DE2318027A1 - ACOUSTIC CONVERTER WITH A PIEZOELECTRIC DRIVER - Google Patents
ACOUSTIC CONVERTER WITH A PIEZOELECTRIC DRIVERInfo
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Description
DR.-ING. HANS LEYHDR.-ING. HANS LEYH
München 71, 9. April 1973 Melchloretr. 42 Munich 71, April 9, 1973 Melchloretr. 42
Uneer Zeichen: M068P/G-98V5Uneer symbol: M068P / G-98V5
Motorola, Inc. 94-01 West Grand Avenue Franklin Park. Illinois V.St.A.Motorola, Inc. 94-01 West Grand Avenue Franklin Park . Illinois V.St.A.
Akustischer Wandler mit einem piezoelektrischen TreiberAcoustic transducer with a piezoelectric driver
Die Erfindung "betrifft einen akustischen Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie und umgekehrt, mit einem im wesentlichen flachen piezoelektrischen Element, das auf seinen Hauptflächen mit Elektroden zur Erregung als planarer Biegeschwinger belegt ist, und mit einer konisch geformten Membran.The invention "relates to an acoustic transducer for conversion electrical energy into acoustic energy and vice versa, with a substantially flat piezoelectric Element that is covered on its main surfaces with electrodes for excitation as a planar flexural oscillator, and with a conically shaped membrane.
Es ist bekannt, akustische Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie und umgekehrt zu verwenden. Dabei kann ein piezoelektrisches Element als Treiber benutzt werden, wobei dieses piezoelektrische Element Verbiegungen einer bestimmten Art in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Energie erfährt bzw. ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der mechanischen Verbiegung des piezoelektrischen Elementes liefert. Ein solcher akustischerIt is known to use acoustic transducers to convert electrical energy into acoustic energy and vice versa. A piezoelectric element can be used as a driver, this piezoelectric element bending of a certain type depending on the applied electrical energy or an electrical one Provides signal as a function of the mechanical deflection of the piezoelectric element. Such an acoustic one
Fs/wi Wandler Fs / wi converter
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M068P/G-98V5M068P / G-98V5
Wandler kann also sowohl in der einen wie auch in der anderen Richtung zum Umwandeln der Energie benutzt werden. Häufig finden derartige akustische Wandler als Lautsprecher Verwendung, um elektrische Energie in Schallenergie umzuwandeln. Für derartige Lautsprecher ist es besonders wünschenswert, einen Wandler mit einem flachen Übertragungsfrequenzgang über die gesamte gewünschte Bandbreite zu haben; d.h. alle Schallfrequenzen zwischen zwei Grenzfrequenzen sollen möglichst in gleicher Amplitude erzeugt werden. Da das piezoelektrische Element, ein mechanischer Schwinger ist, treten spezielle Resonanzfrequenzen auf, die der Grundschwingung,dem ersten Oberton, dem zweiten Oberton usw. zugeordnet sind. Bei diesen Resonanzfrequenzen entstehen Resonanzüberhöhungen, so dass das Ausgangssignal bei diesen Frequenzen wesentlich ansteigt.Converter can be used in either one or the other Direction to be used to transform the energy. Such acoustic transducers are often used as loudspeakers, to convert electrical energy into sound energy. For loudspeakers of this type it is particularly desirable to have a converter with a flat transmission frequency response over the entire desired bandwidth; i.e. all sound frequencies The same amplitude should be generated between two cut-off frequencies as far as possible. Since the piezoelectric Element, which is a mechanical oscillator, occur special resonance frequencies assigned to the fundamental, the first overtone, the second overtone, etc. With these Resonance frequencies result in resonance peaks, so that the output signal increases significantly at these frequencies.
Bei bekannten akustischen Wandlern wird das Abflachen des Ubertragungsfrequenzganges durch die spezielle Ausgestaltung der elektrischen Schaltung bewirkt, mit der der Wandler angesteuert wird. Es ist auch bekannt, bei gewissen Frequenzen eine Dämpfung durch die besondere Ausgestaltung des Gehäuses und die Grosse der einzelnen Komponenten vorzusehen. Diese Lösungen sind jedoch unbefriedigend, da sie nur begrenzt anwendbar sind. Wenn man mit Hilfe dieser Lösungen wirklich gute Ergebnisse erzielen will, wird die Ausgestaltung, d.h. die Formgebung des akustischen Wandlers extrem kompliziert und teuer, wobei sie nur für einen ganz bestimmten akustischen Wandler die volle gewünschte Wirksamkeit bringt.In known acoustic transducers, the flattening of the transmission frequency response is due to the special design the electrical circuit with which the converter is controlled. It is also known at certain frequencies to provide damping through the special design of the housing and the size of the individual components. These However, solutions are unsatisfactory because they can only be used to a limited extent. If you can really use these solutions wants to achieve good results, the design, i.e. the shape of the acoustic transducer becomes extremely complicated and expensive, whereby it brings the full desired effectiveness only for a very specific acoustic transducer.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen akustischen Wandler zu schaffen, der ein piezoelektrisches Element als Treiber aufweist und bezüglich seines UbaAragungsfrequenzganges innerhalb des gewünschten Bandes im wesentlichen einen flachen Verlauf zeigt.The invention is therefore based on the object of an acoustic To create a transducer that has a piezoelectric element as a driver and with respect to its UbaAragungsfrequenzganges is essentially flat within the desired band.
- 2 - Diese- 2 - This
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M068P/G-98V5M068P / G-98V5
Diese Aufgabe wird gemäss Anspruch 1 erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass während der planeren Biegeschwingung zumindest eine einem ersten Oberton der Grundschwingung zugeordnete Knotenlinie in den Hauptflächen verläuft, dass die Membran einen pyramidenstumpfförmigen Scheitel mit im wesentlichen kreisförmiger Fläche aufweist, deren Durchmesser kleiner als der Abstand der Knotenlinien des ersten Obertones ist, und dass die Scheitelfläche der Membran fest mit dem piezoelektrischen Element im wesentlich zentrisch innerhalb der Knotenlinien des ersten Obertons verbunden ist.This object is achieved according to the invention according to claim 1 solved that during the planar flexural oscillation at least one associated with a first overtone of the fundamental oscillation Nodal line in the main surfaces runs that the membrane has a truncated pyramidal vertex with essentially has a circular area, the diameter of which is smaller than the distance between the nodal lines of the first overtone, and that the apex of the membrane firmly with the piezoelectric element essentially centric within the nodal lines of the first overtone.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen. IFurther features and refinements of the invention are the subject matter of further claims. I.
Die Merkmale der Erfindung werden besonders vorteilhaft bei einem akustischen.Wandler verwirklicht, bei dem ein piezoelektrisches Element als planarer Biegeschwinger schwingt und einem ers4"3n Obertön zugeordnete Knotenlinien aufweist, die auf einer Hauptfläche des piezoelektrischen Elementes verlaufen. Mit einer Hauptfläche des piezoelektrischen Elementes, und zwar im wesentlichen im Zentrum innerhalb der ersten Knotenlinie ist der pyramidenstumpfförmige Scheitel einer Membran verbunden, wobei die Verbi'ndungsfläche im wesentlichen kreisförmig ist. Der Abstand der Knotenlinie des ersten Obertons ist genügend weit von dem pyramidenstumpfförmigen Scheitel der Membran entfernt, um die Amplitude des Ausgangssignals mit der Frequenz des ersten Obertons im wesentlichen gleich der Amplitude des Ausgangssignals der Grundschwingung zu machen. Auf der der Membran gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Elementes ist ein Dämpfungselement angebracht, um die Frequenz der Grundschwingung des piezoelektrischen Elementes weiter abzusenken und die Überhöhungen bei der Grundschwingung und dem ersten Oberton dämpfend zu beeinflussen.The features of the invention are implemented particularly advantageously in an acoustic transducer in which a piezoelectric element vibrates as a planar flexural oscillator and has nodal lines assigned to an ers 4 "3n overtones which run on a main surface of the piezoelectric element. With a main surface of the piezoelectric element, The truncated pyramidal vertex of a membrane is connected essentially in the center within the first nodal line, the connecting surface being essentially circular The output signal with the frequency of the first overtone is essentially equal to the amplitude of the output signal of the fundamental oscillation to lower the piezoelectric element further and to dampen the peaks in the fundamental and the first overtone.
- 3 - Die - 3 - The
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V M068F/G-98V?V M068F / G-98V?
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination die Erfindung kennzeichnenden Ansprüchen und -der Zeichnung. Es zeigen:The advantages and features of the invention also result from the following description of an embodiment in connection with both individually and in each any combination of claims and drawings characterizing the invention. Show it:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen akustischen Wandler gemäss der Erfindung;1 shows a section through an acoustic transducer according to the invention;
Fig. 2a eine Draufsicht auf einen piezoelektrischen Treiber mit eingezeichneten Knotenlinien; >2a shows a plan view of a piezoelectric driver with nodal lines drawn in; >
b eine Seitenansicht des piezoelektrischen Treibers mit den eingezeichneten Knotenbereichen für die Grundschwingung;b a side view of the piezoelectric driver with the indicated node areas for the Fundamental oscillation;
c eine Seitenansicht des piezoelektrischen Treibers mit eingezeichneten Knotenbereichen für eine Oberschwingung; c shows a side view of the piezoelectric driver with indicated node areas for a harmonic;
d den pyramidenstumpfförmigen Scheitel einer Membran;d the truncated pyramidal vertex of a membrane;
Fig. 3 eine graphische Darstellung des Frequenzverlaufes eines akustischen Wandlers, wobei die ausgezogene Kurve den Verlauf bei einem bekannten und die gestrichelte Kurve den Verlauf bei einem akustischen Wandler gemäss der Erfindung angeben;3 shows a graphic representation of the frequency curve of an acoustic transducer, the solid curve showing the course for a known one and the dashed curve Curve indicate the course in an acoustic transducer according to the invention;
Fig. 4 einen Teilschnitt durch den piezoelektrischen Treiber mit einem mit diesem verbundenen Dämpfungselement ; 4 shows a partial section through the piezoelectric driver with a damping element connected to this;
Fig. 5 eine vergrösserte Teilansicht des Dämpfungselemen- * tes.Fig. 5 is an enlarged partial view of the damping element * tes.
In den einzelnen Figuren der nachfolgenden Beschreibung ist ein piezoelektrisiier Wandler 10 dargestellt, der zur Energieumwandlung bei elektrischer und mechanischer Erregung dienenIn the individual figures of the following description, a piezoelectric transducer 10 is shown, which is used for energy conversion serve for electrical and mechanical excitation
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$ M068P/G-98V5 $ M068P / G-98V5
kann. Als Anwendungsfall kommen Lautsprecher, Schallempfänger usw. in Betracht. Der Wandler IO hat ein Gehäuse 11, das eine topfförmige Vertiefung aufweist, in welcher eine grundsätzlich konisch geformte Membran 13 längs ihrer Aussenkanten befestigt ist. Diese Membran IJ ist mit einem pyramidenstumpfförmigen Scheitel versehen, an welchem ein piezoelektrischer Treiber 15 befestigt ist. Dieser piezoelektrische Treiber besteht aus dem eigentlichen piezoelektrischen Element 16 und einem Dämpfungselement 17· Der Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers, wobei der piezoelektrische Treiber direkt mit der Membran verbunden und von dieser allein gehalten wird, ist in der US-PS 3 5^8 116 beschrieben.can. Loudspeakers, sound receivers, etc. are possible applications. The converter IO has a housing 11 which has a pot-shaped recess in which a basically conically shaped membrane 13 is attached along its outer edges. This membrane IJ is provided with a truncated pyramid-shaped apex to which a piezoelectric driver 15 is attached. This piezoelectric driver consists of the piezoelectric element 16 and a damping element 17 · The operation of a piezoelectric transducer, wherein the piezoelectric driver is directly connected to the diaphragm and held by this alone is described in the US-PS 3 5 ^ 8 116th
Bei diesem bekannten Aufbau ist der Scheitel der konisch geformten Membran mit dem Zentrum des piezoelektrischen Elementes verbunden, wobei sich für den Wandler ein Frequenzverlauf entsprechend der ausgezogenen Linie gemäss Fig. 3 ergibt. Dieser Frequenzverlauf gilt grundsätzlich und kann sich etwas in Abhängigkeit von der Wandlerausführung ändern. Das erste Maximum für das Ausgangssignal liegt etwa bei 1 kHz und ist mit 20 bezeichnet. Dieses Maximum wird primär durch eine Zentrumsresonanz des Treibers ausgelöst, d.h. bei einem Resonanzverhalten, das aufgrund der Verbindung einer verhältnismässig steifen Membran mit dem Zentrum des Treibers entsteht. Die Resonanz des Treibers wird auf die Membran durch eine leichte axiale Bewegung der Membran und des Treibers im Verbindungspunkt übertragen. Ein zweites Maximum 21 liegt bei etwa 5 kHz und wird primär durch die Grundquellenresonanz des piezoelektrischen Elementes 16 erzeugt. Ein drittes Maximum 22 bei etwa 19 kHz entsteht primär aufgrund einer dem ersten Oberton zugeordneten Resonanz des piezoelektrischen Elementes 16.In this known construction, the apex is the conical one Diaphragm connected to the center of the piezoelectric element, with a frequency curve for the transducer corresponding to the solid line in FIG. 3 results. This frequency curve is fundamentally valid and can change something change depending on the converter version. The first maximum for the output signal is around 1 kHz and is denoted by 20. This maximum is primarily triggered by a center resonance of the driver, i.e. with a resonance behavior, which arises due to the connection of a relatively stiff membrane with the center of the driver. the Resonance from the driver is transmitted to the diaphragm by a slight axial movement of the diaphragm and the driver at the connection point. A second maximum 21 is around 5 kHz and is generated primarily by the fundamental source resonance of the piezoelectric element 16. A third maximum 22 at around 19 kHz occurs primarily due to a resonance of the piezoelectric element associated with the first overtone 16.
In Fig. 2 ist das scheibenförmig ausgebildete piezoelektrische Element 16 in einer Draufsicht dargestellt. Das ElementIn Fig. 2, the disk-shaped piezoelectric element 16 is shown in a plan view. The element
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kann als flache Scheibe jede beliebige Form annehmen, bei welcher die Scheibe Biegeschwingungen ausführen kann, d.h. sich längs mehr als einer Achse verbiegen oder verspannen kann. Dementsprechend kann das piezoelektrische Element 16 quadratisch oder auch unregelmässig gestaltet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch der Einfachheit halber von einer runden Scheibe ausgegangen.can assume any shape as a flat disk in which the disk can perform flexural vibrations, i.e. can bend or distort along more than one axis. Accordingly, the piezoelectric element 16 square or irregular. In the present embodiment, however, simplicity is concerned half assumed a round disc.
Bei der Grundresonanzfrequenz verbiegt sich das piezoelektrische Element 16 längs jeder Durchmesserebene, wie aus Fig. 2b hervorgeht. Während der ersten Halbschwingung biegt sich das Zentrum nach oben und der Eandbereich nach unten entsprechend der gestrichelten Linie 25 aus, wogegen die Scheibe während der zweiten Halbwelle die mit der gestrichelten Linie 26 dargestellte Verformung annimmt. Jedem Durchmesser sind zwei Knoten zugeordnet, in welchen die Scheibe keine axiale Bewegung ausführt. Da das piezoelektrische Element 16 diese Verformung in jeder Durchmesserebene ausführt, entsteht eine kreisförmige Knotenlinie 27, die sowohl die obeie als auch die untere Hauptfläche des Elementes 16 erfasst.At the fundamental resonance frequency, the piezoelectric element 16 bends along each diameter plane, as if from Fig. 2b can be seen. During the first half oscillation it bends the center upwards and the edge area downwards according to the dashed line 25, whereas the Disk assumes the deformation shown by the dashed line 26 during the second half-wave. Each Diameters are assigned to two nodes in which the disk does not perform any axial movement. Since the piezoelectric Element 16 carries out this deformation in every diameter plane, a circular nodal line 27 is created, both the top and bottom major surfaces of the element 16 recorded.
In Fig. 2c ist in derselben Weise wie in Fig. 2b die Bewegung des piezoelektrischen ELementes bei einer dem ersten Oberton zugeordneten Resonanzfrequenz dargestellt. Da dieser erste Oberton eine höhere Frequenz hat, entstehen zwei konzentrisch gelegene kreisförmige Knotenlinien 28 und 29 auf den Hauptflächen des piezoelektrischen Elementes 16. Die Knotenlinie 29 liegt konzentrisch zur Knotenlinie 27 im Innern dieser Knotenlinie, die durch die Grundfrequenz bestimmt ist. Wie man aus dem Vergleich der Darstellungen gemäss Fig. 2b und 2c entnehmen kann, ist die axiale Bewegung des piezoelektrischen ELementes 16 bei der Grundfrequenz im wesentlichen konstant über den gesamten Bereich,der von der Knotenlinie 29 umfasst wird. Da aadererseits der BetragIn Fig. 2c, in the same way as in Fig. 2b, the movement of the piezoelectric element is in one of the first The resonance frequency assigned to the overtone is shown. Since this first overtone has a higher frequency, two are created concentric circular nodal lines 28 and 29 on the main surfaces of the piezoelectric element 16. Die Node line 29 is concentric to node line 27 in Inside this nodal line, which is determined by the fundamental frequency. How to get from comparing the representations according to Fig. 2b and 2c can be seen, is the axial movement of the piezoelectric element 16 at the fundamental frequency substantially constant over the entire range, which is from the knot line 29 is included. On the other hand, the amount
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der Auslenkung des piezoelektrischen Treibers 15 den Betrag der Auslenkung der Membran 13 bestimmt und damit des Ausgangssignals, wird durch die Verbindung der Membran in einem konzentrisch zu den Knotenlinien 27, 28 und 29 liegenden Punkt, wie dies beim bekannten Stand der Technik üblich ist, für alle Frequenzen ein maximales Ausgangssignal abgegeben, so dass sich ein Frequenzgang entsprechend der ausgezogenen Linie gemäss Fig. 3 ergibt.the deflection of the piezoelectric driver 15 determines the amount of deflection of the diaphragm 13 and thus the output signal, is due to the connection of the membrane in a concentric to the node lines 27, 28 and 29 lying Point, as is usual in the known prior art, emitted a maximum output signal for all frequencies, so that a frequency response corresponding to the solid line according to FIG. 3 results.
In Fig. 2d ist ein Teil der Membran 13 mit einem pyramidenstumpf förmigen Scheitel dargestellt, der durch die pyramidenstumpfförmige Ausbildung einen grundsätzlich kreisförmigen Bereich bildet, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Knotenlinie 29 ist. Wenn der Durchmesser dieser Scheite!fläche der Membran 13 gleich dem Durchmesser der Knotenlinie 29 ist, wird der erste Oberton im wesentlichen unterdrückt, da die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 16 für den ersten Oberton in diesem Bereich O ist. Durch die Ausgestaltung der Membran 13 derart, dass der Durchmesser der Scheitelfläche grosser als ein Punkt, jedoch kleiner als der Durchmesser der Knotenlinie 29 ist, lässt sich das Ausgangssignal auf der Frequenz des ersten Obertons (Maximum 22) soweit verringern, dass es etwa der Amplitude des dem Maximum der Grundschwingung (Maximum 21) zugeordneten Ausgangssignals entspricht. Da der zweite Oberton wesentlich über dem ersten Oberton und jenseits des Frequenzganges von akustischen Wandlern liegt, besteht keine Notwendigkeit, diesen Oberton zu berücksichtigen.In Fig. 2d a part of the membrane 13 is shown with a truncated pyramid-shaped apex, which by the truncated pyramid Training forms a basically circular area, the diameter of which is smaller than the diameter the knot line 29 is. If the diameter of this log surface of the membrane 13 is equal to the diameter of the Node line is 29, the first overtone becomes essentially suppressed, since the axial deflection of the piezoelectric element 16 for the first overtone is O in this range. By designing the membrane 13 in such a way that the diameter of the apex surface is larger than a point, but smaller than the diameter of the nodal line 29, the output signal can be at the frequency of the first overtone (Maximum 22) so far that it is approximately the amplitude of the maximum of the fundamental oscillation (maximum 21) assigned Output signal. Since the second overtone is significantly above the first overtone and beyond the frequency response of acoustic transducers, there is no need to take this overtone into account.
In Fig. 4 ist ein Teilschnitt durch den piezoelektrischen Treiber Iß dargestellt. Das piezoelektrische Etement 16 besteht aus einer ersten und zweiten.piezoelektrischen Scheibe 40 und 41, die mit jeweils einer Hauptflä'che mit einer Elektrode 42 verbunden sind. Auf den beiden weiteren Hauptflächen der piezoelektrischen Scheiben sind Elektroden 43 und4 shows a partial section through the piezoelectric driver I3. The piezoelectric element 16 consists of a first and second piezoelectric disk 40 and 41, each with a main surface with an electrode 42 are connected. On the other two main surfaces of the piezoelectric disks are electrodes 43 and
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angebracht, so dass das piezoelektrische Element 16 einen Aufbau aufweist, der dem üblichen Aufbau entspricht (US-PS 3 548 116). Durch die Elektroden 42, 43 und 44 wird das piezoelektrische Element 16 planar betrieben. Mit einer Hauptfläche des Elementes 16 ist ein federndes Dämpfungselement 17 verbunden, wobei diese Hauptfläche der Hauptfläche gegenüberliegt, mit der die Membran 13 verbunden ist. Das Dämpfungselernent 17 ist wie das piezoelektrische Element 16 scheibenförmig ausgebildet und in seinem Durchmesser etwas grosser als das piezoelektrische Element. Mit Hilfe dieses Dämpfungselementes 17 wird für das piezoelektrische Element 16 eine Belastung geschaffen, um das Maximum 21 der Grundschwingung und ferner das Maximum 22 des ersten Obertons zu verringern. Dadurch ist es möglich, den Frequenzgang des piezoelektrischen Treibers 15 der in Fig. 3 dargestellten gestrichelten Linie 50 anzupassen.attached so that the piezoelectric element 16 has a structure that corresponds to the usual structure (U.S. Patent 3,548,116). Through electrodes 42, 43 and 44 the piezoelectric element 16 is operated in a planar manner. With one main surface of the element 16 is a resilient damping element 17 connected, this main surface being opposite to the main surface to which the membrane 13 is connected is. The damping element 17 is like the piezoelectric one Element 16 is disc-shaped and has a slightly larger diameter than the piezoelectric element. With the help of this damping element 17 is for the piezoelectric Element 16 created a load around the maximum 21 of the fundamental oscillation and furthermore the maximum 22 of the first overtone. This makes it possible to adjust the frequency response of the piezoelectric driver 15 in FIG Fig. 3 to adapt the dashed line 50 shown.
Das Dämpfungselement 17 besteht aus einem federnden bzw. nachgiebigen Material, wie z.B. Gummi, wobei es sich sowohl um natürliches wie auch um synthetisches Material handeln kann. Derartige nachgiebige Materialien oder Elastomere haben einen frequenzabhängigen Schermodul, der sich direkt mit der Frequenz der angelegten Spannung ändert, d.h. der Schermodul steigt mit zunehmender Spannungsfrequenz an. Bei einer statisch oder nur mit sehr niederer Frequenz einwirkender Spannung arbeitet das elastomere Material nur im nachgiebigen Bereich, indem es für die einwirkenden Kräfte als elastisch erscheint. Mit zunehmender Frequenz der dynamisch einwirkenden Spannungen nimmt der Schermodul zu, wobei das Elastomer durch einen glasartigen Übergangsbereich in einen Bereich übergeht, in dem es wie ein glashartes Material, d.h. metallisch erscheint. Bei den unteren Frequenzen im Bereich der Maxima 20 und 21 gemäss Fig. 3 arbeitet das Dämpfungselement 17 vorzugsweise im glasartigen Übergangsbereich und bewirkt Hystereseverluste, die die Maxima 20 und 21 im wesentlichenThe damping element 17 consists of a resilient or resilient material, such as rubber, which is both can be natural as well as synthetic material. Have such compliant materials or elastomers a frequency-dependent shear modulus that changes directly with the frequency of the applied voltage, i.e. the shear modulus increases with increasing voltage frequency. In the case of a static tension or only a very low frequency, the elastomeric material only works in a flexible manner Area in which it appears to be elastic for the forces acting on it. With increasing frequency of the dynamically acting The shear modulus increases stresses, with the elastomer passing through a glass-like transition area into one area in which it appears like a glass-hard material, i.e. metallic. At the lower frequencies in the range of Maxima 20 and 21 according to FIG. 3, the damping element 17 works preferably in the glass-like transition area and causes Hysteresis losses, which the maxima 20 and 21 essentially
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5 MO&8P/G-98V55 MO & 8P / G-98V5
unterdrücken. Im Bereich des oberen Maximums 22 kann das Material des Dämpfungselementes 17 anfangen, den glasig harten Bereich zu erreichen, so dass die Hystereseverluste wesentlich geringer werden, womit auch der Dämpfungseinfluss des Dämpfungselementes 17 im Bereich des Maximums 22 stark zurückgeht.suppress. In the area of the upper maximum 22, the material of the damping element 17 can begin, the glassy hard range, so that the hysteresis losses are significantly lower, which also affects the damping of the damping element 17 decreases sharply in the region of the maximum 22.
Ua die Verringerung der Hystereseverluste zu kompensieren, werden kleine Teilchen 46 eines verhältnismässig schweren Materials, wie z.B. Eisen oder Blei, im elastomeren Material während der Herstellung des Dämpfungselementes 17 verteilt angebracht. Diese Teilchen 46 erhöhen das Gewicht des Dämpfungselementes 17 und bewirken eine Coulomb'sehe Dämpfung, die auf einer inneren Reibung zwischen den Metallteilchen und der sie umgebenden Flächen des elastomeren Materials beruht«. Diese innere Reibung wird durch die unterschiedliche und relative Auslenkung der Teilchen unterschiedlichen Trägheitsmomentes verursacht. Diese Reibungsdämpfung nimmt mit der Anzahl der Teilchen sowie mit deren Grosse zu. Es wurde festgestellt, dass Bleipartikelchen mit einer durchschnittlichen Grosse von 100 Maßchen in einem Verhältnis von 1 : 3 öewiöhtteilen mit Gummi gemischt eine Dämpfung bewirken, mit der der gewünschte Frequenzgang gemäsö fig. 3 erreichbar ist. In das Gemisch können auch kleine Mengen eines Schmiermittels, z.B. in Form von Graphit, eingefügt werden, wie dies aus der Darstellung gemäss Fig. 5 hervorgeht, in weicher die Graphitteilcnen mit 47 bezeichnet sind. Durch diese Graphitteilchen wird die relative Bewegung zwischen den verhältnismässig schweren Teilchen 46 und dem elastomeren Material begünstigt und damit die Dämpfungswirkung eirhöht.Among other things, to compensate for the reduction in hysteresis losses, become small particles 46 of a relatively heavy material such as iron or lead in the elastomeric material attached distributed during the manufacture of the damping element 17. These particles 46 add to the weight of the Damping element 17 and cause a Coulomb's damping, that is due to internal friction between the metal particles and the surrounding surfaces of the elastomeric material is based «. This internal friction is different due to the different and relative deflection of the particles Moment of inertia caused. This friction damping increases with the number of particles and with their size. It it was found that lead particles with an average Large 100 dimensions in a ratio of 1: 3 öewiöhtteile mixed with rubber cause damping, with which the desired frequency response according to fig. 3 reachable is. Small amounts of a lubricant, e.g. in the form of graphite, can also be added to the mixture. as can be seen from the illustration according to FIG. 5, in which the graphite parts are designated by 47. By these graphite particles become the relative movement between the relatively heavy particles 46 and the elastomeric Material favors and thus the damping effect eirhöht.
Die Wirkung der Verringerung der Hystereseverluste bei den hohen Frequenzen kann auch durch die Auswahl eines elastomeren Materials mit einem glasigen Übergangsbereich verringert oder erim.irn.«rc ' vrerdon , bei dem der ilbergangiVbe reichThe effect of reducing hysteresis losses at the high frequencies can also be achieved by choosing an elastomeric Material with a glassy transition area is reduced or erim.irn. «rc 'vrerdon, with whom the transitional rich
231802?231802?
49 M068P/G-984/5 49 M068P / G-984/5
oberhalb der höchsten Frequenz des Frequenzganges für den Wandler 10 liegt. Es wurde festgestellt, dass Neopren einen verhältnismassig hohen glasigen Übergangsbereich hat und daher in vielen Fällen bei den hohen Frequenzen ausreichende Dämpfung bewirkt, so dass das Hinzufügen der schweren Material teilchen 46 entfallen kann. Die.Art des verwendeten Materials sowie der gewünschte Frequenzgang geben den Ausschlag für den endgültigen Aufbau des Wandlers 10.is above the highest frequency of the frequency response for the converter 10. It was found that neoprene has a relatively high glassy transition area and therefore in many cases causes sufficient damping at the high frequencies so that the addition of the heavy material particles 46 can be omitted. The type of material used and the desired frequency response determine the final structure of the transducer 10.
Das Dämpfungselement erhöht neben seiner Dämpfungswirkung auch die Masse des piezoelektrischen Treibers 15 und begünstigt damit das Gewichtsverhältnis zwischen dem Treiber 15 und der Membran 15. Dieses verbesserte Gewichtsverhältnis bewirkt eine engere Kopplung bei tieferen Frequenzen. Somit kann es für einige Anwendungsfälle wünschenswert sein, zur Massenvergrosserung des piezoelektrischen Treibers 15 relativ schwere Teilchen 46 dem Dämpfungselement 47 beizumischen, obwohl das für das Dämpfungselement 17 ausgewählte Material genügend Dämpfung bei hohen Frequenzen bewirkt.The damping element increases in addition to its damping effect also the mass of the piezoelectric driver 15 and thus favors the weight ratio between the driver 15 and membrane 15. This improved weight ratio causes a closer coupling at lower frequencies. Thus, for some applications it may be desirable to add relatively heavy particles 46 to the damping element 47 to increase the mass of the piezoelectric driver 15, although the material selected for the damping element 17 provides sufficient damping at high frequencies.
Das Hinzufügen des Dämpfungselementes 17 zum piezoelektrischen Treiber 15 erniedrigt die Grundresonanzfrequenz dieses Treibers 15 und in einem geringeren Umfang auch der Membran 13- Aus Fig. 3 kann man entnehmen, dass der Übergang in den flachen Teil der Resonanzkurve 50 etwas unterhalb des Maximums 21 für die Grundfrequenz liegt. Der Durchmesser und die Dicke des Dämpfungselementes 17 sollten derart abgestimmt sein, dass die Resonanzfrequenz des kombinierten piezoelektrischen Elementes 16 und des Dämpfungselementes 17 auf einen Punkt unterhalb der Grundresonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes 16 (Maximum 21) erniedrigt wird, so dass die Kurve 50 bei den tieferen Frequenzen steil abfällt, wie in Fig. 3 dargestellt.The addition of the damping element 17 to the piezoelectric driver 15 lowers the fundamental resonance frequency of the latter Driver 15 and to a lesser extent also the membrane 13- From Fig. 3 it can be seen that the transition in the flat part of the resonance curve 50 slightly below the Maximum 21 for the base frequency. The diameter and the thickness of the damping element 17 should be matched in this way be that the resonance frequency of the combined piezoelectric element 16 and the damping element 17 is lowered to a point below the fundamental resonance frequency of the piezoelectric element 16 (maximum 21), so that curve 50 drops off steeply at the lower frequencies, as shown in FIG. 3.
ff M068P/G-984/5 ff M068P / G-984/5
Wenn die Resonanzfrequenz des Treibers zu hoch, liegt, bewirkt er eine Überhöhung des Maximums 21 und ein zu hohes Ausgangssignal, bei den niederen Frequenzen, wobei sich die Resonanzkurve nicht weit genug in den Bereich der niederen Frequenzen erstreckt. Wenn die Resonanzfrequenz des Treibers 15 zu stark abgesenkt wird, wird die Kurve 50 bei den unteren Frequenzen zu flach und steigt mit einem zu geringen Winkel an. Somit lässt sich durch sorgfältiges Auswählen des Durchmessers, der Dicke und der Masse des Dämpfungselementes 17 der gewünschte flache Verlauf der Frequenzkurve für den Wandler 10 einstellen und etwas in den Bereich der niederen Frequenzen erstrecken. Durch die sorgfältige Auswahl der Art und der Dicke des Materials sowie der Anzahl der Teilchen 4-6 kann die Dämpfung beeinflusst werden, um eine im wesentlichen im gewünschten Frequenzband flach verlaufende Resonanzkurve einzustellen. Das Dämpfungselement I7 kann auch eine Ringform aufweisen, wobei die Dämpfung der hohen Frequenzen durch die Auswahl de: Grosse des inneren Durchmessers eingestellt werden kann, da die Dämpfung der hohen Frequenzen hauptsächlich im Zentrum des piezoelektrischen Treibers 15 erfolgt. If the resonance frequency of the driver is too high, it will cause he an excess of the maximum 21 and an output signal that is too high, at the lower frequencies, whereby the resonance curve does not extend far enough into the range of the lower frequencies Frequencies. When the resonance frequency of the driver 15 is lowered too much, curve 50 becomes at the lower Frequencies too flat and increases with too little an angle. Thus, by carefully selecting the Diameter, the thickness and the mass of the damping element 17, the desired flat course of the frequency curve for the Adjust converter 10 and extend it slightly into the lower frequency range. By carefully selecting the species and the thickness of the material as well as the number of particles 4-6, the attenuation can be influenced to a substantial extent set a flat resonance curve in the desired frequency band. The damping element I7 can also have a ring shape, the damping of the high frequencies through the selection de: the size of the inner diameter can be set, since the attenuation of the high frequencies is mainly takes place in the center of the piezoelectric driver 15.
Auch der Hohlraum 12 des Gehäuses 11 weist eine Resonanzfrequenz auf, welche in einzelnen Fällen im Bereich des gewünschten Frequenzganges des Wanders ^q liegt. Bei dieser Resonanzfrequenz des Hohlraumes besteht eine Tendenz, von dem Wandler abgegebene Ausgangsenergie zu absorbieren, so dass sich eine nicht dargestellte Einkerbung in der Kurve 50 des Frequenzganges gemäss Fig. 3 ergeben kann. Um diesen Verlust der Ausgangsleistung und die dadurch bedingten Störungen zu unterdrücken, wird ein akustische Energie absorbierendes Material in dem Hohlraum 12 zwischen dem Gehäuse 11 und der Membran 13 angeordnet, wobei dieses Material bei der vorliegenden Ausführungsform als ringförmiger Teil 55 aus Schaumgummi besteht. Durch diesen dämpfenden Teil 55 wird die Hohl-The cavity 12 of the housing 11 also has a resonance frequency, which in individual cases is in the range of desired frequency response of the wander ^ q is. At this Resonance frequency of the cavity has a tendency to absorb output energy given off by the transducer, so that there is a notch (not shown) in curve 50 of the frequency response according to FIG. 3 can result. About this loss of output power and the disturbances caused by it to suppress, an acoustic energy absorbing material in the cavity 12 between the housing 11 and the Diaphragm 13 arranged, this material in the present embodiment as an annular part 55 made of foam rubber consists. Through this damping part 55 the hollow
- 11 - raumresonanz 309845/0834- 11 - room resonance 309845/0834
MO68P/G-98V5MO68P / G-98V5
raumresonanz verändert, d.h. die Güte Q des Hohlraumes 12 erniedrigt, womit im wesentlichen die Absorbtion der Ausgangsenergie und damit die Einkerbung der Übertragungskurve 50 eliminiert wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass dieses Dämpfungsmaterial nur dann Verwendung findet, wenn die Hohlraumresonanz im Bereich des gewünschten Übertragungsfrequenzbandes liegt, wobei es auch möglich sein kann, auf dieses akustische Energie absorbierende Material zu verzichten, da dieselbe Wirkung durch eine spezielle Formgebung des akustischen Wandlers erreicht wird.Room resonance changed, i.e. the quality Q of the cavity 12 lowered, which essentially reduces the absorption of the output energy and thus the notch in the transmission curve 50 is eliminated. It should be noted, however, that this damping material is only used if the cavity resonance is in the range of the desired transmission frequency band it may also be possible to dispense with this acoustic energy-absorbing material, because the same effect is achieved by a special shape of the acoustic transducer.
Somit ergibt sich durch die Massnahmen der Erfindung ein piezoelektrischer Wandler, dessen Übertragungsfrequenzgang in dem interessierenden Übertragungsfrequenzbereich im wesentlichen flach verläuft· Dabei ist es gleichgültig, ob der Wandler mit einem mechanischen Signal erregt wird und elektrische Energie abgibt oder umgekehrt. Durch die Verwendung geeigneter Dämpfungselemente ist es möglich, den Übertragungsfrequenzgang in geeigneter Weise zu gestalten, so dass man neben einer flachen Kurve für den Frequenzgang eine bessere Kopplung bei niederen Frequenzen und damit ein besseres elektro-dynamisches Dreibeisystem für Wandler erhält.The measures of the invention thus result in a piezoelectric transducer whose transmission frequency response is in the transmission frequency range of interest in the runs essentially flat · It does not matter whether the transducer is excited with a mechanical signal and electrical Releases energy or vice versa. By using suitable damping elements, it is possible to reduce the transmission frequency response in a suitable way so that you get a better frequency response in addition to a flat curve Coupling at lower frequencies and thus a better electro-dynamic three-part system for converters.
- 12 - Patentansprüche - 12 - Claims
309845/0834 ο309845/0834 ο
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |