DE2125784A1

DE2125784A1 - Elektroakustischer Wandler

Info

Publication number: DE2125784A1
Application number: DE19712125784
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr.rer.nat. 7900 Ulm Börner
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-05-25
Filing date: 1971-05-25
Publication date: 1972-12-07
Also published as: DE2125784B2; DE2125784C3; AU461117B2; AU4225772A

Description

!fElektroakustischer Wandlern Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit wenigstens einer zu mechanischen Schwingungen anregbaren Membran, die in einer vorzugsweise als Gehäuse ausgebildeten Membranhalterung befestigt ist.
Es ist bereits ein als Mikrofon verwendbarer elektroakustischer Wandler bekannt, der mit einer leitfähigen, piezoelekbrisch anregbaren Membran ausgestattet ist, die vorzugswei se zu Biegeschwingungen angeregt werden kann. Die Umwandlung mechanischer in elektrische Schwingungen erfolgt durch eine auf der Membran aufgebrachte piezoelektrische Schicht, die wiederum mit einem als Gegenelektrode zur leitfähigen Membran wirkenden leitfähigen Belag versehen ist. Beim Auftreffen von Schallwellen wird durch Biegeschwingungen der Membran die piezoelektrische Schicht in radialer Richtung gedehnt oder zusammengedrückt. Zugleich führt die Scheibe eine durch die Querkontraktion hervorgerufene Dickenschwingung aus, die bei entsprechender Vorpolarisation der Schicht in eine an der Elektrode anliegende elektrische Wechselspannung gleicher Frequenz umgesetzt werden kann.
Diese Anordnung kann prinzipiell auch zur Erzeugung von Schallwellen beispielsweise in einem Lautsprecher benutzt werden, wobei lediglich eine elektrische Wechselspannung an die Elektroden angelegt werden muß, wodurch in umgekehrter Reihenfolge über die Dickenschwingung der piezoelektrischen Schicht nunmehr eine iegeschwingung der Membran hervorgerufen wird.
Zur Wiedergabe von tiefen Frequenzen durch einen Lautsprecher ist es vorteilhaft, die unterste Elgenfrequenz der lautsprechermembran in die Nähe der tiefsten noch zu übertragenden Frequenz zu legen. Das hat aber zur Folge, daß im oberen Frequenzbereich mit eines ungeheueren Mannigfaltigkeit von Eigenachwingungen zu rechnen ist (Chladnische Klangfiguren).
Da die Membran zudem einen von Luft sehr verschiedenen charakteristischen Schallwiderstand aufweist, ist die Bedämpfung der Membran durch Luft derart schwach, daß diese höheren Eigenschwingungen stark in Erscheinung treten, wenn sie nicht künstlich z. B. durch Lagerung der Membran bedämpft werden. Das hat jedoch zur Folge, daß der Wirkungsgrad solcher Schaliwandler stark vermindert wird. Hinzu kommt, daß die unterschiedliche Anregung benaehbarter Gebiete auf der Membran zu Interferenzen im Schallfeld und zu sehr verästelten und frequenzabhängigen Strahlungscharakteristiken führt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler mit hohem Wirkungsgrad sowie guter Strahlungs- und Frequenzbandcharakteristik anzugehen, bei dem die Ausbildung unerwünschter Eigenschwingungen der Membran bei hohen Frequenzen weitgehend verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelOst, daß auf der Membran elektromechanische Wandler aufgebracht sind, die derart angeordnet und/oder mit elektrischen Verstärkern derart gekoppelt sind, daß die Anregung aller Bereiche der Membran nahezu phasengleich erfolgt.
Die Erfindung soll zunächst anhand der Fig. 1 näher erlEutert werden.
In einem Gehäuse 1 sei eine Metallmembran 2 eingespannt, auf der eine piezoelektrische Schicht 3 und auf dieser wiederum eine Anzahl von Elektroden 4 aufgebracht ist, die durch vorzugsweise geringe Abstände voneinander getrennt sind Weiterhin sind elektrische Verstärker gegebenenfalls in Form integrierter Schaltungen 5 (Fig. 2) vorgesehen, die einzelnen oder in Gruppen zusammengefaßten Wandlern zugeordnet sind. Die Verbindung zwischen den Verstärkern und den Wandlern soll beispielsweise durch Leitungen 6 erfolgen, während die zu Gruppen zusammengefaßten Wandler etwa durch die Leitbahnen 7 untereinander verbunden sind. Auf der Membran sind die Wandler in der Weise angeordnet, daß bei einer entsprechenden Ansteuerung durch die elektrischen Vervon stärker je'creinem Wandler überdeckte Bereich der Membran dem angelegten Wechselstrom phasenstarr folgen muß. Das bedeutet also, daß bei phasengleicher Anregung aller Bereiohe die einfachste Plattenbiegung erzwungen und somit keine Energie in die sonst auftretenden Resonanzen bei höheren Eigenschwingungen eingekoppelt wird. Zugleich wird eine optimale Eintransformation im Hinblick auf die Anpassung aus den Verstärkern in die Wandler erreicht.
Die Wandler können auf den Stellen maximaler Bewegungsamplitude bei-den höheren Eigenresonanzen aufgebracht werden, so daß in einer möglichen Ausführung die Anzahl der Wandler der Anzahl der Bewegungsmaxima entspricht, die bei einer höchsten noch sauber zu übertragenden Frequenz auftreten können. Da bei den weniger hohen Frequenzen jedoch auch in anderen Bereichen der Membran Resonanzstellen auftreten, ist es zweckmäßig, die Verteilung der Wandler auf der Membran in der Weise vorzunehmen, daß die Resonanzstellen eines möglichst großen Frequenzbereiches beeinflußt werden können.
In der Regel ist es hierbei notwendig, zur Ansteuerung elektrische Verstärker vorzusehen, die zumindest teilweise einen voneinander verschiedenen Frequenzgang aufweisen oder aber deren Frequenzgang beeinflußt werden kann. Auch ist es vorteilhaft, eine Kopplung der Verstärker untereinander vorzusehen, wodurch z. B. eine Hervorhebung oder Dämpfung einzelner Bereiche der Membran in Abhängigkeit des Schwingungszustands der Membranbereiche möglich erscheint, was insbesondere bei Verwendung als Mikrofon notwendig sein kann.
Die elektrischen Verstärker können getrennt von der Membran angeordnet sein, interessanter ist es jedoch, die Verstärker ebenso wie die Wandler unmittelbar auf der Membran anzubringen. Durch die Verwendung von integrierten Schaltungen als elektrische Verstärker, die beispielsweise schon den gewünschten Frequenzgang aufweisen und Piezokeramik als Schallwandler, ist es möglich, einen solchen elektroakustischen Wandler mit sehr geringem wirtschaftlichem Aufwand herzustellen.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines elektroakustischen Wandlers in der beschriebenen Art ist es zweckmäßig, die Membran in ein Gehäuse einzubauen. Bekannlich strahlt eine übliche Membran in beiden Richtungen Schall ab, wodurch neben dem Energieverlust, der durch die Abstrahlung in eine unerwünschte Richtung entstet, noch akustische Kurzschlüsse entstehen, die zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads beitragen.
In Fig. 3 ist eii Gehause aufgezeichnet, durch das diese Nachteile vermieden werden. Die Membran 2 ist auf ein hermetisch abdichtendes Gehäuse 1 aufgebracht, das eine Schallabstrahlung der Membran entgegen der Pfeilrichtung verhindert. Durch eine Evakuierung des Gehäuses vorzugsweise auf einen Drucks Tor, ist es möglich, eine Erhöhung des Wirkungsgrades um etwa den Faktor 2 zu erzwingen.

Claims

P a t e nt a ns pr ü c h e

(I/ Elektroakustischer Wandler mit wenigstens einer zu mechanischen Schwingungen anregbaren Membran, die in einer vorzugsweise als Gehäuse ausgebildeten Membranbalterung befertigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Membran elektromechanische Wandler aufgebracht sind, die derart angeordnet und/oder mit elektrischen Verstärkern derart gekoppelt sind, daß die Anregung aller Bereiche der Membran nahezu phasengleich erfolgt.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verstärker einzelnen oder in Gruppen zusammengefaßten elektromechanischen Wandlern zugeordnet sind.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verstärker einen zumindest teilweise voneinander verschiedenen Frequenz gang aufweisen.
4. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch geennzeichnet, daß die elektrischen Verstärker untereinander ggf. frequenzabhängig gekoppelt sind.
5. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler piezoelektrische Wandler sind, die aus im wesentlichen parallel zur Membranebene liegenden piezoelektrisch wirksamen Schichten mit darauf angeordneten Elektroden bestehen.
6. Elektroakusttscher Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran elektrisch leitfähig ist.
7. Elektroakustischer Wand 1er nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf einer Seite der Membran aufgebracht sind,
8.Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf beiden Seiten der Membran aufgebracht sind.
9. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die gegenseitigen Abstände der Wandler in der Membran klein gegen die Abmessungen der Elektroden in dieser Ebene sind.
10. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler untereinander und/oder mit den elektrischen Verstärkern durch dünne Drähte verbunden sind.
11. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler untereinander und/oder mit den elektrischen Verstärkern durch in der Membranebene verlaufende Leitbahnen verbunden sind.
12. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler mit getrennt von der Membran angeordneten vorzugsweise am Gehäuse angebrachten elektrischen Verstärkern gekoppelt sind.
13. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler mit auf der Membran angebrachten vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik hergestellten elektrischen Verstärkern gekoppelt sind.
14. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran derart in das Gehäuse eingebaut ist, daß ein akustischer Kurzschluß zwischen Vorder- und Rückseite der Membran weitgehend verhindert wird.
15. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeohnet, daß der von Gehäuse und Membran umschlossene Raum evakuiert ist.
16. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mikrofon.
17. Elektroakustischer Wandler nach einem leder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung als Lautsprecher.