DE3439328A1 - ULTRASONIC CONVERTER ARRANGEMENT - Google Patents

Description

Anwaltsakte: 33 791Attorney's file: 33 791

Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine Ultraschallwandleranordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und betrifft insbesondere eine Ultraschallwandleranordnung mit piezoelektrischen Ultraschallwandlern mit einem verhältnismäßig hohen Q-Wert, d.h. mit einer verhältnismäßig schmalen Resonanzfrequenz-Bandbreite .The invention relates to an ultrasonic transducer arrangement according to the preamble of claim 1, and in particular relates to an ultrasonic transducer arrangement with piezoelectric ultrasonic transducers with a relatively high Q value, i.e. with a relatively narrow resonance frequency bandwidth .

Wandler aus einem wärmebeständigen bzw. hochschmelzenden piezoelektrischen Material, wie Lithiumniobat, können bei Temperaturen über 600⁰C arbeiten und können somit im Kern eines schnellen Reaktors bzw. Brüters verwendet werden. Jedoch ist die Ultraschallsignalstärke, die bisher von Lithiumniobat-Wandlern erhaltbar ist, für eine derartige Verwendung als nicht angemessen erachtet worden. Lithiumniobat-Wandler haben im allgemeinen eine sehr schmale Frequenzresonanz mit einem Q- oder Gütewert, (welcher als das Verhältnis der Resonanzfrequenz zu der Differenz zwischen den Frequenzen auf jeder Seite der Resonanzfrequenz festgelegt ist, bei welchen das Ultraschallsignal 3dB kleiner ° ist als bei der Resonanzfrequenz), welcher beispielsweise 5000 sein kann. Die Ultraschallwandleranordnung der Erfindung schafft eine größere Verbesserung in einer Ultraschallsignalstärke als sie erreicht werden kann, wenn mit einer Induktorspule parallel zu dem Wandler abgestimmt wird, wieConverters made of a heat-resistant or high-melting-point piezoelectric material, such as lithium niobate, can work at temperatures above 600 ^° C. and can thus be used in the core of a fast reactor or breeder. However, the ultrasonic signal strength heretofore obtainable from lithium niobate transducers has not been deemed adequate for such use. Lithium niobate transducers generally have a very narrow frequency resonance with a Q value, (which is defined as the ratio of the resonance frequency to the difference between the frequencies on either side of the resonance frequency at which the ultrasonic signal is 3dB less than the resonance frequency ), which can be 5000, for example. The ultrasonic transducer assembly of the invention provides a greater improvement in ultrasonic signal strength than can be achieved when tuning with an inductor coil in parallel with the transducer, such as

von R.D. Legge in CEGB Report NW/SSD/RR/154/79 beschrieben ist. So ist beispielsweise von J. van Randeraat und R.E. Setterington in "Piezo-electric Ceramics", Mullard 1974, vorgeschlagen worden, daß wenn ein Wandler mit einer in Reihe geschalteten Spule abgestimmt wird, die maximale Impedanzby R.D. Legge described in CEGB Report NW / SSD / RR / 154/79 is. For example, J. van Randeraat and R.E. Setterington in "Piezo-electric Ceramics", Mullard 1974 it has been suggested that when a transducer is matched with a series inductor, the maximum impedance

^5 der Schaltung so abgestimmt wird, daß sie bei der Frequenz der maximalen Impedanz des Wandlers selbst auftritt. Dies erfordert jedoch eine sehr genaue Abstimmung, um eine aus-^ 5 of the circuit is tuned so that it works at the frequency the maximum impedance of the transducer itself occurs. However, this requires very precise coordination in order to

reichende Signalstärke zu erreichen.to achieve sufficient signal strength.

Gemäß der Erfindung ist daher eine Ultraschallwandler-Anordnung mit einem piezoeleketrisehen Wandler, einem Kabel und einer Induktorspule, welche dazu elektrisch in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, ^daß According to the invention, therefore, an ultrasonic transducer arrangement with a piezoelectric transducer, a cable and an inductor coil, which is connected electrically in series for this purpose, is characterized in ^that

die Induktivität der Induktorspule und die Länge des Kabels so sind, daß die Frequenz, bei welcher die Impedanz der WandleranOrdnung ein Minimum ist, im wesentlichen dieselbe wie die Eigenresonanzfreguenz des piezoelektrischen Wandler ist, d.h. die Frequenz, bei welcher die Impedanz des piezoelektrischen Wandlers ein Miminum ist. Vorzugsweise ist der piezoelektrische Wandler ein Lithiumniobat-Wandler. the inductance of the inductor coil and the length of the cable are such that the frequency at which the impedance the transducer arrangement is a minimum, essentially the same as the natural resonance frequency of the piezoelectric Transducer is, i.e. the frequency at which the impedance of the piezoelectric transducer is a minimum. Preferably the piezoelectric transducer is a lithium niobate transducer.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschreiben. Es zeigen:The invention is described below on the basis of an embodiment with reference to the accompanying drawings. Show it:

ein Schaltungsdiagramm einer Wandleranordnung; a circuit diagram of a converter arrangement;

eine schematische Kurvendarstellung der Admittanz der Anordnung der Fig. 1 mit der Frequenz, unda schematic graph of the admittance of the arrangement of FIG. 1 with the Frequency, and

eine schematische Darstellung der Änderung der Signalstärke bei der Anordnung der Fig. 1 im Hinblick auf die Impedanz und Länge eines Kabels.a schematic representation of the change in signal strength in the arrangement of the Fig. 1 with regard to the impedance and length of a cable.

In Fig. 1 weist eine Wandleranordnung 10 einen Lithiumniobat-Z-Plattenwandler 12 mit einer Nennresonanzfrequenz von 4MHz auf, welcher eine Unterlage 16 aufweist und mit einem Stahlgehäuse 14 umgeben ist. Eine Seite des Wandlers 12 ist mit der Unterlage 16 verbunden, welche als ein Halbwellen-Stahldiaphragma wirkt, und auf der anderenIn Fig. 1, a transducer assembly 10 comprises a lithium niobate Z-plate transducer 12 with a nominal resonance frequency of 4MHz, which has a base 16 and with a steel housing 14 is surrounded. One side of the transducer 12 is connected to the pad 16, which acts as a Half-wave steel diaphragm acts, and on the other

2020th Fig.Fig. 11 Fig.Fig. 22 2525th Fig.Fig. 33

Seite des Wandlers 12 ist eine Elektrode 18 vorgesehen. Elektrische Verbindungen mit beiden Seiten des Wandlers sind über ein Koaxialkabel hergestellt, wobei ein Außenleiter 22 und ein Innenleiter oder Kern 24 mit dem GehäuseAn electrode 18 is provided on the side of the transducer 12. Electrical connections to both sides of the transducer are made via a coaxial cable, with an outer conductor 22 and an inner conductor or core 24 connected to the housing

bzw. der Elektrode 18 verbunden sind. In einem Abstand„l entlang des Kabels ist der Innenleiter oder Kern 24 mit einem Anschluß einer Induktorspule 26 mit einer Induktivität "L" verbunden₇und der Außenleiter 22 ist mit einem Metallgehäuse 28 der Induktorspule 26 verbunden.or the electrode 18 are connected. At a distance "1" along the cable, the inner conductor or core 24 is connected ₇ to a terminal of an inductor coil 26 with an inductance "L" and the outer conductor 22 is connected to a metal housing 28 of the inductor coil 26.

Ein zweites Koaxialkabel 30 mit einem Außenleiter 32 und einem Innenleiter oder Kern 34 verbindet die Wandleranordnung 10 mit einem Signalgenerator 36, wobei der Außenleiter 32 mit dem Gehäuse 28 und der Innenleiter oder Kern mit dem anderen Anschluß der Induktorspule 26 verbunden ist.A second coaxial cable 30 with an outer conductor 32 and an inner conductor or core 34 connects the transducer arrangement 10 with a signal generator 36, the outer conductor 32 with the housing 28 and the inner conductor or core is connected to the other terminal of the inductor coil 26.

Beim Betrieb der Wandleranordnung 10 bewirkt eine Erregung des Wandlers 12 durch den Signalgenerator 36 die Abgabe oder Emission von Ultraschallwellen, wobei die Amplitude der Ultraschallwellen von der Erregungsfreguenz, dem Abstand "1" und der Induktivität "L" abhängt.During the operation of the transducer arrangement 10, an excitation of the transducer 12 by the signal generator 36 causes the output or emission of ultrasonic waves, the amplitude of the ultrasonic waves depending on the excitation frequency, the distance "1" and the inductance "L" depends.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, hat für irgendwelche vorgegebenen Werte der Länge "1" und der Induktivität "L", wenn die Frequenz des Signalgenerators 36 geändert wird, die Admittanz der Anordnung 10 ein Maximum (d.h. die Impedanz hat ein Minimum) bei einer Frequenz "f ", und die Admittanz hat ein Minimum bei einer Frequenz "f "/ hierbei hängen die Frequenzen "f " und "f " von der Länge "1"As can be seen from Fig. 2, for any given values of length "1" and inductance "L", when the frequency of the signal generator 36 is changed, the admittance of the device 10 becomes a maximum (i.e. the impedance has a minimum) at a frequency "f", and the admittance has a minimum at a frequency "f" / here the frequencies "f" and "f" depend on the length "1"

s ρs ρ

und der Induktivität "L" ab. Bei der Frequenz "f " sind der Strom und die Spannung in Phase. Bei Fehlen der Induktorspule 26 würde die Admittanz des Wandlers 12 allein eine ähnliche Frequenzänderung zeigen, wobei ein Admittanzmaximum bei der Eigenreosonanzfrequenz des Wandlers 12 liegt und ein Admittanzminimum bei einer etwas abweichenden Frequenz liegt; jedoch würden die Frequenzen, beiand the inductance "L". At frequency "f" the current and voltage are in phase. In the absence of the inductor coil 26, the admittance of transducer 12 alone would exhibit a similar frequency change, with an admittance maximum is at the natural resonance frequency of the transducer 12 and an admittance minimum at a slightly different Frequency lies; however, the frequencies would be at

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welchen dies vorkommen würde, viel näher beieinander sein alswhich this would occur would be much closer together than

es die Frequenzen "f " und "f " sind; der Unterschied ^ s ρit is the frequencies "f" and "f"; the difference ^ s ρ

zwischen den Admittanζmaximum- und -minimumwerten würde viel kleiner sein als der Admittanzunterschied zwischen den Frequenzen "f " und "f ".between the admittan maximum and minimum values be much smaller than the admittance difference between the frequencies "f" and "f".

Bei dem Vorhandensein der Induktorspule 26 hat der Gesamtfrequenzgang somit eine große Admittanz A bei der Frequenz "f " und ein Admittanzminimum A¹ bei einer Frequenz "f "# und im allgemeinen auch ein kleineres Admittanzmaximum B und ein Admittanzminimum B', das dem Wandler 12 allein entspricht. In Fig. 2 ist jedoch der Fall dargestellt, bei welchem die Frequenz "f " entsprechend eingestellt wird, damit sie mit der Eigenresonanzfrequenz des Wandlers 12 übereinstimmt, so daß die maximale Admittanz A mit der Eigenresonanzfrequenz des Wandlers 12 übereinstimmt. Folglich fallen die Maxima A und B zusammen.With the presence of the inductor coil 26, the overall frequency response thus has a large admittance A at the frequency "f" and an admittance minimum A ¹ at a frequency "f"# and in general also a smaller admittance maximum B and an admittance minimum B ', which the transducer 12 alone corresponds. In FIG. 2, however, the case is shown in which the frequency "f" is set accordingly so that it corresponds to the natural resonance frequency of the transducer 12, so that the maximum admittance A corresponds to the natural resonance frequency of the transducer 12. As a result, the maxima A and B coincide.

In Fig. 3 ist die experimentill bestimmte, maximale Signalstärke der Ultraschallsignale, welche von dem Wandler 12 emittiert beziehungsweise für verschiedene Werte einer Länge "1" und einer Induktivität "L" abgegeben worden sind, im Vergleich zu der Signalstärke bei einem Fehlen der Induktorspule 26 dargestellt. Bei einer Verknüpfung der Länge "1" und der Induktivität "L" wird die maximale Signalstärke erreicht, wenn der Signalgenerator 36 (siehe Fig. 1) den Wandler 12 bei der Frequenz "f " (siehe Fig. 2) bei der maximalen Admittanz der Wandleranordnung 10 erregt. Die optimale Signalstärke, welche in diesem Fall +28db ist, wird erreicht, wenn die Länge "1" und die Induktivität "L" so eingestellt werden, daß die Frequenz "f " mit derIn FIG. 3, the experimentally determined, maximum signal strength of the ultrasonic signals which are transmitted by the transducer 12 emitted or for different values of a length "1" and an inductance "L" have been emitted, compared to the signal strength in the absence of the inductor coil 26 shown. When the length "1" and the inductance "L" are combined, the maximum signal strength is reached when the signal generator 36 (see Fig. 1) the transducer 12 at the frequency "f" (see Fig. 2) at the maximum admittance of the transducer assembly 10 excited. the optimum signal strength, which in this case is + 28db, is achieved if the length is "1" and the inductance "L" can be set so that the frequency "f" with the

Eigenresonanzfrequenz des Wandlers 12 allein zusammenfällt.The natural resonance frequency of the transducer 12 alone coincides.

Ende der Beschreibung
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Claims (3)

BERG · STAPF · SCHWABE ■ SANDMAIRBERG · STAPF · SCHWABE ■ SANDMAIR -"";:'" PATENTANWÄLTE- "" ;: '"PATENT AGENCIES . "MACERKIRCHERSTRASSE^S BUOifßGNCHEN 80. "MACERKIRCHERSTRASSE ^ S BUOifßGNCHEN 80 34393233439323 Anwaltsakte: 33 791Attorney's file: 33 791 United Kingdom Atomic Energy Authority London / EnglandUnited Kingdom Atomic Energy Authority London / England UltraschallwandleranordnungUltrasonic transducer arrangement PatentansprücheClaims Qy. Ultraschallwandleranordnung, mit einem piezoelektrischen Wandler, einem Kabel und einer damit elektrisch in Reihe geschalteten Induktorspule, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) der Induktorspule (26) und die Länge (1) des Kabels(20) so gewählt sind, daß die Frequene (f ), bei welcher die Induktivität der Wandleranordnung ein Minimum ist, im wesentlichen dieselbe ist wie die Eigenresonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers (12). Qy. Ultrasonic transducer arrangement, with a piezoelectric transducer, a cable and an inductor coil connected electrically in series, characterized in that the inductance (L) of the inductor coil (26) and the length (1) of the cable (20) are chosen so that the frequencies (f), at which the inductance of the transducer arrangement is a minimum, is essentially the same as the natural resonance frequency of the piezoelectric transducer (12). 2. Ultraschallwandleranordnung nach Anspruchi, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler (12) einen2. Ultrasonic transducer arrangement according to Claimi, characterized characterized in that the transducer (12) has a 15Q-Wert bzw. eine Güte in der Größenordnung von 5000 hat.15Q value or a quality in the order of 5000. 3. Ultraschallwandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler Lithiumniobat aufweist.3. Ultrasonic transducer arrangement according to one of the claims 1 or 2, characterized in that the Has converter lithium niobate. VII/XX/Ktz - 2 -VII / XX / Ktz - 2 - « iO89: 9552 72-74 Telex 524560BERGd Bankkonten- Bayer. Vereinsbank München 453100 (Bl? 70C202 70-«IO89: 9552 72-74 Telex 524560BERGd Bank accounts - Bayer. Vereinsbank Munich 453100 (Bl? 70C202 70- Tptesra-nmt (cahii- Telekop<eiet (089)983049 Hypo-Bank München 4410122850 (BLZ 7002001V. Swift Code HVPO DE MMTptesra-nmt (cahii- Telekop <eiet (089) 983049 Hypo-Bank Munich 4410122850 (BLZ 7002001V. Swift Code HVPO DE MM BEhGfABfPAHN' München KaUe- Inlotec 6350 Gr 11 + 11! Postscheck München 653 43-B08 (BLZ ⁷OG100 80)BEhGfABfPAHN 'Munich KaUe- Inlotec 6350 Gr 11 + 11! Post check Munich 653 43-B08 (BLZ ⁷ OG100 80)