DE69506131T2

DE69506131T2 - Akustischer richtwandler

Info

Publication number: DE69506131T2
Application number: DE69506131T
Authority: DE
Inventors: Jeffrey Oakington Cambridge Power
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-12-12
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: EP0799469B1; ATE173558T1; DK0799469T3; GB9425577D0; WO1996019796A1; GB9525350D0; GB2296404B; EP0799469A1; ES2125675T3; GB2296404A; US5764595A; DE69506131D1

Description

Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Wandler und befaßt sich insbesondere mit akustischen Wandlern mit geregelter Richtwirkung.

Hintergrund der Erfindung

Ein Wandler ist ein Bauelement, das eine Energieform in eine andere Energieform umwandelt. Schall ist eine Längswellenform, die Druckwellen umfaßt, die sich durch ein komprimierbares Medium fortsetzen. Die Wellen können eine Frequenz haben, die in den vom Menschen hörbaren Bereich fällt - grob gesehen zwischen etwa 30 Hz und etwa 20 KHz - oder sie können über oder unter diesem Bereich liegen (im Ultraschall- bzw. Unterschallbereich; Hunde und Fledermäuse können Ultraschallfrequenzen bis etwa 40 KHz hören, während Wale auf Unterschallfrequenzen von etwa 10 bis 15 Hz reagieren zu können scheinen). Das Medium, durch das sich Schallwellen fortsetzen, kann ein Gas wie z. B. Luft, eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Feststoff wie die Erde oder ein Metallstab sein. Ein akustischer Wandler ist ein Bauelement, das zum Umwandeln von Energie zwischen einer Schallform (zur Strahlung durch ein solches Medium) und einer anderen Form, gewöhnlich elektrische Energie benutzt werden kann.
Die meisten akustischen Wandler weisen Reziprozitätseigenschaften auf - d. h., sie können die Umwandlung zwischen Schall und Elektrizität in beiden Richtungen bewirken. Somit kann ein akustischer Wandler elektrische Energie in Schall oder Schallenergie in Elektrizität umwandeln. Ein typisches Beispiel für einen solchen Wandler, der elektrische Energie in Schallenergie umwandelt, ist ein herkömmlicher Haushaltlautsprecher wie z. B. in einem HiFi-System, der mit Energie in der Form eines elektrischen Signals gespeist wird, das eine Art von Schall definiert - beispielsweise Musik oder Sprache -, und diese elektrische Energie dann in Schallenergie umwandelt, indem er die erstere benutzt, um eine Art luftumschlossenes aktives Element wie beispielsweise eine Membran auf eine entsprechende Weise vor- und zurückzubewegen, um entsprechende Druckwellen in der Luft selbst zu erzeugen, die dann den gewünschten Schall ergeben. Ein weiteres Beispiel für einen akustischen Wandler ist ein lautsprecherartiges Bauelement, das als Projektor bezeichnet und in einem SONAR-System eingesetzt wird, um ein elektrisches Signal in ein Schallsignal umzuwandeln, das sich durch Wasser fortsetzt. Ein drittes Beispiel betrifft diejenigen Wandler, die Schall erzeugen, der in die Erde abgestrahlt wird; diese werden in der Ölindustrie eingesetzt, um Schall in den Boden zu senden, um anhand der empfangenen Echos zu ermitteln, ob die darunterliegenden Flöze von der Art sind, die möglicherweise Öl enthalten.
Ein typisches Beispiel für einen akustischen Wandler, der die entgegengesetzte Umwandlung durchführt Schallenergie in elektrische Energie - ist ein Mikrofon, wie es beispielsweise gewöhnlich für den Empfang von Sprache oder Musik verwendet wird. Ein Mikrofon, das sich unter Wasser fortsetzende Schallwellen empfängt, ist ein Hydrofon, während ein Mikrofon, das sich durch die Erde fortsetzende Schallwellen empfängt, ein Geofon ist.
Alle Wandler leiden an Imperfektionen in bezug auf die Genauigkeit, mit der sie Wellenformen einer Energieform in Wellenformen einer anderen umwandeln, aber sie können auch an einer Erscheinung leiden, die auf den ersten Blick ein recht seltsames Problem zu sein scheint: Die Art und Weise, in der sie sich verhalten, und insbesondere ihre Richtungseigenschaften, sind abhängig von ihrer physikalischen Größe und Form. In bezug auf einen konventionellen Lautsprecher läßt sich dies wie folgt veranschaulichen und erläutern.
Ein herkömmlicher Haushaltlautsprecher enthält in seinem Gehäuse zwei oder sogar drei eigentliche Wandlermembranen, die an dem Umwandlungsprozeß beteiligt sind. Eine von ihnen, der "Tieftöner", verarbeitet tiefe Frequenzen (große Wellenlängen) und ist groß; eine zweite, der "Hochtöner", verarbeitet hohe Frequenzen (kurze Wellenlängen) und ist klein; wenn es eine dritte Membran gibt, dann ist dies ein "Mitteltöner", der die Zwischenfrequenzen (und -wellenlängen verarbeitet) und von einer entsprechenden mittleren Größe ist. Ein wichtiger Grund - es gibt noch weitere - für eine solche Verwendung von Membranen unterschiedlicher Größen für die Verarbeitung von Schall unterschiedlicher Frequenzen (und natürlich unterschiedlicher Wellenlängen) ist der, daß sich mit zunehmender Frequenz und abnehmender Wellenlänge des Schalls, so daß sie mit der physikalischen Größe der Wandlermembran vergleichbar wird, die Art und Weise des. Verhaltens des Wandlers insbesondere in bezug auf seine Richtwirkung - nicht immer vorteilhaft - ändert. So muß beispielsweise ein herkömmlicher Haushaltlautsprecher im allgemeinen rundstrahlend sein - und den Schall gleichmäßig rundum abstrahlen -, aber wenn die von ihm bearbeiteten Frequenzen so steigen, daß die Schallwellenlängen sich der Größe seiner beweglichen Teile (der Membran) nähern oder geringer sind, wird er immer gerichteter, und das ist ungünstig. Dem kann natürlich dadurch entgegengewirkt werden, daß man das den Schall definierende elektrische Signal in Kanäle unterschiedlicher Frequenzbereiche unterteilt und jeden Bereich der entsprechend dimensionierten Membran zuführt.
Ebenso kann es in anderen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise bei SONAR-Systemen, möglicherweise wünschenswert sein, daß das abgehende Schallsignal äußerst gerichtet und das System dabei doch in der Lage ist, verschiedene Schallfrequenzen (und somit Wellenlängen) für unterschiedliche Zwecke oder Bedingungen zu verwenden, und wenn bei einigen von ihnen das System seine Richtungseigenschaften ändert, dann kann dies einen ernsthaften Nachteil bedeuten.
Die bekannten Abmessungsprobleme von Wandlern können wie folgt näher beschrieben werden.
Wenn ein (linearer) Wandler im Vergleich zur Wellenlänge des beteiligten Schalls klein ist, dann wird die Reaktion immer rundstrahlend sein. Wenn die Abmessungen des Wandlers jedoch mit der Wellenlänge vergleichbar oder größer sind als diese, dann werden zwei recht unterschiedliche Richtungseigenschaftsmerkmale offensichtlich. Zunächst ist das Richtwirkungsmustur der Reaktion möglicherweise nicht einfach ein einzelner "Strahl" (Keule), sondern es kann zahlreiche "Nebenkeulen"-Reaktionen geben, die in Richtung zeigen, die möglicherweise nicht erwünscht sind. Zweitens, der Bereich der Winkel, der vom "Hauptstrahl" (Hauptkeule) der Reaktion abgedeckt wird, ändert sich gewöhnlich mit sich ändernder Frequenz (die Breite des Hauptstrahls ist gewöhnlich umgekehrt proportional zum Verhältnis zwischen Größe und Wellenlänge).
Das erste Merkmal, die Nebenkeulen, ist auf Beugungsauswirkungen im Zusammenhang mit der finiten Größe des Wandlers zurückzuführen und läßt sich am besten als "Randeffekt" beschreiben, da es auf plötzliche Bewegungsänderungen am Rand des Wandlers zurückzuführen ist. Diese Nebenkeulen können durch ein konstantes "Ausblenden" oder "Apodisieren" des Wandlers auf verschiedene Weisen reduziert werden, die gewöhnlich eine allmähliche Verjüngung der Bewegung des Wandlers in Richtung auf seine Ränder beinhaltet. Diesem Effekt wurden zahlreiche Techniken gewidmet, wie nachfolgend ausführlicher erläutert wird, und es stehen zahlreiche Wandler zur Verfügung, die stark reduzierte Nebenkeulenpegel aufweisen.
Keiner von diesen trägt jedoch positiv zur Lösung des zweiten Merkmals bei, nämlich dem, daß der Hauptstrahl seine Breite mit sich ändernder Frequenz ändert; dazu braucht es mehr als nur eine einfache Ausblendungsfunktion oder Apodisation, die konstant (d. h. frequenzunabhängig) ist, um sie zu beeinflussen. Dies erfordert daher eine Ausblendungsfunktion, die sich tatsächlich mit sich ändernder Frequenz auf geeignete Weise ändert. Mit anderen Worten, es wird ein Wandler benötigt, der seine effektive Größe in Abhängigkeit von der Frequenz ändert ... und hier sucht die vorliegende Erfindung eine Lösung für das Problem bereitzustellen, indem die Verwendung eines Wandlerelementes - der aktive Teil des Wandlers wie z. B. die Membran in einem Lautsprecher - vorgeschlagen wird, das recht automatisch seine effektive Größe auf eine Weise ändert, die den Änderungen der in es gespeisten Erregungsfrequenzen entspricht und somit die ursprünglich in es eingebauten "Richtungs"-Eigenschaften beibehält.
Im Prinzip könnte ein Wandler, dessen effektive Abmessungen in Abhängigkeit von der Frequenz variiert werden könnten, in solchen Situationen äußerst vorteilhaft eingesetzt werden, bei denen es wünschenswert ist, Richtungseigenschaften zu kontrollieren (zu denen die oben angegebenen Beispiele gehören). Die hier beschriebene Erfindung ermöglicht den Bau von Wandlern, die eine effektive Größe haben, die mit zunehmender Frequenz (und abnehmender Wellenlänge) abnimmt. Von besonderem Interesse ist der Fall, bei dem der Wandler ein konstantes Verhältnis zwischen effektiver Größe und Wellenlänge des Schalls behält, selbst wenn sich die Frequenz ändert. Dieser Zustand bedeutet, daß der Wandler bei sich ändernder Frequenz eine konstante Keulenbreite behält.
Die Abhängigkeit zwischen Richtwirkung und Aperturgröße in bezug auf die Wellenlänge ist bekannt und wurde von Lord Rayleigh kommentiert. Es hat Versuche gegeben, eine frequenzabhängige Apertur zu erzielen, die zur Herstellung von Systemen mit konstanter Keulenbreite notwendig ist. Die meisten von ihnen beinhalten Wandlerfelder, die auf frequenzabhängige Weise ausgeblendet werden. Ein interessanter Vorschlag ist der, der im US-A 4,445,207 der US Navy (Sternberg) offenbart ist und die Frequenzabhängigkeit der Übertragung von Schall durch eine Metallplatte ausnutzt. Die Platte ist in ihrer Mitte dünner als an den übrigen Stellen und ist somit dort "akustisch transparenter". Die Übertragung durch die Platte ist abhängig von Frequenz und Dicke, und somit variiert die Größe des "transparenten" Bereiches mit der Frequenz, d. h. er ist bei höheren Frequenzen kleiner. Dieses Verfahren zur Erzielung einer frequenzabhängigen Apertur arbeitet jedoch mit einem passiven Element, das an die Vorderseite eines gewöhnlichen Wandlers oder Feldes angebaut wird; es beinhaltet nicht den aktiven - d. h. beweglichen - Teil des Wandlers selbst. Es ist auch im Hinblick auf den Frequenzbereich begrenzt, über den das Phänomen angewendet werden kann.
Zur Erzeugung eines solchen Wandlers wird ein empfindliches Element mit einer Art von Differenzierung zwischen den Signalen benötigt, die in verschiedenen Bereichen der Wandlerfläche entstehen, so daß unterschiedliche Gewichtungen auf verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Frequenzen angebracht werden können, und die Art und Weise, in der das Element reagiert, z. B. sich zur Erzeugung eines Schalls bewegt oder biegt, würde sich entsprechend (auf eine frequenzbezogene Weise) je nach dem unterscheiden, welcher Teil des Elementes beteiligt war. Es ist bekannt, daß sich diese Art von Differenzierung erzielen läßt, indem man ein Feld von kleinen Wandlern benutzt, die eher wie ein einziger großer Wandler fungieren, und dann recht separat (und außerhalb des Wandlersystems selbst) auf eine frequenzabhängige Weise die Signale für jeden individuellen kleinen Wandler elektronisch gewichtet. Die hierin offenbarte Erfindung ist jedoch ein einziger Wandler (der entweder ein Empfängertyp wie beispielsweise für die Verwendung in einem Mikrofon oder ein Sendertyp für den Einsatz in einem Lautsprecher sein kann), der keine komplizierte externe Bearbeitung benötigt und doch das wünschenswerte Merkmal einer kontrollierten (einschließlich des speziellen Falls einer konstanten) Keulenbreite in Abhängigkeit von der Frequenz hat. Spezifischer ausgedrückt, die Erfindung lehrt, daß ein aktives Element - die "Membran"-Komponente des Wandlers - benutzt werden soll, die eine automatische frequenzempfindliche Regelung der Keulenbreite durch "Ausblenden" des örtlichen Ausgangs des Signals über die Fläche des Elementes zuläßt, mit Hilfe einer ohmschen Beschichtung in Verbindung mit einer kapazitiven Schicht (durch die das Signal repräsentierende Ströme fließen), so daß der CR-Wert der Kombination über die Oberfläche des Elementes variiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Das neuartige Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht in der Ausnutzung des Zusammenwirkens einer ohmschen Elektrode mit der Kapazität des empfindlichen Materials selbst (wie im Fall von piezoelektrischen Wandlern, die nachfolgend beschrieben werden) oder mit der Kapazität, die durch eine ansonsten inerte oder unempfindliche dielektrische Schicht erzeugt wird (wie im Fall des neuartigen Bändchenlautsprechers, der ebenfalls nachfolgend beschrieben wird) - Die ohmsche Elektrode muß so aufgebaut sein, daß sie mit der Kapazität der dielektrischen Schicht zusammenwirkt, um die richtige Ausblendung des Eingangs zu dem oder des Ausgangs aus dem Bauelement in Abhängigkeit von der Frequenz zu erzeugen. Es sind die durch das kapazitive Element fließenden Verschiebungsströme, die die frequenzabhängigen Charakteristiken der Ausblendung erzeugen (eine einfache ohmsche Elektrode, wobei zwischen Anschlüssen an verschiedenen Punkten fließender Strom keine Frequenzabhängigkeit erzeugen kann, wie auch eine dielektrische Beschichtung, die nur zur Reduzierung einer elektrischen Feldstärke in einem empfindlichen piezoelektrischen Element benutzt wird, keine Frequenzabhängigkeit erzeugen kann), und Konstruktionsgleichungen zur Berechnung der entsprechenden Oberflächenwiderstände und -kapazitäten zur Erzielung verschiedener frequenzabhängiger Ausblendungsfunktionen werden nachfolgend gegeben.
Somit sieht die Erfindung ein mehrschichtiges Bauelement zur Verwendung als aktives Element eines akustischen Wandlers vor, das die Regelung der Richtwirkung des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz zuläßt und folgendes umfaßt:
eine großflächige Schicht aus einem dielektrischen, kapazitiven Material, das neben seiner einen Seite eine Schicht aus einem ohmschen Material und neben seiner anderen Seite eine Schicht aus elektrisch leitendem Material aufweist, wobei elektrische Anschlüsse an der leitenden Schicht und an der ohmschen Schicht vorgenommen werden, so daß ein elektrisches Signal daran angelegt oder davon abgenommen werden kann; und
wobei entweder die Kapazität pro Einheitsfläche (C) der dielektrischen Schicht oder der Widerstand (R) des Signalwegs durch die ohmsche Schicht oder beide in Abhängigkeit von der Position über das Element so gewählt werden, daß ein positionsabhängiger CR- (Zeitkonstanten-) Wert erzeugt wird, der das Element mit den gewünschten frequenzgängigen Richtungseigenschaften ergibt.
Die Einzelheiten der Erfindung und ihre bevorzugten Ausgestaltungen werden nachfolgend erörtert; aber zunächst werden deren offensichtliche Ähnlichkeit mit und ihr wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik erörtert.
Die Erfindung benutzt das Zusammenwirken einer ohmschen Elektrode mit einer kapazitiven dielektrischen Schicht, um eine frequenzabhängige Ausblendungsfunktion zu erzeugen, die die Reaktion über die Fläche des Wandlers modifiziert. Versuche, einige Richtungseigenschaften von Wandlern durch Verwendung von ohmschen oder dielektrischen Beschichtungen auf Wandlerelementen zu regeln, wurden in der Vergangenheit von verschiedenen Fachpersonen unternommen. Wie jedoch oben bemerkt, waren diese früher immer auf die Reduzierung von Beugungsauswirkungen (Nebenkeulen) aufgrund von Randeffekten gerichtet. Der Ausgang dieser Wandler ist ausgeblendet (häufig auch als "apodisiert" bezeichnet), was eine Form von reduzierter Reaktion in Richtung auf die Ränder des Wandlers ergibt. Einige der Ausgestaltungen dieser früheren Ideen können auf den ersten Blick Ausgestaltungen der in dieser Spezifikation beschriebenen vorliegenden Erfindung ähnlich sein. Bei diesen früheren Versuchen wird jedoch immer die Spannungsänderung zwischen zwei oder mehr Anschlüssen an einer ohmschen Schicht benutzt, um die an das empfindliche Element angelegte Spannung "auszublenden", oder die Fähigkeit einer dielektrischen Beschichtung, die elektrische Feldstärke an den Rändern piezoelektrischer Wandler zu reduzieren. Dies kann zwar bei der Reduzierung der Beugungseffekte sehr wirksam sein, die Nebenkeulen erzeugen, aber diese Form von Richtwirkungsregelung erzeugt eine konstante Ausblendung - eine Ausblendung, die unabhängig von der Frequenz des Signals konstant ist - und läßt es nicht zu, daß der Wandler verschiedene wirksame Dimensionen bei unterschiedlichen Frequenzen erzielt. Im Gegensatz dazu besteht das neuartige und erfinderische Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung in der Zusammenwirkung einer ohmschen Elektrode mit der Kapazität entweder des empfindlichen Materials selbst (in diesem Fall von piezoelektrischen Wandlern) oder mit der Kapazität, die durch eine ansonsten inerte oder unempfindliche dielektrische Schicht entsteht (wie im Fall des nachfolgend beschriebenen neuartigen Bändchenlautsprechers), um die Breite der Hauptkeule der Richtwirkungscharakteristik zu regeln. Auswirkungen, die die Erfindung auf die Beugungseffekte oder Nebenkeulenpegel hat, sind rein zufällig. Es wird an späterer Stelle gezeigt, daß Nebenkeulenpegel durch die Erfindung ebenfalls reduziert werden können, aber das ist nicht der Hauptzweck der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für die Verwendung als aktives Element eines akustischen Wandlers vorgesehen. Wie nachfolgend beispielhaft erläutert wird, kann der Wandler von einem Typ sein, der elektrische Energie in Schallenergie umwandelt - ein Lautsprecher (oder Projektor, wenn er unter Wasser verwendet wird) - oder er kann von einem Typ sein, der das Gegenteil tut und Schallwellen in Elektrizität umwandelt - ein Mikrofon (oder Hydrofon, wenn es unter Wasser benutzt wird). Die beteiligte Schallenergie kann Schall einer beliebigen Frequenz sein - Unterschall, normale Audiofrequenzen oder Ultraschall.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht, wenn sie als aktives Element eines akustischen Wandlers benutzt wird, die Regelung der Richtwirkung des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz. Spezieller ausgedrückt, indem die Art und Weise, in der der CR- (Zeitkonstanten-) Wert des Elementes über den aktiven Bereich des Elementes geändert wird, sorgfältig durchdacht wird, kann der Wandler so hergestellt werden, daß er eine konstante (oder auch vorhersehbar veränderliche) Richtwirkung mit der Änderung der von ihm umgewandelten Frequenzen hat (er libt z. B. je nach Bedarf rundstrahlend oder hat stattdessen eine definierte Keulenbreite). Die beteiligten mathematischen Beschränkungen einer geeigneten Konstruktion des Elementes zur Erreichung solcher Ziele werden nachfolgend ausführlicher erörtert.
Das aktive Element der Erfindung ist ein mehrschichtiges Bauelement, umfassend eine Schicht aus einem dielektrischen, kapazitiven Material, das neben einer Seite ein ohmsches Material und neben seiner anderen Seite eine Schicht aus einem elektrisch leitenden Material hat. Während ein dreischichtiges Bauelement - eine kapazitive Schicht, eine ohmsche Schicht und eine leitende Schicht - für viele Zwecke vollkommen zufriedenstellend ist, insbesondere dort, wo der Wandler als Mikrofon oder dergleichen benutzt werden soll, kann die Leistung des Elementes, insbesondere für den Einsatz als Schallprojektor der für ein SONAR-System benötigten Art, dadurch erheblich verbessert werden, daß wie bei einem doppel- oder dreistöckigen Sandwich mehrere Schichten benutzt und die einzelnen benachbarten Elemente dann Rücken an Rücken angeordnet werden, wobei gleichartige Schichten sich berühren (z. B. berührt die leitende Schicht des einen die leitende Schicht des nächsten, oder die ohmsche Schicht des einen berührt die ohmsche Schicht des nächsten) und entgegengesetzt polarisiert sein. Durch Herstellen eines solchen aus mehreren Elementen bestehenden Bauelementes können die sich berührenden Schichten praktischerweise zu einer effektiv einzigen Schicht "kombiniert" werden. Eine solche Verbesserung besteht darin, eine höhere Kapazität mit dünneren, mehrfachen dielektrischen Schichten zu erzielen und so möglicherweise niedrigere Widerstandswerte zu ermöglichen, während bei einer anderen bei Benutzung einer piezoelektrischen Kapazitätsschicht nicht nur Signale mit niedrigerer Spannung (der piezoelektrische Effekt ist abhängig vom Spannungsgradienten in dem Material), sondern auch ein größeres Volumen an piezoelektrischem Material benutzt werden können, was dazu beiträgt, daß das Bauelement eine bessere Leistungshandhabungskapazität erhält. So kann es beispielsweise eine Mehrzahl von kapazitiven Schichten zwischen der entsprechenden leitenden und der ohmschen Schicht geben (wobei an jeder der letzteren ein entsprechender elektrischer Anschluß vorgenommen wird) Eine solche Struktur aus mehreren gleichartigen Schichten kann bis zu einem Dutzend leitender/kapazitiver/ohmscher Schichttriplets haben.
Die einzelnen Schichten, aus denen sich das erfindungsgemäße Bauelement zusammensetzt, können aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet werden und haben eine beliebige geeignete Größe (Dicke und Länge/Breite) und Form, die sich nach dem Betriebsfrequenzbereich (und Wellenlängenbereich) des Bauelementes richten, weitere Einzelheiten werden nachfolgend beschrieben. Hierbei lohnt es sich jedoch zu bemerken, daß im allgemeinen Wandler für den Betrieb bei höheren Frequenzen im Ultraschallbereich kleiner sind - in der Größenordnung von wenigen Millimetern im Durchmesser - als diejenigen, die bei niedrigeren Frequenzen bis ein paar Dutzend Hertz arbeiten und möglicherweise einen Durchmesser von ein paar Metern haben. Schichtdicken neigen jedoch eher dazu, leistungsbezogen als frequenzbezogen zu sein; insgesamt gesehen, kann die Schichtdicke jedoch von der einer monomolekularen Beschichtung abweichen, wie sie von Vakuumaufdampfungstechniken erzeugt werden (im Dickenbereich von 0,01 Mikrometer), die für ein Kondensatormikrofon ausreichen könnten, bis zu mehreren Millimetern (oder auch Zentimetern: siehe nachfolgende Beschreibung in bezug auf eine Hydrofonausgestaltung). Die kapazitive dielektrische Schicht wird höchstwahrscheinlich eine Feststoffschicht sein, aber es kann auch ein flexibles dielektrisches Material wie eine Plastiksubstanz wie ein Polyvinylchlorid (PVC) oder ein Polyvinylidenfluorid (PVDF), ein Polyethylen oder ein Polypropylen oder ein Melamin eingesetzt werden.
Alternativ kann eine Schicht aus einem festen Material wie Siliciumoxid oder Tantaloxid oder eine "dielektrische Farbe" (wie sie beispielsweise von Acheson Colloids unter der Bezeichnung ELECTRODAG 6018SS vertrieben wird) benutzt werden, die auf einem geeigneten Substrat ruht, oder ein festes, aber starres, selbsttragendes Material wie z. B. ein (piezoelektrisches) Keramikmaterial wie Bariumtitanat oder Bleizirconat-Titanat (PZT), die für einige Konstruktionen zum Einsatz kommen können. Für bestimmte Zwecke kann jedoch, wie z. B. bei einem Kondensatormikrofon oder einem elektrostatischen Lautsprecher, die kapazitive Schicht einfach eine Lücke sein, die durch das Umgebungsfluid (typischerweise Gas wie z. B. Luft) ausgefüllt wird. Wo die kapazitive Schicht ein Feststoff ist, da ist es praktisch, wenn die ohmsche und die leitende Schicht von dieser tatsächlich getragen, ja sogar damit verklebt werden.
Wo die kapazitive Schicht des Elementes ein festes aktives Material wie beispielsweise eine piezoelektrische Schicht ist oder eine solche enthält und diese sich aus einem steifen (d. h. nicht örtlich reagierenden) Material wie Keramik zusammensetzt, da kann die Schicht in einem schachbrettartigen Muster aus kleineren Einheiten oder "Mosaiksteinen" angeordnet sein, um das Material örtlich dahingehend reaktiv zu machen, daß jedes individuelle kleinere Teil des Elementes unabhängig von den anderen Teilen agiert. Diese Wandlerklasse beinhaltet nicht nur Typen, bei denen vollständig getrennte piezoelektrische Elemente auf einer ohmschen Schicht plaziert werden, sondern auch diejenigen, wo ein anfänglich gebildetes einzelnes großes Element nachfolgend durch Schnitte in der Normalen zu ihrer Fläche in kleinere Teile "geschnitten" werden (einschließlich solcher, wo die Schnitte nur einen Teil der Dicke der piezoelektrischen Schicht durchdringen).
Die kapazitive Schicht kann inaktiv sein und nur wegen ihres dielektrischen, kapazitiven Effektes benutzt werden (wie dies z. B. bei dem Luftspalt in einem kapazitiven Mikrofon oder Lautsprecher der Fall ist). Die Schicht kann jedoch "aktiv" in dem Sinne sein, daß die Schicht nicht nur zur Erzeugung eines Kapazitätseffektes benutzt wird, sondern tatsächlich für die Bewegung verantwortlich ist, die den Energieumwandlungsprozeß erzeugt. So kann beispielsweise bei einem Lautsprecherwandler die kapazitive Schicht aus einem piezoelektrischen Material bestehen, das sich bewegt/ biegt/seine Form verändert, wenn eine Spannung daran angelegt wird, und somit bewirkt diese Bewegung die Generierung von Kompressionswellen im Umgebungsmedium, wobei tatsächlich die eingehende elektrische Energie in einen akustischen Ausgang umgewandelt wird. Auch hier kann in einem Hydrofon die kapazitive Schicht aus einem piezoelektrischen Material hergestellt sein, das elektrische Signale erzeugt, wenn Schalldrücke in der Umgebungsflüssigkeit darauf wirken. PVDF ist ein piezoelektrisches Plastikmaterial, das auf diese Weise eingesetzt werden kann. Es kann sogar Fälle geben, bei denen zwei (oder mehr) kapazitive Schichten verwendet werden, wobei eine aus einem einfachen, inaktiven dielektrischen und die andere aus einem aktiven Material besteht (eine solche Kombination kann dann wünschenswert sein, wenn die von der Schicht verlangte dielektrische Leitfähigkeit höher ist, als dies mit den verfügbaren aktiven Materialien praktisch möglich wäre, aber mit einem inaktiven Material erzielbar ist). So könnte beispielsweise ein piezoelektrisches Element mit sehr niedriger Kapazität sehr hohe Oberflächenwiderstände in einer ohmschen Elektrode erfordern, die eine frequenzunabhängige Keulenbreite aufweisen soll. In diesem Fall könnte ein separater Verbundstoff mit ohmschen/dielektrischen/leitenden Schichten auf ihre Rückseite aufgetragen werden, wobei die ohmsche Schicht mit dem piezoelektrischen Material Kontakt hat.
Bei einem solchen Element mit aktiver Schicht ist es die frequenzabhängige Ausblendung der elektrischen Spannungen in der ohmschen Schicht, die die Richtwirkungsregelung ermöglicht. Bei einigen Elementen mit passiver Schicht, wie bei dem Band, das in Magnetfeldern der nachfolgend ausführlicher beschriebenen neuartigen Form von Bändchenlautsprecher positioniert ist, ist es die Ausblendung der Ströme in der ohmschen Schicht, die in Zusammenwirkung mit dem Magnetfeld die benötigte Richtwirkungsregelung ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Bauelement ist ein wandleraktives Element, das die Regelung der Richtwirkung des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz zuläßt, und dies wird dadurch erzielt, daß eine ohmsche und eine kapazitive Schicht so eingesetzt werden, daß entweder der Signalwegwiderstand der ohmschen Schicht oder die Kapazität pro Einheitsbereich der dielektrischen Schicht oder beide in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt wird/werden, um einen positionsabhängigen CR- (Zeitkonstanten-) Wert zu erzeugen, der dem Element die gewünschten frequenzgängigen Richtungseigenschaften verleiht. Dies wird nachfolgend ausführlicher - und mit mathematischer Behandlung - beschrieben; an dieser Stelle sind vielleicht zwei Punkte erwähnenswert. Erstens ist in dem möglicherweise einfachsten Fall einer erfindungsgemäßen Wandlervorrichtung der spezifische Widerstand der ohmschen Schicht über das Element gleichförmig, und der jeweils benötigte Grad an Positionsabhängigkeit wird einfach durch den Widerstand des Signalwegs zum Anschlußpunkt geschaffen. Zweitens kann jede gewünschte Variation an Kapazität erzielt werden, die durch die kapazitive Schicht erhalten wird, indem beispielsweise die dielektrische Eigenschaft oder die Dicke oder die physikalische Anordnung der Schicht in einer geeigneten positionsabhängigen Weise geändert wird. Somit könnte die dielektrische Eigenschaft der Schicht durch Variieren der chemischen/molekularen Zusammensetzung des Materials oder durch Verändern der physikalischen Zusammensetzung geändert werden (wie beispielsweise durch Aufbringen einer Struktur aus verschiedenen Materialien wie z. B. ein Material mit hoher Dielektrizitätskonstante vermischt mit einem anderen Material - möglicherweise Luft - mit niedriger dielektrischer Leitfähigkeit).
Wenn man Dickenänderungen in bezug auf die notwendigen CR-Änderungen ignoriert, dann kann die Dicke der einzelnen kapazitiven Schichten von der einer monomolekularen Beschichtung, wie sie beispielsweise durch Vakuumaufdampfungstechniken erzeugt wird (im Dickenbereich von 0,01 Mikrometer) bis hin zu mehreren Millimetern oder sogar Zentimetern variieren. Äußerst dünne Schichten finden ihre Verwendung in Bauelementen, in denen eine sehr hohe Kapazität benötigt wird oder wo das Bauelement sehr klein sein muß, um auf sehr hohe Frequenzen ansprechen zu können, wie dies häufig bei der Ultraschall-Bildsynthese und in Vorrichtungen für den Einsatz bei zerstörungsfreien Prüfungen der Fall ist. Im Gegensatz dazu sind sehr dicke Schichten bei Hochleistungsbauelementen wertvoll, wie sie z. B. in SONAR-Projektoren benötigt werden. In einer Struktur mit mehreren gleichartigen Schichten würden die Dicken der einzelnen kapazitiven Schichten denselben Beschränkungen unterliegen, aber die Gesamtdicken könnten bei den meisten gewöhnlichen Bauarten etwas höher sein.
Neben einer Seite der (bzw. jeder) kapazitiven Schicht, die in dem erfindungsgemäßen Element benutzt wird, befindet sich die erforderliche ohmsche Schicht. Diese Schicht kann aus einem geeigneten ohmschen Material hergestellt sein und auf beliebige geeignete Weise auf oder neben der Seite der relevanten kapazitiven Schicht aufgebaut und festgehalten werden. Typische ohmsche Materialien sind kohlenstoffhaltige Harze (gewöhnlich beliebige der erhältlichen kohlenstoffhaltigen Epoxy- oder Phenolharze), sehr dünne, vakuumbedampfte Metallfolien (praktischerweise mit Nichrom oder Gold als Metall) und aufgedruckte "leitende" Farbe oder Pasten (wie z. B. beliebige der erhältlichen - häufig eine Polymermatrix - die entweder Grafit oder ein Metall wie Silber oder Nickel in Partikelform tragen; Acheson Colloids liefert eine kohlenstoffhaltige und eine silberhaltige Paste unter der Bezeichnung ELETRODAG 6016SS bzw. 473SS). Die Schicht aus diesem Material kann entweder auf der kapazitiven Schicht aufliegen oder unmittelbar auf dieser ausgebildet sein (wenn die letztere fest ist), während die ohmsche Schicht, wenn die kapazitive Schicht beispielsweise ein Luftspalt ist, aus einem anderen massiven Isoliersubstrat gebildet sein kann (dies ist der Fall in dem oben erwähnten Mikrofonbeispiel und wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erörtert).
Wenn man Änderungen der Dicke in bezug auf die notwendigen CR-Änderungen ignoriert (dies wird nachfolgend erörtert), dann kann die Dicke für die einzelnen ohmschen Schichten zwischen der einer monomolekularen Beschichtung, wie sie durch Vakuumaufdampfungsmethoden erzeugt wird (im Dickenbereich von 0,01 Mikrometer) und mehreren Millimetern (oder sogar Zentimetern) variieren. Sehr dünne ohmsche Schichten werden in Bauelementen benötigt, die eine niedrige Kapazität haben, wie z. B. Kondensatormikrofone, während dicke ohmsche Schichten für Bauelemente benötigt werden, die beträchtliche Leistungsmengen verarbeiten, wie beispielsweise ein SONAR-Projektor. In einer Struktur aus mehreren gleichartigen Schichten würden die Einzel- und Gesamtdicken für die ohmschen Schichten derselben Art von Beschränkung unterliegen, wie dies oben für die kapazitiven Schichten angeführt wurde.
Neben der Seite der (oder jeder) kapazitiven Schicht, die der jeweiligen ohmschen Schicht gegenüberliegt, befindet sich die benötigte elektrisch leitende Schicht. Diese leitende Schicht ist gewöhnlich eine Schicht aus einem guten Leiter - einem Material mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, und das erfindungsgemäße Bauelement wird größtenteils nachfolgend so erläutert, als wenn dies der Fall wäre. In der Tat ist es jedoch möglich, daß die leitende Schicht eher wie die ohmsche Schicht und somit ein schlechter Stromleiter ist, vorausgesetzt, daß sie nicht zuläßt, daß elektrische Signale an die kapazitive Schicht angelegt oder von dieser abgenommen werden. In Ausgestaltungen, in denen die leitende Schicht tatsächlich eine zweite ohmsche Schicht ist, da kann natürlich auch dies zur Abstimmung des CR-Wertes des Bauelementes beitragen, um die gewünschte Keulenbreitenregelung in Abhängigkeit von der Signalfrequenz zu erreichen. Ein Beispiel hierfür wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen näher beschrieben.
Die leitende Schicht kann aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material hergestellt und auf oder neben der Seite der relevanten kapazitiven Schicht auf eine beliebige geeignete Weise aufgebaut und festgehalten werden. So kann das leitende Material eine auf geeignete Weise getragene leitende Farbe oder ein metallhaltiger Harz sein (beispielsweise ein geeignetes ELECTRODAG- Material), ist aber vorzugsweise ein Metall wie Aluminium, Gold, Kupfer oder Silber. Die Schicht aus diesem Material kann auf der kapazitiven Schicht aufliegen oder unmittelbar auf ihr ausgebildet werden (wenn die letztere fest ist), während die leitende Schicht, wenn die kapazitive Schicht beispielsweise einfach ein Luftspalt ist, aus einer anderen festen Auflage ausgebildet sein kann, wenn sie nicht selbsttragend ist.
Eine typische Dicke für die leitende Schicht ist 0,1 mm, aber ein geeigneter Dickenbereich läge zwischen 0,01 mm und 1 mm. Im allgemeinen kann jedoch die Schichtdicke zwischen der einer monomolekularen Beschichtung (im Dickenbereich von 0,01 mm) und mehreren Millimetern (oder sogar Zentimetern) variieren.
Die Gesamtgrößen und -formen des erfindungsgemäßen Bauelementes können praktisch vollkommen nach Belieben gewählt werden. In einem Mikrofon könnte das Element eine Scheibe mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern bis zu mehreren Zentimetern sein, während in einem herkömmlichen Lautsprecher das Element eine Scheibe oder ein Rechteck mit einem Durchmesser von mehreren Zentimetern bis möglicherweise einem Meter oder mehr sein könnte (und bei einem gewöhnlichen Bändchenlautsprecher könnte das Element ein Bändchen oder Band mit einer Länge von Dutzenden von Zentimetern und einer Breite von mehreren Millimetern sein).
Das erfindungsgemäße Bauelement ermöglicht, wenn es als aktives Element eines akustischen Wandlers benutzt wird, die Regelung der Richtwirkung des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz. Dies wird dadurch erzielt, daß entweder der Signalwegwiderstand der ohmschen Schicht oder die Kapazität der dielektrischen Schicht oder beide in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt wird/werden, um einen positionsabhängigen CR- (Zeitkonstanten-) Wert zu erzeugen, der dem Element die gewünschten frequenzgängigen Richtungseigenschaften verleiht. Dies wird nachfolgend ausführlicher erörtert; hier sei jedoch gesagt, daß eine Änderung des Oberflächenwiderstandes (erzielt durch eine geeignete Ausbildung der ohmschen Schicht auf eine solche Weise, daß entweder ihre Zusammensetzung oder ihre Dicke oder ihre physikalische Anordnung entsprechend geändert wird), so daß der Widerstand pro Einheitsdistanz von der Mitte des Elementes linear nach außen abfällt, zur Erzeugung der gewünschten Direktionalität eingesetzt werden kann - möglicherweise unter Beibehaltung der Rundstrahlung oder alternativ einer konstanten Keulenbreite - über einen begrenzten, aber geeignet breiten Frequenzbereich (ein ähnlicher Effekt kann durch eine entsprechende Änderung der Kapazität der dielektrischen Schicht erzielt werden). In einem Beispiel wird der Widerstand dadurch geändert, daß sie als Netzwerk ausgebildet wird - eine Struktur von Löchern in einem Netz aus einem schlecht leitenden Material - wobei sich das Verhältnis zwischen Löchern und Material mit der Distanz von der Mitte der Einheit entsprechend ändert. In einem anderen Beispiel, das in den Begleitzeichnungen veranschaulicht ist, wird der Einheitswiderstand der Schicht durch progressives Verdicken derselben von ihrer Mitte nach außen reduziert.
Es war die Entstehung örtlich reagierender Wandlungsmaterialien (wie z. B. der piezoelektrische Kunststoff Polyvinylidenfluorid), die ursprünglich das Konzept der vorliegenden Erfindung inspirierte, und die einfachste Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wandlerelementes wäre eine scheibenartige Schicht aus einem piezoelektrischen Material wie beispielsweise PVDF, das auf einer Seite metallisiert ist und auf der gegenüberliegenden Seite eine ohmsche Schicht trägt, wobei in der Mitte der gegenüberliegenden Seite ein einzelner elektrischer Anschluß vorgenommen wird (ein solcher Fall ist schematisch in Fig. 1 der Begleitzeichnungen dargestellt). Die Kapazität pro Einheitsbereich eines solchen Bauelementes mit konstanter Dicke wäre überall gleich. Der Widerstand von dem einzelnen Anschlußpunkt ist jedoch an den Rändern der Scheibe größer als an ihren Punkten in der Nähe des mittleren Anschlusses. Jeder Teil des Wandlerelementes hat somit einen anderen CR-Wert. Die Wirkung davon, daß jeder Teil des Elementes ein CR-Kreis ist, besteht darin, daß der Nettobeitrag zur Gesamtreaktion jedes Teils des Elementes um einen Exponentialfaktor reduziert wird, der anhand des Produktes aus Frequenz und CR-Wert (d. h. in der Form e-ωRC) ermittelt wird, im wesentlichen auf dieselbe Weise wie bei einem gewöhnlichen Kondensator/Widerstandsschaltkreis. Da die CR-Werte für die Teile an den Rändern des Elementes größer sind als die für die Teile in der Nähe des mittleren Anschlusses, wird die Reaktion dieser weiteren Teile schneller reduziert als die Frequenz zunimmt; mit anderen Worten, die effektive Größe des Wandlerelementes "schrumpft" mit zunehmender Frequenz. Dasselbe Prinzip kann natürlich auch auf Wandlungselemente angewendet werden, bei denen die kapazitive Schicht nicht piezoelektrisch ist (z. B. kapazitive "elektrostatische" Elemente). Auf diese Weise bietet die Erfindung ein Mittel zur "Ausblendung" des Ausgangs über die Fläche eines Wandlerelementes in Abhängigkeit von der Position. Diese Ausblendung verändert sich ebenfalls in Abhängigkeit von der Frequenz, so daß die Richtwirkung des Wandlers über eine definierte Bandbreite geregelt werden kann.
Ein Wandlerelement kann unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials als kapazitive Schicht oder unter Verwendung eines einfachen nichtaktiven dielektrischen Materials als kapazitive Schicht zusammen mit einer Schicht aus einem aktiven Material (z. B. eine piezoelektrische Plastik- oder Keramikschicht) geschaffen werden, die sich beide in Kontakt mit der ohmschen Schicht befinden. Außerdem kann, da die in der ohmschen Schicht fließenden Ströme auf dieselbe Weise ausgeblendet werden wie die Spannungen, ein Wandlerelement auch dadurch hergestellt werden, daß der kapazitive/ohmsche Verbundstoff in ein Magnetfeld (wie beispielsweise in einem Bändchenlautsprecher) gesetzt wird.
Die gewünschte Regelung der Richtungseigenschaften wird durch Anpassen der Art und Weise bestimmt, in der sich der CR-Zeitwert mit der Position ändert. Wie oben bemerkt, läßt sich diese CR-Veränderung möglicherweise am einfachsten dadurch bewirken, daß gewährleistet wird, daß sich der Signalwegwiderstand linear mit der Distanz vom Anschlußpunkt ändert. Wird jedoch eine größere Variation benötigt, dann ist es möglicherweise am einfachsten, den elektrischen Widerstand pro Einheitslänge der ohmschen Schicht auf geeignete Weise mit ihrer Distanz vom Anschlußpunkt zu verändern, indem beispielsweise entweder die physikalische Anordnung, die Dicke oder die Zusammensetzung der Schicht variiert wird. Es könnte aber auch genausogut die Kapazität pro Einheitsbereich der dielektrischen Schicht in Abhängigkeit von der Position geändert werden, indem auf geeignete Weise die Dicke der dielektrischen Schicht, ihre physikalische Anordnung - in einer Struktur aus beabstandeten Linien oder einem Netzwerk von Löchern - oder auch die chemische Zusammensetzung des Materials geändert würde.
Der empfindlichste Bereich des Wandlerelementes ist um den Anschluß der ohmschen Schicht herum zentriert. In der einfachsten Ausgestaltung wird ein einzelner solcher Anschluß in der Mitte des Elementes vorgenommen, aber es ist auch durchaus möglich, stattdessen so etwas wie ein Feld von nebeneinander angeordneten kleineren Elementen zu benutzen, so daß viele solcher Anschlüsse über die gesamte Oberfläche eines großflächigen Verbundstoffelementes angeordnet werden können. In einem solchen Feld sind alle "Mini"-Wandlerelemente um ihren eigenen Anschußpunkt herum angeordnet. Wenn man dieses Konzept ausweitet, dann wird ersichtlich, daß die kapazitiven Schichten eines solchen Feldes zu einer einzigen kontinuierlichen Schicht kombiniert werden könnten, während die ohmschen Schichten für sich alleine bleiben könnten. Weitergehend sei gesagt, daß Gruppen der einzelnen ohmschen Schichten, die denselben Widerstand haben, teilweise wie in engen konzentrischen Kreisen kombiniert werden könnten, die jeweils ihren eigenen Anschluß haben. Wenn man dies noch weiter führt, dann könnten die ohmschen Schichten auch ein kontinuierliches Ganzes sein, jedoch mit einer Vielzahl von Einzelanschlüssen, die über ihre Oberfläche verteilt sind (ein Beispiel hierfür wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erörtert). Und wenn man das Konzept zu seinem logischen Schluß bringen will, dann wird ersichtlich, daß es möglich ist, vorausgesetzt der spezifische Widerstand der ohmschen Schicht wird geeignet gewählt, eine kontinuierliche leitende Elektrode über einer kontinuierlichen ohmschen Schicht auszubilden, um so in der Tat unendlich viele unendlich kleine, Seite an Seite angeordnete Elemente zu bilden (diese Realisierung der Erfindung hat mit der oben erörterten früheren Version eine einfache elektrische Dualität gemeinsam, da eine ohmsche Elektrode eine serielle und die andere eine parallele Version desselben Schaltkreises ist). Ein Beispiel hierfür wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erörtert.
In einem "feld"-artigen Element kann die effektive Größe der individuellen kleinen Teile größer sein als ihr Abstand (d. h. die kleinen Teile überlappen sich gegenseitig). Außerdem können in einer beliebigen "feld"- artigen Anordnung die individuellen kleinen Teile über den CR-Wert geregelt werden, indem auf geeignete Weise der spezifische Widerstand oder die Kapazität jedes Teils über seine Oberfläche variiert und das Feld insgesamt über den CR-Wert geregelt wird.
Um ein besseres Verständnis dafür zu verleihen, was genau an der Konstruktion eines erfindungsgemäßen Wandlerelementes beteiligt ist, folgt nachstehend eine mathematische Beschreibung eines Beispiels für einen einfachen Wandler des Lautsprechertyps mit ohmschen und dielektrischen Schichten, die räumlich gleichförmig sind.
Man betrachte ein eindimensionales Wandlerelement der Art mit einer an seine Anschlüsse angelegten Wechselspannung. Strom fließt in der ohmschen Schicht vom Anschlußpunkt nach außen. Verschiebungsströme fließen auch durch die kapazitive Schicht.
Die Stromverlustrate von der ohmschen Schicht zur kapazitiven Schicht lautet wie folgt:
und die Spannung an jedem Punkt x in der ohmschen Schicht wird ausgedrückt durch:
Dabei gilt:
R' = Widerstand/Einheitslänge der ohmschen Schicht;
und
C' = Kapazität/Einheitslänge der dielektrischen Schicht.
(1) und (2) haben Lösungen in der folgenden Form:
i = ae-αx (3)
v = be-αx (4)
Man beachte, daß Strom und Spannung in der ohmschen Schicht auf dieselbe Weise ausgeblendet werden. Durch Substituieren von (3) und (4) zurück in (1) und (2) ergibt sich folgendes:
-aα = -bjωC'
-bα = -R'a
d. h. α = ± (jωC'R') (5)
Im Fall eines zweidimensionalen Wandlers beinhalten die Gleichungen, die (1) und (2) entsprechen, folgendes:
i = Stromdichte in der Schicht (A/Einheitsbreite)
C' = Kapazität/Einheitsbereich
R' = spezifischer Oberflächenwiderstand (= Volumenresistivität/Dicke)
Die Lösungen sind sich ähnlich, mit der Ausnahme, daß sie Bessel-Funktionen anstatt komplexer Exponentialfunktionen haben. Das Argument dieser Bessel- Funktionen ist jedoch gleich, und so ist die Längenskala der "Ausblendungs"-Funktion, die den Gleichungen (3) und (4) entspricht, im wesentlichen dieselbe wie der hier analysierte einfachere Fall.
Gleichung (5) impliziert, daß die durch einfache Schichten aus räumlich gleichförmigen elektrischen und ohmschen Materialien geschaffene Ausblendungsfunktion auf einer Längenskala proportional zu 1/ ω variiert. Um konstante Richtungseigenschaften zu erhalten, würde dies verlangen, daß die Längenskala proportional zu 1/ω wäre, so daß die effektive Größe des Wandlers für jede Frequenzverdopplung halbiert würde. Um dies zu erreichen, muß ein gewisses Maß an Ausblendung hinzugefügt werden, indem die Eigenschaften von einer (oder beiden) der dielektrischen/ohmschen Schichten geändert werden. Eine praktische Möglichkeit besteht darin, den spezifischen Widerstand der ohmschen Schicht zu verändern. Es stellt sich heraus, daß für diesen speziellen Fall der Widerstand bzw. die Einheitslänge oder im Fall eines zweidimensionalen Wandlers die Oberflächenresistivität (R') umgekehrt zur Position variieren muß (siehe Anhang);
d. h. R'(x) = R'0/x
Dies kann dadurch erzielt werden, daß entweder die ohmsche Schicht nach außen hin verdickt wird oder die elektrischen Eigenschaften des Materials modifiziert werden.
Man beachte, daß die Richtungseigenschaften eines solchen Wandlers dieselben sind für ihren Einsatz als Sender (Lautsprecher) oder als Empfänger (Mikrofon).
Durch die Erfindung ergibt sich ein Mittel zum Regeln der Richtungseigenschaften bestimmter akustischer Wandler. Die Erfindung ist auf Bereiche anwendbar, bei denen Wandler mit geregelten Richtungseigenschaften und hoher Bandbreite benötigt werden. Vorstellbare Anwendungen sind der SONAR-Bereich, HiFi-Lautsprecher und -Mikrofone, Ultraschallwandler und Unterwasserkommunikation.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend, jedoch nur beispielhaft, unter Bezugnahme auf die schematischen Begleitzeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Bauelementes gemäß der Erfindung;
Fig. 2 eine Ausgestaltung der Erfindung, angewendet auf einen Unterwasserwandler;
Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in der Form eines Kondensatormikrofons;
Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in der Form eines Bändchenlautsprechers;
Fig. 5 eine grafische Darstellung der Art und Weise, in der sich die effektive Größe des einfachen Wandlers von Fig. 1 mit sich ändernder Signalfrequenz ändert;
Fig. 6 und 7 Poldiagramme jeweils für den einfachen Wandler von Fig. 1 und einen herkömmlichen Kolbenwandler, die zeigen, wie sich die Richtungsreaktion mit der Signalfrequenz ändert;
Fig. 8 einen erfindungsgemäßen Wandler aus einem Stapel individueller Wandlerelemente;
Fig. 9 einen erfindungsgemäßen Wandler in der Form eines großflächigen Feldes aus vielen kleinen Wandlerelementen;
Fig. 10 einen erfindungsgemäßen Wandler mit zwei ohmschen Schichten; und
Fig. 11 einen erfindungsgemäßen Wandler mit einer Blattelektrode zum Anschließen der ohmschen Schicht.
Das in Fig. 1 gezeigte Bauelement ist ein Wandlerelement gemäß der Erfindung. Es setzt sich aus drei Schichten zusammen: einer ohmschen Schicht (11) mit konstanter Dicke und gleichförmigem spezifischem Widerstand; einer dielektrischen Schicht (12) mit konstanter Dicke und gleichförmiger dielektrischer Konstante; und einer elektrisch leitenden Schicht (13) mit konstanter Dicke und gleichförmig hoher Leitfähigkeit. Anschlüsse (14, 15) werden an der leitenden Schicht (13) (in der Nähe des Randes der letzteren, obwohl die genaue Position nicht wichtig ist) und an einem Punkt (16) in der Mitte der ohmschen Schicht 11 vorgenommen.
Die Kapazität pro Einheitsbereich eines solchen räumlich gleichförmigen Bauelementes ist überall gleich. Der Widerstand von dem einzelnen Anschlußpunkt 16 ist jedoch am Rand der Scheibe größer als, an ihren Punkten in der Nähe des mittleren Anschlußpunktes, und daher haben Teile in größerem Abstand von diesem Punkt einen anderen CR-Wert. Die Tatsache, daß jedes Teil des Elementes ein CR-Schaltkreis ist, hat zur Folge, daß der Nettobeitrag jedes Teils des Elementes zum Gesamtausgang in Abhängigkeit von der Frequenz am schnellsten dort zurückgeht, wo der CR-Wert am höchsten ist. Da die CR- Werte für die Teile an den Rändern des Elementes größer sind als für die Teile in der Nähe des mittleren Anschlusses, sind diese weiteren Teile die ersten, die mit zunehmender Frequenz einen geringeren Ausgang zeigen; mit anderen Worten, die effektive Größe des Wandlerelementes "schrumpft" mit zunehmender Frequenz (dies wird nachfolgend ausführlicher unter Bezugnahme auf Fig. 5 erörtert).
Das Bauelement von Fig. 2 ist eine Ausgestaltung der Erfindung, die auf einen Unterwasserwandler angewendet wird. Diese Ausgestaltung benutzt eine ohmsche Schicht (21) mit einer Oberflächenresistivität, die so bemessen ist, daß sie zu den Rändern des Wandlers hin abfällt (durch Verdicken der ohmschen Schicht zu den Rändern hin, wie eindeutig gezeigt wird) und einem piezoelektrischen Material als dielektrische Schicht (22). Die piezoelektrische Schicht ist nur auf einer Seite mit Silber metallisiert, um die leitende Schicht (23) zu bilden. Der Wandler wird mit einer geeigneten Vergußmasse (24: punktiert dargestellt) wasserdicht gemacht. Eine ausführlichere Beschreibung dieser Ausgestaltung, einschließlich Konstruktionsberechnungen, befindet sich unter der Überschrift "Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung".
Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung in der Form eines Kondensatormikrofons. Eine dünne leitende Membran (31) bildet eine Platte eines Kondensators, und die andere Platte (32) besteht aus einem ohmschen Material, dessen Oberflächenresistivität von der Mitte des Wandlers zu den Rändern hin linear abfällt. Die Platte 32 ruht in einer Position parallel zur Membranplatte 31 auf einem Isolator (33). Anschlüsse (34, 35) werden an dem Mikrofon in der Mitte der ohmschen Platte 32 und über das leitende Gehäuse (38) des Mikrofons an der Membran 31 vorgenommen. Durch eine geeignete Wahl der spezifischen Widerstandswerte für die Rückplatte 32 unter Verwendung derselben Konstruktionsformel wie die für die bevorzugte Ausgestaltung unten kann ein Mikrofon erhalten werden, das seine Rundstrahleigenschaft über eine wesentlich höhere Bandbreite erzeugt als ein ähnliches Kondensatormikrofon, das nicht erfindungsgemäß hergestellt wurde.
Da die Kapazität eines solchen Mikrofons normalerweise recht niedrig wäre (vielleicht nur ein paar Dutzend Pikofarad), kann sich herausstellen, daß die in der Platte 32 benötigten Oberflächenwiderstände groß sind (in der Größenordnung von mehreren Megaohm pro Quadrat). Solche Oberflächenwiderstände lassen sich am besten mit Hilfe von vakuumbedampften Metallen wie z. B. "Nichrom" erzielen, die auf einer Isolierungsbasis zur Bildung der Rückplatte des Mikrofons aufgebracht werden können.
Fig. 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, dieses Mal in der Form eines Bändchenlautsprechers. Eine dünne Plastikmembran oder ein Bändchen (42) wird zwischen den Polstücken eines Dauermagneten (47) gehalten, so daß die Richtung des Magnetfeldes über die schmale Richtung des Bändchens verläuft. Das Bändchen ist auf einer Seite metallisiert (nicht dargestellt) und trägt eine ohmsche Schicht (41) auf der anderen Seite. Die versilberte Membran wird durch die Polstücke verwirklicht, und einer der Wandleranschlüsse (44) erfolgt an der versilberten Schicht außerhalb des Magnetfeldes. Der andere Wandleranschluß (45) erfolgt an einem Punkt (46) in der Mitte der ohmschen Schicht, er könnte jedoch genausogut an einem Metallstreifen über die Breite des Bändchens vorgenommen werden.
Vom mittleren Anschluß 45, 46 in die ohmsche Schicht fließende Ströme werden gemäß den oben beschriebenen Prinzipien ausgeblendet. Die durch die kapazitive (dielektrische) Schicht 42 zu der versilberten Schicht fließenden Verschiebungsströme nehmen den kürzesten Weg zu der an die versilberte Schicht angeschlossenen Elektrode 44 und fließen somit in einer Richtung parallel zum Magnetfeld. Dadurch wird gewährleistet, daß nur die in der ohmschen Schicht 41 fließenden Ströme eine Kraft erzeugen, die die Membran 42 antreibt und einen Schall erzeugt.
Um zu gewährleisten, daß Ströme in der versilberten Schicht nur in einer Richtung parallel zum Magnetfeld fließen können, kann die versilberte Schicht in Streifen über die Membran gelegt und der externe Anschluß zur versilberten Schicht über eine dicke "Busschiene" am Rand der Membran entlang vorgenommen werden. Da der Aufbau eines typischen Bändchenlautsprechers viel länger und dünner wäre als in Fig. 4 illustriert, sind diese Maßnahmen nicht immer notwendig.
Die grafische Darstellung von Fig. 5 zeigt für einen Wandler des Typs von Fig. 1 die Amplitude der Bewegung auf der Oberfläche des Wandlers (wobei die vertikale oder Y-Achse zwischen 0 und einem Maximum willkürlich mit 1 bezeichnet ist) in Abhängigkeit von der Distanz vom mittleren Anschluß (wobei die horizontale oder Y-Achse in einem Bereich zwischen einem willkürlichen Wert von 3 auf einer Seite und von -3 auf der anderen Seite liegt). Es sind drei Ergebnisse dargestellt für Erregungsfrequenzen in den Verhältnissen von 1 : 4 : 16 (ein Bereich von vier Oktaven), wobei das breiteste Muster (57) der niedrigsten Frequenz, das schmalste (59) der höchsten Frequenz entspricht. Es wird bemerkt, daß sich die Breite des gezeigten Musters für eine Frequenzänderung von jeweils zwei Oktaven oder eine Vervierfachung der Frequenz halbiert (die hier präsentierte mathematische Analyse zeigt, daß die Breite des Reaktionsmusters proportional zur Quadratwurzel der Frequenz sein sollte). Würde stattdessen ein auf beiden Seiten versilbertes reines PVFD-Material verwendet, wie dies gewöhnlich der Fall ist, dann käme es zu keiner Ausgangsänderung mit der Frequenz, selbst bei solchen Wandlertypen, die zum Reduzieren von Randeffekten "apodisiert" wurden.
Die Richtungseigenschaften des Schallfeldes, das durch den in Fig. 1 illustrierten einfachen Wandler geschaffen wurde, sind in Fig. 6 gezeigt, die drei Richtwirkungsmuster grafisch darstellt, die aus dem Helmholz-Integral der in Fig. 5 gezeigten Formeln errechnet wurden. Jede Kurve ist ein Polplot, wobei der Ausgang durch den Abstand vom Original angezeigt wird (auf einer logarithmischen Skala über den Bereich von 30 Dezibel geplottet; die Kreise sind Intervalle von jeweils 10 dB). Die Plots zeigen, daß die Breite der Hauptkeule etwa als Quadratwurzel der Frequenz variiert; die schmalste Keule entspricht der höchsten Frequenz, die breiteste der niedrigsten Frequenz.
Aus dem Plot von Fig. 6 geht hervor, daß es keine Nebenkeulenausgänge gibt; der Grund hierfür ist, daß die einfache Exponentialform der räumlichen Bewegungsverteilung auf der Oberfläche (wie in Fig. 5 gezeigt) nicht an Nebenkeulen erzeugenden Randeffekten leidet. Dies ist jedoch nicht der Hauptzweck der Erfindung, sondern ist einfach ein positiver Nebeneffekt, der sich auch leicht mit einer konstanten (frequenzunabhängigen) Ausblendungsfunktion erreichen ließe, die mit (einfacheren) konventionellen Mitteln erzeugt werden könnte. Die Breite der Hauptkeule wird jedoch nicht auf dieselbe Weise verändert wie mit konventionelleren Wandlern. Wie ersichtlich ist, halbiert sich die Keulenbreite mit jeder Vervierfachung der Frequenz (d. h. ist umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der Frequenz). Der herkömmliche Wandler (apodisiert oder nicht) würde seine Keulenbreite umgekehrt proportional zur Frequenz ändern, wie durch die vergleichbaren Poldiagramme von Fig. 7 dargestellt ist, die sich auf einen einfachen Kolbenwandler beziehen, der praktisch von einem Rundstrahlausgang zu einer schmalen Keule über denselben Frequenzänderungsbereich verläuft. Die Nebenkeulen in Verbindung mit einem einfachen, nicht apodisierten Kolbenwandler ist hier ebenfalls dargestellt, ist aber für die Zwecke der vorliegenden Erfindung nicht relevant.
Zusammenfassend ist zu den Fig. 6 und 7 zu sagen, daß ein herkömmlicher Wandler seine Keulenbreite für eine Frequenzänderung von nur einer Oktave etwa verdoppelt, während die Hauptkeule lediglich dieses einfachen Wandlers der vorliegenden Erfindung seine Breite erst dann verdoppelt, wenn eine Frequenzänderung von zwei vollen Oktaven auftritt. Diese signifikante Reduzierung der Empfindlichkeit der Keulenbreite auf Frequenzänderungen kann im erfindungsgemäßen Wandler noch weiter verbessert werden, indem die Eigenschaften der dielektrischen und/oder ohmschen Schichten in dem aktiven Element des Bauelementes noch feiner abgestimmt werden. In der Tat kann der Wandler, wie im Fall der nachfolgend ausführlicher beschriebenen bevorzugten Hydrofonausgestaltung, mit einer Keulenbreite versehen werden, die effektiv über einen breiten Frequenzbereich frequenzunabhängig ist.
Es sollte übrigens bemerkt werden, daß der Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung größer sein müßte als ein herkömmlicher Wandler, um sich auf diese Weise zu verhalten; es ist nicht möglich, eine schmale Keule bei niedrigen Frequenzen ohne eine geeignet große Apertur zu behalten. Was ausgesagt werden soll ist, daß mit der vorliegenden Erfindung eine geringere Empfindlichkeit für Frequenzänderungen in den Richtwirkungsmustersn ermöglicht wird.
Die erfindungsgemäßen Wandler, insbesondere die piezoelektrischen Arten, können so kombiniert werden, daß sich ein Wandlerstapel ergibt, wie dies bei herkömmlichen Wandlern üblich ist (insbesondere bei SONAR-Wandlern). In diesem Fall ist es möglich, einen Stapel aus verschachtelten Einheiten aus leitender Schicht/ piezoelektrischer Schicht/ohmscher Schicht herzustellen, und jede leitende und ohmsche Schicht treibt zwei piezoelektrische Schichten an, wie dies in Fig. 8 veranschaulicht ist (man beachte, daß abwechselnde piezoelektrische Schichten entgegengesetzt gepolt werden müssen).
Die ohmschen Schichten (wie 81) werden in der Mitte des Stapels (80) aus individuellen Wandlerelementen durch ein mittleres Anschlußelement (88) zu einem gemeinsamen, durch ein Loch in der Mitte des Stapels verlaufenden Anschluß (85) geführt (der mittlere Anschluß 88 ist gewöhnlich eine Gewindeschraube zum Befestigen der individuellen Elemente miteinander). Die leitenden Schichten (83) sind ebenso miteinander verbunden und werden zu einem zweiten Anschluß (84) geführt, sind aber durch die Tatsache von dem mittleren Anschluß 88 isoliert, daß sie kurz vor dem mittleren Loch stoppen. Die piezoelektrischen Schichten (82) sind auf beiden Seiten der ohmschen Schichten entgegengesetzt polarisiert.
Diese Konstruktion ist in existierenden piezoelektrischen Wandlerkonstruktionen überlich, aber dort wären die ohmschen Schichten stattdessen einfache leitende Schichten (und natürlich gibt es in Verbindung mit solchen herkömmlichen Bauweisen keine Richtwirkungsregelung).
Der empfindlichste Bereich eines erfindungsgemäß hergestellten Wandlers ist um den Anschluß der ohmschen Schicht herum zentriert. Es können viele solche Anschlüsse an einem umfangreichen Verbundstoff vorgenommen werden, und durch eine solche Anordnung wird ein "Feld" von Wandlern gebildet, wobei jeder Wandler um seinen eigenen Anschlußpunkt herum angeordnet ist. Eine solche Bauweise ist in Fig. 9 veranschaulicht, die zeigt, wie ein großflächiger Verbundstoffwandler (90), der erfindungsgemäß hergestellt wurde, zum Erzeugen eines Feldes von Wandlern benutzt werden kann, indem einfach mehrere Anschlüsse an der ohmschen Schicht vorgenommen werden. Der Verbundstoff besteht aus einer ohmschen Schicht (91) in Kontakt mit einer piezoelektrischen Schicht (92), auf deren gegenüberliegender Seite sich eine leitende Schicht (93) befindet. Ein gemeinsamer Rückanschluß (94) erfolgt an der leitenden Schicht, und eine Reihe von Anschlüssen (95) wird an der ohmschen Schicht vorgenommen. Jeder der letzteren Anschlüsse bildet tatsächlich einen individuellen Wandler in dem Feld.
Ein solches Feld kann strahlgeformt oder auf andere Weise genau wie individuelle Wandler bearbeitet werden, die ein herkömmliches Feld bilden.
Es sei bemerkt, daß durch sorgfältige Planung der ohmschen Elektrode und der kapazitiven Schicht die individuellen Wandler so hergestellt werden können, daß sie unabhängig (d. h. getrennt) sind oder sich einander überlappen. Es ist ebenfalls möglich, Wandler herzustellen, die sich bei niedrigen Frequenzen überlappen, sich jedoch bei hohen Frequenzen unabhängig verhalten. Die Übergangsfrequenz zwischen diesen beiden Betriebsarten kann dadurch geregelt werden, daß die ohmsche und die kapazitive Komponente in bezug auf den Elementabstand in dem Feld und die benötigte Betriebsbandbreite eingeplant werden.
Fig. 10 betrifft eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der anstatt der Benutzung der vergleichsweise einfachen Struktur einer dielektrischen Schicht (102) mit einer ohmschen Schicht (101) auf einer Seite und einer leitenden Schicht auf einer anderen die leitende Schicht selbst eine ohmsche Schicht (103r) ist, so daß es eine ohmsche Schicht auf jeder Seite der dielektrischen Schicht gibt, wobei die entsprechenden Anschlüsse (104, 105) in der Mitte jeder Schicht vorgenommen würden. Natürlich muß beim Anwenden der relativen Konstruktionsformeln auf eine solche Ausgestaltung der Effekt der ohmschen "leitenden" Schicht 103r berücksichtigt werden.
Die Ausgestaltung von Fig. 11 zeigt, wie der Anschluß (115) an der ohmschen Schicht (111) über eine Elektrode (1151) erfolgen kann, die die gesamte Außenfläche der Schicht bedeckt, so daß eine Kombination aus Elektrode und ohmscher Schicht entsteht, die eine "parallele" Version des häufiger vorkommenden seriellen Falles mit punktförmiger Speisung ist.
In der gezeigten Ausgestaltung mit einer leitenden Schicht (113) mit ihrem Anschluß (114) auf einer Seite der kapazitiven Schicht (112) und einer ohmschen Schicht (111) mit variierender Dicke und dem Anschluß 115 auf der anderen, ist der Widerstand durch die ohmsche Schicht 111 zu den äußeren Teilen der dielektrischen Schicht (112) höher als der der mehr zentralen Teile aufgrund der Dicke der ohmschen Schicht, und somit wächst der Signalweg in Richtung auf seine Peripherie; die Art und Weise, in der diese Widerstandsänderung abgestimmt wird, ergibt die gewünschte Frequenzgangsregelung.

Beschreibung einer bevorzugten Ausgestaltung

Die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung der Erfindung wird auf die Konstruktion eines Wandlers angewendet, der in Wasser im Frequenzbereich von 10 kHz bis 100 kHz arbeiten soll. Der Wandler ist für Empfindlichkeitszwecke so groß wie möglich, er soll jedoch etwa 30&sup0; Keulenbreite über diesen Frequenzbereich halten.
Der Wandler ist so ausgelegt, daß er eine ohmsche Schicht mit konstanter Oberflächenresistivität über einen Radius hat, der der benötigten effektiven Größe bei der höchsten Frequenz entspricht. Danach geht der spezifische Widerstand dieser Schicht durch Verdicken der Schicht zu den Rändern hin zurück und erreicht einen spezifischen Widerstandswert, der dem entspricht, der benötigt wird, um die Keulenbreite bei der niedrigsten Frequenz zu halten. Dies kann durch lineares Ändern der Dicke der Schicht erzielt werden.
Für die Zwecke dieses Beispiels wird davon ausgegangen, daß der effektive Radius des Wandlers durch den Abstand gegeben ist, über den die Ausblendungsfunktion der Gleichungen (3) und (4) oben in der Amplitude von 1 auf 1/e abgefallen ist. Dies impliziert die folgende Formel zum Errechnen des erforderlichen spezifischen Widerstands der ohmschen Schicht:
R' = 2/ωC'r² (6)
wobei r der effektive Radius ist (d. h. eines äquivalenten Kolbens).
Jetzt wird die Größe des äquivalenten Kolbenwandlers, der zur Erhaltung einer Keulenbreite von θ in Radianten (zu den "Halbleistungs"-Punkten) zu erhalten, etwa ausgedruckt durch:
(wobei λ = Wellenlänge des Schalls, und cp = Geschwindigkeit des Schalls).
Die Kombination von (6) und (7) ergibt:
Jetzt kann die ohmsche Schicht so hergestellt werden, daß sie den Erfordernissen des Wandlers gerecht wird. Die Ausblendung der Widerstandscharakteristik wird durch Ändern der Dicke der Schicht bewirkt. Die Kapazität der piezoelektrischen Schicht wird mit 10 uF/m² angenommen. Der mittlere Teil der Schicht hat eine konstante Dicke zu dem Radius, der für die höchste Betriebsfrequenz (100 kHz) erforderlich ist. Bei Anwendung von (7) ist der Radius r dieses Teils mit konstanter Dicke wie folgt:
= 0,0143 m
Der Oberflächenwiderstand in diesem Teil, errechnet gemäß (8) oben, lautet:
= 1,55 kΩ pro Quadrat.
Außerhalb dieser Zone mit konstanter Dicke nimmt die Dicke linear zu, so daß sie der Niederfrequenzanforderung (10 kHz) gerecht wird.
Der Gesamtradius des Wandlers mit (7) beträgt 0,143 m, und der Oberflächenwiderstand in der Nähe des äußeren Randes beträgt gemäß (8) 155 Ω pro Quadrat.
Wird ein Material mit einem spezifischen Widerstand von 1,55 Ωm gewählt, dann impliziert dies eine Dicke von 1 mm für die mittlere Zone (mit konstanter Dicke), die auf 10 mm an den äußeren Rändern zunimmt. Das resultierende Design ist das, das in Fig. 2 schematisch dargestellt ist.
An dieser Stelle sollte bemerkt werden, daß die resultierenden Richtwirkungseigenschaften dieser besonderen Ausgestaltung der Erfindung geringfügige Störungen erleiden, insbesondere an den Enden des Frequenzbereiches des Designs, aufgrund von "Fenster"- Effekten, die durch die finite Größe und die akuten Dickenänderungen der ohmschen Schicht entstehen. Diese Auswirkungen können durch eine empfindlichere Ausblendung (d. h. Formung) der ohmschen Schicht reduziert werden, die möglicherweise die Erhöhung der Gesamtgröße des Wandlers beinhaltet.

Anhang

Die simultanen Differentialgleichungen müssen gelöst werden:
und es muß eine funktionelle Form für R' (x) gefunden werden, so daß die Funktionen V und i nur von xω abhängig sind. Die Substitution von (A2) in (A1) ergibt:
Damit die Ausblendungsfunktion V(x) nur von xω abhängig ist, kann dies wie folgt geschrieben werden:
Dies ist nur unabhängig von ω, wenn R' = R'0/x ist, und daher geschrieben xω = x
oder
Die Lösung dieser Gleichung lautet:
V = AI&sub0; (2 /[jC'R'0X]) + BK&sub0;(2 /[jC'R'0X]) A7
wobei A und B Konstanten und I&sub0; und K&sub0; modifizierte Bessel-Funktionen sind.
Man beachte, daß diese funktionelle Form eine Singularität im Ursprung hat. Hier wäre der Widerstandsgradient unendlich, und der mittlere Anschluß wäre vom Wandler isoliert! Dies ist natürlich auf die Tatsache zurückzuführen, daß mathematisch ein Wandler modelliert wird, der eine konstante Keulenbreite zu willkürlich hohen Frequenzen erhält, was eine willkürlich kleine effektive Größe erfordert. Vorausgesetzt, es wird eine obere Frequenz vorgegeben, tritt eine solche physikalisch nicht realisierbare Singularität nicht auf.

Claims

1. Mehrschichtiges Bauelement, das als aktives Element eines akustischen Wandlers fungiert, der die Regelung der Richtwirkung des Wandlers in Abhängigkeit von der Frequenz zuläßt, wobei das mehrschichtige Bauelement folgendes umfaßt:

eine großflächige Schicht (12) aus einem dielektrischen, kapazitiven Material, das neben einer Seite eine Schicht (11) aus einem ohmschen Material und neben seiner anderen Seite eine Schicht (13) aus einem elektrisch leitenden Material aufweist, wobei elektrische Anschlüsse (14, 15) an der leitenden Schicht (13) und an der ohmschen Schicht (11) vorgenommen werden, so daß ein elektrisches Signal an diese angelegt oder von diesen genommen werden kann; und

wobei die Kapazität pro Einheitsbereich (C) der dielektrischen Schicht (12) oder der Widerstand (R) des Signalwegs durch die ohmsche Schicht (11) oder beide in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt wird/werden, um einen positionsabhängigen CR- (Zeitkonstanten-) Wert zu erzeugen, der dem Element die gewünschten frequenzgängigen Richtungseigenschaften verleiht.

2. Mehrschichtiges Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mehr als ein Satz an leitenden, kapazitiven und ohmschen Materialschichten (83, 82, 81) vorhanden ist, die eine Struktur (80) aus mehreren Schichttripletts bilden und jeweils Rücken an Rücken mit ihren Nachbarn angeordnet und entgegengesetzt zu diesen polarisiert sind.

3. Bauelement mit mehreren gleichartigen Schichten nach Anspruch 2, das bis zu einem Dutzend leitender/ kapazitiver/ohmscher Schichttriplets (83, 82, 81) aufweist.

4. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die kapazitive dielektrische Schicht (12, 82) ein Gas, ein festes, aber flexibles dielektrisches Material oder ein festes, aber starres selbsttragendes Material ist.

5. Mehrschichtiges Bauelement nach Anspruch 4, bei dem die kapazitive Schicht (12, 82) Luft, ein flexibles Plastikmaterial oder ein Keramikmaterial ist.

6. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dort, wo die kapazitive Schicht (12, 82) ein Feststoff ist, die ohmsche und die leitende Schicht (11, 81; 12, 82) physikalisch von dieser getragen werden.

7. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die kapazitive Schicht (12, 82) in dem Sinne aktiv ist, daß die benutzte Schicht nicht nur die Aufgabe hat, einfach einen Kapazitätseffekt zu bewirken, sondern tatsächlich für die Bewegung verantwortlich ist, die den Energieumwandlungsprozeß erzeugt.

8. Mehrschichtiges Bauelement nach Anspruch 7, bei dem die kapazitive Schicht (12, 82) aus einem piezoelektrischen Material hergestellt ist.

9. Mehrschichtiges Bauelement nach Anspruch 8, bei dem das piezoelektrische Material ein Keramikmaterial oder Polyvinylidenfluorid ist.

10. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dort, wo die kapazitive Schicht (12, 82) ein festes aktives Material ist oder enthält, das ein steifes (d. h. nicht örtlich reagierendes) Material enthält, die Schicht schachbrettartig verschachtelt ist, um das Material örtlich reaktiv zu machen, da jeder einzelne kleinere Teil des Elementes unabhängig von den anderen Teilen agiert.

11. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dort, wo die gewünschte Richtwirkungsregelung dadurch erzielt wird, daß die ohmsche Schicht (11, 81) so ist, daß der Signalwegwiderstand durch diese in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt wird, der spezifische Widerstand der ohmschen Schicht über das Element gleichförmig ist, und es ist der Widerstand des Signalwegs zum Anschlußpunkt, der das gewünschte Maß an Positionsabhängigkeit schafft.

12. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem dort, wo die erforderliche Richtwirkungsregelung dadurch erzielt wird, daß die ohmsche Schicht (11, 81) so ist, daß der Signalwegwiderstand durch diesen in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt ist, der effektive spezifische Widerstand der ohmschen Schicht angemessen über das Element variiert wird, um das gewünschte Maß an Positionsabhängigkeit zu schaffen.

13. Mehrschichtiges Bauelement nach Anspruch 12, bei dem die Variation des effektiven spezifischen Widerstandes dadurch erzielt wird, daß die chemische/molekulare Zusammensetzung des Materials oder die Dicke des Materials oder die physikalische Anordnung variiert wird.

14. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem dort, wo die erforderliche Richtwirkungsregelung dadurch erzielt wird, daß die kapazitive Schicht (12, 82) so ist, daß deren Kapazität in Abhängigkeit von der Position über das Element abgestimmt wird, die dielektrische Eigenschaft der Schicht den Variationen in der chemischen/molekularen Zusammensetzung des Materials entspricht, oder durch Variationen in der Dicke oder der physikalischen Anordung, wodurch das benötigte Maß an Positionsabhängigkeit geschaffen wird.

15. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die elektrisch leitende Schicht (13, 83) eine Schicht ist, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.

16. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der es wenigstens eine Schicht (12) aus inaktivem kapazitivem Material gibt, die eine ohmsche Schicht (11) neben einer Seite und neben der von der kapazitiven Schicht entfernten Seite der ohmschen Schicht (11) eine Schicht (82) aus piezoelektrischem Material aufweist, die ein aktives Wandlungselement bildet.

17. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die oder jede kapazitive Schicht (12, 82) inaktiv ist und das Element für den Betrieb in ein Magnetfeld gesetzt wird, das mit signalderivierten Strömen zusammenwirkt, die in dem Element generiert werden.

18. Mehrschichtiges Bauelement nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich das Element (90), tatsächlich oder effektiv, aus einem großflächigen Feld von nebeneinander angeordneten kleineren Elementen zusammensetzt und jedes solches kleinere Element seine eigenen elektrischen Signalspeise- (95) und Abnahmeanschlüsse besitzt.

19. Wandler für jeder Nutzung eines mehrschichtigen Bauelementes nach einem der vorherigen Ansprüche.