NL8701680A - Elektro-akoestische omzetter, voorzien van een supergeleidend element. - Google Patents

Description

ΡΗΝ 12.198 1 4 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Elektro-akoestische omzetter, voorzien van een supergeleidend element.

De uitvinding heeft betrekking op een elektro-akoestische omzetter voorzien van een aansluitklem voor het ontvangen of afgeven van een elektrisch signaal, een spreekspoel gekoppeld met de aansluitklem, en een membraan. Een dergelijke omzetter is bekend uit het boek 5 "Acoustics" van L.L. Beranek, de hoofdstukken 6 en 7, Mc. Graw-Hill Book Company.

De bekende omzetter heeft, zeker in het geval het een luidspreker betreft, een grote inbouwhoogte, is zwaar en duur. De uitvinding beoogt een omzetter te verschaffen die een kleinere 10 inbouwhoogte heeft, lichter is en minder duur is.

De elektro-akoestische omzetter volgens de uitvinding heeft daartoe het kenmerk dat de omzetter is voorzien van een element, niet zijnde de spreekspoel, dat van een supergeleidend materiaal is vervaardigd, welk element kan samenwerken met de spreekspoel voor het “f'5 realiseren van een elektro-mechanische overdracht van het elektrische signaal aan de aansluitklem naar trillingen van het membraan, of omgekeerd.

Er zij hier vermeld dat de uitvinding niet beperkt is tot de toepassing van het supergeleidende element in elektro-akoestische 20 omzetters in de vorm van luidsprekers. De maatregel is evenzeer van toepassing bij elektro-akoestische omzetters in de vorm van mikrofoons.

De hierna volgende diskussie zal echter hoofdzakelijk aan de hand van de toepassing bij een luidspreker worden gevoerd.

De maatregel volgens de uitvinding is gebaseerd op het 25 volgende inzicht. De elektro mechanische overdracht van de omzetter volgens de uitvinding wordt gerealiseerd doordat een supergeleidend, element de magneetvelden uit zichzelf probeert te verdringen. Dit effekt staat in de theorie van de supergeleiding bekend onder de naam.- Meissner effekt. De spreekspoel is bedoeld om een wisselend magneetveld te 3C genereren in afhankelijkheid van het aan de aansluitklem aangeboden elektrische signaal. Het supergeleidende element en de spreekspoel zullen ten opzichte van elkaar onder invloed van dit magneetveld gaan 8701680 r • r PHN 12.198 2 bewegen en dus gaat het membraan bewegen, zodat een akoestisch signaal wordt afgestraald. De voordelen van de omzetter volgens de uitvinding zijn velerlei. Doordat de spreekspoel nu het het magneetveld vormende element is, kan een permanent magneet achterwege blijven. De omzetter 5 benodigt dus minder komponenten en is daardoor lichter en goedkoper. Bovendien wordt daardoor een kleinere inbouwhoogte gerealiseerd.

Het mag duidelijk zijn dat, in de toepassing van de maatregel volgens de uitvinding bij mikrofoons, er een permanent magneetveld benodigd zal zijn waarin zich dan het supergeleidende 10 element bevindt. Dit permanente magneetveld kan men bijvoorbeeld verkrijgen door aan de spreekspoel een gelijkstroom toe te voeren. Doch ook in de toepassing bij luidsprekers die zijn voorzien van slechts één spreekspoel zal de toevoer van een gelijkstroom aan de spreekspoel voor een goede akoestische weergave van een aan de omzetter 15 toe te voeren elektrisch signaal, nodig blijken te zijn.

Supergeleiding is op zich reeds lang bekend, zie bijvoorbeeld het boek "Introduction to solid state physics" van Kittel hoofdstuk 12.

Ook is het bekend om geleiders van een supergeleidend 20 materiaal te vervaardigen ter verlaging van de Ohmse verliezen in deze geleiders, Verder is het bekend om supergeleidende materialen te gebruiken voor het realiseren van (hoge) magneetvelden. Deze toepassingen waren alleen mogelijk bij zeer lage temperaturen, te weten temperaturen lager dan ongeveer -250°C. Sinds kort echter is bij 25 enkele materialen supergeleiding aangetoond bij (veel) hogere temperaturen.

Geschikte materialen zijn bijvoorbeeld supergeleidende (keramische) materialen uit verbindingen van lanthaan, barium, koper en zuurstof, zoals La^. BaxCuO^, met x liggend tussen 0.15 en 0.6; 30 lanthaan, strontium, koper en zuurstof, zoals La2_xSrxCu04 met x liggend tussen 0.15 en 0.2; yttrium, barium, koper en zuurstof zoals YBa^CuO·^, met d liggend tussen 0.0 en 1.0 of Y0.4Ba0.6Cu1.0°3 0' yttrium< barium, strontium, koper en zuurstof, zoals YBa2_xSrxCu30g, waarbij een deel van de 35 elementen gedeeltelijk gesubstitueerd kan zijn, bijvoorbeeld zuurstof door fluor of strontium door calcium.

De toepassing van het fenomeen supergeleiding bij 4 8701680 * ΡΗΝ 12.198 3 elektro·-akoestische omzetters mag dan misschien al zijn voorgesteld: de maatregel volgens de uitvinding betreft noch het vervangen van een geleider door een geleider van een supergeleidend materiaal, noch het realiseren van magneetvelden door middel van een element van een 5 supergeleidend materiaal, doch het realiseren van een elektro- mechanische overdracht bij omzetters die gebaseerd is op het Meissner effekt.

Het element van supergeleidend materiaal kan ten minste een deel van het membraan uitmaken, terwijl de spreekspoel stationair is 10 opgesteld. Een voordeel hiervan is dat geen elektrische draden naar een bewegend deel van de omzetter, zoals naar de spreekspoel van de bekende omzetter, benodigd zijn. De betrouwbaarheid en de levensduur van de omzetter is daardoor toegenomen. Bovendien kan de massa van het bewegende deel van de omzetter daardoor lager zijn, zodat de 15 gevoeligheid van de omzetter groter is en het frekwentiewerkbereik van de omzetter groter kan zijn.

Het membraan kan een laag van een supergeleidend materiaal bevatten. De spreekspoel kan dan op een in hoofdzaak vlakke drager zijn aangebracht en spiraalvorming over de drager verlopen. Is 20 het membraan een in hoofdzaak vlak membraan dan kan de drager aan één zijde van en in hoofdzaak evenwijdig aan het membraan worden aangebracht. Op deze wijze kan een zeer vlakke konstuktie met een kleine inbouw hoogte worden verkregen.

Een omzetter waarbij het membraan een in hoofdzaak 25 konusvormig membraan is kan zijn gekenmerkt doordat dat ten minste de top van het membraan van een supergeleidend materiaal is vervaardigd.

Een andere mogelijkheid is dat dat het element met de top van het membraan is gekoppeld en dat de spreekspoel stationair is opgesteld.

30 De omzetter in zijn meest eenvoudige vorm, dat wil zeggen .

met slechts één spreekspoel, waaraan het elektrische signaal wordt toegevoerd, is niet in staat het elektrische signaal zonder veel vervorming om te zetten in een akoestisch signaal. Dit is het gevolg van het feit dat de door de spreekspoel gegenereerde magneetvelden het 3! element van het supergeleidende materiaal alleen maar kunnen afstoten, zowel gedurende de positieve periodes als gedurende de negatieve periodes in het elektrische signaal. Er treedt dus op zijn minst een 8701680 ψ ώ ΡΗΝ 12.198 4 frekwentieverdubbeling op in het akoestische signaal. Voor sommige toepassingen, men denke bijvoorbeeld aan sirenes, hoeft dit geen bezwaar te zijn. Voor konsumententoepassingen is een dergelijke omzetting echter niet acceptabel.

5 Een verbetering kan worden bereikt indien dat de omzetter is voorzien van een tweede spreekspoel en dat de ene spreekspoel zich, gezien in een richting langs de centrale as van de omzetter, vóór en de andere spreekspoel zich, gezien in deze richting, achter het element bevindt. Deze omzetter kan, indien bedoeld voor het omzetten van een 10 elektrisch signaal in een akoestisch signaal, verder zijn gekenmerkt door dat de omzetter een scheidingseenheid bevat met een ingang gekoppeld met de aansluitklem en een eerste en een tweede uitgang gekoppeld met de eerste resp. tweede spreekspoel, en dat de scheidingseenheid is ingericht voor het doorlaten van een elektrisch 15 signaal met een eerste polariteit aan de ene spreekspoel en voor het doorlaten van een elektrisch signaal met een aan de eerste polariteit tegengestelde polariteit aan de andere spreekspoel.

Een verbeting kan ook op een andere wijze worden bereikt, namelijk doordat dat de omzetter een aandrijfeenheid bevat met een 20 ingang gekoppeld met de aansluitklem en een uitgang gekoppeld met de spreekspoel, en dat de aandrijfeenheid is ingericht voor het, tijdens het gebruik van de omzetter en bij afwezigheid van een in de omzetter om te zetten elektrisch of akoestisch signaal, toevoeren van een konstante stroom aan de spreekspoel. Deze uitvoeringsvorm is geschikt voor 25 toepassing van de omzetter als een luidspreker, zowel als voor toepassing van de omzetter als een mikrofoon.

Een andere uitvoeringsvorm van de omzetter volgens de uitvinding heeft het kenmerk dat de spreekspoel met het membraan is gekoppeld en het element stationair is opgesteld. Deze uitvoeringsvorm 30 is van voordeel indien men een supergeleidend materiaal dat keramisch van vorm is toch in de omzetter volgens de uitvinding wil kunnen gebruiken.

Ook de spreekspoel(en) kan (kunnen) van een supergeleidend membraan zijn vervaardigd. Het voordeel hiervan is dat 35 (praktisch) geen warmte ontwikkeling in de spreekspoel(en) plaats vindt. Ook wordt de efficiency van de omzetter hierdoor verhoogd, aangezien er nu (praktisch) geen Ohmse verliezen in de spreekspoel(en) 8701680 PHN 12.198 5 optreden.

De uitvindig zal aan de hand van een aantal . uitvoeringsvoorbeelden in de hierna volgende figuurbeschrijving nader worden uiteengezet. Hierin toont fig. 1 een eerste, fig. 2 een tweede, 5 en fig. 3 een derde uitvoeringsvoorbeeld van de omzetter volgens de uitvinding. Elementen in de verschilende figuren die hetzelfde referentienummer bezitten zijn gelijk aan elkaar.

Fig. 1. toont schematisch een doorsnede van een omzetter volgens de uitvinding. De omzetter is voorzien van een aansluitklem 1-1, 10 voor het ontvangen of afgeven van een elektrisch signaal, afhankelijk van of de omzetter een luidspreker of een mikrofoon is. De omzetter van fig. 1 zal verder worden beschreven als zijnde een luidspreker. De omzetter bevat verder een spreekspoel 2 die stationair is opgesteld en daartoe is aangebracht op een drager 3. De drager 3 is vlak uitgevoerd 15 en de spreekspoel 2 verloopt spiraalvormig over het oppervlak van de drager. Evenwijdig aan de drager 3 bevindt zich het membraan 4. Ten minste een deel van het membraan 4 is van een supergeleidend materiaal vervaardigd. Dit kan betekenen dat ten minste het centrale deel 4', met een gekruiste arcering aangegeven, van het membraaan supergeleidend is. 20 Een andere mogelijkheid is dat het membraan een laag van een supergeleidend materiaal bevat, of in z'n geheel van een supergeleidend materiaal is vervaardigd. Het membraan 4 is verend opgehangen door middel van de verende rand 5. De omzetter is verder voorzien van een tweede drager 6, met daarop een tweede, eveneens spiraalvormig over het 25 oppervlak van deze drager verlopende, stationair opgestelde spreekspoel 7.

De drager 6 is aan de van de eerste drager 3 afgekeerde zijde van het membraan 4 aangebracht. De omzetter bevat verder een scheidingseenheid 8 met een ingang 9-9' gekoppeld met de 30 aansluitklem 1-Γ en twee uitgangen 10-10' resp 11-11'. De ene uitgang 10-10' is gekoppeld met de ene spreekspoel 7 en de andere uitgang 11-11' is gekoppeld met de andere spreekspoel 2. De scheidingseenheid 8 is ingericht voor het doorlaten van een elektrisch signaal met een eerste polariteit (positief) aan de ene spreekspoel 7, en voor het doorlaten 35 van een elektrisch signaal met een aan deze polariteit tegengestelde polariteit aan de andere spreekspoel 2. De scheidingseenheid 8 is daartoe voorzien van een eerste diode 12 die is aangebracht tussen de 8701680 PHN 12.198 6 klemmen 1 en 10 en een tweede diode 13 die is aangebracht tussen de klemmen 1 en 11.

De drager 6 is voorzien van een geluiddoorlaatopening 14, voor het doorlaten van het akoestische signaal dat door het trillen 5 van het membraan 4 wordt opgewekt, naar de buitenomgeving van de omzetter. De drager 6 kan eventueel nog meer openingen bevatten. Ook de drager 3 kan naar wens, bijvoorbeeld voor het realiseren van een bepaald gewenst frekwentiegedrag, zijn voorzien van één of meer perforaties.

De werking van de omzetter is als volgt. Gedurende 10 signalen met positieve amplitudes krijgt bijvoorbeeld de spreekspoel 7 een elektrisch signaal toegevoerd. De diode 13 is dan gesperd zodat de spreekspoel 2 geen signaal krijgt toegevoerd. De spreekspoel 7 genereert een magnetisch veld. Ten gevolge van het magnetische veld zal het membraan vanuit de rusttoestand naar omlaag uitwijken. Gedurende 15 signalen met negatieve amplitudes krijgt dan de spreekspoel 2 een elektrisch signaal toegevoerd. De diode 12 is nu gesperd zodat de spreekspoel 7 geen signaal krijgt toegevoerd. De spreekspoel 2 genereert nu een magneetveld onder invloed waarvan het membraan 4 naar boven toe uitwijkt. De uitwijkingen van het membran naar boven en naar beneden 20 ontstaan doordat het supergeleidende (deel van het) membraan probeert het magneetveld te verdringen. Er ontstaat dus een ten opzichte van de, het magneetveld genererende, spreekspoel afstotende kracht op het membraan. Dit effekt staat, zoals hiervoor al werd vermeld, bekend onder de naam: het Meissner effekt.

25 Fig. 2 toont een tweede uitvoeringsvoorbeeld. Het membraan 24 is hier konusvormig uitgevoerd en is langs zijn buitenomtrek door middel van een soepele rand 25 elastisch opgehangen. Het membraan 24 is aan zijn top voorzien van een supergeleidend element 26. Twee spreekspoelen 27 en 28 zijn, gezien in lengterichting van een centrale 30 as door de omzetter, stationair vóór resp. achter het element 26 opgesteld. De spreekspoelen 27 en 28 zijn gekoppeld met de uitgangen 11-1Γ resp. 10-10' van de scheidingseenheid 8. De werking van de omzetter van fig. 2 is gelijk aan die van de omzetter van fig. 1.

Additioneel kan (kunnen) in de uitvoeringsvoorbeelden van 35 fig. 1 en 2 de spreekspoel(en) 2 (en 7) resp. 27 (en 28) van een supergeleidend materiaal zijn vervaardigd. In plaats van het membraan 24 te voorzien van een supergeleidend element 26 dat ter plaatse van de top 8701680 PHN 12.198 7 van de konusvorm aan het membraan is bevestigd, kan ook ten minste de top zelf van een supergeleidend materiaal zijn vervaardigd.

Fig. 3. toont een uitvoeringsvoorbeeld met slechts één spreekspoel 2 die stationair is opgesteld. Het membraan 4 is 5 hier door middel van een ophanging 35 op zekere afstand van de drager 3, met de daarop aangebrachte spreekspoel 2, gepositioneerd. De omzetter is voorzien van een aandrijfeenheid 36, waarvan een uitgang 37, 37' is gekoppeld met de spreekspoel 2. De aandrijfeenheid 36 bevat een gelijkspanningsbron 38 in serie met de elektrische signaalbron 39. De 10 gelijkspanningsbron 38 realiseert een gelijkstroom door de spreekspoel 2, waardoor een konstant (of permanent) magneetveld ontstaat dat het membraan 4 afstoot. Het membraan neemt een positie in op een zodanige afstand d van de spreekspoel, dat de afstotende kracht die het magneetveld op het membraan 4 uitoefent gelijk is aan de aantrekkende 15 (mechanische) kracht die de (onder invloed van de uitwijking van het membraan tot op de afstand d van de spreekspoel) uitgerekte ophanging 35 op het membraan 4 uitoefent. Het membraan 4 is hierbij als een stijf membraan verondersteld. De signaalbron 39 realiseert een verandering in de stroomsterkte door de spreekspoel 2, welke veranderingen zich 20 voltrekken rond de vooringestelde gelijkstroom. Aangenomen wordt dat de maximale variaties in de stroomsterkte kleiner zijn dan of gelijk zijn aan de waarde van de gelijkstroom geleverd door de bron 38.

De variaties in de stroomsterkte realiseren variaties in het magneetveld, die weer resulteren in variaties in de afstand d 25 tussen het membraan 4 en de spreekspoel 2. Deze variaties leiden ertoc dat de omzetter een akoestisch signaal afgeeft.

Omgekeerd, kan de omzetter van fig. 3 ook als mikrofoon werken. De signaalbron 39 dient dan vervangen te worden door een meetweerstand. Akoestische signalen die op het membraan invallen leiden 30 in de tijd gezien tot veranderingen in de afstand d. Deze variërende afstand leidt tot variaties in de grootte (sterkte) van het permanente magneetveld. Deze veranderingen leiden weer tot variaties in de stroom door de spreekspoel en dus tot variaties in de stroom door, en dus de spanning over, de meetweerstand. De wisselspanningskomponent van 35 de spanning gemeten over de meetweerstand is nu het elektrische signaal dat door de omzetter aan de klemmen 1-1' wordt afgegeven.

Het zij vermeld dat de uitvinding niet is beperkt tot de 8701680

V

4 PHN 12.198 8 getoonde uitvoeringsvoorbeelden. De uitvinding is evenzeer van toepassing op die uitvoeringsvormen die op nie op de maatregel volgens de uitvinding betrekking hebbende punten van de getoonde uitvoeringsvoorbeelden verschillen.

5 Zo tonen de uitvoeringsvoorbeelden alle een supergeleidend element gekoppeld met of deel uitmakende van het membraan, terwijl de spreekspoel stationair is opgesteld. Het is echter ook mogelijk de spreekspoel op de bekende wijze te koppelen met het membraan en het supergeleidende element stationair op te stellen. In het 10 uitvoeringsvoorbeeld van fig. 3 zou men daartoe op het membraan 4 de spreekspoel 2 moeten aanbrengen en op de drager 3 in plaats van de geleider een supergeleidende laag kunnen aanbrengen.

Verder is het natuurlijk mogelijk om ook de spreekspoel(en) van een supergeleidend materiaal te vervaardigen.

8701680

Claims (12)

1. Elektro-akoestische omzetter voorzien van een aansluitkiem voor het ontvangen of afgeven van een elektrisch signaal, een spreekspoel gekoppeld met de aansluitkiem, en een membraan, met het kenmerk, dat de omzetter is voorzien van een element, niet zijnde de 5 spreekspoel, dat van een supergeleidend materiaal is vervaardigd, welk element kan samenwerken met de spreekspoel voor het realiseren van een elektro-mechanische overdracht van het elektrische signaal aan de aansluitkiem naar trillingen van het membraan, of omgekeerd.

2. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 1, met het 10 kenmerk, dat het element ten minste een deel van het membraan uitmaakt en dat de spreekspoel stationair is opgesteld.

3. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 2, met het kenmerk, dat het membraan een laag van een supergeleidend materiaal bevat.

4. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 2 of 3, waarin het membraan een in hoofdzaak vlak membraan is, met het kenmerk, dat de spreekspoel op een in hoofdzaak vlakke drager is aangebracht en spiraalvormig over de drager verloopt, en de drager aan één zijde van en in hoofdzaak evenwijdig aan het membraan is aangebracht.

5. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 2 of 3, waarbij het membraan een in hoofdzaak konusvormig membraan is, met het kenmerk, dat ten minste de top van het membraan van een supergeleidend materiaal is vervaardigd.

6. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 1, waarbij 25 het membraan een in hoofdzaak konusvormig membraan is, met het kenmerk, dat het element met de top van het membraan is gekoppeld en dat de spreekspoel stationair is opgesteld.

7. Elektro-akoestische omzetter volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat de omzetter is voorzien van 30 een tweede spreekspoel en dat de ene spreekspoel zich, gezien in een richting langs de centrale as van de omzetter, vóór en de andere spreekspoel zich, gezien in deze richting, achter het element bevindt.

8. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 7, voor zover afhankelijk van konklusie 4, met het kenmerk, dat de tweede 35 spreekspoel op een tweede in hoofdzaak vlakke drager is aangebracht en spiraalvormig over de drager verloopt, en dat de tweede drager aan de van de eerste drager'afgekeerde zijde van het membraan is aangebracht. 8701680 •V t PHN 12.198 10

9. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 7 of 8, voor het omzetten van een elektrisch signaal in een akoestisch signaal, met het kenmerk dat de omzetter een scheidingseenheid bevat met een ingang gekoppeld met de aansluitklem en een eerste en een tweede uitgang 5 gekoppeld met de eerste resp. tweede spreekspoel, en dat de scheidingseenheid is ingericht voor het doorlaten van een elektrisch signaal met een eerste polariteit aan de ene spreekspoel en voor het doorlaten van een elektrisch signaal met een aan de eerste polariteit tegengestelde polariteit aan de andere spreekspoel.

10. Elektro-akoestische omzetter volgens één der konklusies 1 tot en met 6, met het kenmerk, dat de omzetter een aandrijfeenheid bevat met een ingang gekoppeld met de aansluitklem en een uitgang gekoppeld met de spreekspoel, en dat de aandrijfeenheid is ingericht voor het, tijdens het gebruik van de omzetter en bij 15 afwezigheid van een in de omzetter om te zetten elektrisch of akoestisch signaal, toevoeren van een konstante stroom aan de spreekspoel.

11. Elektro-akoestische omzetter volgens konklusie 1, met het kenmerk, dat de spreekspoel met het membraan is gekoppeld en het element: stationair is opgesteld.

12. Elektro-akoestische omzetter volgens één der voorgaande konklusies, met het kenmerk, dat de spreekspoel(en) eveneens van een supergeleidend materiaal is (zijn) vervaardigd. 8701680