DE4140040A1 - Ultraschall-daempfungsmaterial - Google Patents
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Description
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.
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.
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.
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.
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8141 | Disposal/no request for examination |