• 機械濾波器

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    機械濾波器

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    機械濾波器是一種信號處理濾波器,通常用來代替無線電頻率的電子濾波器。其目的與普通電子濾波器相同:通過一定范圍的信號頻率,但阻斷其他頻率。濾波器作用于機械振動,機械振動是電信號的模擬物。在濾波器的輸入和輸出端,傳感器將電信號轉換成這些機械振動,然后又從這些機械振動中返回。

    機械濾波器的組件都直接類似于電路中的各種元素。機械元件所服從的數學函數與相應的電氣元件完全相同。這使我們有可能將電網絡分析和濾波器設計方法應用于機械濾波器。電學理論已經開發了大量的數學形式庫,可以產生有用的濾波器頻率響應,機械濾波器設計者能夠直接使用這些數學形式。只需要將機械部件設置為適當的值,就可以產生一個與電氣對應物相同響應的濾波器。

    合金和鐵鎳合金是機械濾波器部件的常見材料;鎳有時用于輸入和輸出聯接。用這些材料制成的濾波器中的諧振器需要在最后組裝前進行加工,以精確調整其諧振頻率。

    雖然本文中機械濾波器的含義是指用于機電作用的濾波器,但也可以用機械設計直接過濾機械振動或聲波(本質上也是機械的)。例如,在揚聲器箱體的設計中,對音頻頻率響應的過濾可以用機械部件實現。在電氣應用中,除了與電氣對應的機械部件外,還需要換能器在機械和電氣領域之間轉換。本文介紹了機械濾波器的各種元件形式和拓撲結構的代表性選擇。

    機械濾波器的理論在20世紀20年代首次被應用于改進留聲機的機械部件。到了20世紀50年代,機械濾波器被制造成獨立的部件,應用于無線電發射器和高端接收機。機械諧振器可以達到的高品質因數Q,遠遠高于全電子LC電路的品質因數,使得制造具有優良選擇性的機械濾波器成為可能。良好的選擇性在無線電接收機中非常重要,因此這種濾波器非常有吸引力。當代研究人員正在研究微電子機械濾波器,即與電子集成電路相對應的機械裝置。

    元件

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    無源線性電網絡的元件包括電感、電容和電阻,它們分別具有電感、彈性(反電容)和電阻的特性。這些特性的機械對應物分別是質量、剛度阻尼。在大多數電子濾波器的設計中,只有電感和電容元素被用于濾波器的主體(盡管濾波器可能在輸入和輸出端使用電阻)。電阻不存在于由理想元件組成的理論上的濾波器中,只在實際設計中作為不需要的寄生元件出現。同樣,一個機械濾波器xxx只由具有質量和剛度特性的元件組成,但在現實中也存在一些阻尼。

    在這種類型的分析中,電壓和電流的機械對應物分別是力(F)和速度(v),代表信號波形。由此,機械阻抗可以用虛角頻率jω來定義,這完全是按照電學類比的方法。

    機械濾波器

    注:

    • 符號x、t和a分別代表它們的常規量;距離、時間和加速度
    • 機械量順應性是剛度的倒數,可以用它來代替剛度,以便與電容有更直接的對應關系,但表中的剛度是作為更熟悉的量使用。使用這種類比產生的電路圖與電路所看到的機械系統的電阻抗相匹配,從電氣工程的角度來看,它是直觀的。還有一種移動性類比,即力與電流相對應,速度與電壓相對應。這也有同樣有效的結果,但需要使用上面列出的電氣對應物的倒數。因此,M→C,S→1/L,D→G,其中G是電導率,是電阻的倒數。這個方案產生的等效電路是s

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    2. 元件

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