EP0007436B1 - Elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran - Google Patents

Elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran Download PDF

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EP0007436B1
EP0007436B1 EP79102027A EP79102027A EP0007436B1 EP 0007436 B1 EP0007436 B1 EP 0007436B1 EP 79102027 A EP79102027 A EP 79102027A EP 79102027 A EP79102027 A EP 79102027A EP 0007436 B1 EP0007436 B1 EP 0007436B1
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support
separating plate
damping
sound apertures
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Siemens AG
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    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
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    • H04R17/02—Microphones
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04R2499/00—Aspects covered by H04R or H04S not otherwise provided for in their subgroups
    • H04R2499/10—General applications
    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer with a transducer membrane arranged in a capsule and provided with a piezoelectric layer, through which the volume in the capsule is divided into a membrane antechamber and a membrane rear chamber, furthermore with a socket which closes the membrane antechamber and is provided with sound passage openings, in which Membrane anteroom means for damping the resonance peaks are provided.
  • a converter is known (DE-OS 2 256 792).
  • the sensitivity should not increase further in the range from 2500 Hz to 3500 Hz, since otherwise feedback at these frequencies is possible in the handset of a remote speaker between the speech and hearing capsule.
  • the frequency curve should drop steeply above 3500 Hz in order to avoid interference from adjacent channels during carrier frequency message transmission via long-distance lines (channel width 4 kHz).
  • the noise caused by the convolution in the speech signal is to be suppressed.
  • additional resonators and harmonics (DE-PS 1 961 217) are used, in particular the fourth partial oscillation characterized by a node circle.
  • the damping material directly behind the injection holes can be contaminated when the capsule is discussed. This changes the damping resistance over time and thus the frequency response and sensitivity of the microphone. Furthermore, cleaning the microphone capsule is hardly possible if the speaker is replaced.
  • the gluing of the silk to the inside of the frame is relatively complex.
  • the known damping devices behind the frame are usually not sufficient to dampen resonance peaks above 2000 Hz sufficiently.
  • a partition plate is arranged in the membrane antechamber between the membrane and the socket, which is also provided with sound passage openings, the sound passage openings of the socket being arranged offset with respect to the sound passage openings of the partition plate, and that between the partition plate and socket on a cylindrical neck of the socket bearing with a central recess provided damping disc is arranged such that it only covers the sound passage openings of the partition plate, while leaving the sound passage openings of the socket free.
  • the low-pass filter thus formed can be adapted to a wide variety of requirements.
  • the sensitivity can be varied within certain limits without having to make changes to the membrane or its storage.
  • the cut-off frequency f o and the steepness of the low pass can be adapted to different requirements.
  • the measures according to the invention of the sound flow must first penetrate the damping disk approximately horizontally over a relatively large distance.
  • the flow resistance becomes sufficiently large and is therefore not very dependent on the material tolerances.
  • the socket is provided with a cylindrical extension in which the damping disc provided with a central recess is mounted. This is extremely simple in terms of construction.
  • Another advantage is that the vibration system is not impaired when the socket is replaced, since the separating plate and housing form a compact unit.
  • the carrier 2 which carries a circuit board 3 with electronic components on its side facing the bottom of the housing 1.
  • a circuit board 3 with electronic components on its side facing the bottom of the housing 1.
  • two contact blades are arranged (contact blades 4 shown) which protrude through recesses 5 of the housing, form the electrical connection to the outside and fixes the carrier 2 with circuit board 3 in the housing.
  • the carrier 2 is provided with two absorption resonators, of which the absorption resonator 6 covered with a silk disk 7 is shown.
  • a bearing body 8 is also arranged on the carrier 2, over which a transducer plate 10 provided with a piezoceramic layer 9 is mounted.
  • Another bearing body 11 forms the counter bearing.
  • the housing 1 is closed off by a separating plate 12 which is inseparably connected to the housing.
  • This partition plate has a plurality of sound passage openings 13 arranged in a circle. Furthermore, the separating plate is provided on the side facing the membrane with radially outwardly extending ribs 14.
  • the transducer thus formed is closed by a socket 15, which in turn has sound passage openings 16 arranged in a circle. These sound passage openings are arranged in a circle with a larger diameter than the sound passage openings arranged in the partition plate.
  • a damping disc 17 is arranged between the partition plate and the socket, which is mounted in a cylindrical extension 18 of the socket and partially fills the space in front of the partition plate. The damping disc is dimensioned so that it covers the sound passage openings of the partition plate.
  • FIG. 2 shows a converter according to FIG. 1 in a schematic representation as a microphone.
  • the parts corresponding to FIG. 1 are given the same reference numerals.
  • the space between the removable socket 15 and the vibration system 8, 9, 10, 11 is divided by a partition plate 12 into two rooms V 3 and V 4 .
  • This acoustic oscillation structure corresponds electrically to a T-element acting as a low-pass filter (FIG. 3).
  • the cut-off frequency of the low-pass filter is set at the upper limit of the transmission range. The following applies to the cut-off frequency if one assumes the air masses in the openings of the holder and partition plate are the same size
  • a good low-pass effect can be achieved with channel lengths ⁇ 1 mm (possibly with an additional neck), which can be easily achieved with molded plastic parts for the socket and partition plate.
  • the attenuation must be sufficiently large so that the attenuation curve of the low-pass filter runs continuously from the passband to the stop band.
  • the acoustic frictional resistance r 3k and r 4 on the channel walls of the frame and partition plate Air flow resistance is usually not sufficient for this.
  • the additional damping r 3z is realized by a porous foam between the frame and the partition plate.
  • m 3z represents the additional mass of the air enclosed in the porous material.
  • FIG. 3 shows the equivalent circuit diagram to FIG. 2.
  • section A means the handset being spoken in
  • section B the low-pass filter formed by the holder and separating plate
  • section C the mechanical and acoustic vibration system.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten mit einer piezoelektrischen Schicht versehenen Wandlermembran, durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum und einen Membranrückraum aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Fassung, wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind. Ein solcher Wandler ist bekannt (DE-OS 2 256 792).
  • Zur Erhöhung der Verständlichkeit der Sprache und zum Ausgleich des frequenzabhängigen Verlaufs der Kabeldämpfung ist es erforderlich, daß die Empfindlichkeit eines Fernsprechmikrofons im Bereich von 200 Hz bis ca. 2500 Hz mit wachsender Frequenz stetig ansteigt. Wünschenswert sind ca. 2,5 dB/Oktave.
  • Im Bereich von 2500 Hz bis 3500 Hz dagegen soll die Empfindlichkeit nicht weiter ansteigen, da sonst bei diesen Frequenzen Rückkopplungen zwischen Sprech- und Hörkapsel im Handapparat eines Femsprechers möglich sind.
  • Weiterhin soll die Frequenzkurve oberhalb von 3500 Hz steil abfallen, um bei der trägerfrequenten Nachrichtenübertragung über Fernleitungen (Kanalbreite 4 kHz) eine Störbeeinflussung benachbarter Kanäle zu vermeiden. Außerdem soll bei zukünftigen PCM-Übertragungen (halbe Abtastfrequenz) das durch die Faltung hervorgerufene Störgeräusch im Sprachsignal unterdrückt werden.
  • Bei den bekannten Femsprechwandiern legt man, um hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die Grundschwingung eines mit relativ großer Masse mo behafteten Schwingsystems (Schwinganker, Kunststoffmembran mit Spule, Biegeplatte) in die Mitte des Fernsprechübertragungsbereiches auf ca. 1 kHz. Die Resonanzüberhöhung dieser Grundschwingung kompensiert man durch einen an das Rückvolumen angekoppelten Helmholtzresonator (Frequenz, Band 16/1962, Seite 208 bis 215).
  • Zur Verbreiterung des Übertragungsbereichs bis ca. 3,5 kHz nützt man Zusatzresonatoren und Oberschwingungen (DE-PS 1 961 217), insbesondere die durch einen Knotenkreis gekennzeichnete vierte Teilschwingung aus.
  • Da die Zusatzresonatoren und Oberschwingungen zum Teil sehr störende Resonanzüberhöhungen aufweisen, sind Maßnahmen bekannt, die störenden Einflüsse durch spezielle Lagerung der Membran (DE-PS 1 961 217, DE-AS 1 288 146) bzw. durch Ausgestaltung der Membran selbst zu unterbinden.
  • Weiterhin sind Versuche unternommen worden, die Resonanzüberhöhungen im Strömungsweg des Schalles zu reduzieren. So ist es bekannt, Seidengaze hinter den Einsprachelöchern der Fassung einer Mikrofonkapsel anzuordnen oder einen porösen Schaumstoff hinter die Einsprachelöcher zu legen (DE-AS 1 076 182) und mit einer ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Trennplatte festzuhalten, wobei die Schalldurchlaßöffnungen von Fassung und Trennplatte gegeneinander versetzt sein können, wie dies auch anderweitig bekannt ist (FR-PS 1 036 501
  • Die vorgenannten Ausführungen haben jedoch folgende Nachteile: Der Dämpfungsstoff direkt hinter den Einsprachelöchem kann bei Besprechen der Kapsel beschmutzt werden. Dadurch verändert sich im Laufe der Zeit der Dämpfungswiderstand und damit der Frequenzgang und die Empfindlichkeit des Mikrofons. Weiterhin Ist ein Reinigen der Mikrofonkapsel bei einem eventuellen Austausch des Femsprechers kaum möglich. Außerdem ist im Falle der Seidengaze das Kleben der Seide an die Innenseite der Fassung relativ aufwendig. Schließlich reichen die bekannten Dämpfungseinrichtungen hinter der Fassung meistens nicht aus, um Resonanzüberhöhungen oberhalb von 2000 Hz genügend zu dämpfen.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit akustischen Mitteln eine Anordnung zur Korrektur des Frequenzverlaufs anzugeben, durch die Resonanzüberhöhungen oberhalb von 3500 Hz nahezu völlig unterdrückt werden und die es gestatten, in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzbereich einen annähernd stetigen Übertragungsfaktor zu erzielen, der auch bei längerer Betriebszeit durch äußere Einflüsse, insbesondere beim Besprechen der Kapsel, nicht wesentlich beeinflußt wird.
  • Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß im Membranvorraum zwischen Membran und Fassung eine Trennplatte angeordnet ist, die ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen versehen ist, wobei die Schalldurchlaßöffnungen der Fassung gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte versetzt angeordnet sind, und daß zwischen Trennplatte und Fassung eine an einem zylinderförmigen Ansatz der Fassung lagernde mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe derart angeordnet ist, daß sie lediglich die Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte überdeckt, während sie die Schalldurchlaßöffnungen der Fassung frei läßt.
  • Damit wird eine ausreichende Dämpfung, Insbesondere bei höheren Frequenzen, erzielt. Durch die versetzte Anordnung der Schalldurchlaßöffnungen von Fassung und Trennplatte wird ein Verschmutzen beim Besprechen des Mikrofons weitestgehend vermieden. Durch Variation der dämpfende Eigenschaften aufweisenden Mittel kann das somit gebildete Tiefpaßfilter den verschiedensten Wünschen angepaßt werden. So kann in gewissen Grenzen die Empfindlichkeit variiert werden, ohne an Membran oder deren Lagerung Änderungen vornehmen zu müssen. Weiterhin kann die Grenzfrequenz fo und die Steilheit des Tiefpasses verschiedenen Wünschen angepaßt werden.
  • Weiterhin muß durch die Maßnahmen nach der Erfindung der Schallfluß die Dämpfungsscheibe erst eine größere Strecke annähernd horizontal durchdringen. Der Strömungswiderstand wird damit genügend groß und ist damit wenig abhängig von den Materialtoleranzen.
  • Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Fassung mit einem zylinderförmigen Ansatz versehen ist, in dem die mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe lagert. Dadurch ist eine in konstruktiver Hinsicht äußerst einfache Lagerung gegeben.
  • Bei Änderung der für den Wandler charakteristischen Daten braucht somit lediglich Fassung und Dämpfungsscheibe ausgetauscht zu werden, wodurch die Varianten hinsichtlich Wahl der Anzahl und/oder der Größe der Schalldurchlaßöffnungen (Durchmesser, Halslänge) der Fassung vergrößert werden. Weiterhin ist eine exakte Lagesicherung der Dämpfungsscheibe gegeben und bei der Montage ist ein Verschieben dieser Scheibe unmöglich.
  • Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß beim Auswechseln der Fassung das Schwingsystem nicht beeinträchtigt wird, da Trennplatte und Gehäuse eine kompakte Einheit bilden.
  • Im folgenden sei die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer schematischen Darstellung unter Zuhilfenahme von 3 Figuren näher erläutert.
  • Es zeigen
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung,
    • Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wandlers nach Fig. 1, und
    • Fig. 3 die zu Fig. 2 gehörige Ersatzschaltung.
  • In einem Gehäuse 1 sind nacheinander folgende Teile untergebracht. Zunächst ist der Träger 2 zu nennen, der auf seiner dem Boden des Gehäuses 1 zugewandten Seite eine Schaltungsplatte 3 mit elektronischen Bauelementen trägt. An dieser Schaltungsplatte sind zwei Kontaktmesser angeordnet (Kontaktmesser 4 dargestellt), die durch Ausnehmungen 5 des Gehäuses hindurchragen, den elektrischen Anschluß nach außen bilden und den Träger 2 mit Schaltungsplatte 3 im Gehäuse festlegt. Der Träger 2 ist mit zwei Absorptionsresonatoren versehen, von denen der mit einer Seidenscheibe 7 abgedeckte Absorptionsresonator 6 dargestellt ist.
  • Auf dem Träger 2 ist weiterhin ein Lagerkörper 8 angeordnet, über dem eine mit einer piezokeramischen Schicht 9 versehene Wandlerplatte 10 lagert. Ein weiterer Lagerkörper 11 bildet das Gegenlager. Abgeschlossen ist das Gehäuse 1 durch eine Trennplatte 12, die untrennbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Trennplatte weist mehrere in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßöffnungen 13 auf. Weiterhin ist die Trennplatte auf der der Membran zugekehrten Seite mit radial nach außen verlaufenden Rippen 14 versehen.
  • Der so gebildete Wandler ist durch eine Fassung 15 verschlossen, die wiederum in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßöffnungen 16 aufweist. Diese Schalldurchlaßöffnungen sind in einem Kreis mit größerem Durchmesser als die in der Trennplatte angeordneten Schalldurchlaßöffnungen angeordnet. Zwischen Trennplatte und Fassung ist eine Dämpfungsscheibe 17 angeordnet, die in einem zylindrischen Ansatz 18 der Fassung lagert und den Raum vor der Trennplatte teilweise ausfüllt. Dabei ist die Dämpfungsscheibe so bemessen, daß sie die Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte überdeckt.
  • Die Fig. 2 zeigt einen Wandler nach Fig. 1 in schematischer Darstellung als Mikrofon. Die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Der Raum zwischen der abnehmbaren Fassung 15 und dem Schwingsystem 8, 9, 10, 11 wird durch eine Trennplatte 12 in zwei Räume V3 und V4 aufgeteilt.
  • Die Luftmassen m3 und m4 in den Öffnungen von Trennplatte und Fassung sind über die Federung C4 des von beiden Teilen eingeschlossenen Luftvolumens V4 gekoppelt.
  • Dieses akustische Schwingungsgebilde entspricht elektrisch einem als Tiefpaß wirkenden T-Glied (Fig. 3).
  • Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist an die obere Grenze des Übertragungsbereiches gelegt. Für die Grenzfrequenz gilt
    Figure imgb0001
    wenn mann die Luftmassen in den Öffnungen von Fassung und Trennplatte gleich groß annimmt
    Figure imgb0002
  • Die Federung C4 ist in Grenzen wählbar durch das Koppelvolumen V4 (0,5 bis 3 cm3) und durch die wirksame schwingende Fläche So (3,5 bis 5 cm2) der Wanderplatte 10:
    Figure imgb0003
    • p Dichte der Luft
    • c Schallgeschwindigkeit d. Luft
    • p · c2=1,42 10e g/cm2 s2
  • Die Luftmasse in den Kanälen
    Figure imgb0004
    Figure imgb0005
    ist frei wählbar
    • - durch die Kanallänge I
    • - durch den Querschnitt SK der Kanäle
    • - durch die Anzahl n der Kanäle.
  • Gute Tiefpaß-Wirkung erreicht man mit Kanallängen≥1 mm (evtl. mit Zusatzhals), was mit Kunststoff-Spritzteilen für Fassung und Trennplatte leicht realisierbar ist.
  • Eine Vergrößerung des Kanalquerschnittes und der Anzahl der Kanäle über ein bestimmtes Maß verringert die Tiefpaß-Wirkung: Die Übersetzung der wirksamen Massen bzw. Induktivitäten (L'3=L3/u2 3) am Qusrschnittssprung (ü3=S3x/So) wirkt hier gegenläufig.
  • Damit der Dämpfungsverlauf des Tiefpasses vom Durchlaßzum Sperrbereich stetig verläuft, muß die Dämpfung genügend groß sein.
  • Der akustische Reibungswiderstand r3k und r4 an den Kanalwandungen von Fassung und Trennplatte
    Figure imgb0006
    Strömungswiderstand der Luft
    Figure imgb0007
    reicht hierzu meist nicht aus. Die Zusatzdämpfung r3z ist hierbei durch einen porösen Schaumstoff zwischen Fassung und Trennplatte realisiert.
  • Die Gesamt- Dämpfung und -Masse an der Trennplatte ist dann
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    wobei m3z die Zusatzmasse der in dem porösen Material eingeschlossenen Luft darstellt.
  • Die Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild zu Fig. 2. Dabei bedeutet der Abschnitt A die Einsprache des Handapparates, der Abschnitt B den durch die Fassung und Trennplatte gebildeten Tiefpaß und der Abschnitt C das mechanische und akustische Schwingsystem.

Claims (1)

  1. Elektroakustischer Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten mit einer piezoelektrischen Schicht (9) versehenen Wandlermembran (10), durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum (V4, V3) und einen Membranrückraum (V2, V,) aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen (16) versehenen Fassung (15), wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Membranvorraum zwischen Membran (10) und Fassung (15) eine Trennplatte (12) angeordnet ist, die ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen (13) versehen ist, wobei die Schalldurchlaßöffnungen (16) der Fassung (15) gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte (12) versetzt angeordnet sind, und daß zwischen Trennplatte und Fassung eine an einem zylinderförmigen Ansatz (18) der Fassung (15) lagernde mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe (17) derart angeordnet ist, daß sie lediglich die Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte (12) überdeckt, während sie die Schalldurchlaßöffnungen (16) Fassung (15) frei läßt.
EP79102027A 1978-07-17 1979-06-19 Elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran Expired EP0007436B1 (de)

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EP0007436A1 EP0007436A1 (de) 1980-02-06
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