DE1961217C3 - Elektroakustischer Wandler, insbesondere Mikrofon für Fernsprechanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Wandler.

Eine der bei der Herstellung elektroakustischer Wandler zu lösenden Aufgaben besteht bekanntlich darin, dafür Sorge zu tragen, daß der Zusammenhang zwischen den akustischen Bestimmungsgrößen des Schallfeldes und den elektrischen Größen des Wandlers im Übertragungsbereich weitgehend frequenzunabhängig ist.

Die Frequenzabhängigkeit des Zusammenhangs zwischen den Bestimmungsgrößen des Schallfeldes und den elektrischen Größen des Wandlers wird insbesondere durch die Frequenzabhängigkeit des aus der Membran und den angekoppelten Lufträumen od. dgl, bestehenden schwingungsfähigen mechanischen Gebildes bestimmt

Die Membranen hochwertiger Schallempfänger, z, B, von Kondensatormikrofonen, sind derart eingespannt und angeordnet, daß die ihrer Grundschwingung entsprechende Resonanzfrequenz weit oberhalb des interessierenden Frequenzbereichs liegt, so daß deshalb

to der Zusammenhang zwischen der Auslenkung der Membran und den Bestimmungsgrößen des Schatifeldes in diesem Frequenzbereich praktisch frequenzunabhängig ist Bei den elektroakustischen Wandlern der Fern-

ts Sprechtechnik ist es dagegen im allgemeinen aus Gründen des Wirkungsgrades nicht möglich, die Eigenresonanzen der Membran außerhalb des interessierenden Frequenzbereichs zu wählen. Um dennoch die Frequenzabhängigkeit des elektroakustischen Übertra gungsfaktors zu verringern, ist es üblich, derartige Wandler mit entsprechend abgestimmten Resonatoren auszurüsten, mit deren Hilfe Resonanzspitzen kompensiert werden. Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektroakusti sehen Wandler mit gesteigerter Empfindlichkeit und mit einem Frequenzgang zu schaffen, bei dem der Amplitudenabfall an der oberen Grenze des für Fernsprechzwecke von etwa 100 bis 35(50 Hz reichenden Übertragungsbereiches, wie er bei bekannten Wandlern zu beobachten ist und der gegebenenfalls mit aufwendigen Mitteln korrigiert werden muß, auf einfache Weise verhindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

Es ist offensichtlich, daß der Frequenzgang eines derartigen Wandlers unter gleichzeitiger Steigerung seines Wirkungsgrads, d.h. seiner Empfindlichkeit innerhalb des interessierenden Frequenzbereichs we· sentlich geringerer Korrekturen etwa durch angekoppelte Resonatoren bedarf als diejenigen elektroakustischen Wandler, deren Membran im interessierenden Frequenzbereich im wesentlichen nur die der Schwingungsmode 0,0 entsprechende Grundschwingung auf-

weist Dies rührt daher, daß bei Wandlern, in denen die durch die Schwingungsmoden 0,1 gekennzeichnete Tcilschwingung nicht innerhalb des interessierenden Frequenzbereichs liegt im oberen Teil des interessierenden Frequenzbereichs ein relativ starker Amplitu- denabfall entsteht, der praktisch nur durch eine entsprechende Dämpfung der der Grundschwingung entsprechenden Resonanzspitze ausgeglichen werden kann.

Die erfindungsgemäße Anordnung gleicht der durch

die deutsche Patentschrift 12 88 146 bekanntgewordenen Anordnung, bei der ebenfalls zwei vergleichsweise energiereiche Resonanzfrequenzen innerhalb des Übertragungsbereichs liegen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die in dieser Patentschrift vorgeschlagene Einspannung der Membran, bei der sich sowohl die der Grundschwingung einer frei aufliegenden als auch die (höherfrequente) Grundschwingung einer fest eingespannten Platte ausbilden soll, außerordentlich schwer zu realisieren ist. Es leuchtet zudem ein, daß die Schwingungsverhältnisse, die sich bei einer derartigen Einspannung, die durch längs ihres ümfangs vorhandene statistische Unregelmäßigkeiten gekennzeichnet ist, nur schwer definierbar und reproduzierbar sind.

Diese Unregelmäßigkeiten werden entweder durch eine schneidenartige Ausbildung eines Lagerkörpers gebildet, wobei die Membran fest gegen die Unebenheiten einer Halterung gedrückt wird, oder durch einen Ring, der in unregelmäßigen Abständen Aufrauhungen aufweist, durch die beispielsweise zwei Höcker oder eine Lagerstelle in Form eines Höckers gebildet werden. Die Möglichkeit der Ausbildung einer frequenzabhängigen Kombination mehrerer Schwingungsmoden ist erwähnt, ohne jedoch bestimmte Ausführungsformen elastischer Lagerung hierfür anzugeben.

Durch die DE-AS 12 26 647 ist es weiterhin bekannt, eine mit einer piezoelektrischen Schicht versehene Membran zwischen zwei elastischen Ringen einzuspannen. In ihrer Randzone, d. h. im Einspannbereich, ist die Membran nicht beschichtet Andere Ausbildungen elastischer Lagerkörper sind in dieser Druckschrift nicht beschrieben.

Weiterhin ist es durch die US-PS 33 31 970 bekannt, eine Membran zwischen schneidenartig auf die Membran weisenden Ansätzen einzelner Klammern zu lagern, die aus Metall bestehen und damit nur beschränkt elastische Eigenschaften aufweisen.

Es ist besonders vorteilhaft, die elastische Membranlagerung durch die im Patentanspruch 2 angegebenen Maßnahmen zu verwirklichen.

Dieser Körper, der dann im wesentlichen an seiner Innenseite die Form eines geschlitzten Ringes aufweist, kann dann auf einfache Weise auf den Membranrand aufgesetzt und mit der Membran in einen Wandler eingebaut werden.

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

Besonders vorteilhaft lassen sich Toleranzen in der Halterung der Membraneinspannung, die üblicherweise durch ein Einklemmen erfolgt, auffangen, wenn man Maßnahmen gemäß Patentanspruch 4 vorsieht

Mit Hilfe der erwähnten elastischen Einspannung gemäß der Erfindung läßt sich erreichen, daß die Membran eine Grundschwingung aufweist, die eine Schwingungsknotenlinie im Bereich der Einspannung besitzt, deren Durchmesser z. B. dem Durchmesser der Membran entspricht, während die der Schwingungsmode 0,1 entsprechende Teilschwingung 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 verformt; das bedeutet, daß die Resonanzspitzen in wünschenswerter Weise abgeflacht werden und daß auch sonstigen auftretenden Resonanzstellen Energie entzogen und dadurch die Frequenzkurve glatter wird. Es wurde bereits erwähnt, daß es bekannt ist (DE-AS 12 26 647), die Randzone der Membran in ihrem Einspannbereich nicht zu beschichten. Durch die dortige Ausbildung der Lagerung ist es jedoch nicht möglich, Teilschwingungen höherer Ordnung nutzbar zu machen.

Weitere Ausgestaltungen und Forbildungen der

Erfindung sind in den übrigen Unteransprüchen gekennzeichnet und werden nachstehend in Verbindung mit den Ausführungsbeispiele darstellenden Figuren beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 im Schnitt ein erfindungsgemäß aufgebautes Piezomikrofon,
Fig.2 ebenfalls im Schnitt einen Ausschnitt eines

ίο derartigen Mikrofons im Bereich der Membraneinspannung,

F i g. 3 im Schnitt eine erfindungsgemäße Membraneinspannung mit einer Piezomembran im Zustand der ersten Oberschwingung.

Das Mikrofon besitzt eine aus Titan bestehende Membran 1, auf die eine 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 Lagerkörpern 4 und 5, die jeweils zwei ringartige Ansätze 6 und 7 bzw. 8 und 9 besitzen, mit denen sie an der Membran anlie _;«n. Diese Ansätze befinden sich an durch Einschnitte iO und ί ί bzw. 12 und 13 querschnittsschwächeren Stellen der Lagerkörper 4 und 5. Die senkrecht zur Membranebene verlaufende Randfläche 14 der Membran liegt frei in dem elastischen Körper.

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 Isolierstoffkörper 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 jn der erwähnten Scheibe befestigt ist

Die Membran besitzt einen Durchmesser von 3 mm, die Piezoschicht einen solchen von 30 mm bei einer Dicke von 0,15 mm. Die an der Membran anliegenden Ansätze 6 und 7 bzw. 8 und 9 des elastischen Körpers 2 besitzen einen Durchmesser von 41,4 bzw. 38 mm.

Die F i g. 2 zeigt einen mit 26 bezeichneten Körper elastischer Eigenschaften, der ähnlich ausgebildet ist wie der des Ausführungsbeispiels nach Fig. I₁ jedoch die

so querschnittsschwächenden Einschnitte an den beiden Lagerkörpern 31, 32 nicht enthält. Es sind auch in diesem Fall vier Ansätze 27 und 28 bzw. 29 und 30 gebildet, die an der Membran angreifen. Sie besitzen einen etwa trapezförmigsn Querschnitt

In F' g. 3, in der ein Lagerkörper L schematisch angedeutet ist, der auf eine Membran M mit einer Piezoschicht P aufgesetzt ist, ist gezeigt in welcher Weise sich die hier ausgenutzte erste Oberschwingung der Membran ausbildet Es 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 Schwingung den Lagerkörper deformiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche;

1. Elektroakustischer Wandler, insbesondere Mikrofon für Fernsprechanlagen, mit einer im Randbereich beidseitig elastisch eingespannten, auf Biegung beanspruchten, mit einer piezoelektrischen Schicht versehenen Membran, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung von Teilschwingungen höherer Ordnung, insbesondere der ersten unterteilten, durch einen Knotenkreis gekennzeichneten Teilschwingung (Schwingungsmode 0,1) neben der Grundschwingung der Membran die Membran (1) zwischen zwei ringförmigen konzentrischen Ansätzen (6, 7, 8, 9, 27, 28, 29, 30) elastischer Lagerkörper (4, 5, 31, 32) von dreiecks- oder trapezförmigem Querschnitt eingespannt ist, wobei jeweils zwei Ansätze (27,29 bzw. 28,32; 7,9 bzw. 6, 8) einander gegenüberliegen.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig an der Membran angreifenden Ansätze Bestandteil eines den Membranrand umgreifenden Körpers (3 bzw. 26) aus elastischem Material sind.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (1) in den Körper aus elastischem Material (3,26) so eingesetzt ist, daß ihre senkrecht zur Merabranebene verlaufende Randfläche (14) von dem elastischen Körper frei liegt

4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Membran (1) ar-greifenden Ansätze (6 bis 9) an durch Einschnitte (10 bis 13) in die Lagerkörper (4, 5) gebildeten querschnittsschwächeren Abschnitten derselben vorgesehen sind.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Lagerkörper (4,5,31,32) ein Silikonkautschuk dient.

6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran (1) eine Metallmembran, vorzugsweise eine solche aus Titan, Verwendung findet

7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Schicht (2) auf die Membran (1) aufgeklebt ist

8. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß dir Abmessungen der piezoelektrischen Schicht (2) in der Membranebene so gewählt sind, daß sich die Schwingungsknotenlinie im freien Teil der Membran (1) außerhalb dieser Schicht ausbildet