Akustische Signalgeber

 

Summer, Piezoschallwandler, Lautsprecher

Als akustische Signalgeber in elektronischen Geräten, vor allem in Überwachungs- und Alarmschaltungen, dienten bis vor einigen Jahren Lautsprecher und gleichspannungsbetriebene Miniatursummer. Die einfachen Summer haben den Nachteil, daß sie nur einen vorgegebenen Signalton erzeugen; ein Wechsel der Tonhöhe oder die Wiedergabe eines komplexen elektroakustischen Signals ist nicht möglich. Bei Lautsprechern wurden zwar Miniaturausführungen entwickelt, ihr Platzbedarf ist jedoch immer noch relativ groß. Beide, Summer und Lautsprecher, haben eine Stromaufnahme in der Größenordnung I0 mA, so daß der direkte Anschluß an einen IC-Ausgang nur selten möglich ist. Piezokeramische Schallgeber, auch als Piezosummer oder Niederfrequenzschwinger bezeichnet, sind platzsparend, benötigen zum Teil Steuerströme von wenigen Milliampere und können komplexe Signale bis hin zu Sprachsignalen in brauchbarer Qualität wiedergeben.

 

Miniatursummer

Die in vielen Ausführungen erhältlichen Miniatursummer werden mit Gleichspannung betrieben, so daß sich der Aufbau einer Oszillator oder Multivibratorschaltung erübrigt. Für die Summer wird eine Nennspannung angegeben, die in der Praxis erheblich über- oder unterschritten werden darf (siehe Tabelle). Da die Signalfrequenz praktisch nicht von der Speisespannung abhängt, ist das Bauelement lediglich als 1-Ton-Signalgeber zu verwenden, kann aber bei entsprechender Beschaltung zwischen Dauer- und Intervallbetrieb umgeschaltet werden.

Die in 1 m Abstand gemessene Lautstärke der Miniatursummer liegt überwiegend zwischen 50 dB(A) und 80 dB(A), sie hängt von der Speisespannung ab (Bild 1). Der Zusammenhang zwischen Speisespannung und Stromaufnahme ist annähernd proportional. In Tabelle 1 sind die Daten einiger Miniatursummer angegeben.

 

Tabelle 1. Wichtige Daten einiger typischer Miniatursummer, gelistet nach Nennspannungen (Herstellerangaben).

 

Bild 1. Lautstärke eines 6-V-Summers, in Abhängigkeit von der Spannung, gemessen in 20 cm Abstand (nach Digisound).

 

Im Handel sind Ausführungen mit Anschlußdrähten und Befestigungslöchern (siehe Bild 2) und solche mit Lötstiften für die Platinenmontage erhältlich. Die Polung der beiden Anschlüsse geht aus der Farbe der beiden Anschlußdrähte oder aus Symbolen an den Lötstiften hervor.

 

Bild 2. Typischer 6-V-Summer für Schraubbefestigung.

 

Piezokeramische Schallgeber

Bild 3a zeigt die Skizze einer typischen Piezoscheibe, die auf eine etwas größere Bronzescheibe geklebt ist. Solche Niederfrequenzschwinger werden mit einer Wechselspannung gesteuert. In die elektronische Schaltung, die zur Erzeugung der Wechselspannung dient, kann der Schallgeber aktiv einbezogen werden, wenn er, wie in Bild 3b gezeigt, über einen Rückkopplungsbelag (3. Anschluß) verfügt.

 

Bild 3. Piezoschallgeber mit und ohne Rückkopplungsbelag. Die Silberbeschichtung nimmt Lötzinn an (nach Stettner).

 

Piezoschallgeber zeichnen sich durch geringes Gewicht, geringen Platzbedarf (Bild 4) und hohen Schalldruck bei kleinen Steuerströmen aus.

 

Bild 4. Piezoschallgeber beanspruchen wenig Platz.

 

Beim Einsatz dieser Bauelemente ist zwischen schmal- und breitbandigen Typen zu unterscheiden. Schmalbandausführungen verfügen über eine ausgeprägte Resonanzfrequenz, auf der sie im allgemeinen betrieben werden, um eine hohe Schalleistung zu erzielen. Bild 6 zeigt die Schalldruck kurve eines Piezoschallgebers, der mit einer Frequenz von ca. 5,5 kHz zu steuern ist.

 

Bild 5. Breitbandiger Piezoschallgeber im Gehäuse, mit Lötstiften ausgestattet. Schalldruckkurve siehe Bild 8 (Foto; Stettner).

 

Bild 6. Schalldruckkurve einer Piezoscheibe mit ausgeprägter Resonanzfrequenz, gemessen mit sinusförmiger Steuerspannung (nach Kyocera).

 

In Bild 7 ist die Sinus-Schalldruckkurve einer Breitbandausführung angegeben. Die Scheibe wird vom Hersteller als Schallwandler in Sprachsynthesizern und zur ‘Melodiewiedergabe’ empfohlen. Gleichmäßiger ist die Schalldruckkurve in Bild 8, sie wurde jedoch mit einer Rechteckspannung gemessen. Die Schalldruckangaben für Piezoschallwandler von verschiedenen Herstellern können in den seltensten Fällen direkt miteinander verglichen werden, da sich die Angaben auf unterschiedliche Meßentfernungen und verschiedene Meßsignalformen (Sinus, Rechteck) beziehen.

 

Bild 7. Schalldruckkurve eines breitbandigen Piezoschallwandler, der für Sprachsynthesizer und Melodiereproduktion geeignet ist (nach Kyocera).

 

Bild 8. Schalldruck eines piezokeramischen Schallgebers mit ebenfalls guter Breitbandigkeit, jedoch mit einer Rechteckspannung gemessen.

 

Piezoschallgeber können teilweisen 

mit Spannungen bis zu 100 V (Spitze-Spitze-Wert) betrieben werden. Da die Scheiben bereits mit Spannungen unter 1 V zu Schwingungen angeregt werden können und zwischen Steuerspannung und Stromaufnahme ein annähernd proportionaler Zusammenhang besteht, kann in vielen Anwendungsfällen, wenn nur eine geringe Lautstärke gefordert wird, die Stromaufnahme unter 1 mA liegen. Diese Tatsache erweitert den Einsatzbereich der Piezoschallwandler und vereinfacht zahlreiche Anwendungsschaltungen.

Bei der Schaltungsentwicklung ist zu berücksichtigen, daß Piezoscheiben eine typenabhängige Eigenkapazität zwischen etwa 10 NF und 80 NF besitzen. Unter Umständen kann diese Kapazität zur Schwingungserzeugung in RC- oder LC-Generatorschaltungen unmittelbar herangezogen werden.

Mit einem passend bemessenen Resonator läßt sich die Lautstärke von Piezoschallwandlern, die in ein Gehäuse eingebaut sind, erheblich heraufsetzen (Bild 9). Die Abmessungen des Resonators richten sich nach der Schwingfrequenz des Schallgebers und werden nach der in Bild 9 angegebenen Formel ermittelt. Das Schallgebergehäuse muß mit dem Resonatormantel dicht abschließen. Ein solcher Aufbau kann auch für die im nächsten Abschnitt beschriebenen elektronischen Piezoschallgeber gewählt werden.

 

Bild 9. Resonator für Piezoschallgeber, die in ein Gehäuse eingebaut sind.

 

Piezoschallwandler mit eingebauter Elektronik

 

Um einem breiten Anwenderkreis den Einsatz von Piezoschallwand- lern zu erleichtern, liefert die Industrie auch Ausführungen für Gleichspannungsbetrieb mit einer in das Gebergehäuse integrierten Elektronik. Die Schaltung wird dabei regelmäßig für einen sehr weiten Speisespannungsbereich ausgelegt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, mit Hilfe passender Steuerschaltungen die Erzeugung modulierter Tonsignale vorzusehen. Als Modulationsarten nennen die Hersteller: Intervallton (Pulston), Grilleneffekt, Sireneneffekt.

 

Lautsprecher

Anwendungen von Lautsprechern als akustische Signalgeber liegen dort, wo es auf breitbandige Übertragung oder auf hohen Schalldruck ankommt.

Für viele Anwendungen, etwa in Computerbaueinheiten, ist der Übertragungsbereich üblicher Miniaturlautsprecher ausreichend; die Steuersignale bestehen in solchen Fällen aus elektronisch erzeugten Einzeltönen verschiedener Frequenz, aus Tonfolgen oder auch aus synthetischen Sprachsignalen. Miniaturlautsprecher stehen ab 0,1 W Leistungsaufnahme und mit Durchmessern ab ca. 30 mm zur Verfügung.

 

Bild 10. Piezoschallwandler mit im Gehäuse integrierter Elektronik. Bei dem Modell links vorne dient der dritte Stift zur Erzeugung eines Intervalltons.

 

Bild 11. Miniaturlautsprecher können vorteilhaft als akustische Signalgeber eingesetzt werden, wenn breitbandige Übertragung erforderlich ist.

 

Bild 12. Übertragungskennlinie eines Miniaturlautsprechers. Belastbarkeit 0,1 W, Impedanz 32 Ω , Maße 27 mm ⌀ x11 mm (nach Monacor).