DE2047360A1

DE2047360A1 - Als Mikrophon verwendbarer piezoelek tnscher Wandler und Verfahren zum Zusammen bau desselben

Info

Publication number: DE2047360A1
Application number: DE19702047360
Authority: DE
Inventors: Hans Werner Williamsville Siegel Vernon Harold Clarence N Y Hugh (V St A )
Original assignee: Kistler Instrument Corp
Current assignee: Kistler Instrument Corp
Priority date: 1969-10-13
Filing date: 1970-09-25
Publication date: 1971-04-29
Also published as: US3651353A; CH515499A

Description

Kistler Instrument Corporation 2B.

Qlarenoe, UoY,, V₀St₀A,

Als Mikrophon verwendbarer piezoelektrischer Wandler und Verfahren zum Zusammenbau desselben

Die Erfindung betrifft einen robusten und dennoch höchst ansprechempfindlichen piezoelektrischen Druckwandler zur Messung sehr geringer Druckwerte, der sich insbesondere zur Verwendung als Mikrophon eignet, sowie ein Verfahren zum Zusammenbau derartiger Mikrophone bzw. Druckwandler,

Membran-Druckwandler in Form von Mikrophonen zur Messung bzw. Erfassung von vergleichsweise geringen Druckschwan— kungen, wie sie durch Schallwellen erzeugt werden, sind bekannt. Das zunehmende Interesse für die Entdeckung und Messung hochintensiver Schallpegel führte jedoch zu einem Bedarf für ein robusteres Mikrophon, das den ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie sie normalerweise im Bereich hoher Schallpegel vorhanden sind, zu widerstehen vermag. Die bisherigen Mikrophon-Konstruktionen ließen die Kombination von Robustheit und Anspreohempfindlichkeit, die zur Messung hochintensiver Schallpegel nötig ist, wie sie beispielsweise durch ein Raketentriebwerk erzeugt werden und häufig von übermäßigen Temperaturen und Beschleunigungskräften begleitet sind, vermissen.

Die Erfindung überwindet diesen Nachteil durch Schaffung eines sehr robusten und dennoch ansprechempfindlichen Druckwandlers bzw. Mikrophons, der bzw, das sioh speziell zur Measung von hochintensiven Geräuschen eignet, wie sie z.B. durch Raketentriebwerke erzeugt werden. Obgleich die erfin-

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dungsgemäße Vorrichtung im folgenden in Verbindung mit der Messung von Raketentriebwerk-Geräuschen beschrieben ist, ist zu beachten, daß sich das erfindungsgemäße Mikrophon für alle Zwecke eignet, wo ein robuster und dennoch ansprechempfindlicher Druckwandler gewünscht wird· Das erfindungsgemäße Mikrophon findet insbesondere auch Anwendung in akustischen Kammern, in denen üblicherweise für Raumfahrt- und andere Zwecke vorgesehene elektronische Schaltungen hochintensiven Geräuschen ausgesetzt werden, um etwaige Beschädigungen der Schaltungen durch die hohen | Geräuschpegel festzustellen. Aufgabe der Erfindung ist mithin in erster Linie die Schaffung eines verbesserten Druckwandlers, der sich speziell als Mikrophon zur Feststellung hochintensiver Geräusche, wie der von einem modernen Raketentriebwerk erzeugten, eignet. Dieser Druckwandler bzw. dieses Mikrophon soll vorzugsweise robust aufgebaut sein» eine gegenüber den bisher bekannten Mikrophonen dieser Art erhöhte Anspreohempfindlichkeit besitzen und darüberhinaus auch noch eine verbesserte Beschleunigungskompensation besitz-en, so daß das vom Wandler gelieferte Aus gangs signal praktisch unempfindlich gegenüber längs der Druckansprechachse des Wandlers einwirkenden Beschleunigungskräften ist.

Bin anderes Erfindungsziel besteht in der Schaffung eines verbesserten Mikrophons mit einem luftdicht gekapselten Gehäuse, in welches eine innere elektronische Schaltung eingebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wandler mit einer Quarzkristall-Einheit gelöst, die mit einer flexiblen

.Metall-Membran zur Messung von niedrigen Schalldrucken bis

ο hinauf zu solchen von etwa 0,07 kg/om verbunden ist, wobei ein Teil dieser Kristall-Einheit durch zwei Sätze von Quarz-

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kristall-Scheiben gebildet wird, von denen der eine, grössere Satz zur Feststellung von auf die Membran einwirkenden Druckkräften und der andere, kleinere Satz zur Kompensation von längs der Anspreohachse des Wandlers einwirkenden Beschleunigungskräften dient. Um die Kristallscheiben herum ist eine Vorspannhülse zur Anlegung einer Vorbelastungsbzw«, Druckkraft an die Kristalle angeordnet, so daß deren elektrisches Ausgangssignal genau den auf die Druckmembran ausgeübten Durchbiegungskräften folgt.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Quarzkristall-Einheit ein vergrößertes, niedriges Gewicht besitzendes Endstück aufweist, welches eine einstellbare Masse zur Ermöglichung einer genauen End« bzw«, Feineinstellung der Beschleunigungskompensation des vom Wandler gelieferten Ausgangssignals bildet. Dieses Endstück ist mit einer zentralen Bohrung bzw. Ausnehmung versehen, in welche eine Masse solcher Größe eingesetzt werden kann, daß eine höchst genaue Beschleunigungskompensation gewährleistet wird, und ist vorzugsweise durch Löten oder anderweitig an der Membran befestigt und verhindert niederfrequente Membranresonanzen, Das Ende der Vorspannhülse ist auf neuartige und wirksame Weise mit dem Endstück verbunden und die gesamte Kristall-Einheit ist in ein luftdicht gekapseltes Gehäuse eingebaut, das vorzugsweise eine Kammer für eine im Inneren angeordnete elektronische Schaltung aufweist, um ein über ein herkömmliches Koaxialkabel an Fern-Überwachungsgeräte ansohließbares Ausgangssignal niedriger Impedanz zu liefern.

Im folgenden ist ein bevizugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert Es zeigen:

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Pig» 1 eine teilweise im lotrechten Schnitt dargestellte Ansicht eines vollständigen Mikrophons mit den Merkmalen der Erfindung,

Pig, 2 eine in vergrößtertem Maßstab gehaltene und teilweise im lotrechten Schnitt dargestellte Ansicht der im Mikrophon gemäß Pig. 1 vorgesehenen piezoelektrischen Einheit,

Pig. 3 eine gegenüber lig. 1 vergrößerte Seitenansicht

des Endstücks des Mikrophons gemäß Pig. 1 und 2 mit weggekrochenem Mittelabschnitt zur Darstellung der Ausnehmung, in welche ein beschleunigungskompensierendes Gewicht einsetzbar ist_t

Pig« 4 eine Stirnseitenansicht des Endstücks gemäß Pig· 3 und

Pig, 5 einen Längsschnitt durch die Vorspannhülse gemäß Pig. 1 und 2.

Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform eines er- ψ findungsgemäßen Druckwandlers bzw. Mikrophons 10 weist ein Gehäuse 12 mit einem ringförmigen Anbau-Flansch 14 auf. Am oberen Ende des Gehäuses 12 ist durch bei 16 angedeutete Schutzgas-Lichtbogenschweißung eine Hülse 18 befestigt, die ebenfalls einen Teil des Wandler-Gehäuses bildet und die einen Sockel 20 umschließt, welcher eine Kammer 22 zur Aufnahme einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung mit einem oder mehreren Transistoren festlegt. Eine für den gewünschten Zweck brauchbare Schaltung ist beispielsweise in der USA-Patentschrift (Serial No. 746 700) beschrieben. Die eine Seite des Sockels 20 ist bei 24 ausgespart und bildet ein während des Zusammenbaus einen Zugang ermög-

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lichendes Fenster, durch welches die in der Kammer 22 angeordnete Schaltung abgeglichen werden kann. Nach Beendigung des Abgleiche wird das Fenster 24 durch die Hülse 18 abgedeckt, die durch Schutzgas-Lichtbogenschweißung nicht nur mit dem Gehäuse 12, sondern, wie bei 26 angedeutet, auch mit dem Sockel 20 verbunden wird, so daß eine luftdichte Kapselung der in der Kammer 22 befindlichen elektronischen Bauteile gewährleistet ist. Schließlich ist in das Ende 28 des Sockels 20 ein herkömmlicher Koaxialkabel-Anschluß 30 zur Übertragung der vom Mikrophon 10 gelieferten elektrischen Ausgangssignale an ein beispielsweise an eine Fern-Über·» wachungsanlage anschließbares herkömmliches Kabel eingebaut. Der Anschluß 30 ist vorzugsweise mittels eines Gewindes 32 in den Sockel 20 eingeschraubt und bei 34 mittels Epoxyharz festgelegt.

Das andere Ende des Sockels 20 ist bei 36 durch Punktschweissung an einem dünneren Ende 38 des Gehäuses 12 befestigt. Das Gehäuse 12 ist außerdem zur Herstellung einer luftdichten Abdichtung bei 40 durch Schutzgas-Lichtbogenschweißung mit dem oberen Ende eines Trennstücks 42 verbunden, an welchem eine piezoelektrische Wandler-Einheit 44 befestigt ist. Am unteren Ende des Gehäuses 12 ist bei 46 duroh Lichtbogenschweißung eine aus Metall, vorzugsweise rostfreiem Stahl, bestehende flexible Membran 48 befestigt, die eine Zentralbohrung 49 aufweist und an einem Endstück 50 der piezoelektrischen Einheit 44 anliegt, an welchem sie vorzugsweise befestigt ist. Das Endstüok 50 ist seinerseits an einer Vorspannhülse 52 für die piezoelektrische Einheit 44 befestigt, deren oberes Ende wiederum bei 54 in das Trennstück 42 eingeschraubt ist und sowohl im Gewinde 54 als auch bei 56 um den Umfang der Einheit herum mittels Epoxyharz festgelegt ist.

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Pig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Teile der piezoelektrischen Einheit 44 gemäß Fig· 1. Die Vorspannhülse 52 ist durch zwei Reihen von auf Umfangsabstände verteilten

Balis/ PunktschweiSungen 58 und 60 mit einer⁷62 verbunden, von denen jede Reihe vorzugsweise zwölf auf gleiche Umfangsabstände um die Basis 62 herum verteilte Schweißstellen umfaßt. In die Basis 62 ist unter Festlegung mittels Epoxyharzes bei 64 eine Haltehülse 66 eingeschraubt, in der eine elektrisch isolierende Hülse 68 angeordnet ist, in welcher wiederum ein Kontaktstift 70 vorgesehen ist, dessen Kppf

in eine seismische Masse 72 eingeschraubt und an dieser mit Hilfe von Epoxyharz 74 befestigt ist. Der Kontaktstift 70 steht mit der seismischen Masse 72 in elektrischem Kontakt und ist an seinem anderen Ende mit einer Abflachung 76 versehen, an welcher das eine Ende einer in der Isolier-Hülse 68 bei 80 mit Hilfe von Epoxyharz festgelegten elektrischen Zuleitung 78 befestigt ist· Die Zuleitung 78 ist bei 82 durch Löten oder anderweitig elektrisch mit der Abflachung 76 des Kontaktstifte 70 verbunden·

Zwischen die vorzugsweise aus einem vergleichsweise schweren Material, wie Wolfram, bestehende seismische Masse 72 ψ und die Basis 62 ist ein piezoelektrischer Quarzkristall 84 eingefügt, der auf noch zu beschreibende Weise eine Be·· sohleunigungskompensation für den Wandler gewährleistet. Die seismische Masse 72 ist von der Vorspannhülse 52 durch einen elektrisch isolierenden Ring 86 getrennt und liegt an ihrem anderen Ende an einem Stapel 88 piezoelektrischer Quarzkristalle an, die ihrerseits durch einen größeren, elektrisch isolierenden Ring 90 von der Vorspannhülse 52 getrennt sind. Gegen das andere Ende des Quarzkristall-Stapels 88 legt sloh das in den Fig. 3 und 4 näher dargestellte Endstück 50 von niedrigem Gewicht an.

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Das Endstück 50 "besteht aus Keramik oder vorzugsweise aus metallischem Beryllium, das aus einem Pulver im Vakuum heißverpreßt wurde. Das Bndstück 50 weist einen mittleren Rohrteil 92, einen oberen Flansch 94 und einen unteren, nach außen gekelchten und in einem unteren Plansch 98 auslaufenden Rand 96 auf. Das Endstück 50 besteht aus Tollmaterial, nur daß in seinem unteren Ende eine Mittenbohrung zur Festlegung einer Ausnehmung 100 ausgebildet ist, welche ein in Fig. 2 dargestelltes beschleunigungskompensierendes Gewicht 102 aufnimmt. Lediglich als Beispiel kann gesagt werden, daß der Durchmesser des unteren Flansches 93 des Endstücks 50 etwa 11,9 mm, der Durchmesser des Rohrteils etwa 6,35 mm und der Durchmesser des oberen Flansches etwa 7,1 mm betragen kann. Die Ausnehmung 100 ist gemäß Fig. 3 bei 104 ausgebohrt und endet in einer Kegelfläche 106, die einen Winkel CL von etwa 120° einschließt. Der Rand divergiert vorzugsweise unter einem Winkel von 60° von der Ansprechachse 108 des Mikrophons hinweg nach außen.

Fig. 5 ist ein Sohnitt durch die Vorspannhülse 52, die ein verdicktes Ende 109 zum Punktschweißen an der Basis 62 und einen Flansch 110 aufweist, um beim Zusammenbau Vorbelastungskräfte an die Vorspannhülse 52 anlegen zu können, wobei dieser Flansch 110, wie durch die strichpunktierten Linien in Fig. 2 angedeutet ist, später abgetragen wird. Der Mittelteil 112 der Vorspannhülse 52 besitzt eine geringere Dicke von beispielsweise etwa 0,13 mm und läuft an seinem anderen Ende in einen verdickten, ringförmigen Halter 114 mit einem Abschnitt 118 von kleinerem Durchmesser, welcher eine Halte-Schulter 120 festlegt, und einem sich nach außen erweiternden Abschnitt 122 aus. Der Halter 114 ist weiterhin mit einer Reihe von auf Umfangsabstände verteilten Schlitzen 124 versehen, welche sich durch den

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größten Teil des Halters 114 erstrecken, aber kurz vor dem dünneren Mittelteil 112 der Vorspannhülse 52 enden. Die . Schlitze 124 verlaufen radial zur Ansprechachse 108 und sind um die Vorspannhülse 52 herum auf gleiche Umfangsabstände voneinander verteilt. Obgleich jede zweckmäßige Anzahl von Schlitzen 124 vorgesehen sein kann, weist das Halte—Ende der Vorspannhülse 52 bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung acht auf gleiche Abstände voneinander verteilte Schlitze 124 auf.

Gemäß Fig. 2 ermöglichen die Schlitze 124 ein geringfügiges Ausspreizen bzw. Aufweiten der vorzugsweise aus rostfreiem Stahl bestehenden Vorspannhülse 52, so daß der Halter über den Flansch 94 des Endstücks 50 geschoben werden kann und dann einwärts einrastet, wobei sich die Halte— Schultern 120 an die Unterseite des Flansches 94 anlegen und letzteren festhalten. Auf die Vorspannhülse 52 ist ein Ring 126 aus rostfreiem Stahl aufgeschoben, der bei 128 durch acht auf gleiche Abstände verteilte Punktschweißungen mit der Vorspannhülse 52 verbunden ist. Schließlich ist die Membran 48 bei 130 vorzugsweise mittels Silberlots am Endstück 50 angelötet.

* Beim Zusammenbau wird zuerst das Endstück 50 in das Halteende der aus rostfreiem Stahl bestehenden Vorspannhülse 52 eingeschoben, indem die durch die Schlitze 124 festgelegten Abschnitte des Halters 114 auseinandergespreizt werden. Der Halter 114 ist bei 122 (Fig. 5) konisch ausgebildet, so daß das Endstück 50 in die Vorspannhülse 52 eingeschoben werden kann, bis die Schultern 120 hinter der Kante des Flansohes 94 einrasten. Der vorher auf die Vorspannhülse aufgeschobene Ring 126 wird in seine richtige Lage geschoben und durch Punktschweißen mit dem Halter 114 der Vorspannhülse 52 verbunden. Sodann wird die durch die beiden

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Sätze 84 und 88 von piezoelektrischen Scheiben gebildete piezoelektrische Einheit in das in Fig. 2 strichpunktiert eingezeichnete obere Ende der Vo'rspannhülse 52 eingesetzt und wird die Vorspannhill se bei 58 und 60 mit der Basis 62 verschweißt, während sie gleichzeitig einer Vorspann- bzw« Vorbelastungskraft von vorzugsweise etwa 45»4 kg unterworfen wird, so daß die Quarzkristalle fest zwischen der Basis 62 und dem Endstück 50 verspannt sind. Sobald die Vorspannhülse 52 mit der Basis 62 und dem Endstück 50 verschweißt ist, wird ihr oberer Plansch 110 abgetragen, wie dies durch die strichpunktierten linien in Pig· 2 angedeutet ist. Schließlich wird die piezoelektrische Einheit in das Gehäuse 12 eingebaut und werden die Hülse 18 (£ig. 1) und die Membran 48 angebracht·

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das gesamte Mikrophon einer abschließenden Prüfung auf Beschleunigungskompensation unterzogen werden kann, nachdem die Membran 48 am Gehäuse 12 und am Endstück 50 befestigt worden ist. Genauer gesagt, wird das Gerät üblichen Prüfungen unterzogen, und falls Besohleunigungsfehler festgestellt werden, werden diese dadurch ausgeglichen, daß in die Ausnehmung 100 des Endstücks 50 ein zusätzliches Gewicht 102 der erforderlichen Schwere eingesetzt wird. Palis ein relativ schweres Gewicht benötigt wird, kann ein solches aus Wolfram verwendet werden, obwohl gemäß herkömmlicher Praxis ein kurzes Stück Draht bzw. Rundmaterial aus rostfreiem Stahl unter Bildung des zusätzlichen Gewichts 102 auf die erforderliche Länge geschnitten und mit einer Schicht Epoxyharz überzogen wird, welche das Gewicht 102 sicher in der Ausnehmung 100 festhält.

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Genauer gesagt, werden die von Beschleunigungakräften längs der Anspreohachse 108 herrührenden elektrischen Ausgangssignale des Quarzkristall-Stapela 88 jeweils durch Tom Quarzkristall 84 erzeugte elektrische Kompensationssignale aufgehoben, welcher den Kristallen des Stapels 88 elektrisch entgegengesetzt geschaltet ist. Diese Art der Kompensation von auf Besohleunigungskräften beruhenden, für den vorliegenden Anwendungszweck unerwünschten Signalen ist in der US-PS 3 349 259 näher erläutert. Das von den Quarzkristallen des" Stapels 88 erzeugte Signal tritt

P an zwisohen diese Kristalle eingefügten UoId- oder Silbersoheiben auf, welche als Elektroden wirken und durch nicht dargestellte, herumgebogene Anechlußfahnen miteinander verbunden sind. Der eine Außenpol der Kristalle beider Stapel steht über die Elektroden mit der seismischen Masse 72 und über den Kontaktstift 70 mit der Zuleitung 78 in Verbindung, während der andere Außenpol über die Gegenelektroden, die Vorspannhülse 52 und die Basis 62 der piezoelektrischen Einheit mit dem Gehäuse des Wandlers in Verbindung steht, das mit dem äußeren Leiter des Koaxialkabel-Anschlusses 30 Kontakt hat, welcher üblicherweise an Masse liegt. Selbstverständlich ist die Zuleitung 78 mit der in der Kammer 22 befindlichen elektronischen Schaltung verbunden, deren Ausgangssignal auf herkömmliche Weise zwischen das geerdete Gehäuse und den inneren Leiter des Koaxialkabel-Anschlusses eingeschaltet ist.

Die gesamte auf den piezoelektrischen Quarzkristall 84 einwirkende Beschleunigungskraft ist der Masse M des unteren Endes der durch die seismische Masse 72, die Quarzkristalle 88, das Endstück 50 und die zugeordneten Bauteile gebildeten Einheit proportional. Die auf die Kristalle des Stapels 88 einwirkende Beschleunigungskraft ist wesentlich geringer und der Masse m des halben Kristall-Stapels 88 und des

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Bndstücks 50 zusammen mit den zugeordneten Bauteilen proportional. Wenn beispielsweise alle Kristalle der Sätze und 88 jeweils gleich große Ausgangssignale erzeugen, so ist, da der Stapel 88 sieben Kristalle und der Stapel 84 nur ein Kristall enthält, die Masse M etwa siebenmal so groß gewählt wie die Masse m· Da der Kristall-Stapel 84 den sieben Kristallen des Stapels 88 entgegengeschalfcet ist, erzeugt die größere Masse, einschließlich der schweren seismischen Masse 72, ein siebenmal so großes Ausgangssignal im Kristall 84 bei längs der Achse 108 einwirkenden Beschleunigungskräften, wobei dieses Ausgangssignal dem vom Kristall-Stapel 88 unter dem Einfluß derselben Beschleunigungskraft abgegebenen Ausgangssignal gleich und entgegengesetzt ist· Pur die auf die Membran 48 einwirkenden Druckkräfte hat jedoch das Größenverhaltnis zwischen diesen beiden Massen keine Bedeutung, da die Ausgangssignale aller Kristalle jeweils gleich groß sind, wenn die Kristalle gleiche Größe und gleichen Aufbau besitzen. Das Mikrophon spricht daher in der Weise auf Druckbelastungen an, daß der Kristall 84 nur das Signal eines der sieben Kristalle des Stapels 88 unterdrückt bzw. aufhebt, während das in Abhängigkeit von Druckkräften an der Zuleitung 78 erscheinende Ausgangssignal die Summe der Ausgangssignale von sechs Kristallen des Stapels 88 darstellt.

Das Mikrophon 10 wird anfänglich in der Weise zusammengesetzt, daß der Kristall 84 eine geringe Überkompensation der Beschleunigungskräfte bewirkt. Anschließend wird eine Peinjustierung der Kompensation vorgenommen, indem ein Gewicht 102 entsprechender Größe in die Ausnehmung 100 des Endstücks 50 eingesetzt wird, nachdem die Membran 48 eingebaut worden ist. Auf diese Weise können alle Schwankungen infolge von Spannungen oder Belastungen oder infolge von etwaigen Mißausrichtungen im Wandler durch Hinzufügung des

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Gewichts 102 kompensiert werden. Das eingebaute Gewicht vergrößert sowohl die Masse M als auch die Masse m, doch da die Masse m, wie erwähnt, nur etwa 1/7 der Masse M beträgt, wird durch die Hinzufügung des Gewichts 102 das beschleunigungsabhängige Ausgangssignal des Stapels 88 etwa siebenmal stärker erhöht als das besohleunigungsabhängige Ausgangssignal des Kristalls 84ο Aus diesem Grund kann durch richtige Auswahl der Größe des hinzugefügten Gewichts 102 eine nahezu perfekte Beschleunigungskompensation für das Mikrophon 10 erreicht werden. Nach Auswahl des richtigen r Gewichts wird dieses durch die Zentralbohrung 49 der Membran hindurch eingesetzt und durch das Epoxyharz 132 in seiner Einbaulage befestigt.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersiohtlich, daß die Erfindung einen verbesserten piezoelektrischen Wandler schafft, der speziell erhöhte Ansprechempfindlichkeit besitzt und gleichzeitig ausreichende Robustheit zeigt, um sehr ungünstigen Umgebungsbedingungen widerstehen zu können. Er eignet sich speziell zur Messung von Schallwellen hoher Intensität, wie sie üblicherweise bei der Prüfung elektronischer Ausrüstungen in akustischen Kammern von Raketentriebwerken erzeugt werden. Bedeutsame Merkmale umfassen auoh die Justierung der Beschleunigungskompensation durch zusätzliches Einsetzen einer Masse bzw. eines Gewichts in eine Zentralbohrung des aus Beryllium oder Keramik bestehenden Endstücks. Zudem ist die Membran am Endstück angelötet, 2uax*buäbaexx:&ra um

Membran-Resonanzen zu vermeiden. Die Verbindung zwischen der aus rostfreiem Stahl bestehenden Vorspannhülse und dem aus Beryllium oder Keramik bestehenden Endstück, die wegen der besonderen Eigenschaften dieser Werkstoffe nicht durch Schweißen erfolgen kann, wird erfindungägemäß durch einen

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neiiartigen, geschlitzten Halteteil am Ende der Vorspannhülse gewährleistet, der aufweitbar ist, um über einen mit ihm zusammenwirkenden Flansch am Endstück 50 aufgeschoben zu werden. Schließlich weist der erfindungsgemäße Wandler eine einstückig mit ihm ausgebildete Kammer zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung auf, die aktive Elemente, wie einen oder mehrere Transistoren enthält, welche zur Impedanzumwandlung des Ausgangssignals der piezoelektrischen Kristalle zwecks Anlegung desselben an eine Fern-Überwaohungsanlage mittels eines herkömmlichen zweiadrigen Koaxialkabels dienen. Die Verbindung von den Kristallen zur elektronischen Schaltung erfolgt über eine vergleichsweise kurze Direkt-Zuleitung 78, so daß Kapazitätsund Ansprechempfindlichkeits-Änderungen vermieden werden, die sich anderenfalls aus einer Zuleitungs-Verschiebung ergeben könnten.

Zusammenfassend schafft die Erfindung mithin einen als Mikrophon verwendbaren piezoelektrischen Druckwandler zur Messung bzw, Feststellung von hochintensiven Geräuschen bzw« Schallpegeln» Dieses Mikrophon weist ein vorzugsweise aus metallischem Beryllium bestehendes, leichtes Endstück mit einer Ausnehmung zur Aufnahme eines Gewichts zur Kompensation von auf Beschleunigungskräften beruhenden Signalen auf. Eine Vorspannhülse ist mit ihrem einen Ende an einem Halter befestigt, während ihr anderes Ende über einen Abschnitt des Endstücks geschoben und mittels eines Halte-Rings daran festgelegt ist. Das Mikrophon kann mit einer getrennten Kammer zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung versehen sein, welche das Ausgangssignal von den vorbelasteten Quarzkristallen des Wandler empfängt«

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Claims

atentansprüohe

Piezoelektrischer Wandler mit zwei Gruppen von piezoelektrischen Elementen, die unterschiedlich große und einander entgegengesetzte elektrische Ausgangssignale erzeugeni wenn sie gemeinsam einer Kraft unterworfen werden, und mit einer zwischen den beiden G-ruppen angeordneten seismische Masse, dadurch gekennzeichnet, daß neben der einen Gruppe (84-) von piezoelektrischen Elementen ein Unterstützungsglied (62) und neben der P anderen Gruppe (88) von piezoelektrischen Elementen ein Endstück (50) vorgesehen ist, welches mittels einer die piezoelektrischen Elemente beider Gruppen vorbelastenden Vorspannhülse (52) in Richtung aufpas Unterstüfczungsglied gedrängt wird, und daß im Endstück eine Ausnehmung (100) zur Aufnahme eines oder mehrerer Justier-Gewiohte (102) unterschiedlicher Masse ausgebildet ist.

2, Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gruppe von piezoelektrischen Elementen aus einer einzigen Quarzkristall-Scheibe (84) und die zweitgenannte Gruppe von piezoelektrischen Soheiben aus einem Stapel von Quarzkristall-Scheiben besteht, die so gepolt sind, daß sie dem von der einzelnen Quarzkristall-Scheibe erzeugten Ausgangssignal entgegenwirken, und daß die Vorspannhülse (52) die einzelne Quarzkristall-Scheibe, die seismische Masse (72) und den Scheiben-Stapel umschließt*

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3, Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (100) an der vom Scheiben-Stapel (88) abgewandten Seite des Bndstücks (50) vorgesehen ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht bzw, die Gewichte (102) in die Ausnehmung (100) eingeklebt ist bzw, sind,

5· Wandler nach Anspruch 4ι dadurch gekennzeichnet, daß das Gewicht bzw. die Gewichte (102) mit Hilfe eines Epoxy—Klebmittels am Endstück (50) befestigt ist bzw, sind.

6. Wandler nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß das Bndstück (50) aus Keramik besteht,

ο Wandler nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (50) aus metallischem Beryllium besteht,

8. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Endstück (50) eine mit einer Zentralbohrung (49) versehene flexible Metall—Membran (48) befestigt ist,

9» Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannhülse (52) und die Membran (48) aus rostfreiem Stahl bestehön.

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10. Wandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Endstück (50) an einer von der Membran (48) angewandten Seite einen Ring-Flansch (94) aufweist und daß die Vorspannhülse (52) mit einer Innen-Schulter fl2O) und mehreren auf Umfangsabstände verteilten Längs-Schlitzen (124) versehen ist, so daß die Vorspannhülse aufgeweitet und über das Endstück aufgeschoben werden kann, bis die Schulter hinter den Flansch einschnappt.

11. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er einen mit der Vorspannhülse (52) verschweißten und die Sohlitze (124) übergreifenden Halte-Ring (126) aus rostfreiem Stahl aufweist.

12_β Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er ein die Vorspannhülse (52) umgebendes, luftdicht gekapseltes Gehäuse (12) aufweist, das mit einer Kammer (22) zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung versehen ist, und daß die beiden Gruppen (84, 88) von piezoelektrischen Elementen über eine kurze elektrische Zuleitung mit der Kammer verbunden sind.

13. Wandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte, auf die beiden Gruppen (84, 88) von piezoelektrischen Elementen einwirkende seismische Masse (72) für eine vorgegebene Kraft ihren elektrischen Ausgangssignalen umgekehrt proportional ist.

14. Wandler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die seismische Masse (72) aus Wolfram besteht.

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15. Verfahren zum Zusammenbauen eines beschleunigungskompensierten piezoelektrischen Wandlers nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine piezoelektrische Einheit mit einer seismischen Masse und einander entgegenwirkenden Sätzen bzw* Stapeln piezoelektrischer Elemente, die bei einer vorgegebenen Kraft unterschiedliche elektrische Ausgangssignale liefern, in ein Gehäuse eingesetzt wird und daß nach dem Zusammensetzen ein oder mehrere Justier-Gewichte solcher Größe hinzugefügt wird bzw· werden, daß die gesamte, auf die Stapel einwirkende seismische Masse bei vorgegebener Kraft den Ausgangssignalen der Stapel umgekehrt proportional ist»

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Just^ier-Gewicht bzw. die Justier-Gewichte durch Verkleben am Endstück der piezoelektrischen Einheit befestigt wird bzw, werden*

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