NL7907049A

NL7907049A - Geluidsgolfinrichting.

Info

Publication number: NL7907049A
Application number: NL7907049A
Authority: NL
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1978-09-22
Filing date: 1979-09-21
Publication date: 1980-03-25
Also published as: JPS55102918A; GB2033185A; FR2437109B1; FR2437109A1; DE2938158A1; GB2033185B; US4272742A

Description

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty’s Government of the United Kingdom of Great Britain and northern Ireland, te Londen, Groot Brittannië

Geluidsgolfinri chting,

De uitvinding heeft betrekking op een geluidsgolfinrich-ting, voorzien van een temperatuur-stabilisatie,

Geluidsgolfinrichtingen kunnen bestaan uit oppervlakte-geluidsgolfinrichtingen (SAW) of massa-geluidsgolfinrichtingen (SSBW) met 5 strijking langs het oppervlak, Dergelijke inrichtingen worden gebruikt als vertragingslijnen, terugkoppelingselementen naar oscilatoren, zeven, discriminatoren, enz,

In een gebruikelijke SAW-inrichting worden geluidsgolven gezonden en ontvangen langs het platte oppervlak van een piëzo-elektrische 10 onderlaag door twee vingervormig inelkaar grijpende, kamtransductoren, die op onderlinge afstand liggen langs een oppervlakte-geluidsgolfbaan.

Een SSBW-inrichting is soortgelijk, behalve dat de geluidsgolf wordt gezonden in de massa van de onderlaag vlak onder het oppervlak daarvan,

Het gebruikelijkste onderlaagmateriaal is kwarts. Het wordt 15 gesneden langs gekozen kristalassen voor het verschaffen van een SAW-inrich ting of SSBW-inrichting, Bovendien moet de snede een inrichting verschaffen, waarvan de eigenschappen niet waarneembaar veranderen met de temperatuur van de onderlaag.

Een dergelijke snede voor SAW-inrichtingen is zogenoemd 20 ST-gesneden kwarts. Een andere snede, beschreven in de Britse octrooiaan vrage No, 22.075/78, is met het platte oppervlak gedraaid rond de Y-as (een gedraaide X-snede) over plus of min 1*1-U70 vanaf het Z-vlak, waarbij de baan onder 63-65° is gericht vanaf de Y-as voor het in hoofdzaak loodrecht maken van de baan op een klein rhomboedrisch kristalvlak, Een groep 25 sneden voor SSBW-inrichtingen is beschreven in de Britse octrooiaanvrage 7907049 '4* ' * t •yt ....

2 2,750/77, waarbij het platte oppervlak van de'onderlaag bestaat uit gedraaid Y-gesneden kwarts (gedraaid rond de-X-as), en de transductoren zijn uitgevoerd voor het voortplanten van geluidsgolven loodrecht op de X-as, en de hoek van de gedraaide Y-snede tussen min é0° tot min ^5° en 30° tot 5 ^5° ligt,

Onder gebruikmaking van nauwkeurig gekozen kristalrichtingen zijn oppervlakte-geluidsgolfoseilatoren gemaakt, waarbij de frequentie van de trilling met ongeveer +_ 50 delen per miljoen verandert over het bereik van min ^0°C tot + 100°6, Dit is te vergelijken met ongeveer + 10 delen 10 per miljoen voor gebruikelijke AT-gesneden kwarts-massagolfinrichtingen.

Een oplossing voor het vraagstuk van de frequentiestabiliteit ten opzichte van de temperatuur bestaat uit het in een voor wat betreft de temperatuur geregelde oven houden van de SAW-inrichting, hetgeen echter voor vele toepassingen onpraktisch is, 15 Een doel van de uitvinding is het verschaffen van een geluidsgolf inrichting, die althans ten dele een vereffening verschaft voor een verandering in eigenschappen met de temperatuur,

Overeenkomstig de uitvinding omvat een geluidsgolfinrichting althans twee geluidsonderdelen, die elektrisch parallel zijn gescha-2o keld, waarbij elk onderdeel is voorzien van een soortgelijke fasehelling, maar van verschillende overbrengingsamplituden en temperatuur-verdragings-coëfficiënten, en zodanig is uitgevoerd, dat de totale temperatuurscoëffi-ciënt over een bruikbaar temperatuursbereik wordt vereffend.

De geluidsonderdelen kunnen bijvoorbeeld vertragingslijnen 25 zijn of resonatoren, en kunnen werkzaam met oppervlakte-geluidsgolven, massagolven met strijking langs het oppervlak of een combinatie van beide,

De toestand van soortgelijke fasehellingen (dat wil zeggen verandering van fase met de frequentie bij een bepaalde temperatuur) ver-sekert, dat de temperatuursvereffening over een frequentieband wordt ver-30 kregen, Omdat het merendeel van de geluidsinrichtingen bestaat uit vertral gingslijnen, waarbij symmetrische transductoren worden toegepast, is de toestand van soortgelijke fasehellingen equivalent aan het zijn voorzien van de vertragingslijnen van dezelfde haanlengte, dat wil zeggen met een hart-afstand tussen de ingangs-en uitgangstransductoren, gemeten in golflengten 35 bij de middelpuntfrequentie, In de praktijk is het toelaatbaar miniem 7907049 3 /+ ** ip verschillende baanlengten te gebruiken voor het instellen van de vereiste faseverschillen tussen de banen, zoals hierna besproken.

Het is niet nodig dat de vertragingslijnen fysisch zijn gescheiden, waarbij bijvoorbeeld een SAW kan worden bekrachtigd door 5 vingervormig in elkaar grijpende transductoren met afzonderlijke bochten of met een kromming voor het verzekeren van geluidsbekrachtiging in verschillende richtingen op een onderlaag,

De vertragingslijnen kunnen gebruik maken van een willekeurig onderlaagmateriaal, en van een willekeurige geluidsgolf, met inbe-10 grip van SAW-, SSBW-, Bluestein-Gulyaer-golven, enz. De enige eis is, dat bepaalde golven in bepaalde richtingen verschillende teraperatuur-vertra-gingscoefficiënten hebben, In de praktijk is het nuttig uit te gaan van iets stabiels, SR-kwarts, De onderlaag kan piëzo-elektrisch zijn, bijvoorbeeld kwarts, of niet-piëzo-elektrisch met piëzo-elektrische gebieden bij 15 de transductoren,

In beginsel kan een grote mate van vereffening worden bereikt door toepassing van vele banen met verschillende amplituden en tem-peratuurscoëfficiënten. In de praktijk echter kan een bruikbare mate van vereffening worden bereikt door toepassing van slechts twee of drie banen, 20 zoals hierna beschreven,

De uitvinding wordt nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: fig. 1 een bovenaanzicht is van een oscilator met de geluidsgolfinrichting, voorzien van twee vertragingslijnen, 25 de fig. 2a-c fasediagrammen zijn bij verschillende tempe raturen voor de inrichting volgens fig, 1, fig, 3 frequentie-temoeratuurkrommen toont voor verschillende kwartssneden, gebruikt in onderlagen voor de geluidsgolfinrichting, fig, 1* een bovenaanzicht is van de geluidsgolfinrichting, 30 voorzien van drei vertragingslijnen, de fig, 5a-c fasediagrammen tonen bij verschillende temperaturen voor de inrichting volgens fig, 3, de fig, 6a-b frequentie-aanspreekkrommen tonen van de acoustische golfinrichting bij verschillende frequentie, 35 fig, 7 een bovenaanzicht is van de inrichting onder 7907049 1 ^ 1» gebruikmaking van twee resonatoren met twee poorten, en fig. 8 een bovenaanzicht is van de inrichting onder gebruikmaking van twee resonatoren met een enkele poort.

Zoals is weergegeven in fig, 1 omvat een geluidsgolfosci-5 lator 1 een kwart sonderlaag 2, voorzien van een plat oppervlak 3, dat twee geluidsgolfvertragingslijnen draagt, te weten een hoofdvertragingslijn k en een huiprertragingslijn 5. De kristalrichting van het platte oppervlak 3 en de gerichtheid van de vertragingslijnen H, 5 bepalen of oppervlakte-of massagolven met oppervlaktestrijking worden opgewekt, 10 Voor een een SAW-inrichting, kan het oppervlak 2 bestaan uit ST-gesneden kwarts, De hoofdvertragingsli,in U is gericht voor het voortplanten van oppervlaktegeluidsgolven volgens de X-as, De hulplijn 5 is gericht onder Hl0 ten opzichte van de X-as, zoals hierna wordt beschreven. Deze bepaalde hoek van U1° is gekozen, omdat de SAW-snelheid zich op 15 een minimum bevindt (zoals op de X-as), zodat de inrichting ongevoelig is voor foute richtingen in de produktie.

Zoals weergegeven, zijn beide vertragingslijnen U,5 gevormd op een onderlaag 2, waarbij echter voor het verkleinen van het gebied van gebruikt kwarts, de lijnen kunnen worden gevormd op afzonderlijke on-20 derlagen, bevestigd aan een gemeenschappelijke montering, vooropgesteld dat de vertragingslijnen op hun betrokken stukken kwarts zijn gericht zoals in fig, 1,

De hoofdvertragingslijn U omvat een ingangstransductor 6 en een uitgangstransductor 7 op onderlinge afstand langs een hoofdgeluidsbaan 25 8, welke geluidsbaanlengte L de transductor hartafstand is voor vaste stof transductoren, zoals weergegeven. Wanneer de oscilator op êên enkele wijze werkzaam moet zijn, moet de lengte van de ingangstransductor 6, zoals geleerd in het Britse octrooischrift 1.U51.326, gelijk zijn aan de baandlengte L, bijvoorbeeld L=200 golflengten, Qp een soortgelijke wijze 30 omvat de hulpvertragingslijn 5 een ingangstransductor 9 en een uitgangs transductor 10 langs een Hulpbaan 11,

De baanlengte (gemeten in golflengten bij de middelpunt-frequentie) van de hulpvertragingslijn is gelijk aan de baanlengte L (weer gemeten in golflengten bij de middelpuntfrequentie) behalve voor 35 ongeveer een l\ , waarbij \ de golflengte is bij de middelpunt frequent ie, y o o ·« 7907049 ' tr 5 voor het verschaffen van een faseverschil van ongeveer 90° (in het voorbeeld van fig, 2: 110°) tussen signalen hij de uitgangen van de vertragingslijnen, Ook kunnen de twee baanlengten (gemeten in de golflengten) gelijk zijn, waarbij een uitwendige faseverschuiving wordt gebruikt. De uitwendige 5 faseverschuiver kan verstelbaar zijn.

De vertragingslijnen U, 5 zijn parallel geschakeld met de uitgangstransudctoren 7,10, verbonden met de ingang van een versterker 12, waarvan de uitgang is verbonden met de twee ingangstransductoren 6,9,

Tijdens bedrijf verschaffen de vertragingslijnen U,5 een IQ positieve terugkoppeling naar de versterker 12, zodat de oscilator kan werken bij een frequentie, bepaalt door de transudctoren 6, 7, 9, 10 de vingerafstand en baandlengten L, L·^ van de vertragingslijnen h,5.

Fig, 3 toont de wijze waarop de freauentie van de oscilator zou veranderen met de temneratuur indien alleen de hooörertragingslijn b 15 zou zijn verbonden met de versterker 12, voor verschillende richtingen van kwartssneden. Zowel de ST-snede als de over ^5° gedraaide X-snede hebben parabolische krommen.

Fig. 2 toont de wijze waaron de fase van signalen van de vertragingslijnen U,5 verandert met de temperatuur, De fasemetingen worden go verkregen door het verbinden van een enkele vertragingslijn met een kon- stante frequentiebron, en het meten van het faseverschil tussen signalen, geplaatst op de vertragingslijn en die, verkregen van de uitgangstransduc-tor van de vertragingslijn voor verschillende vertragingslijntemperaturen.

Eerst wordt de hoofdvertragingslijn U beschouwd met de 25 uitgang M op de nul fase bij T5°C, fig. 2a. Zowel het verlagen van de tem peratuur tot -U0°C, fig, 2b, als het verhogen daarvan tot 70°C, fig. 2c, vertraagt de fase, De reden hiervoor is te zien in fig, 3, dat wil zeggen dat 15° ongeveer een maximum is waarbij de frequentie aan weerszijden hiervan daalt, 2Q Thans wordt de hulpvertragingslijn 5 beschouwd, voorzien van een uitgang A, die over 110° is vertraagd met betrekking tot de hoofdvertragingslijn bij 15°, en die bij 15°C loodrecht on de resultanten R van de twee vertragingslijnen. Zoals hiervoor opgemerkt, kan dit 110° faseverschil worden bereikt door de iets verschillende baanlengten in de twee 35 vertragingslijnen.

7907049 > 6

De gesommeerde uitgang R van de twee vertragingslijn 4,5, dat wil zeggen de resultanten, is ongeveer 20° vertraagd met betrekking tot de vergelijkingsfase, en blijft 'gelijk-.wanneer de fasen van de twee vertragingslijnen 4, 5 met de temperatuur veranderen. De gesommeerde uit-5 gang R van de vertragingslijnen 4, 5 is dus in beginsel onafhankelijk van de temperatuur, althans over het bereik van -4o°C tot T0°C, met als gevolg een stabiele oseilatorfrequentie.

De gerichtheid van de hulpvertragingslijn 5 is zodanig gekozen, dat over een van belang zijnd temperatuursbereik, de fase afwij-10 king van de hulpbaan + 6θ° niet overschrijdt. Indien grotere afwijkingen worden toetstaan, wordt de vereffening minder doeltreffend.

De amplitude van het signaal en de gerichtheid van de hulpvertragingslijn 5 zijn zodanig gekozen, dat de gesommeerde reaaltante R op een gelijke fase blijft. Een benaderingsformule, die de amplitude a 15 van de hulpbaan (met betrekking tot de amplitude-eenheid in de hoofdbaan) en de lineaire temperatuurvertragingscoëfficiënt 0 van de hulpbaan in verband brengt met de parabolische temperatuurvertragingscoëfficiënt α van de hoofdbaan is L ]..« ' 20 ,!ij in.

waarin N het aantal golflengten is in elke baan. Gebruikelijke getallen (voor een demonstratie-inriehting) zijn α = 3.10“^/°C^, 8 =* - 15.10"/^C, N » 200, a = ζ. In de praktijk kan a of β iets groter waden gemaakt dan 25 aangegeven in deze formule voor het tot een optimum opvoeren van de ver- : effening over een uitgebreid temperatuursbereik,

Een andere beperking van de twee vertragingslijnen 4,5 is een onderlinge frequentie-aanspreekverandering met de temperatuur, zoals weergegeven in fig, 6, Omdat de vertragingslijnen 4, 5 verschillend zijn 30 gericht, veranderen hun frequentie-aansprekingen op andere wijze met de temperatuur, waarbij bijvoorbeeld de hoofdlussen 15,16 in de gebruikelijke sin x/x frequentie-aanspreking van de hoofd- en hulplijnen 4,5, niet langer voldoende samenvallen voor het verschaffen van een gesommeerde uitgang als temperatuursveranderingen weg van een ingestelde waarde, fig. 6b. Een 35 oplossing hiervoor is het toepassen van een hulovertragingslijnkromme 18 7907049 7 met een brede band, bijvoorbeeld kortere transductoren, dan voor de hoofd-vertragingslijn Daarbij of inplaats daarvan kan de hulpvertragingslijn 5 gebruik maken van belastte transductoren, zoals bijvoorbeeld weergegeven door de kromme 17, Dit ken tevens een grotere mate van temperatuurvereffe-5 ning verschaffen, dat wil zeggen over een breder temneratuursbereik, De frequentieaanspreking voor een over ^5 gedraaid, X-gesneden kwartskristal, weergegeven in fig. 3, vertoont geen parabolische kromme, Een hulnvertra-gingslijn 5 kan echter worden gebruikt voor het vereffenen van de daling in de flsquentie bij het verlagen van de temperatuur, zoals hiervoor beschre-10 ven, Voor het voorkomen van vereffening bij hoge temperaturen, is de frequentie-aanspreking van de hulptransductor enigszins versprongen ten opzichte van die van de hoofdbaan, zodat hij uit samenvalling beweegt met de hoofdvertraging bij deze hogere temperaturen, zoals schematisch weergegeven in fig, 6b, Dit resultaat kan ook worden bereikt door het toepassen 15 van verdere hulpbanen.

Fig, U toont een andere SAW-inrichting, die gebruik maakt van twee hulpvertragingslijnen 5, 20, De tweede vertragingslijn 20 is een toevoeging bij de inrichting volgens fig, 1, en is dezelfde als de eerste hulpvertragingslijn 5, maar anders gericht, zodat zijn faseverandering 20 net temperaturen van een tegengesteld teken is ten opzichte van die van de eerste hulpvertragingslijn, waarbij bovendien de twee hulpvertragingslijnen 5,20 zijn aangebracht voor het kruisen van de hoofdvertragingslijn b.

Deze faseverandering is weergegeven in fig, 5c, waarin bij 15°C de signalen van de twee hulpvertragingslijnen in fase zijn. Bij -Uo' 3C en 70°C zijn 25 zij in gelijke mate uit fase, De resultante van de gesommeerde uitgangen M1, , A2 van de drie vertragingslijnen is in beginsel gelijkblijvend in fase en amplitude over het bereik van -Uo°C tot 70°C,

Andere inrichtingen dan oscilatoren kunnen worden gemaakt onder toepassing van de onderhavige, voor de temperatuur vereffende, ge-30 luidsgolfinrichting, Bijvoorbeeld discriminatoren, die in spanning geregel de oscilatoren regelen, zoals in het Britse octrooischrift 1,^83.735, in ruiszeven, in resonatoren, banddoorlaatzeven,

Fig. 7 toont een resonator met twee poorten, voorzien van een temoeratuursstabilisatie op een soortgelijke wijze als van de vertra-35 gingslijnen volgens fig 1, Een kwartsonderlaag 22 draagt een hoofdresonator ··* 7907049 8

βΡ ' V

23,uitgevoerd voor het voortplanten van oppervlaktegeluidsgolven volgens de X-as, van de ST-snede, en een hulnresonator 2k, uitgevoerd voor het. voortplanten onder Hl0 ten opzichte van de X-as, De hoofdresonator 23 omvat twee vingervormig in elkaar grijpende kamtransductoren 25,26, aangebracht 5 tussen twee stellen terugkaatsingsstroken 31, 32,

De toestand van ideaal gelijke haarlengten in de twee vertragingslijnen volgens fig, 1 geldt niet voor resonatoren, In plaats daarvan is de geladen resonator Q in het ideale geval gelijk, waarbij Q de kwaliteitsfaktor is, bepaald door alle mechanische verliezen, bijvoor-10 beeld geluidsvoortplanting op een medium, en elektrische verliezen.

Tijdens bedrijf is de inrichting werkzaam voor het verschaffen van een temperatuurstabilisatie, waarbij de daaruit voortvloeiende samengevoegde uitgangen een betrekkelijk gelijkblijvende fase hebben wanneer de fase overbrengeigenschappen van de twee resonatoren veranderen 15 met de temperatuur, bijvoorbeeld zoals in fig. 2,

In een andere uitvoeringsvorm worden twee of meer hulpre-sonatoren gebruikt op een soortgelijke wijze als weergegeven in fig, h voor de vertragingslijnen,

Fig, 8 toont de toepassing van resonatoren met een enkele 2o poort op dezelfde wijze als de resonatoren met twee poorten volgens fig, 7, waarbij gelijke elementen zijn voorzien van gelijke verwijzingscijfers, Een resonator met een enkele poort gebruikt slechts één transductor, zoals algemeen bekend voor gebruikelijke kvartskristal-massagolf-resonator-osci-latoren, 25 De werking voor het verschaffen van temoeratuursstabilisa- tie is dezelfde als voor fig, 7.

Bij een andere constructie van de inrichting volgens fig, 8 wordt gebruik gemaakt van twee of meer hulpresonatoren, uitgevoerd zoals de vertragingslijnen volgens fig, *4, 30 Andere piëzo-elektrische onderlagen dan kwarts kunnen worden gebruikt, Bijvoorbeeld de groep Tl^AX^, waarin A bestaat uit V, Nb of Ta, en X uit S of Se, lood-kaliumniobaat, lithium-tantilaat, lithium-niobaat, Voor onderlagen, die geen nul-temperatuurscoëfficiënt hebben, bijvoorbeeld lithium-niobaat, kan de uitvinding toch worden gebruikt voor 35 ' het verschaffen van een temperatuursvereffening over een beperkt tempera- tuursbereik.

7907049 "9 *

Het temneratuurshereik, waarvoor vereffening wordt verschaft door de weergegeven voorheelden, kan een bereik zijn, gekozen door de bedrijfsomstandigheden van de inrichting, tussen -kO°C en 100°C,

Het is duidelijk, dat veranderingen en verbeteringen kunnen 5 worden aangebracht zonder buiten het kader van de uitvinding te treden, 7907049

Claims

1, Geluidsgolfinrichting, waarbij een geluidsonderdeel transductormiddelen omvat voor het zenden en ontvangen van geluidsgolven 5 langs een geluidsbaan in een onderlaag, gekenmerkt door althans twee ge- luidsonderdelen (^,5 of !+, 5, 20 of 23,2^), welke onderdelen elektrisch parallel zijn geschakeld en elk (U,5,20,23,2¾) zijn voorzien van een soortgelijke fasehelling, maar verschillende temperatuurscoëfficiënten, en zodanig zijn uitgevoerd dat de verkregen totale temperatuurscoëfficiënt 10 over een bruikbaar temperatuursbereik wordt vereffend,

2, Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen in verschillende kristairichtingen zijn aangebraeht op een onderlaag (3 of 22) voor het verschaffen van de verschillende temperatuurscoëfficiënten, 15 3, Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen (H, 5, 20, 23, 2b) althans twee verschillende over-brengingsamplituden verschaffen, k. Inrichting volgens conclusie 3, gekenmerkt door een piëzo-elektrische onderlaag,

5. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen (U, 5, 20, 23, 2b) oppervlakte-geluidsgolfonderdelen zijn,

6, Inrichting volgens conclusie U, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen (bt 5, 20, 23, 2h) óp éën enkele onderlaag (3*22) 25 zijn aangebracht.

7. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen {b, 5, 20, 23, 2b) bestaan uit vertragingslijnen, die elk een ingangstransductor (6,9) en een uitgangstraraductor (7,10) bevatten, 30 8, Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de vertragingslijnen (U, 5, 20, 23, 2b) zijn voorzien van fysisch gescheiden ingangstransductoren (6,9) en uitgangstraasductoren (7,10), 9» Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat êên transductor (6, 9 or 7,10) van elke vertragingslijn is samengevoegd 35 tot een enkele transductor, voorzien van onder een hoek staande gedeelten 7907049 voor het zenden of ontvangen van geluidsgolven in de twee of meer verschillende richtingen.

10, Inrichtingvolgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen bestaan uit resonatoren (23,2*0, elk voorzien van 5 althans een transductor (25, 26, 29, 30) aangebracht tussen twee stellen terugkaatsorganen (27,28 of 31,32).

11, Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen (U, 5 , 20 , 23 , 2*0 on verschillende onderlagen zi.in aangebracht, 10 12, Inrichting volgens conclusie 3, met het Kenmerk, dat de geluidsonderlen (k, 5, 20, 23, 2k) bestaan uit oonervlakte-geluidsgolf-onderdelen,

13. Inrichting volgens 'conclusie 3, met het kenmerk, dat de geluidsonderdelen 5» 20) bestaan uit geluidsgolfonderdelen met 15 strijken langs het oppervlak. 1U, Inrichting in hoofdzaak zoals in de beschrijving beschreven en in de tekening weergegeven. 7907049