Sähkömekaaninen suodatin

Sähkömekaaninen suodatin (EMF)  on suodatin , jota käytetään yleensä elektronisen radiotaajuussuodattimen sijasta ja jonka päätarkoituksena on siirtää värähtelyjä tietyllä taajuuskaistalla ja vaimentaa muita. Suodatin käyttää mekaanista värähtelyä, joka on samanlainen kuin käytetty sähköinen signaali (tämä on yksi analogisten suodattimien tyyppi ). Suodattimen sisään- ja ulostulossa on sähkömekaaniset muuntimet, jotka muuttavat signaalin sähköiset värähtelyt suodattimen työnesteen mekaanisiksi värähtelyiksi ja päinvastoin.

Kaikki EMF-komponentit ovat toiminnaltaan samanlaisia ​​kuin sähköpiirin eri elementit. Mekaanisten elementtien matemaattiset funktiot-ominaisuudet ovat identtiset vastaavien sähköisten elementtien ominaisuuksien kanssa. Näin voit soveltaa sähköpiirianalyysin ja suodatinsuunnittelun menetelmiä mekaanisilla suodattimilla varustettuihin piireihin. Sähköpiiriteoriassa on kehitetty monia matemaattisia menetelmiä suodattimen taajuusvasteen laskemiseen, ja mekaaniset suodatinsuunnittelijat ovat käyttäneet niitä suoraan. Tämä on tarpeen sen varmistamiseksi, että mekaanisen suodattimen ominaisuudet vastaavat sähköpiirin vaadittuja ominaisuuksia.

EMF-osat on yleensä valmistettu teräksestä tai rauta - nikkeli - seoksesta . Nikkeliä käytetään yleisesti suodattimen tulo- ja lähtöliittimissä. Näistä materiaaleista valmistetut suodatinresonaattorit käsitellään erityisellä erittäin tarkalla koneella ennen lopullista suodattimen kokoonpanoa, jotta niille saadaan vaadittu taajuusvaste.

Koska EMF toimii sähkömekaanisena laitteena, mekaanisten värähtelyjen tai ääniaaltojen (jotka ovat myös mekaanisia värähtelyjä) suodattavien laitteiden mekaanisen suunnittelun menetelmät ovat täysin sovellettavissa sen kehittämisessä. Tällaisia ​​menetelmiä käytetään esimerkiksi kaiutinkoteloiden kehittämisessä. Sähkösovelluksissa tarvitaan sähköosien ominaisuuksien omaavien mekaanisten komponenttien lisäksi mekaanisten värähtelyjen muuntajia sähkövärähtelyiksi ja päinvastoin. On olemassa monia erilaisia ​​komponenttimuotoja ja mekaanisia suodatintopologioita, joista esitellään tässä artikkelissa.

Sähkömekaanisten suodattimien teoriaa sovellettiin ensimmäisen kerran gramofonien mekaanisten osien parantamiseen 1920-luvulla. 1950-luvulla EMF:itä alettiin valmistaa itsenäisinä tuotteina käytettäväksi radiolähettimissä ja korkealaatuisissa radiovastaanottimissa. Mekaanisten resonaattoreiden korkein laatutekijä , joka ylitti selvästi kaikkien tavanomaisten ( kondensaattorien ja induktorien) värähtelypiirien laatutekijän, mahdollisti mekaanisten suodattimien luomisen, joilla on erinomainen selektiivisyys . Radiovastaanottimille tärkeä suuri herkkyys teki myös näistä suodattimista erittäin houkuttelevia käyttää. Nykyaikaiset tutkijat kehittävät mikroelektromekaanisia suodattimia - integroitujen piirien sähkömekaanisia analogeja .

Elements

Passiivisen lineaarisen sähköpiirin elementtejä ovat induktorit , kondensaattorit ja vastukset , joiden ominaisuudet ovat vastaavasti induktanssi , sähköinen jäykkyys ( kapasitanssin käänteisluku ) ja resistanssi . Ne vastaavat massaa , jäykkyyttä ja vaimennusta . Suurin osa elektronisista suodatinpiireistä käyttää vain kondensaattoreita ja induktoreja, ja vastukset voivat olla suodattimen tulossa ja lähdössä. Ihanteellisessa suodattimessa ei ehkä ole vastusta; todellisessa maailmassa se on aina induktorin käämin resistanssin, asennusresistanssin jne. muodossa. Samoin ihanteellisen mekaanisen suodattimen elementeillä on vain massa ja jäykkyys, mutta todellisessa maailmassa on aina värähtelyjen vaimennus [1] .

Samalla tavalla jännitteen ja virran mekaanisena analogina voidaan pitää voimaa ( F ) ja nopeutta ( v ). Tästä syystä mekaaninen impedanssi voidaan määritellä kuvitteellisella kulmataajuudella jω , [ noin. 1] , joka noudattaa täysin sähköistä analogiaa [2] :1-2 [3] .  

Mekaaninen
parametri		 Kaava Mekaaninen
vastus
(impedanssi)		 Sähköinen parametri
Jäykkyys, S Sähköinen kovuus, 1/ C ,
käänteinen kapasitanssi
Paino, M Induktanssi, L
Vaimennus, D Resistanssi, R

Huomautuksia:

Yllä olevassa taulukossa esitetty piiri tunnetaan impedanssianalogiana .  Sen pohjalta rakennetaan EMF-vastaavia sähköpiirikaavioita, joiden sähköinen impedanssi vastaa osana sähköpiiriä katsotun EMF:n kokonaisresistanssia. Tällaiset piirit ovat radioelektroniikan kannalta intuitiivisempia. On myös liikkuvuuden analogia [ noin . 2] , jossa fyysinen voima vastaa sähkövirran voimakkuutta ja nopeus vastaa sähköjännitettä. Liikkuvuusanalogia antaa vastaavat oikeat tulokset, mutta edellyttää, että ei käytetä yllä mainittuja sähköanalogeja, vaan niiden käänteisiä. Mistä M → C , S → 1/ L , D → G , missä G  on sähkönjohtavuus , resistanssin käänteisluku. Liikkuvuusanalogialla rakennetut vastaavat piirit ovat samanlaisia ​​kuin impedanssianalogiaa käyttäen rakennetut piirit. Mutta kokonaisvastuksen sijasta käytetään sen käänteistä - kokonaisjohtavuutta (käänteinen impedanssi), ja vastaavassa piirissä sarjaelementit tulevat rinnakkaiksi, kapasitanssit korvataan induktanssilla ja niin edelleen [4] . Liikkuvuusanalogiaa käyttäen rakennetut kaaviot ovat lähempänä EMF-mekaanista layout-mallia ja ovat mekaniikan kannalta intuitiivisempia [5] .

Kaikilla mekaanisilla komponenteilla on väistämättä massaa ja jäykkyyttä. Kerättyjen kapasitanssien ja induktanssien mekaanisia analogeja voidaan tehdä minimoimalla (mutta ei kokonaan eliminoimalla) ei-toivottu ominaisuus. Kondensaattorin analogi voi olla ohut pitkä sauva, jolla on vähimmäismassa ja maksimaalinen yhteensopivuus. Induktorin analogi on päinvastoin lyhyt ja leveä tanko, jolla on suurin massa ja vähimmäisvaatimustenmukaisuus. [2] :1

Mekaaniset osat toimivat kuin pitkä rivi mekaanisia tärinöitä vastaan. Jos aallonpituus on lyhyt osan mittoihin verrattuna, edellä kuvattu niputettu elementtimalli tulee riittämättömäksi ja sen sijaan tulee käyttää hajautettua  elementtimallia . Mekaaniset osat, joilla on hajautetut parametrit, ovat tässä täysin samanlaisia ​​kuin sähköelementit, joilla on hajautetut parametrit, ja sähkömekaanisten suodattimien kehittäjä voi soveltaa menetelmiä suodattimien laskentaan elementeissä, joilla on hajautetut parametrit ( englanniksi Distributed element filter ). [2]  

Historia

Harmoninen (akustinen) lennätin

Sähkömekaanisten suodattimien suunnittelu on kehittynyt johtuen joidenkin sähkösuodattimien teorian menetelmien soveltamisesta mekanismeihin. Kuitenkin yksi varhaisimmista (1870-luvun) esimerkeistä EMF:n käytännön soveltamisesta oli harmoninen tai akustinen lennätin., joka syntyi, koska tuolloin sähköinen resonanssi oli vielä vähän ymmärretty ja mekaaninen resonanssi (erityisesti akustinen resonanssi ) oli insinöörien hyvin tuttua. Tämä tilanne ei kestänyt kauan; sähköinen resonanssi oli jo tieteessä tiedossa, ja pian insinöörit kehittivät täysin sähköisiä suodattimia. Mutta tuohon aikaan harmoninen lennätin oli varsin tärkeä. Ajatus lähettää useita sähkeitä samanaikaisesti yhden lennätinlinjan yli eri taajuuksilla (nykyään kutsutaan kanavien taajuusjakoksi ) auttoi merkittävästi alentamaan lennätinlinjojen rakentamiskustannuksia. Jokaisen käyttäjän lennätinnäppäin sisälsi sähkömekaanisen releen, jonka kieli värähteli tietyllä taajuudella ja muutti tämän mekaanisen värähtelyn sähköiseksi signaaliksi. Sähkeen vastaanottavalla operaattorilla oli sama rele, joka oli viritetty tarkasti halutulle äänitaajuudelle; se alkoi värähtää ja tuottaa ääntä vain vaaditun taajuuden sähköisen signaalin vaikutuksesta [6] [7] .

Erilaisia ​​harmonisen lennättimen malleja ovat kehittäneet Elisha Gray , Alexander Bell , Ernst Mercadier( Ernest Mercadier ) ja muut. Siten löydettiin menetelmiä äänivärähtelyjen muuttamiseksi sähkövärähtelyksi ja päinvastoin, mikä johti myöhemmin puhelimen keksimiseen [6] [7] .

Mekaaniset vastaavat piirit

Pian sähköpiirianalyysin kehittämisen jälkeen monimutkaisen impedanssin käsite ja esitys suodatinteoriastaalettiin soveltaa analogisesti mekaniikassa. A. Kennelly( Arthur E. Kennelly ), joka myös esitteli kompleksisen impedanssin käsitteen, ja A. Webster( Arthur Gordon Webster ) vuonna 1920 laajensi impedanssin käsitteen ensimmäistä kertaa mekaanisiin järjestelmiin [8] .

Täysin kompleksisen johtavuuden ja siihen liittyvän liikkuvuuden mekaanisia analogioita  alettiin käyttää jonkin verran myöhemmin, vuonna 1932 Firestonen [ 9] [ 10] [11] ansiosta .

Mutta pelkkä sähkösuureiden mekaanisten analogien käyttöönotto ei riittänyt. Niitä sovellettiin täysin mekaanisiin järjestelmiin; mutta EMF:ää laskettaessa on myös mahdollisuuksien mukaan otettava huomioon sähkömekaanisten muuntimien vaikutus. Jo vuonna 1907 A. Poincare kuvasi ensimmäisen kerran muuntimen käyttämällä lineaarista algebrallista yhtälöä, joka yhdistää sähköisiä muuttujia (jännite ja virta) mekaanisiin muuttujiin (voima ja nopeus) [12] [13] . Nämä yhtälöt voidaan kirjoittaa matriisimuotoon nelipolin z-parametreilla :

missä I ja v  ovat virran voimakkuus ja jännite muuntimen sähköisellä puolella, vastaavasti.

R. L. Vegel ( R. L. Wegel ) ehdotti ensimmäisen kerran tällaista yhtälöiden kirjaamista, joka kuvaa yhtä hyvin mekaanista ja sähköistä impedanssia . Niissä  tämä on avoimen piirin mekaaninen impedanssi, ts. muuntajan mekaanisen puolen impedanssi, kun muuntimen sähköpuolen liittimissä ei ole virtaa. Toinen nelinapaisen matriisin elementti on  avoimen piirin sähköinen impedanssi eli muuntimen sähköpuolen tuloresistanssi mitattuna, kun muuntimen mekaaninen puoli on kiinteä ja paikallaan (nopeus on nolla) . Jäljellä olevat kaksi elementtiä ja , kuvaavat vastaavasti sähkömekaanisen muuntimen suoran ja käänteisen siirtofunktion.

Tällaisten ideoiden myötä insinöörit ovat kyenneet soveltamaan sähköisten piirien laskentamenetelmiä mekaanisiin alueisiin ja analysoimaan sähkömekaanista järjestelmää kokonaisuutena [8] [12] [14] .

Äänentoisto

Yksi uuden teoreettisen kehityksen varhaisista käytännön sovelluksista oli gramofonien laskeminen . Usein ongelma varhaisissa gramofonisuunnittelussa oli mekaaniset resonanssit poiminta- ja äänensiirtojärjestelmässä; seurauksena gramofonin amplitudi-taajuusominaisuus (AFC) ilmaantui liian suuria huippuja ja laaksoja, mikä heikensi merkittävästi äänenlaatua. Vuonna 1923 Harrison , joka  työskenteli Western Electric Companyssa, sai patentin gramofonille, jossa mekaanisen akustisen järjestelmän laskelmat perustuivat täysin vastaavaan sähköpiiriin. Gramofonin akustinen järjestelmä esitettiin sähköisenä siirtolinjana, gramofonin torvi aktiivisena kuormana sen lähdössä. Gramofonin kaikkia mekaanisia ja akustisia osia - poimintaneulasta äänitorveen - verrattiin impedanssianalogian perusteella vastaaviin sähköelementteihin, joiden parametrit ovat niputettuja. Vastaavalla sähköpiirillä oli tikapuutopologia ( englanniksi ladder topology ) ja se oli sarja resonanssipiirejä, joita kondensaattorit ohjasivat. Sitä voidaan pitää myös kaistanpäästösuodatinpiirinä . Ja Harrison valitsi tällaisen suodattimen elementtien parametrien arvot siten, että se tarjoaa halutun äänikaistanleveyden (tässä tapauksessa 100 Hz - 6 kHz) ja tasaisen taajuusvasteen. Laskemalla vastaavien sähköpiirielementtien sähköiset parametrit takaisin mekaanisiksi parametreiksi, pystyttiin laskemaan gramofoniosien tarvittavat massat ja jäykkyys sekä osien vastaavat mitat niiden valmistusta varten. Tuloksena saadulla gramofonilla oli tasainen taajuusvaste koko kaistanleveydellä, eikä se sisältänyt loisresonansseja joillakin äänitaajuuksilla, mikä oli tyypillistä aikaisempien gramofonien suunnittelulle [15] . Pian sen jälkeen Harrison sai toisen patentin - samanlaiselle menetelmälle puhelimien mikrofonien ja puhelimien laskemiseksi [16] .  

Harrison käytti k-suodattimien teoriaa ( englanniksi  "constant k filter" tai "image filter" ) Campbell( G. A. Campbell ), joka oli tuolloin kehittynein suodatinteoria. Tässä teoriassa suodattimien laskentaa pidettiin pohjimmiltaan sovitusimpedanssin (impedanssin) ongelmana.[15] :2 . Edward Norton ehdotti kehittyneempää teoriaa tämän ongelman ratkaisemiseksi( Edward L. Norton ), työskenteli Bell Labsissa vuonna 1929 . E. Norton käytti samaa yleistä lähestymistapaa, vaikka hän myöhemmin kirjoitti Sydney Darlingtonilleettä hän pystyi kehittämään "maksimaalisen litteän" mekaanisen suodattimen [1] . Nortonin suunnittelu ilmestyi aikaisemmin kuin Stephen Butterworthin teoksessa kuvattu vastaava, jota yleensä pidetään tasaisimman taajuusvasteen omaavan elektronisen suodattimen löytäjänä [17] .

Nortonin suodattimelleen antamat yhtälöt vastaavat yksipuolisesti ladattua Butterworth-suodatinta, joka on kytketty ihanteelliseen jännitelähteeseen (ei sisäistä vastusta). Kirjallisuudessa on esitetty useammin kaksipuolisen kuormitetun suodattimen laskenta, jossa on vastukset tulossa ja lähdössä. Siksi on vaikea sanoa, mihin rakenteeseen tällaista mallia tulisi soveltaa [2] :3 [18] . Toinen Norton-suodattimen ominaisuus on sarjaan kytketty kondensaattori, joka vastaa akustisen kaavion jäykkyyttä.. Nortonin vastaavassa piirissä on vain yksi tällainen kondensaattori, ja ilman sitä suodatin voidaan analysoida alipäästösuodattimen prototyyppinä.. Norton siirtää kondensaattorin suodattimen sisäisestä piiristä sen tuloon pakottaen muuntajan vastaavaan piiriin (Kuva 3, alhaalla). Norton käytti piiriä vastaavan resistanssin muuntamiseen "L-inverted" ( englanniksi  turning around the L ) [2] .

Lopullisen kvantitatiivisen kuvauksen EMF:stä tuolloin antoivat Maxfield  ja Harrison , julkaistiin vuonna 1926. Siinä kirjoittajat eivät ainoastaan ​​kuvailleet, kuinka mekaanista kaistanpäästösuodatinta voidaan soveltaa äänentoistojärjestelmiin, vaan myös soveltavat samoja periaatteita mekaanisten äänentallennusjärjestelmien kehittämiseen, tarjoten kaavion parannetusta äänen tallennuspäästä (levyille tallentamista varten ) [19] [20] [21] .

Sarjatuotanto

Sähkömekaanisten suodattimien laajamittaisen tuotannon suoritti ensin Collins Radio Company (nykyisin Rockwell Collins, Inc.)) 1950-luvulla. Ne kehitettiin alun perin taajuusjakopuhelinsovelluksiin, joissa korkealaatuisten suodattimien käyttö toi kaupallista hyötyä. EMF:n taajuusvasteen tarkkuus ja jyrkkyys mahdollistivat taajuuskanavia erottavan suojaavan taajuuskaistan leveyden pienentämisen, minkä seurauksena oli mahdollista lähettää suurempi määrä puhelinkeskusteluja yhdellä kaapelilla. Samaa kanavien taajuusjaon periaatetta käytetään laajalti radiolähettimissä - samasta syystä. Sähkömekaaniset suodattimet yleistyivät nopeasti korkealaatuisten VHF- ja UHF-radiojärjestelmien (mukaan lukien sotilas-, meri-, amatööriradio- ja muut) välitaajuuspoluilla . Niiden etuna oli huomattavasti korkeampi laatutekijä kuin vastaavilla LC-suodattimilla , mikä mahdollisti korkean selektiivisyyden saavuttamisen.tarvitaan radiosignaalien erottamiseen läheltä taajuutta vastaanottimissa. Toinen EMF:n etu on korkeampi stabiilisuus kuin LC-suodattimilla ja monoliittisilla kvartsisuodattimilla. Radiovastaanottimien suosituin EMF oli vääntöresonaattorisuodatin, koska niissä välitaajuus valitaan yleensä 100 - 500 kHz [22] [23] .

Sähkömekaaniset muuntimet

Sähkömekaaniset suodattimet käyttävät sekä magnetostriktiivisia että pietsosähköisiä sähkömekaanisia muuntimia ( EMT ). Nykyaikaisessa EMF:ssä etusija annetaan pietsosähköisille muuntimille, koska. Pietsosähköä voidaan käyttää samanaikaisesti resonaattorina, mikä vähentää osien määrää ja suodattimen kokoa. Lisäksi magnetostriktiivinen EMF on herkkä ulkoisille magneettikentille, eivätkä ne käytännössä vaikuta pietsosähköisen suodattimen toimintaan. [24]

Magnetostriktiiviset muuntimet (magnetostrictors)

Magnetostriktiivinen materiaali on materiaali, joka muuttaa muotoaan joutuessaan alttiiksi magneettikentälle ja päinvastoin muodostaa magneettikentän, kun se muuttuu. Magnetostriktiivisessa EMF:ssä tarvitaan johtava käämi magnetostriktiivisen materiaalin ympärille. Virtaa kuljettava kela suodattimen sisääntulossa luo vaihtuvan magneettikentän, joka saa tulomagnetostriktorin liikkeelle ( kuvio 4-a ). Lähtökäämiin syntyy virta ulostulomagnetostriktorin induktion aiheuttaman magneettikentän vaikutuksesta. Usein kestomagneettia käytetään myös pitämään magnetostriktiivisen materiaalin magneettikentän voimakkuus toiminta-alueella. Samaan tarkoitukseen voidaan käyttää tasavirtaa , joka kulkee kelan läpi samanaikaisesti signaalin kanssa - mutta tällaista rakentavaa ratkaisua käytetään suhteellisen harvoin [25] .

EMF EMF:ssä yleisesti käytetyt magnetostriktiiviset materiaalit ovat ferriittejä (puristettu rautayhdisteiden jauhe ). Usein käytetään resonaattoreita, joissa on teräs- tai rauta-nikkelikäämit; mutta joissakin malleissa (etenkin vanhemmissa) nikkelilankaa voidaan käyttää suodattimen tulo- ja lähtöjohtoina. Tämä johtuu siitä, että muuntimen käämitys on mahdollista käämittää sen kanssa pariksi liitetylle nikkelilangalle, koska. Nikkelillä on heikot magnetostriktiiviset ominaisuudet. Kaksoiskäämilangan rakenne on kuitenkin melko heikko. Sen toinen haittapuoli on pyörrevirrat , jotka voidaan välttää käyttämällä ferriittiä nikkelin sijasta [25] .

Muuntimen käämitys tietysti lisää jonkin verran induktanssia EMF-piiriin. Sen kompensoimiseksi kondensaattori on yleensä kytketty rinnan suodattimen tulon (lähdön) kanssa, ja joissakin sähkömekaanisten suodattimien malleissa tällainen kondensaattori on sisäänrakennettu. Tämä muodostaa lisäresonaattorin (rinnakkaisvärähtelevä LC-piiri). Yleensä tällaisen värähtelevän piirin kaistanleveys on paljon leveämpi kuin mekaanisen resonaattorin, joten tällä shunttikondensaattorilla ei ole juuri mitään vaikutusta EMF:n taajuusvasteeseen; tulo- ja lähtöresistanssin reaktiivisen komponentin kompensointi tarjoaa kuitenkin tiettyjä etuja: niin EMF on paremmin johdonmukainen siirtolinjan ja muiden piirielementtien kanssa [26] :c.2, l.14–17 .

Pietsosähköiset muuntimet

Pietsosähköiset materiaalit muuttavat muotoaan, kun ne joutuvat sähkökenttään, ja luovat myös sähkökentän, kun ne muuttuvat. Pietsosähköinen muunnin valmistetaan olennaisesti asettamalla elektrodit pietsosähköiseen materiaaliin. Varhaisissa EMF:issä käytetyillä pietsosähköisillä aineilla, kuten bariumtitanaatilla , oli riittämätön lämpötilan stabiilisuus. Tästä johtuen pietsosähköinen muunnin ei voinut suorittaa samanaikaisesti resonaattorin toimintoja, vaan resonaattori oli tehtävä erikseen. Tämä ongelma ratkesi, kun käytettiin lyijysirkonaattititanaattia ( PZT ), joka oli tarpeeksi vakaa käytettäväksi resonaattorissa. Toinen sähkömekaanisissa suodattimissa usein käytetty materiaali on kvartsi . Keraamiset materiaalit, kuten PZT, ovat kuitenkin edullisia sähkömekaanisen kytkentäkertoimen vuoksine ovat korkeampia kuin kvartsin [27] .

Pietsosähköisiä sähkömekaanisia muuntimia on erilaisia. Yksi niistä on Langevin-anturi , joka on nimetty kuuluisan ranskalaisen fyysikon Paul Langevinin mukaan, joka käytti samanlaista EMF:ää varhaisissa luotainsuunnitelmissaan . Langevin-anturi virittää hyvin äänen värähtelyn pitkittäissuuntaiset tilat. Siksi sitä voidaan käyttää pitkittäismoodiin viritetyillä resonaattoreilla tai resonaattoreilla, joissa muiden moodien värähtelyt voidaan muuttaa mekaanisesti pitkittäisvärähtelyiksi. Tyypillisesti Langevinin EMF valmistetaan pietsosähköisen levyn muodossa, joka on sijoitettu kahden identtisen sauvan väliin, jotka muodostavat resonaattorin ( kuvio 4-b ). [28]

Toisessa EMF-tyypissä pietsosähköinen kerros ei sijaitse resonaattorin poikki, vaan sitä pitkin ( kuvio 4-c ). Tässä suunnittelussa vääntöakustiset värähtelyt ovat työntekijöitä , joten tällaista EMF:ää kutsutaan vääntönä [29] .

Resonaattorit

materiaalia laatutekijä
Nikkeli jopa 100 [30]
Teräs jopa 1000 [30]
Alumiini ~10 000 [30]
Rauta-nikkeli-seokset 10 000-25 000 mallista
riippuen [31]

Mekaaniset resonaattorit mahdollistavat erittäin korkean laatutekijän saavuttamisen : noin 10 000 useimmissa EMF:issä ja jopa 25 000 suodattimissa, joissa on erityisestä rauta-nikkeli-seoksesta valmistettu vääntöresonaattori. Tällaista laatutekijää on käytännössä mahdoton saavuttaa tavanomaisessa värähtelypiirissä, jossa sitä rajoittaa kelan käämin aktiivinen vastus. [25] [31] [32]

Varhaisissa suunnitelmissa (1940-1950-luvuilla) käytettiin teräsresonaattoreita. Tulevaisuudessa teräs väistyi rauta-nikkeliseoksilla, jotka, vaikka ne ovat kalliimpia, mahdollistavat maksimaalisen laatutekijän. Osa sähkömekaanisten suodattimien resonaattoreissa käytetyistä metalleista ja niiden tuottamat Q-tekijät on esitetty taulukossa [31] .

Joskus pietsosähköistä kidettä käytetään resonaattorina, erityisesti kompakteissa EMF-malleissa, joissa pietsosähköinen on sekä resonaattori että sähkömekaaninen tulo/lähtömuunnin [31] .

Toinen EMF:n etu LC-piiriin verrattuna on sen korkea stabiilisuus. Resonanssitaajuuden suhteellinen poikkeama nimellisarvosta on saavutettavissa, enintään 1,5 10–9 koko käyttölämpötila-alueella miinus 25 - +85 °C, ja samalla ajallinen suhteellinen taajuuden epävakaus ei ylitä 4 10–9 päivässä [33] . Taajuuden lämpötilastabiilisuus on toinen syy käyttää rauta-nikkeli-seosta EMF-resonaattorissa. Se liittyy suoraan Youngin moduulin stabiilisuuteen  - materiaalin jäykkyyden mittaan; Youngin moduulin ( TCMYU ) lämpötilakertoimen tulee olla mahdollisimman lähellä nollaa. Useimmilla materiaaleilla on negatiivinen TCMY (lämmitettynä materiaalista tulee vähemmän jäykkä), mutta lisäämällä seokseen joitain elementtejä voidaan saavuttaa nolla tai positiivinen TCMY [n. 3] . Resonaattorissa on suositeltavaa käyttää materiaalia, jonka TCMY on yhtä suuri tai lähellä nollaa käyttölämpötila-alueella. Tällainen materiaali voidaan saada lejeeringin lämpökäsittelyllä, mikä muuttaa TCMT:n lämpötilariippuvuuden funktiota [34] [35] [36] [37] .

Resonaattoreiden värähtelymuodot

Yleensä mekaanisessa resonaattorissa voidaan herättää erilaisia ​​muodonmuutos- ja mekaanisen jännityksen värähtelytapoja , mutta EMF-resonaattorissa vain yksi niistä toimii ja yleensä suunnittelija yrittää varmistaa, että resonanssia esiintyy vain työtilassa ja muu värähtely. tilat eivät ole innostuneet. Käytetään sekä pituussuuntaisia ​​veto-/puristusmuodonmuutoksia että taivutus- ja vääntömuodonmuutoksia. Joskus käytetään säteittäisen jännityksen/puristuksen värähteleviä muodonmuutoksia tai ympyräpolarisoituja värähtelyjä (kuten värähtelyä pyöreässä kalvossa) [38] .

Värähtelymoodit on numeroitu vastaavaan resonaattorikokoon mahtuvien puoliaaltojen lukumäärän mukaan. Jos tila liittyy värähtelevään liikkeeseen useampaan kuin yhteen suuntaan (esimerkiksi pyöreän kalvon ympyräpolarisoidut värähtelyt suoritetaan kahteen suuntaan samanaikaisesti) - se osoitetaan useilla numeroilla. Korkeammissa värähtelymuodoissa resonaattorin kiinteisiin pisteisiin ( seisovan aallon minimit ) muodostuu useita värähtelysolmuja. Joissakin mekaanisten resonaattorien malleissa värähtelysolmuihin asennetaan lisätukia tai kiinnikkeitä rakenteellisen lujuuden lisäämiseksi. Kuviossa 5 värähtelysolmut on merkitty katkoviivalla ja mekaaniset lisäelementit on osoitettu niihin kiinnitetyillä lankasegmenteillä. Ylimääräisten mekaanisten osien kiinnittäminen resonaattoriin värähtelysolmuissa ei häiritse resonaattorin toimintaa eikä häiritse toimintatilan värähtelyjen herättämistä.

Sähkömekaanisten piirien mallit

Sähkömekaanisen suodattimen suunnittelussa voidaan käyttää monia erilaisia ​​resonaattoreiden ja sähkömekaanisten muuntimien yhdistelmiä. Luvut osoittavat joitakin niistä. Joten kuvassa Kuva 6 esittää EMF:n, jossa on taivutuslevyresonaattoreita ja magnetostriktiivinen EMF. Sähkömekaaninen muunnin välittää värähtelyjä ensimmäisen resonaattorin keskelle. Resonanssitaajuudella (tai sen lähellä) resonaattorilevyn reunat värähtelevät vastavaiheessa sen keskustan kanssa, ja tämä värähtely välittyy sauvojen kautta seuraavaan resonaattoriin. Merkittävällä poikkeamalla resonanssitaajuudesta levyn reunat värähtelevät hieman ja suodatin "leikkaa" (ei kulje itsensä läpi) tällaisen signaalin [39] .


Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ Kääntäjän huomautus: tämä viittaa todennäköisesti vaimennettujen harmonisten värähtelyjen kompleksiseen kulmataajuuteen , jossa  on värähtelyjen todellinen kulmataajuus ( ) ja  vaimennuskerroin. Sitten värähtelyyhtälö voidaan kirjoittaa yleisessä muodossa
  2. ^ Impedanssianalogia on yleisimmin  käytetty lähestymistapa; mutta liikkuvuuden analogiaa käyttävien joukossa on johtava EMF-valmistaja "Rockwell Collins, Inc."( Johnson, 1968, s. 41 )
  3. ↑ Katso esim. "Thermelast 4002"® Arkistoitu 16. syyskuuta 2016 Wayback Machinessa  (saksalainen)  - patentoitu metalliseos, joka valmistettiin ensimmäisen kerran 8. huhtikuuta 2010 Saksassa. Ensimmäinen seos, jolla oli näitä ominaisuuksia, oli elinvar . Elinvarin ja invarin löytämisestä Charles Guillaume sai Nobel-palkinnon vuonna 1920; hänen löytämiensä metalliseosten ensimmäinen käytännön sovellus oli lämpötilakompensaattorit tieteellisissä mittauslaitteissa, kelloissa ja merenkulun kronometreissä ( Gould, Rupert T. The Marine Chronometer. - London: Holland Press, 1960. - s. 201 ).

Alaviitteet

  1. ↑ 12 Darlington , 1984 , s. 7.
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Norton, Edward L. "Sound Reproducer", US-patentti 1 792 655 , jätetty 31. toukokuuta 1929, myönnetty 17. helmikuuta 1931.
  3. ↑ Talbot-Smith, 2001 , s. 1,85, 1,86.
  4. ↑ Taylor & Huang, 1997 , s. 378-379.
  5. ↑ Eargle, 2003 , s. 4–5.
  6. ↑ 12 Lundheim , 2002 , s. 24.
  7. ↑ 1 2 Blanchard, 1944 , s. 425.
  8. ↑ 12 Hunt , 1954 , s. 66.
  9. ↑ Hunt, 1954 , s. 110.
  10. ↑ Pierce, 1989 , s. 321.
  11. ↑ Firestone, 1932 , s. 249-267.
  12. ↑ 12 Pierce , 1989 , s. 200.
  13. ↑ Poincare, 1907 , s. 221-372.
  14. ↑ Wegel, 1921 , s. 791–802.
  15. ↑ 1 2 Harrison, Henry C. "Akustinen laite", US-patentti 1 730 425 , jätetty 11. lokakuuta 1927 (ja Saksassa 21. lokakuuta 1923), myönnetty 8. lokakuuta 1929.
  16. ↑ Harrison, H.C. "Electromagnetic system", US-patentti 1 773 082 , jätetty 6. joulukuuta 1923, myönnetty 12. elokuuta 1930.
  17. ↑ Butterworth, 1930 , s. 536–541.
  18. ↑ Matthaei, 1964 , s. 104–107.
  19. ↑ Taylor & Huang, 1997 , s. 360.
  20. ↑ Hunt, 1954 , s. 68.
  21. ↑ Maxfield, 1926 , s. 493–523.
  22. ↑ Taylor & Huang, 1997 , s. 359.
  23. ↑ Carr, 2002 , s. 54-55.
  24. ↑ Taylor & Huang, 1997 , s. 387.
  25. ↑ 1 2 3 Carr, 2002 , s. 170-172.
  26. ↑ Mason, Warren P. "Sähkömekaaninen aaltosuodatin", US-patentti 2 981 905 , jätetty 20. elokuuta 1958, myönnetty 25. huhtikuuta 1961.
  27. ↑ Rosen, 1992 , s. 290-291, 331.
  28. ↑ Rosen, 1992 , s. 293-296, 302.
  29. ↑ Rosen, 1992 , s. 302.
  30. ↑ 1 2 3 George, sarake 1.
  31. ↑ 1 2 3 4 Lin, 1998 , s. 286.
  32. ↑ Talbot-Smith, 2001 , s. 380.
  33. ↑ Carr, 2002 , s. 171.
  34. ↑ 1 2 Taylor & Huang, 1997 , s. 380.
  35. ↑ Manfred Börner, Jürgen Spizner, "Mekaaninen taajuussuodatin lisäkytkennällä vaimennuksen nousun kaltevuuden lisäämiseksi", sarake 4, US-patentti 3 445 792 , jätetty 28. kesäkuuta 1963, myönnetty 20. toukokuuta 1969.
  36. ↑ Alfhart Günther, "Method for aligning mekaaniset suodattimet", sarake 2, US-patentti 3 798 077 , jätetty 24. syyskuuta 1971, myönnetty 19. maaliskuuta 1974.
  37. ↑ Schneider, Wolfgang; Tuomas, Hans. Vakiomoduuliseokset mekaanisille oskillaattorille  // Metallurgical Transactions  A : päiväkirja. - 1979. - Voi. 10 , ei. 4 . - s. 433 . - doi : 10.1007/BF02697070 . - .
  38. ↑ Taylor & Huang, 1997 , s. 392-393.
  39. ↑ baselec, 1973 , s. 450.

Kirjallisuus

Venäjänkielinen

Englantia puhuva

Linkit