DE19612013A1

DE19612013A1 - Piezoelektrischer Breitbandwandler

Info

Publication number: DE19612013A1
Application number: DE1996112013
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Phys Haenel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-03-15
Filing date: 1996-03-15
Publication date: 1997-09-18

Description

Es ist bekannt, daß für das Messen von Körperschall piezoelektrische Wand ler Verwendung finden. Es sind hierbei Resonanzaufnehmer und Breitband wandler zu unterscheiden.

Zylinderförmige und plattenförmige piezoelektrische Elemente wandeln me chanische Schwingungen in elektrische Schwingungen um, die als elektrische Spannung am Wandler abgegriffen werden können. Abhängig von ihren geometrischen Abmessungen reagieren sie auf mechanische Schwingungen bestimmter Frequenzen mit besonders starken elektrischen Schwingungen. Diese Frequenzen werden als Resonanzfrequenzen bezeichnet. Die Dicke des Elements bestimmt die Resonanzfrequenz der sogenannten Dicken schwingungen, der Durchmesser oder die Seitenlänge bestimmt die Reso nanzfrequenz bei radialen oder planaren Schwingungen. Neben den Grund resonanzen treten auch höherfrequente Oberschwingungen auf. Abhängig von der Bedämpfung ist die Empfindlichkeit der Elemente an den Resonanz stellen um ein Vielfaches höher als bei den übrigen Frequenzen.

Resonanzaufnehmer arbeiten im Bereich einer Resonanzfrequenz mit hoher Empfindlichkeit aber nur in einem schmalen Frequenzbereich.

Breitbandwandler nutzen den Effekt, daß bei hoher Bedämpfung die Breite des Frequenzbereichs, in dem der Wandler empfindlich ist, vergrößert wer den kann. Dies geht aber mit einem Verlust der Empfindlichkeit einher. Eine andere Möglichkeit besteht darin, in einem Frequenzbereich weit ab von Re sonanzfrequenzen zu arbeiten. Aber auch hier geht die verbesserte Breit bandigkeit auf Kosten stark verminderter Empfindlichkeit.

Um Störungen der oft nur geringen erzeugten Spannungen zu vermeiden, wird bei Breitbandwandlern häufig ein in den Wandler integrierter Vorverstär ker verwendet. Das piezoelektrische Wandlerelement ist oft auf einer Kon taktplatte angebracht, die den Kontakt zwischen dem Wandler und dem zu untersuchenden Objekt herstellt. Zur gezielten, nahezu punktförmigen, An kopplung an das Meßobjekt befindet sich auf der Unterseite der Kontaktplatte in der Mitte für gewöhnlich eine konische oder sphärische Auswölbung.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrun de, daß die physikalischen Eigenschaften piezoelektrischer Wandlerelemente ein breitbandiges Übertragungsverhalten mit einer gleichmäßig hohen Emp findlichkeit, wie sie an den Resonanzstellen auftritt, ausschließen. Dies hat zur Folge, daß Schallwellen mit einer Frequenz, bei welcher der verwendete Wandler nur eine geringe Empfindlichkeit besitzt, im Wandler Schwingungen einer Resonanzfrequenz anregen können, die von der Frequenz der Schall welle mitunter sehr verschieden sein kann. Dies geschieht häufig bei transien ten Signalen, die Gegenstand der Schallemissionsanalyse sind. Die Frequenz der Schallwelle wird in diesem Fall falsch bestimmt.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkma le vermindert.

Die Lösung besteht darin, mehrere Wandlerelemente zu verwenden. Eine Schallwelle, die über die konische oder sphärische Ausbuchtung eine nahezu von einem Punkt ausgehende Welle in der Kontaktplatte erzeugt, breitet sich deshalb kreisförmig über die Kontaktplatte aus und erreicht die einzelnen Wandlerelemente, da diese konzentrisch um die Plattenmitte angeordnet sind, gleichzeitig. Die Abmessungen der Wandlerelemente sind derart ge wählt, daß jede eine andere Resonanzfrequenz besitzt. Die Überlagerung der Frequenzgänge der einzelnen Wandlerelemente ergibt dann zusammen eine Breitbandigkeit mit hoher Empfindlichkeit. Die Dimensionierung der einzelnen Elemente hängt weiterhin von der Breite der Resonanzpeaks der einzelnen Elemente ab. Durch die konzentrische Anordnung ist gewährleistet, daß die einzelnen erzeugten Spannungen aufgrund gleicher Signallaufzeiten keine Phasenverschiebungen aufweisen. Die erzeugten Spannungen werden in ei nem geeigneten integrierten Vorverstärker addiert und verstärkt. Als Ergebnis besitzt der beschriebene Wandler gegenüber bekannten Verfahren eine grundsätzlich verbesserte Breitbandigkeit zusammen mit der hohen Empfind lichkeit, die piezoelektrische Wandlerelemente im Bereich der Resonanzfre quenz besitzen. Die Resonanzfrequenzen werden auf folgende Weise be rechnet.

Die Grundresonanzfrequenz f_d der Dickenresonanz zylindrischer piezoelektri scher Wandlerelemente ist umgekehrt proportional zu deren Dicke d. Mit der materialabhängigen Frequenzkonstanten N_d ergibt sich der Zusammenhang f_d = N_d/d.

Die Grundresonanzfrequenz f_p der Radialresonanz zylindrischer piezoelektri scher Wandlerelemente ist umgekehrt proportional zu deren Durchmesser d. Mit der materialabhängigen Frequenzkonstanten N_p ergibt sich der Zusam menhang f_p = N_p/d.

Die geometrischen Abmessungen und die Anzahl der Wandlerelemente wer den nach den Anforderungen bezüglich des benötigten Frequenzbereichs gewählt.

Die Erfindung ist in der Schallmeßtechnik gewerblich anwendbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Zeichnung zeigt

1. Zuleitungen zu den Eingängen des Vorverstärkers
2. Gedachter Kreis, auf dem die Mittelpunkte der Wandlerelemente liegen
3. Wandlerelement mit dem Durchmesser 6 mm
4. Wandlerelement mit dem Durchmesser 7 mm
5. Kontaktplatte
6. Wandlerelement mit dem Durchmesser 5,5 mm
7. Wandlerelement mit dem Durchmesser 6,5 mm
8. Sphärische Auswölbung in der Mitte der Unterseite der Kontaktplatte.

Die Anzahl der verwendeten Wandlerelemente sowie die geometrischen Ab messungen hängen von den speziellen Anforderungen ab. Hier wird als Bei spiel ein Wandler mit 4 Wandlerelementen beschrieben, deren Radialschwin gungen ausgenutzt werden.

Es werden piezoelektrische Wandlerelemente aus BaF4 verwendet. Wird z. B. breitbandiges Übertragungsverhalten etwa zwischen 200 und 300 kHz ge wünscht, werden die Durchmesser der piezoelektrischen Wandlerelemente (3, 4, 6, 7) derart gewählt, daß ihre Radialresonanzfrequenzen bei 220, 240, 260 und 280 kHz liegen. Die Empfindlichkeit eines Wandlerelements im Be reich einer Resonanzfrequenz ist dadurch gekennzeichnet, daß sie kurz vor der Resonanzfrequenz steil ansteigt und kurz dahinter wieder steil abfällt. Durch die Befestigung der Elemente auf der Kontaktplatte verbreitert sich be reits der Bereich stark erhöhter Empfindlichkeit. Durch die Überlagerung der 4 Resonanzbereiche ist die Empfindlichkeit des Wandlers innerhalb des ge wählten Frequenzintervalls mit nur geringen Schwankungen sehr hoch. Es fehlen demnach die Frequenzbereiche geringer Empfindlichkeit, die bei ande ren Wandlern für eine Verfälschung der gemessenen Frequenz gegenüber der tatsächlichen Frequenz sorgen.

Nach Bergmann (Bergmann, Der Ultraschall, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 5. Aufl. 1949, Seite 467) gehören zu den gewählten Resonanzfrequenzen Wandlerelemente mit den Durchmessern 7 mm (4), 6,5 mm (7), 6 mm (3) und 5,5 mm (6). Es wird eine Dicke von 1 mm gewählt. Der Durchmesser des Kreises (2), dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt der Kontaktplatte (5) übereinstimmt, wird derart gewählt, daß sich zwischen den Wandlerelemen ten, deren Mittelpunkte auf dem Kreis (2) liegen, ein Abstand von etwa 2 mm ergibt. Der Kreis (2) hat damit einen Durchmesser von 12 mm. Die Kontakt platte (5) mit der sphärischen Auswölbung (8) wird aus einem dem Prüfkörper möglichst ähnlichen Material angefertigt, in diesem Fall aus Stahl. Die Kon taktplatte (5) wird auf elektrische Masse gelegt. Die Wandlerelemente (3, 4, 6, 7) werden elektrisch leitend mit der Kontaktplatte verbunden, z. B. mit Leitkleber. Die Unterseiten der Wandlerelemente liegen damit auch auf elek trischer Masse. Die beim Auftreffen von Schallwellen erzeugte Spannung an der Oberseite der piezoelektrischen Wandlerelemente wird über die Leitun gen (1) zum Addieren an die Eingänge des Vorverstärkers angelegt, der ge eignet auszuwählen ist.

Claims

Piezoelektrischer Breitbandwandler zur Messung von Schallwellen in Festkörpern
- - mit integriertem Vorverstärker
- - mit einer Kontaktplatte, auf deren Unterseite sich in der Mitte eine konische oder sphärische Auswölbung befindet zur definierten Ankopplung des Wandlers an den zu untersuchenden Körper,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
- - auf der Oberseite der Kontaktplatte sind mehrere piezoelektrische Wandlerelemente angebracht
- - diese piezoelektrischen Elemente sind zylindrischer Form gleicher oder unterschiedlicher Dicke und gleicher oder unterschiedlicher Durchmesser und/oder plattenförmiger Form gleicher oder unterschiedlicher Dicke und gleicher oder unterschiedlicher Seitenlängen
- - diese piezoelektrischen Elemente sind derart angebracht, daß ihre Mittelpunkte konzentrisch um den Mittelpunkt der Kontaktplatte liegen
- - diese piezoelektrischen Elemente sind äquidistant zueinander angebracht.