DE3102151A1

DE3102151A1 - Akustischer wandler

Info

Publication number: DE3102151A1
Application number: DE19813102151
Authority: DE
Inventors: Preston Vincent 1217 Meyrin Murphy
Original assignee: Lectret SA
Current assignee: Lectret SA
Priority date: 1980-02-22
Filing date: 1981-01-23
Publication date: 1981-12-17
Also published as: AU536991B2; CA1165431A; ZA811045B; BR8100994A; IT1135564B; CH625928A5; IT8119889A0; AU6741881A; GB2070388A; US4295010A; GB2070388B; FR2476957A1; FR2476957B1; DE3102151C2

Description

Akustischer Wandler

Bei bekannten akustischen Wandlern gemäss Oberbegriff von Patentanspruch 1 (US-PS 3 832 580) mit mehreren piezoelektrischen Elementen erzeugt eine bestimmte elektrische Spannung eine niedrigere Schallamplitude als dieselbe Spannung bei anderen Arten von Wandlern, beispielsweise bei elektrodynamischen Wandlern. Diese geringe Spannungsempfindlichkeit kann zu einer unerwünschten niedrigen Schallamplitude bei bestimmten Anwendungen führen, beispielsweise bei Telephonhörern, wo die Arbeitsspannung niedrig ist. Weiterhin erzeugen piezoelektrische Membranwandler in Mikrophonen oder anderen Anwendungen dieser Art bei einem gegebenen Schalldruck eine niedrigere Ausgangsspannung als andere Arten von Wandlern, beispielsweise mit Kondensatoren. Eine solche niedrigere Ausgangsspannung kann aber eine übermässige Verstärkung erfordern und ein niedriges Schall/Signal-Verhältnis ergeben.

Es wurde nun gefunden, dass die Schallamplitude für eine gegebene elektrische Spannung und auch die Ausgangsspannung für einen gegebenen Schalldruck in einem Mikrophon bei Verwendung einer Mehrzahl piezoelektrischer Membranen erheblich erhöht werden können, wenn diese Membranen erfindungsgemäss an ihrem Aussenumfang voneinander getrennt in einen hohlen Träger eingesetzt und in ihrer Mitte mit wenigstens einer benachbarten Membran physikalisch verbunden sind.

Ein in dieser Weise ausgebildeter Wandler ist kompakt und einfach in seiner Ausführung und ohne grossen Kostenaufwand herzustellen.

Zweckmässige Ausführungsformen eines derartigen Wandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

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In den beigefügten Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen eines erfindungsgemäss ausgebildeten Wandlers schematisch dargestellt, wobei zeigen:

Figur 1

einen teilweise gebrochenen Radialschnitt durch die Mitte eines erfindungsgemäss ausgebildeten Wandlers,

Figur 2
Figur 3

ein elektrisches Schaltschema hierfür,

ein gleiches elektrisches Schaltschema für eine Ausführung mit vier piezoelektrischen Elementen,

Figur 4

einen Radialteilschnitt durch diese Ausführung mit vier Membranen,

Figur 5

einen gleichen Schnitt durch eine Ausführung mit zwei Membranen zur Verwendung als Mikrophon,

Figur 6

Fig. 7 und 8

ein elektrisches Schaltschema für diese Mikrophon-Ausführung nach Figur 5 sowie

schematische Radialschnitte durch zwei andere Ausführungsformen mit jeweils zwei Elementen mit jeweils zwei piezoelektrischen Membranen.

Figur 1 zeigt den Mittelbereich 10 und den ümfangsbereich 12 eines Kopfhörer-Wandlers. Flachkonische Membranen 14 und 16 sind an ihrer Mitte mittels eines Tropfens aus einem Epoxidharz-Klebers 18 miteinander verbunden und sitzen mit ihren Umfangsrändern an einer zylindrischen Wandung 20 zwischen Ringen 22 und 24 bzw. 24 und 26. Die Membranen 14 und 16 bestehen aus inneren Schichten 28 aus polarisiertem Poly-

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fluorvinyliden in einer Stärke von 9 Mikron, welche auf ihren beiden Seiten mit einer Goldschicht 30 von 200 Ä Dicke beschichtet sind. Diese Goldschichten enden kurz vor den Membranrändern.

Die Membranen sind so gepolt, dass sie hohe piezoelektrische Spannungskoeffizienten in beiden Richtungen (x und y) der Meitibranoberflache, gewöhnlich als d31 und d32 bezeichnet, ergeben, so dass sich die Membranen symetrisch verformen, wodurch eine verbesserte Wirksamkeit erzielt wird. Die Polarisationsvektoren 4 3 der Membranen 14 und 16 liegen senkrecht zur Membranoberfläche und diese Membranen sind so angeordnet, dass beide Vektorenpunkte in dieselbe Richtung zeigen. Die Membranen haben einen Durchmesser von 5 cm und ihre Enden 32 und 34 liegen um 0,5 mm auseinander. Der halbe Konuswinkel von jeder Membran beträgt etwa 1,55 Radian. Dieses Wandlersystem hat eine natürliche Resonanzfrequenz von etwa 3.000 Hz.

Nach der Figur 2 wird der vorstehend beschriebene Kopfhörer-Wandler 36 aus einer Wechselstromquelle 38 gespeist. Dabei ist die Leitung 40 an die obere Fläche der Membran 14 und an die untere Fläche der Membran 16 über die Ringe 22 und 26 angeschlossen und die Leitung 42 an die untere Fläche der Membran 14 und an die obere Fläche der Membran 16 über den Ring 24.

Durch diese Anschlüsse ist die Polarität der Spannung an der Membran 14 entgegengesetzt derjenigen an der Membran 16, d.h. die Ladungen auf den Flächen der Membranen 14 und 16 von der oberen Fläche der Membran 14 nach der unteren Fläche der Membran 16 wechseln zwischen + - - + und - + + -. Die entgegengesetzte Spannungspolarität an gleichgepolten Membranen gestattet, dass die eine Membran sich zusammenzieht, während sich die andere ausdehnt, wobei beide Membranen sich in derselben Richtung bewegen.

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Figur 3 zeigt das elektrische Schaltschema für eine bevorzugte Ausführungsform mit vier piezoelektrischen Elementen, den oberen Membranen 14 und 45 und den unteren Membranen 16 und 44, welche elektrisch zusammengeschaltet sind.

Figur 4 zeigt die Polarisierungsrichtung und die mechanische Anordnung der Membranen bei der Ausführungsform nach Figur 3.

Figur 5 zeigt den Mittelbereich eines Wandlers bei der Verwendung als Mikrophon. Die Konstruktion ist gleich wie nach Figur 1, ausser dass die Polarisationsvektoren in entgegengesetzter Richtung bei jeder Membran 46 und 47 zeigen. Bei Vibrationsschwingungen addieren sich die erzeugten Spannungen der beiden Membranen in Reihe. Figur 6 zeigt die elektrische Reihenverbindung der Membranen 46 und 47. Bei einem gegebenen Schalldruckwert ist die Ausgangsspannung von diesem Doppelmembran-Mikrophon fast doppelt so hoch wie bei einem Mikrophon mit einer einzigen Membran.

Figuren 7 und 8 zeigen zwei andere Ausführungsformen, von denen jede zwei Elemente mit jeweils zwei piezoelektrischen Membranen aufweist. Jedes Element hat die Anordnung nach den Figuren 1 und 2 und alle vier Membranen sind parallel geschaltet. Nach Figur 7 ist die akustische Schallabstrahlung radial von der Oeffnung 58 statt axial nach den Figuren 1 und 2. Wie die gegeneinander gerichteten Pfeile 60 andeuten, arbeiten die beiden Elemente in entgegengesetzten Richtungen, so dass der Zwischenraum 62 zwischen ihnen abwechselnd komprimiert und entspannt wird.

In gleicher Weise arbeiten die beiden Elemente nach Figur 8 in entgegengesetzten Richtungen, wobei eine Oeffnung 64 für den Zwischenraum zwischen den beiden Elementen vorgesehen ist. Ausserdem ist das Gehäuse 68 mit einer ausserhalb der Achse angeordneten Oeffnung 70 versehen, um eine innere Addition der

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von den beiden Elementen erzeugten Drücke zu bewirken. Nach dem Vorbild der Figuren 7 und 8 können auch mehr als zwei Elemente miteinander kombiniert werden.

Zur Wirkungsweise wird auf die bekannte Funktion von Kopfhörern verwiesen. Bei der Verwendung eines Paares oder vorzugsweise zwei Paaren elektrisch parallel geschalteter piezoelektrischer Membranen wird die mechanische Schwingungskraft der Membranen gegen die umgebende Luft und damit der erzeugte Schall bei gleicher Spannung erhöht. Eine solche Anordnung ergibt somit mehr Decibel pro Volt als eine Ausführung mit nur einer Membran. Für die Ausbildung mit vier Membranen nach Figur 3 wird eine Verbesserung von mehr als 5 Decibel erzielt gegenüber einer Ausführung mit nur einer Membran.

Die physikalische Verbindung der Membranen in ihrer Mitte gestattet die Verwendung sehr dünner Membranen von beispielsweise 5 bis 30 Mikron, mit sehr flacher Konusform, wobei der halbe Konuswinkel grosser als 1,2 Radian, vorzugsweise grosser als 1,5 Radian ist, und die Anwendung einer niedrigen Spannung. Die Verwendung dünner Membranen, flacher Konusformen und niedriger Spannung ist aber wesentlich, weil dadurch die Membranstarrheit herabgesetzt und demzufolge die Verformbarkeit verbessert wird, wodurch eine bessere Schallabstrahlung bei gleicher Erregerspannung erzielt wird. Die paarweise Anordnung mit gegeneinander gerichteten Konusspitzen, die in ihren Mitten miteinander verbunden sind, besitzt ferner den Vorteil einer Begrenzung des maximalen Schallvolumens, welches erzeugt werden kann, weil kein Konus normalerweise über eine einwandfrei flache Form hinaus verformt werden kann, so dass die Membranverformung in beiden Richtungen begrenzt ist.

Bei piezoelektrischen Membranmikrophonen ist es bekannt, dass die höchste Ausgangsspannung mit der geringsten Krümmung der

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Membran erzielbar ist, wobei jedoch eine gänzlich flache Membran nicht verwendet wird, weil sie die Frequenz verdoppelt. Eine Verbindung zweier Membranen an ihrer Mitte ermöglicht jedoch die Beibehaltung einer geringen Membrankrümmung für sehr dünne Membranen bei niedriger Arbeitsspannung, beispielsweise für Kopfhörer. Eine Verbindung zweier Membranen in Reihe erhöht die Ausgangsspannung.

In abgewandelten Ausfuhrungsformen brauchen beispielsweise die Membranen nicht kreisrund zu sein, sondern können in gleicher Weise auch eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen. Ferner kann der Wandler in einem Mikrophon verwendet werden und die natürliche Resonanzfrequenz kann erhöht werden bis auf höhere Frequenzen für einwandfreiere Tonwiedergaben, beispielsweise für Musik. Weiterhin können, wie bereits erwähnt, auch mehr als zwei Elemente mit jeweils zwei, vier oder mehr Membranen Anwendung finden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Akustischer Wandler mit einem hohlen Träger und einer Mehrzahl metallbeschichteter, piezoelektrischer Kunststoffmembranen als Schwinger, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (14,16) an ihrem Aussenumfang voneinander getrennt in den hohlen Träger (20) eingesetzt und in ihrer Mitte mit wenigstens einer benachbarten Membran physikalisch verbunden sind.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schallerzeugung die Membranen elektrisch parallel geschaltet sind und sich bei elektrischer Erregung durch ihre ausgewählte Polarität in derselben Richtung bewegen.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur umwandlung von Schall in elektrische Signale die Membranen elektrisch in Reihe geschaltet sind und die durch Membranschwingungen erzeugten Ausgangsspannungen jeder Membran sich durch deren ausgewählte Polarität addieren.
4. Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen physikalisch in ihrer Mitte mittels eines Punktes aus einem Epoxidharz-Kleber verbunden sind.
5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Membranen flachkonisch ausgebildet und mit ihren Spitzen gegeneinander gerichtet sind und dass diese zwei Membranen physikalisch an ihren Konusspitzen miteinander verbunden sind.
6. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede piezoelektrische Membran eine innere Schicht aus polarisiertem

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Polyfluorvinyliden aufweist, welche auf beiden Seiten mit Gold beschichtet ist.
7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine gerade Anzahl von Membranen, beispielsweise vier, jeweils benachbart physikalisch in ihrer Mitte miteinander verbunden sind.
8. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der halbe Winkel jedes Konus grosser als 1,2 Radian, vorzugsweise grosser als 1,5 Radian ist.
9. Wandler nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtstärke jeder dieser Membranen zwischen 5 und 30 Mikron liegt.
10. Wandler nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass dessen natürliche Resonanzfrequenz auf unter 6.000, vorzugsweise zwischen 2.000 und 5.000 Hertz eingestellt ist.
11. Wandler nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hohle Träger einen zylindrischen Innenraum mit einem Durchmesser von 30 bis 60 mm aufweist, in welchen die Membranen mit ihrem Aussenumfang eingesetzt sind.

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