DE1437412C - Elektrostatischer elektroakustischer Wandler - Google Patents
Elektrostatischer elektroakustischer WandlerInfo
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Description
1 2
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektro- Membran stets so verteilt ist, daß in der Mitte der
statischen elektroakustischen Wandler mit einer Membran eine große Kraft und an den Rändern
ebenen, elektrisch leitenden Membran und mindestens eine kleine Kraft angreift und damit eine knotenfreie
einer Steuerelektrode, die ein in seinem zeitlichen Schwingung herrscht. Sind andererseits etwa bei sehr
Verlauf dem Nutzsignal entsprechendes elektrisches 5 großen Membranen Knotenlinien stehender Wellen
Feld gegen die Membran und durch ihre ungleich- vorgesehen, so liegen diese bei allen Frequenzen
mäßige Ausbildung in ihrer Wirksamkeit hinsichtlich gleich.
ihres Krafteinflusses auf die Membran eine durch Zum Zweck der Verteilung der Kraft stehen dem
das Feld bewirkte, in ihrem örtlichen Verlauf variable Fachmann verschiedene, teilweise an sich bekannte
Kraft zwischen der Membran und der Elektrode io Mittel zur Verfügung, insbesondere kann er eine
erzeugt. entsprechende Verteilung der Steuerspannung, der
Bei den elektrostatischen elektroakustischen Wand- Vorspannung oder der Kraftkoeffizienten vorsehen,
lern tritt das Problem auf, daß die Membran bei Beispielsweise ist es zweckmäßig, die Elektrode
den Frequenzen ihrer Grundschwingung und ihrer flächenmäßig zu unterteilen und die örtlichen Flächen-Oberschwingungen
im Verhältnis zur Erregung relativ 15 teile sich entsprechend dem Verhältnis der jeweils
zu hohe Amplituden aufweist. Diese Schwingungen örtlich geforderten Kraft verhaltend auszubilden,
entsprechen der Bildung von Schwingungsknoten an Die Unterteilung der Steuerelektrode ist zwar an
den Rändern der Membran bzw. linienförmig über sich zur Anpassung des kapazitiven Leitwerts an
ihre Fläche verlaufend. Insbesondere bei groß- unterschiedliche Frequenzen (deutsche Patentschrift
flächigen Membranen, wie sie bei elektrostatischen 20 581 339) oder auch zur Beeinflussung der Kraftver-Lautsprechern
anwendbar sind, kann die Anregung teilung (deutsche Patentschrift 547 916) an sich
in der Frequenz solcher Schwingungen einen äußerst bekannt, sie wird jedoch im Rahmen der Erfindung
ungünstigen Einfluß auf den Frequenzgang des dazu angewandt, der Kraft die gegebene erfindungs-Wandlers
ausüben. Beim Überwandern dieser Fre- gemäße Verteilung mitzuteilen.
quenzen kann sich das Schwingungsbild sprunghaft 25 Die gegebene Kraftverteilung kann auch durch
ändern. Wahl eines örtlich verschiedenen Abstands der Steuer-
Es ist bekannt (deutsche Patentschrift 547 916, elektrode zur Membran erzielt werden; unterschied-USA.-Patentschrift
1 948 637), die sich' durch solche liehe Abstände der Steuerelektrode zur Membran
sich ändernden Schwingungsknotenverteilungen erge- sind ebenfalls an sich bekannt, und zwar zum Unterbenden
Probleme so anzugehen, daß an denjenigen 30 teilen der Membran im Bereich für verschiedene
Stellen, an denen örtlich die Schwingungsscheitel- Frequenzen (USA.-Patentschrift 3 008 013) oder in
punkte der wichtigsten störenden Resonanzfiequenz Form einer mehrfach gewölbten Elektrode zur
zu erwarten sind, eine höhere Dämpfung vorgesehen Steuerung der auftretenden Zugspannungen in der
wird als an anderen Orten der Membran. Zur ört- Membran (USA.-Patentschrift 1 877 868).
liehen Beeinflussung der Dämpfung dient nach dem 35 Schließlich kann die Elektrode auch örtlich mit Stand der Technik die Anordnung von Luftlöchern unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt sein, beiin einer Deckwand unweit der abstrahlenden Fläche spielsweise können unterschiedliche Gleichvorspander Membran, im allgemeinen in der steuernden nungen angelegt sein. Eine unterschiedliche Span-Elektrode selbst, wodurch an den stärker zu dämp- nungsbeaufschlagung einzelner Elektroden aus GrQnfenden Stellen ein weniger leicht wegdrückbares Luft- 4° den der Wandlerimpedanz ist ebenfalls an sich kissen entsteht. Es ist auch bekannt, die örtliche bekannt (USA.-Patentschrift 3 008 013). Schließlich Dämpfung dadurch zu ersetzen, daß an den betref- ist auch eine verteilte Belegung der Steuerelektrode fenden Stellen die elektrische Erregung etwa durch mit unterschiedlichen Dielektrika möglich,
eine Unterbiechung der metallenen Steuerelektrode Für die Wahl der Resonanzenschwingung, auf vermindert wird. ' 45 die die Kraftverteilung auf die Membran abgestimmt
liehen Beeinflussung der Dämpfung dient nach dem 35 Schließlich kann die Elektrode auch örtlich mit Stand der Technik die Anordnung von Luftlöchern unterschiedlichen Spannungen beaufschlagt sein, beiin einer Deckwand unweit der abstrahlenden Fläche spielsweise können unterschiedliche Gleichvorspander Membran, im allgemeinen in der steuernden nungen angelegt sein. Eine unterschiedliche Span-Elektrode selbst, wodurch an den stärker zu dämp- nungsbeaufschlagung einzelner Elektroden aus GrQnfenden Stellen ein weniger leicht wegdrückbares Luft- 4° den der Wandlerimpedanz ist ebenfalls an sich kissen entsteht. Es ist auch bekannt, die örtliche bekannt (USA.-Patentschrift 3 008 013). Schließlich Dämpfung dadurch zu ersetzen, daß an den betref- ist auch eine verteilte Belegung der Steuerelektrode fenden Stellen die elektrische Erregung etwa durch mit unterschiedlichen Dielektrika möglich,
eine Unterbiechung der metallenen Steuerelektrode Für die Wahl der Resonanzenschwingung, auf vermindert wird. ' 45 die die Kraftverteilung auf die Membran abgestimmt
Eine solche Unterdrückung der für am störendsten werden soll, bietet sich vor allem die Grundschwingung
befundenen resonanten Schwingung schafft jedoch an, besonders für den Niederfrequenzbereich, in der
noch keine vollkommen idealen Verhältnisse und die Schallwellenlänge gegebenenfalls verhältnismäßig
stabilen Schwingungszustände für alle Frequenzen, groß im Vergleich zur Größe der Membran ist.
da hierdurch ein Umschlagen der Schwingungsknoten 50 Zur weiteren Stabilisierung der Schwingung, ins-
und ein störender Einfluß insbesondere der höheren besondere im Verwendungsfall des Wandlers als
Harmonischen nicht verhindert werden kann. Mikrophon, kann es zweckmäßig sein, durch ein
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe elektro-mechano-elektrisches Rückkopplungssystem
zugrunde, einen für alle Frequenzen stabilen, gleichen die Amplitude zu regeln, indem sie elektrisch abge-Schwingungsmodus
zu erzwingen. Diese Aufgabe 55 tastet und zur Beeinflussung der Schwingungsparawird
gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die meter weiterverarbeitet wird, so daß auch im Frean
der Membran angreifende variable Kraft an quenzbereich resonanter Schwingungen die auftrejedem
Punkt der Membran proportional der senk- tenden Amplituden leicht zu beherrschen sind,
rechten Auslenkung dieses Punktes aus der Nullage Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der bei einer gewählten resonanten Schwingung der 60 Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei-Membran ist. Es wird also die an der Membran bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsangreifende Kraft so über ihre Fläche verteilt, daß weise veranschaulicht,
unabhängig von der Frequenz stets der gleiche und zwar zeigen
rechten Auslenkung dieses Punktes aus der Nullage Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der bei einer gewählten resonanten Schwingung der 60 Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei-Membran ist. Es wird also die an der Membran bung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsangreifende Kraft so über ihre Fläche verteilt, daß weise veranschaulicht,
unabhängig von der Frequenz stets der gleiche und zwar zeigen
Schwingungsmodus herrscht, also beispielsweise mit F i g. 1 und 2 das Prinzip von elektrostatischen
einer Kraftverteilung entsprechend der örtlichen Aus- 65 elektroakustischen Wandler,
lenkung bei der Resonanz-Grundschwingung, wobei Fig. 3 einen Wandler mit einer kreisförmigen
die im Betrieb mit wechselnden Frequenzen auf- Steuerelektrode mit veränderlicher effektiver Fläche,
tretende elektrostatische Krafteinwirkung auf die Fig. 4 einen Wandler mit einer kreisförmigen
Steuerelektrode mit veränderlichem Elektrodenab- ε die Dielektrizitätskonstante, S die effektive Fläche
stand, der Elektrode und E die Vorspannung. Die auf die
F i g. 5 einen Wandler mit einer kreisförmigen Membran 1 wirkende Auslenkkraft kann dadurch
Steuerelektrode mit veränderlicher Vorspannung, verteilt werden, daß die Dielektrizitätskonstante ε,
F i g. 6 einen Wandler mit einer kreisförmigen 5 die Elektrodenfläche S, die Vorspannung E oder der
Steuerelektrode und mit veränderlicher Dielektrizitäts- ' Elektrodenabstand d variiert werden,
konstante des Dielektrikums, ' Zur Erzwingung einer Auslenkungsverteilung ent-
F i g. 7 bis 9 Ausführungsformen der Erfindung sprechend einer /j-ten resonanten Schwingung der
ohne Verwendung einer Gleichspannungsquelle zur Membran für alle durch die Ansteuerung erzwungenen
Erzeugung der Vorspannung, io Frequenzen ist die Verteilung des Kraftfaktors pro-
F i g. 10 bis 11 Beispiele von Hilfselektroden zur portional der bei dieser resonanten Schwingung aufFeststellung von Schwingungsamplituden, tretenden senkrechten Auslenkung der Membran 1
Fig. 12 und 13 die Amplitudenkontrolle unter ^i r I r\... . , .... . „ .
Verwendung der Modulation von hoher Frequenz, gemacht, also/? («»-J fur eine kreisform.ge Membran
F i g. 14 die Amplitudenkontrolle unter Verwen- 15 /r,. - ,. ,. ·, _. « ... . .,.,· »,
dung von piezoelektrischen Materialien, (F ' & 3 bis 6) und διη«πί'fur eine rechteckige Mem-
Fig. 15 einen Blockschaltplan für Bewegungs- bran, wobei J0 (x) die Bessel-Funktion erster Art
Rückkopplung. ' . . .- nullter Ordnung mit χ als Argument bezeichnet,
Wie in F i g. 1 und 2 dargestellt ist, besteht ein <x„ der Wert der «-ten Wurzel ist, die die Gleichung
elektrostatischer elektroakustischer Wandler allgemein ao J0 (x) — 0 befriedigt, α der Radius der kreisförmigen
aus einem mittig angeordneten vibrierenden EIe- Membran oder die halbe Seitenlänge der rechteckigen
ment 1, das aus einer dünnen Metallplatte oder einer Membran und r der Abstand vom Mittelpunkt ist.
metallisierten Kunststoffmembran, beispielsweise einer F i g. 3 zeigt eine unterteilte Steuerelektrode, deren
elektrisch leitenden Membran aus geschäumtem relative Flächenbelegung mit leitendem Material der
Kunststoff besteht, und einer oder zwei festen Steuer- 35 jeweiligen örtlichen Auslenkung der Membran bei
elektroden 2, die in der Nähe der Membran 1 dieser ihrer Resonanz-Grundschwingung proportional ist.
gegenüber auf einer oder beiden Seiten angeordnet Im mittleren Bereich der Membran 1 befindet sich
sind. Zwischen der Membran 1 und der Steuerelek- ein großes metallisches Stück der Steuerelektrode 2,
trode 2 werden eine Gleichvorspannung von einer so daß hier eine maximale elektrostatische Anzie-Spannungsquelle
3 und eine Wechsel-Signalspannung 30 hungskraft auf die Membran einwirkt. Zum Rand
von einer Signalquelle 4 angelegt,, wodurch elektro- zu werden die leitenden Flächenteile der Steuerstatische
Kräfte an der Membran 1 angreifen und . elektrode 2 immer kleiner, so daß dort die Kraft
sie zum Schwingen bringen. Ein Blockkondensator 5 abnimmt. Die Änderung der die Auslenkung bewir-
und ein Schutzwiderstand 6 liegen zwischen der kenden Kraft mit dem Ort erfolgt zwar stufenweise,
Signalquelle 4 und der Vorspannungsquelle 3, und 35 in ihrem mittleren Verlauf entspricht die Kraft jedoch
ihre Relativwerte sind durch den Kraftfaktor oder der jeweiligen örtlichen Normal-Auslenkung. Die
die Proportionalitätskonstante zwischen der Signal- Membran 1 kann deshalb bei jeder Frequenz nur in
spannung und der auf die Membran wirkenden Aus- ihrer ganzen Fläche schwingen, ohne daß in Ablenkkraft
in bekannter Weise korreliert. Gemäß hängigkeit von der jeweiligen Schwingungsfrequenz
F i g. 2 wird die Vorspannung von der Gleichspan- 40 Knotenlinien od. dgl. auftreten und über die Membran
nungsquelle3 geliefert, statt dessen können jedoch wandern.
auch einige Kunststoffmembranen, wie eine Poly- Nach F i g. 4 wird die örtliche elektrostatische
carbonatmembran, bei hoher Temperatur polarisiert Kraft durch den Abstand der Steuerelektrode 2 von
werden, jedoch im allgemeinen nicht permanent, der Membran 1 beeinflußt, wobei leicht eine stetige
einige von ihnen fallen mit der Zeit ab. Dement- 45 Kraftverteilung vorgesehen werden kann. Beim darsprechend
kann das System dadurch zum Arbeiten gestellten Wandler ist wiederum eine Auslenkvergebracht
werden, daß die Steuerelektrode 2 perio- teilung entsprechend der Resonanz-Grundschwingung
disch geladen wird. Die Vorspannung kann auch der Membran 1 vorgesehen.
in Form einer elektrischen Ladung vorgesehen sein, Bei der Anordnung nach F i g. 5 wird durch die
mit der die Kapazität zwischen den Elektroden 50 Wahl der von der Stromquelle 3 stammenden Vorgeladen
wird, beispielsweise indem der Schutzwider- spannung, die über Widerstände 66 von einem mittstand
6 in F i g. 2 hur während einer Ladezeit ange- leren Steuerelektrodenteil bis zu dem äußersten Randschlossen
ist, in Betrieb aber unterbrochen ist. Weil . Steuerelektrodenteil von der maximalen Vorspannung
es einfach ist, Transformatoren mit relativ hohen bis zum Erdpotential abfällt, der gewünschte Verlauf
Übersetzungsverhältnissen im Radiofrequenzbereich 55 der elektrostatischen Kraft erzielt,
zu erhalten, kann auch eine Halbwellengleichrichtung Wiederum eine andere Möglichkeit ist in F i g. 6
zur Erzielung der Vorspannung verwendet werden dargestellt, nach der die Steuerelektrode 2 mit kon-(F
i g. 7), mit einem Transformator 7, einem Gleich- zentrischen Ringen unterschiedlicher Dielektrika 51,
richter 8 und einem elektroakustischen Wandler 9. 52, 53, 54, 55 und 56 belegt ist, deren Dielektrizitäts-Es
kann auch eine Impulslängenmodulation oder 60 konstante in dieser Reihenfolge abnimmt,
eine Impulshöhenmodulation gemäß F i g. 8 ver- Dementsprechend wird durch Verteilung der Steuerwendet
werden. Für Gegentaktbetrieb gemäß F i g. 9 kraft in der oben beschriebenen Art eine stabilisierte
kann Vollweggleichrichtung benutzt werden. In F i g. 8 Vibration in einem bestimmten Modus des Vibrationsist R1 ein Integrierelement. Als Vorspannung stellt sich elementes erreicht. Ist die auslenkende Kraft örtlich
die Gleichspannungskomponente der gleichgerichteten 65 proportional der Normalauslenkung der Membran
Wechselspannung ein. bei der ersten oder der «-ten Resonanzschwingung, Der Kraftfaktor wird durch ε SE/d* ausgedrückt, wird die Schwingung stabil festgelegt. Wenn also
wobei d der Abstand zwischen den Elektroden ist, « = 1 ist, kann die Vibration in Phase über der
ganzen Fläche stabil sein, während bei η 1 eine Vibration mit Knotenpunkten oder Knotenlinien
stabil sein kann.
Ergänzend kann zur noch weiteren Stabilisierung der Schwingung der Membran bei allen Frequenzen,
insbesondere auch bei der Verwendung des Wandlers als Mikrofon, und zur Erzielung einer geradlinigen
Charakteristik eine Bewegungs-Rückkopplung geschaffen werden. Es wird eine Spannung proportional
der Auslenkungsgeschwindigkeit dadurch erhalten, daß die Schwingungsamplitude der Membran 1 des
Wandlers überwacht wird, die eine Kraftverteilung proportional der örtlichen Normalauslenkung hat,
und zwar mittels einer Hilfselektrode 10 gemäß F i g. 12 oder 13, oder durch die Veränderung der
elektrostatischen Kapazität zwischen der Membran 1 und der Steuerelektrode2 gemäß Fig. 14; auch
kann die Oszillationsfrequenz eines hochfrequenten Oszillators 11 gemäß Fig. 15 entsprechend der Amplitude
moduliert werden oder die Schwingungsbeschleunigung mittels piezoelektrischem Material 20
an einem Ende der Membran 1 gemäß F i g. 16 überwacht \werden. Weil die Vibrationsgeschwindigkeit
durch die erste Differentiation der Amplitude erhalten wird, werden die Ausgangsspannungen nach F i g. 12
•bis 15 einmal differenziert, während nach F i g. 16
die Ausgangsspannungen einmal integriert wird. In Fig. 14 und 15 bezeichnen 12 eine Resonanz'spule,
13 einen Niederfrequenz-Blockkondensator, 14 eine Hochfrequenzdrossel, 15 einen Gleichrichter, 17 eine
Triode und 18 einen Hochfrequenztransformator.
Durch geeignete Entzerrung der so erhaltenen Spannung und deren Rückkopplung an einen Verstärker
kann die . Charakteristik des Wandlers gesteuert und jede gewünschte akustische Impedanz
gegen von. außen ankommenden Schall erreicht werden.
Fi g. 15 zeigt eine solche Rückkopplungsanordnung, mit einem Wandler 21, einem Verstärker 22 mit der
Verstärkung Go, einen Rückkopplungs-Glätter oder -Ausgleicher 23 mit einer Verstärkung Ge und einer
Schwingungsabtastvorrichtung 24 mit einer Empfindlichkeit Gp. Auf der Oberfläche der Membran des
Wandlers 21 wird ein Schalldruck P0 auf Grund eines
von außen kommenden Schalls erzeugt. In den
Wandler 21 wird die Ausgangsspannung des Verstärkers
22 eingespeist, dessen Eingangssignal das ankommende elektrische Signal e<
ist, und außerdem die Ausgangsspannung e/ des Ausgleichers 23 entsprechend
der Ausgangsspannung ep des Fühlers 24, der die Amplitude der Membranschwingung abgreift.
Es entsteht ein Schalldruck P an der Achse senkrecht zur schwingenden Membran. Durch geeignete Wahl
<Jer Verstärkung des Ausgleichers 23 kann die scheinbare
akustische Impedanz der Membran erhöht oder
•'VI. "0
erniedrigt werden und so der Frequenzgang optimiert werden.
Claims (8)
1. Elektrostatischer elektroakustischer Wandler mit einer ebenen, elektrisch leitenden Membran
und mindestens einer Steuerelektrode, die ein in seinem zeitlichen Verlauf dem Nutzsignal entsprechendes
elektrisches Feld gegen die Membran
ίο und durch ihre ungleichmäßige Ausbildung in
ihrer Wirksamkeit hinsichtlich ihres Krafteinflusses auf die Membran eine durch das Feld
bewirkte, in ihrem örtlichen Verlauf variable Kraft zwischen der Membran und der Elektrode
erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß
die an der Membran (1) angreifende variable Kraft an jedem Punkt der Membran proportional
der senkrechten Auslenkung dieses Punktes aus der Nullage bei einer gewählten resonanten
Schwingung der Membran ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) flächenmäßig
unterteilt ist und die örtlichen Flächenteile sich entsprechend dem Verhältnis der jeweils örtlich
as geforderten Kraft verhalten (F i g. 3).
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Elektrode (2) zur
Membran (1) örtlich verschieden und jeweils der örtlich geforderten Kraft zugeordnet ist (F i g. 4).
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (2) flächenmäßig
unterteilt und an den einzelnen Flächenteilen entsprechend der jeweils örtlich geforderten Kraft
mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagt ist (Fig. 5).
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die einzelnen Flächenteile unterschiedliche
Gleichvorspannungen angelegt sind.
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Membran (1) und
der Elektrode (2) Dielektrika (51 bis 56) mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante zur Erzeugung
örtlicher Felder entsprechend der jeweils örtlich geforderten Kraft angeordnet sind (F i g. 6).
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als respnante Schwingung
die Grundschwingung gewählt ist.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein elektro-mechano-elektrisches
Rückkopplungssystem, das die Amplitude der Schwingung der Membran elektrisch abtastet
und ein entsprechendes Signal an eine die Schwinr gungsparameter ändernde Steuerschaltung für die
Elektrode zur Regelung der Amplitude zurückmeldet.'
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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