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Schallgerät mit piezoelektrischen Doppelplatten Die Erfindung bezieht
sich auf ein Schallgerät mit sich nach Art einer Sattelfläche deformierenden piezoelektrischen
Doppelplatten, das sich insbesondere als Mikrophon oder Lautsprecher eignet. Das
Schallgerät läßt sich mit Vorteil in Fernsehgeräten, in Geräten zur Aufnahme und
Wiedergabe von Schallaufzeichnungen und in sogenannten Konferenzsystemen verwenden.
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Bei piezöelektrischen Lautsprechern oder Mikrophonen mit quadratischen
oder rechteckigen, sich nach Art einer Sattelfläche deformierenden Doppelplatten
erfolgt die Hal-, terung des Plattensystems allgemein an drei Eckpunktender Kristallplatten,
während ,der Schallkonus mit seiner Spitze an der vierten, freischwingenden Ecke
befestigt ist. Die Stützen der drei Eckpunkte sind elastisch, müssen aber jede Bewegung
in Richtung der Plattennormale unterdrücken, damit an der freischwingenden vierten
Plattenecke beim Anlegen einer Spannung an das System :der maximale Amplitudenausschlag
erfolgt. In diesem Falle würden sich die Bewegungen der freien Plattenecke und der
ihr gegenüberliegenden Ecke additiv auf die Spitze des Schallkonus übertragen.'
Wegen der unvollkommenen Elastizität er Stützen wird jedoch ein Teil der Energie
nutzlos durch die Biegearbeit der Stützen in Wärme verwandelt, da die Unterdrückung
der Schwingungen in der Plattennormale niemals endgültig beseitigt ist. Andererseits
bedingen die Stützen durch ihre Eigenresonanz einen zusätzlichen Klirrfaktor, der
das übertragene Klangbild erheblich fälschen kann. Das Schallgerät wird
außerdem
durch die notwendige, exzentrische Befestigung und Anordnung des Schallkonus an
nur einer Kristallecke unhandlich und empfindlich gegen Schwingungen oder andere
mechanische Einflüsse, so daß es sich für einen gedrängten Einbau nicht eignet.
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Gemäß der Erfindung werden alle Nachteile dadurch vermieden, daß zwei
gegenüberliegende Ecken des aus rechteckigen oder quadratischen Doppelplatten bestehenden
Plattensvstems an der Knickkante einer Konusmembran, deren Spitze in den Innenraum
der Membran gestülpt ist, befestigt sind, während die beiden anderen Ecken des Plattensystemes
ohne Halterungen frei beweglich angeordnet und durch Massegewichte beschwert sind,
und daß das ganze Plattensystem ohne irgendwelche zusätzliche Halterungen nur von
der Schallmembran getragen ist.
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Durch diese Maßnahme können die von den bisher üblichen festen oder
elastischen Stützen der Plattenecken herrührenden, ungünstigen Frequenzbeeinflussungen
undDämpfungserscheinungen nicht mehr auftreten, zumal durch die besondere Formgebung
der beschwerenden Massegewichte die Bewegung der freiliegenden Plattenecken in ,den
nicht gewünschten Richtungen leicht unterdrückt werden kann.
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Infolge dieser Massebeschwerung auf den beiden freien Plattenecken
ist wegen des relativ großen Hebelarmes von der .Mitte des Plattensystems bis zu
den beschwerten Ecken, die erforderliche Kraft zum Schwingen dieser Ecken in Richtung
der Plattennormale groß, während für die Torsionsschwingungen der Ecke der Plattenebene
bzw. der Richtung der Diagonale nur kleine Kräfte nötig sind. Damit werden aber
die Schwingungen in Richtung der Plattennormale um so mehr unterbunden, je größer
die Gewichte sind und je weniger ihre seitliche Ausdehnung parallel der Plattenebene
beträgt. Ein Energieverlust durch Wärmeumwandlung beim Biegen der Stützen kann bei
dieser Anordnung nicht mehr eintreten, da die Energie in der Masse als potentielle
Energie gespeichert wird, so daß durch den Wegfall der Biegearbeit usw. eine weitere
zusätzliche Amplitudensteigerung, d. h. ein größerer Wirkungsgrad, erzielt wird.
Durch die Verbindung beider gegenüberliegender Plattenecken mit der Schallmembran
sind die auf die Schallmembran wirkenden Kräfte von jeder einzelnen Ecke nur halb
so groß wie die Kraft der bei Dreipunktbefestigung einzelnen, freischwingenden Ecke
auf die Spitze der Schallmembran. Die maximale Durchbiegung ist aber von der Plattendicke
abhängig, und es können, da bei -der Zweipunktbefestigung ungefähr nur die halben
Kräfte von jeder Ecke bei einer gegebenen Gesamtkraft auf die Schallmembran wirksam
sind, dünnere Platten bei gleicher Leistung des Systems verwendet werden.
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Die Zone erhöhter Membransteifiglceit des Schallabstrahlers, an der
die zwei gegenüberliegenden Plattenecken des Systems angreifen, wird z. B. bei der
Konusmembran in einfacher Weise durch Umstülpen der Konusspitze in den Innenraum
der Konusmembran erreicht, so daß an der Knickkante eine krei sförmi:ge Zone erhöhter
Membransteifigkeit entsteht. Die Schallmembran hat von außen nun die Form eines
Kegelstumpfes, dessen kleinerer Durchmesser dabei gleich oder größer als die Diagonale
des Plattensystems, das mit zwei gegenüberliegenden Ecken an der kreisförmigen Kante
befestigt ist, sein muß.
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An Hand der beiliegenden Zeichnung soll der Gegenstand der Erfindung
näher erläutert werden.
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Abb. i a und i b stellen die erfindungsgemäße Anordnung des piezoelektrischen
Doppelplattensys.tems mit zwei beschwerten Ecken in Verbindung mit einer Schallmembran
in der Draufsicht und Seitenansicht dar.
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Abb. 2 a, 2 b und 2 c veranschaulichen z«-ei verschiedene Befestigungsarten
der Gewichte an den Ecken der Kristalldoppelplatte.
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Abb. 3 a und 3 b zeigen in Drauf- und Seitenansicht die Anordnung
von zwei Plattensystemen, die mit je zwei gegenüberliegenden Ecl.-en an der 1-lembran
symmetrisch befestigt sind.
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-Abb. 4.a und ¢b stellt wiederum die Drauf-und Seitenansicht eines
Plattensystems dar, bei dem zwei gegenüberliegende Ecken über verlängerte Ansätze
mit der Schallmembran verbunden sind.
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In Abb. ia und i b ist die Kristalldoppelplatte i mit ihren gegenüberliegenden
Ecken -2 und 3 an dem Schallabstrahler .I, der aus einer Konusmembran besteht, befestigt.
Die beiden anderen Ecken des Plattensvstems sind durch die Gewichte; und 8 beschwert,
die in der obenbeschriebenen Weise Schwingungen dieser Ecken in Richtung der Plattennormale
unterdrücken bzw. aufspeichern. Die Spitze der Schallmembran d. ist derart in den
Innenraum der Konusmembran eingestülpt, 6a13 eine kreisförmige Membrankante 6 mit
erhöhter Steifigheit entsteht, an der die Befestigungsstellen :2 und 3 des Plattensystems
sich symmetrisch gegenüberliegen. Das Plattensystem wird dabei von der Membran allein
betragen, so, daß das. Schallgerät als Ganzes gesehen den Vorteil eines gedrungenen,
flachen und abgerundeten Aufbaues aufweist gegenüber den bisher bekannten piezoelelktrischen
Schallgeräten mit exzentrischer Befestigung einer Ecke des Plattensystems an der
Spitze der Konusmembran.
Abb. 2 a, ab und 2 c zeigen zwei Befestigungen
der Gewichte 7 und 8 an der Plattenecke. Um den Wirkungsgrad der Pl.attendurchbiegung
zu erhöhen, darf die normale Verziehung der Platten durch ein anliegendes Gewicht
an den Ecken nicht :gehemmt sein. Die Befestigung der beschwerten Masse muß also
möglichst punktförmig erfolgen.
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Abb.2a zeigt in der Draufsicht und Abb.2b in der Seitenansicht ein
Ausführungsbeispiel, bei dein die Plattenecke i2 sich unter der Einwirkung einer
Spannung -ohneeine Hemmung durch das Gewicht verziehen kann, da die Befestigung
des Gewichtes 7 zwischen .den beiden Platten in der neutralen Zone 15, 16, 17 erfolgt.
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Ab. 2 c zeigt eine andere Befestigung des Gewichtes an der Oberfläche-
nur einer Kristallplatte. Durch Vergrößerung der Berührungsfläche i.8 zwischen Gewicht
und Plattenoberfläche in Richtung der Diagonale zum Mittelpunkt hin läßt sich eine
sehr stabile Befestigung der Masse erreichen. Zweckmäßig ist dabei zwischen Gewicht
und der Eckkante ein Spalt ig vorgesehen, um ein freies Verziehen gegeneinander
zu ermöglichen.
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In Abb. 3 sind zwei gleichartige Schwingungssysteme 2o und 21 mit
je zwei gegenüberliegenden Ecken an den vier symmetrisch liegenden Punkten 22, 223,24
und 25 der versteiften, kreisförmigen Membrankante befestigt. Die Krafteinwirkung
auf die Mernbran wird durch die Anordnung zweier Systeme verdoppelt und die effektive
Amplitude der ausgestrahlten Schwingung vergrößert. Es ist bei großem Durchmesser
der kreislinienförmigen Mem:brankante ohne weiteres möglich, noch mehr Kristall,doppelsysteme
mit je zwei Punkten .an der Mernb.rankante zu befestigen und die effektive Amplitude
dadurch noch weiter zu steigern.
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Die Anordnungen nach Abb. q.a und q.b beziehen sich in erster . Linie
auf Mikrophone. Um die von der Membrankante 6 auf die Ecken 2, und 3 übertragene
Schwingungsamplitude zu vergrößern, sind in Abb. ¢a und 4b die beiden gegenüberliegenden
Ecken :2 und 3 des Kristallsystems i über den Hebelanm verlängernde Ansätze 26 und
27 mit der Membrankante 6 verbunden, so daß die Mikrophoneigenschaften.des Schallgerätes
verbessert sind. In allen diesen Ausführungsbeispielen mit Zweipunktbefestigung
des Plattensystems bietet sich aber außerdem die Möglichkeit, durch Anordnung mehrerer
Plattensysteme nebeneinander oder übereinander die Empfindlichkeit des Schallgerätes
noch weiter zu steigern. Zur Verbindung ,der Plattenecken mit den Gewichten und
derb Schallabstrahler ist geschmolzenes Rochellesalz am besten geeignet.
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Durch den Wegfall der durch die Stützen hervorgerufenen Resonanzstellen
ist die Frequenzkurve des Schallgerätes nur noch von _den Eigenschaften d es Plattensystems
und der Schallmembran abhängig. Die Steifigkeit und die Form,der Schallmembran können
in bekannter* Weise an die Bewegungsamplitude der Kristallecken angepaßt werden.
Die beschwerte Masse bewirkt an sich schon eine Bevorzugung .der tiefen Frequenzen.
Durch die Größe und Form der Gewichte kann die Frequenzkurv e aber noch beliebig
verändert werden.- Die Anordnung mehrerer Plattensysteme für verschiedene Eigenschwingungen
an einen und .denselben Schallabstrahler bietet -#vziterhin eine bequeme und billige
Möglichkeit, -die Frequenzkurve auszugleichen. Die mit dem Schallgerät gemäß der
Erfindung erzeugten Spannungen haben bei normaler Sprache in io bis 2o cm Entfernung
mit nur einem Plattensystem den sehr hohen Wert von ungefähr 6 Volt. Es ist somit
möglich, ohne die Zwischenschaltung eines Verstärkers einen direkten Gegensprechverkehr
über Lautsprecher zu erzielen. Das Schallgerät ist als Mikrophon oder Lautsprecher
für magnetophonähnliche Sprechapparate bzw. Konferenzsysteme besonders geeignet,
bei denen entweder ohne oder mit Umschaltung das Rochellesalzplattensystem für Sprechen
und Hören benutzt wird.
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Durch die flache, gedrungene Form und das leicht abschirmbare, streuungsfreie,
piezoelektrische System bietet das Schallgerät nach der Erfindung außerdem noch
besondere Vorteile bei Fernsehempfängern, bei denen jedes Lautsprechermagnetfeld
Störungen im Betrieb hervorrufen würde.