DE1961217A1

DE1961217A1 - Elektroakustischer Wandler,insbesondere Mikrofon fuer Fernsprechanlagen

Info

Publication number: DE1961217A1
Application number: DE19691961217
Authority: DE
Inventors: Otto Bruennert; Hans Schierl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1969-12-05
Publication date: 1971-06-16
Also published as: GB1293670A; BG20138A3; ZA708029B; AT308860B; NL172504C; FI56601C; FR2070741B1; BE759888A; NL172504B; FR2070741A1; SE366190B; DE1961217B2; FI56601B; CH522995A; DE1961217C3; NL7017251A; LU62172A1; BR7024166D0

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den "SiDEZ 1989 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

Elektroakustischer Wandler, insbesondere Mikrofon ftii*

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustisch^» Wandler, insbesondere Mikrofon für Fernsprechanlagen, mit einer in ihrem Randbereich eingespannton, auf Biegung beanspruchten Membran .
5

Bekanntlich muß bei derartigen Wandlern dafür Sorge getragen werden, daß der Frequenzgang in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzbereich den gesteilten Anforderungen entspricht, die insbesondere auf einen gleichmäßigen Verlauf Wert legen,, So rüstet man Wandler mit entsprechend abgestimmten Resonatoren aus, die z.B. durch Abflachen von Resonanzspitzen den Frequenzgang im gewünschten Sinne beeinflussen. Für den Aufbau des Wandlers bedeutet dao gegebenenfalls die Notwendigkeit eines nicht unerheblichen fertigungstechnischen Aufwandes»

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Wandler der eingangs genannten Art durch einfache Maßnahmen zu erreichen, daß sein Frequenzgang, insbesondere in dem Bereich der für die Sprachübertragung in der Fernsprechtechnik von Interesse ist, so beeinflußt werden kann, daß er den geforderten Verlauf aufweist.

Erreicht wird dieser Zweck dadurch, daß in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzband des Mikrofons neben der der Grundschwingung der Membran entsprechenden Resonanzspitze auch zumindest eine einer unterteilten Schwingung der Membran mit einer Schwingungeknotenlinie im freien Teil der Membran entsprechende Reso-

J VPA 9/420/5365a Hel/Gru - 2 -

109825/0872 _BAD OR.S1NM.

nanzspitze, insbesondere die der eraten unterteilten Schwingung (0,1 Mode) entaprsehende enthalten ist.

Es hat.sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Ausnutzung $ zumindest der ersten unterteilten Schwingung der Membran ein den geforderten. Bedinungen entsprechender gleichmäßiger Verlauf des Frequenzganges in Bereichen erzielt werden kann, in denen hei Wandlern, bei denen sich die unterteilte Schwingung nicht im wesentlichen ungehindert ausbilden kann, ein starker Abfall zu beobachten ist* Besonders wirkungsvoll läßt sich das in dem Frequenzbereich zeigen, der für die Sprachübertragung in der Fernsprechtechnik von Interesse ist und etwa in dem Bereich von 100 Hz bis 3 500 Hz liegt. Sin Abfall an der obren Grenze des Übertragungsbereiches, wie er bei bekannten Wandlern zu beobachten ist und gegebsnenfalls mit aufwendigen Maßnahmen korrigiert werden muß, läßt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung auf außerordentlich einfache Weise verhindern_o

Das erfindungsgemäß erfordei\Liche Schwingungsverhalten der Membran läßt sich auf einfache Weise erzielen, wenn diese zwischen beidseitig an ihr angreifenden elastischen Lagerkörpern entsprechender Eigenschaften eingespannt ist» Als Material eignet sich hier insbesondere ein Silikonkautschuk»

Es ist an sich bereits bekannt, Membranen von elektroakustischen Wandlern mit Hilfe elastischer Zwischenlagen im Randbereich einzuspannen. So hat man bei Kohlemikrofonen die Membran zwischen zwei dünnen Folien aus Gummi gelagert. Diese Folien haben die Aufgabe, die Membran gegen das Wandlergehäuse zu isolieren» Di esen Zweck erfüllen sie auch dann, wenn sie, wie das bei bekannten Wandlern der Fall ist, sehr dünn ausgebildet sind. Diese Art der Einspannung erlaubt es, wie leicht erkennbar ist, jedoch nicht, die erste untei'teilte Schwingung mit einer Schwingungsknotenlinie im freien £eil der Membran auszunutzen=

Es ist weiter bekannt, bei elektromagnetischen Wandlern die Me-

VPA 9/420/ 5365a ₁ 0 9825/0873.

.3 -

_ 5 —

tallraernbran in ihrem Randbereich zwischen zwei Röhrchen aus Gummi geringer Wandstärke einzuspannen. Diese Einspannung hat jedoch den Zweck, die Membran in jeder ihrer möglichen Stellungen so eben zu belassen, wie sie sich in ihrer Ruhestellung befindet, d.h. diese Lagerung soll erreichen, daß die Membran nicht auf Biegung beansprucht wird. Diese bekannte Art der lagerung ist also ebenfalls nicht geeignet, das der Erfindung zugrunde liegende Problem zu lösen«,

Es ist weiterhin bekannt," eine mehrschichtige Membran, die mit mehreren Schichten elektrestriktiven Materials ausgerüstet ist, zwischen einem feston und einem federnden Lager in ihrem Randbereich zu halten. Diese Maßnahme dient zusammen mit weiteren Merkmalen der Membran selbst, der Erhöhung der Empfindlichkeit des Wandlers mit Rücksicht auf die Vereinfachung der Fertigung der Membran, ist jedoch ebenfalls nicht zur Lösung des hier vorliegenden Problems geeignet.

Mit Hilfe der erwähnten elastischen Einspannung läßt sich erreichen, daß die Membran eine Grundschwingung aufweist, die eine Schv/ingungsknotenlinie im Bereich der Einspannung besitzt, deren Durchmesser z.B. dem Durchmesser der Membran entspricht, während die erste Oberschwingung eine Schwingungsknotenlinie aufweist, die im freien Teil der Membran in dem der Einspannung benachbarten Bereich liegt. Die durch die Schwingungsknotenlinie getrennten Membranteile bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen. Bei beiden Schwingungsmoden wird das Material der Lagerkörper durch die Bewegung der Membran im Bereich der Einspannung verforrat; das bedeutet, daß die Rösonanzspitzen in wünschenswerter Weise abgeflacht werden und daß auch sonstigen auftretenden Resonanzotellen Energie entzogen und dadurch die Frequenzkurve glatter wird.

Besonders einfach läßt sich die elastische Membranlagerung gestalten, wenn man die zuvor erwähnten, beidseitig an der Membran angreif ideii Lagerkörper als Ansätze eines den Memaranrand

VPA 9/420/5365a ! ₀ 9 8 2 5 / 0 8 7 2 " ⁴ "

umgreifenden Körpers aus elastischem Material ausbildet. Dieser Körper, der dann im wesentlichen bei einer runden Membran die Form eines in seinem inneren Durchmesser geschlitzten Ringes aufweist, kann dann auf einfache Weise auf den Membranrand aufgesetzt und mit der Membran in einen Wandler eingebracht werden.

TJm die Membransohwingung in den gewünschten Frequenzbereichen nicht oder nicht mehr als notwendig zu behindern, wird der vorher erwähnte, den Membranrand aufnehmende elastische Körper der Membran so angepaßt, daß ihre senkrecht zur Membranebene verlaufende" Handfläche von dem auf sie aufgesetzten elastischen Körper frei liegt.

Um die Membransehwingung in den gewünschten Frequenzbereichen nicht oder nicht mehr als notwendig zu behindern, wird der vorher erwähnte, den Membranrand aufnehmende elastische Körper der Membran so angepaßt, daß ihre senkrecht zur Membranebene verlaufende Randfläche von dem auf sie aufgesetzten elastischen Körper frei liegt.

Das gewünschte Schv/ingungsverhalten läßt sich bei der erfindungsgemäßen elastischen Einspannung der Membran _auf einfache Weise besonders ausgeprägt erhalten, wenn man an den Lagerkörpern beidseitig der Membran auf die Membran weisende ringförmige Ansätze anordnet, die an der Membran anliegen. Dabei bewährt feien besonders eine Ausführungsform, bei der jeweils zwei ringifötmige Ansätze an den Lagerkörpern vorgesehen sind, wobei der Ansatz mit üleia größeren Durchmesser einen etwa kleineren Durchmesser besitzt als der Membranidurchmessero

Einspannung der gewünschten Elastizität der Lagerkörper kann, man im wesentlichen unabhängig von ihren Abmessungen, für die auch ihre Funktion der Verbindung der Membran mit demWandflergehäuse maßgebend ist, erreichen, v/enn man die an der Membran angreifenden Ansätze an durch Einschnitte der Lagerkörper

VPA 9/480/5365. 109825/0872 "⁵"

ORIGINAL

gebildeten querschnittsschwächeren membranartigen Abschnitten derselben vorsieht. Gleichzeitig lassen sich auf diese Weise Toleranzen in der Halterung der Membraneinspannung, die üblicherweise durch ein Einklemmen erfojgt, auffangen. ■ Die erwähnten an der Membran angreifenden Ansätze der tiagerkörper kann man in unterschiedlichen Querschnitten ausbilden. Vorteilhaft erweisen sich Dreiecks- bzw. Trapezquerschnitte.

Anstelle der ringförmigen Ansätze der Lagerkörper, die an der " Membran angreifen, kann man auch jeweils getrennte ringförmige Lagerkörper an elastischem Material verwenden, die einen unterschiedliche.-Durchmesser besitzen.

Das erfindungsgeiüäße Hohwingungsverhalten der Membran ist insbesondere für elekts akustische Wandler geeignet, bei denen die . Membran mit zumindest einer Schicht eines Materials piezoelektrischer oder piezoresistiver Eigenschaften versehen ist. Derartige Membranen werden auf Grund des Verhaltens der Piezo- schicht auf Biegung beansprucht. Zweckmäßig verwendet man in einem solchen Pail als Membran eine Metallmembran, vorzugsv/eise eine solche aus Sitan. Die Grundschwingung·- einer solchen Membran läßt sich, insbesondere bei den in der Fernsprechtechnik üblichen Abmessungen auf Grund der elastischen Eigenschaften des Membranwerkstoffes in einen geeigneten Bereich legen. Als piezoelektrische oder piezoresistiv© Schicht empfiehlt sich eine Schicht aus Piezokeramik, die insbesondere auf die Membran aufgeklebt sein kann.

Bei einem Wandler der zuvor erwähnten Art läßt sich ein für die Montage und für die Verwendung eines ringförmigen Körpers elastischer Eigenschaften zur Membraneinspannung günstiger Aufbau mit einer im wesentlichen parallel zur Membran verlaufenden, vorsugeweise aus Metall bestehenden Platte erzielen, die mit einem an ihrem Rand vorgesehenen zur Membran gerichteten . · flaneohÄrtigen Ansatz versehen ist« Auf diese Platte kann dann fit'· . ' '

VPA 9/420/5365a 109825/0072 " ⁶ ~

ORIGINAL INSPECTED

der der Einspannung dienende Körper so aufgelegt sein, daß er an der Platte und dem Flansch anliegt.

Im folgenden sei die Erfindung anhand des in den Figuren darge-' 5 stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 im Schnitt ein 'erfindungsgemäß aufgebautes Piezomikrofon, Fig. 2 ebenfalls im Schnitt einen Ausschnitt eines derartigen Mikrofons im Bereich der Membraneinspannung,

Fig. 3 im Schnitt eine erfindungsgemäße Membraneinspannung mit einer Piezomerabran im Zustand der ersten Oberschv/ingung.

Das Mikrofon besitzt eine aus Titan bestehende Membran 1, auf die eiii0 Schicht 2 aus Piezokeramik aufgeklebt ist. Die Membran ist erfindungsgemäß mit Hilfe eines ringförmigen elastischen Körpers 3 aus Silikonkautschuk gehalten. Dieser Körper umgreift den Membranrand mit Iiagerkörpern 4 und 5, die jeweils zwei ringartige Ansätze β und 7 bzw. 8 und 9 besitzen, mit denen sie an der Membran anliegen. Diese Ansätze befinden sich an durch Einschnitt ο 10 und 11 bzv/, 12 und 13 querschnitt sschw.ächeren Stellen der Eagerkörper 4 und 5, die etwa membranartig wirken. Die senkrecht zur Membranebene verlaufende Randfläche 14 der Membran liegt frei in dem elastischen Körper.
25

Der erwähnte Körper ist auf den Membranrand aufgesetzt und mit der Membran auf eine Scheibe 15 mit einem umlaufenden Flansch 16 aufgelegt. Durch die Abdeckung 17 ist die der lagerung der Membran dienende Scheibe an dem Gehäuse 18 gehalten, in dessen unterem Bereich ein Isolierstoff körper 19 eingesetzt ist, der von einem Mittelkontakt 20 durchstoßen ist.

Die Elektroden der Keramikschicht sind mit Anschlüssen 21 und 22 verbunden, die ihrerseits an einen Verstärker 23 angeschlossen sind. Mit 24 ist eine Diode bezeichnet. Der Verstärker und die Diode werden getragen von einem Isolierstoffkörper 25, der an

VPA 9/42O/5365a 109825/0872 - 7 - .

der erwähnten Scheibe befestigt ist.

Die Membran besitzt einen Durchmesser von 43 mm» die Piezoschicht einen solchen von 30 mm bei einer Dicke von 0,15 mm. 5. Die an der Membran anliegenden Ansätze 6 und 7 bzw» 8 und 9 des elastischen Körpers 2 besitzen einen Durchmesser von 41»5 mm bzw. 38 mm.

Die Fig. 2 zeigt einen mit 26 bezeichneten Körper elastischer Eigenschaften, der ähnlich ausgebildet ist v/ie der des Ausführung sbeispiels nach Fig. 1, jedoch die querschnittsschwächenden Einschnitte an den beiden Lagerkörpern 31,"32 nicht enthält. Ee sind auch in diesem Fall vier Ansätze 27 und 28 bzw. 29 und 30 gebildet, die an der Membran angreifen. Sie besitzen einen etwa trapezförinigen Querschnitt.

In Fig. 3, in der ein Lagerkörper L schematiech angedeutet ist, der auf eine?. Membran M mit einer £iezobchicht P aufgesetzt ist, ist gezeigt, in welcher Weise sich die hier ausgenutzte erötö OberSchwingung der Membran ausbildet. Bs zeigt sich, daß sich dem Einspannbereich benachbart im freien !Teil der Membran eine Knotenlinie bildet. Weiterhin ist in der Darstellung erkennbar, daß die Membran bei ihrer Schy/ingung den Lagerkörper deformiert.

17 Patentansprüche
3 Figuren

t VPA 9/420/5365a - - 8 -

109825/08T2

Claims

Patentansprüche

(ι/ Elektroakustischer Wandler, insbesondere Mikrofon für Fernsprechanlagen, mit einer in ihrem Bandbereich eingespannten auf Biegung beanspnihten Membran, dadurch gekennzeichnet , daß in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzband des Mikrofons neben der der Grundschwingung der Membran entsprechenden Resonanzspitze auch zumindest eine einer unterteilten Schwingung der Membran mit einer Schwingungsknotenlinie im freien Teil der Membran entsprechende Resonanzspitze , insbesondere die der ersten unterteilten Schwingung (0,1 Mode) entsprechende enthalten ist„
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Membran (!) zwischen beidseitig an ihr angreifenden elastischen Lagerkörpern (4, . 5, 51» 32) entsprechender Eigenschaften eingespannt ist/
3· Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Lagerkörper (4» 5» 31₅ 32) ein Silikonkautschuk dient*
4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2,. dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig an der Membran angreifenden Lagerkörper (4, 5 bzw. 31? 32) als Ansätze feines den Membranrand umgreifenden Körpers (3 bzw„ 26) aus «lettischem Material ausgebildet sind.
5* Ülektroakuetischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch' β e k e n η ζ e 1 c h net , daß die Membran (1) in den Köippr (3) aus elastischem Material so eingesetzt ist, daß ihfe senkrecht zur Membranebene Verlaufende Handfläche (14) von dem elastischen Körper frei liegt.

VPA 9/480/S₃₆₅. _1O9826/oe72
6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet» daß an den lagerkörpern (4, 5» 31» 32) "beidseitig der Membran (T). auf die Membran v/eisende ringförmige Ansätze (6-9 bzw» 27-30) angeordnet sind, die an der Membran anliegen»
7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei ringförmige Ansätze (6, 7 bzw. 8, 9) an den Lagerkörpern (4» 5) vorgesehen sind, wobei jeweils der ringförmige Ansatz (6, 8) mit dem größeren Durchmesser einen etwas kleineren Durchmesser besitzt als die Membran (l).
8. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Membran (1) angrei^suden Ansätze (6-9) an durch Einschnitte (10-13) in die Lagerköroer (4» 5) gebildeten querschnittsschwächeren membranartig wirkenden Abschnitten derselben vorgesehen sind.
9. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Membran (1) angreifenden Ansätze (6-9) der Lagerkörper (A, 5) einen Dreiecksquerschnitt aufweisen.
10. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1-8» dadurch gekennzeichnet, daß die an der Membran (i) angreifenden Ansätze (27-30) der Lagerkörper (31 j 32) einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.,
11, Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die beidseitig an der Membran angreifenden Lagerkörper jeweils von Ringen unterschiedlichen Durehme&sers aus elastischem Material gebildet sind.

VPA 9/420/5365a - 10 -

109825/087?
12« Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) mit zumindest einer Schicht (2) eines Materials piezoelektrischer oder piezoresistiver Eigenschaften versehen ist.

.
13. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4iund 12, d a durch gek en η ζ ei ohne t , daß die Abmessungen der erwähnten Schicht (2) in der Membranebene so gehalten sind, daß sich die Schwingungsknotenlinie im freien Teil der Membran (1) außerhalb dieser Schicht ausbildet.
14. Elektroakustischer V/andler nach Anspruch 4 und 12, d a durch gekennzei chnet , daß der Körper (3) aus elastischem Material auf einer im wesentlichen parallel zur Membran (1) verlaufenden, vorzugsweise aus Metall bestehenden Platte (15) mit einem an ihrem Rand vorgesehenen zur Membran gerichteten flanschartigen Aufsatz (16) so aufgelegt ist, daß er an der Platte und dem Flansch anliegt»
15. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzei chnet , daß als Membran (1) eine Metallmembran, vorzugsweise eine solche aus Iitan Verwendung findet.
16. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 12, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Schicht (2) von .einer Pieaokeramik gebildet ist.
17. Blektroakus ti scher Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet , daß die Schicht (2) auf die Membran (T) aufgeklebt ist.

₁₀-8β25/0872