DE3023162A1

DE3023162A1 - Akustoelektronischer wandler

Info

Publication number: DE3023162A1
Application number: DE19803023162
Authority: DE
Inventors: Seinosuke Takemura
Original assignee: Daiwa Shinku Corp
Current assignee: Daiwa Shinku Corp
Priority date: 1979-06-22
Filing date: 1980-06-20
Publication date: 1981-02-05
Also published as: US4345118A; GB2054322B; DE3023162C2; GB2054322A

Description

betreffend
Akuatoelektronigoher Wandler

Die Erfindung bezieht sich auf einen akustoelektronischen Umsetzer bzw. Wandler, der sich außerordentlich weitgehend miniaturisieren läßt, und sie betrifft insbesondere einen akustoelektronischen Wandler mit einem Quarzoszillator, der eigens so ausgebildet ist, daß die hervorragende Frequenzeigenschaft eines solchen Oszillators ausgenutzt werden kann.

Zu den bis jetzt bekannten Mikrophonen gehören das Kohlemikrophon, das elektromagnetische Mikrophon und das dynamische Mikrophon. Außerdem gibt es Kristallmikrophone, bei denen ein Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, z.B. Rochellesalz, verwendet wird, und seit einiger Zeit stehen Kondensatormikrophone zur Verfügung, bei denen

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Änderungen der elektrischen Kapazität meßbar gemacht werden.

Obwohl allgemein bekannt ist, daß Quarz hervorragende elektrische und akustische Eigenschaften aufweist, wird Quarz bis jetzt nicht bei Mikrophonen verwendet, da dieses Material nur in einem begrenzten Ausmaß zur Verfügung steht und daher nur mit hohem Kostenaufwand zu beschaffen ist. Tatsächlich ist der Preis von Quarz so hoch, daß man Quarz allgemein als Edelstein betrachtet. Wird ein Quarzkristall zur Frequenzregelung verwendet, muß man aus einem Quarzkristall eine dünne Platte herstellen, was bedeutet, daß sich das Quarzmaterial nur in einem gguingen Umfang ausnutzen läßt und daß daher ein Quarzoszillator sehr teuer ist.

Die bekannten Quarzoszillatoren werden nur zur Erzeugung hoher Frequenzen verwendet, doch liegt ihre Resonanzfrequenz außerhalb des Bereichs der hörbaren Frequenzen.

In neuerer Zeit hat jedoch die Technologie des künstlichen Quarzes erhebliche Fortschritte zu verzeichnen, und die Massenherstellung hat zu einer Verringerung der Kosten geführt. Da ferner ein mit Quarz arbeitender Stimmgabeloszillator entwickelt worden ist, hat eine Annäherung der Resonanzfrequenz an den Ultraschallbereich stattgefunden, der dem Bereich der hörbaren Frequenzen benachbart ist. Insbesondere hat die Entwicklung von kristallgesteuerten Uhren

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den Weg zur Massenherstellung sehr kleiner Quarz-Stimmgabe1-oszillatoren eröffnet, die mit geringen Kosten herstellbar sind und bei denen die Resonanzfrequenz z.B. 32,76 Hz beträgt.

Die Erfindung ist auf die Ausnutzung der hervorragenden Eigenschaften von Quarz als akustisches Material gerichtet, und die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines akustischen Wandlers mit hoher Sprachverständlichkeit und Wiedergabetreue sowie mit einer hohen Stabilität gegenüber Änderungen der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und des Drucks.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch die Schaffung eines akustoelektronischen Wandlers gelöst, bei dem ein vorteilhaftes Merkmal darin besteht, daß ein Quarzoszillator vorhanden ist, der in ein nach außen abgedichtetes Gehäuse eingeschlossen ist, dessen Abdeckung durch einen schwingungsfähigen Film gebildet ist, bei dem der Oszillator mit zwei Elektroden verbunden ist und bei dem der Oszillator mit dem schwingungsfähigen Film verbunden ist.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung gehört zu dem akustoelektronischen Wandler ein Quarzoszillator, der in ein nach außen abgedichtetes Gehäuse eingeschlossen ist, bei dem sowohl die Abdeckung als auch der

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Boden durch schwingungsfähige Filme gebildet sind, die sich bezüglich ihrer Schwingungseigenschaften unterscheiden; hierbei ist der Oszillator wiederum mit zwei Elektroden versehen und mit jedem der beiden schwingungsfähigen Filme verbunden.

Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung gehört zu dem akustoelektronischen Wandler ein Quarzoszil~ lator, der in ein nach außen abgedichtetes Gehäuse eingeschlossen ist, bei dem die Abdeckung oder der Boden durch einen schwingungsfähigen.Film gebildet ist, auf dem sich eine Einrichtung zum Einstellen der Frequenz befindet, wobei der Oszillator mit dem schwingungsfähigen Film und zwei Elektroden verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine teilweise als waagerechter Schnitt gezeichnete Draufsicht einer erfindungsgemäßen Oszillatoreinheit;

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt der Oszillatoreinheit nach Fig. 1;

Fig. 3 in einer Fig. 1 ähnelnden Darstellung eine Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Oszillatoreinheit;

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Fig. 4 einen senkrechten Schnitt der Oszillatoreinheit nach Fig. 3;

Fig. 5 einen senkrechten Schnitt einer anderen Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Oszillatoreinheit;

Fig. 6 in einer teilweise als waagerechter Schnitt gezeichneten Draufsicht eine weitere abgeänderte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Oszillatoreinheit;

Fig. 7 einen senkrechten Schnitt der Oszillatoreinheit nach Fig. 6;

Fig. 8 die Draufsicht einer Weiterbildung der Ausführungsforra nach Fig. 6 und 7;

Fig. 9 in einer Fig. 6 ähnelnden Darstellung eine weitere abgeänderte Ausführungsform einer Oszillatoreinheit nach der Erfindung;

Fig. 10 die elektrische Schaltung der Oszillatoreinheit nach Fig. 9;

Fig. 11 einen Schnitt eines Mikrophons mit einem erfindungsgemäßen Oszillator;

Fig. 12 einen Schnitt, der im rechten Winkel zu dem in Fig. 11 gezeigten Schnitt verläuft;

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⁰I .

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung der Frequenz/ Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2;

Fig. 14 und 15 jeweils in einer graphischen Darstellung die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 3 und 4;

Fig. 16 in einer graphischen Darstellung die Frequenz/ Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 5; und

Fig. 17 graphisch die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 6 und 7.

Bei jeder der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist ein Quarzoszillator vorhanden, der in ein nach außen abgedichtetes Gehäuse eingeschlossen ist; diese beiden Bauteile werden im folgenden jwells insgesamt als Oszillatoreinheit bezeichnet.

In Fig. 1 bis 4 ist ein Quarz-Stimmgabeloszillator 1 dargestellt, der zwei Zinken 2 und 6 aufweist; die Zinke 2 ist an ihrem freien Ende fest mit dem Boden 4 eines Gehäuses durch ein Isolierteil 3 verbunden, während der Schaft 5 der Stimmgabel und die andere Zinke 6 freitragend angeordnet sind, so daß der Oszillator Schwingungen aus-

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führen kann. Mit dem Schaft 5 des Oszillators sind zwei Anschlußleitungen 7 und 3 verbunden. Das Gehäuse hat eine ringförmige Seitenwand 9, und die Abdeckung des Gehäuses ist durch einen z.B. aus einem Polyestermaterial bestehenden schwingungsfähigen Film 10 gebildet. Der Film 10 und die schwingende Zinke 6 sind durch eine dünne Nadel 11 verbunden, deren eines Ende an dem Film an dessen Mittelpunkt befestigt ist, während das andere Ende mit dem freien Ende der Zinke 6 verbunden ist. Der Oszillator 1 und die Innenwände des Gehäuses-sind ganz oder teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet. Die Anschlußleitung 7 steht in elektrischer Verbindung mit dem leitfähigen überzug des Oszillators 1 und ist geerdet. Die Anschlußleitung 8 ist durch das Isolierteil 3 gegenüber dem leitfähigen überzug auf den Innenwänden des Gehäuses isoliert und wird als Eingangsklemme verwendet.

Zu Versuchszwecken wurde ein Oszillator mit einer Länge von 6 mm, einer Breite von 1,6 mm und einer Höhe von 0,5 mm bei einem Mikrophon mit einem Membrandurchmesser von 12 mm und einer Dicke von 3,8 mm verwendet, und Messungen führten zu der in Fig. 13 dargestellten Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik.

Zur Regelung der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des akustoelektrischen Wandlers ist gemäß Fig. 3 und 4 mit dem schwingungsfähigen Film 10 eine konzentrisch damit ange-

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ordnete scheibenförmige Einrichtung 12 zum Einstellen der Frequenz verklebt. Wenn es möglich ist, die Frequenzeinstelleinrichtung aus Gummi, einem weichen Kunststoff oder einem beliebigen anderen elastischen Material herzustellen, zeigt es sich, daß sich die Obergrenze des Frequenzbereichs längs der Kennlinie in Richtung auf den Bereich niedriger Frequenzen verlagert und daß die Empfindlichkeit ihren Spitzenwert innerhalb des Bereich der Obergrenze erreicht.

Nachdem die in Fig. 13 wiedergegebenen Werte ermittelt worden waren, wurde bei dem gleichen Mikrophon ein Stuck Gummi mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Dicke von 0,5 mm mit dem schwingungsfähigen Film verklebt, woraufhin die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristlk erneut ermittelt wurde. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Fig. 14 dargestellt. Venn man für die Einstelleinrichtung 12 ein Metall von hohem spezifischem Gewicht, z.B. Blei und Kupfer, verwendet, zeigt es sich, daß bei der betreffenden Frequenz entsprechend der Masse des Metalls eine scharf ausgeprägte Spitze erscheint.

Um das Mikrophon, für das Fig. 13 gilt, weiter zu untersuchen, wurde eine Einstelleinrichtung aus Blei konzentrisch mit dem schwingungsfähigen Film angeordnet und damit verklebt; die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Fig. 15 dargestellt, wo zu erkennen ist, daß die Empfindlichkeitscharakteristik mehrere scharf ausgeprägte Spitzen aufweist. Wenn man die Metallmasse vergrößert, verlagern sich die

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Spitzen von der Kurve 1 aus in Richtung auf die Kurve 10, d.h. vom Bereich hoher Frequenzen aus in Richtung auf den Bereich niedrigerer Frequenzen. Aus den graphischen Darstellungen ist ersichtlich, daß es möglich ist, die Lage der Frequenzspitzen in Abhängigkeit von der Masse der Einstelleinrichtung 12 zu regeln. Die Kurve 1 in Fig. 15 ergab sich, wenn als Einstelleinrichtung eine Scheibe aus Blei mit einer Dicke von 0,2 mm und einem Durchmesser von 3 mm verwendet wurde, während die Kurve 10 für den Fall gilt, daß die Scheibe aus Blei eine Dicke von .5,0 mm und einen Durchmesser von 10 mm hat.

Im folgenden wird anhand von Fig. 5 eine Weiterbildung der Erfindung beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform wird der Boden des Gehäuses durch einen schwingungsfähigen Film 49 gebildet, während die Abdeckung des Gehäuses durch einen weiteren schwingungsfähigen Film 48 gebildet wird; die Seitenwand 41 des Gehäuses besteht aus Aluminium oder Messing. Ferner ist ein Stimmgabeloszillator 43 vorhanden, der auf einer an der Seitenwand 41 befestigten Unterstützung 42 befestigt ist. Die beiden Zinken des Oszillators 43 sind durch Zwischenstücke 44 und 45 mit den schwingungsfähigen Filmen 48 und 49 verbunden; die Zwischenstücke bestehen aus Gummi oder Kunststoff. Jeder der Filme 48 und 49 ist mit einer konzentrisch dazu angeordneten Einstelleinrichtung 50 bzw.. 51

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versehen, wobei diese Einrichtungen gemäß Fig. 5 unterschiedliche Abmessungen haben. Die schwingungsfähigen Filme 48 und 49 können aus einem Kunststoff, z.B. einem Polyestermaterial, bestehen. Zu dem Stimmgabeloszillator 43 gehören zwei Anschlußleitungen 46 und 47, die mit dem Schaft des Oszillators verbunden sind. Die Filme sind jeweils auf beiden Seiten oder nur auf einer Seite mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet; alternativ kann man die Seitenwand 41 und die beiden Filme 48 und 49 mit einer solchen Beschichtung versehen.

Die scheibenförmigen Einstelleinrichtungen 50 und 51 bestehen aus Gummi oder einem weichen Kunststoff oder einem beliebigen anderen elastischen Material. Sind die beiden Einstelleinrichtungen aus dem gleichen Material und mit der gleichen Dicke hergestellt, neigt die Resonanzfrequenz dazu, sich mit zunehmendem Durchmesser der Einstelleinrichtungen in den unteren Bereich zu verlagern. Die bei einer solchen Anordnung erhaltenen Werte sind in Fig. 16 in Form der drei Kurven 53, 54 und 55 dargestellt. Die Kurve 53 gilt für den Fall, daß der schwingungsfähige Film 48 mit der Einstelleinrichtung 50 versehen war, während bei dem anderen Film 49 keine Einstelleinrichtung vorhanden war. Der Spitzenwert wurde bei 2200 Hz erreicht. Die Kurve 54 gilt für den Fall, daß der schwingungsfähige Film 49 mit der Einstelleinrichtung 51 versehen war, während der Film 48 ohne eine solche Einrichtung benutzt wurde. Der Spitzenwert wurde bei 6300 Hz erreicht. Die Kurve 55 gilt für den

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Fall, daß die schwingungsfähigen Filme 48 und 49 mit den beiden Einstelleinrichtungen 50 und 51 versehen waren. Es ist ersichtlich, daß die Kurve 55 im Bereich zwischen den Kurven 53 und 54 einen flachen Abschnitt aufweist.

Im folgenden wird anhand von Fig. 6 und 7 eine weitere Ausführungsform einer erfinduηgsgemäßen Oszillatoreinheit beschrieben.

Bei dieser Ausführungsform wird eine ringförmige Einstelleinrichtung 13 verwendet, die sich längs des Randes des schwingungsfähigen Films 10 erstreckt und ebenfalls aus einem elastischen Material, z.B. Gummi, besteht. Es hat sich gezeigt, daß die Obergrenze des Frequenzbereichs dazu neigt, sich weiter in Richtung auf den hochfrequenten Bereich zu erstrecken. Es wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der wiederum das Mikrophon benutzt wurde, für das Fig. 13 gilt, wobei die ringförmige Einstelleinrichtung 13 aus Gummi bestand und einen Außenduaichmesser von 12 mm, einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Dicke von 0,5 mm hatte. Die hierbei gewonnenen Ergebnisse sind in Fig. 17 dargestellt.

Man kann die Ausführungsform nach Fig. 6 in der aus Fig. S. ersichtlichen Weise dadurch weiterbilden, daß man die beiden AusfUhrungsformen nach Fig. 3 und 6 miteinander kombiniert. Bei dieser Ausführungsform sind zwei ringförmige Einstelleinrichtungen 12 und 13 auf dem schwingungsfähigen

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Film 10 konzentrisch mit ihm und miteinander angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besteht ein Vorteil darin, daß sich die beiden Einstelleinrichtungen bezüglich ihres Materials und ihrer Form unterscheiden können. Vorzugsweise kann jedoch die obere Einstelleinrichtung 12 aus einem elastischen oder einem starren Material bestehen, z.B. aus Gummi bzw. aus Blei. Außerdem kann die obere Einstelleinrichtung jede beliebige Form erhalten und z.B. kreisrund oder rechteckig ausgebildet werden. Beim Vorhandensein dieser beiden Einstelleinrichtungen weist der schwingungsfähige Film 10 eine erheblich vergrößerte Masse auf, und dies hat zur Folge, daß das Mikrophon trotz seiner kleinen Abmessungen im unteren Teil des Frequenzbereichs eine höhere Empfindlichkeit aufweist. Bei dieser Ausfuhrungsform ergibt sich der Vorteil, daß man die Empfindlichkeitscharakteristik innerhalb weiter Grenzen variieren kann, indem man die Materialien, die Abmessungen und die Form der Einstelleinrichtungen entsprechend wählt.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zusätzlich ein Feldeffekttransistor 15 verwendet wird. Außerdem ist der Boden 14 des Gehäuses als Leiterplatte ausgebildet. Der Feldeffekttransistor dient dazu, die elektromotorische Kraft des Oszillators 1 zu verstärken. Die Elektroden des Oszillators 1 und der Feldeffekttransistor 15 sind innerhalb des Gehäuses miteinander verbunden, und das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors wird über

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eine Anschlußleitung nach außen geführt. Die die gedruckte Schaltung auf dem Gehäuseboden 14 bildende Schicht kann einen Bestandteil einer elektrostatischen Abschirmung bilden, so daß es nicht erforderlich ist, den Gehäuseboden mit einem besonderen leitfähigen überzug zu versehen. Die an den Elektroden des Oszillators 1 erscheinenden elektrischen Signale werden dem Gatter des Feldeffekttransistors 15 zugeführt; hierbei ist der elektrische Anschluß durch die elektrostatische Abschirmung gegen das äußere Magnetfeld geschützt, so daß sich ein etwa vorhandener großer Widerstand in einen kleinen Widerstand verwandelt. Die verstärkten Signale werden über die Anschlußleitung nach außen geführt, so daß eine erhebliche Verbesserung des Rauschabstandes des Mikrophons erreicht wird.

Fig. 11 und 12 zeigen ein Mikrophon mit einer der beschriebenen Ausführungsformen eines Oszillators, wobei Fig. 11 einen Längsschnitt zeigt, während in Fig. 12 ein im rechten Winkel zu diesem Längsschnitt verlaufender Schnitt wiedergegeben ist.

Die eine Zinke 24 des Quarz-Stimmgabeloszillators 23 ist mit dem Gatter 22 eines Feldeffekttransistors 21 verlötet, wobei die beiden Teile vorzugsweise in Flächenberührung angeordnet sind. Der mit dem Oszillator 23 verbundene Feldeffekttransistor 21 ist am Boden eines Gehäuses 25 befestigt, dessen obere Wand durch einen schwingungsfähigen Film 26 ge-

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bildet ist, wobei der Film 26 mit der Zinke 27 des Oszillators durch eine Nadel 28 verbunden 1st. Die Innenflächen des Gehäuses sind mit einem elektrisch leitenden Überzug versehen, der in der beschriebenen Weise eine elektrostatische Abschirmung bildet, mit welcher der Kollektor 29 des Feldeffekttransistors 21 verbunden ist. Von dem Kollektor 29 und der Quelle 30 des Feldeffekttransistors aus führen Leitungen 31 zur Außenseite des Gehäuses 25, Die Bezugszahl 32 bezeichnet ein äußeres Gehäuse mit einer Öffnung 33, die über dem schwingungsfähigen Film 26 angeordnet ist, um Schallwellen durchzulassen. Bei der Ausführungaform nach Fig. 11 und 12 hat das äußere Gehäuse 32 einen Innendurchmesser von 5 mm.

Die Form des Oszillators ist nicht auf die dargestellte Gabelform beschränkt, sondern man könnte auch kreisrunde, rechteckige, quadratische, zylindrische, bandförmige oder beliebige andere gewünschte Gestaltungen verwenden, und das Gehäuse kann kreisrund, rechteckig oder oval sein; die schwingungsfähigen Filme können jeweils eine entsprechende Form erhalten.

Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die offenbarte räumliche Ausgestaltung, werden, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind, als erfindungswesentlich beansprucht.

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Claims

ANSPRÜCHE

Akustoelektronischer Wandler mit einem Quarzoszillator, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem Oszillator zwei Elektroden gehören, daß der Oszillator in einem nach außen abgedichteten Gehäuse angeordnet ist, daß das Gehäuse eine obere V/and in Form eines schwingungsfähigen Films (10) aufweist, daß der Oszillator In dem Gehäuse teilweise befestigt ist, während es einem anderen Teil des Oszillators möglich ist, ungehindert Schwingungen auszuführen, und daß der sclwingungsfähige freie Teil des Oszillators mit dem schwingungsfähigen Film des Gehäuses verbunden ist.
2. Akustoelektronischer Wandler mit einem Quarzoszillator, dadurch gekennzeichnet , daß der Oszillator (1) als Stimmgabeloszillator (1; 43j 23) mit zwei Zinken (2, 6; 24, 27) und einem Schaftabschnitt (5) ausgebildet ist, daß der Oszillator in einem nach außen abgedichteten Gehäuse angeordnet ist, daß die obere Wand des Gehäuses als schwingungsfähiger Film (10) ausgebildet ist, daß eine der Zinken des Oszillators am Boden (4) des Gehäuses

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telegrammadresse (cables):
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befestigt ist, während die andere Zinke mit dem schwingungsfähigen Film des Gehäuses verbunden ist, und daß zu dem Oszillator zwei Elektroden gehören.
3. Akustoelektronischer Wandler mit einem Quarzoszillator, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator (1) als Stimmgabeloszillator mit zwei Zinken (2, 6) und einem Schaftabschnitt (5) ausgebildet ist, daß der Oszillator in einem nach außen abgedichteten Gehäuse angeordnet ist, bei dem sowohl die obere Wand (48) als auch der Boden (49) als schwingungsfähige Filme ausgebildet sind, so daß sich die beiden schwingungsfähigeη Filme bezüglich ihrer Eigenfrequenzen unterscheiden, daß der Oszillator an seinem Schaftabschnitt in dem Gehäuse befestigt ist, daß eine der Zinken mit dem schwingungsfähigen Film der oberen Wand des Gehäuses verbunden ist und daß die andere Zinke mit dem schwingungsfähigen Film des Gehäusebodens verbunden ist.
4. Akustoelektronischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine konzentrisch mit dem Gehäuse auf dem schwingungs fähigen Film (10) angeordnete Einstelleinrichtung (12) zum Regeln der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des Wandlers.
5. Akustoelektronischer Wandler nach einem der Ansprüche 1, 3 und 4, gekennzeichnet durch eine sich längs des Umfangs

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des schwingungsfähigen Films (10) erstreckende Einstelleinrichtung (13) zum Regeln der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des Wandlers.
6. Akustoelektronischer Wandler nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch ein elektrisches Element (15; 21), das in dem Gehäuse (25) angeordnet ist und dazu dient, den vorhandenen hohen Widerstand in einen niedrigen Widerstand zu verwandeln.

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