DE590996C - Piezoelektrisches Kristallgebilde fuer Schallaufnahme- und Schallwiedergabevorrichtungen - Google Patents

Description

Es ist bekannt, daß sich piezoelektrische Materialien nicht nur für Hochfrequenzzwecke, sondern auch für mittel- und niederfrequente Anordnungen verwenden lassen. Insbesondere eignet sich für den letztgenannten Zweck das Seignettesalz, welches in großen Kristallen gezüchtet werden kann und erheblich einfacher und billiger in der mechanischen Bearbeitung ist als andere piezoelektrische Materialien, wie z. B. Quarz. Auch ist der piezoelektrische Effekt beim Seignettesalz erheblich höher als bei anderen piezoelektrischen Materialien.

Es ist ferner bekannt, daß man durch Kombination von Platten, Avelche hinsichtlich der Kristallachsen verschiedenartig gerichtet sind, besonders starke piezoelektrische Effekte hervorrufen kann.

In Abb. ι ist ein Beispiel einer derartig zusammengesetzten Anordnung zweier Platten gezeigt. Platte R ist aus einem Kristall ausgeschnitten, dessen Hauptachse x-x in ihrer Ebene parallel zu den beiden aufrechten Kanten verläuft. Versieht man diese Platte R mit zwei Elektroden, an die man ein elektrisches Potential legt, z. B. wie durch die Zeichen — und -j- angedeutet, so sucht sich die Kristallplatte zu deformieren. Denkt man sich die untere Kante 1 festgelegt, so sucht sich die obere Kante 2 parallel zur Kante 1 in Richtung des Pfeiles α zu verschieben. Eine zweite Platte L sei nun so gegen die Platte R befestigt, daß ihre Hauptachse zur Hauptachse x-x der Platte R senkrecht ist; denkt man sich ihre rechte Seitenkante 3 festgehalten und eine Spannung an die auf beiden Seitenflächen angeordneten Elektroden gelegt, so sucht sich die linke Kante 4 in Richtung des Pfeiles b, d. h. also im Drehsinn der Pfeile σ und b zu bewegen. Da die Potentiale der Belege beider Platten umgekehrt zueinander liegen, nämlich positiv auf der Vorderseite von R und negativ auf der Vorderseite von L, muß man zur Herstellung ^p der Platte R einen Rechtskristall und zur Herstellung der Platte L einen Linkskristall verwenden. Einfacher ist es, beide Platten aus demselben Kristall zu schneiden und die Platte L gegen R um i8o° zu verdrehen. Werden nun die beiden Platten z.B.,so zusammengesetzt und verkittet, daß ihre negativen Elektroden aneinanderliegen, und betrachtet man bei einer derartig zusammengesetzten Anordnung eine zu den Kanten der Platten unter 45⁰ geneigte Richtung, z. B. die Richtung der Pfeile c und d, so ergibt sich nach Anlegen geeigneter elektrischer Potentiale Folgendes: ■"

In der Plattet suchen sich alle Linien · unter 45° zu verkürzen, c, während-in der Platte L alle Linien derselben Richtung sich auszudehnen bestrebt sind. Ein mechanisches Analogon, um diese Erscheinung anschau- ^! lieber zu machen, ist in Abb. 1 a dargestellt, i, 2, 3, 4 mögen vier Streben einer Eisenkonstruktion darstellen, die durch eine Diagonalstrebe S versteift ist. Wird dieses Gebilde längs 4 festgehalten und in Richtung des Pfeiles α beansprucht, so erfährt die Diago- ' nale 5 eine Beanspruchung auf Druck. Wird

Strebe 3 festgehalten und das Gebilde in Richtung des Pfeiles b beansprucht, so wird die Diagonale 5 auf Zug beansprucht. Die gleiche Erscheinung zeigt sich bei der Kri-Stallanordnung der Abb. 1 in allen diagonalen Richtungen, wenn durch die Anlage der eingezeichneten Potentiale die Kanten der Platten R und L in der Richtung der Pfeile α und b deformiert werden.

Man denke sich nun ein rechteckiges Stück unter 45 ° aus den Kristallplatten in der Anordnung nach Abb. 1 herausgeschnitten und an ein solches Stück, wie z. B. Abb. 2 a zeigt, die beiden Potentiale einer Spannungsquelle,

z. B. an die beiden Außenelektroden das positive, an die beiden zusammengekitteten Innen-. elektroden das negative Potential angelegt, so wird sich die vordere'Kante zusammenziehen, während die hintere Kante beider Platten sich auszudehnen strebt. Das Gebilde wird infolgedessen etwa die in Abb. 2b in übertriebenem Maße angedeutete Krümmung erleiden. Gemäß der Erfindung werden nun diese bekannten piezoelektrischen Eigenschaften sol-

■25 eher zusammengesetzten Kristallgebilde, wie sie z. B. Abb. 2 zeigt, dazu ausgenutzt, um Kristallgebilde herzustellen, die nach Art der üblichen Membranen oder Biegeplatten in Schallaufnahme- oder Wiedergabevorrichtungen zur Anwendung kommen sollen. Z. B.

■■·-. könnte man mehrere Kristalle nach Abb. 2 strahlenförmig anordnen und so ein kreisplattenartiges Gebilde schaffen, das sich wie eine Membran verhält. Erfindungsgemäß wird dies aber in sehr einfacher Weise dadurch erreicht, daß man z. B. auf eine Kristallkombination nach Abb. 1 quad linienförmige Elektroden in bestimmter Richtung aufbringt und die Elektroden in bezug auf die Achsrichtung x, wie in Abb. 3 dargestellt, anordnet. . Die Lage derselben Achse χ in der Ausgangsform des zusammengesetzten Kristalls erkennt man ebenfalls in Abb. 1. Man geht also erfindungsgemäß so vor: Man schneidet aus einem Gebilde nach Abb. 1 eine kreisförmige Platte aus, wie sie durch den eingezeichneten gestrichelten Kreis dargestellt ist, und bringt auf diese Platte eine Anzahl Elektroden z. B. in Quadrantenform auf. Eine anschauliche Vorstellung über ein solches Kristallgebilde einschließlich seiner Elektroden vermittelt ferner Abb. 4. Die Außenflächen sowie die aufeinanderzukittenden Innenflächen tragen je vier Elektroden mit abwechselnden Polen, wobei die Pole' auf den beiden Innenflächen in bezug auf die Achse χ (Abb. 3) die gleiche Lage haben, so daß sie beim Zusammenlegen der Platten gemeinsame Pole bilden. Ist das Gebilde zusammengesetzt und verkittet, so besitzt es also zwölf Elektroden. Die Dimensionen in den Abb. 3 und 4 sind übertrieben, um die Anordnung der Elektroden anschaulicher zu gestalten. Die Wirkungsweise der Anordnung möge aus Abb. 3 und 3a erhellen. In der zur Achse χ unter 45° geneigten Riehtung treten im Kristall ähnliche Formveränderungen wie bei einem Kristall nach Abb. 2 auf. Der in Abb. 3 gestrichelt angedeutete Teil α soll zeigen, wie man aus einem kreisartigen Gebilde durch Herausschneiden einen einzelnen Kristall entsprechend Abb. 2 erhalten könnte. Man kann sich auf diese Weise die vier Sektoren der ganzen Kreisscheibe in kleine rechteckige Gebilde 1, 2, 3, 4, 5 usw., wie Abb. 3a zeigt, zerlegt denken, welche alle piezoelektrisch in der in Abb. 2b dargestellten Weise reagieren. Wird ein Potential an die Elektroden gelegt, so werden sich alle Einzelteile Ii 2, 3, 4, 5 nach einer Seite, bei umgekehrter Polung nach der anderen Seite durchbiegen. Das neue Kristallgebilde, z. B. aus zwei kreisförmigen Platten, die an ihrem Umfange fest eingespannt sind, verhält sich also bei Anlage von wechselndem Potential wie eine schwingende Membran entsprechend Abb. 5. Es leuchtet somit ohne weiteres ein, daß sich das neue Kristallgebilde vorzüglich eignen wird, z. B. Schalldrücke in elektrische Potentiale umzusetzen, oder umgekehrt, angelegte Potentiale in Schalldrücke umzusetzen. Eine Untersuchung des neuen Kristallgebildes als Mikrophon hat gezeigt, daß sein Wirkungsgrad gegenüber den bekannten elektroakustischen Einrichtungen erheblich besser ist und daß es Eigenschaften aufweist, die den eines guten Kondensatormikrophons gleichkommen. Die Wichtigkeit der Erfindung liegt jedoch auch mit begründet in der außerordentlichen Güte dieser elektroakustischen Einrichtung. Ein solches Kristallmikrophon hat beispielsweise folgende mechanische Daten: Die beiden Plattenhälften sind je ¹J₂ mm stark, die gesamte Membran hat also eine Dicke von rund 1 mm. Ihr Durchmesser ist etwa 40 mm. Die Empfindlichkeit (mV/Spg. pro Schalldruckeinheit) ist größenordnungsgemäß doppelt so groß als die eines Kondensatormikrophons und läßt sich unter Beachtung der Anpassungsverhältnisse noch weiterhin steigern. Sehr wichtig ist auch der ge- no ringe Klirrfaktor. Diese letztere Eigenschaft läßt sich auf folgende Weise grundsätzlich erklären:

Wie bekannt, schwingt eine Kreismembran, wie Abb. 5 zeigt, bei genügend kleiner Dämpfung nicht allein in der Grundschwingung, sondern führt auch eine ganze Anzahl von Oberschwingungen aus, z. B. wenn sie Schalldrücken ausgesetzt ist. Das bedeutet, daß eine solche Membran teilweise konkav und teilweise konvex wäre. Eine gemäß der Erfindung zusammengesetzte Kristallmembran in-

dessen ist unfähig, derartig komplizierte Bewegungen auszuführen. Würde nämlich ein Teil der Membran konkav und ein anderer Teil konvex sein, so würde das bedeuten, daß die Elektrodenspannung die entsprechende der jeweiligen Durchbiegungsrichtung zugeordnete Spannung aufweist, z. B. positiv und konvex, negativ und konkav. Mit anderen Worten, es müßte möglich sein, daß zwei

«υ diagonal gegenüberliegende Quadranten entgegengesetzte Polarität annehmen oder auch, daß auf einem einzigen Beleg verschiedenartige Potentiale auftreten. Indessen ist dies bei der erfindungsgemäßen Anordnung und Gestaltung der Elektroden unmöglich. Ist ein Teil der Membran konkav deformiert, so muß die ganze Membran infolge der piezoelektrischen Auswirkung, wie sie z. B. an Hand der Abb. 2 beschrieben wurde, konkav deformiert werden. ■

Ein aus einer solchen Kristallmembran hergestelltes Mikrophon wird daher immer nur nach einer Richtung ausgelenkt, welche die Bewegung einer idealen Kreismembran anstrebt. Zwischen Amplitude und Spannung besteht Proportionalität, so daß auch in dieser Hinsicht keine Klirrerscheinungen auftreten können. Auf Grund der vorgenannten Eigenschaften ist es sehr leicht möglich, eine solche Membran zu dämpfen zum Zwecke, unerwünschte Resonanzlagen zu vermeiden. Es genügt, wie beispielsweise in Abb. 6 dargestellt, die Membran an irgendeiner Stelle durch ein Gummistück G zu dämpfen. Der übrige Aufbau der Abb. 6 ist folgender:

5" bedeutet das Fundament, dessen Masse vorteilhafterweise groß ist gegenüber der Masse der Kristallmembran K, ₄ um unerwünschte Vibrationserscheinungen des Mikrophons zu verhindern.

Die Vorteile einer Anordnung nach der Erfindung sind mannigfach. Trotz der hervorragenden Güte sowohl als Telephon als auch als Mikrophon ist der Aufbau denkbar einfach. Die Anpassung an vor- oder nachgeschaltete Verstärkeranordnungen ist ebenfalls nicht schwierig, da die Kapazität eines solchen Gebildes in der Größenanordnung von 1000 bis $000 cm liegt. Vorteilhaft ist auch, daß die Kapazität seiner Zuleitung z. B. wenig Einfluß hat, da sie klein ist im Vergleich zu der Mikrophonkapazität..

Claims (2)

'Patentansprüche:

1. Piezoelektrisches Kristallgebilde für Schallaufnahme- und Schallwiedergabevorrichtungen, bestehend aus zwei oder mehreren Platten, die bezüglich ihrer Kristallachsen verschiedenartig gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweckmäßig kreisförmigen Platten zur Verwendung als Membran mit vier voneinander getrennten sektorförmigen Belegungen versehen sind, welche wechselweise mit ihren beiden Anschluß leitungen verbunden werden.

2. Piezoelektrisches Gebilde nach. Ansp:*Lich i, dadurch gekennzeichnet, daß es nur an einem Punkte gedämpft ist (G in Abb. 6).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen