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DE19612013A1 - Piezoelectric wide-band transducer e.g. for measuring sound waves in solids - Google Patents

Piezoelectric wide-band transducer e.g. for measuring sound waves in solids

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DE19612013A1
DE19612013A1 DE1996112013 DE19612013A DE19612013A1 DE 19612013 A1 DE19612013 A1 DE 19612013A1 DE 1996112013 DE1996112013 DE 1996112013 DE 19612013 A DE19612013 A DE 19612013A DE 19612013 A1 DE19612013 A1 DE 19612013A1
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Germany
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piezoelectric
contact plate
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transducer
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DE1996112013
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German (de)
Inventor
Volker Dipl Phys Haenel
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

The piezoelectric transducer has an integrated preamplifier, a contact plate, on the under side of which is provided with a spherical projection in the centre for a selective coupling to a body being tested. On the top side of the contact plate several piezoelectric converter elements are fitted. These piezoelectric elements are cylindrical in shape of equal or different thickness, and of equal or different diameter and/or plate shaped with the same or different thickness and equal or different side lengths. The elements are applied in such a way, that their centre points lie concentric around the centre point of the contact plate. The piezoelectric elements are arranged equidistant to each other.

Description

Es ist bekannt, daß für das Messen von Körperschall piezoelektrische Wand­ ler Verwendung finden. Es sind hierbei Resonanzaufnehmer und Breitband­ wandler zu unterscheiden.It is known that piezoelectric wall for measuring structure-borne noise find use. There are resonance recorders and broadband distinguish converter.

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.Cylindrical and plate-shaped piezoelectric elements convert me mechanical vibrations into electrical vibrations, which are called electrical Voltage can be tapped at the converter. Depending on theirs geometric dimensions, they react to mechanical vibrations certain frequencies with particularly strong electrical vibrations. These frequencies are called resonance frequencies. The fat of the element determines the resonance frequency of the so-called thicknesses Vibrations, the diameter or the side length determine the reso frequency with radial or planar vibrations. Besides the reason resonances also have higher-frequency harmonics. Dependent of the damping is the sensitivity of the elements to the resonance set many times higher than for the other frequencies.

Resonanzaufnehmer arbeiten im Bereich einer Resonanzfrequenz mit hoher Empfindlichkeit aber nur in einem schmalen Frequenzbereich.Resonance recorders work with a high resonance frequency Sensitivity, however, only in a narrow frequency range.

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.Broadband converters use the effect that the width at high attenuation the frequency range in which the transducer is sensitive, who enlarged that can. However, this is accompanied by a loss of sensitivity. A another possibility is in a frequency range far from Re resonance frequencies to work. But the improved width is also possible here bandiness at the expense of greatly reduced sensitivity.

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.In order to avoid disturbances of the often only low generated voltages, is often a preamplifier integrated in the converter in broadband converters ker used. The piezoelectric transducer element is often on a con clock plate attached, which is the contact between the converter and the examining object. For targeted, almost punctiform, to Coupling to the measurement object is on the underside of the contact plate usually a conical or spherical bulge in the middle.

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.The invention specified in patent claim 1 is based on the problem de that the physical properties of piezoelectric transducer elements a broadband transmission behavior with an evenly high emp Exclude sensitivity, as it occurs at the resonance points. this has as a result that sound waves with a frequency at which the used Transducer has only a low sensitivity, vibrations in the transducer can excite a resonance frequency that depends on the frequency of sound wave can sometimes be very different. This often happens with transien th signals that are the subject of sound emission analysis. The frequency in this case the sound wave is incorrectly determined.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Merkma­ le vermindert.This problem is solved by the feature described in claim 1 le diminished.

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.The solution is to use multiple transducer elements. A Sound wave, which is almost a conical or spherical bulge generated in the contact plate from a point, spreads therefore circular over the contact plate and reaches the individual Transducer elements as these are arranged concentrically around the center of the plate are, at the same time. The dimensions of the transducer elements are ge chooses that each have a different resonance frequency. The overlay of the Frequency responses of the individual transducer elements then add up to one Broadband with high sensitivity. The dimensioning of the individual Elements still depends on the width of the resonance peaks of each Elements. The concentric arrangement ensures that the individual generated voltages due to the same signal propagation times none Show phase shifts. The generated voltages are in egg added and amplified in a suitable integrated preamplifier. As a result the converter described has a compared to known methods fundamentally improved broadband along with the high sensitivity the piezoelectric transducer elements in the area of resonance fre own quenz. The resonance frequencies are as follows calculates.

Die Grundresonanzfrequenz fd der Dickenresonanz zylindrischer piezoelektri­ scher Wandlerelemente ist umgekehrt proportional zu deren Dicke d. Mit der materialabhängigen Frequenzkonstanten Nd ergibt sich der Zusammenhang fd = Nd/d.The basic resonance frequency f d of the thickness resonance of cylindrical piezoelectric transducer elements is inversely proportional to their thickness d. With the material-dependent constants N frequency d, the relationship f d = d N / d is obtained.

Die Grundresonanzfrequenz fp der Radialresonanz zylindrischer piezoelektri­ scher Wandlerelemente ist umgekehrt proportional zu deren Durchmesser d. Mit der materialabhängigen Frequenzkonstanten Np ergibt sich der Zusam­ menhang fp = Np/d.The basic resonance frequency f p of the radial resonance of cylindrical piezoelectric transducer elements is inversely proportional to their diameter d. With the material-dependent constants frequency N p together the menhang f p = N p / d is obtained.

Die geometrischen Abmessungen und die Anzahl der Wandlerelemente wer­ den nach den Anforderungen bezüglich des benötigten Frequenzbereichs gewählt.The geometric dimensions and the number of transducer elements according to the requirements regarding the required frequency range chosen.

Die Erfindung ist in der Schallmeßtechnik gewerblich anwendbar.The invention is industrially applicable in sound measurement technology.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below.

Die Zeichnung zeigtThe drawing shows

  • 1. Zuleitungen zu den Eingängen des Vorverstärkers 1st Supply lines to the inputs of the preamplifier
  • 2. Gedachter Kreis, auf dem die Mittelpunkte der Wandlerelemente liegen 2nd Imaginary circle on which the centers of the transducer elements lie
  • 3. Wandlerelement mit dem Durchmesser 6 mm 3rd Transducer element with a diameter of 6 mm
  • 4. Wandlerelement mit dem Durchmesser 7 mm 4th Transducer element with a diameter of 7 mm
  • 5. Kontaktplatte 5 . Contact plate
  • 6. Wandlerelement mit dem Durchmesser 5,5 mm 6 . Transducer element with a diameter of 5.5 mm
  • 7. Wandlerelement mit dem Durchmesser 6,5 mm 7 . Transducer element with a diameter of 6.5 mm
  • 8. Sphärische Auswölbung in der Mitte der Unterseite der Kontaktplatte. 8 . Spherical bulge in the middle of the bottom of the contact plate.

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.The number of transducer elements used and the geometric Ab measurements depend on the special requirements. Here is used as a case game described a transducer with 4 transducer elements, their radial oscillation conditions can be exploited.

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.Piezoelectric transducer elements made of BaF4 are used. Is z. B. broadband transmission behavior between about 200 and 300 kHz GE wishes, the diameter of the piezoelectric transducer elements ( 3 , 4 , 6 , 7 ) are chosen such that their radial resonance frequencies are at 220, 240, 260 and 280 kHz. The sensitivity of a transducer element in the loading range of a resonance frequency is characterized in that it rises steeply shortly before the resonance frequency and drops steeply shortly thereafter. By attaching the elements to the contact plate, the area of greatly increased sensitivity is already widening. By superimposing the 4 resonance ranges, the sensitivity of the transducer is very high within the selected frequency interval with only slight fluctuations. The frequency ranges of low sensitivity are therefore missing, which in other transducers falsify the measured frequency compared to the actual frequency.

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.According to Bergmann (Bergmann, Der Ultrasound, S. Hirzel Verlag Stuttgart, 5th ed. 1949, page 467), the selected resonance frequencies include transducer elements with the diameters 7 mm (4), 6.5 mm (7), 6 mm (3 ) and 5.5 mm (6). A thickness of 1 mm is chosen. The diameter of the circle ( 2 ), the center of which corresponds to the center of the contact plate ( 5 ), is chosen such that there is a distance of about 2 mm between the transducer elements, the centers of which lie on the circle ( 2 ). The circle ( 2 ) thus has a diameter of 12 mm. The contact plate ( 5 ) with the spherical bulge ( 8 ) is made from a material that is as similar as possible to the test specimen, in this case steel. The contact plate ( 5 ) is placed on electrical ground. The transducer elements ( 3 , 4 , 6 , 7 ) are electrically connected to the contact plate, for. B. with conductive adhesive. The undersides of the transducer elements are therefore also on electrical ground. The voltage generated when sound waves hit the top of the piezoelectric transducer elements is applied via lines ( 1 ) for addition to the inputs of the preamplifier, which is to be selected in a suitable manner.

Claims (2)

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,
Piezoelectric broadband transducer for measuring sound waves in solids
  • - with integrated preamplifier
  • with a contact plate, on the underside of which there is a conical or spherical bulge in the middle for the defined coupling of the transducer to the body to be examined,
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.
characterized by the following features:
  • - Several piezoelectric transducer elements are attached to the top of the contact plate
  • - These piezoelectric elements are cylindrical in shape of the same or different thickness and the same or different diameter and / or plate-like shape of the same or different thickness and the same or different side lengths
  • - These piezoelectric elements are mounted such that their centers are concentric around the center of the contact plate
  • - These piezoelectric elements are equidistant from one another.
DE1996112013 1996-03-15 1996-03-15 Piezoelectric wide-band transducer e.g. for measuring sound waves in solids Withdrawn DE19612013A1 (en)

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