DE680487C - Piezoelektrisches Schallgeraet - Google Patents

Description

Bekanntlich werden piezoelektrische Kristalle für elektroakustische Zwecke in der Form von sog. Biegern angewendet, die aus zwei oder mehreren einzelnen Kristallplatten mit sich kreuzenden Dehnungsachsen unter Zwischenschaltung der als Elektroden dienenden Belegungen zusammengefügt sind. Bislang war es üblich, solche Biegekristalle mit besonderen schallaufnehmenden oder schallabstrahlenden Membranen mechanisch zu koppeln. Bei derartigen gekoppelten Systemen gelingt es nur bis zu einem gewissen Grad, Störungen des Schallfeldes xmd Resonanzen im Hörbereich zu vermeiden. Außerdem zeigen sie auch eine große Empfindlichkeit gegen mechanische Erschütterungen, da diese in ihrer Wirkung den Schallwellen gleichkommen. Man hat auch schon Geräte gebaut, bei denen die Kristallfläche selbst das schallaufnehmende oder schallabstrahlende Organ bildet, und hat zu diesem Zweck Membranen aus kreisrunden Kristallplatten hergestellt, die wie die Kristallbieger, aus zwei oder mehreren einzelnen Platten zusammengesetzt wurden. Diese Membranen hat man, wie üblich, am Rand fest eingespannt. Sie wurden durch einseitig auffallende Schallwellen periodisch durchgebogen. Infolge des Umstandes jedoch, daß die abgegebene oder aufgenommene piezoelektrische Ladung bei einer Doppelplatte von der Richtung der Durchbiegung gegenüber der Richtung der Kristallachsen stark abhängt und bei einer Drehung der Biegungsrichtung \\m 90⁰ schon die Polarität gewechselt hat, besitzen bei diesen Kristallmembranen nur zwei schmale, radial gerichtete und einen Winkel von 90⁰ miteinander bildende Zonen die volle piezoelektrische Wirksamkeit. Daher "ist die Belegung mindestens an den Stellen, wo die Polarität wechselt, unterteilt. Besonders \\ngünstig ist auch der Umstand, daß. bei einer Durchbiegung der Membran, die in radialer Richtung stattfindet, in der dazu senkrechten, also tangentialen Richtung bei allen Einzelplatten die gleiche Beanspruchung eintritt, während für die volle piezoelektrische Wirksamkeit bei Durchbiegung der Doppelplattc mit einer Verlängerung der einzelnen Platte in einer bestimmten Richtung immer in der dazu senkrechten Richtung eine Verkürzung und umgekehrt Hand in Hand gehen muß. Der Wirkungsgrad solcher eingespannter Kristallmembranen ist demnach sehr schlecht, so daß man mit Rücksicht auf die Empfindlichkeit der Geräte unter einen gewissen Durchmesser nicht heruntergehen darf, zumal da die Verhältnisse infolge des Einflusses der Einspannung mit abnehmendem Durchmesser immer ungünstiger werden. Bei der Anwen-

dung eines solchen Gerätes als Mikrophon ist aber für eine getreue Schallumsetzung ein möglichst kleiner Durchmesser der Membran erwünscht.

Die Erfindung schlägt ein vorwiegend als Mikrophon, aber auch zur Schallwiedergabe geeignetes piezoelektrisches Schallumwandlungsgerät vor, das diese Anforderung in weit höherem Maße und mit besserem Wirkungsgrad erfüllt als die bekannten piezoelektrischen Anordnungen. Sie geht von der obenerwähnten Erscheinung aus, daß ein nichteingespannter mindestens aus zwei Kristallplatten zusammengesetzter Bieger, falls er nicht in einer Richtung eine bevorzugte Ausdehnung, also Stabform besitzt, sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung zu einer Sattelfläche verbiegt, und daß daher ein solcher Bieger beim mechanischen Verbiegen zu einer Sattelfläche die größte piezoelektrische Ergiebigkeit zeigt. Unter Beachtung dieser Erkenntnis wird eine durch zwei Bieger begrenzte, also doppelseitig wirkende Druckkammer gebaut. Die verwendeten Bieger bestehen in bekannter Weise aus je zwei vorzugsweise quadratischen, mit sich kreuzenden Dehnungsachsen unter Zwischenlage der zugehörigen Elektroden verkitteten Kristallplatten. Jede Doppelplatte dient beim Erfindungsgegenstand zugleich als Schallaufnahmefläche und als piezoelektrisches Schallumsetzungsglied. Die Doppelplatten sind jedoch nicht nach Art der gewöhnlichen Membranen am Rand eingespannt, sondern werden erfindungsgemäß an zwei gegenüberliegenden Punkten, vorzugsweise in der Mitte an zwei gegenüberliegenden Kanten, befestigt, so daß sie sich bei einseitigem Schalldruck sattelförmig durchbiegen. Die genügend klein bemessenen, vor- zugsweise quaderförmigen und aus einem geeigneten Isoliermittel bestehenden Befestigungsstücke sind beiden Doppelplatten gemeinsam, so daß sie zugleich die Abstandsstücke für die beiden Doppelplatten bilden.

Der zwischen den Doppelplatten liegende Luftraum wird gegen den Außenraum abgeschlossen, indem man das ganze Gebilde beispielsweise mit einem Rähmchen, dessen Höhe gleich dem Abstand der Außenflächen der beiden Doppelplatten ist, umgibt und den Spalt zwischen Platten und Rähmchen durch einen möglichst nachgiebigen und dehnbaren Stoff überbrückt, der an die Platten und das Rähmchen angeklebt wird. Auf diese Weise ist dafür gesorgt, daß die Plattenkanten in ihrer Schwingungsbewegung nicht beeinträchtigt werden.

Nach dem weiteren Gegenstand der Erfindung sollen mehrere solcher Systeme durch Aneinander- oder Hintereinanderreihung und Parallelschaltung ihrer elektrischen Belege zu einer sog. Batterie vereinigt werden, zu deren Schütze gegen mechanische Beschädigungen ein für Schalldrücke durchlässiges Gebilde, z. B. ein Drahtkorb, dienen kann.

Ein einzelnes System kann beispielsweise aus je zwei Kristalldoppelplättchen von je 12 X12 X o, 5 mm in einem Abstand von 1,5 mm bestehen, so daß die ganze Höhe des Systems 3,5 mm beträgt.

Abb. ι zeigt in vergrößertem Maßstabe eine derartige Kristalldoppelplatte in ebener und mit gestrichelten Linien in sattelförmiger Form, die sie bei elektrischer oder mechanischer Beaufschlagung (Erregung) annimmt.

Abb. 2 gibt eine schaubildliche Vorstellung der Wirkungsweise eines aus zwei Doppelplatten nach Abb. 1 erfindüngsgemäß gebauten Systems, und

Abb. 3 stellt dieses System in allseitig'umschlossenem Zustand in geringer Verkleinerung gegenüber Abb. 2 dar, in welchem es als Mikrophon oder Telephon verwendbar ist. Jede der Kristalldoppelplatten Q-R-S-T, wie sie Abb. 1 in stark vergrößertem Maßstabe veranschaulicht, besteht vorzugsweise aus einem sehr kleinen Biegeelement, das so aus einem Rochelle- oder Seignettesalzkristall geschnitten ist, daß. die Kanten der einzelnen Kristallplatten einen Winkel von 45⁰ mit den b- und c-Achsen bilden. Wie aus Abb. 1 ersichtlich, fallen die b- und c-Achsen in die Diagonalen B-B und C-C der quadratischen Platten.

Diese Kristallachsen sind nicht zu verwechsein mit den Dehnungsachsen, die beim Erfindungsgegenstand die ausschlaggebende Rolle spielen. Die Dehnungsachsen (z. B. M, N in Abb. 1) verlaufen parallel zu den Kantenrichtungen, die Kristallachsen dagegen in Richtung der Diagonalen.

Wenn eine in diesem Sinn richtig hergestellte Doppelplatte Q-R-S-T einer Spannungsdifferenz zwischen der gemeinsamen mittleren Belegung und den beiden äußeren Belegungen ausgesetzt ist, wird sie die gestrichelt gezeichnete Form Q'-Rf-S'-T' annehmen, die eine Durchbiegung der Doppelplatte in zwei Richtungen zeigt. Die Punkte M und N sind als festliegend angenommen. Die Kante QR dieser Doppelplatte erhält eine konkave Krümmung Q'R', die Kante TQ eine konvexe Krümmung T'.Q' in bezug auf die Papierebene. Bei der Umkehrung der an die Doppelplatte angelegten elektrischen Spannung kehren sich auch die Krümmungen der Plattenkanten um. Die Kante TR wird konkav, während die Kante RQ konvex wird mit Bezug auf die Papierebene.

Wenn zwei solcher Doppelplatten entsprechend Abb. 2 einander überdeckend angeordnet werden und man ihre Belegungen im

richtigen Sinn, beispielsweise parallel schaltet, wird der Zwischenraum zwischen den Doppelplattenpaaren bei der einen Polarität der angelegten Spannung verkleinert, bei der entgegengesetzten Polarität vergrößert. Dieselbe Wirkung der Doppelplatten tritt ein, wenn deren Außenflächen Schalldrücken verschiedenen Vorzeichens unterworfen werden. Hieraus ergibt sich, daß das erfindungsgemäße

ίο System sowohl zum Empfang von Schallwellen als auch zur Schallwiedergabe dienen kann.

Aus Abb. 2 ist ersichtlich, daß das Material für den Abschluß des Luftraumes zwischen den beiden Doppelplatten nicht nur praktisch luftdicht, sondern auch genügend nachgiebig sein muß, damit es den Formänderungen der beiden Doppelplatten keinen Widerstand entgegensetzt, wodurch die Empfindlichkeit des Systems beeinträchtigt werden könnte.

Der Vorteil der kleinen Abmessungen besteht darin, daß die Geräte dadurch eine sehr hohe Eigenfrequenz bekommen, und daß der Schall an der Rückseite des senkrecht von vorn getroffenen Systems bis zu hohen Frequenzen durch Interferenzerscheinungen nicht beeinträchtigt wird.

Wird ferner ein solches System parallel zur Plattenfläche von einer Schalldruckwelle getroffen, so wird der Einfluß der Phasenunterschiede dieser Welle, die längs der Vorderwand auftreten, um so kleiner, je geringer die Kantenlänge des Systems ist.

Ein einzelnes System der beschriebenen Art hat eine Empfindlichkeit etwa in der Größenordnung eines normalen Kondensatormikrophons. Es könnte z. B. auf dem Rockaufschlag in ähnlicher Weise wie ein Abzeichen getragen werden.

Eine große Anzahl, bis zu 100, dieser Einzelsysteme kann in einen einzigen Rahmen eingebaut und durch Parallelschaltung miteinander verbunden werden, wenn man wünscht, ein Mikrophon von außerordentlicher Empfindlichkeit und sehr niedriger Impedanz zu erhalten. Ein solches vielzelliges Mikrophon wird in seinen Abmessungen nicht größer als die heute gebräuchlichen Mikrophone. Es kann beispielsweise an dem Ende eines Exponentialhornes angebracht werden und als Schallsender für Schallwellen bis zu den angegebenen Frequenzen dienen.

Wenn sich die angegebenen Abmessungen auch für die Praxis zweckmäßig erweisen, sollen sie doch nicht als bindend gelten, sondern können von Fall zu Fall geändert werden, ohne daß dadurch die wesentlichen Merkmale der Erfindung geändert werden.

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Piezoelektrisches Schallgerät mit Doppelplatten, die, bestehend aus zwei mit sich kreuzenden Dehmmgsachsen unter Zwischenlage der zugehörigen Elektroden verkitteten Kristallplättchen, sich nach Art einer Sattelfläche verbiegen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei derartige Doppelplatten in einem solchen Abstand voneinander gehaltert sind, daß der zwisehen ihnen befindliche Luftraum nach Art des bekannten Druckkammer sy stems Volumenänderungen unterliegt, und daß der Abstand der beiden Doppelplatten zueinander durch zwei vorzugsweise quaderförmige Zwischenstücke gebildet ist.
2. 2. Piezoelektrisches Schallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den beiden Doppelplatten liegende Luftraum durch ein die Kanten der Platten allseitig umfassendes dehnbares Material luftdicht abgeschlossen ist.
3. 3. Piezoelektrisches Schallgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abstandhaltenden Zwischenstücke in der Mitte an zwei gegenüberliegendein Kanten angeordnet sind.
4. 4. Piezoelektrisches Schallgerät mit mehreren Systemen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Systeme durch Aneinander- oder Hintereinanderreihung und Parallelschaltung ihrer elektrischen Belege zu einer Batterie vereinigt sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen