DE894774C

DE894774C - Kapazitiver Koerperschallempfaenger

Info

Publication number: DE894774C
Application number: DER6275A
Authority: DE
Inventors: Werner Dr-Ing Holle
Original assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Current assignee: Rohde and Schwarz GmbH and Co KG
Priority date: 1951-07-06
Filing date: 1951-07-06
Publication date: 1953-10-29

Description

Kapazitiver Körperschallempfänger Für Körperschallmessungen, insbesonderle an Maschinen, Fahrzeugen und Gebäuden, sind neben Anordnungen, die auf dem elektrodynamischen Prinzip beruhen, auch solche bekanntgeworden, bei denen der piezoelektrische Effekt verwendet wird.
Diese Anordnungen sind in ein Gehäuse eingebaut, das fest mit der zu messenden Körperoberfläche verbunden wird. Sie enthalten eine Masse, die infolge ihres Beharrungsvermögens eine Relativebewegung gegenüber dem Gehäuse ausführt, wobei von dieser Relativebewegung nach einem der genannten Prinzipien eine elektrische Spannung her, geleitet wird.
Die Eigenfrequenz der bekannten Anordnungen liegt gim unteren oder höchstens. mittleren Tonfrequenzbereich, wobei im allgemeinen. sehr große Resonanzüberhöhungen auftreten, die das Meßergebnis unter Umständen sehr stark fülschen können. Will man dien gesamten Tonfrequenzbereich erfassen, so muß man mit der Eigenfrequenz heraufgehen und entweder durch eine geeignete Dämpfung, dafür sorgen, daß praktisch keine Resonznzerhöhung auftritt oder aber die Eigenfrequenz so hoch legen, daß sie genügend weit außerhalb Ides aufzunehmenden Frequenzilandes liegt. Im letzten Fall wird der Körperschallempfänger sehr unempfindlich, während das erstere Verfahren, nämlich die Dämpfung,- beim piezoelektri;schen und beim dynamischen Wandler zu Schweierigkeiten führt, wenn gleichzeitig von Idem Empfänger, eine gute Richtungsselektifität gefordert wird.
Die vorstehenden Mängel werden Idurch den kapazitiven Körperschallempfänger nach der Erfindung behoben, der ebenfalls mit seinem Gehäuse auf die zu messende Körperfläche aufgesetzt oder fest mit dieser verbunden wird, indem Ider eine Kondensatorbeleg starr mit dem Gehäuse verbun- den sit und der andere die seismische Mase darstellt. Wird dieser Kondensatorbeleg beispielsweise als Membran aus Metall oder metallisierten Kunstostoff ausgebildet, so ist die seinsmische Masse sehr klein und die Dämpfung kann durch eine Luftreibung erreicht werden. Bei dieser Anondnung ist es mölich, cie Eigenfrequenz so weit zu dämpfen, daß bei elastischer Hemmung der Membran, dei beispielsweise durch ein luftpolster erzielt wird,s ich ein konstantes Übertrangungsmaß (abgegebene Spannung/Bescheunigung) von der Freuqne o bis zur Eigenfreuenz des Systems ergibt. Dadurch ist es erfindungsgemäß möglich, die R ückstellkraft so klei zu halten, wei es für das zu übertragende Frequenzband unbeding nötig ist, so d'aß sich eine optimale Empfindlichkeit ergibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung läßt sich die Dämpfung unter gleichzeitoiger Verringerung der Hemmung, d. h. der Steilfe, so weit erhöhen, daß der kapazitive Wandler vorweigend reibungsgebemmt ist und demzufolge als Geschwinkigkeitsempfänger verwendbar wird, d. h. sich ein konstannrtes Übertragungsmaß (abgegebene Span nung/ertelte Geschwindigkeit) ergibt.
Weitere Merkmale der Erfindung sind aus der nachfolgenden Bleschreibung und der Zeichnung ersichtlich. Es ist dabei in Abb. 1 das Ausführungsbeispiel eines Körperschallempfängers nach der Erfindung wiedergegeben, mit welchem Beschleunigeungsmssungen durchführbar sind. Bei einem aus Abb. 2 ersichtichen Ausführungsbeisepiel ist die Anordnung so getroffen, daß sich Geschwindigkeitsmessungen zustande bringen lassen. Die Abb. 3 und 4 lassen den elektrischen Anschluß der Anordnungen nach den Abb. I und 2 näher erkennen.
Bei der Anordnung nach Abb. 1 besteht der kapazitive Körperschallempfänger aus dem Gehäuse 1, in welchem die Membran 2 durch die Isolationsst2cke 3 und 4 gehalten ist. Das Gehäuse 1 bildet selbet den einen Kondensatorbeleg der kapazitiven Anordnung, dessen anderer Beleg aus der Membran 2 besteht. Ds Gehäuse 1 wird auf die zu messnede körperfläche 5 aufgestzt oder fest mit ihr verhunden.
Die Rückstellkraft der membran wird außer ihrer eingenen steife durch die Steilfigkeit des Luftpolsters 6 gebildet, wobei der Raum 6 einmal aus dem Luftspalz zwischen dem Gehäuse 1 und der Membran 2 und den angedenteten Vertiefungen 7 bis 9 gebildet wird. Führt die membran infolge ihrer 9 gebildet wird. Führt die membran infolge Gehäuse aus, so muß die Luft aus dem Spalt 6 in die Vertiefungen 7 bis 9 einströmen, wodurch eine Reibungsdämpfung erzielt wird. Durch die geeignete Wahl der Spaltbreite 6 und der Vertiefungen 7 bis 9 läßt sichin Verbindung mit der Masse der Membran 2 buie geeigente Eigenfrequenz und eine aperiodische Dämpfung herbeiführen. Der elektrische Anschluß erfolgt an den klemmen 10 und 11.
Auch bei der Anordnung nach Abb. 2 besteht der Schallempfänger aus dem Gehäuse 12 und auch hierbei ist in den isolationsstücken 13 und 14 die Membran 15 gehalten. Das Gehäuse wird wiederum auf die zu messende Körpfläche 16 aufgestzt oder fest mit ihr verbunden.
An Stelle der Vertiefungen bis 9, die bei der Anordnung nach Abb. 1 vorgeshen sind, treten bei der Anordnung nach Abb. 2 die Druchgangslsöscher 17 bis 20 zu dem hohlraum 21. Dadurch wird die elastische Rückstellkraft verringert und durch diese Verringerung der Steilfe die Eigenfrequenz mitten in den Übertragungsbereich geleit, aber durch geeignete Wahl der Lochanordnung glcihzeitig dafür gesorgt, daß eine entsprechen große Luftreibund errcihet wird, derartig, daß die Anordnung praktisch reibungsgehemmt arbeitet. Für den elektrischen Anschulß werden die Klemmen 22 und 23 vorgesehen.
Bei den kapazitiven Wandlern nach den Abb. 1 und 2 bildet das Gehäuse gleichzeitig den einen Beleg des Konensators. Für den elektrischen Anschluß an die übrige Schaltung kann es vortilhauft sein, das Gehäuse und den Kohensatorbeleg elektrisch zu trennen, so daß die beiden nur mechanisch starr verbunden sind. Die Wandler können soweohl in der Niederfrequenzschaltung als auch in einer Trägerfrquenzschaltung verwendet werden.
Da es bei der praktischen Verwendung der Mikrophone im allgemeinen nicht möglich sein wird, die übrige Schaltung mit in das Gehäuse einzubauen, wird meist eine Zukeitung nötig sein, die selbst nur eine geringe Steife besitzen, aber nicht selbst als Kprperschallmikrophen arbeiten darf.
Um dies zu verhüten, müssen die Zufühungen zu den biden Kondensatorbelegen voneinander elektrishen abgeschrimt werden. In Abb. 3 ist ein Schaltbeispiel für eine Neiderfrequenzschaltung dargestellt. Die Zuführung zu der Membran 24 ist durch die Leitung 25 gegeben, während die Zuführung zu der starren Gegenelektrode 26, die starr mit dem Gehäuse 27, aber elektrisch von ihm isoliert ist, durch die leitung 28 erfolgt. Zwischen die Leitern 25 und 28 liegt die Abschlirmung 29, die mit dem Gehäuse 27 verbunden ist. Über die Leitung 28 wird beispielswise die Polarisatonssparnnung für des kapziti8ve Mikrophon zugeführt. Da die Leiter 25 und 28 jedoch gegeneinancder abgeschrimt sind, kdann bei einer elativen Bewegung der Leiter 25 28 sowie 29 keine Wechselspannung erzeugt weren. In dem Ausführungsbeispiel nach Abb. 4 ist die Gegenelektrode 30- elektrisch mit dem Gehäuse 31 verbunden bzw. wird selbst von ihm gebildet, wie diese bie den medhanischen Ausführungsformen anch Abb. 1 und 2 gezeigt war. Um dennoch die Polarisationsspannung getrennt zuzufürhen, ist in dem Gehäuse gleichzeitig ein RC-Giled, bestehend aus dem Kondensator 32 und dem Widerstand 33. vorgeseben.

Claims

PATENTANSpRÜCHE: 1. Kapazitiver Körperschallempfänger, der mit seinem Gehäuse auf die zu messende Körperfläche aufgesetzt oder fest mit dieser ver- hunden wird dadurch gekennzeichnet, daß der eine Kondenstatorbeleg starr mit dem Gehäuse verbunden ist und der andere die seismische Masse darstellt.
2. Empfänger nach Anspruch I zur Messung von Beschleunigungswerten, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kondensatorbeleg membranartig mit vorweigend elastischer Hommung ausgestattet ist.
3. Empfänger nach Anspruch 1 zur Messung von Geschwindigkeitswerten, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Kondensatorbeleg mit vorwiegend reibender Hemmung membranartig ausgeführt ist.
4. Empfänger nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Membran ein Metall- oder metallisiertes Kunststoffplättchen dient.
5. Empfänger nach Anspruch 2, gegebenenfalls in Verbindung mit Anspurch, 4, gekennzeichnet durch ein nache der oberen Gerzne des aufzunehmenden Frequenzbereiches l'iegende Eigenfrequezne der Membran'.
6. Empfänger nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung des Quotienten aus Masse und Steife der Membran sowie ihrer Dämpfung, daß sich bis zur Eigenfrequenz ein konstantes, durch die abgegebene Spannung zur Beschleunigung bestimmtes Übertragungsmaß ergibt.
7. Empfänger nach Anspruch 3, gegebenenfalls in Verbindung mit Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung von Masse und Steife der Membran, daß ihre Eigenfrequenz etwa in der Mitte des aufzunchmemben Frquenzbereiches liegt.
8. Empfänger nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Dämpfung, daß sich eine weitgehende Frequenzunabhänglieit des durch die abgegebene Spannung zur Geschwindigkeit bestimmten Übertragungsmaßes ergibt.
9. Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch ein die Membran nebst dem sie umgebenden Luftraum nach außen abschließendes Gehäuse.
10, Empfänger nach einem der Ansprüche2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Übertraugne d'er Meßgröße dienende Kondensatorbeleg einen Teil der Gehäusewandungen bildet.
11. Empfänger nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch geke. nn, ze. ichnet, daß sowohl Ider zur Übertragung der Meßgröße dienende Kondensatorbeleg als auch die Membran vom Gehäuse isoliert sind.
12. Empfänger nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch ein eingebautes RC-Glied, das die Polarisationsspannung von der gelieferten Wechselspannung trennt.
13. Empfänger nach einem der Ansprüche g bis I2, gekennzeichnet durch drei Anschlüsse, von denen der eine, vorzugsweise der mit dem Gehäuse verbundene, dasselbe Gleichstrompotential führt wie der wechsel spannungsführende Anschluß.