DE2328999B2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler, wie er dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist

Bei der Nachrichtenübertragung gewinnt das PCM-Verfahren immer mehr an Interesse, weil sich PCM-Signale besser verarbeiten lassen und weniger störanfällig sind als die nach anderen üblichen Verfahren modulierten Signale. Außerdem wird durch Anwenden von PCM-Verfahren die Integration von Daten-, Sprach- und Bildübertragung vereinfacht Will man in der Fernsprechtechnik die PCM-Obertragung über das ganze System, also bis in die einzelnen Teilnehmerstellen, ausdehnen, so muß jeder Teilnehmerapparat außer den elektroakustischen Wandlern, nämlich jeweils Mikrofon und Hörkapsel, auch einen Analog-Digital-Umsetzer sowie einen Digital-Analog-Umsetzer enthalten, welche die für das System benötigten PCM-Signale abgeben bzw. annehmen können.

Derartige Umsetzer verteuern jedoch die Teilnehmerapparate, so daß demzufolge der Bedarf nach Aufwandsverringerung besteht, um eine direkte Einbeziehung von Teilnehmerapparaten in PCM-Systeme zu fördern. In den Schweizer Pak n+en 4 31 622 und 4 66376 sind bereits Einrichtungen zur direkten Umwandlung von Schallwellen oder Drücken in digitale Signale beschrieben. Diese Einrichtungen sind aber nur für den Sendeteil, d. h. für die Analog-Digital-Umsetzung geeignet Auch benötigen sie z.T. noch eigene Lichtquellen oder besondere Codiermatrizen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektroakustischen Wandler anzugeben, der die Funktionen der Decodierung, d. h. der

so Digital-Analog-Umsetzung und die Umwandlung elektrischer in akustische Signale in einer einzigen Baueinheit miteinander vereinigt, und zwar bei geringstem Aufwand, um so eine Herstellung in großen Stückzahlen zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

In der US-PS 31 53 229 ist zwar ein Digital wandler beschrieben, der ein Digitalsignal in andere physikalisehe Größen umsetzt, und zwar speziell ein Fehlersignal, das einen Digitalwandler erregt, um in einer Regelschleife ein System wieder in den Soll-Zustand zurückzuführen. Auch hier werden Digitalsignale den auf einem Longitudinalschwinger angebrachten Elektroden zugeführt, deren Abmessungen von Stellengewicht der Digitalsignale abhängig sind. Eine Anwendung einer derartigen Anwendung als elektroakustischer Wandler ist jedoch nicht ohne weiteres möglich,

da, abgesehen von der Aufhängung des Longitudinalschwingen), auch die Übertragung der Schwingungen auf ein schallabgebendes Bauelement neben zusätzlichem Aufwand auch noch einige andere Probleme mit sich bringen dürfte,

Der erfmdungsgemäß ausgebildete, elektroakustische Wandler läßt sich also in ziemlich einfacher Ausführung herstellen, so daß in vorteilhafter Weise auch die Verwendung in einer Hörkapsel eines Mikrotelefons ermöglicht wiiul Dank der geringen Abmessungen einer einen elektroakustischen Wandler gemäß der Erfindung darstellenden Baueinheit ergeben sich für eine so ersteUte Hörkapsel keine wesentlich größeren Abmessungen als fOr Hörkapseln üblicher Bauart

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß elektroakustische Wandler gemäß der Erfindung nicht nur relativ einfach im Aufbau, sondern darüber hinaus auch leicttierajstätteitsjnd.

Weitleref Vorteile der Erfindung lassen sich den Unteransprachen entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der unten aufgeführten Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers mit einem piezoelektrischen Biegestreifen,

F i g. 2 ein Diagramm zur Berechnung der durch eine einzelne Elektrode hervorgerufenen Auslenkung in einem Wandler gemäß F i g. 1,

Fig. 3 die Draufsicht einer piezoelektrischen Biegeplatte mit matrixförmiger Anordnung der Elektroden,

Fig.4 die Seitenansicht einer piezoelektrischen Biegeplatte mit zwei Elektrodensätzen für Codesignale mit Vorzeichen,

Fig.5 die Draufsicht einer kreisförmigen piezoelektrischen Biegeplatte mit einem Satz ringförmiger Elektroden,

Fig.6 die Schnittansicht einer Hörkapsel mit piezoelektrischem Decodierer-Wandler sowie eines zugehörigen Deckels mit akustischen Filtereigenschaften,

Fig. 7 das Prinzip eines erfindungsgemäßen elektrostatischen Wandlers.

In F i g. 1 ist ein piezoelektrischer Wandler schematisch dargestellt, der von codierten elektrischen Signalen gesteuert wird und diese direkt in Schallwellen umsetzt Ber wesentliche Bestandteil dieses Wandlers ist ein piezoelektrischer Biegestreifen, der an einem Ende fest eingespannt ist und dessen frei bewegliches anderes Ende über eine dünne Stange mit einer Membran verbunden ist Der piezoelektrische Biegestreifen besteht aus zwei Schichten keramischen Materials, von denen mindestens die obere piezoelektrische Eigenschaften hat; zwischen den beiden Schichten befindet sich ein Metallstreifen als Gegenelektrode.

Auf der Oberseite des Biegestreifens sind als Anregungselektroden sechs rechteckförmige Bitelektroden unterschiedlicher Fläche in einer Reihe nebeneinander aufgebracht Jede dieser Bitelektroden ist mit einer eigenen elektrischen Zuleitung versehen.

Wird zwischen einer der Bitelektroden und der gemeinsamen Gegenelektrode eine bestimmte Spannung angelegt, so wird das Ende des Biegestreifens und damit die Membran um einen bestimmten Betrag ausgelenkt Die Elektroden sind so bemessen und auf dem Biegestreifen so verteilt, daß sich die Auslenkungen, die von den Bitelektroden bei gleichen Erregersignalen hervorgerufen wc /den, zueinander verhalten wie die Stellengewichte in einem Binärcode, also 1 ;2;4;8;16;32, Dip am weitesten rechte liegende Bitelektrode 6 bewirkt die geringste Auslenkung (ein= Einheit), die am weitesten links bei der Einspannung s liegende Bitelektrode 1 bewirkt die größte Auslenkung (32 Einheiten). Werden mehrere Bitelektroden gleichzeitig erregt, so summieren sirh die Auslenkungen, Werden die Bitelektroden-von den Bitsignalen eines 6-Bit-Codes direkt (oder 3ber sechs Schalter, die an einer gemeinsamen Spannungs- oder Stromquelle liegen) angesteuert, so erreicht man also eine Decodierung oder Digital-Analog-Umsetzung. Gleichzeitig geschieht eine Umwandlung in eine mechanische Bewegung und damit die Erzeugung eines entsprechenden Schalldruckes. Der Decodierer und der elektroakustische Wandler sind also in einer Einheit integriert

Der reine Binärcode wurde hier nur als Beispiel gewählt Bei entsprechender Dimensionierung der Elektroden können auch lineare Codes mit beliebigen anderen Stellengewichten verwendet werden.

Statt der keramischen piezoete aischen Streifen können einkristalline Streifen verwendet werden. Hiermit lassen sich wegen der Homogenität des Materials noch bessere Ergebnisse, d.h. eine größere Genauigkeit und eine größere Empfindlichkeit, erzielen; jedoch muß der Kristall vor Feuchtigkeit geschützt werden und ist temperaturabhängiger.

Der Berechnung der Auslenkung, die bei einem langen, schmalen piezoelektrischen Biegestreifen gemaß F i g. 1 von einer einzelnen BiteleLtrode hervorgerufen wird, ist im folgenden Abschnitt anhand von F i g. 2 kurz beschrieben.

Die betrachtete Elektrode E erstreckt sich von der Stelle X\ bis zur Stelle Xi. Für kleine Auslenkungswinkel ist der Winkel αφ über dem Element dx proportional dx. Bei Vernachlässigung de? Rückstellkraft der Membran gelten folgende Beziehungen:

dx

worin d\ die Auslenkung an der Stelle x-a ist.

Die Gleichungen (1) bis (3) gelten für Frequenzen, die unterhalb der niedrigsten Resonanzfrequenz des Biegestreifrrrf liegen. Wenn eine Kraft von der Membran auf den Biegestreifen wirkt, ändern sich zwar die Absolutwerte der Auslenkyngen für die verschiedenen Elektroden, nicht aber ihre Verhältnisse zueinander.

Bei einem Biegestreifen mit z. B. sieben nebeneinanderliegenden Bitelektroden, deren jede sich quer über den ganzen Biegestreifen erstreckt, ergibt sich ein Breitenverhältnis von ca. 5 :1 zwischen der breitesten und der schmälsten Elektrode.

Für einen breiten Biegestreifen ergibt sich eine Biegungsauslenkung sowohl über die Länge als auch über die Breite des Streifens. Für diesen Fall sind die Berechnungen komplizierter, können aber mit Hilfe einer Rechenanlage numerisch durchgeführt werden. Selbstverständlich können die für einen bestimmten

Code benötigten Abmessungen der Elektroden auch experimentell bestimmt werden.

Eine relativ breite und kurze piezoelektrische Biegeplatte für einen elektroakustischen Decodierer-Wandler ist in Fig.3 in einer Draufsicht schematisch gezeigt Vier Elektroden Γ bis 4' sind paarweise neben- bzw. hintereinander angeordnet Auch hier wird die Membran an das freie, der Einspannstelle entgegengesetzte Ende der Biegeplatte angekoppelt. Die größte Elektrode Γ bewirkt die größte Auslenkung (8 'Einheiten) und wird vom höchstwertigen Codebit angesteuert; die kleinste Elektrode 4' bewirkt die kleinste Auslenkung (1 Einheit) und wird vom niederwertigsten Codebit angesteuert. Mit einer solchen Anordnung wurden gute Ergebniss'e erzielt. Selbstverständlich kann eine breite Biegeplatte mit einer größeren Anzahl von Bitelektroden belegt werden, um auch Codewörter mit sechs oder acht Bitstellen decodieren zu können.

Breite piezoelektrische Biegeplatten wie die in F i g. 3 gezeigte haben den Vorteil, daß schon mit relativ geringen Elektrodenspannungen ausreichend -große Membranantriebskräfte erzeugt werden können. Außerdem erfüllen sie wegen ihrer geringen Länge am ehesten die Bedingung, daß die Resonanzfrequenz der Biegeplatte oberhalb des zu übertragenden Tonfrequenzbereiches liegen sollte.

Eine Variation der Elektrodenanordnung für einen piezoelektrischen Biegestreifen, die für bipolare Signale, also für Codewörter mit Vorseichen, geeignet ist, zeigt F i g. 4. Der Biegestreifen besteht aus zwei entgegengesetzt polarisierten, keramischen oder kristallinen piezoelektrischen Schichten mit einer dazwischenliegenden gemeinsamen Elektrode. Auf beiden Seiten des Biegestreifens sind zwei gleiche Sätze von Bitelektroden angebracht; für jeden der beiden Sätze gilt das gleiche wie für die Bitelektroclen des in F i g. 1 gezeigten Wandlers. Der Biegestreifen kann nun nach beiden Seiten ausgelenkt werden, je nachdem, ob Erregersignale an die oberen Bitelektroden la bis 6a oder an die unteren Bitelektroden \bbis ftbangelegt werden. Durch das Vorzeichenbit jedes Codewortes wird jeweils bestimmt (mittels einer Umschaltvorrichtung), auf welcher Seite die Elektroden durch die übrigen Bits des Codewortes, welche den Absolutbetrag codiert darstellen, erregt werden sollen. Bei dieser Anordnung ergibt sich auch ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis für kleine Signale, weil sich bei kleinen Amplituden sich nur das Vorzeichen und die niederwertigsten Bits ändern. Bei einer nur einseitigen Elektrodenanordnung (wie in Fig. 1) muß man für bipolare Signale den Nullwert in die Mitte des Bereiches legen, so daß für kleine Signale alle Bits betroffen sind.

Eine weitere mögliche Ausführungsfonn für den piezoelektrischen Teil eines erfindungsgemäßen Decodier-Wandlers ist in Draufsicht schematisch in F i g. 5 gezeigt Als Basis dient hier eine kreisrunde Platte Paus piezoelektrischem MateriaL Die Platte ist aus zwei Schichten mit einer dazwischenliegenden gemeinsamen Elektrode aufgebaut (ähnlich wie die weiter oben beschriebenen Biegestreifen). Die Bitelektroden lc, 2c, 3c usw. auf einer der beiden Oberflächen der kreisförmigen Platte haben die Form konzentrischer Ringe, wobei die mittlere Bitelektrode (6c) auch als Kreisscheibe ausgebildet ist

Die kreisrunde Platte mit den Elektroden wird an der ^sarrten Peripherie eingespannt und hat den besonderen Vorteil, daß sie direkt als Membran wirkt Es wird also bei dieser Ausführungsform ein weiteres Element eingespart. Der elektroakustische Wandler mitsamt dem Decodierer besteht hier nur noch aus einer einzigen Platte mit einigen elektrischen Anschlüssen.
F i g. 6 zeigt im Schnitt eine Hörkapsel 10 mit einem piezoelektrischen Decodierer-Wandler gemäß Fig.5, sowie einen dazupassenden Kunststoffdeckel 20 für ein Mikrotelefon. Die Hörkapsel besteht aus einem Gehäuse 11 mit einer Kappe 12, zwischen denen die

ίο piezoelektrische keramische Kreisplatte 13 eingespannt ist Die Zuleitungen 14 der einzelnen Bitelektroden führen zu einer Anschlußplatte 15, mit welcher auch ein äußeres Zuleitungskabel 16 verbunden ist. Die gemeinsame Elektrode hat direkten Kontakt mit dem Gehäuse

π U, welches seinerseits mit einem Massekontakt des Mikrotelefons in Berührung kommt. Die Kappe 12 der Hörkapsel hat öffnungen 15 und 16, durch welche die von der piezoelektrischen Membran erzeugten Schallwellen nach außen dringen können

Der Kunststoffdeckel 20 hat ein Gewinde 21, mit dem er am Mikrotelefon-Gehäuse befestigt wird, sowie eine ringförmige Schulter 22, die auf der Hörkapsel 10 aufliegt und diese in ihrer Position festhält Des weiteren weist der Kunststoffdeckel rotationssymmetrische Strukturelemente 23 und 24 auf, in denen sich die Durchtrittsöffnungen 25 und 26 für den Schallfluß befinden.

Die Stnkturelemente bilden erstens eine Kammer 27, durch die der Frequenzgang des abgegebenen Schalles

jo beeinflußt werden kann. Das Strukturelement 23 bildet außerdem mit der Außenwand des Kunststoffdeckels und mit der Kappe der Hörkapsel einen ringförmigen Hohlraum 28 mit einer schmalen ringförmigen Öffnung 29, die zusammen einen Helmholtzresonator darstellen.

Eine solche, als akustisches Filter wirkende Gehäuseanordnung ist im Schweizer Patent (Docket SZ 9-71-007) beschrieben.

Mit den Resonator-Hohlräumen 27 und 28 kann man eine Filterung akustisch durchführen, die insbesondere bei PCM-Übertragung notwendig ist und für die man ansonsten elektrische Filter in jeden Telefonapparat einbauen müßte.

Die in F i g. 6 gezeigte akustische Filterung ist für die erfindungsgemäße Kombination von Decodierer und elektroakustischer Wandler sogar notwendig, weil ja eben wegen der Zusammenfassung keine Möglichkeit zur elektrischen Filterung nach der Decodierung mehr besteht

Durch Fig.6 wird die erreichte Vereinfachung

besonders deutlich: Decodierung, Filterung und Umsetzung der elektrischen Signale in Schallfluß sind in ^Jer Hörkapsel und ihrem Kunststoffdeckel zusammengefaßt Separate Decodierschaltung und elektrisches Analogfilter sind nicht mehr notwendig.

Die erfindungegemäße Kombination der Decodierung mit der elektrischen Umwandlung läßt sich auch mit dem elektrostatischen Wandlerprinzip verwirklichen. Eine mögliche Ausführungsfonn ist in Fig.7 schematisch dargestellt An einem Gehäuse ist eine metallische Membran elastisch befestigt In geringem Abstand von der Membran sind Bitelektroden in Form konzentrischer Ringe (ähnlich wie in F i g. 5 dargestellt) angebracht Jede Bitelektrode bewirkt, wenn sie erregt wird, durch elektrostatische Kräfte eine Auslenkung der Membran, die dem Stellenwert des betreffenden Codebits entspricht Auch hier addieren sich die Beiträge der einzelnen Bitelektroden, so daß bei geeigneter Dimensionierung der Bitelektroden eine

direkte Decodierung und gleichzeitige Schailfiußerzeugung stattfindet.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist mit dem elektromagnetischen Prinzip möglich. Die Wicklung des Elektromagneten, welcher in einem elektroakustischer! Wandler bei Erregung die Membran in Bewegung versetzt, wird hierbei in mehrere Wicklungen vierteilt. Die Anzahl Windungen wird für jede einzelne Wicklung so bemessen, daß bei Erregung durch

ein zugeordnetes Codebitsignal die bewirkte Membranauslenkung proportional dem Stellengewicht des entsprechenden Codebits ist. Da sich auch bei diesem elektromagnetischen Wandler die Anteile der einzelnen, separat durch die Codebits angesteuerten Wicklungen summieren, wird der Erfindung entsprechend eine integrierte Decodierung und Umsetzung der elektrischen Signale in Schallfluß erreicht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Elektroakustischer Wandler mit durch Digitalsjgnaje erregbarem Schwinger, dem in seiner Erstreckung bintereinapderiiegende, pit zunehmender Entfernung γοη einer durch seine Geometrie vorgegebenen Bezugsgröße in Abhängigkeit vom jeweils umzuwandelnden Digitalwert kleiner werdende, als Anregungselemente dienende Beläge, deren Wirkungen sich an einem schallerzeugenden Bauelement überlagern, zur entsprechenden Bereitstellung eines dem jeweiligen Digitalwert proportionalen Feldwertes, zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger als Biegeschwinger (B) ausgebildet ist, dessen Bezugsgröße durch den Ort der Biegeschwinger-Einspannung definiert ist, wobei die einzelnen Beläge (1 bis 6) so bemessen sind, daß die bei deren Erregung durch gleiche Signale erfolgenden Auslenkungen des schallerzpLgenden Bauelementes (M) proportional den Sieilengewichieü eines Digitalcodes sind.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Biegeschwinger (B)Mt genieinsamer Elektrode (G)und mehreren als Beiigen dienenden separaten Anregungselektroden (1 bis 6).

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselektroden (1 bis 6) auf wenigstens einer der Oberflächen eines einseitig eingespannten piezoelektrischen Biegestreifeev (B) linear nebeneinander angeordnet sind, während die gemeinsame Elektrode (G) innerhalb des Biegestreifens (fliegt

4. Elektroakustischer Wandler -nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Sätze von Anregungselektroden (la bis 6a, 1Λ bis 6b) auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des piezoelektrischen Biegeschwingers angebracht sind, wobei die gemeinsame Elektrode (G) in der Mitte des Biegestreifens (Fig.4) zwischen den beiden Sätzen der Anregungselektroden (la bis 6a, Ib bis 6b) eingelagert ist

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Anregungselektroden (V bis 4') rechteckförmig sind und daß sie in zweidimensionaler Anordnung auf mindestens einer der Oberflächen einer einseitig eingespannten piezoelektrischen Biegeplatte angeordnet sind (F i g. 3).

6. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine an ihrem Umfang eingespannte, kreisförmige mit gemeinsamer Elektrode versehene piezoelektrische Biegeplatte (P), die einen Satz von als konzentrische Ringe ausgebildeten Anregungselektroden (lcbis 6c) trägt (F i g. 5).

7. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelektrische Platte (P) selbst als schallerzeugendes Bauelement ausgebildet ist

8. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Ausbildung als elektrostatischer Wandler, dessen gemeinsame Elektrode als Biegeschwinger gleichzeitig die an ihrem Umfang elastisch aufgehängte Membran bildet und der die als Ringelektroden in einer Ebene ausgebildeten Anregungselektroden gegenüberliegen (F i g. 7).

9. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1,

gekennzeichnet durch einen elektromagnetischen Wandler mit mehreren als Anregungselemente dienenden, auf eine Membran als Bjegeschwinger jeweils eine, entsprechende Kraft ausübenden Erregerwicklungen,

10, Elektroakustischer Wandler nach den. Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungselemente durch elektrische Binärsignale erregbar sind, deren jedes einer bestimmten Stelle eines Binärcodes mit linear addierbaren Stellengewichten zugeordnet ist