DE3531325A1

DE3531325A1 - Piezoelektrische schwingkoerper und mit denselben ausgestatteter lautsprecher

Info

Publication number: DE3531325A1
Application number: DE19853531325
Authority: DE
Inventors: Kanesuke Kawasaki Kanagawa Kishi
Original assignee: Sawafuji Dynameca Co Ltd
Current assignee: Sawafuji Dynameca Co Ltd
Priority date: 1984-09-05
Filing date: 1985-09-02
Publication date: 1986-05-07
Also published as: GB8521410D0; US4654554A; GB2166022A; FR2569931A1

Description

Piezoelektrische Schwingkörper und mit denselben ausgestatteter Lautsprecher

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Schwingelement oder einen Schwingkörper mit einer piezoelektrischen Schwingplatte oder Membran, die für elektroakustische Wandler benutzt wird, und bezieht sich auch auf einen piezoelektrischen, elektroakustischen Wandler, der mit einem solchen piezoelektrischen Schwingkörper versehen ist.

Unter den vielen neuen keramischen Massen gilt besonderes Interesse einer piezoelektrischen Schwingplatte oder Membran aus einem hoch piezoelektrischen keramischen Werkstoff, dessen Piezowirkung sich für die elektromechanische oder mechanisch-elektrische Wandlung besonders gut eignet. Bekannte piezoelektrische Schwingkörper bestehen häufig aus einem dünnen Metallblech, welches an einer oder beiden Seiten mit einer piezoelektrischen Schicht versehen ist, die aus einer runden, dünnen Scheibe im Durchmesser von 20 bis 30 mm aus hoch piezoelektrischer Keramik besteht, die beispielsweise aus Zirkon, Bleititanat etc. zusammengesetzt ist und eine Elektrodenoberfläche zur Polarisierung hat.

Die grundlegende Bewegung eines dreilagigen piezoelektrisehen Schwingkörpers 1, der als bimorph bezeichnet wird, ist im Schnitt in Fig. 12 dargestellt. Wenn zwischen den Elektrodenoberflächen piezoelektrischer Plättchen 2a und 2b und eines Metallblechs 3 eine Signalspannung e angelegt wird, treten an den piezoelektrischen Plättchen 2a und 2b Expansions- und Kontraktionsspannungen in entgegengesetzter Richtung auf, die in Scherspannungen umgewandelt werden, welche zwischen den piezoelektrischen Plättchen und dem

Metallblech 3 wirken und eine Schwingbewegungskraft F in vertikaler Richtung hervorrufen.

Wenn der Schwingkörper 1 an seiner Außenkante an einem Anlenkungspunkt 4 abgestützt wird, entsteht ein Schwingungstyp der sogenannten konvexen Linsenform, bei dem der mittlere Bereich mit der maximalen Amplitude schwingt. Der durch diese Schwingbewegungskraft F erzeugte Schall kann in piezoelektrischen Summern, Glocken, Klingeln usw. genutzt werden. Andererseits kann der piezoelektrische Schwingkörper 1 auch zur Herstellung eines kleinen Lautsprechers oder dgl. verwendet werden, wobei er, wie in Fig. 13 gezeigt, in ein Gehäuse 6 eingebaut und in der Mitte mit dem Scheitelpunkt eines Schallabstrahlers 5 antriebsmäßig verbunden wird.

Es ist bekannt, daß piezoelektrische Keramiken einen Elastizitätsmodul haben, der im wesentlichen mit dem eines Quarzkristalls vergleichbar ist (E = 83x10⁹ (N/m²)). Der durch den Schichtaufbau dünner Scheiben auf dem Metallblech 3 erhaltene piezoelektrische Schwingkörper 1 zeichnet sich in seinen physikalischen Eigenschaften durch reduzierten Innenverlust und einen hohen Q-Wert aus (Resonanzempfindlichkeit) . Er hat eine scharfe Resonanzspitze und seine Resonanzfrequenz f_Q liegt insgesamt in einem hochfrequenten Bereich von ca. 2 bis 5 kHz. Da Keramik zerbrechlich und nicht leicht zu dünnen Plättchen zu formen ist, ist es schwierig und unwirtschaftlich, die Resonanzfrequenz f» zu reduzieren.

Bei einer Untersuchung der Schwingungserscheinung des piezoelektrischen Schwingkörpers 1 in der Nähe des Resonanzpunktes zeigt sich, wie in Fig. 14 dargestellt, daß im Steifheitsbewegungsbereich an der niederfrequenten Seite der Resonanzspitze f,,- die Kurve der Amplitude d.. konstant und im Beharrungsbewegungsbereich an der hochfrequenten Seite die Kurve der Schwinggeschwindigkeit V₁ konstant ist.

Fig. 15 ist ein Ersatzschaltbild des in Fig. 13 gezeigten kleinen Lautsprechers. Der piezoelektrische Schwingkörper 1 hat mechanische Impedanzen z. und z_Q und einen kegelförmigen Schallabstrahler 5, die in Reihe geschaltet sind. Dabei ist die Impedanz Z₁ viel größer als z„. Daraus ergibt sich, daß die Geschwindigkeit v_Q im kegelförmigen Schallabstrahler 5 völlig von der Impedanz Z₁ bestimmt ist, was eine Bewegung des Schallabstrahlers 5 ähnlich der Darstellung in Fig. 14 hervorruft.

Wenn ein akustischer Strahler einen konstanten Schalldruck innerhalb einer bestimmten Bandbreite im freien Raum abgeben soll, ist es gemäß der .Akustiktheorie grundsätzlich erforderlich, daß der Schallabstrahler mit konstanter Geschwindigkeit schwingt. Bei dem in Fig. 13 gezeigten bekannten, kleinen Lautsprecher ergibt sich hinsichtlich der Kurven des abgestrahlten Schalldrucks ein verhältnismäßig hoher Schalldruck an der hochfrequenten Seite des Resonanzpunktes f₀, während der abgegebene Schalldruck an der niederfrequenten Seite mit der Frequenz stark abfällt. Da der Resonanzpunkt fq des piezoelektrischen Schwingkörpers 1, wie gesagt, bei ca. 2 bis 5 kHz liegt, ist der Ton des erzeugten Schalls schwach. Das liegt daran, daß nur der hochfrequente Bereich stark vertreten ist, während der niederfrequente Bereich schwach ist. Da die piezoelektrischen Plättchen 2a und 2b außerdem einen hohen Q-Wert haben, ist der Resonanzpunkt f_Q einer ausgeprägten Resonanzspitze zugeordnet, und bei den häufig auftretenden hohen harmonischen Deformationskomponenten ist das Ansprechen unregelmäßig, und das Niveau des abgegebenen Schalldrucks sinkt in den mittleren und niederen Frequenzbereichen. Der so aufgebaute Lautsprecher ist nicht allgemein verwendbar. Um diese Nachteile zu vermeiden, ist vorgeschlagen worden, einerseits den Resonanzpunkt f« bei Verwendung eines speziellen, großen piezoelektrischen Schwingkörpers zu reduzieren und andererseits auf der Oberfläche der piezoelektrischen Plättchen 2a und 2b oder in der Nähe des Anlenkungspunktes 4 ein viskoelastisches Harz aufzutragen, um

dadurch den Q-Wert abzusenken. Das sind jedoch wenig wirksame Mittel, denn ζ.. ist zu hoch und der Resonanzpunkt f_Q1 liegt in der Nähe der Obergrenze des Hörbereichs (3 bis 5 kHz). Mit herkömmlichen Mitteln ist keine freie Steuerung möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, unter Verwendung einer normalen piezoelektrischen Schwingmembran, die verhältnismäßig klein und leicht herzustellen ist, einen piezoelektrischen Schwingkörper zu schaffen, bei dem die Schalldruckabgabe im niederfrequenten Bereich erhöht und der Schalldruck flach ist. Aufgabe der Erfindung ist auch die Schaffung eines piezoelektrischen Wandlers mit einem piezoelektrischen Schwingkörper, dessen Schalldruckabgabeniveau mit dem eines herkömmlichen Wandlers mit Permanentmagnet und beweglicher Spule vergleichbar ist, dessen akustische Eigenschaften im hörbaren Wiedergabebereich zufriedenstellend sind, ohne daß schädliche Spitzen auftreten, und der außerdem dünn und flach und leicht an Gewicht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es auch, einen piezoelektrischen Lautsprecher zu schaffen, der einen großen Einsatzbereich hat und eine Vielzahl piezoelektrischer Schwingkörper sowie einen kegelförmigen akustischen Abstrahler aufweist, mit dessen Oberseite die Schwingkörper über entsprechende Verbinder so verbunden sind, daß die durch eine Unterteilung des Wiedergabebereichs erhaltenen Schwingbewegungskräfte einander überlagert werden.

Dazu wird gemäß der Erfindung ein piezoelektrischer Schwingkörper geschaffen, bei dem in der Nähe des Schwerpunktes einer piezoelektrischen Schwingmembran über eine viskoelastische Schicht ein Gewicht so angebracht ist, daß die Schwingbewegungskraft bzw. die Verlagerung der piezoelektrischen Schwingmembran im wesentlichen an der Außenkante abgenommen wird.

Gemäß der Erfindung wird auch ein piezoelektrischer Lautsprecher geschaffen, der eine Vielzahl piezoelektrischer Schwingkörper aufweist, die an ihren Umfangskanten über Verbinder miteinander verbunden sind und von denen einer an seiner Umfangskante unmittelbar mit einem Schallabstrahler verbunden ist, um diesem eine Schwingbewegungskraft im wesentlichen im hochfrequenten Bereich zu vermitteln, während die benachbarten übrigen Schwingkörper eine zur Aufteilung mittlerer und niederfrequenter Bereiche geeignete Schwingbewegungskraft zum Erregen erzeugen.

Im folgenden ist die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild, in welchem die variable Impedanz Z₂ gemäß Fig. 1 in Form paralleler Elemente für eine Beharrungsmasse m₂ und viskoelastische Widerstände C₂ und r2 dargestellt ist; Fig. 3 eine Darstellung des Grundaufbaus eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung; Fig. 4 ein Kurvendiagramm des in Fig. 3 gezeigten piezoelektrischen Schwingkörpers;

Fig. 5a bis 5f Ansichten verschiedener Ausführungsbeispie-Ie piezoelektrischer Schwingkörper, bei denen jeweils ein Gewicht über eine viskoelastische Schicht mit einer piezoelektrischen Schwingmembran verbunden ist;

Fig. 6a und 6b Ansichten weiterer Ausführungsbeispxele von piezoelektrischen Schwingkörpern gemäß der Erfindung, bei denen zwischen einem Gewicht oder einer piezoelektrischen Schwingmembran und einem Befestigungsglied ein Polster eingeschoben ist; Fig. 7 eine Draufsicht auf eine piezoelektrische Schwingmembran, die längs ihres Umfanges durch Schlitze unterteilt ist;

Fig. 8 bis 10 Beispiele elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischen Schwingkörpern gemäß der Erfindung ;

Fig. 11a und 11b einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf weitere Ausführungsbeispiele elektroakustischer Wandler mit piezoelektrischen Schwingkörpern gemäß der Erfindung;

Fig. 12 eine Beispieldarstellung der Grundbewegung einer piezoelektrischen Schwingmembran; Fig. 13 eine Darstellung eines kleinen Lautsprechers mit der in Fig. 12 gezeigten piezoelektrischen Schwingmembran;

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Bewegung der piezoelektrischen Schwingmembran gemäß Fig. 12; Fig. 15 ein Ersatzschaltbild des Lautsprechers gemäß Fig. 13;

Fig. 16 eine graphische Darstellung der Bewegungen des Lautsprechers gemäß Fig. 13;

Fig. 17 einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Lautsprecher mit einer Vielzahl piezoelektrischer 0 Schwingkörper;

Fig. 18 und 19 graphische Darstellungen der an die Schwingkörper im Lautsprecher gemäß Fig. 17 angelegten Signalspannungen und des synthetisch zusammengesetzten Schalldrucks der Schwingkörper; Fig. 20 ein Ausführungsbeispiel einer Verbindungsschaltung zum Erzeugen der an die piezoelektrischen Schwingkörper des Lautsprechers gemäß Fig. 17 anzulegenden Signalspannungen;

Fig. 21A einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Schwingkörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung;

Fig. 21B eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 21A zur Darstellung des Schwingungstyps desselben;

Fig. 22 eine graphische Darstellung der Frequenzgangkurven des piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß Fig. 21A im Vergleich zu denen eines herkömmlichen Schwingkörpers;

Fig. 23A ein weiteres Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Schwingkörpers zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung ;

Fig. 23B eine Ansicht der Rückseite des in Fig. 23A gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. 24A eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Trichter-Lautsprechers aus einem piezoelektrischen Schwingkörper zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung; Fig. 24B eine Ansicht der Rückseite des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 24A;

Fig. 25A und 25B einen Schnitt bzw. eine Draufsicht auf einen bekannten piezoelektrischen Schwingkörper;

Fig. 26 eine graphische Darstellung des durch die Stehwelle des piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß Fig. 25A entstehenden Frequenzganges;

Fig. 27 bis 29 perspektivische und geschnittene Ansichten der in einem weiteren Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Schwingkörpers verwendeten Teile; Fig. 30 einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Schwingkörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;

Fig. 31 und 32 Ersatzschaltbilder des piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß Fig. 30 und eines Teils desselben;

Fig. 33 einen Schnitt durch einen piezoelektrischen, kegelförmigen Lautsprecher mit dem in Fig. 30 dargestellten Schwingkörper;

Fig. 34 und 35 einen Schnitt bzw. eine graphische Darstellung des Schwingungstyps des in Fig. 30 gezeigten piezoelektrischen Schwingkörpers;

Fig. 36 eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Erfindung ist mit dem Schwingungstyp oder Schwingverhalten einer piezoelektrischen Schwingplatte oder Schwingmembran verwirklicht. Die Geschwindigkeit und Amplitude eines solchen Schwingkörpers 1 am Außenumfang hat die Min-

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destwerte beim Modus der konvexen Linse und die Höchstwerte beim Modus der konkaven Linse. Es ist experimentell nachgewiesen, daß ein solcher Schwingungsmodus verhältnismäßig einfach mit Hilfe einer veränderlichen Impedanz z₂ steuerbar ist, wobei an der Stelle des Schwerpunktes eine Belastung aufgebracht wird.

Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Schwingsystems mit einer veränderlichen Impedanz z₂ gemäß der Erfindung. Diese veränderliche Impedanz Z₂ ist zwischen Punkten a und b eingesetzt, die zwischen z- und z_Q festgelegt sind, und dient als Last oder Verbraucher, um eine Geschwindigkeit v~ so gleichbleibend wie möglich zu halten, die durch eine Schwingbewegungskraft E₁ in die Last 2_Q eingeht. Die Schwingbewegungskraft wird im Verhältnis zu einer durch sequentielle Änderung der Reaktanz entsprechend der Schwingfrequenz aufgedrückte Signalspannung e induziert.

In Fig. 2 ist z₂ in Form paralleler Elemente einer Beharrungsmasse iru und viskoelastischer Widerstände C₂ und r₂ ausgedrückt, und die Impedanz kann insgesamt in einem Bereich liegen, der durch den Ausdruck Z₁ >> z_Q <_ Z₂ festgelegt ist, obwohl sie je nach den erforderlichen Bedingungen, beispielsweise nach Betriebsbereich, Wandlerempfindlichkeit und dgl. unterschiedlich sein kann.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel in Form eines piezoelektrischen Sohwingkörpers 10, der einen einfachen Aufbau hat und bei dem ein Gewicht 8 (nu) der Beharrungsmasse m₂ mit der Stelle oder in der Nähe der Stelle des Schwerpunktes einer piezoelektrischen Schwingmembran 1 über viskoelastische Schichten 7 (c₂, r₂) verbunden ist. Die Membran oder Platte besteht insgesamt aus einer Scheibe, die als bimorph oder unimorph bezeichnet wird und bei der piezoelektrische Plättchen 2a und 2b schichtartig an einer oder beiden Seiten eines Metallblechs 3 vorgesehen sind.

Wenn zwischen den Elektrodenflächen der Plättchen 2a und 2b und des Metallblechs 3 eine Signalspannung e angelegt wird, bewegt sich der Außenumfang 9. Im niederfrequenten Bereich von höchstens 500 Hz ist die piezoelektrische Schwingmembran im mittleren Bereich stark festgehalten und bewegt sich gemäß dem konkaven Linsentyp, wobei der Außenumfang 9 mit der größtmöglichen Amplitude schwingt, da Z₂ als Massenreaktanz wirkt (nu in Fig. 2) . Im mittleren Frequenzbereich von 500 Hz bis 3 kHz nähern sich die viskoelastischen Widerstände C₂, r₂ und die Beharrungsmasse nu einem gleichen Wert an, wobei z- eine relative Steigerung erfährt und das Festhalten allmählich aufgehoben wird, so daß die Tangente der Schwingung sich zum Außenumfang hin bewegt, was zu einer Amplitude mittlerer Größe führt. In einem 3 kHz nicht unterschreitende^ hochfrequenten Bereich verhält sich z₂ im wesentlichen wie der elastische Widerstand c_ und der viskose Widerstand r₂, wodurch das Festhalten weiter beträchtlich aufgehoben wird und der Schwingungsmodus in den konvexen Linsentyp übergehen kann.

Am Resonanzpunkt f^-, erzeugt der viskose Widerstand r₂ eine Bremswirkung, die die Ausbildung jeglicher Resonanzspitze verhindert. In Fig. 4 sind die Schwingungstypen und die Änderungen der veränderlichen Impedanz Z₂ an drei einzelnen Frequenzpunkten f_Q0> f¹Q₁ und f_Q- gezeigt, wobei f_QQ der Resonanzpunkt eines Schallabstrahlers ist, f'.. der Resonanzpunkt, der durch die Addition des Z₂ bildenden Wertes nu zu m₁ der piezoelektrischen Schwingmembran 1 resultiert (ca. 1 kHz), während f^... der Resonanzpunkt beim konvexen Linsenmodus der piezoelektrischen Schwingmembran 1 ist. Die mit Z₀ bezeichnete Kurve in Fig. 4 gibt die Impedanz am Antriebspunkt des Schallabstrahlers wieder. Von einer mittleren Frequenz fällt sie steil auf f_Q0· Hierdurch wird der Antrieb des Schallabstrahlers erleichtert, die Geschwindigkeit v_Q der Schwingung leichter erregt und der niederfrequente Bereich verstärkt. Die vorgenannte Bewegung ermöglicht es, den Schwingungstyp des piezoelektrischen Schwingkörpers 10 durch die in der Nähe des Schwer-

punktes befestigte veränderliche Impedanz z₂ zu steuern, die Geschwindigkeit v» der Schwingung wesentlich abzuflachen und den entstehenden Schalldruck P_Q des Schallabstrahlers an den Außenumfang 9 anzulegen. Das alles geht aus Fig. 4 hervor.

Ein weiteres wesentliches Merkmal des piezoelektrischen Schwingkörpers 10 gemäß der Erfindung besteht darin, daß, anders als beim herkömmlichen Verfahren, bei dem ein großer Widerstandsverlust in einen Schwingkreis eingesetzt wird, um jegliche Resonanzspitzen abzumildern und flache Kurven zu erzielen, der Schwingungstyp durch die Wirkung der mechanischen Reaktanz der veränderlichen Impedanz gesteuert wird, die entsprechend der Frequenz veränderlich ist, um auf diese Weise eine annähernd konstante Schwinggeschwindigkeit zu erhalten. Wegen der sehr stark verringerten Verluste im Schaltkreis ist der Wirkungsgrad des Wandlers ausserordentlich stark erhöht.

Das in Fig. 3 gezeigte Gewicht 8 kann aus einer abgeflachten Bleikugel mit einem Gewicht von 1 bis 5 g bestehen und kann in zwei Teile unterteilt sein, um an beiden Seiten der Schwingmembran 1 vorgesehen zu werden, wie gestrichelt dargestellt. Die viskoelastischen Schichten 7 (c», r~) können aus Gemischen verschiedener synthetischer Gummis mit unveränderlichen viskoelastischen Eigenschaften bestehen, vorausgesetzt daß sie ausreichend sind, um das Gewicht 8 bei der Bewegung stabil abzustützen. Geeignete Stoffe sind z. B. Butyl-, Urethan- und Silikonkautschuk mit Zusätzen zum Einstellen der Viskoelastizität. Es eignen sich auch geschäumte Folien der genannten Stoffe.

Da es nicht ganz einfach ist, das Ausmaß der dynamischen Viskoelastizität dieser Werkstoffe zu messen, muß ihre Nützlichkeit durch Versuche beurteilt werden. Auf jeden Fall sollte ein Werkstoff gewählt werden, dessen Temperaturabhängigkeit gering ist.

In Fig. 5a und 5b sind Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen das Gewicht 8 über eine viskoelastische Schicht 7 mit der piezoelektrischen Schwingmembran 1 des Schwingkörpers 10 gemäß der Erfindung verbunden ist. In Fig. 5a ist unter Berücksichtigung der Bewegungsstabilität und Adhäsion das Gewicht 8 in abgeflachter Spindelform gezeigt und an einer monomorphen Metallplatte angebracht. Gemäß Fig. 5b kann das Gewicht 8 auch kegelstumpfförmige Gestalt haben, wodurch die wirksame Berührungsfläche mit der viskoelastischen Schicht 7 vergrößert und der Schwerpunkt tiefer gelegt wird, was die Stabilität vergrößert. Fig. 5c zeigt eine weitere Alternative des Gewichts 8 in Form eines Ringes, der mit einer viskoelastischen Schicht 7 von ähnlicher Gestalt in seiner Lage angebracht ist. Dies Ausführungsbeispiel eignet sich für ein verhältnismäßig großes Gewicht. In Fig. 5d ist das Gewicht 8 in einen Hauptteil 8a und einen Ringteil 8b unterteilt, die konzentrisch mit Hilfe viskoelastischer Schichten 7a und 7b angebracht sind, um das Auftreten von Stehwellen an der Außenseite des Hauptteils 8a zu verhindern. In Fig. 5e ist das Gewicht 8 mit den viskoelastischen Schichten 7 abwechselnd schichtweise unterteilt angeordnet, um die Auswirkung der Masse zu verteilen und dadurch den Schwingungsmodus zu regulieren und einen flachen Verlauf innerhalb des Bewegungsbereichs zu erzielen. Bei der in Fig. 5f gezeigten Alternative ist am Metallblech 3 in senkrechter Richtung ein dünnes Rohr 3a vorgesehen, auf das ein ringförmiges Gewicht 8c unter Zwischenschaltung einer rohrförmigen viskoelastischen Schicht 7c aufgesetzt ist, wobei die Schleifbeanspruchung ausgenutzt wird. In diesem Fall kann eine große Amplitude aufgenommen werden.

Wenn nötig, können zwischen dem Gewicht 8 oder der piezoelektrischen Schwingmembran 1 und einem Befestigungsteil 18, z. B. einem Lautsprecherrahmen gemäß Fig. 6a und 6b zur Ausschaltung parasitärer Schwingungen Polster 16, 28 als Dämpfungsmittel eingesetzt werden, die z. B. aus einfach expandiertem Urethanschaumstoff bestehen.

Insgesamt kann die piezoelektrische Schwingmembran 1 die Form eines Ringes haben. Gemäß der Erfindung schwingt die Membran im grundlegenden konkaven Linsentyp, so daß Expansions- und Kontraktionsbeanspruchungen hauptsächlich am Außenrand auftreten, was eine Verformung der Membran verhindert. Hierauf ist der Anstieg des Resonanzpunktes f_Q- und folglich des Wertes z.. zurückzuführen. Bei einer entsprechenden Ausführungsform ist eine radiale Anordnung einer entsprechenden Anzahl (6 bis 8) von Schlitzen 24 in den Umfang der scheibenförmigen Membran eingeschnitten, während der mittlere Bereich 2 3 unversehrt und zweckmäßigerweise mit viskosem Werkstoff gefüllt ist. Für den Aufbau von kleinen Gegenständen, wie Mikrophonen, kleinen Empfängern und dgl. kann deshalb erfindungsgemäß die Membran extrem verkleinert werden. Und das hat entsprechende Verkleinerungen der Schwingungskonstanten des Gewichts 8 (m,) und der viskoelastischen Schichten (c-, r^) zur Folge, die eine Verbesserung der Wandlerempfindlichkeit und eine Erweiterung des Betriebsbereichs ermöglichen. Die an den Schlitzen 24 vorgesehenen Elektrodenflächen sind im mittleren Bereich 23 miteinander verbunden, so daß der Empfang einer Signalspannung so einfach ist wie bei einer normalen Scheibe.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel eines elektroakustischen Wandlers beschrieben, in dem ein piezoelektrischer Schwingkörper 10 gemäß der Erfindung verwendet ist. Fig. 8 zeigt als typisches Beispiel einen Schallabstrahler 11 (itu) in gewölbter Form, der an einem äußeren Gehäuse 14 über einen gewählten Ringrand (c_Qr₀) kippbar abgestützt ist, wobei der Außenrand des Schwingkörpers 10 mit der Grenzfläche 13 zwischen dem Schwingkörper 10 und dem Rand 12 verbunden ist. Zuvor wird anhand der wirksamen Masse nu des piezoelektrischen Schwingkörpers 10 eine Randnachgiebigkeit (Cq) bestimmt und der Resonanzpunkt f_fin des gewölbten Schallabstrahlers 11 auf ca. 200 bis 300 Hz festgelegt. Wenn eine öffnung vorliegt, die größer ist als eine mittlere öffnung (50 bis 100 mm), kann zwischen dem

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Gewicht 8 und dem Boden des äußeren Gehäuses 14 hilfsweise ein elastisches Polster 16 angeordnet werden. Dies entspricht C^r-, in Fig. 6a und unterdrückt jede überschüssige Amplitude des Gewichts 8 (rru) im niederfrequenten Bereich zur Eliminierung parasitärer Schwingungen, was folglich zur Stabilisierung beiträgt. Bevorzugte Verwendung findet dies Ausführungsbeispiel als gegen Regentropfen gesicherter Lautsprecher und für andere Außengeräte von Sprechanlagen, Warnanlagen mit synthetisch gebildetem Schall und dgl.

Fig. 9 zeigt ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel, bei dem eine piezoelektrische Schwingmembran unmittelbar und ohne Rückgriff auf einen bestehenden Schallabstrahler als solcher dient. Dies Ausführungsbeispiel eignet sich insbesondere für Telephonsender/Empfängerkombinationen. Der Ubertragungsbereich bei Telephonschaltungen liegt im Größenordnungsbereich von 300 Hz bis 3,5 kHz und kann auf folgende ' Weise erzielt werden: Am Außenrand 9 des Metallblechs 3 der piezoelektrischen Schwingmembran wird ein gewellter Ringrand 17 befestigt, um eine Nachgiebigkeit von C₀ und einen niederfrequenten Resonanzpunkt f_QQ von ca. 300 Hz festzulegen. Der erste Resonanzpunkt f_fi1 für- den konvexen Linsenmodus der Schwingmembran 1 wird auf ca. 3 kHz festgelegt, wobei eine Feineinstellung mit Hilfe einer an der Rückseite angebrachten akustischen Schaltung erzielt wird.

Durch die Kapazität einer vorderen Kammer 20 und die Inertanz einer Öffnung 19 in einem Befestigungsteil 18 in Form einer Kappe wird ein Tiefpaßfilter von ca. 3,5 kHz gebildet, um unnötigen hohen harmonischen Schall auszuschließen. Zwischen dem Gewicht 8 und dem Boden des äußeren Gehäuses 14 ist ein schwammartiges Polster 16 (r₃) eingesetzt, um den Antrieb in der Geschwindigkeit einzustellen und eine Verschlechterung bei niedrigen Frequenzen zu verhindern, die sonst auftreten könnte, wenn die Berührung zwischen der Hörmuschel und der Ohrmuschel nicht zufriedenstellend ist.

Auf diese Weise wird die Klarheit verbessert. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 kann im wesentlichen unmittelbar als Telephonmikrophon Verwendung finden. In dem Fall

kann in einer Kammer 22 an der Rückseite zur Verstärkung des Rufniveaus ein IC-Verstärker und ein Stoßspannungsschlucker eingebaut sein. Es sei darauf hingewiesen, daß diese auch an der Außenseite vorgesehen sein können. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kohleempfänger ist dies Ausführungsbeispiel zuverlässiger, weniger geräuschvoll und läßt sich warten.

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Trichterlautsprechers, in welchem ein trichterförmiger Schallabstrahler 25 aus einer Papierbahn oder Plastikfolie geformt und über einen Sickenrand 26 mit einem Rahmen 27 kippbar verbunden ist. Der piezoelektrische Schwingkörper 10 ist am Außenrand 9 mit der Verbindungsstelle 28 zwischen der Oberseite des Schallabstrahlers 25 und einer Kalotte 29 verbunden, und eine Signalspannung e wird zum Antrieb des Schallabstrahlers 25 an einen Anschluß angelegt. Dieser Lautsprecher wird bevorzugt für kleine Taschenradios, Bandkassettengeräte und dgl., an die über einen kleinen Zusatztransformator eine einzige Spannung angelegt wird. Dieser Lautsprecher kann nämlich mit geringem Gewicht und sehr dünn, z. B. mit einer Dicke von höchstens 10 mm konstruiert werden. Außerdem eignet er sich zum Ersatz von Lautsprechern mit Permanentmagnet für den Fall, daß es erwünscht ist, jegliche Magnetflußverluste zu vermeiden.

Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel in Form eines Schallabstrahlers 30 aus einer halbharten, geschäumten, ebenen Platte aus Styrolschaumstoff und dgl. Der Schallabstrahler 30 kann eine rechteckige Gestalt mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von ca. 4:3 haben, wobei eine Kante über ein weiches Schaumstoffglied 31 mit einem Rahmen 32 fest verbunden ist. Die Mitte Q des piezoelektrischen Schwingkörpers 10 ist an einer gewählten Stelle fixiert, von der aus die zum Rand des Schallabstrahlers führenden Abstände R sich vorzugsweise in Winkelrichtung unterscheiden, so daß die vorzugsweise bei einer bestimmten Frequenz auftretenden Stehwellen verteilt werden. Es sei

darauf hingewiesen, daß der piezoelektrische Schwingkörper 10 in eine öffnung im Schallabstrahler 30 eingesetzt und längs des Umfangs derselben befestigt ist. Die Empfindlichkeit und Tonqualität dieses einfachen Lautsprechers erreicht nicht die mit dem Trichterlautsprecher gemäß Fig. gegebenen Werte. Allerdings ist dieser Lautsprecher am besten geeignet für einen einfachen Schallerzeuger zum Einbau in ein elektronisches Musikinstrument oder Spielzeug.

Wie schon erwähnt, ist bei dem piezoelektrischen Schwingkörper gemäß der Erfindung in der Nähe des Schwerpunktes einer piezoelektrischen Schwingmembran ein Gewicht über eine viskoelastische Schicht befestigt. Im niederfrequenten Bereich wirkt dies Gewicht als Beharrungsmasse, wodurch die piezoelektrische Membran im mittleren Bereich stark festgehalten ist und folglich den konkaven Linsenmodus annimmt, bei dem der Außenrand mit maximaler Amplitude schwingt und deshalb einen höheren Schalldruck in diesem Bereich erzeugt. Im hochfrequenten Bereich trägt die viskoelastische Schicht gemäß der Erfindung dazu bei, daß das Festhalten des mittleren Bereichs der piezoelektrischen Membran verringert wird, so daß die Signalfrequenz steigt und die Membran mit der gewünschten konstanten Geschwindigkeit angetrieben wird. Ferner wird die Schwingung am Resonanzpunkt der piezoelektrischen Membran durch den viskosen Widerstand der viskoelastischen Schicht eingeschränkt, wodurch vom niedrigen zum hohen Frequenzbereich die Schalldruckabgabe flach ist. Da die Schaltungsverluste reduziert oder begrenzt sind, wird eine wirksame Umwandlung von Elektrizität in Schall erreicht.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen unter Hinweis auf Fig. 17 bis 20 erläutert werden.

In Fig. 17 ist ein piezoelektrischer Lautsprecher im Schnitt gezeigt, der aus einer Vielzahl piezoelektrischer Schwingkörper gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Wie aus Fig. 17 bis 20 hervorgeht, ist an jedem piezoelektrischen

Schwingkörper 51, 55 und 59 ein Gewicht 53, 57 und 61 in der Nähe des Schwerpunktes über eine viskoelastische Schicht 52, 56 bzw. 60 angebracht. Hierdurch entstehen zusammengesetzte piezoelektrische Schwingkörper mit Festklemmung in der Mitte. Der mittlere Schwingkörper 51 ist am Umfangsrand unmittelbar mit der Oberseite 63 eines trichterförmigen Schallabstrahlers 67, z. B-. aus Papier verbunden. Die Außenkante des Schallabstrahlers 67 ist über einen gewellten, elastischen Rand 62 angeschlossen und vollkommen abgestützt.

Die äußeren piezoelektrischen Schwingkörper 55 und 59 sind jeweils längs ihres Umfangsrandes über entsprechende Verbinder 54 und 58 mit dem Außenumfang des mittleren Schwingkörpers 51 verbunden. Das hinterste Gewicht 57 ist über einen viskoelastischen Verbinder 64 lose in der Mitte dieses Schwingkörpers angebracht, während das Gewicht 61 über einen Verbinder 65 lose mit dem Gewicht 53 verbunden ist. Die jeweiligen piezoelektrischen Schwingmembrane können entweder monomorph oder bimorph sein. Es sei jedoch erwähnt, daß das hier gezeigte Ausführungsbeispiel von der monomorphen Art ist, wobei die elektromotorischen Kräfte in der gleichen Phase liegen. Die Verbinder 54 und 58 bestehen aus einem Werkstoff, der sich durch Elastizität, viskosen Widerstand und geringe Masse auszeichnet und in verschiedenen Bereichen geringe Übertragungsverluste hat. Beispielsweise können die Verbinder aus synthetischem Gummi, wie Chloropren oder Butyl und dgl. bestehen und rechteckig oder von runder Säulenform sein. Eine kreisförmige Anordnung von ca. 6 bis 8 dieser Säulen ist am umfangsrand jedes piezoelektrischen Schwingkörpers 55 oder 59 in gleichmäßigen Abständen befestigt. Der nötige tibertragungsbeiwert wird unter Berücksichtigung der Härte des Gummis und der Querschnittsfläche, Länge und Anzahl kleiner Säulen bestimmt.

Es sei angenommen, daß die an die piezoelektrischen Schwingkörper 51, 55 und 59 anzulegenden Signalspannungen e., e₂ und e₃ gemäß Fig. 18 entsprechend den unterteilten Frequenzbereichen verteilt sind, und daß das Niveau der anzulegenden

Spannung so festgelegt wird, daß unter Berücksichtigung der Zwischenverluste bei der übertragung die Bedingung e.. ^{< e}2 *■ ^ei erfüllt ist. Wie insgesamt in Fig. 19 gezeigt, teilen sich die piezoelektrischen Schwingkörper 51, 55 und 59 die hohen, mittleren und niedrigen Frequenzbereiche zwischen f. bis f₂, f₂ bis f_ und f-. bis f , wodurch der abgestrahlte Schalldruck P_Q insgesamt flache Druckkurven hat und die Wandlerempfindlichkeit verbessert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem piezoelektrischen Lautsprecher gemäß der Erfindung die im mittleren Frequenzbereich auftretenden parasitären Schwingungen von den verschiedenen Widerstandskomponenten der kombinierten Impedanzen K.. und K₂ der Verbinder 64 und 65 so stark absorbiert werden, daß sie im wesentlichen verschwinden.

Unter Hinweis auf Fig. 20 wird die Erzeugung der an die piezoelektrischen Schwingkörper 51, 55 und 69 anzulegenden Signalspannungen e.. , e₂ und e₃ erläutert. Da die piezoelektrischen Schwingkörper jeweils eine Kapazität von ca. 0,1 F und eine Reaktanz von ca. 15 kj&bei 1 kHz haben, kann die Impedanz z_Q der Primärspule unter Verwendung eines Zusatztransformators T.. mit einem Windungsverhältnis von ca. 1:10 auf üblicherweise 8 eingestellt werden, wie in Fig. 20 gezeigt, wodurch als Sekundärspannungen die Signalspannungen e.., e₂ und e₃ im Verhältnis zur Primär spannung eQ des Zusatztransformators T₁ erhalten werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung soll unter Hinweis auf Fig. 21 bis 26 erläutert werden.

In Fig. 21A ist ein piezoelektrischer Schwingkörper im Schnitt gezeigt, der zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung benutzt wird, und Fig. 21B zeigt den Schwingungstyp.

Wie Fig. 21A zeigt, ist der piezoelektrische Schallabstrahler unimorph und weist eine piezoelektrische Schwingmembran 101 auf, die an einem dünnen Metallblech 102 angebracht ist. Zu dem Schallabstrahler gehört ferner ein hauptsächliches

Gewicht 104, welches längs der Mittelachse A-A¹ über eine viskoelastische Schicht 103 angebracht ist. Zusätzlich zu diesem hauptsächlichen Gewicht 104 ist ein Hilfsgewicht 108 über eine viskoelastische Schicht'107 in einem Abstand r₁ von der Achse A-A' angebracht. Das Hilfsgewicht 108 kann in der gleichen Ebene wie das hauptsächliche Gewicht 104 angebracht sein. Gemäß einer Alternative kann es aber auch, wie in Fig. 21A gezeigt, an der dem Gewicht 104 gegenüberliegenden Seite mit der piezoelektrischen Membran verbunden sein. Wenn das Hilfsgewicht 108 über eine viskoelastische Schicht 107 in demjenigen Bereich angebracht ist, der dem Bereich von Spitze-zu-Spitze der Stehwellenschwingung entspricht, wird überschüssige Stehwellenschwingung vom viskoelastischen Widerstand der Schicht 107 absorbiert. Fig. 22 zeigt Frequenzgangkurven gegenüber der Geschwindigkeit v^. Die durchgezogene Linie a zeigt, daß Stehwellenschwingung wirksamer abgeschwächt wird als beim Stand der Technik, der mit der durchgezogenen Linie b angedeutet ist. Es ist zweckmäßig, wenn der Abstand r₁ zwischen der Mittelachse A-A¹ und der exzentrischen Achse C-C des piezoelektrischen Schallabstrahlers etwa 70 bis 80 % des Radius r~ entspricht und das Hilfsgewicht 108 etwa der Hälfte des hauptsächlichen Gewichts 104 entspricht, üblicherweise ca. 1,2 Gramm.

Fig. 23A ist eine Schnittansicht und Fig. 23B eine Rückansieht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung zum Unterdrükken der Stehwellenschwingung.

Wie Fig. 23A zeigt, ist ein hauptsächliches Gewicht 104 an der Oberseite eines piezoelektrischen Schallabstrahlers über eine viskoelastische Schicht 103 in der Mittelachse A-A¹ angebracht. An der Rückseite ist ein ringartiges Gewicht 110 über eine viskoelastische Schicht 109 von im wesentlichen der gleichen Gestalt angebracht, welches einen Radius r₂ hat. Das Gewicht 110 in Form des Ringes kann in derselben Ebene wie das hauptsächliche Gewicht 104 mit der piezoelektrischen Schwingmembran verbunden sein. Gemäß

einer Alternative kann es aber an der dem Gewicht 104 gegenüberliegenden Seite an der piezoelektrischen Schwingmembran angebracht sein, wie in Fig. 2 3A gezeigt.

Wenn der Radius r₂ des ringförmigen Gewichts 110 so gewählt ist, daß das Gewicht in demjenigen Bereich liegt, der dem Bereich von Spitze-zu-Spitze der Stehwelle 2 der halben Wellenlänge (7l/2) entspricht, was in Fig. 23A durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist, wird die Bezugsschwingung f~ durch die Absorptionswirkung der viskoelastischen Schicht 109 in eine Schwingung f, umgewandelt, so daß am äußeren Ende 105 die abgegebene Schwinggeschwindigkeit V-erhöht wird. Folglich wird die tiefe Delle am Punkt f₀ in der Kurve a in Fig. 22 abgeflacht. Ähnlich wird die Spitze bei f₁ abgeflacht. Auf lange Sicht wird die ganze Kurve a abgeflacht, wie es durch die Kurve b in Fig. 22 angedeutet ist.

Fig. 24A ist eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Trichterlautsprechers unter Verwendung eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung. Fig. 24B ist eine Ansicht des Ausführungsbeispiels von der Rückseite.

Gemäß Fig. 24A ist das äußere Ende 105 des piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung, an dem das Hilfsgewicht 108 gemäß Fig. 21A angebracht ist, mit der Aufwärtsbiegung des Scheitelbereichs eines trichterförmigen Schallabstrahlers 111 verbunden, und ein Öffnungsbereich des Schallabstrahlers 111 ist über einen elastischen Rand 112 an einem festen Teil 113 abgestützt, wodurch ein piezoelektrischer Trichterlautsprecher entsteht. Grundsätzlich kann das hauptsächliche Gewicht 104 auf der Mittelachse A-A¹ angebracht sein. In manchen Fällen ist jedoch vorzuziehen, das Gewicht 104 auf einer Achse B-B¹ anzuordnen, die gegenüber der Mittelachse A-A' um das Ausmaß S exzentrisch verläuft, um die regelmäßig erzeugte Stehwellenschwingung ein-

zuebnen. Wenn es zu groß gewählt ist, wird eine unregelmässige Schwingung hervorgerufen. Infolgedessen ist vorzugsweise S auf einen Wert von höchstens 2-bis 3 mm einzustellen. Wenn andererseits das Hilfsgewicht 108 auf einer Achse C-C angeordnet wird, die in der Nähe des äußeren Endes 105 liegt und von der Mittelachse A-A¹ einen Abstand r- hat, wird die Stehwellenschwingung durch die leicht exzentrisch zueinander liegenden beiden'Gewichte 104 und 108 wirksamer unterdrückt.

Wenn bei einem piezoelektrischen Trichterlautsprecher dieser Bauart eine Signalspannung e von außen zwischen der Membran 101 und dem dünnen Metallblech 102 angelegt wird, erzeugt dies eine Schwingbewegungskraft F. am äußeren Ende 105 der piezoelektrischen Schwingmembran, die den Schallabstrahler 111 mit einer Geschwindigkeit V₁ antreibt, wodurch ein abstrahlender Schalldruck P_Q in Vorwärtsrichtung erzeugt wird. So ist es möglich, einen piezoelektrischen Trichterlautsprecher mit größerer Wandlerempfindlichkeit und verbesserten Frequenzgangkurven zu schaffen.

Wie schon erwähnt, schafft die Erfindung ein Verfahren zum Unterdrücken der Stehwellenschwingung des piezoelektrischen Schwingkörpers, bei dem ein Hauptgewicht über eine viskoelastische Schicht um den mittleren Bereich eines piezoelektrischen Schallerzeugers angebracht und ein Hilfsgewicht innerhalb des äußeren Endes einer piezoelektrischen Schwingmembran angeordnet ist, was das Schwingsystem unsymmetrisch macht. Die an der piezoelektrischen Schwingmembran auftretende Stehwellenschwingung kann dadurch wirksamer unterdrückt werden.

Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand von Fig. 27 bis 36 erläutert werden.

Fig. 27 bis 29 sind verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung. Fig. 27 -/.elyl ein Beispiel eines uni-

morphen piezoelektrischen Schallabstrahlers 116 mit einem dünnen Metallblech 117, an dessen einer Seite ein piezoelektrisches Plättchen 119 mit einer Elektrode angebracht ist. Der Schallabstrahler 116 hat eine kleine Öffnung 118 in der Nähe der Mitte. Ferner ist der innere Bereich 120b des Schallabstrahlers 116 in der Nähe der kleinen Öffnung 118 mit einem länglichen Isolierbereich versehen, der keine Elektrodenoberfläche hat, so daß längs dieser Oberfläche keine Entladung bei der angelegten Signalspannung erfolgt.

Fig. 28 zeigt einen Abstandssitz 121, der als viskoelastisches Glied dient und aus visko^lastischem Werkstoff, beispielsweise Schaumgummi, wie Urethanschaum in einer Dicke von 0,8 bis 1,0 mm besteht und an beiden Seiten hautartige Schichten 123 hat, die bei der Schäumung gebildet sind.

Fig. 29 zeigt ein Gewicht 124 in Form einer Hantel, die aus zwei gleichwertigen, halbkreisförmigen Gewichten 125a und 125b besteht, welche durch eine Verbindungsstänge 126 miteinander verbunden sind. Das Gewicht kann z. B. eine Bleikugel sein, die insgesamt ca. 2 g wiegt.

In Fig. 30 ist ein piezoelektrischer Schwingkörper gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt gezeigt. Dieser Schwingkörper besteht aus den in Fig. 27 bis 29 gezeigten Teilen. In der Reihenfolge ihrer Anbringung werden zwei Abstandssitze 121 an beiden Seiten der kleinen Öffnung 118 angebracht, die in der Nähe des mittleren Bereichs des piezoelektrischen Schallabstrahlers 116 ausgebildet ist. Dann wird die Verbindungsstelle 126, mit der ein Gewicht 125a schon verbunden ist, durch die kleinen Öffnungen 122 in den Abstandssitzen Ϊ21 eingesteckt und mit dem anderen Gewicht 125b verbunden, so daß beide Gewichte 125a und 125b durch die Verbindungsstänge 126 fest vereinigt sind. Dann wird ein flüssiges RTV-Silikonkautschuk-Klebemittel über den Verbindungsflächen aufgebracht, um Klappergeräusche zu vermeiden und zu verhindern, daß die Verbindungsstange 126 mit der kleinen Öffnung 118 in Berührung tritt.

Der in Fig. 30 gezeigte piezoelektrische Schwingkörper arbeitet wie folgt: Wenn von außen zwischen dem dünnen Metallblech 117 und der piezoelektrischen Schwingmembran 119 eine Signalspannung e angelegt wird, tritt in der Membran 119 durch die Piezowirkung eine Expansions/Kontraktionskraft entsprechend der aufgedrückten Signalspannung e auf, so daß durch die entstehende Scherspannung eine Verformung gegenüber dem Metallblech 117 auftritt. Da jedoch gemäß der Erfindung aus dem Gewicht 124 und den Abstandssitzen 121 aus viskoelastischem Material mechanische Impedanz resultiert, die dem mittleren Bereich des Schallabstrahlers 116 hinzugefügt ist, wird dieser in der Nähe seines mittleren Bereichs festgehalten. Folglich unterliegt der Schallabstrahler der Bezugsspannung, die dem Schwingungstyp der konkaven Linse folgt, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Am äußeren Ende 127 des Schallabstrahlers 116 wird eine Schwingbewegungskraft F- abgenommen, die mit der maximalen Amplitude schwingt, um das Schwingsystem mit einer Geschwindigkeit v^ anzutreiben.

Die Arbeitsweise eines solchen Antriebssystems wird anhand von Fig. 31 und 32 erläutert, die Ersatzschaltbilder darstellen. Eine Impedanz Z₁ (m₁c-r₁), die den piezoelektrischen Schallabstrahler 116 darstellt, bildet eine direkte Reihenschaltung mit einer festhaltenden Impedanz z₂ (m₂c₂r₂) ' ^^e ^^as Gewicht 124 (m₂) und die Abstandssitze 121 (c₂r₂) aufweist, und eine der Schwingbewegungskraft F₂ von z- zugeordnete Geschwindigkeit V₁ wird von z„ gesteuert. Da die inneren Bauelemente die parallelgeschalteten Elemente aufweisen, die eine Masse m~, eine Nachgiebigkeit C₂ und einen viskosen Widerstand r₂ aufweisen, wie in Fig. 32 gezeigt, hat die Massenreaktanz den Hauptanteil am Festhalten des piezoelektrischen Schallabstrahlers 116 in der Nähe des mittleren Teils desselben bei einem niedrigen Frequenzbereich, so daß das äußere Ende 127 mit größerer Amplitude schwingt. In den mittleren und hohen Frequenzbereichen wird jedoch das Ausmaß des Festhaltens hauptsächlich durch die Nachgiebigkeit c₂ reduziert und das hat zur

Folge, daß das äußere Ende 127 mit kleinerer Amplitude schwingt. Folglich wird die Geschwindigkeit V₁ in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz gesteuert, was es möglich macht, die mit den Anschlüssen x-y von z„ verbundene Last ζ etwa mit konstanter Geschwindigkeit v„ anzutreiben.

Fig. 33 ist eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Trichterlautsprechers, der aus den vorstehend beschriebenen piezoelektrischen Schwingkörpern aufgebaut ist. Bei diesem Trichterlautsprecher ist das äußere Ende 127 des Schallabstrahlers 116 mit der Aufwärtsbiegung eines trichterförmigen Schallabstrahlers 128 (m_Q) von entsprechender Größe verbunden, dessen Außenrand über eine elastische Kante 129 (c_Qr_Q) mit einem festen Glied 130 verbunden ist. Wenn der Schallabstrahler 128 mit konstanter Geschwindigkeit v_Q angetrieben wird, wird grundsätzlich ein konstanter Schalldruck P_n in Vorwärtsrichtung abgestrahlt. In dem Ersatzschaltbild gemäß Fig. 31 ist zu sehen, daß die Impedanz Zq (ituc^r«) des Schallabstrahlers 128 mit den Anschlüssen χ und y der festhaltenden Impedanz z.~ (iruc-r«) verbunden ist.

Fig. 34 ist eine Schnittansicht zur Erläuterung des Schwingungstyps des in Fig. 30 gezeigten piezoelektrischen Schwingkörpers. Der piezoelektrische Schallabstrahler 116 ist ein Schichtaufbau, der die Schwingmembran 119 und das dünne Metallblech 117 aufweist. Aus diesem Grund entsteht zusätzlich zu der Bezugsspannung eine Stehwellenschwingung, weil die sogenannte Resonanzempfindlichkeit Q hoch ist. So entsteht z. B. im niedrigen Frequenzbereich eine Vielzahl von Deutlichkeitsschwingungen, wie f.. bis f-., die in Fig.

34 mit gestrichelten Linien gezeigt sind. Der Frequenzgang der Geschwindigkeit v- des äußeren Endes 127 des piezoelektrischen Schallabstrahlers 116 ist in Fig. 35 mit durchgezogener Linie gezeigt. Hieraus ist erkennbar, daß deutliche sinusförmige Kurven mit dem Maximum und dem Minimum hauptsächlich im niederfrequenten Bereich auftreten. Das kann zur Folge haben, daß die Verwendung eines solchen

Schallabstrahlers in Lautsprechern nicht begehrt ist, da der Frequenzgang gestört ist, was die Tonqualität verschlechtert. Andererseits ist hier zu sehen, daß die genannten Schwingungen der Deutlichkeitsstehwelle eine wichtige Auswirkung auf Verringerungen der dynamischen Impedanz des Schallabstrahlers 116 und auf Erhöhungen der Wandlerempfindlichkeit desselben haben. Die Deutlichkeitsschwingungen sollten also nicht bedingungslos unterdrückt werden. Gemäß der Erfindung wird die Stehwellensehwingung je nach der Dämpfungswirkung des viskosen Widerstands r„ der beiden in Fig. 30 gezeigten Abstandssitze 121 absorbiert. Folglich ist die Wahl des Materials für die Abstandssitze 121 schwierig, denn das Material sollte einen dynamischen viskosen Widerstand haben und einen niedrigen Temperaturbeiwert aufweis'sn und von Änderungen der Außentemperatur wenig beeinflußt werden. Es gibt aber nur eine geringe Anzahl von Werkstoffen, die einen stabilen Koeffizienten der Viskoelastizität haben. In Versuchen ist vom Erfinder festgestellt worden, daß ein zufriedenstellendes Material in einer geschäumten Masse auf Basis von Butylkautschuk in einer Dicke von ca. 0,8 bis 1,0 mm und mit feinem Schaum im Innern zu sehen ist. Noch günstiger ist ein Werkstoff, auf dessen Außenseite eine Haut gebildet ist. Selbst die genannte geschäumte Masse aus Butylkautschuk hat jedoch unter strengen Temperaturbedingungen keine ausreichenden viskoelastischen Eigenschaften.

In Fig. 36 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Schwingkörpers im Schnitt gezeigt. Der gezeigte Schallabstrahler 116 hat einen ähnliehen Aufbau wie das Beispiel gemäß Fig. 30. Der Schallabstrahler 116 hat in der Mitte eine kleine Öffnung 118, um die herum an beiden Seiten zwei schalenförmige Abstandssitze 130a und 130b auf Gummibasis schichtartig vorgesehen sind, die zwei kleine Kammern 132a und 132b begrenzen. Die Kammern 132a und 132b stehen durch einen engen Raum 134 miteinander in Verbindung, den eine die beiden Gewichte verbindende Stange 131 gegenüber dem Umfang der

kleinen öffnung 118 begrenzt. Jede der Kammern 132a und 132b ist mit Silikonöl 133 gefüllt, dessen dynamische Viskosität etwa 1000 cPs beträgt und das ein viskoses öl ist. Das Silikonöl 133 kann durch den engen Raum 134 zwischen der oberen und der unteren Kammer 132a und 132b hin- und herfließen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der viskose Widerstand des Öls beim* Fließen ausgenutzt. Durch Steuern der Viskosität des Silikonöls 133 und des engen Raums kann der benötigte viskose Widerstand in einem weiteren Bereich erhalten werden. Außerdem ist das Silikonöl 133, ausgedrückt in dynamischer Viskosität, ein stabiler Stoff/ dessen Temperaturabhängigkeit mit der von reinem Wasser vergleichbar ist. Dies Öl ist in seiner Viskosität stabiler als der vorstehend genannte Butylkautschuk und kann folglieh außen herrschende strenge Temperaturbedingungen besser aushalten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Schwingkörpers gemäß der Erfindung sind zwei Gewichte über die zugehörigen viskoelastischen Schichten mittels einer Verbindungsstange miteinander verbunden, die durch eine kleine Öffnung im mittleren Bereich einer Schwingmembran ragt, wodurch der mittlere Bereich dieser Membran im wesentlichen festgehalten ist. So wird eine stabile Schwingung selbst dann erhalten, wenn sich die Außentemperatur ändert. Außerdem ist der Zusammenbau so einfach, daß sehr zuverlässige Produkte bei niedrigem Preis zu liefern sind.

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Claims

Piezoelektrische Schwingkörper ^ und mit denselben ausgestatteter Lautsprecher M/UNI-17-DE Patentansprüche

1. Piezoelektrischer Schwingkörper, gekennzeichnet durch eine piezoelektrische Schwingmembran (1) und ein mit derselben über eine viskoelastische Schicht (7) in der Nähe des Schwerpunktes ' ' verbundenes Gewicht (8), wcöei die Schwingbewegungskraft (F₁) der piezoelektrischen Schwingmembran am Außenrand (9) abgenommen wird.

2. Schwingkörper nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die viskoelastisehe Schicht aus feingeschäumtem Werkstoff, wie Butyl-, Urethan- oder Silikonkautschuk besteht. ^

3. Schwingkörper nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Gewicht eine Anordnung aus einem säulenartigen Hauptgewicht und einem ringförmigen Nebengewicht aufweist.

4. Schwingkörper nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß das Gewicht über eine viskoelastische Schicht mit einer dünnen Säule verbunden ist, die an einem die piezoelektrische Schwingmembran bildenden Metallblech vorgesehen ist.

5. Schwingkörper nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß die piezoelektrische Schwingmembran in scheibenartiger Gestalt mit einer radialen Anordnung feiner eingeschnittener Spalte versehen ist, die mit einem viskosen Werkstoff gefüllt sind,

wodurch die Membran in eine Vielzahl gleichmäßiger feiner Stücke unterteilt ist.

6. Piezoelektrischer Lautsprecher mit einer Vielzahl piezoelektrischer Schwingkörper,

dadurch gekennzeichnet , daß jeder Schwingkörper eine piezoelektrische Schwingmembran und ein in der Nähe des Schwerpunktes über eine viskoelastische Schicht mit derselben verbundenes Gewicht aufweist, und daß die Schwingbewegungskraft am Außenrand desselben abnehmbar ist, und daß die Umfangsränder der Schwingkörper durch Verbinder miteinander verbunden sind, daß einer der Schwingkörper an seinem Umfangsrand unmittelbar mit einem trichterförmigen Schallabstrahler verbunden ist, der ihm eine Schwingbewegungskraft hauptsächlich in einem hochfrequenten Bereich gibt, und daß die übrigen, diesem benachbarten Schwingkörper eine Schwingbewegungskraft erzeugen, und geeignet sind, die mittleren und niederen Frequenzbereiche zur Erregung des trichterförmigen Schallabstrahlers untereinander zu teilen.

7. Lautsprecher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß von der Vielzahl der piezoelektrischen Schwingkörper der unmittelbar mit dem trichterförmigen Schallabstrahler verbundene Schwingkörper hauptsächlich so ausgelegt ist,daß er den hochfrequenten Bereich teilt und erregt, während die anderen, ihm benachbarten Schwingkörper hauptsächlich geeignet sind, die mittleren und niedrigen Frequenzbereiche gemeinsam zu haben . und zu erregen.

8. Piezoelektrischer Lautsprecher mit einem piezoelektrischen Schwingkörper,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Hauptgewicht in der Nähe des mittleren Bereichs eines piezoelektrischen Schallabstrahlers über eine viskoelastische Schicht angebracht ist, die den Schallabstrahler um den mittleren Be-

reich herum festhält,und daß die Schwingbewegungskraft am äußeren Ende abnehmbar ist, und daß ein Hilfsgewicht innerhalb des äußeren Endes des Schallabstrahlers angeordnet und über eine viskoelastische Schicht angebracht ist.

9. Piezoelektrischer Lautsprecher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß ein ringförmiges Gewicht als Hilfsgewicht im wesentlichen konzentrisch über eine viskoelastische Schicht mit dem Hauptgewicht verbunden ist.

10. Piezoelektrischer Lautsprecher, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Gewichtemi teinander. über zugeordnete viskoelastische Schichten mittels einer Verbindungsstänge verbunden sind, die sich durch eine in der Nähe des mittleren Bereichs eines piezoelektrischen Schallabstrahlers ausgebildete kleine Öffnung erstreckt, wobei der Schallabstrahler um den mittleren Bereich herum festgehalten ist und die Schwingbewegungskraft am äußeren Ende des Schallabstrahlers abnehmbar ist.

11. Piezoelektrischer Lautsprecher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die viskoelastische Schicht ein Glied ist, welches aus einem geschäumten, einen feinen Schaum aufweisenden synthetischen Kautschuk besteht.

12. Piezoelektrischer Lautsprecher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß zwei schalenförmige Abstandssitze als viskoelastische Glieder vorgesehen sind, die schichtartig an beiden Seiten einer im Schallabstrahler ausgebildeten kleinen öffnung so angeordnet sind, daß sie zwei kleine Kammern begrenzen, die mit viskosem Öl gefüllt sind, welches durch einen von der kleinen öffnung und der Verbindungssfeange begrenzten Raum fließen kann, wobei der beim Fließen auftretende viskose Widerstand nutzbar ist.