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Ein
Ultraschallwandler ist ein elektromechanischer Wandler und dient
zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen in Medien wie Flüssigkeiten
(z. B. Wasser) oder Gasen (z. B. Luft). In Ultraschallwandlern dienen überwiegend
piezoelektrische Werkstoffe als Wandlerelement, um elektrische Signale
in mechanische Schwingungen und umgekehrt umzusetzen. Um mit den
geringen Auslenkungen von piezoelektrischen Werkstoffen ausreichend
hohe Schalldrücke
z. B. in Luft zu erzeugen, ist eine elektrische und mechanische
(akustische) Impedanzanpassung erforderlich.
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Die
elektrische Impedanzanpassung wird über dünne, scheibenförmige Piezokeramiken
(Dicke < ¼ Durchmesser)
erreicht, die als Planarschwinger arbeiten. Je dünner die Piezokeramik ist,
desto höher wird
die Feldstärke
und damit die relative planare Verzerrung der Piezoscheibe für eine gegebene
Ansteuerspannung. Durch die Querkontraktion (Poissonzahl) der Piezokeramik
wird mit dem Durchmesser der Piezoscheibe auch die Scheibendicke
verzerrt. Die Dickenänderung
der Scheibe führt
in einem angrenzenden Medium zur Schallabstrahlung in Richtung der
Flächennormale.
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Weiterhin
ist eine akustische Impedanzanpassung erforderlich, um Schallenergie
in nennenswertem Umfang aus der akustisch harten Piezokeramik (ZPZT ≈ 30·106 kg/(m2s); Schallkennimpedanz: Z = Dichte·Schallgeschwindigkeit)
in akustisch weiche Medien wie z. B. Luft (ZLuft =
0,44·106 kg/(m2s)) auszukoppeln.
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Eine
bekannte Lösung
sind piezokeramische Festkörperschwinger,
bei denen eine λ/4-Schicht
aus einem Anpassmaterial auf die Piezokeramik aufgebracht ist, um
den Schallübergang
zum Ausbreitungsmedium zu optimieren. Dieses Prinzip ist z. B. in
der
DE 20 2004
002 107 U1 ausführlich
beschrieben. Eine optimale Impedanzanpassung von Piezokeramik zu
Luft erfordert ein Anpassmaterial, dessen Schallkennimpedanz Z
Anpass etwa 3,5·10
6kg/(m
2s) beträgt.
Materialien mit dieser vorteilhaften Schallkennimpedanz sind beispielsweise
Elastomere, Thermoplaste oder entsprechend mit Hohlraum bildenden Füllstoffen
versehene Epoxide. Mit solchen Werkstoffen lässt sich zwar ein zufriedenstellender
Wirkungsgrad erzielen. Nachteile ergeben sich jedoch durch einen
eingeschränkten
Temperatureinsatzbereich und geringe mechanische Robustheit sowie
geringe chemische Beständigkeit.
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Mit
gesinterten Kunststoffen wie z. B. PTFE als Anpassmaterial wird
eine hohe chemische Stabilität
erzielt. Die notwendige scherfeste Verbindung der planar schwingenden
Piezokeramik mit dem Anpassmaterial ist jedoch nur mit großem technischen Aufwand
machbar. Zudem weisen Kunststoffe und Klebstoffe deutliche Änderungen
der Schallgeschwindigkeit bzw. Festigkeit über den für technische Anwendungen interessanten
Temperaturbereich von –40°C bis etwa
120°C auf,
was sich in Form von Frequenzänderungen
negativ bemerkbar macht.
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Eine
weitere Form der mechanischen Impedanzanpassung besteht darin, die
vergleichsweise kleine Änderung
des Durchmessers eines piezokeramischen Planarschwingers in eine
relativ große
Auslenkung eines Biegeelementes zu transformieren. Dazu wird eine
piezokeramische Scheibe auf den Boden eines topfförmigen Wandlergehäuses aufgeklebt.
Ausführungsformen
dieses Wandlerprinzips sind z. B. in der
DE 10 2004 031 310 A1 und
der
DE 197 44 229
A1 beschrieben.
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In 1 ist
so ein topfförmiger
Biegeschwinger dargestellt, bei dem eine Piezo-Scheibe (2)
auf den Boden des Gehäuses
(1) schertest befestigt, z. B. geklebt ist. Wird die Piezo-Scheibe
durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung angeregt, führt der
Verbund aus Piezokeramik und Topfboden (3) Biegeschwingungen
aus. Besteht das Topfgehäuse aus
Stahl oder einem anderen chemisch stabilen Material, eignen sich
solche Wandler aufgrund der geschlossenen Bauform für Anwendungen
in aggressiven Medien.
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Der
elektromechanische Wirkungsgrad solcher Biegewandler ist besonders
hoch, wenn die Piezokeramikscheibe und der Topfboden dünn gegenüber dem
Durchmesser des Topfbodens sind. In diesem Fall ist die Resonanzfrequenz
des Biegeverbundes deutlich unterhalb der ursprünglichen Frequenz der Planarschwingung
der Piezoscheibe. Dies hat zur Folge, dass die Schallkeulen von
Biegewandlern in der Regel einen –3 dB-Öffnungswinkel > 20° aufweisen. Für Einsatzzwecke,
bei denen eine hohe Ortsauflösung
gefordert wird, sind Biegewandler daher ungeeignet.
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Bei
Biegewandlern wird die Klebeverbindung zwischen Piezoscheibe und
Boden des Gehäuses auf
Scherung beansprucht. Die Frequenz und die Qualität der Schwingung
werden wesentlich durch die mechanischen Eigenschaften des Verbundes
aus Topfboden, Klebeschicht und Piezokeramik bestimmt. Die Toleranzen
und der Temperaturgang der Klebstoffeigenschaften wirken sich ungünstig aus, was
ein weiterer Nachteil ist.
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Auf
Grund der Biegebeanspruchung der spröden Piezokeramik sind zudem
der Belastbarkeit von Biegewandlern Grenzen gesetzt.
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Aufgabenstellung
für die
Erfindung
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Mit
der Erfindung soll ein Ultraschallwandler geschaffen werden, der
sich für
den Einsatz in aggressiven Medien eignet, eine schmale Schallkeule mit
einem –3
dB-Öffnungswinkel < 20° hat, eine
hohe mechanische und thermische Robustheit aufweist, ohne Scherbeanspruchung
der Klebeverbindung auskommt, keine Biegebeanspruchung der Piezokeramik
bewirkt und einen geringen Temperaturgang der Frequenz gewährleistet.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
ein piezoelektrisches Element (4) radial kraft- und formschlüssig an
die Innenwand eines topfförmigen
Gehäuses
angekoppelt wird, so dass dieses Element nicht mit dem als schwingende
Membran wirkenden Topfboden verbunden ist (2).
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Vorteilhaft
aber nicht notwendigerweise handelt es sich bei dem piezoelektrischen
Element und dem Topfgehäuse
um rotationssymmetrische Körper. Die
erfindungsgemäßen Vorteile
können
ebenso mit piezoelektrischen Körpern
erzielt werden, die eine beliebige zylindrische, prismatische oder
pyramidenstumpfförmige
Struktur aufweisen und erfindungsgemäß in ein entsprechend ausgeführtes Topfgehäuse eingebracht
werden.
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Um
in der praktischen Umsetzung sicherzustellen, dass der Abstand des
piezoelektrischen Elementes zum Topfboden sicher eingehalten wird,
kann erfindungsgemäß am Übergang
vom Topfboden zur Wand des Topfgehäuses ein Absatz (6)
vorgesehen werden, auf dem das Piezoelement in definierter Lage
zum Topfboden aufliegt (3). Dieser Absatz kann sowohl
aus einzelnen Auflagepunkten als auch aus einer umlaufenden Stufe
bestehen. Der Absatz kann ein Teil vom Gehäuse sein oder auch aus einem anderen
Material bestehen.
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Das
piezoelektrische Element besteht im einfachsten Fall aus einer scheibenförmigen Piezokeramik
(7), die an ihrer Ober- und Unterseite metallisiert ist
und als Planarschwinger arbeitet. Erfindungsgemäß kann auch ein ringförmiges piezokeramisches
Element (4) eingesetzt werden, bei dem die Kontaktierung
der dem Gehäuseboden
zugewandten Elektrode der Piezokeramik mittels einer dünnen Litze
besonders einfach vorgenommen werden kann. Bei piezokeramischen
Ringen und Scheiben liegt in den meisten Fällen eine axiale Polarisierung
vor, wobei die Ansteuerelektroden auf der Ober- und Unterseite angebracht
sind. Es gibt jedoch auch radial polarisierte piezokeramische Rohre,
bei denen die Elektroden auf der inneren und äußeren Zylindermantelfläche liegen.
Diese eigenen sich ebenfalls für den
erfindungsgemäßen Wandler
und lassen sich sehr gut kontaktieren.
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Bei
der Verwendung einer scheibenförmigen Piezokeramik
(7), wie in 4 dargestellt, ist es von Vorteil,
beispielsweise eine zentrale Bohrung von ca. 0,8 mm vorzusehen,
durch die ein dünnes
Anschlusselement durchgeführt
und an der dem Topfboden zugewandten Elektrode angelötet werden
kann. Es können
auch andere, dem Fachmann nahe liegende Verfahren zur Kontaktierung
einer Piezokeramik eingesetzt werden (z. B. Umkontaktierung).
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Aufgrund
der Eigenschaft von Piezokeramiken, große Kräfte bei geringen Auslenkungen
ausüben
zu können,
ist eine entsprechend dimensionierte piezoelektrische Scheibe in
der Lage, auch Topfgehäuse
aus sehr steifen Materialien mit einem Elastizitätsmodul > 100 GPa hinreichend stark zu verzerren.
Da die piezoelektrische Scheibe erfindungsgemäß nicht direkt mit der schallabstrahlenden
Membran gekoppelt ist, gelingt es mit solchen Topfmaterialien, vergleichsweise
hohe Frequenzen der Topfbodenschwingung anzuregen und den gewünschten –3 dB-Öffnungswinkel
der Schallkeule von < 20° zu erzielen.
Allgemein werden hohe Frequenzen mit Werkstoffen erzielt, die eine
vergleichsweise niedrige Dichte bei einem möglichst hohen Elastizitätsmodul aufweisen.
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Dieses
vorteilhafte Verhalten wird erzielt, wenn für das Material des Topfgehäuses eine
Hochleistungskeramik, z. B. Aluminiumoxid verwendet wird. Zu den
beschriebenen Vorteilen kommt bei diesem Material eine besonders
hohe Stabilität
gegenüber
thermischer, mechanischer und chemischer Beanspruchung, was den
Einsatzbereich erfindungsgemäßer Wandler
deutlich über
den vorhandener Wandlerkonzepte erweitert. Dadurch, dass die Membran
nicht direkt mit der Piezokeramik in Kontakt steht, ist die erzielte
Resonanzfrequenz des Wandlers weitgehend unabhängig von Toleranzen der Piezokeramik
und im wesentlichen von den Geometrie- und Materialtoleranzen des
Topfbodens abhängig. Auch
die Temperaturstabilität
der Resonanzfrequenz ist durch den Temperaturgang der elastischen
Eigenschaften der Hochleistungskeramik bestimmt und entsprechend
hoch. Zudem vermeidet die Verwendung zweier keramischer Werkstoffe
mit ähnlichen und
kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z. B. PZT und Aluminiumoxid)
das Auftreten von schädlichen
mechanischen Spannungen bei Wechseltemperaturbeanspruchung.
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Da
Scherbeanspruchungen zwischen Topfboden und Piezoelement erfindungsgemäß vermieden
werden, können
hochtemperaturfeste Kleber auf der Basis von Aluminiumoxid verwendet
werden, um den form- und kraftschlüssigen radialen Kontakt zwischen
Piezoelement und Topfinnenwand herzustellen. Es ist sogar möglich, durch
konische Ausführung der
Innenwand des Topfgehäuses
einerseits und der Mantelfläche
des Piezoelementes andererseits den erforderlichen Kraftschluss
zwischen Piezoelement und Gehäuse
herzustellen, ohne dass die Kraft über einen dazwischen befindlichen
Klebstoff übertragen wird.
Beide Ausführungsformen
ermöglichen
den Betrieb des Wandlers bei hohen Temperaturen, wobei die Einsatztemperatur
durch die Curietemperatur des verwendeten Piezoelementes begrenzt
ist.
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Bei
unverändert
hoher Stabilität
gegenüber chemischen
Einflüssen
können
geschlossenzellige, poröse
Hochleistungskeramiken mit einem Anteil an Hohlräumen von nicht mehr als 25
Volumenprozent als Material für
das Topfgehäuse
und insbesondere für
den Topfboden eingesetzt werden. Durch poröse Keramiken kann der elektroakustische
Wirkungsgrad eines erfindungsgemäßen Wandlers
gegenüber
porenfreier Keramiken aufgrund der niedrigeren Schallkennimpedanz
optimiert werden.
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Da
erfindungsgemäß kein Kontakt
zwischen Piezoelement und Topfboden besteht, können für die Membran verschiedene
Membranformen gewählt werden.
Besonders geeignet ist eine Reduktion in der Dicke des Topfbodens
im Zentrum der Membran. Beispiele hierfür sind in 5, 6 und 7 dargestellt.
Dabei erfolgen z. B. besondere Ausformungen an der Innenund/oder
der Außenseite
der Membran. In 5 ist die Innenseite der Membran
mit einer konkaven Ausformung (13) versehen. In 6 ist eine
weitere Ausführungsform
(9) dargestellt. In 7 ist ein
Beispiel für
eine Reduktion der Membrandicke auf beiden Seiten der Membran (10)
dargestellt. Die Topfbodendicke verringert sich zur Mitte hin auf
nicht weniger als 1/3 des Wertes am Rand des Topfbodens. Für das grundlegende
Funktionsprinzip des Ultraschallwandlers sind auch andere Formgebungen
für die
Membran denkbar.
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Wird
ein Gehäuse
aus Hochleistungskeramik oder einem anderen elektrisch nicht leitendem Material
verwendet, kann es zur Abschirmung störender elektromagnetischer
Einstrahlungen notwendig sein, eine oder beide Seiten des Topfgehäuses mit
einer elektrisch leitenden Schicht zu versehen. Dafür haben
sich lötfähige, galvanisch
oder im Sputterverfahren aufgebrachte Metallisierungen bewährt.
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In
einer Ausführungsform „A" des erfindungsgemäßen Wandlers
besteht das piezoelektrische Element aus einer Piezokeramik mit
dem Durchmesser d und der Dicke d/5, die als Ring mit Innenbohrung
d/2 oder als Scheibe mit zentraler Bohrung von 0,8 mm für die Durchführung einer
Anschlusslitze ausgeführt
sein kann. Die Dicke des Topfbodens beträgt d/7, die Wandstärke des
Topfgehäuses
d/5. Der Topf selbst ist aus Aluminiumoxidkeramik höchster Reinheit
und Dichte gefertigt.
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Die
Höhe des
Topfes und die Ausgestaltung des Topfrandes hängen wesentlich von der Art
und Weise ab, in der das Wandlerelement eingebaut werden soll.
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Im
einfachsten Fall ist zur Befestigung des Topfgehäuses am Topfrand ein Kragen
(5) angebracht (3). An diesem Kragen kann das
Gehäuse
gefasst werden, ohne die Schwingung des Topfbodens wesentlich zu
beeinträchtigen.
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Für die beispielhafte
Ausführung „A" beträgt der Kragendurchmesser
2d und die Kragenhöhe
0,3d bei einer Gesamthöhe
des Topfgehäuses
von 0,8d. Wird als piezoelektrisches Element eine Piezokeramik vom
Typ PZT 5A mit einem Durchmesser d = 10 mm verwendet, so liegt die
Betriebsfrequenz der Ausführung „A" bei etwa 185 kHz.
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Durch Ändern der
Dimensionierung können Frequenzänderungen
erzielt werden. Größere Abmessungen
bedeuten tiefere Frequenzen, kleinere Abmessungen bewirken höhere Frequenzen.
Die Erfindung ist somit nicht auf die Dimensionen der Ausführung „A" beschränkt, sondern
kann über
einen weiten Frequenzbereich genutzt werden. Es sind erfindungsgemäß auch andere
Querschnitte des Topfgehäuses
möglich.
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Die
in vielen Fällen
erforderliche Abdichtung des Topfgehäuses gegenüber dem Übertragungsmedium kann z. B.
mit O-Ringen erfolgen. Zur besseren Positionierung der O-Ringe können im
Kragen Nuten vorgesehen sein. Die Medienbeständigkeit der verwendeten O-Ringe
bestimmt in diesem Fall den Einsatzbereich. In der Technik werden
bei besonderen Anforderungen Dichtscheiben aus Aluminiumoxid verwendet.
Eine weitere Möglichkeit
zur Abdichtung bietet daher eine plane Fläche an der Kragenunterseite,
die gegen eine entsprechende ausgebildete Gegenfläche abdichtet.
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Aufgrund
des großen
Unterschiedes der Schallkennimpedanz zwischen steifen Topfmaterialien
(z. B. ZAluminiumoxid = 40·106 kg/(m2s)) und Gasen
(z. B. ZLuft = 0,4·106 kg/(m2s)) kann es in kritischen Fällen notwendig
sein, eine akustische Impedanzanpassung dergestalt vorzunehmen,
dass die dem Übertragungsmedium
zugewandte Seite des Topfbodens mit einem Material beschichtet ist,
das eine akustische Impedanz ZAnpass von
etwa 4·106 kg/(m2s) besitzt.
Die optimale Dicke für
eine solche Beschichtung ist dann gegeben, wenn die vom Topfboden
ausgehende Schallwelle in der zusätzlichen Schicht einen Weg zurücklegt,
der genau ¼ der
Wellenlänge
in diesem Material entspricht (λ/4-Anpassung).
Geeignete Materialien hinsichtlich einer gewünschten Stabilität gegenüber chemischen
Umgebungseinflüssen
sind z. B. PTFE (Z = 2,97·106 kg/(m2s); c = 1390
m/s) oder PVDF (Z = 4,2·106 kg/(m2s); c = 2350
m/s). Bei einer Frequenz von 185 kHz liegt die erforderliche λ/4-Schichtdicke
für PTFE
bei 1,88 mm und für
PVDF bei 3,18 mm.
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Selbstverständlich kann
die gesamte Außenseite
des Topfgehäuses
in dieser oder einer anderen Schichtdicke mit dem Beschichtungsmaterial
versehen sein. Unter Umständen
kann diese Beschichtung zugleich als Dichtungsmaterial dienen und
die Verwendung von O-Ringen zur Abdichtung gegenüber dem Übertragungsmedium in bestimmten
Anwendungsfällen
erübrigen.
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Werden
erfindungsgemäße Wandler
aus einem Material mit einer hohen Schwingungsgüte von z. B. Q = 100 aufgebaut,
sind lange Ein- und Ausschwingzeiten die Folge. Dadurch wird die
sogenannte Blindzone, innerhalb der das Ausschwingen des Ultraschallwandlers
eintreffende Echos überdeckt
und keine Signalauswertung möglich
ist, unzweckmäßig vergrößert und
die zeitliche und räumliche
Auflösung
des Ultraschallsignals verschlechtert. In diesen Fällen ist
es nötig,
die Schwingungsgüte des
Wandlers durch das Einbringen einer Dämpfungsmasse in den Topfinnenraum
des Gehäuses
zu verringern. Für
die Dämpfungsmasse
geeignet ist ein Material mit einer hohen Temperaturbeständigkeit und
einem guten Dämpfungsverhalten
für Ultraschall über einen
möglichst
großen
Temperaturbereich. Diese Anforderungen werden besonders gut durch Polyurethanharze
erfüllt,
die zur weiteren Verbesserung der Dämpfungseigenschaften mit einem
feinkörnigen
bis pulvrigen Füllstoff
hoher Dichte gefüllt
sind und im Temperaturbereich von –40°C bis etwa 120°C einsetzbar
sind. Zur Unterdrückung
von stehenden Wellen im Innenraum des Topfgehäuses ist es üblich, das
Gießharz
bis zu einem gewissen Grad aufzuschäumen oder Hohlkörper wie
Plastik- oder Glashohlkugeln mit einem Durchmesser < 150 μm unterzumischen.
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Eine
zusätzliche
Möglichkeit
zur Bedämpfung
stellt eine gegenphasige Rückkopplung
oder die elektrische Bedämpfung
der Piezokeramik dar. Dies ist besonders gut möglich, da ein erfindungsgemäßer Wandler
eine isolierte Resonanz hat, die über einen großen Temperaturbereich
stabil und frei von Störmoden
ist.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Funktionsprinzip ist nicht auf die
bisher ausführlich
beschriebene Ausführung „A" beschränkt, bei
der ein topfförmiges
Gehäuse
mit einem Kragen versehen ist und mittels O-Ringen in das eigentliche
Sensorgehäuse
oder die Messstelle dicht eingebaut wird.
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Es
ist erfindungsgemäß möglich, an
Stelle des Kragens oder am Kragen selbst ein Gewinde anzubringen.
Das Funktionsprinzip kann auch auf ein beliebig geformtes, bevorzugt
jedoch rohrförmiges oder
kubisches Gehäuse
angewendet werden, das sich an das der Erfindung zugrunde liegende
topfförmige
Gehäuseteil
anschließt
und beispielsweise zur Aufnahme der Ansteuer- und Auswerteelektronik dient.
Zur Vermeidung von Klebeverbindungen oder Dichtungen besteht das
gesamte Gehäuse
aus dem Material des topfförmigen,
eigentlichen Schallwandlers. In 8 ist beispielhaft
der Querschnitt einer möglichen
Ausführung
gezeigt, bei der sich an den eigentlichen Wandlertopf ein Außengewinde
(11) mit Sechskant (12) anschließt, an den
dann ein zylindrisches Gehäuseteil
(13) zur Aufnahme der Elektronik (14) anschließt. Nach
hinten wird dieses Gehäuse
je nach den Anforderungen mit bekannten technischen Verfahren durch
Verschraubungen für
Anschlusskabel, dicht angebrachte Stecker oder wie in 8 angedeutet,
durch gasdichte Durchführungen
(15), abgeschlossen.
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Erfindungsgemäß kann auch
ein Array aus den neuartigen Ultraschallwandlern gebildet werden (9),
indem z. B. in eine Platte (16) von oben Bohrungen (17)
und von unten Ringnuten (18) oder freie Bereiche (19)
eingebracht sind, wodurch sich topfförmige Ultraschallwandler als
Einzelelemente des Ultraschall-Wandlerarrays ergeben. Die Einzelelemente
können
dabei beliebig angeordnet werden.