EP0085997A2 - Transducteur acoustique - Google Patents

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EP0085997A2
EP0085997A2 EP83200058A EP83200058A EP0085997A2 EP 0085997 A2 EP0085997 A2 EP 0085997A2 EP 83200058 A EP83200058 A EP 83200058A EP 83200058 A EP83200058 A EP 83200058A EP 0085997 A2 EP0085997 A2 EP 0085997A2
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EP
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films
zones
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film
transducer
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Preston Vincent Murphy
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Lectret SA
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Lectret SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/005—Details of transducers, loudspeakers or microphones using digitally weighted transducing elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S310/00—Electrical generator or motor structure
    • Y10S310/80—Piezoelectric polymers, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic transducer comprising a hollow support and a plurality of metallized piezoelectric polymer films operating as an oscillator, said films being mounted at their peripheries on the hollow support so that their peripheries are separated and they are physically connected in the vicinity of their center at at least one film adjacent said transducer being designed to produce sound, said films being electrically connected and their polarities selected so that the films move in the same direction when they are electrically excited.
  • piezoelectric film transducer typically produces a lower amplitude than that produced, with the same voltage, by other types of transducers such as electrodynamic transducers. This lower voltage sensitivity can lead to an undesirably low amplitude for certain applications, such as telephone receivers, or the signal voltage is low.
  • piezoelectric film transducers used as microphones or transmitters produce a lower output voltage for a given sound pressure than other types of transducers, such as electret capacitors. Such low output voltages require the use of relatively high cost gain amplifiers.
  • the binary words composing the digital signal must be transformed into a series of discrete pulses, the amplitude of which corresponds to the quantization levels represented by the binary word, and then proceed to analog electrical fiberizing. to the frequency band of the desired sound signal and finally to the transduction of the electrical analog signal into an analog sound signal.
  • the present invention allows the production of a transducer which directly converts an electrical digital signal into an analog sound signal.
  • This acoustic transducer according to the invention is characterized in that one face of at least one of said films is composed of metallized zones whose size of their surfaces is staggered and electrically isolated from each other and that an zone or a group of areas where a film is selectively excited by an electrical signal so that a digital electrical signal is directly converted into an audio signal composed of amplitude-modulated pulses.
  • the metallized zones are concentric circular rings of the circle sector, nested spirals or crossed bands.
  • the zone is caused to move, which produces a sound signal whose amplitude depends on the surface of said zone.
  • the superposition of these signals reconstitutes the analog sound signal after an acoustic filtering of the signal obtained at the output of the transducer.
  • the single figure represents a vertical section of an earpiece according to the invention.
  • an earpiece composed of two piezoelectric films.
  • the films in the form of truncated cones 14 and 16 are connected at their center by epoxy adhesive 18 and mounted at their periphery on a cylindrical support between rings not shown.
  • the films 14 and 16 consist of layers 28 of polarized polyvinylidene, 9 microns thick which are metallized on their surfaces by a layer 30 of gold with a thickness of 200 o A.
  • the films are polarized to obtain a high piezoelectric coefficient in the two directions (X and Y) of the film surface (commonly denoted d 31 and d so that the films deform symmetrically which effectively improves the result.
  • polarization of the films 14 and 16 are aligned perpendicular to the surfaces of the films, and the films are mounted such that the two vectors are directed in the same direction.
  • the film 16 is metallized on one of its faces in three bands 6,7,8 in the form of concentric rings.
  • the strip 6 can be a solid disc, that is to say that the metallization can extend over the central part of the film 16 to which it is bonded to the film 14.
  • the film 14 is metallized continuously over almost all its surface.
  • the metallized surface 6 is approximately half the surface of the ring 7, the quarter of the ring 8 and approximately the eighth of the surface 9 of the film 14.
  • the interior faces 11 and 13 of the two films 14 and 16 are metallized continuously and connected to ground.
  • the binary digital signal to be converted into an analog sound signal is composed of binary words of five parallel bits, each bit having a different weight from the others.
  • the bits are transmitted by lines 1 to 5.
  • Line 1 transmitting the most significant bit and 5 the least significant bit. The most significant bit also determines the sign of the binary word.
  • Line 1 defines the sign of the displacement and it is connected either to a positive voltage source or negative by a switch, line 2 is connected to surface 9, line 3 to surface 8, line 4 to surface 7, line 5 to surface 6.
  • the surfaces excited by the lines transmitting the different bits are scaled according to the powers of two, thus allowing the decoding of a linearly coded signal with pulse modulation (PCM).
  • PCM pulse modulation
  • the sound pulse generated by the excitation of a zone or group of metallized zones is associated with the weight of the corresponding bit.
  • the voltage applied to each metallized surface is constant, so it is only the size of the displaced surface that influences the amplitude of the sound pulse.
  • the acoustic superposition of the sound pulses generated by the different excited surfaces produces an acoustic pulse of amplitude corresponding to the value of the original binary word; an analog acoustic filter allows the transformation into analog sound signal.
  • the number of bits can be 4.5.6 or more depending on the quality of the desired audio signal.
  • the sign bit could be linked to the second side of the films.

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  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
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Abstract

L'invention concerne un transducteur acoustique comprenant une pluralité de films piézoélectriques. Deux films piézoélectriques métallisés (14,16) fonctionnant en oscillateur sont montés à leur périphérie sur un support creux et reliés physiquement à proximité de leur centre par de la colle epoxy (18) ou par fusion thermique. L'une des faces d'un des films (16) est métallisée en zones (6,7,8) isolées électriquement. Chaque zone (6,7,8) ou surface de film (9) est reliée à une ligne (1,2,3,4,5) transmettant un bit de poids différent composant un mot binaire d'un signal numérique électrique. Ce dispositif permet la conversion directe d'un signal numérique électrique en un signal sonore analogique. Un tel transducteur peut être utilisé dans un système informatique ou de télécommunication.

Description

  • La présente invention a pour objet un transducteur acoustique comprenant un support creux et une pluralité de films polymères piézoélectriques métallisés fonctionnant en oscillateur lesdits films étant montés à leurs périphéries sur le support creux de sorte que leurs périphéries soient séparées et ils sont physiquement reliés au voisinage de leur centre à au moins un film adjacent ledit transducteur étant conçu pour produire du son, lesdits films étant électriquement connectés et leurs polarités sélectionnées de telle façon que les films se déplacent dans la même direction lorsqu'ils sont excités électriquement.
  • Des transducteurs acoustiques utilisant des éléments piézoélectriques comme oscillateur sont connus dans la littérature. Par exemple les brevets américains No. 3 832 580 et No. 3 792 204 décrivent des transducteurs utilisant un seul film piézoélectrique, un article de Tamura et al présenté en 1978 à la conférence "Acoustical Society Meeting" à Honolulu décrit une paire de films piézoélectriques tendus à la surface inférieure et supérieure d'un coussin de mousse polyuréthane. Le brevet américain No. 3 832 580 décrit l'utilisation d'une pluralité d'éléments piézoélectriques suspendus dans diverses configurations.
  • Pour une tension électrique alternative donnée un transducteur à film piézoélectrique produit typiquement une amplitude sonore plus faible que celle produite, avec le même voltage, par d'autres types de transducteurs tels que les transducteurs électrodynamiques. Cette sensibilité, en tension, plus faible, peut conduire à une amplitude indésirablement faible pour certaines applications, telles que les récepteurs téléphoniques, ou la tension de signal est faible. D'autre part, les transducteurs à films piézoélectriques utilisés comme microphones ou transmetteurs produisent pour une pression sonore donnée, une tension de sortie plus faible que d'autres types de transducteurs, tels que les condensateurs à électret. Des tensions de sortie si basses nécessitent l'utilisation d'amplificateurs de gains importants dont le coût est relativement élevé.
  • Un transducteur acoustique conforme aux caractéristiques du préambule et remédiant aux inconvénients précités est décrit dans le brevet US-A-4.295.010 de la déposante. Pour produire du son les films sont électriquement connectés en parallèle avec leurs polarités sélectionnées de telle façon que lesdits films se déplacent dans la même direction lorsqu'ils sont excités électriquement.
  • Afin de tirer profit des avantages de la technique développée autour des signaux numériques pour la transmission et le traitement des signaux acoustiques tels que la parole il faut convertir le signal sonore analogique en un signal numérique électrique et après la transmission il faut reconvertir le signal numérique transmis en un signal sonore analogique.
  • Les procédés de conversion analogique numérique et numérique analogique sont connus en soi.
  • Habituellement pour convertir un signal électrique binaire en un signal sonore analogique on doit transformer les mots binaires composant le signal numérique en une série d'impulsions discrètes dont l'amplitude correspondant aux niveaux de quantification représenté par le mot binaire puis procéder à un fibrage analogique électrique à la bande de fréquence du signal sonore désiré et enfin à la transduction du signal analogique électrique en un signal analogique sonore.
  • Il s'est posé le problème de savoir si il serait possible de concevoir un dispositif simple permettant de convertir simplement un signal sonore analogique à un signal électrique numérique. Un tel dispositif simplifierait par exemple la conception du micro d'un système informatique ou de télécommunication de même qu'un dispositif convertissant directement un signal électrique numérique en un signal sonore analogique simplifierait la conception de l'écouteur ou du haut parleur d'un tel système. Une réalisation de ce genre a été tentée avec un écouteur à électret (cf.J.L.Flanagan, The Bell System Technical Journal 59 1693 (1980)) mais avec les inconvénients liés aux systèmes à électret, une conception plus complexe et plus difficile à étendre à un nombre plus grand de bit que la présente invention.
  • La présente invention permet la réalisation d'un transducteur qui convertit directement un signal numérique électrique en un signal analogique sonore.
  • Ce transducteur acoustique selon l'invention est caractérisé par le fait qu'une face au moins d'un desdits films est composée de zones métallisées dont la grandeur de leurs surfaces est échelonnée et électriquement isolées entre elles et qu'une zone ou un groupe de zones ou un film est excité de façon sélective par un signal électrique de sorte qu'un signal électrique numérique soit converti directement en un signal sonore composé d'impulsions modulées en amplitude.
  • Selon une variante les zones métallisées sont des anneaux circulaires concentriques du secteur de cercle, des spirales imbriquées ou des bandes croisées. En excitant de façon sélective les zones constituant le film ou les films piézoélectriques on provoque le déplacement de ladite zone qui produit un signal sonore dont l'amplitude dépend de la surface de ladite zone. La superposition de ces signaux reconstitue le signal analogique sonore après un filtrage acoustique du signal obtenu à la sortie du transducteur.
  • Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une exécution de l'invention.
  • L'unique figure représente une coupe verticale d'un écouteur conforme à l'invention.
  • Dans la figure est représenté un écouteur composé de deux films piézoélectriques. Les films en forme de troncs de cône 14 et 16 sont reliés à leur centre -par de la colle epoxy 18 et montés à leur périphérie sur un support cylindrique entre des anneaux non représentés. Les films 14 et 16 sont constitués de couches 28 en polyfluore de vinylidene polarisé, de 9 microns d'épaisseur qui sont métallisées sur leurs surfaces par une couche 30 d'or d'une épaisseur de 200o A.
  • Les films sont polarisés pour obtenir un fort coefficient piézoélectrique dans les deux directions (X et Y) de la surface du film (communément notés d 31 et d de telle sorte que les films se déforment symétriquement ce qui améliore efficacement le résultat. Les vecteurs de polarisation des films 14 et 16 sont alignés perpendiculairement aux surfaces des films, et les films sont montés de telle sorte que les deux vecteurs sont dirigés dans la même direction.
  • Le film 16 est métallisé sur une de ses faces en trois bandes 6,7,8 en forme d'anneaux concentriques. La bande 6 peut être un disque plein, c'est-à-dire que la métallisation peut s'étendre sur la partie centrale du film 16 à laquelle il est collé au film 14. Le film 14 est métallisé de façon continue sur presque toute sa surface. La surface métallisée 6 est environ la moitié de la surface de l'anneau 7, le quart de l'anneau 8 et environ le huitième de la surface 9 du film 14. Les faces intérieures 11 et 13 des deux films 14 et 16 sont métallisées de façon continue et reliées à la masse.
  • Le signal numérique binaire à convertir en signal sonore analogique est composé de mots binaires de cinq bits parallèles, chaque bit ayant un poids différent des autres. Les bits sont transmis par les lignes 1 à 5. La ligne 1 transmettant le bit de plus fort poids et 5 celui de plus faible poids. Le bit de plus fort poids détermine également le signe du mot binaire.
  • La ligne 1 définit le signe du déplacement et elle est reliée soit à une source de tension positive soit négative par un commutateur, la ligne 2 est reliée à la surface 9, la ligne 3 à la surface 8, la ligne 4 à la surface 7, la ligne 5 à la surface 6. Les surfaces excitées par les lignes transmettant les différents bits sont échelonnées selon les puissances de deux permettant ainsi le décodage d'un signal codé linéairement' à modulation d'impulsions (PCM). L'impulsion sonore générée par l'excitation d'une zone ou groupe de zones métallisées est associée au poids du bit correspondant. Le voltage appliqué à chaque surface métallisée est constant, c'est donc uniquement la grandeur de la surface déplacée qui influence l'amplitude de l'impulsion sonore. La superposition acoustique des impulsions sonores générées par les différentes surfaces excitées produit une impulsion acoustique d'amplitude correspondante à la valeur du mot binaire original ; un filtre acoustique analogique permet la transformation en signal sonore analogique.
  • Le nombre de bits peut être de 4,5,6 ou plus selon la qualité du signal sonore désiré.
  • D'autre part, il est possible de répartir les surfaces métallisées d'une autre manière en utilisant par exemple une configuration à quatre films piézoélectriques comme décrit dans le brevet principal.
  • Le bit signe pourrait être relié à la seconde face des films.

Claims (7)

1. Transducteur acoustique comprenant un support creux et une pluralité de films piézoélectriques métallisés fonctionnant en oscillateur lesdits films étant montés à leurs périphéries sur le support creux de sorte que leurs périphéries soient préparées et ils sont physiquement reliés au voisinage de leur centre à au moins un film adjacent ledit transducteur étant conçu pour produire du son, lesdits films étant électriquement connectés et leurs polarités sélectionnées de telle façon que les films se déplacent dans la même direction lorsqu'ils sont excités électriquement, caractérisé par le fait qu'une face au moins d'un desdits films est composée de zones métallisées dont la grandeur de leurs surfaces est échelonnée et électriquement isolées entre elles et qu'une zone ou un groupe de zones ou un film entier est excité de façon sélective par un signal électrique de sorte qu'un signal électrique numérique soit converti directement en un signal sonore composé d'impulsions modulées en amplitude.
2. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites zones sont des anneaux concentriques.
3. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites zones sont des bandes croisées.
4. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites zones sont des spirales imbriquées.
5. Transducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledites zones sont des secteurs de cercle.
6. Transducteur selon l'une quelconque des revendications 1 ou 4, caractérisé par le fait qu'une zone ou un groupe desdites zones ou un film est excité uniquement par les composantes des mots code constituant ledit signal numérique, le poids desdits composantes correspondant à la surface de ladite bande ou dudit groupe de bandes ou dudit film.
7. Transducteur selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ledit signal est codé en binaire et que les bits sont transmis par des lignes parallèles chaque ligne transmettant uniquement les bits de même poids et étant liées à une zone ou à un groupe de zones ou à un film entier dont la surface relative correspond approximativement au poids dudit bit.
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EP0085997A2 true EP0085997A2 (fr) 1983-08-17
EP0085997A3 EP0085997A3 (fr) 1984-07-18

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