DE2851835B1 - Selektive Mikrophonanordnung - Google Patents

Description

• Anhand eines Ausführungsbeispieles wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt in der Zeichnung F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer herkömmlichen Ultraschall-Empfangsanordnung Fig.2 ein Ausführungsbeispiel eines zweikreisigen Mikrophonfilters Fig.3 ein Prinzipschaltbild einer Ultraschall-Empfangsanordnung unter Verwendung eines Mikrophonfilters gemäß Fig. 2 F i g. 4 ein Ersatzschaltbild der Anordnung nach Fig.2 Fig. 5 und 6 den Dämpfungsverlauf einer Anordnung nachFig.2.
• F i g. 1 zeigt das Prinzipschaltbild einer herkömmlichen Ultraschall-Empfängeranordnung mit einem breitbandigen Mikrophon, z. B. einem Elektretmikrophon M, einem, dem Mikrophon nachgeschalteten Vorverstärker V1, einem zwischen dem Vorverstärker V1 und einem Endverstärker V2 geschalteten Bandpaß BP, der beispielsweise als mehrkreisiges LC-Filter aufgebaut ist und einer dem Endverstärker nachgeschalteten Auswerteelektronik A. Da der Auswerteelektronik A ein ausreichend hoher Signalpegel zur Verfügung stehen muß, ist zwischen Mikrophon und ihrem Eingang eine Gesamtverstärkung von beispielsweise wenigstens 120 dB erforderlich, wodurch der einleitend erläuterte hohe Aufwand hinsichtlich der Verstärker erforderlich wird.
• F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer im folgenden auch als Mikrophonfilter bezeichneten selektiven Mikrophonanordnung, die als ein- oder mehrkreisiges mechanisches Filter aufgebaut sein kann, und dessen erster Resonator als Schallaufnehmer arbeitet. F i g. 2 zeigt das Beispiel einer zweikreisigen Ausführung mit zwei prismatisch ausgebildeten, aus elektrostriktivem Material bestehenden, Längsschwingungen ausführenden Resonatoren R 1 und R 2. Der erste Resonator R 1 arbeitet hierbei als Schallaufnehmer und ist an einer Stirnfläche mit einer schallaufnehmenden Membranfläche MF fest verbunden. An zwei gegenüberliegenden Bereichen der Längsseiten des Resonators R 1 sind metallische Elektrodenflächen El, E2 aufgebracht, von denen eine auf Bezugspotential, beispielsweise Massepotential gelegt ist. Das Schallfeld S der Ultraschallquelle trifft auf die Membran MFdes Resonators R 1, wodurch dieser zu Längsschwingungen angeregt wird. An den Elektrodenflächen El und E2 des aus Piezokeramik bestehenden Resonators R 1 entsteht auf Grund des Piezoeffekts eine elektrische Spannung, die bereits unmittelbar von den Elektrodenflächen abgenommen und nachfolgend verstärkt werden kann.
• Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 wird die zwischen den Elektroden El und E2 auftretende, der Ultraschallinformation entsprechende elektrische Spannung den Elektroden eines zweiten piezoelektrischen Resonators R 2 zugeführt. Der zweite Resonator R 2 ist hierbei bis auf die fehlende Membranfläche übereinstimmend mit dem Resonator R 1 aufgebaut und weist ebenfalls zwei auf gegenüberliegende Längsseiten aufgebrachte Elektrodenflächen E3 und E4 auf, von denen die eine Elektrodenfläche E3 mit der nicht geerdeten Elektrodenfläche E2 des ersten Resonators R 1 verbunden und die andere Elektrodenfläche E4, wie auch die Elektrodenfläche El des ersten Resonators R1 auf Masse gelegt ist. Damit wird auf Grund des Piezoeffektes auch der Resonator R 2 zu Längsschwingungen angeregt und das gefilterte Signal kann an einer auf den Resonator R 2 weiterhin aufgebrachten Endelektrode E5 abgenommen werden. Vorteilhaft ist es, den Filterausgang besonders hochohmig auszubilden, was durch Ausbildung des zweiten Resonators R 2 als Transformationsschwinger erreicht werden kann.
• Hierfür ist die zur Auskopplung erforderliche Endelektrode E5 auf eine der Stirnflächen des zweiten Resonators aufgebracht und mit dem Ausgangsanschluß 3 der Anordnung verbunden. Bei einer einkreisigen Ausführung können in entsprechender Weise eine oder beide Elektrodenflächen auf den Stirnflächen des Resonators R 1 aufgebracht werden.
• Innerhalb des Mikrophon-Filtergehäuses sind die Resonatoren durch in der F i g. 2 nicht eigens dargestellte, zur Vermeidung von Schwingungsdämpfungen in den Schwingungsknoten angreifende stiftförmige Halteorgane bzw. Klemmfedern gehaltert Die Selektivität der Anordnung läßt sich durch Einfügen weiterer Resonatoren noch erhöhen und beispielsweise auch auf ein bestimmtes Bandpaßverhalten hin bemessen.
• Trotzdem die Anpassung eines Luftschallfeldes an einen mechanischen Resonator schlechter ist als beispielsweise an die nachgiebige Membran eines Elektretmikrophones, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung ein hoher Empfindlichkeitsgewinn von über 20 dB, der im wesentlichen auf die Schmalbandigkeit des Filters bzw. die Ausnützung einer Resonanzüberhöhung und auf die hochohmige Ausbildung des Filterausganges zurückzuführen ist.
• Fig 3 zeigt das Prinzipschaltbild einer Ultraschall-Empfangsanordnung, bei der ein erfindungsgemäßes Mikrophonfilter M1 gemäß F i g. 2 Verwendung findet.
• Der dem Mikrophonfilter M1 nachgeschaltete Verstärker V3, der direkt mit der Auswerteelektronik A verbunden ist, benötigt bei der erfindungsgemäßen Lösung nur noch eine Verstärkung, die kleiner als 100 dB sein kann, wodurch sich ein relativ einfacher und unkritischer Aufbau des Verstärkers V3 ergibt.
• F i g. 4 zeigt eine Ersatzschaltung des in F i g. 2 angegebenen zweikreisigen Mikrophonfilters. Durch den eingangsseitigen Übersetzer T wird das aus dem Schallfeld resultierende aus der Kraft Fo und der Schnelle vo bestehende Größenpaar in die elektrischen, auf der Sekundärseite des Übersetzers Tauftretenden Größen U0 und lo umgewandelt Der Ausgangsklemme 1 des Übersetzers Tist ein aus der Kapazität C1 und der Induktivität L, bestehender Serienresonanzkreis der Resonanzfrequenz f, nachgeschaltet, der durch den ohmschen Widerstand rgedämpft ist Die im Querzweig sich anschließenden Kapazitäten C)i und C03 sind die an den Elektroden El und E2 bzw. E3 bzw. E4 der Resonatoren R 1 bzw. R 2 meßbaren statischen Kapazitäten. Die Schaltungspunkte 2 und 0 der Ersatzschaltung entsprechen hierbei den gleichbezeichneten Punkten 2 und 0 der Anordnung nach F i g. 2, wobei der Punkt 0 beim Ausführungsbeispiel auf Massepotential gelegt ist Im Ausführungsbeispiel schließt sich an die Kapazität Cb3 ein im Längszweig liegender Serienresonanzkreis aus der Kapazität C2, und L31 an, dessen Resonanzfrequenz mit f3 bezeichnet ist, und der eine durch einen Widerstand rtangegebene Dämpfung aufweist. Der sich anschließende Übersetzer Ü resultiert aus dem unsymmetrischen Aufbau des Resonators R 2. Die akustische Belastung z ist relativ gering und nahezu reell, so daß es zweckmäßig ist, sie in die Dämpfung des Resonators R 1 einzubeziehen.
• Durch einen einmaligen Vergleich eines Prüf-Membranschwingers mit einem Bezugsmikrophon im gleichen - Schallfeld läßt sich die am Ausgang des Übersetzers T auftretende EMK Uo für eine einmal festgelegte Geometrie des Membranschwingers bestimmen, so daß bei der Bemessung ausschließlich mit elektrischen Größen gerechnet werden kann. Diese EMK erfährt die schon erwähnte Erhöhung durch Resonanz und Transformation. Die Transformation kommt durch die Auskopplung an einer sehr kleinen Kapazität Cm,4 und über einen großen elektromechanischen Kopplungsfaktorzustande. Beim Ausführungsbeispiel eines Mikrophonfilters für 70 kHz wurde die Bandpaßcharakteristik mit einer ca. 5dB tiefen Einsattelung in der Bandmitte versehen und so breit gemacht, daß sich zusammen mit einem zur Rauschunterdrückung nötigen LC-Kreis mit einer Güte von Q = 175, der hinter den ersten Verstärkerstufen angeordnet ist, eine Bandbreite von 1,2% ergibt Das elektrische Verhalten des Mikrophonfilters ist durch den in F i g. 5- angegebenen Dämpfungsverlauf dargestellt. F i g. 6 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Darstellung nach F i g. 5 im Bereich der Bandmitte.
• Bei dem den Meßkurven zugrundeliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Querschnitt der Resonatoren 4 mm x 1 mm und ihre Länge etwa 18 mm. Die Frequenz fi des ersten Resonators R 1 bei kurzgeschlossenen Elektroden wurde durch Längenabgleich auf 69,649 kHz abgestimmt. Beim Ausführungsbeispiel wurde ferner die Resonanzfrequenz f3 des zweiten Resonators R2 bei kurzgeschlossenen Klemmen 2-0 und bei offenen Klemmen 3-0 übereinstimmend mit der des ersten Resonators R 1 auf 69,649 kHz eingestellt.
• Die einzelnen Resonatoren können durch Klemmfedern in einem beispielsweise gespritzten Kunststoffgehäuse in einfacher Weise gehalten und gleichzeitig kontaktiert werden. Lediglich der Anschluß 3 am Ende des Transformationsschwingers R 2 erfordert einen dünnen Anschlußdraht. Die Membrane kann in vorteilhafter Weise aus verstärktem Kunststoff bestehen und unmittelbar an den Resonator angespritzt werden.
• Die durch die einmal ermittelte Elektrodengeometrie eingestellten Kapazitätsverhältnisse bedürfen keines Abgleiches, so daß lediglich die Frequenzen fi und f3 der einzelnen Resonatoren abgeglichen werden müssen.
• Hierzu eignen sich Abgleicheinrichtungen, wie sie für den Abgleich von mechanischen Resonatoren bekannt sind.

Claims (8)

1. Patentansprüche: 1. Selektive Mikrophonanordnung, insbesondere für den Frequenzbereich von Ultraschallschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorzugsweise prismatisch ausgebildeter, aus elektrostriktivem Material bestehender mechanischer Resonator (R 1) an einer Stirnfläche mit einer schallaufnehmenden Membranfläche (MF) fest verbunden und zu Längsschwingungen anregbar ist, und daß der Resonator mit Elektrodenflächen (El, E2) zur Abnahme der in elektrische Energie umgewandelten Schallenergie versehen ist.
2. 2. Selektive Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektrodenflächen auf gegenüberliegenden Längsseiten des Resonators aufgebracht sind und daß eine der Elektrodenflächen auf Bezugspotential, beispielsweise Massepotential gelegt ist.
3. 3. Selektive Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenfläche auf der der Membranfläche (MF) gegenüberliegenden Stirnfläche des Resonators und die andere Elektrodenfläche auf der mit der Membranfläche verbundenen Stirnfläche des Resonators aufgebracht bzw. durch die Membranfläche selbst gebildet ist.
4. 4. Selektive Mikrophonanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrodenfläche auf einer Stirnfläche des Resonators und die andere Elektrodenfläche auf einem Teil wenigstens einer Längsseite des Resonators aufgebracht ist.
5. 5. Selektive Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Resonator (R 1) ein vorzugsweise prismatisch ausgebildeter aus elektrostriktivem Material bestehender weiterer mechanischer Resonator (R 2) nachgeschaltet ist, daß auf den weiteren Resonator zwei mit den Elektrodenflächen des ersten Resonators verbundene weitere Elektrodenflächen (E3, E4) sowie eine dritte Elektrodenfläche (ES) aufgebracht sind und daß eine der weiteren Elektrodenflächen und die dritte Elektrodenfläche des weiteren Resonators zur Abnahme der elektrischen Energie vorgesehen sind.
6. 6. Selektive Mikrophonanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrodenfläche (E5) auf eine der Stirnflächen des weiteren Resonators (R 2) aufgebracht ist.
7. 7. Selektive Mikrophonanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Resonatoren zwischen dem Resonator (R 1) und dem weiteren Resonator (R 2) geschaltet sind.
8. 8. Selektive Mikrophonanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrophonanordnung ein hochohmiger Verstärker (V3) nachgeschaltet ist.

   Die Erfindung betrifft eine selektive Mikrophonanordnung, insbesondere für den Frequenzbereich von Ultraschallschwingungen.

   Für die Übertragung und den Empfang von Ultraschallschwingungen, beispielsweise bei Fernsteue- rungen, muß das Ultraschall-Signal von der Empfangsanordnung mit Hilfe eines Mikrophons in elektrische Schwingungen umgewandelt werden. In der Regel ist zusätzlich ein dem Mikrophon nachgeschaltetes Frequenzfilter erforderlich, das den nachfolgenden Verstärker und die Signalauswerteschaltungen einerseits vor Störungen und andererseits vor Signalen mit unerwünschen Frequenzen schützt. Wegen der relativ geringen Amplitude der Ultraschallsignale wird im allgemeinen ein möglichst empfindliches Mikrophon benötigt, um die erforderliche nachfolgende Verstärkung in Grenzen halten zu können. Es können sich hierbei trotzdem Verstärkungen von mehr als 120 dB als notwendig erweisen, die nur noch unter relativ hohem Aufwand beherrschbar sind.

   Bei bekannten derartigen Anwendungen werden stets relativ breitbandige Mikrophone, wie beispielsweise Elektretmikrophone oder Kondensatormikrophone verwendet, die auf Grund ihrer Breitbandigkeit eine nachfolgende Selektion beispielsweise durch mehrkreisige LC-Filter erforderlich machen. Die notwendige hohe Verstärkung kann dann nur durch einen sorgfältigen und dementsprechend aufwendigen Aufbau des Verstärkers realisiert werden.

   Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, die vorstehenden Nachteile zu beseitigen und eine Anordnung der eingangs erwähnten Art anzugeben, durch die bei relativ geringem Verstärkungsaufwand eine hohe Empfindlichkeit gewährleistet ist.

   Ausgehend von einer selektiven Mikrophonanordnung, insbesondere für den Frequenzbereich von Ultraschallschwingungen, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein vorzugsweise prismatisch ausgebildeter, aus elektrostriktivem Material bestehender mechanischer Resonator an einer Stirnfläche mit einer schallaufnehmenden Membranfläche fest verbunden und zu Längsschwingungen anregbar ist, und daß der Resonator mit Elektrodenflächen zur Abnahme der in elektrische Energie umgewandelten Schallenergie versehen ist.

   Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist durch die gleichzeitige Selektivität der Mikrophonanordnung gegeben, durch die sich bei entsprechender Abstimmung des elektrostriktiven Resonators eine Resonanzerhöhung und somit ein hoher Empfindlichkeitsgewinn ergibt.

   Eine besonders vorteilhafte hochohmige Ausbildung des Mikrophonausganges ist dadurch gegeben, daß eine der Elektrodenflächen auf einer Stirnfläche des Resonators aufgebracht ist. Hierbei kann die zweite Elektrodenfläche auf einer Längsseite oder auf der gegenüberliegenden, mit der Membranfläche verbundenen Stirnseite des Resonators aufgebracht sein.

   Vorteilhaft, insbesondere zur Erzielung einer noch höheren Selektion ist es, wenn dem Resonator ein vorzugsweise prismatisch ausgebildeter aus elektrostriktivem Material bestehender weiterer mechanischer Resonator nachgeschaltet ist, wenn auf den weiteren Resonator zwei mit den Elektrodenflächen des ersten Resonators verbundene weitere Elektrodenflächen sowie eine dritte Elektrodenfläche aufgebracht sind und wenn eine der weiteren Elektrodenflächen und die dritte Elektrodenfläche des weiteren Resonators zur Abnahme der elektrischen Energie vorgesehen sind. Die Selektivität der Anordnung läßt sich in vorteilhafter Weise durch Einfügen weiterer Resonatoren noch weiter erhöhen.