Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_3807
.pdf
Частотные волны ослабляются низким импедансом обмоток, а высокочастотные волны поглощаются
электростатической емкостью обмоток.
В системах селективной передачи диапазон частот намеренно ограничивается путем установки полосовых
фильтров. Кроме того, в некоторых типах систем, которые обязательно включают цепочки функциональных
элементов, обладающих реактивным сопротивлением различного рода, целесообразно подбирать элементы
таким образом, чтобы они в совокупности работали как волновой фильтр с ограниченным частотным
диапазоном. Телефон с функцией громкой связи, в котором воплощено настоящее изобретение, является
примером последнего варианта применения.
В соответствии с настоящим изобретением, механическая система предназначена для передачи волнового
движения между оконечными устройствами с неравным импедансом, причем элементы системы расположены
относительно друг друга, а их импедансы для колебаний пропорциональны таким образом, что волны
передаются через систему без существенного отражения на оконечных импедансах. Система такого типа
может быть соединена с электрической цепью, и объединенная механическая и электрическая система может
быть адаптирована для работы в качестве полосового частотного фильтра.
В другом аспекте изобретения одна или несколько масс и упругих элементов, образующих систему передачи
механических волн, расположены таким образом и обладают такими значениями механического движения,
которые позволяют осуществлять преобразование и выполнять функции полосового фильтра. В системе
может происходить множество преобразований типа «ва-е», и общее отношение преобразований (или
произведение отдельных отношений) может иметь любое желаемое значение, например, в качестве частного
случая оно может быть равно единице. В последнем случае система адаптирована для работы при равном
импедансе концов. Таким образом, подобные фильтры могут быть с успехом использованы в системах
селективной передачи электроэнергии, поскольку это позволяет сократить количество необходимых
трансформаторов. Однако отсутствие трансформаторов — не единственное преимущество изобретения;
преобразование импеданса может быть выполнено в нескольких точках волнового фильтра без изменения
общего коэффициента преобразования, но с возможностью изменения величин отдельных реактивных
сопротивлений до значений, наиболее экономично достижимых в практических физических конструкциях.
Применение общей физической теории волновых фильтров вытекает из того факта, что законы, управляющие
движением электричества, являются лишь частными случаями общих динамических законов движения.
Расширение теории волновых фильтров на другие режимы движения, насколько это необходимо для
правильного понимания изобретения, будет облегчено путем рассмотрения аналогичных свойств движения в
различных системах, представленных в следующей таблице:
Электрическое движение Линейная сила Перемещение Скорость Масса Эластичность Гибкость Трение
Угловой момент Угол Угловая скорость Момент инерции Крутильная эластичность Крутильная гибкость
Трение ЭДС
Количество электричества Ток Индуктивность 1 +емкость Емкость Сопротивление Термины «масса»,
«упругость» и «гибкость» определяют суммарные свойства конструктивных элементов, которые связаны с
конкретными величинами, такими как плотность и упругость. Реакционные силы, противодействующие телу
приложенной силе, включают компоненты, равные произведению его массы на ускорение его движения, а
также на его упругость и перемещение. Они аналогичны противо-ЭДС в электрической цепи, возникающей
из-за скорости изменения тока в индуктивности и перемещения электричества в емкости. Количественные
соотношения между свойствами механических и электрических систем вытекают из того факта, что энергия в
обеих системах измеряется в одной и той же абсолютной единице, эрг. Движения в двух типах 100-градусной
системы сопоставимы, если реактивные свойства элементов и перемещения измеряются в абсолютных
единицах или единицах СГС. В составной системе, в которой энергия преобразуется из электрической формы
в механическую или наоборот, необходимо знать коэффициент, связанный со скоростями или
перемещениями в двух режимах движения, прежде чем можно будет определить движения во всей системе.
В приведенной выше таблице перечислены аналогичные величины как линейного, так и углового движения,
но в подробном описании механических систем, которое последует далее, будет использоваться только
номенклатура, относящаяся к линейному типу движения. Тип происходящего движения станет ясен из
контекста.
Аналогия между электрическим сопротивлением и механическим трением не всегда полна; постоянное
электрическое сопротивление характеризуется свойством рассеивать энергию со скоростью,
пропорциональной квадрату тока, а механическое трение, чтобы быть аналогичным, должно обладать
свойством рассеивать энергию со скоростью, пропорциональной квадрату механической скорости.
Обычное механическое трение не обладает этим свойством, и для получения эквивалента электрического
сопротивления, как правило, необходимо использовать какой-либо вид жидкостного трения.
В электрических системах легко получить конструктивные элементы, обладающие практически чистой
индуктивностью или чистой емкостью, путем выбора определенных форм и материалов, в которых одно
свойство преобладает, а другое уменьшается. Аналогичным образом можно получить элементы, обладающие
простыми свойствами по отношению к другим системам движения. Например, тонкое плоское воздушное
пространство, плоскость которого расположена поперечно направлению движения, обладает упругостью при
практически нулевой массе, в то время как очень узкий столб воздуха, ось которого совпадает с
направлением движения, обладает массой при практически нулевой упругости.
Сущность изобретения и способ его применения станут понятны из приведенного ниже подробного описания,
сопровождаемого чертежами, которые (фиг. 1, 1а, 2 и 2а) иллюстрируют теорию изобретения.
На рис. 3 и 3а схематически показан фильтр электрических волн и его механический аналог для сравнения с
рис. 4 и 4а, которые представляют собой тот же фильтр, модифицированный для осуществления
преобразований волнового движения.
На фиг. 5 и 5а представлены соответственно нетрансформирующийся волновой фильтр и волновой фильтр с
соответствующими свойствами, в которых воплощено изобретение для упрощения структуры.
На фиг. 6 и 6а показано аналогичное применение изобретения.
На фиг. 7 показана телефонная трубка с громким звуком, воплощающая данное изобретение.
Рисунки 8 и 9 представляют собой дополнительные виды приемника, показанного на рисунке 7, для более
наглядного изображения некоторых элементов системы, а рисунки 10 и 11 схематически иллюстрируют
систему волнового фильтра приемника, показанного на рисунке 7.
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ. 70 Два важных примера эквивалентности, с помощью которых объяснение принципов
изобретения значительно упрощается, показаны на фиг. 1 и 1а и фиг. 2 и 2а соответственно. 75
Четырехполюсная сеть, показанная на рис. 1, включает в себя параллельный импеданс ZA, не ограниченный
по форме, и идеальный трансформатор T. Предполагается, что трансформатор T имеет обмотки с бесконечно
большой индуктивностью, идеальную связь и нулевое сопротивление. Кроме того, предполагается, что
собственные импедансы обмоток, хотя и бесконечно велики, имеют конечное постоянное отношение,
выраженное уравнением 85 272 _,/,2 (1) Z, в котором Z1 и Z2 обозначают соответственно первичный и
вторичный импедансы, а 0 — коэффициент трансформации. 90 Такой трансформатор не мог ни накапливать,
ни рассеивать энергию и был бы одинаково эффективен на всех частотах, как и трансформатор волнового
движения. Невозможно создать физическую структуру, которая бы воплощала эти 95 характеристик, но тем не
менее, поскольку практические трансформаторы очень близки к идеальным, концепция идеального
трансформатора весьма удобна.
Четырехконтактная Т-образная схема на рис. 100 ля и схема на рис. 1 эквивалентны с точки зрения передачи
волн слева направо или справа налево. Это можно продемонстрировать, выведя формулы для принимаемых
токов в двух сетях, когда они подключены к клеммам с одинаковым импедансом на правых концах и
подвергаются воздействию одинаковых ЭДС на клеммах левых концов. Аналогичным образом можно
доказать эквивалентность сетей, изображенных на рис. 2 и 2а. Следовательно, трехэлементная Т-образная
сеть, в которой каждый элемент имеет определенное сопротивление, может заменить идеальный
трансформатор с конечным сопротивлением, соединенный параллельно с одной из его обмоток, и что сеть с
конечным сопротивлением может заменить идеальный трансформатор, имеющий соединение с конечным
сопротивлением последовательно с одной из своих обмоток. Элементы импеданса в сети на рис. 1а и рис. 2а
связаны соответственно простыми численными коэффициентами с импедансами ZA и ZB прототипных сетей.
Эти 125 импедансов могут состоять из простых сопротивлений или напряжений, или же они могут включать
реактивные сопротивления и напряжения в сложной сети, в этом случае ветви эквивалентных сетей
представляют собой сети аналогичной формы, в которых импедансы соответствующих элементов постоянно
связаны между собой. Более того, в схеме на рис. 1а импедансы двух последовательных ветвей обязательно
имеют противоположные знаки, а в схеме на рис. 1а импедансы двух параллельных ветвей также имеют
противоположные знаки.
Для того чтобы построение таких сетей стало возможным при любых обстоятельствах, необходимо иметь в
наличии элементы, обладающие как положительной, так и отрицательной массой или индуктивностью, а
также как положительной, так и отрицательной гибкостью или пропускной способностью. При определенных
обстоятельствах может быть достигнута отрицательная гибкость, как будет показано позже, но в общем
случае это свойство, а также отрицательная масса, не могут быть приданы ни одному простому
конструктивному элементу.
Хотя преобразующие сети, показанные на рис. 1a и 2a, не могут быть физически воплощены сами по себе,
они могут быть включены в волновые фильтры и другие структуры, при этом единственным требованием
является наличие в сети в точке преобразования элементов, обладающих соответствующими
положительными свойствами достаточной величины, чтобы поглотить отрицательные свойства
преобразующей сети.
Например, электрическая фильтрующая структура, показанная на рис. 3, может быть спроектирована в
соответствии с принципами и формулой, приведенными в упомянутых выше источниках, для работы между
клеммными импедансами равной величины.
Определенные таким образом индуктивности и емкости обозначаются буквами L и C с числовыми индексами
для идентификации их местоположения в цепи. Эти величины связаны с оконечным импедансом, который
обозначен как сопротивление Rl, факторами, включающими частоты среза фильтра; однако для понимания
настоящего изобретения знание этих факторов не является необходимым.
Если необходимо адаптировать фильтр к неравным оконечным сопротивлениям, можно использовать один
или несколько эффективных трансформаторов, установленных в любой точке системы. Предположим, что
желательны два последовательных понижающих преобразования: первое осуществляется путем установки
трансформатора в точке, обозначенной пунктирной линией A-AI, а второе — путем установки трансформатора
в точке B-B'. Для того чтобы исключить внутренние потери на отражение, при установке трансформаторов
необходимо изменить постоянные импеданса элементов фильтра. Если первый и второй коэффициенты
преобразования обозначены соответственно Al и 02, то в соответствии с 70 общеизвестными принципами
проектирования схем, все элементы справа от AA' должны быть модифицированы таким образом, чтобы их
импедансы были равны 12-кратному значению импедансов стандартной схемы, а элементы справа от BB1 75
должны быть дополнительно модифицированы таким образом, чтобы их импедансы были уменьшены по
сравнению с нормальными значениями в общем коэффициенте;b2 x 0,2.
При осмотре выяснилось, что модифицированный таким образом фильтр включает в себя комбинацию типа,
показанного на рис. 1 (80), а именно комбинацию модифицированной емкости 0x2C3 и трансформатора,
установленного в точке BBl, а также комбинацию, соответствующую рис. 2, а именно индуктивность L3 и
трансформатор, установленный в точке AA'l. Дальнейший анализ показывает, что цепь содержит
индуктивность и емкость, за счет которых может быть компенсирована отрицательная индуктивность и
отрицательная емкость, возникающие в результате замены вышеуказанных комбинаций эквивалентными
схемами.
В результате произведенных замен в итоге была получена сеть 95, показанная на рис. 4. Поскольку
коэффициенты трансформации Xl и 2 были приняты меньше единицы, что соответствует понижающим
преобразованиям, замена r-цепи, эквивалентной комбинации L3 и трансформатора, приводит к
отрицательной индуктивности, параллельной комбинации L, C, L2. Не очевидно, что эта комбинация может
поглотить отрицательную индуктивность 105, включенную параллельно, но это становится очевидным при
применении полезной эквивалентности, указанной Зобелем в упомянутой выше ссылке. Согласно Зобелю,
комбинация L, C1 L, может быть заменена параллельной комбинацией, включающей одну индуктивность
величиной (Ll + L2), соединенную параллельно с последовательной резонансной комбинацией индуктивности
L2 (l + L) и емкости C, (l + L) 115. Эффективная индуктивность L, + L2 в сочетании с отрицательной
индуктивностью первой преобразующей сети будет иметь положительную величину до тех пор, пока
индуктивность (L, + L2) больше 120, и, следовательно, при этом условии может быть реализована в
физической структуре.
Модифицированная мощность C4+, 01 2 также будет объединяться с отрицательной мощностью второй
трансформаторной сети, чтобы в результате получить положительную мощность, если первая мощность
будет меньше.
Теперь составить код электрической системы 243 321 — задача несложная. Массы n1, m2, m4 и m5
обеспечивают реакции инерции; упругость обеспечивается пружинами, обладающими гибкостью только по
отношению к крутящим силам, и обозначается как S1, S2, S3, S и S5. Для устранения влияния силы тяжести
как контролирующей силы массы располагаются парами, уравновешенными относительно центральной линии
вала; для обеспечения симметрии 60 упругие элементы также располагаются парами, уравновешенными.
Пара масс m соответствует индуктивности L1 на рис.
3, Упругость S соответствует величине, обратной величине емкости C1, и так далее 65 во всех двух системах.
Неподвижный вал 6 соответствует общему соединению между клеммами 2 и 4 на рис. 3. Последовательные
ответвления слева направо между клеммами 70 1 и 3 электрического фильтра имеют свои аналоги во
вращающихся втулках 5, 8 и 7 и прикрепленные к ним элементы. В механической конструкции 75
шунтирующие импедансы представлены системами масс и упругих элементов, прикрепленных к легким
жестким шпинделям, способным вращаться вокруг главного вала в плоскости, перпендикулярной ему, и
совершать движения, отличные от движений элементов 80, расположенных последовательно. Эти импедансы
включают элементы m1, m2 и S1, а также элементы m4 и S3. Соединение между последовательной системой
и шунтирующими рычагами осуществляется посредством конических зубчатых колес 85 и шестерен 11,
причем последние расположены таким образом, чтобы свободно вращаться на валах шунтирующей системы.
Эффект сопротивления R1, на котором заканчивается электрический фильтр, достигается в механической
системе с помощью проводящего диска 13, прикрепленного к втулке 7 и вращающегося между полюсами
постоянных магнитов 14.
Взаимодействие между магнитным потоком и индуцированными токами 95 в диске создает сопротивление,
пропорциональное скорости движения диска, и поэтому является правильной аналогией постоянного
электрического сопротивления. Пружины S2 и S4, вносящие вклад в часть 100 импедансов последовательной
ветви, показаны с внешними концами, соединенными с внешними упорами 12, которые можно рассматривать
либо как неподвижные точки, либо как массы с бесконечно большой инерцией. Комбинация шунтирующих
устройств 105 L4C3 на рис. 3 представлена на рис. 3а в виде двух отдельных шунтирующих систем, в одной из
которых масса m4 приводится в движение конической зубчатой передачей, а в другой — легким шпинделем,
удерживаемым от перемещения вокруг вала спиральными пружинами S3.
Сходство характеристик передачи двух систем можно продемонстрировать, изучив их действие 115 при
соответствующих типах принудительных значений индуктивности и емкости элементов на рис. 4 в терминах
значений на рис. 3, помня при этом, что при преобразованиях значения индуктивности и емкости должны
изменяться в противоположных направлениях. Ниже приведены следующие значения:
L6=L2 (1+ L2) L, (L+ L2) (Ls) L7= L3 1 - L1- L2 (2) L8 1 - 0l L8= 01 L3 L9=L3 12 9g=L 31 - 01 C7 = C2i + 012 L10 =
L4 x l2 C = C3 - 012(1 - 02).
C = C3 + 01202 Co10 = 0C5 + 12022 Ln = L5x 012022 R2 = Ri X 012022 Между C и комбинацией C10, значение
которой было бы равно 2 004 (3) #12[#22C3 - C4 02 (1 - 02)] (3) Исключение этого конденсатора иллюстрирует
частный случай, когда положительного импеданса элемента, первоначально находившегося в цепи,
достаточно для нейтрализации отрицательного импеданса трансформаторной сети. Очевидно, что формула
(3) при определенных условиях обозначает бесконечную емкость, импеданс которой равен нулю.
ПРИМЕНЕНИЕ В МЕХОАНИЧЕСКИХ ВОЛНОВЫХ ФИЛЬТРАХ.
Применение вышеизложенных принципов к механическим волновым фильтрам показано на рис. 3а и 4а,
которые в традиционном виде представляют собой механические волновые фильтры для крутильных
колебаний, аналогичные электрическим фильтрам на рис. 3 и 4 соответственно. В фильтре, показанном на
рис. 3а, крутильные колебания передаются через цепочку элементов, вращательно установленных на
неподвижном валу 6. Приведение системы в движение осуществляется за счет крутящих сил, действующих на
приводной диск 9. Сопротивление движению присутствует в инерционных и упругих реакциях различных
элементов, составляющих цепь, а также в импедансах, соответствующих соответственно индуктивному и
емкостному реактивным сопротивлениям силы 243,321. Крутящий момент, приложенный к ведущему диску 9,
соответствует напряжению, приложенному к клеммам 1 и 2. Если ЭДС
Если ток, подаваемый на электрический фильтр, является постоянным и однонаправленным,
результирующий ток будет ограничен индуктивностями L1 и L2 и будет ограничен только малым
сопротивлением этих элементов. Конденсатор (C) будет блокировать протекание тока в других ветвях цепи,
но в каждом из конденсаторов произойдет электрическое смещение, зависящее от их относительной емкости.
Аналогичным образом, постоянный крутящий момент, приложенный к механическому фильтру, приведет к
непрерывному движению масс m и m2, но остальные части будут удерживаться в слегка смещенных
положениях за счет ограничений, создаваемых различными пружинами.
ЭДС на частоте, на которой комбинация L5 C5 находится в резонансе, будет сильно ослаблена. Суммарный
ток во второй последовательной ветви будет практически равен нулю, хотя по замкнутому резонансному
контуру будет протекать большой циркулирующий ток. В механической системе колебательный момент с
частотой, на которой комбинация m S находится в резонансе, практически не вызовет движения втулки 7.
Комбинация m5 S5 эквивалентна последовательной антирезонансной электрической цепи; в резонансе масса
и пружина сами по себе сильно колеблются, но сильно препятствуют любому движению точки опоры 7.
Система m% Sx имеет аналогичный тип и, следовательно, на некоторой частоте приводит к тому, что плечо
шунта приобретает бесконечно большое сопротивление; подобный эффект наблюдается в электрической
системе при резонансе L, C1. На частотах значительно выше резонансных масса ti стремится оставаться
неподвижной, и вся конструкция проявляет свойства пружины, закрепленной на внешнем конце. Эластичность
комбинации на некоторой более высокой частоте резонирует с массой m2, вызывая сильные колебания
последней вокруг вала 6. Когда приложенный крутящий момент вызывает резонанс mi и S1, движение массы
m2 практически сводится к нулю, в результате чего все движение ведущего диска передается через зубчатую
передачу на втулку 8. Когда возникает второй тип резонанса, масса n2, находящаяся в резонансе, так легко
следует за синхронно приложенной силой, что все движение, передаваемое ведущему диску, поглощается
шунтирующей системой. Движения других частей системы аналогичным образом связаны с токами в
соответствующих электрических элементах.
Фильтр на рис. 4а имеет схожие характеристики с фильтром на рис. 3а, но адаптирован для преобразования
волнового движения таким же образом, как и его электрический аналог. Вращающиеся втулки 5, 15, 16, 17 и
18 и соединенные с ними элементы образуют последовательные ветви системы 70, соответствующие
последовательным последовательным участкам электрической линии слева направо между клеммами 1 и 31
на рис. 4. Соответствующие элементы обозначены одинаковыми индексами в пункте 75 так же, как на
рисунках 3 и 3а.
Система m, So представляет собой последовательно-резонансно-параллельную комбинацию, характеристики
которой очевидны ввиду вышеизложенного объяснения. Пружинная соединительная последовательность
элементов 17 и 18 S9 представляет собой альтернативную и более простую форму шунтирующей
эластичности, связь которой с шунтирующей эластичностью S3 на рис. 3 также легко прослеживается.
Уменьшенное согласующее сопротивление 85, соответствующее R2, наиболее легко достигается путем
уменьшения толщины вихретокового диска 13, что, соответственно, уменьшает индукционное сопротивление.
90 Следует отметить, что соединения конических зубчатых передач элементов шунтирующего механизма
уменьшают угловые скорости этих элементов в соотношении два к одному и меняют направление движения
95 между последовательными секциями серии. Эти эффекты аналогичны тем, которые возникли бы в
электрической системе при установке пары одинаковых идеальных трансформаторов с коэффициентом
трансформации два к одному в каждой параллельной ветви. 100 Они не имеют значения для общих свойств
фильтров, но при применении формулы фильтра к расчету масс и упругости шунта необходимо учитывать
преобразование скорости.
Преобразование скорости в механическом фильтре, изображенном на рис. 4а, достигается не за счет
использования редукторов, которые очень похожи на идеальные трансформаторы, а за счет модификации
упругих и инерционных постоянных системы в соответствии с принципами изобретения. Указанные ранее
соотношения между 115 коэффициентами элементов на рисунках 3 и 4 справедливы также и для элементов
на рисунках.
В пунктах 3a и 4a вместо индуктивностей используются массы, а вместо емкостей — величины, обратные
упругости.
Следует отметить, что характерной особенностью шунтирующих элементов является их способность
поглощать часть скорости последовательного элемента, тем самым уменьшая скорость в последующем
последовательном элементе. В описанных выше механических системах последовательные и параллельные
импедансы занимают относительное положение, очень близкое к положению соответствующих электрических
импедансов, но в других механических системах такое расположение может иметь лишь незначительное
соответствие с традиционным электрическим расположением. В таких случаях указанная выше особенность
параллельных импедансов помогает отличить их от последовательных импедансов.
СИСТЕМЫ, ОБЛАДАЮЩИЕ УНИКАЛЬНЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ КОЭФФИЦИЕНТА ТРАНСФОРМАЦИИ.
Системы, показанные на рис. 5, 5а, 6 и 6а, иллюстрируют применение определенных предельных значений
коэффициента преобразования с целью уменьшения количества импедансных элементов, необходимых в
данном фильтре. Для простоты на этих рисунках используются электрические обозначения, но, учитывая
приведенное выше описание, очевидно, что они могут представлять собой условно волновые фильтры для
любого типа движения.
Фильтр, изображенный на рис. 5, состоит из двух полных секций с последовательным согласованием
импедансов известного типа и имеет симметричную форму, подходящую для работы при равных импедансах.
Полная последовательная индуктивность связана с полной параллельной индуктивностью L с постоянным
коэффициентом bv, характер которого будет описан позже. Фильтр может быть модифицирован для
эффективной работы между неравными импедансами путем осуществления преобразований в секциях DD1 и
FF1 в соответствии с методами, уже описанными в связи с рис. 3. В данном случае обе трансформации
осуществляются путем замены шунтирующих индуктивных Т-образных цепей типа, показанного на рис. 1а.
Обозначая коэффициенты преобразования в точках D и F соответственно как OD и OF, легко получить
выражения для констант элементов в модифицированном фильтре. Центральная последовательная ветвь
будет содержать емкость, соответствующую исходной емкости C, но модифицированную в соответствии с
коэффициентом трансформации OD. Она также будет содержать индуктивность, равную сумме
преобразованной индуктивности, соответствующей aL, и составляющих, обусловленных вставленными
Т-образными цепями.
Значение Le этой результирующей индуктивности определяется уравнением L, = D2aL - OD (1-qD) L + D2(1 -
OF) L (4) и равно нулю при условиях, выраженных дальнейшим уравнением a l- 2D + dD OF (5) AD. Путем
правильного выбора коэффициентов преобразования получается новая структура, как показано на рис.
Получена схема 5h, которая содержит на один элемент меньше, чем схема на рис. 5, но обладает теми же
передаточными характеристиками, что и последняя схема, а также идеальным трансформатором с
коэффициентом трансформации OD x OF.
Следующие частные случаи имеют важное значение. Во-первых, в котором F = 1 - D.
Каждая секция предназначена для передачи волнового движения между неравными концевыми импедансами,
но двойная секция предназначена для работы между равными импедансами, коэффициент преобразования
определяется уравнением D = 2a + 270' (6), во втором случае, где F равно единице. Производится только одно
преобразование, отношение равно 1 + 1 + а.
(7) В-третьих, где OF = iD. Это представляет собой случай равномерно сужающейся линии с одинаковыми
сечениями. В этом случае OD=(1 2j)+_2_<l1± (8) 80' Два значения, обозначенные знаками плюс и минус,
взаимно равны: одно соответствует непрерывному ступенчатому преобразованию слева направо, а другое —
непрерывному ступенчатому преобразованию вниз.
Трудность возникает при завершении формирования структуры такого типа, поскольку заключительное
понижающее преобразование оставляет в конце 90-градусного последовательного плеча отрицательную
индуктивность, достаточно большую, чтобы уравновесить не только естественную полную последовательную
индуктивность плеча, но и компонент, который был бы добавлен при следующем этапе преобразования.
Таким образом, для последовательного оконечного резистора потребовалось бы использование элемента с
отрицательной индуктивностью, и, следовательно, его нельзя было бы воплотить ни в какой физической
конструкции. Однако в целом, после нескольких этапов понижающего преобразования фактические величины
последовательных индуктивностей будут относительно очень малы, и эти элементы можно будет исключить
без заметного влияния на передаточные характеристики. В некоторых случаях может быть добавлена
дополнительная фильтрующая секция другого типа, в которой последовательная индуктивность достаточно
велика, чтобы компенсировать отрицательную индуктивность, возникающую в результате последнего
преобразования.
Для обсуждения принципов соединения фильтрующих секций различных типов можно обратиться к
вышеупомянутой статье Зобеля. 115 Другой пример применения изобретения для уменьшения количества
элементов в фильтрующей сети I' показан на фиг. 6 и 6, причем на первой изображен двухсекционный фильтр
с шунтирующим сопротивлением симметричной структуры, а на второй — структура, полученная в результате
специальных преобразований, выполненных в точках GG01 и IHt. В этом случае шунтирующая индуктивность
была исключена.
Условие исключения параллельного элемента выражается уравнением b = 1 - 2di + iGt AE (9), где b —
отношение полной последовательной индуктивности рис. 6 к полной параллельной индуктивности, а G и B —
соответственно коэффициенты преобразования в точках G и H. В двух рассмотренных случаях
коэффициенты a и b равны - 4f12 A2 f2 (10), где f1 и f2 — соответственно нижняя и верхняя частоты среза
фильтров. Это следует из сравнения формул для констант этих фильтров, приведенных в Спецификации.
Патент № 142,115.
Более общая формула расчета, приведенная в упомянутой выше работе Зобеля, показывает, что любой
последовательный элемент связан с любым параллельным элементом того же типа постоянным
коэффициентом, который зависит только от отношения частот среза при бесконечном затухании.
В основном, фильтрующие секции, в которых можно исключить импедансный элемент, — это те, в которых
последовательный или параллельный вывод содержит только один элемент. Однако необязательно, чтобы
соединяемые секции были того же типа, что и показано в связи с описанием
Рис. 4. Когда фильтрующие секции имеют разные типы, отношение, соответствующее a или b, может быть
найдено из коэффициентов готового фильтра, разработанного для симметричного завершения, и на его
основе вычисляется соответствующее отношение.
ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ГРОМКОГОВОРНОМУ ТЕЛЕФОНУ.
На фиг. 7, 8 и 9 изображена телефонная трубка с громким звуком, в которой воплощено изобретение с целью
повышения как эффективности, так и качества воспроизведения речи. В конструкции телефонов с громкой
связью используются два основных элемента, которые примерно одинаково важны. Первая задача состоит в
том, чтобы обеспечить в звуковых волнах идеальное воспроизведение колебаний электрического тока. Вторая
задача — преобразовать всю электрическую энергию в энергию звуковых волн. Наиболее эффективное
производство звуковых волн осуществляется с помощью механического устройства, создающего
перемещения воздуха, и поэтому обычно электрические волны преобразуются в промежуточное
механическое движение. Для достижения высокой эффективности в обоих типах трансляций необходимо,
чтобы импеданс на одном конце 70 механической системы был равен импедансу электрической системы, а
импеданс на другом конце был равен импедансу акустической системы. В целом, в механической системе
необходимо использовать какой-либо трансформирующий механизм, но с учетом практических материалов и
конструктивных форм крайне сложно, если не невозможно, создать механизм такого рода, элементы которого
не резонируют на частотах в пределах речевого диапазона.
В результате настоящего изобретения инерция и упругость механических частей пропорциональны таким
образом, чтобы они совместно функционировали как полосовой фильтр, имеющий полосу пропускания,
достаточно широкую для охвата всех частот, необходимых для воспроизведения звука высочайшего качества,
а также для осуществления любых преобразований волн, необходимых для эффективной передачи энергии.
Механическая подвижная система включает в себя две группы элементов, одна из которых передает
крутильные колебания, а другая — продольные. Первая группа 95 включает в себя легкий, но относительно
жесткий вал 20, к одному концу которого жестко прикреплен сбалансированный магнитный якорь 19, имеющий
форму двустороннего клина, а к другому концу 100 прикреплена прямоугольная поперечная балка 22. Вал 20
опирается на клиновидный поворотный блок 23, острый край которого входит в зацепление с продольной
V-образной канавкой, вырезанной по центральной линии вала. 105 Угол канавки немного больше угла
поворотного блока, что обеспечивает возможность ограниченного углового перемещения. Блок опирается на
основание 24, которое является частью жесткой рамы 110 аппарата. Для надежной фиксации вала без
нарушения его вращательного движения центральная часть V-образного блока срезается, и легкая жесткая
проволока 25, проходящая через 115 два отверстия в торцевых частях блока, входит в зацепление с ушком
резьбового штифта 26, прикрепленного к валу.
Движение якоря и вала сдерживается парой листовых пружин сжатия 27 120, которые прикреплены одним
концом к поперечной балке 22, а другим концом к основанию 24.
Вторая группа деталей, в которой движение является продольным, включает в себя диафрагму приемника 30
и центрирующий элемент 31, ножки которого приклепаны к диафрагме. Целью элемента-паука является
приложение движущей силы к диафрагме таким образом, чтобы последняя перемещалась почти равномерно
по всей своей поверхности, действуя тем самым подобно жесткому поршню на воздух в камере 29. Поскольку
этот элемент должен быть максимально легким, трудно избежать его гибкости в конструкции, и более
практично пропорционально распределять упругость таким образом, чтобы она взаимодействовала с
упругостью других элементов для получения желаемых характеристик передачи. Воздух в камере 29 перед
диафрагмой также является элементом этой группы, причем форма камеры такова, что ее преобладающим
свойством является эластичность воздушного тела. Диафрагма сконструирована таким образом, чтобы
максимально напоминать герметичный поршень без трения с пренебрежимо малой массой.
С этой целью он изготовлен из тонкой алюминиевой фольги и снабжен круговыми гофрированными
элементами для придания ему жесткости. Край диафрагмы прижимается к стенкам воздушной камеры
зажимным кольцом 32, обеспечивая герметичность, но одновременно создавая небольшое сопротивление
движению за счет эластичности диафрагмы. Две группы соединены угловым стержнем 28, один конец
которого приклепан к центру крестовины 31, а другой конец жестко соединен с концом поперечной балки 22.
Помимо преобразования вращательного движения в продольное, изогнутая часть этого стержня обеспечивает
упругое соединение между двумя группами элементов.
Электрическая и механическая системы соединены электромагнитным образом.
Якорь 19 расположен между двумя U-образными полюсными наконечниками 21 постоянного магнита 33 и
обычно удерживается пружинами 27 в симметричном положении относительно всех четырех полюсных
поверхностей. Вокруг якоря, но не установленные на нем и не прикрепленные каким-либо образом к нему,
расположены катушки питания 34, через которые протекают речевые токи. В электрической цепи обозначен
источник электрического тока, внутреннее сопротивление которого представлено сопротивлением 36.
Соединение между источником 35 и катушками 34 включает в себя электрические фильтрующие элементы 37
и 38.
На акустическом конце системы концевой нагрузкой является усилительный рупор 39, горловина которого
показана на рисунке. Предпочтительно использовать экспоненциальный тип рупора, описанный в
Техническом задании.
Патент № 213528, а также работа Ханны и Слепиана «Функция и конструкция рупоров для
громкоговорителей», Труды Американского института электротехников, март 1924 г. Преимущество этого
рупора заключается в том, что он обеспечивает постоянную и чисто диссипативную нагрузку на всех частотах,
кроме очень низких, для воздействующих на него сил давления, то есть он аналогичен нагрузке с постоянным
сопротивлением в электрической цепи.
Для обеспечения эффективной работы магнитной структуры необходимо, чтобы воздушные зазоры между
якорем 19 и полюсами были малыми, и, следовательно, движение якоря также должно быть ограничено
мельчайшими перемещениями. Следовательно, эта часть подвижной системы должна быть жесткой, или,
другими словами, иметь высокое сопротивление. Входное сопротивление рупора, как правило, значительно
ниже, чем у якоря, и, следовательно, подвижная система обычно проектируется с понижением импеданса. В
представленной системе общее отношение импедансов является результатом нескольких промежуточных
преобразований, каждое из которых обеспечивает более эффективное взаимодействие последовательных
элементов, позволяя им корректно функционировать как элементы равномерного фильтра.
МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ.
Способ применения настоящего изобретения при проектировании системы будет легче понять, обратившись к
рис. 10 и 11, которые представляют собой эквивалентные электрические схемы. На рис.
Масса каждого механического элемента обозначается символом индуктивности, а упругость — символами
емкости. 105 Эффективная масса каждого элемента обозначается буквой m с числовым индексом,
соответствующим порядковому номеру, использованному для обозначения элемента на рис. 7, 8 и 9. 110
эластичных элементов обозначены аналогичным образом. Акустическая составляющая системы
представлена шунтирующим эластичным сопротивлением S29 и сопротивлением рупора R39, которые
соединены 115 через трансформатор 40, представляющий собой преобразовательное действие соединения
между увеличенной воздушной камерой 29 и узким отверстием рупора. Коэффициенты массы и упругости,
относящиеся к элементам, в которых движение линейное, представляют собой линейные коэффициенты,
модифицированные для приведения их в соответствие с коэффициентами элементов, совершающих угловое
движение. 125 линейных масс умножаются на квадрат радиуса от центра вала 20 до центральной линии
линейного движения, что дает эквивалентные 243 321 угловые массы.
Линейные упругие характеристики делятся на один и тот же коэффициент.
Линейные перемещения равны угловым перемещениям, умноженным на радиус b, а линейные силы равны
крутящим моментам, деленным на радиус t.
Элемент 41 представляет собой сопротивление связи между элементом и механической системой.
Теория этого типа связи представлена Р. Л. Вегелем в статье «Теория приемников Tel», опубликованной в
журнале Американского института электротехники (AIEEE) в томе № 10, октябрь. 1921. Импеданс
определяется как отношение ЭДС в механической системе к ЭДС в электрической системе, а также как
отношение противо-ЭДС в электрической системе к скорости в механической системе. Два отношения равны
и имеют одинаковую частоту, но противоположный знак.
Эластичность 819 представляет собой упругость якоря, обусловленную притяжением полюсов постоянного
магнита. Когда якорь находится в центральном положении, силы притяжения всех четырех полюсов
уравновешиваются, но если он слегка смещен, силы притяжения увеличиваются, воздушные зазоры
уменьшаются, а напряжение снижается.
чем больше величина, тем сильнее возникает неустойчивая сила, стремящаяся увеличить величину
диэлектрика. В описанной магнитной системе типа С крутящий момент, создаваемый магнитным полем,
существенно пропорционален угловому смещению магнита. Следовательно, отношение крутящего момента к
углу смещения имеет характер отрицательной упругости. Можно показать, что значение c равно A -A (p B)2,
где A — площадь каждого полюса, I — длина нормального воздушного зазора, P3 — расстояние от центра
плеча до центра полюсных поверхностей, а B — плотность потока постоянного магнитного поля в воздушном
зазоре.
На рис. 11 представлен равномерный фильтр пропускания, аналогичный показанному на рис. 10:
эквивалентный; то есть, если элементы на рис. 10 правильно пропорциональны, система может обладать
характеристиками полосового фильтра oa 11. Следует отметить, что Fi включает два трансформатора 42 и ,
это идеальные трансформаторы, у которых соответствующие им шунтирующие упругости заменены на рис. 10
на Т-образные сетевые упругости, пропорционально пропорциональные значениям, показанным на рис. 1a.
Первое преобразование заключается во введении возможности учета реального отрицательного
коэффициента упругости (поле S19 должно быть включено в "min the").
При проектировании электрических трансформаторных фильтров было отмечено, что отрицательные ветви
трансформаторных цепей не могут быть отдельно реализованы в какой-либо физической структуре, и, как
следствие, накладываются определенные ограничения на возможные коэффициенты преобразования. В
данном случае отрицательная эластичность имеет реальное значение и может быть использована в качестве
фактического фильтрующего элемента. Когда трансформирующая Т-образная схема на рис. 10 заменяется на
рис. 11 комбинацией идеального трансформатора и шунтирующей эластичности, в каждом соседнем
последовательном плече обязательно должна оставаться остаточная положительная эластичность для
поддержания надлежащих характеристик полосового фильтра.
Участок на рис. 11 между линиями JJ1 и II1 включает в себя импеданс связи и два последовательных
импеданса.
С механической стороны последовательное сопротивление состоит из массы, обозначаемой как control 1 1 ion
of tmq, и упругости, обозначаемой как 2SI.
Это части, соответственно, арматуры, фактической массы мл9 и остаточного положительного значения:
эластичность последовательной ветви фильтра, их относительные значения пока составляют 90 в
неопределенном диапазоне. Электрическое сопротивление в 1 ланцете включает индуктивность и емкость Lp
и емкость 2Cp, которые аналогично являются долями элементов L3e и %Cs, в настоящее время не
определенных. Величина электрического импеданса обозначается пМ, коэффициенты которого также могут
оставаться неопределенными в настоящее время. Импедансы последовательно соединенных плеч участка
могут быть обозначены соответственно обобщенными символами импеданса Z и p.
(1
Соседние файлы в папке патенты