Механичен филтър е филтър за обработка на сигнали, който обикновено се използва на мястото на електронен филтър за филтриране на радиочестоти. Неговата цел е същата като тази на нормален електронен филтър: да пропусне диапазон от честоти на сигнала, но да блокира други. Филтърът действа на принципа на механични вибрации, които са аналог на електрическия сигнал. На входа и на изхода на филтъра датчици преобразуват електрическия сигнал в тези механични вибрации и след това обратно към електрически сигнал.

Компонентите на механичен филтър са директно аналогични на различните елементи, които могат да бъдат намерени в електрическите вериги. Механичните елементи се подчиняват на математически функции, които са идентични на съответните им електрически елементи. Това дава възможност да се прилага анализ на електрическа мрежа и методи за дизайн на филтри за проектиране на механични филтри. Теорията на електротехниката съдържа голяма библиотека от математически формули, които водят до полезни честотни характеристики и дизайнера на механичния филтър може директно да се възползва от тях. Необходимо е само да се определят механичните компоненти, които биха дали подходящи стойности, така че филтъра да е копие на своя електрически побратим.

Стоманени и никел-железни сплави са често срещани материали за компонентите на механичния филтър. Никелът понякога се използва за куплунгите за вход и изход. Резонаторите във филтъра направени от тези материали трябва да бъдат обработени допълнително за прецизно регулиране на тяхната резонансна честота, преди окончателното сглобяване.

Под механичен филтър в тази статия се има предвид филтър, който се използва в електромеханична роля. Възможно е обаче да се използва механичен дизайн за филтриране на механични вибрации или звукови вълни (които по същество са също механични) директно. Например, филтрирането на аудио честотния диапазон при направата на тонколони може да се постигне с механични компоненти. Електрическото им приложение, в допълнение към механичните компоненти, които съответстват на техните електрически двойници са необходими преобразуватели, които да преобразуват сигнала от електрически към механичен и обратно. Представителна извадка от голямото разнообразие на съставляващи компоненти и топологии за механични филтри са представени в тази статия.

Теорията на механичните филтри е приложена за първи път за подобряване на механичните части на фонографи през 20-те години на XX век. През 50-те механични филтри вече се произвеждали като самостоятелни компоненти за вграждане в радио предаватели и висок клас радио приемници. Високият „качествен фактор“ Q, който механичните резонатори могат да постигнат, далеч по-добър от този на един изцяло електрически кръг, направи възможно изграждането на механични филтри с отлична селективност. Добрата селективност, която е важна в радиоприемниците прави тези филтри изключително атрактивни. Съвременни изследователи работят върху микроелектромеханични филтри, механични устройства, съответстващи на електронни интегрални схеми.

Елементи

Елементите на пасивна линейна електрическа мрежа са индуктори, кондензатори и резистори, които съответно имат свойствата индуктивност, еластичност (обратно капацитетно съпротивление) и съпротивление. Механични двойници на тези свойства са съответно, маса, скованост и заглушаване. В повечето конструкции на електронен филтър, само индукторния и кондензаторния елемент се използват в тялото на филтъра (въпреки че действието на филтъра може да бъде спряно с резистори на входа и изхода). В теоретичния идеален филтър няма съпротивление на елементите, то се появява обаче на практика като нежелан паразитен елемент. По същия начин, механичният филтър би трябвало в идеалния случай да съдържа единствено компоненти със свойствата маса и скованост, но на практика е налично и малко заглушаване.Darlington, p.7.

Механичните двойници на напрежението и силата на тока при този вид анализ са съответно сила(F) и скорост (v), и изобразяват сигналните вълни. Следователно, механичното съпротивление може да се дефинира като въображаема ъглова честота, jω, която изцяло следва електрическия си аналог.Norton, pp.1 – 2.Talbot-Smith, pp.1.85,1.86.

Механичен елементФормула (едноизмерно)Механично пълно съпротивлениеЕлектрически двойнициСкованост, SЕластичност, 1/С, обратното на капацитетаМаса, MИндуктивност, LЗаглушаване, DСъпротивление, R Бележки: Обозначенията x, t и a представят техните обичайни величини; съответно – разстояние, време и ускорение. Съответствието при механичното количество, което е противоположното на скованост, може да бъде използвано вместо скованост за да даде по-добро съответствие на капацитетното съпротивление, но сковаността е използвана в таблицата като по-сходната величина.

Схемата представена в таблицата е позната като аналогия на съпротивлението. Електрическите схеми произведени посредством използването на тази аналогия, наподобяват напълно електрическото съпротивление на механичната система видяна от електрическата схема, правейки го интуитивно от електортехническа гледна точка. Съществува и аналогията на подвижното, в която силата отговаря на силата на тока, а скоростта на напрежението. Това има еднакво валидни резултати, но изисква използването на реципрочните стойности на електрическите двойници дадени по-горе. Следователно M – > C, S – > 1/L, D – > G където G e електрическа проводимост, обратното на съпротивление. Еквивалентните вериги направени по тези схеми са подобни, но са с обърнато съпротивление, където последователните елементи стават успоредни, кондензаторите стават индуктори, и така нататък.Taylor & Huang, pp.378 – 379 Електрическите схеми, които използват подвижната аналогия повече се доближават до механичната подредба на схемата, правейки я по-интуитивна от електротехническа гледна точка.Eargle, pp.4 – 5. В допълнение на тяхното приложение към електромеханичната система, тези аналогии са широко използвани като помощно средство за анализ в акустиката.Talbot-Smith, pp.1.86 – 1.98, for instance.

Някои механични компоненти неизбежно ще притежават маса и скованост. Това се превръща в ЛС верига в електрическо направление, която е верига съдържаща индуктор и кондензатор, следователно механичните компоненти са резонатори и често се използват като такива. Все пак е възможно представянето на индукторите и кондензаторите като индивидуални елементи в механичния уред като се премахнат нежеланите свойства (но никога не могат да се премахнат напълно). Кондензаторите могат да бъдат направени от тънка, дълга пръчка, поради което масата е сведена до минимум, а съответствието до максимум. Индукторите, от друга страна, могат да бъдат направени от къси, широки парчета, които свеждат до минимум масата (обема) в сравнение със съответствието на парчетата.Norton, p.1.

Механичните части действат като преносна линия за механичните вибрации. Ако дължината на вълната е по-къса от частта, следователно блоковият модел на елементите (lumped element model) както е описан по-горе, не е подходящ вече, вместо това трябва да бъде използван модела на разпределителните елементи(distributed element model). Механичните разпределителни елементи са изцяло аналогични на електрическите разпределителни елементи и дизайнера на механичнен филтър може да използва наготово метода за дизайн на електрически филтър.Norton, p.1.

История Хармоничен телеграф Дизайнът на механичния филтър е бил направен, като са използвани откритията, направени в теорията за електрическия филтър и са приложени към механиката. Все пак един ранен пример за акустично филтриране е „хармоничния телеграф“, който се е появил, защото електрическият резонанс е бил слабо познат на инеженерите по това време, за разлика от механичния (по-специално акустичния резонанс). Това обаче не се е задържало дълго така; електрическия резонанс е бил познат вече на науката. И не е минало дълго време преди инженерите да започнат да произвеждат само електрически схеми за филтри. По това време обаче, хармоничния телеграф е бил доста важен. Идеята е била да се комбинират няколко телеграфни сигнала на една телеграфна линия, нещо което в днешни дни наричаме разделено мултиплексиране на честотата, по този начин се спестяват изключително много разходи за монтаж на инфраструктурата. Ключът от всеки оператор, активира вибрираща електромеханична стрелка, която конвертира тези вибрации в електричен сигнал. Филтрирането при приемащия оператор се е постигало чрез сходна стрелка пусната на точно тази честота, която вибрира и произвежда сигнал от трансмисиите на оператора с идентично настроена честота.Lundheim, p.24.Blanchard, p.425.

Версии на хармоничен телеграф са били разработени от Елиша Грей, Александър Граам Бел, Ърнест Меркадиер и други. Неговото свойство да се държи като звуков преобразувател към и от електрическия домейн е вдъхновил изобретяването на телефона.

Механично еквивалентни вериги Когато основите на анализа на електрическата мрежа започнали да се установяват, не след дълго идеите за комплексното съпротивление и теориите за филтър дизайна се пренасят в механиката по аналогия. Кенли, който е отговорен и за представянето на комплексното съпротивление, и Уебстър са първите, които разширяват концепцията за съпротивление в механичните системи през 1920 г.Hunt, p.66. Механичната проводимост и свързаната подвижностна аналогия са дошли много след това и се дължат на Firestone през 1932 г.Hunt, p.110.Pierce, p.321 citesF. A. Firestone, „A new analogy between mechanical and electrical systems“, Journal of the Acoustical Society of America, vol.4, pp.249 – 267 (1932 – 1933).

Не е било достатъчно просто да се развива механичната аналогия. Това може да се приложи в проблеми, които са изцяло в механичната област, но за механичните филтри с електрическо приложение е необходимо да се включи и преобразувателя към аналогията. Поанкаре през 1907 г. е първия да опише преобразувателя като двойка линейни алгебрични уравнения, свързвайки електрическите величини (ток и напрежение) с механичните величини (сила и скорост).Pierce, p.200 citesH. Poincaré. „Study of telephonic reception“, Eclairage Electrique, vol.50, pp.221 – 372, 1907. Тези уравнения могат да се изразят както матрични отношения почти по същия начин като Z-параметрите на двупортова мрежа в електрическата теория, към която това е напълно аналогично:

Където V и I се отнасят за тока и напрежението съответно по електрическата част на преобразувателя.

Wegel през 1921 г. е първият да изрази тези уравнения по отношение на механично съпротивление, както и електрическо съпротивление. Елементът е отворената верига механично съпротивление, което е съпротивлението представено от механичната част на преобразувателя когато не влиза ток от електрическата страна. Елементът , обратно е затегнатото електрическо съпротивление, което е съпротивлението представено от електрическата част когато механичната част се затяга и възпрепятства движения (скоростта е нула). Останалите два елемента и описват трансдюсера правите и обърнатите трансферни функции съответно. След като тези идеи са наложени, инженерите успяват да разширят електрическата теория в механичната област и анализирането на електромеханичната система като единно цяло.Pierce, p.200 cites;R. L. Wegel, „Theory of magneto-mechanical systems as applied to telephone receivers and similar structures“, Journal of the American Institute of Electrical Engineers, vol.40, pp.791 – 802, 1921.

Възпроизвеждане на звук