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Aus mehreren Einzelplatten bestehendes piezoelektrisches Kristallsystem,
insbesondere für Schallaufnahme und -wiedergabevorrichtungen Die Erfindung bezieht
sich auf ein piezoelektrisches Kristallsystem, das sich insbesondere für Schallaufnahme-
und Schallwiedergabevorrichtungen eignet und das aus mehreren Einzelplatten, die
bezüglich ihrer Kristallachse verschiedenartig gerichtet sind, besteht.
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Es ist bekannt, daß man durch Kombination von piezoelektrischen Kristallplatten,
welche hinsichtlich der Kristallachsen verschiedenartig gerichtet sind, besonders
starke piezoelektrische Effekte hervorrufen kann. Die nach Art der üblichen Membranen
oder Biegeplatten hergestellten Kristallgebilde haben für Schallaufnahme- oder -wiedergabevorrichtungen
bereits allgemein Verwendung gefunden. Man ist dabei von den nur auf Druck bzw.
auf Zug beanspruchten Kristalleinfachplatten abgewichen, da ihre elektrische Wirkung,
d. h. ihre Fähigkeit, Schalldrücke in elektrische Potentiale oder umgekehrt angelegte
Potentiale in Schalldrücke umzusetzen, gering ist.
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Gegenüber _den bekannten kompositären Kristallsystemen, bei denen
diese elektrische Wirkung außerordentlich gesteigert ist, besitzen die Einfachplatten
aber den großen Vorteil, daß die Spannungsverteilung und damit auch die Spannungsabhängigkeit
linear über den gesamten Querschnitt der Einfachplatten verteilt ist, wie es in
dem Schaubild in Abb. r für die beispielsweise auf Druck beanspruchte Einfachkristallplatte
dargestellt ist.
Bei den bekannten zusammengesetzten Kristallgebilden
findet infolge der verschieden gerichteten Achsen der aufeinandergeklebten Platten
eine Verbiegung und Verdrehung de=, gesamten Kristallsystems statt, so daß die Doppelplatten
gleichzeitig auf Druck und Zug beansprucht «erden. Diese Tatsache bewirkt aber,
wie es aus dem Schaubild (Abb. 2 ersichtlich ist, eine quadratische Spannungsverteilung
innerhalb des Systems.
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Während also die Einfachplatte nur auf Druck beansprucht wird und
infolgedessen eine lineare Spannungsabhängigkeit aufweist, ist sie für Schallumsetzungsvorrichtungen
nicht geeignet, weil ihre elektrischen Wirkungen zu gering sind und ihre Eigenschwingungen
weit außerhalb des Hörbereiches liegen und ungefähr i oo ooo Hz betragen können.
Bei den auf Biegung beanspruchten kompositären Systemen läßt sich der -Wirkungsgrad
zwar außerordentlich steigern, aber die Spannungsabhängigkeit verläuft quadratisch,
und die Resonanz des Systems liegt im Hörbereich, so daß innerhalb des Hörbereiches
selbst die scharfen Resonanzspitzen auftreten, deren Beseitigung auf elektrischem
Wege kaum möglich ist.
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Die bei diesen Systemen trotzdem mögliche mechanische Verlegung der
Resonanzstellen außerhalb des Hörbereiches :erfordert entweder sehr dicke Platten
oder sehr kleine Platten, so daß der Wirkungsgrad in jedem Fall erheblich zurückgehen
würde. Die durch die quadratische Spannungsabhängigkeit und die- mechanischen Halterungen
hervorgerufenen Biegeverluste und die bei den Biegebeanspruchungen besonders bei
Lautsprechern auftretenden Ermüdungserscheinungen stellen weitere Nachteile dar,
-die für die bei den bekannten piezoelektrischen komposit.ären Schallsystemen auftretenden
linearen und nichtlinearen Frequenzverzerrungen verantwortlich sind und sie für
die qualitativ immer höher steigenden Ansprüche bei der Schallwiedergabe und -aufnahme
ungeeignet erscheinen lassen.
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Durch die Erfindung werden die oben geschilderten Nachteile vermieden.
Die Spannungsabhängigkeit des Systems verläuft dabei linear, obgleich die elektrischen
Wirkungen gegenüber den bekannten Systemen noch gesteigert sind, und die Resonanz
liegt außerhalb und in der Nähe des Hörbereiches, so daß der gleichmäßige Verlauf
der Frequenzkurve innerhalb des Hörbereiches gewährleistet ist.
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Gemäß der Erfindung sind bei einem aus mehreren Einzelplatten bestehenden
piezoeIektrischen Kristallsystem dreieckförmige Kristallplatten in solcher Orientierung
zu einer mechanischen Einheit in Form einer Doppelpyramide fest zusammengefügt,
daß bei Ausübung eines zu einer Verflachung oder Zuspitzung der Pyramide führenden
Drucke bzw. Zuges auf das Kristallsystem elektrische Spannungen gleichen Richtungssinnes
entstehen bzw. umgekehrt, daß beim Anlegen einer elektrischen Spannung an das Plattensystem
gleichgerichtete Längenänderungen eintreten, die zu einer Verflachung oder Zuspitzung
der Pyramide führen. Das Kristallgebilde braucht dabei nur an einem Punkt, z. B.
an der Spitze der Hauptachse, gelagert zu sein.
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Ein derartiges Kristallgebilde von der Form zweier mit der Grundfläche
aufeinandergesetzter Pyramiden kann man z. B. in einfacher Weise aus einem Doppelkristallplattensystem
mit quadratischer Abhängigkeit herstellen, indem man die Kristallplatten längs der
beiden Diagonalen aufschneidet und die vier von jeder Platte entstehenden Kristalldreiecke
von dem Mittelschnittpunkt der beiden Diagonalen aus nach oben und unten auseüianderzieht,
so daß zwischen den Kristallplatten sich ein Hohlraum in Form einer Doppelpyramide
bildet. Die Polarität der Belegungen der einzelnen Platten l,äßt sich dabei in bekannter
Weise leicht bestimmen und entsprechend schalten.
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Die Wichtigkeit der Erfindung liegt vor allem darin, daß es durch
ein Kristallgebilde gemäß der Erfindung möglich ist, beispielsweise ein Schallsystem
zu bauen, dessen -Spannungsabh:ängigkeit linear ist und durch das eine beträchtliche
Steigerung der Güte der elektroakustischen Einrichtungen erreicht werden kann. `
In Abb.3 ist beispielsweise das Verhalten einer ebenen b-c-Kristallplatte beim Anlegen
einer Spannung dargestellt und in Abb. q. das Verhalten eines gemäß der Erfindung
gestalteten Kristallgebildes bei der gleichen angelegten elektrischen Spannung.
Während die b-c-Platte sich beim Anlegen der Spannung in Form der gestrichelten
Linie verzieht, tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung infolge der in den Plattenebenen
auftretenden Druck- und Zugbeanspruchungen der Platten eine gleichzeitige Senkung
und Verbreiterung der Pyramide ein.
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In Abb.5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Doppelpyramidenkristallgebildes
aus mehreren Einfachplatten gemäß der Erfindung dargestellt, wobei die ausgezogenen
Linien die Normalstellung und die gestrich.-I-ten die Auslenkstellung des Kristallsystents
beim Anlegen einer elektrischen Spannung bzw. Wirkung eines Druckes darstellen.
Abb. 5 zeigt das Kristallsystem in zusammengedrück- i tem und Abb. 6 in auseinandergezogenem
Zustand, wobei jeweils die entgegengesetzte elek-
Irische Spannung.
an das Kristallsystem gelegt worden ist bzw. entsteht. Die ausgezogene Linie stellt
in beiden Abbildungen jeweils den spannungslosen Normalzustand dar.
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Die Anwendungsmöglichkeit dieses linear abhängigen Kristallsystems
gemäß der Erfindung beschränkt sich aber durchaus nicht auf Seignettesalzplatten.
Es ergeben sich dieselben Vorteile bei den Quarzkristallen. Insbesondere bei den
Quarzkristallen bietet sich infolge der erhöhten Festigkeit des Quarzes die Möglichkeit,
sehr dünne Plattengebilde mit starker elektrischer Wirkung auszuführen und die Eigenfrequenz
in einen besonders günstigen Bereich zu legen.
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Ferner lassen sich derartige Kristallgebilde mit Vorteil zur Druckmessung,
Erschütterungsmessung o. dgl. verwenden. In Abb. 7 ist ein als Erschütterungsmesser
ausgebildetes Kristallgebilde i gemäß der Erfindung dargestellt, -das von einer
trägen Masse 2 umschlossen und von einer Taste 3 über die Membran ¢ die Erschütterungen
auf das System i weiterleitet und in entsprechende elektrische Impulse umwandelt.
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Abb. S zeigt dasselbe Kristallgebilde als Druckmesser,- wobei in dem
luftdicht abgeschlossenenDoppelpyramidenki-istallsystemder zu messende Luftdruck
wirkt und das System so mehr oder weniger in seiner Hohlraumachsenlänge vergrößert
wird. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, den Hohlraum abzuschließen und den
zu messenden Gasdruck von außen auf das System wirken zu lassen. Die auf diese Weise
entstehenden elektrischen Spannungen bilden ein direktes Maß für den innerhalb bzw.
außerhalb des Hohlkörpers herrschenden Gasdruck. .' Die Möglichkeit, das Kristallgebilde
nach der Erfindung punktförmig zu lagern, gewinnst erhöhte Bedeutung bei der Verwendung
als Oszillator, da es bisher durch die übliche Art der Halterung nicht möglich war,
das piezoelektrische System ohne Verstimmung und ohne Dämpfungserhöhung als Oszillator
zu verwenden. Dieser Vorteil wirkt sich insbesondere bei Seignettesalz aus, das
wegen seiner hohen Dielektrizitätskonstanten zwd.-schen Kristallplatten und Elektroden
keinen Luftspalt zuläßt.
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Ferner bietet sich durch die beliebige Form der Hohlraumgestaltung
eine bisher mit keiaem System erreichte Güte bei der Verwendung als Mikrophon, da
hier einmal eine fast ideale Annäherung an die Punktförmigkeit der Aufnahmequelle
erreicht werden kann, zum anderen Mal, da durch die günstigen strömungstechnischen
Verhältnisse und .die sehr kleinen Abmessungen dieses Kristallgebildes jegliche
Wirbelbildung und Frequenzverzerrung vermieden wird. Aber auch bei der Verwendung
als piezoelektrischer Tonabnehmer bieten sich große Vorteile gegenüber den bekannten
Systemen, da. wegen der leichten punktförmigen Lagerung, der Kleinheit und der linearen
Arbeitsweise des Kristall: gebildes gemäß der Erfindung die Schwierigkeiten der
Resonanzfrequenzen und der Amplitudendämpfung behoben werden können.