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La présenta invention concerne des transducteurs électro- acoustiques , et plus particulièrement des transducteurs du type électrostatique.
L'invention a pour but général d'améliorer les perfor- mances et de faciliter la construction de transducteurs élec- troacoustiquea du type électrostatique.
Un transducteur électrostatique, par exemple un écouteur téléphonique à condensateur comprend normalement une plaque de fond métallique rigide et une plaque conductrice mince ou un diaphragme tendu ou monté par son bord dans un plan parallèle à la surface de la plaque de fond à peu de distance de cette plaque et isolé de celle-ci. Lorsqu'on applique une différence de potentiel entre la plaque de fond et le diaphragme, la différence de potentiel entre eux change la force qui se manifeste entre les plaques en faisant ainsi que le diaphragme se déplace en s'approchant de la plaque de fond ou en s'en écartant, sensiblement en proportion de la grandeur du po- tentiel électrique appliqué. Le mouvement du diaphragme produit sous forme d'ondes de pression sonore une réplique du signal électrique appliqué.
Pour conserver un haut rendement, et pour régler la répon. se en fréquences d'un écouteur téléphonique ou d'un appareil analogue, il est nécessaire de commander étroitement l'écarte- ment entre le diaphragme mobile et la plaque de fond rigide, En plus, le diélectrique compris entre ces deux éléments doit être raisonnablement constant en épaisseur et suffisamment mince
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pour que l'on puisse obtenir l'écartement désire. Si cet ; écartement est trop petit, des signaux importants produisent des écarta excessifs du diaphragme et celui-ci peut venir en contact physique ' avec la plaque de fond. Un tel contact interrom le mode normal de vibrations du diaphragme.
En effet, il ar- rête toute vibration au point de contact et donne naissance 1 un c ertain nombre,de vibrations secondaires dans le diaphra- gme. En conséquence, se trouve produite une distrosion harmonique du second ordre et d'ordre supérieur.
On a fait divers essais pour remédier à cela dans les transducteurs connus antérieurement . Par exemple, on a fait l'espacement assez grand pour éviter le contact du dia- phragme dans tous les cas , ce qui se traduisait par une perte de rendement. En variante, on a inséré entre le diaphragme et la plaque de fond une couche de matière souple , par exemple de caoutchouc spongieux pour empêcher les grands écart. et éviter ainsi les contacts brusques. Ici aussi, l'écartement doit être de proportions notables, si bien qu'un rendement élevé est difficile à obtenir. Le transducteur suivant la présente invention évite beaucoup de ces difficultés.
Il utilise une feuille mince de matière diélectrique souple, , métallisée , étendue devant une plaque de fond per- forée pour former un condensateur dans lequel la couche mince de matière souple joue le rôle de diélectrique solide. Ordi- nairement, il faut prendre un soin considérable en plaçant la feuille métallisée contre la plaque de fond pour que l'in- tervalle d'air qui est inévitablement présent , même lorsqu'on utilise une garniture spongieuse, soit raisonnablement mince et uniforme sur toute la surface de la plaque de fond.
Suivant la présente invention, une ou plusieurs couches minces supplémentaires de matière diélectrique sont introdui- tes entre la feuille métallisée et la plaque de fond pour former
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un diaphragme à couchai multiples* A cause des Irrégularités de surface de la couche métallisée de* couches auxiliaires de matière diélectrique et de la plaque de fond,un accole- ment étroit des divers éléments enferme de minuscules bulles d'air entre les diverses couches.
Avec cette construction, les diverses couches d'air sont à configuration variant au hasard , de telle sorte que l'intervalle d'air total suivant une ligne donnée normale au plan du diaphragme au repos ¯ soit virtuellement constant d'un point à l'autre de la surface du diaphragme , mais distribué de manière inégale d'un point à un autre.
Ainsi, bien qu'un écart extrême du diaphragme puisse comme on peut s'y attendre, comprimer l'un des inter- vallon pour produire un contact de la couche métallisée avec un pointde la couche auxiliaire, ou un contact de la couche auxiliaire avec la plaque de fond en un autre point de la surface , il eat extrêmement improbable que deux contacts sur une normale donnée se présentent en même tempo* La probabilité d'un contact ferme entre la couche constituée par la feuille métallisée et la plaque de fond, c'est-à-dire un contact suivant une seule ligne normale au plan de vibration est ainsi diminués, et, virtuellement dans tous les cas, le diaphragme vibre librement à tous les niveaux de signaux.
Par conséquent, grâce aux couches diélectriques auxi- liaires ou intermédiaires, l'intervalle d'air entre la couche conductrice extérieure et la plaque de fond est remplacé par plusieurs intervalles d'air de configurations extrêmement ir- régulières. Comme les couches auxiliaires responsables des divers intervalles d'air sont virtuellement incompressibles et peuvent cependant céder, de grandes fluctuations de signal qui, ordinairement, suffiraient à produire un contact direct de la couche métallisée extérieure et de la plaque de fond provoquent seulement un contact entre deux couches voisines mais non un contact ferme de l'avant à l'arrière.
Par exemple,
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suivant une normal* donnât au plan du diaphragme, la couche conductrice extérieure peut, dans son oscillation vers la plaque de fond, venir en contact avec la couche diélectrique intermédiaire qui lui est adjacente.Cependant, à ce point de contact, toute vibration du conducteur extérieur n'est pas arrêtée. Comme un contact entre la couche intermédiaire et la couche suivante . -,autre couche auxiliaire ou plaque de fond, suivant ld construction, - est extrêmement improbable suivant la même ligne à cause des irrégularités grossières des diffé- rente intervalles d'air, la couche intermédiaire cède et se déplace avec la couche conductrice au point de contact.
Ainsi, bien que les fluctuations de la couche conductrice puis sent être quelque peu amorties, la couche tend néanmoins à vibrer de manière homogène sur toute sa surface. En général, des fluctuations d'un diaphragme composé de plusieurs couche$ minces séparées par des intervalles d'air non uniformes ont moins de chances de comprimer jusqu'à la limite du contact l'intervalle d'air général existant entre la couche conduc- trice extérieure et la plaque de fond en des points discrète.
Ainsi, les points de grande déformation mécanique sont pra- tiquement éliminés, si bien que la déformation moyenne du trans- ducteur est réduite. En outre, les points où l'amplitude de la vibration est faible sont pratiquement éliminés , ce qui augmente le rendement du système dans son ensemble.
Comme autre avantage, la construction du transducteur est simplifiée parce que les irrégularités de surface dues au traitement normal à la machine sont tout à fait satisfaisants et que le placement critique du conducteur extérieur à une petite distance spécifiée de la plaque de fond se réalise automatiquement en raison de la ou des couches de film auxi- liaires placés entre ces éléments .
En comparaison des transducteurs à condensateurs de l'ancienne technique, la présente invention fournit ainsi un
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instrument de construction simplifiée dans lequel (1) la dis- tance entre les deux électrodes peut être rendue très petite en augmentant ainsi sensiblement le rendement de l'ensemble ; (2) le potentiel de polarisation peut être pris beaucoup plus élevé sans risques de court-circuit à travers le diélectri- que ;
(3) la fréquence de résonance peut être commandée par un ajustement de précision du volume moyen de l'intervalle d'air entre le diaphragme et la plaque de fond rigide et (4) on peut construire le transducteur à bon marché puisque le nombre des pièces critiques est très petit et qu'il utilise des matériaux non coûteux,
On comprendra complètement l'invention d'après la des- cription détaillée suivante d'une forme de réalisation , con- sidérée avec les dessins annexée dans lesquels t
Figure 1 est une vue en coupe transversale d'un écou- teur téléphonique à condensateur représentant une forme de réalisation préférée de l'invention.
Figure 2 est une coupe transversale à échelle très agrandie d'une petite partie des couches de diaphragme d'un transducteur construit suivant l'invention.
Figure 3 est un groupe de diagrammes de formes d'ondes représentant une forme de distonsion commune aux transducteurs électrostatiques. (Abscisse : temps ; ordonnée : amplitude).
Figures 4 et 5 représentent , en portant les fréquences ( kilocycles par seconde) en abscisse, la première la pression du son en décibels, la seconde, la déformation harmonique en pourcentage total , d'un transducteur électrostatique suivant l'invention; et
Figure 6 représente , par un diagramme d'amplitude en fonction du temps, la réponse aux impulsions d'un écouteur téléphonique.
En se reportant aux dessins, Figure 1 montre, en coupe, un écouteur téléphonique à ceondensateur construit suivant
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l'invention. II comprend une plaque de fond rigide 10, de pré- férence métallique, par exemple un disque de laiton , d'une épaisseur d'environ 35 mm. Si on le désire, plusieurs petites nervures 11, d'une hauteur d'environ 0,025 mm peuvent Être prévuea à la face supérieure de la plaque de fond pour contri" buer à la mise en forme de l'intervalle d'air derrière le dis- phragme.
Plusieurs trous de petit diamètre, ou puits 12, dans la plaque de fond, donnent, en association avec les ner- vures, un volume d'air suffisant pour établir une fréquence de résonance désirable. On a trouvé qu'il suffisait d'avoir en- viron 200 trous ayant chacun un millimètre de diamètre et une profondeur d'environ 3,5 millimètres. Si on le désire, l'un des troua peut être prolongé au travers de la plaque de fond ou bien on peut prévoir une lumière supplémentaire pour l'éga- lisation de la pression ambiante.
Contrairement au cas d'un haut-parleur à condensateur dans lequel une fréquence de résonance élevée est un incon- vénient, une fréquence de résonance élevée est souhaitable dans un écouteur à condensateur parce que la résistance de rayonnement est constante tant que l'écouteur rayonne dans un petit volume fermé. Ceci est le cas normalement. D'ailleurs, dans un écouteur à condensateur, il faut une amplitude de vi- bration beaucoup moindre que dans le cas des haut-parleurs tra vaillant en plein air pour produire des niveaux d'intensité sonore suffisante. En pratique, la masse du diaphragme et la souplesse de la couche d'air assurent un* fréquence de réso- nance d'environ 14 kilocycles.
La fréquence de résonance d'un transducteur électrostatique utilisant un diaphngme à couche* multiples suivant la présente invention peut facilement être choisie pour se trouver dans un domaine de fréquences acous- tiques ou ultrasonique. Far exemple, l'addition de plus de couches au diaphragme, ou une augmentation de volume, compris
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entre les diaphragmes et la plaque de fond, par exemple en augmentant le nombre et les dimensions des parois de la plaque de fond, abaisse la fréquence de résonance du système.
La pique de fond 10 est portée par un cadre annulaire isolant 13 muni à sa périphérie d'une bride surélevée. Le cadre 13 peut être fait de toute matière isolante rigide , par exemple de matière plastique connue dans le commerce sous le nom de Lucite, En travers de la face de la plaque de fond 10 et serré à proximité étroite de la surface supérieure de celle-ci , se trouve un mince diaphragme circulaire formé d'un certain nom- bre de couches de matière diélectrique mince.
La couche immédiatement voisine de la plaque de fond( une telle couche 14 est montrée à titre d'exemple ,mais l'on peut utiliser plusieurs couches suivant l'invention) est formée d'une mince feuille de matière diélectrique , par exemple d'une couche d'une épaisseur de 0,006 mm de matière plastique telle que du téréphtalate de polyéthylène que l'on connaît dans le commerce sousle nom de Mylar. Une pellicule plus mince peut être uti- lisée si on le désire. La couche extérieure 15 est faite d'une mince feuille de Mylar métallisée sur une face , par exemple d'une mince couche d'aluminium. Cette feuille métallisée se trouve dans le commerce.
Le revêtement métallisé de la feuille 15 constitue un élément d'un condensateur dont la plaque de fond 10 joue le rôle d'autre élément conducteur.
Le cadre isolant 13 est soutenu par un cadre métalli- que annulaire 16 pourvue d'une bride à son bord extérieur.
Les diverses couchée de feuille sont serrées sur le bâti 16 à l'aide d'une bague annulaire 17 construite pour s'adapter étroitement sur la partie supérieure de la bride du cadre 16.
En pratique une saillie convexe dans l'anneau 17 a été formée pour sbdapter à une rainure contave correspondante du cadre 16.
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Cet agencement aient révélé satisfaisant pour donner une ten- lion Mécanique assez grande aux diverses couche* du diaphragme Le bord du diaphragme est ainsi maintenu à l'état uniformément tendu. Des moyens de fixation plue élaborée peuvent naturellement être utilisée si on le désire. Avec cette construction, le contact électrique de la feuille métallique extérieure du condensateur peut se faire par le cadre 16 , par exemple par la borne 18. En raison de la construction en plusieurs cou- ches du diaphragme, un écartement étroit entre le diaphragma et la plaque de fond peut s'obtenir ordinairement par la simple opérationde serrage du diaphragme.
Cependant, suivant 1* invention, on a prévu la possibilité decompenser de légères irrégularités de fabrication et analogues. Par suite, un élément support annulaire supplémentaire 19 de matière isolante a été prévu. Il est monté coaxial.ment dans le cadre annulaire 16 et il est écarté de manière à venir buter contre le cadre isolant 13. Si on le désire, l'élément 19 peut être conformé comme une bosse sur le cadre 13.Un élément métallique 20 portant un filet à sa surface extérieure pour coopérer avec des filets dela surface intérieure de l'élément support 19 peut être avancé pour amener , à l'aide d'un élément porteur 21: la plaque de fond 10 vers un contact intime avec le diaphrage me.
L'élément porteur 21 est de préférence de forme sphérique en sorte qu'un seul réglage de l'élément à fileta 20 incline convenablement la plaque de fond et réalise une mise en place convenable de celle-ci. Avec cet agencement, on a trouvé que lton peut faire commodément de très petits réglages. Un con- tact électrique avec la plaque de fond 10 , par exemple le second élément de condensateur ,est fait commodément par l'élément 20 et la partie portante 21 , par exemple par la borne 22.
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Le transducteur tout entier est de préférence enfer 4 dans un cadre extérieur 23 formé d'une matière plastique convenable et muni à sa surface intérieure d'une bride ou analogue pour le cadre de support 16. On peut prévoir des fileta à sa sur- face extérieure pour recevoir un chapeau antérieur 24 d'une matière plastique semblable. Comme il est ordinaire, le bottier extérieur et le chapeau antérieur assurent la protection des éléments internes à la fois à l'égard du dommage mécanique et de la poussière.
Suivant la présente invention, le capuchon antérieur 24 est également agencé pour former ,avec l'anneau 17 et le diaphragme, un résonateur de Helmholtz accordé à environ 12,000 cycles par seconde. La fréquence de résonance relativement élevée est obtenue en prévoyant une large section transversale du col. La résonance de la cavité peut être élargie encore en remplissant la cavité d'une matière -amortissant* 25. On peut utiliser parexemple du papier poreux.. La matière amortissantc peut toucher la couche de feuille métallisée sans effet nota., ble.
Figure 2 montre une petite section agrandie d'une pla. que de fond 10 , d'une fouille non métallisée 14 et d'une feuille métallisée 15. Dans l'exemple, une couche de feuille unique 14 , par exemple une feuille de Mylar de 0,004 mm, est montrée placée entre une feuille extérieure 15 , de préférence de Mylar , de 0,006 mm revêtue d'une mince couche d'aluminium sur l'autre face , et la plaque de fond 10. Comme discuté ci-dessus, des feuilles supplémentaires auxiliaires peuvent être placées entre la feuille 15 et la plaque de fond 10 si on le désire.
En pratique les diverses couches sont assemblées en les forçant dtaller l'une contre l'autre aussi étroitement que possible pour éviter que de grandes bulles d'air ne soient prises entre elles. Dans les conditions normales
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de fabrication, et sans effort spécial, de minuscules bulles d'air sont néanmoins attrapées entre les fouilles voisines et entrela feuille et la plaque de fond à cause des irrégularités inhérentes des diverses surfaces. Ainsi, entre les couches d'une feuille et la feuille et la plaque de fond se forme une couche d'air de conformation irrégulière. En fait, l'inter- valle unique qui est formé ordinairement entre la couche de diaphragme conductrice et la plaque de fond est remplacé par plusieurs intervalles d'air intermédiaires.
Néanmoins, la séparation générale de la couche conductrice par rapport à la plaque de fond n'est que légèremant plus grande que celle que l'on obtient ordinairement dans une construction de précision.
Bien que la distribution exacte de l'intervalle d'air varie d'un transducteur à l'autre , on a trouvé en pratique que les dimensions nominales d'un certain nombre d'unités fabriquées ne varient que légèrement l'une par rapport à l'autre,
Sans la couche auxiliaire de feuille non revêtue 14, la feuille revêtue 15 est,dans la pratique usuelle, placée à proximitéétroite dela plaque de fond 10. Avec un tel agencement un intervalle d'air unique existe et , pour une efficacité raisonnablement élevée, / il est très mince. Ensuite, de grands écarts des signaux déplaçant la couche de feuille 15 font que la feuille est en contact de façon répétée avec la plaque de fond en beaucoup de points.
Le nombre des points de contact dépend de l'amplitude de la vibration et de la fluctuation de l'épaisseur de la couche d'air, c'est-à-dire est une consé- quence des irrégularités des surfaces voisines. Des contacta de ce genre conduisent à une déformation mécanique lorsque la tension de signal appliquée a la même polarité que le potentiel continu de polarisation et il en résulte une efficacité sensi- blement moindre du transducteur.
Figure 3 représente cet .état de choses Un signal 1 .d'onde sinusoïdale appliquée , d'une faible grandeur, produit
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une vibration sans déformation tant pour l'écart du diaphragme vers l'avant que pour aon retour, pour délivrer une pression sonore ondulatoire qui rassemble étroitement à la réplique du signal.
Un signal b d'onde sinusoïdale appliquée plus grand produit une onde de sort qui est quelque peu aplatie pour la moitié du cycle en raison d 'un léger contact du diaphragme avec la plaque de fond ,'tandis qu'un signal d'amplitude .en- aiblement plus grande produit une onde de son, par exemple c, considérablement déformée pour le second demi-cycle en raison d'un contact ferme en beaucoup de points du diaphragme avec la plaque de fond. Comme on le remarquera à cette figure, une déformation de seconde harmonique principalement/communiquée à l'onde de pression sonore.
Par le moyen des couches auxiliaires, de pellicule non métallisée 14, suivant la présente invention, cette déformation
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qui naît d'un contact ph1.1q'II.etvirtuellement évitée.
L'épaisseur combinée S(r) des deux couches d'air dans l'agen- cement de diaphragme de la figure 2 est
S (r) - S1(r) + S(r) (1) où S1 et Syndiquent l'épaisseur des Intervalles entre les couches 14 et 15 et entre et la plaque de fond 10 et la couche 14 respectivement sur une ligne normale au plan de repos du diaphragme.
La fluctuation de l'intervalle d'air S(r) est généralement beaucoup plus petite que la fluctuation équiva- lente éprouvée pour un intervalle d'air unique entre la couche de diaphragme et la plaque de fond, c'est-à-dire que celui que l'on éprouve ordinairement sans interposition de couches auxi- liaires. Il en résulte une amplitude de vibration plus homogène sur toute la surface de la feuille extérieure du diaphragme du transducteur* En outre, les points de déformation mécanique sont pratiquement éliminés eu réduisant ainsi la distorsion moyenne du système tout entier. En outre, les pointa
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d'amplitude faible de la vibration doit pratiquement éliminée ce qui augmente le rendement du système.
La probabilité d'une efficacité plus grande et d'une déformation plus faible augmente avec 1$ nombre des couchée auxiliaire* utilisées , pourvu cependant qu l'épaisseur des couches supplémentaires ne soit pas assez grande pour diminuer l'attraction électrique entre la plaque de fond et la couche métallisée.
En comparaison d'un écouteur dynamique, l'écouteur télé- phonique à condensateur de la présente invention, présente une réponse meilleure en fréquence , avec une meilleure efficacité et l'absence de distorsion. L'efficacité ou rendement est une fonction du potentiel de polarisation appliqué , de la tension du diaphragme et de l'élasticité de la couche d'air. Si le potentiel du signal appliqué est par exemple en forme d'onde sinusoïdale, .et s'il est constant sur tout le domaine des fré- quences, la force qui en résulte est constante aussi. A des fréquences inférieures à la fréquence de résonance du système, qui, comme dit ci-dessus, est d'environ 14,000 cycles par seconde, une force constante donnera un déplacement constant.
Dans un dispositif de couplage fermé dont les dimensions sont petites par rapport à la longueur d'onde, un déplacement cons- tant provoque une pression constante. Par conséquent, on trouve une réponse en fréquence plate pour la pression.
Figure 4 montre la réponse en fréquence d'un écou- teur téléphonique construit suivant la présente invention (A)en comparaison d'un écouteur téléphonique dynamique ordinairo.(D).
Il eat toutà fait évident que l'écouteur téléphonique à conden- sateur présente une réponse beaucoup plus plate,en particulier aux fréquences plus élevées.
Figure 5 représente le pourcentage total de déformaion harmonique produit par l'écouteur téléphonique suivant la ' présente invention en fonction de la fréquence, et celui
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produit par un transducteur à condensateur de grande qualité construit suivant les techniques antérieure*, c'est-à-dire sans prévoir des couches amortisscuses auxiliaires de matière diélectrique. La courbe 1 représente la distorsion harmonique totale d'un tel transducteur à condensateur de la technique antérieure pour un niveau de signal avec un niveau de pression sonore de 80 décibels (SPL).
La courbe 2 indiquant sensible- ment une distorsion inférieure à toutos les fréquences en comparaison de la courbe 1 , montre la distorsion produite par un transducteur avec deux feuilles, c'est-à-dire une feuille extérieure revêtue et une feuille intermédiaire (comme montré à la figure 2) à une pression sonore identique, c'est-à-dire
80 décibels. La courbe 3 montre, pourle même transducteur à plusieurs feuilles, la distorsion produite pour un niveau de signal de 100 db SPL. On remarquera que, même à ce niveau de pression sonore élevé, la distorsion harmonique totale à toutes les fréquences est considérablement inférieure à celle d'un écouteur téléphonique à condensateur construit suivant l'ancienne technique.
Bien que cela n'ait pas été montré, on a trouvé que le microphone à condensateur de l'invention présen- te une distorsion moindre dans le domaine des fréquences bas- ses et moyennes que ne le fait un écouteur téléphonique dynami- que de grande qualité. Les essais montrent cependant qu'un écouteur dynamique est quelque peu meilleur aux fréquences plus élevées. Néanmoins, la distorsion du dispositif écouteur à condensateur est encore moindre que 1 pour cent sur tout le domaine pour des niveaux de pression sonore de 100 db ou moins.
Figure 6 représente la réponse en impulsions d'un écou- teur téléphonique à condensateur construit suivant les principes de la présente invention en même temps que la réponse en impul- sions d'un écouteur dynamique de grande qualité. Avec un signal
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d'entrée d'onde carré* par exemple ,du genre montré à la figure A, l'écouteur téléphonique à condensateur a une réponse en im- pulsions montré à la ligne B ,qui est presqu'une image fidèle de l'onde carrée appliquée. L'écouteur téléphonique dynamique par contre ,"différentie" l'impulsion d'entrée et produit des pointes relativement aiguës , des résonances multiples et de l'oscillation, comme montré à la ligne C.
En raison du principe de réciprocité, il est évident que le nouveau transducteurde la présente invention peut être utilisé comme microphone pour transformer des variations de pression sonore tombant sur le diaphragme en variations de tension. Le terme transducteur est utilisé pour cette raison pour indiquer l'ensemble de façon structurelle ,indépendamment ' du fait qu'il réalise une inversion d'énergie acoustique en énergie électrique ou inversement.
Il sera manifeste pour les spécialistes que de nom- breuses modifications peuvent être apportées à la structure décrite et à d'autregencements conçus ainsi,sans s'écarter du cadre et de l'esprit de l'invention. Par exemple, la pla- que de fond du condensateur peut être supprimée et remplacée par une couche de feuille métallisée supplémentaire , pla- cée en contact avec une couche intermédiaire en sorte qu'en fait, le diaphragme supportera les deux éléments d'un conden- sateur.
En outre, le diaphragme peut être formé avec la sur- face métallisée regardant vers l'intérieur, vers les couches diélectriques auxiliaires , en permettant ainsi au support plastique de la surface conductrice d'agir comme membrane protectrices Des couches auxiliaires supplémentaires peuvent être utilisées pour réaliser les exigences de fréquence de i résonance convenables et d'obéissance du diaphragme.
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The present invention relates to electro-acoustic transducers, and more particularly to electrostatic type transducers.
The general object of the invention is to improve the performances and to facilitate the construction of electroacoustic transducers of the electrostatic type.
An electrostatic transducer, for example a condenser telephone headset, normally comprises a rigid metal bottom plate and a thin conductive plate or diaphragm stretched or mounted by its edge in a plane parallel to the surface of the bottom plate at a short distance from this plate and isolated from it. When applying a potential difference between the bottom plate and the diaphragm, the potential difference between them changes the force that manifests between the plates thus causing the diaphragm to move as it approaches the bottom plate or deviating from it, substantially in proportion to the magnitude of the applied electrical potential. The movement of the diaphragm produces a replica of the applied electrical signal in the form of sound pressure waves.
To maintain high efficiency, and to adjust the response. If in frequencies of a telephone receiver or similar device, it is necessary to closely control the spacing between the movable diaphragm and the rigid bottom plate, In addition, the dielectric between these two elements must be reasonably constant in thickness and sufficiently thin
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so that we can obtain the desired spacing. If this; the gap is too small, large signals cause the diaphragm to spread excessively and the diaphragm may come into physical contact with the bottom plate. Such contact interrupts the normal mode of vibration of the diaphragm.
In fact, it stops all vibration at the point of contact and gives rise to a certain number of secondary vibrations in the crosstalk. As a result, a second order and higher order harmonic distrosion is produced.
Various attempts have been made to remedy this in previously known transducers. For example, the spacing was made large enough to avoid contact with the diaphragm in all cases, which resulted in a loss of efficiency. Alternatively, a layer of flexible material, for example sponge rubber, has been inserted between the diaphragm and the bottom plate to prevent large gaps. and thus avoid sudden contact. Here too, the spacing must be of notable proportions, so that a high efficiency is difficult to obtain. The transducer according to the present invention avoids many of these difficulties.
It uses a thin sheet of flexible, metallized dielectric material extended in front of a perforated bottom plate to form a capacitor in which the thin layer of flexible material acts as a solid dielectric. Ordinarily, considerable care must be taken in placing the metallized foil against the backplate so that the air gap which is inevitably present, even when using a spongy packing, is reasonably thin and uniform over the surface. the entire surface of the bottom plate.
In accordance with the present invention, one or more additional thin layers of dielectric material are introduced between the metallized foil and the backplate to form
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a multi-coated diaphragm * Due to surface irregularities of the metallized layer of * auxiliary layers of dielectric material and of the backplate, a tight fit of the various elements traps tiny air bubbles between the various layers.
With this construction, the various layers of air are randomly varying in configuration, so that the total air gap along a given line normal to the plane of the diaphragm at rest ¯ is virtually constant from point to point. other than the diaphragm surface, but unevenly distributed from point to point.
Thus, although an extreme deviation of the diaphragm might as one would expect, compress one of the inter- valleys to produce contact of the metallized layer with a point of the auxiliary layer, or contact of the auxiliary layer with. the bottom plate at another point on the surface, it is extremely unlikely that two contacts on a given normal will occur at the same time * The probability of a firm contact between the layer formed by the metallized sheet and the base plate, that is, contact along a single line normal to the plane of vibration is thus diminished, and in virtually all cases the diaphragm vibrates freely at all signal levels.
Therefore, by means of the auxiliary or intermediate dielectric layers, the air gap between the outer conductive layer and the bottom plate is replaced by several air gaps of extremely irregular configurations. As the auxiliary layers responsible for the various air gaps are virtually incompressible and yet can give way, large signal fluctuations which ordinarily would suffice to produce direct contact of the outer metallized layer and the backplate cause only contact between two neighboring layers but not a firm contact from front to back.
For example,
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following a normal * to the plane of the diaphragm, the outer conductive layer may, in its oscillation towards the bottom plate, come into contact with the intermediate dielectric layer which is adjacent to it. However, at this point of contact, any vibration of the conductor exterior is not stopped. As a contact between the middle layer and the next layer. -, other auxiliary layer or bottom plate, depending on construction, - is extremely unlikely along the same line because of the gross irregularities of the different air gaps, the intermediate layer gives way and moves with the conductive layer to the point of contact.
Thus, although the fluctuations of the conductive layer then feel to be somewhat damped, the layer nevertheless tends to vibrate homogeneously over its entire surface. In general, fluctuations of a diaphragm composed of several thin layers separated by non-uniform air gaps are less likely to compress to the limit of contact the general air gap existing between the conducting layer. outer trice and the bottom plate in discrete points.
Thus, the points of large mechanical strain are practically eliminated, so that the average strain of the transducer is reduced. In addition, points where the vibration amplitude is low are virtually eliminated, increasing the efficiency of the system as a whole.
As a further advantage, the construction of the transducer is simplified because the surface irregularities due to normal machine processing are quite satisfactory and the critical placement of the outer conductor at a specified small distance from the bottom plate is achieved automatically by due to the layer or layers of auxiliary film placed between these elements.
In comparison with the capacitor transducers of the old technique, the present invention thus provides a
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instrument of simplified construction in which (1) the distance between the two electrodes can be made very small, thus significantly increasing the efficiency of the assembly; (2) the bias potential can be taken much higher without the risk of a short circuit across the dielectric;
(3) the resonant frequency can be controlled by fine adjustment of the average volume of the air gap between the diaphragm and the rigid bottom plate and (4) the transducer can be built inexpensively since the number of critical parts is very small and uses inexpensive materials,
The invention will be fully understood from the following detailed description of one embodiment, taken together with the accompanying drawings in which t
Figure 1 is a cross-sectional view of a condenser telephone receiver showing a preferred embodiment of the invention.
Figure 2 is a cross section on a greatly enlarged scale of a small portion of the diaphragm layers of a transducer constructed in accordance with the invention.
Figure 3 is a group of waveform diagrams representing a form of distonsion common to electrostatic transducers. (Abscissa: time; ordinate: amplitude).
Figures 4 and 5 represent, by plotting the frequencies (kilocycles per second) on the abscissa, the first the sound pressure in decibels, the second, the harmonic deformation in total percentage, of an electrostatic transducer according to the invention; and
FIG. 6 represents, by an amplitude versus time diagram, the response to the impulses of a telephone receiver.
Referring to the drawings, Figure 1 shows, in section, a telephone receiver with this capacitor constructed according to
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invention. It comprises a rigid bottom plate 10, preferably metallic, for example a brass disc, with a thickness of about 35 mm. If desired, several small ribs 11, with a height of about 0.025 mm can be provided on the upper face of the bottom plate to help shape the air gap behind the plate. - phrase.
Several small diameter holes, or wells 12, in the bottom plate, together with the ribs, provide sufficient air volume to establish a desirable resonant frequency. It has been found that it suffices to have about 200 holes each having a diameter of one millimeter and a depth of about 3.5 millimeters. If desired, one of the holes can be extended through the bottom plate or an additional lumen can be provided for ambient pressure equalization.
Unlike the case of a condenser loudspeaker where a high resonant frequency is a disadvantage, a high resonant frequency is desirable in a condenser earphone because the radiation resistance is constant as long as the earphone is radiating. in a small closed volume. This is normally the case. Moreover, in a condenser earphone, a much lower amplitude of vibration is required than in the case of loudspeakers working outdoors to produce sufficient loudness levels. In practice, the mass of the diaphragm and the flexibility of the air layer ensure a resonance frequency of about 14 kilocycles.
The resonant frequency of an electrostatic transducer using a multi-layer diaphragm according to the present invention can easily be chosen to be in an acoustic or ultrasonic frequency range. Far example, adding more layers to the diaphragm, or increasing the volume, including
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between the diaphragms and the bottom plate, for example by increasing the number and dimensions of the walls of the bottom plate, lowers the resonant frequency of the system.
The bottom spike 10 is carried by an insulating annular frame 13 provided at its periphery with a raised flange. The frame 13 may be made of any rigid insulating material, for example plastic known in the trade as Lucite, across the face of the bottom plate 10 and clamped in close proximity to the top surface thereof. Here is a thin circular diaphragm formed from a number of layers of thin dielectric material.
The layer immediately adjacent to the bottom plate (such a layer 14 is shown by way of example, but several layers can be used according to the invention) is formed from a thin sheet of dielectric material, for example of a layer of a thickness of 0.006 mm of plastic material such as polyethylene terephthalate which is known commercially under the name of Mylar. Thinner film can be used if desired. The outer layer 15 is made of a thin sheet of Mylar metallized on one side, for example a thin layer of aluminum. This metallic foil is commercially available.
The metallized coating of the foil 15 constitutes an element of a capacitor of which the base plate 10 acts as another conductive element.
The insulating frame 13 is supported by an annular metal frame 16 provided with a flange at its outer edge.
The various sheet layers are clamped to the frame 16 with the aid of an annular ring 17 constructed to fit tightly over the top of the frame flange 16.
In practice a convex protrusion in the ring 17 has been formed to adapt to a corresponding contave groove in the frame 16.
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This arrangement has been found to be satisfactory in imparting sufficient mechanical tension to the various layers of the diaphragm. The edge of the diaphragm is thus maintained in a uniformly taut condition. More elaborate attachment means can of course be used if desired. With this construction, the electrical contact of the outer metal foil of the capacitor can be made through frame 16, for example through terminal 18. Due to the multi-layer construction of the diaphragm, a narrow gap between the diaphragm and the diaphragm. base plate can usually be obtained by the simple operation of tightening the diaphragm.
However, according to the invention, provision has been made for the possibility of compensating for slight irregularities in manufacture and the like. As a result, an additional annular support member 19 of insulating material has been provided. It is mounted coaxially in the annular frame 16 and it is spaced apart so as to abut against the insulating frame 13. If desired, the element 19 can be shaped like a bump on the frame 13. A metal element 20 carrying a thread on its outer surface to cooperate with threads dela inner surface of the support element 19 can be advanced to bring, by means of a support element 21: the base plate 10 towards intimate contact with the crimping me.
The carrier member 21 is preferably spherical in shape so that a single adjustment of the thread member 20 properly tilts the bottom plate and achieves proper placement thereof. With this arrangement, it has been found that it can conveniently make very small adjustments. Electrical contact with the bottom plate 10, for example the second capacitor element, is conveniently made by the element 20 and the supporting part 21, for example by the terminal 22.
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The entire transducer is preferably hell 4 in an outer frame 23 formed of a suitable plastic material and provided on its inner surface with a flange or the like for the supporting frame 16. Fileta may be provided on its surface. outer to receive a front cap 24 of a similar plastic material. As is usual, the outer casing and the front cap provide protection for the internal elements from both mechanical damage and dust.
According to the present invention, the anterior cap 24 is also arranged to form, together with the ring 17 and the diaphragm, a Helmholtz resonator tuned to about 12,000 cycles per second. The relatively high resonant frequency is achieved by providing a large cross section of the neck. The resonance of the cavity can be further widened by filling the cavity with a 25-damper material. For example, porous paper can be used. The damper material can touch the metallized foil layer without any noticeable effect.
Figure 2 shows a small enlarged section of a pla. as the bottom 10, an unmetallized pit 14 and a metallized foil 15. In the example, a single foil layer 14, for example a 0.004 mm Mylar foil, is shown placed between an outer foil 15 , preferably 0.006mm Mylar coated with a thin layer of aluminum on the other side, and the bottom plate 10. As discussed above, additional auxiliary sheets may be placed between the sheet 15 and the backing plate. bottom plate 10 if desired.
In practice the various layers are put together by forcing them to lay against each other as tightly as possible to prevent large air bubbles from being caught between them. Under normal conditions
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By manufacturing, and without special effort, tiny air bubbles are nevertheless caught between neighboring pits and between the sheet and the backplate due to the inherent irregularities of the various surfaces. Thus, between the layers of a sheet and the sheet and the bottom plate an air layer of irregular shape forms. In fact, the single gap which is ordinarily formed between the conductive diaphragm layer and the bottom plate is replaced by several intervening air gaps.
However, the general separation of the conductive layer from the backplate is only slightly greater than that ordinarily obtained in precision construction.
Although the exact distribution of the air gap varies from transducer to transducer, it has been found in practice that the nominal sizes of a number of manufactured units vary only slightly from each other. the other,
Without the uncoated sheet auxiliary layer 14, the coated sheet 15 is, in usual practice, placed in close proximity to the back plate 10. With such an arrangement a unique air gap exists and, for reasonably high efficiency, / he is very thin. Then, large deviations in the signals moving the sheet layer 15 cause the sheet to repeatedly contact the bottom plate at many points.
The number of contact points depends on the amplitude of the vibration and the fluctuation in the thickness of the air layer, ie is a consequence of the irregularities of the neighboring surfaces. Contacta of this kind leads to mechanical deformation when the applied signal voltage has the same polarity as the DC bias potential and a significantly lower efficiency of the transducer results.
Figure 3 shows this state of affairs An applied sine wave signal 1, of small magnitude, produces
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a vibration without deformation both for the distance of the diaphragm towards the front and for aon return, to deliver an undulating sound pressure which gathers closely to the replica of the signal.
A larger applied sine wave signal b produces an output wave which is somewhat flattened for half the cycle due to slight contact of the diaphragm with the bottom plate, while an amplitude signal. Also larger produces a sound wave, eg c, considerably distorted for the second half cycle due to firm contact at many points of the diaphragm with the bottom plate. As will be seen in this figure, a second harmonic distortion primarily / communicated to the sound pressure wave.
By means of the auxiliary layers, of non-metallized film 14, according to the present invention, this deformation
EMI11.1
which arises from contact ph1.1q'II. and virtually avoided.
The combined thickness S (r) of the two air layers in the diaphragm arrangement of Figure 2 is
S (r) - S1 (r) + S (r) (1) where S1 and Syndicate the thickness of the Gaps between layers 14 and 15 and between and bottom plate 10 and layer 14 respectively on a line normal to the diaphragm rest plane.
The fluctuation of the air gap S (r) is usually much smaller than the equivalent fluctuation experienced for a single air gap between the diaphragm layer and the bottom plate, i.e. than that which is ordinarily experienced without the interposition of auxiliary layers. This results in a more homogeneous vibration amplitude over the entire surface of the outer sheet of the transducer diaphragm. In addition, mechanical strain points are virtually eliminated thereby reducing the average distortion of the entire system. In addition, the pointa
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low amplitude of the vibration must practically eliminated which increases the efficiency of the system.
The probability of higher efficiency and lower strain increases with the number of auxiliary coatings * used, provided however that the thickness of the additional layers is not large enough to decrease the electrical attraction between the plate. bottom and the metallized layer.
In comparison with a dynamic earphone, the condenser telephone earpiece of the present invention exhibits better frequency response, with better efficiency and the absence of distortion. Efficiency or efficiency is a function of the applied bias potential, the diaphragm voltage and the elasticity of the air layer. If the potential of the applied signal is, for example, in the form of a sinusoidal wave, and if it is constant over the entire frequency range, the resulting force is also constant. At frequencies below the system's resonant frequency, which, as said above, is about 14,000 cycles per second, a constant force will give constant displacement.
In a closed coupling device whose dimensions are small relative to the wavelength, constant displacement causes constant pressure. Therefore, there is a flat frequency response for the pressure.
Figure 4 shows the frequency response of a telephone receiver constructed according to the present invention (A) in comparison with an ordinary dynamic telephone earpiece (D).
It is quite obvious that the condenser telephone receiver has a much flatter response, especially at higher frequencies.
Figure 5 shows the total percentage of harmonic distortion produced by the telephone receiver according to the present invention as a function of frequency, and that
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produced by a high quality condenser transducer constructed in accordance with prior art *, i.e. without providing auxiliary damped layers of dielectric material. Curve 1 represents the total harmonic distortion of such a prior art condenser transducer for a signal level with a sound pressure level of 80 decibels (SPL).
Curve 2, indicating substantially lower distortion at all frequencies compared to curve 1, shows the distortion produced by a transducer with two sheets, i.e. a coated outer sheet and an intermediate sheet (as shown. in figure 2) at an identical sound pressure, i.e.
80 decibels. Curve 3 shows, for the same multi-leaf transducer, the distortion produced for a signal level of 100 db SPL. Note that even at this high sound pressure level, the total harmonic distortion at all frequencies is considerably less than that of an old-fashioned condenser telephone headset.
Although this has not been shown, the condenser microphone of the invention has been found to exhibit less distortion in the low and mid frequency range than does a large dynamic telephone receiver. quality. Tests show, however, that a dynamic headphone is somewhat better at higher frequencies. However, the distortion of the condenser earphone device is still less than 1 percent across the range for sound pressure levels of 100 db or less.
Figure 6 shows the impulse response of a condenser telephone receiver constructed in accordance with the principles of the present invention together with the impulse response of a high quality dynamic earpiece. With a signal
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square wave input * for example, of the kind shown in figure A, the condenser telephone earphone has a pulse response shown in line B, which is almost a faithful image of the square wave applied. The dynamic earphone, on the other hand, "differentiates" the input pulse and produces relatively sharp spikes, multiple resonances, and oscillation, as shown in line C.
Due to the principle of reciprocity, it is obvious that the new transducer of the present invention can be used as a microphone to transform variations in sound pressure falling on the diaphragm into variations in voltage. The term transducer is used for this reason to indicate the assembly structurally, regardless of whether it performs an inversion of acoustic energy into electrical energy or vice versa.
It will be apparent to those skilled in the art that many modifications can be made to the structure described and other arrangements so designed, without departing from the scope and spirit of the invention. For example, the bottom plate of the capacitor can be removed and replaced by an additional layer of metallized foil, placed in contact with an intermediate layer so that in fact the diaphragm will support the two elements of a conden. - sator.
Further, the diaphragm can be formed with the metallized surface facing inward, towards the auxiliary dielectric layers, thereby allowing the plastic backing of the conductive surface to act as a protective membrane. Additional auxiliary layers can be used to meet the requirements for proper resonance frequency and diaphragm obedience.