DE3102151C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen akustischen Wandler gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Elektroakustische Wandler mit piezoelektrischen Kunststoffmem­ branen, z. B. nach der US-PS 38 32 580 oder der dieser entsprechenden DE-OS 19 02 849, erzeugen bei einer vor­ gegebenen elektrischen Spannung niedrigere Schallampli­ tuden als andere Wandlerarten, beispielsweise elektro­ dynamische Wandler, was bei bestimmten Anwendungen, insbesondere bei Telephonhörern mit ihrer niedrigen Arbeitsspannung, nachteilig ist. Umgekehrt werden durch den bekannten Wandler bei gegebenem Schalldruck nied­ rigere Ausgangsspannungen erzeugt als bei anderen Wandlern, die beispielsweise mit Kondensatoren arbeiten.

Des weiteren ist zur Verbesserung der Schallabstrahlung eine Konusform der Membran günstig, jedoch mit den dünnen Kunststoffmembranen kaum zu reduzieren. Aus den genannten Veröffentlichungen ist ein akustischer Wandler bekannt, der eine konische dünne Schwingplatte mit einer Spitze als passives Element und eine über diese Spitze gespannte, piezoelektrische Kunststoff­ membran als aktives Element aufweist, welches aufgrund dieser Einspannung V-förmig ausgebildet ist und die konische Schwingplatte antreibt; die Schallamplitude ist auch hier niedrig, die bewegte Masse relativ groß.

Bei einem bekannten akustischen Wandler der eingangs genannten Art, der in der DE-OS 22 40 923 beschrieben wird, sind zwei Kunststoffmembranen vorgesehen, die in ihrem mittleren Bereich konvex oder konkav gekrümmt sind, wobei ent­ weder die konkaven oder aber die konvexen Seiten einan­ der zugekehrt sind. Der zwischen beiden Membran ge­ bildete Raum wird dabei auf einem hohen oder einem niedrigen Druck gehalten.

Abgesehen davon, daß diese Membranen keine Konusform aufweisen, ist die Aufrechterhaltung des hohen bzw. nie­ deren Druckes schwierig.

Ausgehend von einem akustischen Wandler, der im Ober­ begriff des Anspruchs 1 beschriebenen Art, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Wandler mit piezoelektrischen Kunststoffmembranen zu schaffen, die zwecks Verbesserung der Schallabstrahlung eine an sich bekannte Konusform aufweisen und trotzdem eine nur geringe Dicke zu haben brauchen.

Diese Aufgabe wird erfindunggemäß durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein in dieser Weise ausgebildeter Wandler ist kompakt, einfahc in seiner Ausführung, benötigt trotz der Konus­ form kein zur Abstützung in der Mitte erforderliches passives Element und läßt sich ohne großen Kosten­ aufwand herstellen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausfüh­ rungsformen eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wandlers schematisch dargestellt, wobei zeigt

Fig. 1 einen teilweise gebrochenen Radialschnitt durch die Mitte eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wandlers,

Fig. 2 ein elektrisches Schaltschema hierfür,

Fig. 3 ein gleiches elektrisches Schaltschema für eine Ausführung mit vier piezoelektrischen Elemen­ ten,

Fig. 4 einen Radialteilschnitt durch diese Ausführung mit vier Membranen,

Fig. 5 einen gleichen Schnitt durch eine Ausführung mit zwei Membranen zur Verwendung als Mikro­ phon,

Fig. 6 ein elektrisches Schaltschema für diese Mikro­ phon-Ausführung nach Fig. 5 sowie

Fig. 7 und 8 schematische Radialschnitte durch zwei andere Ausführungsformen mit jeweils zwei Elementen mit jeweils zwei piezoelektrischen Membranen.

Fig. 1 zeigt den Mittelbereich 10 und den Umfangsbereich 12 eines Kopfhörer-Wandlers. Flachkonische Membranen 14 und 16 sind an ihrer Mitte mittels eines Tropfens eines Epoxid­ harz-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 fluorvinyliden in einer Stärke von 9 µm, welche auf ihren beiden Seiten mit einer Goldschicht 30 von 200 Å Dicke be­ schichtet sind. Diese Goldschichten enden kurz vor den Mem­ branrändern.

Die Membranen sind so gepolt, daß sie hohe piezoelektrische Spannungskoeffizienten in beiden Richtungen (x und y) der Membranoberfläche, gewöhnlich als d 31 und d 32 bezeichnet, ergeben, so daß sich die Membran symmetrisch verformen, wodurch eine verbesserte Wirksamkeit erzielt wird. Die Pola­ risationsvektoren 43 der Membran 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 rad. Dieses Wandlersystem hat eine natürliche Resonanzfrequenz von etwa 3000 Hz.

Nach der Fig. 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 Rippe 22 und 26 an­ geschlossen und die Leitung 42 an die untere Fläche der Mem­ bran 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 ent­ gegengesetzte Spannungspolarität an gleichgepolten Membranen gestattet, daß die eine Membran sich zusammenzieht, während sich die andere ausdehnt, wobei beide Membranen sich in der­ selben Richtung bewegen.

Fig. 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.

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

Fig. 5 zeigt den Mittelbereich eines Wandlers bei der Verwen­ dung als Mikrophon. Die Konstruktion ist gleich wie nach Fig. 1, außer daß die Polarisationsvektoren in entgegen­ gesetzter Richtung bei jeder Membran 46 und 47 zeigen. Bei Vibrationsschwingungen addieren sich die erzeugten Spannungen der beiden Membranen in Reihe.

Fig. 6 zeigt die elektrische Reihenverbindung der Membranen 46 und 47. Bei einem gegebenen Schalldruckwert ist die Ausgangsspannung von diesem Doppel­ membran-Mikrophon fast doppelt so hoch wie bei einem Mikrophon mit einer einzigen Membran.

Fig. 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 Fig. 1 und 2 und alle vier Membranen sind parallel ge­ schaltet. Nach Fig. 7 ist die akustische Schallabstrahlung radial von der Öffnung 58 statt axial nach den Fig. 1 und 2. Wie die gegeneinander gerichteten Pfeile 60 andeuten, arbeiten die beiden Elementen in entgegengesetzten Richtungen, so daß der Zwischenraum 62 zwischen ihnen abwechselnd kompri­ miert und entspannt wird.

In gleicher Weise arbeiten die beiden Elemente nach Fig. 8 in entgegensetzten Richtungen, wobei eine Öffnung 64 für den Zwischenraum zwischen den beiden Elementen vorgesehen ist. Außerdem ist das Gehäuse 68 mit einer außerhalb der Achse angeordneten Öffnung 70 versehen, um eine innere Addition der von den beiden Elementen erzeugten Drücke zu bewirken. Nach dem Vorbild der Fig. 7 und 8 können auch mehr als zwei Elemente miteinander kombiniert werden.

Zur Wirkungsweise wird auf die bekannte Funktion von Kopf­ hörern verwiesen. Bei der Verwendung eines Paares oder vor­ zugsweise zwei Paaren elektrisch parallel geschalteter piezo­ elektrischer Membran wird die mechanische Schwingungskraft der Membran 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 Fig. 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 beispiels­ weise 5 bis 30 mm, mit sehr flacher Konusform, wobei der halbe Konuswinkel größer als 1,2 rad, vorzugsweise größer als 1,5 rad ist, und die Anwendung einer niedrigen Span­ nung. Die Verwendung dünner Membranen, flacher Konusformen und niedriger Spannung ist aber wesentlich, weil dadurch die Membranstarrheit herabgesetzt und demzufolge die Verformbar­ keit 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 Membran erzielbar ist, wobei jedoch eine gänzlich flache Membran nicht verwendet wird, weil sie die Frequenz verdop­ pelt. Eine Verbindung zweier Membranen an ihrer Mitte er­ möglicht jedoch die Beibehaltung einer geringen Membrankrüm­ mung für sehr dünne Membran bei niedriger Arbeitsspannung, beispielsweise für Kopfhörer. Eine Verbindung zweier Membranen in Reihe erhöht die Ausgangsspannung.

In abgewandelten Ausführungsformen brauchen beispielsweise die Membranen nicht kreisrung 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, bei­ spielsweise für Musik. Weiterhin können, wie bereits erwähnt, auch mehr als zwei Elemente mit jeweils zwei, vier oder mehr Membranen Anwendung finden.

Claims (10)

1. Akustischer Wandler mit einem hohlen Träger (20) und einer Mehrzahl metallbeschichteter, piezoelektischer Kunststoffmembranen (14, 16) als Schwinger, die an ihrem Außenumfang im Abstand voneinander in den hohlen Träger (20) eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (14, 16) in ihrer Mitte mit wenigstens einer benachbarten Membran fest verbunden sind, derart, daß sie flachkonisch ausgebildet und dabei mit ihren Konusspitzen miteinander verbunden sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (14, 16) mittels eines Epoxidharz- Kleber punktförmig miteinander verbunden sind.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Schallerzeugung die Membranen (14, 16) elektrisch parallel geschaltet sind und sich bei elektrischer Erregung durch ihre ausgewählte Polarität in derselben Richtung bewegen.

4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Umwandlung von Schall in elektrische Signale die Membranen (14, 16) elektrisch in Reihe ge­ schaltet sind und die durch Membranschwingungen er­ zeugten Ausgangsspannungen jeder Membran sich durch deren ausgewählte Polarität addieren.

5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede piezoelektrische Membran (14, 16) eine innere Schicht (28) aus polarisiertem Poly­ fluorvinyliden aufweist, welche auf beiden Seiten mit Gold beschichtet ist.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine gerade Anzahl vom Membranen (14, 16, 44, 45), beispielsweise vier, jeweils benach­ bart fest miteinander verbunden sind.

7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der halbe Winkel jedes Konus größer als 1,2 rad, vorzugsweise größer als 1,5 rad ist.

8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtstärke jeder dieser Mem­ branen zwischen 5 und 30µm liegt.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dessen natürliche Resonanzfrequenz auf unter 6000, vorzugsweise zwischen 2000 und 5000 Hertz eingestellt ist.

10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hohle Träger (20) einen zylindrischen Innenraum mit einem Durchmesser von 30 bis 60 mm aufweist, in welchen die Membranen (14, 16) mit ihrem Außenumfang eingesetzt sind.