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Piezoelektrischer Biegeschwinger Es ist bekannt, die piezoelektrischen
Längsschwingungen von. an ihren Enden oder sonstwie gelagerten Kristallstäben oder
-platten in Biegungsschwingungen umzuwandeln und umgekehrt, indem man, zwei Kristallplatten
nach Art der Bimetallstreifen so mechanisch miteinander verbindet und ihre Belegungen
so zusammenschaltet, d.aß die Längsschwingungen in beiden Platten jeweils um i8o°
gegeneinander verschoben und die Beanspruchungen infolgedessen wie in einer gebogenen
Platte diesseits und jenseits der neutralen Faser in, beiden übereinandergeschichteten
Platten stets entgegengesetzt sind. Durch die Umwandlung der Längsschwingungen in
Biegeschwingungen wird eine kräftige Amplitudenübersetzung erzielt. Diese Anordnung
eignet sich daher für alle Fälle, wo eine solche Amplitudenübersetzung erwünscht
ist und hat deshalb besondere Bedeutung für das Luftschallgebiet, z. B. bei Benutzung
als Sender (Telefon, Lautsprecher).
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Bei .den bekannten Kristallgebilden dieser Art besteht jedoch der
Mangel, daß die Kapazität der Anordnung derart gering ist, daß vielfach schon die
Kabelzuleitungen eine zu große kapaz.itive Belastung darstellen. Außerdem ist bei
gegebener Länge und Breite der Platten die erzielbare Kapazität von der gewünschten
Abstimmung der Kristallanordnung abhängig, und zwar nimmt die Kapazität der Anordnung
mit steigender Frequenz ab, weil sich bei gegebener Länge und Breite eine
Steigerung
der Frequenz nur durch größenePlatten.-dicke erzielen läßt und die Kapazität einer
Platte bekanntlich umgekehrt proportional der Plattendicke ist. Da.' aber mit der
bekannten Anordnung schon ohnehin. eine nur verhältnismäßig geringe Kapazität zu
erzielen ist, macht sich dieseFrequenzabhängigkeit doppelt nachteilig bemerkbar.
Ferner ergeben sich Nachteile dadurch, daß die Platten im Gegensatz zum einfachen
gedrückten Kristallstab über ihren Querschnitt ungleichmäßig beansprucht sind, da
die Spannung von, der neutralen Faser nach außen allmählich auf einen Höchstwert
ansteigt. Es ist schon. vorgeschlagen worden, die Abhängigkeit der Kapazität von
der Frequenz bzw. Dicke der Plattenverbindung .dadurch zu beseitigen, daß man den
piezoelektrischen Biegeschwinger aus mehr als zwei übereinandergeschichteten-Platten
bildet, die zur Anpassung der Kapazität an die unterschiedliche mechanische Beanspruchung
so ausgebildet sind, daß die Dicke der Platten von der neutralen Faser nach außen
abnimmt.
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Der Erfindung liegt nun der Gedanke zugrunde, die Eigenschaften, piezoelektrischer
Biegeschwinger dadurch zu verbessern, daß man nicht oder nicht nur durch unterschiedliche
Schichtstärke eine Kapazitätsanpassung herbeiführt, sondern auch eine von der neutralen
Faser nach außen unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung oderQuerschnittsgestaltung
vorsieht.
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An der neutralen. Faser kann vorteilhaft eine piezoelektrisch unwirksame
Zwischenplatte vorgesehen wenden, da die in der Nähe der neutralen Faser auftretenden
Spannungen einen nennenswerten Beitrag zur Leistungsabgabe des Plattenverbandes
doch nicht zu liefern vermögen. Für die neutrale Zwischenplatte kann man daher einen
Werkstoff mit anderer Elastizität und Dichte wählen, .der geeignet ist, die Gesamtwirkung
des Gebildes zu erhöhen. Elastizität und Dichte dieser Zwischenplatte können hierzu
so gewählt werden, daß die Außenplatten eine verhältnismäßig höhere Belastung erfahren.
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Eine besonders vorteilhafte Anpassung an die besonderen Spannungsverhältnisse
der gebogenen Platte läßt sich auch .dadurch erziehen, daß man den einzelnen Platten
oder Zwischenstücken je nach ihrer Lage zur neutralen Faser eine andere Querachnittsform
gibt. Dies kann, z. B. dadurch geschehen, daß man der neutralen Zwischenplatte oder
den an der neutralen Faser liegenden. Kristallplatten eine geringere Breite als
den Außenplatten gibt, so daß das ganze Gebilde die Gestalt eines Doppel-T-Trägers
annimmt.
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Gibt man, den Platten vom der neutralen Faser nach außen eine ansteigende
Breite, so erhält man gleichzeitig mit der mechanischen auch= eine elektrischeVerbesiserung,
weil die Kapazität der Platten mit ihrer Breite wächst. Man kann dann durch geeignete
Wahl .der Plattenbreiten erreichen, daß die erzeugten elektrischen Spannungen sämtlicher
Platten trotz der unterschiedlichen mechanischen Spannungen nicht wesentlich voneinander
verschieden, sind oder, beim Betrieb als Sender; daß die in den verschiedenen Platten
erzeugten Spannungen die für den Bieggeeffekt günstigsten. Werte annehmen. .
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Die Erfindung sei an mehreren Ausführungsbeisp elen veranschaulicht.
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Abb. z zeigt zunächst einen Querschnitt durch den bisher gebräuchlichen
Plattenverband, bestehend; aus zwei piezoelektrisch wirksamen Platten z, 2. Wird
ein solches Plattengebilde in geeigneter Weise z. B. an seinen beiden Enden gehalten
(vgl. Abb. 5) und einem in Richtung des Pfeiles A wirkenden Schalldruck ausgesetzt,
so wird sich .die Schichtplatte entsprechend ihrer Elastizität und der wirkenden
Krarft durchbiegen. Dabei treten in gleicher Weise wie in einem gebogenen Balken
in. der oberen Hälfte der Schichtplatte Druckspannungen und in der unteren Hälfte
Zugspannungen auf, während in der Mitte eine sogenannte neutrale Faser 3 vorhanden
ist, die weder eine Längung noch Kürzung erfährt und deshalb spannungslos bleibt.
Von dieser neutralen Faser nehmen die Spannungen dann nach außen linear bis zu einem
Höchstwert zu. Aus den Spannungsdreiecken ¢ und 5 lassen sich die .in den einzelnen
Zonen herrschenden Spannungen 6 bzw. 7 entnehmen. Ist das Plattenpaar auf die Frequenz
der ankommenden Schallwellen abgestimmt, soschwingt es im Rhythmus dieser Schallwellen
kräftig mit. Die wechselnden, Zug- und Druckspannungen lösen, nun in bekannter Weise
in den Kristallplatten infolge des piezoelektrischen Effektes elektrische Verschiebungen
aus, die Ladungen auf den Belegungen 8, 9, 1o der Platten, erzeugen. Auf diese Weise
eintstehen Spannungen an den Belegungen, die den Schall- und Plattenschwingungen
entsprechen und nach Verstärkung einem Hörer oder sonstigen Anzeigegerät zugeführt
werden können. Diese Spannungen entsprechen der Kapazität der Platten und der frei
werdenden Ladung.
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Es ist nun ohne weiteres ersichtlich, daß die verschiedenen Teile
der Kristallplatten um so stärker an dem Zustandekommen der elektrischen Ladungen
und Spannungen beteiligt sind, je weiter sie von der neutralen Faser entfernt sind,
weil die Druck- und Zugspannungen mit der Entfernung von der neutralen Faser wachsen.
Die in der Nähe der neutralen, Faser liegenden Plattenteile stellen somit praktisch
nur einen Ballast dar, da ihr Beitrag zur Gesamtladung und -spannung nur gering
ist.
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Da die Kabelzuleitungen bzw. -ableitungen der Belegungen eine kapazitive
Belastung darstellen, muß -man bestrebt sein, die Kapazität des Plattenverbandes
@so hoch zu machen., daß die Belastung derKabelzuleitungen sich nicht mehr nachteilig
auszuwirken vermag. Diese Bedingung wird von Anordnungen nach A'bb. z nicht in befriedigender
Weise erfüllt. Besonders wenn, eine hohe Abstimmung gefordert wird, sinkt die Kapazität
auf einen unzuträglich kleinen Wert ab. Da nämlich die Längen- und Breitenmaß-e
des Plattengebildes durch die übrige, Konstruktion: normalerweise gegeben sind;
läßt sich eine Steigerung der Eigenfrequenz nur durch Vergrößerung der Plattendicke
erzielen.
Die Kapazität einer Platte ist aber umgekehrt proportional
ihrer Dicke, so daß also die Kapazität der Anordnung mit zunehmender Frequenz abnimmt.
Dieise Abhängigkeit der Kapazität von der Frequenz der Plattenanordnung hat sich
.deshalb als sehr nachteilig erwiesen.
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Abb. a zeigt eine Plattenanordnung, bestehend aus zwei außenliegenden
Platten z1, 12 und einer Zwischenplatte z3. Ein derartiges Plattengebilde weist
bei gleicher Dicke eine höhere Kapazität auf als die bekannte Plattenanordnung nach
Abb. r, weil die Dicke der einzelnen Platte durch die Dreiteilung verringert ist.
Die Zwischenplatte 13 vermag zwar zu der pi,ezoelektrischen Umwandlung :der
Schalldrücke in Elektrizität oder umgekehrt keinen wirksamen Beitrag mehr zu liefern,
weil sich die piezoelektrischen Wirkungen in dieser halb auf der einen und halb
auf der anderen Seite der neutralen Faser liegenden Platte aufheben. Da jedoch die
Zwischenplatte im Bereich der neutralenFas:er liegt, wo ,die Spannungen verhältnismäßig
klein sind', ist dieser Verlust derart geringfügig, daß er durch den erziehen Gewinn
an Kapazität mehr als aufgewogen wird. Weiber besteht aber auch noch die vorteilhafte
Möglichkeit, die an der piezoelektrischen Umwandlung doch unbeteiligte Zwischenplatte
nun. nicht mehr aus Kristall, sondern .einem anderen piezoelektrisch neutralen Stoff
herzustellen, :dessen Elastizitätsmodul und spezifische Masse bzw. Dichte der gewünschten
Abstimmung angepaßt werden können und geeignet sind, die Biegungseigenschaften der
Plattenverbindung zu verbessern. Mit der Dreiteilung mit neutraler Mittelplatte
nach Abb. 2 läßt sich somit schon eine wesentliche Steigerung der Brauchbarkeit
einer piezoelektrischen Anordnung erzielen. Für eine Belastung durch Übertrager
läßt sich zeigen, daß die Güte :der Anordnung ihren Höchstwert erreicht für gleiche
Dicke der Platten rr bis 13, während für eine Belastung durch Kabel diese Einschränkung
nicht vorliegt, so d.aß dort die Platten ebensogut verschiedene Dicke aufweisen
können.
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Eine weitere Verbesserung läßt sich ferner dadurch erzielen, daß man
dem Zwischenstück einen anderen Querschnitt gibt als den Außenplatten, indem man
beispielsweise, wie in Abb. 3 dargestellt, die Zwischenplatte schmaler ausbildet
als die Außenplatten. Dadurch kann. man dem Plattengebilde, die Form ,eines Doppel-T-Trägers
geben. Es läßt sich damit nicht nur die Kapazität erhöhen, sondern auch der Wirkungsgrad
der piezoelektrischen Umwandlung wesentlich verbessern, da die tote Masse im Bereich
der neutralen Faser vermieden und die wirksame Masse in das Gebiet hoher Spannung
verlegt ist, wobei die Spannungen für gleiche Amplituden infolge der Querschnittsform
der Anordnung für die Außenplatten noch erhöht sind.
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Die Außenplatten können, wie aus Abb. 3 ersieht- !, lieh, zur weiteren,
Steigerung der Kapazität nochmals in mehrere Schichten 14, 15 bzw. 16, 17 unterteilt
sein, deren Belegungen so gepolt werden, daß sich die Wirkungen :der Einzelschichten
addieren. Eine wirksamere Ausnutzung der verschiedenen Platten läßt sich auch dadurch
erzielen, daß die Kapazität der einzelnen Platten der verschiedenen mechanischen
Belastung und :den dadurch frei werdenden: verschiedenen elekrischen Ladungen so
angepaßt wird, daß trotz der verschiedenen Ledunbgen auf :den: Platten. gleiche
oder nahezu gleiche elektrische: Spannungen erzeugt werden. Dadurch wird eine vorteilhaftere
Parallelschaltung der Platten ermöglicht. Da die mechanischen. Spannungen von der
neutralen Faser nach außen zunehmen, müssen die Kapazitäten der Platten entsprechend-
von der neutralen Faser nach außen wachsen.
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Abb. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei :der diese Kapazitätsanpassung
dadurch erreicht worden ist; daß die Breite der piezoelektrisch wirksamen. Platten
18 bis 21 und der neutralem. Platte 22 von der neutralen Faser nach außen zunimmt,
die Kapazität also zunimmt. Bei gleichmäßiger Breite und Dicke der Platten würden
die in der Nähe der neutralen Faser befindlichen Platten wegen der eigenen, geringen
piezoelektrischenErregung hauptsächlich einen Ballastkondensator darstellen, der
die Größe der in, denAüßenplattenerzielten Spannungen herabsetzt. Bei ungleichmäßiger
Breite der Platten ist ,dagegen für die mittleren Platten wegen der verringerten
Kapazität einerseits die in den Platten selbst erzeugte Spannung gewachsen und andererseits
das Verhältnis der Kapazität der hauptsächlich wirksamen Außenplatten zu der Kapazität
der Innenplatten günstiger geworden.
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Das Kristallplattengebitdekann auf verschiedene Art und Weise in einem
für den, jeweiligen Zweck geeigneten Halter oder einem Gehäuse eingebaut sein.
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Abb. 5 zeigt eine für dien: vorliegenden Fall besonders zweckmäßige
Ausführungsform des Einbaues. Dabei ist die Plattenanordnung 23 in einem wasser-
und luftdicht verschlossenen. Gehäuse untergebracht. Dieses Gehäuse besteht aus
einem topfförmigen. Behälter 24, dessen Boden als Membra,n 25 mit einem kolbenförmigen
Ansatz 26 ausgebildet ist.
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An der Seitenwandung sind zwei Schultern oder Auflager 27 vorgesehen,
an denen das Plattengebildef mit seinen Erden anliegt. Gegen die Auflager 27 werden
die Plattenenden durch elastisch nachgiebige Glieder 28 angedrückt, die sich an
der Außenseite am Deckel 29 des Gehäuses abstützen. Die Membran 25, 26 und die Kristallplatten
sind in der Mitte durch ein Verbindungsstück 30 miteinander gekuppelt.
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Durch die elastisch nachgiebige Lagerung wird vermieden, daß die Kristallplatten
durch einen z. B. beirr Gebrauch von der Hand auf die Menmbran ausgeübten Gleichdruck
unerwünschten Beanspruchungen ausgesetzt werden und zu Bruch gehen. Gleichzeitig
wird durch .diese nachgiebige Lagerung eine Dämpfung hervorgerufen, .die, unterstützt
:durch die an der Kupplungsstelle in der Mitte auftretende Dämpfung, eine besonders
gute Empfindlichkeit der Anordnung für tiefe Frequenzen ergibt.
Diese
Wirkung wird noch begünstigt durch die größere Anzahl der Verbindungsstellen des
Plattenverbandes. Außerdem kann,die Empfindlichkeit für tiefe Frequenzen auch noch
dadurch gesteigert werden; -daß man dem Luftraum des Gehäuses .durch geeignete Bemessung
eifre tiefe Resonanzfrequenz gibt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere- Ausführungen möglich.
So könnte die neutrale Zwischenplatte aus einem d-appel-T-förmigen Metallstück bestehen,
dessen Endflächen die inneren Belegungen der Außenplatten darstellen. Ferner könnten
die einzelnen Platten gleichzeitig eine verschiedene, Dicke und Breite aufweisen.
Schließlich ließen sich auch die einzelnen. Platten aus piezoelektrischen Stoffen
verschiedener Art zusammensetzen.
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Es- ließe sich -dann auch die Wirkungsweise der Anordnung noch bedeutend
erhöhen, wenn durch die .unterschiedlichen Plattendicken oder -breiten kein völliger
Ausgleich der Spannungsunterschiede zustande kommt, weil die dann noch vorhandene
Belastung der Außenplatten, durch die Innenplatten erträglich niedrige Werte annimmt.
Eine völlige Beseitigung der Spannungsunterschiede durch verschiedene Plattenbemessungen
ist demnach nicht erforderlich.
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Es -ist auch möglich, rnehrerePlattenanordnungen gemäß der Erfindung
in geeigneter Zusammenstellung zu verwenden.
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Die Kupplung der Membran mit den; Kristallplatten kann gegebenenfalls
auch ohne Zuhilfenahme eines besonderen Zwischenstückes durch unmittelbare Verbindung
der Kristallplatten mit dem Membranmittelteil erfolgen. Die Lagerung der Plattenenden
kann ferner nach beiden Richtungen elastisch ausgebildet sein. Auch kann die Membran
ohne vorspringenden Mittelteil ausgebildet sein.
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Die Erfindung eignet sich auch besonders für das Senden und Empfangen
von Unterwasserschall.