DE3234060C2

DE3234060C2 - Elektrostatischer Wandler

Info

Publication number: DE3234060C2
Application number: DE3234060A
Authority: DE
Inventors: Susumu Hirakata Osaka Katayama
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-09-14
Publication date: 1987-04-02
Also published as: DE3234060A1; JPS5846800A; CA1202113A; GB2110901B; GB2110901A; US4796725A

Abstract

Ein elektrostatischer Wandler mit einer schwingenden Membran zwischen einer feststehenden und einer beweglichen Elektrode, an denen elektrische Signale anliegen, ist zur Verminderung der Resonanzfrequenz bei kleinen Nebenkeulen und hohem Wandlerwirkungsgrad mit einer großen Anzahl von Vertiefungen in der an die schwingende Membran angrenzenden Oberfläche der feststehenden Elektrode versehen und weist außerdem eine große Anzahl von durch die feststehende Elektrode hindurchführenden Öffnung auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Wandler der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art.
Ein derartiger Wandler ist aus der DE-OS 27 49 987 bekannt. Die in Schallabstrahlrichtung weisenden, als Nuten ausgebildeten Vertiefungen sind so bemessen, daß sich bei der Resonanzfrequenz eine maximale Abstrahlung im Mittenbereich des Wandlers ergibt, während sich die Abstrahlung in Richtung auf den Rand des Wandlers verringert um die Nebenkeulen zu vermindern. Auf diese Weise erzielt man eine Verbesserung der Richtcharakteristik.
Aus der DE-AS 22 54 692 ist ein elektrostatischer Wandler bekannt, der ebenfalls eine Schwingmembran und eine feststehende Elektrode umfaßt, die zur Verbesserung der Langzeitstabilität eine in Vorsprünge, Vertiefungen und Löcher gegliederte Oberfläche hat, die formschlüssig mit einem PTFE-Film überzogen ist. Hierdurch soll erreicht werden, daß die Schwingmembran straff gespannt und sicher verankert gehalten wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines elektrostatischen Wandlers der einleitend angegebenen Gattung noch weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Diese Lösung hat den Vorteil, daß der Wandler einen hohen Konversionskoeffizienten zwischen akustischen und elektrischen Signalen und besonders niedrige Nebenkeulen im Schallabstrahlungsdiagramm hat. Zurückzuführen ist dies auf die im Vergleich zu dem aus der DE-OS 27 49 987 bekannten Wandler umgekehrte Abstrahlrichtung in Verbindung mit dem in dieser Richtung vorwärtsgeneigten Randbereich der feststehenden Elektrode, denn diese Neigung des Randbereiches ermöglicht eine besonders straffe Festlegung der Schwingmembran und führt damit zu einer Verbesserung des Konversionskoeffizienten.
In der Zeichnung ist der Wandler nach der Erfindung in einer beispielhaft gewählten Ausführungsform dargestellt. Es zeigt
Fig. 1 ein Schnittbild,
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch einen Ausschnitt der Anordnung aus der beweglichen Elektrode, der Schwingmembran der feststehenden Elektrode,
Fig. 3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der feststehenden Elektrode,
Fig. 4 eine Aufsicht auf die feststehende Elektrode nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Rückansicht der feststehenden Elektrode nach Fig. 3,
Fig. 6 eine Explosionsdarstellung des Wandlers,
Fig. 7 ein Diagramm des Austrittsschalldrucks in Abhängigkeit von der Frequenz für eine feststehende Elektrode mit bzw. ohne Nuten,
Fig. 8 ein Diagramm der Abhängigkeit des Austrittsschalldrucks von der Frequenz für eine feststehende Elektrode mit unterschiedlicher Lagebeziehung zwischen Nuten und Löchern und
Fig. 9 eine Aufsicht auf eine für Vergleichsversuche verwendete, abgeänderte Ausführungsform der feststehenden Elektrode.
In den Figuren bezeichnet 1 eine scheibenförmige feststehende Elektrode mit einem Mittelteil und konisch geformtem Randteil. Eine Schwingmembran 2 liegt zwischen der feststehenden Elektrode 1 und einer beweglichen Elektrode 3; der Aufbau entspricht also dem üblichen. Eine große Zahl von Nuten 4 sind konzentrisch in die Oberfläche der feststehenden Elektrode 1 eingelassen, die die Schwingmembran 2 berührt (vgl. Fig. 5); die Nuten 4 öffnen sich zu der Schwingmembran hin und haben Rechteckquerschnitt. Ferner sind radial von der Mitte der feststehenden Elektrode 1 aus Löcher 5 dort eingeschnitten, wo sich auch Nuten 4 befinden; die Löcher 5 durchsetzen die ganze feststehende Elektrode 1, und ihre Weite ist größer als die Breite der Nuten 4. Wenn die feststehende Elektrode 1 eine Dicke von 1 mm hat und ihr Außendurchmesser 38 mm beträgt, haben die Nuten 4 zweckmäßigerweise eine Breite zwischen 0,2 und 0,5 mm, ihre Tiefe liegt bei 0,3 bis 0,5 mm, und der Durchmesser der Löcher 5 beträgt 1 mm.
Die Schwingmembran 2 ist als Kunststoffolie aus Polyesterharz od. dgl. ausgebildet. Metallmembranen, etwa aus Aluminium, werden auf die Schwingmembran 2 aufgedampft und dienen als bewegliche Elektrode 3. Die Schwingmembran 2 sitzt unbeweglich zwischen einer Einbauunterlage 9 aus Kunststoff und der inneren Abschlußfläche einer gewölbten Einspanneinrichtung 10 aus Aluminium oder einem anderen leitenden Werkstoff an deren Randteil. Die Befestigung der Einbauunterlage 9 und der Einspanneinrichtung 10 aneinander erfolgt durch Umfalzen des gezahnten Randes 10 a der Einspanneinrichtung 10 um den Randteil 9 a der Einbauunterlage 9. Die Schwingmembran 2 wird durch die Federkraft einer druckausübenden Blattfeder 12 gegen die feststehende Elektrode 1 gedrückt; die Blattfeder 12 ist zwischen einem rückseitigen Deckel 11, der die offene Seite der feststehenden Elektrode 1 abschließt, und der Einspanneinrichtung 10 angeordnet.
Die Schwingmembran 2 wird vor der Montage mit einer gewissen Lose zwischen der Einbauunterlage 9 und der Einspanneinrichtung 10 gehalten. Die Schwingmembran 2 liegt bei der Montage an der gesamten Fläche der feststehenden Elektrode 1 an. Die druckausübende Blattfeder 12 ist aus elektrisch leitendem Werkstoff hergestellt und weist eine herausgeschnittene Lasche 12 a auf, die aus einer Öffnung 11 a vorsteht, die sich in der Mitte des rückseitigen Deckels 11 befindet. Eine Halteschraube 13 hält den Deckel 11 an der feststehenden Elektrode 1 fest.
Die Halteschraube 13 ist mit einem (nicht gezeichneten) außenliegenden Anschluß verbunden und dient als Stromzuführung für die feststehende Elektrode 1. Die Stromzuführung zu der beweglichen Elektrode 3 erfolgt durch die druckausübende Blattfeder 12, deren Laschenteil 12 a mit dem nicht gezeichneten außenliegenden Anschluß verbunden ist, und durch die Einspanneinrichtung 10.
Durch das Zuführen von elektrischen Signalen an die bewegliche Elektrode 3 und die feststehende Elektrode 1 wird die Schwingmembran 2 auf den Nuten 4 in Schwingungen versetzt. Die entstehende Schwingung pflanzt sich in der von der Schwingmembran 2 abgewandten Richtung (Y-Richtung) durch Löcher 5 am Ort der Nuten 4 fort und tritt in Form von Schalldrücken nach außen. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen Frequenzen und Austrittsschalldrücken für den Fall, daß die feststehende Elektrode 1 mit Nuten 4 versehen ist ( Kurve a), und für den Fall, daß solche Nuten 4 nicht vorgesehen sind (Kurve b). Aus Kurve a ist zu entnehmen, daß die Resonanzfrequenzen erniedrigt werden können.
Fig. 8 zeigt Kennlinien für die Beziehung zwischen der Lage der Nuten 4 und der Lage der Löcher 5, die beide in die feststehende Elektrode 1 eingelassen sind; die Frequenzen sind auf der Abszissenachse und die Austrittsschalldrücke auf der Ordinatenachse abgetragen. Die Kurve c gilt für den Fall, daß die Löcher 5 an den gleichen Stellen wie die Nuten 4 angebracht sind, während die Kurve d den Fall zeigt, daß die Löcher 5 auf Geraden liegen und die Nuten 4 konzentrisch verlaufen, wobei die Löcher 5 teilweise die Nuten 4 überlappen. Danach können die Resonanzfrequenzen erniedrigt werden, indem Nuten 4 ausgebildet werden, während der Konversionskoeffizient sich erhöhen läßt, indem die Löcher 5 an den gleichen Stellen angeordnet werden wie die Nuten 4.
Für den Verlauf der in den Fig. 7 und 8 gezeichneten Kennlinien haben die Erfinder folgende Erklärung:
Die den Öffnungen der Nuten 4 gegenüberliegenden Teile der Schwingmembran 2 werden frei, wobei die Teile der Schwingmembran 2, die den genannten Öffnungen der Nuten 4 entsprechen, mit niedrigerer Resonanzfrequenz schwingen und die Ränder der genannten Öffnungen der Nuten 4 Unterstützungspunkte der Schwingmembran darstellen.
Die Löcher 5 werden an der gleichen Stelle ausgeschnitten wie die Nuten 4, weil die von den Teilen nahe den Nuten 4 erzeugten Schwingungen, die die obenbezeichnete zweckmäßige Resonanzfrequenz einhalten, mit höchstem Wirkungsgrad in Schalldrücke umgesetzt werden. Das schließt die Möglichkeit ein, den Schall im Schallbereich der genannten zweckmäßigen Resonanzfrequenzen zu verstärken. Die Kennlinien in den Fig. 7 und 8 wurden unter folgenden Bedingungen gewonnen:
Der Durchmesser der feststehenden Elektrode in dem zur Erzeugung von Schallwellen wirksamen Bereich (vgl. Fig. 6) betrug f = 36 mm, der Durchmesser der feststehenden Elektrode in ihrem mittleren ebenen Teil g = 25 mm, der Winkel R = 12°, der Trichterflächenanteil in dem genannten wirksamen Bereich zum Erzeugen von Schallwellen 29%, der Durchmesser der Löcher 5 1,0 mm, die an die feststehende und die bewegliche Elektrode gelegte Spannung 100 V Wechselspannung und 141 V Gleichspannung, und der Abstand zwischen einem Meßmikrophon und dem Schwinger 30 cm.
Bei der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine feststehende Elektrode mit Nuten zum Festlegen von Resonanzfrequenzen in der Oberfläche der Elektrode vorgesehen, die einer Schwingmembran zugewandt ist; anstelle der Nuten können aber auch kreisförmige oder rechteckige Vertiefungen oder Einschnitte vorgesehen werden, die die feststehende Elektrode durchsetzen. Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist, kurz gesagt, Vertiefungen vor der Schwingmembran zu formen, um Zwischenräume entstehen zu lassen.
Zwar sind die Nuten bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung konzentrisch angeordnet; im übrigen liefert aber jede Anordnung von Nuten (Vertiefungen), bei der die Nuten symmetrisch zu der Mitte der feststehenden Elektrode als Symmetriepunkt verlaufen, unverändert die gleichen erwünschten Kennlinien. Auch derartige Abänderungen liegen somit im Rahmen der Erfindung.

Claims

1. Elektrostatischer Wandler mit einer Schwingmembran zwischen einer beweglichen Elektrode und einer feststehenden Elektrode, welch letztere mit einer Vielzahl von sich zu der Schwingmembran öffnenden Vertiefungen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehende Elektrode (1) an mit den Vertiefungen (4) zusammenfallenden Stellen eine Vielzahl von Öffnungen (5) zum Herausführen des Schalldruckes aufweist und einen in Schallabstrahlrichtung vorwärtsgeneigten Randbereich hat.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Öffnungen (5) größer als die Breite der Vertiefungen (4) ist.