DE2934663A1

DE2934663A1 - Elektroakustische wandler und einrichtungen zur einstellung der richtcharakteristik, insbesondere fuer einbruchsalarmsysteme

Info

Publication number: DE2934663A1
Application number: DE19792934663
Authority: DE
Inventors: John K Guscott; Gerard Renner; Roger Wendt
Original assignee: American District Telegraph Co
Current assignee: American District Telegraph Co
Priority date: 1978-08-28
Filing date: 1979-08-28
Publication date: 1980-03-13
Also published as: GB2029160A; IT7968718A0; IT1125948B; JPS5563197A; US4228379A; GB2029160B; JPS6340400B2

Description

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r.v:¹::^·¹/Anwälte

LANDWEHRSTR. 37 8OOO MÜNCHEN 2 TEL. O 39 / 89 67 84

München, den 28. August 1979 Anwaltsaktenz.: 11 - Pat.

American District Telegraph Company, Suite 9200, One World Trade Center, New York, New York 10048, Vereinigte Staaten von Amerika

Elektroakustische Wandler und Einrichtungen zur Einstellung der Richtcharakteristik, insbesondere für Einbruchsalarmsysteme

Die Erfindung bezieht sich auf elektroakustische Wandler, insbesondere auf solche, die für die Verwendung in Einbruchsalarmsystemen geeignet sind und auf damit verbundene Einrichtungen zur Einstellung der Richtcharakteristik .

Es ist allgemein bekannt, daß man mit elektroakustischen Wandlern bei elektrischer Erregung Schallwellen und bei akustischer Erregung ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen kann. Um besondere Arbeitscharakteristiken und bestimmte Funktionsweisen zu ermöglichen,ist bereits eine Vielzahl von verschiedenen Wandlern entwickelt worden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektroakustischen Wandler zu schaffen, der besonders für die Verwendung von Einbruchsalarmsystemen geeignet ist und der einen

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modulartigen Aufbau aufweist, so daß eine billige und betriebssichere Herstellung möglich ist und leistungsstarke, genau arbeitende betriebssichere Geräte erhalten werden. Außerdem soll der Wandler eine wirksame Strahlungs- oder Aufnahmefähigkeit von akustischer Energie für ein weites Spektrum von Umweltbedingungen und Anwendungsfällen aufweisen, in Verbindung mit Luft oder Feststoffen verwendbar sein und bei Frequenzen im Hör- und Ultraschallbereich arbeiten. Gemäß der Erfindung ist ein derartiger Wandler gekennzeichnet durch

a) eine Schwinganordnung mit einer Metallmembran, einem mit einer Membranoberfläche verbundenen piezoelektrischen Element, einem mit dem Außenrand der Membran verbundenen akustisch massiven Klemmring und einem ersten und zweiten mit dem piezoelektrischen Element verbundenen Anschluß,

b) ein Gehäuse mit Öffnung, in dem die Schwinganordnung untergebracht ist, wobei die Öffnung gegegenüber der Metallmembran angeordnet ist und

c) einen akustischen Nebenschlußweg zwischen der Rückseite und der Vorderseite der Membran, so daß ein begrenzter Teil der rückwärtigen Strahlung von der Rückseite der Membran um den Rand der Schwinganordnung zur Beeinflussung der Richtcharakteristik des Wandlers abgeleitet werden kann.

Grundbaustein des neuen Wandlers ist die Schwinganordnung.

Diese eröffnet durch Anordnungen in einem Gehäuse mit Öffnung die Zusammenarbeit mit Luft als Strahlungsmedium, wobei über den Nebeschlußweg zwischen Membranrück- und Vorderseite die Richtcharakteristik beeinflußt werden kann. Darüber hinaus eröffnen an das Gehäuse ankoppelbare Einrichtungen zur Einstellung der Richtcharakteristik

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weitere Anpassungsmöglichkeiten an die verschiedensten Einsatzbedingungen. Andererseits kann die Schwinganordnung unmittelbar mit einem Festkörper gekoppelt werden und mit diesem zusammen einen Wandler bilden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung seien nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

FIG 1 einen Wandler gemäß der Erfindung in geschnittener und auseinandergezogener Darstellung,

FIG 2 eine vertikale Querschnittsansicht der Anordnung nach FIG 1, —

FIG 3 eine perspektivische Schnittansicht einer anderen Anordnung gemäß der Erfindung zur Befestigung auf einem Festkörper,

FIG AA, schematische Darstellungen der verschiedenen ,p ^un bei der Erfindung verwendeten Schwingungsformen,

FIG 5 die perspektivische Ansicht einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung,

FIG 6 eine perspektivische Schnittansicht einer Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik,
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FIG 7 Richtdiagramme für die Anordnung nach FIG 6,

FIG 8 eine perspektivische Schnittansicht einer anderen Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik,

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FIG 9 Richtdiagramme für die Anordnung nach FIG 8,

FIG 10 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik,

FIG 11 Richtdiagramme für die Anordnung nach FIG 10

FIG 12 eine perspektivische Schnittansicht einer weiteren Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik ,

FIG 13 Richtdiagramme für die Anordnung nach FIG 12,

FIG 14A perspektivische Schnittansichten einer weiteren ^un Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik in auseinandergezogener Darstellung und

FIG 15 Richtdiagramme der Anordnung nach FIG 14A und FIG 1AB.

Die in FIG 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Metallmembran 10 mit einem Klemmring 12, der den Rand der Membran abdeckt, und mit dieser fest verbunden ist. Ein dickengepoltes piezoelektrisches Keramikelement 14 in Form einer Scheibe ist im Zentrum der Membran 10 befestigt und weist eine Elektronenoberfläche in elektrischem Kontakt mit der darunterliegenden Oberfläche der Membran auf. Auf diese Weise dient die Membran selbst als ein elektrischer Anschluß für die Keramikscheibe. Die Membran weist einen sich nach auswärts erstreckenden einteiligen Lappen 16 auf, der als einer der Wandleranschlüsse dient. Der zweite Wandleranschluß 18 ist mit der zweiten Elektro-

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denfläche der Keramikscheibe über eine flexible elektrische Leitung, z.B. ein leitendes Band 20, verbunden. Diese flexible Bandverbindung beschränkt die Dämpfung der schwingenden Membran auf ein Mindestmaß und beeinträchtigt die Schwingungseigenschaften des Wandlers nicht wesentlich.

Die Schwinganordnung, die sich aus der Membran 10, der piezoelektrischen Scheibe 14 und dem Klemmring 12 zusammensetzt, ist in einem Plastikgehäuse 22 untergebracht, das eine zylindrische Wand 24 mit einem etwas größeren Durchmesser als der Außendurchmesser des Klemmringes 12 und einen Boden mit einer der Membran 10 gegenüberliegenden und mit dieser kommunizierenden Öffnung 26 aufweist. Eine zylindrische Abdeckkappe 28 umgibt die Seitenwand 24. Durch hochstehende Zapfen 30 auf dem Gehäuse 22 wird die Abdeckkappe 28 in ihrer Lage festgelegt. Die elektrischen Anschlüsse der gezeigten Anordnung sind durch geeignete Öffnungen 32 in der Ab- deckkappe 28 nach draußen geführt. Sie können in an sich bekannter Weise mit einer elektrischen Erregungsquelle für den Fall der Verwendung des Wandlers zur Ausstrahlung von.akustischer Energie oder mit einem Empfangsschaltkreis für den Fall der Verwendung des Wandlers als Schallempfänger verbunden sein.

Die mechanischen Schwingungseigenschaften des Wandlers werden in erster Linie von den Abmessungen der Metallmembran 10 und dem zugehörigen Klemmring 12 bestimmt.

Die in Resonanzschwingung versetzbare wirksame Fläche der Membran wird durch den inneren Durchmesser des Klemmringes 12 bestimmt, der im Bereich der interessierenden Frequenzen akustisch massiv ist und daher nur einen sehr geringfügigen Einfluß auf die Schwingeigenschaften der Membran hat. Die verhältnismäßig

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kleine dickengepolte piezoelektrische Scheibe dient in erster Linie als Erreger oder Sensor der Membranbewegung und beeinflußt die Schwingungseigenschaften des Wandlers ebenfalls nicht wesentlich. Metalle sind von Natur aus stabiler als piezoelektrische Stoffe und die Verwendung einer Metallmembran als die Grundfrequenz bestimmendes Element führt zu Wandlern, die eine höhere Unempfindlichkeit gegenüber Umwelt- und Alterungsbedingungen aufweisen.

Da die Schwingungsfrequenz der Membran durch den Innendurchmesser des Klemmringes 12 festgelegt werden kann, können unterschiedliche Klemmringe bei der Herstellung von genau abgestimmten Wandlern verwendet werden, die bis auf die unterschiedlich dimensionierten Klemmringe in anderen Teilen übereinstimmen. Eine Abstimmung kann während der Herstellung auch durch Änderung der Membran stärke vorgenommen werden, z.B. durch Materialabhebung von der Membran zur genaueren Abstimmung der Arbeitsfrequenz. Durch derartige Änderungen kann eine'sehr weitgehende elektroakustische Übereinstimmung eines Paares oder einer Vielzahl von Wandlern erzielt werden.

Das Gehäuse 22 weist weiterhin Abstandselemente 34 auf, die die Vorderseite der Membran 10 in einem vorgegebenen geringen Abstand von der gegenüberliegenden Wand des Gehäuses sowie die Außenfläche des Klemmringes 12 in vorgegebenem Abstand von der umgebenden Gehäusewand 24 halten. Der so geschaffene Zwischenraum dient als akustischer Nebenschlußweg zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Membran. Der Abstand zwischen der Membran und der gegenüberlie- ' genden Oberfläche ist klein im Vergleich zur Wellenlänge, z.B. 10/1000 eines Zolls. Ein begrenzter Teil

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der rückwärtigen Strahlung von der Rückseite der Membran kann um den Rand des Klemmringes abgeleitet werden und so die Richtcharakteristik des Wandlers beeinflussen. Die Nebenschlußenergie kann für die Änderung der Breite, der Richtung und der Form der Strahlung herangezogen werden, so daß Strahlungsdiagramme der unterschiedlichsten Art realisiert werden können, die von den durch eine schwingende Membran unmittelbar erzeugten Strahlungsdiagrammen abweichen.

Mit Bezug auf FIG 2 setzt sich der Nebenschlußweg aus dem Abstand von der Rückseite 40 der Membran zur reflektierenden Oberfläche 42 der Abdeckkappe 28 sowie dem Weg um den Klemmring 12 und zu der Bezugsfläche der Membran zusammen. Die Bezugsfläche ist durch die mittlere Ebene der Membran bestimmt. Die Entfernung von der Membranrückseite zur reflektierenden Oberfläche der Abdeckkappe 28 sollte eine halbe Wellenlänge oder ein ungeradzahliges Vielfaches davon betragen, damit stabile Bedingungen für eine stehende Welle innerhalb des Hohlraumes bei Resonanz gegeben sind. Die Länge des Nebenschlußweges von der reflektierenden Oberfläche der Abdeckkappe zur Membranbezugsfläche ist annähernd gleich groß. Die Vorderseite der schwingenden Membran führt eine gegenüber der Rückseite um 180 phasenverschobene Bewegung aus. Daher ist am vorderen Ende des Nebenschlußweges die Energie gegenüber der Strahlung durch die Vorderseite der schwingenden Membran um 180° phasenverschoben, so daß diese gesteuerte phasenverschobene Strahlung zur wahlweisen Verschiebung oder Änderung der Strahlungscharakteristiken verwendet werden kann.

Es ist wünschenswert, daß der Gewinn des W_andlers im Bereich der Arbeitstemperaturen so gleichmäßig wie mög-

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lich bleibt. Die Ausbreitung von Ultraschallenergie in Luft hängt in erster Linie von der Dichte und der relativen Luftfeuchtigkeit ab ,und Temperaturänderungen bewirken Dichteänderungen,die die Ausbreitung und Wandlerleistung beeinflussen. Temperaturänderungen führen darüber hinaus zu Änderungen der Wandlerabmessungen mit zwangsläufiger Leistungsänderung. Der neue Wandler liefert einen nahezu konstanten Gewinn durch Kompensation der temperaturbedingten Änderungen hinsichtlich der Wellenlänge der ausgestrahlten Energie und der Resonanzfrequenz des Wandlers, die ohne Kompensation den Wandlergewinn verringern würden. Zwecks Temperaturkompensation ist die Festfrequenz, z.B. 26,3 kHz, beim Sendewandler niedriger als die Resonanzfrequenz des Wandlers bei Raum- oder einer anderen Bezugstemperatur. Steigt die Temperatur an, dann sinkt die Resonanzfrequenz und nähert sicher Festfrequenz, so daß die Ausgangsleistung steigt. Ein Empfängerwandler arbeitet analog, da die in einem aktiven Alarmsystem empfangene Energie eine reflektierte Form der ausgesendeten Festfrequenz ist. Eine Konpensation wird außerdem durch Festlegung der Länge des Nebenschlußweges bei Raum- oder einer anderen Bezugstemperatur bewirkt, wenn dadurch die optimale Verstärkung der Membranvorderseitenstrahlung unterschritten wird. Bei steigender Temperatur nimmt die Wellenlänge der ausgestrahlten Energie zu und führt zu einer größeren Verstärkung der Vorderseitenstrahlung, da die Nebenschlußwegenergie sich der Phasenlage der Vorderseitenenergie immer mehr annähert. Der Wandleraufbau gemäß der Erfindung zeigt lediglich eine Gewinnänderung von etwa 1 dB für einen Temperaturbereich von 20° F bis 110 F, während im Vergleich dazu herkömmliche Wandler über denselben Temperaturbereich eine Gewinnänderung von etwa 4 dB aufweisen.

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Das Gehäuse 22 weist des weiteren einen Rand 44 auf, der sich an die öffnung 26 im Abstand von einer viertel Wellenlänge anschließt und einen zylindrischen Hohlraum 27 bildet. Die Durchmesser der öffnung 26 und des Hohlraumes 27 sollten etwa um eine Wellenlänge voneinander abweichen, damit die Strahlformung am wirkungsvollsten ist. Diese Differenz zielt darauf, die an der öffnung 26 gebildete Strahlungscharakteristik durch Vergrößerung des anschließenden Hohlraumes 27 um eine Fresnel-Zone in der Fläche aufrechtzuerhalten. Die Strahlformung ist nämlich durch die Öffnung 26 bedingt, und Änderungen des Durchmessers dieser öffnung können dazu verwendet werden, die Strahlbreite einzustellen. Der Hohlraum 27 dient als Anpassungsabschnitt, damit eine wirksame Kopplung der Energie von der Membran zur Luft gegeben ist. Der Hohlraum 27 dient weiterhin dazu, die phasenverschobene Energie vom Nebenschlußweg aufzuhalten und in den Strahl der direkten Energie der Membran zu reflektieren, um bis zu einem gewissen Grad Randstrahlen der Vorderseitenstrahlung zu unterdrücken, was wiederum zu einer Verbreiterung der Strahlungscharakteristik und zu einer Verringerung des Axialstrahlungsniveaus führt.

Die Metallmembran 10 besteht zweckmäßig aus Messing, da dies an den Klemmring weich oder hart angelötet werden kann, um eine durchgehend feste mechanische Verbindung zu schaffen. Wahlweise kann auch Aluminium, Nickel, rostfreier Stahl, Invar oder dergleichen für die Metallmembran verwendet werden. Das Gehäuse 22 ist aus geeignetem Kunststoffmaterial, z.B. ABS oder Polysulfon, das ausreichend dicht und gleichförmig ist, um die akustische Energie ausreichend zu reflektieren, und das eine geeignete räumliche Stabilität aufweist, um eine Gehäusekammer von gleichbleibender Größe und Anordnung zu gewährleisten. Die Elastizitätseigenschaften des Gehäuses

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sind nicht von Bedeutung, da das Gehäuse nicht Bestandteil der Schwinganordnung ist.

Der neue Wandler bedient sich der ersten drei Durchmesserschwingungsarten einer am Rande eingespannten runden Platte. Andere Schwingungsarten treten bei einer derartigen Schwinganordnung zwar auch auf, diese sind aber von untergeordneter Bedeutung und ohne Auswirkung auf die Arbeitsweise des Wandlers. Bei der Grundwellenschwingungsart (f_Q1), Figur 4 A, bewegt sich die gesamte schwingende Fläche gleichphasig mit der größten Bewegung im Zentrum. Bei der harmonischen zweiten Durchmesserschwingungsart (f_Q,), Figur 4 B, bewegt sich eine zentrale kreisförmige Fläche 52 der schwingenden Scheibe gegenphasig zu der umgebenden ringförmigen Fläche 54. Bei der harmonischen dritten Durchmesserschwingungsart (f_Q,), Figur 4 C, sind eine zentrale kreisförmige Fläche 56 und eine äußere ringförmige Fläche 57 gleichsinnig in Phase miteinander, aber sie bewegen sich gegenphasig zu der dazwischen liegenden ringförmigen Fläche 55 der schwingenden Scheibe.

Bei der Grundwellenschwingungsart liegt der Knoten am äußeren Rande der schwingenden Fläche der Membran, also am Innenrand des Klemmringes, und die größte Auslenkung erfolgt in der Membranmitte. Die zweite Schwingungsart liefert eine Frequenz, die dem 3, 91-fachen der Grundfrequenz entspricht, mit einem Knoten am äußeren Rande. Die Frequenz bei der dritten Schwingungsart entspricht dem 8,75-fachen der Grundfrequenz und hat ebenfalls einen Knoten am äußeren Rande.

Die Grundfrequenz einer eingespannten Scheibe kann nach der folgenden, allgemein bekannten Formel berechnet werden:

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- _ 0.467t
^{01 =} R²

dabei ist: t die Dicke der Membran,

R der Radius der Membran, ρ die Dichte des Membranmaterials,

ζ die Poissonsche Zahl, E der Youngsche Elastizitätsmodul der Membran.

Die im Zentrum der Membran befestigte piezoelektrische Keramikscheibe ist dickengepolt und wird in der zweiten harmonischen Schwingungsart (f_Op) betrieben, die zur Ultraschalleinbruchsüberwachung im Frequenzbereich von 20 bis 40 kHz liegt. Ein hoher Wirkungsgrad ergibt sich, wenn die kleine Keramikscheibe im Bereich der größten Auslenkung auf der Metallmembran angebracht ist, wo das Keramikmaterial durch die Membranschwingungen beansprucht wird, um eine piezoelektrisch erzeugte Spannung zu liefern. Umgekehrt bewirkt eine Erregung der Keramik durch ein zugeführtes elektrisches Signal entsprechende Membranschwingungen. Die relativ leichtgewichtige Keramikscheibe beeinflußt die Resonanz der Membran nur leicht und in vorher bestimmbarer Weise. Die Grundfrequenz ist ebenfalls vorhanden. Sie kann für simultane Alarmüberwachungen herangezogen werden, wobei die Komblnation von zwei Frequenzarten einen größeren Nutzen ergibt. Bei einer zweiten harmonischen Frequenz im Bereich von 20 bis 40 kHz, z.B. 26,3 kHz, ergibt sich eine Grundfrequenz von 6 bis 7 kHz. Damit liefert der Wandler eine zweite harmonische im Ultraschallbereich und einen Grundton im Hörbereich. Die dritte harmonische Frequenz kann ebenfalls ausgenutzt werden, wenn eine Keramikscheibe mit kleinerem Durchmesser verwendet wird, die innerhalb der gleichphasig schwingenden Fläche von Figur 4 C liegt. Typisch sind gleichzeitig auftretende Ultraschallfrequenzen von annähernd 26 und 59 kHz.

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Der Wandler kann anstelle der Verwendung in Luft, wie oben beschrieben worden ist, auch in Verbindung mit einem festen Stoff verwendet werden, wobei er als Erzeuger oder Sensor von Schwingungen innerhalb des Stoffes dient. Der Klemmring verkörpert einen Knotenpunkt oder einen Punkt geringer Bewegung innerhalb der Schwinganordnung und kann daher unmittelbar auf einer festen Oberfläche mit nur äußerst geringer Auswirkung auf die Wandlerresonanz angebracht werden. Wie Figur 3 zeigt, ist die Oberfläche des Klemmringes 12a, die der mit der Membran 10a verbundenen Fläche gegenüberliegt, mit der Oberfläche 13 eines festen Stoffes verbunden. Die Keramikscheibe 14a ist bei dieser Ausführungsform auf der außenliegenden Oberfläche der Membran angebracht, um den elektrischen Anschluß für die Anordnung zu vereinfachen. Eine Kappe oder Gehäuse 28a wird vorzugsweise über die Schwinganordnung als Schutz und zur Abschirmung von Abstrahlung oder Aufnahme akustischer Energie gestülpt.

Mit der in Figur 5 gezeigten Grundform eines Wandlers können Einrichtungen zur Einstellung der Richtcharakteristik gekoppelt werden, um die Form der Energieverteilung beim Senden oder der Empfindlichkeitsverteilung beim Empfang zu beeinflussen, damit besonderen Erfordernissen entsprochen werden kann. Eine solche Einrichtung 58 zeigt Figur 6. Sie weist einen kreisförmigen Flanschabschnitt 60 auf, der innerhalb des Randes des Wandlers eingesetzt wird. Zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Membran und der Richteinrichtung ist ein kleiner Spalt vorgesehen, damit die Membranbewegung nicht behindert wird. Die Richteinrichtung hat einen zylindrischen Hohlraum 62, der mit einem größeren zylindrischen Hohlraum 64, der an der Strahlungsöffnung endet, zusammenwirkt. Die Richteinrichtung der Figur 6 dient

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zur Verbreiterung der Strahlungscharakteristik gegenüber der des allein wirkenden Wandlers, wobei eine hohe Axial leistung erzielt wird. Der Spalt zwischen der Membran und der Richteinrichtung ist sehr klein, etwa 0,1 Zoll bei der Resonanzfrequenz 26,3 kHz, so daß die gesamte Strahlung im Fresnelbereich liegt. Die Strahlung von der Membran erreicht die Eingangsöffnung der Richteinrichtung vor der wirklichen Strahlformung. Der Durchmesser dieser kreisförmigen öffnung ist eine erste Bestimmungsgröße für die wirksame Strahlbreite der endgültigen Strahlungscharakteristik. Die Durchmesser der beiden Hohlräume 62 und 64 sollten sich etwa um eine Wellenlänge unterscheiden, damit die Strahlformung am wirkungsvollsten ist. Diese Differenz zielt darauf, die durch den Hohlraum 62 ausgebildete gute Strahlungscharakteristik durch Vergrößerung des Hohlraumes 64 um eine Fresnel-Zone in der Fläche aufrechtzuerhalten. Die Länge des Hohlraumes 62 beträgt eine viertel und die des Hohlraumes 64 eine halbe Wellenlänge. Die Kante 66 hat ebenfalls eine Länge von einer viertel Wellenlänge. Eine totale Phasenumkehr von 360° tritt auf, so daß die Energie die Strahlungsöffnung gleichphasig mit der ausgesendeten Welle erreicht und so eine wirksame Au.ssendung aller auftreffender Energie, die die Öffnung erreicht, erzielt wird. Die Richteinrichtung besteht aus einem Material mit hohem Schallwellenwiderstand im Vergleich zur Luft, z.B. ABS-Kunststoff, so daß die Reflektionen innerhalb der Einstelleinrichtung im wesentlichen verlustfrei sind. Die reflektierende Randkante ist rings um die Strahlöffnung vorzusehen, wenn die Nullrichtungstrahlung mit leicht verringerter Winkelstrahlung verbessert werden soll. Figur 7 zeigt die Richtdiagramme für die Anordnung nach Figur 6 mit und ohne Reflektionsrand 66. Es ist augenscheinlich, daß ohne Reflektionsrand 66 im Vergleich zu dem mit Reflektions-

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rand erzielbaren Diagramm die Strahlwirkung in axialer Richtung verringert und unter einem Winkel von 45° zu beiden Seiten der Nullrichtung verstärkt ist.

Die Richteinrichtung nach Figur 6 kann bei einer anderen Konstruktion eine Eintrittsöffnung aufweisen, die gegenüber der Achse der Richteinrichtung versetzt ist, um einen Abstrahlwinkel bis zu etwa 20° gegenüber der Hauptstrahlachse zu erreichen. Größere Abstrahlwinkel können mit der in Figur 8 gezeigten Richteinrichtung erreicht werden, die ein am Rand des Wandlers von Figur 5 befestigbares zylindrisches Gehäuse mit einer gegenüber der Wandlerachse versetzten Öffnung 70 aufweist. Der Durchmesser dieser Öffnung ist kleiner als eine Wellenlänge.

Diese Öffnung kann halbkreisförmig oder kreisförmig sein, um eine aufeinander abgestimmte Formung und Neigung der Strahlungscharakteristik zu ermöglichen. Der kleine Spalt zwischen Membran und Richteinrichtung beschränkt die Membranstrahlung auf den Fresnel-Nahfeldbereich, bis die Wellen auf die versetzte Öffnung treffen. Die Strahlung von der Öffnung 70 durchläuft dann einen Schallwellenleiter 72 zur Ausstrahlung. Energie auf der Wand 74 in unmittelbarer Nähe der Öffnung 70 wird zur entferntesten Wand reflektiert und dann in die Luft ausgestrahlt, was zu einer gerichteten Strahlung führt. Der Winkel der größten Intensität wird von den Abmessungen des Wellenleiterhohlraumes 72 bestimmt. Ein ausgedehnter Hohlraum führt zu einem geringeren Winkel gegenüber der Öffnungsachse. Von einer Richteinrichtung mit halbkreisförmigem oder kreisförmigem Querschnitt gemäß Figur 8 erzielte Richtdiagramme sind in Figur 9 gezeigt. Für große Abstrahlwinkel sollte die versetzte Öffnung 70 die Innenwand 74 des Hohlraumes 72 tangential berühren. Kleinere Abstrahlwinkel ergeben sich durch eine näher zur Hauptachse verlagerte Öffnung 70.

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Der resultierende Strahl kann durch Drehen der Richteinrichtung um ihre Achse über 360° drehbar eingestellt werden. Die Strahlweite kann bis zu einem gewissen Maß durch die Größe der versetzten öffnung geändert werden, und das wirksame akustische Zentrum der öffnung bestimmt den Abstrahlwinkel.

Häufig ist es nützlich oder erforderlich, den Wandler an der Decke eines gesicherten Raumes zu befestigen und eine ringförmig gestaltete Richtcharakteristik mit nach außen, von der normalen Nullrichtung weg gerichteten Hauptrichtungen vorzusehen. Diese Art der Abdeckung läßt sich mit einer Anordnung nach Figur 10 erreichen. Die Richteinrichtung 58 ist die gleiche wie die in Verbindung mit Figur 6 beschriebene. Diese ist mit einer weiteren Einstelleinrichtung 76 gekoppelt, die aufeinanderfolgende größere Hohlräume 78 und 80 sowie eine dazwischenliegende Übergangszone 82 aufweist. Natürlich kann die gesamte Richteinrichtung anstelle der gezeigten zwei Teile aus einer einzigen durchgehenden Einheit bestehen. Das zugehörige Strahlungsdiagramm zeigt Figur 11. Darin ist das Axialniveau verringert, während Spitzenniveaus achsenentfernt bei etwa 30 auftreten. Die Länge des Hohlraumes 78 ist etwas kleiner als eine halbe Wellenlänge, während die des Hohlraumes 80 etwas größer als eine halbe Wellenlänge ist. Die Strahlformung wird durch den Hohlraum 80 bewirkt, wobei die Abmessungen so gewählt sind, daß entlang der Nullachse eine Phasenunterdrückung und entlang der beabsichtigten Schrägachsen j

eine Phasenaddition erfolgt. Eine Verbesserung der |

Richtcharakteristik ist entlang der Schrägachsen möglich, j die etwa eine Länge von einer halben Wellenlänge aufwei- . I sen. j

Figur 12 zeigt eine weitere Richteinrichtung zur Erzie-

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ORIGINAL INSPECTED

lung einer konischen Richtcharakteristik mit verringerter Energie auf der Nullachse, wie sie für Wandler, die an einer Decke befestigt sind, zweckmäßig ist. Der ringförmige Flanschabschnitt 84 ist für einen Anschluß an einen Wandler geeignet. Eine zentrale Platte 86, die von Streben 88 gehalten wird, ist etwa eine halbe Wellenlänge vor der Wandlermembran angebracht und dient zur Unterdrückung der Nullachsenstrahlung. Die Platte 86 hat einen typischen Durchmesser von etwa 3/8 Wellenlänge.

Sie bildet ein ausreichendes Hindernis für die Strahlung, um ein Minimum im Richtdiagramm, wie Figur 13 zeigt, zu erzeugen. Ein erster und ein zweiter Hohlraum 90 und 92 schließen sich an die Platte 86 an, wobei die Länge des Hohlraumes 90 wiederum etwas kleiner als eine halbe und die des Hohlraumes 92 etwas größer als eine halbe Wellenlänge ist. Diese Hohlräume bewirken eine weitere Unterdrückung auf der Nullachse, während die Strahlung bei V/inkeln, an denen entlang die Geradeausentfernung etwa eine halbe Wellenlänge in jedem Hohlraum beträgt, verbessert wird. Die relativen Durchmesser der Hohlräume werden durch die zu erzielende beabsichtigte Strahlbreite bestimmt. Bei den in Figur 13 gezeigten Richtdiagrammen ist die größte Energie auf Winkel von 45° zu der Nullachse konzentriert.

Eine Anordnung zur Erzeugung von doppelt gerichteten oder nicht konischen Strahlformen zeigen Figur 14A und Figur 14B. Das Gehäuse 94 der Richteinrichtung, die die gleiche wie in Figur 6 ist, weist einen ersten Hohlraum 96 und einen zweiten Hohlraum 98 auf. Ein Deflektorelement 100 ist im Hohlraum 98 angeordnet und weist eine schräge Oberfläche 102 auf, um Energie von der Membran in die Luft bzw. beim Empfang empfangene Energie auf die Membran zu reflektieren. Bei der gezeigten An-Ordnung ist die Oberfläche 102 um einen Winkel von 45°

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geneigt, so daß die reflektierte Wellenfront eine ebene Wellenfront bleibt. Ein Teil der reflektierten Energie wird von den gegenüberliegenden Wandflächen des Gehäuses 94 zurück in den Hohlraum gestrahlt. Ein zylindrischer Rand 104 kann als Verlängerung außerhalb des Hohlraumes 98 vorgesehen werden, um einen um etwa 180° vom ursprünglichen Strahl abweichenden zweiten Strahl zu bewirken. Von der Oberfläche 102 abgestrahlte Energie wird vom Rand 104 zurückgestrahlt. Ein Teil der von der Oberfläche reflektierten Energie ist in die Luft gerichtet, während ein anderer Teil vom Rand 104 zurückgestrahlt wird und eine zweite Strahlungskeule der Gesamtcharakteristik erzeugt. Die Höhe des Randes 104 bestimmt die relative Stärke der beiden Strahlungskeulen. Die von den Richteinrichtungen gemäß Figur 14A und Figur 14B erzeugten Richtdiagramme zeigt Figur 15. Ohne Rand 104 wird ein schiefwinkeliges Diagramm mit einem relativ hohen Neigungswinkel erzielt. Bei Verwendung des Randes 104 ergibt sich ein zweihöckriges Diagramm, wobei jeder Höker einen relativ hohen Neigungswinkel gegenüber der Nullachse aufweist.

Es sei angemerkt, daß die vorangehend beschriebenen Richteinrichtungen in gleicher Weise beim Senden als auch beim Empfang arbeiten, und daß ihre Abmessungen übereinstimmen, wenn dieselben Empfangs- und Sendefrequenzen verwendet werden. Die verwendeten besonderen Abmessungen sind natürlich abhängig von der Wellenlänge der Arbeitsfrequenz und der Arbeitstemperatur bestimmt, um die beabsichtigten Ergebnisse für einen weiten Bereich von für Einbruchsalarmsysteme verwendbare Ultraschallfrequenzen zu erzielen.

Abgesehen von den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind eine Reihe weitere Ausführungsbeispiele denkbar,

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ohne das Prinzip der Erfindung zu verlassen. Diese ist daher nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern ihr Umfang ergibt sich aus dem Inhalt der nachfolgenden Patentansprüche .

15 Figuren

21 Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

M J Elektroakustischer Wandler, insbesondere für Einbruchsalarmsysteme, gekennzeichnet durch a) eine Schwinganordnung mit einer Metallmembran (10), einem mit einer Membranoberfläche verbundenen piezoelektrischen Element (14), einem ersten und zweiten mit dem piezoelektrischen Element (14) verbundenen Anschluß (16, 18) und einem mit dem Außenrand der Membran verbundenen akustisch massiven Klemmring (12), b) ein Gehäuse (22/28) mit Öffnung (26), in dem die Schwinganordnung untergebracht ist, wobei die Öffnung (26) gegenüber der Metallmembran (10) angeordnet ist, und

c) einen akustischen Nebenschlußweg zwischen der Rückseite (40) und der Vorderseite der Membran (10), so daß ein begrenzter Teil der rückwärtigen Strahlung von der Rückseite (40) der Membran (10) um den Rand der Schwinganordnung zur Beeinflussung der Richtcharakteristik des Wandlers abgeleitet werden kann.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwinganordnung (10, 12, 14) zur Bildung des akustischen Nebenschlußweges im Gehäuse

(22) mit Abstand vom Gehäuse (22) angeordnet ist.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Gehäuse (22/28) eine reflektierende Oberfläche (42) zur Reflektion der von der Membranrückseite (40) nach hinten ausgestrahlten Energie zur Wandleröffnung (26) aufweist.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Festfrequenz des piezoelektrischen Elementes (14) niedriger

ist als die Resonanzfrequenz der Schwinganordnung (10, 12, 24), so daß bei steigender Temperatur die Resonanzfrequenz sinkt und sich der Festfrequenz annähert, und daß über den akustischen Nebenschlußweg mit steigender Temperatur eine größere Verstärkung der Vorwärtsenergie bewirkt wird.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ge- häuse (22, 28) einen vor der Membran (10) liegenden Rand (44) aufweist, durch den Energie in den direkten Energiestrahl reflektiert wird.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a durch gekennzeichnet, daß an das Gehäuse (22/28) eine sich nach vorne erstreckende und mit der GehäuseÖffnung (26) in Verbindung stehende Einrichtung (z.B. 58) zur Einstellung der Richtcharakteristik mit wenigstens einem Hohlraum (z.B. 62) gekoppelt ist.
7. Einrichtung zur Einstellung der Strahlungscharakteristik in Verbindung mit einem Wandler nach Anspruch 6, gekennzei chnet durch einen ersten Hohlraum (62) mit einer Eingangsöffnung im Abstand von der Membran (10) zur Aufnahme der Energie vor der Strahlformierung und einer Länge von einer viertel Wellenlänge und durch einen zweiten Hohlraum (64), der an den ersten Hohlraum (62) angrenzt und einen um eine Fresnelzone in der Fläche größeren Durchmesser sowie eine Länge von einer halben Wellenlänge aufweist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Strahlungsöffnung des zweiten Hohlraumes (64) einen umlaufenden und sich nach

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vorn erstreckenden Rand (66) aufweist, durch den Energie in den zweiten Hohlraum (64) zur Verbesserung der Nullachsenstrahlung reflektiert wird.
9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet , daß sich an den zweiten Hohlraum (64) ein dritter Hohlraum (78) und an diesen ein vierter Hohlraum (80) mit Strahlöffnung anschließt.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hohlraum (98) ein Deflektorelement (100) mit einer abgeschrägten Fläche (102) zur Erzielung einer nichtkonischen Strahlenform aufweist.
11. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Gehäuse (68) mit einer der Membran gegenüberliegenden Wand, die eine gegenüber der Wandlerachse versetzte Öffnung (70) aufweist, und durch einen Schallwellenleiter (72) in dem Gehäuse (68) zur Erzeugung einer zur Öffnungsachse geneigten Richtcharakteristik.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch g e kennzeichnet, daß die Öffnung (70) tangential zu der inneren Wand (74) des Wellenleiters (72) liegt.
13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurc I gekennzeichnet, daß die Öffnung (70) kreisförmig ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, da durch gekennzeichnet, daß die Öffnung halbkreisförmig ist.

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15. Einrichtung nach Anspruch 6, gekenn ze ich — net durch eine zentrale Platte (86) gegenüber der Wandleröffnung zur Unterdrückung der Nullachsenstrahlung, um ein Minimum im Richtdiagramm um die Nullachse zu erzeugen, und durch einen ersten Hohlraum (90) im Anschluß an die Platte (86) und einen zweiten Hohlraum (92), wobei die Hohlräume so gestaltet sind, daß die Strahlung auf der Nullachse unterdrückt, dagegen bei Neigungswinkeln um eine halbe Wellenlänge in jedem Hohlraum verstärkt wird.
16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge des ersten Hohlraumes (90) etwa eine viertel Wellenlänge und die des zweiten Hohlraumes (92) etwa eine halbe Wellenlänge beträgt und daß der Durchmesser des zweiten Hohlraumes um eine Fresnelzone in der Fläche größer ist.
17. Elektroakustischer Wandler, gekennzeichnet durch eine Schwinganordnung mit einer Metallmembran (10a), einem mit der Membranoberfläche verbundenen piezoelektrischen Element (14a), einem ersten und zweiten mit dem piezoelektrischen Element verbundenen Anschluß und mit einem mit dem Außenrand der Membran verbundenen akustisch massiven Klemmring (12a), dessen entgegengesetzte Oberfläche direkt mit der Oberfläche (13) eines festen Stoffes verbunden ist.
18. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 17, dadurch gekennzeic hnet, daß die Metallmembran (10 bzw. 10a) kreisrund ist und daß das piezoelektrische Element (14 bzw. 14a) eine dickengepol- · te Scheibe ist, die symmetrisch auf einer der Membranoberflächen angebracht ist.

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19. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (14 bzw. 14a) mit einer seiner Elektrodenflächen elektrischen Kontakt mit der Membran (10 bzw. 10a) hat, daß der erste Anschluß (16) mit der Membran (10) eine Einheit bildet und sich von dieser nach außen erstreckt und daß der zweite, mit der anderen Elektrode des piezoelektrischen Elementes (14 bzw. 14a) verbundene Anschluß (18) flexibel ist, um die Membran (10 bzw. 10a) möglichst wenig zu dämpfen.
20. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis

19, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (10 bzw. 10a) mit den ersten drei Durchmesserschwingungsarten einer am Rande eingespannten Platte schwingt.
21. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 17 bis

20, dadurch gekennzei chnet, daß die Metallmembran (10 bzw. 10a) aus Messing ist.

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