DE4114180C2 - Ultraschallwandler - Google Patents
UltraschallwandlerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang
von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbrei
tungsmedium, bestehend aus einem topfförmigen Schwingelement mit einer umlaufenden
Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran wirkenden Topfboden ein piezokerami
scher Schwinger angebracht ist.
Zur Bereitstellung von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen für fahrerlose
Transportsysteme oder als Abstandswarngeräte für Kraftfahrzeuge wird eine Fläche in
Fahrtrichtung abgetastet, die mindestens so breit wie das jeweilige Fahrzeug sein und eine
Höhe von z. B. bis zu 1,5 Metern haben kann. Bei Verwendung von Ultraschall-Echolot-
Systemen werden Ultraschallwandler benötigt, die einen breiten Schallstrahl haben, jedoch
sollte der Öffnungswinkel des Schallstrahls auch nicht größer als 45° sein. Für derartige
Anwendungen ist ein Öffnungswinkel des Schallstrahls von 40° vorteilhaft. Der Schall
strahl sollte vorzugsweise über seinen gesamten Winkelbereich keine Einbrüche in der
Schallintensität haben, um eine lückenlose Abtastung der Fläche zu gewährleisten.
In DE 38 26 799 A1 wird ein Ultraschallwandler offenbart, welcher ein topfförmiges
Schwingelement umfasst, dessen Seitenwand von einem dämpfenden Material der zylindri
schen Form umgeben ist. Dieser Ultraschallwandler zeigt neben seiner einfachen und kos
tengünstigen Fertigung stabile Dämpfungswerte, jedoch erzeugt das topfförmige Schwing
element desselben Schallnebenkeulen, so dass zwischen diesen und den Schallhauptkeulen
keine Echos empfangen werden können und somit ein quasi Meßtotraum vorliegt. Die her
kömmlichen Ultraschallwandler werden vorzugsweise auf der ersten Oberschwingung be
trieben, da hier die Wandler ihre größte Empfindlichkeit haben. Bei dieser Betriebsart bil
den sich rotationssymmetrisch - ausgehend vom Mittelpunkt der Schwingmembran - ein
Schwingungsbauch, ein Schwingungsknoten, ein Schwingungsbauch und am äußeren Rand,
dem Aufhängungspunkt der Schwingmembran, wieder ein Schwingungsknoten aus. Die
beiden Schwingbäuche schwingen zueinander mit einer Phasenverschiebung von 180°. Die
se Anordnung verursacht den für diese Ultraschallwandler typischen Schallstrahl mit einer
breiten Hauptschallkeule und der ausgeprägten rotationssymmetrischen Schallnebenkeule.
Die Schallnebenkeule ist von Nachteil, weil die Schallintensität zwischen der Schallneben
keule und der Schallhauptkeule und der Schallhauptkeule sehr stark einbricht und in diesem
Bereich somit keine Echos empfangen werden können. Hinzutretend ist es erforderlich,
durch die Schallnebenkeule den Öffnungswinkel des Schallstrahls zu vergrößern.
Auch die DE 25 41 492 C2 beschreibt zwar einen Ultraschallwandler, bei welchem
auf der Stirnfläche eines Piezokörpers eine Schaumstoffschicht aufgeklebt ist, die als λ/4-
Schicht ausgebildet ist. Der kreisförmige Piezokörper wird seitlich von einem Beschwe
rungsring begrenzt, wobei der Beschwerungsring von dem Piezokörper beabstandet ist.
Der Beschwerungsring ermöglicht, Grenzflächen zwischen diesem Beschwerungsring und
der Schaumstoffschicht eine Knotenfläche darstellen, wobei diese beim Ultraschallbetrieb
des herkömmlichen Ultraschallwandlers in Ruhe nahezu verbleiben. Das Schwingungsele
ment wird zumindest seitlich mit dem metallenen Beschwerungsring umgeben. Es zeigt sich
aber, dass bei dem Dämpfungsmaterial beispielsweise aus Aluminium der herkömmliche
Ultraschallwandler lediglich auf der Grundschwingung arbeitet und der herkömmliche
Ultraschallwandler quasi tot ist.
Die EP 11 68 23 A1 schlägt einen Beschwerungsring vor, welcher zusätzlich eine
Schaumstoffumhüllung hat, welcher auch einen Keramikschwinger und eine Anpaßschicht
λ/4 umgibt, um einen Schallstrahl mit einer breiten Hauptschallkeule und einer rotations
symmetrischen Schallnebenkeule zu erzeugen. Jedoch zeigt sich aber, dass die rotations
symmetrischen Schallnebenkeulen möglichst zu unterdrücken sind, wie oben ausgeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler bereitzu
stellen, bei dem die rotationssymmetrischen Schallnebenkeulen soweit unterdrückt werden,
dass sie keine auswertbaren Signale liefern. Die Schallnebenkeulen sollen möglichst verhin
dert werden, da die Schallintensität zwischen der Schallnebenkeulen und der Schallhaupt
keule bei den oben genannten Ultraschallwandlern stark einbricht und in diesem Bereich
somit keine Echos empfangen werden können. Zudem ist die durch das Auftreten von
Schallnebenkeulen erforderliche Aufspreitzung des Öffnungswinkel des Schallstrahls zu
vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Ultraschallwandler gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche
betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung.
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang
von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbrei
tungsmedium, bestehend aus einem topfförmigen Schwingelement mit einer umlaufenden
Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran wirkenden Topfboden ein piezokerami
scher Schwinger angebracht ist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der dem. Aus
breitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran, ausgehend vom ersten
Schwingungsknoten auf der Schwingmembran bis zum äußeren Rand des Schwingele
ments, ein geschlossenporiger Schaumstoff als Dämpfungsmaterial ringförmig aufgebracht
ist.
In einer bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ragt zur Befestigung des Schwing
elements in einem Gehäuse das aufgebrachte Dämpfungsmaterial noch über den äußeren
Rand des Schwingelements hinaus und umschließt zugleich den Topfmantel. Zudem kann
das aufgebrachte Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden sein. Wei-
terhin kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultra
schallwandlers ein dünnwandiges, trichterförmiges Formteil ausreichender mechanischer
Stabilität vor der Schwingmembran angebracht sein und die kleinere Öffnung des Formteils
einen Durchmesser haben, wobei der in der gleichen Größenordnung liegt wie der des ers
ten Schwingungsknoten der Schwingmembran, so dass diese Öffnung zentriert über dem
ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran liegt, wobei das akustische Dämp
fungsmaterial in dem Hohlraum zwischen dem Formteil und dem Schwingelement ringför
mig eingebracht ist.
Es zeigt sich, dass durch die topfförmige Ausgestaltung des Schwingelementes und
der Verwendung von geschlosssenporigem Schaumstoff als Dämpfungsmaterial auf der
dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingungsmembran weitgehend die
unerwünschten Schallnebenkeulen unterdrückt werden können. Zudem kann das Dämp
fungsmaterial den durch den zweiten Schwingungsbauch abgestrahlten Anteil des Schall
strahls absorbieren und in diesem Bereich der Schwingmembran auch keinen Empfang von
Echosignalen zulassen. Aufgrund der Verwendung des geschlossenporigen Schaumstoffs
als Dämpfungsmaterial kann die Membran unter diesem Dämpfungsmaterial ungehindert
schwingen, was auch erklärt, warum die abgestrahlte Welle in einem sogenannten Wellen
sumpf, gebildet aus dem Dämpfungsmaterial, vernichtet werden kann.
Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Bedämpfung des Schwingsys
tems nicht in das Schwingtöpfchen einzubringen, sondern auf der dem Ausbreitungsmedium
zugewandten Seite der Schwingmembran. Das Dämpfungsmaterial wird ringförmig auf der
Außenseite der Schwingmembran aufgebracht und deckt den Bereich zwischen inneren und
äußeren Schwingungsknoten vollständig ab. Bei einer solchen Ausbildung absorbiert das
Dämpfungsmaterial den durch den zweiten Schwingungsbauch abgestrahlten Anteil des
Schallstrahls und läßt in diesem Bereich der Schwingmembran auf keinen Empfang von
Echosignalen zu. Für dieses Dämpfungsmaterial wird ein geschlossenporiger Schaumstoff
verwendet. Für dieses Dämpfungsmaterial kann auch ein Silikonkautschuk verwendet wer
den.
Bei einer bevorzugten Ausführung ragt das Dämpfungsmaterial noch über den äuße
ren Rand der Schingmembran hinaus und umschließt zugleich die umlaufende Topfwan
dung. Vorteilhaft ist, dass das Dämpfungsmaterial hier zu einem Formteil ausgearbeitet
werden kann. Somit kann das Schwingelement einfach in das Formteil eingepreßt werden,
was den fertigungstechnischen Aufwand erheblich reduziert.
Die Zeichnungen zeigen aufgrund der zeichnerischen Vereinfachung in schematischer,
stark vergrößerter Weise ohne Anspruch auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe Ausfüh
rungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung ohne Beschränkung derselben auf
diese in
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung des Ultraschallwandlers.
Fig. 2 ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers.
Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers.
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlers.
Fig. 5 eine Schnittzeichnung einer Schwingmembran in Betrieb
auf 1. Oberschwingung
und
Fig. 6 ein Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallwandlers.
In Fig. 5 sind ein herkömmlicher Ultraschallwandler mit einem topfförmigen
Schwingelement 1, seiner Schwingmembran 2 und der auf der Innenseite des Schwingele
ments befestigte piezokeramische Schwinger 3 zu sehen. Die beiden Drähte 4 dienen zum
elektrischen Anschluß des Schwingers. Wegen der besseren Übersicht ist in der Zeichnung
das üblicherweise in das Schwingtöpfchen eingebrachte Dämpfungsmaterial nicht darge
stellt.
Die Schwingmembran schwingt auf ihrer 1. Oberschwingung. Die Momentaufnahmen
der maximalen Membranauslenkungen zeigen den im Mittelpunkt der Membran liegenden
Schwingungsbauch 22, den sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Schwin
gungsknoten 21, den äußeren rotationssymmetrischen Schwingungsbauch 23 und den äu
ßeren Schwingungknoten 20, der mit dem Aufhängepunkt der Membran zusammenfällt.
In dem Richtdiagramm in Fig. 6 sieht man die für einen herkömmlichen Ultraschall
wandler gemäß Fig. 5 typische rotationssymmetrische Hauptschallkeule 100 und die rotati
onssymmetrische Schallnebenkeule 101.
Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall
wandlers. Auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran 2 ist
ringförmig ein Dämpfungsmaterial 30 aufgebracht. Das Dämpfungsmaterial deckt die
Schwingmembran zwischem dem inneren Schwingungsknoten 21 und dem äußeren
Schwingungsknoten 20 vollständig ab.
Über die Materialeigenschaften und die Schichtdicke des Dämpfungsmaterials wird
das Nachschwingverhalten des Schwingsystems und die Bedämpfung der Schallnebenkeule
eingestellt. Neben der halbkreisförmigen Ausgestaltung der Wulst sind auch andere Formen
möglich. Wichtig ist nur, dass die Wulst eine Materialstärke hat, die die Schallnebenkeule
ausreichend bedämpft.
Das Richtdiagramm des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in Fig. 2 zeigt, dass
durch das außen auf der Schwingmembran aufgebrachte Dämpfungsmaterial nunmehr die
Nebenschallkeule vollständig unterdrückt wird. In der bevorzugten Ausführung in Fig. 3
umschließt das Dämpfungsmaterial 40 zusätzlich die umlaufende Topfwandung des
Schwingelements 1. Das Dämpfungsmaterial ist zu einem Formteil ausgearbeitet, in dem
das Schwingelement nachträglich eingepreßt und durch eine umlaufende Lippe 41 gehalten
wird.
Das Schwingelement und das Formteil können anschließend durch Preßsitz in ein
Gehäuse eingebracht werden. Es ist auch möglich, das Dämpfungsmaterial durch ein
Spritzverfahren direkt auf das Schwingelement aufzutragen. In diesem Fall ist das Dämp
fungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden, wodurch Wasser- und Schmutzein
schlüsse zwischen Dämpfungsmaterial und Schwingkörper vermieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist in
Fig. 4 das Schwingelement 1 in ein dünnwandiges Formteil 50 eingesetzt. Die kleinere
Trichteröffnung hat einen Durchmesser, der etwa dem des Schwingungsknoten 21 ent
spricht. Der Rand dieser Trichteröffnung und die Schwingmembran sind mit einem Silikon
kautschuk 52 abgedichtet. Das Formteil ist vorzugsweise aus einem schlag- und
witterungsfesten Kunststoff gefertigt. In dem Zwischenraum zwischen Schwingelement und
Formteil ist ein Dämpfungsmaterial 51 eingebracht. Da das Dämpfungsmaterial in dieser
Ausführungsform gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt ist, kann hierfür auch ein flo
ckiger Stoff wie Glaswolle benutzt werden.
Es zeigt sich, dass vorteilhafterweise der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, wel
cher aus einem topfförmigen Schwingelement und einem auf dem Topfboden aufgebrachten
piezokeramischen Schwinger aufgebaut ist, mitunter seine größte Empfindlichkeit haben
kann, wenn er auf der 1. Oberschwingung betrieben wird. In dieser Betriebsart bildet sich
jedoch ein Schallstrahl mit einer rotationssymmetrischen Hauptschallkeule und einer rotati
onssymmetrischen Schallnebenkeule aus.
Erfindungsgemäß wird auf der Schwingmembran der ringförmige Bereich zwischen
innerem und äußerem Schwingungsknoten mit einem akustischen Dämpfungsmaterial ab
gedeckt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung bewirkt, dass die Schallnebenkeule vollständig
unterdrückt wird und so die Hauptschallkeule mit ihrer vollen Empfindlichkeit für die ein
gangs beschriebenen Meßaufgaben genutzt werden kann. Das aufgebrachte Dämpfungsma
terial dämpft zusätzlich das Schwingsystem, wodurch die üblicherweise in das Schwing
töpfchen eingebrachte Bedämpfung entfallen kann. Über den Durchmesser und die Dicke
der Schwingmembran kann der Öffnungswinkel der Hauptschallkeule variiert werden.
Claims (4)
1. Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen
vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbreitungsmedium, bestehend aus
einem topfförmigen Schwingelement (1) mit einer umlaufenden Seitenwand, wobei
auf dem als Schwingmembran (2) wirkenden Topfboden ein piezokeramischer
Schwinger (3) angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran (2), ausgehend
vom ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran bis zum äußeren Rand des
Schwingelements, ein geschlossenporiger Schaumstoff als Dämpfungsmaterial (30,
40, 51) ringförmig aufgebracht ist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung
des Schwingelements in einem Gehäuse das aufgebrachte Dämpfungsmaterial noch
über den äußeren Rand des Schwingelements hinausragt und zugleich den Topfman
tel mit umschließt.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aufge
brachte Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden ist.
4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
ein dünnwandiges, trichterförmiges Formteil ausreichender mechanischer Stabilität
vor der Schwingmembran angebracht ist und die kleinere Öffnung des Formteils einen
Durchmesser hat, der in der gleichen Größenordnung liegt wie der des ersten
Schwingungsknotens der Schwingmembran und dass diese Öffnung zentriert über
dem ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran liegt, wobei das Dämp
fungsmaterial in dem Hohlraum zwischen dem Formteil und dem Schwingelement
ringförmig eingebracht ist.
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