мини|upright=1.4|alt=фотографија|Слика 1. Механички филтер компаније „Kokusai Electric” намењен за селекцију сигнала уског пропусног опсега од у SSB радио-пријемницима. Ради на , уобичајеној међуфреквенцији (MF) за ове пријемнике, и димензија је .
Механички филтер је филтер за обраду сигнала који се обично користи уместо електронског филтера на радио-фреквенцијама. Његова сврха је иста као и код нормалног електронског филтера: да пропусти опсег фреквенција сигнала, а да блокира остале. Филтер делује на механичке вибрације које су аналогне електричном сигналу. На улазу и излазу филтера, претварачи конвертују електрични сигнал у ове механичке вибрације, а затим их враћају назад у електрични облик.
Компоненте механичког филтера су директно аналогне различитим елементима који се налазе у електричним колима. Механички елементи поштују математичке функције које су идентичне њиховим одговарајућим електричним елементима. Ово омогућава примену метода анализе електричних мрежа и дизајна филтера на механичке филтере. Електрична теорија је развила велику библиотеку математичких форми које производе корисне фреквенцијске одзиве филтера, а дизајнер механичких филтера може да их директно користи. Потребно је само подесити механичке компоненте на одговарајуће вредности како би се произвео филтер са одзивом идентичним електричном пандану.
Легуре челика и легуре гвожђа и никла су уобичајени материјали за компоненте механичких филтера; никл се понекад користи за улазне и излазне спреге. Резонатори у филтеру направљени од ових материјала морају бити машински обрађени како би се прецизно подесила њихова резонантна фреквенција пре финалне монтаже.
Иако је значење појма механички филтер у овом чланку оно које се користи у електромеханичкој улози, могуће је користити механички дизајн за директно филтрирање механичких вибрација или звучних таласа (који су такође суштински механички). На пример, филтрирање аудио фреквенцијског одзива у дизајну звучничких кутија може се постићи механичким компонентама. У електричној примени, поред механичких компоненти које одговарају својим електричним панданима, потребни су и претварачи за конверзију између механичког и електричног домена. Репрезентативан избор широког спектра облика компоненти и топологија за механичке филтере представљен је у овом чланку.
Теорија механичких филтера први пут је примењена на побољшање механичких делова фонографа 1920-их година. До 1950-их механички филтери су се производили као самосталне компоненте за примену у радио-предајницима и пријемницима високе класе. Висок „фактор доброте”, Q, који механички резонатори могу постићи, далеко већи од оног код потпуно електричног LC кола, омогућио је конструкцију механичких филтера са одличном селективношћу. Добра селективност, која је важна у радио-пријемницима, учинила је такве филтере веома привлачним. Савремени истраживачи раде на микроелектромеханичким филтерима, механичким уређајима који одговарају електронским интегрисаним колима.
Елементи мини|десно|Механички филтер из телефонског система носача који користи торзионе резонаторске елементе мини|десно|Детаљи механичког филтера који користи торзионе резонаторске елементе мини|десно|Детаљи механичког филтера који користи диск флексионе резонаторе
Елементи пасивне линеарне електричне мреже састоје се од калемова, кондензатора и отпорника који имају својства индуктивности, еластичности (инверзна капацитивност) и отпорности, респективно. Механички пандани ових својстава су маса, крутост и пригушење. У већини дизајна електронских филтера, само елементи калема и кондензатора се користе у телу филтера (иако филтер може бити завршен отпорницима на улазу и излазу). Отпорности нису присутне у теоријском филтеру састављеном од идеалних компоненти и јављају се само у практичним дизајнима као нежељени паразитни елементи. Исто тако, механички филтер би се идеално састојао само од компоненти са својствима масе и крутости, али у стварности је присутно и одређено пригушење.
Механички пандани напона и струје у овој врсти анализе су сила (F) и брзина (v) и представљају таласне облике сигнала. Из овога се може дефинисати механичка импеданса у смислу имагинарне угаоне фреквенције, jω, што у потпуности прати електричну аналогију.
{| class="wikitable" width=80% ! Механички елемент !! Формула !! Механичка импеданса !! Електрични пандан |- | Крутост, || || || Еластичност, , |- | Маса, || || || Индуктивност, |- | Пригушење, || || || Отпорност,
|+
Шема представљена у табели позната је као аналогија импедансе. Дијаграми кола произведени коришћењем ове аналогије одговарају електричној импеданси механичког система коју види електрично коло, чинећи то интуитивним са становишта електротехнике. Постоји и аналогија мобилности, у којој сила одговара струји, а брзина напону. Ово даје подједнако валидне резултате, али захтева коришћење реципрочних вредности горе наведених електричних пандана. Дакле, где је електрична проводност (реципрочна вредност отпорности, ако нема реактансе). Еквивалентна кола произведена овом шемом су слична, али су форме дуалне импедансе где серијски елементи постају паралелни, кондензатори постају калемови, и тако даље. Дијаграми кола који користе аналогију мобилности ближе одговарају механичком распореду кола, чинећи то интуитивнијим са становишта машинства. Поред њихове примене на електромеханичке системе, ове аналогије се широко користе за помоћ у анализи у акустици. на пример.
Свака механичка компонента ће неизбежно поседовати и масу и крутост. Ово се у електричним терминима преводи у LC коло, то јест, коло које се састоји од калема и кондензатора, стога су механичке компоненте резонатори и често се користе као такви. Ипак, могуће је представити калемове и кондензаторе као појединачне концентрисане елементе у механичкој имплементацији минимизирањем (али никада потпуним елиминисањем) нежељеног својства. Кондензатори могу бити направљени од танких, дугих шипки, то јест, маса је минимизирана, а савитљивост је максимизирана. Калемови, с друге стране, могу бити направљени од кратких, широких комада који максимизирају масу у поређењу са савитљивошћу комада.
Механички делови делују као преносна линија за механичке вибрације. Ако је таласна дужина кратка у поређењу са делом, онда модел са концентрисаним елементима описан горе више није адекватан и уместо тога се мора користити модел са расподељеним елементима. Механички расподељени елементи су потпуно аналогни електричним расподељеним елементима, а дизајнер механичких филтера може користити методе дизајна електричних филтера са расподељеним елементима.
Историја
Хармонијски телеграф Дизајн механичких филтера развијен је применом открића направљених у теорији електричних филтера на механику. Међутим, веома рани пример (1870-их) акустичког филтрирања био је „хармонијски телеграф”, који је настао управо зато што је електрична резонанција била слабо схваћена, али је механичка резонанција (посебно акустичка резонанција) била веома позната инжењерима. Ова ситуација није дуго трајала; електрична резонанција је била позната науци неко време пре тога, и није прошло дуго пре него што су инжењери почели да производе потпуно електричне дизајне филтера. У своје време, међутим, хармонијски телеграф је био од одређеног значаја. Идеја је била да се комбинује неколико телеграфских сигнала на једној телеграфској линији оно што би се данас назвало мултиплексирање по фреквенцијској подели, чиме би се значајно уштедели трошкови инсталације линија. Тастер сваког оператера активирао је вибрирајући електромеханички језичак који је претварао ову вибрацију у електрични сигнал. Филтрирање код пријемног оператера постизано је сличним језичком подешеним на тачно исту фреквенцију, који би вибрирао и производио звук само од преноса оператера са идентичним подешавањем.
Верзије хармонијског телеграфа развили су Елајша Греј, Александар Грејам Бел, Ернест Меркадије и други. Његова способност да делује као звучни претварач из и у електрични домен инспирисала је проналазак телефона.
Механичка еквивалентна кола Када су основе анализе електричних мрежа почеле да се успостављају, није прошло дуго пре него што су идеје комплексне импедансе и теорије дизајна филтера пренете у механику аналогно. Кенели, који је такође био одговоран за увођење комплексне импедансе, и Вебстер били су први који су проширили концепт импедансе на механичке системе 1920. године. Механичка адмитанса и придружена аналогија мобилности дошле су много касније и заслуга су Фајерстона 1932. године. цитира:
Није било довољно само развити механичку аналогију. Ово се могло применити на проблеме који су били у потпуности у механичком домену, али за механичке филтере са електричном применом потребно је укључити и претварач у аналогију. Поенкаре (1907) је био први који је описао претварач као пар линеарних алгебарских једначина које повезују електричне променљиве (напон и струју) са механичким променљивим (сила и брзина). цитира: Ове једначине се могу изразити као матрични однос на исти начин као z-параметри двопола у електричној теорији, чему је ово потпуно аналогно:
где и представљају напон и струју респективно на електричној страни претварача.
Вегел је 1921. године први изразио ове једначине у смислу механичке импедансе као и електричне импедансе. Елемент је механичка импеданса отвореног кола, то јест, импеданса коју представља механичка страна претварача када струја не улази у електричну страну. Елемент , обрнуто, је закочена електрична импеданса, то јест, импеданса представљена електричној страни када је механичка страна закочена и спречена да се креће (брзина је нула). Преостала два елемента, и описују функције преноса претварача унапред и уназад респективно. Када су ове идеје успостављене, инжењери су могли да прошире електричну теорију у механички домен и анализирају електромеханички систем као јединствену целину. цитира:
Репродукција звука мини|300px|alt=Дијаграм механизма фонографа са механичком импедансом сваког дела приказаном на еквивалентном дијаграму кола. Идентификовани елементи су; врх игле, еластичност игле (шантова), трансформатор ручице игле, маса ручице игле (серијска), еластичност пивота (серијска), еластичност ручице игле (шантова), еластичност тачке везивања ручице за паук (серијска), маса паука (серијска), еластичност ивице дијафрагме (серијска), еластичност ваздушне коморе (шантова), трансформатор ваздушне коморе, импеданса рог-ваздух (шантова).|Слика 2. Харисонов механизам фонографа и његово електрично еквивалентно коло.