das in der Substanz 17 eingebettete eine· Ende.eines der Stäbe auf Erdpotential liegt, um Rauschen,
auszuschalten. Die Substanz 17 dämpft die. Schwingung der magnetostriktiven: Stäbe 11 und 13,
um reflektierte Druckwellen auszuschalten. Eine Spule 19 ist um beide Stäbe 11 und 13 gewickelt und
an einen Impulsgenerator 21 angeschlossen. Der Impulsgenerator 21 erzeugt ■ mittels der Spule 19 ein
Wechselstrom-, Signal- oder Steuerflußfeld für die Stäbe 11 und 13, wie noch erläutert wird.
Zwei Dauermagneten 23 und 25 sind so zwischen den magnetostriktiven Stäben 11 und 13 und beiderseits der Spule 19 angeordnet, daß die von ihnen ausgehenden
magnetischen Kraftlinien von dem einen Magneten 23 durch einen Teil des Stabes 11, durch
den anderen Magneten 25, durch den anderen Stab 13 und zurück zum Magneten 23 verlaufen, wie es
durch die Pfeile angedeutet ist. Weil der von den beiden Magneten gebildete magnetische Kreis eine geschlossene
Schleife bildet, ist der magnetische Verlust fast gleich Null, so daß die Dauermagneten eine
praktisch unbegrenzte Lebensdauer haben. Der von den Dauermagneten 23 und 25 erzeugte magnetische
Fluß kann als ein Gleichstromvormagnetisierungsfluß mit geschlossener, ununterbrochener Schleife angesehen
werden.
■ Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß F i^g. 1 erfahren
Dauermagneten, deren Kraftlinien durch Luft verlaufen, große Verluste und altern daher ziemlich
schnell. Außerdem ist bei den bekannten Wandlern, bei denen um jeden der Stäbe 11 und 13 eine Spule
gewickelt ist, die Einstellung der Spulen in bezug auf ihre jeweiligen Abstande vom Schweißpunkt an der
Verzögerungsleitung zum Rand der Spule kritisch. Es muß genau darauf geachtet werden, daß diese
ίο Abstände gleich groß sind. Bei dem Wandler gemäß
Fig. 1 entfällt dieses Problem, da nur eine Spule verwendet wird.
Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Magne-. ten 23 und 25 ziemlich nahe aneinander anzuordnen,
und zwar hatten in einem Ausführungsbeispiel die Magneten einen Abstand -von etwa 1,8 mm voneinander.
Im selben Ausführungsbeispiel bestand die Spule aus Drahtverbindungen, und die .Stäbe 11 und
13 hatten dann einen Abstand von etwa 0,5 mm voneinander.
Die Kurve in F i g. 6 zeigt die relative Dehnung der magnetostriktiven Stäbe 11 und 13. Die relative Dehnung
wird dargestellt durch das Verhältnis —=r- und
die magnetische Feldstärke (H) angegeben. Die Vor-
„ magnetisierungspunkte der beiden Stäbe sind, mit A
und B angegeben. Beide liegen darstellungsgemäß auf verschiedenen Kurven, weil der magnetische Fluß
in beiden Stäben 11 und 13 in relativ entgegengesetzter Richtung verläuft. Beim Anlegen einer Signal-
... spannung an die Spule 19 verläuft der von ihr erzeugte zusätzliche magnetische Fluß in beiden Stäben
11 und 13 in gleicher Richtung. In dem einen Stab wird daher der von den Dauermagneten 23 und 25
gebildete Vormagnetisierungsfluß verstärkt, im anderen Stab dagegen wird er vermindert. Der eine der
beiden Stäbe dehnt sich also, während der andere Stab sich zusammenzieht. Dies ergibt über die beiden
Schweißstellen auf die Verzögerungsleitung 15 zwei sich addierende Torsionsmomente.
Fig. 2. zeigt die übliche Anordnung einer Verzögerungsleitung
15, die hier mit einem Eingabewandler 10 "und einem Ausgabewandler 10.4 betrieben
wird, die beide dem Aufbau gemäß Fig. 1 entsprechen. An die Spule 19 des Ausgabewandlers 10^4 ist
ein Verstärker 22 angeschlossen. Über den Eingabewandler 10 in die Verzögerungsleitung 15 eingegebene
Torsionswellen gelangen an das andere Ende mit dem Ausgabewandler IQA. Die Torsionswelle
wirkt dort auf das Ende der beiden Stäbe 11 und 13
- ein und erzeugt in diesen eine longitudinale Welle.
Diese longitudinale Welle erzeugt ihrerseits in diesen magnetostriktiven Stäben Änderungen der Permeabilität
und damit Änderungen des magnetischen Flusses, der von den beiden Dauermagneten 23 und 25
herrührt und durch die Spule 19 führt. Damit wird in der Spule 19 eine Ausgangsspannung induziert,
diese im Verstärker 22 verstärkt und einer nicht gezeigten Auswerteschaltung zugeführt.
Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Dieses gleicht dem von Fig. 1 mit der Ausnahme, daß an Stelle einer gemeinsamen um die
beiden Stäbe 11 und 13 zwei getrennte Spulen 19^4
und .19 B gewickelt sind, welche in Reihe liegen. Die
Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht der bereits genannten USA.-Patentschrift 3 Oll 136 sowie
auch den zitierten Proceedings of the IEE. Unterschiedlich ist dagegen ebenfalls hier die konstruktive
Anordnung der beiden Dauermagneten innerhalb der beiden Stäbe 11 und 13, so daß sich ein beinahe ideal
geschlossener magnetischer Kreis ergibt.
F i g. 4 wiederum zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel mit nur einer Spule und nur einem Dauermagneten
25, der innerhalb der beiden Stäbe 11 und 13 angeordnet ist. Der Rückfluß der magnetischen Kraftlinien
erfolgt von einem Stab 11 auf den anderen Stab 13 durch die Verzögerungsleitung 15 selbst von
einem Schweißpunkt zum anderen. In ihre Wirkungsweise ist die Anordnung gemäß Fig. 4 gleich der
von F i g. 1.
Ein viertes Ausführungsbeispiel gibt die Fig. 5 wieder. Dort sind die Stäbe 11 und 13 selbst permanent
magnetisiert. Ein zweckmäßiges Material hierfür enthält z.B. 49% Nickel, 49% Eisen und 2%
Vanadium. An einem Ende ist dabei der magnetische Kreis wie in F i g. 4 über die Schweißstellen und die
Verzögerungsleitung gegeben, auf der anderen Seite durch entsprechende Formung und Verbindung der
beiden Stäbe 11 und 13.
Es sei im übrigen darauf hingewiesen, daß es zweckmäßig ist, entweder einen Stab 11 wie in F i g. 1
oder den Verbindungspunkt beider Stäbe 11 und 13 wie in Fig. 5 dargestellt, zu erden, um Rauschen
oder andere Störungen auszuschalten. Die Halterungen 17 sind aus schwingungsdämpfendem Material
hergestellt, um Reflektionseinflüsse möglichst gering
zu halten.
Zusammenfassend sei noch einmal darauf hingewiesen, daß in den erfindungsgemäßen Wandlern der
Hauptpfad der Kraftlinien des Vormagnetisierungsfeldes durch geschlossene Schleifen durch die magnetostriktiven
Stäbe hindurchläuft. Die Einflüsse von Luftspalten sind außerordentlich gering gehalten.
Dadurch wird der magnetische Fluß durch Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen nur
wenig beeinflußt und ist daher sehr stabil gegenüber äußeren Einflüssen. Den Wandlern nach Fig. 1, 4
und 5 ist darüber hinaus gemeinsam, daß nur eine einzige Spule vorgesehen ist.
Claims (3)
1. Wandler für eine elektroakustische Verzögerungsleitung, bei dem mittels zugeordneter Erregerwicklungen
und zweier magnetostriktiver Stäbe elektrische Sigale in Torsionswellen auf der Verzögerungsleitung umgesetzt werden und bei
dem über die zwei magnetostriktiven Stäbe in einem geschlossenen magnetischen Kreis ein permanenter
Vormagnetisierungsfluß erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Steuerspule gleichzeitig Verkürzungen bzw. Verlängerungen
des einen Stabes (11) und Verlange- ' rangen bzw. Verkürzungen des anderen Stabes
(13) bewirkt.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder zwei zwischen den Stäben
(11, 13) angeordnete Permanentmagneten (23, 25) die permanente Vormagnetisierung erzeugen
und daß bei Verwendung nur eines Magneten der Permanentmagnet (25), Teile der Stäbe
(11, 13) und der Endquerschnitt der Verzögerungsleitung (15) den geschlossenen magnetischen
Kreis bilden.
3. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven
Stäbe (U, 13) selbst in Längsrichtung permanent magnetisiert sind und daß der geschlossene magnetische Kreis durch direkte
Verbindung der Stäbe an ihrem einen eingespannten Ende und über die Verbindung ihres anderen
Endes mit der Verzögerungsleitung gebildet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 3 011136, 2401094;
Proc. of the IEE/B, Bd. 103, 3/56, S. 501.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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