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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
EMI11.1
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.