DE3232772C1 - Elektrostatischer Wandler nach dem Elektretprinzip - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Wandler nach dem Elektretprinzip zur allseitigen Abstrahlung von Schall mit einer regelmäßigen Anordnung der Elemente, die teilweise gegenphasig gepolt sind.

Elektrostatische Wandler, vorzugsweise diejenigen, die nach dem Gegentaktprinzip arbeiten, besitzen gute elektroakustische Eigenschaften, wie zum Beispiel einen geringen Klirrfaktor und große Wiedergabetransparenz. Hierbei werden meist perforierte Metallelektroden auf der Vorder- und Rückseite des Wandlers benutzt,· zwischen denen eine metallisierte Elektrode eingespannt ist. Wie in F i g. 1 dargestellt, wird die Signalspannung im Gegentaktprinzip den äußeren Elektroden und der Membran zugeführt.

Da die akustische Abstrahlung bei tiefen Frequenzen eine große Membranauslenkung erfordert, müssen die Luftspalte zwischen der Membran und den äußeren Elektroden groß gehalten werden. Die elektrostatische Kraft, die die Membran zu Schwingungen anregt, ist bekanntermaßen für einen Gegentaktwandler proportional zur angelegten Spannung und reziprokproportional zum Abstand zwischen der Membran und einer äußeren Gegenelektrode. Da dieser Abstand groß ist, muß eine hohe Polarisationsspannung, die typischerweise einige kV betragt, angelegt werden. Hieraus ergeben sich erhebliche Isolations- und Sicherheitsprobleme bei Herstellung und Betrieb der elektrostatischen Wandler.

55 Gemäß DE-OS 24 44 023 und DE-OS 23 30 800 wird versucht, die Schwierigkeiten durch spezielle Ausbildung der Elektroden bzw. der Membranmetallisierung so zu umgehen, daß bei eventuellen Überschlagen eine definierte Funkenstrecke entsteht oder nur lokale Entladungen möglich sind.

Es ist bekannt, daß eine Polarisationsspannung nicht benötigt wird, wenn die Membran aus einem Elektretmaterial besteht, welches eine meist negative unipolare Ladung trägt. Diese Wandler haben die gleichen, guten akustischen Eigenschaften wie der oben beschriebene Typ, ohne daß jedoch mögliche, durch das starke elektrische Feld verursachte elektrische Entladungen den Wandler zerstören, da solche Überschläge nur zu einer punktuellen Entladung führen, alle anderen Wandlerteile sonst aber unbeschädigt lassen.

Ein solcher Wandler benötigt nicht unbedingt einen Transformator zur Erzeugung der hohen Signalspannung (wie in F i g. 1 dargestellt), sondern kann auch direkt elektronisch angesteuert werden, wodurch sich die nichtlinearen Verzerrungen bei tiefen Frequenzen vermindern (N. Pollock: »Elektrostatic headphones«, Wireless World, November 1979, S. 51 -55).

Die akustische Ausgangsleistung elektrostatischer Sender, bezogen auf ihre Wandlerfläche, ist im Vergleich zu elektrodynamischen Systemen gering. Sie werden deshalb großflächig ausgeführt, um eine entsprechende Schalleistung abzustrahlen. Dies führt dazu, daß schon bei mittleren Frequenzen die Ausdehnung der Wandler mehrere Wellenlängen beträgt und hierdurch eine starke Bündelung des Schalls auftritt. Bei höheren Frequenzen steigt der Bündelungsgrad weiter an, da nun die Wandlergröße ein Vielfaches der Wellenlänge beträgt. Bei gleichphasig betriebenen elektroakustischen Wandleranordnungen ist hierbei der Bündelungsgrad in erster Näherung unabhängig von der Anzahl der Elemente, da die gesamte Ausdehnung entscheidend für den Bündelungsgrad ist.

Um eine starke Bündelung des Schalls bei mittleren und höheren Frequenzen zu vermeiden, können die Gegenelektroden der Wandler in voneinander isolierte Felder unterteilt und jeweils so gepolt werden, daß sich eine möglichst unregelmäßige Vorzeichenfolge ergibt (DE-PS 27 09 256). Bei bis zu 13 Elementen in einer Richtung spricht man hierbei von sogenannten Barker-Codes, die für die Schallverteilung eine besonders günstige Vorzeichenfolge beinhalten. Die Unregelmäßigkeit einer Vorzeichenfolge wird durch deren Autokorrelationsfunktion beschrieben. Die erwünschte möglichst richtungsunabhängige Schallverteilung erreicht man durch Vorzeichenfolgen, die eine möglichst niedrige Autokorrelationsfunktion, außer deren Hauptmaximum, besitzen. Auch für mehr als 13 Elemente gibt es besonders günstige Vorzeichenfolgen. Sinngemäß gilt das obengenannte auch für zweidimensionale Felder mit entsprechend zweidimensionalen Vorzeichenmustern und einer zweidimensionalen Autokorrelationsfunktion.

Diese, vor allem für konventionelle Lautsprecherzeilen- und -wände vorgeschlagene Verpolung der einzelnen Elemente, ist bei elektrostatischen Wandlern mit unterteilten Gegenelektroden nur mit großen Schwierigkeiten zu realisieren. F i g. 2 zeigt den Aufbau eines solchen Wandlersoind dessen elektrische Beschaltung, bestehend aus der metallisierten Membran 1, den gelochten Gegenelektroden 3 und 4, den Isolationsstegen 2 sowie den elektrischen Anschlüssen 8 und 9, wie er durch das DP 27 09 256 nahegelegt wird.

GOPY

Durch die bei elektrostatischen Wandlern benötigten hohen Spannungen an den Gegenelektroden (die Signalspannung, bei Nicht-EIektretwandlern die Polarisationsspannung), muß jedes Element gegen das nächste isoliert sein, oder der Abstand zwischen den Metallisierungen der Elemente ist entsprechend den auftretenden Überschlagfeldstärken in Luft zu wählen.

Um den Bündelungsgrad eines Elements bis zu hohen Frequenzen klein zu halten, müssen auch die Elemente des elektrostatischen Wandlers eine kleine. Dimension haben. Aus diesem Grund braucht ein elektrostatischer Wander normaler Größe eine Elemente-Anzahl von etwa 25 bis 50 Teilelementen in einer Richtung, die nach den entsprechenden Codes gegeneinander verpolt sein müssen.

Der kleinste mögliche Abstand zwischen der Metallisierung der einzelnen Elemente der Gegenelektrode wird durch die Überschlagfeldstärke zwischen den Elementen bestimmt, wobei der Abstand unabhängig von der Anzahl der Elemente ist. Gerade bei einer großen Elemente-Anzahl wird deshalb die für die elektrostatische Anregung nicht nutzbare Fläche groß, wodurch die akustische Ausgangsleistung sinkt. Erst recht eine großflächige zweidimensional Verpolung, z. B. 50 χ 50 Elemente, hat einen hohen Anteil nicht nutzbarer Flächen.

Wie auch aus F i g. 2 ersichtlich, ist jedes einzelne Element des elektrostatischen Wandlers entsprechend dem jeweiligen ein- oder zweidimensionalen Code zu kontaktieren, was zu einem erheblichen Verdrahtungs- so aufwand führt.

Die technische Realisierung eines solchen elektrostatischen Wandlers bereitet große Schwierigkeiten und ist nur kostengünstig herzustellen.

Demgemäß besteht die hier gestellte Aufgabe darin, iä die genannten Nachteile eines elektrostatischen Wandlers mit regelmäßigen Strahlerelemente, die teilweise gegeneinander verpolt sind, zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gegenelektroden durchgehend sind und das -to Verpolungsmuster durch entsprechende positive oder negative Aufladung eines Elektretmateriais erfolgt.

Anhand der Zeichnungen wird der Gegenstand der Erfindung nachstehend erläutert.

Fig.3 zeigt einen elektrostatischen Wandler mit verpolter Elektretmembran und durchgehenden Gegenelektroden.

F i g. 4 stellt einen Wandler dar, bei dem die verpolten Elektrete auf den Gegenelektroden aufgebracht sind und die Membran aus einem Nicht-Elektretmaterial besteht.

Fig.5 zeigt die Aufsicht auf eine Riickelektrode, bestehend aus einer konzentrischen Aneinanderreihung von kreis- und kreisringförmigen Elementen.

Ein Wandler gemäß der Erfindung ist, wie in F i g. 3 dargestellt, aus einer durchgehenden Elektretmembran 1, den Abstandsstegen 2 und aus zwei durchgehenden Gegenelektroden 3 und 4 aufgebaut. Die Stege 2 teilen den Wandler in einzelne Abschnitte, welche die Membranelemente mechanisch entkoppeln. Jedes Teil- bO element der Membran kann deshalb eine, verglichen mit den benachbarten Elementen, eigene Phasen- und Amplitudenlage aufweisen.

Das Verpolungsmuster wird als positive und negative Aufladung der Kiektretmembran realisiert, was einer t>5 Umkehr der Polarisationsspannung bei herkömmlichen elektrostatischen Wandlern entspricht. Die Signalspannung kann aus diesem Grund an die beiden Gcgenelektroden angelegt werden, ohne daß letztere unterteilt sein müssen.

Die positive oder negative Aufladung der Elektretmembran kann z. B. mit Hilfe der sogenannten Flüssigkontaktmethode erfolgen, bei der die elektrischen Ladungen mittels eines Flüssigkeitsfilms auf den Elektreten gebracht werden (P. W. Chudleigh: »Mechanism of charge transfer to a polymer surface by a conducting liquid contact«. Journal of Applied Physics, Vol. 47,1976, S. 4475-4483).

Die Abstandsstege 2 brauchen nicht, wie im Beispiel

gemäß F i g. 3 beschrieben, aus isolierendem Material zu bestehen, sondern es kann hierzu auch elektrisch leitendes Material gewählt werden, da es sich bei

- Elektreten um überaus hochohmige Materialien handelt.

Eine Ausgestaltung der Abstandsstege in Form von metallischen oder metallisierten Erhöhungen der Gegenelektroden, anstelle von separat aufgebrachten Abstandsstegen, ist ebenso möglich. Die Erhöhungen können beispielsweise durch mechanische Verformungen einer metallischen Gegenelektrode oder durch eine galvanische Auftragung der Abstandsstege auf eine flache Platte erzeugt werden.

Auch gewichtsmäßig leichtere, aber nicht leitende Materialien, wie etwa Spritzgußteile, können zur Herstellung der Gegenelektroden verwendet werden, weil eine Metallisierung der Teile möglich ist. Die metallische Belegung der Gegenelektroden braucht nur äußerst dünn zu sein, schon eine Metallisierungsdicke von etwa 0,1 μπι ist ausreichend für den einwandfreien Betrieb des Wandlers.

Eine weitere mögliche Bauform des elektrostatischen Wandlers ist in Fig.4 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform befinden sich die Elektrete 5 und 6 auf den Gegenelektroden 3 und 4. Das Verpolungsmuster ist wiederum durch eine positive oder negative Aufladung der Elektrete realisiert.

Bekanntermaßen können für diesen Wandlertyp eine Vielzahl von Membranmaterialien verwendet werden, da die Membran 1 keine Elektreteigenschaften besitzen muß.

Die Signalspannung wird wie im Beispiel gemäß F i g. 3 an die beiden durchgehenden Gegenelektroden angelegt. Auch hierbei sind verschiedene Herstellungsarten, wie vorher beschrieben, möglich. Bei einer Ausgestaltung der Abstandsstege in Form von metallischen oder metallisierten Erhöhungen ist jedoch zu beachten, daß diese mit einer isolierenden Schicht überzogen sein müssen. Dies ist erforderlich, weil sich andernfalls die metallische oder metallisierte Membran und die Gegenelektroden direkt berühren und somit ein elektrischer Kurzschluß entsteht. Die erforderliche Isolationsschicht kann z. B. der Elektret sein, der auch auf die Erhöhungen aufgebracht ist, wodurch die-Isolation von Membran und Gegenelektroden gewährleistet wird.

Des weiteren ist es möglich, den vorgeschlagenen Wandler in Form einer radialen Aneinanderreihung von kreis- und kreisringförmigen Elementen rotationssymmetrisch auszuführen. Die prinzipielle Ausgestaltung einer Gegenelektrode eines solchen Wandlers ist in Fig.5 dargestellt. Sie besteht aus einer beliebigen Anzahl von Abstandsstegen, im gewählten Beispiel mit 2 bezeichnet, und einer beliebigen Anzahl von Öffnungen 7 zwecks Schalldurchgang. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß kein zweidimensionales Verpolungsmuster aufgebracht werden muß, weil ein solcher Wandler vom Prinzip her in der Wnndlcrcbene eine rotationssvmiiie-

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trische Richtcharakteristik aufweist. Hierbei ist das Verpolungsmuster gemäß den Codes für eindimensionale Strahlerzeilen zu wählen.

Der hier beschriebene Wandler ist als Mikrophon zur Schallaufnahme einsetzbar, weil er zur Klasse der reziproken elektroakustischen Wandler gehört. Bei einem nicht verpolten Wandler ist eine richtungsunabhängige Schallaufnahme, außer bei sehr tiefen Frequenzen, nicht möglich. Ein solcher Wandler hat auf Grund seiner großen Dimensionen eine äußerst scharfe

Richtcharakteristik. Der erfindungsgemäße, verpolte Wandler eignet sich zur allseitigen Schallaufnahme, wodurch er für verschiedene Anwendungen einsetzbar ist. Man könnte z. B. eine Art Gegensprechanlage für größere Räume, wie Sitzungs- oder Konferenzsäle, realisieren. Neben einer manuellen Umschaltung zwischen Senden und Empfangen und umgekehrt ist durch elektronische Maßnahmen eine Verwendung des Wandlers als Schallsender- und Empfänger gleichzeitig oder im Zeitmultiplex möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Wandler nach dem Elektretprinzip zur allseitigen Abstrahlung von Schall mit einer regelmäßigen Anordnung der strahlenden Elemente, die teilweise gegenphasig gepolt sind und deren Polung ein unregelmäßiges Muster bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden durchgehend sind und die gegenpolare Musterbildung durch positive und negative Aufladung der Elektretmembran erfolgt.

2. Elektrostatischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler als großflächiges Mikrophon zur Schallaufnahme >⁵ gleichzeitig oder im Zeitmultiplex mit dem Strahler einsetzbar ist.

3. Elektrostatischer Wandler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf den Gegenelektroden aufgebrachte Elektret positiv oder negativ nach den entsprechenden Verpolungsmustern aufgeladen wird.

4. Elektrostatischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einer radialen Aneinanderreihung von kreis- und kreisringförmigen Elementen besteht.

5. Elektrostatischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler beidseitig Schall abstrahlt oder aufnimmt.

6. Elektrostatischer Wandler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element ein separates, abgeschlossenes Koppelvolumen besitzt

7. Elektrostatischer Wandler nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenelektroden aus Metall, aus gut leitendem oder metallisiertem Material bestehen.