DE4135408A1

DE4135408A1 - Converting electric energy into vibrations - using piezoelectric effect to translate contraction or expansion to vibration of diaphragm

Info

Publication number: DE4135408A1
Application number: DE19914135408
Authority: DE
Inventors: Hans Juergen Dipl Ing Zuerner; Dietmar Ing Grad Henkel
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 1991-10-26
Filing date: 1991-10-26
Publication date: 1993-04-29

Abstract

A single or multi-layer piezo ceramic servo setter (1) is displaced in a vibratory manner by applying an alternating voltage or pulsed voltage in the direction of the resulting electric field. The servo setter is coupled to a diaphragm (5). The transverse contraction or expansion of the servo setter (1) is transmitted to the diaphragm (5) such that the latter vibrates expanding in a direction perpendicular to the movement of the setter (1) or radial movement of the latter (1) causes the diaphragm connected to it to flex. USE/ADVANTAGE - For loudspeaker(s) reducing perceived noise from machinery by producing sound opposite in phase to that picked up by microphone(s). Converts small movement of servo adjuster into large amplitude vibration. Increases width of adjustable gap.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method according to the Generic term of patent claim 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.For converting electrical energy into mechanical vibr It is known that the piezoelectric effect use. For this purpose the change in thickness of piezo electrical actuators used to mechanical Cause vibrations. This type of procedure keep the disadvantage that the travel is piezoceramic Converters are low.

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.Increasing importance in combating sound emissions Noise-intensive machines and systems gain measure took active noise abatement. A certain number of paired and appropriately placed sounds Speaker and microphone devices come into play here known manner in such an interaction that the jewei loud speakers at its installation location like a dynamic one working sound pressure sink in the middle of half the air sound wavelength acts. Particularly high demands on An Layers of this type arise if this is too low pressing sound is strongly impulsive or of wide bandy noise is covered.

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.Aside from the well-known influence of the - minimal - distance between the microphone involved and assigned speaker is in the two aforementioned Cases of the temporal signal character of the pressure component of the sound field to be suppressed the transfer function of both the speaker and the microphone from quite ent of crucial importance for the feasibility of an active Sound pressure sink.

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.Inexpensive microphones with almost frequency-independent Be inertial and phase transmission behavior in the frequency domain from 40 Hz to 10,000 Hz are available on the market and are therefore available a hardware solution.

Anders verhält es sich mit dem Zugriff zu geeigneten Laut sprechern mit einem breitbandigen Übertragungsverhalten bei gleichzeitig hoher Schalleistungsausbeute.It is different with access to suitable sounds speak with a broadband transmission behavior at the same time high sound power yield.

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. Commercial electrodynamic loudspeakers are insofar unsuitable as a sound pressure generator, as the basic form of the membrane body and thus their assigned natural frequency - Even with small membrane diameters - values too low (a few hundred Hertz). Is z. B. the desired one Working frequency of the sound pressure sink between 700 and 2000 Hz should be the resonance frequency of the basic form of the sound speaker membrane must be at least 3000 Hz. As already stated interpreted, it is far below the usable critical frequency range of electrodynamically driven membrane.

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.Electroacoustic transducers corresponding to the task with fundamental frequencies equal to or greater than 3000 Hz and an active radiation area of approximately 80 cm ² as well as a sound pressure output of 120 dB at 1000 Hz can currently only be achieved with an piezoelectric actuator as a source of excitation for an acceptable price / performance ratio.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die kleinen Stellwege piezokeramischer Stellglieder in große Biegeschwingungsamplituden umzuwandeln.In contrast, the invention is based on the object small travel ranges of piezoceramic actuators into large ones To convert bending vibration amplitudes.

Gelöst wird diese Aufgabe zum einen durch die dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 zu entnehmenden Verfahrensmerkmale.This task is solved on the one hand by the license plate of claim 1 to be extracted process features.

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.The movement of the actuator is through the fiction transferred to a membrane. This membrane is either lowered by the evasive movement often amplified away to the movement of the actuator bulged, or the radial expansion or compression of the Actuator leads through the shear-proof connection with the Membrane to bend the same, also a high path gain can be achieved.

Zum anderen kann diese Aufgabe entsprechend den Verfahrens merkmalen des kennzeichnenden Teils des Nebenanspruches 2 gelöst werden.On the other hand, this object can be achieved according to the method features of the characterizing part of the dependent claim 2 .

Die Anwendung von Scherwandlern ermöglicht die Umwandlung von Scherbewegungen der Stellglieder in eine Biegebewegung der Membran, wobei ebenfalls eine hohe Wegverstärkung erzielt wird. The use of shear converters enables the conversion of shear movements of the actuators in a bending movement the membrane, which also achieves a high path gain becomes.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 ist dem Anspruch 3 zu entnehmen.A device for performing the method according to An claim 1 can be found in claim 3.

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.Due to the slightly convex arched membrane, a high path reinforcement of contraction shifts of the actuator reached. In addition, the piezoceramic element experiences one Compressive preload so that the creep rupture strength of the tension-sensitive element increased.

Eine Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 3 kann dem Anspruch 4 entnommen werden.A further development of the method according to claim 3 can Claim 4 can be taken.

Durch das Umbördeln der Membranen wird die Übertragung der Druckvorspannung der Membran auf das Stellglied verbessert.By flanging the membranes, the transmission of the Pressure bias of the membrane on the actuator improved.

Eine Verbesserung der Schallabgabe wird nach den Merkmalen des Anspruches 5 erreicht.An improvement in sound emission is according to the characteristics of claim 5 achieved.

Eine Vorrichtung dieser Art führt zu einer Homogenisierung der resultierenden Schalldruckverteilung im Nahfeldbereich des akustischen Wandlers.A device of this type leads to homogenization the resulting sound pressure distribution in the near field of the acoustic transducer.

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.According to the features of claim 6 on the one hand radial pressure preload of the layered actuator for Increased creep rupture strength achieved and on the other hand as a result of the concave curvature of the membranes Strengthening the radially directed travel of the actuator achieved. Instead of the layered actuator can also kick a solid hollow cylinder.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Vorrichtung zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 7 aus. Another advantageous embodiment of the device is distinguished is characterized by the features of claim 7.

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.In addition to high stability against the formation of unwanted In addition to fashions, this converter is characterized by extreme com Accuracy and a welcome large ratio of air sound-emitting surface to total volume. This makes him because of the high slenderness of his Cross-section particularly suitable for application to gas flowed through, sound-conducting openings.

Eine weitere Ausbildung der Vorrichtung kann dem Anspruch 8 entnommen werden.A further embodiment of the device can claim 8 be removed.

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.By evacuating the spaces between the membranes and the actuator is a radial dish through the membranes tensile stress exerted on the support ring, which of its partly due to the radial shift towards the center Actuator imprints a pressure preload. This will the creep rupture strength of the ceramic actuator increases.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Ansprüchen 9 bis 11 zu entnehmen.Further advantageous embodiments of the invention are the Claims 9 to 11.

Ausführungsbeispiele für die Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Zeichnungen darge stellt. Es zeigt:Exemplary embodiments for the devices for implementation of the method according to the invention are shown in drawings poses. It shows:

Fig. 1 einen Wandler mit rechteckiger Struktur, Fig. 1 shows a converter with a rectangular structure,

Fig. 2 einen Wandler mit rechteckiger Struktur und mehreren Feldern, Fig. 2 is a converter with a rectangular structure and a plurality of fields,

Fig. 3 eine Detaildarstellung eines Distanzstückes, Fig. 3 is a detailed view of a spacer,

Fig. 4 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und radial geschichtetem Stellglied, Fig. 4 shows a transducer with an annular structure and radially stratified actuator,

Fig. 5 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und axial geschichtetem Stellglied, Fig. 5 shows a transducer with an annular structure and axially stratified actuator,

Fig. 6 einen Wandler mit ringförmiger Struktur und kreisförmigen Stellglied, Fig. 6 shows a transducer with an annular structure and circular actuator,

Fig. 7 ein Detail eines Stützringes des Wandlers nach Fig. 6, Fig. 7 shows a detail of a support ring of the converter of Fig. 6,

Fig. 8 einen Wandler mit kreisförmigen Stellgliedern welche auf Ober- und Unterseite der Membranen schubfest aufgeklebt sind, Figure 8 shows a converter with circular actuators which are affixed axially fixed on top and bottom of the membranes.,

Fig. 9 eine Membran mit streifenförmigen auf Ober- und Unterseite der Membran schubfest aufgeklebten Stellgliedern in Draufsicht, Fig. 9 is a membrane having stripe-shaped on top and bottom of the shear-resistant membrane glued actuators in plan view,

Fig. 10 einen Schnitt X-X durch die Membran mit aufge klebten Stellgliedern, Fig. 10 is a section XX through the membrane with glued actuators,

Fig. 11 einen Wandler mit rechteckiger Struktur, wobei die Membranen durch Umbördelung mit den Distanzstücken verbunden sind, Fig. 11 shows a transducer with a rectangular structure, wherein the diaphragms are connected by flanging to the spacers,

Fig. 12 eine Membran des Wandlers nach Fig. 11 vor und nach dem Einbau, Fig. 12 is a diaphragm of the transducer shown in FIG. 11 before and after installation,

Fig. 13 einen Wandler mit Scherwandlern als Stell glieder, welche schubfest mit zwei Membranen verbunden sind. Fig. 13 a transducer with shear transducers as actuators, which are connected to two membranes in a shear-resistant manner.

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.Referring to Fig. 1 of a relatively simple construction electroacoustic transducer is discussed in the example. An actuator 1 consists of a sandwich-shaped stack of piezoceramic films, each of which is electrostatically excited via its metallized surface electrodes. By soldering or gluing electrode surfaces lying on top of each other, a very rigid connection is created for the actuator. As a result of the conditioning of the ceramic foils by means of electrical polarization in the direction of the surface normal, that is, in the same direction in which the electrostatic excitation field is also impressed, the so-called transverse movement effect occurs. This known effect is understood to mean a contraction of the body transverse to the direction of the applied electric field, that is to say perpendicular to the surface normal.

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.The actuator is divided into thin layers far sensible than the required excitation voltage per Layer of ceramic foils connected in parallel only relatively low values (a few multiples of 10 V) must assume to the nominal modulation with respect to the To achieve path yield. Reductions in effort are possible as a result of these measures in the design of the driver stage the electronics (no high voltage supply required) what also serves the security aspect.

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.In order to achieve a sound pressure distribution formed as uniformly as possible around the axis of the airborne sound, the shape of the area pair of the actuator cuboid dominating in terms of area is to be carried out square or approximately square. Parallel to one of the two end pairs of the actuator 1 , the two dominating surfaces of the actuator are to be glued on both sides with a total of 4 opposite spacers 2 flush.

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.For their part, the spacers 2 exist along their longitudinal axis as shown in FIG. 3 in more detail from an alternating sequence of firmly connected rectangular disks made of casting resin 3 and metal (ceramic) 4 . Two, in the planned radiation direction of the airborne sound slightly convex preformed, also square-shaped metal membrane branches 5 a, 5 b are each glued to their remaining opposite parallel parallel edge zones (in the same direction as the cylinder axis of curvature) with the remaining broad side 6 of the two distance pairs 2 .

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. If a pulsating DC voltage is applied to the electrodes of the actuator 1 , its plate stack, in addition to negligible thickness vibrations, carries out edge-parallel, that is, orthogonally oriented, expansion vibrations in the plane parallel to the flat side of the actuator. Strains in the direction of the longitudinal axes of the spacers 2 try to deform the latter in the near-surface area of the actuator in the same direction (elongation or compression), which succeeds due to the low modulus of elasticity of the discs made of casting resin 3 ( FIG. 3) without high force deployment. On the other hand, high forces arise at the spacers 2 near the surface of a strip-shaped membrane extension 5 c used for the bonding. To rule this out, several relief cuts 7 are introduced equidistantly into the metal membrane (aligned perpendicular to the membrane curvature axis), only one of which is shown.

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.A shortening of the actuator perpendicular to the longitudinal axis of the spacers has the consequence that the bulging Mem bran 5 a, 5 b is arched even more due to compression; in the case of actuator elongation, however, the curvature of the membrane is flattened. The membrane center with its apex line following the maximum curvature each develops an amount of deflection that is a multiple of the plate elongation in a welcome manner. This effect of the path transformation is significantly dependent on the design of the preformed bulge and is the cause of a high movement yield of the membranes, which ultimately leads to a high average sound pressure gain per membrane surface unit.

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.
iThe opposite phase pressure also generated in the space between the respective diaphragm and actuator surface is to prevent an acoustic short circuit (reduces the availability of the usable compensation pressure on the opposite side of the diaphragm facing the far field) from the four circular segment-shaped ones Emerge openings. This can be achieved by hiding said openings with a strip 8 (about 2 mm thick) which closes each of the two end faces of the actuator / membrane combination. These strips 8 - bonded to the corresponding actuator surface close to the opening - should oppose the actuator movement with a slight resistance, that is to say they consist of a material with a small modulus of elasticity (e.g. plastic). The already mentioned strip attachment to the actuator end face is to be carried out in such a way that the end faces of the membrane membrane ends carrying out movement have the smallest possible - relative movement - distance to the respectively adjacent flat side of the strips 8 , so that the remaining gaps each have a minimal area. In this way, only very small amounts of the sound power - generated within the two membrane-limited chambers - can escape to the outside. The result is a slight weakening of the emitted sound power component, as is planned for noise suppression.
i

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. FIG. 2 shows a modification of the converter principle described above with reference to FIG. 1. It consists in a multiple support of the individual membranes 5 a and 5 b ( Fig. 1) by 4 spacers 2 (a higher number is also conceivable) instead of the previous 2. Advantages of this embodiment are in an increasing homogenization of the number of support points resulting sound pressure distribution in the near field. In addition, there is the option of a thinner membrane (with the resonance frequency remaining the same), which means lower excitation force requirements and thus a smaller number of layered ceramic foils for the construction of the piezoelectric transducer. Any increase in the number of support points is, however, opposed to the decreasing vibration path yield of the affected membranes. For reasons of the low tensile stress compatibility of the piezoceramic material, the membranes are to be provided with a permanent curvature before gluing, which has a smaller radius than that which arises after the gluing has taken place. In this case, the membranes each act like a prestressed spring which preloads the piezoelectric actuator 1 in the compressive sense with a compressive stress. If this compressive force corresponds to the maximum alternating force amplitude which is impressed on the actuator 1 for sound radiation, then no dangerous tensile stresses can occur in the piezoceramic material.

Die Konsequenz ist eine ausschließlich an der Druckspannungs festigkeit bzw. Depolarisationsschwelle der Piezokeramik zu orientierende geometrische Formgebung des Stellgliedes.The consequence is one solely on the compressive stress strength or depolarization threshold of the piezoceramic Geometric shape of the actuator to be oriented.

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.The structure of the spacers 2 is shown in FIG. 3. The spacer 2 consists of a sequence of metal or ceramic elements 4 and elements with a low modulus of elasticity, for example synthetic resin 4th This layering results in an elasticity in the direction of the layering, while the orthogonal direction is characterized by a welcome high rigidity.

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.A rotationally symmetrical version of a transducer is shown in Fig. 4 again. The actuator 1 is designed there as a hollow cylinder 9 with a small axial length, on the two circular end faces 10 , thin, also circular metal membranes 5 a, 5 b are glued. As a result of partial evacuation of the resulting chamber 11 , the two membranes each experience a concave arch, which in turn creates the prerequisites for realizing the desired movement amplification. In accordance with the amount of electrical excitation of the cylindrical actuator 1 , this develops an elongation or shortening of its circumference, which ultimately manifests itself in a proportional increase or decrease in its diameter. This in turn has an equally proportional influence on the radial tension component within the respective membrane 5 a or 5 b. The resulting changing tension state of the affected membrane in turn determines the radial distribution of the local axial deflection of the membranes. The same applies to the movement amplification (ratio of the change in diameter of the actuator to the average membrane deflection triggered by it), the same as that stated in the description of the version according to FIGS. 1 and 2, namely that the degree of the predetermined membrane curvature determines the size of the movement amplification.

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.An advantage of the transducer concept described above is that the natural frequency of the membrane is not exclusively determined by shaping parameters (thickness, diameter) and material properties (density, modulus of elasticity) of the membrane, but to a large extent by the preload condition of the membrane, ultimately from Degree of evacuation of chamber 11 of the membrane can. This leads to particularly low-mass membranes even at the desired high natural frequencies. Another consequence of such pre-stressed membranes is the comparatively high movement yield due to the low mechanical impedance. The risk in such cases of an interaction of the membranes with an enclosed air volume - usually leading to parasitic resonance - is eliminated here due to the lack of spring properties of the air volume due to the evacuation of the membrane chamber 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.A special feature of the actuator 1 is its structure, which as a consequence has a special procedure in the manufacturing process. Two ceramic foil tapes placed on top of one another and provided with electrode foils and a suitable stoving paste are formed into a spiral wrap in accordance with the final shape of the actuator before the firing process. After the absolute fourth fire of this winding, a rigid monolithic ring is formed, with which the properties of the piezoelectric actuator already described above can be realized.

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.A simplified version of the hollow cylindrical Stell limb is its execution in a classic tube shape. The is called the tube wall consists of radially polarized solid material whose electrodes are metallized on the two lateral surfaces are realized.

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.With regard to the diaphragm fastening, it is useful according to FIG. 5 if the radial tensile forces of the respective diaphragm 5 a or 5 b are not only taken up in front of the annular end face 10 of the actuator ring which is respectively associated with the form-locking means. It is therefore advantageous to provide the membrane with a flanged edge 12 angled by 90 °, which in turn is also to be glued to the outer peripheral surface of the actuator 1 . To reduce undesirable resistance to movement as a result of the occurrence of circumferentially parallel, tangential train tensions in the flanged edge 12 , the latter must be provided with axially extending relief slots (not shown). The actuator in turn uses the transverse movement effect. The actuator 1 is annular and the ceramic disks 1 a, which are provided with electrodes in the usual way, are stacked in one piece and glued together. The shaping of the two membranes takes place as in the version according to FIG. 4, the membranes 5 again being used simultaneously as collecting electrodes for the two polarities of the supply voltage. Gas-tight gluing of the membranes 5 a, 5 b to the actuator 1 also allows the evacuation of the chamber 11 enclosed by the membrane pair as a welcome measure for tapping into the effect of the actuator path 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. FIG. 6 shows a further variant of circularly designed transducers based on the principle of double-sided radiating membrane boxes. The actuator 1 used here is a bonded stack of circularly shaped piezo foils which, when electrically excited, as a result of the transverse movement effect, carry out corresponding radial movements. The peripheral surface of the stack is glued to the inner peripheral surface of a support ring 13 and represents the abutment against which the actuator 1 is supported during operation.

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.According to FIG. 7, the support ring 13 consists of a radially directed sequence of disks made of metal 4 and casting resin 3 . Similarly as before, the membranes 5 a, 5 b are glued to the two end and circumferential surfaces of the part moving the membranes, which is represented here by the support ring 13 .

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.As a result of the evacuation of the chamber 11 , the membranes 5 a, 5 b develop radial tensile forces which try to reduce the diameter of the support ring 13 . The resistance to movement against said diameter reduction is very low due to the circumferential flexibility of the disk-shaped cast resin inserts 3 (be a small modulus of elasticity) and thus allows a conversion of the radial tensile force component of the membrane 5 into a likewise radially oriented, acting on the actuator 1 compressive force.

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.The high rigidity of the support ring 13 in relation to radially acting forces, which is to be assumed in this connection, ensures the metal disks 4 with their high resistance moment in the direction of the bending stress. As explained earlier, the upsetting stress of the actuator 13 is welcome to safely exclude undesirable tensile stresses on the occasion of a change of sign of the movement triggered by electrical excitation. As with the above-mentioned actuator according to Fig. 5, the effect of Stellgliedwegtrans formation with the concavity of the membranes 5 due to evacuation of the chambers 11 ensured.

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. Fig. 8 relates to another transducer configuration which is due to a combination of conventional actuators 1 of the membrane type. The end faces of the metallic support ring 13 are each glued to the edge of the metallic membranes 5 a, 5 b of a rotationally symmetrical piezoceramic bending composite, consisting of the actuators 1 and the membrane branches 5 a, 5 b. A soft-elastic adhesive (for example silicone rubber) is preferred in order to ensure high radial flexibility, which is further favored by the choice of a thick adhesive layer 14 . Each diaphragm 5 paired nets piezoceramic actuators 1 polarized supply voltages are to be supplied such that the movement movements triggered by it occur in so-called push-pull. In other words, if the upper actuator 1 a develops a radial tensile stress, the lower actuator 1 b must generate an equal amount of pressure and vice versa. The same applies mutatis mutandis to the second, with the remaining end face of the metal ring St glued membrane body, but it should be noted that both membranes 5 a, 5 b are themselves to be poled so that they perform opposite phase movements to each other. That is, both membranes 5 a, 5 b swing away from each other in the case of the generation of positive sound pressure or they move towards each other during the phase of negative sound pressure generation.

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.The movement transformation of the radial expansions of the actuators 1, which are in constant sign opposition, into a large oscillation amplitude of the respective membranes 5 a, 5 b takes place in a manner similar to that of the conventional bending strip converter.

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.A further variant of the transducer is shown in FIG. 9. The alternative piezoceramic actuator 1 used there differs in its shape from the actuators 1 according to FIG. 8 in such a way that the occurrence of parallel, tangential tensile or compressive stresses, as in FIG the inevitably occurring circular membrane shapes used so far - is certainly excluded. The desired consequence is the domination of radially oriented expansions within the moving components, which ultimately lead to a higher movement yield of the diaphragms 5 , and consequently to a higher vibration path gain.

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.On the metal membrane 5 , the reduction of circumferentially parallel, tangential stresses takes place with the aid of radially formed load slots 15 . On either side of rectangular-shaped elements 16 are a ceramic films of Transver salen type movement as the actuator 1 radially aligned seal on the thus formed, aufzufassenden as a flexural resonator tongues sixteenth With a polarity of the electrical control voltages applied to the piezo film strips in accordance with the points of view previously carried out for the diaphragm body of the transducer according to FIG. 8, all bending vibrators of a diaphragm body bulge in a direction of direction predetermined by the voltage sign. Are two of the membrane body described accordingly Fig. 8 with its edge zone also soft-elastic glued to the end faces of a support ring 13 , a transducer as shown in FIG. 8 with similar local sound pressure distribution as with circular piezo disks and metal membranes.

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. 10 shows a section XX from Fig. 9. The Metallmem bran 5 is connected on both sides with actuators 1 shear-resistant by gluing.

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. Fig. 11 shows a converter version that has arisen as a result of modifi cation of the concept of FIG. 1. The two metal membranes 5 a, 5 b are supported with their flared edges 90 ° angled at 12, on the, with the end faces of the actuator 1 glued two support strips 17 . For their part, the projecting flanged edges 12 are bonded to the outer edges of the support strips 17 for the purpose of positive fixing. Before fastening, the metal membranes 5 a, 5 b must be brought into a permanent shape corresponding to curve A in Figure 8a. In this way, when installed, they exert the usually desired tensile force on the actuator 1 . High compliance in a plane perpendicular receives the support bar 17 by a structure shown in FIG used to force deployment direction of the actuator 1. 12 as has already been detailed in the description of the transducers according to Figure 1 and 6 concepts explained. To ensure the same flexibility in the area of the membrane 5 , this including the flange 12 as well as in the converter principle according to FIG. 1 with relief slots 7 parallel to the direction of action of the actuating force component used.

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).If it is a matter of realizing large radiation areas of electroacoustic transducers when using piezoelectric actuators and if these transducers are preferably used in the area of lower frequencies, a structure according to FIG. 13 proves to be particularly expedient (which does not exclude that said structure also for the Realisi high-frequency converter is suitable).

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.An essential part of the concept used here are in turn arranged diaphragm bodies 18 a, 18 b which oscillate in opposite phase with respect to the direction of movement. Both are supported at their ends on two cylindrically shaped metallic spacers 2 , with an elastic adhesive layer 14 providing a fixation at the contact points. Each membrane body 18 a and 18 b consists of two congruent square (or rectangular) shaped metal membranes 5 a and 5 b between which narrow strips of so-called shear transducers 19 are arranged parallel to the spacers 2 and to each other at a distance A and with the metal membranes 5 a and 5 b are connected in a shear-resistant manner using conductive adhesive. The piezoceramic strips were polarized in such a way that they act as shear vibrators when an electrical alternating voltage is applied to the two membranes 5 a, 5 b each serving as an electrode pair. That is, each of the shear transducers 19 develops on the surfaces of its two opposing broad sides a surface-parallel force pair consisting of the same components F1 and F2. Both forces are coupled into the associated membranes 5 a and 5 b at the respective adhesive point and seek to move them parallel to one another. In order to unlock this undesirable parallel displacement and convert it into a bending constraint of the respective membrane body, the direction of action of the force pairs emanating from the individual piezoceramic strips must be divided into two locally separate groups for each membrane body. One of these rocker arm groups is located to the right of an imaginary center line running parallel to the spacers 2 through the respective membrane body and is represented by F1 and F2 with regard to the direction of action of the pair of forces. To the left of said center line is a second group formed from the same number of shear oscillators 19 , the direction of the force pair of which is represented by the components F3 and F4.

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.Of course, the sense of direction and thus the sign of the shear forces changes according to the temporal sequence of the polarity of the electrical excitation voltage, which determines the instantaneous direction of the cylindrical curvature of the membrane body in a desired manner. The aforementioned curvature is due to the fact that the two shear vibratory groups of each individual membrane body 18 a and 18 b described above would like to move the membranes 5 a, 5 b involved in parallel in opposite directions. According to the Darge presented, just prevailing electrically triggered state of excitation of the piezoceramic strips, a compression of the upper membrane 5 a while at the same time the lower membrane 5 b of the membrane body receives a tensile stress. As a result of the flexibility of the membrane zones between the piezoelectric shear transducers 19 (distance A), a reaction results in a parallel bending stress of the membrane body 18 a in the form of the aforementioned curvature, which consists of the membranes 5 a and 5 b and the shear transducers 19 connected to it in a shear-resistant manner in turn, the stand between the two membrane bodies 18 a and 18 b tries to reduce ver. The result is the radiation of the negative pressure phase of the sound pressure. It goes without saying that the polarity of the shear vibrator groups of the second diaphragm body 18 b should be selected such that it also receives a deflection towards the opposite diaphragm body 18 a in accordance with the situation outlined in FIG. 13.

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.Again, this version, as already described in the description of the converter concepts according to FIGS . 1, 2, 11, calls for the formation of an acoustic short circuit between the pressures generated on the inside and outside of the membrane body. Closed-cell foam sheets with embedded solid particles or pore-free strips made of highly elastic elastomers with polystyrene inclusions for closing the front of the chambers 11 delimited by the two membrane bodies 18 a and 18 b and the two spacers 2 are usual means to exclude said short circuit.

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.Degrees of freedom, which determine the frequency position of the basic shape of this transducer, in addition to design parameters such as thickness, width and modulus of elasticity of the metal membranes, are the number of shear transducers 19 inserted and thus also their width. From a flow are also the membrane distance S (is identical to the shear thickness) as well as the mutual distance A of the piezoceramic strips. With this comparatively large number of influencing parameters that can be designed, a flexible design is possible not only for the natural frequency but also for the movement yield, and consequently for the radiated sound power of the converter.

Claims

1. A method for converting electrical energy into mechanical vibrations, based on the effect of the piezoelectric conversion, wherein a one or more layered piezoceramic actuator by applying an electrical alternating voltage, or pulsating direct voltage in oscillating movements in the direction of one of the applied voltage resulting electric field is offset and the piezoceramic actuator is coupled to a membrane, characterized in that the coupling of actuator ( 1 ) and membrane ( 5 ) takes place in such a way that the transverse contraction or transverse expansion resulting from the change in thickness of the actuator of the actuator ( 1 ) on a shear-proof with the edges or a total area of the actuator ( 1 ) connected membrane ( 5 ) is transferred such that the membrane ( 5 ) by a perpendicular to the direction of movement of the actuator ( 1 ) executed evasive motion vibrations leads, or by ra diale movement of the actuator ( 1 ) with this shear-resistant membrane ( 5 ) experiences a bending.

2. A method for converting electrical energy into mechanical vibrations, based on the effect of the piezoelectric conversion, wherein a one or more layered piezoceramic actuator is displaced by applying a voltage in oscillating movements in the direction of an electrical field resulting from the applied voltage and the piezoceramic actuator is coupled to a membrane, characterized in that the actuator ( 1 ) is formed from a plurality, but at least two piezoelectric shear transducers ( 19 ), the moving active surfaces of this shear wall ler ( 19 ) using an electrically conductive adhesive with a first and second diaphragms ( 5 a and 5 b) are connected in a shear-resistant manner, and that the voltage applied to the shear transducer ( 19 ) is polarized in such a way that the force pairs F1, F2 and F3, respectively, caused on the moving surfaces of the shear transducers , F4 to a warping of the two en membranes ( 5 a, 5 b) and the shear transducer ( 1 ) formed vibratable membrane body ( 18 a), and that at least two of these membrane bodies ( 18 a and 18 b) from membranes ( 5 a, 5 b) and actuators ( 1 ) are provided, which are plane-parallel and on their long sides via spacers ( 2 ) with means of an elastic adhesive ( 14 ) are connected to each other, the end faces being closed, and that the polarity of the actuators is also chosen so that the always swing the two diaphragm bodies ( 18 a and 18 b) against phase ( Fig. 13).

3. A device for performing the method according to claim 1, characterized in that the actuator ( 1 ) is rectangular and on two parallel to each other sides on its top and bottom by means of intermediate spacers ( 2 ) with a convexly curved sheet metal membrane ( 5 ) is connected in a shear-resistant manner that each of the spacers ( 2 ) is constructed in the longitudinal direction as a laminate, with rectangular metal or ceramic elements ( 4 ) being connected in a shear-resistant manner to elements which have a low modulus of elasticity, for example cast resin ( 3 ), and that the curved sheet metal membrane ( 5 ) pieces with the distance ( 2 ) are connected so that they exert a static compressive stress on the actuator ( 1 ) parallel to its surface, and the membrane ( 5 ) in the direction of the forces of the actuator ( 1 ) extending relief slots ( 7 ), with at least two membranes ( 5 a, 5 b) on the upper - And underside of the actuator ( 1 ) are provided and the spaces formed from the membranes ( 5 a, 5 b) and the actuator ( 1 ) are closed by strips ( 8 ) ( Fig. 1).

4. Apparatus for performing the method according to claim 3, characterized in that the membranes ( 5 a, 5 b) are connected on their long sides by means of flanged edges ( 12 ) and adhesive to the support strips ( 17 ), and that the membranes ( 5 a, 5 b) are arched outwards in their initial position B before assembly in such a way that they exert a prestress on the actuator ( 1 ) ( FIG. 11).

5. Apparatus for carrying out the method according to claims 1 and 3, characterized in that the connec tion of actuator ( 1 ) and sheet membrane ( 5 ) over a plurality of mutually parallel spacers ( 2 ), the sheet membrane of each field convex is ( Fig. 2).

6. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized in that the multilayer actuator ( 1 ) is constructed in a ring shape, the actuator ( 1 ) being layered radially in that the membranes ( 5 a, 5 b) are designed as annular sheet metal membranes are, which are gas-tight and shear-resistant by gluing with end faces ( 10 ) of the actuator ( 1 ) that a through the actuator ( 1 ) and the two sheet membranes ( 5 a, 5 b) formed chamber ( 11 ) is evacuated, so that the sheet membranes ( 5 a, 5 b) are concavely curved in their starting position, and that the sheet membranes ( 5 a, 5 b) are flanged on the outer circumference and at the same time form the electrodes ( FIG. 4).

7. Apparatus for performing the method according to claim 6, characterized in that the annular actuator ( 1 ) is designed as a hollow cylinder which is layered in the direction of its axis ( Fig. 5).

8. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the actuator ( 1 ) is constructed from circular layers one above the other, that the actuator ( 1 ) is connected to a support ring ( 13 ) on its circumferential surface with tensile strength, wherein the support ring made of radially directed metal-ceramic elements ( 4 ) with the interposition of elements of low modulus, such as cast resin ( 3 ) be that two sheet metal membranes ( 5 a, 5 b) are glued to the end faces of the actuator ( 1 ) , which are flanged on the circumference and which form the electrodes, and that the two chambers ( 11 ) formed from the sheet metal membranes ( 5 a, 5 b), the actuator ( 1 ) and the support ring ( 13 ) are evacuated ( FIG. 6) .

9. Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the actuator ( 1 ) is formed from two circularly shaped piezoceramic disks, which by an electrically conductive adhesive on the top and bottom of likewise conductive, preferably metallic membranes ( 5th a, 5 b) are bonded in a shear-resistant manner, the polarity of an applied voltage being selected such that the top of the membrane ( 5 a or 5 b) is radially expanded by the piezoceramic disks and the underside of the membrane is radially compressed or is reversed, where a natural vibration through the membrane, and that the oscillatory system is formed from at least two such membranes ( 5 a, 5 b), which is formed by a rigid annular support ring ( 13 ) with the interposition of an elastic material ( 14 ) are interconnected, the polarity on the disks being chosen in each case because the movements of the diaphragms (5 a, 5 b) of opposite sign (FIG. 8).

10. Apparatus for carrying out the method according to claims 1 and 9, characterized in that the actuator ( 1 ) from individual strip-shaped and radially oriented, separate, piezoceramic elements ( 16 a) is formed, that these elements by means of an electrical Conductive adhesive shear-resistant on an upper and lower side of a membrane ( 5 ) are glued, and that the polarity of an applied voltage is chosen so that the upper side of the membrane ( 5 ) is radially expanded and the underside is radially compressed, or vice versa ( Fig. 9).

11. A device for performing the method according to claim 10, characterized in that the membrane ( 5 ) has radial incisions ( 15 ) ( Fig. 9).