DE2541492A1

DE2541492A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2541492A1
Application number: DE19752541492
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl Phys Magori
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1975-09-17
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1977-03-31
Also published as: GB1530347A; FR2325266B1; DE2541492B2; DE2541492C3; NL7610091A; FR2325266A1; NL182028B; IT1072762B; BE846338A; NL182028C

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.

Für ein Ultraschall-Echolot-System sind Ultraschallwandler wünschenswert, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ultrastrahls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zwei nahe beinander liegende Objekte unterschieden werden können.

Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfrequenz und das Material des Wandlers vorgegeben. Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der" Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt, wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im wesentlichen der Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequenz von ca. 49 KHz und Blei-Zirkonat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein Öffnungswinkel von etwa 10° bis 12° (1° = fr/180).

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler anzugeben, der einen Schallstrahl mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugt«

Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art gelöst, der entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles,

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wie es in den Figuren dargestellt ist, erläutert.

Dabei zeigt die Figur 1 eine Draufsicht, die Figur 2 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie U-II, wie sie in der Figur 1 eingezeichnet ist.

Der Ultraschallschwinger besitzt einen kreisförmigen Piezokörper 1, der an seinen beiden Stirnflächen jeweils eine Metallelektrode 10, 11 besitzt. Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diese Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden mit einer Wechselspannung versorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als >V4-Schicht ausgebildet ist. Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von λ/4 hat, wobei A die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem Schaumstoff ist.

Die Λ/4-Schicht besteht aus einem Material, dessen akustischer Schallwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.

Im Idealfall, d.h. wenn der Schallwandler nur Schall einer einzigen Frequenz erzeugt, und wenn die Schallabstrahlfläche sehr groß gegenüber der Wellenlänge ist, hat die λ/4-Schicht einen Wellenwiderstand von 9_s ^c _ß = (#L^CL#K ^cK'* ^Dabei bezeichnet g die Dichte eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die Λ/4-Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d.h. z.B. Luft oder Wasser, der Index K bezeichnet den Keramikkörper. Allgemein bezeichnet gc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.

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Ist Luft das Ausbreitungsmedium für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwandler einen akustischen Schallwellenwiderstand besitzen, der zwischen den Werten 5 . 10 g/cm .s und 5 · 10 g/cin . s liegt.

Die A/4-Schicht besitzt bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bereich der A/4- Schicht ist auf der Seite des Keramikkörpers mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dieser Beschwerungsring soll in Vergleich zur A/4-Schicht ein großes Gewicht und eine große Fläche haben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beschwerungsring umschließt konzentrisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler arbeitet in der folgenden Weise: Der Piezokeramikkörper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt. Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schieht abgestrahlt, da auf dieser Seite des Keramikkörpers aufgrund der A/4-Schicht nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang des Ultraschalls vom Keramikkörper in die A/4-Schicht und weiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschwerungsring wird erreicht, daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der A/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt, d.h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschallbetrieb dos Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der A/4-Schicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt, d.h. alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Piezokeramikkörper gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Damit wird erreicht, daß der abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel aufweist, da angenähernd eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der A/4-Schicht begrenzte ebene Welle erzeugt wird.

Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Ultraschallwandlers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, in welches der Ultraschallwandler eingebaut ist.

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In jedem Fall eignet sich der Beschwerungsring dazu, den Wandler in vorteilhafter Weise an einer Halterung zu befestigen.

Durch den Beschwerungsring wird also erreicht, daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich größer sind, als die Stirnfläche des Keramikkörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird. Ohne den Beschwerungsring führt der Bereich der λ/4-Schicht, der über die Stirnfläche des Keramikkörpers hinausragt, unkontrollierte Schwingungen aus, die sich gegenseitig auslöschen, so daß eine Schallabstrahlujig praktisch nur in dem Bereich der /λ/4-Schicht erfolgt, der mit dem Keramikkörper verbunden ist. Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehnung besitzt, ähnelt der erzeugte Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelwelle , d.h. der Öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.

Bei einem Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers, für eine Betriebsfrequenz von ca. 40 kKz aufgelegt war, hatten die Elemente des Schallwandlers die folgenden Abmessung"·;.!: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat hatte eine Dicke von ca. 4,5 mm und einen Durchmesser von 52.5mm. Der Beschwerungsring bestand aus Aluminium und hatte eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchraesser von 100 mm und einen Innendurchinesser von 56 min. Die Λ/4-Schicht hatte einen Durchmesser von ebenfalls 100 mm und eine Dicke von 16 mm.

Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestellt v/erden: Ein Polystyrollack oder ein Epoxidlack wird mit Hohlkugeln aus Siliziumdioxid, die einen Durchmesser zwischen den V/erten 30 /um und 125 /Um und eine Wandstärke von 2 ,um aufweisen, vermischt. Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres SJ der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus vier Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt. Dabei wird darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die entstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.

ORIGINAL

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Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaunistoff-

— 3 platte mit einer Dichte von ca. 0,16 g . cm . Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff besitzt einen akustischen Schallwellenwiderstand von ca. 2,1. 10 g/s .

ο
cm . Die getrocknete Schaumstoffplatte wird auf das gewünschte

Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen plangeschliffen.

Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordinaten in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel, d.h. dem Winkel, den die jeweilige Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildet.

Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandler. Man erkennt, daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Schallkeule 1001 wesentlich größer als die Schallkeule 1002, dabei ist die Länge einer Verbindung 1003 zwischen einem Punkt auf dem Schallkeulenrand und dem Wandler 1000 ein Maß für den Schalldruck in dieser Ausbreitungsrichtung. Der Öffnungswinkel der Schallkeule beträgt ca. 5°.

3 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Ί< Ultraschallwandler mit einem Schwingkörper, der piezoelektrisch oder magnetostriktiv zu Ultraschallschwingungen angeregt wird, dadurch gekennzeichnet , daß auf einer Stirnfläche des Schwingkörpers eine Λ/4-Schicht (2) aufgebracht ist, deren Abmessungen größer als die Abmessungen des Schwingkörpers sind, und daß diese Schicht auf der Seite des Schwingkörpers mit einem den Schwingkörper konzentrisch umgebenden Beschwerungsring verbunden ist, dessen Dichte und Gewicht größer als die Dichte und das Gewicht der Λ/4-Schicht sind.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ ei c h η e t , daß der Schwingkörper ein Keramikkörper (1) ist, der mittels zweier Elektroden (10, 11) an eine Wechselspannungsquelle anschließbar ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet ,daß der Beschwerungsring aus Aluminium und daß die Λ/4-Schicht aus einem Schaumstoff mit einem

•ζ ρ Schallwellenwiderstand zwischen 5 . 10 g/cm . s und
4 /2
5 . 10 g /ein . s besteht, und daß der Schwingkörper ein Piezokörper (1) ist. ,

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