DE3023162C2 - Elektroakustischer Wandler für den Tonfrequenzbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler für den Tonfrequenzbereich gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem bekannten Wandler dieser Art (Funktechnische Monatshefte April 1939, Heft 4, S. 1) sind piezoelektrische Elemente aus einem Biegestreifen in einem Gehäuse eingeschlossen; die Biegestreifen sind mit der eine Wand des Gehäuses bildenden Membran verbunden. Dieser Wandler arbeitet nur unvollkommen, so daß die Verständlichkeit der Sprache unzureichend ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler für den Tonfrequenzbereich zu schaffen, der sich durch hohe Wiedergabetreue auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das piezoelektrische Element als Stimmgabel ausgebildet ist, deren eine Zinke mit der Membran verbunden ist.

Versuche mit dem Wandler nach der Erfindung haben ergeben, daß mit ihm eine gute Sprachverständlichkeit erreicht wird. Er läßt sich den das Gebiet des Hörschalles bestimmenden Frequenzen leicht anpassen

und ist auch in hohem Maße gegen Änderungen der Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Druck unempfindlich, so daß die Sprachwiedergabe auch bei Änderungen der Umgebungsverhältnisse sehr stabil ist

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung besteht nach Anspruch 2 darin, daß zwei sich gegenüberliegende Wände des Gehäuses mit je einer Membran verbunden sind und das piezoelektrische Element an der Seitenwand des Gehäuses befestigt ist

Die Unteransprüche 3 und 4 sind auf vorteilhafte Mittel gerichtet, die zum Regeln der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des Wandlers dienen und aus scheiben- oder ringförmigen Einstellvorrichtungen b-jstehen, die konzentrisch zum Gehäuse auf der Membran angeordnet sind. Bei elektroakustischen Wandlern ist es zur Unterdrückung störender Resonanzstellen an sich bekannt, eine Scheibe aus elastischem Werkstoff an einem schwingenden Teil so anzuordnen, daß sich ihre Ebene etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung dieses Teils erstreckt (DE-PS 9 35 134). Bei einer Schwingungsaufnahme mit einem piezoelektrischen Element ist es bekannt, dieses Element einseitig einzuspannen und zur Erhöhung seiner Empfindlichkeit an seinem freien Ende mit einer Zusatzmasse zu versehen (DE-GM 18 27 62). Schließlich ist es im Hinblick auf Anspruch 5 bekannt, im Gehäuse eines elektroakustischen Wandlers ein elektrisches Element unterzubringen, das eine Impedanzwandlung bewirkt (DE-AS 12 99 724).

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise als waagerechter Schnitt gezeichnete Draufsicht einer erfindungsgemäßen Resonatoreinheit;

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt der Resonatoreinheit nach F i g. 1;

F i g. 3 in einer F i g. 1 ähnelnden Darstellung eine Weiterbildung einer erfindungsgemälter, Resonatoreinheit;

F i g. 4 einen senkrechten Schnitt der Resonatoreinheit nach Fig. 3;

Fig.5 einen senkrechten Schnitt einer anderen Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Resonatoreinheit;

F i g. 6 in einer teilweise als waagerechter Schnitt gezeichneten Draufsicht eine weitere abgeänderte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Resonatoreinheit;

Fig.7 einen senkrechten Schnitt der Resonatoreinheit nach F i g. 6;

F i g. 8 die Draufsicht einer Weiterbildung der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7;

Fig.9 in einer Fig.6 ähnelnden Dartellung eine weitere abgeänderte Ausführungsform einer Resonatoreinheit nach der Erfindung;

Fig. 10 die elektrische Schaltung der Resonatoreinheit nach Fig. 9;

Fig. 11 einen Schnitt eines Mikrophons mit einem erfindungsgemäßen Resonator;

F i g. 12 einen Schnitt, der im rechten Winkel zu dem in F i g. 11 gezeigten Schnitt verläuft;

Fig. 13 ist eine graphische Darstellung der Frequenz/ Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach Fig. 1 und2;

Fig. 14 und 15 jeweils in einer graphischen Darstellung die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteri-

stik der Ausführungsfonn nach F i g. 3 und 4;

Fig. 16 in einer graphischen Darstellung die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach F i g. 5; und

Fig. 17 graphisch die Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7.

Bei jeder der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung ist als piezoelektrisches Element ein Quarzresonator vorhanden, der in ein nach außen abgedichtetes Gehäuse eingeschlossen ist; <o diese beiden Bauteile werden im folgenden jeweils insgesamt als Resonatoreinheit bezeichnet.

In F i g. 1 bis 4 ist ein Quarz-Resonator dargestellt, der als Stimmgabel 1 ausgebildet ist und zwei Zinken 2 und 6 aufweist; die Zinke 2 ist an ihrem freien Ende fest mit dem Boden 4 eines Gehäuses durch ein Isolierteil 3 verbunden, während der Schaft 5 der Stimmgabel und die andere Zinke 6 freitragend angeordnet sind, so daß der Resonator Schwingungen ausführen kann. Mit dem Schaft 5 der Stimmgabel sind zwei Anschlußleitungen 7 und 8 verbunden. Das Gehäuse hat eine ringförmige Seitenwand 9, und die Abdeckung des Gehäuses ist durch eine z. B. aus einem Polyestermaterial gestehende schwingungsfähige Membran 10 gebildet Die Membran 10 und die schwingende Zinke 6 sind durch eine dünne Nadel 11 verbunden, deren eines Ende an der Membran an deren Mittelpunkt befestigt ist, während das andere Ende mit dem freien Ende der Zinke 6 verbunden ist Die Stimmgabel 1 und die Innenwände des Gehäuses sind ganz oder teilweise mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet. Die Anschlußleitung 7 steht in elektrischer Verbindung mit dem leitfähigen Überzug der Stimmgabel 1 und ist geerdet. Die Anschlußleitung 8 ist durch das Isolierteil 3 gegenüber dem leitfähigen Überzug auf den Innenwänden des Gehäuses isoliert und wird als Eingangsklemme verwendet.

Zu Versuchszwecken wurde ein als Stimmgabel ausgebildeter Resonator mit einer Länge von 6 mm, einer Breite von 1,6 mm und einer Höhe von 0,5 mm bei einem Mikrophon mit einem Membrandurchmesser von 12 mm und einer Dicke von 3,8 mm verwendet, und Messungen führten zu der in Fig. 13 dargestellten Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik.

Zur Regelung der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des elektroakustischer! Wandlers ist gemäß Fig.3 und 4 mit der Membran 10 eine konzentrisch damit angeordnete scheibenförmige Einrichtung 12 zum Einstellen der Frequenz verklebt. Wenn die Frequenzeinstelleinrichtung aus Gummi, einem weichen Kunststoff oder einem beliebigen anderen elastischen ^Μ Material besteht, zeigt es sich, daß sich die Obergrenze des Frequenzbereichs längs der Kennlinie in Richtung auf den Bereich niedriger Frequenzen verlagert, und daß die Empfindlichkeit ihren Spitzenwert innerhalb des Bereichs der Obergrenze erreicht.

Nachdem die in Fig. 13 wiedergegebenen Werte ermittelt worden waren, wurde bei dem gleichen Mikrophon ein Stück Gummi mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Dicke von 0,5 mm mit der Membran verklebt, woraufhin die Frequenz/Empfindlichkeits- ^ω Charakteristik erneut ermittelt wurde, Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Fig. 14 dargestellt. Wenn man für die Einstelleinrichtung 12 ein Metall von hohem spezifischem Gewicht, z. B. Blei und Kupfer, verwendet, zeigt es sich, daft bei der betreffenden Frequenz entsprechend der Masse des Metalls eine scharf ausgeprägte Spitze erscheint.

Um das Mikrophon, (iir das Fig. 13 gilt, weiter zu untersuchen, wurde eine Einstelleinrichtung aus Blei konzentrisch auf der Membran angeordnet und mit dieser verklebt; die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Fig. 15 dargestellt, wo zu erkennen ist, daß die Empfindlichkeits-Charakteristik eine scharf ausgeprägte Spitze aufweist Wenn man die Metallmasse vergrößert, verlagert sich die Spitze von der Kurve 1 aus in Richtung auf die Kurve 10, d. h. vom Bereich hoher Frequenzen aus in Richtung auf den Bereich niedriger Frequenzen. Aus den graphischen Darstellungen ist ersichtlich, daß es möglich ist, die Lage der Frequenzspitze in Abhängigkeit von der Masse der Einstelleinrichtung 12 zu regeln. Die Kurve 1 in F i g. 15 ergab sich, wenn als Einstelleinrichtung eine Scheibe aus Blei mit einer Dicke von 0,2 mm und einem Durchmesser von 3 mm verwendet wurde, während die Kurve 10 für den Fall gilt, daß die Scheibe aus Blei eine Dicke von 5,0 mm und einen Durchmesser von 10 mm hat

Bei der Ausführungsform nach F i g. 5 wird der Boden des Gehäuses durch eine schwingungsfähige Membran 49 gebildet während die Abdec'ong des Gehäuses durch eine weitere Membran 48 gebildet wird; die Seitenwand 41 des Gehäuses besteht aus Aluminium oder Messing. Ferner ist ein als Stimmgabel 43 ausgebildeter Resonator vorhanden, der auf einer an der Seitenv/and 41 befestigten Unterstützung 42 besfestigt ist Die beiden Zinken der Stimmgabel 43 sind über Zwischenstücke 44 und 45 mit den Membranen 48 und 49 verbunden; die Zwischenstücke bestehen aus Gummi oder Kunststoff. Jede der Membranen 48 und 49 ist mit einer konzentrisch dazu angeordneten Einstelleinrichtung 50 bzw.51 versehen, wobei diese Einrichtungen gemäß Fig.5 unterschiedliche Abmessungen haben. Die Membranen 48 und 49 können aus einem Kunststoff, z. B. einem Polyestermaterial, bestehen. Zu dem Resonator gehören zwei Anschlußleitungen 46 und 47, die mit dem Schaft der Stimmgabel 43 verbunden sind. Die Membranen sind jeweils auf beiden Seilen oder nur auf einer Seite mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet; alternativ kann man die Seitenwand 41 und die beiden Membranen 48 und 49 mit einer soi.hen Beschichtung versehen.

Die scheibenförmigen Einstelleinrichtungen 50 und 51 bestehen aus Gummi oder einem weichen Kunststoff oder einem beliebigen anderen elastischen Material. Sind die beiden Einstelleinrichtungen aus dem gleichen Material und mit der gleichen Dicke hergestellt, neigt die Resonanzfrequenz dazu, sich mit zunehmendem Durchmesser der Einstelleinrichtungen in den unteren Bereich zu verlagern. Die bei einer solchen Anordnung erhaltenen Werte sind in Fig. 16 in Form der drei Kurven 53, 54 und 55 dargestellt. Die Kurve 53 gilt für den Fall, daß die Membran 48 mit der Einstelleinrichtung 50 versehen war, während bei der anderen Membran 49 keine Einstelleinrichtung vorhanden war. Der Spitzenwert wjrde bei 2200 Hz erreicht. Die Kurve

54 gilt für den Fall, daß die Membran 49 mit dei Einstelleinrichtung 51 versehen war, während die Membran 48 ohne eine solche Einrichtung benutzt wurde. Der Spitzenwert .vurd bei 6300 Hz erreicht. Die Kurve

55 gilt für den Fall, daß die Membranen 48 und 49 mit den beiden Einstelleinrichtungen 50 und 51 '.ersehen waren. Es ist ersichtlich, daß die Kurve 35 im Bereich zwischen den Kurven 53 und 54 einen flachen Abschnitt aufweist.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 6 und 7 wird eine ringförmige Einstelleinrichtung 13 verwendet, die sich längs des Randes der schwingungsfähigen Membran 10

erstreckt und ebenfalls aus einem elastischen Material, z. B. Gummi, besteht. Es hat sich gezeigt, daß die Obergrenze des Frequenzbereichs dazu neigt, sich weiter in Richtung auf den hochfrequenten Bereich zu erstrecken. Es wurde eine Untersuchung durchgeführt, bei der wiederum das Mikrophon benutzt wurde, für das Fig. 13 gut, wobei die ringförmige Einstelleinrichtung 13 aus Gummi bestand und einen Außendurchmesser von 12 mm, einen Innendurchmesser von 6 mm und eine Dicke von 0,5 mm hatte. Die hierbei gewonnenen to Ergebnisse sind in F i g. 17 dargestellt.

Man kann die Ausführungsform nach Fig. 6 in der aus Fig.8 ersichtlichen Weise dadurch weiterbilden, daß man die beiden Ausführungsformen nach Fig. 3 und 6 miteinander kombiniert. Bei dieser Ausfuhrungsform sind zwei Einstelleinrichtungen 12 und 13 auf der Membran 10 konzentrisch mit ihr und miteinander angeordnet. Bei dieser Ausführungsform besteht ein Vorteil darin, daß sich die beiden Einstelleinrichtungen bezüglich ihres Materials und ihrer Form unterscheiden *« können. Vorzugsweise kann jedoch die scheibenförmige Einstelleinrichtung 12 aus einem elastischen oder einem starren Material bestehen, z. B. aus Gummi bzw. aus Blei. Außerdem kann diese Einstelleinrichtung jede beliebige Form erhalten und z. B. kreisrund oder rechteckig ausgebildet werden. Beim Vorhandensein dieser beiden Einstelleinrichtungen weist die Membran 10 eine erheblich vergrößerte Masse auf, und dies hat zur Folge, daß das Mikrophon trotz seiner kleinen Abmessungen im unteren Teil des Frequenzbereichs Jo eine höhere Empfindlichkeit aufweist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, daß man die Empfindlichkeits-Charakteristik innerhalb weiter Grenzen variieren kann, indem man die Materialien, die Abmessungen und die Form der Einstelleinrichtungen entsprechend wählt.

F i g. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der zusätzlich ein Feldeffekttransistor 15 verwendet wird. Außerdem ist der Boden 14 des Gehäuses als Leiterplatte ausgebildet. Der Feldeffekttransistor dient dazu, die elektromotorische Kraft des Resonators 1 zu verstärken. Die Elektroden des Resonators 1 und der Feldeffekttransistor 15 sind innerhalb des Gehäuses miteinander verbunden, und das Ausgangssignal des Feldeffekttransistors wird über eine Anschlußleitung nach außen geführt. Die die gedruckte Schaltung auf dem Gehäuseboden 14 bildende Schicht kann einen Bestandteil einer elektrostatischen Abschirmung bilden, so daß es nicht erforderlich ist, den Gehäuseboden mit einem besonderen leitfähigen Überzug zu versehen. Die an den Elektroden des Resonators 1 erscheinenden elektrischen Signale wurden dem Gatter des Feldeffekttransistors 15 zugeführt; hierbei ist der elektrische Anschluß durch die elektrostatische Abschirmung gegen das äußere Magnetfeld geschützt, so daß sich ein etwa vorhandener großer Widerstand in einen kleinen Widerstand verwandelt. Die verstärkten Signale werden über die Anschlußleitung nach außen geführt, so daß eine erhebliche Verbesserung des Rauschabstandes des Mikrophons erreicht wird.

Fig. 11 und 12 zeigen ein Mikrophon mit einer der beschriebenen Ausführungsformen eines Oszillators, wobei F i g. 11 einen Längsschnitt zeigt, während in Fig. 12 ein im rechten Winkel zu diesem Längsschnitt verlaufender Schnitt wiedergegeben ist.

Die eine Zinke 24 des als Stimmgabel 23 ausgebildeten Quarz-Resonators ist mii dem Gaiiei 22 eines Feldeffekttransistors 21 verlötet, wobei die beiden Teile vorzugsweise in Flächenberührung angeordnet sind. Der mit dem Resonator 23 verbundene Feldeffekttransistor 21 ist am Boden eines Gehäuses 25 befestigt, dessen obere Wand durch eine schwingungsfähige Membran 26 gebildet ist. die mit der Zinke 27 der Stimmgabel durch eine Nadel 28 verbunden ist. Die Innenflächen des Gehäuses sind mit einem elektrisch leitenden Cterzug versehen, der in der beschriebenen Weise eine elektrostatische Abschirmung bildet, mit welcher der Kollektor 29 des Feldeffekttransistors 21 verbunden ist. Von dem Kollektor V> und der Quelle 30 des Feldeffekttransistors aus führen Leitungen 31 zur Außenseite des Gehäuses 25. Die Bezugszahl 32 bezeichnet ein äußeres Gehäuse mit einer öffnung 33, die über der Membran 26 angeordnet ist, um Schallwellen durchzulassen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 und 12 hat das äußere Gehäuse 32 einen Innendurchmesser von 5 mm.

Die Form des Resonators ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte Form der Gabel beschränkt, sondern man könnte auch kreisrunde, rcchieckige, quadratische, zylindrische, bandförmige oder beliebige andere gewünschte Formen verwenden, und das Gehäuse kann kreisrund, rechteckig oder oval sein; die schwingungsfähigen Membranen können jeweils eine entsprechende Form erhalten.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Elektroakustischer Wandler für den Tonfrequenzbereich mit einem piezoelektrischen Element, das in einem nach außen abgedichteten Gehäuse angeordnet ist dessen eine Wand aus einer schwingungsfähigen Membran besteht und in dem ein Abschnitt des piezoelektrischen Elements befestigt ist, während ein anderer Abschnitt desselben mit der Membran verbunden ist und ungehindert Schwingungen ausführen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element als Stimmgabel (1; 43; 23) ausgebildet ist deren eine Zinke (6) mit der Membran (10) verbunden ist

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die der Membran (10) gegenüberliegende Wand des Gehäuses ebenfalls als eine schwingungsfähige Membran (49) ausgebildet ist mit der die andere Zinke (2) der das piezoelektrische Element bildenden Stimmgabel (43) verbunden ist und daß der Schaft der Stimmgabel an der Seitenwand (41) des Gehäuses festgelegt ist

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine konzentrisch mit dem Gehäuse auf der Membran (10) angeordnete scheibenförmige Einstelleinrichtung (12; 50,51) zum Regeln der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des Wandlers.

4. Elektroakustischer Wandler nach einem der Ansprüche I oder 3, gekennzeichnet durch eine sich längs des UmUngs der Membran (10) erstreckende ringförmige Einstelleinnchtunp (13) zum Regeln der Frequenz/Empfindlichkeits-Charakteristik des Wandlers.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein elektrisches Element (15; 21), das in dem Gehäuse (25) angeordnet ist und dazu dient, den vorhandenen hohen Widerstand in einen niedrigen Widerstand zu verwandeln.