DE2742492B2

DE2742492B2 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2742492B2
Application number: DE2742492A
Authority: DE
Inventors: Kohji Yokosuka Kanagawa Toda (Japan)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-09-21
Publication date: 1979-05-17
Also published as: DE2742492A1; US4173009A; DE2742492C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der als Sende- und/oder Empfangswandler eingesetzt werden kann gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

Auch wenn ein Medium optisch opak ist, ist es möglich, die interne Struktur des Mediums zu beobachten, solange das Medium akustisch transparent ist. Mit Hilfe von Ultraschallenergie erzeugte Fotografien können in solchen Anwendungsfällen erzeugt werden, wo das Medium optisch opak ist, beispielsweise in der medizinischen Anwendung, bei Mikroskopen, bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bei der Unterwasserbeobachtung und/oder der Erdbebenforschung, Für die genannten Anwendungsfällc ist es jedoch unter anderem wichtig, daß konvergente Ultraschallstrahlen erzeugt werden.

Ein Ultraschallwandler der eingangs erwähnten Art ist bekannt (DE-OS 25 50 188). Der bekannte Ultraschallwandler ist dazu bestimmt, in flüssigem oder gasförmigem Medium benutzt zu werden und für den Betrieb in großer Eintauchtiefe, in der der hydrostatische Druck es so schwierig macht, den aktiven Teil des Wandlers von seinem Gehäuse zu entkoppeln. Zu diesem Zweck ist eine spezielle Entkopplungseinrichtung vorgesehen. Der bekannte Ultraschallwandler bildet daher einen Beitrag zu dem Problem der Druckfestigkeit, der ebenfalls erwünschte Effekt, eine konvergente Ultraschallstrahlung zu erzeugen, läßt sich jedoch nicht in ausreichendem Maße erzielen.

Man hat bereits versucht, Ultraschallwandler zur Erzeugung von fokussierten Schallwellen zu bauen. Bei einigen dieser Uitraschallwandler wird eine Phasenschiebcrplatte für die akustische Strahlung, eine kreisförmige Feldanordnung, eine akustische Linse oder ein fotoakustischer Wandler verwendet Diese Wandler sind jedoch nicht ausreichend, was die Fokussierung der Ultraschallwellen betrifft und zur Fokussierung der Ultraschallwellen sind für den Anwendungsfall der Betrachtung der inneren Strukturen von bestimmten Medien zu komplizierte Maßnahmen erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen in bezug auf die Fokussierung der abgestrahlten Ultraschallwellen verbesserten Ultraschallwandler zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler in dem Hauptanspruch gekennzeichnet während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung charakterisieren. Der erfindungsgemäße Ultraschailwandler kann auf einfaehe Weise einen gut konvergenten Ultraschall erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. I ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-Ben Ultraschallwandlers,

F i g. 2(A) bis 2(D) einige Beispiele der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung von F i g. I,

Fig.3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit den Elektrodenanordnuugen aus den Fig. 2(A)und2(B),

Fig.4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemäßen Wandlers im Fall der Elektrodenanordnungen aus den Fig.2(C) und 2(D) und

Fig. 5 und 6 graphische Darstellungen der experimentiellen Resultate von Messungen mit dem erfindungsgemäßen Wandler.

Fig. I zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Uitraschallwandlcrs. In einem Gehäuse 1 ist eine Flüssigkeit 2 enthalten, und ein piezoelektrischer Körper 3 mit der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung 4 auf seiner Oberfläche ist in der Flüssigkeit 2 vorgesehen. Beispiele für die Flüssigkeit 2 sind Wasser, Äther, Azeton und Glyzerin.

Mögliche Ausführungen der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung 4 sind in den Fig. 2(A) bis 2(D) gezeigt Fig. 2(A) zeigt eine Einphnsenelektrode, bei der zwei kammförmige Elektroden 4(a) und 4(b) ineinandergreifend angeordnet sind (Doppelkamm· Elektrode), so daß jeder Finger jeder Elektrode mit einem Finger der anderen Elektrode abwechselt, wobei eine einphasige Wechselspannung an die beiden Anschlüsse (a) und (b) der Elektroden zugeführt wird. Fig.2(B) zeigt eine Dreiphasenelektrode, bei der drei kammförmige Elektroden 4(a), 4(b) und 4(c) ineinandergreifend auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers so angeordnet sind, daß jeder Finger jeder

Elektrode mit einem Finger der anderen Elektrode abwechselt, wobei die Periode jedes Fingers, der zu derselben Elektrode gehört, gleich drei ist, und wobei eine dreiphasige Wechselspannung an die Anschlüsse (a), (b) und (c) angelegt wird. Fig.2(C) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Einphasenclektrode, und F i g. 2(D) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Dreiphasenelektrode.

Die Einphasenelektrode in F i g. 2(A) oder 2(C) liefert zwei Ultraschallstrahlen in zueinander entgegengesetzten Richtungen, während die Dreiphasenelektrode in den F i g. 2(B) oder 2(D) einen einzigen Ultraschallstrahl in einer vorgegebenen Richtung liefert Die Elektrode in Fig.2(C) und Fig.2(D) k<uin einen Strahl mit einer Brenntinie erzeugen, d. h\, der Ultraschallstrahl konvergiert auf einer Linie, während die Elektrode in den F i g. 2(C) und 2(D) einen Strahl mit einem Brennpunkt erzeugen kann, d. h., daß der Ultraschallstrahl auf einen bestimmten Punkt konvergiert.

Das bevorzugte Material für die Elektroden ist beispielsweise eine Kombination von Chrom (Cr) und Gold (Au), welches hoch wasserbeständig ist Einige bevorzugte Materialien für den piezoelektrischen Wandler sind LiNbOj, Quarz, BinGeO» und keramisches Material der Pb(Zr, Ti)C>3-Gruppe.

Im folgenden wird die Periode der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung anhand der Fig.3 und 4 erläutert, wobei F i g. 3 den Fall einer Elektrodenanordnung gemäß den F i g. 2(A) und 2(B) und F i g. 4 den Fall einer Elektrodenanordnung von Fig.2(C) und F ig. 2(D) zeigt.

Das Verhältnis zwischen der Wellenlänge λ/ in der Flüssigkeit von einer Schallwelle mit der Frequenz fund der Richtung (#) des stärksten Ultraschallstrahls ist durch die folgende Formel gegeben, die eine Überein-Stimmung mit den experimentellen Ergebnissen zeigt:
sin Ii = X_f/d, (1)

wobei t/die Periodenlänge der Elektrode ist.

Daher ist die Bedingung, daß der an jedem Punkt der ίο Elektrodenanordnung erzeugte Schall auf den Punkt P fokussiert wird, d. h. die Bedingung, daß der an jedem Punkt erzeugte Schall durch den Punkt P hindurrhtritt und sich an dem Punkt P in Phase befindet, durch die folgende Formel (2)gegeben:

^X n2 r 2 L· η 2 f -4- Ic ΙΓ / t "^ \

wobei r„ der Abstand zwischen der «-ten Elektrode und dem Punkt Q, R_n der Abstand zwischen der n-ten Elektrode ur>ü dem Punkt P, und k\ und ki Konstanten sind.

Für die Einphasenelektrode, die in Fig. i(A) gezeigt

ist, gilt k\ = I und fo= 1/4. Für die Dreiphasenelektrode, die in F i g. 2(B) gezeigt ist, gilt An = 2/3 und k₂= 1/9. Die gewünschte Periodenlänge der Elektrode kann durch einen Computer aus den Formeln (1) und (2) berechnet

werden.
Die folgende Tabelle zeigt die experimentellen

Ergebnisse für die Winkel der strahlenförmig abgejo strahlten Ultraschallstrahlung für einige Kombinationen von piezoelektrischem Material und Flüssigkeit.

Flüssigk. u. Schallwellen	Piezoelektr. f	Material u. Oberfl.-Geschwindigk. d.	Bi\|₂GeO_?0	Schallwellen
geschwindigkeit	LiNbO₃	Quarz	(HI), (110)	Piezoelektr.
	131° rot Y, X	Y, X		Keramik
			1 (1708 m/sec)	(91-A v. TDK)
	(4000 m/sec)	(3159 m/sec)	60,24°	(2100 m/sec)
Wasser (1482,6 m/sec)	21,8°	28,0°	36°	440
Ätlier(1006m/sec)	14,6°	18,6°	44,2°	28,2°
Azeton (1190 m/sec)	17,3°	22,1°	-	34,0°
Glyzerin (1923 m/sec)	28,7°	37,5°	64,5°

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß, wenn ein kleiner Wert von ü erwünscht ist, die Kombination einer Flüssigkeit mit einer niedrigen Schallgeschwindigkeit und eines piezoelektrischen Materials mit hoher Oberflächengeschwindigkeit für den Schall bevorzugt ist.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ferner ersichtlich, daß die Charakteristiken der Konvergenz der Schallwelle von der Frequenz der Schallwelle abhängt. Die Fig. 5 und 6 zeigen die experimentiellen Ergebnisse im Zusammenhang mit den Fokussierungseigenschaften eines Wandlers, der für eine Betriebsfrequenz von 2,5 MHz entworfen ist und aus einer Kombination von 91-A-piezoelektrischer Keramik und Wasser besteht. In F i g. 5 gibt die horizontale Achse den Abstand von der Schallquelle und die vertikale Achse die Breite des Strahls an. Die Kurven in Fig.5 zeigen die Form des Ultraschallstrahls in bezug auf den Parameter der Frequenz. Die Kurven wurden durch Messung des Richtverhältnisses des Schallstrahles bei verschiedenen Frequenzen erhalten, und die Form des Schallstrahles wurde aur dem Richtverhältnis abgeleitet. Die Brennweite bei jeder Frequenz kann aus den Kurven in F i g. 5 errechnet werden, und das Ergebnis dieser Berechnung ist in F i g. 6 dargestellt.

Es konnte experimentiell gezeigt werden, daß der erfindungsgemäße Wandler eine analoge Beziehung erfüllt, d. h., daß der Ultraschallwandler mit der halben Größe der Elektrodenanordnung eine Brennweite von 16 cm bei einer Mittelfrequenz von 5 MHz und eine Strahlbreite von 3,8 mm zeigt. Die Brennweite ändert sich auch entsprechend für jede Frequenz. Der erfindungsgemäße Wandle/ mit der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Materials in einer Flüssigkeit kann somit einen konvergenten Ultraschallstrahl erzeugen, indem eine Wechselspannung an die Elektrodenanordnung jngelegt wird.

Das Anwendungs-feld des erfindungsgemäßen Wandlers ist nicht auf die Fotografie oder die Betrachtung von internen Strukturen von Werkstoffen begrenzt. Der erfindungsgemäße Wandler ist auch auf anderen Anwendungsbereichen verwendbar, bei denen ein konvergenter Schallstrahl erforderlich ist. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit dadurch zersprüht werden, daß der Schallstrahl auf die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Luft fokussiert wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall wandler, bei dem ein Körper aus piezoelektrischem Material in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Behälter untergebracht ist, dadurch ί gekennzeichnet, daß eine ineinandergreifende Elektrodenanordnung (4) auf der Oberfläche des Körpers (3) angeordnet ist, und daß eine Einrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Elektrodenanordnung(4) vorgesehen ist

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine Dreiphasenelektrode aufweist und daß die Wechselspannung eine Dreiphasenspannung ist

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine Einphasenelektrode ist und daß die Wechselspannung eine Einphasenspannung ist

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet da& die Flüssigkeit Wasser, Äther, Azeton oder Glyzerin ist

5. Wandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Periodenlänge zwischen den jeweiligen Fingern der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung die folgende Gleichung erfüllt:

t\ - k, η A_f L + Ic₂ π² λ²-

wobei r„ die horizontale Länge zwischen dem /Men Finger der Elektrode und dem Brennpunkt, Xr die Wellenlänge der Schallwelle in der Flüssigkeit, L der vertikale Absta: d zwischen der Elektrode und dem Brennpunkt und ki und k? Konsts".ten sind.

6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreife!*'¹« Elektrodenan- r> Ordnung eine Vielzahl von kammtormigen Elektroden aufweist, und daß alle Finger der kammförmigen Elektroden geradlinig ausgebildet sind.

7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifenden Elektroden- anordnungen bogenförmig verlaufende Finger aufweisen.

8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifende Elektrodenanordnung kreisbogenförmig verlaufende Finger auf- r. weist.