EP2481221A1 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

Elektroakustischer wandler

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EP2481221A1
EP2481221A1 EP09740041A EP09740041A EP2481221A1 EP 2481221 A1 EP2481221 A1 EP 2481221A1 EP 09740041 A EP09740041 A EP 09740041A EP 09740041 A EP09740041 A EP 09740041A EP 2481221 A1 EP2481221 A1 EP 2481221A1
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EP
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housing
electroacoustic transducer
membrane
diaphragm
electrodes
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Rainer Busch
Axel Brenner
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Atlas Elektronik GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • 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
    • H04R1/44—Special adaptations for subaqueous use, e.g. for hydrophone

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer according to the preamble of claim 1.
  • the membrane is attached at the edge over a peripheral bead in a housing called a loudspeaker basket.
  • the actuator has a voice coil driven by a magnetic system, which is firmly connected to a centrally acting on the diaphragm voice coil carrier.
  • Low-frequency underwater sound transducers can also be implemented with such an electromagnetic oscillating system that drives a diaphragm, although the mechanical structure must be extremely precise so that the voice coil can move over correspondingly long path lengths. Since large masses are needed, such converters are heavy and expensive to manufacture, so they are not very suitable for a larger use in the underwater sound technology.
  • the invention has for its object to provide a particular usable as a transmitting transducer, high-performance, electro-acoustic transducer, which is lightweight, requires little installation space and is inexpensive to manufacture.
  • the electroacoustic transducer according to the invention has the advantage that the oscillatory movements of the membrane can be produced at low cost, on one side clamped in the housing and fixed to the edge of the membrane bending vibrator are generated, which lift up and off the membrane, the membrane converts these edge-side strokes in large sound amplitudes, so that a large acoustic power is achieved.
  • Bending vibrators are known. In general, they are a spring-mass system capable of harmonic oscillations, which can be, for example, a cantilever rod whose natural frequency is determined by its length and mass. Flexural vibrators are inexpensive, have a relatively low weight and require relatively low voltages to vibrate them.
  • composite modules are used as bending oscillators, each having on at least two preferably congruent film layers of electrically insulating material arranged electrode structures with spaced, parallel electrodes and disposed between the film layers, spaced apart, parallel piezoceramic fibers on each other turned away longitudinal sides of the electrodes are contacted.
  • Such composite modules are extremely thin and lightweight. When an alternating voltage is applied, the piezoceramic fibers lengthen and shorten the composite modules clamped in the housing on one side.
  • the piezoceramic fibers are firmly embedded between the film layers, their elongation or shortening leads to a curvature of the composite module and thus to an upward or downward movement of the body facing away from the housing and firmly connected to the membrane edge end of the composite modules the membrane edge is alternately raised and lowered, thereby causing the membrane to vibrate.
  • electro-acoustic transducers designed as bending transducers with such composite modules can be very advantageously used in underwater sound technology, in particular in Trailing bodies or elongated towed antennas, use as transmitting transducer.
  • the composite modules arranged along the peripheral edge of the membrane are aligned such that the piezoceramic fibers extend between the housing and the membrane wheel.
  • the electrodes are so covered with a DC voltage that at the adjacent electrodes in a film layer, a high and a low DC potential and at the electrodes opposite to the piezoceramic fibers in the two film layers each have the same DC potential.
  • an alternating voltage is applied to the two electrode structures.
  • FIG. 1 shows a detail of a perspective top view of an electroacoustic transducer, partially cut away,
  • FIG. 3 shows an exploded view of a composite module used as a bending oscillator in the electroacoustic converter according to FIG. 1.
  • electroacoustic transducer which is preferably used as transmitting transducer in the underwater sound, has an example cylindrical housing 11, an edge fixed to the housing 11, elastic membrane 12, For example, made of rubber, and an attacking on the diaphragm 2 actuator 13 for causing a vibrating movement of the membrane 12 on.
  • the Actuator 13 consists of several distributed over the circumference of the membrane 12 and spaced from each other arranged bending vibrators 14 through which the membrane 12 is fixed to the housing 11.
  • the bending vibrator 14 are on one side, ie firmly clamped in its one end in the housing 11 and connected with its turned away from the clamping end, free end with the membrane edge, for example by gluing.
  • the end face of the housing 11 by means of a protective layer 15, for example made of rubber or a plastic, covered, which closes the housing 11 for underwater use watertight.
  • the housing 11 is then designed as a pressure equalization vessel, so that the membrane 12 does not bend inward at high water depth and thus enters a Hubreduzi für.
  • electroacoustic transducer not conventional flexural vibrator but preferably composite modules are used as bending vibrator.
  • the structure of such a composite module 16 is shown in Fig. 3 fragmentary exploded view.
  • the composite module 16 has two congruent film layers 17, 18 of electrically insulating material, on the mutually facing layer surfaces each arranged an electrode structure 20 and 21, for example, printed, and between the film layers 17, 18 arranged piezoceramic fibers 19, which from each other spaced apart and aligned parallel to each other.
  • the elongate piezoceramic fibers 19 have, for example, a square or rectangular cross section.
  • the spaces between the piezoceramic fibers 19 are filled with an electrically insulating material, for example with a polymer, which is not shown in FIG. 3 for the sake of clarity.
  • the two electrode structures 20, 21 are identical.
  • Each electrode structure 20 or 21 has two identically formed, comb-like structural parts 22, 23 with a in the direction of the piezoceramic fibers 19 extending conductor track 24 and 25 and thereof integrally outgoing, parallel, finger-like electrodes 26 and 27, respectively.
  • the two comb-like structural parts 22, 23 engage with their finger-like electrodes 26 and 27, respectively, so that in each case one electrode 26 of one structural part 22 and one electrode 27 of the other structural element tured 23 of the electrical structures 20, 21 are adjacent and parallel to each other.
  • Electrodes 26, 27 are therefore also referred to as "interdigitated electrodrods".
  • the two film layers 17, 18 are mirror-inverted with mutually facing electrode structures 20, 21 placed on the piezoceramic fibers 19, wherein only the electrodes 26, 27 contact the piezoceramic fibers 19 on their mutually remote longitudinal sides.
  • Such a composite module 16 is known and described, for example, in EP 1 983 584 A2, where it is called “piezoelectric macro-fiber composite actuator".
  • the composite modules 16 constructed in this way and forming the bending oscillators 14 in FIGS. 1 and 2 are arranged and aligned between the housing 11 and the membrane 12 such that the piezoceramic fibers 19 extend between the housing 11 and the membrane edge.
  • a DC voltage is applied to the two structural parts 22, 23 of each electrode structure 20 or 21 so that alternately a high and a low DC voltage potential are alternately applied to electrodes 26, 27 adjacent to one another in a film layer 17 or 18 and to electrodes 26 and 27 in the two film layers 17, 18, which are opposite to each other at the piezoceramic fibers 19, each having the same DC potential.
  • the composite modules 16 are driven with an alternating voltage which is superimposed on the direct voltage such that it does not fall below it.
  • the piezoceramic fibers 19 execute in the same direction longitudinal expansions and longitudinal contractions which cause an upward and downward alternation of the end sections of the composite modules 16 connected to the membrane 12, causing the diaphragm 12 to oscillate in the direction of the housing axis.

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Abstract

Es wird ein elektroakustischer Wandler angegeben, der eine randseitig in einem Gehäuse (11) gehaltene Membran (12) und einen an der Membran (12) angreifenden Aktuator (13) zum Herbeiführen einer Schwingbewegung der Membran (12) aufweist. Zur Realisierung eines insbesondere als Sendewandler in der Unterwasserschalltechnik einsetzbaren, elektroakustischen Wandlers, der leichtgewichtig ist, wenig Einbauraum beansprucht und kostengünstig zu fertigen ist, besteht der Aktuator (13) aus mehreren, am Gehäuse (11) einseitig eingespannten Biegeschwingern (15), die in Umfangsrichtung der Membran (12) voneinander beabstandet angeordnet und mit ihrem vom Gehäuse (11) abgekehrten Ende mit der Membran (12) verbunden sind.

Description

Elektroakustischer Wandler
Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten elektroakustischen Wandler (EP 0 772 373 A2) ist die Membran randseitig über eine umlaufende Sicke in einem als Lautsprecherkorb bezeichneten Gehäuse befestigt. Der Aktuator weist eine von einem Magnetsystem angetriebene Schwingspule auf, die mit einem zentral an der Membran angreifenden Schwingspulenträger fest verbunden ist. Mit einem solchen, eine Membran antreibenden, elektromagnetischen Schwingsystem lassen sich auch tieffrequente Unterwasserschallwandler realisieren, wobei jedoch der mechanische Aufbau äußert präzise sein muss, damit sich die Schwingspule über entsprechend große Weglängen bewegen kann. Da auch große Massen benötigt werden, sind solche Wandler schwergewichtig und teuer in der Fertigung, so dass sie sich für einen größeren Einsatz in der Unterwasserschalltechnik wenig eignen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere als Sendewandler einsetzbaren, leistungsstarken, elektroakustischen Wandler anzugeben, der leichtgewichtig ist, wenig Einbauraum beansprucht und kostengünstig zu fertigen ist.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße, elektroakustische Wandler hat den Vorteil, dass die Schwingbewegungen der Membran durch kostengünstig herstellbare, einseitig im Gehäuse eingespannte und an dem Membranrand festgelegte Biegeschwinger erzeugt werden, die die Membran auf- und abheben, wobei die Membran diese randseitigen Hubbewegungen in große Schallamplituden umsetzt, so dass eine große akustische Leistung erzielt wird. Biegeschwinger sind bekannt. Im Allgemeinen sind sie ein zu harmonischen Schwingungen fähiges Feder-Masse- System, das z.B. ein einseitig eingespannter Stab sein kann, dessen Eigenfrequenz durch seine Länge und Masse bestimmt ist. Biegeschwinger sind kostengünstig, besitzen ein relativ geringes Gewicht und benötigen relativ geringe Spannungen, um sie in Schwingungen zu versetzen.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen, elektroakustischen Wandlers mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind als Biegeschwinger Composite-Module eingesetzt, die jeweils auf mindestens zwei vorzugsweise deckungsgleichen Filmschichten aus elektrisch isolierendem Material angeordnete Elektrodenstrukturen mit voneinander beabstandeten, parallelen Elektroden und zwischen den Filmschichten angeordnete, voneinander beabstandete, parallele Piezokeramikfasern aufweisen, die auf voneinander abgekehrten Längsseiten von den Elektroden kontaktiert sind. Solche Composite-Module sind extrem dünn und leichtgewichtig. Bei Anlegen einer Wechselspannung längen und verkürzen sich die Piezokeramikfasern der einseitig im Gehäuse eingespannten Composite-Module. Da die Piezokeramikfasern fest zwischen den Filmschichten eingebettet sind, führt deren Längung bzw. Verkürzung zu einer Krümmung des Composite-Moduls und damit zu einer aufwärts bzw. abwärts gerichteten Bewegung des vom Gehäuse abgekehrten und mit den Membranrand fest verbundenen Endes der Composite-Module, wodurch der Membranrand wechselweise angehoben und abgesenkt und dadurch die Membran in Schwingung versetzt wird. Mit solchen Composite-Modulen als Biegewandler ausgebildete elektro- akustische Wandler lassen sich aufgrund ihres kleinen Baumvolumens und Baugewichts sehr vorteilhaft in der Unterwasserschalltechnik, insbesondere in Schleppkörpern oder langgestreckten Schleppantennen, als Sendewandler einsetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die längs des Umfangrands der Membran angeordneten Composite-Module so ausgerichtet, dass die Piezokeramikfasern sich zwischen dem Gehäuse und dem Membranrad erstrecken. Die Elektroden sind mit einer Gleichspannung so belegt, dass an den in einer Filmschicht nebeneinanderliegenden Elektroden abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an den an den Piezokeramikfasern einander gegenüberliegenden Elektroden in den beiden Filmschichten das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt. Zusätzlich wird auf die beiden Elektrodenstrukturen eine Wechselspannung aufgeschaltet. Bei dieser Art der Ausrichtung der Composite-Module und elektrischen Ansteuerung wird eine maximale Hubbewegung der mit dem Membranrand verbundenen Endabschnitte der Composite-Module erzielt.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen in schematisierter Darstellung:
Fig. 1 ausschnittweise eine perspektivische Draufsicht eines elektroakusti- schen Wandlers, teilweise aufgeschnitten,
Fig. 2 eine Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines als Biegeschwinger im elektroakus- tischen Wandler gemäß Fig. 1 eingesetzten Composite-Moduls.
Der in Fig. 1 in perspektivischer Draufsicht und in Fig. 2 im Schnitt jeweils ausschnittweise dargestellte, elektroakustische Wandler, der vorzugsweise als Sendewandler in der Unterwasserschalltechnik eingesetzt wird, weist ein z.B. zylinderförmiges Gehäuse 11, eine randseitig am Gehäuse 11 festgelegte, elastische Membran 12, z.B. aus Gummi, und einen an der Membran 2 angreifenden Ak- tuator 13 zum Herbeiführen einer Schwingbewegung der Membran 12 auf. Der Aktuator 13 besteht aus mehreren über den Umfang der Membran 12 verteilt und voneinander beabstandet angeordneten Biegeschwingern 14, über die die Membran 12 am Gehäuse 11 festgelegt ist. Wie aus der Schnittdarstellung in Fig. 2 hervorgeht, sind die Biegeschwinger 14 einseitig, d.h. mit ihrem einen Ende, in das Gehäuse 11 fest eingespannt und mit ihrem vom Einspannende abgekehrten, freien Ende mit dem Membranrand, z.B. durch Kleben, verbunden. Zum Schutze der Membran 12 und der Biegeschwinger 14 ist die Stirnseite des Gehäuses 11 mittels einer Schutzschicht 15, z.B. aus Gummi oder einem Kunststoff, abgedeckt, die für den Unterwassereinsatz das Gehäuse 11 wasserdicht abschließt. Vorzugsweise ist das Gehäuse 11 dann als Druckausgleichsgefäß konzipiert, damit sich die Membran 12 bei großer Wassertiefe nicht nach innen biegt und damit eine Hubreduzierung eintritt.
Bei dem vorstehen beschriebenen, elektroakustischen Wandler werden nicht herkömmliche Biegeschwinger sondern in bevorzugter Weise Composite-Module als Biegeschwinger eingesetzt. Der Aufbau eines solchen Composite-Moduls 16 ist in Fig. 3 ausschnittweise in Explosionsdarstellung abgebildet. Das Composite- Module 16 weist zwei deckungsgleiche Filmschichten 17, 18 aus elektrisch isolierendem Material, auf deren einander zugekehrten Schichtflächen jeweils eine Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 angeordnet, z.B. aufgedruckt, ist, und zwischen den Filmschichten 17, 18 angeordnete Piezokeramikfasern 19 auf, die voneinander beabstandet angeordnet und parallel zueinander ausgerichtet sind. Die langgestreckten Piezokeramikfasern 19 weisen beispielsweise, einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt auf. Die Zwischenräume zwischen den Piezokeramikfasern 19 sind mit einem elektrisch isolierenden Material, z.B. mit einem Polymer, ausgefüllt, was in Fig. 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist. Die beiden Elektrodenstrukturen 20, 21 sind identisch ausgebildet. Jede Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 weist zwei identisch ausgebildete, kammartige Strukturteile 22, 23 mit einer in Richtung der Piezokeramikfasern 19 sich erstreckenden Leiterbahn 24 bzw. 25 und davon einstückig abgehenden, parallelen, fingerartigen Elektroden 26 bzw. 27 auf. Die beiden kammartigen Strukturteile 22, 23 greifen mit ihren fingerartigen Elektroden 26 bzw. 27 ineinander, so dass jeweils eine Elektrode 26 des einen Strukturteils 22 und eine Elektrode 27 des anderen Struk- turteils 23 der Elektrostrukturen 20, 21 benachbart sind und parallel zueinander verlaufen. Diese Elektroden 26, 27 werden daher auch als "interdigitated e- lectrods" bezeichnet. Die beiden Filmschichten 17, 18 sind spiegelbildlich mit einander zugekehrten Elektrodenstrukturen 20, 21 auf die Piezokeramikfasern 19 aufgelegt, wobei ausschließlich die Elektroden 26, 27 die Piezokeramikfasern 19 auf deren voneinander abgekehrten Längsseiten kontaktieren. Ein solches Com- posite-Modul 16 ist bekannt und z.B. in der EP 1 983 584 A2 beschrieben und dort "piezoelectric macro-fiber composite actuator" genannt.
Die solchermaßen aufgebauten, die Biegeschwinger 14 in Fig. 1 und 2 bildenden Composite-Module 16 sind zwischen Gehäuse 11 und Membran 12 so angeordnet und ausgerichtet, dass die Piezokeramikfasern 19 sich zwischen dem Gehäuse 11 und dem Membranrand erstrecken. Wie in Fig. 3 eingezeichnet ist, sind die beiden Strukturteile 22, 23 einer jeden Elektrodenstruktur 20 bzw. 21 mit einer Gleichspannung beaufschlagt, so dass an in einer Filmschicht 17 bzw. 18 nebeneinander liegenden Elektroden 26, 27 abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an Elektroden 26 bzw. 27 in den beiden Filmschichten 17, 18, die an den Piezokeramikfasern 19 einander gegenüberliegen, das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt. Zum Aktivieren des als Sendewandler betriebenen Wandlers zum Zwecke des Aussendens von Schallwellen werden die Composite-Module 16 mit einer Wechselspannung angesteuert, die der Gleichspannung so überlagert ist, dass sie diese nicht unterschreitet. Durch diese Wechselspannung führen die Piezokeramikfasern 19 gleichsinnige Längsdehnungen und Längskontraktionen aus, die ein abwechselndes Krümmen der mit der Membran 12 verbundenen Endabschnitte der Composite-Module 16 nach oben und unten bewirken, wodurch die Membran 12 in Schwingungen in Richtung der Gehäuseachse versetzt wird.
Zur Erhöhung der akustischen Leistung des elektroakustischen Wandlers ist es möglich, weitere gleichartige Filmschichten mit ebensolchen Elektrodenstrukturen auf die beiden Filmschichten 17, 18 aufzulegen, wobei zwischen jeweils zwei Filmschichten immer eine Schicht von Piezokeramikfasern 19 in der beschriebenen Anordnung vorhanden ist.

Claims

Ansprüche
Elektroakustischer Wandler mit einer randseitig in einem Gehäuse (11) gehaltenen Membran (12) und einem an der Membran (12) angreifenden Aktuator (13) zum Herbeiführen einer Schwingbewegung der Membran (12),
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktuator (13) aus mehreren, am Gehäuse ( 1) einseitig eingespannten Biegeschwingern (14) besteht, die in Umfangsrichtung der Membran (12) voneinander beabstandet angeordnet und mit ihrem vom Gehäuse (11) abgekehrten Ende mit der Membran (12) verbunden sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeder Biegeschwinger (14) von einem Composite-Modul 16 gebildet ist, das auf mindestens zwei Filmschichten (17, 18) aus elektrischen isolierendem Material angeordnete Elektrodenstrukturen (20, 21) mit voneinander beabstandeten, parallelen Elektroden (26, 27) und zwischen den Filmschichten (17, 18) angeordnete, voneinander beabstandete, parallele Pie- zokeramikfasern (19) aufweist, die auf ihren voneinander abgekehrten Längsseiten von den Elektroden (26, 27) kontaktiert sind.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Composite-Module (16) so ausgerichtet sind, dass die Piezokeramikfa- sern (19) sich zwischen dem Gehäuse (11) und dem Membranrand erstrecken und das die Elektroden (26, 27) mit einer Gleichspannung so belegt sind, dass an in einer Filmschicht (17, 18) nebeneinanderliegenden Elektroden (26, 27) abwechselnd ein hohes und ein niedriges Gleichspannungspotenzial und an an den Piezokeramikfasern (19) einander gegenüberliegenden Elektroden (26) bzw. (27) in den beiden Filmschichten (17, 18) das jeweils gleiche Gleichspannungspotenzial liegt, und dass auf die Elektrodenstrukturen (20, 21) eine Wechselspannung aufschaltbar ist.
4. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine die Membran (12) überdeckende Schutzschicht (15) randseitig mit dem Gehäuse (11) verbunden ist.
5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht ( 5) aus Gummi oder einem Kunststoff besteht.
6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4 oder 5,
gekennzeichnet durch seinen Einsatz als Unterwasser-Senderwandler und dadurch, dass die Schutzschicht (15) das Gehäuse (11) wasserdicht abschließt.
7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (11) als Druckausgleichsgefäß ausgebildet ist.
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