Elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischer Schicht versehener Membran

Abstract

 Die Erfindung bezieht sich auf einen electroakustischen Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten Wandlermembran (10), durch die das Volumen in einen Membranvorraum (V₃, V₄) und einen Membranrückraum (V,, V₂) aufgeteilt ist. Weiterhin ist eine den Membranvorraum verschließende, mit Schalldurchlaßöffnungen (16) versehene Fassung (15) vorgesehen. Aufgabe der Erfindung ist es, Resonanzüberhöhungen oberhalb von 3500 Hz durch akustische Mittel zu unterdrücken. Gelöst wird die Aufgabe durch eine im Membranvorraum angeordnete Trennplatte (12), die Schalldurchlaßöffnungen (13) aufweist und zusammen mit der Fassung (15) und einer zwischen Fassung (15) und Trennplatte (12) angeordneten Dämpfungsscheibe (17) einen Tiefpaß bildet. Anwendbar in Piezomikrofonen der Fernsprechtechnik (Fig. 1).

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten Wandlermembran, durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum und einen MembranrUckraum aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Fassung, wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind.

[0002] Zur Erhöhung der Verständlichkeit der Sprache und zum Ausgleich des frequenzabhängigen Verlaufs der Kabeldämpfung ist es erforderlich, daß die Empfindlichkeit eines Fernsprechmikrofons im Bereich von 200 Hz bis ca. 2500 Hz mit wachsender Frequenz stetig ansteigt. Wünschenswert sind ca. 2,5 dB/Oktave.

[0003] Im Bereich von 2500 Hz bis 3500 Hz dagegen soll die Empfindlichkeit nicht weiter ansteigen, da sonst bei diesen Frequenzen Rückkopplungen zwischen Sprech- und Hörkapsel im Handapparat eines Fernsprechers möglich sind.

[0004] Weiterhin soll die Frequenzkurve oberhalb von 3500 Hz steil abfallen, um bei der trägerfrequenten Nachrichtenübertragung über Fernleitungen (Kanalbreite 4kHz) eine Störbeeinflussilmg benachbarter Kanäle zu vermeiden. Außendem soll bei zukünftigen PCM-Übertragungen (halbe Abtämfrequenz) das durch die Faltung hervorgerufene Störgeräusch im Sprachsignal unterdrückt werden

[0005] Bei den bekannten Fernsprechwandlern legt man, um hohe Empfindlichkeit zu erreichen, die Grundschwingung eines mit relativ großer Masse m_o behafteten Schwingsystems (Schwinganker, Kunststoffmembran mit Spule, Biegeplatte) in die Mitte des Fernsprechübertragungsbereiches auf ca. 1 kHz. Die Resonanzüberhöhung dieser Grundschwingung kompensiert man durch einen an das Rückvolumen angekoppelten Helmholtzresonator (Frequenz, Band 16/1962, Seite 208 bis 215).

[0006] Zur Verbreiterung des Übertragungsbereichs bis ca. 3,5 kHz nützt man Zusatzresonatoren und Oberschwingungen (DE-PS 1 961 217), insbesondere die durch einen Knotenkreis gekennzeichnete vierte Teilschwingung aus.

[0007] Da die Zusatzresonatoren und Oberschwingungen zum Teil sehr störende Resonanzüberhöhungen aufweisen, sind Maßnahmen bekannt, die störenden Einflüsse durch spezielle Lagerung der Membran (DE-PS 1 961 217, DE-AS 1 288 146) bzw. durch Ausgestaltung der Membran selbst zu unterbinden.

[0008] Weiterhin sind Versuche unternommen worden, die Resonanzüberhöhungen im Strömungsweg des Schalles zu reduzieren. So ist es bekannt, Seidengaze hinter die Einsprachelöcher der Fassung einer Mikrofonkapsel anzuordnen oder einen porösen Schaumstoff hinter die Einsprachelöcher zu legen.

[0009] Die vorgenannten Ausführungen haben jedoch folgende Nachteile: Der Dämpfungsstoff direkt hinter den Einsprachelöchern kann bei Besprechen der Kapsel beschmutzt werden. Dadurch verändert sich im Laufe der Zeit der Dämpfungswiderstand und damit der Frequenzgang und die Empfindlichkeit des Mikrofons. Weiterhin ist ein Reinigen der Mikrofonkapsel bei einem eventuellen Austausch des Fernsprechers kaum möglich. Außerdem ist das Kleben der Seide an die Innenseite der Fassung relativ aufwendig. Schließlich reichen die bekannten Dämpfungseinrichtungen hinter der Fassung meistens nicht aus, um Resonanzüberhöhungen oberhalb von 2000 Hz genügend zu dämpfen.

[0010] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, mit akustischen Mitteln eine Anordnung zur Korrektur des Frequenzverlaufs anzugeben, durch die Resonanzüberhöhungen oberhalb von 3500 Hz nahezu völlig unterdrückt werden und die es gestattet, in dem zur Übertragung bestimmten Frequenzbereich einen annähernd stetigen Übertragungsfaktor zu erzielen.

[0011] Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß im Membranvorraum zwischen Membran und Fassung eine Trennplatte angeordnet ist, daß sowohl Fassung und Trennplatte mit Schalldurchlaßöffnungen versehen sind; wobei die Schalldurchlaßöffnungen der Fassung gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte versetzt angeordnet sind, und daß im Bereich der Trennplatte dämpfende Eigenschaften aufweisende Mittel vorgesehen sind, die die Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte überdecken.

[0012] Damit wird eine ausreichende Dämpfung, insbesondere bei höheren Frequenzen, erzielt. Durch die versetzte Anordnung der Schalldurchlaßöffnungen von Fassung und Trennplatte wird ein Verschmutzen beim Besprechen des Mikrofons weitestgehend vermieden. Durch Variation der dämpfenden Eigenschaften aufweisenden Mittel kann der somit gebildete Tiefpaß den verschiedensten Wünschen angepaßt werden. So kann in gewissen Grenzen die Empfindlichkeit variiert werden, ohne an Membran oder deren Lagerung Änderungen vornehmen zu müssen. Weiterhin kann die Grenzfrequenz f_o und die Steilheit des Tiefpasses verschiede_- nen Wünschen angepaßt werden.

[0013] Es ist vorteilhaft, daß die dämpfenden Eigenschaften aufweisenden Mittel im Raum zwischen Trennplatte und Fassung und/oder im Raum zwischen Membran und Trennplatte vorgesehen sind, die diesen Bereich teilweise ausfüllen.

[0014] Dadurch muß der Schallfluß die dämpfende Eigenschaften aufweisenden Mittel erste eine größere Strecke annähernd horizontal durchdringen. Der Strömtingswiderstand wird damit genügend groß und ist damit wenig abhängig von den Materialtoleranzen.

[0015] Vorteilhafterweise können die dämpfende Eigenschaften aufweisenden Mittel durch eine in der Fassung angeordnete Dämpfungsscheibe gebildet sein. Je nach der Wahl des Materials dieser Scheibe (Durchmesser, Dicke und Porosität der Scheibe) sind somit Steilheit, Grenzfrequenz und Dämpfung variierbar.

[0016] Äußerst vorteilhaft ist es, wenn die Fassung mit einem zylinderförmigen Ansatz versehen ist, in dem die mit einer Mittenausnehmung versehene Dämpfungsscheibe lagert.

[0017] Bei Änderung der für den Wandler charakteristischen Daten braucht somit lediglich Fassung und Dämpfungsscheibe ausgetauscht zu werden, wodurch die Varianten hinsichtlich Wahl der Anzahl und/oder der Größe der Schalldurchlaßöffnungen (Durchmesser, Halslänge) der Fassung vergrößert werden. Weiterhin ist eine exakte Lagesicherung der Dämpfungsscheibe gegeben und bei der Montage ist ein Verschieben dieser Scheibe unmöglich. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß beim Auswechseln der Fassung das Schwingsystem nicht beeinträchtigt wird, da Trennplatte und Gehäuse eine kompakte Einheit bilden.

[0018] Es kann zweckmäßig sein, wenn Fassung und/oder Trennscheibe dem Volumen hinter den Schalldurchlaßöffnungen zugewandte, radial nach außen weisende Rippen aufweist. Dadurch können in einfacher Weise Zusatzresonanzen von Kunststoffteilen im Schallweg rednziert oder ausgeschlossen werden.

[0019] Im folgenden sei die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles und einer schematischen Darstellung unter Zuhilfenahme von 3 Figuren näher erläutert.

[0020] Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Wandler nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Wandlers nach Fig. 1, und

Fig. 3 die zu Fig. 2 gehörige Ersatzschaltung.

[0021] In einem Gehäuse 1 sind nacheinander folgende Teile untergebracht. Zunächst ist der Träger 2 zu nennen, der auf seiner dem Boden des Gehäuses 1 zugewandten Seite eine Schaltungsplatte 3 mit elektronischen Bauelementen trägt. An dieser Schaltungsplatte sind zwei Kontaktmesser angeordnet (Kontaktmesser 4 dargestellt), die durch Ausnehmungen 5 des Gehäuses hindurchragen, den elektrischen Anschluß nach außen bilden und den Träger 2 mit Schaltungsplatte 3 im Gehäuse festlegt. Der Träger 2 ist mit zwei Absorptionsresonatoren versehen, von denen der mit einer Seidenscheibe 7 abgedeckte Absorptionsresonator 6 dargestellt ist.

[0022] Auf dem Träger 2 ist weiterhin ein Lagerkörper 8 angeordnet, über dem eine mit einer piezokeramischen Schicht 9 versehene Wandlerplatte 10 lagert. Ein weiterer Lagerkorper 11 bildet das Gegenlager. Abgeschlosen ist das Gehäuse 1 durch eine Trennplatte 12, die untrennbar mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Trennplatte weist mehrere in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßoffnungen 13 auf. Weiterhin ist die Trennplatte auf der der Membran zugekehrten Seite mit radial nach außen verlaufenden Rippen 14 versehen.

[0023] Der so gebildete Wandler ist durch eine Fassung 15 verschlossen, die wiederum in einem Kreis angeordnete Schalldurchlaßöffnungen 16 aufweist. Diese Schalldurchlaßöffnungen sind in einem Kreis mit größerem Durchmesser als die in der Trennplatte angeordneten Schalldurchlaßöffnungen angeordnet. Zwischen Trennplatte und Fassung ist eine Dämpfungsscheibe 17 angeordnet, die in ennem zylindrischen Ansatz 18 der Fassung lagert und den Raum vor der Trennplatte teilweise ausfüllt. Dabei ist die Dämpfungsscheibe so bemessen, daß sie die Schalldurchlaßöffnungen der Trennplatte überdeckt.

[0024] Die Fig. 2 zeigt einen Wandler nach Fig. 1 in schematischer Darstellung als Mikrofon. Die mit Fig. 1 übereinstimmenden Teile sind mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.

[0025] Der Raum zwischen der abnehmbaren Fassung 15 und dem Schwingsystem 8, 9, 10, 11 wird durch eine Trennplatte 12 in zwei Räume V₃ und V₄ aufgeteilt.

[0026] Die Luftmassen m₃ und m₄ in den Öffnungen von Trennplatte und Fassung sind über die Federung c₄ des von beiden Teilen eingeschlossenen Luftvolumens V₄ gekoppelt.

[0027] Dieses akustische Schwingungsgebilde entspricht elektrisch einem als Tiefpaß wirkenden T-Glied (Fig. 3).

[0028] Die Grenzfrequenz des Tiefpasses ist an die obere Grenze des Übertragungsbereiches gelegt. Für die Grenzfrequenz gilt

wenn man die Luftmassen in den Öffnungen von Fassung und Trennplatte gleich groß annimmt

[0029] Die Federung c₄ ist in Grenzen wählbar durch das Koppelvolumen V₄ (0,5 bis 3 cm³) und durch die wirksame schwingende Fläche S_o (3,5 bis 5 cm²) der Wandlerplatte 10:

Dichte der Luft c Schallgeschwindigkeit d. Luft · c² = ₁,4₂ . ₁₀⁶ g/cm² s²

[0030] Die Luftmasse in den Kanälen

ist frei wählbar

- durch die Kanallänge

- durch den Querschnitt S_K der Kanäle

- durch die Anzahl n der Kanäle.

[0031] Gute Tiefpaß-Wirkung erreicht man mit Kanallängen ≥ 1 mm (evtl. mit Zusatzhals), was mit Kunststoff-Spritzteilef für Fassung und Trennplatte leicht realisierbar ist.

[0032] Eine Vergrößerung des Kanalquerschnittes und der Anzahl der Kanäle über ein bestimmtes Maß verringert die Tiefpaß-Wirkung: Die Übersetzung der wirksamen Massen bzw. Induktivitäten (L'₃ = L₃/u

) am Querschnittssprung (ü₃ = S_3x/S_o) wirkt hier gegenläufig.

[0033] Damit der Dämpfungsverlauf des Tiefpasses vom Durchlaßzum Sperrbereich stetig verläuft, muß die Dämpfung genügend groß sein.

[0034] Der akustische Reibungswiderstand r_3K und r₄ an den Kanalwandungen von Fassung und Trennplatte

H Strömungswiderstand der Luft (prop

) reicht hierzu meist nicht aus. Die Zusatzdämpfung r₃₂ ist hierbei durch einen porösen Schaumstoff zwischen Fassung und Trennplatte realisiert.

[0035] Die Gesamt- Dämpfung und -Masse an der Trennplatte ist dann



wobei m_3Z die Zusatzmasse der in dem porösen Material eingeschlossenen Luft darstellt.

[0036] Die Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild zu Fig. 2. Dabei bedeutet der Abschnitt A die Einsprache des Handapparates, der Abschnitt B den durch die Fassung und Trennplatte gebildeten Tiefpaß und der Abschnitt C das mechanische und akustische Schwingsystem.

Ansprüche

1. Elektroakustischer Wandler mit einer in einer Kapsel angeordneten Wandlermembran, durch die das Volumen in der Kapsel in einen Membranvorraum und einen Membranrückraum aufgeteilt ist, weiterhin mit einer, den Membranvorraum verschließenden, mit Schalldurchlaßöffnungen versehenen Fassung, wobei im Membranvorraum Mittel zur Dämpfung der Resonanzüberhöhungen vorgesehen sind, d a - durch gekennzeichnet , daß im Membranvorraum zwischen Membran (10) und Fassung (15) eine Trennplatte (12) angeordnet ist, daß sowohl Fassung (15) und Trennplatte (12) mit Schalldurchlaßöffnungen (16,13) versehen sind, wobei die Schalldurchlaßöffnungen (16) der Fassung gegenüber den Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte versetzt angeordnet sind und daß im Bereich der Trennplatte (12) dämpfende Eigenschaften aufweisende Mittel (17) vorgesehen sind, die die Schalldurchlaßöffnungen (13) der Trennplatte (12) überdecken.

2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, d a - durch gekennzeichnet, daß die dämpfenden Eigenschaften aufweisenden Mittel (17) im Raum zwischen Trennplatte (12) und Fassung (15) und/oder im Raum zwischen Membran (10) und Trennplatte (12) vorgesehen sind.

3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel durch eine in der Fassung angeordnete Dämpfungsscheibe (17) gebildet sind.

4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassung (15) mit einem zylinderförmigen Ansatz (18) versehen ist, in dem die mit einer Mittenausnehmung ver- sehene Dämpfungsscheibe lagert.

5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Fassung (15) und/oder Trennscheibe (12) dem volumen hinter den Schalldurchlaßöffnungen (13) zugewandte, radial nach außen weisende Rippen (14) aufweist.

Zeichnung