[科普中国]-机械滤波器

机械滤波器（mechanical filter） 是由机械振子、机械耦合元件和机电换能器组成的滤波器。

用可与某一频率谐振的一定几何尺寸的恒弹性金属作为谐振单元，机械联结成为一个谐振系统，两端分别接上机械电气换能器，它相当于由线圈和电容组成的带通型四端网络1。

术语简介机械滤波器利用金属细丝将一个或两个以上的机械振荡器纵向连接，并在输 出、入端连接具有电气一机械能量转换功能的压电 或磁致伸缩元件的一种器件。

有时还可增设阻抗匹配电路2。

元件的振荡器材料选用使用频率温度系数小、Q（品质因数）值高的各种恒弹性合金，如elinvar、co-elinvar、镍钼铁弹性合金以及Ni-Span-C合 金等。

工作原理将输入端电信号通过机电换能器转换为机械振动，经机械系统滤波后由输出端的机电换能器转换为电信号。

机械滤波器的组成方法有若干种，但绝大多数是用谐振器和祸合器组成。

大家知道，由于速度和电压之间、力和电流之间是相对应的，所以机械振动系统相当于一个电路。3

由于这种对应关系，谐振器近似于一个并联谐振电路，而耦合器近似于一个介入二个电抗之间的假设的迥转器或由正负电感组成的一对 型网络。

分类常用的有片一线型、杆一颈型、盘一线型等机械滤波器和单片机械滤波器。

片一线型机械滤波器铁镍合金片子构成机械谐振器，两端的片子兼作机电换能器（利用该片子的尺寸随磁场强弱而改变的磁致伸缩效应），片间的金属线是耦合元件，以实现机械振动在各片之间传递。

机械滤波器的工作频率从几百赫至几百千赫。

稳定性随着时间的推移，温度和电平的变化都会引起机械滤波器传输特性的变坏，因此稳定性应包括温度稳定性、时间稳定性和电平稳定性三个方面。

机械滤波器的稳定性远比LC滤波器、陶瓷滤波器的优良，且可与晶体滤波器相比拟，而且在实现同数量级的稳定性时，机械滤波器的工艺比晶体滤波器要简单得多。

温度稳定性温度稳定性是指滤波器的传输特性随温度变化的程度。一般来说，中心频率偏移主要是由振子频率偏移所致，当然，静电容容量的变化匹配电路中元件值的变化，都会使通带波动增加。机械滤波器在0~40度的温度范围内，传输特性几乎不变。而在-45~85度温度范围内，只要进行特殊设计和工艺处理（无需增加附加装置）机械滤波器仍可正常工作。

时间稳定性时间稳定性主要指滤波器的传输特性随时间变化和程度。它主要由特作振子和换能器的恒弹性合金的经时变化率决定。它主要由特作振子和换能器的恒弹性合金的经时变化率真决定，通常，这种变化较小，可达到0.2~3.0*10负4次方/10A。

电平稳定性电平稳定性是指滤波器的传输特性随输入信号电平大小变化的程度。当滤波器输入信号的功率超过它所能储存的能量时，输出将出现非线性失真，使滤波器中心频率下降，带宽增加和通带插入损耗增大，机械滤波器的电平特性远优于LC滤波器。

寄生响应和微音效应凡是使用谐振子的滤波器，在它们所采用的振动模式之外，还有其他振动模式产生，并影响滤波器传输特性的寄生响应和微音效应。

1）寄生响应 机械滤波器的寄生响应主要由主振模式以外的其他模式的高次振动和其他部分所产生振动引起的，这些振动统称为杂散振动。寄生响应对滤波器的传输特性影响到极大，所以在设计、工艺处理和制造中都作为一个重要问题来对待。

2）微音效应 在低频机械中滤波器中，机械振子的振动频率较低，容易受到外界振动的干扰而产生噪声输出，这种特性称为机械滤波器的“微音效应”。外界振动来自多方面的，如电器设备中的发动机，车辆行驶时的振动和各种音响等。微音效应的大小与干扰来源的强弱、频率的高低和机械滤波器抗干扰能力等因素有关。

振动和冲击机械滤波器有较好的而振动、耐碰撞、而冲击和而离心力的能力。当振动加速度不超过5G（G为重力加速度）、碰撞冲击和离心力加速度不大于50G时，机械滤波器无需采取防振或减振措施。在经过特殊设计之后，抗振加速度可达15G，抗击、抗碰撞和抗离心力加速度则可达1500G。

应用用特种合金（如铁、镍、铬、钛恒弹性合金）制成的机械元件具有很高的品质因数（可达1万以上）和高的稳定性，可做成性能优良的带通滤波器。它具有体积小、不易受杂散电磁场干扰等优点，在通信、广播和测量等领域都有应用。

发展前景各个国家的研究单位和制造者将依据不同的改进性能的设想, 进一步研究载波装置用的信道滤波器。具有讨论过的技术特点的滤波器将获得实际应用, 其使用范围将来要扩大3。

机械滤波器要求进一步减小体积和降低成本。与出现较宽频带的滤波器和具有附加

有源阻抗匹配元件的滤波器同时, 将制成一种只由机械振动系统组成的感应滤波器。随着压电薄膜的实际应用, 将加快小型化和集成电路的步伐, 这又将反过来对滤波器提出新的要求。

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所