ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКРОФОН Российский патент 1995 года по МПК H04R17/00 

Изобретение относится к электроакустическим преобразователям, а именно к микрофонам, предназначенным для комплектации бытовой аппаратуры.

В настоящее время бытовая аппаратура комплектуется в основном электродинамическими микрофонами с неравномерностью амплитудно-частотной характеристики 12-20 дБ, что существенно превышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики конденсаторных микрофонов (4-8 дБ). Однако широкого применения в бытовой технике конденсаторные микрофоны не нашли из-за сложности конструкции, высокой стоимости, необходимости использования высоковольтного напряжения.

Известен пьезоэлектрический микрофон, выбранный в качестве прототипа, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание (Акустика. Справочник. М., "Радио и связь", 1989, с. 69-70). Наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента существенно повышает неравномерность амплитудно-частотной характеристики микрофона и не позволяет использовать его в бытовой аппаратуре, хотя он не требует высоковольтного питания и имеет низкую стоимость.

Изобретение направлено на создание пьезоэлектрического микрофона с удовлетворительной равномерностью амплитудно-частотной характеристики, что позволяет использовать его в бытовой технике, а также при сохранении его характеристик, на обеспечение надежного крепления в бытовой аппаратуре, например в микрофоне или телефоне.

Данная цель достигается за счет того, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной части поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению:
d < Е_кS_к/Е_мL_к, где Е_к - модуль Юнга пьезокерамики;
Е_м - модуль Юнга материала оболочки;
S_к - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации;
L_к - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации.

В прототипе наличие механической связи между упругим элементом и участком чувствительного элемента приводит к механическим резонансам, обуславливающим существенную неравномерность амплитудно-частотной характеристики независимо от конструкции чувствительного элемента и материала, из которого он сделан. Преобразовать эту связь в известной конструкции не представляется возможным, поскольку ее вид определяется формой взаимодействия упругого элемента с чувствительным элементом.

Давление, воспринимаемое упругим элементом, передается на чувствительный элемент, в результате чего он деформируется в направлении поляризации, а на его электродах появляется заряд. Наличие упругого элемента в виде прилегающей оболочки исключает проникновение звуковой волны внутрь пор чувствительного элемента и тем самым исключает компенсацию заряда зарядами, обусловленными поперечным пьезоэффектом. Так как газообразное наполнение пор чувствительного элемента обладает большой сжимаемостью, воздействие волны на боковую поверхность чувствительного элемента также не приводит к появлению компенсирующих зарядов.

Толщина d части оболочки, прилегающей к боковой стенке чувствительного элемента, должна быть таковой, чтобы ее жесткость не увеличивала жесткость чувствительного элемента и не снижала тем самым его чувствительность.

Выполнение основания прилегающим к остальной части поверхности чувствительного элемента позволяет при сохранении характеристик микрофона обеспечить его надежное крепление в бытовой аппаратуре.

Введение в микрофон дополнительного чувствительного элемента, закрепленного на противоположной стороне основания и соединенного электрически параллельно с другим чувствительным элементом, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, позволяет сохранить характеристики микрофона при жестком креплении в бытовой аппаратуре и снизить его чувствительность к вибрации. При этом давление, воспринимаемое упругими элементами, передается на чувствительные элементы, в результате чего они деформируются в направлении поляризации, и на их электродах появляются заряды. Эти заряды при указанном способе соединения электродов складываются.

При воздействии на основание микрофона вибрации на электродах чувствительных элементов также возникают заряды, знак которых зависит от направления поляризации чувствительных элементов. Поскольку в данной конструкции при указанном способе соединения электродов направления поляризации чувствительных элементов противоположны, эти заряды компенсируются.

На фиг. 1-4 показан предложенный микрофон, вариант.

Микрофон (фиг. 1) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации.

Второй вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 2) состоит из чувствительного элемента 1, упругого элемента 2, выполненного в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительного элемента, перпендикулярной направлению поляризации и к части поверхности оболочки, охватывающей боковые стенки чувствительного элемента.

Третий вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 3) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента, и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации.

Четвертый вариант конструкции пьезоэлектрического микрофона (фиг. 4) состоит из закрепленных на противоположных сторонах основания и соединенных электрически параллельно чувствительных элементов 1, причем положительные электроды чувствительных элементов соединяются между собой, упругих элементов 2, выполненных в виде прилегающей к части наружной поверхности чувствительного элемента оболочки и основания 3, прилегающего к поверхности чувствительных элементов, перпендикулярной направлению поляризации, и к части поверхности оболочек, охватывающих боковые стенки чувствительных элементов.

Чувствительный элемент, состоящий из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, реализован выжиганием органических наполнителей. Упругий элемент выполнен нанесением на чувствительный элемент виксинта. Сборка микрофона произведена в атмосфере (воздухе). При этом достигнута неравномерность амплитудно-частотной характеристики не более 4 дБ.

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики в вариантах конструкции микрофона на фиг. 2, 3, 4 также составила не более 4 дБ.

В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 1, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, который передает воздействие на всю поверхность чувствительного элемента 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны.

В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 2, звуковая волна воздействует на поверхность упругого элемента 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительного элемента 1. На его противоположную поверхность через основание 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительным элементом давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует и на боковую поверхность упругого элемента, который, в свою очередь передает это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругого элемента. Со стороны основания упругий элемент передает на чувствительный элемент реакцию опоры. Таким образом, чувствительный элемент испытывает всестороннее сжатие, и на нем возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны.

В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 3, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, которые передают воздействие на всю поверхность чувствительных элементов 1, кроме поверхности, прилегающей к основанию 3. На эту поверхность через основание действует реакция опоры на передаваемые чувствительными элементами давление звуковой волны. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению, при параллельном соединении электродов чувствительных элементов складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации.

В пьезоэлектрическом микрофоне, представленном на фиг. 4, звуковая волна воздействует на поверхность упругих элементов 2, перпендикулярную направлению поляризации, которая передает воздействие на поверхность чувствительных элементов 1. На их противоположные поверхности через упругие элементы со стороны основания 3 действует реакция опоры на передаваемое чувствительными элементами давление звуковой волны. При этом давление звуковой волны действует на боковую поверхность упругих элементов, которые, в свою очередь, передают это давление на поверхность основания, прилегающую к поверхности упругих элементов. Со стороны основания упругие элементы передают на чувствительные элементы реакцию опоры. Таким образом, чувствительные элементы испытывают всестороннее сжатие, и на них возникает напряжение, пропорциональное давлению звуковой волны. Заряды, соответствующие этому напряжению при параллельном соединении электродов чувствительных элементов, складываются, тогда как заряды, возникающие при вибрации микрофона, компенсируются, поскольку чувствительные элементы имеют противоположные направления поляризации.

Использование: в электроакустике. Сущность изобретения: пьезоэлектрический микрофон содержит чувствительный элемент, упругий элемент, основание, прилегающее к поверхности чувствительного элемента. Чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3 - 3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента оболочки из диэлектрического материала, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента, удовлетворяет соотношению: где E_k - модуль Юнга пьезокерамики; E_m - модуль Юнга материала оболочки; S_k - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации; L_k - параметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации. 4 ил.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МИКРОФОН, содержащий чувствительный элемент, упругий элемент и основание, отличающийся тем, что чувствительный элемент выполнен из пьезокомпозиционного материала со связностью 3-3, одна из фаз которого является газообразной средой, основание контактирует с одной из плоскостей чувствительного элемента, а упругий элемент выполнен в виде оболочки из диэлектрического материала, прилегающей к остальной поверхности чувствительного элемента, причем толщина d части оболочки, контактирующей с боковой поверхностью чувствительного элемента удовлетворяет соотношению
d<E_kS_k/E_mL_k,
где E_k - модуль Юнга пьезокерамики;
E_m - модуль Юнга материала оболочки;
S_k - площадь сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации;
L_k - периметр сечения чувствительного элемента плоскостью, перпендикулярной направлению поляризации.