DE3732412A1 - Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristik - Google Patents
Ultraschallwandler mit astigmatischer sende-/empfangscharakteristikInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-
Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 an
gegeben ist.
Aus der EP-B-0 075 302 ist ein Sensor für die Durchführung
einer Distanzmessung nach dem Ultraschall-Echoprinzip bekannt.
Dieser Sensor soll der Ermittlung und Anzeige von Annäherungs
abständen zwischen einem Fahrzeug und Hindernissen im Nahbe
reich dienen. Es handelt sich dabei um einen Topfwandler mit
darin angeordnetem piezokeramischem Schwinger. Auf der Innen
seite der Membran dieses Topfwandlers ist an zwei horizon
talen, gegenüberliegenden Kreisabschnitten Dämpfungsmaterial
zur Verhinderung einer energiereichen Ultraschallabgabe oder
Signalabgabe vorgesehen. Das Dämpfungsmaterial ist z.B. Weich
gummi. Für die oben angegebene Anwendung ist vorgesehen, den
Topfwandler in einem Hornstrahler anzuordnen.
Die Membran des Topfwandlers ist der Topfboden desselben. Auf
grund des asymmetrisch zur Normalen der Membran bzw. des Topf
bodens verteilt angebrachten Dämpfungsmaterials hat dieser
Wandler eine entsprechend asymmetrische Sende- und Empfangs
charakteristik bzw. Sende- und Empfangskeule. Für diesen
Topfwandler kann man sich eine Verbindungslinie zwischen dem
asymmetrisch im Inneren des Topfwandlers angebrachten Anteilen
des Dämpfungsmaterials denken. Diese Verbindungslinie verläuft
senkrecht zur Flächennormalen der Membran (Topfboden). Diese
Verbindungslinie und die erwähnte Flächennormale bilden eine
Ebene. Die Schallausbreitung bzw. die Schall-Empfangscharak
teristik in dieser Ebene ist im wesentlichen eine einzige
Strahlungskeule mit der erwähnten Normalen als Mittellinie.
In der zu dieser genannten Ebene senkrechten Ebene weist die
Strahlungscharakteristik mehrere Strahlungskeulen auf, von
denen die mittlere Strahlungskeule ähnlich der voranstehend
angegebenen Strahlungskeule die Flächennormale der Membran als
Mittellinie hat.
Ein solcher Topfwandler hat also im Prinzip in der einen Ebene
(nämlich der oben erwähnten senkrechten Ebene) ein breites
Strahlungsfeld für Aussendung und/oder Empfang. In der dazu
senkrechten Ebene hat dieser Wandler eine relativ schmale
Charakteristik, so daß sich insgesamt eine astigmatische
Schallcharakteristik ergibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aufbau für
einen Wandler mit einer möglichst verbesserten und insbe
sondere vorgebbar zu wählenden astigmatischen Strahlungs
charakteristik anzugeben, der zudem einfach und reproduzier
bar herzustellen und frei von Alterungseffekten ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Ultraschall-Biegewandler mit den
Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausge
staltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den
Unteransprüchen hervor.
Eine wie bekannte Verwendung von Dämpfungsmaterial zur Er
zielung astigmatischer Charakteristik hat den Nachteil, daß
sich in der Großserie erhebliche Streuungen der charakteristi
schen Werte solcher Wandler ergeben und/oder keine ausreichen
de Alterungsbeständigkeit zu erreichen ist. Die Erfindung
beruht daher auf dem Gedanken, bereits dem eigentlichen
Topfwandler solche charakteristischen Eigenschaften zu geben,
die stets reproduzierbare und/oder zuverlässig eingehaltene
vorgegebene charakteristische Werte gewährleisten.
Ein erfindungsgemäßer Wandler besitzt eine Membran, die vor
zugsweise ein Teil, nämlich der Boden, eines topfförmigen
Wandlers ist. Diese Membran besteht aus einer (den Boden
bildenden) Platte aus nicht piezoelektrischem Material
und einem daran befestigten Plättchen aus piezoelektrischem
Material. Solches piezoelektrisches Material ist vorzugsweise
Piezokeramik, z.B. ein solches auf der Basis des Bleizirkonats-
Titanats.
Ein erfindungsgemäßer Wandler hat anisotrope elastische Eigen
schaften bezogen auf zwei zueinander senkrechte Ebenen, in
denen die Normale der Ebene der Membran liegt. Entsprechendes
Übergangsverhalten liegt bei dieser Membran für den Raum
zwischen diesen beiden Hauptebenen vor. Statt der Elastizität
kann man auch die Steifigkeit angeben.
Erfindungsgemäß sind diese anisotropen elastischen Eigenschaf
ten dadurch erzielt, daß wenigstens zu einem Anteil die (piezo
elektrisch inaktive) Platte der Membran aus einem Faser-Ver
bundwerkstoff besteht. Es ist hier ein Faser-Verbundwerkstoff
vorgesehen, der Fasern mit Vorzugsrichtung aufweist. Gemäß
einer Variante hat der Faser-Verbundwerkstoff nur in einer
Richtung ausgerichtete, im wesentlichen parallel verlaufende
Fasern. Dadurch hat diese Platte in Richtung parallel zu diesen
Fasern einerseits und in Richtung quer zu diesen Fasern ande
rerseits, erheblich unterschiedliches Elastizitätsverhalten.
Statt nur eine einzige Richtung für diese Fasern vorzusehen,
kann Ausrichtung der Fasern in zwei spitzwinklig zueinander
orientierten Faserrichtungen vorliegen. Eine solche Ausführungs
form verleiht einer solchen Platte aus Faser-Verbundwerkstoff
größere Festigkeit, ohne daß das anisotrope Elastizitätsver
halten der Platte nennenswert geändert ist.
Insbesondere bei nur einer vorgesehenen (Haupt-)Faserrichtung
kann es sehr von Vorteil sein, zum Zwecke gesteigerter Festig
keit eine oder mehrere zusätzliche Faserlagen vorzusehen, die
im wesentlichen quer zu dieser einen (Haupt-)Faserrichtung
verlaufen. Diese Faserlagen sind aber so gewählt, daß die
vorgesehene Anisotropie nicht wesentlich nachteilig beeinflußt
wird, d.h. die Anzahl der Fasern in dieser Richtung ist
wesentlich geringer (und/oder es sind in dieser Richtung die
Fasern wesentlich schwächer), so daß die wesentlich größere
Steifigkeit in Richtung parallel zur (Haupt-)Faserrichtung
bleibt.
Eine andere Ausführungsform ist die, bei der die Platte aus
einem Wirrfaser-Material besteht, das jedoch eine Vorzugs
orientierung der Fasern resultierend in Richtung der (Haupt-)
Faserrichtung großer Steifigkeit besitzt. Eine solche Vorzugs
orientierung kann im Zusammenhang mit der Herstellung solchen
Materials realisiert werden.
Als Fasermaterial kommen Kohlefasern, Magnesiumfasern,
Aluminiumfasern, Keflarfasern und dgl. bevorzugt in Betracht.
Als Matrixmaterial, in das die Fasern eingebettet sind, ist
vorzugsweise Polyimid zu verwenden.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgen
den, anhand der Figuren gegebenen Beschreibung hervor.
Es zeigen:
Fig. 1 die prinzipielle Form eines Topfwandlers als bevorzugte
Ausführungsform.
Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen
Wandlers in Topfform mit einem Faser-Verbundwerkstoff
mit parallel gerichteten Fasern.
Fig. 3 eine Aufsicht mit einem Ausschnitt zu einer Ausfüh
rungsform nach Fig. 2 (der auch einige Fasern als
Zusatz in senkrechter Richtung enthält).
Fig. 4 und 5 zeigen die Richtdiagramme der beiden Hauptebenen des
Astigmatismus.
Fig. 6 eine Ausführungsform mit richtungsmäßiger Anordnung der
Fasern in zwei, in spitzem Winkel zueinander laufenden
Richtungen und
Fig. 7 eine Ausführungsform mit Wirrflies mit Vorzugsorientie
rung.
Der Wandler 1 in Fig. 1 hat im wesentlichen die Form eines
Topfes 7 mit der Membran 2 als Boden desselben. Diese Membran
besteht aus der bei dieser Ausführungsform den eigentlichen
Boden bildenden Platte aus piezoelektrisch inaktivem Material.
Diese Platte kann vollständig aus Faser-Verbundwerkstoff be
stehen. Auf der im Inneren des Topfes 7 befindlichen Ober
fläche der Platte der Membran 2 ist ein Plättchen aus Piezo
material, insbesondere Piezokeramik, befestigt.
Fig. 2 zeigt im Schnitt das Plättchen 10 aus Piezokeramik wie
z.B. Bleizirkonattitanat. Mit 14 ist die eine Elektrode des
piezoelektrischen Plättchens 10 bezeichnet. Mit 12 ist eine
Klebschicht bezeichnet, mit der das Plättchen 10 an der
piezoelektrisch inaktiven Platte 11 befestigt ist. Diese Platte
11 und das Plättchen 10 bilden zusammen die Membran 2. Ein
wesentlicher Anteil 111 der Platte 11 besteht aus Faser-Ver
bundwerkstoff und es kann ein weiterer sonstiger Anteil 112
Bestandteil dieser Platte 11 sein.
Zum Beispiel besteht der Faser-Verbundwerkstoff aus Polyimid als
Matrixmaterial, in dem sich Fasern aus z.B. Kohle, Magnesium,
Aluminium, Keflar und dgl. befinden. Der Anteil 112 kann z.B.
eine Platte bzw. Schicht aus reinem Polyimid sein.
Für das Plättchen 10 ist eine Gegenelektrode zur Elektrode 14
vorzusehen. Diese Gegenelektrode kann z.B. durch die elektri
sche Leitfähigkeit der Klebstoffschicht 12 realisiert sein.
In Fig. 2 ist die Lage der Fasern als Schnitt derselben ange
deutet. Besser ist diese Orientierung der Fasern der Fig. 3 zu
entnehmen, und zwar dem Ausschnitt in Bildmitte.
Mit 21 sind die in der Darstellung der Fig. 3 im wesentlichen
horizontal und parallel zueinander verlaufenden Fasern 21 an
gedeutet. Sie verleihen dem Faser-Verbundwerkstoff 111 der
Membran 2 eine hohe Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit in
dieser waagerechten Haupt-Richtung 4. In der dazu orthogonalen
Richtung 5 weist der Faser-Verbundwerkstoff entsprechend geringe
Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit auf. Die Fig. 4 und 5
zeigen das Schallsende-/Empfangsdiagramm für die beiden zuein
ander orthogonalen Richtungen 4 und 5, die in der Fig. 3 einge
tragen sind. Die breite Strahlungskeule der Fig. 4, in deren
Ebene die Haupt-Richtung 4 liegt, ist Folge der erfindungsgemäß
gewählten Anordnung der Fasern in im wesentlichen der einen
dargestellten Richtung 4 der Fasern 21. Mit 22 sind einzelne
Fasern bezeichnet, die zusätzlich vorhanden sind, jedoch
orthogonal zur Haupt-Richtung 4 der Fasern 21 verlaufen. Diese
Fasern 22 dienen dazu, dem Faser-Verbundwerkstoff wenigstens
diejenige Steifigkeit in der Richtung 5 zu verleihen, die
mindestens vorliegen muß. Diese Fasern 22 können aber gegenüber
der Vielzahl der Fasern 21 keine wesentliche Beeinträchtigung
der Asymmetrie, d.h. des Astigmatismus, des Wandlers bewirken.
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Anordnung der Fasern 31
und 131. In der Darstellung der Fig. 6 verlaufen die Fasern 31
mit flachem Winkel (kleiner etwa 30° zur Waagerechten) von oben
rechts nach links unten. Die Fasern 131 verlaufen dagegen von
rechts unten nach links oben mit wenigstens im wesentlichen
gleich flachem Winkel. Dieses spitzwinklige Überkreuzen führt zu
einer Stabilität der Platte 11 aus Faser-Verbundwerkstoff, ohne
daß querlaufende Fasern 22 erforderlich wären. Dennoch hat die
Anordnung der Fasern 31, 131 die Eigenschaft, eine entscheidende
Vorzugsrichtung 4 für das Sende- bzw. Empfangsverhalten dieses
Wandlers zu bewirken.
Fig. 7 zeigt einen den Fig. 3 und 6 entsprechenden Ausschnitt,
jedoch hier denjenigen eines Wirrflieses mit Vorzugsausrichtung
(wieder in waagerechter Richtung der Darstellung der Fig. 7).
Bei einem Wandler mit wie auch bei der Erfindung unterschied
lich großer Steifigkeit bzw. Schallgeschwindigkeit im Material
der Membran in zwei zueinander orthogonalen Richtungen der Ebene
dieser Membran ergeben sich charakteristische Schwingungsmoden,
und zwar sowohl für die Grundwelle als auch für die Oberwellen.
Die Schwingungsmoden sind über das Material der Membran zwangs
läufig miteinander gekoppelt.
Bei einem erfindungsgemäßen Wandler tritt jeweils nur eine
Grundresonanz auf. Hinsichtlich der Oberwellen ist im wesent
lichen paarweises Auftreten von Resonanzen, und zwar bezogen auf
die beiden Richtungen 4 und 5, beobachtet worden. Bei der
Erfindung liegen die Frequenzen dieser paarweisen Resonanzen
vorteilhafterweise so weit auseinander, so daß keine Gefahr be
steht, der Wandler könnte im Betrieb vom Schwingungsmode der
gewolltermaßen angeregten einen Oberwelle in den Schwingungsmode
der anderen Oberwelle überspringen.
Eine vorteilhafte Bemessung für einen erfindungsgemäßen Wandler
ist so gewählt, daß für einen vorgegebenen Faserwerkstoff (z.B.
Kohlefaser) mit Anisotropie entsprechend der Erfindung diese
Resonanzfrequenzen des Wandlers so aufeinander abgestimmt sind,
daß für eine dieser Frequenzen sich die passende bzw. vorge
gebene astigmatische Richtcharakteristik (Fig. 4 und 5) er
gibt. Auf dieser Frequenz (der Oberwelle) wird der Wandler vor
teilhafterweise betrieben.
Bei einem Wandler z.B. nach den Fig. 2 und 3 mit kreisrunder
Kohlefaser-Membran mit z.B. 0,4 mm Dicke und etwa 20 mm Durch
messer und mit parallel ausgerichteten Fasern 21 (Fig. 3) liegt
ein solcher deutlicher Unterschied der Resonanzfrequenz der
ersten Oberwelle (und der zweiten Oberwelle) für die Richtung 4
mit der hohen Schallgeschwindigkeit der Membran gegenüber der
Resonanzfrequenz der ersten (und der zweiten) Oberwelle für die
Richtung 5 mit niedriger Schallgeschwindigkeit vor. Diese Mem
bran hat vier Lagen mit Fasern 21 in Hauptrichtung 4 und eine
Lage Fasern 22 in Richtung 5. Die geeignete Betriebsfrequenz
liegt bei 40 kHz, das ist die Frequenz der ersten Oberwelle des
Schwingungsmodes der hohen Schallgeschwindigkeit. Die benachbar
ten Resonanzen, die zu den Oberwellen des Schwingungsmodes der
niedrigeren Schallgeschwindigkeit (Richtung 5) gehören, liegen
bei 27 und 53 kHz, d.h. weit genug von den 40 kHz Betriebs
frequenz entfernt. Ein solcher erfindungsgemäßer Wandler
hat stabiles Schwingungsverhalten und eine Richtcharakteristik
entsprechend den Fig. 4 und 5 mit 125° für die Ebene gemäß
Fig. 4 und mit 50° für die Ebene gemäß der Fig. 5.
Es sei darauf hingewiesen, daß durch andere als die beschriebene
kreisrunde Membranform weitere Anpassungen erreicht werden
können. Zum Beispiel kann elliptische Form der Membran vorge
sehen sein. Die Ellipsenachsen sind dann parallel den Richtun
gen 4 und 5 gewählt.
Kohlefaser-Verbundwerkstoff ist für erfindungsgemäße Wandler
besonders günstig. Es ergibt sich hierfür besonders günstige
Impedanzanpassung an Luft.
Die Verwendung eines ausgerichteten Wirrflieses bringt einen
weiteren Vorteil. Ein solches Wirrfaser-Flies hat relativ hohe
Eigendämpfung, so daß zusätzliche Verwendung von Dämpfungs
material, nämlich zum Zwecke ausreichende Bandbreite zu er
reichen, sich erübrigt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Ver
wendung zusätzlich dämpfenden Materials auch bei der Erfin
dung nichts mit dem Material zu tun hat, das gemäß dem eingangs
beschriebenen Stand der Technik dort für den Astigmatismus der
Richtcharakteristik vorgesehen ist. Bei der Erfindung zusätz
lich verwendetes Dämpfungsmaterial geht nicht in das Richt
charakteristik-Verhalten ein und kann insbesondere das erfin
dungsgemäß erzielte astigmatische Verhalten durch Alterungs
effekte nicht beeinträchtigen.
Ein Wandler der erfindungsgemäßen Art ist insbesondere als
Detektionswandler für Land- und Wasserfahrzeuge geeignet, bei
denen parallel zur Fahrbahnebene (Fig. 4) breite "Ausleuchtung"
erwünscht ist, dagegen aber in die Höhe möglichst wenig Schall
abgestrahlt werden soll. Genau dies erfüllt ein erfindungsge
mäßer Wandler. Ein erfindungsgemäße Wandler kann gleichermaßen
als Sender und als Empfänger benutzt werden.
Eine bevorzugte Anwendung eines erfindungsgemäßen Wandlers ist
die als Rückfahrhilfe für insbesondere schwere Fahrzeuge mit
Sichtbehinderung nach rückwärts oder für Fahrzeuge (Bagger und
dgl.), die häufig hin- und herrangieren.
Claims (10)
1. Elektroakustischer Biegewandler, vorzugsweise in Topfform,
mit einer Membran, die ein Verbund aus einer Platte aus piezo
elektrisch inaktivem Material und einem Plättchen aus piezo
elektrischem Material ist, wobei das Plättchen, bezogen auf die
Fläche der Platte zentral angeordnet und mit dieser verbunden
ist, wobei das piezoelektrische Plättchen mit Elektroden ver
sehen ist und wobei dieser Wandler bezogen auf die Flächennormale
der Membran ein unsymmetrisches räumliches Schall-Richtdiagramm
besitzt,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Platte (11) in wenigstens einer Schicht (111) derselben
ein bezogen auf eine Hauptrichtung (4) orientierter Faser-
Verbundwerkstoff ist.
2. Wandler nach Anspruch 1,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Platte (11) ganz aus derartigem Faser-Verbundwerkstoff
(21; 31, 131; 70) besteht.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß der vorhandene Faser-Verbundwerkstoff so aufgebaut ist,
daß er überwiegend Fasern mit Ausrichtung in einer Richtung (4)
besitzt.
4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß der Faser-Verbundwerkstoff zwei wenigstens überwiegende
Faserrichtungen (31, 131) aufweist, die spitzwinklig mit weniger
als 30° zur Hauptrichtung (4) ausgerichtet sind.
5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine zusätzliche Lage von Fasern (22) vorgesehen ist, die im
wesentlichen quer zu der Hauptrichtung (4) ist.
6. Biegewandler nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet dadurch,
daß der Faser-Verbundwerkstoff ein Wirrfaser-Material (70) mit
Vorzugs-Orientierung der Fasern in der Hauptrichtung (4) ist.
7. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
gekennzeichnet dadurch,
daß eine oder mehrere Fasernarten der Gruppe Kohlefaser,
Magnesiumfaser, Aluminiumfaser, Keflarfaser ist.
8. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
gekennzeichnet dadurch,
daß das Matrixmaterial Polyimid ist.
9. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Platte (11) Bestandteil eines Topfes (7) ist, wobei der
Faser-Verbundwerkstoff der Platte im wesentlichen kontinuierlich
in die Topf-Seitenwandung übergeht.
10. Biegewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet dadurch,
daß die Membran (2) elliptische Form hat.
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