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Anordnung zur elektrischen Anregung unterschiedlicher Bereiche eines
Piezoschwingers zu unterschiedlichen Zeiten.
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur elektrischen Anregung, z.B.
durch einen Hochspannungsimpuls, unterschiedlicher Bereiche eines Piezoschwingers
zu unterschiedlichen.
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Zeiten, mit nachfolgendem Aussenden von Ultraschallwellen, mit mindestens
einer auf dem Piezoschwinger vorhandenen Elektrode.
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Die Erfindung bezweckt, Ultraschallprüfköpfe zu verbessern und ihren
Anwendungsbereich zu vergrößern. Hierfür ist es wünschenswert, einen geeigneten
Gauß-Schwinger, vergleiche Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall, Springer-Verlag
Berlin / Heidelberg / New York 1966, 2.Auflage S.70, 72,79 zu schaffen, ferner die
Angabe eines geeigneten fokussierenden Prüfkopfes bzw. eine geeignete Schallabstrahlung
unter verschiedenen Winkeln, ferner die Möglichkeit, den Fokuspunkt zu verändern
oder auch die Ultraschall strahlung des Prüfkopfes, je nach Einzelfall, zu defokussieren,
die Größe des Schallwinkels zu verändern und dgl.
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Zwar ist es bereits bekannt, ähnliche Aufgaben auf mechanische Weise
mehr oder weniger hinreichend zu lösen .Z. B.wird ein Gauß-Schwinger dadurch erzielt,'
daß der Schwingquarz nicht planparallel geschliffen wird, sondern in der Mitte einen
Buckel erhält. Andererseits wird die Fokussierung eines Prüfkopfes erreicht, indem
vor einem Schwinger eine sog.
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Ultraschall- Linse angeordnet wird. Diese kann durch Flüssigkeitsmembranen
begrenzt werden, sodaß durch unterschiedlichen Flüssigkeitsdruck eine Änderung des
Fokussierungspunktes erreicht werden kann. Es ist auch bekannt; Winkelprüfköpfe
zu verwenden, wobei der Schwinger eine schräge Anordnung zur
Prüflingsoberfläche
hat. Bringt man zwischen Prüfschwinger und Prüflingsoberfläche Teile, die unterschiedliche
Schallgeschwindigkeiten haben, so kann man auf diese Weise ebenfalls unterschiedliche
Winkel im zu prüfenden Werkstoff erreichen, ferner kann ein in einer Flüssigkeit
befindlicher Prüfschwinger von außen her eine unterschiedliche Neigung gegenüber
dem Prüflingsmaterial erhalten . Dementsprechend erhält man eine Einschallung in
den Prüfling unter geändertem Winkel.
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Ferner ist es bekannt, einen Schwinger mit konzentrischen Ringen auf
seiner Oberfläche zu versehen oder den Schwinger zu unterteilen. Diese Teile sind
voneinander unabhängig und können von außen her zeitlich verzögert iit Spannungsimpulsen
erregt werden ( GB-PS 941,573 ).
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Die bekannten Anordnungen sind jedoch insofern verbesserungsbedürftig,
als ihre feste geometrische Formgebung nur eine Art von Stufenbetrieb zuläßt, also
keine kontinuierliche Änderung des gewünschten Betriebes gestatten oder, im Falle
mechanischer Änderungen, können die gewünschten Änderungen nur relativ langsam durchgeführt
werden. Ferner ist es grundsätzlich schwierig, elektrische Größen durch mechanische
Anordnungen zu beeinflussen. Z.B. ist es erwünscht, einen Gauß-Schwinger zum Rande
hin nicht nur hinsichtlich der Frequenz, sondern auch hinsichtlich der Sehwingungsamplitude
zu verändern . Dies kann durch eine einzeln an sich bekannte Maßnahme, äußere elektrische
Bauteile, wie z.B. Transistoren, zuzuschalten, die über ein Schieberegister angesteuert
werden können, deshalb nicht zufriedenstellend gelöst werden, weil eine solche Anord
-nung unverhältnismäßig kostspielig wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzu -geben,
bei der dieser Zweck durch eine vereinfachte Formgebung der Elektrode bzw. des Kontaktkörpers
auf dem Schwinger erreicht werden kann, wobei der vergrößerte Anwendungsbereich
nach wie vor elektrisch bzw. elektronisch erreicht wird Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
daß mindestens ein als Elektrode dienender Kontaktkörper in Form einer Verzögerungsleitung
ausgebildet und auf einer Schwingoberfläche so angeordnet
bzw.
elektrisch an Spannungskontakte so angeschlossen ist, daß ein Spannungsimpuls unterschiedliche
Bereiche der Schwingeroberfläche zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht. In weiterer
Ausgestaltung der Erfindung ist die Verzögerungsleitung als induktive Verzögerungsleitung
ausgebildet und/ oder angeordnet bzw. enthält mindestens eine induktive Leitungskomponente.
Solche Schicht- bzw.
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plättchenförmigen Elektroden sind billiger herzustellen und leichter
anzubringen, verglichen mit einer Unterteilang des Schwingerkörpers. Vor allem entfällt
eine besondere Apparatur zur Ansteuerung verschiedener unterschiedlicher Teile der
Schwingeroberfläche zu unterschiedlichen Zeiten. Die Veränderung des Schallwinkels
u .dgl. kann auch kontinuierlich erfolgen.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß zur Erzielung
von Schwingertypen nach Gauß oder zur Fokussierung in vorteilhafter Weise mindestens
eine-solche LeifunRbahn-- sprraL-r0rmlpS förmig und schleifenförmig, z.B. zusammenhängend
ausgetlidet ist. Eine vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor,
daß zur Abstrahlung einer Ultraschallwelle unter einem Winkel von der Piezoplatte
weg eine solche Leitung mäanderförmig ( oder zick-zack-förmig ) ausgebildet ist.
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Eine weitere Verbesserung sieht vor, daß zur Änderung der Fokuspunkte
bzw. Winkelrichtungen über und / oder zwischen den Leiterbahnen eine oder mehrere
Stoffe bzw. Stoffanordnungen-unterschiedlicher Permeabilität bzw. veränderbarer
Magnetisierung und/oder veränderbarer Dielektrika Vorhanden sind. Eine andere Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, daß solche Stoffe oder Stoffanordnungen zwischen den Leiterbahnen
einer oberen und einer unteren Kontaktfläche vorhanden sind.
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Solche Stoffe bzw. Stoffanordnungen können auch über die-Leiterbahnen
mindestens einer Kontaktfläche vorhanden sein.
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Im einzelnen kann auf bzw. über den Leiterbahnen ein ferritisches
Material bzw. ein I)ielektrikum vorhanden sein, das zur Veränderung der auf die
Leiterbahnen wirkenden Permeabilität bzw. Dielektrizitätskonstanten in unterschiedliche
Abstände zur Leiterbahn gebracht wird. Der Abstand des permeablen Stoffes oder des
dielektrischen Stoffes kann variiert
werden . Auch hier können unterschiedliche
- - - - -Abstände vorteilhaft sein.
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Eine Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher erläutert: Es zeigen: Fig. 1 einen an sich bekannten
Piezowandler mit zwei aufgedampften Kontaktflächen Fig .2 eine: spiralförmige Kontaktschicht
der Verzögerungsleitung Fig. 3 eine mäanderförmige Kontakt schicht der Verzögerungsleitung.
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Fig. 4 im Schnitt die mäanderförmige Kontakt schicht mit einem darauf
angeordneten Magneten.
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Fig. 5 schematisch eine Laufzeitkette mit veränderbaren Induktivitäten.
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Fig. 6 eine Fig. 2 ähnliche Darstellung, wobei die Laufzeitkette
nur teilweise mit der Schwingerfläche in Kontakt steht.
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Fig. 7 eine Verzögerungsleitung mit externen Induktivitäten.
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Gemäß Fig. 1 ist piezodertrisches Material 1 ( Quarz, Bariumtitanat
) mit Kontaktschichten, Plättchen oder dgl .2,3 versehen, die aus Metall bestehen
und beispielsweise aufgedampft sein können. An die Kontakt schichten sind Leitungen
4 und 5 angelötet. Wird über die Kontakte 4 und 5 ein Entspannungsimpuls auf die
Schichten 2,3 gegeben, wird das Piezomaterial an allen Stellen gleichzeitig zu Schwingungen
angeregt.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig . 2 ist die Kontakt schicht als
Schleife, in diesem Falle als spiralförmige Leiterbahn ausgebildet . Die Gegenelektrode
3 kann ebenfalls spiralförmig sein oder als durchgehende Schicht ausgeführt werden.
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Da Piezomaterial recht hohe Kapazität hat, liegt zwischen den einzelnen
Teilen der spiralförmigen Bahn und der Gegenelektrode ein entsprechender Kapazitätswert,
zwischen den einzelnen Bahnen bildet sich allerdings eine Induktivität aus. Deshalb
eine solche spiralförmige Bahn eine Laufzeitkette. Ihre Verzögerungszeit hängt ab
von der Größe der Induktivitäten und der Kapazitäten, wie einzeln für sich im anderen
Zusammenhang bekannt . Das Schema einer solchen Laufzeitkette ist in Fig. 5 gezeigt:
Leitungskapazitäten 10,11,12 und 13
und Induktivitäten 14,15,16
und 17 sind als Schaltung gezeigt.
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Es ist zu beachten, Fig. 2, daß das piezoelektrische Material 1 zuerst
am äußeren Rand angeregt wird, da dort über Leitung 4 die elektrische Einspeisung
erfolgt. Bis der Flächemittelpunkt der Kontakt schicht angeregt wird, vergeht somit
eine gewisse Zeit. Hieraus ergibt sich, daß Schallwellen, insbesondere Ulträschallwellen,
zunächst am Rande sich ausbreiten und erst dann die vom Mittelpunkt der Bahn 2 bzw
2a herkommenden Wellenanteile. Auf diese Weise erreicht man einen Gauß-Schwinger
bzw. einen fokussierenden Schwinger.
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Man kann aber auch so vorgehen, daß der elektrische Spannungs -impuls
von der Mitte der Leiterbahn 2 bzw. 2a her erfolgt, dann wird das Piezomaterial
1 zunächst dort angeregt, die äußeren Bereiche des Materials 1 jedoch später . Durch
diese Verfahrensweise wird ein defokussierend abstrahlender Schwingertyp geschaffen
Bei der rechteckförmigen Piezoplatte 1 gemäß Figo3 liegt eine z.B. aufgedampfte
Xäanderbar als Leitung 4 vor. Wird der elektrische Impuls über die linke Leitung
4 eingespeist, so wird auch der linke Teil der Piezoplatte 1 zunächst und dann erst
der rechte Teil angeregt. Schallwellen gehen-in diesem Falle also vom linken Teil
des Schwingers zuerst aus. Man erreicht dadurch, daß der Schallimpuls unter einem
Winkel abgestrahlt wird, und zwar unter einem Winkel, der von einer Senkrechten
auf die Zeichnungsebene nach rechts läuft. Die Größe dieses Schallwinkels hängt
jeweils von der'erzielten Laufzeitverzögerung ab.
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Weitere Vorteile der Erfindung, diesen Anwendungsbereich.
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der Anordnung vergrößern und verbe3sern, sind aus Fig.4 und folgende
ersichtlich . Als Elektrode dienendes Kontaktmaterial 2b wird hier ein Stoff hoher
Magnetisierbagkeit bzw. hoher magnetischer Induktion verwendet. In der gezeichneten
Ausführungsform ist dieser Stoff auf das Material 2b aufgebracht.
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Durch die grundsätzliche Möglichkeit, die Magnetisierung zu verändern,
kann die Induktivität vergrößert bzw. verringert und damit die Laufzeit erhöht bzw.
verringert werden. Hierbei
tritt das Magnetfeld eines solchen Stoffes
mit dem Magnetfeld der Leiterbahn 2, 2a, 3, 2b jeweils in Wechselwirkung. In einzelnen
kann man von einer Magnetisierungsspule 7 umfasstes Material 6 verwenden, wobei
der Spule über Kontakte 8 und 9 von einer ( nicht dargestlllten ) Stromquelle ein
variabler Strom zugeführt wird. Dementsprechend verändert sich die Magnetisierung
des Materials 6, und somit ist die Laufzeit unterschiedlich einstellbar. Befindet
sich der Elektromagnet 6,7 auf mäanderförmigen Leiterbahnen gemäß Fig. 3, so kann
man im Rhytmus der durch die Magnetisierungsspule 7 bewirkten Änderung der Magnetisierung
des Materials 6 den Einschallungswinkel verändern. Wird ein solcher Magnet auf der
Spiralbahn gemäß Fig. 3 angeordnet, kann man entspreb sprechend den Fokuspunkt verändern,
wenn man den Strom der Spule 7 und in diesem Falle die Magnetisierung des Materials
6 verändert.
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Im Einzelfall kann es zweckmäßig sein, den Magneten bzw. das Rerritmaterial
6 hinsichtlich der Leiterbahn 2b zu verstellen entweder zu dieser Bahn hin oder
von ihr hinweg. Hierdurch wird das auf die Leiterbahn einwirkende Magnetfeld vermindert.
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Eine Abwandlung der Erfindung sieht vor, daß beide Kontaktschichten
2, 3 mit solchen ferritischen Materialien bzw. Magneten versehen werden und daß
man ihre Magnetisierung verändern kann.
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Eine Abwandlung wiederum sieht vor, daß zwischen die Eontaktschichten
2a bzw . 2b und der Oberfläche des Schwingermaterials 1 mindestens ein Dielektrikum,
d.h .dielektrische Stoffe bringt, um die Kapazität des Schwingermaterials 1 zu verändern
. Weiter wird vorgeschlagen, das Dielektrikum zu verändern. Dies kann z.B. dadurch
geschehen, daß man das Schwingermaterial 1 in entsprechende Flüssigkeiten bringt
und hierbei die elektrischen Kontakt schichten in vorbestimmten Abstand bzw, Abständen
vom Schwingermaterial anordnet .Diese Kontaktschichten und das Schwingermaterial
bzw. 9 eine Oberfläche können relativ zueinander verstellbar sein,z.B. dadurch,
daß das Dielektrikum von der Leitdrbakil 2,3, Sa,2b in vorbestimmter Weise entfernt
oder ihr genähert wird. Durch solche Abstandsänderungen des Dielektrikums oder das
permeablen
Stoffes, die hinsichtlich einzelner Bereiche der Leiterbahnfläche
unterschiedliche Größen haben können, kann z.B.
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eine Winkelfokussierung erreicht werden, d.h. die Schallabstrahlung
erfolgt unter unterschiedlichen Winkeln.
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Es liegt aber auch im Rahmen der Erfindung, -das Dielektrikum d.h.die
dielektrischen Stoffe zu verändern, um so die Werte der jeweils auf die Verzögerungsleitung
einwirkenden Dielektrizitätskonstante zu ändern.
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Eine andere Ausgestaltung der Laufzeitketten wird dadurch erreicht,
daß z.B. streifenförmige, als Leiter dienende Bauteile auf eine Schwingerplatte
aufgelegt werden, die dann von außen her zusätzlich über Kapazitäten und Induktivitäten
verbunden werden . Man ist also im Einzelfall nicht darauf eingeschränkt, daß die
Induktivität der Verzögerungsleitung von der auf eine oder zwei Schwingeroberflächen
aufgebrachten Leiterbahn selbst herrührt. Ein anderer Einzelfall sieht vor, dag
zwischen solchen einzelnen Streifen steuerbare Bauteile z .B. Halbleiterelemente
( Transistoren ) geschaltet werden, die über einzeln an sich bekannte Schieberegister
eine Laufzeitverzögerung einstellen lassen. Solche und ähnliche Abänderungen liegen
im Rahmen der Erfindung. So zeigt auch Fig.
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6, daß die Verzögerungsleitung 2 nur zu einem geringen eil mit der
Schwingoberfläche in Kontakt zu stehen braucht Es ist noch zu beachten, daß innerhalb
der Laufzeitkette ein Frequenzabfall erfolgt. Am Ende der Laufzeitkette gemäß Fig.
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5 sind höhere Frequenzen geschwächt. Eine weitere Ausgestaltung der
Erfindung sieht deshalb vor, mit einer vorbestimmten Frequenz brs. Frequenzgemisch
zu arbeiten, insbesondere dann, wenn die Anregung mit einem rechteckigen Impuls
erfolgt.