EP0354520A2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electroacoustic transducer with a circular transducer plate arranged in a transducer housing and clamped between bearing bodies in the edge region and provided with a piezoelectric layer, in particular for telephone sets.
- one of the tasks to be solved in the manufacture of electroacoustic transducers is to ensure that the relationship between the acoustic parameters of the sound field and the electrical variables of the transducer in the transmission range is largely frequency-independent.
- the frequency dependency of the relationship between the parameters of the sound field and the electrical variables of the transducer is determined in particular by the frequency dependency of the vibratory mechanical structure consisting of the membrane and the coupled air spaces or the like.
- the membranes of high quality sound receivers e.g. of condenser microphones are clamped and arranged in such a way that the resonance frequency corresponding to their fundamental vibration lies far above the frequency range of interest, so that the relationship between the deflection of the membrane and the parameters of the sound field in this frequency range is practically frequency-independent.
- Newer piezoelectric transducers have, instead of the usual membrane, a transducer plate which is clamped between bearing bodies in their edge area and which is provided with a piezoelectric layer. If such a plate is then excited electrically or acoustically, pronounced peaks form on the plate depending on the measured sound pressure and frequency, which can be made visible by holographic interferometry and which are characterized by circular node lines and node diameters.
- the elevations which are distinguished by the node diameter play no role.
- the circular node lines are essential.
- the partial vibration characterized by the 1st circular node line can be dampened by two ⁇ / 2 resonators (DE-PS 1 167 897).
- the partial oscillation marked by the second circular node line was not dampened in the past because it did not fall within a tolerance scheme specified by the postal administrations. However, due to the expansion of the tolerance range from 8 kHz to 10 kHz, this partial oscillation led to the tolerance range being exceeded, so that it must now be damped.
- This partial oscillation could be damped with a broadband Helmholtz resonator, which, however, can be arranged only with difficulty in the existing converter housing.
- the object of the invention is to carry out the damping of the partial vibration characterized by two circular node lines with the simplest possible means.
- At least one bearing area of a bearing body has a rotationally asymmetrical shape.
- the transducer plate which vibrates with its natural frequency, generates a sound pressure level that can lie between a pronounced increase in sound pressure and a drop in sound pressure.
- the sound pressure that arises is the result of the partial-phase vibrating partial surfaces. They each displace volumes that compensate for an effectively displaced volume. To a good approximation, the effectively displaced volume is proportional to the sound pressure.
- the basic resonance generates the maximum sound pressure of all natural frequencies, because no sub-areas vibrate in opposite phases. If it is now possible to make the out-of-phase displaced volumes equal for ⁇ ⁇ 1, the sound pressure generated must ver dwindle (damping).
- the modification of the converter plate bearings according to the invention has now made it possible to bring the volumes oscillating in opposite phases into the same order of magnitude.
- the basic resonance remains relatively unaffected.
- the invention now advantageously shows a way of avoiding complex resonators for damping partial vibrations.
- tests can be used to determine how the rotationally asymmetrical shape of the bearing should be designed.
- the two bearing bodies may have a rotationally asymmetrical shape and to be arranged opposite the transducer plate in such a way that the bearing areas lie opposite one another.
- bearing body may also be expedient for the bearing body to be formed by a first concentric ring (ring-shaped extension) which splits into two partial rings in one sector.
- the support areas can be formed by pointed bearings. To dampen the partial vibrations, it has been found that it is expedient if the bearing areas of the bearing bodies are formed by flat surfaces.
- the bearing body are integrally formed with the housing parts.
- the converter shown in FIG. 1 has a lower housing part 1, into which a carrier 2 is inserted.
- a resonator ring 3 is arranged above the carrier 2.
- the converter housing is closed by a cover 4 which has sound passage openings 5.
- the piezoelectric layer here has electrodes, not shown, which are guided to connectors (connector 8 shown) via tapes or the like.
- a Helmholtz resonator 9 connects the anteroom of the support 2 with the rear area and serves to dampen the basic resonance.
- the converter plate 6 is firmly clamped in its edge area.
- Bearing bodies are used for this purpose, which consist of cylindrical annular projections 10 to 15 of the carrier 2 and of the resonator ring 3.
- the carrier was shown in separate figures.
- the carrier according to FIGS. 2 and 3 was shown rotated by 180 ° in relation to the representation in FIG.
- the support areas for the transducer plate which are formed by annular cylindrical projections, are now clearly recognizable. That's how it is initially the annular extension 16 can be seen, which splits into two partial rings 17, 18 in the left image plane.
- the support area for the converter plate thus has a rotationally asymmetrical shape.
- the contact area of the resonator ring is designed similarly.
- the term resonator ring was chosen because there can be two ⁇ / 2 resonators in it.
- the 4 shows the frequency response of the converter.
- the ordinate means the sensitivity E in dB, the abscissa the frequency in Hertz.
- Lines 19, 20 delimit the tolerance range between which the frequency curve is to be located.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer in einem Wandlergehäuse angeordneten zwischen Lagerkörpern im Randbereich eingespannten, mit einer piezoelektrischen Schicht versehenen kreisförmigen Wandlerplatte, insbesondere für Fernsprechgeräte.
- Eine der bei der Herstellung elektroakustischer Wandler zu lösenden Aufgaben besteht bekanntlich darin, dafür Sorge zu tragen, daß der Zusammenhang zwischen den akustischen Bestimmungsgrößen des Schallfeldes und den elektrischen Größen des Wandlers im Übertragungsbereich weitgehend frequenzunabhängig ist.
- Die Frequenzabhängigkeit des Zusammenhangs zwischen den Bestimmungsgrößen des Schallfeldes und den elektrischen Größen des Wandlers wird insbesondere durch die Frequenzabhängigkeit des aus der Membran und den angekoppelten Lufträumen oder dergleichen bestehenden schwingungsfähigen mechanischen Gebildes bestimmt.
- Die Membranen hochwertiger Schallempfänger, z.B. von Kondensatormikrofonen, sind derart eingespannt und angeordnet, daß die ihrer Grundschwingung entsprechende Resonanzfrequenz weit oberhalb des interessierenden Frequenzbereiches liegt, so daß deshalb der Zusammenhang zwischen der Auslenkung der Membran und den Bestimmungsgrößen des Schallfeldes in diesem Frequenzbereich praktisch frequenzunabhängig ist.
- Bei den elektroakustischen Wandlern der Fernsprechtechnik ist es dagegen im allgemeinen aus Gründen des Wirkungsgrades nicht möglich, die Eigenresonanzen der Membran außer halb des interessierenden Frequenzbereichs zu wählen. Um dennoch die Frequenzabhängigkeit des elektroakustischen Übertragungsfaktors zu verringern, ist es üblich, derartige Wandler mit entsprechend abgestimmten Resonatoren auszurüsten, mit deren Hilfe Resonanzspitzen kompensiert werden.
- Neuere piezoelektrische Wandler weisen anstelle der üblichen Membran eine zwischen Lagerkörpern in ihrem Randbereich eingespannte Wandlerplatte auf, die mit einer piezoelektrischen Schicht versehen ist. Wird nun eine derdartige Platte elektrisch oder akustisch angeregt, so bilden sich auf der Platte in Abhängigkeit von dem gemessenen Schalldruck und der Frequenz ausgeprägte Überhöhungen, die durch holographische Interferometrie sichtbar gemacht werden können und sich durch Kreisknotenlinien und Knotendurchmessern auszeichnen.
- Bei zylindersymmetrischen Wandlerplatten spielen die durch Knotendurchmesser sich auszeichnenden Überhöhungen keine Rolle. Wesentlich sind jedoch die Kreisknotenlinien. So können die Eigenfrequenzen des eingangs beschriebenen Wandlers beispielsweise folgendermaßen sein
Grundresonanz (σ = 0, h = 0): ca. 1...1,5 kHz
1. Kreisknotenlinie (σ = 1, h = 0): ca. 4 kHz
2. Kreisknotenlinie (σ = 2, h = 0): ca. 7...9 kHz
3. Kreisknotenlinie (σ = 3, h = 0): ca. 14 kHz
wobei σ die Anzahl der Kreisknotenlinien und h die Anzahl der Knotendurchmesser bedeutet. - Wie eingangs bereits erwähnt, müssen diese Resonanzspitzen bedämpft werden, um einen durch einzelne Fernmeldeverwaltungen vorgegebenen Toleranzbereich nicht zu überschreiten. So ist es beispielsweise bekannt, die Grundresonanz mit einem Helmholtzresonator um ca. 15 dB zu dämpfen (Siemens Zeitschrift 46.Jahrgang, April 72, Heft 4, Seite 207-209).
- Die durch die 1.Kreisknotenlinie gekennzeichnete Teilschwingung kann durch zwei λ/2 Resonatoren bedämpft werden (DE-PS 1 167 897).
- Die durch die 2.Kreisknotenlinie gekennzeichnete Teilschwingung wurde früher nicht bedämpft, da sie nicht in ein von den Postverwaltungen vorgegebenen Toleranzschema fiel. Aufgrund der Erweiterung des Toleranzbereiches von 8 kHz auf 10 kHz führte diese Teilschwingung jedoch zu einer Überschreitung des Toleranzbereiches, so daß sie jetzt bedämpft werden muß.
- Eine Bedämpfung dieser Teilschwingung könnte mit einem breitbandig wirkenden Helmholtzresonator erfolgen, der jedoch nur schwer in dem vorhandenen Wandlergehäuse angeordnet werden kann.
- Aufgabe der Erfindung ist es, die Bedämpfung der durch zwei Kreisknotenlinien gekennzeichneten Teilschwingung mit möglichst einfachen Mitteln durchzuführen.
- Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zumindest ein Auflagebereich eines Lagerkörpers eine rotationsunsymmetrische Form aufweist.
- Die mit ihrer Eigenfrequenz schwingende Wandlerplatte erzeugt einen Schalldruckpegel, der zwischen ausgeprägter Schalldrucküberhöhung und Schalldruckeinbruch liegen kann. Der sich einstellende Schalldruck ist das Ergebnis der gegenphasig schwingenden Teilflächen. Sie verdrängen jeweils Volumina, die sich zu einem effektiv verdrängten Volumen kompensiert. In guter Näherung ist das effektiv verdrängte Volumen proportional dem Schalldruck. Die Grundresonanz erzeugt von allen Eigenfrequenzen den maximalen Schalldruck, weil hier keine Teilflächen gegenphasig schwingen. Gelingt es nun, für σ ≧ 1 die gegenphasig verdrängten Volumina gleich groß zu machen, so muß der erzeugte Schalldruck ver schwinden (Bedämpfung). Durch die Modifikation der Wandlerplattenlager gemäß der Erfindung ist es nun gelungen, die gegenphasig schwingenden Volumina in die gleiche Größenordnung zu bringen. Die partielle Änderung der Randeinspannung bedämpft die Eigenfrequenz σ = 1 und σ = 2 um ca. 8 dB, mit nur geringfügigen Verschiebungen der Eingenfrequenzen zu höheren Werten. Die Grundresonanz bleibt relativ unbeeinflußt.
- Durch die Erfindung wird nun in vorteilhafter Weise ein Weg aufgezeigt, aufwendige Resonatoren zur Dämpfung von Teilschwingungen zu vermeiden. Je nach den konstruktiven Abmessungen der Wandler kann man durch Versuche bestimmen, wie die rotationsunsymmetrische Form der Lagerung ausgebildet sein soll.
- So kann es zweckmäßig sein, daß beide Lagerkörper rotationsunsymmetrische Form aufweisen und derart gegenüber der Wandlerplatte angeordnet sind, daß die Auflagebereiche einander gegenüberliegen.
- Es kann weiterhin zweckmäßig sein, daß der Lagerkörper durch einen ersten konzentrischen Ring (ringförmiger Ansatz) gebildet ist, der in einem Sektor sich in zwei Teilringe aufspaltet.
- Die Auflagebereiche können durch spitze Lager gebildet sein. Zur Dämpfung der Teilschwingungen hat es sich herausgestellt, daß es zweckmäßig ist, wenn die Auflagebereiche der Lagerkörper durch plane Flächen gebildet sind.
- Ebenso kann es zweckmäßig sein, wenn die planen Flächen unterschiedlich groß sind.
- Aus Fertigungsgründen kann es zweckmäßig sein, daß die Lagerkörper einstückig mit den Gehäuseteilen ausgebildet sind.
- Im folgenden sei die Erfindung anhand von vier Figuren näher erläutert. Es zeigen
- FIG 1 einen elektroakustischen Wandler im Schnitt
- FIG 2 einen Träger im Schnitt
- FIG 3 den Träger nach FIG 2 in Draufsicht
- FIG 4 eine graphische Darstellung des Frequenzverlaufes.
- Der in FIG 1 dargestellte Wandler weist ein Gehäuseunterteil 1 auf, in das ein Träger 2 eingesetzt ist. Über dem Träger 2 ist ein Resonatorring 3 angeordnet. Verschlossen ist das Wandlergehäuse durch eine Abdeckung 4, die Schalldurchlaßöffnungen 5 aufweist.
- Zwischen dem Träger 2 und dem Resonatorring 3 ist eine Wandlerplatte 6 angeordnet, die mit einer piezoelektrischen Schicht 7 versehen ist. Die piezoelektrische Schicht weist hier nicht gezeigte Elektroden auf, die über Bändchen oder dergleichen an Stecker (Stecker 8 gezeigt) geführt sind. Ein Helmholtzresonator 9 verbindet den Vorraum des Trägers 2 mit dem Rückraum und dient zur Dämpfung der Grundresonanz.
- Die Wandlerplatte 6 ist in ihrem Randbereich fest eingespannt. Dazu dienen Lagerkörper, die aus zylinderförmigen ringförmigen Ansätzen 10 bis 15 des Trägers 2 sowie des Resonatorringes 3 bestehen.
- Da die Ansätze in FIG 1 nur schwer erkennbar sind, wurde der Träger in eigenen Figuren dargestellt. Der Träger nach FIG 2 und 3 wurde gegenüber der Darstellung in FIG 1 um 180o gedreht dargestellt. Deutlich erkennbar sind nun die Auflagebereiche für die Wandlerplatte, die durch ringförmige zylinderförmige Ansätze gebildet sind. So ist zunächst der ringförmige Ansatz 16 erkennbar, der in der linken Bildebene sich in zwei Teilringe 17, 18 aufspaltet. Damit weist der Auflagebereich für die Wandlerplatte eine rotationsunsymmetrische Form auf.
- Ähnlich ist der Auflagebereich des Resonatorringes ausgebildet. Der Begriff des Resonatorrings wurde deshalb gewählt, da sich in ihm zwei λ/2 Resonatoren befinden können.
- In FIG 4 ist nun der Frequenzgang des Wandlers dargestellt. Die Ordinate bedeutet die Empfindlichkeit E in dB, die Abszisse die Frequenz in Hertz. Die Linien 19, 20 grenzen den Toleranzbereich ein, zwischen dem der Frequenzverlauf sich befinden soll. Die unterbrochene Linie 21 zeigt den Frequenzverlauf des Wandlers bei rotationssymmetrischer Lagerung, die geschlossene Linie 22 den Frequenzverlauf bei einer Lagerung gemäß der Erfindung. Man sieht, daß die bedämpfte Grundresonanz σ = 0 bei der Erfindung zu etwas höheren Frequenzen sich verschiebt (waagrechter Pfeil). Die Resonanz der ersten Teilschwingung σ = 1 verschiebt sich ebenfalls zu etwas höheren Werten und ist bedämpft. Die durch einen zweiten Knotenkreis gekennzeichnete Teilschwingung σ = 2 ist wesentlich bedämpft und liegt ebenfalls bei etwas höheren Frequenzen.
Claims (6)
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Auflagebereich eines Lagerkörpers eine rotationsunsymmetrische Form aufweist.
dadurch gekennzeichnet, daß beide Lagerkörper rotationsunsymmetrische Form aufweisen und derart gegenüber der Wandlerplatte angeordnet sind, daß die Auflagebereiche einander gegenüberliegen.
dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerkörper durch einen ersten konzentrischen Ring (ringförmiger Ansatz 16) gebildet ist, der in einem Sektor sich in zwei Teilringe (17, 18) aufspaltet.
dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagebereiche der Lagerkörper durch plane Flächen gebildet sind.
dadurch gekennzeichnet, daß die planen Flächen unterschiedlich groß sind.
dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerkörper einstückig mit den Gehäuseteilen ausgebildet sind.
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