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Piezoelektrisches Schallgerät Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches
Schallumsatzgerät mit einer Membran, die aus einer einzigen, sehr dünnen piezoelektrischen
Kristallplatte besteht und in einer Halterung an den Rändern festgehalten ist. Erfindungsgemäße
piezoelektrische Schallgeräte kann man als Mikrophon und Telephon herstellen, in
denen diese piezoelektrische Membran die Schallschwingungen in elektrische Schwingungen
umwandelt bzw. umgekehrt.
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Piezoelektrische Schallumsatzgeräte sind schon früher hergestellt
und beschrieben worden. Der piezoelektrische Modul der meisten Kristallarten ist
sehr klein. Falls man die Schallschwingungen unmittelbar auf einen Kristall wirken
läßt, so bekommt man ;ein sehr unempfindliches Gerät, das nur bei sehr großen Druckschwingungen
brauchbar ist, so z. B. zur Registrierung der Expansionskurven von Verbrennungsmotoren,
von Kanonenschüssen usw.
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Es . sind Anordnungen bekannt, bei denen der Schalldruck auf eine
größere Membran aus beliebigem Werkstoff wirkt und die Bewegungen dieser Membran
wirken unmittelbar oder mittels einer Hebelvorrichtung auf ein oder auf mehrere
piezoelektrische Elemente. Diese verwickelten Einrichtungen haben den Nachteil,
daß infolge der ungleichmäßigen Massenverteilung unberechenbare mechanische Eigenschwingungen
auftreten, die eine Verzerrung der Schallwiedergabe verursachen. Eine verzerrungsfreie
Schallumwandlung kann ;nur dann erreicht werden, wenn bewegliche Teile möglichst
vermieden oder doch auf eine einzige Membran bieschränkt werden.
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Es sind weiterhin Anordnungen bekannt, bei denen die Membran aus zwei
oder mehr zu einem System verkitteten piezoelektrischen Kristallplatten besteht.
Solche Anordnungen sind in der Herstellung sehr schwierig und sind mit den obenerwähnten
Fehlern behaftet.
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Erfindungsgemäß wird eine sehr hohe Steigerung der Empfindlichkeit
Herreicht durch eine Membran aus einer sehr dünnen, an den Rändern festgehaltenen
Platte aus geeignetem piezoelektrischem Kristallmaterial. mit entsprechender Belegung
und derartiger Aclhsori@entierung, daß sie den Quereffekt zeigt: Diese Platte weist
infolge einer Stauchung bereits in der Ruhelage eine leichte Krümmung auf.
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Abb. i dient zur Erklärung der physikalischen Grunderscheinung. Es
ist bekamt, daß gewisse Kristallarten nicht nur dann einen Piezoeffekt zeigen, wenn
auf die elektrisch
aufzuladende Plattenfläche senkrechte Kräfte
wirken, sondern auch dann, wenn die Kräfte zur genannten Plattenfläche parallelsind.
Die in Abb. i im Querschnitt dargestellte Kristallplatte soll aus solchem, dein
Quereffekt zeigenden Werkstoff mit zweckmäßiger Orientierung züi den kristallograpl4.
scheu Achsen gewonnen werden. Eine solch-Platte zeigt auf den leitenden Belegungen
eine elektrische Ladung, wenn die mechanische Stauchung oder Dehnung R parallel
zur Plattenebene, also senkrecht zur Dicke a wirkt. Diese Erscheinung kann als transversaler
piezoelektrischer Effekt oder Quereffekt bezeichnet werden. Wird die Platte sehr
dünn gehalten, so wird die mechanische Beanspruchung (Dehnung, Stauchung) und damit
die elektrische Aufladung der Oberfläche groß. Die elektrisch aufzuladende Fläche
soll groß gehalten werden, damit die Gesamtladung groß wird. Beim Quereffekt ist
also die Möglichkeit vorhanden, durch Verwendung einer dünnen Platte mit großer
Oberfläche eine hohe piezoelektrische Aufladung züi erreichen, wenn die hr@ifte
parallel zur Plattenfläche wirken.
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Abb.2 zeigt eine Möglichkeit, wie man die geringen Druckschwankungen
des schallübertragenden Mediums (Luft, Wasser) in viel größere mechanische Spannungen
umwandeln kann, die parallel zur Fläche einer meinbranartig ausgebildeten Platte
wirken. In einer Platte, deren Rand in einer Halterung festgehalten wird und die
außerdem leicht gebogen ist, treten unter der Wirkung eines zur Plattenfläche senkrechten
Druckes viel größere, zur Plattenfläche parallele mechanische Beanspruchungen 12
(Dehnung, Staucbung) auf. Die Elastizitätslehre lehrt uns, daß diese Spannung sich
züi dem senkrechten Druck etwa so verhält wie das Quadrat des Radius einer kreisförmigen
Platte zum Quadrat ihrer Dicke, vorausgesetzt, daß die Krümmung in der Ruhelage
nicht sehr stark ist. Es ist nun leicht möglich, aus mechanisch hervorragenden piezoelektrischen
Kristallen, in ie z. B. Quarz, o, i mm dünne Platten mit etwa i cm Radius herzustellen.
In diesem Falle ist die radiale mechanische Spannung etwa io ooomal so groß wie
der Schalldruck, der sie erzeugt hat.
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Die Krümmung ist in den Abbildungen übertrieben stark dargestellt.
In Wirklichkeit braucht sie nur sehr gering, kaum sichtbar züi sein, da die Schalldruckdifferenzen
bei einem auf i in Entfernung besprochenen Mikrophon nur etwa i millionstel Atmosphären
betragen. Beim Eintreffen des positiven Teiles der Schallwellen wird diese Krümmung
ein wenig verstärkt, beim Auftreffen des negativen Teiles verringert. Die Krümmung
der Platte kann man so erreichen daß die Platte an den Rändern in der Halte ,gunj
gestaucht und festgehalten wird. Die eintreffenden Schalldruckwellen werden in den
Membran etwa zehntausendfach verstärkt und vergrößern bzw. verringern den schon
im ,;'ihezustand vorhandenen Stauchdruck. Die außerordentlich große Druckverstärkung,
die durch diese Halterung in der Membran erreicht wird, ist für die Empfindlichkeit
von ausschlaggebender Bedeutung.
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Es ist klar, daß es zum einwandfreien Arbeite» des Gerätes gleichgültig
ist, nach welcher Seite die Membran in der Ruhelage ausbiegt und ob sie einer Stauchung
oder einer Dehnung unterliegt.
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Da am Rande einer eingespannten Membran Verzerrungen der Spannungen
eintreten können, empfiehlt es sich, die leitende Belegung nicht bis dicht an den
Rand heranzuführen, sondern mir den mittleren Teil der Membran zu beleben.
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Abb.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindangsgemiißen Schallumsatzgerätes,
bei dem die Membran abweichend von der Ausführungsforin nach Abb.2 in der Ruhelage
auf Dehnung beansprucht ist. Die kreisförmige Membran ist an ihren Rändern in der
Halterung befestigt, z. B. aufgekittet, so daß der Raum hinter der Membran luftdicht
abgeschlossen ist. In diesem Raum kann ein Unterdruck erzeugt werden, durch den
die an den Rändern festgehaltene Membran nach unten durchgebogen ist und dadurch
die notwendige Krümmung und Dehnung erfährt. Die Krümmung der Platte ist in Abb.
3 übertrieben stark dargestellt. Sie ist in Wirklichkeit mit dem bloßen Auge kaum
zu erkennen, da. ein Unterdruck von etwa ein hundertstel Atmosphären völlig ausreicht,
um die Membran genügend weit durchzubiegen. Dieser Unterdruck ist im Verhältnis
zu dem Druck der Schallwellen von etwa ein millionstel Atmosphären völlig ausreichend,
um eine verzerrungsfreie Wiedergabe zu ermöglichen.
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Das Schallumsatzgerät kann infolge des umgekehrten piezoelektrischen
Effektes nicht nur als Mikrophon, sondern auch als Telephon verwendet werden. Das
schallübertragende Medium kann nicht nur Luft, sondern auch Wasser sein. Die Erfindung
ist daher auch für das Unterivassersignalwesen in der Schiffahrtstechnik von Bedeutung.
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Als Kristallmaterial hat sich Quarz sehr geeignet erwiesen. Es ist
aber anzunehmen, daß von den zahlreichen piezoelektrischen Kristallarten auch viele
andere verwendet werden können, vorausgesetzt, daß sie einen genügend starken Quereffekt
besitzen.
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Die Kristallmembran braucht nicht unbedingt kreisförmig zu sein. Ein
schmaler
Streifen, der in der $alterung an beide;. Enden gestaucht
wird, eignet sich ebenfalls. Andere Ausführungsformen sind auch zu denken.