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Elastischer Druckwiderstandswandler für elektroakustische und -mechanische
Zwecke In den üblicherweise verwendeten Fernsprechmikrophonen wird die akustische
Schallenergie in elektrische Leistung umgewandelt, indem die Druckschwankungen des
äußeren Schallfeldes mittels einer schwingfähigen Membran als Widerstandsänderungen
einer vom Gleichstrom durchflossenen Kohlegrießfüllung abgebildet werden. Infolge
des unterschiedlichen Verhaltens einer üblichen Kohlegrießstrecke bei Zug- und Dr
uckauslenkung der Membran ist diese Umwandlung nicht - wie erwünscht - linear. Es
tritt nämlich ein mechanischer Gleichrichtereffekt auf, der Anlaß zu erheblichen
Verzerrungen gibt. Die Ursache ist darin zu sehen, daß die Kohlekörner in der Phase
des Zurückweichens der Membranelektrode aus der Füllmasse sozusagen sich selbst
überlassen sind; sie rutschen je nach Adhäsion und Masse willkürlich nach, verschieben
sich gegeneinander und erzeugen dadurch wiederum neueFrequenzen, die sich als zusätzliche
Verzerrungen etwa in Form eines sandigen Geräusches äußern. Es wäre daher von Vorteil,
wenn die einzelnen Kohlekörner, beispielsweise durch eine elastische Bindung, unter
dem Einfluß der Schallbeaufschlagung in definierten Lagen zu schwingen vermöchten.
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Versuche, die in dieser Richtung angestellt wurden, haben zu dem bekannten
Kautschukmikrophon geführt. Man benutzt hierbei den Effekt, daß durch die Beimischung
von Kohlepuiver leitend gemachter Kautschuk bezüglich seines elektrischen Widerstandes
druckabhängig ist. Die elektrische Impedanz eines solchen Gebildes ist je nach dem
Mischungsverhältnis in weiten Grenzen variabel, der zweckbedingte Aufbau relativ
einfach und robust. Zwar ist die abgegebene Leistung von vornherein geringer als
beim Kohlemikrophon, es sind jedoch im Zuge der Entwicklung andere Probleme aufgetreten,
deren durchaus unbefriedigende Lösung einer praktischen Verwendung auf breiterer
Ebene entgegensteht. Temperaturen bis 50° C haben beispielsweise einen geringen
Einfluß auf die Leitfähigkeit des Systems, bei stärkerer Erwärmung sinkt der Widerstand
jedoch rapide und erschwert die Herstellung niederohmiger Mikrophontypen. Hierbei
ist zu beobachten, daß die Betriebserwärmung an den Kontaktelektroden besonders
hoch ist, da deren unmittelbare Umgebung erfahrungsgemäß das eigentliche Widerstandszentrum
bildet. Die Verwendung von synthetischem Kautschuk zeigt in dieser Beziehung schon
günstigere Resultate. Des weiteren stellen sich im Laufe der Zeit gewisse Instabilitäten
infolge chemischer Veränderungen ein, die sich besonders bei einer Oxydation der
Kontakte-lektroden auf den Ruhestrom auswirken, bei Verwertung der Wechselstromko:mpo:nente
zur Übertragung von Schwingungen allerdings weniger nachteilig in Erscheinung treten.
Da der Leitkautschuk als Druckwiderstandsmodulato.r bei den bisherigen Mikrophontypen
stets mit einer hohen, technologisch begründeten Dämpfung behaftet ist, erklärt
sich der bereits erwähnte Empfindlichkeitsmangel und der Einfluß gewisser Hysteresis-und
Trägheitserscheinungen auf den Modulationsgrad. Diese wirken sich im Hinblick auf
die Übertragungsqualität und den Klirrfaktor derart einschränkend aus, daß die Verbreitung
des Kautschukmikrophons in der Praxis trotz anerkannter Vorzüge in konstruktiver
und fertigungstechnischer Hinsicht bislang hinter der bewährten Kohlegrießtype zurücktreten
mußte.
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Ähnlich ist es bei einem anderen, elastischen Druckwiderstandswandler
für elektroakustische und elektromechanische Zwecke; bei dem Schwammgummi als Träger
für das Leitmaterial verwendet ist. Die Empfindlichkeit eines solchen Mikrophons
ist zwar größer als die eines Kautschukmikrophons, doch sind auch hier mehr oderweniger
regelmäßig zusammenhängende Gummizellen die einzigen Elastizitätsträger, da bei
Schwammgummi die Poren miteinander verbunden sind und daher die eingeschlossene
Luft bei Druckbeanspruchung entweichen kann. Durch den so erfolgenden Luftaustausch
kommt die leitende Schicht des Mikrophons mit Feuchtigkeit und Gasen in Berührung.
Dies führt zu einer Instabilität des Mikrophonwiderstandes.
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Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, die aufgezeigten Mängel zu beheben
und allgemein .einen elastischen Druckwiderstandswandler hoher Empfindlichkeit,
Linearität und Stabilität für elektroakustische und -mechanische Zwecke, insbesondere
für die Verwendung in Fernsprechmikrophonsystemen, zu schaffen, der die bekannten
Annehmlichkeiten leitenden Gummis, z. B. in bezug auf beliebige Variation der elektrischen
Impedanzen, einfache Fabrikation,
robuste Struktur und geringen
Herstellungspreis, einer praktisch in jeder Beziehung gebrauchstüchtigen Lösung
zuführt.
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Aus der Erkenntnis heraus, daß der Mangel an Empfindlichkeit und befriedigender
Übertragungsqualität des Kautschukmikrophons und auch eines Mikrophons mit Schwammgummi
als Träger des Leitmaterials in erster Linie von einer in der stofflichen Struktur
des Systems begründeten Eigendämpfung herrührt, ist erfindungsgemäß das System aus
einem mit elektrisch leitendem Material, insbesondere mit Kohlepulver, versetzten
Kunststoff in Form einer schaumstoffartigen Zellbindung mit in sich geschlossenen
und voneinander getrennten Gasräumen ausgeführt.
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Das leitende Zellmaterial verkörpert dabei in technologischer Beziehung
ein Gebilde, das aus vielen gasgefüllten Zellen mit einem Durchmesser von gewöhnlich
0,1 bis 0,5 mm besteht, wobei die Begrenzungswandstärke der in sich geschlossenen
Zellen untereinander in der Größenordnung von 10-3 mm liegt. Ist die Beschaffenheit
der mit Leitmaterial homogen versetzten Zellwände hinreichend weich, so werden die
Gaseinschlüsse bei mechanischer Verformung des Materials etwas zusammengepreßt,
während bei Nachlassen des Drucks von selbst wieder eine Ausdehnung des Gases erfolgt.
Auf diese-Weise erreicht man, daß die im Gegensatz zu der kompakten Leitgummimasse
bekannter Systeme nunmehr außerordentlich elastische Gerüststruktur des Trägerkunststoffs
unter Einwirkung mechanischer Kraftkomponenten eine zeitweilige Lageänderung der
Leitpartikeln untereinander aus definierten Ruhelagen heraus bei weitaus geringerer
oder beliebig höher zu wählender mechanischer Impedanz ermöglicht. Infolgedessen
rufen die beispielsweise von den Äuslenkungen eines Membranantriebs erzeugten Amplituden
im Leitzellmaterial eine bedeutend größere Widerstandsänderung und damit auch eine
höhere Leistungsabgabe hervor. Rückwirkend stellt die elastisch weiche Struktur
des Zellmaterials natürlich auch für den gekoppelten Antrieb eine sehr geringe Dämpfung
dar und bedingt keine Rücksicht in bezug auf seine Gestalt und Bemessung. Ein über
einen weiten thermischen Bereich beständiger Träger auf Kunststoffbasis ermöglicht
es, in erhöhtem Maße nunmehr auch elektrisch niederohmige Systeme mit starken Speiseströmen
betreiben zu können, ohne eine Änderung der chemischen und elastischen Eigenschaften
des Materials befürchten zu müssen. Zu dieser Kompensation tritt unter Umständen
auch die oxydationshemmende Wirkung eines Gases an den Kontaktelektroden und Berührungsstellen.
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An das mit leitendem Material imprägnierte Ausgangsprodukt ist erfindungsgemäß
außer der Eigenschaft guter Elastizität grundsätzlich die Eignung zur Schäumbarkeit
gestellt. Elastische Schaumkunststoffe erhält man z. B. aus Kautschuk und Viskose,
auf der Basis von Polyvinylchlorid oder Polyurethan usw. Erfahrungsgemäß scheidet
die Verwendung von Naturkautschuk wegen seiner Neigung zu chemischem Altern und
der schon mit einer mäßigen Erwärmung verbundenen Instabilitäten von vornherein
aus, zumal bei den meisten Betriebsarten eine ständige Wärmeentwicklung unumgänglich
ist. Das in der Praxis bereits für kompakte Druckwiderstandswandler verwendete Silicongummi
auf der Grundlage von Organo-Siliciumoxyd-Polymeren weist in dieser Richtung wesentlich
geringere Nachteile auf. Während natürlicher und synthetischer Kautschuk in engen
Temperaturgrenzen seine Elastizität verliert, bleibt Silicongummi von -57 bis -I-150°
C elastisch. Einzelne Silicontypen kann man ähnlich wie die Phenoplaste mit pulverisierten
Füllmitteln (Metall, Kohlentstcff u. dgl.) verarbeiten und in Form von gummiartigen
Körpern darstellen. Darüber hinaus genügt seine Fähigkeit, sich um 70 bis 11511/o
auszudehnen, auch den wesentlichen Anforderungen zur Durchführung eines Schäumprozesses
im Rahmen der Erfindung. Im übrigen ist der Verwendung sämtlicher Kunststoffe, die
auf Grund ihrer besonderen Eigenschaften in chemischer, thermischer und elastischer
Hinsicht gemäß der Erfindung zu mischen und zu schäumen sind. keine Grenze gesetzt.
In dieser Beziehung ist sowohl an die echten, durch Polymerisation und Kondensation
aufgebauten Kunststoffe wie auch an modifizierte Naturstoffe gedacht. Eine besondere
Erwähnung verdienen unter dieser Vielzahl noch Kunststoffe auf der Basis von Polyisobutylen
und Äthylenglykol-Adipinsäure-Polyester.
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Vor ähnliche Probleme, wie sie anfangs die materialbedingten Unzulänglichkeiten
des Leitkautschuks darstellten, sieht man sich ebenfalls in bezug auf Art. Zusammensetzung
und Form der als leitendem Versatzstoff zu verwendenden Kohle gestellt. Bekannterweise
ist für das Zustandekommen des Mikrophoneffekts nicht nur die mechanische Druckabhängigkeit
des Füllstoffwiderstandes von Bedeutung, sondern auch die Oberflächeneigenschaften
des angewendeten Leitmaterials. Mineralische Verunreinigungen sind von erheblichem
Einfluß auf dessen mikrophonischen Eigenschaften und ergeben je nach Herkunft der
aus Anthrazit bestehenden Naturkohle eine ziemliche Streuung der elektroakustischen
Daten. Neuere Verfahren gestatten, durch eine Verkokung von Kunststoffen, die durch
Kondensation oder Polymerisation von Kohlenwasserstoffen gebildet sind, bei bestimmten
Temperaturen einen Kunstkoks zu gewinnen und diesen unter einem Schutzgas in Gegenwart
von Metall-und/oder Halbmetalldämpfen einer Glühnachbehandlung zu unterziehen, bei
der sich zweckfördernd in die Oberflächenschicht einzubauende Fremdatome an den
Kohlenstoff anlagern. Diese Methode gestaltet die Kunstkohle und auch die einer
entsprechenden Nachbehandlung unterzogenen, handelsüblichen Ausgangsstoffe bezüglich
ihrer mikrophonischen Eigenschaften erheblich günstiger. Einer Weiterbildung der
Erfindung gemäß wird einer der bezeichneten Kunststoffe homogen mit derartig aufbereiteter
Kohle in Pulverform gemischt.
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Die Anfertigung des Systems geht in einfacher Weise vor sich, indem
feines Kohlepulver, das durch Pulverisieren des für normale Fernsprechmikrophone
in aufbereiteter Form verwendeten Kohlegrießes gewonnen worden ist, einem entsprechend
ausgesuchten Kunststoff in gewünschtem Verhältnis beigemengt wird. Dieses Gemisch
wird gegebenenfalls unter Druck-und Temperatureinwirkung weiterbehandelt. Die zur
Erzeugung der Schaumstruktur erforderlichen Gasblasen entstehen durch den Zusatz
von Treibmitteln, durch Gasabspaltung aus Kunststoffkomponenten, durch das sogenannte
Schaumschlagverfahren in schnell laufenden Rührwerken oder ähnliche Verfahren. Während
dieses Vorgangs bzw. im Anschluß daran wird das Zellmaterial zweckentsprechend geformt
und verarbeitet. Das entstehende Endprodukt ist sehr leicht, weich und elastisch,
wobei der Grad der Elastizität ebenso wie die elektrische Impedanz in Grenzen von
einigen Ohm bis Megohm durch die Wahl der Ausgangsstoffe und ihres Mischungsverhältnisses
in weiten Grenzen beliebig zu gestalten ist. Danach
werden die
Zuführungselektroden in zweckmäßiger Weise z. B. auf die Grenzflächen des Körpers
vulkanisiert oder plan geschliffen aufgepaßt und der Angriff des mechanischen Antriebs
vorgesehen.
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Die räumliche Anordnung sowie fertigungs- und montagetechnische Einzelheiten
können nach Zweck und Belieben gestaltet werden, ohne die grundsätzlichen Merkmale
der Erfindung auch in dieser Beziehung einzuschränken und neuen, über das Wesentliche
hinaus abgeleiteten Erkenntnissen Raum zu geben.
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Unter diesen Gesichtspunkten stellt die Erfindung eine vorteilhafte
Möglichkeit heraus, auf den Vorzügen bekannter Leitgummianordnungen fußend, deren
Unzulänglichkeiten für die praktische Verwendung zu beheben und einen vielseitigen
elastischen Druckwiderstandswandler für elektroakustische und -mechanische Zwecke
zu schaffen, der in Empfindlichkeit, Linearität und Konstanz der Funktion aller
bisherigen Typen überlegen ist. Dem klassischen Kohlegrießmikrophon gegenüber weist
das System darüber hinaus noch eine geringere Rauschanfälligkeit und durch Herabsetzung
der nichtlinearen Verzerrungen eine bedeutende Verbesserung der Wiedergabe auf.
Diese fortschrittliche Entwicklung wirkt sich sowohl auf elektroakustischem Gebiete
für Mikrophon- und Tonabnehmersysteme wie auch in gleichem Maße auf elektromechanische
Wandler für Meß- und Regelzwecke aus, deren Anwendungsbereich die Erfindung einbezieht.
Der Vollständigkeit halber, jedoch nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Erfindung
sei erwähnt, daß sich unter besonderen Bedingungen sogar eine Abhängigkeit des Widerstandswertes
von der Stromrichtung feststellen läßt. Dieser Gleichrichtereffekt legt durch Einfügen
einer isolierten Gitterelektrode in die Kontaktzone der Stromzuführungen als eigentlichem
Sitz des Widerstandes die Möglichkeit einer leistungslosen Steuerung nahe.