EP0562326A1 - Luftultraschallwandler - Google Patents

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Publication number
EP0562326A1
EP0562326A1 EP93103482A EP93103482A EP0562326A1 EP 0562326 A1 EP0562326 A1 EP 0562326A1 EP 93103482 A EP93103482 A EP 93103482A EP 93103482 A EP93103482 A EP 93103482A EP 0562326 A1 EP0562326 A1 EP 0562326A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
curvatures
air
curvature
ultrasonic transducer
film
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP93103482A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Nils Dr. Kroemer
Wolfgang Prof. Dr. Manthey
Valentin Dipl.-Phys Magori
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP0562326A1 publication Critical patent/EP0562326A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0688—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction with foil-type piezoelectric elements, e.g. PVDF

Definitions

  • the present invention relates to an air ultrasound transducer, formed from one or more self-supporting foils made of piezoelectric material, in particular polymer material and electrodes for applying an electrical excitation signal, the foil or foils having curvatures.
  • Air-ultrasonic transducers of the type mentioned at the outset are already known from US Pat. Nos. 3,852,580 and 4,088,915 and DD Patent 224,503. Frequently, the transducers are mechanically supported and damped at the same time by a rear foam body (see US Pat. No. 3,852,580, FIGS. 21, 22, 24; DD PS 224 503).
  • the damping which results from the mechanical losses in the polymer material and the rear damping with foam-supported foils, leads to a significantly wider range than is usual with piezoceramic transducers. With the increased damping, however, the formwork performance decreases at the same time. From US Pat. No.
  • 3,852,580 it is also known to construct a sound transducer from a plurality of similar individual elements arranged next to one another in one plane.
  • sound transducers are known in which a multi-curved surface is realized by the corresponding shaping of a single coherent piezopolymer film.
  • the bulges can be arranged in parallel or in the form of concentric rings.
  • the apexes of the curvature lie in one plane in order to achieve a conspicuous sound radiation in the direction of the acoustic transducer axis.
  • Multi-element sound transducers are also known from US Pat. Nos. 4,460,841 and 4,395,652, in which the directional characteristic is to be influenced by appropriate geometric arrangement of the individual elements.
  • the ultrasound transducer consists of a substrate on which a back electrode is placed is arranged, which consists of concentrically arranged annular areas, the center of the radii of the annular areas coinciding with the focal point of the transducer and the radii of the annular areas each differ by a wavelength of the generated sound frequency.
  • a polymer piezoelectric film and a front electrode are then applied to this rear electrode.
  • the aforementioned different dimensioning of the radii of curvature is intended to ensure that the ultrasound waves are amplified at the focal point when the concentric oscillator regions are excited by a phase.
  • the present invention has for its object to provide air ultrasonic transducers that combine a wide bandwidth with high sound power.
  • the invention solves this problem by means of an air-ultrasonic transducer with the features of patent claim 1.
  • self-supporting arranged means that the piezoelectric foils only in the area of their edges or vibration nodes are mechanically supported or supported, but can swing freely in the rest of the area.
  • the individual curvatures of the piezoelectric film or the individual films can be designed and arranged such that, in addition to a wide bandwidth, a desired radiation characteristic is also achieved.
  • the film or films has curvatures with a continuously changing radius of curvature.
  • the film or films has curvatures arranged parallel or concentrically to one another with different radii of curvature.
  • the air-ultrasonic transducer according to the invention can either consist of a single film with a plurality of curvatures, webs being arranged at the boundaries of adjacent curvatures which define vibration node lines there, or also consist of a plurality of films provided with different curvatures.
  • an ultrasonic transducer consists of a piezoelectric polymer film 1, a base body 5 for holding the polymer film 1, on which the polymer film 1 is clamped, and webs 2 for supporting the polymer film 1.
  • the webs 2 arranged so that they do not run parallel to one another and to the edge clamping 3, as a result of which the curvature radius of the piezoelectric film 1 changes continuously in the axial direction for each partial curvature.
  • Each piezoelectric polymer film 1 consists of a suitable polymer material, for example polyvinylidene fluoride, and metallic electrodes made of nickel-copper or gold on both sides for applying an excitation signal FIG.
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a partial element of an air ultrasonic transducer according to the invention.
  • An air-ultrasound transducer is constructed from a stack of several such elements, the radii of curvature of the individual elements being dimensioned differently in order to achieve a desired broad band.
  • the stacked individual elements can be electrically connected in parallel or arranged electrically insulated from one another. There is thus the possibility, for example, of sending and receiving both with parallel connection of all individual elements, as well as with different elements for sending and receiving.
  • FIGS. 4 and 5 each have a coherent piezo film, in which the connecting line of the apex of the curvatures does not lie in one plane, but rather has a convex curvature as in FIG. 4 or a concave curvature as in FIG. 5 having.
  • This arrangement has an additional influence on the directional characteristic.
  • the sound signal is focused on a point in the direction of the acoustic transducer axis, while with a convex curvature the acoustic opening angle in the plane perpendicular to the axes of the individual arches is enlarged compared to a transducer in which the vertices of the arches lie on a straight line.
  • Figures 6 and 7 show the top view and the side view of a ring-shaped sound transducer, the curvatures of the piezopolymer film 1 being formed as circular segments delimited by the webs 2 and the edge clamping 3, so that the curvature radius of the piezopolymer film 1 continuously increases with increasing distance from the geometric center of the transducer grows.
  • the sections of the maximum transducer sensitivity also shift towards the outside as the frequency decreases.
  • the ratio of the apparent transducer diameter to the sound wavelength in the surrounding medium therefore remains approximately constant. This causes an opening angle that is independent of the frequency.
  • the curvatures can also be arranged at an angle to the direction of radiation. In the case shown, the angles of all apex lines with respect to the main emission direction are of the same size and less than 90 °. In this way, the sound signal is focused on a predetermined point in the main beam direction.
  • a large bandwidth of the transducer results from the superposition of the sound pressure amplitudes of geometrically different individual elements with different band center frequencies.
  • the radiation characteristic of the transducer can be adjusted over a wide range by varying the geometrical position of the individual curvatures with respect to one another. A wide range is a prerequisite for the effective use of digital signal processing methods for ultrasonic signals for acoustic object identification.

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Abstract

Luftultraschallwandler aus einer oder mehreren freitragend angeordneten Folien aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polymermaterial, wobei die Folie bzw. Folien Wölbungen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweist. <IMAGE>

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftultraschallwandler, gebildet aus einer oder mehreren freitragend angeordneten Folien aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polymermaterial und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Anregungssignals, wobei die Folie bzw. Folien Wölbungen aufweisen.
  • Luftultraschallwandler der eingangs genannten Art sind aus den US-Patentschriften 3 852 580 und 4 088 915 sowie der DD-Patentschrift 224 503 bereits bekannt. Häufig werden die Wandler dabei durch einen rückwärtigen Schaumstoffkörper mechanisch unterstützt und zugleich bedämpft (siehe US-PS 3 852 580, Figur 21, 22, 24; DD-PS 224 503). Die Dämpfung, die aus den mechanischen Verlusten in dem Polymermaterial und der rückwärtigen Dämpfung bei schaumstoffunterstützten Folien resultiert, führt zu einer deutlich größeren Bandbreite als dies bei piezokeramischen Schwingern üblich ist. Mit der erhöhten Dämpfung nimmt jedoch gleichzeitig die schalleistung ab. Aus der US-Patentschrift 3 852 580 ist es auch bekannt, einen Schallwandler aus mehreren gleichartigen nebeneinander in einer Ebene angeordneten Einzelelementen aufzubauen. Weiterhin sind Schallwandler bekannt, bei denen eine mehrfach gewölbte Oberfläche durch die entsprechende Formgebung einer einzigen zusammenhängenden Piezopolymerfolie realisiert wird. Nach der DDR-Patentschrift 224 503 können die Wölbungen parallel oder in Form konzentrischer Ringe angeordnet sein. Die Scheitelpunkte der Wölbung liegen in einer Ebene, um in Richtung der akustischen Wandlerachse eine konphase Schallabstrahlung zu erreichen.
  • Aus den US-Patentschriften 4 460 841 und 4 395 652 sind auch Mehrelementschallwandler bekannt, bei denen durch entsprechende geometrische Anordnung der Einzelelemente die Richtcharakteristik beeinflußt werden soll. Gemäß einer Ausführungsform nach der US-Patentschrift 4 395 652 (Figur 5) besteht der Ultraschallwandler aus einem Substrat, auf dem eine Rückelektrode angeordnet ist, die aus konzentrisch angeordneten ringförmigen Bereichen besteht, wobei der Mittelpunkt der Radien der ringförmigen Bereiche mit dem Brennpunkt des Wandlers zusammenfällt und wobei die Radien der ringförmigen Bereiche sich jeweils um eine Wellenlänge der erzeugten Schallfrequenz unterscheiden. Auf dieser Rückelektrode ist dann ein polymerer piezoelektrischer Film aufgebracht sowie eine Frontelektrode. Die genannte unterschiedliche Bemessung der Krümmungsradien soll dazu dienen, daß bei konphaser Anregung der konzentrischen Schwingerbereiche eine Verstärkung der Ultraschallwellen im Brennpunkt stattfindet.
  • Für komplexe Meßaufgaben im Bereich der Ultraschallsensorik, wie beispielsweise die schallbasierte Objektidentifikation und die akustische Bildverarbeitung sind Luftultraschallwandler mit großer Bandbreite und variabel gestaltbarer Richtcharakteristik erwünscht. Der eingangs beschriebenen bekannten Piezopolymerfolienwandler weisen zwar eine relativ große Bandbreite auf, diese ergibt sich jedoch durch die hohe mechanische Dämpfung aus den mechanischen Verlusten in dem Polymermaterial oder der rückwärtigen Dämfpung bei schaumstoffunterstützten Folien. Die für die Erhöhung der Dämpfung erforderliche Schaumstoffunterstützung schränkt außerdem den Anwendungsbereich der Piezopolymerfolienwandler in erheblichem Maße ein. Bei hoher Luftfeuchtigkeit bzw. Einwirkung von Spritzwasser können die für Piezofolienwandler bekannten geeigneten Dämpfungsmaterialien Feuchtigkeit aufnehmen, woraus eine unerwünschte, oft nicht erfaßbare Beeinflussung der Wandlerparameter und der resultierenden Schalldruckamplitude resultiert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Luftultraschallwandler anzugeben, die eine große Bandbreite mit großer Schalleistung vereinen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Luftultraschallwandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Angabe "freitragend angeordnet" bedeutet hierbei, daß die piezoelektrischen Folien nur im Bereich ihrer Ränder bzw. Schwingungsknoten mechanisch gehaltert oder unterstutzt sind, im übrigen Bereich aber frei schwingen können.
  • Die einzelnen Wölbungen der piezoelektrischen Folie bzw. die einzelnen Folien können so ausgebildet und angeordnet sein, daß neben einer großen Bandbreite auch eine gewünschte Abstrahlcharakteristik erzielt wird.
  • Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Folie bzw. die Folien Wölbungen mit sich kontinuierlich änderndem Krümmungsradius auf.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Folie bzw. Folien parallel oder konzentrisch zueinander angeordnete Wölbungen auf mit unterschiedlichen Krümmungsradien.
  • Der erfindungsgemäße Luftultraschallwandler kann entweder aus einer einzigen Folie mit mehreren Wölbungen bestehen, wobei an den Grenzen benachbarter Wölbungen Stege angeordnet sind, die dort Schwingungsknotenlinien definieren, oder auch aus mehreren unterschiedlichen Wölbungen versehenen Folien bestehen.
  • Ausführungsformen der Erfindungen sind im folgenden anhand der Figuren beschrieben.
    • Die Figuren 1 und 2
    zeigen Seitenansicht und Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
    Figur 3
    zeigt den Querschnitt eines Einzelelements für einen Wandler, der aus einem Stapel mehrerer solcher Elemente aufgebaut ist gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
    Figur 4
    zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
    Figur 5
    zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.
    Figur 6 und 7
    zeigen Draufsicht und Seitenansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
  • Gemäß Figur 1 und 2 besteht ein Ultraschallwandler aus einer piezoelektrischen Polymerfolie 1, einem zur Halterung der Polymerfolie 1 dienenden Grundkörper 5, an dem die Polymerfolie 1 eingespannt ist, sowie Stegen 2 zur Unterstützung der Polymerfolie 1. Wie Figur 2 zeigt, sind die Stege 2 so angeordnet, daß sie untereinander und zur Randeinspannung 3 nicht parallel verlaufen, wodurch sich der Wölbungsradius der piezoelektrischen Folie 1 für jede Teilwölbung in axialer Richtung kontinuierlich verändert. Jede piezoelektrische Polymerfolie 1 besteht aus einem geeigneten Polymermaterials, z.B. Polyvinylidenfluorid sowie auf beiden Seiten angebrachten metallischen Elektroden aus Nickel-Kupfer oder Gold zur Anlegung eines Anregungssignals
    Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Teilelementes eines erfindungsgemäßen Luftultraschallwandlers. Ein Luftultraschallwandler ist aus einem Stapel mehrerer solcher Elemente aufgebaut, wobei die Krümmungsradien der Einzelelemente zur Erzielung einer gewünschten Breitbandigkeit unterschiedlich bemessen sind. Die übereinandergestapelten Einzelelemente können elektrisch parallel geschaltet oder gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein. Es besteht somit die Möglichkeit, beispielsweise Senden und Empfangen sowohl bei Parallelschaltung aller Einzelelemente vorzunehmen, als auch mit verschiedenen Elementen für Senden und Empfangen.
  • Die in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung weisen jeweils jeweils eine zusammenhänge Piezofolie auf, bei denen die Verbindungslinie der Scheitelpunkt der Wölbungen nicht in einer Ebene liegt, sondern wie in Figur 4 eine konvexe Wölbung aufweist oder wie in Figur 5 eine konkave Wölbung aufweist. Durch diese Anordnung wird eine zusätzliche Beeinflussung der Richtcharakteristik erreicht. Bei konkaver Krümmung wird das Schallsignal auf einen Punkt in Richtung der akustischen Wandlerachse fokussiert, während bei konvexer Krümmung der akustische Öffnungswinkel in der Ebene senkrecht zu den Achsen der Einzelwölbungen vergrößert wird, im Vergleich zu einem Wandler, bei dem die Scheitelpunkte der Wölbungen auf einer Geraden liegen.
  • Figuren 6 und 7 zeigen die Draufsicht und die Seitenansicht eines ringförmigen Schallwandlers, wobei die Wölbungen der Piezopolymerfolie 1 als von den Stegen 2 und der Randeinspannung 3 begrenzte Kreissegmente ausgebildet sind, so daß der Wölbungsradius der Piezopolymerfolie 1 mit zunehmendem Abstand vom geometrischen Mittelpunkt des Wandlers kontinuierlich wächst. Da der Wölbungsradius nach außen hin kontinuierlich größer wird, schieben sich die Abschnitte der maximalen Wandlerempfindlichkeit mit kleiner werdender Frequenz ebenso nach außen. Das Verhältnis des scheinbaren Wandlerdurchmessers zur Schallwellenlänge im Umgebungsmedium bleibt daher näherungsweise konstant. Dies bewirkt einen von der Frequenz unabhängigen Öffnungswinkel. Zur Fokussierung oder zur Vergrößerung des Öffnungswinkels können die Wölbungen auch schräg gegenüber der Abstrahlrichtung angeordnet werden. Im dargestellten Fall sind die Winkel aller Scheitellinien gegenüber der Hauptabstrahlrichtung gleich groß und kleiner als 90°. Auf diese Weise wird das Schallsignal auf einen vorgegebenen Punkt in der Hauptstrahlrichtung fokussiert.
  • Aus der Überlagerung der Schalldruckamplituden geometrisch verschiedener Einzelelemente mit unterschiedlichen Bandmittenfrequenzen resultiert eine große Bandbreite des Wandlers. Durch Variation der geometrischen Lage der Einzelwölbungen zueinander ist die Abstrahlcharakteristik des Wandlers in weiten Bereichen einstellbar. Ein große Bandbreite ist Voraussetzung für die effektive Anwendung von Verfahren der digitalen Signalverarbeitung von Ultraschallsignalen zur akustischen Objektidentifikation.

Claims (6)

  1. Luftultraschallwandler gebildet aus einer oder mehreren freitragend angeordneten Folien aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polymermaterial, und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Anregungssignals, wobei die Folie bzw. Folien einseitige Wölbungen aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien Wölbungen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweist.
  2. Luftultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien Wölbungen mit sich kontinuierlich änderndem Krümmungsradius aufweisen (Figur 2, 6, 7).
  3. Luftultraschallwandler nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien nebeneinander, insbesondere parallel zueinander oder konzentrisch zueinander angeordnete Wölbungen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen (Figur 3, 4, 5).
  4. Luftultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einer einzigen Folie mit mehreren Wölbungen besteht, wobei an den Grenzen benachbarter Wölbungen Stege angeordnet sind, die dort Schwingungsknotenlinien definieren (Figur 1, 2, 4, 5, 6, 7).
  5. Luftultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus mehreren Folien besteht (Figur 3).
  6. Luftultraschallwandler nach Anspruch 2,
    gekennzeichnet durch eine ringförmige Ausbildung des Wandlers, wobei die Wölbungen als Kreissegmente ausgebildet sind, so daß der Krümmungsradius nach außen kontinuierlich größer wird (Figur 6, 7).
EP93103482A 1992-03-23 1993-03-04 Luftultraschallwandler Withdrawn EP0562326A1 (de)

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