WO1992002012A1 - Akustisches verbundsystem für handapparate - Google Patents
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Definitions
- the previously common functional units for the microphone and hearing side are essentially encapsulated sound transducers, but have the classic types of clamping (edge clamped or edge mounted) almost exclusively for the vibrating sound measuring membrane. This means that the largest deflections in the middle, i.e. H. occur in the piezoelectric system at the location of the greatest material thickness.
- the invention specified in claim 1 is based on the problem of tapping into the advantages of the piezoelectric surface oscillators for handsets without having to accept the disadvantages.
- a trend towards a handset can be observed which does not have to be repaired in the course of its life and which is robust due to the technical
- the advantages that can be achieved with the invention consist primarily in that an acoustic interaction of the sound membrane with the cavity arrangement under the sound membrane and the structure-borne sound separation acting in the center is determined by a special structural design. This comes about because the formation of a structure-borne sound bridge in the central clamping point is avoided by the interposition of the plastic carrier film.
- the working principle of the invention is clear from the vibration behavior of the sound membrane as part of the composite unit. The latter consists of an oscillatory acoustic plastic carrier film which, in the area between the filter part and the contact part, the sound membrane
- REPLACEMENT LEAF forms, with the inclusion of an applied aluminum carrier film and a piezoelectric surface element.
- the Verbund is the carrier of conductor tracks and contacting elements.
- the sound membranes have radial beads in the area near the edge. These have a double function. Due to the fact that the bead height is slightly higher than the distance between the contact part and the filter part lying on this diameter, the sound membrane is softly supported in addition to the central and edge-side fixed clamping on a certain diameter. Secondly, these beads under the sound membrane open channels both to the cavity under the sound membrane and to the peripheral edge cavity of the filter part.
- the acoustic mass effect of these channels together with the acoustic compliance of the edge cavity, forms a Helmholtz resonance that lies outside the transmission range in the range of action of the most pronounced harmonic vibrations. Since there is a boundary of the edge cavity through the sound membrane, the Helmholtz oscillation in the edge cavity (approximately twice the diameter to the diameter of the maximum deflection of the oscillation figure given by the harmonic oscillation) excites the sound membrane to oscillations in opposite phases. In this way, the disturbing resonance peaks of the harmonic oscillation in the range up to twice the upper limit frequency are effectively suppressed. Due to a high flow-dependent and mechanical damping, the natural resonance is largely damped, so that a frequency response with very low ripple is achieved with less complex acoustic measures.
- Fig. 2 is a schematically simplified, somewhat less enlarged representation of the composite unit without structural details.
- the filter part 1 shown in FIG. 1 is inserted in an acoustically sealing manner in a base body (not shown), preferably in the lower shell of a two-shell handset, via the hole patterns on the edge. Because of the different matching conditions between the adaptation of the microphone unit to the free sound field or the listening unit to the ear pressure chamber, the two filter parts differ in the hole patterns, but not in the construction details essential to the invention.
- the center point of the filter part 1 and the center point of the sound membrane 2 belonging to the composite unit are brought to cover without a function-impairing center offset.
- the sound membrane 2 is understood to mean the part of the composite unit which is clamped between the filter part 1 and the contact part 6.
- the filter part 1 has sound entry or exit openings 3 which, in their entirety, result in the hole patterns mentioned.
- In the filter part 1 there is an edge cavity 4 close to the edge, which in connection with radial beads 5 of the sound membrane 2 for
- the mechanical fixing and clamping of the sound membrane 2 with respect to the filter part 1 takes place by means of a metallic contact part 6, the outer ring 7 of which is used for the edge-side clamping and contacting and the middle ring 8 of which fixes the position and supports the radial beads 5, during the latter middle clamping point 9 takes over a force-limited clamping and the contacting.
- the conversion of the sound energy into electrical energy and vice versa is carried out by the surface oscillator attached to the sound membrane 2, which consists of the disc-shaped aluminum carrier foil 10 and the likewise disc-shaped piezoelectric surface element 11. All components of the sound membrane 2 are acoustically coordinated with regard to their thickness and diameter.
- the contact part 6 is designed so that soundproofing to the rear space is achieved. In order to avoid mechanical tension, it is advisable to additionally provide the sound membrane 2 with a concentrically circumferential bead.
- a composite unit according to Fi. 2 is understood to be a continuous plastic carrier film 12, preferably polycarbonate or polyester film, which is designed on the hearing and microphone side as a sound membrane 2 and also has conductor tracks and contacting elements.
- the composite unit supplemented by the aforementioned structural elements is referred to as a composite system.
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Abstract
Es ist das Ziel, die Vorteile piezoelektrischer Flächenschwinger für Handapparate zu nutzen, ohne deren Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Die vorgeschlagene, mit Leiterbahnen zwischen den Schallwandlern sowie mit Kontaktierungselementen ausgestattete Plastträgerfolie (12) weist in dem als Schallmembran (2) ausgebildeten Bereich die Besonderheit radialer Sicken (5) auf, die im randnahen Bereich zwischen Filterteil (1) und Kontaktteil (6) weich gelagert sind. Die so entstandenen Kanäle verbinden den inneren Hohlraum unter der Schallmembran (2) mit einem Randhohlraum (4) im Filterteil (1). Die akustische Massewirkung dieser Kanäle bildet zusammen mit der akustischen Nachgiebigkeit des Randhohlraumes (4) eine Helmholtzresonanz. Über die in der Schallmembran (2) angeregten gegenphasigen Schwingungen werden störende Resonanzspitzen wirkungsvoll unterdrückt. Das neue akustische Verbundsystem eignet sich besonders für die Handapparate von Fernsprechgeräten.
Description
Akustisches Verbundsystem für Handapparate
Stand der Technik:
Die bisher üblichen Funktionseinheiten für Mikrofon- und Hörseite sind im wesentlichen gekapselte Schallwandler, weisen aber fast ausschließlich für die schwingende Schallmeτιbran die klassischen Einspannarten (Rand einge¬ spannt oder Rand gelagert) auf. Damit ist verbunden, daß die größten Auslenkungen in der Mitte, d. h. beim piezo- elektrischen System an der Stelle der größten Material¬ dicke auftreten.
Es wurde bereits vorgeschlagen, durch Mitteneinspannung und randseitig sehr weiche Lagerung den Übertragungsfaktor, die Ansteuerfähigkeit und die akustische Beeinflußbar- keit zu verbessern.
Kritik des Standes der Technik:
Es ist ein Mangel der letztbeschriebenen Lösung, daß es noch nicht gelang, die störenden Resonanzspitzen außer¬ halb des Übertragungsbereiches, hervorgerufen durch mecha- nische Oberwellenschwingungen, zu beseitigen. Trotz der Minimierung der Anzahl der Einzelteile sind bei allen be¬ kannten Lösungen die hör- bzw. mikro onseitige Wandler¬ elemente akustisch und konstruktiv getrennte Funktions¬ einheiten.
Problem:
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Vorteile der piezoelektrischen Flächen¬ schwinger für Handapparate zu erschließen, ohne die Nach¬ teile in Kauf nehmen zu müssen. Auf dem Gebiet der Fern- Sprechtechnik kann ein Trend zu einem Handapparat beob¬ achtet werden, der im Laufe seiner Lebensdauer nicht re¬ pariert werden muß und sich durch Robustheit der techni-
ΞSSATZB ÄTT
sehen Lösung sowie durch die Eignung zum vollautomatischen technologischen Prozeß auszeichnet und eine Auswechslung des Handapparates durch den Benutzer erlaubt. Bestandteil dieses Trends ist ein Abgehen von gekapselten Schallwandlern. Die besten Möglichkeiten für die unerläßli¬ che Automatisierung bieten die genannten piezoelektrischen Flächenschwinger, die sich durch hohe Streuungssicherheit, robuste Handhabbarkeit, eine hohe Lebensdauer und geringe Kosten auszeichnen. Trotz der offensichtlichen Einfachheit des Aufbaus piezoelektrischer Flächenschwinger erwies sich die Technologie der Herstellung und die Anwendung als pro¬ blematisch. Lediglich mechanisch großflächige, materialin¬ tensive Systeme wurden mit ausgeglichenem Frequenzgang im Übertragungsbereich realisiert, wiesen allerdings exem- plarbedingte Resonanzspitzen, hervorgerufen durch Ober¬ wellenschwingungen außerhalb des Übertragungsbereiches auf. Bezogen auf Handapparate ist es das erklärte Ziel der Erfindung, die bei piezoelektrischen Flächenschwin¬ gern nachteiligen Resonanzspitzen weitestgehend zu be- seitigen bzw. auf ein vertretbares Maß zu beschränken.
Erzielbare Vorteile:
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen vor allem darin, daß durch einen besonderen konstruktiven Aufbau ein akustisches Zusammenwirken der Schallmembran mit der Hohlraumanordnung unter der Schallmembran und der im Mittelpunkt wirkenden Körperschalltrennung bestimmt wird. Diese kommt dadurch zustande, daß durch die Zwi¬ schenschaltung der Plastträgerfolie die Ausbildung einer Körperschallbrücke im mittigen Einspannpunkt vermieden wird. Das Arbeitsprinzip der Erfindung wird deutlich am Schwingungsverhalten der Schallmembran als Bestandteil der Verbundeinheit. Letzere besteht aus einer schwin¬ gungsfähigen akustischen Plastträgerfolie, die im Bereich ..wischen Filterteil und Kontaktteil die Schallmembran
ERSATZBLATT
bildet, und zwar unter Einbeziehung einer aufgebrachten Aluminiumträgerfolie und eines piezoelektrischen Flächen¬ elements. Weiterhin ist die Verbundheit Träger von Leiterbahnen und Kontaktierungselementen. Die Schallmembranen besitzen im randnahen Raum radiale Sicken. Diese erfüllen eine Doppelfunktion. Dadurch, daß die Sickenhöhe geringfügig höher ist als der auf diesem Durchmesser liegende Abstand zwischen Kontaktteil und Filterteil, wird die Schallmembran neben der mittigen und randseitigen festen Einspannung auf einem bestimmten Durchmesser noch einmal weich gelagert. Zum zweiten aber geben diese Sicken unter der Schallmembran Kanäle sowohl zu dem Hohlraum unter der Schallmembran als auch zu dem umlaufenden Randhohlraum des Filterteiles frei. Die aku- stische Massewirkung dieser Kanäle bildet zusammen mit der akustischen Nachgiebigkeit des Randhohlraumes eine Helm¬ holtzresonanz, die außerhalb des Übertragungsbere ches im Wirkungsbereiches der ausgeprägtesten Oberwellenschwin¬ gungen liegt. Da eine Begrenzung des Randhohlraumes durch die Schallmembran gegeben ist, regt die Helmholtzschwin- gung im Randhohlraum (etwa auf dem doppelten Durchmesser zum Durchmesser der Maximalauslenkung der durch die Ober¬ wellenschwingung gegebenen Schwingungsfigur) die Schall¬ membran zu gegenphasigen Schwingungen an. Auf diese Art und Weise werden die störenden Resonanzspitzen der Ober¬ wellenschwingung im Bereich bis zur doppelten oberen Grenzfrequenz wirkungsvoll unterdrückt. Durch eine hohe strömungsabhängige und mechanische Dämpfung wird auch die Eigenresonanz weitestgehend gedämpft, so daß mit weniger aufwendigen akustischen Maßnahmen eine Frequenz¬ gang mit sehr geringer Welligkeit erreicht wird.
ERSATZBLATT
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich¬ nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 den vergrößerten Querschnitt durch das mikrofon- bzw. hörseitige Wandlerteil der erfindungsge¬ mäßen Verbundeinheit und
Fig. 2 eine schematisch—vereinfachte, etwas weniger vergrößerte Darstellung der Verbundeinheit ohne konstruktive Einzelheiten.
Das in Fig. 1 dargestellte Filterteil 1 ist in einem Hand- apparategrundkörper (nicht gezeigt), vorzugsweise in die Unterschale eines Zweischalen-Handapparates über die Loch¬ bilder am Rand akustisch dichtend eingelegt. Auf Grund der unterschiedlichen Anpaßverhältnisse zwischen der Anpas¬ sung der Mikrofoneinheit an das freie Schallfeld bzw. der Höreinheit an die Ohrdruckkammer unterscheiden sich die beiden Filterteile zwar in den Lochbildern, nicht aber in den erfindungswesentlichen konstruktiven Details. Ohne funktionsbeeinträchtigenden Mittenversatz werden der Mit¬ telpunkt des Filterteils 1 sowie der Mittelpunkt der zur Verbundeinheit gehörenden Schallmembran 2 zur Deckung ge¬ bracht. Als Schallmembran 2 wird der Teil der Verbundein¬ heit verstanden, der zwischen Filterteil 1 und Kontakt- teil 6 eingespannt ist. Das Filterteil 1 weist Schallein¬ tritts- bzw. —austrittsoffnungen 3 auf, die in ihrer Ge¬ samtheit die erwähnten Lochbilder ergeben. Im Filterteil 1 befindet sich randnah ein Randhohlraum 4, welcher in Verbindung mit radialen Sicken 5 der Schallmembran 2 für
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die Unterdrückung von Resonanzspitzen außerhalb des Über¬ tragungsbereichs verantwortlich ist. Die mechanische Fi¬ xierung und Einspannung der Schallmembran 2 gegenüber dem Filterteil 1 erfolgt durch ein metallisches Kontaktteil 6, dessen Außenring 7 der randseitigen Einspannung und Kon- taktierung und dessen mittlerer Ring 8 der Lagefixierung sowie Lagerung der radialen Sicken 5 dient, während des¬ sen mittlerer Einspannpunkt 9 eine kraftbegrenzte Ein¬ spannung sowie die Kontaktierung übernimmt. Die Umwand- l ng der Schallenergie in elektrische Energie und umge¬ kehrt erfolgt durch den auf der Schallmembran 2 befestig¬ ten Flächenschwinger, der aus der scheibenförmigen Alu— miniumträgerfolie 10 sowie dem ebenfalls scheibenförmi¬ gen piezoelektrischen Flächenelement 11 besteht. Alle Be- standteile der Schallmembran 2 sind bezüglich Dicke und Durchmesser akustisch abgestimmt. Bei der konstruktiven Verwirklichung wird das Kontaktteil 6 so gestaltet, daß Schalldichtigkeit zum Rückraum erreicht wird. Um mecha¬ nische Verspannungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, die Schallmembran 2 zusätzlich mit einer konzentrisch umlau¬ fenden Sickung zu versehen.
Als Verbundeinheit gemäß Fi. 2 wird eine durchgängige Plastträgerfolie 12, vorzugsweise Polycarbonat- bzw. Po¬ lyesterfolie verstanden, die hör- und mikrofonseitig als Schallmembran 2 ausgebildet ist und im übrigen Leiterbah¬ nen sowie Kontaktierungselemente aufweist. Die um die er¬ wähnten konstruktiven Elemente ergänzte Verbundeinheit wird als Verbundsystem bezeichnet.
EHSATZBLATT
Bezugszeichenübersicht:
1 Filterteil
2 Schallmembran
3 Schallein- bzw. -austrittsöffnung
Randhohlraum
5 radiale Sicke
6 Kontaktteil
7 Außenring
8 mittlerer Ring
9 mittlerer Einspannpunkt
0 scheibenförmige Aluminiumträgerfolie
1 piezoelektrisches Flächenelement
2 Plastträgerfolie
WSATZBLATT
Claims
1. Akustisches Verbundsystem für Handapparate, bei dem eine Mitteneinspannung und randseitige weiche Lage¬ rung der Schallmembran erfolgt, gekennzeichnet durch die Einheit folgender Merkmale:
- die mikrofon- wie auch die hörseitige Schallmembran (2) ist Bestandteil einer durchgängigen, mit Leiter¬ bahnen und Kontaktierungselementen versehenen, aku¬ stisch wirksamen Plastträgerfolie (12),
- jede Schallmembran (2) weist radiale Sicken (5) auf, die sich im Bereich zwischen einem Randhohlraum (4) im Filterteil (1) sowie dem Außenumfang einer mit der Schallmembran (2) verbundenen Aluminiumträger¬ folie (10) erstrecken,
- auf der Aluminumträgerfolie (10) befindet sich ein piezoelektrisches Flächenelement (11),
- die Höhe der radialen Sicken (5) ist geringfügig größer als der in diesem Durchmesserbereich be¬ stehende Abstand zwischen Filterteil (1) und Kon¬ taktteil (6),
- der sich zwischen radialen Sicken (5) und zentralen Einspannpunkt (9) befindliche Hohlraum unter der Schallmembran (2) hat eine Höhe, die im akustischen Dämpfungsbereich kleiner als 0,5 mm liegt, und ist gleich oder kleiner als die Höhe der radialen Sicken (5),
- die durch die radialen Sicken (5) gebildeten, den Hohlraum unter der Schallmembran (2) mit dem Rand-
ΞRSATΣBLATT hohlraum (4) verbindenden Kanäle sind so bemessen, daß ihre akustische Masse mit der akustischen nach- giebigkeit des Randhohlraumes (4) eine Helmholtz¬ resonanz bildet, die außerhalb des Übertragungsbe¬ reiches im Wirkungsbereich der ausgeprägtesten Oberwellenschwingungen liegt.
— der durchschnittliche Durchmesser des Randhohlrau— mes (4) ist etwa doppelt so groß wie der Durchmesser, auf dem die Maximalauslenkungen bei den zu unterdrückenden Oberwellenschwingungen liegen.
2. Akustisches Verbundsystem nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Plastträgerfolie (12) Leiter¬ bahnen, Kontaktierungs- und Anschlußelemente aufweist.
ERSATZBLATT
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