DE19644676A1 - Schallwandler - Google Patents
SchallwandlerInfo
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Classifications
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Landscapes
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- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler im
Ultraschallbereich, der als Sender und auch als Empfänger
einsatzbar ist und die Verwendung eines piezokeramischen
Wandlerelementes vorsieht.
Der bisher bekannte Wandler enthält eine planparallele
aktive Schicht aus Piezomaterial, die von sich aus als
Resonanzkörper wirkt, eine oder mehrere Anpassungsschich
ten an der Seite, auf die der Ultraschall auftrifft und
einen Dämpfungskörper, um die Resonanzeigenschaften des
Piezomaterials zu senken. Eine solche mehrschichtige Kon
struktion ist vielfach beschrieben, und es wurden auch di
verse Theorien angegeben, die die Berechnung solcher Wand
lertypen ermöglichen. Allerdings verlangen die elektri
schen Eigenschaften solcher Wandler die Anordnung zusätz
licher Elemente, die den Wandler elektrisch an die Genera
toren und Empfangsverstärker anpassen.
Von den Wandlern, die die interne Struktur eines Körpers
abbilden sollen (Defektoskopie, Medizintechnik), wird ver
langt, daß die kurze und starke Impulse senden können und
eine Breitbandigkeit beim Empfang vorhanden ist. Diese
Problematik ist in dem Buch von M.G. Silk dargelegt. Es
sind daraufhin viele diverse Konstruktionen vorgeschlagen
und auch verwirklicht worden, die zu diesem Ziel führen
sollen. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- 1. Bei einem Vorschlag werden die Piezokeramik- oder Kri stallscheiben durch Kompositscheiben aus Keramikstücken in Epoxidharz ersetzt. Diese sogenannten Kompositwandler haben viele Vorteile, verlangen jedoch stets noch Däm pfungsschichten sowie eine elektrische Anpassung. Außerdem sind sie ziemlich teuer in der Herstellung und auch nicht breitbandig genug.
- 2. Bei einem weiteren Vorschlag werden sehr dünne Piezo polymerfolien herangezogen. Diese Folien haben zwar die Eigenschaft, daß die damit ausgestattetem Wandler eine ver hältnismäßig große Breitbandigkeit besitzen, jedoch kann auch hierbei nicht gänzlich auf Dämpfungsschichten verzich tet werden, da die Folien durch ihre Planparallelität Reso nantoreigenschaften besitzen. Auch ist die elektrische An passung ziemlich schwierig, und die Folienwandler zeichnen sich durch eine geringe Signalamplitude beim Senden aus.
- 3. Ein weiterer Vorschlag sieht vor, massive Scheiben aus Piezokeramik zu verwenden, die aber mit modifizierten Ober flächen ausgestaltet sind. In dem US-Patent 3 968 680 wer den Wandler vorgeschlagen, die Piezoscheiben mit nicht parallelen Wänden enthalten. Wandler mit nicht parallelen Flächen der Keramikscheiben sind auch in anderen Publika tionen erwähnt, so z. B. in dem Artikel von P. G. Barthe und P. J. Benekeser "A Staircase Model of Tapered Piezo electric Transducer". Abgedruckt ist dieser Artikel in IEEE Ultrasonic Symposium 1987. Untersuchungen haben ge zeigt, daß solche Wandler eine relativ gute Breitbandigkeit besitzen und auch kurze Impulse produzieren können. Die von ihnen abgegebenen Signale sind jedoch relativ schwach und auch die Breitbandigkeit ist für viele Fälle trotzdem nicht ausreichend.
Eine weitere Konstruktion mit einem Wandler aus einer
rauhen hinteren Oberfläche der Piezoscheibe wird in dem EP
0 634 227 beschrieben. Eine weitere Wandlerausführung mit
strukturierter Rückseite ist in der EP 6 029 994 beschrie
ben worden. Bei dieser Ausführung ist die Rückseite des
Wandlers mit flachen Rillen strukturiert, wobei die Stärke
der Piezoscheibe unterhalb des Rillenbodens um ein Mehr
faches größer ist als die Rillentiefe (vgl. Sp. 10, 12).
Außerdem ist eine weitere Voraussetzung für die Funktionsfä
higkeit dieses Wandlers, daß das elektrische Feld im Be
reich des verbliebenen Materials homogen ist (Spalte 12 und
Sp. 6). Das verbliebene Material funktioniert dabei als ak
tives Element; der Rillenbereich wirkt nur als Dämpfung und
erlaubt den Verzicht auf eine Rückdämpfung. Der Wandler ge
mäß der letztgenannten europäischen Patentschrift erzeugt
auch einen relativ langen Impuls, wie in Fig. 8 dargestellt
ist. Diese Eigenschaft wird als nachteilig betrachtet. Zwar
sind bei dieser Ausführung die Probleme, die die Klebe
schicht verursacht beseitigt, aber die lange Impulsantwort
bewirkt, daß dieser Wandler nicht für alle Zwecke einsetz
bar ist.
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, einen
leicht herstellbaren extrem flexiblen Wandler für den
Ultraschallbereich zu schaffen, der über eine große Band
breite verfügt, eine technologische Wiederholbarkeit auf
weist und mit einer starken Intensität arbeitet. Darüber
hinaus soll eine gute Übertragungsfunktion, also eine kurze
Impulsantwort, gewährleistet sein und die Amplitude als auch
die Phase in einem breiten Frequenzspektrum einen flachen
Verlauf haben.
Alle die genannten Forderungen werden mit einem Schallwand
ler gemäß Anspruch 1 erfüllt. Es hat sich nämlich gezeigt,
daß Schallwandler, dessen Aktivelement aus einem polari
sierten piezoelektrischen Block besteht, dessen hintere
Fläche keine glatte Oberfläche, sondern eine stark modifi
zierte Struktur besitzt, einen extrem kurzen Schallimpuls
produziert und auf Anpassungsschichten und mechanische
Dämpfung verzichten kann. Es wurde überraschenderweise
festgestellt, daß sich als Struktur insbesondere die Anord
nung von tiefen Rillen oder Einschnitten in der hinteren
Seite des polarisierten piezoelektrischen Blockes, wobei
die Vorderseite und die Rückseite des Blockes mit einem
Elektrodenbelag versehen ist. Die Materialstärke zwischen
dem Rollenboden und der Vorderseite des Wandlerelementes muß
sehr gering gehalten sein, so daß dieser Bereich nun eine
elektrische Isolierfunktion bewirkt. Die Bereiche zwischen
den Rillen bilden Erhebungen, die in Spitzen auslaufen. Als
besonders geeignet haben sich kegel- oder pyramidenförmig
auslaufende Erhebungen erwiesen. Mit den erfindungsgemäßen
Wandlern können extrem kurze Schallimpulse produziert
werden und es kann auf Anpassungsschichten und mechanische
Dämpfung verzichtet werden. Nicht nötig ist auch dabei die
elektrische Anpassung, da die Impedanz nur ca. 50 Ohm be
trägt. Die Polarisationsrichtung des Wandlerelementes ist
zwar prinzipiell in einem Winkel von ca. 90° zur Sende
fläche, jedoch hat das elektrische Feld im Wandler eine
komplizierte Form, da fast die gesamte hintere Aktivele
mentfläche mit einem Belag versehen ist, der als Elektrode
dient, wobei nur der Boden der Einschnitte nicht mit einer
Elektrode bedeckt werden muß. Die vordere Wandlerwand ist,
wie üblich, glatt und mit einer flachen Elektrode bedeckt.
Sie muß aber nicht eben sein, sondern kann sich auch ge
krümmt verhalten, z. B. um die räumliche Gestaltung des Im
pulses modifizieren zu können, den der Wandler produziert.
Mit dem Wandler gemäß der Erfindung kann ein Impuls von
ca. 20-ns-Länge gesendet werden. Der Wandler besitzt eine
relativ flache Übertragungsfunktion der Amplitude und
Phase im gesamten Ultraschallbereich. Seine Signalamplitude
und Empfindlichkeit lassen sich durchaus mit den in dieser
Hinsicht hervorragenden Kompositwandlern vergleichen. Der
Wandler benötigt jedoch keinerlei elektrische Anpassung und
ist erheblich einfacher herzustellen als alle zum Stand der
Technik genannten Wandlertypen. Es ist auch leicht, die
Wiederholbarkeit seiner Eigenschaften zu gewährleisten, da
sie fast allein von der Präzision der Bearbeitung abhängig
sind.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeich
nungen erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung des Impulsverlaufes,
Fig. 2 das piezokeramische Wandlerelement in einer mög
lichen erfinderischen Ausgestaltung,
Fig. 3 ein rundes Wandlerelement für einen kleinen
Schallwandler,
Fig. 4 ein Modifikation des Wandlers gemäß Fig. 3,
Fig. 5 das piezoelektrische Wandlerelement gemäß Fig. 2
mit eingezeichneten Elektroden,
Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Schallwandler,
Fig. 7 die Verbindung des Wandlerelementes mit einem
Festkörper,
Fig. 8 den Spannungsverlauf des erfindungsgemäßen
Schallwandler,
Fig. 9 eine Generatorschaltung und Empfängerschaltung
für den Schallwandler gemäß der Erfindung.
Die graphische Darstellung der Fig. 1 zeigt die Kürze des
mit der erfindungsgemäßen Konstruktion erreichten Impulses.
In Fig. 2 ist eine mögliche erfindungsgemäße Ausbildung des
Wandlerelementes 1 dargestellt. Der Wandlerblock besteht
aus polarisierter Piezokeramik. Die Polarisationsrichtung
des Wandlerblockes verläuft in einem Winkel von 90° zur
Sendefläche. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist nach
Strukturieren die Vorderseite 2 - also die mit Ultra
schallwellen beaufschlagte Seite - des Wandlerelementes 1
weiterhin eben, während die Rückseite 3 stark strukturiert
ist. In die Rückseite sind sehr tiefe Rillen 4 einge
bracht. Die Bereiche zwischen den Rillen 4 sind Erhebungen,
die in dem Ausführungsbeispiel aus einem Block 5 bestehen,
der in Form einer Pyramide 6 ausläuft. In der gezeichneten
Form verlaufen die Rillen parallel, was nicht erforderlich
ist, denn diese können jeden beliebigen Verlauf haben; sie
müssen nur sehr tief gehalten sein. Auch die Pyramidenform
der Erhebungen ist nicht zwingend.
In den Fig. 3 und 4 sind runde an ihrer Rückseite struk
turierte Blöcke als Wandlerelemente 7 und 8 gezeigt. Das
Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist rund und trägt eine
Mittenvertiefung 9 und eine spitz zu- und umlaufende Wand
10. Das Wandlerelement 8 gemäß Fig. 4 zeigt eine runde Ril
le 11 mit einer in der Mitte angeordneten Pyramide oder Ke
gel 12. Die spitz zulaufende Wand 13 ist jenseitens der
Rille 11 angeordnet.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch auf einem Wandler
element mit eckiger Grundfläche Rillen und Erhebungen gemäß
der Fig. 3 und 4, also eine konzentrische Strukturierung,
nebeneinander anzuordnen.
Allen Ausführungen gemeinsam ist das Merkmal, daß die Stär
ke a zwischen Rillenboden und der Vorderseite des Wandler
elementes sehr gering gehalten ist. Dieser Bereich hat nur
eine elektrische Isolierfunktion. In der Praxis hat sich
eine Konstruktion bewährt, wobei die Stärke a ca. 0,05 mm
bei einer Rillenbreite von ca. 0,1 mm beträgt und einer
Breite der Erhebungen von ca. 0,5 mm, sowie deren Höhe von
1 mm.
Die Fig. 5 zeigt eine Belegung des Wandlerelementes 1 ge
mäß Fig. 2 mit Elektroden. Die Elektrode an der Vordersei
te ist mit 14 bezeichnet, während die Elektrode der Rück
seite 15 sich über alle Erhebungen zieht, wie die Schraf
fierung, die die Elektrode der Rückseite kenntlich macht,
zeigt. Die Elektrode 15 der Rückseite muß nicht den Boden
der Rillen überziehen.
Maßgebend für die Wirkungsweise der Wandler ist das durch
die Strukturierung gegebene elektrische Feld, das inhomogen
sein muß. Dieses elektrische Feld hat eine komplizierte
Form, da die Elektrode die gesamte hintere Aktivelement
fläche bedeckt. Die vordere bei Sendung schallabstrahlende
Wand ist eben und mit einer flachen Elektrode 14 versehen.
Die Vorderseite des Wandlerelementes muß nicht eben, sie
kann auch gekrümmt sein, um die räumliche Gestaltung des
Impulses modifizieren zu können, die der Wandler produ
ziert.
Falls die vordere Fläche nicht eben, sondern gekrümmt ist,
müssen die Rillen der Rückseite dieser Tatsache angepaßt
sein.
Die Funktion des erfindungsgemäßen Wandlers wird durch das
Zusammenspiel der stark inhomogenen elektrischen Feldes mit
den Longitudinar- und Schereffekten im Bereich der Erhebun
gen zwischen den Rillen erhalten. Die Erfindung geht dabei
davon aus, daß das elektrische Feld in dem aktiven Bereich
des Wandlers stark modifiziert, also inhomogen sein muß.
Diese Tatsache vermittelt eine extreme Breitbandigkeit und
bringt wesentliche energetische Vorteile. Es hat sich
experimentell gezeigt, daß die Wandler mit konzentrischen
Strukturen ein stärkeres Signal als vergleichbare Wandler
mit flachen Wänden erzeugen. Dadurch ist es möglich, auch
sehr kleine Wandler nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag
mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm herzustellen,
die noch verwertbare Signale liefern.
Außerdem wurde festgestellt, daß durch Änderung der Ver
teilung des elektrischen Feldes die abgestrahlte Welle be
einflußt werden kann. So hat sich vorteilhaft gezeigt, daß
bei der Konstruktion gemäß Fig. 2 und Fig. 5 des Wandler
elementes die Welle eine ebene Wellenfront aufweist, die
sich wesentlich von der Wellenfront eines bekannten Wand
lers mit flachen oder leicht modifizierter Vorder- und
Rückseite unterscheidet. Eine Strukturierung in Form eines
konzentrischen Ringes produziert eine sphärische Welle. Die
Erfindung eröffnet somit auch eine Gestaltungsmöglichkeit
der austretenden Welle durch eine vorbestimmte Verteilung
des elektrischen Feldes.
Ein Schallwandler 16 gemäß der Erfindung ist im Längs
schnitt in Fig. 6 gezeigt. Das Wandlerelement 17 ist dabei
gemäß Fig. 5 ausgebildet und sitzt am oberen Ende des Ge
häuses 18. Der elektrische Anschluß erfolgt über das Kabel
19, das eine Verbindung zu beiden Elektroden darstellt. Der
Innenraum des Gehäuses 18 ist mit einer Vergußmasse 20 mit
niedriger akustischer Impedanz ausgefüllt. Zum Schutz des
Wandlerelementes 17 ist dieses mit einer Schutzschicht 21
versehen, die auf der senkrechten Gehäusewandung aufliegt.
Fig. 7 zeigt im Prinzip die Anordnung des in Vergußmasse 22
eingebetteten Wandlerelementes 23, wobei die Vergußmasse 22
eine niedrige akustische Impedanz besitzt. Die Vergußmasse
22 mit dem Wandlerelement 23 ist auf dem Festkörper 24 auf
geklebt. Die Elektrodenanschlüsse des Wandlerelementes sind
mit 25 und 26 bezeichnet.
Es hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist zum Erhalt des
in Fig. 8 gezeigten Spannungsverlaufes, den Wandler ent
sprechend den in Fig. 9 gezeigten Schaltung anzuregen.
Gemäß dieser Schaltung wird die gewünschte elektrische
Spannung langsam zwischen den Elektroden des Wandlers auf
gebaut und dann die Elektroden des Wandlers kurzfristig
kurzgeschlossen und zwar mit einem Schaltelement, das beim
Kurzschluß nur wenige Ohm Impedanz besitzt. Es hat sich ge
zeigt, daß die Aufbauzeit in mehr als 4 Mikrosekunden und
der Kurzschluß in kurzer Zeit mindestens 30 ns erfolgen
soll, um optimale Bedingungen zu erhalten. Der Kurzschluß
des Piezoelementes erlaubt die Maximierung der Impulsampli
tude und verhindert die Nachschwingung des Systems. Durch
Änderung der Kurzschlußzeit läßt sich in gewissen Grenzen
die Länge des Impulses steuert.
Claims (17)
1. Schallwandler für den Ultraschallbereich, der sowohl als
Sender als auch als Empfänger einsetzbar ist unter Ver
wendung eines piezokeramischen Wandlerelementes,
dadurch gekennzeichnet,
daß die mit Elektroden belegte Vorder- und Rückseite des
aktiven Wandler-Elements so strukturiert ist, daß eine
stark inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes er
folgt.
2. Schallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das aktive Wandlerelement aus einem polarisierten
piezoelektrischen Block besteht, auf dessen hinterer
Seite sehr tiefe Einschnitte oder Rillen vorgesehen
sind, wobei die Vorderseite und Rückseite des Blockes
mit einem Elektrodenbelag versehen ist.
3. Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Seitenwände der Rillen mit einem Elektrodenbe
lag versehen sind.
4. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rillen parallel zueinander verlaufen, sich kreu
zen, Kurven bilden oder in jedem beliebigen Muster zu
einander verlaufen.
5. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vordere Fläche des Wandlerblockes eben oder ge
krümmt glatt ist, wobei außer der Elektrode noch eine
Schutzschicht aufgebracht ist.
6. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Materialstärke des Blockes am Boden der Rillen
so gering wie möglich bemessen ist.
7. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Bereiche zwischen den Rillen Erhebungen bilden.
8. Schallwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen etwa 3 bis 8 mal so breit wie die
Rillen selbst und mehr als 5 mal höher als die Rillen
breite bemessen sind.
9. Schallwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen spitz zulaufend ausgebildet sind.
10. Schallwandler nach Anspruch 7 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen zwischen den Rillen in Form einzel
ner Kegel oder Pyramiden auslaufen.
11. Schallwandler nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen zwischen den Rillen im unteren Be
reich Blöcke bilden, die kegel- oder pyramidenförmig
auslaufen.
12. Schallwandler nach Ansprüche 7, 8, 9, 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erhebungen in Form parallel angeordneter Linien
verlaufen, sich kreuzen, Kurven bilden, konzentrisch
verlaufen oder einzelne Ringe bilden oder zufällig ver
teilt sind.
13. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandlerblock im Querschnitt rund bemessen ist
und eine Mittenvertiefung vorgesehen ist, die von einer
spitz zulaufenden erhabenen Wand umgeben ist.
14. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandlerblock im Querschnitt rund oder oval be
messen ist und die Rillen Kreise oder Kurven bilden
zwischen denen spitz zulaufende erhabene Wände vorge
sehen sind.
15. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das aktive Wandlerelement in einem Material mit
niedriger akustischer Impedanz eingebettet und mit
elektrischen Anschlüssen an den Elektroden versehen und
in einem Gehäuse gefaßt ist.
16. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher
gehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das aktive Wandlerelement auf einem Festkörper auf
geklebt ist.
17. Verfahren zur Anregung eines Schallwandlers, insbeson
dere eines Schallwandlers nach einem oder mehreren der
vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler zunächst langsam innerhalb mehrerer
Mikrosekunden unter die gewünschte Spannung gesetzt
wird, um ihn dann sehr schnell in wenigen Nanosekunden
mit einer möglichst geringen Impedanz kurzzuschließen.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19644676A DE19644676A1 (de) | 1995-11-02 | 1996-10-28 | Schallwandler |
PCT/EP1996/004754 WO1997016260A1 (de) | 1995-11-02 | 1996-11-01 | Piezoelektrischer ultraschallwandler |
Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|
DE19540697 | 1995-11-02 | ||
DE19644676A DE19644676A1 (de) | 1995-11-02 | 1996-10-28 | Schallwandler |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=7776355
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19644676A Withdrawn DE19644676A1 (de) | 1995-11-02 | 1996-10-28 | Schallwandler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19644676A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009027355A1 (de) * | 2009-06-30 | 2011-01-05 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallsensor und Ultraschall-Durchflussmessgerät |
DE102018114821B3 (de) | 2018-06-20 | 2019-07-18 | Bpe E.K. | Infraschall-Resonanzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung |
-
1996
- 1996-10-28 DE DE19644676A patent/DE19644676A1/de not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009027355A1 (de) * | 2009-06-30 | 2011-01-05 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallsensor und Ultraschall-Durchflussmessgerät |
DE102018114821B3 (de) | 2018-06-20 | 2019-07-18 | Bpe E.K. | Infraschall-Resonanzkörper und Verfahren zu dessen Herstellung |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee | ||
8170 | Reinstatement of the former position | ||
8141 | Disposal/no request for examination |