EP1120996A2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

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EP1120996A2
EP1120996A2 EP01890004A EP01890004A EP1120996A2 EP 1120996 A2 EP1120996 A2 EP 1120996A2 EP 01890004 A EP01890004 A EP 01890004A EP 01890004 A EP01890004 A EP 01890004A EP 1120996 A2 EP1120996 A2 EP 1120996A2
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EP
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membrane
electrode
projection
rigid electrode
rigid
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EP01890004A
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Richard Dr. Barnert
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AKG Acoustics GmbH
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AKG Acoustics GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer based on the capacitor principle is based, with an essentially rigid electrode and with a membrane flexible electrode, the distance in the center region of the electrodes between the membrane and the rigid electrode is less than in the edge area and optionally with a resonator attachment.
  • Such a converter is known from W082 / 00745 A1.
  • the rigid electrode a convex shape on its side facing the membrane, which means that of radius distance between the membrane and the rigid electrode different from radius is obtained.
  • the rigid electrode is only by individual hooks in the upper area of a insulating housing held between which the air in a behind the fixed membrane trained chamber can flow, whereby the characteristic and in particular the Directional characteristic of the microphone can be adapted to the desired values.
  • a completely different converter is designed as a hydrophone and from the SU 1 784 111 A3 known:
  • a rigid and a vibratory Electrode used, the vibratable electrode from a dome-shaped Teflon plate is made, the edge of which is free outside the rigid electrode on one Protrudes the housing and the apex of which rests on a screw cap whose twisting changes the height of the Teflon dome by elastic deformation and so the radiation characteristics of the hydrophone are adapted to the desired values can.
  • the flexible electrode can consist of plastic and an electrically conductive Material, optionally gold, can be coated, depending on the rigid electrode Type of charge application, made of conductive or insulating material Charge carriers or an electrically conductive coating or layer.
  • the Contact can be made in a variety of ways and is not part of the invention.
  • the frequency response of such transducers is very much influenced by a resonator attachment and its boundary.
  • the resonator attachment is parallel to the two electrodes and generally consists of a film that is significantly thicker than the membrane and has openings around which To allow passage of sound and to influence it at the same time.
  • This resonator attachment is held in the capsule of the converter (converter housing) by a ring, the Height also affects the transducer characteristics.
  • the rigid electrode can be flat or curved and the membrane can be elastic, be partially plastic or plastically deformed.
  • a is in the center region of the rigid electrode at least essentially circular projection, optionally in one piece, to which the flexible electrode rests, for example is glued on. in case of a
  • This center area is preferably free of charge carriers for electret microphones.
  • the membrane in the center region of the resonator attachment an at least essentially circular projection directed towards the membrane, optionally in one piece.
  • the membrane can be attached to this Tab be glued to ensure that they are not pulled towards the rigid electrode and sticks there under the influence of the opposite charges.
  • the flexible electrode (membrane) is preferred pressed on the projection, this in turn preferably by a nipple, which in the The center of the resonator attachment is attached or provided and the flexible electrode presses against the projection with elastic deformation of the resonator attachment.
  • a resonator attachment 4 is arranged on the front side of the membrane 7 and is held by a retaining ring 2 held and in the illustrated embodiment by flanging the edge of the Housing 5 is fixed.
  • the rigid electrode 8 now has an im in its central region essential circular cylindrical projection 9, to which the membrane 7 by means of a Nipples 3 is pressed.
  • the contact pressure stems from the elastic deformation of the Resonator attachment 4, on which the nipple 3 by inserting a projection in a central opening of the resonator attachment is attached.
  • the circular cylindrical projection 9 a height of about 20 ⁇ m to increase the capsule sensitivity by 3 dB (decibels) and still reliably sticking the membrane 7 to the rigid electrode 8 avoid.
  • the electroacoustic transducer works according to the electret principle and the rigid one If the electrode carries the charges, the circular-cylindrical projection 9 remains preferred unloaded, but the charge carriers reach right up to the ledge. If the membrane 7 carries the charges, it is advantageous to bear against the projection 9 Leave the area of the membrane free of charge.
  • the figure also shows openings in the rigid electrode 8 which prevent that the membrane 7 has to vibrate against an air cushion while the openings are not shown in the resonator attachment. Because these are elements of the prior art, further explanation of these details appears in the Description not necessary.
  • the nipple 3 can be made of plastic, for example ABS (acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers), consist.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene copolymers
  • the dimensions or relations shown in the schematic figure are not as To see to scale, but it has been found that the nipple 3 a cheap noticeably larger (preferably by at least 10%, particularly preferably by at least 20%) in diameter than the projection 9, and that its outer edges are noticeable rounded (radius of curvature preferably at least equal to 1 mm) are what the projection 9 is not important.
  • the projection 9 (with a typical diameter of 5 to 15% of the free electrode diameter) should in turn be cylindrical or at least almost have cylindrical outer surface so as to ensure that the membrane 7th already just radially outside the end face of the projection 9 a relatively large distance from rigid electrode 8.
  • the spacer between the membrane 7 and the resonator attachment 4 may be different (e.g. ring-shaped) and different attached, e.g. be glued.
  • the membrane 7 can also be placed directly on the projection 9 glued or welded to it (ultrasonic welding). It is possible to on the side of the membrane facing away from the projection, a reinforcement plate or to apply a reinforcement ring.
  • the electrodes and the Resonator attachment be at least substantially circular, but are for Special applications also conceivable deviations from the circular shape.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem Kondensatorprinzip, mit einer im wesentlichen starren Elektrode (8) und mit einer als Membrane (7) ausgebildeten flexiblen Elektrode, wobei im Zentrumsbereich der Elektroden der Abstand zwischen der Membrane (7) und der starren Elektrode (8) geringer ist als in deren Randbereich, und gegebenenfalls mit einem Resonatorvorsatz (4). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (7) kegel- oder kegelstumpfförmig deformiert ist. In einer bevorzugten Variante wird dies dadurch erreicht, daß die starre Elektrode (8) in ihrem zentralen Bereich einen zumindest im wesentlichen kreiszylindrischen Vorsprung (9) aufweist, und daß die Membrane (7) an diesem Vorsprung (9) anliegt, beispielsweise durch einen am Resonatorvorsatz (4) befestigten Nippel (3) angepreßt wird. Die Erfindung betrifft weiters Ausgestaltungen dieses Erfindungsgedankens.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, der auf dem Kondensatorprinzip beruht, mit einer im wesentlichen starren Elektrode und mit einer als Membrane ausgebildeten flexiblen Elektrode, wobei im Zentrumsbereich der Elektroden der Abstand zwischen der Membrane und der starren Elektrode geringer ist als in deren Randbereich und gegebenenfalls mit einem Resonatorvorsatz.
Ein derartiger Wandler ist aus der W082/00745 A1 bekannt. Dabei hat die starre Elektrode auf ihrer der Membrane zugewandten Seite eine konvexe Form, wodurch der von Radius zu Radius unterschiedliche Abstand zwischen der Membrane und der starren Elektrode erhalten wird. Die starre Elektrode wird nur von einzelnen Haken im oberen Bereich eines isolierenden Gehäuses gehalten, zwischen denen die Luft in eine hinter der fixen Membran ausgebildeten Kammer strömen kann, wodurch die Charakteristik und insbesondere die Richtcharakteristik des Mikrofons an die gewünschten Werte angepaßt werden kann.
Ein anderer Wandler mit Membrane und starrer Elektrode ist aus der US 4,796,725 A bekannt: Um im Ultraschallbereich arbeiten zu können, ist die Membrane auf die konvex ausgebildete Elektrode aufgezogen und wird durch Anlegen einer Gleichspannung mit überlagerter Wechselspannung einerseits ganz knapp von der Elektrode abgehoben und andererseits in entsprechend hochfrequente Schwingungen versetzt. Abgesehen von den sich dabei ausbildenden Schwingungsmoden bleibt die Membran dabei immer im gleichen Abstand von der Elektrode bzw. hat in der Mitte etwas größeren Abstand als am Rand, wo sie ja eingespannt ist.
Ein ganz anders aufgebauter Wandler ist als Hydrophon ausgebildet und aus der SU 1 784 111 A3 bekannt: Dabei werden eine starre und eine schwingungsfähige Elektrode verwendet, wobei die schwingungsfähige Elektrode aus einer kuppelförmigen Teflonplatte besteht, deren Rand frei außerhalb der starren Elektrode an einem Gehäusevorsprung anliegt und deren Scheitel an einem Schraubdeckel anliegt, durch dessen Verdrehen die Höhe der Teflonkuppel durch elastische Deformation geändert und so die Abstrahlcharakteristik des Hydrophons an die gewünschten Werte angepaßt werden kann.
Allgemein bestehen auf dem Kondensatorprinzip beruhende Wandler, mit denen sich die Erfindung beschäftigt, prinzipiell aus einer starren Elektrode und einer in geringem Abstand von ihr gespannt gehaltenen, flexiblen Elektrode, die, bei Verwendung des Wandlers als Mikrofon, von den auftreffenden Schallwellen in Schwingungen versetzt wird, wodurch sich die Kapazität des durch die beiden Elektroden gebildeten Kondensators ändert, was, entsprechend umgesetzt und verstärkt, den Wandler vervollständigt.
Die flexible Elektrode kann dabei aus Kunststoff bestehen und mit einem elektrisch leitfähigen Material, gegebenenfalls Gold, beschichtet sein, die starre Elektrode kann, je nach Art der Ladungsaufbringung, aus leitendem oder isolierendem Material mit aufgebrachten Ladungsträgern oder einer elektrisch leitenden Beschichtung oder Schichte bestehen. Die Kontaktierung kann auf vielfältige Weise erfolgen und ist nicht Bestandteil der Erfindung.
Bei solchen Wandlern ist es möglich, entweder eine externe Spannung anzulegen ("echtes Kondensatorprinzip") oder Ladungsträger auf einer der Elektroden permanent aufzubringen ("Elektretprinzip"). Beeinflussen läßt sich die Empfindlichkeit eines solchen Wandlers durch Änderung des Abstandes der Elektroden und/oder durch Änderung der anliegenden Spannung (beim Elektretprinzip durch Änderung der Ladung). Dabei führt eine Erhöhung der Spannung bzw. eine Annäherung der Elektroden (in ihrer Ruhelage) zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit (bei Verwendung als Mikrophon zu definieren als Verhältnis der Ausgangsspannung zum Schalldruck).
Solche Wandler arbeiten an sich zufriedenstellend und haben gegenüber den elektrodynamischen Wandlern, bei denen die Membrane eine Spule trägt, manche Vorteile: Durch die extrem geringe Masse der Membrane, die die flexible Elektrode bildet, können sie auch sehr hochfrequente Schallwellen umwandeln.
Diese Wandler weisen aber auch Nachteile auf, die hauptsächlich auf die Begrenzung der Empfindlichkeit bzw. der Spannung, beim Elektretprinzip der aufbringbaren Ladung, und auf die Einhaltung eines Mindestabstandes der Elektroden zueinander zurückgehen, da durch diese Aufladung ein Anziehungseffekt zwischen den Elektroden induziert wird, der dazu führen kann, daß, insbesondere bei größeren Ausschlägen der Membrane, diese so nahe an die starre Elektrode kommt, daß die Anziehungskräfte die elastischen Rückstellkräfte übersteigen und die Membrane sich über einen kleineren oder größeren Bereich dauerhaft an der starren Elektrode anlegt, wodurch natürlich das Schwingungsverhalten im restlichen Bereich völlig unvorhersehbar wird und die Wandlercharakteristik undefiniert und damit unbrauchbar wird.
Da nun die Erhöhung der anliegenden Spannung auf die Wandlercharakteristik einen sehr positiven Einfluß hat, da dadurch die Empfindlichkeit erhöht bzw. das Ausgangssignal bei ansonsten gleichen Wandlerparametern stärker wird, bemüht man sich hier darum, mit der anliegenden Spannung so hoch zu gehen, wie es nur irgend vertretbar erscheint, bzw. den Abstand der parallelen Elektroden zu verringern, was natürlich dazu führt, daß, wesentlich öfter als es dem Benutzer lieb ist, Probleme mit dem Anheften der Membrane auftreten.
Der Frequenzgang derartiger Wandler, insbesondere derartiger Elektretmikrofone, wird sehr wesentlich von einem Resonatorvorsatz und dessen Randbegrenzung beeinflußt. Der Resonatorvorsatz liegt parallel zu den beiden Elektroden und besteht im allgemeinen aus einer Folie, die deutlich stärker ist als die Membrane und weist Öffnungen auf, um den Schalldurchgang zu ermöglichen und gleichzeitig zu beeinflussen. Dieser Resonatorvorsatz wird in der Kapsel des Wandlers (Wandlergehäuse) durch einen Ring gehalten, dessen Höhe ebenfalls die Wandlercharakteristik beeinflußt.
Im Zuge von Versuchen zur Erhöhung der Kapselempfindlichkeit wurde nun gefunden, daß diese dadurch wesentlich erhöht werden kann, daß bei üblicher, etwa kreisförmiger Ausbildung der Elektroden die Membrane kegel- oder kegelstumpfförmig deformiert ist. Diese Ausbildung löst auf überraschende Weise die genannten Probleme. Dabei kann die starre Elektrode eben oder gekrümmt ausgebildet sein und die Membrane kann elastisch, teilplastisch oder plastisch deformiert sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Zentrumsbereich der starren Elektrode ein zumindest im wesentlichen kreisförmiger Vorsprung, gegebenenfalls einstückig, ausgebildet, an dem die flexible Elektrode anliegt, beispielsweise angeklebt ist. Im Falle eines Elektretmikrofons ist dieser Zentrumsbereich bevorzugt frei von Ladungsträgern.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist im Zentrumsbereich des Resonatorvorsatzes ein zur Membran hin gerichteter, zumindest im wesentlichen kreisförmiger Vorsprung, gegebenenfalls einstückig, ausgebildet. Auch in diesem Fall kann die Membrane an diesen Vorsprung angeklebt sein, um sicherzustellen, daß sie nicht zur starren Elektrode gezogen wird und dort unter dem Einfluß der gegennamigen Ladungen anklebt.
Durch diese Maßnahme der Annäherung der Elektroden im Bereich der Membranenmitte (Zentrumsbereich) ist es tatsächlich unerwarteterweise möglich, die Kapsel-Empfindlichkeit deutlich zu erhöhen, ohne daß es zum unerwünschten Ankleben der flexiblen Elektrode an der starren Elektrode kommt. Als völlig überraschenden Effekt wurde gefunden, daß eine Anhebung der Charakteristik im Baßbereich auftritt, sodaß die Linearität des Wandlers weiter in den Baßbereich reicht als bei Wandlern gemäß dem Stand der Technik.
Bevorzugt wird in der ersten Variante der Erfindung die flexible Elektrode (Membrane) auf den Vorsprung angedrückt, dies wiederum bevorzugt durch einen Nippel, der in der Mitte des Resonatorvorsatzes angebracht oder vorgesehen ist und der die flexible Elektrode unter elastischer Deformation des Resonatorvorsatzes gegen den Vorsprung preßt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung, die aus einer einzigen Figur besteht, näher erläutert. Dabei zeigt diese Figur einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wandlers.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist ein in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichneter, auf dem Kondensatorprinzip beruhender, elektroakustischer Wandler ein Gehäuse 5 auf, in dem eine starre Elektrode 8 und, mittels eines Distanzringes 6 im Abstand von ihr, eine beschichtete, vorgespannte Membrane 7, die als Gegenelektrode dient, mittels eines Membranringes 1 gehalten wird.
Frontseitig der Membran 7 ist ein Resonatorvorsatz 4 angeordnet, der von einem Haltering 2 gehalten und im dargestellten Ausführungsbeispiel durch umbördeln des Randes des Gehäuses 5 fixiert wird.
Erfindungsgemäß weist nun die starre Elektrode 8 in ihrem zentralen Bereich einen im wesentlichen kreiszylindrischen Vorsprung 9 auf, an den die Membrane 7 mittels eines Nippels 3 angepreßt wird. Der Anpreßdruck rührt aus der elastischen Deformation des Resonatorvorsatzes 4, an dem der Nippel 3 durch Einstecken eines Vorsprungs in eine zentrale Öffnung des Resonatorvorsatzes befestigt ist.
Bei einer üblichen Höhe des Distanzringes 6 zwischen den beiden Elektroden von etwa 60 µm ist es völlig ausreichend, dem kreiszylinderförmigen Vorsprung 9 eine Höhe von etwa 20 µm zu geben, um die Kapsel-Empfindlichkeit um 3 dB (Dezibel) erhöhen zu können und dennoch das Ankleben der Membrane 7 auf der starren Elektrode 8 zuverlässig zu vermeiden.
Wenn der elektroakustische Wandler nach dem Elektretprinzip arbeitet und dabei die starre Elektrode die Ladungen trägt, so bleibt der kreiszylinderförmige Vorsprung 9 bevorzugt ungeladen, es reichen aber die Ladungsträger bis unmittelbar an den Vorsprung heran. Wenn die Membrane 7 die Ladungen trägt, so ist es vorteilhaft, den am Vorsprung 9 anliegenden Bereich der Membrane ladungsfrei zu lassen.
Aus der Figur sind auch Öffnungen in der starren Elektrode 8 ersichtlich, die verhindern, daß die Membrane 7 gegen einen Luftpolster zu schwingen hat, während die Durchbrechungen im Resonatorvorsatz nicht dargestellt sind. Da es sich dabei jeweils um Elemente des Standes der Technik handelt, scheint eine weitere Erläuterung dieser Details in der Beschreibung nicht notwendig.
Als Materialien können alle gemäß dem Stand der Technik bei der Herstellung elektroakustischer Wandler nach dem Kondensatorprinzip verwendeten Materialien verwendet werden, der Nippel 3 kann aus Kunststoff, beispielsweise aus ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere), bestehen. Die Kontaktierung der Elektroden wird durch die Erfindung nicht beeinflußt und bedarf daher an dieser Stelle keiner Erläuterung.
Die in der schematischen Figur gezeigten Abmessungen bzw. Relationen sind nicht als maßstäblich anzusehen, als günstig hat sich aber herausgestellt, daß der Nippel 3 einen merklich größeren (bevorzugt um zumindest 10 %, besonders bevorzugt um zumindest 20 %) Durchmesser aufweist als der Vorsprung 9, und daß seine äußeren Ränder merklich abgerundet (Rundungsradius bevorzugt zumindest gleich 1 mm) sind, was beim Vorsprung 9 nicht von Bedeutung ist. Der Vorsprung 9 (mit einem typischen Durchmesser von 5 bis 15 % des freien Elektrodendurchmessers) wiederum soll zylindrische oder zumindest nahezu zylindrische Mantelfläche aufweisen, um so sicherzustellen, daß die Membrane 7 schon knapp radial außerhalb der Stirnfläche des Vorsprunges 9 relativ großen Abstand zur starren Elektrode 8 aufweist.
Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. So kann der Abstandhalter zwischen der Membrane 7 und dem Resonatorvorsatz 4 anders ausgebildet (z.Bsp. ringförmig) sein und anders befestigt, z.Bsp. angeklebt, sein. Es kann auch die Membrane 7 direkt auf den Vorsprung 9 geklebt oder mit ihm verschweißt (Ultraschallschweissen) sein. Dabei ist es möglich, auf der dem Vorsprung abgewandten Seite der Membrane ein Verstärkungsplättchen bzw. einen Verstärkungsring aufzubringen. Üblicherweise werden die Elektroden und der Resonatorvorsatz zumindest im wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein, doch sind für Spezialanwendungen auch Abweichungen von der Kreisform denkbar.
Es ist möglich, die Abweichung von der parallelen Anordnung der Elektroden durch entsprechende Ausgestaltung der zur Membrane gerichteten Oberfläche der starren Elektrode zu verstärken oder auch abzuschwächen und so die Wandlerkennlinie weiter zu beeinflussen und an die jeweiligen Anforderungen anzupassen. Es ist ebenso möglich, die Membrane so zu deformieren, daß sie zumindest teilweise plastisch deformiert wird, wodurch ebenfalls die Wandlerkennlinie beeinflußt werden kann.

Claims (11)

  1. Elektroakustischer Wandler nach dem Kondensatorprinzip, mit einer im wesentlichen starren Elektrode (8) und mit einer als Membrane (7) ausgebildeten flexiblen Elektrode, wobei im Zentrumsbereich der Elektroden (8, 7) der Abstand zwischen der Membrane (7) und der starren Elektrode (8) geringer ist als in deren Randbereich und gegebenenfalls mit einem Resonatorvorsatz (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (7) kegel- oder kegelstumpfförmig deformiert ist.
  2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Elektrode (8) in ihrem zentralen Bereich einen zumindest im wesentlichen kreiszylindrischen Vorsprung (9) aufweist, und daß die Membrane (7) an diesem Vorsprung anliegt.
  3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Resonatorvorsatz (4) und der Membrane (7) ein Abstandhalter angeordnet ist.
  4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter als Nippel (3) ausgebildet ist, der am Resonatorvorsatz (4) befestigt ist.
  5. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, die Membrane (7) am Vorsprung (9) befestigt, beispielsweise angeklebt, ist.
  6. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (7) auf der dem Vorsprung (9) abgewandten Seite ein Verstärkungsplättchen bzw. einen Verstärkungsring aufweist.
  7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonatorvorsatz (4) membranseitig eine als Abstandhalter dienende Verdickung oder Ausbuchtung aufweist, an der die Membrane (7) anliegt, beispielsweise angeklebt ist.
  8. Wandler nach dem Elektretprinzip nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zentrumsbereich der mit Ladungsträgern versehenen Elektrode frei von Ladungsträgern ist.
  9. Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membrane (7) zugekehrte Oberfläche der starren Elektrode (8) zumindest einen konischen Abschnitt aufweist.
  10. Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die der Membrane (7) zugekehrte Oberfläche der starren Elektrode (8) zumindest einen sphärischen Abschnitt aufweist.
  11. Wandler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (7) rein elastisch deformiert ist.
EP01890004A 2000-01-27 2001-01-08 Elektroakustischer Wandler Withdrawn EP1120996A3 (de)

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