DE2148704A1 - Schallerzeuger - Google Patents

Description

86l3-7l/Kö/S
Convention Date:
October 1, I97O

Nittan Company Limited, Tokyo, Japan

Schallerzeuger

Die Erfindung betrifft einen Schallerzeuger mit einer Membrane und einem daran befestigten piezoelektrischen elektromechanischen Wandlerelement.

Es sind verschiedene Ton- oder Schallerzeuger mit piezoelektrischen Schwingerelementen bekannt, die jedoch mit einem schlechten Wirkungsgrad arbeiten und für Alarmvorrichtungen oder dergl. Geräte, von denen eine starke Schallabgabe verlangt wird, nahezu unbrauchbar sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Schallerzeuger mit piezoelektrischem Schwinger zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, jedoch mit hohem Wirkungsgrad und verbesserter Schallverstärkung arbeitet.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Schallerzeuger der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane im Bereich eines ihrer Schwingungsknotenkreise abgestützt ist und daß eine becherförmige zylindrische Resonanzkammer mit einem dem Durchmesser dieses Schwingungsknotenkreises im wesentlichen gleichen Durchmesser so angeordnet ist, daß der Rand ihrer Wandung mit diesem Schwingungsknotenkreis zusammenfällt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung im

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einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallerzeugers;

Figur 2 ein der Erläuterung der Wirkungsweise des Schallerzeugers nach Figur 1 dienendes Diagramm;

Figur3 eine schematische Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallerzeugers;

Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallerzeugers;

^ Figur 5 eine schematische Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallerzeugers; und

Figur 6 ein der Erläuterung der Wirkungsweise des Schallerzeugers nach Figur 5 dienendes Diagramm.

In den verschiedenen Figuren sind einander entsprechende Bauteile jeweils mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet.

Der in Figur 1 gezeigte Schallerzeuger hat ein scheibenförmiges elektromechanxsches Wandlerelement 1 aus piezoelektrischem Material wie Bariumtitanat, auf dessen beiden Stirnflächen je eine Elektrode 2 bzw. 3 befestigt ist. Die Elektrode 2 besteht aus einer dünnen runden Metallplatte, die viel größer ist als das ^ Wandlerelement 1, so daß sie als Membrane des Tonerzeugers diert. Natürlich kann aber die Membrane auch als getrennter Körper ausgeführt sein und ferner aus einem anderen Material wie z.B. Kunstharz bestehen.

Wird zwischen die Elektroden 2 und 3 ein tonfrequentes Wechselstromsignal entsprechender Frequenz gelegt, so gerät die Membranelektrode 2 in Schwingung, wie durch die gestrichelten Kurven im oberen Teil der Figur angedeutet, wobei sich auf der Membrane 2 ein Schwingungsknotenkreis 11 ausbildet.

Der Schallerzeuger hat ferner eine becherförmige zylindrische Resonanzkammer 5 mit einem Resonanzhohlraum j>i, und die Membrane ist durch eine Anzahl von Stützkanten 4 auf dem offenen Ende der Resonanzkammer 5 am Schwingungsknotenkreis 11 oder in dessen Nähe

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abgestützt. Obwohl durch mehrere zugespitzte Kanten 4 abgestützt, ist die Membrane 2 im übrigen vom Ende der Resonanzkammer 5 durch einen Spalt G von vorzugsweise ungefähr 1,5 mm getrennt. Aus der Zeichnung ist deutlich zu ersehen, daß der Durchmesser D des Resonanzhohlraums JjU i* wesentlichen gleich dem Durchmesser des Schwingungsknotenkreises 11 sein sollte, während jedoch seine Tiefe H experimentell ermittelt werden muß. Figur 2 zeigt das Resultat experimenteller Messungen der Schall- oder Lautstärke in Abhängigkeit von der Tiefe H eines Resonanzhohlraums _5_1. mit einem Durchmesser von 32 Millimetern. Dabei wurden eine metallische Membrane mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 0,5 mm, ein piezoelektrisches Wandlerelement mit einem Durchmesser von 36 mm undeLner Dicke von 0,5 mm sowie eine Erregerfrequenz von 2,6 KHz verwendet. Wie das Diagramm zeigt, lag das Maximum der erhaltenen Lautstärke bei ungefähr 10 mm Tiefe. Die optimale Tiefe hängt von verschiedenen Faktoren ab. Beispielsweise bei einem Membranendurchmesser von 70 mm, einem Resonanzhohlraumdurchmesser von 46 mm und einer Erregerfrequenz von 1,0 KHz betrug die optimale Tiefe

Um den besten Wirkungsgrad zu erzielen, muß der Durchmesser der Membrane richtig gewählt werden. Auf experimentellem Wege wurde gefunden, daß der Durchmesser D des Resonanzhohlraums jj[l_ 65 % + 1 % des Durchmessers der Membrane 2 betragen sollte.

Es wurde gefunden, daß der Wirkungsgrad des Schallerzeugers nach Figur 1 dadurch noch verbessert werden kann, daß man die Resonanzkammer 5 mit einem zusätzlichen Resonanzhohlraum 52, der konzentrisch zum ursprünglichen Resonanzhohlraum j[! angeordnet ist, versieht, wenn die Schwingung einen Sekundärknoten hat, wie durch die gestrichelten Kurven im oberen Teil von Figur 3 angedeutet. In Figur 3 hat die Schwingung zwei Knotenkreise 11 und 12, und es wurde gefunden, daß der maximale Wirkungsgrad dann erhalten wird, wenn die zylindrischen Wandungen der beiden Resonanzhohlräume _5_1. und j[2_ so angeordnet sind, daß sie mit den Schwingungsknotenkreisen 11 bzw. 12 zusammenfallen. Die optimalen Prozentverhältnisse der Durchmesser Dl und D2 der Resonanzhohlräume _<5_1. und j£ zum Durchmesser der Membrane 2 betragen, wie auf experimentellem Wege ermittelt wurde, ungefähr 47 % bzw. 90 %. Wie bei der Ausführungs-

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form nach Figur 1 müssen die Tiefen der beiden Resonanzhohlräume experimentell ermittelt werden.

Nach dem gleichen Prinzip kann der Schallerzeuger auch für Schwingungen mit mehrfachem Wellentyp ausgebildet werden. Beispielsweise zeigt Figur 4 eine Abwandlung des Schallerzeugers nach Figur 3 für Schwingungen vom Dreifach- oder Tertiärtyp mit drei Schwingungsknotenkreisen 11, 12 und 13, wie im oberen Teil der Figur angedeutet. Der Schallerzeuger hat eine Resonanzkammer mit drei Resonanzhohlräumen J[I^ _5_2 und j>3_, die konzentrisch zueinander so angeordnet sind, daß ihre zylindrischen Wandungen jeweils mit den entsprechenden Schwingungsknotenkreisen 11, 12 bzw. 13 zusammenfallen.

Figur 5 zeigt eine spezielle Abwandlung des Schallerzeugers nach Figur 1, wobei das piezoelektrische Wandlerelement 1, die Elektroden 2 und 3 und die Resonanzkammer 5 im wesentlichen gleich artig ausgebildet und angeordnet sind wie in Figur 1, jedoch der Boden der Resonanzkammer 5 offen und im Abstand von einer Reflektorplatte 8 überdeckt ist. Die Reflektorplatte 8 ist durch ein geeignetes Trägerteil 9 gehaltert, wie gestrichelt angedeutet, und hat vorzugsweise einen Durchmesser, der etwas größer ist als der des Resonanzhohlraums 51«

Das Diagramm nach Figur 6 gibt das experimentell erzielte Resultat wieder, indem es die dem Wirkungsgrad des Schallerzeugers ^ entsprechende Lautstärke in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der Reflektorplatte 8 und dem offenen Ende der Resonanzkammer 5 zeigt. Wie man sieht, wird der maximale Wirkungsgrad bei einem Abstand von ungefähr 15 bis 20 mm erhalten und beträgt die Steigerung des Wirkungsgrades in der Größenordnung von 10 %. Der Wirkungsgrad kann dadurch noch weiter verbessert werden, daß man eine gegen die Reflektorplatte 8 gewandte zweite Reflektorplatte 10 vorsieht. Die Reflektorplatte 10 kann vorzugsweise auch als Frontplatte des Gehäuses des Schallerzeugers verwendet werden»

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Claims (3)

_5_ 2U8704 Patentansprüche

1.) Schallerzeuger mit einer Membrane und einem daran befestig ten piezoelektrischen elektromechanischen Wandlerelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (2) im Bereich eines ihrer Schwingungsknotenkreise (11, 12, 13) abgestützt ist und daß eine becherförmige zylindrische Resonanzkammer (5) mit einem dem Durchmesser dieses Schwingungsknotenkreises im wesentlichen gleichen Durchmesser so angeordnet ist, daß der Rand ihrer Wandung mit diesem Schwingungsknotenkreis zusammenfällt.

2. Schallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Resonanzkammer (5) offen ist und im Abstand vom offenen Ende der Resonanzkammer eine gegen dieses offene Ende gewandte Reflektorplatte (8) angeordnet

3. Schallerzeuger mit einer Membrane und einem daran befestigten piezoelektrischen elektromechanischen Wandlerelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (2) im Bereich eines ihrer Schwingungsknotenkreise (11, 12, 13) abgestützt ist und daß eine zylindrische Resonanzkammer (5) vorgesehen ist, die aus mehreren Resonanzhohlräumen (51, 52, 53) besteht, deren zylindrische Wandungen konzentrisch zueinander angeordnet sind und Durchmesser haben, die im wesentlichen gleich den Durchmessern der entsprechenden Schwingungsknotenkreise sind, wobei die Resonanzkammer so angeordnet ist, daß die Wandungen der Resonanzhohlräume mit den entsprechenden Schwingungsknotenkreisen zusammenfallen.

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