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formulée par Société dite : GTE AUTOMATIC ELECTRIC INCORPORATED pour "Générateur électro-acoustique" (Inventeur : John D. SUBLETTE) comme
BREVET D'INVENTION.
Priorité de la demande de brevet déposée aux Etats-Unis d'Amérique le 26 novembre 1982 sous le n 444, 646, au nom de John D. SUBLETTE, dont la société susdite est l'ayant droit.
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La présente invention concerne des générateurs électro-acoustiques et, plus particulièrement, un générateur électro-acoustique comportant un transducteur piézo-électrique, ce générateur étant utile comme dispositif de transmission de signaux dans les instruments téléphoniques.
On a utilisé un certain nombre de générateurs acoustiques de types différents comme dispositifs d'alerte ou de signalisation dans les appareils téléphoniques. On se référera aux figures l et 2 des dessins annexés qui illustrent un type représentatif de générateur électro-acoustique de la technique antérieure. Ce générateur électro-acoustique de la technique antérieure comprend un logement 11 illustré par une vue en plan par le dessus et par une vue latérale en coupe respectivement dans les figures l et 2, un transducteur piézo-électrique constitué de la membrane métallique 12, ainsi qu'un élément piézo-électrique 13, fixé au logement 11 par collage ou un autre moyen.
Comme on peut le constater en se référant aux figures l et 2, le logement 11 comprend un corps cylindrique creux ayant une extrémité ouverte disposée contre la membrane 12 du transducteur piézo-électrique. L'extrémité du logement située à l'opposé de l'extrémité ouverte, comporte une ouverture 15 qui permet l'émission du son hors de l'intérieur du logement 11. Conjointement avec l'ouverture 15, la cavité intérieure 14 agit à la manière d'une structure résonnante. Le volume de la cavité 14, l'épaisseur de paroi du logement 11 et le diamètre de l'ouverture 15 ménagée dans l'extrémité fermée du logement déterminent la fréquence de résonance de la cavité.
Lorsque la fréquence de résonance de la cavité est en corrélation avec la fréquence de résonance du transducteur piézo-électrique, on obtient un rendement acoustique maximum.
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La conception de ces résonateurs est décrite mathématiquement par les formules élaborées pour les générateurs de Helmholtz qui sont bien connus dans le domaine de l'acoustique.
Comme on peut le constater en se référant à la figure 1, le transducteur piézo-électrique comprend une membrane ou un disque vibrant 12 dont le diamètre est supérieur au diamètre extérieur du logement 11 et qui est spécifiquement constitué d'une feuille métallique mince 12, ainsi que d'une couche de matière piézo-électrique 13. Le transducteur ainsi formé est fixé au logement 11. Le générateur électro-acoustique de la technique antérieure illustré dans les figures 1 et 2 est conçu de telle sorte que, lorsqu'un signal électrique est appliqué à une électrode fixée à la couche piézo-électrique 13, ainsi qu'à la membrane 12, la couche piézo-électrique entre en vibration dans la direction axiale de la membrane vibrante 12.
En conséquence, le transducteur comprenant la membrane 12 et la couche piézo-électrique 13 assujetties l'une à l'autre pour former un corps unitaire, vibre dans le mode de flexion.
Dans le générateur acoustique de la technique antérieure illustré dans les figures 1 et 2, lorsque le transducteur piézo-électrique vibre de la manière décrite ci-dessus, le noeud de vibration initial se situe dans une ligne circulaire coaxiale par rapport à l'élément piézo-électrique et s'étendant à l'intérieur de la membrane ou du disque vibrant 12 pratiquement en alignement avec la périphérie de la couche piézo-électrique 13, l'amplitude maximum des vibrations ayant lieu au centre du transducteur, ainsi qu'à la partie périphérique de la membrane 12. En conséquence, la vibration du transducteur piézo-électrique a également pour effet de faire résonner le logement 11.
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Lorsque le transducteur de la technique antérieure décrit ci-dessus est placé dans une zone ou un espace restreint, le rendement acoustique résultant du générateur de signaux diminue en raison de la charge acoustique de l'assemblage de transducteur. On a également noté que tout objet se rapprochant de l'ouverture 15 ménagée dans l'extrémité fermée du logement 11 avait tendance à"désaccorder"l'assemblage, entraînant ainsi une réduction du rendement acoustique. En conséquence, lorsqu'un tel dispositif est utilisé à l'intérieur d'un appareil téléphonique, les autres composants montés à l'intérieur de ce dernier ou les conducteurs qui y sont raccordés, doivent être obligatoirement maintenus à l'écart de cette ouverture si l'on veut obtenir un rendement maximum.
Des générateurs électro-acoustiques semblables à ceux auxquels il est fait référence ci-dessus, sont décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique 3.819. 879,4. 027. 115 et 4.278. 851. Bien que, à certains égards, chacun de ces générateurs soit semblable au générateur de la technique antérieure décrit ci-dessus, il semblerait qu'ils encourent chacun certaines des objections mentionnées ci-dessus. En conséquence, le générateur conçu suivant la présente invention est censé vaincre ces objections.
Suivant la présente invention, on prévoit un transducteur piézo-électrique avec un résonateur associé accordé à la fréquence des vibrations acoustiques devant être irradiées par le transducteur. Le résonateur est équipé de plusieurs canaux de sortie interconnectant la partie intérieure de la cavité du résonateur avec la partie extérieure de cette cavité. Les canaux de sortie sont spécifiquement cylindriques en section transversale, mais ils peuvent avoir d'autres formes, par exemple, carrée, rectangulaire, etc.
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La conception de la cavité résonnante de la présente invention diffère de celle du résonateur spécifique de Helmholtz. Le comportement à la résonance du générateur de la présente invention ne peut être prédit par des formules mathématiques classiques.
Spécifiquement, pour la configuration décrite suivant la présente invention, la surface totale des ouvertures de sortie est beaucoup plus grande que celle prédite par les formules pour la version à une seule ouverture de la technique antérieure. En raison du plus grand nombre d'ouvertures espacées autour de l'extrémité du logement, on a constaté que le rendement pour la même impulsion d'entrée était sensiblement supérieur à celui observé dans les générateurs de la technique antérieure. De plus, étant donné que la surface totale des ouvertures de sortie est répartie entre plusieurs ouvertures, le problème d'interférence auquel il a été fait allusion ci-dessus et qui entraîne une dégradation acoustique, n'est pas aussi grave.
Dans les dessins annexés : la figure 1 est une vue latérale en coupe d'un générateur électro-acoustique de la technique antérieure ; la figure 2 est une vue en plan par le dessus d'un générateur électro-acoustique de la technique antérieure ; la figure 3 est une vue latérale en coupe d'un générateur électro-acoustique suivant la présente invention ; et la figure 4 est une vue en plan par le dessus d'un générateur électro-acoustique suivant la présente invention.
On se référera à présent aux figures 3 et 4 qui illustrent un générateur électro-acoustique suivant la présente invention. Ce générateur comprend un
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transducteur piézo-électrique constitué d'une membrane ou d'un élément métallique 22 et d'un élément piézo-électrique 23. Ce dernier élément est fixé à l'élément 22 et comprend une électrode métallique (non représentée) à laquelle des connexions de circuit électriques peuvent être effectuées. Des raccordements sont également établis directement avec la membrane ou l'élément métallique 22. Un logement 21 est fixé au transducteur piézo-électrique au moyen d'un adhésif ou par une autre technique de liaison. Le logement 21 renferme une cavité résonnante 24.
Un certain nombre d'ouvertures 25 à 29 constituent des sorties pour la propagation du son de la cavité résonnante vers l'extérieur.
Le logement renfermant la cavité résonnante est spécifiquement une structure d'une seule pièce pour la réalisation de laquelle on peut utiliser plusieurs types de matières. Dans la forme de réalisation de la présente invention, on a constaté qu'il était avantageux de fabriquer le logement à cavité résonnante 21 en une matière plastique façonnée par des techniques de moulage par injection. Les différentes ouvertures 25 à 29 sont disposées symétriquement autour de la périphérie de la surface supérieure du logement 21. Ces ouvertures sont placées sur un diamètre qui, par rapport au diamètre intérieur du logement, est suffisamment petit pour que les ouvertures soient écartées de la paroi intérieure du logement.
Le nombre et le diamètre des trous sont sélectionnés pour conférer un rendement acoustique optimum à l'assemblage de transducteur. On a constaté par expérimentation que 5 trous ou ouvertures d'un diamètre d'environ 2, 54 mm permettaient de conférer un rendement acoustique optimum à un transducteur dont la fréquence de résonance est d'environ 2800 Hz.
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Bien que l'on n'ait illustré qu'une seule forme de réalisation de la présente invention, l'homme de métier comprendra de toute évidence que de nombreuses modifications peuvent être envisagées sans se départir de l'esprit de la présente invention qui sera limité uniquement par le cadre des revendications ci-après.
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formulated by so-called Company: GTE AUTOMATIC ELECTRIC INCORPORATED for "Electro-acoustic generator" (Inventor: John D. SUBLETTE) as
PATENT.
Priority of patent application filed in the United States of America on November 26, 1982 under number 444, 646, in the name of John D. SUBLETTE, of which the above company is the successor.
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The present invention relates to electro-acoustic generators and, more particularly, an electro-acoustic generator comprising a piezoelectric transducer, this generator being useful as a device for transmitting signals in telephone instruments.
A number of different types of acoustic generators have been used as warning or signaling devices in telephones. Reference is made to FIGS. 1 and 2 of the accompanying drawings which illustrate a representative type of electro-acoustic generator of the prior art. This electro-acoustic generator of the prior art comprises a housing 11 illustrated by a plan view from above and by a side view in section respectively in FIGS. 1 and 2, a piezoelectric transducer constituted by the metal membrane 12, thus than a piezoelectric element 13, fixed to the housing 11 by bonding or another means.
As can be seen with reference to Figures 1 and 2, the housing 11 comprises a hollow cylindrical body having an open end disposed against the membrane 12 of the piezoelectric transducer. The end of the housing located opposite the open end, has an opening 15 which allows the emission of sound outside the interior of the housing 11. Together with the opening 15, the internal cavity 14 acts at the in a resonant structure. The volume of the cavity 14, the wall thickness of the housing 11 and the diameter of the opening 15 formed in the closed end of the housing determine the resonance frequency of the cavity.
When the resonant frequency of the cavity is correlated with the resonant frequency of the piezoelectric transducer, maximum acoustic efficiency is obtained.
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The design of these resonators is described mathematically by the formulas developed for the Helmholtz generators which are well known in the field of acoustics.
As can be seen with reference to FIG. 1, the piezoelectric transducer comprises a membrane or a vibrating disc 12 whose diameter is greater than the outside diameter of the housing 11 and which is specifically constituted by a thin metal sheet 12, as well as a layer of piezoelectric material 13. The transducer thus formed is fixed to the housing 11. The electro-acoustic generator of the prior art illustrated in FIGS. 1 and 2 is designed so that, when a signal electric is applied to an electrode fixed to the piezoelectric layer 13, as well as to the membrane 12, the piezoelectric layer vibrates in the axial direction of the vibrating membrane 12.
Consequently, the transducer comprising the membrane 12 and the piezoelectric layer 13 secured to each other to form a unitary body, vibrates in the flexion mode.
In the prior art acoustic generator illustrated in Figures 1 and 2, when the piezoelectric transducer vibrates as described above, the initial vibration node is located in a circular line coaxial with the piezo element electric and extending inside the membrane or the vibrating disc 12 practically in alignment with the periphery of the piezoelectric layer 13, the maximum amplitude of the vibrations taking place at the center of the transducer, as well as at the peripheral part of the membrane 12. Consequently, the vibration of the piezoelectric transducer also has the effect of making the housing 11 resonate.
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When the prior art transducer described above is placed in a restricted area or space, the acoustic performance resulting from the signal generator decreases due to the acoustic load of the transducer assembly. It has also been noted that any object approaching the opening 15 formed in the closed end of the housing 11 tends to "detune" the assembly, thus resulting in a reduction in the acoustic efficiency. Consequently, when such a device is used inside a telephone set, the other components mounted inside the latter or the conductors connected to it, must be kept away from this opening if you want to get maximum performance.
Electro-acoustic generators similar to those referred to above, are described in US Patents 3,819. 879.4. 027. 115 and 4.278. 851. Although in some respects each of these generators is similar to the prior art generator described above, it would appear that each of them faces some of the objections mentioned above. Consequently, the generator designed according to the present invention is supposed to overcome these objections.
According to the present invention, a piezoelectric transducer is provided with an associated resonator tuned to the frequency of the acoustic vibrations to be irradiated by the transducer. The resonator is equipped with several output channels interconnecting the interior part of the resonator cavity with the exterior part of this cavity. The outlet channels are specifically cylindrical in cross section, but they can have other shapes, for example, square, rectangular, etc.
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The design of the resonant cavity of the present invention differs from that of the specific Helmholtz resonator. The resonance behavior of the generator of the present invention cannot be predicted by conventional mathematical formulas.
Specifically, for the configuration described according to the present invention, the total area of the outlet openings is much larger than that predicted by the formulas for the single-opening version of the prior art. Due to the greater number of openings spaced around the end of the housing, it has been found that the efficiency for the same input pulse is significantly greater than that observed in prior art generators. In addition, since the total area of the outlet openings is distributed among several openings, the interference problem referred to above and which results in acoustic degradation, is not as serious.
In the accompanying drawings: Figure 1 is a side sectional view of an electro-acoustic generator of the prior art; Figure 2 is a top plan view of an electro-acoustic generator of the prior art; Figure 3 is a side sectional view of an electro-acoustic generator according to the present invention; and Figure 4 is a plan view from above of an electro-acoustic generator according to the present invention.
Reference will now be made to FIGS. 3 and 4 which illustrate an electro-acoustic generator according to the present invention. This generator includes a
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piezoelectric transducer consisting of a membrane or a metallic element 22 and a piezoelectric element 23. The latter element is fixed to element 22 and comprises a metallic electrode (not shown) to which connections of electrical circuits can be performed. Connections are also established directly with the membrane or the metallic element 22. A housing 21 is fixed to the piezoelectric transducer by means of an adhesive or by another bonding technique. The housing 21 contains a resonant cavity 24.
A number of openings 25 to 29 constitute outputs for the propagation of the sound of the resonant cavity towards the outside.
The housing containing the resonant cavity is specifically a one-piece structure for the production of which several types of material can be used. In the embodiment of the present invention, it has been found that it is advantageous to manufacture the resonant cavity housing 21 from a plastic material shaped by injection molding techniques. The different openings 25 to 29 are arranged symmetrically around the periphery of the upper surface of the housing 21. These openings are placed on a diameter which, relative to the internal diameter of the housing, is small enough so that the openings are spaced from the wall interior of the accommodation.
The number and diameter of the holes are selected to provide optimum acoustic performance for the transducer assembly. It has been found by experimentation that 5 holes or openings with a diameter of approximately 2.54 mm make it possible to confer optimum acoustic efficiency on a transducer whose resonant frequency is approximately 2800 Hz.
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Although only one embodiment of the present invention has been illustrated, those skilled in the art will obviously understand that many modifications can be envisaged without departing from the spirit of the present invention which will be limited only by the scope of the claims below.