DE4304164A1 - - Google Patents

Description

Stand der Technik

In einigen Vorrichtungen der Schallwandlertechnik werden Sensoren benötigt, die den Gasdruck messen. Das Ausgangssignal der Sensoren wird Reglern zugeführt, die als Teile von Regelkreisen arbeiten. Diese Systeme regeln z. B. den Innendruck in einem geschlossenen Lautsprechergehäuse (Patentanmeldung EP 9 19 05 477.5). Der Druck wird mit Piezosensoren, mit kapazitiven oder elektrodynamischen Wandlern gemessen.

In Lautsprechersystemen mit geregelt arbeitenden Lautsprechersystemen werden oft Sensoren verwendet, die die Membranbeschleunigung messen. Die Beschleunigung dient als Zwischengröße, aus der auf den erzeugten Schalldruck geschlossen wird. Als Beschleunigungsmesser werden meist piezoelektrisch wirkende Sensoren eingesetzt.

Es werden auch Mikrofone eingesetzt, die in gewissem Abstand von der Membran angeordnet sind und den Schalldruck direkt messen.

In beiden Anwendungsfällen wirkt sich der räumliche Abstand zwischen der druckerzeugenden Membran und dem Sensor nachteilig aus. Die Meßverzögerungen, die der Laufzeit von Druckwellen und der Distanz entsprechen, erhöhen die Schwingneigung des Kreises und verursachen Verzerrungen der reproduzierten Töne. Der konstruktive Aufwand, der zu einer befriedigenden Anordnung von Wandler und Sensor führt, ist groß.

Der Einsatz von Beschleunigungsmessern, die auf der Membran befestigt werden, erhöht die träge Masse der Membran und vermindert somit den reproduzierbaren Frequenzbereich. Die Beschleunigung selbst ist nur eine Zwischengröße, von der auf den Schalldruck geschlossen wird. Die Beschleunigung wird durch die Kleinheit der Sensoren nur punktuell oder in einem engen örtlichen Bereich gemessen, Resonanzen der Membran können die Ergebnisse verfälschen.

Die Erfindung bezweckt, die Messung des Gasdruckes direkt an der Membranoberfläche zu ermöglichen. Die Membran soll in ihren mechanischen Eigenschaften jedoch nicht beeinflußt werden.

Die Aufgaben werden gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, daß leichte, dünne, flexible piezoelektrische Schichten direkt auf die Oberfläche der Membran eines elektrodynamischen Wandlers aufgebracht werden. Die piezoelektrischen Schichten werden an ihrer Oberfläche und an ihrer Grenzfläche zur Membran mit Elektroden versehen, so daß piezoelektrische Sensoren entstehen. Diese Sensoren erzeugen Spannungen zwischen den Elektroden, falls die piezoelektrischen Schichten durch Druckeinwirkung zusammengepreßt oder gedehnt werden. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die Flexibilität der Sensoren die Biegsamkeit der Membran weit übersteigt. Die eigentliche Membran überträgt alle Antriebskräfte von der Antriebsspule zu den einzelnen Flächenelementen der Membran. Die Sensoren werden dadurch nur durch flächennormale Druckkräfte oder Beschleunigungskräfte beeinflußt. Diese Eigenschaft wird auch durch geeignete Formgebung der Sensoren unterstützt. Es werden radiale Durchbrüche in den Schichten angeordnet, oder die Schichten werden in Form von kleinen Sechsecken, Kreisen etc. aufgebracht.

Anspruch 2 beschreibt die Verwendung von Polyvinylidenflourid, PVDF, als piezoelektrische Schicht. Dieses Material eignet sich aufgrund seiner Leichtigkeit und Flexibilität für diesen Zweck.

Anspruch 3 betrifft die großflächige Ausbildung des Sensors. Dadurch werden Meßverfälschungen durch Membranresonanzen vermindert. Auch wird der Innenwiderstand der Spannungsquellen vermindert.

Anspruch 4 betrifft die Gestaltung eines Sensors, der nur Druckkräfte und nicht Beschleunigungskräfte mißt. Dazu werden auf der Membran verschieden dicke Schichten des piezoelektrischen Materials angeordnet und mit einzelnen Elektroden versehen. Die Schichten können auch übereinander angeordnet werden. Die Spannungen dieser Sensoren werden so gewichtet und voneinander subtrahiert, daß sich die Beschleunigungsterme der Signale gegenseitig aufheben.

Anspruch 5 betrifft eine einfache und fertigungsfreundliche Anordnung der Elektroden. Diese werden auf die Oberfläche des piezoelektrischen Materials und auf die gegenüberliegende Membranoberfläche aufgebracht. Zwischen den Elektroden liegen somit die piezoelektrische Schicht und die Membran selbst. Die Elektroden können durch Bedampfen, Sputtern etc. erzeugt werden.

Anspruch 6 betrifft den Einsatz des Wandlers in einem Lautsprechersystem mit geschlossenem Gehäuse, dessen Innendruck mittels einer Regelung konstant gehalten wird. In diesem System grenzt der Wandler mit der Oberfläche seiner piezoelektrischen Schicht an das Innenvolumen, an das auch die Membran des Lautsprechers angrenzt. Die von den Sensoren erzeugten Spannungen sind den Änderungen des Innendruckes proportional. Die Spannungen werden einem Regler zugeführt, der einen Leistungsverstärker steuert, welcher wiederum den innenliegenden Wandler treibt.

Anspruch 7 beschreibt den Einsatz des Wandlers als Lautsprecher in einem geregelten Lautsprechersystem. Die von den Sensoren erzeugten Spannungen werden als den Schalldruck charakterisierende Größen einem Regler zugeführt.

Gemäß Anspruch 8 wird der Wandler in Systemen zur aktiven Lärmreduktion eingesetzt. Durch Einbindung des Wandlers in einen Regelkreis wird die Membran zu lärmvermindernden Bewegungen veranlaßt.

Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt den Wandler im Querschnitt und im Aufriß. Die Membran M des Wandlers ist mit zwei ringförmigen Schichten aus piezoelektrischem Material P bedeckt. Die Schichten sind mit Elektroden bedeckt und bilden so zwei Sensoren 51 und 52. Die piezoelektrischen Schichten und die Membran liegen zwischen den Sensoren. Die Schichten unterscheiden sich in ihrer Dicke. Die erzeugten Signale werden einer Meß- und Summationsschaltung C zugeführt.

Claims (8)

1. Elektrodynamischer Wandler, ähnlich einem elektrodynamischen Lautsprecher, ausgestattet mit einer steifen Membran, die mittels einer elektrischen Spule und eines auf die Spule einwirkenden Magnetfeldes eines Magneten durch Stromfluß durch diese Spule bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß Teile einer oder beider Oberflächen der Membran mit einer piezoelektrisch wirkenden Schicht bedeckt sind, daß die äußeren Oberflächen und die inneren, an die Membran grenzenden Flächen dieser Schichten mit elektrisch leitenden, als Elektroden wirkenden Schichten derartig überzogen sind, daß das piezoelektrisch wirkende Material zwischen diesen Schichten liegt, und daß Änderungen des auf die piezoelektrischen Schichten einwirkenden Druckes elektrische Spannungen zwischen den Elektroden hervorrufen, daß die piezoelektrischen Schichten und die Elektroden so dünn und flexibel sind oder in ihrer Form mittels Schlitzen und Durchbrüchen so gestaltet sind, daß die Weiterleitung der Antriebskräfte der Spule zu den Membranflächenelementen über die Membran selbst erfolgt und nicht über die piezoelektrischen Schichten, so daß auf die piezoelektrischen Schichten hauptsächlich flächennormale Gasdruckkräfte und Beschleunigungskräfte einwirken.

2. Elektrodynamischer Wandler gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten aus dem Material Polyvinylidenfluorid, PVDF, oder anderen piezoelektrischen Polymeren besteht.

3. Elektrodynamischer Wandler gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Oberflächen der Membran annähernd vollständig mit den piezoelektrischen Schichten bedeckt sind.

4. Elektrodynamischer Wandler gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, elektrisch verbunden mit einem elektronischen Schaltkreis zur Messung der von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrischen Schichten aus mehreren auf der Oberfläche verteilten oder übereinander angeordneten Segmenten bestehen, daß sich die Dicken der einzelnen Segmente voneinander unterscheiden, daß die einzelnen Segmente jeweils mit eigenen Elektroden versehen sind und somit einzelne Sensoren bilden, und daß die von den einzelnen Sensoren erzeugten Spannungen vom elektronischen Schaltkreis derartig gewichtet und derartig voneinander subtrahiert werden, daß sich die beschleunigungsproportionalen Signalanteile gegenseitig annähernd aufheben und somit ein hauptsächlich druckproportionales Summensignal erzeugt wird.

5. Elektrodynamischer Wandler gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Elektroden des piezoelektrischen Sensors die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht bedeckt, und daß die zugehörige andere Elektrode des Sensors die gegenüberliegende, rückwärtige Oberfläche der Membran bedeckt, so daß zwischen den beiden Elektroden sowohl die piezoelektrische Schicht als auch die eigentliche Membran liegen.

6. Anwendung des elektrodynamischen Wandlers gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in Lautsprechersystemen mit geschlossenen Gehäusen, bei welchen der Druck innerhalb des Gehäuses mittels eines innenliegenden elektrodynamischen Wandlers und eines Regelkreises konstant gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Wandler, dessen Membran mit einer piezoelektrisch wirkenden Schicht bedeckt ist, als innenliegender Wandler eingesetzt wird, daß dieser Wandler so angeordnet ist, daß die Oberfläche der Piezoelektrischen Schicht an das Innenvolumen angrenzt, in welchem der Druck konstant gehalten werden soll, so daß die von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Spannungen den Druckschwankungen in diesem Innenvolumen proportional sind, daß diese Spannungen dem Regler des Regelkreises zugeführt werden, daß die Antriebsspule des Wandlers mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers des Regelkreises elektrisch verbunden ist und von dessen Ausgangsströmen durchflossen wird, und daß somit die Membran dieses Wandlers bewegt wird, um den Innendruck konstant zu halten.

7. Anwendung des elektrodynamischen Wandlers gemäß einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche in einem geregelten Lautsprechersystem, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Wandler, dessen Membran mit einer piezoelektrischen Schicht bedeckt ist, als Lautsprecher eingesetzt wird, daß die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht an den zu beschallenden Außenraum angrenzt, und daß die von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Spannungen dem Regler des Regelkreises als den erzeugten Schalldruck proportionale Signale zugeführt werden.

8. Anwendung des elektrodynamischen Wandlers gemäß einem oder mehreren der vorgehenden Ansprüche in Systemen zur aktiven Lärmverminderung, in denen Lärm durch die Bewegung einer Membran eines Wandlers vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrodynamische Wandler, dessen Membran mit einer piezoelektrischen Schicht bedeckt ist, so angeordnet ist, daß die Oberfläche der piezoelektrischen Schichten an den Raum angrenzen, in dem der Lärm reduziert werden soll, daß die von den piezoelektrischen Sensoren erzeugten Signale dem Regler des aktiven Lärmdämpfungssystems zugeführt werden, und daß die Antriebsspule der Membran des Wandlers mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers des Systems verbunden ist und von dessen Ausgangs strömen zu Bewegungen veranlaßt wird.