DE2318027B2 - Electroacoustic transducer with a piezoelectric flexural oscillator Motorola, Ine, Franklin Park, 111. (V.St A.) - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischer, Wandler mit einem im wesentlichen flachen piezoelektrischen, als planarer Biegeschwinger ausgebildeten Element, das auf seinen Hauptflächen mit Elektroden versehen ist. und mit einer konisch geformten Membran, die /entrisch an diesem Schwinger befestigt ist.The invention relates to an electroacoustic transducer with a substantially flat piezoelectric, designed as a planar flexural oscillator element with electrodes on its main surfaces is provided. and with a conical shaped membrane, the / entrisch is attached to this transducer.

Es ist bekannt, akustische Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie und umgekehrt zu verwenden. Dabei kann ein piezoelektrisches Element als Treiber benutzt werden, wobei dieses piezoelektrische Element Veibiegungen einer bestimmten Art in Abhängigkeit von der angelegten elektrischen Energie erfährt bzw. ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der mechanischen Verbiegung des piezoelekirischen Elementes liefert. Ein solcher akustischer Wandler kann also sowohl in der einen wie auch in der anderen Richtung zum Umwandeln der Energie benutzt werden. Für einen solchen elcktroakustischen Wandler ist es bekannt (DT-Gbm 66 09 58")). den planaren Biegeschwinger im Zentrum an der Spitze einer konisch geformten Membran zu befestigen. Dabei wird di'rch besondere Ausgestaltung der Halterung des piezoelektrischen Biegeschwingers dafür gesorgt, daß die Knotenlinie möglichst weit nach außen verschoben wird, um die untere Grenzfrequenz des Lautsprechers möglichst weit in Richtung tiefer Frequenzen zu verschieben. Derartige elcktroakustische Wandler finden häufig als Lautsprecher Verwendung, um elektrische Energie in Schallenergie umzuwandeln. Für derartige Lautsprecher ist es besonders wünschenswert, einen Wandle mit einem flachen Übertragungsfrequenzgang über die gesamte gewünschte Bandbreite zu haben: d. h. alle Schallfrequenzen zwischen zwei Grenzfrequenzen sollen möglichst in gleicher Amplitude erzeugt werden. Da das piezoelektrische Element ein mechanischer Schwinger ist. treten spezielle Resonanzfrequenzen auf. die der Grundschwingung, dem ersten Oberton, dem /weiten Oberton usw. zugeordnet sind. Bei diesen Resonanzfrequenzen entpichen Rcscnun/übcrhöhungen, so daß das Ausgangssignal bei diesen Frequenzen wesentlich ansteigt.It is known acoustic transducers for converting electrical energy into acoustic energy and vice versa to use. A piezoelectric element can be used as a driver, this piezoelectric Element bending of a certain type depending on the applied electrical Energy experiences or an electrical signal depending on the mechanical deflection of the piezoelectric Element supplies. Such an acoustic transducer can be used both in the one as well as in the other direction can be used to convert the energy. For such an elcktroacoustic one Converter it is known (DT-Gbm 66 09 58 "). The planar A flexural transducer is attached to the center of the tip of a conically shaped membrane. It will di'rch special design of the holder of the piezoelectric Flexural oscillator ensured that the nodal line was shifted as far outward as possible in order to shift the lower limit frequency of the loudspeaker as far as possible in the direction of lower frequencies. Such elcktroacoustic transducers are often used as loudspeakers to electrical Convert energy into sound energy. For such speakers it is particularly desirable to have a Convert with a flat transmission frequency response over the entire desired bandwidth to have: d. H. all sound frequencies between two cut-off frequencies should be generated with the same amplitude if possible will. Because the piezoelectric element is a mechanical vibrator. occur special resonance frequencies on. that of the fundamental, the first overtone, are assigned to the / wide overtone etc. At these resonance frequencies, increases / increases correspond to so that the output signal increases significantly at these frequencies.

Bei bekannten akustischen Wandlern wird das Abflachen des Übertragungsfrequenzganges durch die spezielle Ausgestaltung der elektrischen Schallung bewirkt, mit der der Wandler angesteuert wird. Es ist auch bekannt, bei gewissen Frequenzen eine Dämpfung durch die besondere Ausgestaltung des Gehäuses und die Größe der einzelnen Komponenten vorzusehen. EsIn known acoustic transducers, the flattening of the transmission frequency response is due to the special Design of the electrical sound with which the transducer is controlled. It is also known, at certain frequencies, a damping due to the special design of the housing and the size of the individual components to be provided. It

lsi auch bereits bekannt, eine Diimpfungsschichi unmittelbar auf dem piezoelektrischen Biegeschwinger zn befestigen (US-PS 36 54 402), wobei dieses Dämpfungsflemeni etwa im Zentrum des ßiegesehwingers anfeordnet ist und vorzugsweise aus Gummi besieht. Piese Lösungen sind jedoch unbefriedigend, da sie nur (begrenzt anwendbar sind. Wenn man mit Hilfe dieser l-ösungen wirklich gute Ergebnisse erzielen will, wird (lic Ausgestaltung, d.h. die Formgebung des akustifchcn Wandlers extrem kompliziert und teuer, wobei lie nur für einen ganz bestimmten akustischenWandler die volle gewünschte Wirksamkeit bringt.Isi also already known to have a vaccine immediately on the piezoelectric flexural oscillator zn attach (US-PS 36 54 402), this Dämpfungsflemeni is attached approximately in the center of the ßiegesehwingers and is preferably made of rubber. However, these solutions are unsatisfactory because they are only applicable to a limited extent l solutions really want to get good results (lic design, i.e. the shape of the acoustic transducer extremely complicated and expensive, whereby let only bring the full desired effectiveness for a very specific acoustic transducer.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, tinen akustischen Wandler zu schaffen, der ein piezoelektrisches Element als Treiber aufweist und bezüglich feines Übertragungsfrequenzganges innerhalb des gewünschten Bandes im wesentlichen einen flachen Verlauf zeigt.The invention is therefore based on the object of creating tinen acoustic transducer which is a piezoelectric Has element as a driver and with respect to fine transmission frequency response within the desired Ribbon is essentially flat.

Diese Aufgabe wird erfindiingsgemiiß dadurch gelöst, daß die Membran einen pyramidenstumpfförmigen ;o Scheitel mit im wesentlichen kreisförmiger Fläche aufweist, deren Durchmesser kleiner als der gegenseitige Abstand der durch die Form des Biegeschwingers bedingten Knotenlinien des ersten Obertones ist. und daß <lie Schnittfläche der Membran zentrisch innerhalb dieler Knotenlinien mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist.According to the invention, this object is achieved by that the membrane has a truncated pyramidal shape; o Has vertices with a substantially circular area, whose diameter is smaller than the mutual spacing caused by the shape of the oscillating vibrator Is the nodal lines of the first overtone. and that the cut surface of the membrane is centered within the membrane Node lines connected to the piezoelectric element.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.Further refinements of the invention are the subject matter of further claims.

Die Merkmale der Erfindung werden besonders vorleilhaft bei einem akustischen Wandler verwirklicht, bc, <lem ein piezoelektrisches Element als planarer Biege-Schwinger schwingt und einem ersten Oberton zugeordnete Knotenlinien aufweist, die auf einer Hauptllächc des piezoelektrischen Elementes verlaufen. Mit einer Hauptfläche des piezoelektrischen Elementes, lind zwar im wesentlichen im Zentrum innerhalb der ersten Knotcnlinie ist der pyramidenstumpfförmigc Scheitel cin.r Membran verbunden, wobei die Verbin-Clungsfläche im wesentlichen kreisförmig ist. Der Ab-Stand der Knoteniinie des ersten Obertons ist genügend weit von dem pyramidenstumpfförmigen Scheitel der Membran entfernt, um die Amplitude des Ausgangssignals mit der Frequenz des ersten Obertons im Wesentlichen gleich der Amplitude des Ausgangssignals der Grundschwingung zu machen. Auf der der Membran gegenüberliegenden Seite des piezoelektrischen Elementes ist ein Däi.ipfungselement angebracht, um die Frequenz der GrunJschwingung des piezoelektrischen Elementes weiter abzusenken und die Überhöhungen be· der Grundschwingung und dem ersten Oberton dämpfend zu beeinflussen.The features of the invention become particularly advantageous realized in an acoustic transducer, bc, <lem a piezoelectric element as a planar flexural oscillator vibrates and has knot lines assigned to a first overtone, which on a Hauptllächc of the piezoelectric element. With one main surface of the piezoelectric element, Although it is essentially in the center within the first knot line, it is frusto-pyramidal Vertex connected to the membrane, being the connecting surface is substantially circular. The distance of the knot line of the first overtone is sufficient far from the frusto-pyramidal apex of the diaphragm to the amplitude of the output signal with the frequency of the first overtone substantially equal to the amplitude of the output signal to make the fundamental. On the opposite side of the diaphragm of the piezoelectric Element, a damping element is attached to the frequency of the fundamental vibration of the piezoelectric Lower the element further and the peaks in · the fundamental and the first To influence the overtone attenuating.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben tich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispicles in Verbindung mit den sowohl einzeln als auch in jeder beliebigen Kombination die Erfindung kennzeichnenden Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigtThe advantages and features of the invention also result from the following description of a Execution examples in connection with the both individually and in any combination, the claims characterizing the invention and the Drawing. It shows

F t g. I einen Schnitt durch einen akustischen Wandler gemäß der Erfindung,F t g. I a section through an acoustic transducer according to the invention,

F i g. 2a eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches Wandlerelement mit eingezeichneten Knotenlinicn,F i g. 2a shows a plan view of a piezoelectric transducer element with the node lines drawn in,

F i g. 2b eine Seitenansicht des piezoelektrischen Elementes mit den eingezeichneten Knotenbereichen für die Grundschwingung,F i g. 2b shows a side view of the piezoelectric element with the indicated node areas for the fundamental,

F i g. 2c eine Seitenansicht des piezoelektrischen Elementes mit eingezeichneten Knotenbereichen für eine Oberschwineunc.F i g. 2c a side view of the piezoelectric element with indicated node areas for a Oberschwineunc.

[·' i g. 2d den pyramidenstumpfförmigen Scheitel einer Membran,[· 'I g. 2d the truncated pyramidal vertex of a membrane,

F i g. J eine graphische Darstellung des Frequen/.Verlaufes eines akustischen Wandlers, wobei die ausgezogene Kurve den Verlauf bei einem bekannten und die gestrichelte Kurve den Verlauf bei einem akustischen Wandler gemäß der Erfindung angeben,F i g. J a graphical representation of the frequency / course of an acoustic transducer, the solid curve showing the course for a known one and the dashed curve indicate the course in an acoustic transducer according to the invention,

Fig.4 einen Teilschnitt durch das piezoelektrische Element mit einem mit diesem verbundenen Dämpfungselement, 4 shows a partial section through the piezoelectric Element with a damping element connected to it,

F i g. 5 eine vergrößerte Teilansicht des Dämpfungselementes. F i g. 5 is an enlarged partial view of the damping element.

In den einzelnen Figuren der nachfolgenden Beschreibung ist ein piezoelektrischer Wandler 10 dargestellt, der zur Energieumwandlung bei elektrischer und mechanischer Erregung dienen kann. Als Anwendungsfall kommen Lautsprecher, Schallempfänger usw. in Betracht. Der Wandler 10 hat ein Gehäuse 11, das eine topfförmige Vertiefung aufweist, in welcher eine grundsätzlich konisch geformte Membran 13 längs ihrer Außenkanten befestigt ist. Diese /viembran 13 ist mit einem pvramidenstumpfförmigen Scheitel versehen, an welchem ein piezoelektrisches Wandlereiemont 15 befestigt ist. Dieses piezoelektrische Wandlerelement besteht aus dem eigentlichen piezoelektrischen Element 16 unci einem Dämpfungselement 17. Der Betrieb eines piezoelektrischen Wandlers, wobei das piezoelektrische Element direkt mit der Membran verbunden und von dieser allein gehalten wird, ist in der US-PS 35 48 lib beschrieben.In the individual figures of the following description a piezoelectric transducer 10 is shown, which is used for energy conversion in electrical and mechanical excitation can serve. Loudspeakers, sound receivers, etc. are possible applications. The transducer 10 has a housing 11 which has a cup-shaped recess in which a basically conically shaped membrane 13 is attached along its outer edges. This viembran 13 is with provided with a truncated pvramid apex which a piezoelectric transducer mount 15 is attached is. This piezoelectric transducer element consists of the actual piezoelectric element 16 and a damping element 17. The operation of a piezoelectric transducer, the piezoelectric element being connected directly to the diaphragm and is held by this alone is described in US-PS 35 48 lib.

Bei diesem bekannten Aufbau ist der Scheitel der konisch geformten Membran mit dem Zentrum des piezoelektrischen Elementes verbunden, wobei sich für den Wandler ein Frequenzverlauf entsprechend der ausgezogenen Linie gemäß F i g. 3 ergibt. Dieser Frequenzverlauf gilt grundsätzlich und kann sich etwas in Abhängigkeit von der Wandlerausführrng ändern. Das erste Maximum für das Ausgangssignal liegt etwa bei 1 kHz und ist mit 20 bezeichnet. Dieses Maximum wird p'imär durch eine Zentrumsresonanz des Elementes ausgelöst, d. h. bei einem Resonanzverhalten, das auf Grund der Verbindung einer verhältnismäßig steifen Membran mit dem Zentrum des Elementes entsteht. Die Resonanz des Elementes wird auf die Membran durch eine leichte axiale Bewegung der Membran und des Elementes im Verbindungspunkt übertragen. Ein /weites Maximum 21 liegt bei etwa 5 kHz und wird primär durch die Grundquellenresonanz des piezoelektrischen Elementes 16 erzeugt. Ein drittes Maximum 22 bei etwa 19 kHz entsteht primär auf Grund einer dem ersten Oberton zugeordneten Resonanz des piezoelektrischen Elementes 16.In this known construction, the apex of the conically shaped diaphragm coincides with the center of the piezoelectric Element connected, with a frequency curve corresponding to the converter for the converter solid line according to FIG. 3 results. This frequency curve applies in principle and can change somewhat depending on the converter design. That The first maximum for the output signal is approximately 1 kHz and is denoted by 20. This maximum will p'imär triggered by a center resonance of the element, d. H. with a resonance behavior that on Due to the connection of a relatively stiff membrane with the center of the element arises. The resonance of the element is caused by a slight axial movement of the diaphragm and the diaphragm of the element in the connection point. A / wide maximum 21 is and will be at around 5 kHz generated primarily by the fundamental source resonance of the piezoelectric element 16. A third maximum 22 at around 19 kHz arises primarily due to one of the first overtone associated resonance of the piezoelectric Element 16.

In F i g. 2 ist das scheibenförmig ausgebildete piezoelektrische Element 16 in einer Draufsicht dargestellt. Das Element kann ais flache Scheibe jede beliebige Form annehmen, bei welcher die Scheibe Biegeschwingiingcn ausfiihr-n kann, d.h. sich längs mehr als einer Achse verbiegen oder verspannen kann. Dementsprechend kann das piezoelektrische Element 16 quadratisch oder auch unregelmäßig gestaltet sein. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedcch der Einfachheit halber von einer runden Scheibe ausgegangen.In Fig. 2 is the disk-shaped piezoelectric Element 16 shown in a top view. The element can be any flat disk Assume a shape in which the disc flexural vibrations can execute, i.e. can bend or tighten along more than one axis. Accordingly the piezoelectric element 16 can be designed to be square or irregular. In the present However, for the sake of simplicity, a round disk is assumed in the exemplary embodiment.

Bei der Grunuresonanzfrequenz verbiegt sich das piezoelektrische Element 16 längs jeder Durchmesserebene wie aus F i g. 2b hervorgeht. Während der ersten Halbschwingung biegt sich das Zentrum nach oben und der Randbercich nach unten entsprechend der gestrichelten Linie 25 aus. woeeecn die Scheibe während derAt the basic resonance frequency, the piezoelectric element 16 bends along each diameter plane as in Fig. 2b can be seen. During the first half oscillation the center bends upwards and the edge area downwards according to the dashed line 25. woeeecn the disc during the

/weiten Halbwolle die mit der gestrichelten Linie 2f> dargestellte Verformung annimmt. |cdem Durchmesser sind zwei Knoten /ugcordnet, in welchen die Scheibe keine axiale bewegung ausführt. Da das piezoelektrische Element 16 diese Verformung in jeder Durchmcsscrcbcne ausführt, entsteht eine kreisförmige Knotenli nie 27, die sowohl die obere als auch die untere Haupt fluche des Elementes 16 erfaßt./ widen the half-wool with the dashed line 2f> assumed deformation. In the diameter there are two nodes in which the disk does not perform any axial movement. Since the piezoelectric element 16 has this deformation in any diameter executes a circular knot never 27 that both the upper and the lower main curse of the element 16 is detected.

In F i g. 2c ist in derselben Weise wie in F i g. 2d die Bewegung des piezoelektrischen Elementes bei einer dem ersten Oberton zugeordneten Resonanzfrequenz dargestellt. Da dieser erste Oberton eine höhere Frequenz, hat, entstehen zwei konzentrisch gelegene kreisförmige Knotenlinicn 28 und 29 auf den Hauptfliichcn des piezoelektrischen Elementes 16. Die Knotcnlinic 29 liegt konzentrisch zur Knotcnlinic 27 im Innern dieser Knotenlinie, die durch die Grundfrequenz bestimmt ist. Wie man aus dem Vergleich der Darstellungen gemäß F i g. 2b und 2c entnehmen kann, ist die axiale Bewegung des piezoelektrischen Elementes 16 bei der Grundfrequenz im wesentlichen konstant über den gesamten Bereich, der von der Knotcnlinic 29 umfaßt wird. Da andererseits der Betrag der Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 15 den Betrag der Auslenkung der Membran 13 bestimmt und damit des Ausgangssignals, wird durch die Verbindung der Membran in einem konzentrisch zu den Knotenlinien 27, 28 und 29 liegenden Punkt, wie dies beim bekannten Stand der Technik üblich ist, für alle Frequenzen ein maximales Ausgangssignal abgegeben, so daß sich ein Frequenzgang entsprechend der ausgezogenen Linie gemäß F i g. J ergibt.In Fig. 2c is in the same way as in FIG. 2d the Movement of the piezoelectric element at a resonance frequency assigned to the first overtone shown. Since this first overtone has a higher frequency, two concentric circular knot lines 28 and 29 arise on the main areas of the piezoelectric element 16. The Knotcnlinic 29 lies concentric to the knot line 27 in the interior of this knot line, which is determined by the fundamental frequency. As can be seen from the comparison of the representations according to FIG. 2b and 2c is the axial movement of the piezoelectric element 16 at the fundamental frequency substantially constant over the entire Area covered by the Knot Clinic 29. On the other hand, since the amount of deflection of the piezoelectric element 15 determines the amount of deflection of the diaphragm 13 and thus the output signal, is made by connecting the membrane in a concentric manner to the nodal lines 27, 28 and 29 lying point, as is usual in the known prior art, a maximum for all frequencies Output signal emitted, so that a frequency response according to the solid line according to F i g. J results.

In F i g. 2d ist ein Teil der Membran 13 mit einem pyramidenstumpfförmigen Scheitel dargestellt, der durch die pyramidenstumpfförmige Ausbildung einen grundsätzlich kreisförmigen Bereich bildet, dessen Durchmesser kleiner als der Durchmesser der Knotenlinie 29 ist. Wenn der Durchmesser dieser Scheitelfläche der Membran 13 gleich dem Durchmesser der Knotenlinie 29 ist, wird der erste Oberton im wesentlichen unterdrückt, da die axiale Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 16 für den ersten Oberton in diesem Bereich 0 ist. Durch die Ausgestaltung der Membran 13 derart, daß der Durchmesser der Scheitelfläche größer als ein Punkt, jedoch kleiner als der Durchmesser der Knotenlinie 29 ist, läßt sich das Ausgangssignal auf der Frequenz des ersten Obertons (Maximum 22) soweit verringern, daß es etwa der Amplitude des dem Maximum der Grundschwingung (Maximum 21) zugeordneten Ausgangssignals entspricht. Da der zweite Oberton wesentlich über dem ersten Oberton und jenseits des Frequenzganges von akustischen Wandlern liegt, besteht keine Notwendigkeit, diesen Oberton zu berücksichtigen.In Fig. 2d is part of the membrane 13 with a Truncated pyramidal apex shown, the one by the truncated pyramidal training basically circular area, the diameter of which is smaller than the diameter of the nodal line 29 is. If the diameter of this apex of the membrane 13 is equal to the diameter of the Node line 29 is, the first overtone is essentially suppressed because the axial deflection of the piezoelectric Element 16 for the first overtone in this range is 0. The design of the Membrane 13 such that the diameter of the apex is larger than a point, but smaller than that Diameter of the node line 29, the output signal can be based on the frequency of the first overtone (maximum 22) so far that it is about the amplitude of the maximum of the fundamental oscillation (maximum 21) corresponds to the assigned output signal. Because the second overtone is significantly above the first overtone and beyond the frequency response of acoustic transducers, there is no need to do so Overtone to consider.

In Fig.4 ist ein Teilschnitt durch das piezoelektrische Wandlerelement 15 dargestellt. Das piezoelektrische Element 16 besteht aus einer ersten und zweiten piezoelektrischen Scheibe 40 und 41, die mit jeweils einer Hauptfläche mit einer Elektrode 42 verbunden sind. Auf den beiden weiteren Hauptflächen der piezoelektrischen Scheiben sind Elektroden 43 und 44 angebracht, so daß das piezoelektrische Element 16 einen Aufbau aufweist, der dem üblichen Aufbau entspricht (US-PS 35 48 116). Durch die Elektroden 42, 43 und 44 wird das piezoelektrische Element 16 planar betrieben. Mit einer Hauptfläche des Elementes 16 ist ein federndes Dämpfungselement 17 verbunden, wobei diese Hauptfläche der Hauptfläche gegenüberliegt, mit der die Membran 1.3 verbunden ist. Das Dämpfungselcmcnl 17 ist wie das piezoelektrische Element 16 scheibenförmig ausgebildet und in seinem Durchmesser etwas größer als das piezoelektrische Element. Mit Hilfe diesesIn Fig.4 is a partial section through the piezoelectric Converter element 15 is shown. The piezoelectric element 16 consists of a first and second Piezoelectric discs 40 and 41, each of which has a main surface connected to an electrode 42 are. Electrodes 43 and 44 are attached to the other two main surfaces of the piezoelectric disks, so that the piezoelectric element 16 has a structure which corresponds to the usual structure (U.S. Patent 3,548,116). The piezoelectric element 16 is operated in a planar manner by the electrodes 42, 43 and 44. With a main surface of the element 16, a resilient damping element 17 is connected, this Main face of the main face opposite to which the membrane 1.3 is connected. The damping element Like the piezoelectric element 16, 17 is disk-shaped and somewhat larger in diameter than the piezoelectric element. With the help of this

s Dämpfungselcmcntcs 17 wird für das piezoelektrische Element 16 eine Belastung geschaffen, um das Maximum 21 der Grundschwingung und ferner das Maximum 22 des ersten Obertons zu verringern. Dadurch ist es möglich, den Frequenzgang des piezoelektrischens 17 attenuation elcmcntcs is used for the piezoelectric Element 16 created a load to the maximum 21 of the fundamental and further the maximum 22 of the first overtone to decrease. This makes it possible to adjust the frequency response of the piezoelectric

ίο Wandlcrelcmcntcs 15 der in F i g. 3 dargestellten gestrichelten Linie 50 anzupassen.ίο Wandlcrelcmcntcs 15 of the in F i g. 3 shown in dashed lines Line 50 adapt.

Das Dämpfungsclcmcnt 17 besteht aus einem federnden bzw. nachgiebigen Material, wie z. B. Gummi, wobei es sich sowohl um natürliches wie auch um synthctisches Material handeln kann. Derartige nachgiebige Materialien oder Elastomeren haben einen frequenzabhängigen Schermodul, der sich direkt mit der Frequenz der angelegten Spannung ändert, d. h. der Schermodul steigt mit zunehmender Spannungsfrequenz an. Bei einer statisch oder nur mit sehr niederer Frequenz einwirkender Spannung arbeitet das elastomere Material nur im nachgiebigen Bereich, in dem es für die einwirkenden Kräfte als elastisch erscheint. Mit zunehmender Frequenz der dynamisch einwirkenden Spannungen nimmt der Schermodul zu, wobei das Elastomer durch einen glasartigen Übergangsbereich in einen Bereich übergeht, in dem es wie ein glashartes Material, d. h metallisch erscheint. Bei den unteren Frequenzen im Bereich der Maxima 20 und 21 gemäß F i g. 3 arbeitet das Dämpfungselement 17 vorzugsweise im glasartigen Übergangsbereich und bewirkt Hystereseverluste, die die Maxima 20 und 21 im wesentlichen unterdrücken Im Bereich des oberen Maximums 22 kann das Materia! des Dämpfungselementes 17 anfangen, den glasig har ten Bereich zu erreichen, so daß die Hystereseverluste wesentlich geringer werden, womit auch der Dämpfungseinfluß des Dämpfungselementes 17 im Bereich des Maximums 22 stark zurückgeht.The damping clamp 17 consists of a resilient one or flexible material, such as. B. rubber, both natural and synthetic Material can act. Such compliant materials or elastomers are frequency-dependent Shear modulus which changes directly with the frequency of the applied voltage, i.e. H. the shear modulus increases with increasing voltage frequency. With a static or only with a very low frequency The elastomeric material only works in the flexible area in which it is subject to tension Forces appear to be elastic. With increasing frequency of the dynamically acting tensions the shear modulus increases, with the elastomer passing through a glass-like transition area into one area passes over, in which it is like a glass-hard material, i. H appears metallic. At the lower frequencies in the region of the maxima 20 and 21 according to FIG. 3 works the damping element 17 preferably in the glass-like transition area and causes hysteresis losses that substantially suppress the maxima 20 and 21 In the area of the upper maximum 22, the Materia! of the damping element 17 begin, the glassy har th range, so that the hysteresis losses are significantly lower, which also affects the damping of the damping element 17 decreases sharply in the region of the maximum 22.

Um die Verringerung der Hystereseverluste zu korn pensicren, werden kleine Teilchen 46 eines verhältnis mäßig schweren Materials, wie z. B. Eisen oder Blei, im elastomeren Material während der Herstellung de< Dämpfungselementes 17 verteilt angebracht. Diese Teilchen 46 erhöhen das Gewicht des Dämpfungselcmentes 17 und bewirken eine Cpulomb'sche Dämpfung die auf einer inneren Reibung zwischen den Metallteil· chen und der sie umgebenden Flächen des elastomerer Materials beruht. Diese innere Reibung wird durc'i die unterschiedliche und relative Auslenkung der Teilcher unterschiedlichen Trägheitsmomentes verursacht. Die se Reibungsdämpfung nimmt mit der Anzahl der Teil chen sowie mit deren Größe zu. Es wurde festgestellt daß Bleipartikelchen mit einer durchschnittlichen Grö ße von 100 Maschen in einem Verhältnis von 1 :3 Ge wichtteilen mit Gummi gemischt eine Dämpfung bewir ken, mit der der gewünschte Frequenzgang gemäf. F i g. 3 erreichbar ist. In das Gemisch können auch klei ne Mengen eines Schmiermittels, z. B. in Form vor Graphit, eingefügt werden, wie dies aus der Darstellung gemäß F i g. 5 hervorgeht, in welcher die Graphitteil chen mit 47 bezeichnet sind. Durch diese Graphitteil chen wird die relative Bewegung zwischen den verhält nismäßig schweren Teilchen 46 und dem elastomerei Material begünstigt und damit die Dämpfungswirkunj erhöht.To pensicren the reduction in the hysteresis losses, small particles 46 of a ratio moderately heavy material, such as B. iron or lead, in the elastomeric material during manufacture de < Damping element 17 attached distributed. These particles 46 increase the weight of the damping element 17 and cause a Cpulombian damping which is based on an internal friction between the metal parts Chen and the surrounding surfaces of the elastomeric material is based. This internal friction is caused by the causes different and relative deflection of the particles with different moments of inertia. the se friction damping increases with the number of particles and their size. It was determined that lead particles with an average size of 100 meshes in a ratio of 1: 3 Ge weight parts mixed with rubber cause attenuation with which the desired frequency response according to. F i g. 3 is attainable. In the mixture can also small amounts of a lubricant such. B. in the form before Graphite, are inserted, as can be seen from the illustration according to FIG. 5 shows in which the graphite part are designated by 47. Through these graphite parts the relative movement between the behaves moderately heavy particles 46 and the elastomeric material and thus the damping effect elevated.

Die Wirkung der Verringerung der Hystereseverlu ste bei den hohen Frequenzen kann auch durch dii Auswahl eines elastomeren Materials mit einem glasiThe effect of reducing the hysteresis losses at the high frequencies can also be achieved by dii Choosing an elastomeric material with a glasi

pen Ubergangsbereich verringert oder eliminier! werden, bei dem der I IbcrgangsbeiTich oberhalb der höchsten l^;rec|iien/ ties Frequenzganges für ilen Wandler 10 liegt. Ks wurde festgestellt, da 1.1 Neopren einen verhält fiismäl.lig hohen glasigen Übergangsbereich hat und da- S her in vielen Rillen bei den hohen Freouen/en ausreichende Dämpfung bewirkt, so dall das Hin/ufügen der schweren Materialteilchcn 46 entfallen kann. Die Art des verwendeten Miitcriiils sowie der gewünschte I Ycquenzgang geben den Ausschlag ίυι den endgültigen Aufbau des Wandlers 10.pen transition area reduced or eliminated! be, in which the I IbcrgangsbeiTich above the highest l ^; rec | iien / ties frequency response for ilen converter 10 lies. It was found that 1.1 neoprene has a relatively high glassy transition area and therefore causes sufficient damping in many grooves at the high frees, so that the addition of the heavy material particles 46 can be omitted. The type of Miitcriiils used as well as the desired sequence response determine the final structure of the converter 10.

Das Dämpfungselcmcnt erhöht neben seiner Diimpfungswirkung auch die Masse des pie/oelekirischen Wandlerelementes 15 und begünstigt damit das Gewiehtsverhältnis zwischen dem W'andlcrelemenl 15 und der Membran 13. Dieses verbesserte Gewichtsverhält nis bewirkt eine engere Kopplung bei tieferen Frequenzen. Somit kann es für einige Anwendungsfälle wünschenswert sein, zur Massenvergröflerung des piezoelektrischen Treibers 15 relativ schwere Teilchen 46 zo dem Dämpfungselemcnt 47 beizumischen, obwohl das für das Dämpfungselcment 17 ausgewählte Material genügend Dämpfung bei hohen Frequenzen bewirkt.The damping element increases in addition to its damping effect also the mass of the pie / oelekirischen Converter element 15 and thus favors the weight ratio between the converter element 15 and the membrane 13. This improved weight ratio nis creates a closer coupling at lower frequencies. Thus it can be used for some use cases be desirable to increase the mass of the piezoelectric driver 15 relatively heavy particles 46 zo to mix the damping element 47, although the material selected for the damping element 17 causes sufficient damping at high frequencies.

Das Hinzufügen des Dänipfungselcmentes 17 zum piezoelektrischen Wandlerelement 15 erniedrigt die Cirundrcsonanzfrcqucnz dieses Kiemenies 15 und in einem geringeren Umfang auch der Membran 13. Aus K i g. 3 kann man entnehmen, daß der Übergang 51 in 'en flachen Teil der Resonanzkurve 50 etwas unterhalb des Maximums 21 für die Griindfrequenz liegt. Der Durchmesser und die Dicke des Diimpfungselementes 17 sollten derart abgestimmt sein, daß die Resonanzfrequenz des kombinierten piezoelektrischen Elementes 16 und des Dämpfungselementes 17 auf einen Punkt unterhalb der Grundrcsonanzfrequenz des piezoclckfrischen Elementes 16 (Maximum 21) erniedrigt wird, so daß die Kurve 50 bei den tieferen Frequenzen steil abfällt, wie in F i g. 3 dargestellt.The addition of the Dänipfungselcmentes 17 to the Piezoelectric transducer element 15 lowers the circular resonance frequency of this gill slot 15 and in to a lesser extent also the membrane 13. From K i g. 3 it can be seen that the transition 51 in A flat part of the resonance curve 50 is slightly below of the maximum 21 for the base frequency. Of the The diameter and the thickness of the damping element 17 should be matched so that the resonance frequency of the combined piezoelectric element 16 and the damping element 17 to one point below the basic resonance frequency of the piezoelectric freshener Element 16 (maximum 21) is decreased, so that the curve 50 is steep at the lower frequencies drops as shown in FIG. 3 shown.

Wenn die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes zu hoch liegt, bewirkt er eine Überhöhung des Maximums 21 und ein zu hohes Ausgangssignal. bei den niederen Frequenzen, wobei sich die Rcsonan/.kurvc nicht weit genug in den Bereich der niederen Frequenzen erstreckt. Wenn die Resonanzfrequenz des Wandlerelementes 15 zu stark abgesenkt wird, wird die Kurve 50 bei den unteren Frequenzen zu flach und steigt mit einem zu geringen Winkel an. Somit läßt sich durch sorgfältiges Auswählen des Durchmessers, der Dicke und der Masse des Dämpfungselementes 17 der gewünschte flache Verlauf der Frequenzkurve für den Wandler 10 einstellen und etwas in den Bereich der niederen Frequenzen erstrecken. Durch die sorgfältigi Auswahl tier Art und der Dicke des Materials sowie dei Anzahl der Teilchen 46 kann die Dämpfung beeinfluß werden, um eine im wesentlichen im gewünschten Ire quenzbnnd flach verlaufende Resonanzkurve einzustellen. Das Dämpfungselement 17 kann auch eine Ring form aufweisen, wobei die Dämpfung tier hohen Frequenzen durch die Auswahl der Größe des innerer Durchmessers eingestellt werden kann, da die Dämp fiing der hohen Frequenzen hauptsächlich im Zentrun des piezoelektrischen Wandlerelementes 15 erfolgt.If the resonance frequency of the transducer element is too high, it causes an increase in the maximum 21 and an output signal that is too high. with the lower ones Frequencies, whereby the Rcsonan / .kurvc not extends far enough into the lower frequency range. When the resonance frequency of the transducer element 15 is lowered too much, curve 50 becomes too flat at the lower frequencies and increases with it too small an angle. Thus, by carefully selecting the diameter, the thickness and the mass of the damping element 17, the desired flat course of the frequency curve for the Adjust converter 10 and extend it slightly into the lower frequency range. Through the carefuli Selection of tier type and thickness of the material as well as dei Number of particles 46, the attenuation can be influenced to a substantially desired Ire to set a low-frequency, flat resonance curve. The damping element 17 can also be a ring form, with the attenuation tier high frequencies can be set by selecting the size of the inner diameter, since the damping fiing the high frequencies mainly in the center of the piezoelectric transducer element 15 takes place.

Auch der Hohlraum 12 ties Gehäuses It weist eine Resonanzfrequenz auf. welche in ein/einen Fällen in Bereich ties gewünschten Frequenzganges des Wand lers 10 liegt. Bei dieser Resonanzfrequenz des Hohlraumes besteht eine Tendenz, von dem Wandler abgegebene Ausgangsencrgic zu absorbieren, so daß sich eine nicht dargestellte Einkerbung in tier Knive 50 des F-Yequenzganges gemäß I·' i g. 3 ergeben kann. Um dieser Verlust der Ausgangsleistung und die dadurch beding ten Störungen zu unterdrücken, wird ein akustische Energie absorbierendes Material in dem Hohlraum 12 zwischen dem Gehäuse II und der Membran 13 angeordnet, wobei dieses Material bei der vorliegender Ausführimgsform als ringförmiger Teil 55 aus Schaumgummi besteht. Durch diesen dämpfenden Teil 55 wird die Hohlraumrcsonanz verändert, d. h. die Güte ζ) de? Hohlraumes 12 erniedrigt, womit im wesentlichen die Absorbtion der Ausgangsenergie und damit die Einkerbung der Übertragungskurve 50 eliminiert wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dieses Dämpfungsma tcrial nur dann Verwendung findet, wenn tlie Flohlraumresonanz im Bereich des gewünschten Übertragungsfrequenzbandes liegt, wobei es auch möglich sein kann, auf dieses akustische Energie absorbierende Material zu verzichten, da dieselbe Wirkung durch eine spezielle Formgebung des akustischen Wandlers erreicht wird.The cavity 12 ties the housing It also has a Resonance frequency. which in one case in The range of the desired frequency response of the transducer 10 lies. At this resonance frequency of the cavity there is a tendency to absorb output energy from the transducer so that a Notch, not shown, in tier knife 50 of the F-sequence path according to I · 'i g. 3 can result. To this loss of output power and the resulting To suppress the noise, an acoustic energy absorbing material is placed in the cavity 12 arranged between the housing II and the membrane 13, this material in the present embodiment as an annular part 55 made of foam rubber consists. The cavity resonance is changed by this damping part 55, i. H. the goodness ζ) de? Cavity 12 is lowered, so that essentially the absorption of the output energy and thus the notch the transfer curve 50 is eliminated. It should be noted, however, that this damping measure tcrial is only used when tlie flea cavity resonance is in the range of the desired transmission frequency band, although it may also be possible can dispense with this acoustic energy absorbing material, since the same effect through a special shape of the acoustic transducer is achieved.

Somit ergibt sich durch die Maßnahmen der Erfindung ein piezoelektrischer Wandler, dessen Übertragungsfrequenzgang in dem interessierenden Übertragungsfrequenzbereich im wesentlichen flach verläuft. Dabei ist es gleichgültig, ob der Wandler mit einem mechanischen Signal erregt wird und elektrische Energie abgibt oder umgekehrt. Durch die Verwendung geeigneter Dämpfungselemente ist es möglich, den Übertragungsfrequenzgang in geeigneter Weise zu gestalten, so daß man neben einer flachen Kurve für den Frequenzgang eine bessere Kopplung bei niederen Frequenzen und damit ein besseres piezoelektrisches Wandlerelement erhält.Thus, the measures of the invention result a piezoelectric transducer whose transmission frequency response runs essentially flat in the transmission frequency range of interest. It does not matter whether the converter is excited with a mechanical signal and electrical energy gives up or vice versa. By using suitable damping elements, it is possible to reduce the transmission frequency response Design in a suitable way so that you get next to a flat curve for the frequency response a better coupling at lower frequencies and thus a better piezoelectric Receives transducer element.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (12)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Elektroakustischer Wandler mit einem im weseniüchen flachen piezoelektrischen, als planarer Biegeschwinger ausgebildeten Element, das auf seinen llauptflachen mit Elektroden versehen ist, und mit einer konisch geformten Membran, die /enirisch an diesem Schwinger befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran einen p>ramidenstumpfförmigen Scheitel mit im wesentlichen kreisförmiger Fläche aufweist, deren Durchmesser kleiner als der gegenseitige Abstand der durch die Form des Biegeschwingers bedingten Knotenlinien des ersten Obertones ist. und daß die Schnittfläche der Membran /entrisch innerhalb dieser Knotenlinien mit dem piezoelektrischen Element verbunden ist.1. Electroacoustic converter with an essentially flat piezoelectric element designed as a planar flexural oscillator, which is attached to its The main surface is provided with electrodes, and with a conical shaped membrane that is / is firmly attached to this transducer, thereby characterized in that the membrane has a truncated p> ramidal shape Has vertex with a substantially circular area, the diameter of which is smaller than the mutual distance of the is the nodal lines of the first overtone due to the shape of the flexural oscillator. and that the Intersection of the membrane / entrisch within these nodal lines with the piezoelectric element connected is. 2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element im wescnt'uhen als flache Scheibe ausgeführt ist. und daß die Knotenlinien des ersten Oberlones einen konzentrisch zum p>ramidenstumpfförmigen Scheitel der Membran verlaufenden kreisförmigen Bereich begrenzen.2. Electroacoustic transducer according to claim I. characterized in that the piezoelectric element essentially takes the form of a flat disk is. and that the nodal lines of the first upper line are concentric to the truncated paramid The apex of the membrane delimits the circular area. 3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch I. dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element aus zwei piezoelektrischen Materialscheiben besteht, die parallel zueinander verlaufen und sowohl auf den freiliegenden Oberflachen als auch zwischen den aufeir.„n<lerliegenden Flächen Elektroden aufweisen.3. Electroacoustic transducer according to claim I. characterized in that the piezoelectric Element consists of two piezoelectric material discs that run parallel to each other and Both on the exposed surfaces and between the exposed surfaces, electrodes exhibit. 4. Elektroakustischer Wandler n.ict, Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß mti d:-m iezoelektrisehen Element auf der der Membran gegenüberliegenden Seite ein Dämpfungselemcnt verbunden ist.4. Electroacoustic transducer n.ict, claim 1, characterized in that mti d: -m iezoelectric element on the side opposite the membrane, a damping element is connected. 5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement sowohl bezüglich seiner Flächengröße als auch seiner Dicke derart abgestimmt ist. daß es beim Zusammenwirken mit dem piezoelektrischen Element die Resonanzfrequenz der Grundschwingung erniedert und die Resonanzüberhöhung dampft.5. Electroacoustic transducer according to claim 4, characterized in that the damping element is matched both in terms of its area size and its thickness. that it when interacting with the piezoelectric element, the resonance frequency of the fundamental oscillation lowered and the excess resonance steams. 6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement zumindest teilweise aus Gummi besteht.6. Electroacoustic transducer according to claim 4, characterized in that the damping element at least partially made of rubber. 7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch b. dadurch gekennzeichnet, daß der Gummi einen glasigen Übergangsbereich aufweist, der die Frequenz des ersten Obertons in ctVra einschließt.7. Electroacoustic transducer according to claim b. characterized in that the rubber has a glassy Has transition range that includes the frequency of the first overtone in ctVra. 8. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß der Gummi Neopren enthalt.8. Electroacoustic transducer according to claim 6, characterized in that the rubber is neoprene contains. 9. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Material des Dämpfungselcmentcs Teile eines verhältnismäßig schweren Materials vermischt sind, um eine Rei bungsdiimpfung bei hohen Dclncb.sfrcqucn/cn /u bewirken.9. Electroacoustic transducer according to claim 6, characterized in that with the material of the Damping elements parts of a relatively heavy material are mixed to form a Rei Vaccination at high Dclncb.sfrcqucn / cn / u cause. 10. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile aus einem verhältnismäßig schweren Material, vorzugsweise Blei, mit einer Größe von näherungsweise 100 Maschen bestehen, wobei etwa ein Gcwichtantcil Gummi auf drei Gewichtsanteile Blei kommt.10. Electroacoustic transducer according to claim 9, characterized in that the parts are made of a relatively heavy material, preferably Lead, approximately 100 mesh in size, with about one weight percent Rubber comes to three parts by weight of lead. 11. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 9. dadurch eekennzeichnet. daß das Material des11. Electroacoustic transducer according to claim 9. characterized by this. that the material of the Dämpfungselementes Teilchen eines trockenen Schmiermittels umfaßt, welches mit den verhältnismäßig schweren Miiterialteilchen vermischt ist. um die relative Beweglichkeit zwischen den schweren Materialteilchen und dem Gummi bei hohen Frequenzen zu vergrößern.Damping element comprises particles of dry lubricant which is mixed with the relatively heavy material particles. around the relative mobility between the heavy material particles and the rubber at high frequencies to enlarge. 12. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement über die äußeren Kanten des piezoelektrischen Elementes ragt, um dieses bei den nieder-n Betriebsfrequenzen weiter zu dämpfen.12. Electroacoustic transducer according to claim 4, characterized in that the damping element over the outer edges of the piezoelectric Element protrudes in order to further attenuate this at the low-n operating frequencies. IJ. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vereinigte Masse des piezoelektrischen Elementes und des Dämpfuiüiselementes im wesentlichen größer als die Masse der Membran ist.IJ. Electroacoustic transducer according to claim 4, characterized in that the combined mass of the piezoelectric element and the damping element is substantially greater than the mass of the membrane.