DE4135408A1 - Verfahren zur umwandlung elektrischer energie in mechanische schwingungen, sowie vorrichtungen zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.

Zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Schwin­ gungen ist es bekannt, den piezoelektrischen Effekt zu nutzen. Zu diesem Zweck wird die Dickenänderung von piezo­ elektrischen Stellgliedern ausgenützt, um mechanische Schwingungen hervorzurufen. Verfahren dieser Art bein­ halten den Nachteil, daß die Stellwege piezokeramischer Wandler gering sind.

Zunehmende Bedeutung bei der Bekämpfung der Schallabstrah­ lung lärmintensiver Maschinen und Anlagen gewinnen Maß­ nahmen der aktiven Schallbekämpfung. Eine bestimmte Zahl von paarweise zugeordneten und geeignet plazierten Laut­ sprecher- und Mikrophoneinrichtungen treten hierbei in bekannter Weise derart in Wechselwirkung, daß der jewei­ lige Lautsprecher an seinem Einbauort wie eine dynamisch arbeitende Schalldrucksenke im Umkreis der halben Luft­ schallwellenlänge wirkt. Besonders hohe Ansprüche an An­ lagen dieser Art ergeben sich dann, wenn das zu unter­ drückende Geräusch stark impulshaltig ist oder von breit­ bandigem Rauschen überdeckt wird.

Abgesehen vom bekannten Einfluß des - minimal zu gestalten­ den - Abstandes zwischen dem jeweils beteiligten Mikrophon und zugeordneten Lautsprecher ist in den beiden vorerwähnten Fällen des zeitlichen Signalcharakters der Druckkomponente des zu unterdrückenden Schallfeldes die Übertragungsfunktion sowohl des Lautsprechers wie des Mikrophons von ganz ent­ scheidender Bedeutung für die Realisierbarkeit einer aktiven Schalldrucksenke.

Preiswerte Mikrophone mit nahezu frequenzunabhängigen Be­ trags - und Phasenübertragungsverhalten im Frequenzbereich von 40 Hz - 10.000 Hz sind marktgängig und stehen folglich einer Hardware-Lösung zur Verfügung.

Anders verhält es sich mit dem Zugriff zu geeigneten Laut­ sprechern mit einem breitbandigen Übertragungsverhalten bei gleichzeitig hoher Schalleistungsausbeute.

Handelsübliche elektrodynamische Lautsprecher sind insofern als Schalldruckbildner ungeeignet, als die Grundeigenform des Membrankörpers und damit deren zugeordnete Eigenfrequenz - selbst bei kleinen Membrandurchmessern - zu niedrige Werte (wenige Hundert Hertz) aufweist. Liegt z. B. die gewünschte Arbeitsfrequenz der Schalldrucksenke zwischen 700 und 2000 Hz sollte die Resonanzfrequenz der Grundeigenform der Laut­ sprechermembran mindestens 3000 Hz betragen. Wie bereits an­ gedeutet, liegt sie damit weit oberhalb des nutzbaren unter­ kritischen Frequenzgebietes von elektrodynamisch angetrie­ benen Membranen.

Der Aufgabenstellung entsprechende elektroakustische Wandler mit Grundeigenfrequenzen gleich oder größer 3000 Hz und einer aktiven Abstrahlfläche von etwa 80 cm² sowie ferner einer Schalldruckabgabe von 120 dB bei 1000 Hz sind für ein akzeptables Preis-Leistungsverhältnis derzeit nur mit einem piezoelektrischen Stellglied als Erregerkraftquelle zu verwirklichen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die kleinen Stellwege piezokeramischer Stellglieder in große Biegeschwingungsamplituden umzuwandeln.

Gelöst wird diese Aufgabe zum einen durch die dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu entnehmenden Verfahrensmerkmale.

Die Bewegung des Stellgliedes wird durch die erfindungsge­ mäßen Merkmale wegverstärkt auf eine Membran übertragen. Diese Membran wird entweder durch die Ausweichbewegung senk­ recht zur Bewegung des Stellgliedes vielfach wegverstärkt aufgewölbt, oder aber die radiale Dehnung bzw. Stauchung des Stellgliedes führt durch die schubfeste Verbindung mit der Membran zu einer Biegung derselben, wobei ebenfalls eine hohe Wegverstärkung erzielbar ist.

Zum anderen kann diese Aufgabe entsprechend den Verfahrens­ merkmalen des kennzeichnenden Teils des Nebenanspruches 2 gelöst werden.

Die Anwendung von Scherwandlern ermöglicht die Umwandlung von Scherbewegungen der Stellglieder in eine Biegebewegung der Membran, wobei ebenfalls eine hohe Wegverstärkung erzielt wird.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 ist dem Anspruch 3 zu entnehmen.

Durch die leicht konvex gewölbte Membran wird eine hohe Weg­ verstärkung der Kontraktionsverschiebungen des Stellgliedes erreicht. Außerdem erfährt das piezokeramische Element eine Druckvorspannung, so daß sich die Zeitstandfestigkeit des zugspannungsempfindlichen Elements erhöht.

Eine Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 kann dem Anspruch 4 entnommen werden.

Durch das Umbördeln der Membranen wird die Übertragung der Druckvorspannung der Membran auf das Stellglied verbessert.

Eine Verbesserung der Schallabgabe wird nach den Merkmalen des Anspruches 5 erreicht.

Eine Vorrichtung dieser Art führt zu einer Homogenisierung der resultierenden Schalldruckverteilung im Nahfeldbereich des akustischen Wandlers.

Nach den Merkmalen des Anspruches 6 wird einerseits eine radiale Druckvorspannung des geschichteten Stellgliedes zur Erhöhung der Zeitstandfestigkeit erreicht und andererseits als Folge der konkaven Wölbung der Membranen eine Wegver­ stärkung der radial gerichteten Stellwege des Stellgliedes erzielt. Anstelle des geschichteten Stellgliedes kann auch ein massiver Hohlzylinder treten.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 7 aus.

Neben hoher Stabilität gegen das Ausbilden von unerwünschten Nebenmoden zeichnet sich dieser Wandler durch extreme Kom­ paktheit und ein willkommen großes Verhältnis von luft­ schallabstrahlender Oberfläche zu Gesamtvolumen aus. Dies macht ihn aufgrund des dann hohen Schlankheitsgrades seines Querschnittes besonders geeignet zur Applikation an gas­ durchströmten, schallführenden Öffnungen.

Eine weitere Ausbildung der Vorrichtung kann dem Anspruch 8 entnommen werden.

Durch die Evakuierung der Räume zwischen den Membranen und dem Stellglied wird durch die Membranen eine radial gerich­ tete Zugspannung auf den Stützring ausgeübt, welcher seiner­ seits durch die radiale Verschiebung zum Zentrum hin dem Stellglied eine Druckvorspannung aufprägt. Dadurch wird die Zeitstandfestigkeit das keramischen Stellgliedes erhöht.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen 9 bis 11 zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele für die Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Zeichnungen darge­ stellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Wandler mit rechteckiger Struktur,

Fig. 2 einen Wandler mit rechteckiger Struktur und mehreren Feldern,

Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Distanzstückes,

Fig. 4 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und radial geschichtetem Stellglied,

Fig. 5 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und axial geschichtetem Stellglied,

Fig. 6 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und kreisförmigen Stellglied,

Fig. 7 ein Detail eines Stützringes des Wandlers nach Fig. 6,

Fig. 8 einen Wandler mit kreisförmigen Stellgliedern welche auf Ober- und Unterseite der Membranen schubfest aufgeklebt sind,

Fig. 9 eine Membran mit streifenförmigen auf Ober- und Unterseite der Membran schubfest aufgeklebten Stellgliedern in Draufsicht,

Fig. 10 einen Schnitt X-X durch die Membran mit aufge­ klebten Stellgliedern,

Fig. 11 einen Wandler mit rechteckiger Struktur, wobei die Membranen durch Umbördelung mit den Distanzstücken verbunden sind,

Fig. 12 eine Membran des Wandlers nach Fig. 11 vor und nach dem Einbau,

Fig. 13 einen Wandler mit Scherwandlern als Stell­ glieder, welche schubfest mit zwei Membranen verbunden sind.

Anhand von Fig. 1 sei auf das Beispiel eines verhältnismäßig einfach aufgebauten elektroakustischen Wandlers eingegangen. Ein Stellglied 1 besteht aus einem sandwichartig geformten Stapel aus piezokeramischen Folien von der jede einzelne über ihre aufmetallisierten Flächenelektroden elektrosta­ tisch erregt wird. Durch Verlöten oder Verkleben aufeinander liegender Elektrodenflächen entsteht ein sehr biegesteifer Verband für das Stellglied. Infolge Konditionierung der Keramikfolien per elektrischer Polarisation in Richtung der Flächennormalen, also der gleichen Richtung, in der auch das elektrostatische Erregerfeld eingeprägt wird, stellt sich der sogenannte transversale Bewegungseffekt ein. Unter diesem bekannten Effekt wird eine Kontraktion des Körpers quer zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes, also senkrecht zur Flächennormalen verstanden.

Die Aufteilung des Stellgliedes in dünne Schichten ist inso­ fern sinnvoll, als die erforderliche Erregerspannung pro Schicht der elektrisch parallel geschalteten Keramikfolien nur verhältnismäßig niedrige Werte (wenige Vielfache von 10 V) annehmen muß, um die Nennaussteuerung bezüglich der Wegausbeute zu erreichen. Aufwandsminderungen bieten sich infolge dieser Maßnahmen bei der Auslegung der Treiberstufe der Elektronik (keine Hochspannungsversorgung erforderlich) an, was auch dem Sicherheitsaspekt dient.

Zwecks Erzielung einer möglichst gleichförmig um die Ab­ strahlachse des Luftschalles ausgebildeten Schalldruckver­ teilung ist die Formgebung des, hinsichtlich Flächeninhalt dominierenden Flächenpaares des Stellglied-Quaders quadratisch oder annähernd quadratisch auszuführen. Parallel zu einem der beiden Stirnseitenpaare des Stellgliedes 1 sind die beiden dominierenden Oberflächen des Stellgliedes beid­ seitig mit insgesamt 4 gegenüberliegenden Distanzstücken 2 kantenbündig zu bekleben.

Ihrerseits bestehen die Distanzstücke 2 entlang ihrer Längs­ achse wie in Fig. 3 näher dargestellt aus einer wechseln­ den Folge von fest miteinander verbundenen rechteckigen Scheiben aus Gießharz 3 und Metall (Keramik) 4. Zwei, in geplanter Abstrahlrichtung des Luftschalles schwach konvex vorgeformte, ebenfalls quadratisch ausgebildete Metallmem­ branen 5a, 5b werden jeweils an ihren beiden einander gegen­ überliegenden parallel verlaufenden Randzonen (richtungs­ gleich zur Zylinderachse der Krümmung) mit der verbliebenen Breitseite 6 der beiden Distanzpaare 2 verklebt.

Wird eine pulsierende Gleichspannung an die Elektroden des Stellgliedes 1 gelegt, führt dessen Plattenstapel neben ver­ nachlässigbaren Dickenschwingungen kantenparallele, also orthogonal zueinander gerichtete Dehnungsschwingungen in der Ebene parallel zur Flachseite des Stellgliedes aus. Dehnungen in Richtung der Längsachsen der Distanzstücke 2 versuchen letztere im oberflächennahen Bereich des Stell­ gliedes im gleichen Richtungssinn zu verformen (Dehnung oder Stauchung), was aufgrund des niedrigen E-Moduls der Scheiben aus Gießharz 3 (Fig. 3) ohne hohe Kraftentfal­ tung gelingt. Hohe Kräfte hingegen entstehen an den Distanz­ stücken 2 in Oberflächennähe eines, der Verklebung dienenden streifenförmigen Membranfortsatzes 5c. Dies auszuschließen, dienen mehrere äquidistant in die Metallmembran eingebrachte Entlastungsschnitte 7 (senkrecht zur Membrankrümmungsachse ausgerichtet), von denen nur einer dargestellt ist.

Eine Verkürzung des Stellgliedes senkrecht zur Längsachse der Distanzstücke hat zur Folge, daß die vorgewölbte Mem­ bran 5a, 5b infolge Stauchung noch stärker durchgewölbt wird; im Falle der Stellgliedlängung hingegen erfährt die Wölbung der Membran eine Verflachung. Die Membranmitte mit ihrer, der maximalen Wölbung folgenden Scheitellinie entwickelt dabei jeweils einen Betrag der Auslenkung der in willkommener Weise ein Vielfaches der Plattendehnung beträgt. Dieser Effekt der Wegtransformation ist wesent­ lich von der Auslegung der vorgeformten Auswölbung ab­ hängig und ist Ursache einer hohen Bewegungsausbeute der Membranen, was letztlich zu einem hohen mittleren Schall­ druckgewinn pro Membranflächeneinheit führt.

Der im Raum zwischen jeweiliger Membran- und Stellgliedober­ fläche ebenfalls erzeugte, gegenphasige Druck ist zur Ver­ meidung eines akustischen Kurzschlusses (vermindert die Ver­ fügbarkeit des nutzbaren Kompensationsdruckes an der jeweils gegenüberliegenden, dem Fernfeld zugewandten Seite der Membran) daran zu hindern aus den vier kreissegment­ förmigen Öffnungen auszutreten. Zu erreichen ist dies durch Verdecken besagter Öffnungen mit einer, jede der beiden Stirnseiten der Stellglied-Membran-Kombination abschließenden Leiste 8 (etwa 2 mm dick). Diese Leisten 8 - mit der entsprechenden öffnungsnahen Stellgliedfläche verklebt - sollten der Stellgliedbewegung einen geringen Widerstand entgegensetzen, also aus einem Werkstoff mit kleinem E-Modul bestehen (z. B. Kunststoff). Die bereits erwähnte Leistenbefestigung an dem Stellgliedstirnfläche ist dergestalt auszuführen, daß die Stirnseiten der Be­ wegung ausführenden Membranenden einen möglichst kleinen - Relativbewegung zulassenden - Abstand zur jeweils be­ nachbarten Flachseite der Leisten 8 besitzen, so daß die verbleibenden Spalten jeweils eine minimale Fläche besitzen. Auf diese Weise können nur sehr kleine Beträge der - inner­ halb der beiden membranbegrenzten Kammern - erzeugten Schalleistungen nach außen dringen. Die Folge ist eine will­ kommen geringe Schwächung des emittierten Schalleistungsan­ teils wie er zur Störschallunterdrückung eingeplant ist.
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Fig. 2 zeigt eine Modifizierung des vorstehend anhand von Fig. 1 beschriebenen Wandlerprinzips. Sie besteht in einer Mehrfachabstützung der Einzelmembranen 5a bzw. 5b (Fig. 1) durch jeweils 4 Distanzstücke 2 (denkbar ist auch eine höhere Anzahl) anstelle von bisher 2. Vorteile dieser Ausführung be­ stehen in einer, mit wachsender Stützstellenzahl zunehmenden Homogenisierung der resultierenden Schalldruckverteilung im Nahfeldbereich. Hinzu kommt die Wahlmöglichkeit einer dünneren Membran (bei gleichbleibender Resonanzfrequenz) was geringeren Erregerkraftbedarf und somit eine kleinere Zahl geschichteter Keramikfolien zum Aufbau des piezoelektrischen Wandlers bedeu­ tet. Einer beliebigen Vermehrung der Stützstellen steht aller­ dings die abnehmende Schwingwegausbeute der betroffenen Mem­ branen entgegen. Aus Gründen der geringen Zugspannungsverträg­ lichkeit des piezokeramischen Werkstoffes sind die Membranen vor dem Verkleben mit einer bleibenden Wölbung zu versehen, die einen kleineren Radius besitzt als dem, der sich nach dem erfolgten Kleben einstellt. Die Membranen wirken in diesem Falle jeweils wie eine vorgespannte Feder die das piezo­ elektrische Stellglied 1 im stauchenden Sinne mit einer Druckspannung vorbelastet. Entspricht diese Stauchkraft der maximalen Wechselkraftamplitude die dem Stellglied 1 zur Schallabstrahlung eingeprägt wird, können im piezokeramischen Werkstoff folglich keine gefährdenden Zugspannungen auftreten.

Die Konsequenz ist eine ausschließlich an der Druckspannungs­ festigkeit bzw. Depolarisationsschwelle der Piezokeramik zu orientierende geometrische Formgebung des Stellgliedes.

Den Aufbau der Distanzstücke 2 gibt Fig. 3 wieder. Das Distanzstück 2 besteht aus einer Abfolge von Metall- oder Keramikelementen 4 und Elementen mit geringem E-Modul, bei­ spielsweise Kunstharz 4. Durch diese Schichtung ergibt sich eine Elastizität in Richtung der Schichtung, während sich die Orthogonale Richtung durch eine willkommen hohe Steifig­ keit auszeichnet.

Eine rotationssymmetrisch ausgestaltete Version eines Schall­ wandlers gibt Fig. 4 wieder. Das Stellglied 1 ist dort als Hohlzylinder 9 mit geringer axialer Länge ausgebildet, an dessen beiden kreisförmigen Stirnflächen 10, dünne, ebenfalls kreisförmige Metallmembranen 5a, 5b eingeklebt sind. Infolge Teilevakuierens der entstandenen Kammer 11 erfahren die beiden Membranen jeweils eine konkave Durchwölbung, die ihrerseits die Voraussetzung zur Realisierung der angestrebten Bewegungs­ verstärkung schafft. Entsprechend des Betrages der elektri­ schen Erregung des zylinderförmigen Stellgliedes 1 entwickelt dieses eine Längung oder Verkürzung seines Umfangs die sich letztlich in einer proportionalen Vergrößerung oder Verkleine­ rung seines Durchmessers äußert. Dies wiederum hat eine gleichfalls proportionale Beeinflussung der radialen Zug­ spannungskomponente innerhalb der jeweiligen Membran 5a bzw. 5b zur Folge. Der davon ausgehende, wechselnde Spannzustand der betroffenen Membran bestimmt seinerseits die radiale Ver­ teilung des örtlichen Axialausschlages der Membranen. Sinnge­ mäß gilt hinsichtlich der Bewegungsverstärkung (Verhältnis von Durchmesseränderung des Stellgliedes zu davon ausgelöstem mittleren Membranausschlags) das gleiche wie das bereits bei der Beschreibung der Version gemäß Fig. 1 und 2 ausgesagte, nämlich daß der Grad der vorgegebenen Membranwölbung die Größe der Bewegungsverstärkung bestimmt.

Als Vorteil des vorstehend beschriebenen Wandlerkonzepts ist zu werten, daß die Eigenfrequenz der Membran nicht ausschließ­ lich von Formgebungsparametern (Dicke, Durchmesser) und Werk­ stoffeigenschaften (Dichte, Elastizitätsmodul) der Membran bestimmt ist, sondern in hohem Maße vom Vorspannzustand der Membran, letztlich also vom Grad der Evakuierung der Kammer 11 der Membrandose. Dies führt zu besonders massearmen Membranen selbst bei angestrebten hohen Eigenfrequenzen. Eine weitere Konsequenz derart vorgespannter Membranen ist die vergleichs­ weise hohe Bewegungsausbeute infolge der niedrigen mechani­ schen Impedanz. Die in solchen Fällen bestehende Gefahr einer Wechselwirkung der Membranen mit einem eingeschlossenen Luft­ volumen - üblicherweise zu parasitärer Resonanz führend - ent­ fällt hier infolge Fehlens der Federeigenschaft des Luftvo­ lumens aufgrund des Evakuierens der Membrankammer 11.

Eine Besonderheit des Stellgliedes 1 ist sein Aufbau, der als Konsequenz eine spezielle Vorgehensweise beim Herstellungs­ prozeß zur Folge hat. Zwei aufeinander gelegte, an ihren Oberflächen mit Elektrodenfolien und geeigneter Einbrenn­ paste versehene Bänder aus Keramikfolie werden vor dem Brennprozeß zu einem spiralförmigen Wickel entsprechend der endgültigen Form des Stellgliedes geformt. Nach dem absol­ vierten Brand dieses Wickels entsteht ein verformungssteifer monolithischer Ring, mit dem die bereits vorstehend be­ schriebenen Eigenschaften des piezoelektrischen Stellgliedes verwirklichbar sind.

Eine vereinfachte Version des hohlzylinderförmigen Stell­ gliedes ist dessen Ausführung in klassischer Rohrform. Das heißt die Rohrwand besteht aus radial polarisierten Voll­ material dessen Elektroden mit einer Metallisierung an den beiden Mantelflächen realisiert sind.

Hinsichtlich der Membranbefestigung ist es nach Fig. 5 von Nutzen, wenn die radialen Zugkräfte der jeweiligen Membran 5a bzw. 5b nicht ausschließlich vor dem - per Klebung reali­ sierten - Formschlüssen jeweils zugeordneten kreisringförmigen Stirnfläche 10 des Stellgliedringes aufgenommen werden. Es ist deshalb vorteilhaft, die Membran mit einem um 90° abgewinkel­ ten Bördelrand 12 zu versehen, der seinerseits mit der außen­ liegenden Umfangsfläche des Stellgliedes 1 gleichfalls zu verkleben ist. Zum Abbau nicht erwünschter Bewegungswider­ stände infolge Auftretens umfangsparalleler, tangentialer Zug­ spannungen im Bördelrand 12 ist letzterer mit axial verlaufen­ den Entlastungsschlitzen zu versehen (nicht dargestellt). Das Stellglied nutzt wiederum den transversalen Bewegungseffekt. Das Stellglied 1 ist kreisringförmig ausgebildet und die in üblicher Weise mit Elektroden versehenen Keramikscheiben 1a werden zu einem Stück gestapelt und miteinander verklebt. Die Formgebung der beiden Membranen erfolgt wie auch bei der Version gemäß Fig. 4, wobei wiederum die Membranen 5 zu­ gleich als Sammelelektroden für die beiden Polaritäten der Speisespannung verwendet werden. Gasdichtes Verkleben der Membranen 5a, 5b mit dem Stellglied 1 erlaubt auch hier das Evakuieren der, von dem Membranpaar eingeschlossenen Kammer 11 als willkommene Maßnahme zur Erschließung des Effektes der Stellgliedweg-Transformation.

Eine weitere Variante kreisförmig gestalteter Wandler nach dem Prinzip zweiseitig abstrahlender Membrandosen zeigt Fig. 6. Das hierbei zum Einsatz kommende Stellglied 1 ist ein geklebter Stapel aus kreisförmig geformten Piezofolien der bei elektrischer Erregung, infolge des transversalen Bewegungseffektes entsprechende radiale Bewegungen ausführt. Die umfangsseitige Oberfläche des Stapels ist mit der innen­ liegenden Umfangsoberfläche eines Stützringes 13 verklebt und stellt das Widerlager dar, gegen das sich das Stell­ glied 1 während des Betriebes abstützt.

Gemäß Fig. 7 besteht der Stützring 13 aus einer radial aus­ gerichteten abweichenden Folge von Scheiben aus Metall 4 und Gießharz 3. Ähnlich wie bisher sind die Membranen 5a, 5b mit dem beiden stirn- und umfangsseitigen Oberflächen des, die Membranen bewegenden Teiles verklebt, welches hier vom Stützring 13 repräsentiert wird.

Infolge Evakuierens der Kammer 11 entwickeln die Membranen 5a, 5b radiale Zugkräfte die den Stützring 13 hinsichtlich seines Durchmessers zu verkleinern trachten. Der Bewegungswiderstand gegen besagte Durchmesserverringerung ist infolge Umfangs­ nachgiebigkeit der scheibenförmigen Gießharzeinlagen 3 (be­ sitzen einen kleinen E-Modul) sehr gering und erlaubt damit eine Umwandlung der radialen Zugkraftkomponente der Mem­ branen 5 in eine ebenfalls radial ausgerichtete, auf das Stellglied 1 wirkende Stauchkraft.

Die in diesem Zusammenhang vorauszusetzende hohe Steifigkeit des Stützringes 13 gegenüber radial angreifenden Kräften stellen die Metallscheiben 4 mit ihrem hohen Widerstands­ moment in Richtung der Biegebeanspruchung sicher. Wie bereits früher erläutert, ist die Stauchbeanspruchung des Stellgliedes 13 willkommen, um unerwünschte Zugspannungsbe­ anspruchungen anläßlich Vorzeichenwechsels der, per elek­ trischer Erregung ausgelösten Bewegung, sicher auszu­ schließen. Wie auch beim voranstehend geschilderten Stell­ glied nach Fig. 5 ist der Effekt der Stellgliedwegtrans­ formation mit der Einwölbung der Membranen 5 infolge Evakuierens der Kammern 11 gewährleistet.

Fig. 8 bezieht sich auf eine weitere Wandlerkonfiguration die auf eine Kombination von üblichen Stellgliedern 1 des Membran­ typszurückzuführen ist. Hierbei sind die Stirnflächen des me­ tallischen Stützringes 13 jeweils mit dem Rand der metallischen Membranen 5a, 5b eines rotationssymmetrischen piezokeramischen Biegeverbundes, bestehend aus den Stellgliedern 1 und den Mem­ branen 5a, 5b verklebt. Zu bevorzugen ist ein weichelastischer Kleber (z. B. Silikon-Kautschuk) um hohe radiale Nachgiebigkeit sicherzustellen, die durch Wahl einer dicken Kleberschicht 14 zusätzlich begünstigt ist. Den jeder Membran 5 paarig zugeord­ neten piezokeramischen Stellgliedern 1 sind derart gepolte Speisespannungen zuzuführen, daß die davon ausgelösten Bewe­ gungsvorgänge im sogenannten Gegentakt erfolgen. D. h. z. B., wenn das obere Stellglied 1a eine radiale Zugspannung ent­ wickelt muß das untere Stellglied 1b eine betragsgleiche Druck­ spannung und umgekehrt erzeugen. Sinngemäß gilt das gleiche für den zweiten, mit der verbliebenen Stirnseite des Metall­ ringes St verklebten Membrankörper, wobei allerdings zu be­ achten ist, daß beide Membranen 5a, 5b ihrerseits so zu polen sind, daß sie gegenphasige Bewegungen zueinander ausführen. D. h., beide Membranen 5a, 5b schwingen im Falle der Erzeugung positiven Schalldruckes voneinander weg oder aber sie bewegen sich während der Phase negativer Schalldruckerzeugung aufein­ ander zu.

Die Bewegungstransformation der in ständiger Vorzeichen­ opposition befindlichen, radialen Dehnungen der Stellglieder 1 in eine große Schwingamplitude der jeweiligen Membranen 5a, 5b erfolgt hierbei in ähnlicher Weise wie beim klassischen Biege­ streifenwandler.

Eine weitere Variante des Wandlers zeigt Fig. 9. Das dort eingesetzte, alternative piezokeramische Stellglied 1 unter­ scheidet sich in seiner Formgebung gegenüber den Stellglie­ dern 1 nach Fig. 8 dergestalt, daß das Entstehen umfangs­ paralleler, tangentialer Zug- bzw. Druckspannungen - wie in den bisher verwendeten kreisrunden Membranformen unvermeidlich auftretend - sicher ausgeschlossen bleibt. Die erwünschte Folge ist das Dominieren von radial ausgerichteten Dehnungen innerhalb der bewegten Komponenten, die letztlich zu einer höheren Bewegungsausbeute der Membranen 5, mithin also zu einer höheren Schwingwegverstärkung führen.

An der Metallmembran 5 erfolgt der Abbau umfangsparalleler, tangentialer Spannungen mit Hilfe radial ausgebildeter Ent­ lastungsschlitze 15. Auf die solchermaßen entstandenen, als Biegeschwinger aufzufassenden Zungen 16 sind beidseits recht­ eckig geformte Elemente 16a aus Keramikfolien des transver­ salen Bewegungstyps als Stellglied 1 radial ausgerichtet auf­ zukleben. Bei einer Polung der an die Piezofolien-Streifen angelegten elektrischen Steuerspannungen gemäß den vorab, für die Membrankörper des Wandlers nach Fig. 8 ausgeführten Ge­ sichtspunkten wölben sich alle Biegeschwinger eines Membran­ körpers in einem vom Spannungsvorzeichen vorbestimmten Rich­ tungssinne. Werden zwei der beschriebenen Membrankörper ent­ sprechend Fig. 8 mit ihrer Randzone ebenfalls weichelastisch mit den Stirnflächen eines Stützringes 13 verklebt, entsteht ein Wandler wie Fig. 8 mit ähnlicher örtlicher Schalldruck­ verteilung wie auch bei kreisrund ausgeführten Piezoscheiben und Metallmembranen.

Fig. 10 zeigt einen Schnitt X-X aus Fig. 9. Die Metallmem­ bran 5 ist auf beiden Seiten mit Stellgliedern 1 schubfest durch Klebung verbunden.

Fig. 11 gibt eine Wandlerversion wieder, die infolge Modifi­ zierung des Konzepts gemäß Fig. 1 entstanden ist. Die beiden Metallmembranen 5a, 5b stützen sich mit ihren um 90° abgewin­ kelten Bördelrändern 12 auf die, mit den Stirnseiten des Stell­ gliedes 1 verklebten beiden Stützleisten 17 ab. Ihrerseits sind die überstehenden Bördelränder 12 zwecks formschlüssiger Fixierung mit den Außenkanten der Stützleisten 17 per Klebung verbunden. Vor dem Befestigen sind die Metallmembranen 5a, 5b in eine bleibende Form entsprechende Kurve A in Bild 8a zu bringen. Auf diese Weise üben sie im verbauten Zustand B die üblicherweise erwünschte Zugkraft auf das Stellglied 1 aus. Hohe Nachgiebigkeit in einer Ebene senkrecht zur genutzten Kraftentfaltungsrichtung des Stellgliedes 1 erhält die Stützleiste 17 durch einen Aufbau gemäß Fig. 12 wie er bereits ausführlich bei der Beschreibung der Wandler­ konzepte entsprechend Bild 1 und 6 erläutert wurde. Zur Gewährleistung der gleichen Nachgiebigkeit im Bereich der Membran 5 ist diese einschließlich des Bördelrandes 12 wie auch beim Wandlerprinzip nach Fig. 1 mit Entlastungs­ schlitzen 7 parallel zur Wirkrichtung der genutzten Stell­ kraftkomponente zu versehen.

Geht es darum große Abstrahlflächen von elektroakustischen Wandlern bei Einsatz piezoelektrischer Stellglieder zu ver­ wirklichen und sollen diese Wandler vorzugsweise im Gebiet niedrigerer Frequenzen eingesetzt werden, erweist sich ein Aufbau entsprechend Fig. 13 als besonders zweckmäßig (was nicht ausschließt, daß besagter Aufbau auch für die Realisi­ rung hochfrequenter Wandler geeignet ist).

Wesentlicher Bestandteil des hierbei angewendeten Konzeptes sind wiederum gegenüber angeordnete, hinsichtlich Bewegungs­ richtung gegenphasig zueinander schwingende Membrankörper 18a, 18b. Beide stützen sich an ihren Enden auf zwei zylind­ risch geformte metallische Distanzstücke 2 ab, wobei eine elastische Kleberschicht 14 an den Berührungsstellen für eine Fixierung sorgt. Jeder Membrankörper 18a bzw. 18b besteht aus zwei deckungsgleichen quadratisch (oder rechteckig) geformten Metallmembranen 5a und 5b zwischen denen schmale Streifen sogenannter Scherwandler 19 parallel zu den Distanzstücken 2 sowie zueinander im Abstand A angeordnet und mit den Metall­ membranen 5a und 5b schubfest per leitfähigen Kleber verbunden sind. Polarisiert wurden die piezokeramischen Streifen derart, daß sie bei Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die jeweils als Elektrodenpaar dienenden beiden Membranen 5a, 5b als Scherschwinger wirken. D. h. jeder der Scherwandler 19 ent­ wickelt an den Oberflächen seiner beiden, einander gegenüber­ liegenden Breitseiten ein oberflächenparallel gerichtetes Kräftepaar bestehend aus den betragsgleichen Komponenten F1 und F2. Beide Kräfte werden an der jeweiligen Klebstelle in die zugeordneten Membranen 5a und 5b eingekoppelt und ver­ suchen diese parallel zueinander zu verschieben. Um diese un­ erwünschte Parallelverschiebung aufzuschließen und in einen Biegezwang des jeweiligen Membrankörpers umzuwandeln ist die Wirkrichtung der, von den einzelnen piezokeramischen Streifen ausgehenden Kräftepaare in zwei örtlich getrennte Gruppen für jeden Membrankörper aufzuteilen. Eine dieser Schwerschwinger- Gruppen befindet sich rechts von einer gedachten, parallel zu den Distanzstücken 2 durch den jeweiligen Membrankörper ver­ laufenden Mittellinie und wird hinsichtlich Wirkrichtung des Kräftepaares von F1 und F2 repräsentiert. Links von besagter Mittellinie befindet sich eine aus der gleichen Anzahl von Scherschwingern 19 gebildete 2. Gruppe, deren Kräftepaarrich­ tungssinn von den Komponenten F3 und F4 wiedergegeben wird.

Natürlich wechselt der Richtungssinn und damit das Vorzeichen der Scherkräfte entsprechend der zeitlichen Abfolge der Pola­ rität der elektrischen Erregerspannung, was in erwünschter Weise die augenblickliche Richtung der zylindrischen Wölbung des Membrankörpers bestimmt. Vorgenannte Wölbung ist darauf zurückzuführen, daß die beiden vorstehend beschriebenen Scher­ schwingergruppen jedes einzelnen Membrankörpers 18a bzw. 18b die beteiligten Membranen 5a, 5b in jeweils entgegengesetzter Richtung parallel verschieben möchten. Entsprechend dem darge­ stellten, gerade vorherrschenden elektrisch ausgelösten Er­ regungszustand der piezokeramischen Streifen stellt sich eine Stauchung der oberen Membran 5a ein während zur gleichen Zeit die untere Membran 5b des Membrankörpers eine Zugspannung ein­ geprägt erhält. Infolge der Nachgiebigkeit der Membranzonen zwischen den piezoelektrischen Scherwandlern 19 (Abstand A) entsteht als Reaktion eine parallele Biegebeanspruchung des, aus den Membranen 5a und 5b und den schubfest damit ver­ bundenen Scherwandlern 19 bestehenden Membrankörpers 18a in Form der bereits erwähnten Wölbung, die ihrerseits den Ab­ stand zwischen den beiden Membrankörpern 18a und 18b zu ver­ ringern trachtet. Die Folge ist die Abstrahlung der Unterdruck­ phase des Schalldruckes. Es versteht sich von selbst, die Polung der Scherschwingergruppen des zweiten Membrankörpers 18b so zu wählen, daß er gemäß der skizzierten Situation in Fig. 13 ebenfalls eine Durchbiegung auf den gegenüberliegenden Membrankörper 18a zu, eingeprägt erhält.

Wiederum ist auch für diese Version, wie bereits bei der Be­ schreibung der Wandlerkonzepte nach den Fig. 1, 2, 11 ge­ fordert, eine Ausbildung des akustischen Kurzschlusses zwischen den, jeweils an der Innen- und Außenseite des Mem­ brankörpers erzeugten Drücken zu unterbinden. Geschlossen­ porige Schaumstoffplatten mit eingelagerten Feststoffpartikeln oder porenfreie Streifen aus hochelastischen Elastomeren mit Styroporeinschlüssen zum stirnseitigen Verschließen der, von den beiden Membrankörpern 18a und 18b sowie den beiden Distanzstücken 2 begrenzten Kammern 11 sind übliche Mittel besagten Kurzschluß auszuschließen.

Freiheitsgrade, die die Frequenzlage der Grundeigenform dieses Wandlers bestimmen sind neben Auslegungsparametern wie Dicke, Breite und E-Modul der Metallmembranen die Anzahl der einge­ setzten Scherwandler 19 und damit auch deren Breite. Von Ein­ fluß sind ferner der Membranabstand S (ist identisch mit der Scherschwingerdicke) wie auch der gegenseitige Abstand A der piezokeramischen Streifen. Mit dieser vergleichsweise hohen Zahl gestaltbarer Einflußparameter ist eine flexible Auslegung nicht nur der Eigenfrequenz sondern auch der Bewegungsaus­ beute, folglich der abgestrahlten Schalleistung des Wandlers möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zur Umwandlung elektrischer Energie in mecha­ nische Schwingungen, basierend auf dem Effekt der piezo­ elektrischen Umwandlung, wobei ein ein- oder mehrschich­ tig aufgebautes piezokeramisches Stellglied durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung, oder pulsierenden Gleichspannung in schwingende Bewegungen in Richtung eines aus der angelegten Spannung resultierenden elektrisches Feldes versetzt wird und das piezokeramische Stellglied mit einer Membran gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelung von Stellglied (1) und Membran (5) der­ art erfolgt, daß die aus der Dickenänderung des Stell­ gliedes sich ergebende Querkontraktion, bzw. Querdehnung des Stellgliedes (1) auf eine schubfest mit den Rändern bzw. einer Gesamtfläche des Stellgliedes (1) verbundene Membran (5) derart übertragen wird, daß die Membran (5) durch eine senkrecht zur Bewegungsrichtung des Stell­ gliedes (1) ausgeführte Ausweichbewegung Schwingungen aus­ führt, bzw. durch radiale Bewegung des Stellgliedes (1) die mit diesem schubfest verbundene Membran (5) eine Bie­ gung erfährt.

2. Verfahren zur Umwandlung elektrischer Energie in mecha­ nische Schwingungen, basierend auf dem Effekt der piezo­ elektrischen Umwandlung, wobei ein ein- oder mehrschich­ tig aufgebautes piezokeramisches Stellglied durch Anlegen einer Spannung in schwingende Bewegungen in Richtung eines aus der angelegten Spannung resultierenden elektrisches Feldes versetzt wird und das piezokeramische Stellglied mit einer Membran gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) aus mehreren, jedoch mindestens zwei piezoelektrischen Scherwandlern (19) gebildet wird, wobei die bewegungsaktiven Deckflächen dieser Scherwand­ ler (19) mittels eines elektrisch leitenden Klebers mit einer ersten und zweiten Membran (5a und 5b) schubfest verbunden sind, und daß die an den Scherwandler (19) an­ gelegte Spannung derart gepolt ist, daß die dadurch an den bewegungsaktiven Oberflächen der Scherwandler hervor­ gerufenen Kräftepaare F1, F2, bzw. F3, F4 zu einer Ver­ wölbung des aus den beiden Membranen (5a, 5b) und den Scherwandler (1) gebildeten schwingungsfähigen Membran­ körpers (18a) führen, und daß jeweils mindestens zwei dieser Membrankörper (18a und 18b) aus Membranen (5a, 5b) und Stellgliedern (1) vorgesehen sind, welche planparallel sind und an ihren Längsseiten über Distanzstücke (2) mit­ tels eines elastischen Klebers (14) untereinander verbun­ den sind, wobei die Stirnseiten geschlossen sind, und daß die Polarität der Stellglieder außerdem so gewählt wird, daß die beiden Membrankörper (18a und 18b) stets gegen­ phasig schwingen (Fig. 13).

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) rechteckig ausgeführt ist und an zwei parallel zuein­ ander liegenden Seiten an seiner Ober- und Unterseite mittels zwischengeschalteter Distanzstücke (2) mit einer konvex gekrümmten Blechmembran (5) schubfest verbunden ist, daß jedes der Distanzstücke (2) in Längsrichtung gesehen als ein Schichtkörper aufgebaut ist, wobei recht­ eckig geformte Metall- oder Keramikelemente (4) schubfest mit Elementen verbunden sind, welche einen niedrigen E-Modul aufweisen, beispielsweise Gießharz (3), und daß die gekrümmte Blechmembran (5) so mit den Distanz­ stücken (2) verbunden werden, daß sie auf das Stell­ glied (1) parallel zu seiner Oberfläche eine statische Druckvorspannung ausüben, und die Membran (5) in Richtung der Kräfte des Stellgliedes (1) verlaufende Entlastungs­ schlitze (7) aufweist, wobei mindestens zwei Membranen (5a, 5b) auf der Ober- und Unterseite des Stellgliedes (1) vorgesehen sind und die aus den Membranen (5a, 5b) und dem Stellglied (1) gebildeten Räume durch Leisten (8) verschlossen sind (Fig. 1).

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (5a, 5b) an ihren Längsseiten mittels Bördelrändern (12) und Kleber mit den Stützleisten (17) verbunden sind, und daß die Membranen (5a, 5b) in ihrer Ausgangslage B vor der Montage derart nach außen gewölbt sind, daß sie auf das Stellglied (1) eine Druckvorspannung ausüben (Fig. 11).

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbin­ dung von Stellglied (1) und Blechmembran (5) über mehrere parallel zueinander liegende Distanzstücke (2) erfolgt, wobei die Blechmembran jedes Feldes konvex gewölbt ist (Fig. 2).

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Stellglied (1) kreisringförmig aufgebaut ist, wobei das Stellglied (1) radial geschichtet ist, daß die Membranen (5a, 5b) als kreisringförmige Blechmembranen ausgebildet sind, welche durch Klebung gasdicht und schubfest mit Stirnflächen (10) des Stellgliedes (1) verbunden sind, daß eine durch das Stellglied (1) und die beiden Blech­ membranen (5a, 5b) gebildete Kammer (11) evakuiert ist, so daß die Blechmembranen (5a, 5b) in ihrer Ausgangslage konkav gewölbt sind, und daß die Blechmembranen (5a, 5b) am äußeren Umfang umgebördelt sind und gleichzeitig die Elektroden bilden (Fig. 4).

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das kreisring­ förmige Stellglied (1) als Hohlzylinder ausgebildet ist, welcher in Richtung seiner Achse geschichtet ist (Fig. 5).

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) aus kreisförmigen, übereinander liegenden Schichten aufgebaut ist, daß das Stellglied (1) an seiner Umfangs­ fläche mit einem Stützring (13) zugfest verbunden ist, wobei der Stützring aus radial gerichteten Metall- Keramikelementen (4) unter Zwischenlage von Elementen niedrigen E-Moduls, wie beispielsweise Gießharz (3) be­ steht, daß auf die Stirnseiten des Stellgliedes (1) zwei Blechmembranen (5a, 5b) aufgeklebt sind, welche am Umfang umgebördelt sind und welche die Elektroden bilden, und daß die beiden aus den Blechmembranen (5a, 5b) dem Stell­ glied (1) und dem Stützring (13) gebildeten Kammern (11) evakuiert sind (Fig. 6).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied (1) aus zwei kreisringförmig ausgebildeten piezokeramischen Scheiben gebildet wird, welche durch einen elektrisch leitfähigen Kleber auf Ober- und Unterseite von ebenfalls leitfähigen, vorzugsweise metallischen Membranen (5a, 5b) schubfest aufgeklebt sind, wobei die Polarität einer an­ gelegten Spannung so gewählt wird, daß der Oberseite der Membran (5a bzw. 5b) durch die piezokeramischen Scheiben eine radiale Dehnung und der Unterseite der Membran eine radiale Stauchung, bzw. umgekehrt aufgeprägt wird, wo­ durch die Membran eine Eigenschwingung ausführt, und daß das schwingungsfähige System aus mindestens zwei solcher Membranen (5a, 5b) gebildet wird, welche durch einen starren ringförmigen Stützring (13) unter Zwischenlage eines elastischen Materials (14) untereinander verbunden sind, wobei die Polarität an den Scheiben jeweils so zu wählen ist, daß die Bewegungen der Membranen (5a, 5b) umgekehrtes Vorzeichen aufweisen (Fig. 8).

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Stell­ glied (1) aus einzelnen streifenförmigen und radial ge­ richteten, voneinander getrennten piezokeramischen Elementen (16a) gebildet wird, daß diese Elemente mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers schubfest auf eine Ober- und Unterseite einer Membran (5) aufge­ klebt sind, und daß die Polarität einer angelegten Spannung so gewählt ist, daß der Oberseite der Membran (5) eine radiale Dehnung und der Unterseite eine radiale Stauchung aufgeprägt wird, bzw. umgekehrt (Fig. 9).

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) radiale Einschnitte (15) aufweist (Fig. 9).