DE2615593A1

DE2615593A1 - Ultraschallkeramikmikrophon

Info

Publication number: DE2615593A1
Application number: DE19762615593
Authority: DE
Inventors: Daishiro Hayakawa; Kenroku Tani
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-04-11
Filing date: 1976-04-09
Publication date: 1976-10-21
Also published as: NL7603763A; NL167572B; FR2307427A1; JPS51118984A; GB1548962A; US4052627A; FR2307427B1; NL167572C; DE2615593B2; DE2615593C3; AU1279776A

Description

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MATSUSHITA ELECTBIC INDUSTEIAL CO., LTD. Osaka, Japan

Ultraschallkeramikmikrophon

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ultraschallkeramikmikrophon mit breitem Arbeitsfrequenzbereich.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist ein Ultraschallkeramikmikrophon (im folgenden kurz als Mikrophon bezeichnet) mit einem elektroakustisehen Wandler (im folgenden als Wandler bezeichnet) allgemein eine Metallplatte 1 auf, die zwischen piezoelektrische Keramikplatten 2 und 3 eingefügt ist, sowie Leitungen 4 und 5, die mit den piezoelektrischen Keramikplatten 2 und 3 verbunden sind, so daß ein Wandler 6 gebildet wird, der seinerseits in ein Gehäuse 8 aufgenommen ist, das an der einen Seite in der in Pig. 2 gezeigten Weise mit einer Öffnung 7 versehen ist. Die piezoelektrischen Keramikplatten 2 und 3 sind an den oberen und unteren Flächen mit Elektroden versehen und die Polung der piezoelektrischen Keramikplatten 2 und 3 ist gegensinnig zueinander. Ferner ist ein Schutzsieb 9 vorgesehen, ein Klemmbrett 10, ein Metall sockel 11, eine elastische

Verbindung

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Verbindung 12 und. je ein Klemmbolzen 13 und 14· In Fig. 3 ist die Admittanz-Frequenz-Kennlinie des Wandlers 6 gezeigt und in Hg. 4 dessen Aufnahmeempfindlichkeits-Frequenz-Kennlinie. Benutzt man ein so aufgebautes Mikrophon 15 zur Aufnahme und stimmt die Frequenz der eingehenden Schallwellen mit der Eesonanzf requenz des Wandlers 6 überein, so erscheint über den Elektroden des Wandlers 6 eine Spannung mit dieser Frequenz. Dies stellt die Aufnahmeempfindlichkeit dar. Wird hingegen an den Elektroden ein elektrisches Signal mit einer Frequenz gleich der Besonanzf requenz des Wandlers 6 zugeführt, so beginnt der Wandler 6 mechanisch zu schwingen und erzeugt Schallwellen von dieser Frequenz. Hierbei handelt es sich also um die aiisge sandten Schallwellen. Das ist das Arbeitsprinzip des Mikrophons 15» wenn es zur Schallaussendung benutzt wird. Sin solches Mikrephon 15 fand vielfach Verwendung als iernbetäti gungse inri chtung für Fernsehempfangsgeräte, für Klimaanlagen, für elektrische Gebläse oder für Automatik türen von Garagen, als Sensor für Sinbruchssicherungen und als Sensor für Annäherungsschalter oder Entfernungsmesser. Da seit einiger Zeit die Zahl der Betriebsfunktionen bei Fernsehempfangsgeräten zugenommen hat, ist man dazu übergegangen, mit mehreren Frequenzen zu arbeiten, und es ist daher erwünscht, den Arbeitsfrequenzbereich, des Mkrophons 15 zu erweitern. Diesem Erfordernis konnte indes mit dem nach dem Stand der !Technik bekannten Mkrophon 15 nicht in befriedigender Waise Bechnung getragen werden. Zur Beseitigung dieses Mangels und zur Schaffung eines Mikrophons mit weitem Arbeitsbereich hat man Wege verschiedener Art eingeschlagen. Nach der einen Methode wurde beispielsweise eine Metallplatte entsprechend einigen Besonanzfreq»enzen in mehrere Segmente oder Abschnitte unterteilt. Bei dieser Methede werden jedoeh leicht Störsignale erzeugt und sie hat auch den Nachteil, daß die Eesonanzschärfe der einzelnen Abschnitte so hoch ist, das man in dem Bereich zwischen den Resonanzfrequenzen der betreffenden Abschnitte nur eine geringe Empfindlichkeit erhält. Dies ist in Fig. 5a und 5b dargestellt. In Fig. 5b stellt die Kurve 16 die Kennlinie des nach dem Stand der ütechnik bekannten Mikrophons dar und die Kurve 17 die Kennlinie eines Breitbandmikrophons. Einer anderen Methode zufolge wurde der Schwingungsbauch durch ein zur Herabsetzung der Besonanzschärfe geeignetes ela-

s ti sehe s

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stisches Material verengt, um die Empfindlichkeit am Spitzenpunkt zu dämpfen, damit eine Breitbandcharakteristik erzielt -wird. In diesem Fall ist die Empfindlichkeitsverringerung jedoch beträchtlich und das Band kann gegenüber dem bekannten System nur um einige Kilohertz verbreitert werden. Dies ist in Fig. 6a und 6b dargestellt. In Fig. 6b stellt die Kurve 18 die Kennlinie eines Breitbandmikrophons mit dem obigen Aufbau dar.

Die Erfindung hat demgemäß zur Aufgabe, ein Mikrophon zu schaffen, bei dem die Mangel der nach dem Stand der Technik bekannten Systeme ausgeschaltet sind und bei dem das Band gegenüber dem bekannten System um mehr als zehn Kilohertz verbreitert wird, das aber dennoch leicht herzustellen und für industrielle Verwendungszwecke sehr geeignet ist.

Die obigen und !»eitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung erschließen sich im einzelnen aus der nachfolgenden eingehenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform anhand der beigegebenen Zeichnungen. Darin zeigen:

Fig. la und Ib den Aufbau eines allgemein verwendeten elektroakusti sehen Wandlers*

Fig. 2a und 2b den Aufbau eines Ultraschallkeramikmikrophons, bei dem der elektroakusti sehe Wandler der Fig. la und Ib vorgesehen ist«

Fig. 3 die Admittanzkennlinie eines nach dem Stand der Technik bekannten Mikrophons;

Fig. 4 die Aufnahmekennlinie eines nach dem Stand der Technik bekannten Mikrophons;

Fig. 5a und 5b die Admittanzkennlinie und die Aufnahme empfindlichkeitskennlinie eines nach dem Stand der Technik bekannten Brei tbandmikrophone;

Fig. 6a und 6b die Admittanzkennlinie und die Aufnahmeempfindlichkeitskennlinie eines anderen bekannten Mikrophons;

Fig. 7 die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz der Grundwelle und der Harmonischen erster, zweiter und dritter Ordnung vom Durchmesser eines Aluminiumplättchens mit einer Stärke von 0,1 mm

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bei Verwendung piezoelektrischer Keramikplättchen mit einem Durchmesser von 8,2 mm und einer Stärke von 0,20 mmi

Fig. 8 die Admittanzkennlinie gemäß der Erfindung*

Fig. 9 die Aufnahmeempfindlichkeitskennlinie eines erfindungsgemäßen Mikrophons*

Fig. 10 die Schall druckpe gel-Kennlinie eine s erfindungsgemäßen Mikrophons;

Fig. 11 bis 14 graphische Darstellungen der zwisehen den Durchmessern der Aluminiumplättchen und den !Resonanzfrequenzen tiei unterschiedlichen Stärkenahme ssunge η und Durchmessern der piezoelektrischen Keramikplättchen "bestehenden Beziehungen;

Fig. 15 eine zusammenfassende Übersicht zu Fig. 11 bis 14» aus der die Beziehung t/(-^) cm zwischen dem Durchmesser E und der Stärke t des Aluminiumplättchens erhellt» und

Fig. l6 eine graphische Darstellung zu Fig. 15·

Die Erfindung soll nun in ihren Einzelheiten näher erläutert werden. Das erfindungsgemäße Mikrophon ähnelt in seinem Aufbau dem in Fig. 1 und 2 gezeigten, doch ist es für das erfindungsgemäße Mikrophon kennzeichnend, daß es nahe zwei oder drei benachbarten Eesonanzfrequenzen einer Grundwelle und der betreffenden Harmonischen höherer Ordnung der Auslenk schwingungen eines Wandlers sowie in einem diese Eesonanzfrequenzen erfassenden Frequenzband betrieben wird.

Es sei nun auf das Arbeitsprinzip eingegangen. Die Fundamentalfrequenz oder Grundfrequenz f ergibt sich zu

i4 /

Ol φ 2 ^j^r^ ψ (4-**)

worin t: Stärke des Metallplättchen
t?: Dichte de s Metallplättchen
E: Durchmesser des Metallplättchen
0"i Poissonsche Zahl
Q: Xoungscher Modul des Metallplättchens.

Tatsächlich

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Tatsächlich sind jedoch die Effektivwerte zugrunde zulegen, weil die aus dem Metallplättchen und den piezoelektrischen Plättchen bestehende Anordnung im Querschnitt keine einheitliche Stärke hat und das Material nicht homogen ist. Der Wandler hat die Schwingungsformen einer ersten, zweiten und dritten Harmonisehen. Allgemein hat der Wandler nicht immer eine unbegrenzte Zahl harmonischer Schwingungsformen, sondern nur eine bis höchstens vier. Bei einer gegebenen Stärke und bei gegebenem Durchmesser der piezoelektrischen Keramikplättchen sowie bei einer gegebenen Stärke des zwischengefügten Aluminiums wird beispielsweise nur eine Grundwelle erzeugt, wenn der Durchmesser des Aluminiumplättchens klein ist, und mit zunehmendem Durchmesser des Aluminiumplättchens wird die Grundwelle gedämpft und es kommt zur Erzeugung der zweiten, dritten und vierten Harmonischen. Die Fre.quenzen der Harmonischen sind die durch den Pak tor der Konstanten ausgedrückten Vielfachen der durch die Gleichung (l) gegebenen Frequenz. Geht man von der Gleichung (l) aus, so ist die Resonanzfrequenz bei einer Verbunds cn wingeranordnung annähernd proportional der Stärke und umgekehrt proportional dem Quadrat des Durchmessers, wenngleich nicht behauptet werden kann, daß Q und 3 von den Durchmessern und Stärken der betreffenden Elemente überhaupt nicht abhängen. Für ein Breitbandmikrophon ist es anderseits erforderlich, daß man eine Resonanzfrequenz bei f +(lO bis 15) kHz und f -(lO bis 15) kHz um eine Mittenfrequenz f kHz zur Verfugung hat. Legt man hier wiederum die Gleichung (l) zugrunde, so zeigt sich, daß es möglich ist, eine Resonanzfrequenz zu erhalten, die diesem Erfordernis entspricht, indem man t und R entsprechend bemißt. Bei der Versuchsfertigung von Wandlern (Verbundschwingeranordnungen) unter verschiedenen Bedingungen ergab sich, daß die Resonanzfrequenzen beispielsweise bei 30 kHz und 50 kHz festgelegt werden konnten falls f « 40 kHz und bei 40 kHz und 60 kHz falls f = 50 kHz. So zeigt Fig. 7 zum Beispiel die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Durchmesser des Aluminiumplättchens, falls die piezoelektrischen Keramikplättchen einen Durchmesser von 8,2 mm und eine Stärke von 0,26 mm haben, während das Aluminiumplättchen eine Stärke von 0,1 mm hat. In Fig. 7 gilt die Kurve 19 für die jeweilige Grundwelle, die Kurve 20 für eine erste Harmonische, die Kurve 21 für eine zweite Harmonische und die Kurve

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22 für eine dritte Harmonische. Der Darstellung ist zu entnehmen, daß im Fall eines Durchmessers von 16,5 mm Eesonanzfrequenzen nahe bei 30 kHz und 50 kHz erscheinen. Die Admittanzkennlinie des Wandlers ist in Fig. 8 gezeigt, die Auf nähme empfindlichkeitskennli nie eines diesen Wandler einbegreifenden Mkrophons in Fig. 9 und die Schall druckkennlinie für die Schall aussendung in Fig. 10. Aus diesen Figuren geht hervor, daß das Mikrophon ein Arbeitsfrequenzband mit einer Breite von 20 kHz oder mehr hat, was also die dreifache Breite wie bei dem bekannten Mkrephon ist. In Fig. 9 und 10 sind die Kurven 23 die im Eahmen der Erfindung geltenden Kennlinien.

In Fig. 11 sind für die Grundwelle (Al), die erste Harmonische (A2), die zweite Harmonische (A3)> die dritte Harmonische (A4) und die vierte Harmonische (A5) die zwischen dem Durchmesser des Aluminiumplättchens und den Eesonanzfrequenzen bei einem Ultraschallkeramikmikrophon bestehenden Beziehungen wiedergegeben, bei dem als Metallplättchen 1, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Aluminiumplättchen mit einer Stärke von 0,1 mm vorgesehen ist, während an der oberen und unteren Fläche dieses Aluminiumplättchens die piezoelektrischen Keramikplättchen mit einer Stärke von 0,26 mm und einem Durchmesser von 6,0 mm angeordnet sind. Die Figuren 12 bis 14 zeigen die Beziehungen zwischen dem Durchmesser des Aluminiumplättchens und den Eesonanzfrequenzen für die Grundwelle (Al), die erste Harmonische (a2), die zweite Harmonische (A3)» die dritte Harmonische (A4) usw. bei einem Ultraschallkeramikmikrophon mit einem Aluminiumplättchen mit einer Stärke von 0,1 mm und piezoelektrischen Keramikplättchen mit einer Stärke von 0,3 πηβ und einem Durchmesser von 6,0 mm (Fig. 12), bei einem Ultraschallkeramikmikrophon mit einem Aluminiumplättchen mit einer Stärke von 0,1 mm und piezoelektrischen Keramikplättchen mit einer Stärke von 0,2 mm und einem Durchmesser von 8,2 mm (Fig. 15) und bei einem Ultraschallkeramikmikrophon mit einem Aluminiumplättchen mit einer Stärke von 0,1 im und einem piezoelektrischen Keramikplättchen mit einer Stärke von 0,30 mm und einem Durchmesser von 8,2 mm (Fig. 14).

Fig. 15 ist eine zusammenfassende Übersicht zu den Figuren 11 bis 14» wobei der Wsrt

t -1

cm

(-)
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angegeben ist, worin R. den Durchmesser des Aluminiumplättchens bezeichnet und t dessen Stärke. Fig. l6 ist eine graphische Darstellung zu Fig. 15, aus der hervorgeht, daß eine erste Harmonische "bei 30 kHz erscheint, wenn die Bedingung

15 x 1O'⁵ < -^r < 20 x 10"³ K₂J

erfüllt ist, so daß also ein Brei tband-Ul traschallke ramikmikrophon geschaffen werden kann.

Wie im einzelnen aus der obigen Beschreibung zu entnehmen ist, kann die Schaffung eines Breitbandmikrophons im Rahmen der Erfindung in einfacher und müheloser Weise erfolgen.

Patentansprüche 609843/0 8 82

Claims

2 61 h S 9 3

Patentansprüche

■Ί·) Ultraschallkeramikmikrophon mit einem elektroakustisehen Wandler, der an der oberen und unteren Fläche eines Metallplättchens angeordnete piezoelektrische Keramikpl&ttchen zur Erzeugung von Auslenkschwingungen aufweist, wobei die Durchmesser der piezoelektrischen Keramikplättchen kleiner sind als der des Ifetallplättchens, gekennzeichnet durch den Betrieb des Ultraschallkeramikmikrophons nahe zwei oder drei benachbarten Resonanzfrequenzen einer Grundwelle und der betreffenden höheren Harmonischen der Auslenk schwingungen des elektroakusti sehen Wandlers (6) und in einem diese Resonanzfrequenzen erfassenden Frequenzband.
2. Ul traschallke ramikmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Metallplättchen (l) um ein Aluminiumplättchen handelt, dessen Stärke t und Durchmesser H durch die Beziehung

15 x 10~⁵ cm"¹ s -J-s· < 20 x 10~⁵ cm"¹

K₂)

ausdrückbar sind.

3· Ultraschallkeramikmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein den elektroakusti sehen Wandler (6) tragendes Klemmbrett (lO) und ein auf der einen Seite ein offenes Ende aufweisendes Gehäuse (8) zur Aufnahme des Klemmbretts (lO) vorgesehen sind.

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