DE2541492B2

DE2541492B2 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2541492B2
Application number: DE19752541492
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl.-Phys. 8000 Muenchen Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1980-02-21
Also published as: DE2541492A1; DE2541492C3; IT1072762B; FR2325266A1; GB1530347A; NL7610091A; BE846338A; NL182028B; NL182028C; FR2325266B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschal!-Wandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist

Für ein Ultraschall-Echolot-System sind HltraschaH-wandler wünschenswert die einen Schallstrahl mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ultraschalls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zv.ei nahe beieinanderliegende Objekte unterschieden werden können.

Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfrequenz und das Material des Wandlers vorgegeben Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im wesentlichen der Öffnungswinkel des erzeugten Schall-Strahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequenz von ca. kHz Und Blei-Zirkoriat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein Öffnungswinkel von etwa 10° bis 12°(1° -π/180).

Aus dem Stande der Technik, so z.B. aus der GM-Schrift 68 01 203, ist ein Ultraschallwandler bekannt, bei dem an dem eigentlichen aktiven Schwingerelement eine Platte mit geringer Dämpfung und einem Schallwellenwiderstand ρ angebracht ist der dem geometrischen Mittel aus den Schallwellenwiderständen des Ausbreiiungsmediums und oes Schwingerelements möglichst nabekommt Die Dicke der Platte wird

auf den Wert d= ¹U - UltraschallweHenlänge λ bemessen. Es wird damit eine Anpassung der Wellenwiderstände angestrebt Als Materialien für diese Platte sind Kork und Silikonkautschuk erwähnt Es ist dort vorgeschlagen, zwischen dieser Platte mit der üickenabmessung λ/4 und dem aktiven Schwingerelement noch einen zusätzlichen Block mit einer Dickenabmessung λ/2 dazwischenzufügen, wobei bereits dieser Block einen gegenüber dem Schwingerelement größeren Durchmesser hat Andere Ausführungsformen eines U'traschallschwingers mit einer Schicht mit der Dickenabmessung λ/4 und dem Schallwellenwiderstand σ entsprechend dem geometrischen Mittelwert sind auch aus der britischen Patentschrift 3 52 040, der französischen Patentschrift 14 28 916 und aus den DDR-Patentschriften 67 836 und 56 124 bekannt

Ee ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen Ultraschallwandler anzugeben, bei dem einerseits die bekannte Gesetzmäßigkeit der Anpassungsbedingung möglichst gut erfüllt ist und andererseits der Aufbau derart ist, daß eine Schallstrahlung mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird für einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Ultraschallwandler mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst

Bei einem wie erfindungsgemäßen Ultraschallwandier ist infolge des Beschwerungsringes, der an dem über den Rand des Piezokörpers wesentlich überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte angebracht ist, ein solches Schwingverhalten erreicht, bei dem gleichphasi-■ ge Schwingung der Schaumstoffplatte vorliegt

Im vorliegenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels, wie es in den Figuren dargestellt ist erläutert

Dabei zeigt die F i g. 1 eine Draufsicht die F i g. 2 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie U-Il, wie sie in der F i g. 1 eingezeichnet ist

Der Ultraschallschwinger besitzt einen kreisförmigen Piezokörper 1, der an seinen beiden Stirnflächen jeweils eine Metallelektrode 10, i; besitzt Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diesen Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden mit einer Wechselspannung versorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen ve» anlaßt Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als λ/4-Schicht ausgebildet ist Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von λ/4 hat, wobei λ die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem ilrhaiimcfnff icl

Die λ/4-Schicht besteh! aus einem Material, dessen akustischer Schailwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwider-Standes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellen Widerstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten soll, liegt Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.
Im Idealfall, d. h. wenn der Schallwandler nur Schall einer einzigen Frequenz erzeugt, und wenn die Schallabstrahlfläche sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist, hat die Λ/4-Schicht einen Wellenwiderstand von QsCs=(qlClqkck/¹²· Dabei bezeichnet ρ die Dichte

eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die A/4· Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d. h. z. B. Luft oder Wasser, der Index # bezeichnet den Keramikkörpei. Allgemein bezeichnet qc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.

Ist Luft das Ausbreitungsmediuni für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwand; ;r einen akustischen Schallwellenwiderstand besitzen, der zwischen den Werten 5 - IC g/ cm² · s und 5 - 10* g/cm² - s liegt

Die y/4-Schieht besitzt bei dem erfnukügsgemäfien Ultiaschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bes -^- der λ/4-Schicht ist auf der Seite des Ketsnixköi_m- rs mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dies«— ~ ischwerungsring soll im Vergleich zur λΙΑ-ϊ-χ*-·'.!: «:in großes Gewicht und eine große Fläche -üben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beschwerungsring umschließt koii^^trisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler arbeitet in der folgenden Weise: Der Piezokeramikkörper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schicht abgestrahlt, da auf dieser Seite des Keramikkörpers aufgrund der λ/4-Schicht nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang des Ultraschalls vom Keramikkörper in die λ/4-Schicht und v/eiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschwerungsring wird erreicht daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der Λ/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt d. h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschallbetrieb des Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der y/4-Schicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt, d. h. alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Piezokeramikkörper gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Damit wird erreicht, daß der abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen öffnungswinkel aufweist, da angenähert eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der y/4-Schicht begrenzte ebene Welle ei-zeugt wird.

Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Uiiraschaiiwandiers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, welches der Ultraschall^ andler eingebaut ist

in jedem Fall eignet sich der Beschwerungsring dazu, den Wandler in vorteilhafter Weise an einer Halterung zu befestigen.

Durch den Bsschwerungsrit.g '.vird also erreicht daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich größer sind, als die Stirnfläche des Keramikkörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird. Ohne den Beschwerungsring führt der Bereich der λ/4-Schicht, der

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unkontrollierte Schwingungen aus, die sich gegenseitig auslöschen, >=o daß eine Schallabstrahlung prakiisch nur in dem Bereich der λ/4-Schicht erfolgt der mit dem Keramikkörper verbunden ist Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehnung besitzt, ähnelt der erzeugte Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelwel-Ie, d. h, der öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.

bei einem Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers, welches für eine Betriebsfrequenz von ca. 40 kHz aufgelegt war, hauen die Elemente des Schallwandiers die folgenden Abmessungen: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat hatte eine Dicke von ca. 43 mm und einen Durchmesser von 52,5 mm. Der Beschwerungsring bestand aus Aluminium und hatte eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchraesser von 100 mm und einen Innendurchmesser von 56 mm. Die λ/4-Schicht hstte einen Durchmesser von ebenfalls 100 mm und eine Dicke von 16 mm.

Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestellt werden: Ein Polystyrollack oder ein Epoxidlack wird mit Hohlkugeln aus SiliziumC^ id, die einen Durchmesser zwischen den Werten 30 μπι urd 125 μπι und eine Wandstärke von 2 μπι aufweisen, vermischt Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres S] der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus vier Ge^ichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt Dabei wird darauf geachtet daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die entstandene breiige M&sse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.

Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte mit einer Dichte von ca. 0,16 g · cm-³. Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff besitzt einen akustischen Schallwellenwiderstand von ca. 2,1 ■ 10*g/ s ■ cm². Die getrocknete Schaumstoffplatte wird auf d;■? gewünschte Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen ,,langeschliffen.

Die F i g. 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordina;en in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel, d. h. dem Winket den die jeweiligen Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildet

Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandier. Man erkennt daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Scha'lkeule JOOi wesentlich größer als die Schallkeule 1002, dabei ist die Länge einer Verbindung 1003 zwischen einem Punkt auf dem Schallkeulenrand und dem Wandler 1000 ein Maß für den Schalldruck in dieser Ausbreitungsrchtung. Der öffnungswinkel der Sunaiikeuie beirägi ca. 5⁼.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Wandler mit einem Piezokörper, der piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwingungen anzuregen ist und mit einer auf der einen Stirnfläche des Piezokörpers aufgebrachten Schicht mit einer Dickenabmessung Λ/4 der Schallwelle und aus einein Material mit einer Größe des Sehallwellenwiderstandes σ, die zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Materials des Pfezokörpers und demjenigen des Mediums liegt in das der Ultraschall abzustrahlen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material der Schicht eine Schaumstoffplatte (2) ist, die eine gegenüber der Flächenabmessung des Piezokörpers (1) wesentlich größere Flächenabmessung (F j g. 1 und 2) mit über den Rand des Piezokörpers (1) überstehendem Bereich hat, und daß an dem überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte (2) auf der Seite des Piezokörpers (i) ein Beschwerungsr'i % (3) angebracht ist, der im Vergleich zur Schaumstoffplatte (2) ein derart großes Gewicht hat, daß die Grenzfläche zwischen dem Piezokörper (1) und dem Beschwerungsring (3) einerseits und der Schaumstoffplatte (2) andererseits eine Knotenfläche der Schwingung des ganzen Ultraschall-Wandlers ist

2. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezokörper (1) ein Keramikkörper ist der mit zwei Elektroden (10,11) zum Anschluß an eine Wechselspannungsquelle versehen ist

3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschwe. cngsring (3) aus Aluminium und daß die Schi- ht (2) mit der Dickenabmessung λ/4 aus einem Si haumstoff mit einem Schallwellen widerstand zwischen 5 · 10³ und 5 · 10* g/cm² · s besteht