DE2330288B2

DE2330288B2 - Frequenzbandfilter

Info

Publication number: DE2330288B2
Application number: DE2330288A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Elresor S.A., Biel (Schweiz)
Priority date: 1972-06-12
Filing date: 1973-06-12
Publication date: 1978-08-03
Also published as: CH566091A5; FR2188362B1; JPS5652492B2; US3914719A; DE2330288A1; CH571291A5; DE2330288C3; NL7308120A; JPS4963361A; FR2188362A1; GB1427537A; US3803521A; USB366589I5; DE2330287A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Frequenzbandfilter, das zwei Resonatoren aufweist, die über eine elastisch in einer Halterung aufgehängten Masse miteinander gekoppelt sind und die mit elektromechanischen Wandlern versehen sind, bei welchen der den Resonatoren gegenüberliegende Abschnitt einen Bestandteil der koppelnden Masse bildet

Solche Frequenzbandfilter finden beispielsweise in den Empfangsapparaten von Rundsteuerungsanlagen Anwendung. Dort dienen sie dazu, tonfrequente

Steuerimpulse vom Netzstrom der normalerweise eine Frequenz von 50 oder 60 Hz aufweist, zu trennen. Die in einem Starkstromnetz mögliche Zahl von Steuerkanälen für tonfrequente Steuerimpulse hängt wesentlich von den Eigenschaften der zur Kanaltrennung verwendeten Frequenzbandfiltern ab. Um eine gute Kanaltrennung zu ermöglichen, müssen Frequenzbandfilter mit möglichst großer Flankensteilheit der Durchlaßkurve verwendet werden. In diesem Falle können nämlich die Steuerkanäle relativ nahe nebeneinander angeordnet ι ο werden, was wiederum erlaubt, den bevorzugten Teil des Niederfrequenzbereiches, also etwa den Bereich von etwa 100 bis 1000 Hz gut auszunützen. Dies ist der Bereich, der für die Zwecke der Übertragung von Steuersignalen in Starkstromnetzen besonders günstig ist, weil hier die Steuersignale durch die im Netz vorhandenen Transformatoren bei der Übertragung nur wenig gedämpft werden.

Fs ist bereits ein elektromechanisches Bandfilter bekanntgeworden, das ein elektromechanisch angeregtes Schwingungssystem besitzt, welches aus zwei schwingungsfähigen mechanischen Gliedern besteht, die mittels eines dazwischen angeordneten Kopplungskörpern miteinander gekoppelt sind (DE-PS 8 54 228). Im Gegensatz zu elektrischen Filtern besitzt ein solches mechanisches Bandfilter eine höhere Güte, so daß auch relativ steile Flanken der Resonanzkurve erzielt werden. Die Massenkopplung hat anstelle der sonst üblichen Federkopplung den Vorteil, daß die Frequenzstabilität nicht durch die Art der Montage beeinflußt wird. Massenkopplung allein kann jedoch Frequenzstabilität nicht gewährleisten. Bei einem Filter, dessen Resonatoren aus ferromagnetischem Material bestehen, treten Frequenzverschiebungen auch bei Temperaturänderungen auf. Ebenso wirken sich bei Wandlern, die am geststehenden Teil als auch im beweglichen Teil ferromagnetisches Material aufweisen, Kräfte auf die Frequenzstabilität aus, indem sich nämlich die Eisenteile, je nach der Entfernung voneinander, mehr oder weniger stark anziehen und somit die Schwingungscharakteristik des Resonators beeinflussen.

Mangelnde Frequenzstabilität eines Frequenzbandfilters kann sich jedoch sehr ungünstig auswirken, weil dadurch der Frequenzbereich z. B. in einen von Störungen verseuchten Bereich verschoben werden kann, so daß Störimpulse zu Störungen im Rundsteuerempfänger führen können. Bei einer Frequenzverschiebung sinkt aber andererseits auch die Empfindlichkeit des Rundsteuerempfängers, so daß dieser nicht oder nicht immer auf ein Steuersignal anspricht

Besonders kritisch wird die Lage bei einem Kanal in der Nähe der Harmonischen der Netzfrequnez, wo in der Regel ein besonders großes Störpegel vorhanden ist.

Durch die CH-PS 4 77 043 wird eine auf elektromagnetischem Wege in Schwingung gehaltene Stimmgabel als Gangsordnerschwinger für ein zeithaltendes Gerät offenbart, bei welcher die Stimmgabelarme aus ferromagnetischem Material bestehen, und als Rückschluß für ein Permanentmagnetsystem dienen. Jedes freie Ende eines Stimmgabelarmes bildet den Pol eines Permanentmagnetsystems und schwingt über einer Spulenanordnung, die aus einer Steuerspule und einer Triebspule besteht. Diese Spulen werden durch zwei zu der Schwingungsebene der Stimmgabel parallel angeordneten Flachspulen gebildet. Die Flachspulen sind auf einem ferromagnetischen Teil angebracht, der als Rückschlußteil dient. Dieser ist ein durch ein Abstandsstück mit dem Stimmgabelsteg verbundenes, parallel zur Spulenebene angeordnetes flaches Element Das Permanentmagnetsystem besteht aus wenigstens einem senkrecht zu den genannten Ebenen magnetisierten Stabmagneten. Der für einen Stimmgabeloszillator für einen Gangordnerschwinger geschaffene Wandler weist einen relativ geringen Kopplungsfaktor auf, was bei Oszillatoren, nicht aber bei Frequenzbandfiltern, erwünscht ist.

Durch schwingungstechnische Gesichtspunkte, also z. B. durch die Länge und den Querschnitt der Resonatorzunge, wird nämlich beim Gegenstand der CH-Patentschrift die Ausgestaltung des Magnetflußweges weitgehend beschränkt, so daß eine Sättigung des ferromagnetischen Materials bei den gegebenen Dimensionen rasch erreicht wird.

Bei einem relativ geringen Kopplungsfaktor ist es jedoch bei einem Frequenzbandfilter nicht möglich, kleine Welligkeit im Durchlaßbereich zu erzielen. Des weiteren erlaubt die gezeigte Ausbildung des Gangordnungsschwingers für den Resonator keine Materialauswahl nach ausschließlich schwingungstechnische Gesichtspunkten. Da der Resonator als Teil des Gleichflußkreises wirkt, muß er notgedrungen aus ferromagnetischem Material bestehen.

Die französische Patentschrift 15 71910 offenbart ebenfalls eine auf elektromagnetischem Wege in Schwingung gehaltene Stimmgabel als Gangordnungsschwinger für ein zeithaltendes Gerät, wobei wiederum eine Steuerspule und eine Triebspule vorgesehen sind, welche die Form von Flachspulen besitzen. Es ist dabei über jeder Spulenhälfte ein Permanentmagnetsystem bestehend aus einem Magneten vorgesehen, der aus einem Stück besteht, aber je zur Hälfte in einem anderen Sinne magnetisiert ist, so daß die Magnetisierungsachsen senkrecht zur Schwingungsrichtung des Stimmgabelarmes sowie senkrecht zu den Flachspulen verlaufen. Da aber die Pole des Magneten unmittelbar nebeneinander liegen, treten die magnetischen Feldlinien nicht von einem Pol senkrecht in einen Teil der Spulen über, um über den Rückschlußteil wieder in einen anderen Teil der Spulen zum anderen Pol senkrecht zurückzukehren, sondern führen bereits im Luftspalt von einem Pol in einem Bogen zum andern Pol ohne eine Windung zu schneiden. Ein weiterer Teil der Feldlinien schneidet zwar die Windungen, aber nicht senkrecht zur Spulenachse. Auch hier ist somit der Kopplungsfaktor relativ gering, was für einen Oszillator auch durchaus zulässig oder sogar erwünscht ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Frequenzbandfilter von hoher Frequenzstabilität und einer der idealen Rechteckform angenäherten Durchlaßkurve zu schaffen.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht durch die Verwendung von Wandlern mit je einer Flachspule und je einem resonatorseitig vorgesehenen Permanentmagnetsystem, mit der Maßgabe, daß der als Blattfeder ausgebildete Resonator an seinem freischwingenden Ende ein Plättchen aus weichmagnetischem Material aufweist, an welchem zwei Permanentmagnete angebracht sind, deren Magnetisierungsachsen senkrecht zum Plättchen und senkrecht zur Schwingungsrichtung des Resonators sowie senkrecht zu den Windungen einer durch einen Luftspalt von den freien Polenden getrennten Flachspule verlaufen, die auf einer Platte aus weichmagnetischem Material in der Weise angeordnet ist, daß der magnetische Gleichflußkreis des Permanentmagnetsystems diametral gegenüberliegen-

de Abschnitte der Flachspulen in entgegengesetzter Flußrichtung durchsetzt.

Das erfindungsgemäße Filter weist eine hohe Frequenzstabilität und eine der idealen Rechteckform angenäherten Durchlaßkurve auf und kann außerdem äußerst kompakt ausgestaltet werden. Insbesondere ist auch die Welligkeit im Durchlaßbereich gering. Die Verluste bei Frequenzen im Durchlaßbereich sind beim erfindungsgemäßen Filter auch bei seiner Verwendung im unteren Niederfrequenzbereich sehr klein, so daß es sich speziell für die Zwecke der Rundsteuerungstechnik eignet

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich ein großer Teil oder der größte Teil der genannten koppelnden Masse in der Nähe der Linie, die die beiden Schwingungsschwerpunkte der Resonatoren miteinander verbindet Dies hat den Vorteil, daß das Filter besonders kompakt und leicht ausgeführt werden kann. Bei einer relativen Bandbreite von z. B. 1 zu 200 beträgt bei einer Resonatorschwingmasse von 1 g die kleinste Kopplungsmasse nur ungefähr 200 g, wenn sie in der Nähe der genannten Linie liegt Wenn jedoch die Kopplungsmasse nicht auf die genannte Linie konzentriert wurde, wie dies bei vorbekannten Filtern der Fall ist so könnte die koppelnde Masse leicht Beträge bis zu einem Kilo und mehr annehmen. Demgegenüber weist eine Ausführungsform der Erfindung für das bevorzugte Anwendungsgebiet d. h. das untere Niederfrequenzbereich, Ausmaße von nur wenigen Zentimetern auf. Ein vergleichbares elektrisches Bandfilter für die gleichen Frequenzen ließe sich, wenn überhaupt nur mit Induktivitäten auf sehr großen Kernen und großvolumigen Kondensatoren realisieren, so daß das elektrische Filter um ein Mehrfaches größer ausfallen würde als das beschriebene elektromechanische Frequenzbandfilter.

Die Resonatoren des Filters der Erfindung sind mechanisch miteinander gekoppelt Wenn auch andere starre Kopplungen denkbar sind, so stellt eine mechanische Kopplung die denkbar einfachste und billigste Kopplung dar.

Beide der Resonatoren können aus einem Federelement bestehen, das an einem Ende an der elastisch aufgehängten Masse befestigt ist und am anderen Ende eine Schwungmasse trägt. Dadurch wird ein sehr einfaches und leicht abzustimmendes Resonatorsystem geschaffen.

Das Federelement des Filters der Erfindung ist eine Blattfeder. Da eine Blattfeder bei einem entsprecheden Verhältnis zwischen Dicke und Breite in einer Richtung steifer ist als in der anderen Richtung, kann sie praktisch nur in einer Ebene schwingen. Dies kann von Vorteil sein, wenn die von der Blattfeder getragene Endmasse aus einem Magnetsystem besteht, das den bewegten Teil eines elektrodynamischen Wandlers bildet. Dieser bewegliche Teil soll nämlich immer in der gleichen Bahn relativ zum stationären Teil des Wandlers bewegt werden können und auf keinen Fall etwa den stationären Teil berühren. Das Magnetsystem ist seitlich am freien Ende der Blattfeder angebracht und der magnetische Pfad ist dort wo er das Magnetsystem verläßt praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder gerichtet. Da die Blattfeder, wie schon geschildert wurde, senkrecht zur Schwingungsebene steif ist, kann das Magnetsystem wegen dieser Steife der Blattfeder nicht in eine Spule eines Wandlers hineingezogen werden, deren Achse senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder liegt. Dies ermöglicht eine besonders günstige Ausgestaltung des Wandlers.

Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Frequenzbandfilters werden nun anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform des elektromechanischen Schwingsystems des Frequenzbandfilters, wobei das Schwingungssytem elektrodynamische Wandler auweist
F i g. 2 eine Ansicht A des Systems von F i g. 1 und

ίο dessen Aufhängung im Gehäuse unter Verwendung von Polstern aus Schaumstoffen,

F i g. 3 eine Aufsicht auf eine Ausführungsform, bei der die Aufhängung des Schwingungssystems mittels einer Blattfeder erfolgt

F i g. 4 das elektrische Ersatzschaltbild des elektromechanischen Schwingungssystems,

Fig.5 mögliche Dämpfungscharakteristiken des dargestellten elektromechanischen Schwingungssystems,

F i g. 6 einen elektrodynamischen Wandler im Schnitt entlang der Linie I-I von F i g. 1,

Fig.7 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform des elektromechanischen Schwingsystems des Frequenzbandfilters und

F i g. 8 eine Ansicht A des Systems von F i g. 7.

Das in den F i g. 1 und 2 dargestellte elektromechanische Frequenzbandfilter stellt eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung dar. Es sind noch zahlreiche andere Ausführungsformen eines der vorliegenden Erfindung entsprechenden elektromechanischen Frequenzbandfilters denkbar. Es wird deshalb weiter unten der Erfindungsgegenstand anhand eines elektrischen Analogiemodells betrachtet werden, wobei dann besonders Gewicht auf die Charakterisierung der für die Gewährleistung der gewünschten Funktionen notwendigen Bauteile gelegt werden wird.

Das in F i g. 1 und 2 gezeigte elektromechanische Frequenzbandfilter besteht grundsätzlich aus einem Schwingungssystem mit zwei mechanischen Schwingern, im folgenden Resonatoren 2,4 genannt die mittels einer elastisch aufgehängten Masse (Masse M) miteinander in Verbindung stehen. Diese Masse M wird durch das Basisstück 1 und die starr damit verbundenen Teile gebildet. Die Anregung des Schwingungssystems mit den Resonatoren 2, 4 geschieht am Filtereingang zweckmäßigerweise mittels eines elektrodynamischer Wandlers 3, der auf den Resonator 2 einwirkt Dei Resonator 2 wirkt dann seinerseits durch die bereits erwähnte Kopplung über die Masse des Basisstücks 1 auf den Resonator 4 ein. Die Schwingungsenergie des über Resonator 2 indirekt angeregten Resonators 4 kann am Filterausgang mit Hilfe eines weiterer dynamischen Wandlers 5 abgenommen werden. Es liegi somit ein Zweitor oder ein sogenannter Vierpol vor Dazu ist noch zu bemerken, daß es an sich gleichgültig ist welcher Resonator 2, 4 als Eingangsresonatoi verwendet wird, wenn Ein- und Ausgangsimpedan; gleich groß gewählt werden.

Grundsätzlich kann das rein mechanische Schwin gungssystem des Zweitors mittels geeigneter Wandlei an weitere Systeme, z. B. an mechanische, optische odei thermische Systeme angepaßt werden. Für die Verwen dung in elektrischen Schaltungen wird die Anpassunf zweckmäßig mit Hilfe von elektrodynamischen Wand

μ lern 3, 5 vorgenommen. Das Filter läßt sich in diesen Falle direkt in elektrische Stromkreise einschalten um kann auch hinsichtlich seiner Eigenschaften wie eil elektrisches Filter beschrieben und verwendet werder

V-K-

Elektrodynamische Wandler weisen keine negative magnetische Elastizität auf, welche die Frequenzen verschiebt. Das Frequenzbandfilter ist daher hochstabil.

Die vorzugsweise aus Permanentmagneten gebildeten Magnetsysteme 7, 9 sind Teile sowohl der elektrodynamischen Wandler 3, 5 als auch der Resonatoren 2, 4. Die Magnetsysteme 7, 9 sind an je einem Ende der Federelemente 11, 13 befestigt, die: vorzugsweise als Blattfedern ausgebildet sind. Die Magnetsysteme 7, 9 stellen mit ihrer Masse und der io Eigenmasse der Federelemente 11,13 die Schwingmassen der Resonatoren 2, 4 dar. Dabei bilden die Masse m-Federelemente 11, 13 die elastische Komponente. Die

Resonatoren 2, 4 selbst bestehen also aus je einem Elastizität E-

Federlement 11 bzw. 13 und je einer Endmasse, die vorugsweise in Form von Magnetsystemen 7, bzw, 9 ausgebildet ist. Im harmonischen Schwingungszustand eines solchen Resonators 2, 4 pendelt die Energie periodisch zwischen dem Federelement im gespannten, d. h. durchgebogenen Zustand, und der beschleunigten Masse (Magnetsystem plus Masse des Federelementes) hin und her. Das Basisstück 1, an welchem die Resonatoren 2, 4, befestigt sind, ist ebenfalls Teil der beschleunigten Masse. Damit dieses Basisstück 1 ebenfalls zum Mitschwingen angeregt werden kann, ist es, wie z. B. F i g. 2 zeigt, relativ frei beweglich in dem Gehäuse 15 aufgehängt Zweckmäßigerweise geschieht diese Aufhängung mittels Polstern 17 aus z. B. Schaumgummi oder Schaumkunststoffen. Es ist aber auch möglich, das Basisstück 1 andersweitig aufzuhängen, wie dies später noch beschrieben werden wird. Wie bereits erwähnt, dient das Basistück 1 dazu, die Schwingungsenergie des einen Resonators auf den anderen zu übertragen. Wenn man das Ganze betrachtet, liegt deshalb ein gekoppeltes Schwingungssystem vor, in dem die beiden Resonatoren 2,4 nicht frei schwingen können, sondern durch die Massenkopplung in gewissem Sinne erzwungene Schwingungen ausführen. Dadurch erklären sich die speziellen Eigenschaften des Frequenzbandfilters.

Wird das elektromechanische Frequenzbandfilter mit einem kontinuierlichen Frequenzspektrum, z.B. mit Hilfe des gezeigten elektrodynamischen Wandlers 3 angeregt, so erscheinen am Ausgang des Frequenzbandfilters, d.h. am elektrodynamischen Wandler 5 (oder umgekehrt) nur Frequenzen aus einem relativ schmalen Bereich des ganzen Spektrums. Es liegt somit ein Bandpaß, im speziellen ein Frequenzbandfilter vor, dessen Eigenschaften nun durch Transformation in elektrische Analogie bestimmt werden sollen.

Diese Analogien bestehen in bezug auf die mathematischen Beziehungen von Kraft K und Geschwindigkeit deinerseits und Strom /und Spannung Uandererseits. Die Verknüpfung ist durch das Induktionsgesetz und das Gesetz von Ampere gegeben. Man erhält die folgende Analogien:

-V -1

-Kapazität C
-Induktivität L

Damit läßt sich das erfindungsgemäße mechanische Filter in der durch Fig.4 angegebenen Form als elektrisches Äquivalent beschreiben. Die einzelnen Zweige des Netzwerkes enthalten elektrische Reaktanzen Z₁, Z₂, Zi in Form von Induktivitäten L und Kapazitäten C.

Die Widerstände R repräsentieren die durch die als ideal angenommenen elektrodynamischen Wandler 3,5 angepaßten externen Schaltungen und Leitungen. Die speziellen Eigenschaften dieses elektrischen Netzwerkes entsprechen jenen des mechanischen Systems und werden durch die gleichen mathematischen Ausdrücke beschrieben.

Für ein Filter dieser Art interessiert vor allem die Übertragungsfunktion, die im allgemeinen komplex ist und Dämpfungs- und Phasenbeziehung angibt Sie kann durch Auflösen der Netzwerkgleichungen aufgrund der Kirchhoffschen Strom- und Spannungsgesetze oder allgemein durch Aufstellen und Auswerten der Vierpolersatzmatrix erhalten werden.

Am einfachsten wird mit der [A]-Matrix gerechnet, weil diese am einfachsten aus der Kettenschaltung von Impedantvierpolen gewonnen werden kann. Sie verknüpft Ein- und Ausgang eines Vierpols in der folgenden Art:

wobei

^αΐ2Ί

an

und a_n . . . a₂₂ die Koeffizienten der Matrix sind.

Die allgemeine Form für das vorliegende Netzwerk lautet

Die einzelnen Ausdrücke Z₁, Z₂, Z₃ sind beliebige Impedanzen in den einzelnen Zweigen des symmetrischen Netzwerkes und bedeuten im vorliegenden Fall:

Z₁ = j to L,
./ti) t-

Mit den Vereinfachungen

Ω =

65 wobei

lassen sich die Koeffizienten der Matrix folgendermaßen angeben:

«li = «22 = (1 + «) - iß ■ (2 + «),

M₂I = (1 -iß) [y_} - i.'(2+fl)l -JUH₁

Durch Einführung von Quellen- und Lustwiderstand R kann nun die übertragungsfunktion bzw. deren Reziprokenwert angegeben werden.

G = -^L = 2fl„ + R ■ U_1x

= 2(1 - iß) (2 + α) - 2 + jL₀RC ■ (I - iß) Γ~ (1 - ί*) - 2ίί\ %= (2 + α)

I L-- J ("π Kt-

Da nur ein kleines Frequenzgebiet in der Nähe der Resonanzfrequenz ω₀ interessiert, sind folgende Vereinfachungen zulässig:

ü = 1 - y; i/ = 1 - fc,

worin b die Bandbreite bedeutet. Somit wird G unter Vernachlässigung kleiner Größen

G = 2ab - 2 +j \w₀RC(ab² -2b) ~ I

L u>o RC j

= Realteil Re + Imaginärteil Im .

Re = 0 liefert die Bandgrenze <»_, bzw. <u _{+ 1}; daraus folgt

/' = — ,um welchen Betrag nun eine Koordi-

Cl

natcnlransformation vorgenommen wird mittels foluendcr Substitution:

Im übrigen ist die Form und Lage der in Fig.5 dargestellten Dämpfungskurven durch die Wahl

25

B = b* +

Re = 2a(b* + -^) -2 = 2ab*,

Im = <„_tlRc(ah*² --~) ~.

\ a) Ui_nRC

45

50

Für die Dämpfung ist der Betrag von G maßgebend, so daß die Dämpfungsfunktion sich so darstellen läßt:

= ]/(2ab*f V

Die hergeleitete Dämpfungsfunktion des Filters ist abhängig von a, welches bestimmend ist für die

Bandbreite. Dann für b=° wird der Reziprokwert der

U ^v b5

Übertragungsfunktion rein imaginär, wodurch die Bandgrenzen ω_ι, ω+1 festgelegt sind. (Siehe auch entsDrechende Koordinationstransformation.)

("0 —

R und C festgelegt, R bestimmt die Welligkeit im Durchlaßbereich D und die Flankensteilheit F. Mit L und C wird die untere Lochgrenze des Bandfilters festgelegt, und die Bandbreite ist allein bestimmt durch das Verhältnis a der Querkapazität (Z₃) und der Längskapazität (Z₂).

Diese interessanten Tatsache ist der entscheidende Vorteil des erfindungsgemäßen Bandfilters. Zieht man

J5 nämlich die einleitend gegebenen Analogiebeziehungen zwischen mechanischen und elektrischen Systemen wieder heran, so sieht man sofort, daß der die Bandbreite bestimmende Faktor

40 Zl

C₁₁
C₁

nichts anderes ist als das Massenverhältnis gegeben durch die aktive Masse M des Basisstückes 1 und der starr daran befestigten Teile und der Masse m der Resonatoren des elektromechanischen Filters. Da praktisch der größte Teil der Masse m durch die Magnetsysteme 7, 9 gebildet wird, ist mit dem beschriebenen Filter eine einfache Möglichkeit geschaffen, die Bandbreite b derselben genau zu bestimmen und fertigungstechnisch in engen Grenzen zu halten.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die hergeleitete Zusammenhänge aufgrund eines symmetrischen, reziproken Vierpols gemacht wurden. Dies bedeutet, daß diese Gültigkeit haben für ein elektromechanisches Filter der gezeigten Art, welches ebenfalls symmetrisch aufgebaut ist, dessen Magnetsysteme 7, 9 mit den entsprechenden Federn 11, 13 die gleiche Masse m aufweisen.

Darüber hinaus ist es aber auch denkbar, mittels eines unsymmetrischen Aufbaues des elektromechanischen Filters die Eigenschaften des Bandfilters zu ändern und abweichende Dämpfungsverläufe A zu erhalten. Ein derartiges unsymmetrisches Filter läßt sich ebenfalls mit Hilfe der dargestellten Ableitungen berechnen.

Eine anhand der genannten Erkenntnisse aufgebaute Ausfuhrungsform der Erfindung wird nun noch im Detail beschrieben. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist,

besteht die zentrale Masse M grundsätzlich aus dem Basisstück 1. Dieses Basisstück 1 muß frei beweglich sein. Sieht man zu seiner Aufhängung im Inneren eines Gehäuses 15, wie in F i g. 2 dargestellt, Polster 17 aus elastischem Material vor, so bedeutet dies, daß die aktive Masse M gefedert mit dem festen Aufbau, also hier dem Gehäuse 15 verbunden ist.

Im elektrischen Analogiemodell entspricht dies einer verhältnismäßig großen Induktivität parallel zur Impedanz Z3, deren Reaktanz gegenüber Z3 vernachlässigbar ist. wie dies der gemachten Voraussetzung entspricht. Als zweckmäßiges Material für die Polster 17 kann Schaumstoff bzw. Schaumgummi vorgesehen werden. Es ist aber auch beispielsweise eine Aufhängung des BasisstUckes 1 im Gehäuse 15 mittels zahlreicher kleiner Spiralfedern verteilt rings um das Basisstück 1 angeordnet, denkbar. Eine einfache Aufhängung kann auch durch eine Befestigung des Schwingungssystems am Basisstück 1 mittels dreier Stäbe 51, 53, 55 (Fig. 1) von relativ kleinem Querschnitt und dadurch relativ hoher Elastizität erfolgen. Es ist auch möglich, das Basisstück 1 an der von den Schwingmassen 7, 9 entfernten Seite mit einer Blattfeder 57 (Fig.4) am Gehäuse 15 zu befestigen. Die Blattfeder 57 ist dabei bei der Symmetrieachse der aufgehängten Masse, also des BasisstUckes I₁ befestigt, und zwar derart, daß ihre Schwingungsebene ungefähr mit jenen der Resonatoren zusammenfällt.

Bei den gezeigten Ausführungsformen von F i g. 1 bis 3, hat das Basistück 1 die Form eines T. Dies hat den Vorteil, daß am Fuß 33 des T die elektrodynamischen Wandler 3,5 auf einfache Art befestigt werden können, wie dies noch beschrieben werden wird. Die T-Form ist jedoch nicht zwingend. Für die Festlegung der aktiven Masse M des Basisstückes 1 und der daran starr befestigten Teile muß lediglich das Momentanzentrum Z der angeregten Schwingbewegung bestimmbar sein. Mit Hilfe des bezüglich dieses Momentanzentrums Z vorliegenden Trägheitsmomentes θ und des wirksamen Abstandes r ergibt sich die aktive Masse in jedem beliebigen Falle zu

M =

Θ r

ι ο

20

30

40

Sollte die relative Bandbreite so bestimmt sein, daß man gezwungen ist, mit einer möglichst kleinen koppelnden Masse auszukommen, so legt diese Formel nahe, den größen Teil der koppelnden Masse in der Gegend der Bewegungslinie der Schwingungsschwerpunkte der beiden Resonatoren zu konzentrieren.

An den beiden Schenkeln 19, 211 des T-förmigen Basisstückes 1 sind die beiden Federelemente 11, 13 symmetrisch befestigt, so daß sie sich parallel zueinander und zum Fuß 33 des T erstrecken. Die Verbindung kann beispielsweise durch Anschrauben, Kleben, Schweißen, Nieten oder Hartlöten erfolgen und muß starr sein. Die Federelemente 11, 13 bilden mit den Magnetsystemen 7, 9 zusammen die beiden Resonatoren 2, 4 die mittels des Basisstückes 1, also der aufgehängten Masse, miteinander gekoppelt sind.

Damit diese Resonatoren 2,4 möglichst kleine Masse im Verhältnis zur Wandlerstärke aufweisen, ist, wie bereits erwähnt wurde, deren Schwingmasse m zweckmäßig in Form der Magnetsysteme 7,9 am freien Ende der Federn 11, 13 konzentriert. Die Magnetsysteme 7,9 bestehen vorzugsweise aus einem Plättchen 6 aus weichmagnetischem Material, an welchem zwei prismatische Permanentmagnete 8, die beispielsweise aus einer Samarium-Kobalt-Legierung bestehen können, befestigt sind. Die Magnetisierungsachse der Permanentmagnete 8 verläuft ungefähr senkrecht zum Plättchen 6. Die Permanentmagnete ? werden ^c angeordnet, daß ein magnetischer Pfad 29, wie in F i g. 7 dargestellt, entsteht. Es wäre aber auch möglich, ein Magnetsystem aus einem Stück zu gestalten, wenn dabei ein magnetischer Pfad 29 von der in F i g. 7 dargestellten Form erreicht werden kann.

Die Gewährleistung der hohen Stabilität der Bandfiltereigenschaften und die Temperaturunabhängigkeiten der Parameter (ωο, ω-ι, ω ₊ ι) wird durch geeignete Materialauswahl, z. B. »Elinvar«, »NiSpan C«, »'Thermelast« und durch geeignete thermische Behandlung dieser Materialien bewirkt. Damit ist der eigentliche bestimmende Filterteil, der durch die dargestellte [A]-M atrix bestimmt wird, beschrieben worden.

Die Ein- und Auskopplung der Schwingungsenergie geschieht auf eine Schwingmasse m bzw. von einer Schwingmasse m. Es ist zweckmäßig und entspricht auch der vorliegenden Ausführung, dabei an elektrische Systeme, wie Oszillatoren, Leitungen, Verstärkerstufen etc. zu koppeln. Die dafür vorgesehenen elektrodynamischen Wandler 3,5 bestehen ihrerseits ebenfalls aus den Magnetsystemen 7, 9 als dem hauptbeweglichen Teil und aus Flachspulen 23, 25 aus dem weniger beweglichen Teil. Die Flachspulen 23,25 sind direkt auf einer gemeinsamen Platte 27 aus weichmagnetischem Materia' geklebt und befinden sich unter dem jeweiligen Magnetsystem 7, 9, so daß sie von dessen Kraftlinien optimal geschnitten werden. Die Platte 27, die aus einem weichmagnetischen Material, z. B. aus »Ferroxcube« besteht, trägt an ihren Enden die beiden Flachspulen 23, 25 und ist am Fuß 33 des T des Basisstückes 1 starr befestigt.

F i g. 6 zeigt beispielsweise den Aufbau eines Wandlers. Dabei ist die Anordnung von Magnetsystem 7, Flachspule 23 und Platte 27 deutlich ersichtlich. Der magnetische Pfad 29 ist bei dieser Anordnung sehr kurz, wodurch ein hoher Wirkungsgrad des Wandlers gewährleistet ist. Das Federelement 11 schwingt mit dem Permanentmagnetsystem 7 periodisch in der angegebenen Pfeilrichtung 31 und induziert durch Flußänderung in der Flachspule 23 entsprechende Spannungsschwankungen, die einem Verbraucher R (Fig.4) zugeführt werden können. Durch einen der Flachspule 23 aufgeprägten Wechselstrom aus einer Quelle mit dem Innenwiderstand R kann aber auch das mechanische System 7, 11, also der Resonator, in Schwingung versetzt werden.

Die elektrodynamischen Wandler 3, 5 können als praktisch ideal betrachtet werden, und Quellen- sowie Verbraucherimpedanz werden in dem berechneten Anschlußwert R einbezogen. Verluste der elektrodynamischen Wandler 3,5 lassen sich jedoch ebenso einfach in diesen extern zu schaltenden Widerständen R berücksichtigen. Die hohe Güte des gezeigten elektromechanischen Filters — es lassen sich ohne weiteres Werte von einigen Tausend bei niedrigen Frequenzen (100—1000 Hertz) erreichen — machen es praktisch möglich, das Frequenzbandfilter in allen Anwendungsfällen mit unveränderten Eigenschaften einzubauen. Darin liegt, wie bereits einleitend gesagt wurde, ein großer Vorteil des vorliegenden elektromechanischen Frequenzbandfilters. Im bevorzugten Anwendungsbereich, d. h. für den unteren Niederfrequenzbereich, lassen sich im Gegensatz zu rein elektrischen Filtern

handliche Abmessungen erzielen. Das beschriebene Frequenzbandfilter weist z. B. Außenmaße von wenigen Zentimetern auf, wogegen sich elektrische Bandfilter für die gleichen Frequenzen, 'yenn überhaupt, so nur mit Induktivitäten auf großen Kernen und großvolumigen Kondensatoren realisieren lassen. Im Gegensatz zu diesen, elektrischen, Frequenzbandfiltern, deren Güte nur sehr geringe, für Filterzwecke unbrauchbare Werte aufweist, zeichnet sich das vorliegende Frequenzbandfilter im gleichen Frequenzbereich durch sehr hohe Gütefaktoren aus.

Dadurch ist eine besonders gute Selektivität gegeben, weshalb sich dieses Filter zum Aussieben von niederfrequenten Nutzsignalen aus einem Frequenzbereich von hohem Störpegel bzw. sehr hohem Fremdspannungspegel besonders gut eignet

Die in den F i g. 7 und 8 gezeigte Ausführungsform des elektromagnetischen Schwingungssystems des Frequenzbandfilters unterscheidet sich von den bisher beschriebenen Ausführungsformen grundsätzlich dadurch, daß anstelle eines T-förmigen Basisteils ein Basisteil verwendet wird, der aus einem prismatischen Basisstück la und einer Grundplatte \b besteht Das prismatische Basistück la kann z.B. auf der Platte \b durch Weichlöten befestigt werden. Weiter sind bei der Ausführungsform gemäß den F i g. 8 und 9 anstelle einer einzigen Ferritplatte für beide Flachspulen der Wandler zwei separate Platten 27a, 27 b vorgesehen, die ebenfalls aus einem weichmagnetischen Material, z. B. »Ferroxcube«, bestehen.

Im übrigen ist der Aufbau des Frequenzbandfilters nach den F i g. 7 und 8 grundsätzlich derselbe wie beim Frequenzbandfilter nach F i g. 1. Es werden daher die gleichen Bezugsziffern verwendet, so daß hierfür auf die vorangehende Beschreibung verwiesen werden kann.

Um nun zu den bereits erwähnten Merkmalen der vorliegenden Ausführungsform näher einzugehen, sei

vorerst erwähnt daß die beschriebene Ausgestaltung des Basisteils in Form eines Basisstücks la und einer Grundplatte löden Vorteil besitzt daß durch die Wahl der Grundplattendicke i/für jede beliebige Frequenz die Bandbreite eingestellt werden kann. Es wäre aber auch möglich, die Platte \b so auszugestalten, daß mit Leichtigkeit Teile von der Grundplatte abgetrennt werden können. Andererseits ist es auch möglich, durch Anbringen von zusätzlichen Massen an der Grundplatte eine entsprechende Veränderung der Bandbreite zu erzielen. Dabei kann die aktive Masse auch dadurch verändert werden, daß die genannte zusätzliche Masse auf der Platte anders plaziert wird.

Was nun die Verwendung von separaten Platten 27a und 27b für die Flachspulen 23, 25 der Wandler anbetrifft hat diese den Vorteil, daß bei jedem Resonator die Flachspule, die zweckmäßigerweise auf der Platte 27a, 27b festgeklebt ist bei jedem Resonator 2, 4 genau und unabhängig vom anderen Resonator an den richtigen Ort unter das Magnetsystem geschoben werden kann. Zweckmäßigerweise erfolgt die Befestigung der Platte 27a, 27b auf der Grundplatte la durch Festkleben.

Gesamthaft betrachtet ermöglicht die beschriebene Ausführungsform der Erfindung bei serienmäßiger Herstellung verschiedener Filter, bei denen verschiedene Lochfrequenzen und verschiedene Bandbreiten benötigt werden, mit Standardelementen zu arbeiten. Solche Standardelemente sind die Spulen, die Platten für die Spulen, die Permanentmagnete, die Jochplättchen für die Permanentmagnete, das prismatische Basisstück zur Befestigung der Blattfedern, Blattfedern verschiedener Dicke, aber gleicher Breite, sowie Grundplatten verschiedener dicke oder Grundplatten mit abtrennbaren Teilen, gegebenenfalls auch zusätzliche Massenteile zur Vergrößerung der Masse der Grundplatte.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Frequenzbandfilter, das zwei Resonatoren aufweist, die über eine elastisch in einer Halterung ■> aufgehängten Masse miteinander gekoppelt und die mit elektromechanischen Wandlern versehen sind, bei welchen der den Resonatoren gegenüberliegende Abschnitt einen Bestandteil der koppelnden Masse bildet, gekennzeichnet durch die Verwendung von Wandlern mit je einer Flachspule (23, 25) und je einem resonatorseitig vorgesehenen Permanentmagnetsystem mit der Maßgabe, daß der als Blattfeder (11,13) ausgebildete Resonator (2,4) an seinem frei schwingenden Ende ein Plättchen (6) aus weichmagnetischem Werkstoff aufweist, an welchem zwei Permanentmagnete (8) angebracht sind, deren Magnetisierungsachsen senkrecht /um Plättchen (6) und senkrecht zur Schwingungsrichtung des Resonators (2, 4) sowie senkrecht zu den Windungen einer durch einen Luftspalt von den freien Polenden der Permanentmagnete (8) getrennten Flachspule (23,25) verlaufen, die auf einer Platte (27) aus weichmagnetischem Material in der Weise angeordnet ist, daß der magnetische Gleichflußkreis (29) des Permanentmagnetsystems diametral gegenüberliegende Abschnitte der Flachspule (23, 25) in entgegengesetzter Flußrichtung durchsetzt

2. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein großer Teil oder der größte jo Teil der genannten Masse in der Nähe der Linie, die die beiden Schwingungsschwerpunkte der Resonatoren miteinander verbindet, befindet.

3. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetsystem (7, r> 9) seitlich am freien Ende der Blattfeder (11, 13) angebracht ist und daß das magnetische Feld in dem zwischen den zwei Wandlerteilen vorhandenen Luftspalt praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder (11, 13) gerichtet ist und daß die Achse jeder Flachspule (23, 25) praktisch senkrecht zur Schwingungsebene der Blattfeder (11, 13) ausgerichtet ist.

4. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (27) aus 4 weichmagnetischem Material derart bemessen ist, daß auch bei der maximalen Amplitude des Resonators (2, 4) die Form des Kraftlinienverlaufes vom Magnetsystem (7,9) zur Platte (27) unverändert bleibt. ^r><>

5. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (23, 25) beider Wandler (3, 5) auf der gleichen Platte (27) befestigt sind.

6. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch aufgehängte Masse durch einen Basisteil (1) in Form eines T gebildet ist, der zwei Schenkel (19, 21) zur Befestigung der Federelemente (11, 13) und einen Fuß (33) besitzt. e> <>

7. Frequenzbandfilter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente (U, 13) symmetrisch zu einer Mittelebene des Basisteils an den Schenkeln (19,21) befestigt sind, und daß sich die Federelemente (11,13) parallel zueinander und zum fe5 Fuß (33) erstrecken.

8. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastisch aufgehängte Masse durch ein Basistück (\a) zur Befestigung der Federelemente (11, 13) sowie eine Grundplatte (ib) gebildet ist, mit welcher das Basisstück (1 a) verbunden ist

9. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (ib) abtrennbare Teile zur Veränderung der Bandbreite aufweist

10. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch auf der Grudplatte (ib)aufbringbare Massenteile zur Veränderung der Bandbreite.

11. Frequenzbandfilter nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen auf der Grundplatte justierbaren Massenteil zur Veränderung der Bandbreite.

12. Frequenzbandfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (23, 25) jedes Wandlers (3,5) auf einer einzelnen Platte (27a, 27b) aus weichmagnetischem Material befestigt ist

13. Frequenzbandfilttr nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jede Platte (27a, 27b) aus weichmagnetischem Material auf der Grundplatte (Unbefestigt ist

14. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Aufhängung der Masse durch elastische Befestigung derselben in einem Gehäuse (15) erfolgt

15. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung durch eine Polsterung (17) erfolgt

16. Frequenzbandfilter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenz der Polsterungsmasse (17) zusammen mit der gesamten Masse des Schwingungssystems tiefer liegt als dessen tiefste Durchlaßfrequenz.

17. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung mittels Stäben (51, 52, 53) von dünnem Querschnitt erfolgt.

18. Frequenzbandfilter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Befestigung mittels mindestens eines Federelementes (57) erfolgt.

19. Frequenzbandfilter nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (57) eine Blattfeder ist.

20. Frequenzbandfilter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfeder (57) bei der Symmetrieachse und fußseitig der Resonatoren an der aufgehängten Masse befestigt ist, und daß die Schwingungsebene der Blattfeder (57) mit jenen der Blattfedern der Resonatoren (2,4) zusammenfällt.

21. Frequenzbandfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Anschläge (53, 55) vorgesehen sind, weche die Schwingungsamplitude des Resonators (2,4) begrenzen.