EP1169143B1 - Impuls-ultraschallwandler mit einem elementarblock aus piezoelektischem material - Google Patents
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- B06B1/0644—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 using a single piezoelectric element
Definitions
- the invention relates to a pulse transducer in the ultrasonic range. Such converters are needed in many areas of technology where short pulses are necessary.
- the first priority is defectoscopy, which is what the Sonography in the medical field.
- Transducers also have relatively good pulse shapes and good repeatability lenticular elementary blocks, however, they produce only weak signals and are considerably less sensitive compared to classic converters. The same disadvantages have also been found on converters, which are caused by special Electrode design or inhomogeneous polarization of the piezo element capable are to deliver relatively short signals.
- the object underlying the invention is a sound transducer to create for the ultrasound range. that sends out strong and short impulses has a high sensitivity and repeatability of the parameters series production guaranteed.
- the object is achieved according to the invention the features of the pulse transducer contained in the characterizing part of claim 1 solved.
- the T-shaped block in longitudinal section, with the column, cone or pyramid shape round, oval or polygonal cross-section is dimensioned so that the shaft is damped and moves into the interior of the column in order to prevent it from reflecting on the free column wall and as an after-vibration comes out, which worsens the pulse quality. So it can further damping means are dispensed with.
- the manufacture as Bulk items due to the elimination of additional damping agents and adhesive connections much easier.
- the molding is essential for the invention of a covenant to the unit cell formation block.
- Figure 1 shows the unit cell 1 in a perspective view. This exists from block 2 and the collar 3 formed on it. The collar protrudes above the Block out.
- the unit cell 1 is in cross section Triangular shape, but it can also have any other shape. she can be round, oval or polygonal, and pointed towards the top as a cone or pyramid run.
- One electrode 4 is on the straight exit surface of the pulse arranged, while the other electrode 5 laterally along the block 2nd extends. It is not necessary for the electrode 5 to be around the whole block walks around and not that the bottom electrode covers the entire bottom surface covered.
- the thickness of the covenant is a, the height of the block is b, the width of the block marked with c and the total height of unit cell 1 with h.
- the active one The unit cell area is in the lower part of the block and inside of the federal government. As already mentioned, the proportions of the unit cell are important. It has been shown that the thickness of the federal government in relation to the Height of the block of piezoelectric material to the total height, i.e. a / b / h im Keep ratio 1 / 4-6 / 10 for best results. optimal Results means that strong and short impulses are sent out and the Transducers have a high sensitivity. In Figure 2 is that with the invention Sound transducer reached pulse curve shown
- the T-shape of unit cell 1 according to the invention is of very great importance, since it allows the electric field between the electrodes within the Unit cell is closed.
- the image of the electric field is in of the unit cell. As can be seen from this, this only runs within the converter's unit cell. This shape also enables volume oscillation and all up s.
- Fig. 1 directed waves, so against the impulse exit surface, propagating waves dampen so that they can no longer be reflected at the upper end of the unit cell.
- the proportions of the unit cell are of great importance.
- the ratio of the individual parts of the unit cell has already been specified Service.
- the height of the cell h should be at least 10 times greater than the height of the To be federal a.
- Such a converter produces Pulses that are 10 ns long and have a bandwidth of 4-35 as a receiver MHz.
- the ultrasonic wave that goes up in the drawing, totally subdued.
- the complete one Transducer does not have to be thicker than 2 mm. It is even possible to make it significant to make it thinner if the unit cell is designed to face up forms a peak which is sufficient for the wave going in this direction ahead of time attenuates.
- the component in the selected proportions of the electric field that go to the base of unit cell 1, i.e. the Crossbar of the T is parallel, comparable to the component perpendicular to it.
- the properties of the transducer according to the invention are only by Properties of the selected piezoelectric material and the precision of the Shape of the unit cell determined, d. H. in other words, the invention Transducers can be manufactured with very good repeatability.
- converter This type can contain one or more unit cells that are connected to each other can be connected.
- the converter according to the invention is capable of very short and very strong pulses to produce that cannot be achieved with other converter designs.
- the amplitude of the pulses produced is at least twice that of the classic converters. Its sensitivity is with the classic constructions comparable.
- the converter according to the invention can be used with considerably lower ones Produce costs and use them wherever classic types of converter can be used.
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsschallwandler im Ultraschallbereich.
Solche Wandler werden auf vielen Gebieten der Technik benötigt, wo kurze Impulse
notwendig sind. An erster Stelle steht dabei die Defektoskopie, woran sich die
Sonographie im medizinischen Bereich anschließt.
Die klassische Konstruktion eines solchen Wandlers besteht aus einer planparallelen
Platte aus piezoelektrischem Material, die an den beiden flachen Ober- und
Unterseiten Elektroden aufweist, wobei die Platte senkrecht zu den mit Elektroden
belegten Seiten polarisiert ist. Diese Platte ist auf einen Block aufgeklebt, der die
Ultraschallwelle dampft und akustische Impedanz hat, die an die Piezoplatte angepaßt
ist. An der Austrittsseite sind sogenannte Anpassungsschichten vorgesehen,
die eine reflexionsfreie Schallübertragung und im Impulsbetrieb sehr kurze Impulse
erzielen lassen. Wandler dieser Art gehören zum bekannten Stand der Technik, und
eine gute Erörterung darüber und der dabei auftretenden Probleme finden sich z. B.
in den Büchern von M. G. Silk, Ultrasonic Transducers for Nondestructive Testing,
Adam Hilger 1984und J.und H. Krautkrämer, Werkstoffprüfung mit Ultraschall,
Springer-Verlag 1986. Wandler der bekannten Bauart verlangen eine aufwendige
und damit kostspielige Technologie, falls sie wirklich gute Impulse generieren
sollen. Ferner sind die bekannten Wandler relativ dick (mindestens 5 mm) und es
ist so gut wie unmöglich, sie für Frequenzen zu fertigen, die größer als 30 MHz
sind. Auch werden bei Impulsanregung nur relativ lange Pulse erzeugt, die sich
nachteilig auf die Messungen auswirken. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass
sie sich nicht für automatische Massenfertigungen eignen und auch ihre Parameter
nicht in einem engen Toleranzbereich gehalten werden können.
Relativ gute Impulsformen und auch gute Wiederholbarkeit besitzen Wandler mit
linsenförmigen Elementarblöcken, jedoch produzieren sie nur schwache Signale
und sind im Vergleich zu den klassischen Wandlern erheblich weniger empfindlich.
Die gleichen Nachteile wurden auch an Wandlern festgestellt, die durch spezielle
Elektrodengestaltung oder inhomogene Polarisation des Piezoelements in der Lage
sind, relativ kurze Signale zu liefern.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Schallwandler
für den Ultraschallbereich zu schaffen. der starke und kurze Impulse aussendet,
eine große Empfindlichkeit aufweist und eine Wiederholbarkeit der Parameter bei
der Serienherstellung garantiert. Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale des Impulsschallwandlers
gelöst.
Der im Längsschnitt T-förmige Block, der Säulen-, Kegel- oder Pyramidenform mit
rundem, ovalem oder mehreckigem Querschnitt haben kann, ist so bemessen, dass
eine Dämpfung der Welle erfolgt, die sich ins Innere der Säule bewegt, um zu
verhindern, dass sie an der freien Säulenwand reflektiert und als eine Nachschwingung
nach außen tritt, die die Impulsqualität verschlechtert. Es kann somit
auf weitere Dämpfungsmittel verzichtet werden. Außerdem wird die Herstellung als
Massenartikel durch den Wegfall von zusätzlichen Dämpfungsmitteln und Klebeverbindungen
wesentlich erleichtert. Essentiell für die Erfindung ist die Anformung
eines Bundes an den Block zur Bildung der Elementarzelle. Diese Formgebung, die
gewählten Proportionen sowie die Anordnung der Elektroden, die an der Austrittsfläche
und um den Block herum oberhalb des Bundes angeordnet sind, sind ausschlaggebend
für die Grundschwingung, die dadurch dreidimensional gestaltet ist
Es ist auch wichtig, dass infolge der erfindungsgemäßen Konstruktion der Elementarzelle
sich das elektrische Feld innerhalb der Elementarzelle schließt und somit
ein starker Impuls nach außen gesendet werden kann. Die Grundpolarisationsrichtung
des Piezomaterials soll senkrecht zu der Fußfläche, also der Austrittsfläche
des Impulses der T-förmigen Elementarzelle verlaufen.
Es wurde festgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn die folgenden Abmessungsverhältnisse
eingehalten werden, nämlich a/b/h = 1 / 4-6 / 10, wobei a die
Dicke des Bundes, b der Durchmesser des Blocks bzw. dessen Breite und h die
Höhe der Elementarzelle ist. Die Größenverhältnisse der schallerzeugenden Elemente,
hier der Elementarzelle, sind bei allen schallwellenerzeugenden Konstruktionen
von ganz besonderer Bedeutung, wie Beispiele aus der Musikwelt zeigen. So
erzeugen die Violine, die Bratsche, das Cello und der Kontrabaß aufgrund ihrer unterschiedlichen
Größenverhältnisse unterschiedliche Tonhöhen und -tiefen.
Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass eine zusätzliche radiale Polarisierung durch
Anlegen einer hohen Spannung die Stärke des Impulses verbessert. Höchstwahrscheinlich
wirkt sich diese Polarisierung durch die Ausnutzung der zusätzlichen
Piezoeffekte vorteilhaft aus.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen
erläutert. Dabei zeigen:
- Fig. 1
- eine perspektivische Darstellung der Elementarzelle,
- Fig. 2
- den Verlauf des Impulses,
- Fig. 3
- das elektrische Feld innerhalb der Elementarzelle.
Figur 1 zeigt die Elementarzelle 1 in perspektivischer Darstellung. Diese besteht
aus dem Block 2 und dem daran angeformten Bund 3. Der Bund ragt über den
Block heraus. In der gezeigten Darstellung ist die Elementarzelle 1 im Querschnitt
drei-eckförmig gehalten, sie kann aber auch jede andere Form besitzen. Sie kann
rund, oval oder mehreckig sein, sowie nach obenhin spitz als Kegel oder Pyramide
zulaufen. Die eine Elektrode 4 ist an der geraden Austrittsfläche des Impulses
angeordnet, während die andere Elektrode 5 sich seitlich entlang dem Block 2
erstreckt. Es ist nicht erforderlich, dass die Elektrode 5 um den ganzen Block
herumläuft und auch nicht, dass die untere Elektrode die gesamte untere Fläche
bedeckt.
Die Dicke des Bundes ist mit a, die Höhe des Blocks mit b, die Breite des Blocks
mit c und die Gesamthöhe der Elementarzelle 1 mit h gekennzeichnet. Der aktive
Bereich der Elementarzelle befindet sich im unteren Teil des Blocks und innerhalb
des Bundes. Wie schon erwähnt, sind die Proportionen der Elementarzelle von Bedeutung.
Es hat sich dabei gezeigt, dass die Dicke des Bundes im Verhältnis zu der
Höhe des Blocks aus piezoelektrischem Material zu der Gesamthöhe, also a/b/h im
Verhältnis 1 / 4-6 / 10 zu halten ist, um optimale Ergebnisse zu erzeugen. Optimale
Ergebnisse heißt, dass starke und kurze Impulse ausgesendet werden und die
Wandler eine große Empfindlichkeit aufweisen. In Figur 2 ist die mit dem erfindungsgemäßen
Schallwandler erreichte Impulskurve dargestellt
Die erfindungsgemäße T-Form der Elementarzelle 1 ist von sehr großer Bedeutung,
da sie ermöglicht, dass das elektrische Feld zwischen den Elektroden innerhalb der
Elementarzelle geschlossen wird. In Figur 3 ist das Bild des elektrischen Feldes in
der Elementarzelle wiedergegeben. Wie daraus ersichtlich, verläuft dieses nur innerhalb
der Elementarzelle des Wandlers. Diese Form ermöglicht außerdem eine Volumenschwingung
und dazu noch alle nach oben s. Fig. 1 gerichteten Wellen, also
entgegen der Impulsaustrittsfläche sich fortpflanzenden Wellen so dämpft, dass sie
nicht mehr an dem oberen Ende der Elementarzelle reflektiert werden können.
Von großer Bedeutung sind - wie schon ausgeführt - die Proportionen der Elementarzelle.
Das Verhältnis der einzelnen Teile der Elementarzelle ist bereits angegeben
worden. Die Höhe der Zelle h soll mindestens 10 mal größer als die der Höhe des
Bundes a sein. Die tatsächlichen Abmessungen können beispielsweise folgende
Werte haben: a = 0,2 mm, b = 1 mm und h = 2 mm. Ein solcher Wandler produziert
Impulse, die 10 ns lang sind und hat als Empfänger eine Bandbreite von 4 -35
MHz.
Bei dem erfindungsgemäßen Wandler mit den genannten Proportionen wird die Ultraschallwelle,
die in der Zeichnung noch oben geht, total gedämpft. Der komplette
Wandler muß nicht dicker als 2 mm sein. Es ist sogar möglich, ihn bedeutend
dünner zu machen, wenn die Elementarzelle so konstruiert ist, dass sie nach oben
eine Spitze bildet, die die in diese Richtung gehende Welle vorzeitig ausreichend
dämpft.
Von Bedeutung ist es auch, dass bei den gewählten Größenverhältnissen die Komponente
des elektrischen Feldes, die zu dem Fuß der Elementarzelle 1, also den
Querbalken des T parallel, vergleichbar mit der dazu senkrechten Komponente ist.
Infolge dieser Tatsache spielen alle Piezokoeffizienten des Piezomaterials eine im wesentlichen
gleichbedeutende Rolle. Es kommt zu einer Volumenschwingung des
aktiven Bereichs der Elementarzelle, die durch ihre Form und gezielte Anbringung
der Elektroden sowie nachträgliche Polarisierung in der radialen Richtung gestalbar
ist. Die nachträgliche Polarisierung erfolgt nach Fertigstellung des Wandlers bzw.
der Elementarzelle durch Anlegen einer relativ hohen Spannung an seine Elektroden.
Diese Schwingungsart ermöglich offensichtlich eine bessere Nutzung des
Piezoeffektes und beeinflusst auch die Dämpfung der nach hinten gehenden Welle.
Die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wandlers werden dabei nur durch die
Eigenschaften des gewählten piezoelektrischen Materials und die Präzision der
Formgebung der Elementarzelle bestimmt, d. h. mit anderen Worten, der erfindungsgemäße
Wandler lässt sich mit sehr guter Wiederholbarkeit herstellen. Wandler
diesen Typs können eine oder mehrere Elementarzellen enthalten, die miteinander
verbunden werden können.
Der erfindungsgemäße Wandler ist in der Lage sehr kurze und sehr starke Impulse
zu produzieren, die mit anderen Wandlerkonstruktionen nicht erreichbar sind. Die
Amplitude der produzierten Impulse ist mindestens zweimal größer als bei den
klassischen Wandlern. Seine Empfindlichkeit ist mit den klassischen Konstruktionen
vergleichbar. Der erfindungsgemäße Wandler lässt sich aber mit erheblich niedrigeren
Kosten herstellen und überall dort einsetzen, wo auch klassische Wandlertypen
verwendet werden können.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dem erfindungsgemäßen Wandler im
Vergleich zu anderen nicht klassischen Konstruktionen eine erhebliche Steigerung
der Effektivität erreicht werden kann, da keine Verluste des elektrischen Feldes
nach außenhin auftreten und alle unerwünschten Schallwellen einer fast vollständigen
Dämpfung unterworfen werden, ohne dass dazu eine große Keramikdicke
oder andere Dämpfungskörper benutzt werden müssten. Im Vergleich zu den klassischen
Konstruktionen ist die Impulslänge kürzer und die Amplitude größer. Keine
der bekannten Konstruktionen ist leichter zu fertigen.
Claims (5)
- Impulsschallwandler für den Ultraschallbereich zum Einsatz sowohl als Sender wie auch als Empfänger mit einem Elementarblock (2) aus piezoelektrischem Material
dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (h) des aus piezoelektrischem Material bestehenden Elementarblocks (2) des Wandlers größer ist als dessen Breite (b) und der Block (2) am Austrittsende der Impulse einen angeformten Bund (3) derart aufweist, dass eine ebene Austrittsfläche für die Schallwelle gebildet ist und im Längsschnitt eine T-Form entsteht, wobei die Grundpolarisation senkrecht zur Austrittsfläche verläuft und die eine Elektrode (4) auf der Auftrittsfläche vorgesehen ist, während die andere (5) oberhalb des Bundes (3) an dem Block (2) verläuft. - Impulsschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Block (2) als runde oder mehreckige Säule, Kegel oder Pyramide ausgebildet und der Bund (3) entsprechend angepasst ist. - Impulsschallwandler nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass die Proportion der Elementarzelle wie folgt gewählt ist: a/b/h = 1 / 4-6/10, wobei a die Dicke des Bundes (3) ist, b der Durchmesser oder die Breite des Blocks (2) und h die Höhe der gesamten Zelle (1). - Impulsschallwandler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzelle (1) nach der Formgebung einer zusätzlichen radialen Polarisierung durch Anlegen einer hohen Spannung ausgesetzt wird. - Impulsschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler aus mehreren Elementarzellen (1) zusammengesetzt ist, wobei den Zellen um die Säulen oder dgl. Längliche Gebilde Elektroden zugeordnet sind, jedoch die Gesamtheit der Zellen eine Elektrode an der Gesamtaustrittsfläche der Pulse aufweisen.
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