DE2914608C2

DE2914608C2 - Elektroakustischer Wandler nach dem piezoelektrischen Prinzip

Info

Publication number: DE2914608C2
Application number: DE19792914608
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Kock; Wolfgang Dipl.-Ing. Rutschke; Wolfgang Dipl.-Ing. 3002 Wedemark Rutschke
Original assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Sennheiser Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1979-04-11
Filing date: 1979-04-11
Publication date: 1983-03-31
Also published as: DE2914608A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler nach dem piezoelektrischen Prinzip gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Piezoelektrische Wandler mit einem aktiven Element aus einer piezopolymeren Folie zum Beispiel aus Polyvinylidenfluorid, gehören zum Stand der Technik. Um die piezoelektrischen Eigenschaften der Folie nutzen zu können, wird dieselbe vorzugsweise in eine gewölbte Form gebracht. In den deutschen Offenlegungsschriften 25 06 708, 25 06 709 oder 25 06 711 werden Wandler beschrieben, bei denen die mechanische Vorspannung der Folie durch ein Schaumstoffpolster mit geeigneter Form erzielt wird. Auch die freie Spannung in Form eines Sattels mittels geeigneter Spannrahmen ist zum Beispiel durch die deutsche Offenlegungsschrift 25 08 556 bekanntgeworden. Allen diesen Wandlern ist gemeinsam, daß die piezoelektrische Folie als Membran direkt an das Schallfeld angekoppelt ist.

Diesen Wandlern sind erhebliche Nachteile zu eigen, die daher rühren, daß die Vorspannung der Membran durch ihre eigenen Eigenschaften oder die des Schaumstoffpolsters bedingt sind. Diese Folien bzw. Schaumstoffe sind bekannterweise stark temperatur- und/oder feuchteabhängig, wodurch die akustischen Eigenschaften der Wandler stark streuen und auch zeitlichen Veränderungen unterliegen. Durch die Formgebung der Membran treten Partialschwingungen auf, die Form selber ändert sich bei Steife- und Längenänderung des Folienmaterials, so daß eine klangtreue Übertragung über einen längeren Zeitraum nur schwer zu erreichen ist.

Ein wesentlicher Nachteil liegt auch darin, daß das schallübertragende Medium direkt an dit Folie angekoppelt ist und somit deren Eigenschaften stark beeinfluGt.

Es liegt daher nahe, das elektrisch aktive Piezoelement indirekt durch eine an das Schallfeld angekoppelte Membran anzutreiben. Solche Wandler, insbesondere mit piezokeramischen Elementen, sind seit langem bekannt. Auch der indirekte Antrieb von piezoelektrischen Folien ist bereits in der GB-PS 13 83 078 beschrieben. Wandler nach dieser britischen Patentschrift weisen jedoch ebenfalls erhebliche Nachteile auf, die durch die Art der Kopplung von Membran und elektrisch aktivem Element unter Vernachlässigung der elektromechanischen Anpassung bedingt sind. Die membranmittige Kopplung behindert die Membran im freien Schwingen und das Folienelement vibriert nur maximal auf der Amplitudenweite der Membran, wodurch der Wirkungsgrad der Anordnung ungenügend ist.

Hier setzt nun die Erfindung ein, indem sie einen Weg aufzeigt, die Nachteile der beschriebenen Wandlersysteme zu vermeiden. Aufgabe ist es, einen Wandler derart zu schaffen, daß im Wandlungsprozeß auf das piezoelektrische Element nur Zugkräfte ausgeübt werden und der Wandlungsvorgang einen höheren elektromechanischen Wirkungsgrad erhält.

Bei einem elektroakustischen Wandler der obengenannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltung eines Wandlers nach

der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nachfolgend wird ein erfindungsgemäßer Wandler an

Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben, wobei

F i g. 1 ein Wandler im Querschnitt und in den
Fig.2 + 3 Einzelheiten von zweckmäßigen Ausbildungsformen der Membran gezeigt sind.

In der Fig. la ist ein Wandler nach der Erfindung im Querschnitt dargestellt. Ein Wandlergehäuse 1 ist durch eine mit Schalleinlaß- oder Austrittsöffnungen 3 versehene Platte 2 abgeschlossen. Eine Membran 4, die vorzugsweise aus Metallblech besteht, ist in den

Lagerringen 5 und 6 gelagert. Die Ausbildung der Lager ermöglicht eine Biegeschwingung der angeregten Membran. Diese Membran 4 schließt ein Volumen 7 ab, dessen Größe die akustischen Eigenschaften des Wandlers mit bestimmt. In diesem Volimen ist vor Umwelteinflüssen geschützt als aktives Element des Wandlers eine Folie 8 mit piezoelektrischen Eigenschaften, zum Beispiel aus Polyvinylidenfluorid, angeordnet. Über die Übertragungsglieder 9 und 10 wird auf die Folie 8, die im einfachsten Fall ein Folienstreifen sein kann, bei Vibration der Membran 4 eine Zugkraft ausgeübt, die zur Erzeugung einer elektrischen Spannung führt Diese Spannung wird in bekannterweise über metallbedampfte Oberflächen der Folie abgeleitet. Da diese Technik als bekannt vorausgesetzt werden kann, sind Einzelheiten der elektrischen Spannungszuführung hier nicht gezeigt und beschrieben.

Umgekehrt kann der Folie auch eine Signalspannung zugeführt werden. Die hierdurch in der Folie auftretenden Zugkräfte bewirken über die Übertragungsglieder eine Durchbiegung der Membran und dadurch eine Schallabstrahlung.

Einzelheiten der Einspannjng der Membran und der Kopplung mit der piezoelektrischen Folie sind in vergrößertem Maßstab in Fig. Ib gezeigt Hier ist dargestellt, wie durch die Hebelwirkung der Übertragungsglieder, von denen hier nur das Übertragungsglied 9 gezeichnet ist, bei Ausbiegung der Membran 4 eine Zugkraft auf die Folie 8 ausgeübt wird. Durch eine geeignete Bemessung der Höhe Λ der Übertragungs- ίο glieder wird die Impedanz der piezoelektrischen Folie näherungsweise der Impedanz angeglichen, die durch die Membran mitsamt dem angekoppelten, schalleitenden Medium gebildet wird. Durch diese Maßnahme kann der Wandlungs-Wirkungsgrad optimal eingestellt J5 werden. Die Zugkräfte werden in Richtung der piezoelektrischen Vorzugsrichtung der Folie eingeleitet und ergeben ohne eine weitere Verformung der Folie die maximal mögliche Ausgangsspannung, sofern der Wandler als Mikrofon betrieben wird.

Die Vorteile des Wandlers liegen bei Verwendung einer Metallmembran darin, daß die an sich schlechten thermischen Eigenschaften der piezoelektrischen Folie weitestgehend eliminiert werden. Weiterhin befindet sich die Folie geschützt in einem durch die Membran abgeschlossenen Volumen, welches durch die Anordnung der Folie sehr flach gehalten und somit akustisch gut angepaßt werden kann.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Membran für einen Wandler nach der Erfindung dargestellt. In der Aufsicht ist eine kreisrunde Membran 4 mit den Übertragungsgliedern 9 und 10 gezeigt, zwischen denen ein piezoelektrischer Folienstreifen 8 gespannt ist. Die piezoelektrische Vorzugsrichtung ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Durch die Anordnung von mehreren Folienstreifen, die elektrisch in Reihe geschaltet sein können, kann der Wirkungsgrad des Wandlers gesteigert werden. Die Übertragungsglieder 9 und 10 bzw. weitere Paare befinden sich zweckmäßigerweise in der Nähe der Einspannlinie 11.

Eine Weiterbildung dieses Wandlers führt zu der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform einer Membran, bei der die Übertragungsglieder aus einer Vielzahl von in die Membran geprägten Sicken 12 bestehen, über die eine Folie gespannt ist. Wird das vorzugsweise ebenfalls kreisrunde Folienstück aus einem Folienmaterial mit piezoelektrischer Vorzugsrichtung gestanzt, so kann eine piezoelektrische Wirkung nur in einem bestimmten Bereich erwartet werden. Die Montage ist jedoch stark vereinfacht, da beim Aufbringen des Folienstückes auf die Übertragungsglieder nicht auf die Vorzugsrichtung geachtet werden muß.

Ein besonders hoher Wirkungsgrad wird jedoch erzielt, wenn das piezoelektrische Folienstück durch geeignete Reckung vom Mittelpunkt aus eine radiale Vorzugsrichtung erhält, wie durch die Pfeile 13 in der F i g. 3 angegeben ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1
Patentansprüche:

I. Elektroakustischer Wandler nach dem piezoelektrischen Prinzip zur Wandlung von sich in fluiden oder festen Medien ausbreitenden Schalls in elektrische Signale oder umgekehrt, bei welchem eine elektrisch inaktive Membran mittels Übertragungselemente an ein piezoelektrisches Element, welches aus einer Folie mit piezoelektrischen Eigenschaften besteht, gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die durch das schallübertragende Medium angeregte Membran als Biegeschwinger eingespannt und mit der piezoelektrischen Folie über mechanische Übertragungselemente indirekt derart gekoppelt ist, daß die Übertragungselemente einerseits mit ihrem einen Ende in der Nähe der Einspannlinie der Membran angesetzt sind und andererseits zwischen ihren anderen Enden eine irrt wesentlichen reine Zugkraft auf die piezoelektrische Folie in Richtung ihrer piezoelektrischen Vorzugsrichtung ausgeübt wird, und daß mit dem durch die mechanischen Übertragungselemente bedingten Übersetzungsverhältnis die Impedanz der piezoelektrischen Folie näherungsweise der durch die Membran und das angekoppelte Medium gebildeten Impedanz angeglichen ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Übertragungselemente entgegengesetzt in der Nähe der Einspannlinie der Membran angeordnet sind und eine streifenförmige JO piezoelektrische Folie zwischen den Übertragungselementen in Richtung der piezoelektrischen Vorzugsrichtung gespannt ist.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Übertragungselemente paarweise einander entgegengesetzt in der Nähe der Einspannlinie der Membran angeordnet sind und eine entsprechende Anzah! von piezoelektrischen Folienstreifen einander kreuzend, jedoch elektrisch voneinander isoliert, in Richiung ihrer piezoelektri- « sehen Vorzugsrichtung zwischen den Übertragungselementen gespannt sind.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente kreisförmig in Nähe der Einspannlinie der Membran angeordnete und aus dem Membranmaterial geprägte Sicken sind, über welche eine der Form der Membran entsprechende piezoelektrische Folie mit beliebiger Vorzugsrichtung gespannt ist.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungselemente kreisförmig in Nähe der Einspannlinie der Membran angeordnete und aus dem Membranmaterial geprägte Sicken sind, über welche eine der Form der Membran entsprechende piezoelektrische Folie gespannt ist, deren piezoelektrische Vorzugsrichtung radial gerichtet ist.