DE2125784B2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents
Elektroakustischer WandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit wenigstens einer ?u 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
leilfähigen, piezoelektrisch anregbaren Membran ausgestattet ist, die vorzugsweise 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
J5 Schicht in radialer Richtung gedehnt oder zusammengedrückt.
Zugleich führt die Scheibe eine durch die Querkontraktion hervorgerufene Dickenschwing-ing
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 L.auisprecher
benutzt werden, wobei lediglich eine elektrisehe Wechselspannung an die Elektroden angelegt
werden muß, wodurch in umgekehrter Reihenfolge über die Dickenschwingung der piezoelektrischen Schicht
nunmehr eine Biegeschwingung der Membran hervorgerufen wird.
Zur Wiedergabe von tiefen Frequenzen durch einen Lautsprecher ist es vorteilhaft, die unterste Eigenfrequenz
der Laufsprechermembran in die Nähe der tiefsten noch zu übertragenden Frequenz zu legen. Das
hat aber zur Folge, daß im oberen Frequenzbereich mit einer ungeheueren Mannigfaltigkeil von Eigenschwingungen
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 bedampft werden. Das hat jedoch zur Folge, daß der Wirkungsgrad solcher
Schallwandler stark vermindert wird. Hinzu kommt, daß die unterschiedliche Anregung benachbarter Gebiete
auf der Membran zu Interferenzen im Schallfeld und zu sehr verästelten und frequenzabhängigen Strahlungscharakteristiken führt.
Aus der DE-OS 19 13979 ist ein Lautsprecher bekannt, auf dessen Oberfläche eine Vielzahl piezoelektrischer
Plättchen angeordnet ist. Diese sind über einen Verbindungsleiter mit Ausgangsleitungen eines Verstärkers
verbunden, um die piezoelektrischen Plättchen in Phase zu erregen. Bei dieser Ansteuerung können
jedoch ebenfalls unerwünschte Eigenschwingungen angeregt werden, da die elektrische Energie allen
piezoelektrischen Antriebselementen in gleicher Weise zugeführt wird. Ein Teil der Energie geht dabei durch
Einkopplung in unerwünschte Resonanzen verloren, wodurrii der Gesamtwirkungsgrad verringert und die
Strahlungs- und Frequenzbandchaiakteristik verschlechtert
wird.
Aus der US-PS 17 43 767 ist schließlich eine Membran
bekannt, welche mehrere konisch ausgebildete Membranbereiche aufweist. Diese Bereich sind zum Zwecke
einer besseren Abstrahlung der höheren Frequenzen in die Membranfläche eingebracht. Abgesehen davon, daß
diese Membranbereich auch die Ausbildung der Schwingungsformen, welche den tiefen Frequenzen
zuzuordnen sind, negativ beeinflussen, könn'-n damit
auch keine unerwünschten Eigenschwingungen unterdrückt oder zumindest gedämpft werden.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustisch^ Wandler mit einem gegenüber
bekannten Wandlern höheren Wirkungsgrad, sowie besserer Strahlungs- und Frequenzbandcharakteristik
anzugeben, bei dem die Ausbildung unerwünschter Eigenschwingungen der Membran bei hohen Frequenzen
weitgehend verhindert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Membran elektro.-nechanische Wandler
aufgebracht sind, die derart angeordnet unu/oder mit elektrischen Verstärkern derart gekoppelt sind, daß die
Anregung aller Bereiche der Membran nahe/u phasengleich erfolgt, daß die elektrischen Verstärker einzelnen
oder in Gruppen zusammengefaßten elektromechanischen Wandlern zugeordnet sind, und daß die
elektrischen Verstärker zumindest teilweise voneinander verschiedenen Frequenzgang aufweisen.
Die Erfindung soll zunächst anhand der F i g. 1 näher erläutert werden.
In einem Gehäuse I 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 /wischen den
Verstärkern und den Wandlern soll beispielsweise durch Leitungen 6 erfolgen, während die zu Cruppen
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
Verstärker jeder von einem Wandler überdeckte Bereich der Membran dem angelegten Wechselstrom
phasenstarr folgen .muß. Das bedeutet also, daß bei phasengleicher Anregung aller Bereiche 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 Membrjn Resonanzstellen auftreten, ist es zweckmäßig, die Verteilung der
Wandler auf der Membran in der Weise vorzunehmen, daß die Resonanzstellen eines rr'glichst groüen
ι rvviiii Uli.
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 \ erstärker
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 nut sehr geringem
wirts -haftlichem Aufwand herzustellen.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads eines elektroakustischen Wandlers in der beschriebenen Art ist es
zweckmäßig, die Membran in ein Gehäuse einzubauen. Bekanntlich strahlt eine übliche Membran in beiden
Richtungen Schall ab. wodurch neben dem Energien crlust,
der durch die Abstrahlung in eine unerwünschte Richtung entsteht, noch akustische Kurzschlüsse entstehen,
die zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads beitragen.
In Fig. 3 ist ein Gehäuse aufgezeichnet, durch das diese Nachteile vermieden werden. Die Membran 2 ist
auf eine hermetisch abdichtendes Gehäuse 1 aufgebracht, das eine Schallabstrahlung der Membran
entgegen der Pfeiinchting verhindert. Di.reh eine
Evakuierung des Gehäuses vorzugsweise auf einen Druck von < 10 Torr, ist es möglich, eine Erhöhung des
Wirkungsgrades um etwa den Faktor 2 /11 erzwingen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Elektroakustischer Wandler mit wenigstens einer zu mechanischen Schwingungen anregbaren
Membran, die in einer vorzugsweise als Gehäuse ausgebildeten Membranhalterung befestigt ist, d a durch
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, daß die elektrischen Verstärker
einzelnen oder in Gruppen zusammengefaßten elektromechanischen Wandlern zugeordnet sind,
und daß die elektrischen Verstärker zumindest teilweise voneinander verschiedenen Frequenzgang
aufweisen.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen
Verstärker entereinander ggf. frequenzabhängig gekoppelt sind.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, 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.
4. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran elektrisch leitfähig ist.
5. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
da3 die Wa.idler tjf einer Seite der
Membran aufgebracht sinJ.
6. Elektroakustischer Wandler ,lach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf beiden Seiten der
Membran aufgebracht sind.
7. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die gegenseitigen Abstände der Wandler in der Membran klein gegen die Abmessungen
der Elektroden in dieser Ebene sind.
8. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandler untereinander und/oder mit den elektrischen Verstärkern durch dünne
Drähte verbunden sind.
9. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandler untereinander und/oder mit den elektrischen Verstärkern durch in der
Membranebene verlaufende Leitbahnen verbunden sind.
10. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektromechanischen Wandler mit getrennt von der Membran angeordneten vorzugsweise
am Gehäuse angebrachten elektrischen Verstärkern gekoppelt sind.
11. Elektroakustischer Wandler nach einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler mit
auf der Membran angebrachten vorzugsweise in integrierter Schaltungstechnik hergestellten elektrischen
Verstärkern gekoppelt sind.
12. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis II, dadurch gekenn-
zeichnet, daß die Membran derart in das Gehäuse eingebaut ist, daß ein akustischer Kurzschluß
zwischen Vorder- und Rückseite der Membran weitgehend verhindert wird.
13. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet,
daß der von Gehäuse und Membran umschlossene Raum evakuiert ist
14. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet
durch die Verwendung als Mikrofon.
15. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet
durch die Verwendung als Lautsprecher.
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Cited By (1)
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DE3433373A1 (de) * | 1984-09-12 | 1986-03-20 | Michael 2000 Wedel Jureczek | Elektroakustischer wandler mit piezoelektrischen elementen |
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- 1971-05-25 DE DE19712125784 patent/DE2125784C3/de not_active Expired
-
1972
- 1972-05-15 AU AU42257/72A patent/AU461117B2/en not_active Expired
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DE3433373A1 (de) * | 1984-09-12 | 1986-03-20 | Michael 2000 Wedel Jureczek | Elektroakustischer wandler mit piezoelektrischen elementen |
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DE2125784A1 (de) | 1972-12-07 |
AU4225772A (en) | 1973-11-22 |
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