DE2433549A1

DE2433549A1 - Schallwandler mit piezokeramischem antrieb

Info

Publication number: DE2433549A1
Application number: DE2433549A
Authority: DE
Inventors: Adolf Striegel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1974-07-12
Filing date: 1974-07-12
Publication date: 1976-01-22
Also published as: DE2433549B2; DE2433549C3

Description

Schallwandler mit niezokeramischem Antrieb Diese Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler mit piezokeramischem Material als Antrieb.
Die Anwendung des neuen Schallwandler-Systems ist in den verschiedensten Bereichen der Technik möglich, z.B. als Lautsprecher, Kopfhörer, Telefonhörerkapsel, Ein- und Nehrklang-Warnsignalhcrn, Unterwasserlautsprecher und Kopfhörer sowie als Schallwandler für den HöchFttonbereich.
Schallwandler-Systeme der verschiedensten Art werden seit Jahren -angewandt. Sie gliedern sich in vier Gruppen: das Magnetische, Dynamische, Statische und das Piezoelektrische.
Bei dem piezoelektrischen System wird als Antriebselement ein Seignettesalzkristall-Plättchen zum Antreiben einer Papierkonusmembrane verwendet. Der Seignettesalzkristall ist ein gezüchteter Kristall. Er ist sehr zerbrechlich; beim Einwirken von feuchter Iluft über einen längeren Zeitraum zerfällt er. Seine Hauptanwendung fand er in den Phonoabtast-Systemen und bei Lautsprechern sehr kleiner Leistung. Bei meinem Schallwandler-System wird piezokeramisches Material (kurz PK genannt) zum Antrieb verwendet. Dieses PK-Material wird von der keramischen Industrie hergestellt.
In seinen mechanischen Eigenschaften ist es dem Porzellan sehr ähnlich. Chemisch ist es inaktiv und gegen Peuchtigkeit unempfindlich.
Wegen der genannten mechanischen Eigenschaften ergibt sich für die zur Anwendung kommenden PK-Scheiben eine- sehr hohe Resonanzfrequenz von ca. 40 kHz.
In diesem Prequenzbereich ist bei der Umwandlung elektrischer Energie in Schall ein sehr guter Wirkungsgrad zu erwarten. Bei der Anwendung von PK Material als Schallwandler im Hörbereich wird sein elektroakustischer Wirkungsgrad immer geringer, je tiefer die zu wandelnde Frequenz wird. Würde man eine Tonfrequenz von etwa 100 dz in Schall umwandeln wollen, müßte man PK-Scheiben mit einem Durchmesser von 80..;100 mm und einer Dicke von ca. 1 mm verwenden.
Solch große und dünne Scheiben sind wegen der genannten mechanischen Eigenschaften dieses Materials gar nicht herstellbar.
Bür die Beurteilung auf Neuheit meiner Erfindung'habe ich folgende Patent- und Auslegeschriften zum Vergleich zugezogen: Deutsche Patentschrift 1 144 770 Britische Auslegeschrift 1 259 382 Deutsche Patentschrift 1 226 647 USA Auslegeschrift 1 512 729 USA Auslegeschrift 2 035 629 USA Patentschrift 2. 046 901 Deutsche Auslegeschrift 2 209 607 Diese sieben aufgeführten und zum Patent angemeldeten piezoelektrischen Schallwandler haben nicht die Merkmale meines Verfahrens. Die Beschreibung und die Zeichnungen meines PK-Schallwandler-Systems zeigen einen neuen Weg der Schallerzeugung auf: eine verhältnismäßig kleine und dünne PK-Scheibe, zentrisch fest verbunden mit einer flachen, steifen Metall- oder Kunststoffmembrane und einem als Gegengewicht wirkenden pilzförmigen akustischen Lager ist im Zentrum der Membrane mit dieser fest verbunden. Das akustische Lager folgt ungehindert der Bewegung der Membrane bei tiefen Frequenzen; für mittlere und hohe Frequenzen wirkt es. jedoch so, als wäre die Membrane auch an ihrem Zentrum und nicht nur an ihrem Umfang eingespannt. Das hohe Gewicht des akustischen Lagers im Verhältnis zum Membranschwinger wirkt durch sei--ne Trägheit. Dieses Zusammenwirken ermöglicht es, elektrische Tonfrequenz in Schall umzuwandeln und zwar über den gesamten Hörbereich mit einem guten Wirkungsgrad.
Bei dem dynamischen System schwebt eine Kupferspule in einem starken magnetischen Feld und wirkt wie ein pulsierender Motor, wenn das von Tonenergie erzeugte elektrische Feld durch die Wicklung,fließt. Dieser Effekt bewegt die Membrane und gibt Schall an die sie umgebende Luft ab. Dieser Schall stimmt mehr oder weniger mit den von den Musikinstrumenten erzeugten Original-Klangwellen überein. Im Idealfall sollten die beweglichen Teile wie ein Kolben wirken; die schwere Membrane mit der Schwingspule verzögert jedoch die elektrischen Energien und mangels unbegrenzter Steifheit der Papier- oder Kunststof-fmembrane weicht die Bewegung von der angestrebten Kolbenbewegung ab und deformiert so die Klangwellen. Die se Abweichung vom Original nennt man Verzerrung oder Klirrfaktor.
Ein Schallwandler-System, welches mit PK-Material angetrieben wird und das bei sinnvoller Nutzung eine unbegrenzte Haltbarkeit gewährleistet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt - - wie aus dem Schema Fig. 15 und 16 ersichtlich - daß es mit einem Minimum an elektrischem und mechanischem Aufwand möglich ist, elektische Tonsignale in Schall umzuwandeln.
-Das neue Verfahren zeigt deutlich, wie eine verhältnismäßig kleine'und dünne PK-Scheibe in ein Schallwandler-System einbezogen wird.
Dieses Schallwandler-System - zusammengesetzt aus drei Grundeinheiten: einer PK-Scheibe, einer Metallmembrane und einem pilzförmigen Gebilde (welches ich akustisches Lager benenne) - stellt ein PK-Scheibenschwinger-System dar. Diesem System haften die Nachteile der dynamischen Systeme nicht an. Alle beweglichen Zwischenglieder entfallen. Die Tonsignale versetzen die PK-Scheibe direkt in Bewegung und durch festen Verbund der PK-Scheibe mit der Membrane sowie dem akustischen Lager wird die Bewe--gung dem ganzen System aufgezwungen. Die Bewegung des PK-Scheibenschwinger-Systems folgt unmittelbar der ihr zugeführten Tonspannung ohne Verluste und Verzögerungen.
Das schwingende System erzeugt eine reine Kolbenbewegung.
Der erfindungsgemäße PK-Schallwandler ist durch seinen einfachen Aufbau so robust, daß selbst beim Eindringen von Fremdkörpern oder Wasser das System voll funktionsfähig bleibt. Wie aus Fig. 7 und 8 ersichtlich, arbeitet der PE-Schallwandler ohne Druckausgleichsgefäß als offenes System direkt unter Wasser.
Bei der Anwendung des PK-Schallwandlers als Signalhorn oder Warnsignalgeber wird ein lransistor-ongenerator in das Resonanzgehäuse eingesetzt.
Durch den Einbau umschaltbarer Schwingkreiskapazitäten arbeitet der Schallwandler als Mehrklangsignalhorn. Es sind keine elektromagnetischen Pelder und Unt-erbrecherkontakte vorhanden: damit wird eine besonders hohe Betriebssicherheit gewährleistet. Der elektroakustische Wirkungsgrad ist bei der Anwendung des PK-Schallwandlers als-Warn- und Signalgeber wesentlich höher als bei den bekannten elektromechanischen Systemen.
Fig. 13 zeigt die Anwendung des PK-Schallwandlers als Telefonhörerkapsel. Auch in diesem Anwendungsbereich erlangen der gute Wirkungsgrad und die Unempfindlichkeit gegen äußere Einflüsse besondere Bedeutung.
Der in Fig. 14 gezeigte Höchsttonschalfwandler ist in seiner Strahlrichtung - siehe Pfeil - vollkommen geschlossen und somit wetterfest.
Beschreibung: Meine Erfindung zeigt ein Verfahren zur Umwandlung von elektrischer Tonfrequenz in Schall unter Anwendung des piezoelektrischen Effektes.
Als Antriebselement werden PK-Schwingerscheiben verwendet.
Die Beschreibung und die Zeichnungen zeigen einen Schallwandler, welcher ohne die nachteiligen Zwischenglieder, wie sie bei dynamischen Systemen notwendig sind, auskommt.
Bei dem neuen PK-Schallwandler wird eine im Verhältnis sehr kleine, runde, dünne PK-Schwingerscheibe 20 durch festen Verbund mit einer flachen oder leicht konischen und sehr steifen Metall- oder Kunststoffmembrane 21 zu einem Scheibenschwinger zusammengesetzt. Durch diesen Verbund mit der Membrane wird die wirksame Fläche der PK-Schwingerscheibe auf mehr als den 20fachen Wert erhöht.
Auf der einen Seite der Membrane im Zentrum ist die PK-Scheibe befestigt, auf der anderen Seite der Membrane im Zentrum ist das pilzförmige akustische Lager 22 mit der Membrane fest verbunden, wie aus Fig.1, 2, 3 und 4 zu ersehen ist. Durch die mehr als 20fache Vergrößerung der PK-Scheibe durch die Membrane wird es möglich, auch tiefe Töne zu erzeugen - bis unter 100 Hz. Dieses Zusammenspiel der dünnen PK-Scheibe und der Membrane mit dem akustischen Lager erlaubt auch eine sehr hohe elektrische Belastung des Systems. Eine Bruchgefahr für die PK-Scheibe besteht nicht mehr, weil die höchsten Durchbiegungsamplituden außerhalb der PK-Scheibe auftreten.
Fig. 16 zeigt diese Durchbiegung (gestrichelte Linien); i hr höchster Wert liegt auf der Membrane.
Fig. 17, 18 und 1-9 zeigen drei verschiedene Einspannungen einer PK-Scheibe und ihre Durchbiegung. Eine hohe elektrische Belastung ist hier nicht möglich, weil die Dsurchbiegung der PK-Scheibe zu groß wird und die Scheibe dadurch zu Bruch gehen kann.
Die Durchbiegungsamplituden sind in den Fig. 15 bis 19 stark überhöht gezeichnet; sie betragen nur hundertstel bis ca. 0,1 mm.
Bei hoher elektrischer Belastung des Scheibenschwinger-Systems entsteht in der Zone, in welcher der Zuleitungsdraht an die PK-Scheibenelektrode angelötet ist, Wärme.
Durch die feste Verbindung der PK-Scheibe mit der einen Seite der Membrane und auf der anderen -Seite der Membrane mit dem akustischen Lager wird die entstehende Wärme gut abgeleitet, sie kann keinen schädlichen Wert annehmen.
Das pilzförmige akustische Lager 22 besteht aus Aluminium, Messing oder Stahl. Es wird in seinem Durchmesser durch einen aufgenieteten oder geklebten Acrylglasring 22a vergrößert Dieser-Ring 22a bedämpft das akustische Lager 22 und verhindert das Entstehen von Eigenresonanzen.
Das akustische Lager 22/22a, welches mit dem Zentrum der Membrane fest verbunden ist, wirkt durch sein hohes Gewicht im Verhältnis zum Membran-Scheibenschwinger als träge Masse. Sie schwingt bei tiefen Tönen mit der Membrane, bei hohen Tonen dagegen schwingt die Membrane um -den Befestigungspunkt des akustischen Lagers, wie aus Fig. 16 zu ersehen ist. Das Abstrahlen der hohen Töne geht also mehr vom Zentrum der Membrane über das akustische Lager aus: die tierenTöne dagegen werden - som Zentrum der Membrane nach außen gehend - mehr von den Membranaußenzonen abgestrahlt.
Durch die Löcher auf der Oberfläche des akustischen Lagers wird das Abstrahlen der tiefen Töne nach vorne unterstützt.
Funktionsbeschreibung und Arbeitsweise des PK-Schallwandlers: Sie wird wie folgt dargestellt-und erklärt: Wird eine axial polarisierte PK-Scheibe in ihrem Zentrum (Fig. 17) oder an ihrem Umfang (Fig; 18) oder im Zentrum und an ihrem Umfang (Fig. 19) gehalten und führt man über zwei Leitungen Tonspannung an die Elektroden der PK-Scheibe, beginnt diese sich im Rhythmus deren Polarität und Intensität um ihre Befestigungshalterung durchzubiegen und zu schwingen; zu ersehen aus Fig. 16, 1-7, 18 und 19, gestrichelte Linien.
Die PK-Scheibe verändert dabei dauernd ihren Durchmesser und ihre Dicke. Die Durchbiegungsbewegung, auch Auslenkung genannt, ist von der Frequenz und von der Höhe der zugeführten Tonspannung abhängig. In weiterer Abhängigkeit vom Durchmesser und der Dicke der PK-Scheibe beträgt die Auslenkungsamplitude hundertstel bis ca. 0,1 mm.
Der elektroakustische Wirkungsgrad einer schwingenden PK-Scheibe ist wegen ihres geringen Flächeninhaltes klein und deshalb im Tonfrequenzbereich unbrauchbar. Der Erfindung lag der Gedanke zu Grunde, die Nachteile eines solchen, vorher genannten PK-Schwingers zu umgehen, die Vorteile jedoch, welche der piezoelektrische Effekt bietet, zu nutzen, das heißt, die direkte Umwandlung von Tonenergie in Schall ohne weitere mechanische und elektrische Zwischenglieder. Der elektroakustische Wirkungsgrad soll dem der dynamischen Systeme gleichen Bei dem erfindungsgemäßen PK-Schallwandler wird die wirksame Oberfläche der PK-Scheibe durch das Verbinden mit der Membrane auf mehr als den 20fachen Wert gebracht, Die höchste Durchbiegung wird damit von der PK-Scheibe auf die Membranfläche verlagert, siehe Fig. 16, Durchbiegungslinien 50-und 51 in Richtung der Pfeile.
Die entstehende Wärme bei hoher elektrischer Last wird vdn derPK-Scheibc auf die Membrane und das akustische Lager gut abgeleitet.
Das akustische Lager, um welches sich der PK-Membranschwinger bewegt, überträgt durch seine zentrale Anordzungen hohen bis mittleren Frequenzanteil. Das akustische Lager ist im Vergleich zum Membranscheibenschwinger wegen seiner schweren und massiven Ausführung träge.
Dadurch wird das Schwingen der Membrane um das frequenzunabhängige Lager-erzwungen.
Durch die feste Verbindung der PK-Scheibe mit der steifen Membrane werden die größten Auslenkungsamplituden von der PK-Scheibe auf die Membrane verlagert. Gleichzeitig wird dadurch erzwungen, daß wegen der Membransteifheit kleine Auslenkungen, aber hohe Drücke auf dem PK-Membranschwinger-System entstehen können. Dieser hohe Druckeffekt des PE-Membranscheibenschwingers läßt den guten elektroakustischen Wirkungsgrad dieses PK-Schallwandlers verstehen.
Dieses Lehrbeispiel der erfindungsgemäßen darstellung verdeutlicht, wie mit einem minimalen technischen Aufwand beschriebenes Schallwandlersystem entstanden ist.
Bei dem PK-Schallwandler als Kopfhörer und Lautsprecher-System wird der PK-Scheibenschwinger in ein Gehäuse eingebaut, welches aus einem Ober-' und einem Unterteil 23 - 24 oder einem Chassis 39 in Fig. 9 und 10 besteht. Bei dem in Fig. 7 und 8 gezeigten Unterwasserlautsprecher werden die PK-Scheibe 20 und das Zuleitungskabel 31 mit einer bündig aufgeklebten Kunststoff-Abdeckung 36 versehen. Diese Abdeckung verhindert das Eindringen von Wasser zu der spannungsführenden Seite der PK-Scheibe. Durch die Löcher 21a auf der Membranoberfläche kann das Wasser den Raum, welcher gebildet wird durch die Membrane 21 und das Gehäuseunterteil 24, ausfüllen.
Durch diese Maßnahme entsteht ein Druckausgleich, die Membrane 21 und das akustische Lager 22 bestehen aus nichtrostendem Stahl, der Ring 22 aus Acrylglas. Das Gehäuse besteht aus Kunststoff oder nichtrostendem Stahl.
Der in Fig. 9 und 10 gezeigte Lautsprecher hat einen Membran-Durchmesser von mehr als 200 mm. Die Membrane wird-mit ihrem äußeren Umfang in einem Chassis 39 befestigt. Dieses PK-Lautsprecher-System kann elektrisch hoch belastet werden.
Fig. 11 und 12 zeigen einen PK-Schallwandler als Warn-und Signalgeber. Das akustische Lager 22 besteht aus Metall; es wird durch eine zweite Scheibe 42 zu einem doppelpilzähnlichen Gebilde.
Im-Gehäuseunterteil ist ein Transistor-Gene'rator eingebaut, der mit einer Grundfrequenz von ca. 300 Hz schwingt. Das doppelpilzähnliche akustische Lager wird von der Membrane, mit welcher es fest verbunden ist, zum Schwingen angeregt und erzeugt ein reichhaltiges Oberwellenspektrum. Dieses wird der Grundwelle überlagert. Der vom PK-Schallwandler abgestrahlte Signal-Warnton ist dadurch sehr deutlich von den Umweltgeräuschen zu unterscheiden.
Bei Verwendung als Mehrklangsignalgeber werden dem Tongenerator Kondensatoren zu- und abgeschaltet. Die zur Zeit benutzten Signal-Wsrngeb'er arbeiten nach dem elektromagnetischen Prinzip.
Bei Mehrklang-Systemen benötigt man daher für jeden Ton -ein separates System, welches auf den jeweiligen Ton abgestimmt ist.
Es ist vorauszusehen, daß auch auf diesem Gebiet der PK-Schallwandler eine Bedeutung erlangen kann. In Fig. 14 wird ein PK-Schallwandler für den Höchsttonbereich gezeigt, Sein Einsatz ist von ca. 200 Hz bis 50 kHz möglich.
Dieser Schallwandler hät trotz der großen Bandbreite einen guten Wirkungsgrad über den gesamten Bereich.
In seiner Schallabstrahlrichtung - siehe Pfeil in Fig. 14 ? 4 -ist dieser Höchstton-Schallwandler vollkommen gnschlossen und daher wetterfest.
Sein Einsatz ist im Freien wie auch unter besonders ungünstigen Betriebsbedingungen möglich.
Beschreibung der Zeichnungen und deren Details Die Zeichnungen sind im Maßstab 1:1 gezeichnet 1. Fig. 1...4 zeigen ein Kopfhörer-System. Es besteht aus folgenden Teilen: Gehäuseoberteil 23, Gehäuse unterteil 24; sie sind aus Metall oder Kunststoff gefertigt. Zwischen beiden Gehäuseteilen ist der Membranschwinger eingespannt. Eine PK-Scheibe 20, eine mit Riefen versehene flache oder leicht konische Metall oder Kunststoffmembrane 21 und das akustische Lager 22 aus Metall, versehen mit einem Ring aus Acrylglas 22a, bilden die Membranschwingereinheit. Die PK-Scheibe und die Metallmembrane haben je eine angelötete Drahtlitze 31 und 31a. Die beiden Drahtlitzen führen zu den Anschlußklemmen. Zwei Kunststoffringe 25 und 26 sowie eine Metallecheibe 27 werden durch zwei Schrauben 28 mit dem Gehäuseunterteil 24 verbunden. Diese Scheiben-Anordnung dient als Halterung und Führung für den Kopfbügel 29 aus Flachstahl. Der Metallring 30.dient zur Befestigung eines Schaumstoffpolsters an das muschelförmige Gehäuseoberteil 23.
2. Das in Fig. 5 und 6 gezeichnete Lautsprecher-System unterscheidet sich grundsätzlich vom Kopfhörer-System nur durch seine größere Ausführungsform. Die Löcher 33 am Umfang des akustischen Lagers dienen der ungehinderten Schallabstrahlung der tiefen Töne, welche von der Membrane kommen. Die beiden Litzendrähte 31 und 31a führen zu den Anschlußklemmen 35 und 35a.
3. Fig. 7 und 8 zeigen zu e in PK-Lautsprecher-System. Es ist für Unterwasser-Betrieb gedacht, die Löcher 33 am akustischen Lager dienen der besseren Schallabstrahlung Die löcher 21a am Umfang der Membrane dienen dem Druckausgleich im Gehäuseunterteil 249 das Wasser kann durch die Löcher ungehindert ein- und ausströmen. Die Kunststoffkappe 36 ist bündig und wasserdicht mit der PK-Scheibe und der Membrane verklebt. Die zwei Kabelleiter 31 und 31a sind an die PK-Scheibe 20 und an die Metallmembrane 21 angelötet. Mit den Schrauben 34 werden beide' -Gehäuseteile 23/24 - dazwischen der Membranschwinger -zusammengeschraubt. Das Zuleitungskabel 37 hat einen Innenleiter 35 und einen Außenleiter 35a; sie sind verbunde-n mit den-Anschlußleitungen 31 und -31a.
4. Fig. 9 und 10 stellen ein lautsprecher-System dar, welches für eine hohe Belastbarkeit bemessen ist. Die Membrane 21 besteht aus 2 mm starkem Aluminium. An ihrem äußeren Umfang ist sie mit Rillen versehen. Das akustische Lager 22 ist aus Metall und mit einem Acrylglasring 22a verklebt und zusätzlich an seinem Umfang mit sechs Rohrnieten 38 vernietet.
Die Membrane ist an ihrem äußeren Rand mit einem Chassis 39 verklebt. Das Chassis hat an seinem Umfang acht Aussparungen 40, sie versteifen das Chassis0 Zum Befestigen des Chassis in einem Gehäuse sind an seinem Umfang die löcher 34 und 34a vorhanden.
5. In Fig. 11 und 12 ist ein Warnsignalgeber dargestellt.
Das Gehäuseoberteil 23 und das Gehäuseunterteil 24 sind durch die Schrauben 34 an ihrem Umfang mit dem dazwischenliegenden Membranschwinger zusammengeschraubt.
Im Gehäuseunterteil ist ein Transistor-Tongenerator 44 eingebaut. Der Gewindebolzen 43 dient zum Befestigen des Systems. An die Klemme 35 wird der Betriebsstrom geführt.
6. In Fig. 13 ist eine PK Telefonhörerkapsel dargestellt.
Das Gehäuse setzt sich aus dem Gehäuseoberteil 23, dem Gehäuseunterteil 24 und einem Distanzring 23å zusammen.
Der Außenkontakt 46 wird durch die Isolierscheibe 45 gegen das Gehäuse isoliert.
7. Fig. 14 stellt einen PK-Schallwandler für den Höchsttonbereich dar. Seine Besonderheit sind die sehr dünne Metallmembrane von 0,05...0,l mm Dicke bei einem Durchmesser von 15...20 mm und das aus Metall bestehende akustische Lager 22.
Das Gehäuse besteht aus zwei Metall- oder'Kunststoffringen 23 und 24, dazwischen ist die Metallmembrane eingespannt.
Durch diesen Aufbau wird das PK-Schallwandler-System sehr breitbandig. Über der Schallaustritt-Öffnung ist ein' Schutzgitter 47angebracht; -es schützt den sehr empfindlichen PK-Scheibenschwinger vor Beschädigung.
Das rückwärtige Gehäuseteil 24 wird durch e'inen Filz-oder Schaumstoffring 49 und eine Kunststoffscheibe 48 abgeschlossen.
Fig. 1b-3b zeigen einen Kopfhörer mit nur einem PK-Antriebs-System. Dieser Monorualerkopfhörer ist für kommerzielle Anwendung gedacht. Sein hoher Wirkungsgrad im Mittel- und Hochtonbereich gewährleistet beste Sprachverständlichkeit. Ein geringer Andruck der Kopfhörerohrmuscheln und das geringe Gewicht des Kopfhörers erlauben eine ermüdungsfreie Benutzung.
Bin flaches Gehäuse, 23a und 24a, ist in der Mitte des kopfbügels 29 mit einer Scheibe 25a befestigt. In diesem Gehäuse ist - etwas geneigt - ein PK-Antriebs-System 20, 21,22 an seinem Membranumfang befestigt. Die Membrane 21 unterteilt durch diese Anordnung das Gehäuse in zwei Kammern, in die obere 57 und die untere 62. Die beiden Kammern enden in ihrer Längsachse als zwei runde Rohranschlußstutzen. An den beweglichen Kopfbügelenden 29a und 29b sind die beiden Kopfhörergehäuse 23 und 24 angebracht. Die leeren Kammern 61/61a sind in Richtung der Kopfhörerohrmuscheln 58/58å offen. Die Kopfhörerohrmuscheln bilden den Abschluß der Kopfhörergehäuse. Die beiden Kammern 61/61a münden in je einen nach oben gerichteten Rohrstutzen 55/55a. Zwei leicht bewegliche gerillte Kunststoffrohre 56/56a verbinden die Rohrstutzen 55/55a mit den beiden Gehäuseka,mmern 57/62. Zwei Drahtlitzen 31/31a führen innerhalb der Rohre in das Kabelanschlußgehäuse 25. Am Bodendes Gehauses 23a/ 24a ist ein Schaumstoffkopfrolster 59 angebracht. Der vom PK-Antriebs-System erzeugte Schall wird aus den Gehäusekammern 57/62 innerhalb der Rohre 56/56a in die Kopfhörerkammern 61/61a geleitet. Von den Kopfhörerohrmuscheln 58/ 58a, welche sich an die Kopfhörerkammern 61/61a anschließen, wird der Schall abgestrahlt.
Der in den Fig. ib - 3b gezeichnete Kopfhörer wird durch Einfügen von je einem PK-Antriebs-System in die leeren Kopfhörerkammern 61/61a zu einem Stereokopfhörer mit quadrofonischem Wiedergabeeffekt' erweitert. Dieser Stereokopfhö'rer erzeugt durch das Zusammenwirken mit dem dritten Antriebs-System bei Stereobetrieb einen pseudoquadrofonischen Wiedergabe effekt -Das Entstehen dieses Effektes wird wie folgt erklärt: Das linke und. rechte Kopfhörersystem strahlen das Stereosigna'l"ab. Über zwei Widerstände wird dem Stereosignal die Stereodifferenzspannung entnommen. Diese Differenzspannung besteht aus dem Hallanteil des Stereosignals. Sie wird dem oben angeordneten PK-Antriebs-System zugeführt und in Schall umgewandeit, Aus den beiden Schallkammern 57 und 62'gelangt dCr Schall innerhalb der Rohre 56/56a in die Kopfhörerkammern 61/61a.
Durch die Laufzeit innerhalb der Rohrleitungen und durch zusätzliche Reflexionen an den Robrinnenwänden entstehen Laufzeitverzögerungen gegenüber dem Stereodirektschall.
Dieses Schallgemisch läßt die Stereodarbietung räumlich, nicht mehr ohrgebunden erklingen. Bei einem Monosignal bleibt das zentrale PK-Antriebs-System stromlos, weil das Stereosignal fehlt, und erzeugt keinen Schall. Mit einem Umschalter im Kabelanschlußgehäuse 23a kann das zentrale Antriebs-System parallel zur anleitung geschaltet werden, wodurch der Monodarbietung ein Nachhall beigefügt wird. Die Monodarbietung wird dadurch voller, räumlicher.
Fig. 1c- Zc stellen einen Quadrofoniekopfhörer dar. Die Kopfhörergehcause 23/24 sind unterteilt in je zwei voneinander getrennte Kammern 64/64a und 65/65a. Diese Kammern sind horizontal nebeneinander angeordnet. Jede Kammer enthält ein PK-Antriebs-System 20, 2i, 22. Je eine vordere und rückwärtige Rammer münden in eine gemeinsame Kopfhörerdhrmuschel 58/58a.
In dem Kabelanschlußgehäuse 25 sind die PK-Antriebs-Systeme mit den Zuleitungen 32/32b und 32a/32c verbunden. Die Kopfhörerohrmuscheln bestehen im wesentlichen aus den Schaumstoffpolstern 58/58a. Zwischen den Kopfhörerohrmuscheln und den Gehäusekammern ist ein Gittergewebe 63 zum' Schutze der PK-Antriebs-Systeme angeordnet.
Fig. 1c, 2c und; 3c stellen einen Quadrofoniekopfhörer dar.
Dieser Kopfhörer' enthält vier PE-Antriebs-Systeme. Durch die besondere Anordnung der Antriebs-Systeme zueinander erzeugt dieser Kopfhörer einen besonders ausgeprägten, quadrofonischen Wiedergabeeffekt. Die Kopfhörergehäuse 23/24 enthalten je zwei Kammern 64/64a sowie 65/65a.
Die vorderen Kammern 64/64a enthalten je ein PK-Antriebs-System, die rückwärtigen Kammern 65/65a haben einen nach oben gerichteten Rohrstutzen 55/55a und enthalten keine Antriebs-Systeme. Den oberen Mittelteil des Kopfhörerbügels 29 bildet ein flaches Gehäuse 23/23a. Am Boden des Gehäuses 24 ist ein Kopfpolster aus Schaumstoff 59 befestigt. Das Gehäuse 24 enthält zwei voneinander getrennte Kammern 66/66a; diese Kammern verjüngen sich in ihrer Längsachse in zwei runde Öffnungen. In den Kammern 66/ 66a sind - etwas schräg nach unten - die PK-Antriebs-Systeme eingebaut. Je ein,flexibles, gerilltes Kunststoffrohr 56/56a verbindet die runden Öffnungen der Kammern 66/66a mit den Rohrstutzen 55/55a. Von den oberen Antriebs-Systemen führen je zwei Anschlußlitzen innerhalb der Rohrleitungen nach unten in die Kabelanschlußgekäuse 25/25a. Diese Anschlußlitzen führen den oberen PK-Antriebs-Systemen das rückwärtige Quadrofonietonsignal zu, welches in Schall umgewandelt wird. Dieser Schall wird aus den Kammern 66/66a innerhalb der Rohrleitungen 56/56a in die Kopfhörerkammern 65/65a geleitet und gelangt von dort in die gemeinsamen Kopfhörerohrmuscheln 58/58a. Durch diese Maßnahmen wird der Schall in seiner Laufzeit etwas verzögert und durch Reflexionen an'den Rohrinnenwänden noch zusatzlich verhallt. Das rückwärtige quadrofone Schallgebilde wird dadurch ausgeprägter und gegenüber dem vorderen quadrofonen Schallgebilde kann es vom Ohr besser wahrgenommen werden.
Die unter lb-3b und 1c-3.c gezeigten Kopfhörer sind mit PK-Antriebs-Systemen ausgerüstet, die Flachmembranen dieser Systeme sind aus Stahl und haben einen wirksamen Durchmesser von 34 mm.
Das Gewicht der einzelnen Kopfhörer-Typen, welche unter ib bis 3c gezeichnet und beschrieben sind, liegt zwischen 300 und 350 g.
Die Zeichnungen sind 2:1 gezeichnet.

Claims

Patentansnrüche

(>/ PK-Schallwandler-System zur Umwandlung elektrischer Tonspannung in Schall, als Antrieb wird ein piezokeramisches Scheibenelement verwendet.

Die eine Elektrode der Scheibe 20 ist mit der Anschlußleitung 31 versehen. Die andere Elektrode der PK-Scheibe ist durch das Verkleben mit der Membrane mit ihr elektrisch leitend verbunden. Die zweite Anschlußleitung 31a führt zur Membrane. Die PK-Scheibe 20 ist mit ihrer Unterseite zentrisch mit der Membrane 21 fest verbunden. Die Oberseite der Membrane ist zentrisch mit einem pilzförmigen akustischen Lager 22/22a fest verbunden.

Dieses PK-Membranschwinger-System, zusammengesetzt aus drei Elementen 20, 21, 22/22a wird in ein Gehäuse 23/24 oder in ein Chassis 39 eingesetzt.
2. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß eine flache oder leicht konische, am äußeren Umfang mit Riefen oder Rillen versehene Metall- oder Kunststoffmembrane 21 mit einem PK-Scheibenelement 20 zentrisch fest verbunden ist.
3. PK-Schallwandler-System nach 24nspruch 1 und 2; dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane 21 auf der unteren Seite mit einem OK-Scheibenelement 20 fest verbunden ist. Das akustische Lager 22/22a ist mit der oberen Seite der Membrane zentrisch fest verbunden. Das akustische Lager 22 ist aus Metall, es wird in seinem Durchmesser durch einen Kunststoffring 22c vergrößert.
4. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2 und 3; dadurch gekennzeichnet, daß die aus drei Grundeinheiten 20, 21, 22j22a bestehende Membranschwingereinheit mit ihrem äußeren Rand in ein Gehäuse eingespannt ist. Das Gehäuse setzt sich zusammen aus dem-Gehauseoberteii 23 sowie dem Gehäuseunterteil 24. Durch den Einbau in ein Gehäuse oder Chassis entsteht ein Resonanzgebilde, siehe Fig. 1, 6, 8,.10, 13 und 14.
5. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2, 3 und 4; dadurch -gekennzeichnet, daß die.Membrane 21 aus nicht rostendem Sta>-besteht und auf ihrer Fläche mit Löchern 21a versehen-ist. Diese Löcher dienen dem Druckausgleich. Das PK-Scheibenelement 20 ist mit seiner äußeren Elektrode mit der Anschlußleitung verbunden und wird von einer bündig aufgeklebten Kunststoffkappe )6 nach außen wasserdicht umschlossen. Das pilzförmige akustische Lager 22 besteht aus nichtrostendem Stahl und ist mit einem Ring 22a aus Acrylglas versehen.
6. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2, 3 und 5; dadurch gekennzeichnet, daß das pilzförmige akustische Lager 22 durch eine zweite Scheibe 42 als Doppelpilz ausgebildet ist und aus Metall besteht. Im Gehäuseunterteil 24 ist ein Transistor-Tongenerator untergebracht.

Bei einem Mehrklang-Warnsignalgeber ist noch ein Relais oder ein Elektromotorschalter zum Umschalten der Schwingkreiskapazitäten im Gehäuseunterteil 24 eingebaut.
7. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2, 3 und 6; dadurch gekennzeichnet, dau das Membranschwinger-System, bestehend aus dem PK-Seheibenelement 20, einer Metallmembrane 21 und dem mit Löchern versehenen akustischen Lager 22, aus Metall besteht. Der PK-Scheibenschwinger ist in seiner Größe so ausgeführt, daß er in ein Gehäuse, welches der Normgröße einer Telefonhörerkapsel entspricht, eingesetzt werden kann.
8. PE-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2, 3 und 7; dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane 21 aus 0,05...

0,1 mm dickem Metall besteht, einen Druchmesser von 15...25 mm hat, auf der Unterseite mit einem PK-Scheibenelement fest verbunden und auf der Oberseite zentrisch mit dem akustischen Lager 22, welches aus Metall besteht, ebenfalls fest verbunden ist. Der Membranscheibenschwinger besteht aus den Grundeinheiten 20, 21 und 22 und ist mit seinem äußeren Umfang in ein Gehäuse eingespannt. Das Gehäuse besteht aus zwei Metall- oder Kunststoffringen 23 und 24.

In seiner Strahlrichtung - siehe Pfeil - ist dieses PK-Schallwandler-System nach rückwärts vollkommen abgeschlossen und deshalb wetterfest. Das untere Gehäuseteil 24 ist durch einen Schaumstoffring 49 und eine Kunststoffscheibe nach hinten abgeschlossen.
9. Fig. 1b, 2b-und 3b: Monorualerkopfhörer mit zur einem Antriebs-System nach Anspruch 1, 2, 3 und 8; dadurch gekennzeichnet, daß nur ein PK-Antriebs-Sys-tem 20, 21, 22 zur Anwendung gelangt. In einem geschlossenen Kunststoffgehäuse 23/24a ist - etwas geneigt - ein PK-Antriebs-System 20,21,22 eingebaut. Das Gehäuse ist oben in der Mitte des Kopfbügels 29 befestigt. Die Schallkammern 57/62 sind durch zwei Rohrleitungen 56/56a mit den Kopfhörerkammern 61/61a verbunden. Der vom PK-Antriebs-System erzeugte Schall gelangt aus den Schallkammern 57/62 innerhalb der Rohre in die Kopfhörerkammern 61/61a und von da in die Kopfhörerohrmuscheln 58/ 58a, von wo der-Schall abgestrahlt wird.
10. Pig. 1b, 2b und 3b: Stereokopfhörer, welcher einen pseudoquadrofonischen Effekt erzeugt. Ist nach Anspruch 1, 2, 5, 8,und 9 -dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfhörerkammern 61/61a je ein PK-Antriebs-System 20, 21, 22 enthalten. Zwei Rohrleitungen 56/56a verbinden die Kopfhörerkammern 61/61a mit den Schallkammern 57/62,- deren Gehäuse 23a - 24a am oberen Mittelteil des Kopfbügels 29 befestigt ist. Die pseudoquadrofonen Schallanteile gelangen durch die Rohre 56/56a in die Kopfhörerkammern 61/61a und von hier in die Kopfhörerohrmuscheln 58/58a, von wo der Schall -abgestrahlt-wird.
11. Fig. 1c und 2c: Quadrofoniekopfhörer mit vier PK-Antriebs-Systemen. Nach Anspruch 1, 2, 3 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die-beiden Kopfhörergehäuse 23/24 je eine vordere Kammer 64/64a und je eine rückwärtige Kammer 65/65a enthalten. In jeder dieser vier Kammern ist ein PK-Antriebs-System 20, 21, 22 eingebaut. Eine vordere und eine rückwärtige Kammer münden jeweils in eine gemeinsame Konfhörerohrmuschel 58/58a.

Die Kammern 64/65 sowie die Kammern 64a/65a sind horizontal nebeneinander angeordnet, wie Fig. 2c zeigt Die runden Öffnungen dieser Kammern munden jeweils in die gemeinsam zugeordneten Kopfhörerohrmuscheln 58/5,8ar
12. Fig. 1c-, 2c und 3c zeigen einen Quadrofoniekopfhörer mit vier 1K- Antriebs-Systemen. Durch die besondere Anordnung der PK-Antriebs-Systeme' zueinander wird ein besonders ausgeprägter quadrofonischer Effekt erreicht, nach Anspruch 1, 2, 3, 8 und 11 dadurch gekennzeichnet, daß die Konfhörergehäuse 23/24 je zwei horizontal nebeneinander angeordnete Kammern 64/64a und 65/65a enthalten.

In den vorderen Kammern 64/64a ist jeweils ein PK-Antriebs-System eingebaut. Die rückwärtigen Kammern 65/65a sind leer. Je ein nach oben gerichteter Rohrstutzen ist mit diesen Kammern verbunden. Den oberen Mittelteil des Kopfhörerbügels 29 bildet das Gehäuse 23a/24a. Dieses Gehäuse hat zwei voneinander getrennte Kammern 66/66å mit je einem eingebauten PK-Antriebs-System 20, 2i, 22.

Die äußeren Enden der beiden Kammern 66/66a sind mit den Rohrleitungen 56/56a verbunden. Die aus leicht biegsamem gerilltem Kunststoffrohr bestehenden Rohrleitungen münden mit ihren Enden in die beiden Rohrstutzen 55/55a. Diese Rohrstutzen stellen die Verbindung zu den rückwärtigen Kopfhörerkammern 65/65a her. Je eine vordere und rückwärtige Kammer münden in eine großflächige Kopfhörerohrmuschel 58/58a. In dem Kabelahschlußgehnuse 25/25a befinden sich die Anschlußklemmen, welche die PK-Antriebs-Systeme mit den Tonleitungen 32/32b und 32a/32c verbinden. Im Gehäuse 23/24a sind zwei Umschalter eingebaut.

Je nach Stellung dieser Schalter ist'Quadrofonie mit besonderem Effekt, Stereo mit Pseudoquadrofonieeffekt oder Monowiedergabe mit Halleffekt möglich.
13. PK-Schallwandler-System nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 13; dadurch gekennzeichnet, daß die aus drei Grundeinheiten 20, 21 und 22 bestehende Membranschwingereinheit mit ihrem äußeren Rand in ein Gehäuse 23-24 eingespannt ist.

Dieses PK Schallwandler-System arbeitet in umgekehrter Richtung als Mikrofon. Trifft Schall auf die Membrane schwingereinheit, wird diese in Bewegung versetzt. Als Folge dieser Bewegung, entstehen am PK Scheibenellement 20 elektrische Spannungen. Diese Spannungen entsprechen dem Produkt des auftreffenden Schalles.

Bei wasserdichter Ausführung nach Fig. 7 und 8 nach Anspruch 4, arbeitet dieses PK Schallwandler-System als vollkommen offenes Mikrofon auch unter Wasser Leerseite