DE2831411C2 - Elektroakustischer Wandler mit mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran - Google Patents

Elektroakustischer Wandler mit mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran

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DE2831411C2 DE2831411A DE2831411A DE2831411C2 DE 2831411 C2 DE2831411 C2 DE 2831411C2 DE 2831411 A DE2831411 A DE 2831411A DE 2831411 A DE2831411 A DE 2831411A DE 2831411 C2 DE2831411 C2 DE 2831411C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten mit einer piezoelektrischen Schicht versehenen Wandlermembran, durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum und einen Membranrückraum aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Fassung, wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind. Ein solcher Wandler ist bekannt (DE-OS 22 56 792).
Zur Erhöhung der Verständlichkeit der Sprache und zum Ausgleich des frequenzabhängigen Verlaufs der Kabeldämpfung ist es erforderlich, daß die Empfindlichkeit eines Fernsprechmikrofons im Bereich von 200 Hz bis ca. 2500 Hz mit wachsender Frequenz stetig ansteigt. Wünschenswert sind ca. 2,5 dB/Oktave.
Im Bereich von 2500 Hz bis 3500 Hz dagegen soll die Empfindlichkeit nicht weiter ansteigen, da sonst bei diesen Frequenzen Rückkopplungen zwischen Sprech- und Hörkapsel im Handapparat eines Fernsprechers möglich sind.
Weiterhin soll die Frequenzkurve oberhalb von 3500 Hz steil abfallen, um bei der trägerfrequenten Nachrichtenübertragung über Fernleitungen (Kanalbreite 4 kHz) eine Störbeeinflussung benachbarter Kanäle zu vermeiden. Außerdem soll bei zukünftigen PCM-Übertragungen (halbe Abtastfrequenz) das durch die Faltung hervorgerufene Störgeräusch im Sprachsignal unterdrückt werden.
Bei den bekannten Fernsprechwandlern legt man, um hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die Grundschwingung eines mit relativ großer Masse mo behafteten Schwingsystems (Schwinganker, Kunststoffmembran mit Spule, Biegeplatte) in die Mitte des Fernsprechübertragungsbereiches auf ca. 1 kHz. Die Resonanzüberhöhung dieser Grundschwingung kompensiert'man durch einen an das Rückvolumen angekoppelten Helmholtzresonator (Frequenz, Band 16/1962, Seite 208 bis 215).
Zur Verbreiterung des Übertragungsbereichs bis ca.
3,5 kHz nützt man Zusatzresonatoren und Oberschwingungen (DE-PS 19 61 217), insbesondere die durch einen Knotenkreis gekennzeichnete vierte Teilschwingvng aus.
Da die Zusatzresonatoren und Oberschwingungen zum Teil sehr störende Resonanzüberhöhungen aufweisen, sind Maßnahmen bekannt, die störenden Einflüsse durch spezielle Lagerung der Membran (DE-PS 19 61 217, DE-AS 12 88 146) bzw. durch Ausgestaltung der Membran selbst zu unterbinden.
Weiterhin sind Versuche unternommen worden, die Resonanzüberhöhungen im Strömungsweg des Schalles zu reduzieren. So ist es bekannt, Seidengaze hinter den Einsprachelöchern der Fassung einer Mikrofonkapsel anzuordnen oder einen porösen Schaumstoff hinter die Einsprachelöcher zu legen (DE-AS 10 76 182) und mit einer ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Trennplatte festzuhalten, wobei die Schalldurchlaßöffnungen von Fassung und Trennplatte gegeneinander versetzt sein können, wie dies auch anderweitig bekannt ist
Die vorgenannten Ausführungen haben jedoch folgende Nachteile: Der Dämpfungsstoff direkt hinter den Einsprachelöchern kann bei Besprechen der Kapsel beschmutz*, werden. Dadurch verändert sich im Laufe der Zeit der Dämpfungswiderstand und damit der Frequenzgang und die Empfindlichkeit des Mikrofons. Weiterhin ist ein Reinigen der Mikrofonkapsel bei einem eventuellen Austausch des Fernsprechers kaum möglich. Außerdem ist im Falle der Seidengaze das Kleben der Seide an die Innenseite der Fassung relativ aufwendig. Schließlich reichen die bekannten Dämpfungseinrichtungen hinter der Fassung meistens nicht aus, um Resonanzüberhöhungen oberhalb von 2000 Hz genügend zu dämpfen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit akustischen Mitteln eine Anordnung zur Korrektur des Frequenzverlaufs anzugeben, durch die Resonanzüberhöhungen oberhalb von 3500 Hz nahezu völlig unterdrückt werden und die es gestatten, in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzbereich einen annä-
hemd stetigen Übertragungsfaktor zu erzielen, der auch bei längerer Betriebszeit durch äußere Einflüsse, insbesondere beim Besprechen der Kapsel, nicht wesentlich beeinflußt wird.
Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung
so dadurch gelöst, daß im Membranvorraum zwischen Membran und Fassung eine Trennplatte angeordnet ist, die ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen versehen ist, wobei die Schalldurchlaßöffnungen der Fassung gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte versetzt angeordnet sind, und daß zwischen Trennplatte und Fassung eine an einem zylinderförmigen Ansatz der Fassung lagernde mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe derart angeordnet ist, daß sie lediglich die Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte überdeckt, während sie die Schalldurchlaßöffnungen der Fassung frei läßt.
Damit wird eine ausreichende Dämpfung, insbesondere bei höheren Frequenzen, erzielt. Durch die versetzte Anordnung der Schalldurchlaßöffnungen von Fassung und Trennplatte wird ein Verschmutzen beim Besprechen des Mikrofons weitestgehend vermieden. Durch Variation der dämpfende Eigenschaften aufweisenden Mittel kann das somit gebildete Tiefpaßfilter den
verschiedensten Wünschen angepaßt werden. So kann in gewissen Grenzen die Empfindlichkeit variiert werden, ohne an Membran oder deren Lagerung Änderungen vornehmen zu müssen. Weiterhin kann die Grenzfrequenz /0 und die Steilheit des Tiefpasses verschiedenen Wünschen angepaßt werden.
Weiterhin muß durch die Maßnahmen nach der Erfindung der Schallfluß die Dämpfungsscheibe erst eine größere Strecke annähernd horizontal durchdringen. Der Strömungswiderstand wird damit genügend groß und is* damit wenig abhängig von den Materialtoleranzen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Fassung mit einem zylinderförmigen Ansatz versehen ist, in dem die mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe lagert. Dadurch ist eine in konstruktiver Hinsicht äußerst einfache Lagerung gegeben.
Bei Änderung der für den Wandler charakteristischen Daien braucht somit lediglich Fassung und Dämpfungsscheibe ausgetauscht zu werden, wodurch die Varianten hinsichtlich Wahl der Anzahl und/oder der Größe der Schalldurchlaßöffnungen (Durchmesser, Halslänge) der Fassung vergrößert werden. Weiterhin ist eine exakte Lagesicherung der Dämpfungsscheibe gegeben und bei der Montage ist ein Verschieben dieser Scheibe unmöglich.
Im folgenden sei die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer schematischen Darstellung unter Zuhilfenahme von 3 Figuren näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung,
F i g. 2 eine schematische Darstellung des Wandlers nach Fig. l.und
F i g. 3 die zu F i g. 2 gehörige Ersatzschaltung.
In einem Gehäuse 1 sind nacheinander folgende Teile untergebracht. Zunächst ist der Träger 2 zu nennen, der auf seiner dem Boden des Gehäuses 1 zugewandten Seite eine Schaltungsplatte 3 mit elektronischen Bauelementen trägt. An dieser Schaltungsplatte sind zwei Kontaktmesser angeordnet (Kontaktmesser 4 dargestellt), die durch Ausnehmungen 5 des Gehäuses hindurchragen, den elektrischen Anschluß nach außen bilden und den Träger 2 mit Schaltungsplatte 3 im Gehäuse festlegt. Der Träger 2 ist mit zwei Absorptionsresonatoren versehen, von denen der mit einer Seidenscheibe 7 abgedeckte Absorptionsresonator 6 dargestellt ist.
Auf dem Träger 2 ist weiterhin ein Lagerkörper 8 angeordnet, über dem eine mit einer piezokeramischen Schicht 9 versehene Wandlerplatte 10 lagert. Ein weiterer Lagerkörper 11 bildet das Gegenlager. Abgeschlossen ist das Gehäuse 1 durch eine Trennplatte 12, die untrennbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Trennplatte weist mehrere in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßöffnungen 13 auf. Weiterhin ist die Trennplatte auf der der Membran zugekehrten Seite mit radial nach außen verlaufenden Rippen 14 versehen.
Der so gebildete Wandler ist durch eine Fassung 15 verschlossen, die wiederum in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßöffnungen 16 aufweist. Diese Schalldurchlaßöffnungen sind in einem Kreis mit größerem Durchmesser als die in der Trennplatte angeordneten Schalldurchlaßöffnungen angeordnet. Zwischen Trennplatte und Fassung ist eine Dämpfungsscheibe 17 angeordnet, die in einem zylindrischen Ansatz 18 der Fassung lagert und den Raum vor der Trennplatte teilweise ausfüllt. Dabei ist die Dämpfungsscheibe so bemessen, daß sie die Schalldurchlaßöftnungen der Trennplatte überdeckt.
Die F i g. 2 zeigt einen Wandler nach F i g. 1 in schematischer Darstellung als Mikrofon. Die mit Fig.? übereinstimmenden Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Raum zwischen der abnehmbaren Fassung 15 und dem Schwingsystem 8, 9, 10, 11 v.ird durch eine Trennplatte 12 in zwei Räume Vj und V4 aufgeteilt
Die Luftmassen /773 und 7774 in den Öffnungen von Trennplatte und Fassung sind über die Federung a, des von beiden Teilen eingeschlossenen Luftvolumens V4 gekoppelt.
Dieses akustische Schwingungsgebilde entspricht elektrisch einem als Tiefpaß wirkenden T-Glied (F ig. 3).
Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist an die obere Grenze des Übertragungsbereiches gelegt. Für die Grenzfrequenz gilt
/0 =
wenn man die Luftmassen in den Öffnungen von Fassung und Trennplatte gleich groß annimmt:
m =
Die Federung t4 ist in Grenzen wählbar durch das Koppelvolumen K4 (0,5 bis 3 cm3) und durch die wirksame schwingende Fläche S0 (3,5 bis 5 cm2) der Wandlerplatte 10:
£4 =
ρ ■ c2 ■ S0
ρ = Dichte der Luft,
c = Schallgeschwindigkeit der Luft,
ρ ■ c2 = 1,42 ■ 106g/cm2/s2.
Die Luftmasse in den Kanälen
m = η ■ (I+Δ I) SK .
Δ I =
Mündungskorrektur
ist frei wählbar
— durch die Kanallänge /
— durch den Querschnitt Sk der Kanäle
— durch die Anzahl η der Kanäle.
Gute Tiefpaß-Wirkung erreicht man mit Kanallängen > 1 mm (evtl. mit Zusatzhals), was mit Kunststoff-Spritzteilen für Fassung und Trennplatte leicht realisierbar ist.
Eine Vergrößerung des Kanalquerschnittes und der Anzahl der Kanäle über ein bestimmtes Maß verringert die Tiefpaß-Wirkung: Die Übersetzung ü der wirksamer Massen bzw. Induktivitäten (Lj=LiZUs2) am Querschnittssprung (üi = S3,/Sb) wirkt hier gegenläufig.
Damit der Dämpfungsverlauf des Tiefpasses vom Durchlaß- zum Sperrbereich stetig verläuft, muß die Dämpfung genügend groß sein.
Der akustische Reibungswiderstand rw und r.t an den Kanalwandungen von Fassung und Trennplatte
r = (I+ A[)SK- H
η*. + r-jz
(prop -: ■ Vj)
H = Strömungswiderstand der Luft
reicht hierzu meist nicht aus. Die Zusatzdämpfung
hierbei durch einen porösen Schaumstoff zwischen Fassung und Trennplatte realisiert.
Die Gesamt-Dämpfung und -Masse an der Trennplatte ist dann
wobei rriizait Zusatzmasse der in dem porösen Material eingeschlossenen Luft darstellt.
Die F i g. 3 zeigt das Ersatzschaltbild zu F i g. 2. Dabei bedeutet der Abschnitt A die Einsprache des Handapparates, der Abschnitt B den durch die Fassung und Trennplatte gebildeten Tiefpaß und der Abschnitt Cdas mechanische und akustische Schwingsystem.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Elektroakustischer Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten mit einer piezoelektrischen Schicht (S) versehenen Wandlermembran (10), durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum (Va, V3) und einen Membranrückraum (V2, Vj) aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen (16) versehenen Fassung (15), wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Membranvorraum zwischen Membran (10) und Fassung (15) eine Trennplatte (12) angeordnet ist, die ebenfalls mit Schalldurchlaßöffnungen (13) versehen ist, wobei die Schalldurehlaßöffnungen (16) der Fassung (15) gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte (12) versetzt angeordnet sind, und daß zwischen Trennplatte und Fassung eine an einem zylinderförmigen Ansatz (18) der Fassung (15) lagernde mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe (17) derart angeordnet ist, daß sie lediglich die Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte (12) überdeckt, während sie die Schalldurchlaßöffnungen (16) der Fassung (15) frei läßt.
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