DE1541018B2 - Vorrichtung zum Verzögern elektrischer Schwingungen - Google Patents

Description

Falle die Form eines langen Stabes, in dem sich Schwingungen in der Längsrichtung fortpflanzen können. Es ist jedoch bekannt, daß ein solches Medium auch die Form eines Polygons oder eines Zylinders aufweisen kann, wobei die vom Eingangswandler herrührenden Wellen erst nach mehrmaliger Reflexion auf den Ausgangswandler auftreffen. Im letzteren Falle kann bei gleichbleibenden Abmessungen der gesamten Vorrichtung eine erheblich längere Verzögerungszeit erzielt werden.

Die Wandler 1 und 2 sind mit Metallelektroden vernachlässigbarer Stärke versehen, die auf den Vorder- bzw. Hinterflächen 1 α bzw. 1 b und 2 α bzw. 2 b dieser Wandler angebracht sind. Diese Elektroden sind mit Eingangsklemmen 4 bzw. mit Ausgangsklemmen 5 verbunden. Den Eingangsklemmen 4 zugeführte elektrische Signale werden mit Hilfe des Wandlers 1 in mechanische Schwingungen umgewandelt, die das Medium 3 durchlaufen und nach einer gewissen Verzögerungszeit auf den Wandler 2 auftreffen, wo sie an den Ausgangsklemmen 5 wieder in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden. Die Wandler 1 und 2 enthalten ein Material mit einem von der Polarisierung abhängigen elektromechanischen Umwandlungsfaktor; in der Literatur wurden in der Reihe von Titanaten, Zirkonaten, Wolframaten, Niobaten usw. viele Beispiele solcher Materialien beschrieben. In diesem Zusammenhang werden z. B. mit Barium-Strontium-Titanat und mit Bleizirkonat-Titanat sehr gute Ergebnisse erzielt.

Die Erfindung gründet sich auf die folgenden Erwägungen:

Wenn die Wandler 1 und 2 durch das ganze Material eine konstante Polarisierung aufweisen, bildet die durch das Medium 3 geführte Welle keine zuverlässige Nachahmung der elektrischen Schwingung an den Klemmen 4, aber sie besteht dann aus mehreren in der Zeit verschobenen Wellen, die je für sich der Schwingung an den Klemmen 4 entsprechen. Dies kann am einfachsten dadurch illustriert werden, daß z.B. an die Klemmen4 eine impulsförmige Schwingung angelegt wird. Zum Zeitpunkt des Auftretens des Impulses werden sowohl die Vorderfläche 1 a als auch die Hinterfläche 1 b des Wandlers 1 erregt, so daß diese beiden Flächen mechanische Schwingungen liefern. Die von der Fläche la herrührende Schwingung eilt mit einer Verzögerungszeit, die der Laufzeit dieser Schwingungen durch den Körper des Wandlers 1 entspricht, gegenüber der von der Fläche 1 b herrührenden und sich in der Längsrichtung 6 des Mediums 3 fortpflanzenden Schwingung nach. Die letztere Fläche liefert jedoch noch eine zweite Schwingung, die sich zunächst in Richtung der Fläche 1 α des Wandlers 1 fortpflanzt, dort reflektiert wird und dann wieder mit einer Zeit, die der Laufzeit durch den Wandler 1 entspricht, gegenüber der von der Vorderfläche la herrührenden Schwingung nacheilt. Statt des einen an die Klemmen 4 angelegten elektrischen Eingangsimpulses durchlaufen somit drei nacheinander auftretende Impulse das Medium 3. Der Wandler 2 wandelt diese mechanischen Impulse wieder in eine Anzahl elektrischer Impulse um, die mit der Laufzeit durch die Wandler 1 bzw. 2 entsprechenden Verzögerungen nacheinander auftreten.

Solche Echoerscheinungen sind selbstverständlich unerwünscht, wenn das elektrische Signal an den Klemmen 5 eine zuverlässige Nachahmung des Eingangssignals an den Klemmen 4 bilden soll. Nach der Erfindung ist zur Herabsetzung dieser unerwünschten Schwingungen das polarisierbare Material der Wandler 1 bzw. 2 derart polarisiert, daß die Polari-

S sierung parallel zur Fortpflanzungsrichtung 6 der mechanischen Schwingungen allmählich abnimmt. Die Polarisierung ist z. B. am stärksten an den Flächen 1 α bzw. 2 α der Wandler 1 und 2 und ist nahezu null an den Flächen 1 b bzw. 2 b. Infolge dieses Gradienten in der Polarisierung werden die einem elektrischen Impuls an den Klemmen 4 entsprechenden mechanischen Schwingungen nicht mehr an den beiden Endflächen la bzw. Ib erregt, sondern die Fläche 1 b liefert einen nahezu vernachlässigbaren Impuls, da dort die Polarisierung null ist, während die entsprechenden von weiter nach innen liegenden Teilen des Wandlers 1 herrührenden Impulse ebenfalls in bezug auf den von der Fläche 1 α dieses Wandlers herrührenden Impuls vernachlässigbar sind. Die Echoimpulse, die somit im obenstehenden Falle auftreten konnten, sind nun durch über eine längere Zeit verteilte Impulse sehr geringer Amplitude ersetzt, die kaum mehr einen störenden Einfluß ausüben.

Es stellt sich heraus, daß die erhaltene Ubertragungsfunktion zwischen den Klemmen 4 und 5 noch einen frequenzabhängigen Faktor

1 +

ιωρ 4πν

enthält, in dem ω die Kreisfrequenz, ρ die Periodizität der Kämme 11 bzw. 12, ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der longitudinalen Welle, und i die imaginäre Einheit bezeichnen, welcher Faktor erforderlichenfalls mit Hilfe eines einfachen .RC-Netzwerkes korrigiert werden kann.

Daß die Polarisierung des Materials des Wandlers 1 den gewünschten Gradienten aufweist, kann dadurch erreicht werden, daß bei verhältnismäßig hoher gerade unterhalb der Curie-Temperatur des Wandlermaterials liegender Temperatur an die Klemmen 4 eine verhältnismäßig hohe Gleichspannung angelegt wird, wodurch eine homogene elektrisehe Polarisierung im Körper des Wandlers erzeugt wird. Wenn der Wandler nun einem Temperaturgradienten ausgesetzt wird, wobei an der Fläche 1 b eine die Curie-Temperatur überschreitende Temperatur herrscht, während die Fläche la eine erheblich niedrigere Temperatur aufweist, wird die Polarisierung in der Nähe der Fläche Ib völlig zunichte gemacht, während die Polarisierung in der Nähe der Fläche 1 a aufrechterhalten wird. Auf diese Weise wird der gewünschte Polarisierungsgradient erhalten.

Eine andere sehr einfache Vorrichtung zum Erzeugen des gewünschten Polarisierungsgradienten ist in Fig. 2 dargestellt. Statt der dünnen Metallelektroden auf den Flächen 1 α und 1 b des Wandlers 1 ist dabei nur auf der Fläche Ib ein kammförmiges Elektrodenpaar 11, 12 angebracht. Diese Elektroden liegen wieder gleich wie die oben beschriebenen Metallelektroden auf der Fläche Ib zwischen dem Wandler 1 und dem Verzögerungsmedium 3. Auch kann statt dessen das Verzögerungsmedium 3 selber aus polarisierbarem elektrostriktivem Material bestehen, so daß es zugleich als ein Wandler wirkt. Zum Erhalten einer in der Fortpflanzungsrichtung der mechanischen Schwingungen 6 allmählich abnehmenden

Polarisierung wird den kammförmigen Elektroden 11 und 12 wiederum bei erhöhter Temperatur eine verhältnismäßig hohe Polarisierungsspannung zugeführt, wodurch eine remanente Polarisierung im Körper aufrechterhalten wird. Die zwischen den senkrechten Zähnen der Kämme auftretenden Feldstärken liegen dabei in einer zur Richtung dieser Zähne senkrechten und somit zur Fortpflanzuhgsrichtung 6 parallelen Ebene. Nahe an der Oberfläche 1 b ist sie maximal, und ihr Vorzeichen kehrt sich, in der zu den Zähnen und zu der Richtung 6 senkrechten Richtung gemessen, abwechselnd um, während sie in Richtung auf das Innere des Körpers aus elektrostriktivem Material stets weiter abnimmt. Wenn nun nach dieser elektrischen und thermischen Behandlung z.B. zwischen den Elektroden 11 und 12 ein elektrischer Impuls angelegt wird, wird an der Oberfläche 1 b die größte mechanische Formänderung erzeugt, die zu einer impulsförmigen mechanischen Schwingung führt, die sich in der Richtung 6 fortpflanzt. Für das weiter nach innen liegende Material gilt, daß die erzeugten Impulse allmählich schwächer werden, was wieder der Situation entspricht, als ob die anfangs beschriebenen unerwünschten Impulse mit nahezu vernachlässigbaren Amplituden über eine längere Zeit verteilt werden, wodurch sie weniger störend werden.

Es sei noch bemerkt, daß die Anwendung kammförmiger Elektroden bei Ultraschallverzögerungsvorrichtungen zum Erzielen einer Frequenzdispersion eines Eingangssignals an sich bekannt ist. Das Eingangssignal wird dabei in mechanische Schwingungen umgewandelt, deren Fortpflanzungsrichtung durch das Verzögerungsmedium sich mit der Eingangsfrequenz ändert, so daß an verschiedenen Auffangelektroden auf dem Verzögerungsmedium verschiedene Frequenzkomponenten dem Eingangssignal entnommen werden können. Bei diesen bekannten Vorrich-

., tungen wird jedoch kein Wandler mit einem Material mit von der Polarisierung abhängigem elektromechanischem Umwandlungsfaktor angewandt.

Wie aus Obenstehendem, ersichtlich ist, ist die Form des Verzögerungsmediums 3 nicht wesentlich. Auch kann unter Umständen ein einziger Wandler

ίο hinreichend sein, dies ist bei Anwendung für Radarzwecke der Fall, wobei ein elektrischer Impuls an den Eingangsklemmen einen mechanischen Impuls erzeugt, der das Medium 3 durchläuft, reflektiert wird und wieder auf den Eingangswandler 1 auftrifft,

»5 wo er dann einen verzögerten Impuls herbeiführt. In einer Abart dieser Ausführungsform wird z.B. ein zylindrischer Wandler 15 (Fig.3) am zylindrischen Mantel mit kammförmigen Elektroden der in F i g. 2 mit 11 und 12 bezeichneten Art versehen, deren

ao Zähne zur Achse 16 des Zylinders parallel sind. Ein elektrischer Impuls zwischen den Elektroden 11 und 12 erzeugt dann einen mechanischen Impuls, der sich in Richtung auf die Achse 16 bewegt und dann mit der erforderlichen Verzögerungszeit wieder die Elek-

S5 troden 11 und 12 erreicht. Der Zylinder besteht wieder aus elektrostriktivem polarisierbarem Material, wobei in der oben beschriebenen Weise die Polarisierung am Mantel am stärksten ist. Infolge der starken Konzentration der mechanischen Schwingungen an der Stelle der Achse 16 können dort nichtlineare Erscheinungen auftreten, die z. B. bei einer örtlichen Vorpolarisierung in Richtung auf die Achse 16 mit Hilfe auf der oberen und auf der unteren Fläche des Körpers 15 angebrachter Elektroden 17 detektiert werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 Wandler aufgefangen wird, in dem sie wieder in ein Patentansprüche: elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Zeit, die die mechanische Schwingung braucht, um dieses

1. Vorrichtung zum Verzögern elektrischer Verzögerungsmedium zu durchlaufen und den zwei-Schwingungen, die mit Hilfe eines Wandlers in 5 ten Wandler zu erreichen, bestimmt die Verzögemechanische Schwingungen umgewandelt wer- rungszeit des elektrischen am zweiten Wandler erden, ein Verzögerungsmedium durchlaufen und zeugten Signals in bezug auf das dem ersten Wandler danach wieder in elektrische Schwingungen zu- zugeführte elektrische Signal.

rückgewandelt werden, bei der die Wandler ein Dabei ergibt sich das Problem, daß unerwünschte

Material mit einem von der Polarisierung abhän- io Reflexionen auftreten können, wodurch mechanische

gigen elektromechanischen Umwandlungsfaktor Schwingungen auf den zweiten Wandler auftreffen

enthalten, dadurch gekennzeichnet,. können, die den erwünschten Schwingungen überla-

daß zur Herabsetzung von unerwünschten Echo- gert werden und daher eine Trübung des gewünsch-

schwingungen durch Reflexionen an den Elektro- ten Signals herbeiführen. Man hat bereits Vorschläge

denf lachen wenigstens eines der Wandler (1,2) 15 gemacht, diese unerwünschten Schwingungen mittels

das Material dieses Wandlers eine parallel zur auf geeignete Weise an den Wänden oder im Ver-

Fortpflanzungsrichtung (6) der mechanischen zögerungskörper selbst angebrachter Dämpfungsmit-

Schwingungen abnehmende remanente Polarisie- tel zu beseitigen. Auch ist es z.B. aus der FR-PS

rung aufweist. . 1 094 695 bekannt, bei einer Verzögerungsvorrich-

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- 20 tung durch Bündelung der Ultraschallwellen eine kennzeichnet, daß der Wandler (1 oder 2) mit an Vielfachreflexion an den Seitenflächen des Verzögesich bekannten kammförmigen Elektroden (11, rungskörpers zu vermeiden.

12) versehen und sein Material derart polarisiert Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die ist, daß die remanente Polarisierung, in einer zur vom Wandler selbst erzeugten unerwünschten Echo-Ebene der kammförmigen Elektroden senkrech- 25 schwingungen zu verringern. Diese Echoschwingunten Richtung gemessen, allmählich abnimmt gen lassen sich nämlich nicht ohne weiteres mit Hilfe (Fig.2). von Dämpfungsmitteln unterdrücken, da sie die

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge- gleiche Fortpflanzungsrichtung wie die gewünschten kennzeichnet, daß das Verzögerungsmedium (3) Schwingungen haben und sich daher schwer voneindie Form eines Zylinders (15) aufweist, auf des- 30 ander trennen lassen.

sen Mantel die kammförmigen Elektroden (11, Diese Aufgäbe wird bei einer Vorrichtung ein-

12) angebracht sind (Fig. 3). gangs erwähnter Art gemäß der Erfindung dadurch

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden gelöst, daß zur Herabsetzung von unerwünschten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Echoschwingungen durch Reflexionen an den Elek-Verzögerungsmedium (3) selbst aus einem Mate- 35 trodenflächen wenigstens eines der Wandler das Marial mit einem von der Polarisierung abhängigen terial dieses Wandlers eine parallel zur Fortpflanelektromechanischen Umwandlungsfaktor be- zungsrichtung der mechanischen Schwingungen absteht, nehmende remanente Polarisierung aufweist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, Hierbei können sowohl der Eingangs- als auch der dadurch gekennzeichnet, daß auch auf den Stirn- 40 Ausgangswandler die abnehmende Polarisation aufflächen des Zylinders (15) in der Nähe seiner _ weisen; es genügt jedoch in einigen Fällen, wenn nur

• Achse (16) Elektroden (17) angebracht sind einer dieser Wandler die genannte Eigenschaft be-(F ig. 3). sitzt.

Vorzugsweise ist der Wandler mit an sich bekann-

. 45 ten kammförmigen Elektroden versehen und sein Material derart polarisiert, daß die remanente Polarisierung, in einer zur Ebene der kammförmigen Elektroden senkrechten Richtung gemessen, allmählich '...-■ ^; . . · ^: abnimmt.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung 50 Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorzum Verzögern elektrischer Schwingungen, die mit richtung nach der Erfindung weist das Verzögerungs-Hilfe eines Wandlers in mechanische Schwingungen medium die Form eines Zylinders auf, auf dessen umgewandelt werden, ein Verzögerungsmedium Mantel die kammförmigen Elektroden angebracht durchlaufen und danach wieder in elektrische sind.

Schwingungen zurückgewandelt werden, bei der die 55 Das Verzögerungsmedium kann selbst aus. einem Wandler ein Material mit einem von der Polarisie- Material mit einem von der Polarisierung abhängigen rung abhängigen elektromechanischen Umwand- elektromechanischen Umwandlungsfaktor bestehen, lungsfaktor enthalten. Zweckmäßigerweise sind auch auf den Stirnflä-

Solche Vorrichtungen werden unterem anderem chen des Zylinders in der Nähe seiner Achse Elekzur Verzögerung von Fernsehsignalen, z. B. in Syste- 60 troden angebracht.

men zur Übertragung von Farbfernsehsignalen Die Erfindung wird nachstehend an Hand der

(NTSC, PAL, SECAM), verwendet. Das Fernsehsi- Zeichnung näher erläutert, die drei Ausführungsbeignal wird dabei einem Wandler zugeführt, der dieses spiele von Vorrichtungen nach der Erfindung darelektrische Signal in eine entsprechende mechanische stellt.

Schwingung umwandelt, die das Verzögerungsme- 65 Die Vorrichtung nach F i g. 1 hat einen Eingangsdium durchläuft und entweder sofort oder nach ein- wandler 1 und einen Ausgangswandler 2, zwischen maliger oder mehrmaliger Reflexion gegen die denen ein Verzögerungsmedium 3 liegt. Der Einfach-Wände des Verzögerungsmediums von einem zweiten heit halber hat das Verzögerungsmedium in diesem