DE2654622C3 - Elektro-akustischer Elektret-Schlitzwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektro-akustischen Wandler, der zur Umwandlung von Schallenergie in elektrische Energie und umgekehrt einen Elektret-Schlitzwandler verwendet. Er kann überall dort angewendet werden, wo zur Zeit elektro-akustische Wandler - Mikrophone und Lautsprecher - herkömmlicher Bauweise eingesetzt werden.

Zur Umwandlung von Schall-Schwingungen in elektromagnetische Schwingungen und umgekehrt werden u. a. dynamische Wandler und elektrostatische Wandler verwendet. Bei einem dynamischen Wandler wird auf eine stromdurchflossene Spule in einem geeignet geformten statischen Magnetfeld eine zum Strom proportionale Kraft ausgeübt, und umgekehrt wird bei Bewegung der Spule in diesem Magnetfeld eine zur Geschwindigkeit der Spule proportionale Spannung induziert.

Die bisher verwendeten elektrostatischen Wandler arbeiten nach dem Prinzip, daß die beiden Platten eines Plattenkondensators mit einer Kraft angezogen werden, die proportional zum Quadrat der Spannung zwischen den Platten ist und daß bei Änderung des Plattenabstandes eines aufgeladenen Kondensators sich seine Spannung ändert.

Ein derartiger elektrostatischer Wandler weist jedoch einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen elektrischer und akustischer Amplitude auf. Durch Verwendung einer konstanten Vorspannung oder eines Elektreten, der die gleiche Wirkung wie eine konstante Vorspannung hat, erzielt man eine Linearisierung in erster Annäherung. Trotzdem bleibt das Kondensator-Mikrophon und das Elektrct-Kondensator-Mikrophon ein prinzipiell nicht-linearer Wandler zwischen Schall-Amplitude und elektrischer Amplitude.

Bei einem dynamischen Wandler ist wegen der im > Vergleich zu elektrostatischen Kräften geringen Kräfte zwischen Magnetfeld und bewegten Ladungen der elektroakustische Kopplungsfaktor relativ gering. Bei dynamischen Lautsprechern sind wegen der Ohmschen Verluste in der Spule nur geringe Wirkungsgrade der Energie-Umwandlung von etwa 6% erreichbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektro-akustischen Wandler zu schaffen, der den Vorzug des linearen Zusammenhanges zwischen elek-

i"> trischer und akustischer Amplitude eines dynamischen Wandlers mit dem Vorzug des pünstigen elektro-akustischen Kopplungsfaktors eines elektrostatischen Wandlers vereinigt.

Ausgehend von dem für elektrostatische Elektret-

-<> motore und elektrostatische Meßinstrumente von Oleg Jefimenko (Zeitschrift: »Proceedings of the West Virginia Academy of Science«, Band 40, Jahrgang 1968, Seiten 338 bis 348) angegebenen Elektret-Schlitzwandler wird die Aufgabe erfindungsge-

-'i maß dadurch gelöst, daß sich eine aus mindestens zwei jeweils durch Dielektrika voneinander getrennten und entgegengesetzte Oberflächenladung aufweisenden Elektreten bestehende Anordnung, welche mit der Membran über ein Dielektrikum fest verbunden ist,

«ι zwischen in Reihe angeordneten Plattenkondensatoren mit abwechselnd entgegengesetzter Polung parallel zu den Kondensatorplatten bewegt.

Zur Erhöhung des elektro-akustischen Kopplungsfaktors dieses Wandlers und zur Vergrößerung seiner

π elektrischen Admittanz werden mehrere Elektret-Schlitzwandler parallel geschaltet. Da der Kopplungsfaktor proportional zur Breite des Elektreten und des Schlitzwandlers ist und um gleichzeitig dem Elektreten eine größere Steifigkeit zu geben, ohne seine

4Ii Masse wesentlich zu erhöhen, wird der Schlitzwandler zweckmäßigerweise rotationssymmetrisch angeordnet. Günstig im Hinblick auf die Konstruktion ist auch eine wendeiförmige Anordnung des Schlitzwandlers. Zur weiteren Erhöhung des Kopplungsfaktors kön-

4Ί nen mehrere solcher wendeiförmigen Schlitzwandler mit verschiedenen Durchmessern ineinandergeschachtelt werden.

Als Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird an Stelle der Elektretanordnung der Tandemkonden-

w sator mit der schwingenden Membran fest verbunden. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß man einen elektro-akustischen Wandler erhält, der für große Amplituden einen streng linearen Zusammenhang zwischen elektrischer und

>^r> akustischer Amplitude aufweist, der einen hohen elektro-akustischen Kopplungsfaktor besitzt, da die Wechselwirkung zwischen elektrostatischem Feld und elektrischer Ladung in einem Elektreten ausgenutzt wird, der keinen schweren Permanent-Magnctcn,

w) sondern nur einen leichten Elektreten benötigt. Wegen der auftretenden geringen Leitungsströme sind die elektrischen Verluste des Wandlers vernachlassigbar klein.

Ein schematisches Ausführungsbeispicl der lirfin-

t» dung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben. Es zeigen

Fig. la und h scheinatische Ausführungen eines elektro-akustischen lilektret-Schlitzwandlers mit ei-

nem ebenen Tandemkondensator,

Fig. 2 vier parallel angeordnete rotationssymmetrische Elektret-Schlitzwandler für einen elektroakustischen Wandler,

Fig. 3 wendeiförmige Anordnung eines Elektret-Schlitzwandlers für einen elektro-akustischen Wandler.

Mit Hilfe eines Dielektrikums wird nach Fig. la und 1 b die Membran eines Lautsprechers oder Mikrophons an die beiden untereinander durch ein Dielektrikum verbundenen Elektrete A und B fest -angekoppelt. Die Elektrete A und B sind mit entgegengesetzter Polung aufgeladen. Der Elektret A befindet sich in der Ruhelage der Membran zur Hälfte im Kondensator 1 und zur Hälfte im Kondensator 2, während sich der Elektret B zur Hälfte im Kondensator 2 und zur Hälfte im Kondensator 3 befindet. Benachbarte Kondensatoren sind jeweils entgegengesetzt gepolt, so daß durch die Anordnung der drei Plattenkondensatoren zwei Schlitzwandler gebildet werden. Wird an den elektrischen Eingangsklemmen 1 und 2 des elektroakustischen Wandlers eine Spannung U angelegt, so werden auf die beiden Elektrete A und B in den durch die Kondensatorpaare 1, 2 und 2, 3 gebildeten Schlitzwandlern jeweils Kräfte senkrecht zur Membranfläche ausgeübt, und zwar sind die Kräfte auf die

beiden Elektrete gleichsinnig, da sowohl die Polarität der Kondensatoren als auch diejenige der Elektrete in den beiden Schlitzwandlern vertauscht sind. Diese resultierende Kraft verursacht entsprechend der Federkonstante und des Reibungskoeffizienten der Membranaufhängung und der Masse von Membran, Dielektrikum und Elektreten eine Auslenkung der Membran. Hierdurch wird eine Schallwelle abgestrahlt. Verursacht andererseits ein Schalldruck eine Auslenkung der Membran, werden die Elektrete in den beiden Schlitzwandlern verschoben. Es ändern sich auf Grund der Influenzwirkung die Ladungen auf und die Spannungen zwischen den Kondensatorplatten. Im Fall der Verdrahtung der drei Plattenkondensatoren nach Fig. la werden die auf den Platten influenzierten Ladungen summiert (Parallelschaltung). Im Fall der Verdrahtung der Plattenkondensatoren nach Fig. Ib werden die an den Kondensatoren influenzierten Spannungen zur Gesamtspannung U summiert (Reihenschaltung).

Fig. 2 stellt eine rotationssymmetrische Form von vier parallel angeordneten Elektret-Schlitzwandlern dar. Sehr zweckmäßig im Hinblick auf die Konstruktion ist eine wendeiförmige Anordnung des Tandemkondensators und des Elektreten, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler, bei dem die elektro-akustische Kopplung auf elektrostatische Art nach dem Prinzip des Elektret-Schlitzeffekts zustande kommt, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus mindestens zwei jeweils durch Dielektrika voneinander getrennten und entgegengesetzte Oberflächenladung aufweisenden Elektreten bestehende Anordnung, welche mit der Membran über ein Dielektrikum fest verbunden ist, zwischen in Reihe angeordneten Platten-Kondensatoren mit abwechselnd entgegengesetzter Polung parallel zu den Kondensatorplatten bewegbar ist.

2. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da3 die Plattenkondensatoren und die zwischen den Platten befindliche Elektretanordnung rotationssymmetrisch ausgeführt sind.

3. Elektro-akustischer Wandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenkondensatoren und die zwischen den Platten befindliche Elektretanordnung wendelförmig ausgeführt sind.

4. Elektro-akustischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Elektretanordnung die Platten-Kondensatoren mit der Membran fest verbunden sind.