DE1462179A1 - Umwandler - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE
DR.-ING.VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD

DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES PT P

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

5.7.I965 B/Se

Northrop Corporation,

9744 Wilshire Boulevard, Beverly Hills, California, V.St.A

Umwandler.

Die Erfindung betrifft Energieumwandler, insbesondere einen neuartigen Umwandler zur Umwandlung von Druck in eine mechanische Bewegung oder in elektrische Spannung bzw. einer elektrischen Spannung in eine entsprechende Druckwelle.

wie Für den Gebrauch bei solchen Anwendungen, *>e4 dem Studium von Explosionsdruekwellen o.dgl., besteht Bedarf nach einem akustischen Umwandler, der in einem großen dynamischen Bereich auf einen großen Bereich von Frequenzen im Über- und Unterschallbereich ansprechen kann. Die üblichen Mikrophone, die gespannte Membranen enthalten, weisen eine große Empfind-: lichkeit auf, sind aber der Beschädigung oder Zerstörung durch mechanische oder akustische Stöße ausgesetzt, die nach einer Explosion oder während eines Gewitters auftreten können, Gegenstand der Erfindung ist daher, die Umwandlung von Druck in Spannung über einen großen Bereich von Drücken und Frequenzen zu erleichtern.

Der Umwandler gemäß der Erfindung besteht aus einem Kondensator, der Platten aufweist, die durch eine Schicht aus zusammendrückbarem Schaum verbunden sind, der zwischen denselben aufzementiert ist, wobei die Bindung gleichmäßig und frei von Hohlräumen ist und die Platten anfänglich ungespannt

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sind. Beim Ansprechen auf Druckveränderungen zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Schaumes, die über die Oberfläche der Platten gleichmäßig sind, bewegen sich die Platten zueinander hin und voneinander weg, wobei sie ihre parallele Lage beibehalten. Ein elektrischer Verstärker, der so angeordnet ist, daß er eine Ausgangsspannung erzeugt, die durch den Kondensator zwischen den Platten geregelt wird, kann dann zu den Platten parallel geschaltet werden und wird eine Ausgangsspannung erzeugen, die den einwirkenden Druck in einer im wesentlichen linearen Weise über einen Bereich von Frequenzen getreu wiedergibt, der sich von dem sehr niedrigen Unterschallbereich bis zu dem hohen Überschallbereich erstreckt. Der Umwandler kann aber auch durch eine veränderliche Spannung erregt werden, die parallel zu den Platten einwirkt, um dieselben in Schwingung zu versetzen und ein akustisches Ausgangssignal zu erzeugen. Während die Platten parallel sein müssen, brauchen sie aber nicht eben zu sein, sondern können in irgendeiner gewünschten Weise gekrümmt sein, um eine gewünschte Richtcharakteristik zu erzeugen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden drei Platten verwendet. Die äußeren Platten sind miteinander verbunden, um eine einzige Platte zu bilden, die auch zum Abschirmen der mittleren Platte dient. Die drei Platten werden in paralleler Lage gehalten durch Schichten aus zusammendrückbarem, nicht leitenden Schaum mit geschlossenen Zellen, die sich zwischen den Platten erstrecken und auf die gegenüberliegenden Oberflächen aufzementiert sind, wie nachstehend beschrieben wird. Zum Aufzementieren der Schichten wird gewöhnlich Zement, Leim oder ein anderes Bindemittel verwendet. Wenn jedoch ein geschlossene Zellen aufweisendes Schaummaterial verwendet wird, das anhaftende Oberflächen oder Oberflächen aufweist, die durch Hitze oder ein entsprechendes Lösungsmittel zum Haften gebracht werden können, kann

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dasselbe mit den leitenden Platten ohne dazwischenliegendes Zementiermaterial verbunden werden.

PUr Anwendungen bei verhältnismäßig hoher Frequenz oder wenn der ümwandler als eine UmSandlungsvorrichtung von Spannung in Drück verwendet werden soll, werden die Platten verhältnismäßig dünn gemacht und dicht nebeneinander angeordnet, während der Schaum so ausgewählt wird, daß er eine möglichst große Zusammendrückbarkeit aufweist. Andererseits gibt es zahlreiche Anwendungen für ein kapazitives Mikrophon, bei welchen eine große physikalische Festigkeit erwünscht ist. Für diesen Zweck werden daher die Platten verhältnismäßig dibk gemacht und durch eine ziemlich dicke Schaumschicht voneinander getrennt.

Die Art und Weise, wie der Umwandler gemäß der Erfindung am besten ausgebildet werden kann, seine Wirkungsweise und verschiedene Abänderungen, die an seiner Konstruktion für verschiedene Zwecke vorgenommen werden können, werden am besten aus der nachstehenden genaueren Beschreibung verständlich in Verbindung mit den Zeichnungen, welche verschiedene beispielsweise Ausführungsformen darstellen.

In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 schematisch mit Teilen im Schnitt und mit weggebrochenen Teilen einen Umwandler gemäß der Erfindung, der als ein Mikrophon geschaltet ist,

Fig. 2 im Querschnitt eine besondere AusfUhrungsform des Umwandlers gemäß der Erfindung,

Fig. 5 schematisch im Grundriß mit weggebrochenen Teilen den Umwandler gemäß Fig. 2,

Fig. 4 im Querschnitt eine zweite Ausführungsform, Fig. 5 im Querschnitt eine dritte Ausführungsform und Fig. 6 schematisch eine vierte Ausführungsform des Umwandlers gemäß der Erfindung.

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Pig, 1 zeigt einen Umwandler, der allgemein mit 1 bezeichnet und mit einem Vorverstärker verbunden ist. Der Umwandler besteht aus einem veränderlichen Kondensator, der eine innere leitende Platte 2 aus Metall ο,dgl. und eine äußere Platte aufweist, welche aus zwei leitenden Platten 3a und 3b, ebenfalls aus Metall o.dgl., gebildet 1st, die bei 4 leitend miteinander verbunden sind. Die Platten werden durch Zwischenschichten 5 und 6 aus nicht leitendem, zusammendrückbarem Schaum in paralleler Lage gehalten, wobei die Zwischenschichten mit den zugekehrten Seiten der Platten gleichmäßig verbunden sind. Zwecks optimaler Leistung bei sehr niedrigen Frequenzen soll der Schaum aus den nachstehend angegebenen Gründen geschlossene Zellen aufweisen.

Der Vorverstärker kann irgendeine gewünschte übliche Ausbildung aufweisen. Bei der dargestellten Ausführungsform besteht derselbe aus einer Vakuumtriode T, die hinter die Platte geschaltet ist, wobei die Gitterspannung durch die Kapazität des Umwandlers 1 geregelt wird. Für äußerst niedrige Frequenzen und Nutzlautstärken muß das im Inneren erzu^gte Geräusch auf ein Mindestmaß herabgesetzt vrerden. Für diesen Zweck wird daher als Triode T vorzugsweise eine Nuvistor-Triode verwendet, wie z.B. 6CW4.

Bei der in Fig. 1 gezeigten besonderen Ausführungsform besteht jede der Pl-*atten 2, 3a und 3b aus Aluminium und hat eine Breite von 900 mm, eine Länge von l800 mm und eine Dicke von 0,4 mm. Die Schichten 5 und 6 bestehen aus natürlichem Kautschuksehaum mit einer Dicke von 3,125 mm und sind mit den Platten durch ein übliches Klebemittel verbunden, das in einem Lösungsmittel aufgelöst ist und mit einer Bürste aufgetragen wird. Die statische Kapazität des auf diese Welse gebildeten Umwandlers beträgt 12500 Mikromikro-farad und der Ableitwiderstand beträgt 15000 Megohm. Der nutzbare Frequenzbereich dieses Umwandlers reicht von

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etwa 0,001 Hz bis zu ungefähr 17OOO kHz. Der Vorverstärker besteht aus einer Triode 6CW4, aus einem Vorwiderstand Rl von 200 Megohm, einem Kondensator Cl von 0,1 Mikrofarad, einem Gitterwiderstand R2 von 200 Megohm, einem Plattenwiderstand Rj5 von 3OOOO 0hm mit einem elektrolytisohen Querkondensator C2 von 5 Mikrofarad, einem Kathodenwiderstand R4 von 1000 0hm mit einem elektrolytischen Querkondensator C4 von 1000 Mikrofarad und einem Ausgangskupplungskondensator 03 von 0,68 Mikrofarad. Die Spannungen Bl+ und B2+ betragen relativ zur Erde 500 V und 90 V. Diese Stromkreisbestandteile sind in der üblichen Weise für optimale Leistung im Frequenzbereich von 0,5 - 5 Hz ausgewählt, in welchem die Spannungszunahme 30 db beträgt. Es wurde gefunden, daß der Umwandler 1 pro Volt von Bl+ eine Empfindlichkeit von 0,2 Mikrovolt/Mikrobar aufweist. Wenn Bl+ auf einer Spannung von 300 V gehalten wird, beträgt daher die durch ein einwirkendes Druckdifferential von 0,1 Mikrobar erzeugte Gitterspannungsänderung 6 Mikrovolt, während das in der Triode T erzeugte innere Geräusch weniger als 1 Mikrovolt beträgt.

Der Umwandler 1 kann in irgendeiner gewünschten Größe ausgebildet werden und ist insbesondere zur Verwendung geeignet, wenn extreme äußere Einflüsse von Hitze, Druck oder mechanischem Stoß die Verwendung der üblichen Umwandler aus^schlplsen. Wenn der Umwandler in der beschriebenen Weise aus verhältnismäßig dicken Metallplatten besteht, ist derselbe äußerst kompakt und wird durch Gewitter, Explosionen o.dgl. erzeugten akustischen Stößen Widerstand leisten oder solchen mechanischen Beanspruchungen, die z.B. durch über seine Oberfläche laufende Tiere entstehen.

Die Empfindlichkeit des Umwandlers 1 ist von der Größe der Platten unabhängig. Ein wichtiger Vorteil von Umwandlern mit großer Fläche von beispielsweise 9290 - 18580 cm im

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Infraschallbereich besteht darin, daß die Wirkungen des Windgeräuschs vermieden werden. In einem solchen Umwandler ist die durch Luftwirbel erzeugte örtliche Bewegung der Platten an verschiedenen Stellen der Oberfläche verschieden, so daß sich eine willkürliche Verteilung ergibt, die kein nutzbares Ausgangssignal erzeugt, wenn die Fläche zunimmt.

Das Material, aus dem die Schichten 5 und 6 bestehen, wird ' im Hinblick auf die Kosten, die Stabilität bei Temperaturveränderungen und während langer Zeiträume, die Zusammendruckbarkeit, die Gleichmäßigkeit, die Dielektrizitätskonstante und die Widerstandsfähigkeit ausgewählt. Geeignete Schäume haben eine Zusammendrückbarkeit von etwa 2/10 der Zusammendrückbarkeit der Luft. Eine hohe Dielektrizitätskonstante ist wünschenswert und eine sehr große Widerstandsfähigkeit ist erforderlich. Schäume mit offenen Zellen sind am meisten zusammendrückbar und werden für Frequenzen bevorzugt, die im oder oberhalb des hörbaren Bereichs liegen, sind jedoch ungeeignet, wenn ein gutes Ansprechen bei niedrigen Frequenzen gewünscht wird. Es wird angenommen, daß bei niedrigen Frequenzen ein Lecken von Luft durch die Poren von Schäumen mit offenen Zellen erfolgt, bevor sich die Platten bewegen können, so daß ihr Ansprechen verhindert wird. Schäume mit geschlossenen Zellen sind etwas weniger zusammendrückbar, ermöglichen jedoch ein gutes Ansprechen bei sehr niedrigen Frequenzen. Geeignete Schäume mit geschlossenen Zellen sind natürlicher Kautschuk, Silikonkautschuk oder(Neopren) Silikonschaum mit einer Dicke von 0,78 - 3*125 mm wird für die Verwendung in der äußeren Umgebung bevorzugt, wenn eine kompakte Einheit gewünscht wird, die gegen Stöße und veränderliche Temperaturen widerstandsfähig ist. Es wurde gefunden, daß sich die Empfindlichkeit eines aus Silikonschaum hergestellten Umwandlers von etwa -l8°C bis etwa 129°C nur um 20# verändert und daß der Umwandler in diesem Bereich kontinuierlich arbeitet, ohne abgenutzt zu werden.

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Es ist wichtig, daß der ausgewählte Schauen homogen ist und daß die Bindung mit den Oberflächen der leitenden Platten gleichmäßig, d.h. frei von Hohlräumen ist. Eine Luftblase, die sich irgendwo an der Begrenzung des Schaumes und der Platten befindet, wird die Leistung des Umwandlers wesentlich herabsetzen. Das Aufzementieren des Schaumes auf die Flächen muß daher sorgfältig ausgeführt werden, so daß in der Bindung keine Falten oder Ritzen auftreten. Die Art und Welse, wie der Schaum auf die Platten zementiert wird, ist nicht kritisch, wenn nur eine gleichmäßige Bindung erzielt wird. Um den Schaum auf die Platten zu zementieren, wurden Epoxyharz-Klebemittel, abziehbare Papiere, Streifen mit druckempfindlichen Klebemitteln auf beiden Seiten, sowie für äPttr Neopren eine Lösung von Neopren in einem entsprechenden Lösnungsmittel verwendet.

Wie bereits erwähnt, kann bei dem Umwandler gemäß der Erfindung das Windgeräusch beseitigt werden, indem die Platten genügend groß gemacht werden. Um eine getreue Wiedergabe von akustischen Signalen zu gewährleisten, ist es auch erforderlieh, elektromagnetische Störfelder auszuschließen, wie sie gewöhnlich im 60 Hz-PeId auftreten. Zu diesem Zweck kann der Umwandler gemäß der Erfindung so ausgebildet werden, wie in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist. Gemäß diesen Figuren ist die aus den Platten Ja und 5b bestehende äußere Platte größer als die innere Platte 2. Die Schaumschichten 5 und 6 sind ebenso groß wie die innere Platte 2 oder können sich über dieselbe hinaus erstrecken. GewUnschtenfalls kann zusätzliches nicht leitendes Material verwendet werden, um den verbleibenden Raum zwischen den Platten Ja und 5b auszufüllen. Die Platten 5& und 5b sind vorzugsweise sowohl elektrisch als auch mechanisch durch einen dazwischenliegenden Metallteil 5c aus Aluminium, Kupfer o.dgl. verbunden, der durch Bolzen oder auf andere Weise befestigt ist. Der Teil 5c kann aber auch aus dem bekannten und im Handel erhältlichen Epoxyharz bestehen, das zwischen den Platten 5a und 5b angeordnet wird.

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Der Zwischenteil ^e kann sieii nur längs einer Kante erstrecken, derselbe kann aber auch auf mehr als einer Seite angeordnet werden oder die innere Platte 2 gewünschtenfalls vollständig umschließen. Wie aber auch die Platten j$a und Jo miteinander verbunden sind, muß die Platte 2 von der Verbindung oder den Verbindungen genügend weit entfernt angeordnet werden, damit die gegenüberliegenden Oberflächen der Platten 3a und 3b ■ unter akustischer Beanspruchung so reagieren, als ob sie durch die Verbindung nicht behindert wären, so daß sie zur Platte 2 im wesentlichen parallel bleiben, wenn sie sich beim Ansprechen auf Druckunterschiede zwischen dem Inneren und Äußeren des Schaumes gegen die Platte 2 hin und von derselben weg bewegen. Bei der vorstehend beschriebenen besonderen Ausführungsform kann beispielsweise die mittlere Platte 2 mit einer Breite von 83 am und einer Länge von 173 cm relativ zu den äußeren Platten in der Mitte und 2,5 cm vom Teil 3c entfernt angeordnet werden. Diese Art der Ausbildung ist für die wirksamsten Ausführungsformen des Umwandlers gemäß der Erfindung charakteristisch und wesentlich.

Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, ist mit der inneren Platte 2 ein innerer Leiter 7 verbunden, der in üblicher (nicht dargestellter) Weise isoliert 1st und der zwecks Verbindung mit dem Vorverstärker durch eine entsprechende Ausnehmung im Teil 30 und durch einen üblichen koaxialen Abschirmleiter 8 herausgeführt ist, welcher mit der äußeren Platte leitend verbunden ist.

Während die bisher beschriebenen Ausführungsformen des Umwandlers gemäß der Erfindung als Mikrophone betrieben wurden, ist es für den Fachmann verständlich, daß der Umwandler auch umkehrbar ist. Zwecks Verwendung als Lautsprecher wird daher eine Quelle mit veränderlicher Spannung zwischen die. äußeren und inneren Platten geschaltet, um eine akustische Schalleistung zu erzeugen.

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Es ist nicht wesentlich« daß die äußere Platte des Umwandlers gemäß der Erfindung aus zwei getrennten Platten besteht, die miteinander verbunden sind. Wie Pig. 4 zeigt, kann der Umwandler aus einer inneren Platte 2 bestehen, um die eine äußere Platte 3 gewickelt ist, deren Enden gewünschtenfalls miteinander verbunden sind, um die Abschirmung der inneren Platte zu vervollkommnen. Der Raum zwischen der inneren und der äußeren Platte kann mit Schaum 9 ausgefüllt werden, indem entweder eine Schaumschicht um die Platte 2 gewickelt wird oder durch die üblichen Verfahren der Bildung des Schaumes an Ort und Stelle. Die einzigen Bedingungen sind, daß der Schaum auf den Oberflächen der inneren Platte 2 gleichmäßige Dicke aufweist, daß derselbe auf die Oberflächen der inneren und äußeren Platten gleichmäßig aufzementiert ist und daß die innere Platte zu den gegenüberliegenden Oberflächen der äußeren Platte parallel und von irgendwelchen Verbindungen oder Kanten in der äußeren Platte weit genug entfernt ist, so daß die inneren und äußeren Platten während des Betriebs parallel bleiben.

Der Umwandler gemäß der Erfindung kann im wesentlichen in jeder Form hergestellt werden, um die gewünschten Schallleistungscharakteristiken zu erzielen. Ein flacher Umwandler, in welchem die Platten kreisförmig sind und einen Durchmesser von 900 cm aufweisen, wird beispielsweise jedes Windgeräusch stark dämpfen und bei weniger als 10 Hz im wesentlichen ungerichtet sein, während derselbe mehr und mehr gerichtet wird, wenn die Frequenz zunimmt. Ein flaches kreisförmiges Mikrophon dieser Art hat die gleichen richtenden Eigenschaften wie ein parabolisches Mikrophon mit dem gleichen Durchmesser. Ein Umwandler, der aus Platten von jJOOOO cm Länge und 30 cm Breite hergestellt wird, ist stark richtend. Umwandler von solcher Größe bestehen vorzugsweise aus einer Anzahl von kleineren Umwandlern, die elektrisch, aber nicht mechanisch parallel geschaltet sind. Für eine ungerichtete Schalleistung

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können die Platten 2, 3 und die Schaumschicht 9 in Form von konzentrischen Kugeln ausgebildet werden, wie Pig. 5 zeigt. Um als ein Wandmikrophon zu dienen, das eine große Fläche erfaßt, wie z.B. eine Bühne o.dgl., können die Platten zwecks großer Richtwirkung gekrümmt werden, wie Fig. 6 zeigt. Während der Umwandler gemäß der Erfindung für Arbeiten im Freien ideal geeignet ist, um als Mikrophon, zum Studium von Explosionswellen o.dgl. zu dienen, ist derselbe auch für die Verwendung als Hydrophon geeignet.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen beschränkt, die verschiedene Abänderungen erfahren können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims (7)

» . H62179 Ansprüche

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Druck in eine elektrische Spannung oder umgekehrt» bestehend, aus mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Platten o.dgl, aus elektrisch leitendem Werkstoff, zwischen denen sich ein festes Dielektrikum befindet und die mit einer Spannungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum aus einem kompressibleh, homogenen schaumartigen Werkstoff besteht, der direkt oder über ein Bindemittel gleichmäßig an den Platten so befestigt ist, daß die Bindung zwischen den Platten und dem Dielektrikum frei von Hohlräumen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum ein schaumartiger Werkstoff mit offenen Zellen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum ein schaumartiger Werkstoff mit geschlossenen Zellen, wie Kautschuk, Silikonkautschuk, Polychloropren o.dgl. ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis J5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Platten noch eine weitere, von diesen beiden Platten durch das Dielektrikum getrennte Platte angeordnet ist und die beiden äußeren Platten elektrisch leitend miteinander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenplatte kleiner als die beiden äußeren Platten ist und der restliche Raum zwischen den äußeren Platten eventuell durch zusätzliches, elektrisch nicht leitendes Material ausgefüllt ist.

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H62179

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5* dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Platten mechanisch zu einer einzigen Platte-miteinander vereinigt sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind.

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