DE4140040A1 - Ultraschall-daempfungsmaterial - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Dämpfungsmaterial mit einem Weich­ gummi nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 31 37 745 ist ein Ultraschall-Sensor bekannt, bei dem ein piezokeramischer Schwinger am Boden eines topfförmigen Wandlergehäuses angebracht ist und bei dem an der Innenseite des Wandlergehäuses im Bereich des Topfbodens, der als Membran wirkt, zwei einander gegenüberliegende Ultraschall-Dämpfungskörper angeordnet sind. Die Dämpfungskörper wirken dämpfend auf die Schwingung der abgedeckten Membransegmente und dienen damit der Formung der Sende- und/oder Empfangskeule des Ultraschall-Schwingers. Als weiterer Effekt wird dadurch zwar auch das Nachschwingen beeinflußt, das Ultraschall-Wandler dieser Bauart nach Abschalten der Sendeenergiezufuhr zeigen. Eine gezielte Ver­ kürzung der Nachschwingdauer ist auf diesem Wege nicht erreichbar, da auch die mechanischen Abmessungen des Wandlers die Nachschwing­ dauer beeinflussen. Gemäß der DE-OS 31 37 745 soll das Dämpfungs­ material ein Weichgummi mit einer Shore-Härte zwischen 40 Grad und 60 Grad sein, je nachdem ob der Wandler als Sender, als Empfänger oder als beides eingesetzt wird.

Bereits in der DE-OS 31 37 745 wird darauf hingewiesen, daß die Dämpfungskörper eng auf die Abmessungen des Ultraschall-Wandlers, auf die Eigenschaften der verwendeten Materialien und auf die je­ weilige Arbeitsfrequenz abgestimmt sein müssen.

Es hat sich gezeigt, daß ein Weichgummi mit der Shore-Härte von 40 bis 60 Grad nicht immer die gewünschte Dämpfungseigenschaften auf­ weist, weil die alleinige Spezifikation der Shore-Härte für die Fin­ dung des geeignetsten Materials nicht ausreichend ist. Andere Mate­ rialeigenschaften müssen zusätzlich abgestimmt werden, zumal dann, wenn neben der Formung der Sende- und Empfangskeule auch noch eine Minimierung der Nachschwingdauer angestrebt wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es bei­ spielsweise bei einem Ultraschallschwinger sowohl eine optimale Formung der Schall-Keule ermöglicht, als auch ein kurzes Nachschwin­ gen des Ultraschallschwingers gewährleistet. Letztere Eigenschaft ist besonders dann wünschenswert, wenn der Ultraschallschwinger sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt wird, weil der Ultraschallschwinger erst nach dem Abklingen der Sendeenergie emp­ fangsbereit ist.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Dämpfungsmaterials möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch das Aufbringen des Dämpfungsmaterials auf vorgegebene Bereiche des Schwingkörpers, beispielsweise der Membran eines Ultra­ schall-Schwingers, sowohl die Ausbreitungsrichtung der Schallkeule als auch die Nachschwingdauer optimal festgelegt werden können.

Besonders einfache Herstellverfahren für das gewünschte Dämpfungs­ material ergeben sich durch Mischen mit einem Treibmittel, bei­ spielsweise einem H-Siloxan oder Einleitung eines Gases in den noch flüssigen Kautschuk, weil dieses Verfahren gute reproduzierbare Ergebnisse liefert.

Besonders vorteilhaft ist ferner, daß das Dämpfungsmaterial in Plat­ ten vorgefertigt und an wenigstens einer Oberfläche eine Klebschicht aufweist. Dadurch kann das vorgefertigte Material in der passenden Größe ausgestanzt und durch Klebung auf einfache Weise paßgenau mit geringen Toleranzen an die vorgesehene Fläche des Schwingkörpers befestigt werden. Das ermöglicht eine einfache automatische Vor­ montage des Schwingers.

Anstelle der Klebschicht ist eine doppelseitige Klebefolie auf das Dämpfungsmaterial aufbringbar, so daß vorteilhaft weitere speziell geformte Dämpfungskörper aufgebracht werden können. Im Herstellungs­ prozeß werden dadurch beispielsweise unerwünschte Lösungsmittel­ dämpfe vermieden, die sonst beim Auftragen einer Klebschicht un­ vermeidbar sind.

Es hat sich als Vorteil herausgestellt, daß die Verwendung von Sili­ konschaum wegen seinem gleichbleibenden mechanischen Verhalten über einen großen Temperaturbereich, wegen seiner hohen Alterungsbestan­ digkeit und seinen günstigen physiologischen Eigenschaften besonders gut geeignet ist.

Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung entnehmbar.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des Dämpfungsmaterials, Fig. 2 einen Ultraschallschwinger mit dem Dämpfungsmaterial im Schnitt und Fig. 3 in Draufsicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem Dämpfungsmaterial 1 im Quer­ schnitt dargestellt. Das Dämpfungsmaterial 1 besteht aus einem ge­ schäumten Weichgummi, wie es beispielsweise durch einen gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuk durch Zusatz eines Treibmittels wie H-Siloxans aufschäumbar ist. Durch das Treibmittel sind in dem Dämp­ fungsmaterial viele unregelmäßig verteilte Hohlräume oder Blasen 2 entstanden. Bedingt durch den Herstellungsprozeß ist die Verteilung der Hohlraumgröße vorgebbar. Die Hohlräume haben meist kugelförmige geschlossene Zellen, deren Größe auf die zu dämpfende Schwingungs­ frequenz abgestimmt ist. Sowohl die mittlere Größe der Hohlräume 2 bzw. deren Durchmesser 3 als auch die spezifische Dichte des Mate­ rials, ist durch den gewählten Weichgummi und den Herstellungsprozeß vorgebbar. Eine besonders kurze Nachschwingzeit ergibt sich, wenn das Dämpfungsmaterial folgende Parameter aufweist:

• - Geschäumter Gummi mit einer Dichte von 0,8 bis 1,0 g/ccm
• - Shore-Härte A ca. 20 bis 30
• - Durchmesser der Hohlräume zwischen 0,1 und 1 mm in der stati­ stischen Verteilung.

Mit diesem Material lassen sich durch gezieltes Aufschäumen eines gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuks sehr einfach und preiswert Dämpfungsplatten herstellen. Das Material wird zunächst in einem bekannten Gießverfahren in Plattenform hergestellt und einseitig mit einer Klebeschicht oder einer doppelseitigen Klebefolie 4 versehen. Danach wird es in die gewünschte Form gestanzt und auf die vorge­ sehenen Stellen der Membran 6 geklebt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in die flüssigen Silikon-Kautschuk-Komponenten Luftblasen einzurühren oder einzublasen, das noch flüssige Silikon-Kautschuk-Material auf die betreffenden Stellen der Membran zu gießen und dort vulkanisieren zu lassen. Vor dem Gießen wird in das Gehäuse 8 ein Stempel eingeführt, der zusammen mit dem Gehäuserand- und -boden als Gießform wirkt und nach dem Aushärten des Silikonmaterials wieder herausgenommen wird. Durch das Vulkanisieren werden die Blasen "eingefroren". Die Vulka­ nisationszeit muß so kurz sein, daß die Gasblasen vor dem Aushärten nicht an die Oberfläche steigen und damit die statistische Vertei­ lung stören.

Im Schnittbild der Fig. 2 bzw. in Draufsicht der Fig. 3 ist die Anwendung des Erfindungsgegenstandes an einem Ultraschall-Schwinger (US-Schwinger) dargestellt. Das im Querschnitt dargestellte ringför­ mige Gehäuse 8 ist an einer Querschnittsfläche mit einer Membran 6 abgedeckt. Im Innenraum ist etwa mittig zur Membran ein Piezoschwin­ ger 7 angeordnet. Die restliche Innenflache der Membran 6 ist ganz oder teilweise mit entsprechend geformten Stanzteilen des Dämpfungs­ materials 1 belegt. Die Fixierung des Dämpfungsmaterials 1 an die Membran 6 erfolgt mittels eines Silikonklebers oder einer doppel­ seitigen Klebefolie. Eine besonders wirkungsvolle Fixierung ergibt sich auch durch Beschichten der Dämpfungsplatte mit einer Silikon­ harzklebelösung, die zunächst beim Ausstanzen der Formteile durch eine Schutzfolie abgedeckt ist. Derartige Formteile lassen sich sehr preiswert herstellen und einfach zu handhaben. Vor der Befestigung wird die Schutzfolie abgezogen und die Dämpfungsplatte an die gewünschte Stelle aufgeklebt. Dieses sehr einfache und preiswerte Montageverfahren läßt sich insbesondere in der Serienfertigung gut verwenden, da gute reproduzierbare Ergebnisse mit geringen Ferti­ gungstoleranzen erreicht werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, anstelle der inneren Seite, die äußere Seite der Membran 6 mit der Dämpfungs­ platte zu belegen.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Dämpfungsmaterials an dem Ultraschallwandler der Fig. 2 oder 3 beschrieben. Bei dem bekannten US-Wandler werden zur Beeinflussung der Ausbreitungs- bzw. Empfangs­ keule kreisabschnittsförmige Dämpfungskörper auf der Membraninnen­ seite angeordnet. Diese Dämpfungskörper bedämpfen jedoch die mecha­ nische Schwingung der Schwingmembran, da sie einerseits die schwin­ gende Masse in hohem Maße erhöhen und andererseits die Steifigkeit der Membran verändern. Dadurch wird die Dämpfung des mechanischen Schwingsystems erhöht, wobei die Schwingverteilung auf der Membran verändert wird. Diese Maßnahmen wirken sich auf die Frequenz, die Güte und die Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik des Ultraschall­ wandlers aus. Um eine Optimierung zu erhalten, muß die Form, Größe und Anordnung des Dämpfungskörpers durch entsprechende Versuche er­ mittelt werden.

Eine optimale Wirkungsweise des Dämpfungskörpers ergibt sich, wenn folgende Bedingungen erfüllt werden:

• 1. Er muß die Membranschwingung an den von ihm abgedeckten Bereichen möglichst gut unterbinden. Diese Maßnahme ergibt eine gute Formung der Schallkeule. Das Dämpfungsmaterial muß dazu eine möglichst hohe Dichte haben.
• 2. Das Material des Dämpfungskörpers muß Schallwellen, besonders Wellen mit der Arbeitsfrequenz, möglichst gut absorbieren. Diese Maßnahme ergibt kurzes Nachschwingen des Systems.

Eine besonders hohe Schallabsorption läßt sich in gummiartigen Poly­ meren dann erreichen, wenn das Material kleine Hohlräume enthält.

Schall pflanzt sich in Festkörpern üblicherweise in Form von Longi­ tudinalwellen fort. An den Grenzflächen zum Hohlraum wird die longi­ tudinale Deformation in eine transversale Deformation umgewandelt. Im viskoseelastischen Gummi wird die Energie der Transversalwelle wiederum durch molekulare Relaxation in Wärme übergeführt. Der Schallwelle wird somit Energie entzogen.

Da sich die Forderungen nach möglichst hoher Dichte einerseits und Vorhandensein von Hohlräumen im Material andererseits widersprechen, ist ein Kompromiß zu finden. Durch Versuche an Ultraschall-Wandlern mit Frequenzen zwischen 20 KHz und 50 KHz wurde ermittelt, daß ein Silikonschaum-Material mit einer Dichte zwischen 0,8 g/ml und 1 g/ml und gleichmäßig verteilten, geschlossenen Hohlräumen mit Durchmes­ sern zwischen 0,1 mm und 1 mm am besten geeignet ist. Die stati­ stische Verteilung der Hohlraumgröße bewirkt, daß Schallwellen innerhalb einer großen Bandbreite ihrer Frequenz absorbiert werden. Dies ist von Vorteil, da infolge der kurzzeitigen Sendephase immer auch Schwingungen außerhalb der gewünschten Arbeitsfrequenz angeregt wurden. Das Dämpfungsmaterial trägt dazu bei, diese unerwünschten Schwingungen vorteilhaft zu unterdrücken.

Das Dämpfungsmaterial ist nicht nur zur Dämpfung der Schwingmenbran eines Ultraschall-Schwingers verwendbar. Vielmehr sind Anwendungen auch im hörbaren Bereich vorsehbar, wobei allerdings die Dichte des Materials und die Größe der in ihm verteilten Hohlräume zu berück­ sichtigen sind.

Claims (11)

1. Dämpfungsmaterial mit einem Weichgummi zur Dämpfung von Schwin­ gungen, die vorzugsweise an einem Schwingkörper auftreten, wobei das Dämpfungsmaterial eine vorgegebene Shore-Härte aufweist und wenig­ stens teilweise mit dem Schwingkörper verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) im Innern eine Vielzahl von unregelmäßig verteilten Hohlräumen oder Blasen (2) aufweist und daß die Dämpfungseigenschaften des Schwingkörpers (5) durch die spezi­ fische Dichte und die Größe der Hohlräume oder Blasen (2) des Dämp­ fungsmaterials (1) vorgebbar sind.

2. Dämpfungsmaterial nach Anspruche 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Aufbringen des Dämpfungsmaterials (1) an einen Ultra­ schallschwinger (5) die Nachschwingdauer reduzierbar ist.

3. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) auf vorge­ gebene Bereiche des Schwingkörpers aufgebracht ist.

4. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume oder Blasen (2) durch Aufschäumen eines Silikonkautschuks mittels Zusatz eines Treib­ mittels herstellbar sind.

5. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume oder Blasen (2) durch Einrühren oder Einblasen eines Gases in den Silikon-Kautschuk herstellbar sind.

6. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) in Form von Platten herstellbar ist.

7. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) an wenigstens einer Oberfläche eine Kleb­ schicht (4) aufweist.

8. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebschicht (4) eine doppelseitige Klebefolie aufweist.

9. Dämpfungsmaterial nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonkautschuk in flüssigem Zustand auf den Schwingkörper (5) aufgegossen wird und dort vulkanisiert wird.

10. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) für den Fre­ quenzbereich von ca. 20 bis 50 kHz verwendbar ist, daß das Dämp­ fungsmaterial eine Shore-Härte von ca. 10 bis 40, eine spezifische Dichte von ca. 0,8 bis 1 g/cm³ aufweist und Hohlräume mit einer statistischen Verteilung der Durchmesser von ca. 0,1 bis 1 mm auf­ weist.

11. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel im Ultraschallbe­ reich anwendbar ist.