DE3401979A1

DE3401979A1 - Ultraschall-wandler

Info

Publication number: DE3401979A1
Application number: DE19843401979
Authority: DE
Inventors: Wolf-Jürgen Dipl.-Phys. Dr. 6701 Fußgönheim Becker
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1984-01-20
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE3401979C2

Description

Weber, Hellfeld & Tönnies d-sooö München 71

PATENTANWÄLTE . £ . Hofbrunnstrasse 47

3 Telefon: (0 89)7915050

Telex: 5-2128 77

Telefax: (0 89)7 9152 56

P 155

Pepperl + Fuchs GmbH + Co KG
Königsberger Allee 85-87

6800 Mannheim-Schönau

Ultraschall-Wandler

European Patent Attorney Rechtsanwalt

Dipl.-Phys. Dipl.-Phys., Dr.rer.nat. Dipl.-Ing., Dipl.-Oek.

Ο E WEBER. München AXEL v. HELLFELD, Kiel JAN G. TÖNNIES, Kiel

Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Wandler mit einem piezoelektrischen Wandlerelement, das piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwingungen anregbar ist, mit einem auf der einen Stirnfläche des Wandlerelements aufgebrachten Anpassungskörper, der im Bereich des Wandlerelements eine Dickenabmessung ^/4 hat, wobei 7\ die Wellenlänge der Schallwelle im Anpassungskörper ist, der weiterhin aus einem Material mit einer Größe des Schallwellen-Widerstandes zwischen dem Wert des Schallwellen-Widerstandes des Materials des Wandlerelements und demjenigen des Mediums besteht, in das der Ultraschall abzustrahlen ist, und der schließlich eine gegenüber der Flächenabmessung des Wandlerelements wesentlich größere Flächenabmessung mit einem über den Rand des Wandlerelements überstehenden Bereich hat.

Für Ultraschall-Echolot-Systeme und für Ultraschall-Schranken-Systeme, die beispielsweise als Reflexionssysteme oder als Direktausblendsysteme arbeiten können, sind Ultraschall-Wandler wünschenswert, die einen Schallstrahl mit einem besonders geringen öffnungswinkel zu erzeugen vermögen. Mittels eines solchen geringen öffnungswinkels können störende Reflexionen der Ultraschall-Wellen vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann, wobei unter Auflösungsvermögen zu verstehen ist, daß zwei nahe beieinanderliegende Objekte gerade noch unterschieden werden können.

Bei herkömmlichen Ultraschall-Wandlern sind deren Abmessungen im wesentlichen durch die Betriebsfrequenz und das Material des Ultraschall-Wandlers vorgegeben. Die Abmessungen des Ultraschall-Wandlers bestimmen auch die Größe der Schallabstrahlfläche, welche wiederum im wesentlichen die Richtcharakteristik des erzeugten Schallstrahles festlegt.

Bekanntlich beträgt der öffnungswinkel 2^ eines Schallstrahls für die Abnahme des Schalldrucks auf das 1/ VT-fache des Wertes auf der Achse des Schallstrahls im Fernfeld

2 γ = 58,5° · * (1)

mit ~7\ = Wellenlänge der Ultraschall-Wellen in Luft und

D = Durchmesser einer kreisförmigen Schallabstrahlfläche (vgl. hierzu auch J. Krautkrämer und H. Krautkrämer in "Werkstoffprüfung mit Ultraschall", 4. Auflage, Springer-Verlag, 1980, Seiten 58-71).

Bei diesem Winkely ist die Schallamplitude eines als Echo reflektierten Ultraschall-Strahles am Ort des aussendenden Ultraschall-Wandlers auf die Hälfte gefallen, und die Intensität dieses Echos beträgt unter dem Winkel 2Γ lediglich noch ein Viertel der Intensität des ausgesandten Ultraschall-Strahles auf der Achse des Ultraschall-Wandlers.

Wenn für den Durchmesser D der kreisförmigen Schallabstrahlfläche der Wert 11 -Λ gewählt wird, dann gilt für den öffnungswinkel 2 JT = 5,3°.

Ein Blei-Zirkonat-Titanat als piezoelektrisches Material für das Wandlerelement verwendender Ultraschall-Wandler hat bei einer Frequenz von etwa 200 kHz einen Durchmesser von etwa 18,5 mm und weist als *^/4-Schwinger eine Dicke von etwa 1o mm auf. Infolge der mit diesen Abmessungen verknüpften großen Masse besitzt ein derartiger *\ /4-Schwinger eine sehr lange mechanische Ausschwingzeit, so daß der minimal erfaßbare Abstand einer Meßfläche sehr groß wird.

Die Ausschwingzeit eines piezoelektrischen Ultraschall-Wandlers kann beispielsweise durch eine gute Auskopplung der Schwingungsenergie in Luft als Trägermedium reduziert werden. Optimale Ergebnisse werden erzielt, wenn eine sogenannte Anpassungsschicht zwischen dem piezoelektrischen Wandlerelement und der dieses umgebenden Luft vorgesehen wird, wobei der Schallwellen-Wider-

stand Ζ_Α dieser Anpassungsschicht dem geometrischen Mittel des Schallwellen-Widerstandes Z„ des piezoelektrischen Wandlerelements und des Schallwellen-WiderstandsZ_T der umgebenden Luft entspricht. Die Anpassungsschicht sollte also bei diesem Beispiel den folgenden Schallwellen-Widerstand besitzen (vgl. hierzu auch IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-12, No.2, Juni 1965, Seiten 37-48):

A - V²S * V ⁽²⁾

Wenn für das piezoelektrische Wandlerelement beispielsweise die Piezokeramik PXE5 der Firma Valvo, Hamburg, gewählt wird, dann sollte der Schallwellen-Widerstand der Anpassungsschicht bei Abstrahlung von Schallwellen in Luft den Wert 1,2 χ 10 kg

-2-1
m s aufweisen.

Ein Material mit derartigen Eigenschaften ist bisher nicht bekanntgeworden. Daher werden Materialien verwendet, die den an sie gestellten Forderungen möglichst nahekommen.

So wurde beispielsweise bereits daran gedacht, bei einem Wandlerelement aus Piezokeramik und Abstrahlung der Schallwellen in Luft als Anpassungsschicht eine λ/4-Schicht aus Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid vorzusehen, die mittels eines organischen Harzes, wie beispielsweise Epoxidharz_/oder mittels Polystyrol zu einem Schaumstoff gebunden sind, der bei einer als Luft als Ausbreitungsmedium angepaßten akustischen Impedanz eine kleine Dichte und eine hohe Schwinggüte besitzt (vgl. DE-PS 25 37 788).

Auf dem Markt sind auch verschiedene syntaktische Schaumstoffe aus mit Mikro-Glashohlkuqeln gefülltem Epoxidharz und aus mit Phenolhohlkugeln getuschten Epoxidharz erhältlich.

Eine maximale Energieübertragung von einem Wandlerelement in Luft wird erhalten, wenn die Dicke der Anpassungsschicht auf

"X/4 oder ein ungeradzahliges Vielfaches hiervon eingestellt wird, wobei % die Wellenlänge der Ultraschall-Wellen im Material der Anpassungsschicht bedeutet (vgl. die obige Literaturstelle in IEEE sowie DE-PS 25 37 788 und DE-PS 25 41 492).

Zwischen einem piezokeramischen Wandlerelement und einer Anpassungsschicht mit einer Dicke "λ /4 können gegebenenfalls zur weiteren Verbesserung der Anpassung noch zusätzliche Schichten vorgesehen werden, deren Dickenabmessung jeweils den Wert ~\ /2 oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon haben kann (vgl. die obige Literaturstelle IEEE ...).

Man weiß, daß die Grundeigenschwingung eines mechanischen Schwingungssystems in idealer Weise gerade dann vorliegt, wenn die Dicke dieses Schwingungssystems in Fortpflanzungsrichtung der Ultraschall-Wellen der Hälfte von deren Wellenlänge im Material des Schwingungssystems entspricht. Das gleiche gilt auch für gekoppelte Schwingungssysteme, also für sogenannte Verbundsysteme. Wenn hier die Dicke der Anpassungsschicht den Wert "λ /4 hat, so sollte das Wandlerelement über seiner Dicke auch als sogenannter λ /4-Wandler wirken. Bei einer Dickenanregung des piezoelektrischen Wandlerelements bedeutet dies, daß die Dicke den Wert λ/4 haben sollte. Bei einer Radialanregung des Wandlerelements kann die Dicke auch ein anderes Maß besitzen, da hier der Durchmesser des Wandlerelements die Eigenfrequenz festlegt.

Aus der DE-PS 25 41 492 ist ein Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art bekannt. Dieser Ultraschall-Wandler verwendet für die Anpassungsschicht eine Schaumstoffplatte, die eine gegenüber der Flächenabmessung des Wandlerelernents wesentlich größere Flächenabmessung mit einem über den Rand des Wandlerelements überstehenden Bereich aufweist. An diesem überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte ist auf der Seite des Wandlerelements ein sogenannter Beschwerungsring angebracht, der im Vergleich zur Schaumstoffplatte ein der-

art großes Gewicht hat, daß die Grenzfläche zwischen dem Wandlerelement und dem Beschwerungsring einerseits und der Schaumstoffplatte andererseits eine Knotenfläche der Schwingung des gesamten Ultraschall-Wandlers festlegt. Dadurch soll ein Ultraschall-Wandler geschaffen werden, bei dem einerseits die oben aufgezeigten bekannten Gesetzmäßigkeiten der Anpassungsbedingung möglichst gut erfüllt sind und mit dem andererseits eine Schallabstrahlung mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugt werden kann.

Mit diesem bekannten Ultraschall-Wandler kann zwar eine Schallstrahlung mit kleinem öffnungswinkel bei gleichphasiger Schwingung der Schaumstoffplatte erzeugt werden. Es hat sich aber gezeigt, daß die Dimensionierung des Beschwerungsringes besonders kritisch ist, was in der Praxis dazu führen kann, daß nicht die gesamte Stirnfläche des Ultraschall-Wandlers, von der der Schallstrahl abgegeben wird, mit gleichphasigen Schwingungen angeregt wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Ultraschall-Wandler zu schaffen, der Schallstrahlung mit sehr geringem Öffnungswinkel zu erzeugen vermag, dessen Stirnfläche zuverlässig stets mit gleichphasigen Schwingungen anregbar ist und der keinen Beschwerungsring mit großer Masse benötigt.

Diese Aufgabe wird bei einem Ultraschall-Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der überstehende Bereich des Anpassungskörpers alsλ/2-Schwinger ausgebildet ist.

Beim erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandler wirkt also dieser überstehende Bereich als ^/2-Schwinger, was gewährleistet, daß die gesamte Stirnfläche des Ultraschall-Wandlers ein Schwingverhalten mit gleichphasigen Schwingungen zeigt. Auch wird kein Beschwerungsring großer Masse benötigt, da durch die

Gestaltung des überstehenden Bereichs des Anpassungskörpers bzw. der Anpassungsschicht als A /2-Schwinger erreicht wird, daß an

dieser Stelle ein Schwingungsknoten liegt.

In vorteilhafter Weise beträgt die Dickenabmessung des überstehenden Bereiches X/2 der Schallwelle in diesem überstehenden Bereich. Der überstehende Bereich kann so einen Schwingring bilden, der eine Dicke von Λ/4 besitzt und zusammen mit dem hinter diesem Schwingring angeordneten Bereich des Anpassungskörpers ein_/\./2-Schwingsystem bildet.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers ist die Möglichkeit einer Einstellung der mechanischen Schwinggüte. Durch den Λ/2-Schwinger tritt eine Resonanzüberhöhung auf, die zu einer Erhöhung der mechanischen Schwinggüte des Ultraschall-Wandlers führt. Verwendet man für den λ/2-Schwinger bzw. für den /t /4-Schwingring ein Material, das eine andere Dämpfung als die Anpassungsschicht hat, kann die mechanische Schwinggüte des Ultraschall-Wandlers geändert werden. Wird der Ultraschall-Wandler als Sender verwendet, kann mit einer Güteerhöhung die abgestrahlte Energie vergrößert werden. Bei einer Verwendung als Schallempfänger ist hierdurch eine Verbesserung des Signal-Rausch-Abs tandes möglich.

Alternativ besteht bei dem erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandler der Vorteil, seine Bandbreite einstellen zu können, wobei die Resonanzfrequenz des äußeren /\/2-Schwingers in üblicher Weise gegenüber der Schwingfrequenz des Wandlerelementes verschoben wird. Dies läßt sich in einfacher Weise durch Ändern der Dickenabmessung des äußeren Λ/2-Schwingers vornehmen, wobei hier /L die Wellenlänge der verschobenen Schwingfrequenz des \ /2-Schwingers bedeutet. Ein solcher Ultraschall-Wandler mit vergrößerter Bandbreite ist oftmals vorteilhaft bei einem Einsatz als Empfänger.

Der Schwingring selbst umschließt das Wandlerelement, ohne dieses jedoch zu berühren, wobei der Abstand zwischen dem Wandlerelement und dem Schwingring etwa die Hälfte der Schallwellenlänge in Luft bei der Frequenz des Wandlerelements betragen kann.

Das Wandlerelement kann auf einfache Weise mittels eines leitfähigen Klebers mit dem Anpassungskörper verbunden werden. Auf diese Weise wird gleichzeitig eine Elektrode erzeugt und die notwendige mechanisch feste Verbindung mit dem Anpassungskörper hergestellt.

Der Anpassungskörper kann materialeinheitlich gestaltet sein oder auch aus mehreren Materialien hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, daß einerseits der dem Wandlerelement benachbarte Bereich des Anpassungskörpers sowie dessen überstehender Bereich bis zu seinem äußeren Rand und andererseits der Schwingring jeweils aus einheitlichen Materialien bestehen. Auch können einerseits der dem Wandlerelement benachbarte Bereich des Anpassungskörpers bis zum Innenrand des Schwingrings und andererseits der Schwingring sowie der diesem benachbarte bzw. überstehende Bereich des Anpassungskörpers jeweils aus einheitlichen Materialien bestehen.

Ein so als Verbundkörper aus praktisch zwei Teilen bestehender Anpassungskörper kann besonders einfach gefertigt werden. Die verschiedenen Teile des Anpassungskörpers können miteinander verklebt werden.

Die Befestigung des Ultraschall-Wandlers in einem Gehäuse erfolgt vorzugsweise an der hinteren freien Stirnfläche des Schwingringes oder an dessen äußeren Rand mittels eines akustischen Dämpfungsmaterials ausreichender mechanischer Stabilität, das beispielsweise aus Mischstoffen auf der Basis von ausgehärteten Kunstharzen oder Gummi, denen bzw. dem pulverförmige Zusatzstoffe beigefügt sind, hergestellt sein kann. Geeignete Zusatzstoffe sind beispielsweise Metallpulver und Bleimennige.

Es ist aber auch möglich, den Ultraschall-Wandler mit einem Gehäuse durch einen O-Ring zu verbinden, der auf dem Außenrand des Schwingringes und dem äußeren Bereich des Anpassungskörpers umläuft. Dieser O-Ring kann in einfacher Weise aus Gummi bestehen.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich/ den erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandler an einer Befestigungsscheibe mit einem Gehäuse zu verbinden, wobei die Befestigungsscheibe zwischen dem λ^/4-Anpassungskörper einerseits und dem Wandlere lement sowie dem A/4 -Schwingring des /λ. /2-Schwingers andererseits mit einer festen Verbindung angebracht ist und über den äußeren Rand desΛ/2-Schwingers übersteht. Die Befestigungsscheibe besteht vorzugsweise aus dünnem Metallblech von einigen Hundertstel bis wenigen Zehntel mm Dicke und befindet sich in einem Schwingungsknoten, so daß eine störende Schwingungsdämpfung hinreichend vermieden werden kann. Die feste Verbindung der Befestigungsscheibe mit dem Λ./4-Anpassungskörper, dem /\ /4-Schwingring und dem Wandlerelement erfolgt mittels eines geeigneten Klebers. In vorteilhafter Weise kann diese Befestigungsscheibe als elektrische Zuführung für die aufgeklebte Elektrode des Wandlerelementes dienen. Das Gehäuse selbst umschließt die Außenseite des Ultraschall-Wandlers, ohne diesen jedoch zu berühren, wobei der Abstand zwischen dem Ultraschall-Wandler und dem Gehäuse vorzugsweise die Hälfte der Schallwellenlänge in Luft bei der Frequenz des Ultraschall-Wandlers beträgt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Befestigungsscheibe als Befestigungsring ausgebildet, wobei der freie Innendurchmesser des Befestigungsringes gleich dem Innendurchmesser des Λ/4-Schwingringes des äußeren A /2-Schwingers ist. Hierdurch wird eine bessere akustische Ankopplung des Wandlerelementes an den Anpassungskörper erreicht. Verwendet man bei dieser Ausführung den Befestigungsring als elektrische Zuführung für die aufgeklebte Elektrode des Wandlerelementes und benutzt man vorzugsweise für die Verklebung von Wandlerelement und Befestigungsring mit dem Anpassungskörper eine durchgehende Klebeschicht aus leitfähigem Kleber, so kann eine leitende Verbindung zwischen der aufgeklebten Elektrode des Wandlerelementes und dem Befestigungsring auf einfache Weise erhalten werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers,

Fig. 2 einen Schnitt II-II des Ultraschall-Wandlers von Fig. 1,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers in einem Schnitt entsprechend der Fig. 2,

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers mit einer Befestigungsscheibe, und

Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschall-Wandlers mit einem Befestigungsring.

Der Ultraschall-Wandler besitzt ein übliches, kreisförmiges, piezokeramisches Wandlerelement 1 in der Form einer Scheibe, wobei an den beiden Stirnflächen dieser Scheibe jeweils eine Metallelektrode 2,3 vorgesehen ist. Diese Metallelektroden 2,3 können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt werden.

-AS ·

An den Metallelektroden 2,3 sind (in den Figuren nicht gezeigte) elektrische Anschlußdrähte angebracht, über die an die Metallelektroden 2,3 eine Wechselspannung angelegt werden kann, deren Frequenz vorzugsweise der Eigenfrequenz des Ultraschall-Wandlers entspricht.

Wird eine solche elektrische Wechselspannung an die Metallelektroden 2,3 angelegt, dann wird das piezokeramische Wandlerelement 1 zu mechanischen Schwingungen angeregt, bei denen es sich vorzugsweise um Radialschwingungen handelt, wobei aber auch eine Anregung mit Dickenschwingungen möglich ist.

Das piezokeramische Wandlerelement 1 ist an seiner mit der Metallelektrode 2 belegten Stirnfläche auf einen Anpassungskörper 4 aufgeklebt, der eine wesentlich größere Abmessung als das piezokeramische Wandlerelement 1 besitzt (vgl. Fig.1 und 2).

Die Dicke des Anpassungskörpers 4 ist im Bereich des piezokeramischen Wandlerelements 1, also "oberhalb" der Metallelektrode 2, als /\/4-Schicht ausgebildet, was bedeutet, daß hier der Anpassungskörper 4 eine Dicke mit dem Wert "λ /A besitzt, wobei 'λ die Wellenlänge der Ultraschall-Wellen im Material des Anpassungskörpers 4 bedeutet.

Ein überstehender Bereich 5 des Anpassungskörpers 4 ist erfindungsgemäß in seiner Dicke als mechanischer ^ /2-Schwinger ausgebildet. Dies bedeutet, daß der Anpassungskörper 4 in diesem Bereich 5 eine Dicke von ^ /2 aufweist, wobei *\ auch hier die Wellenlänge der Ultraschall-Wellen im Anpassungskörper 4 bedeutet.

In idealer Weise ist die gesamte schallabstrahlende Stirnfläche 8 des Anpassungskörpers 4 eben. Dadurch umschließt der überstehende Bereich 5 des Anpassungskörpers 4 das piezokeramische Wandlerelement 1 mit einem konzentrischen Schwingring 6, ohne jedoch seitlich das Wandlerelement 1 zu berühren, um eine Schwingungsanregung mit einer anderen als der Dickenschwingung zu vermeiden.

Der Abstand zwischen dem Wandlerelement 1 und dem konzentrischen Schwingring 6 beträgt etwa die Hälfte der Schallwellenlänge in Luft bei der Frequenz des Wandlerelements 1.

Der Anpassungskörper 4 besteht also aus dem unmittelbar an das Wandlerelement angrenzenden Bereich, dem überstehenden Bereich 5 (durch Strichpunktlinien in den Fig. 2 und 3 angedeutet) und dem Schwingring 6 (durch Strichlinien in Fig. 2 und 3 angedeutet) .

Dieser Anpassungskörper 4 kann aus einem einheitlichen Material hergestellt sein, dessen akustischer Schallwellen-X-iiderstand einen Wert hat, der zwischen der Größe des Schallwellen-Widerstandes des Wandlerelements 1 und der Größe des Schallwellen-Widerstandes des Mediums liegt, in das sich der Schall ausbreiten soll, also beispielsweise Luft oder Wasser. Wie bereits eingangs erläutert wurde, kann bei einem Ultraschall-Wandler für eine einzige zu erzeugende Frequenz und bei einer sehr großen Schallabstrahlfläche 8 des Anpassungskörpers 4 gegenüber der Wellenlänge der Schallwellen-Widerstand des Anpassungskörpers entsprechend dem geometrischen Mittelwert aus den Werten der Schallwellen-Widerstände des Wandlerelements 1 und des Mediums gebildet werden, in das der Schall abgestrahlt werden soll.

Der Anpassungskörper 4 kann auch als Verbundkörper gestaltet sein, wie dies oben erläutert wurde. Beispielsweise können der unmittelbar an das Wandlerelement 1 angrenzende Bereich des Anpassungskörpers 4 und der überstehende Bereich 5 bis zum äußeren Rand aus einem ersten einheitlichen Material bestehen, während der Schwingring 6 aus einem anderen, zweiten geeigneten Material hergestellt sein kann. Es bieten sich hierfür alle Materialien an, die zusammen mit dem an das Wandlerelement 1 angrenzenden Bereich des Anpassungskörpers 4 ein ^./2-Schwingungssystem zu bilden vermögen.

■ Al,

Die Dicke des Schwingringes 6 beträgt in einem solchen^ /2-SchwingungssystemΛ/4, wobeiXwiederum die Wellenlänge der Schallwellen im Material des Schwingringes 6 bedeutet.

Wenn der Anpassungskörper 4 als Verbundkörper gestaltet wird, dann können dessen einzelne Teile auf einfache Weise mittels eines geeigneten Klebers miteinander verbunden werden.

Es ist auch möglich, für den Anpassungskörper 4 einerseits einen ersten Teil aus dem unmittelbar an das Wandlerelement 1 angrenzenden Bereich mit einer Dicke λ/4 und einen zweiten Teil aus dem überstehenden Bereich 5 sowie dem Schwingring 6 vorzusehen. In diesem Fall sind der überstehende Bereich 5 und der Schwingring 6, die das Ti/2-Schwingungssystem bilden, materialeinheitlich ausgeführt.

In jedem Fall erlaubt aber eine Unterteilung des Anpassungskörpers 4 in mehrere Teile eine einfachere Herstellung.

Das Wandlerelement 1 ist vorzugsweise an der hinteren freien Stirnseite des Anpassungskörpers 4 befestigt. Da der aus dem überstehenden Bereich 5 und dem Schwingring 6 gebildete^/2-Ring ebenfalls zusammen mit dem unmittelbar an das Wandlerelement 1 angrenzenden Bereich des Anpassungskörpers 4 schwingt, wird für die Befestigung des Ultraschall-Wandlers in einem Gehäuse zweckmäßigerweise auf der hinteren Stirnfläche des Schwingringes 6 ein akustisches Dämpfungsmaterial 9 mit ausreichender mechanischer Stabilität verwendet. Hierzu eignen sich besonders Mischstoffe auf der Basis von ausgehärteten Kunstharzen oder Gummi, denen bzw. dem weitere Stoffe pulverförmig beigemischt werden, wozu vorzugsweise Metallpulver, Bleimennige oder ähnliche Materialien geeignet sind. Ein derartiges Dämpfungsmaterial dämpft nämlich in der Hauptsache die Dickenschwingungen des Λ/2-Ringes, wobei noch hinzukommt, daß die Amplitude der Schwingungen der freien Oberfläche 8 des Anpassungskörpers 4 im Bereich des

7v/2-Ringes zum äußeren Rand hin abnimmt. Auf diese Weise werden die Nebenmaxima der Strahlungskeule geringer ausgebildet.

Der Ultraschall-Wandler kann auch radial an der Außenseite bzw. am Umfang des^/2-Ringes mittels einem der obengenannten Dämpfungsmaterialien befestigt werden. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine allmähliche Abnahme der Schwingungsamplitude der Stirnfläche 8 des Wandlerelements T zum äußeren Rand hin erreicht, wobei insbesondere auch eine gute Richtcharakteristik erzielt wird.

Alternativ kann die Befestigung des Ultraschall-Wandlers auch in der Mitte des äußeren Randes des?^/2-Ringes mittels eines umlaufenden O-Ringes 7 aus Gummi erfolgen (vgl. Fig, 3), da sich an dieser Stelle desÄ/2-Ringes ein Schwingungsknoten befindet. Die Schwingungsamplitude der Ultraschall-Schwingungen im?V/2-Ring des Anpassungskörpers 4 verschwinden also an dieser Stelle, so daß keine Dämpfung des^/2-Schwingers auftritt. Bei dieser Befestigungsart mittels des O-Ringes 7 wird die Schwingungsamplitude auf der Stirnseite 8 des Ultraschall-Wandlers praktisch nicht gedämpft. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die abgestrahlte Schwingungsenergie möglichst groß sein soll.

Alternativ kann die Befestigung des Ultraschall-Wandlers auch in der Mitte des äußeren Randes des Λ-/2-Schwingers mittels einer aus dünnem Metallblech einer Dicke von einigen Hundertstel bis wenigen Zehntel mm bestehenden Befestigungsscheibe 10 (vgl. Fig. 4) oder mittels eines Befestigungsringes 11 (vgl. Fig. 5) erfolgen, wobei die Befestigungsscheibe 10 bzw. der Befestigungsring 11 jeweils an ihrem äußeren Umfang in einer nicht näher bezeichneten Halterung festgelegt sind.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel kann für das Wandlerelement eine Keramikscheibe aus Blei-Zirkonat-Titanat mit der Bezeichnung PXE 5 der Firma VaIvo, Hamburg, verwendet werden- Diese Keramikscheibe hat eine Dicke von etwa 3 mm und einen Durchmesser von etwa 10 mm. Der Anpassungskörper 4 weist dann einen Außendurchmesser von etwa 20,2 mm und einen Innendurchmesser desA/2-Ringes aus dem überstehenden Bereich 5 und dem Schwingring 6 von 11,4 mm auf. Als Material für den Anpassungskörper 4 wird ein syntaktischer Schaum Scotchply XP-241-36 der Firma 3M Deutschland GmbH, Neuss, verwendet. Die Dicke der λ /4-Schicht des Anpassungskörpers 4 beträgt dann 3,0 mm, während für die Dicke des ^v/2-Ringes aus dem überstehenden Bereich 5 und dem Schwingring 6 ein Wert von 6,0 mm gewählt wird.

Mit einem derart aufgebauten Ultraschall-Wandler kann ein Öffnungswinkel der Schallkeule von etwa 5° erhalten werden.

Der erfindungsgemäße Ultraschall-Wandler arbeitet in der folgenden Weise:

Über die Metallelektroden 2,3 wird eine elektrische Wechselspannung an das Wandlerelement 1 angelegt, wodurch dieses zu Ultraschall-Schwingungen angeregt wird. Der dadurch erzeugte Schall wird bevorzugt auf der ebenen Stirnfläche 8 des Anpassungskörpers 4 abgestahlt, da auf dieser Seite des Wandlerelements 1 wegen der7\/4-Schicht des Anpassungskörpers 4 nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang der Ultraschall-Wellen in diese Λ/4-Schicht entstehen. Da dieΛ/4-Schicht des Anpassungskörpers 4 und der der Stirnfläche 8 zugewandte Teil des?v/2-Ringes aus dem überstehenden Bereich 5 und dem Schwingring 6 die Stirnseite des Anpassungskörpers 4 bilden, wird dieser, der Stirnfläche 8 zugewandte Teil des/^/2-Ringes gleichphasig zu Schallschwingungen angeregt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die freie Stirnfläche 8 des Anpassungskörpers 4 in ihrer vollen Ausdehnung nahezu gleichphasig schwingt und der abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel aufweist, da angenähert eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche 8 des Anpassungskörpers 4 begrenzte ebene Welle erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche

Ultraschall-Wandler mit

- einem piezoelektrischen Wandlerelement (1), das piezoelektrisch zu Ultraschall-Schwingungen anregbar ist,

- einem auf der einen Stirnfläche des Wandlerelements (1) aufgebrachten Anpassungskörper (4), der

(a) im Bereich des Wandlerelements (1) eine Dickenabmessung % /4 hat, wobei ^. die Wellenlänge der Schallwelle im Anpassungskörper (4) ist,

(b) aus einem Material mit einer Größe des Schallwellen-Widerstandes zwischen dem Wert des Schallwellen-Widerstandes des Materials des Wandlerelements (1)

und demjenigen des Mediums besteht, in das der Ultra-. schall abzustrahlen ist, und

(c) eine gegenüber der Flächenabmessung des Wandlerelements (1) wesentlich größere Flächenabmessung mit

- einem über den Rand des Wandlerelements (1) überstehenden Bereich (5) hat,

dadurch gekennzeichnet,

daß der überstehende Bereich (5) als %/2-Schwinger ausgebildet ist.
2. ,Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η

zeichnet , daß die Dickenabmessung des überstehenden Bereichs (5) % /2 der Schallwelle in diesem überstehenden Bereich (5) beträgt.
3. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeichnet, daß der überstehende Bereich

(5) einen Schwingring (6) aufweist.
4. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Schwingring (6) das Wandlerelement (1) umschließt, ohne dieses zu berühren.
5. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen dem Wandlerelement (1) und dem Schwingring (6) etwa die Hälfte der Schallwellenlänge in Luft bei der Frequenz des Wandlerelements (1) beträgt.
6. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Wandlerelement (1) mittels eines leitfähigen Klebers (2) mit dem Anpassungskörper (4) verbunden ist.
7. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Anpassungskörper (4) materialeinheitlich gestaltet ist.
8. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Anpassungskörper (4) aus mehreren Materialien hergestellt ist.
9. Ultraschall-Wandler nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß einerseits der dem Wandlerelement (1) benachbarte Bereich des Anpassungskörpers (4) sowie dessen überstehender Bereich (5) bis zu seinem äußeren Rand und andererseits der Schwingring (6) jeweils aus einheitlichen Materialien bestehen.
10. Ultraschall-Wandler nach den Ansprüchen 3 und 8, dadurch gekennzeichnet , daß einerseits der dem Wandlerelement (1) benachbarte Bereich des Anpassungskörpers (4) bis zum Innenrand des Schwingrings (6) und andererseits der Schwingring (6) sowie der diesem benachbarte bzw. überstehende Bereich (5) des Anpassungskörpers (4) jeweils aus einheitlichen Materialien bestehen.
11. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß die verschiedenen Teile des Anpassungskörpers (4) bildenden Materialien miteinander verklebt sind.
12. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß zur Befestigung in einem Gehäuse ein akustisches Dämpfungsmaterial (9) ausreichender mechanischer Stabilität auf der hinteren freien Stirnfläche des überstehenden Bereiches (5,6) oder auf dessen äußeren Rand vorgesehen ist.
13. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß als Dämpfungsmaterial Mischstoffe auf der Basis von ausgehärteten Kunstharzen oder Gummi verwendet werden, denen bzw. dem pulverförmige Zusatzstoffe beigefügt sind.
14. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 13, dadurch g ekennzeichnet , daß als Zusatzstoffe Metallpulver oder Bleimennige vorgesehen sind.
15. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch einen den äußeren Bereich des Anpassungskörpers umgebenden O-Ring (7), der in der Mitte dieses Bereiches umläuft und zur Befestigung in einem Gehäuse dient.
16. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 15, dadurch g ekennzeichnet , daß der O-Ring aus Gummi hergestellt ist.
17. Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine mit dem Anpassungskörper (4) und mindestens dem überstehenden Bereich (5) verbundene Befestigungsscheibe (10,11).
18. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet / daß die Befestigungsscheibe als Befestigungsring (11) gestaltet ist.
19. Ultraschall-Wandler nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet , daß die Befestigungsscheibe aus einem Metallblech einer Dicke von einigen Hundertstel bis wenigen Zehntel mm besteht.