DE3135096A1

DE3135096A1 - Schallgeber mit piezowandler

Info

Publication number: DE3135096A1
Application number: DE19813135096
Authority: DE
Inventors: Lutz 8671 Döhlau Rudnick; Helmut 8671 Schwarzenbach Simon
Original assignee: Heibl Apparatebau W GmbH
Current assignee: Heibl Apparatebau W GmbH
Priority date: 1981-02-20
Filing date: 1981-09-04
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE3135096C2

Description

Schallgeber mit Piezowandler
Die Erfindung betrifft einen Schallgeber mit einem Piezowandler und mindestens einer an denselben angrenzenden Resonanzkammer.
Bei einem derartigen bekannten Schallgeber dient die Resonanzkammer dazu, den Wirkungsgrad der Schallerzeugung durch den Piezowandler zu vergrößern, indem die Resonanzkammer auf eine Frequenz abgestimmt wird, auf der der Piezowandler schwingt.
Der Nachteil dieses bekannten Schallgebers besteht darin, daß er sich nur für eine bestimmte Frequenz oder höchstens für einen engen Frequenzbereich verwenden läßt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallgeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich für mehrere Frequenzen oder für einen größeren Frequenzbereich der Schallerzeugung verwenden läßt.
Die Lösung dieser Aufgabe ist darin zu sehen, daß der Piezowandler scheibenförmig ausgebildet ist, daß zwei Resonanzkammern vorgesehen sind, die jeweils mit mindestens einer öffnung versehen sind und durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, und daß der Piezowandler mindestens einen Teil der-Trennwand bildet. Auf diese Weise wird erreicht, daß der Piezowandler mit beiden Resonanzkammern akustisch gekoppelt ist, so daß sich ein erhöhter Wirkungsgrad der Schallabstrahlung ergibt.
Vorzugsweise weisen die Resonanzkammern unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf. Dadurch wird der Frequenzbereich, in dem der Schall geber einen hohen Wirkungsgrad aufweist, vergrößert.
Besonders günstig ist es, den Schallgeber so auszubilden, daß der Piezowandler eine Resonanzfrequenz hat, die sich von der Resonanzfrequenz der beiden Resonanzkammern unterscheidet und vorzugsweise zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Resonanzkammern liegt. Dadurch läßt sich der Frequenzbereich mit hohem Schallabstrahlungswirkungsgrad noch weiter vergrößern.
Eine besonders günstige Ausführungsform besteht darin, daß der Piezowandler aus einer flexiblen Membran und einem darauf aufgeklebten Piezoelement gebildet ist.
Dabei kann die elastische Membran die Trennwand bilden.
Bei einem Schallgeber mit einem dieses umgebenden Kunststoffgehäuse ist die eine Resonanz kammer vorzugsweise einstückig mit einem Teil des Gehäuses ausgebildet. Dadurch lassen sich die Herstellungskosten verringern.
Vorzugsweise haben die Resonanzkammern einen gleichen Querschnitt und eine gleiche Querschnittsform, und der Piezowandler ist an den aneinandergrenzenden Rändern der Resonanzkammern eingespannt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weicht der Querschnitt des Piezowandlers und/oder der Membran von einer Kreisform ab, und die Resonanz frequenzen des Piezowandlers sind von denen der Resonanzkammern verschieden. Dadurch wird ermöglicht, daß der Piezowandler mehr als eine Resonanzfrequenz aufweist, so daß zusammen mit den beiden Resonanzkammern ein noch breiterer Frequenzbereich mit hohem Wirkungsgrad abgestrahlt werden kann.
Um eine möglichst gleichmäßige Schallabstrahlung zu erreichen, können die Resonanzkammern mehrere über den Umfang verteilte Öffnungen aufweisen.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform weist der Piezowandler mindestens zwei elektrisch hintereinander geschaltete Bereiche auf. Dadurch läßt sich die Impedanz des Wandlers erhöhen, so daß die elektrische Anpassung an eine Wechselstromquelle, etwa eine Transistorschaltung, optimiert werden kann.
Dabei känn der Piezowandler ein Piezoelement umfassen, das mindestens zwei gegensinnig polarisierte Bereiche aufweist, die jeweils mit getrennten Leiterflächen versehen sind.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist vorgesehen, daß auf einer gegebenen Seite des Piezoelements jeweils zwei Leiterflächen, die Bereichen unterschiedlicher Polarität zugeordnet sind, elektrisch miteinander verbunden sind.
Alternativ kann der Piezowandler ein in einem Sinne polarisiertes Piezoelement umfassen, welches mindestens mit zwei'Leiterflächenpaaren versehen ist.
Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines auf einer Platte aufgesetzten Schallgebers; Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch den Schallgeber nach Fig. 1; Fig. 3 ist eine Draufsicht auf den Piezowandler des Schallgebers; Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen abgeänderten Piezowandler für den Schallgeber; Fig. 5 ist eine Schnittansicht des Piezowandlers von Fig. 4 längs der Linie V-V; Fig. 6 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Piezowandlers, und Fig. 7 ist eine Schnittansicht längs der Linie Vil-Vil.
Der in den Figuren dargestellte Schallgeber umfaßt eine untere Resonanzkammer 1, eine obere Resonanzkammer 2 und einen Piezowandler.
Die untere Resonanzkammer ist durch eine rohrförmige Seitenwand 3 gebildet, die auf einer Seite an eine Gehäuseplatte 4 angrenzt, welche die Stirnwand der unteren Resonanzkammer 1 bildet und mit der Seitenwand 3 einstückig hergestellt ist. In der Seitenwand 3 sind zwei Öffnungen 8 und 8a vorgesehen.
Die obere Resonanz kammer 2 umfaßt ebenfalls eine rohrförmige Seitenwand 5 mit gleichem Durchmesser wie die Seitenwand 3. Das eine Stirnende der Seitenwand 5 ist durch eine Stirnwand 6 verschlossen, die mit der Seitenwand 5 einstückig hergestellt ist und eine zentrale Öffnung 7 aufweist.
Das freie Ende der Seitenwand 5 bildet einen mit einer Ausdrehung 14 versehenen Rand 13, der im zusammengebauten Zustand des Schallgebers auf dem Rand 12 der Seitenwand 3 aufliegt.
In der Ausdrehung 14 ist der Rand einer elastischen Membran 9 festsitzend gehalten. Auf die eine Seite der Membran ist ein Piezoelement 10 aufgeklebt, das mit Anschlußdrähten 11 versehen ist zum Zuführen der Erregungsspannung.
Die untere Resonanzkammer hat eine Resonanzfrequenz, die von der der oberen Resonanzkammer verschieden ist.
Der aus der elastischen Membran 9 und dem Piezoelement 10 gebildete Schallwandler kann so ausgebildet sein, daß beide Teile ein und dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, daß die elastische Membran 9 und das Piezoelement 10 voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen aufweisen. Die einzige bzw. die beiden Resonanzfrequenzen des Piezowandlers liegen zwischen den Resonanzfrequenzen der unteren Resonanzkammer 1 und der oberen Resonanzkammer 2.
Beim Erregen des Piezoelements 10 treten Biegeschwingungen an diesem auf, die sich auf die elastische Membran 9 übertragen und diese in Schwingungen versetzen. Diese Schwingungen sind an die beiden Resonanzkammern 1 und 2 angekoppelt, da die elastische Membran 9 die Trennwand zwischen beiden bildet.
Wenn die untere Resonanzkammer 1, die obere Resonanzkammer 2, die elastische Membran 9 und das Piezoelement 10 dieselbe Resonanzfrequenz aufweisen, ergibt sich eine Schallabstrahlung mit sehr hohem Wirkungsgrad.
Wenn diese vier Bauteile voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen haben, ergibt sich bei jeder dieser Resonanzfrequenzen ein verhältnismäßig hoher Wirkungsgrad. Man hat es in der Hand, diese Resonanzfrequenzen, insbesondere die Resonanz frequenzen der beiden Resonanzkammern sowie des Piezowandlers weit voneinander entfernt zu legen oder aber so sehr benachbart, daß sich über einen bestimmten Frequenzbereich praktisch für alle Frequenzen eine Schallabstrahlung mit hohem Wirkungsgrad ergibt. Zwischen diesen beiden Extremen der Dimensionierung sind alle Zwischenstufen möglich.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, weist die untere Resonanzkammer 1 zwei Öffnungen 8 und 8a auf, die über en Umfang der Seitenwand 3 verteilt angeordnet sind. Dadurch äßt sich eine Richtwirkung der Schallabstrahlung praktisch beseitigen.
Wenn die elastische Membran 9 und das Piezoelement 10 verschiedene Resonanz frequenzen aufweisen, sollten diese nicht allzu weit voneinander entfernt liegen, da sonst keine optimale Übertragung der Schwingung des Piezowandlers auf die Luft in den Resonanzkammern erfolt.
Eine weitere Dimensionierungsmöglichkeit ergibt sich-dadurch, daß die Resonanzkammern quaderförmig gestaltet sind, so daß diese zusätzliche Resonanzstellen aufweisen, die durch den Abstand gegenüberliegender Wände bestimmt sind. Ein Gleiches gilt für die Gestaltung der elastischen Membran 9 und des Piezoelements 10.
Wenn der Schallgeber in einem geschlossenen Gehäuse verwendet werden soll, kann die obere Resonanzkammer einstückig mit dem Oberteil des Gehäuses (nicht dargestellt) ausgebildet sein. Für diesen Fall muß natürlich dafür gesorgt sein, daß die Ränder 12 und 1'3 der Seitenwände 3 und 5 möglichst dichtsitzend aufeinanderliegen.
Der in den Fig. 4 und 5 dargestellte Piezowandler für einen Schallgeber umfaßt eine metallene Membran 15 als schwingungsfähiges Element. Auf diese Membran ist mittels eines leitfähigen Klebstoffes 22 ein zweiteiliges Piezoelement aufgeklebt, dessen Teile 16 und 17 halbkreisförmig gestaltet sind und jeweils auf beiden Seiten mit ebenfalls halbkreisförmigen Leitflächenbelägen 19, 21 bzw 18, 20 versehen sind. Diese Leitflächenbeläge können z.B. auf die Piezoelemente durch Aufdampfen oder galvanische Abscheidung aufgebrachte Silberbeläge sein.
Die der Membran 15 zugewandten LeitflächenbelAge 20 und 21 sind leitend miteinander verbunden, und zwar durch den leitfähigen Klebstoff 22.
Man erkennt aus Fig. 5, daß die beiden halbscheibenförmigen Piezoelemente 16 und 17 mit umgekehrter Polarität auf die Membran aufgeklebt sind.
Die elektrischen Anschlüsse des Piezowandlers sind mit den Leitflächenbelägen 18 bzw. 19 verbunden. Durch eine derartige Ausbildung sind die beiden Piezoelemente 16, 17 elektrisch hintereinander geschaltet, so daß deren Impedanz viermal größer ist als bei einem gleich großen nicht unterteilten Piezowandler üblicher Bauart.
Anstelle von zwei halbkreisförmigen Piezoelementen 16 und 17 kann auch ein einziges scheibenförmiges Piezoelement verwendet sein, das entsprechend Fig. 5 polarisiert ist.
Die Fig. 6 und 7 zeigen einen Piezowandler mit einem Piezoelement 23, auf das zu beiden Seiten jeweils einander gegenüberliegende, halbkreisförmige Leitflächenbeläge 24, 25 und 26, 27 aufgebracht sind. Die beiden über Kreuz liegenden Leitflächenbeäge 24 und 27 sind durch eine Verbindungsbrücke 29 elektrisch leitend miteinander verbunden,. Die elektrischen Anschlüsse zum Speisen des Piezowandlers führen an die Leitflächenbeläge 25 und 26, die einander ebenfalls diametral gegenüberliegen.
Mit den in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Piezowandlern ergibt sich eine wesentlich höhere Impedanz als mit dem Piezowandler nach den Fig. 1 bis 3. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, um Anpassungsschaltungen oder Anpassungselemente einzusparen, etwa bei Verwendung eines Transistoroszillators für die Speisung des Piezowandlers.
Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von zwei Leitflächenbelägen auf jeder Seite des Piezokörpers beschränkt. Vielmehr lassen sich auch Piezokörper mit mehr als zwei Piezoelementen verwenden und die einzelnen Elemente hintereinander schalten, so daß der Piezowandler einen noch höheren Scheinwiderstand aufweist. Dabei kann die Anordnung auch so getroffen werden, daß der Piezokörper zu komplizierteren Schwingungsformen angeregt wird, etwa entsprechend den Kladny'schen Klangfiguren.
Anstelle einer Mehrfachunterteilung des Piezokörpers kann auch ein einziges Piezoelement 23 verwendet werden, das jedoch auf jeder Seite mit mehr als zwei Leitflächenbelägen versehen ist, die dann mittels elektrischer Verbindungsleitungen hintereinander geschaltet sind.
Bei Verwendung des Piezowandlers nach den Fig. 4 bis 7 für den Schallgeber läßt sich in Telefonanlagen ein Lautstärkegewinn von 2 bis 3 db erzielen.
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Claims

Patentansprüche: Schallgeber mit einem Piezowandler und mindestens einer an denselben angrenzenden Resonanzkammer, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezowandler (9,10) scheibenförmig ausgebildet ist, daß zwei Resonanzkammern (1,2) vorgesehen sind, die jeweils mit mindestens einer Öffnung versehen sind und durch eine Trennwand voneinander getrennt sind, und daß der Piezowandler mindestens einen Teiler Trennwand bildet.
2. Schallgeber nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Resonanzkammern (1,2) unterschiedliche Resonanzfrequenzen aufweisen.
3. Schallgeber nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Piezowandler eine Resonanzfrequenz hat, die sich von den Resonanz frequenzen der beiden Resonanzkammern (1,2) unterscheidet.
4. Schallgeber nach Anspruch 3, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Piezowandler eine Resonanzfrequenz hat, die zwischen den Resonanzfrequenzen der beiden Resonanzkammern liegt.
5. Schallgeber nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezowandler aus einer elastischen Membran (9) und einem darauf aufgeklebten Piezoelement (10) gebildet ist.
6. Schallgeber nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die elastische Membran (9) die Trennwand bildet.
7. Schallgeber mit einem dieses umgebenden Kunststoffgehäuse, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die eine Resonanzkammer (1) einstückig mit einem Teil (4) des Gehäuses ausgebildet ist.
8. Schallgeber nach Anspruch 1 bis 7, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Resonanzkammern (1,2) einen gleichen Querschnitt und eine gleiche Querschnittsform aufweisen und daß der Piezowandler an den aneinandergrenzenden Rändern (12,13) der Resonanzkammern (1,2) eingespannt ist.
9. Schallgeber nach Anspruch 1 bis 8, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Querschnitt des Piezowandlers und/oder der Membran von einer Kreisform abweicht und daß die Resonanz frequenzen des Piezowandlers von denen der Resonanzkammern (1,2) verschieden sind.
10. Schallgeber nach Anspruch 1 bis 9, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezowandler mindestens-zwei elektrisch hintereinander geschaltete Bereiche (16,17) aufweist.
11. Schallgeber nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezowandler einPiezoelement umfaßt, das mindestens zwei gegensinnig polarisierte Bereiche aufweist, die jeweils mit getrennten Leiterflächen versehen sind.
12. Schallgeber nach Anspruch 11, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß auf einer gegebenen Seite des Piezoelements jeweils zwei Leiterflächen (20,21), die Bereichen unterschiedlicher Polarität zugeordnet sind, elektrisch miteinander verbunden sind.
13. Schallgeber nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Piezowandler ein in einem Sinne polarisiertes Piezoelement (23) umfaßt, welches mindestens mit zwei Leiterflächenpaaren (24,25;26,27) versehen ist.