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Elektroakustischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer Schwingplatte als Membran, die aus wenigstens einer kontaktierten Scheibe elektrostriktiven Materials besteht, welche am Rand zwischen einem festen und einem federnden Lager gehalten ist.
Es sind seit langem Wandler dieser Art bekannt. Sie haben aber bisher noch keine praktische Bedeu- tung erlangen können, weil ihre Empfindlichkeit, verglichen mit der Empfindlichkeit von elektroakusti- sehen Wandlern herkömmlicher Art, zu gering ist. Zwar hat man bereits versucht, die Empfindlichkeit dadurch zu erhöhen, dass man die bei fester Einspannung der Schwingplatte bedingte Schwingungsform durch eine besondere Anordnung der Elektroden, nämlich ihre Unterbrechung an den Stellen der Ände- rung des Krümmungssinnes der Membran berücksichtigte und zusätzlich, zur besseren Anpassung der
Membran an den Wellenwiderstand des umgebenden Schallmediums, die Plattenstärke bis auf weniger als 0, 01 mm verringerte, indem man das elektrostriktive Material auf einen dünnen Träger aufgedampft hat. Derartige Wandler haben sich aber bis jetzt ebenfalls nicht durchsetzten können.
Insbesondere bereitet das Aufdampfen einer homogenen elektrostriktiven Schicht in der notwendigen Stärke erhebliche fabrika- torische Schwierigkeiten.
Durch die Erfindung wird gezeigt, wie die Empfindlichkeit elektrostriktiver Wandler der einleitend genannten Art erhöht werden kann, ohne dass die Plattenstärke soweit verringert werden muss, dass sie fertigungstechnisch schwer herstellbar wird.
Die erfinderische Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingplatte vorzugsweise aus zwei zusammengeklebten bzw. zusammengelöteten, beidseitig metallisierten, elektrostriktiven Kreisscheiben 4, 5 besteht und der Durchmesser wenigstens der beiden äusseren Metallbeläge der Schwingplatte etwa das 0, 91-fache des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers ist, wobei die Scheibe aus elektrostriktivem Material etwa 0, 2 mm dick ist und die unter dem Kontaktmaterial liegende, geglättete Oberfläche des elektrostriktiven Materials eine Rauhigkeit von höchstens 5 Mm aufweist.
Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es nicht genügt, wenn, insbesondere bei kleinen Plattenstärken, das elektrostriktive Material nur geschliffen wird. Die hiebei entstehenden Schleifriefen verursachen nämlich bei der Polarisation des elektrostriktiven Materials ein Zusammenlaufen der Stromlinien an den kerbenförmigen Einbrüchen im Material und dadurch eine unzulässig grosse Erwärmung an diesen Stellen. Bei unbegrenztem Polarisationsstrom führt diese schliesslich zu einem Durchschlag, bei begrenztem Polarisationsstrom bricht die Spannung zwischen den Elektroden des elektrostriktiven Materials zusammen, so dass sie nicht mehr ausreicht, um in den übrigen Teil des elektrostriktiven Materials eine genügend grosse Polarisationsfeldstärke einzuprägen.
Wesentlich für eine ausreichende Polarisation ist neben einem homogenen elektrostriktiven Material und einer gleichmässigen Plattenstärke eine möglichst glatte Oberfläche des elektrostriktiven Materials unterhalb der Elektroden, an die die Polarisationsspannung angelegt wird.
Die Schwingplatte des erfindungsgemässen Wandlers besteht aus zwei geglätteten und kontaktierten Scheiben elektrostriktiven Materials, die etwa 0, 2 mm stark und miteinander verklebt oder verlötet sind.
Derartige Scheiben lassen sich aus dickeren Platten, die besonders homogen, spannung-un rissfrei her- gestellt werden können, durch Schleifen und anschliessendes Läppen gewinnen. Sie haben gegenüber extrem
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dünnen Platten aus elektrostriktivem Material die Vorteile, dass sie leichter herstellbar sind, dass die
Bruchsicherheit grösser ist, dass unvermeidbare kleine Unstetigkeiten, wie Inhomogenität des Werkstoffes,
Fremdkörpereinschlüsse, Haarrisse, usw. prozentual weniger wirksam sind und dass die Eigenschwingung im oberen Teil des Übertragungsbereichs liegt. Bei extrem dünnen Schwingplatten ist zwar die Anpassung , all das umgebende Schallmedium besser, die Eigenschwingung liegt aber im unteren Teil des Übertragungs- bereichs.
Dies hat zur Folge, dass das Übertragungsmass im oberen Teil des Übertragungsbereichs so stark abfällt, dass bei einer Linearisierung des Frequenzgang die durch die bessere Anpassung gewonnene Emp- findlichkeitssteigerung wieder preisgegeben werden muss.
Bei der erfindungsgemässen Lösung ist eine Empfindlichkeitssteigerung nicht nur durch eine möglichst glatte Oberfläche und die damit ermöglichte grössere Polarisation gewonnen, sondern auch durch die be- sondere Art der Halterung der Schwingplatte. Diese ist so ausgebildet, dass die Schwingplatte wie eine am
Rand frei aufliegende Platte schwingt. Damit ist bei vorgegebener Plattenstärke eine Empfindlichkeitser- höhung um etwa den Faktor 3, 2 gegenüber der bisher bei elektrostriktiven Wandlern angewendeten festen
Einspannung verbunden. Die geringere Steife der federnden Einspannung ergibt zusätzlich eine bessere
Anpassung an den Wellenwiderstand des umgebenden Schallmediums.
Im Sinne der angestrebten Empfindlichkeitserhöhung ist es auch zweckmässig, die Metallbeläge der elektrostriktiven Scheiben nicht bis zum Rand dieser Scheiben auszudehnen, sondern eine elektrodenfreie
Randzone zu belassen. Auf dieser Weise lässt sich die bei der erfindungsgemässen Halterung der Membran auftretende Schwingungsform berücksichtigen. Es wurde hiebei gefunden, dass bei einem Durchmesser der
Metallbeläge von etwa 0, 91 des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers die Empfindlichkeit am grössten ist. Sie erreicht bei Kombination aller vorgenannten Massnahmen eine Grösse, die etwa der der
Empfindlichkeit von elektroakustischen Wandlern der herkömmlichen Art entspricht.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand der Fig. 1-3 näher erläutert.
Innig. l ist der interessierende Teil des Gehäuses 1 eines elektroakustischen Wandlers, das durch einen
Deckel 2 abgeschlossen ist. dargestellt. Der Wandler besitzt eine plattenförmige Membran 3, die aus zwei
Schichten 4 und 5 elektrostriktiven Materials besteht und zwischen einem festen Lager 6 und einem fe- dernden Lager 7 gehalten ist. Das feste Lager ist in Form eines Absatzes mit trapezförmigem Querschnitt in die Gehäusewandung eingearbeitet. Das federnde Lager ist als Ring aus einem nachgiebigen Material, wie z. B. Weichgummi, Schaumstoff, Thermoplast, usw., ausgebildet. Der Querschnitt dieses Ringes hat in diesem Fall ebenfalls trapezförmige Gestalt. Er könnte aber ebenso rechteckig sein, da er aus einem so weichen Material bestehen soll, dass er unabhängig von seiner Auflagefläche auf der Membran diese in ihrer Bewegung nicht behindern soll.
Die beiden elektrostriktiven Schichten der Membran sind jeweils beidseitig metallisiert und zusammengeklebt oder zusammengelötet. Damit die gewünschte Bewegung der
Membran erzielt wird, sind die beiden elektrostriktiven Schichten axial in der gleichen Richtung polarisiert und sowohl die beiden aufeinanderliegenden Metallbeläge 8 und 9 als auch die Aussenbeläge 10 und 11 der Membran jeweils miteinander verbunden und zu einem elektrischenanschluss geführt. Die Metallbeläge bedecken nicht die gesamte Fläche des elektrostriktiven Materials, sondern nur etwa neun Zehntel des Durchmessers des ringförmigen festen Lagers. Der Rand wird somit inaktiv gehalten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das feste Lager 12 in Form eines spitzwinkeligen Absatzes mit abgerundeter Kante in die Gehäusewandung eingearbeitet. Das Gegenlager besteht aus einem federnden Metallring 13, der in irgendeiner der bekannten Arten ausgebildet ist und am Gehäusedeckel anliegt oder an ihm befestigt ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 besteht das feste Lager aus einem unnachgiebigen Metallring 14 mit kreisförmigem Querschnitt und das federnde Gegenlager aus einem Weichgummiring 15.