DE1462179B2 - Energy converter for converting mechanical pressures - Google Patents
Energy converter for converting mechanical pressuresInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Energieumwandler zur Umsetzung mechanischer Drücke in elektrische Spannungen oder umgekehrt, der nach Art eines Kondensatormikrophons mindestens zwei zueinander parallel angeordnete Platten aus elektrisch leitfähigem Werkstoff hat, zwischen denen sich ein gleichförmiges Dielektrikum befindet und druckabhängig sowohl den Abstand der beiden hochohmig an einer Gleichspannungsquelle angeschalteten Platten als auch deren elektrische Kapazität ändert.The invention relates to an energy converter for converting mechanical pressures into electrical voltages or vice versa, at least two parallel to each other in the manner of a condenser microphone arranged plates made of electrically conductive material, between which there is a uniform Dielectric is located and, depending on the pressure, both the distance between the two with high resistance to a DC voltage source connected plates as well as their electrical capacitance changes.
Die bisher bekannten Kondensatormikrophone haben entweder einen Druckausgleich des zwischen den Elektroden eingeschlossenen Luftpolsters, wobei das Dielektrikum zwischen fester Elektrode und schwingender Membran teilweise aus festem Isolierstoff besteht und auf der festen Elektrode aus Aluminium durch aufgewachsenen Aluminiumoxyd dargestellt wird. Bei einer anderen Ausführung, die als Hochton-Kondensatorlautsprecher besonders einfacher Konstruktion gedacht ist, sind als Elektroden ein Lochblech und eine Schwingungsmembran angeordnet, die nur als Träger der aufmetallisierten Gegenelektrodenschicht dient und gegenüber dem wirksamen Dielektrikum Luft gegen Kurzschlüsse durch die Haare eines Filzpolsters abgestützt ist. Bei einem ebenfalls schon bekannten elektrostatischen Schallwandler mit Luft als Dielektrikum wird die Membran mit den die Gegenelektroden tragenden Belägen zwischen zwei kugelschalenförmigen Kunststoffteilen eingespannt, auf denen die gitterförmigen Elektroden angeordnet sind. Soweit Kunststoffe bei den bekannten Ausführungsformen sich auch zwischen den Elektrodenflächen befinden, ist deren Anteil am Dielektrikum verhältnismäßig gering, das Dielektrikum als keineswegs gleichförmig und infolgedessen eine erhebliche Frequenzabhängigkeit durch die betreffenden Lufträume gegeben.The previously known condenser microphones either have a pressure equalization between the electrodes enclosed air cushion, the dielectric between the solid electrode and The vibrating membrane is partly made of solid insulating material and the fixed electrode is made of aluminum is represented by grown aluminum oxide. Any other execution than Tweeter condenser speakers of particularly simple construction are intended as electrodes a perforated plate and a vibrating membrane are arranged, which are only used as a carrier of the metallized The counter electrode layer is used and air against short circuits compared to the effective dielectric is supported by the hair of a felt pad. In the case of an electrostatic one that is also already known A sound transducer with air as the dielectric is the membrane with the coatings on which the counter electrodes are attached clamped between two spherical shell-shaped plastic parts on which the lattice-shaped Electrodes are arranged. As far as plastics in the known embodiments are also between are located on the electrode surfaces, their share in the dielectric is relatively small, the dielectric as by no means uniform and consequently a considerable frequency dependence given the relevant airspaces.
Es ist auch bekannt, für meteorologische Zwecke über größere Bereiche frequenzunabhängig arbeitende Kondensatormikrophone herzustellen, die ein gleichförmiges Dielektrikum für die elektroakustische Umwandlung aufweisen. Jedoch ist dieses Dielektrikum eine feste und außerordentlich dünne Kunststoff-Folie, einseitig mit Metall bedampft und notwendigerweise auch elastisch, weil sonst der Kondensatoreffekt überhaupt nicht erzielbar wäre, aber so klein und so dünn, daß man zusätzlich in der Fläche der Gegenelektrode die bekannte Lochanordnung für die erforderlichen Luftpolster vorsehen muß. Um möglichst hohe Frequenzbereiche erfassen zu können, sind die bekannten Ausnehmungen in der Gegenelektrode außerordentlich zahlreich und klein. Auch dieses Dielektrikum ist also praktisch nur Luft, die in einer großen Anzahl von sehr kleinen Einzelräumen von einer Folie zusammengedrückt wird, deren Stärke 1Z100 mm beträgt. Die elektrische Empfindlichkeit eines solchen Kondensatormikrophons ist zwar verhältnismäßig hoch, jedoch ebenso auch dessen Empfindlichkeit gegen mechanische Beschädigungen, und deshalb sind die brauchbaren Durchmesser der empfindlichen Membranfläche entsprechend begrenzt, und das vorbekannte Mikrophon soll speziell einen Durchmesser von 14 mm haben.It is also known to produce capacitor microphones which operate independently of frequency over larger areas for meteorological purposes and which have a uniform dielectric for the electroacoustic conversion. However, this dielectric is a solid and extremely thin plastic film, vaporized on one side with metal and necessarily also elastic, because otherwise the capacitor effect would not be achievable at all, but so small and so thin that you can also use the well-known hole arrangement for must provide the necessary air cushions. In order to be able to cover the highest possible frequency ranges, the known recesses in the counter electrode are extremely numerous and small. This dielectric, too, is practically just air, which is compressed in a large number of very small individual spaces by a film whose thickness is 1 Z 100 mm. The electrical sensitivity of such a condenser microphone is relatively high, but also its sensitivity to mechanical damage, and therefore the usable diameter of the sensitive membrane surface is limited accordingly, and the previously known microphone should specifically have a diameter of 14 mm.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein für die elektroaktustische Umwandlung geeignetes Mikrophon bzw. auch zur Schallerzeugung verwendbares Lautsprechersystem zu schaffen, das in sehr weiten Frequenzbereichen, insbesondere für meteorologische Zwecke oder für das Studium von Explosionsdruckwellen verwendet werden kann, darüber hinaus jedoch sehr robust und weitgehend empfindlich gegen Beschädigung oder Zerstörung ist in der Größenordnung von 1 qm und größer in brauchbarer Form verwirklicht werden kann.The object of the present invention is to provide a microphone suitable for electro-acoustic conversion or to create a loudspeaker system that can be used to generate sound, which is very wide Frequency ranges, especially for meteorological purposes or for studying explosion pressure waves can be used, but also very robust and largely sensitive against damage or destruction is on the order of 1 square meter and larger in useful Form can be realized.
Die gestellte Aufgabe läßt sich gemäß der Erfindung dadurch lösen, daß das Dielektrikum aus einem kompressiblen, homogen schaumartigen ■ · WerkstoffThe object can be achieved according to the invention in that the dielectric consists of one compressible, homogeneous foam-like ■ · material
ίο besteht, der direkt oder mit einem Bindemittel gleichmäßig an den beiden Platten derart befestigt ist, daß die Bindung zwischen den Platten und dem schaumartigen Werkstoff frei von Hohlräumen ist. Der zu diesem Zweck als Dielektrikum vorgeschlagene und entsprechend feinporige Schaumstoff erfüllt also zwei verschiedene Aufgaben zugleich, er ist ausreichend fest und stabil, um große und starke Metallplatten im gleichmäßigen Abstand und spannungsfrei gegeneinander zu halten, und er hat ausreichend große Elastizität, um gleichzeitig auch die Aufgabe eines Kondensatormikrophons erfüllen zu können. Das geht schon aus rein baulichen Gründen mit den bisher bekannten Konstruktionen in keinem Falle und das läßt sich auch nicht annähernd in ähnlicher Weise mit einer dünnen Kunststoffmembran verwirklichen, die für den angegebenen Zweck viel zu empfindlich wäre.ίο is made up directly or with a binder evenly is attached to the two plates in such a way that the bond between the plates and the foam-like Material is free from voids. The one proposed as a dielectric for this purpose and accordingly fine-pored foam fulfills two different tasks at the same time, it is sufficient solid and stable, around large and strong metal plates with equal spacing and tension-free against each other to hold, and it has sufficient elasticity to also do the job of a To be able to meet condenser microphones. For purely structural reasons, this works with the previous ones known constructions in no case and that can also not be approached in a similar way realize a thin plastic membrane, which is far too sensitive for the stated purpose were.
Insbesondere ist die vorgeschlagene Bindung zwischen den sich gegenüberstehenden Platten und dem vorgeschlagenen Dielektrikum sorgfältig frei von Hohlräumen zu halten, damit dieses Dielektrikum auch tatsächlich in gleicher Weise von der gesamten Plattenfläche erfaßt wird. Nur bei verhältnismäßig niedrigen Ubertragungsfrequenzen können Schaumstoffe mit offenen Zellen Verwendung finden, jedoch besser und für höhere Frequenzen erforderlich sind geschlossene Zellenräume, aus denen keine Luftteilchen entweichen. Das vorgeschlagene Dielektrikum ist also ausreichend stabil, jedoch keineswegs fest, sondern gleichförmig, und zwar ein Verbundpolster aus dem betreffenden Schaumstoff in Verbindung mit den eingeschlossenen Hohlräumen, die naturgemäß so klein sind, daß nur im Bereich. höherer Ultraschallfrequenzen Resonanzen auftreten könnten, jedoch infolge der statistischen Unregelmäßigkeit der einzelnen Zellendurdhmesser außerhalb des interessierenden Frequenzbandes liegen, im übrigen jedoch selbstverständlich die gleiche Grenzfrequenz darstellen, wie sie auch bei dem schon bekannten Folienmikrophon durch die Durchmesser der Löcher in der Gegenelektrode dargestellt wird. *In particular, the proposed bond between the facing plates and the proposed dielectric carefully to keep free of voids so that this dielectric is actually covered in the same way from the entire plate surface. Only when relatively Open cell foams can find use, however, at low transmission frequencies better and for higher frequencies are closed cell spaces, from which no air particles escape. The proposed dielectric is therefore sufficiently stable, but by no means solid, but uniform, namely a composite cushion made of the foam in question in conjunction with the enclosed cavities, which are naturally so small that only in the area. higher ultrasonic frequencies Resonances could occur, however, as a result of the statistical irregularity of the individual cell diameter meters lie outside the frequency band of interest, but otherwise of course represent the same cut-off frequency as is the case with the well-known foil microphone is represented by the diameter of the holes in the counter electrode. *
Überraschenderweise ist die elektrische Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen, sehr großflächigen und außerordentlich robusten Kondensatormikrophons praktisch die gleiche, wie bei den extrem dünnen Kunststoff-Folien über den Lufträumen der Gegenelektrode bei der bekannten Ausführung, die sich nur für sehr begrenzte Abmessungen praktisch verwirklichen läßt.Surprisingly, the electrical sensitivity of the inventive, very large area and extremely robust condenser microphones practically the same as the extremely thin ones Plastic films over the air spaces of the counter electrode in the known design, the can only be realized in practice for very limited dimensions.
Die beiden erfindungsgemäßen Kondensatorplatten, für deren konstruktive Ausführung in der Zeichnung verschiedenartige Beispiele dargestellt werden, können also auch bei großen Abmessungen, beispielsweise bei Flächen von 900 · 1800 mm Seitenlänge ohne jede Einspannkraft vom vorgeschlagenen Dielektrikum zusammengehalten werden. Für die Erzielung einer möglichst guten Übertragungscharakteristik ist dies wichtig, weil dadurch die sich gegen-The two capacitor plates according to the invention, for their structural design in the drawing various examples are shown, so can also with large dimensions, for example for areas of 900 x 1800 mm side length without any clamping force from the proposed Dielectric are held together. To achieve the best possible transmission characteristics is this important because it means that the opposing
überstehenden Platten, mit Ausnahme der sehr geringen elektrostatischen Anziehungskraft der angelegten Gleichspannung, völlig spannungsfrei gehalten sind. Beim Ansprechen auf Druckveränderungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Schaumes, die über die Oberfläche der Platten gleichmäßig sind, bewegen sich die Platten zueinander hin und voneinander weg, wobei sie ihre parallele Lage beibehalten. Ein elektrischer Verstärker, der so angeordnet ist, daß er eine Ausgangsspannung erzeugt, die durch den Kondensator zwischen den Platten geregelt wird, kann dann zu den Platten parallel geschaltet werden und wird eine Ausgangsspannung erzeugen, die den einwirkenden Druck in einer im wesentlichen linearen Weise über einen Bereich von Frequenzen getreu wiedergibt, der sich von dem sehr niedrigen Unterschallbereich bis zu dem hohen Überschallbereich erstreckt. Der Umwandler kann aber auch durch eine veränderliche Spannung erregt werden, die parallel zu den Platten einwirkt, um dieselben in Schwingung zu versetzen und ein akustisches Ausgangssignal zu erzeugen. Während die Platten parallel sein müssen, brauchen sie aber nicht eben zu sein, sondern können in irgendeiner gewünschten Weise gekrümmt sein, um eine gewünschte Richtcharakteristik zu erzeugen. protruding plates, with the exception of the very low electrostatic attraction of the applied DC voltage, are kept completely voltage-free. When responding to pressure changes between the inside and outside of the foam, which are uniform over the surface of the panels, the plates move towards and away from each other, maintaining their parallel position. An electrical amplifier which is arranged to produce an output voltage which is through the capacitor is regulated between the plates, can then be connected in parallel to the plates and will produce an output voltage that reflects the applied pressure in a substantially linear Way faithfully reproduces over a range of frequencies that differs from the very low subsonic range extends up to the high supersonic range. The converter can also be through a variable voltage are excited, which acts parallel to the plates to vibrate the same to move and generate an acoustic output signal. While the panels must be parallel, however, they do not need to be flat; they can be curved in any desired way to produce a desired directional characteristic.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden drei Platten verwendet. Die äußeren Platten sind miteinander verbunden, um eine einzige Platte zu bilden, die auch zum Abschirmen der mittleren Platte dient. Die drei Platten werden in paralleler Lage gehalten durch Schichten aus zusammendrückbarem, nichtleitendem Schaum mit geschlossenen Zellen, die sich zwischen den Platten erstrecken und auf die gegenüberliegenden Oberflächen aufzementiert sind, wie nachstehend beschrieben wird. Zum Aufzementieren der Schichten wird gewöhnlich Zement, Leim oder ein anderes Bindemittel verwendet. Wenn jedoch ein geschlossene Zellen aufweisendes Schaummaterial verwendet wird, das anhaftende Oberächen oder Oberflächen aufweist, die durch Hitze oder ein entsprechendes Lösungsmittel zum Haften gebracht werden können, kann dasselbe mit den leitenden Platten ohne dazwischenliegendes Zementiermaterial verbunden werden.In a preferred embodiment of the invention, three plates are used. The outer ones Plates are joined together to form a single plate, which is also used to shield the middle plate is used. The three panels are held in parallel by layers of compressible, non-conductive foam with closed cells extending between the panels and onto the opposing surfaces are cemented on as will be described below. For cementing the layers usually cement, glue, or some other binder used. However, if a closed cell foam material is used that has adherent surfaces or surfaces, which can be made to adhere by heat or a suitable solvent, it can be bonded to the conductive plates with no cementing material therebetween will.
Für Anwendungen bei verhältnismäßig hoher Frequenz oder wenn der Umwandler als eine Umwandlungsvorrichtung von Spannung in Druck verwendet werden soll, werden die Platten verhältnismäßig dünn gemacht und dicht nebeneinander angeordnet, während der Schaum so ausgewählt wird, daß er eine möglichst große Zusammendrückbarkeit aufweist. Andererseits gibt es zahlreiche Anwendungen für ein kapazitives Mikrophon, bei welchen eine große physikalische Festigkeit erwünscht ist. Für diesen Zweck werden daher die Platten verhältnismäßig dick gemacht und durch eine ziemlich dicke Schaumschicht voneinander getrennt.For relatively high frequency applications or when the converter is used as a conversion device to be used from tension in compression, the plates are made relatively thin and placed close to each other, while the foam is selected to have the greatest possible compressibility having. On the other hand, there are numerous applications for a capacitive microphone, in which one great physical strength is desired. For this purpose the panels are therefore proportionate made thick and separated from each other by a fairly thick layer of foam.
Die Art und Weise, wie der Umwandler gemäß der Erfindung am besten ausgebildet werden kann, seine Wirkungsweise und verschiedene Abänderungen, die an seiner Konstruktion für verschiedene Zwecke vorgenommen werden können, werden am besten aus der nachstehenden genaueren Beschreibung verständlich in Verbindung mit den Zeichnungen, welche verschiedene beispielsweise Ausführungsformen darstellen. The way in which the transducer according to the invention can best be formed is his Mode of operation and various modifications made to its construction for various purposes can be best understood from the more detailed description below in conjunction with the drawings illustrating various exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigtIn the drawings shows
Fig. 1 schematisch mit Teilen im Schnitt und mit weggebrochenen Teilen einen Umwandler gemäß der Erfindung, der als eine Mikrophon geschaltet ist, F i g. 2 im Querschnitt eine besondere Ausführungsform des Umwandlers gemäß der Erfindung,Fig. 1 schematically with parts in section and with broken away parts of a transducer according to the invention, which is connected as a microphone, F i g. 2 shows, in cross section, a particular embodiment of the converter according to the invention,
F i g. 3 schematisch im Grundriß mit weggebrochenen Teilen den Umwandler gemäß F i g. 2,F i g. 3 schematically in plan with broken away parts the converter according to FIG. 2,
F i g. 4 im Querschnitt eine zweite Ausführungsform, F i g. 4 a second embodiment in cross section,
F i g. 5 im Querschnitt eine dritte Ausführungsform undF i g. 5 shows a third embodiment in cross section and
F i g. 6 schematisch eine vierte Ausführungsform des Umwandlers gemäß der Erfindung.F i g. 6 schematically a fourth embodiment of the converter according to the invention.
F i g. 1 zeigt einen Umwandler, der allgemein mit 1 bezeichnet und mit einem Vorverstärker verbunden ist. Der Umwandler 1 besteht aus einem veränderlichen Kondensator, der eine innere leitende Platte 2 aus Metall od. dgl. und eine äußere Platte aufweist, welche aus zwei leitenden Platten 3 a und 3 b, ebenfalls aus Metall od. dgl., gebildet ist, die bei 4 leitend miteinander verbunden sind. Die Platten werden durch Zwischenschichten 5 und 6 aus nichtleitendem, zusammendrückbarem Schaum in paralleler Lage gehalten, wobei die Zwischenschichten mit den zugekehrten Seiten der Platten gleichmäßig verbunden sind. Zwecks optimaler Leistung bei sehr niedrigen Frequenzen soll der Schaum aus den nachstehend angegebenen Gründen geschlossene Zellen aufweisen. F i g. Figure 1 shows a converter, indicated generally at 1, connected to a preamplifier. The converter 1 consists of a variable capacitor which has an inner conductive plate 2 made of metal or the like. And an outer plate which is formed from two conductive plates 3 a and 3 b, also made of metal or the like at 4 are conductively connected to each other. The panels are held in a parallel position by intermediate layers 5 and 6 of non-conductive, compressible foam, the intermediate layers being uniformly connected to the facing sides of the panels. For optimal performance at very low frequencies, the foam should have closed cells for the reasons given below.
Der Vorverstärker kann irgendeine gewünschte übliche Ausbildung aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht derselbe aus einer Vakuumtriode T, die hinter die Platte geschaltet ist, wobei die Gitterspannung durch die Kapazität des Umwandlers 1 geregelt wird. Für äußerst niedrige Frequenzen und Nutzlautstärken muß das im Inneren erzeugte Geräusch auf ein Mindestmaß herabgesetzt werden. Für diesen Zweck wird daher als Triode T vorzugsweise eine Nuvistor-Triode verwendet, wie z. B. 6 CW 4.The preamplifier can be of any conventional design desired. In the embodiment shown, it consists of a vacuum triode T which is connected behind the plate, the grid voltage being regulated by the capacitance of the converter 1. For extremely low frequencies and useful volumes, the noise generated inside must be reduced to a minimum. For this purpose, a Nuvistor triode is therefore preferably used as a triode T , such as. B. 6 CW 4.
Bei der in F i g. 1 gezeigten besonderen Ausführungsform besteht jede der Platten 2, 3 a und 3 b aus Aluminium und hat eine Breite von 900 mm, eine Länge von 1800 mm und eine Dicke von 0,4 mm. Die Schichten 5 und 6 bestehen aus natürlichem Kautschukschaum mit einer Dicke von 3,125 mm und sind mit den Platten durch ein übliches Klebemittel verbunden, das in einem Lösungsmittel aufgelöst ist und mit einer Bürste aufgetragen wird. Die statische Kapazität des auf diese Weise gebildeten Umwandlers beträgt 12 500 Mikromikrofarad, und der Ableitwiderstand beträgt 15 000 Megohm. Der nutzbare Frequenzbereich dieses Umwandlers reicht von etwa 0,001 Hz bis zu ungefähr 17 000 kHz. Der Vorverstärker besteht aus einer Triode 6 CW 4, aus einem Vorwiderstand R1 von 200 Megohm, einem Kondensator C1 von 0,1 Mikrofarad, einem Gitterwiderstand R 2 von 200 Megohm, einem Plattenwiderstand R 3 von 30 000 Ohm mit einem elektrolytischen Querkondensator C 2 von 5 Mikrofarad, einem Kathodenwiderstand R 4 von 1000 Ohm mit einem elektrolytischen Querkondensator C 4 von 1000 Mikrofarad und einem Ausgangskupplungskondensator C 3 von 0,68 Mikrofarad. Die Spannungen Bl+ und B 2+ betragen relativ zur Erde 300 und 90 V. Diese Stromkreisbestandteile sind in der üblichen Weise für optimale Leistung im Frequenzbereich von 0,5 bisIn the case of the FIG. 1, each of the plates 2, 3 a and 3 b is made of aluminum and has a width of 900 mm, a length of 1800 mm and a thickness of 0.4 mm. Layers 5 and 6 are made of natural rubber foam with a thickness of 3.125 mm and are bonded to the panels by a common adhesive which is dissolved in a solvent and applied with a brush. The static capacitance of the transducer formed in this way is 12,500 micromicrofarads and the leakage resistance is 15,000 megohms. The usable frequency range of this converter is from about 0.001 Hz to about 17,000 kHz. The preamplifier consists of a triode 6 CW 4, a series resistor R 1 of 200 megohms, a capacitor C 1 of 0.1 microfarads, a grid resistor R 2 of 200 megohms, a plate resistor R 3 of 30,000 ohms with an electrolytic cross capacitor C. 2 of 5 microfarads, a cathode resistance R 4 of 1000 ohms with an electrolytic shunt capacitor C 4 of 1000 microfarads and an output coupling capacitor C 3 of 0.68 microfarads. The voltages Bl + and B 2+ are relative to earth 300 and 90 V. These circuit components are in the usual way for optimal performance in the frequency range from 0.5 to
5 Hz ausgewählt, in welchem die Spannungszunahme 30 db beträgt. Es wurde gefunden, daß der Umwandler 1 pro Volt von Bl + eine Empfindlichkeit von 0,2 Mikrovolt/Mikrobar aufweist. Wenn Sl+ auf einer Spannung von 300 V gehalten wird, beträgt daher die durch ein einwirkendes Druckdifferential von 0,1 Mikrobar erzeugte Gitterspannungsänderung5 Hz is selected, in which the voltage increase is 30 db. It was found that the converter 1 per volt of Bl + has a sensitivity of 0.2 microvolts / microbar. When Sl + on a voltage of 300 V is maintained, is therefore that by an acting pressure differential of 0.1 microbar generated grid tension change
6 Mikrovolt, während das in der Triode T erzeugte innere Geräusch weniger als 1 Mikrovolt beträgt.6 microvolt, while the internal noise generated in the triode T is less than 1 microvolt.
Der Umwandler 1 kann in irgendeiner gewünschten Größe ausgebildet werden und ist insbesondere zur Verwendung geeignet, wenn extreme äußere Einflüsse von Hitze, Druck oder mechanischem Stoß die Verwendung der üblichen Umwandler ausschließen. Wenn der Umwandler in der beschriebenen Weise aus verhältnismäßig dicken Metallplatten besteht, ist derselbe äußerst kompakt und wird durch Gewitter, Explosionen od. dgl. erzeugten akustischen Stoßen Widerstand leisten oder solchen mechanischen Beanspruchungen, die z. B. durch über seine Oberfläche laufende Tiere entstehen.The converter 1 can be formed in any desired size and is particularly suitable for use when extreme external influences of heat, pressure or mechanical shock Do not use the usual converters. When the converter works in the manner described consists of relatively thick metal plates, is extremely compact and is damaged by thunderstorms, Resist explosions or similar acoustic impacts or such mechanical stresses, the z. B. caused by animals running over its surface.
Die Empfindlichkeit des Umwandlers 1 ist von der Größe der Platten unabhängig. Ein wichtiger Vorteil von Umwandlern mit großer Fläche von beispielsweise 9290 bis 18 580 cm2 im Infraschallbereich besteht darin, daß die Wirkungen des Windgeräusches vermieden werden. In einem solchen Umwandler ist die durch Luftwirbel erzeugte örtliche Bewegung der Platten an verschiedenen Stellen der Oberfläche verschieden, so daß sich eine willkürliche Verteilung ergibt, die kein nutzbares Ausgangssignal erzeugt, wenn die Fläche zunimmt.The sensitivity of the converter 1 is independent of the size of the plates. An important advantage of transducers with a large area of, for example, 9290 to 18 580 cm 2 in the infrasound range is that the effects of wind noise are avoided. In such a transducer, the local movement of the plates produced by air turbulence is different at different locations on the surface, resulting in an arbitrary distribution which does not produce any useful output as the area increases.
Das Material, aus dem die Schichten 5 und 6 bestehen, wird im Hinblick auf die Kosten, die Stabilität bei Temperaturveränderungen und während langer Zeiträume, die Zusammendrückbarkeit, die Gleichmäßigkeit, die Dielektrizitätskonstante und die Widerstandsfähigkeit ausgewählt. Geeignete Schaume haben eine Zusammendrückbarkeit von etwa zwei Zehntel der Zusammendrückbarkeit der Luft. Eine hohe Dielektrizitätskonstante ist wünschenswert, und eine sehr große Widerstandsfähigkeit ist erforderlich. Schäume mit offenen Zellen sind am meisten zusammendrückbar und werden für Frequenzen bevorzugt, die im oder oberhalb des hörbaren Bereichs liegen, sind jedoch ungeeignet, wenn ein gutes Ansprechen bei niedrigen Frequenzen gewünscht wird. Es wird angenommen, daß bei niedrigen Frequenzen ein Lecken von Luft durch die Poren von Schäumen mit offenen Zellen erfolgt, bevor sich die Platten bewegen können, so daß ihr Ansprechen verhindert wird. Schäume mit geschlossenen Zellen sind etwas weniger zusammendrückbar, ermöglichen jedoch ein gutes Ansprechen bei sehr niedrigen Frequenzen. Geeignete Schäume mit geschlossenen Zellen sind natürlicher Kautschuk, Silikonkautschuk oder Neopren. Silikonschaum mit einer Dicke von 0,78 bis 3,125 mm wird für die Verwendung in der äußeren Umgebung bevorzugt, wenn eine kompakte Einheit gewünscht wird, die gegen Stöße und veränderliche Temperaturen widerstandsfähig ist. Es wurde gefunden, daß sich die Empfindlichkeit eines aus Silikonschaum hergestellten Umwandlers von etwa —18 bis etwa 129° C nur um 20% verändert und daß der Umwandler in diesem Bereich kontinuierlich arbeitet, ohne abgenutzt zu werden.The material of which the layers 5 and 6 are made is used in terms of cost, stability with changes in temperature and for long periods of time, the compressibility, the Uniformity, dielectric constant and resistance are selected. Suitable foams have a compressibility of about two tenths of the compressibility of air. One high dielectric constant is desirable and very high resistance is required. Open cell foams are the most compressible and are preferred for frequencies which are in or above the audible range, however, are unsuitable if a good response at low Frequencies is desired. It is believed that at low frequencies leakage of Air takes place through the pores of open cell foams before the panels can move so that their response is prevented. Closed cell foams are slightly less compressible, however, allow a good response at very low frequencies. Suitable foams with closed cells are natural rubber, silicone rubber or neoprene. Silicone foam with a thickness of 0.78 to 3.125 mm is preferred for use in the external environment, when a compact unit is desired that is resistant to shocks and variable temperatures is. It has been found that the sensitivity of one made from silicone foam Converter from about -18 to about 129 ° C changed only by 20% and that the converter in this Area works continuously without being worn out.
Es ist wichtig, daß der ausgewählte Schaum homogen ist und daß die Bindung mit den Oberflächen der leitenden Platten gleichmäßig, d. h. frei von Hohlräumen ist. Eine Luftblase, die sich irgendwo an der Begrenzung des Schaumes und der Platten befindet, wird die Leistung des Umwandlers wesentlich herabsetzen. Das Aufzementieren des Schaumes auf die Flächen muß daher sorgfältig ausgeführt werden, so daß in der Bindung keine Falten oder Ritzen auftreten. Die Art und Weise, wie der Schaum auf die Platten zementiert wird, ist nicht,kritisch, wenn nurIt is important that the foam selected is homogeneous and that the bond with the surfaces of the conductive plates evenly, d. H. is free from voids. An air bubble that is somewhere on the Limitation of the foam and panels will significantly degrade the performance of the converter. The cementing of the foam onto the surfaces must therefore be carried out carefully, see above that there are no wrinkles or cracks in the binding. The way the foam hits the Cementing slabs is not critical, if only
ίο eine gleichmäßige Bindung erzielt wird. Um den Schaum auf die Platten zu zementieren, wurden Epoxyharz-Klebemittel, abziehbare Papiere, Streifen mit druckempfindlichen Klebemitteln auf beiden Seiten sowie für Neopren eine Lösung von Neopren in einem entsprechenden Lösungsmittel verwendet.ίο an even bond is achieved. To the Cement foam onto the panels, epoxy resin adhesives, peelable papers, strips with pressure sensitive adhesives on both sides as well as a solution of neoprene for neoprene used in an appropriate solvent.
Wie bereits erwähnt, kann bei dem Umwandler gemäß der Erfindung das Windgeräusch beseitigt werden, indem die Platten genügend groß gemacht werden. Um eine getreue Wiedergabe von akustischen Signalen zu gewährleisten, ist es auch erforderlich, elektromagnetische Störfelder auszuschließen, wie sie gewöhnlich im 60-Hz-Feld auftreten. Zu diesem Zweck kann der Umwandler gemäß der Erfindung so ausgebildet werden, wie in den F i g. 2 und 3 gezeigt ist. Gemäß diesen Figuren ist die aus den Platten 3 α und 3 b bestehende äußere Platte größer als die innere Platte 2. Die Schaumschichten 5 und 6 sind ebenso groß wie die innere Platte 2 oder können sich über dieselbe hinaus erstrecken. Gewünschtenfalls kann zusätzliches nichtleitendes Material·' verwendet werden, um den verbleibenden Raum zwischen den Platten 3 α und 36 auszufüllen. Die Platten 3 α und 3 b sind vorzugsweise sowohl elektrisch als auch mechanisch durch einen dazwischenliegenden Metallteil 3 c aus Aluminium, Kupfer od. dgl.-verbunden, der durch Bolzen oder auf andere Weise befestigt ist. Der Teil 3 c kann aber auch aus dem bekannten und im Handel erhältlichen Epoxyharz bestehen, das zwischen den Platten 3 α und 3 b angeordnet wird.As already mentioned, in the converter according to the invention, wind noise can be eliminated by making the plates sufficiently large. In order to ensure a faithful reproduction of acoustic signals, it is also necessary to exclude electromagnetic interference fields, as they usually occur in the 60 Hz field. To this end, the converter according to the invention can be designed as shown in FIGS. 2 and 3 is shown. According to these figures, the outer plate consisting of the plates 3 α and 3 b is larger than the inner plate 2. The foam layers 5 and 6 are the same size as the inner plate 2 or can extend beyond the same. If desired, additional non-conductive material can be used to fill the remaining space between the plates 3 α and 36. The plates 3 α and 3 b are preferably both electrically and mechanically connected by an intermediate metal part 3 c made of aluminum, copper or the like, which is fastened by bolts or in some other way. The part 3 c can also consist of the known and commercially available epoxy resin, which is arranged between the plates 3 α and 3 b .
Der Zwischenteil 3 c kann sich nur längs einer Kante erstrecken, derselbe kann aber auch auf mehr als einer Seite angeordnet werden . oder die innere Platte 2 gewünschtenfalls vollständig umschließen.The intermediate part 3 c can only extend along one edge, but it can also be arranged on more than one side. or completely enclose the inner plate 2 if desired.
Wie aber auch die Platten 3 α und 3 b miteinander verbunden sind, muß die Platte 2 von der Verbindung oder den Verbindungen genügend weit entfernt angeordnet werden, damit die gegenüberliegenden Oberflächen der Platten 3 α und 3 b unter akustischer Beanspruchung so reagieren, als ob sie durch die Verbindung nicht behindert wären, so daß sie zur Platte 2 im wesentlichen_.parallel bleiben, wenn sie sich beim Ansprechen auf Druckunterschiede zwischen dem Inneren und Äußeren des Schaumes gegen die Platte 2 hin und von derselben weg bewegen. Bei der vorstehend beschriebenen besonderen Ausführungsform kann beispielsweise die mittlere Platte 2 mit einer Breite von 83 cm und einer Länge von 173 cm relativ zu den äußeren Platten in der Mitte und 2,5 cm vom Teil 3 c entfernt angeordnet werden. Diese Art der Ausbildung ist für die wirksamsten Ausführungsformen des Umwandlers gemäß der Erfindung charakteristisch und wesentlich.However, as the plates 3 α and 3 b are connected to one another, the plate 2 must be arranged far enough away from the connection or the connections so that the opposing surfaces of the plates 3 α and 3 b react under acoustic stress as if they would not be hindered by the connection so that they remain essentially_.parallel to the plate 2 when they move towards and away from the plate 2 in response to pressure differences between the inside and outside of the foam. In the particular embodiment described above, for example, the middle plate 2 with a width of 83 cm and a length of 173 cm relative to the outer plates in the middle and 2.5 cm away from part 3c. This type of construction is characteristic and essential for the most effective embodiments of the converter according to the invention.
Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, ist mit der inneren Platte 2 ein innerer Leiter 7 verbunden, der in üblicher (nicht dargestellter) Weise isoliert ist und der zwecks Verbindung mit dem Vorverstärker durch eine entsprechende Ausnehmung im Teil 3 c undAs the F i g. 2 and 3 show, an inner conductor 7 is connected to the inner plate 2, which in a conventional manner (not shown) way is isolated and for the purpose of connection to the preamplifier through a corresponding recess in part 3 c and
durch einen üblichen koaxialen Abschirmleiter 8 herausgeführt ist, welcher mit der äußeren Platte leitend verbunden ist.is led out through a conventional coaxial shielding conductor 8, which is conductive with the outer plate connected is.
Während die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Umwandlers gemäß der Erfindung als Mikrophone betrieben wurden, ist es für den Fachmann verständlich, daß der Umwandler auch umkehrbar ist. Zwecks Verwendung als Lautsprecher wird daher eine Quelle mit veränderlicher Spannung zwischen die äußeren und inneren Platten geschaltet, um eine akustische Schalleistung zu erzeugen.While the previously described embodiments of the converter according to the invention as Microphones have been operated, it will be understood by those skilled in the art that the converter is also reversible is. Therefore, for use as a loudspeaker, it becomes a variable voltage source connected between the outer and inner panels to generate acoustic sound power.
Es ist nicht wesentlich, daß die äußere Platte des Umwandlers gemäß der Erfindung aus zwei getrennten Platten besteht, die miteinander verbunden sind. Wie F i g. 4 zeigt, kann der Umwandler aus einer inneren Platte 2 bestehen, um die eine äußere Platte 3 gewickelt ist, deren Enden gewünschtenfalls miteinander verbunden sind, um die Abschirmung der inneren Platte zu vervollkommnen. Der Raum zwischen der inneren und der äußeren Platte kann mit Schaum 9 ausgefüllt werden, indem entweder eine Schaumschicht um die Platte 2 gewickelt wird oder )) durch die üblichen Verfahren der Bildung des Schaumes an Ort und Stelle. Die einzigen Bedingungen sind, daß der Schaum auf den Oberflächen der inneden Platte 2 gleichmäßige Dicke aufweist, daß derselbe auf die Oberflächen der inneren und äußeren Platten gleichmäßig aufzementiert ist und daß die innere Platte zu den gegenüberliegenden Oberflächen der äußeren Platte parallel und von irgendwelchen Verbindungen oder Kanten in der äußeren Platte weit genug entfernt ist, so daß die inneren und äußeren Platten während des Betriebs parallel bleiben.It is not essential that the outer plate of the transducer according to the invention consists of two separate plates which are connected to one another. Like F i g. 4 shows, the transducer may consist of an inner plate 2 around which an outer plate 3 is wound, the ends of which are, if desired, connected to one another in order to complete the shielding of the inner plate. The space between the inner and outer panels can be filled with foam 9 either by wrapping a layer of foam around panel 2 or )) by the usual methods of forming the foam in place. The only conditions are that the foam on the surfaces of the inner plate 2 has a uniform thickness, that the same is cemented onto the surfaces of the inner and outer plates evenly and that the inner plate is parallel to the opposite surfaces of the outer plate and of any connections or Edges in the outer panel is far enough away that the inner and outer panels remain parallel during operation.
Der Umwandler gemäß der Erfindung kann im wesentlichen in jeder Form hergestellt werden, um die gewünschten Schalleistungscharakteristiken zu erzielen. Ein flacher Umwandler, in welchem die Platten kreisförmig sind und einen Durchmesser von 900 cm aufweisen, wird beispielsweise jedes Windgeräusch stark dämpfen und bei weniger als 10 Hz im wesentliehen ungerichet sein, während derselbe mehr und mehr gerichtet wird, wenn die Frequenz zunimmt. Ein flaches kreisförmiges Mikrophon dieser Art hat *■ die gleichen richtenden Eigenschaften wie ein parabolisches Mikrophon mit dem gleichen Durchmesser. Ein Umwandler, der aus Platten von 30000 cm Länge und 30 cm Breite hergestellt wird, ist stark richtend. Umwandler von solcher Größe bestehen vorzugsweise aus einer Anzahl von kleineren Umwandlern, die elektrisch, aber nicht mechanisch parallel geschaltet sind.-Für eine ungerichtete Sfchalleistung können die Platten 2, 3 und die Schaumschicht 9 in Form von konzentrischen Kugeln 'ausgebildet werden, wie F i g. 5 zeigt. Um als ein Wandmikrophon zu dienen, das eine große Fläche erfaßt; wie z. B. eine Bühne od. dgl., können die Platten zwecks großer Richtwirkung gekrümmt werden, wie F i g. 6 zeigt. Während der Umwandler gemäß der Erfindung für Arbeiten im Freien ideal geeignet ist, um als Mikrophon, zum Studium von Explosionswellen od. dgl. zu dienen, ist derselbe auch für die Verwendung als Hydrophon geeignet. The transducer of the invention can be made in essentially any shape to achieve the desired sound power characteristics. For example, a flat transducer in which the plates are circular and 900 cm in diameter will greatly attenuate any wind noise and be substantially non-directional at less than 10 Hz, while becoming more and more directional as the frequency increases. A flat circular microphone of this type has * ■ the same directional properties as a parabolic microphone of the same diameter. A transducer made from plates 30,000 cm long and 30 cm wide is highly directing. Converters of this size preferably consist of a number of smaller converters which are electrically but not mechanically connected in parallel. For a non-directional sound output, the plates 2, 3 and the foam layer 9 can be designed in the form of concentric spheres, such as F i G. 5 shows. To serve as a wall microphone covering a large area; such as B. od a stage. 6 shows. While the transducer according to the invention is ideally suited for outdoor work in order to serve as a microphone, for studying explosion waves or the like, it is also suitable for use as a hydrophone.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. The invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments, various modifications can be made without departing from the scope of the invention.
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