DE2541492C3

DE2541492C3 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2541492C3
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: 1980-10-09
Also published as: DE2541492A1; IT1072762B; FR2325266A1; GB1530347A; DE2541492B2; NL7610091A; BE846338A; NL182028B; NL182028C; FR2325266B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler, v> I; tr im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Für ein Ultraschall-Echolot-System sind Ultraschall-Wandler wünschenswert, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Datlurch können störende Reflexionen des Ultraschalls Vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zwei nahe beieinanderliegende Objekte unterschieden werden können.

Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen Im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfre-Ijuenz 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-Vrahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequen/. von ca. kHz und Blei-Zirkonat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein öffnungswinkel von etwa 10"⁵ bis 12" (I" - .t/180).

Aus dem Stande der Technik, so z. B. aus der CiM-Schrift 68 01 203. ist ein I Iltraschallwancllcr bekannt, bei dem an dem eigentlichen aktiven Schwingerelenicnl eine Platte mit geringer Dämpfung und einem Schallwellenwidersiand q angebracht ist, der dem geometrischen Mittel aus den Schallwellenwiderständen des Ausbreitungsmediums und des Schwingerelements möglichst nahekommt. Die Dicke der Platte wird auf den Wert d = ¹A · Ultraschallwellenlänge 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 Dickenabmessung λ/4 und dem aktiven Schwingerelement noch einen zusätzlichen Block mit einer Dickenabmessung A/2 dazwischenzufügen, wobei bereits dieser Block einen gegenüber dem Schwingerelement größeren Durchmesser hat. Andere Ausführungsformen eines Lltraschallschwingers mit einer Schicht mit der Dickenabrnessung A/4 und dem Schallweüenwiderstand ο 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 55 124 bekannt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen solchen uitraschaiiwandier 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 irr. Oberbegriff des Patentanspruches ι angegebenen Ultraschallwandler mit Hilfe der Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 gelöst.

Bei einem wie erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ist infoige des Beschwerungsringes, der an dem über den Rand des Piezokörpers wesentlich überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte angebracht ist, ein solches Schwingverhalten erreicht, bei dem gleichphasige 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 ι g. 1 emi Drau.-icht, die F i g. 2 ein Schnittbild entlang der Scnnittlinie H-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, 11 besitzt. Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diesen Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroder, mit einer Wechselspannung \ ersorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als A/4-Schicht uiisgebildet ist. Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von A/4 hat, wobei A die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem Schaumstoff ist.

Die A/4-Schicht besteht aus einem Material, dessen akustischer Schallwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwider-Standes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellenwiderstandes 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 Scliullabstrahlflächc sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist, hat die A/4-Schicht einen Wellenwiderstand ²- Dabei bezeichnet ρ die Dichte

eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die λ/4-Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d. h. z. B. Luft oder Wasser, der Index K bezeichnet den Keramikkörper. Allgemein bezeichnet ijc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.

Ist Luft das Ausbreitungsmedium für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwandler einen akustischen Schallwellenwiderstand bc;itzen, der zwischen den Werten 5 ■ lu^!g/ cm² · s und 5 · 10⁴ g/cm² ■ s liegt.

Die y/4-Schicht besitzt bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bereich der λ/4-Schicht ist auf der Seite des Keramikkörpers mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dieser Beschwerungsring sol! im Vergleicn zur λ/4-Schicht ein großes Gewicht und eine große Fläche haben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beichwerungsring umschließt konzentrisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.

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der folgenden Weise: Der Piezokeramikkorper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt. Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schicht tbgestrahlt, 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 weiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschverungsring wird erreich:, daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der λ/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt. <j. h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschalibetrieb des Ukraschallwandlers 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 erreicnt, daß «äer abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel aufweist, da angenähert eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der y/4-Schicht begrenzte ebene Welle erzeugt wird.

Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Ultraschallwandlers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, welches der Ultraschallwandler eingebaut ist.

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

Durch den Beschwerungsring wird 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 Ober die Stirnfläche des Keramikkörpers hinausrsgt, unkontrollierte Schwingungen aus, die sich ge
auslöschen, so daß eine Schallabstrahlung praktisch nur in dem Bereich der λ/4-Schichi erfolgt, der mit dem Keramikkörper verbunden ist. Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehriung besitzt, ähnc-U der erzeugte Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelweile, d. h., der öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.

Bei einem Ausführung'.bcispiel des Uliraschullwiuiulers, welches für eine Betriebsfrequenz von _a. 40 khz aufgelegt war, hatten die Elemente des Schallwandlers die folgenden Abmessungen: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat haue eine Dicke von ca. 4,i mm und einen Durchmesser von 52,5mm. Der Beschv.erungsring bestand aus Aluminium und haue eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchmesser von 100 mm _nd einen Innendurchmesser von 56 mm. Die λ/4-Schich: hau? einen Durchmesser \ υπ ebenfalls 100 mm und einc-Dicke von 16 mm.

Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestel!'. werden: Hin Polystyroliack oder ein cpoxiclack wird mit Hohlkugeln aus SiIi⁷ ,,ndicxid, die einer L^UfCl irficSScf ZwiSCilcn ucfi V¥ cTicH Ju 'ίΓΠ üfiu \ ij μΐΓι und eine Wandstärke von 2μ,τι aufweisen, vermisch:. Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Ecccspheres S] der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus virr Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsiei! Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt. Dabei wird darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die erstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.

Nach einer "'Vockenze¹' von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte mit einer Dichte von '.a. 0,16g ■ 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 wire¹ auf das gewünschte Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen plangeschliffen.

Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordinaten in Abhängigkeit vom Abstrahiwinkel, d. h. dem Winkel, den die jeweiligen Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildet.

Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandler. Man erkennt, daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Schallkeule 1001 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 Ausbreitungsrichtung. Der öffnungswinkel der Schallkeule beträj: 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 A/4 der Schallwelle und aus einem Material mit einer Größe des Schallwellenwiderstandes o, die zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Materials des Piezokörpers 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 (!) wesentlich größere Flächenabmessung (Fig. 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 (1) ein Beschweryngsring (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, de^r mit zwei Elektroden (10, 11) zum Anschluß an eine Wechselspannungsquelle versehen ist.

3. Ultraschall-Wand'er nac^l> Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß de^r Beschwerungsring (3) aus Aluminium und daß die Sticht (2) mit der Dickenabmessung A/4 aus einem Schaumstoff mit einem Schallwellenwiderstand zwischen 5 ■ 10^J und 5 · 10⁴ g/cm² · s besteht.