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音叉机械滤波器 向天明 一、引言 今年来机械滤波器在无线电、有线电设备中得到广泛的运用，它的优点愈来愈被人们重视。各兄弟单位在机械滤波器研制方面作出了很多成绩，值得我们学习，改进我们今后的工作。 我厂生产的载波机中的滤波器在所有部件中占的比重很大，因此说要使载波机小型化，滤波器的小型化与使用半导体器件、印制电路有同等重要的意义。 从体积上来说,目前L C滤波器方面采用了高“μ”铁氧体磁芯、滤波器不密封等措施来减少体积。尽管如此，它的体积还并不小不能满足整机小型化的需要。 从性能上讲。由于机械滤波器Q值高，特性曲线很陡，稳定性好，这样一来可以提高整机性能，如话路上采用了60～108kHz（每隔4kHz一只）的话路滤波，那么可以节省一次调制，将节省不少放大器，调制器、衰减器，使方框图更简化了。 因此说，机械滤波器如成功地代替LC滤波器，晶体滤波器的话，不但体积小、重量轻、性能好、而且成本低。 64年 开始我们试制的是2.1kHz，2.5kHz两个品种，而后因整机需要改为2kHz，2.3kHz两种。从目前整机使用的十二只来看，性能良好，且在制作过程中较易达到预定要求。这里准备介绍一下我们试制中的一些情况，一定会有很多错误或不足的地方，希望同志们批评，指正。 二、音叉机械滤波器的原理 机械滤波器都是由输入换能器、振子、输出换能器三部份组成，如图1。
音频滤波器的换能器一般有压电式和电磁式两种。振子的形式很多，最常见的有： 1、音叉：单臂的，双臂的（即“H”型音叉），“T”字型、梳型、多臂音叉等等。 2、音片。（这种我厂未试制）
我们主要试制了电磁换能的“H”型音叉机械滤波器，其结构如图2所示。图中“1”为输入换能器，“2”为音叉，“3”为输出换能器，“4”为磁钢，“5”为支架，“6”为底座。其中输出与输入实际上是相同的，位置可以互换。由于两块永久磁钢的作用，使音叉与两组换能器组成的八个气隙（输入输出各两对）而有固定磁场存在。这个固定磁场都是由换能器的一端“N”极通过气隙到音叉，再经支架到“S”极，组成一闭合回路。值得注意的是，换能器每个气隙的固定磁场都是由换能器到音叉各臂的见图3，这样一来音叉各臂在气隙中受到磁场的作用力都是大小相等，方向相反（设各气隙相等，磁路对称）因而音叉臂在气隙中处于平衡状态。当输入换能器的线圈上加一交流信号后，便产生一如图3虚线所示之交变磁场。这交变磁场在某一瞬间（设信号正半周）使“A”点磁场增加，“B”点磁场减小，则音叉臂向“A”移动。反之，在信号负半周音叉向“B”移动，就 由于音叉是按一定频率设计的。只有输入信号的频率与音叉固有频率相一致时才产生谐振此时音叉的各臂振动最大，那么输出线圈的感应电势也就最大，否则音叉振动极其微弱，因而输出端感应电势极小。这就是音叉滤波器的滤波过程。 作用于音叉各臂的力应是： 式中： φ=φ0+φ～ 其中： φ0 是永久磁钢产生的固定磁场 φ～ 是输入信号在输入线圈上产生的交变磁通 S 是各气隙中音叉与换能器的有效截面积。
其中：ω是输入线圈匝数 R 是交变磁通的磁阻，如果忽略磁回路里的所有磁阻的话，则磁阻为：
其中：△ 是音叉与换能器的气隙。 那么（1）式可写成：
又1=lmsinωt，故：
从上式我们可以得到音叉振动的基波分量。
由这里我们可以看到，固有磁场的存在增加了音叉振动的幅度，从滤波性能来讲，就是降低了滤波器的通带衰耗。同时，当φ0 》φ～时消除了音叉振动的倍频效应。 有关音叉滤波器更详细的传输理论这里不准备推导，它相当于如图4所示的三元件带通滤波器。 三、音叉机械滤波器的设计 1、主要技术性能： 我们研制的2.0kHz，2.3kHz的两种机械滤波器是用在载波机振铃电路，其技术要求按LC滤波器要求。主要技术要求如下，特性曲线见图5 (1)频率：f0 = 2kHz，2.3kHz (2)通带：f0 ± 25Hz b≤0.4N △b = 0.05N ～0.12N （注：N为奈贝单位） (3)阻带: f0 ± 100Hz b >2.5N f0 ± 200Hz b >3.9N f0 ± 300Hz b >4.4N (4)阻抗: R=600Ω (5)工作电平:-3N～0N (6)使用温度:-5℃～+45℃ 2、几个温度的考虑： 1）音叉形式的选择： 我们认为选用H型音叉比较恰当。因为这种音叉相当于两节单音叉，有比较好的衰耗特性，可以实现比较宽的通带，而且这个通带可以在一定范围内比较方便的调节。 2）采用电磁换能器： 在音频范围内电磁换能器完全可以工作，而且有较高的稳定性，阻抗低，机械阻抗与电气阻抗易于匹配。电磁换能器要求的精度比较高，但是当大批生产采用了合适的工艺时还是比较合算，而且它的输入输出端都不必增加调谐回路。 3）振动气隙： 气隙的大小对滤波器性能的影响很大。气隙大滤波器稳定性较好，但通带衰耗大。气隙小后，通带衰耗是比较小，但稳定性差，更重要的是它将给音叉，换能器的制造和滤波器的装配带来很大困难。通过实验我们认为选用0.2mm的气隙比较合适。我们打算将此气隙作为该频段的标准气隙，当设计其他品种时只需改变音叉和支架长度即可。 4）对固定磁场的要求： 从4式中可以看出音叉振动的基波分量与固有磁场大小有关。磁场足够大时可以消除音叉振动的倍频效应，减小通带衰耗。如图6所示，用同样音叉，磁场增强可以展览带宽，反之通带较窄。图6的“a”曲线表示在强磁场作用下的频率特性，“b”曲线表示在弱磁场作用下的频率特性。 由于考虑到滤波器的体积和经济性，不能使磁钢作得很大，同时在足够大的磁场情况下，再增加磁场强度对滤波器性能基本上没有什么好处。 必须说明，固定磁场的大小，还影响着滤波器的频率，磁场加大，频率下降，反之频率上升，如果说磁场很大，那么磁钢本身的稳定性比较大地影响着滤波器的频率稳定度。因此说，不但对固有磁场有适当的磁场强度要求，而且要相当稳定。一般说来，选用铝镍钻4（AHK0-4）可以满足要求。
3、音叉的设计： 音叉滤波器传输理论的数学推导是相当复杂的，但工程设计还是比较简单。较主要的问题在于考虑音叉的各几何尺寸的相互关系，求得比较小的音叉来实现机械滤波器小体积的结构，而且要便于与电气阻抗匹配，精度要求不很高，有较好的工艺性，便于大量生产。 我们知道，音叉的固有谐振频率可以类似于悬臂梁来计算。
其中： l是音叉各臂长度（见图7） ь是音叉各臂宽度（见图7） E是音叉材料的弹性模量 ρ是音叉材料的密度
从（5）式可以看出，在工程计算，ь和l都是未知数，须先确定一数然后通过计算求得另一数值。我们认为先选定ь较好。因为当ь确定后，在一定频段范围内各频率的音叉只须用改变音叉只须用改变音叉臂长来达到。这将对音叉和换能器的加工带来很大方便。再则，音叉臂的宽度与长度尺寸是相互制约的。如果ь选的过大则l也大，滤波器的体积就较大。如果ь选的很小则l也小，滤波器的体积就小了，但这样一来对音叉的加工精度必然会提高。我们取ь=1.5mm、通过实验可以取得较满意的效果。 音叉滤波器相对通带宽度与几何尺寸关系是：
从上式可以看出，音叉滤波器的通带宽度与b和bc是三次方关系，它们对通带的影响较lc和l来得大。因此改变它们的尺寸来实现带宽最为有效。前面已经谈过，b值已在计算ι前定好，故只有改变bc的尺寸来达到预定的带宽。当然用其他方法也可以。 理论上讲，音叉机械滤波器可以实现任意带宽。但是，由于音叉的振动形式和几何形状的确定，它的带宽只能在某一范围内较满意地实现。同时获得较好的频率特性（防护度，通带衰耗和波动）。当l、lc、b都已确定后只有改变bc，如果要实现比较宽的带宽，那么bc要相当小，甚至使音叉的固定都难以实现。因此说，单靠bc来实现带宽在某些情况下不能得到预定效果，因而必须寻求其他方法来展宽带宽。其中最有效的方法是耦合体内挖槽，它的通带可以展宽到原有音叉的2.5～3倍。更可喜的是，开槽后减少了耦合体对音叉振动的传播的阻尼，这样一来，使得机械滤波器的通带衰耗比原来的下降。特别是bc比较大时，这个现象非常显著。 从机械传播的角度去看，音叉振动在耦合体内的传播其外侧最厉害，故应尽量减少耦合体外侧对机械传播的阻尼，因而在挖槽时外侧挖的面积应比内侧大。 由图3可知，交流磁通对音叉的作用主要在音叉臂之端部，因音叉材料的电阻率比较小，故产生的涡流损耗较大，因此我们在音叉各臂的端部开有两个槽，槽宽0.2mm，方向与交流磁场方向平行。从实验可以看出效果比较显著。一般可以降低通带衰耗0.2N～0.3N。必须说明，开槽后音叉质量有所减少。频率会下降，这就需要在音叉设计计算时考虑。 音叉的加工精度直接影响到滤波器的频率准确度，通带衰耗、通带内的波动和阻带防护度。从理论上讲，音叉的四个臂都应谐振到一个频率上，并且要关于支承点成对称。音叉应平直，否则寄生振动很多，泛音的出现较为严重，滤波器的其他特性也将变坏。音叉的光洁度要比较高，这样可以减少音叉在振动时空气对它的阻力，可以提高滤波器Q值，降低通带衰减。但音叉的精度，光洁度对滤波器性能的影响不是绝对的，因为整个滤波器的性能还与其他因素有关。因此说，单靠提高对音叉的加工要求来得到要求较高的滤波器是不适宜的，那将使滤波器加工工艺复杂，生产周期很长，成本很高。一般来讲，公差应控制到0.01～0.02mm。 音叉材料的选取也较严重地影响机械滤波器的性能。一般来讲，音叉材料有镍铬钛合金（Ni42CrTi)和锻钢（X8H36），它们的“Q”值高，弹性好，稳定性高。因而，作出的滤波器防护度高频率稳定性好。但价格较贵，加工困难（特别是校正）。经初步实验发现上述两种材料在较宽通带的情况下波动较大，对于较宽通带的滤波器的振子材料是否要求Q值无限制地高、是今后值得探讨的一个问题。 目前用在我们产品上的是优质炭素工具钢（Y10A）这种材料比上述两种材料加工容易。成本低、通带内的波动易于解决，但频率稳定度较前两种差。从最近试制的一批机械滤波器来看，基本上能满足预定要求。 五、音叉加工 音叉是音叉机械滤波器中最主要的一个另件，它直接影响到整个机械滤波器的性能。音叉对精度、光洁度、平整度及热处理要求都很高。因而，对音叉的加工方法，工艺路线，热处理温度都必须作较周密的考虑。为了保证达到图纸要求的精度，光洁度、平整度，同时要降低成本，便于批量生产,提高工作效率、缩短生产周期，故在每一道加工公序中都应尽量的用较精密机械加工和采用合理的工艺装置来保证加工精度，在必要时才用手工加工。此外，还必须想法在加工中尽量减少音叉的内应力产生，在热处理中尽量消除音叉的内应力。 试制中我们采用的加工主要工序如下： 1）毛胚加工：如图8a 所示。粗刨，然后用磨床磨，各尺寸均按图纸要求放有余量0.1mm，其公差要求为±0.02mm。 2）镗孔：如图8b所示。 此工序用占孔夹具钻孔也行。其中孔 ￠2要铰孔 3）铣槽：如图8c所示铣槽时在夹具内进行了与图纸要求留有精加工余量0.2mm。 4）由于在铣槽加工过程中，音叉四臂可能产生变形现象，故视需要进行人工校正。 5）热处理：其目的是消除应力。550℃保温2小时。 6）挖孔：如图8d所示。（电火花加工） 7）锯槽：如图8d俯视图所示。（最好是电梳锯加工，用铣床铣出也行）。 8）精磨（第一次精磨） 9）热处理：正温（+200℃保温2小时）～室温～负温（-30℃保温2小时）～室温～正温～室温 ～负温～室温。 10）校正：人工进行 11）精磨：达到图纸要求。 12）校正：视情况而定 13）发兰（表面处理） 六、装配和调试 音叉机械滤波器装配，就是机械装配。装配前各零件应用汽油或酒精清洗，要保持清洁。装配时音叉不能与支架相碰，应用塞片使保持一定气隙，各零件配合不能有任何松动现象，否则滤波器性能很差甚至音叉不能振动。
从理论上讲，音叉各臂在换能器中组织的各气隙要相等，这样滤波器性能会很理想，特别是通带内的衰耗和波动能得使人相当满意的效果。这当然是我们的希望。但由于零件加工精度和实际装配时的误差，要使每个气隙都绝对相等是非常困难的，如果我们能适当地改变气隙调节滤波器阻抗的话，有可能得到较好的通带特性。 音叉机械滤波器的测试电路如图9所示。测试时要特别注意电平振荡器，电平表与音叉机械滤波器的匹配，否则性能较差。测试电平最好是OИ。 由于材料性能的差异，零件加工的误差及装配的误差，使每个滤波器要达到预定的要求是非常困难的，故需要进行调整。 1）频率调整： 频率高了，可以锉去耦合体的内侧（如图7所示之2bc的尺寸）这就相当于音叉各臂的长度增加，故可以降低频率。也可以在音叉各臂端上涂上焊锡来增加音叉臂上的长度以降低频率。
频率低了可以锉去音叉各臂端面，减少音叉各臂长度提高频率。当然提高和降低滤波器频率的方法很多，从（5）式我们可以知道 2）通带宽度调整：
我们知道在音叉的耦合体内挖槽可以加宽滤波器通频带宽度，挖的面积愈大则带宽愈宽，反之带宽愈窄。就是利用这个道理我们可以比较方便地在一定范围内改变滤波器的带宽。 通带宽了则说明耦合体内挖槽较大故可以按图10所示压弧来减小通带宽度。通带窄了则按图10所示加宽通带。这种方法可以较满意地改变通带宽度的1/3。 七、存在的问题和今后的打算 由于这一工作才开始在我厂进行，无需在理论方面、工程设计方面、工艺加工方面都很不成熟，因而在制作上存在很多问题，而且品种很少，还远远满足不了整机的需要。为此，特提出以下几点作为我们今后努力方向。 1、进一步设法降低零件加工精度，特别是音叉零件的精度。 2、尽快地搞出一套正规工装，夹具保证到车间生产，以进一步的取得产品的工艺效果。 3、寻求现有结构的滤波器最高频率和最低频率的可能性，最宽通带的运用，并提高阻带防护度。 4、解决高稳定度振子材料（Ni42crTi和X8H36）在音叉机械滤波器上的运用，以充分发挥此种滤波器的潜力。 5、进一步研究音叉热处理对滤波器性能的影响。 八、主要参考文献 1、滤波器：苏联H.д.波包著，黄庚年等译。 2、电——机械滤波器的分析与研究：李士樵著。 3、视频梳形滤波器：十四所韩月秋著。 注：此文发表在1966年6月北京全国机械滤波器，晶体滤波器经验交流会。 |
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这样音叉输入端两臂随信号周期来回振动。由于机械振动的传播，使音叉输出两臂也作相同的振动。而输出端音叉两臂也是处在上述之固定磁场条件下的，致使固定磁场中的磁组发生了变化，因而输出换能器上的线圈产生感应电势。这样一来，滤波器的输出端便有信号输出。
