DE2125784C3 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

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, 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 leiifähigcn 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

■to Wechselspannung gleicher Frequenz umgesetzt werden kann.

Diese Anordnung kann prinzipiell auch zur Erzeugung von Schallwellen beispielsweise in einem Lautsprecher benutzt werden, wobei lediglich eine clektrisehe 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 liefen Frequenzen durch einen Lautsprecher ist es vorteilhaft, die unterste Eigenfrequenz der Laui'sprechcrmcmbran in die Nähe der tiefsten noch zu übertragenden Frequenz zu legen. Das hat aber zur Folge, daß im oberen Frequenzbereich mit einer ungeheueren Mannigfaltigkeit von Eigenschwingungen zu rechnen ist (Chladnischc Klangfiguren). Da die Membran zudem einen von Luft sehr verschiedenen charakteristischen Schallwiderstand aufweist, ist die Bcdämpfung der Membran durch Luft derart schwach.

so daß diese höheren Eigenschwingungen stark in Erscheinung treten, wenn sie nichl künstlich /.. B. durch Lagerung der Membran bedampft werden. Das hai jedoch zur Folge, daß der Wirkungsgrad solcher Schallwandlcr stark verminderl wird. Hinzu kommt, dall

f>5 die unterschiedliche Anregung benachbarter Gebiete auf der Membran zu Interferenzen im Schaltfeld und zu sehr verästelten und frequenzabhängigen Strahlungscharakteristiken führt.

Aus der DE-OS |9 13 979 ist ein Lautsprecher bekannt, auf dessen Oberfläche eine Vielzahl piezoelektrischer Planchen angeordnet ist. Diese sind Ober 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 Antriebselenienten in gleicher Weise zugeführt wird. Ein Teil der Energie geht dabei durch Einkopplung in unerwünschte Resonanzen verloren, wodurch der Gesamtwirkungsgrad verringert und die StrahlungE- und Frequenzbandcharakteristik 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 Membraofläche eingebracht. Abgesehen davon, daß diese Membranbereich auch die Ausbildung der Schwingungsformen, welche den tiefen Frequenzen zuzuordnen sind, negativ beeinflussen, können damit auch keine unerwünschten Eigenschwingungen \interdrückt oder zumindest gedämpft werden.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler mit einem gegenüber bekannten Wandlern höheren Wirkungsgrad, sowie besserer Strahlungs- und Frequenzbandcharakteristik anzugeben, bei dem die Ausbildung unerwünschter Eigenschwingungen der Membran bei hohen Frequen- so zen weitgehend verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der Membran clekiromechanische 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.

Die Erfindung soll zunächst anhand der Fig. 1 näher erläutert 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 iM. die durch vorzugsweise geringe Abslände voneinander getrennt sind. Weiterhin sind elektrische Verstärker gegebenenfalls in Form integrierter Schaltungen 5 (Fig. 2) vorgesehen, die einzelncn oder in Gruppen zusammengefaßten Wandlern zugeordnet sind. Die Verbindung /wischen 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 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 eingekoppeli 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 notwend^,. 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 Jer 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. Bekanntlich strahlt eine übliche Membran in beiden Richtungen Schall ab. wodurch neben dem Energicvcrlust, 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 hermelisch abdichtendes Gehäuse 1 aufgebracht, das eine Schallabstrahlung der Membran entgi.-gei. eier Pfeilrichtung verhindert. Durch eine Evakuierung des Gehäuses vorzugsweise auf einen Druck von < 10 Torr, ist es möglich, eine Erhöhung des Wirkungsgrades um etwa den Faktor 2 zu erzwingen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (15)

Patentansprüche;

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 I, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Verstärker untereinander 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, daß die Wandler auf einer Seite der Membran aufgebracht sind.

6. Elektroakustischer Wondlcr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4. iadurch gekennzeichnet, daß die Wandler auf beiden Seilen der Membran aufgebracht sind.

7. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 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 I 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 I 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 I bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromechanischen Wandler mit auf der Membran angebrachten vorzugsweise in integrierter Schallungstechnik hergestellten elektrischen Verstärkern gekoppelt sind.

12. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis II, dadurch gekennzeichnet, 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 I bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der von Gehäuse und Membran umschlossene Raum evakuiert ist.

14. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung als Mikrofon.

15. Elektroakustischer Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung als Lautsprecher.