DE4114180A1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Ultraschallwandler werden heute in einer Vielzahl von Anwendungen zur berührungslosen Abstandsmessung eingesetzt. Je nach der Anwendung werden in diesen Meßsystemen, die nach dem sogenannten Echolot bzw. Impulslaufzeitverfahren arbeiten, Ultraschallwandler mit einem sehr schmalen Schallstrahl oder einem sehr breiten Schallstrahl benötigt.

Will man beispielsweise mit einem Ultraschall-Echolot-System einzelne Flaschen auf einem Fließband zählen, ist ein Ultraschallwandler mit einem sehr schmalen Schallstrahl wün­ schenswert.

Auf der anderen Seite möchte man bei berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen für fahrerlose Transportsysteme oder bei Abstandswarngeräten für Kraftfahrzeuge eine Flä­ che in Fahrtrichtung abtasten, die mindestens so breit wie das jeweilige Fahrzeuge ist und eine Höhe von bis zu 1,5 Metern hat. Will man diese Aufgaben mit Ultraschall-Echolot- System lösen, werden Ultraschallwandler benötigt, die einen breiten Schallstrahl haben, jedoch sollte der Öffnungswinkel des Schallstrahls auch nicht größer als 45° sein. Versuche haben ergeben, daß für derartige Anwendungen ein Öffnungswinkel des Schallstrahls von 40° optimal ist. Der Schallstahl sollte vorzugsweise über seinem gesamten Winkelbereich keine Einbrüche in der Schallintensität haben, um eine lückenlose Abtastung der Fläche zu gewährleisten.

In den Patentschriften DE-PS 34 01 979 C2 und DE-PS 25 41 492 werden Ultraschall­ wandler beschrieben, die mit einer sogenannten λ/4-Anpaßschicht aus einem syntaktischen Schaum arbeiten. Den Patentschriften ist zu entnehmen, daß es Aufgabe der Erfindungen war, eine Schallstrahlung mit besonders geringem Öffnungswinkel zu realisieren. Es ist bekannt, daß mit dem in den diesen Patenten beschriebenen Verfahren keine Ultraschall­ wandler mit großem Öffnungswinkel zu realisieren sind.

Die Offenlegungsschriften DE 31 37 745 A1 und DE 38 26 799 A1 beschreiben Ultra­ schallwandler, die aus einem Schwingtöpfchen mit einem auf dem Topfboden angebrach­ ten piezokeramischen Schwinger und ein in das Schwingtöpfchen eingebrachtem Dämp­ fungsmaterial bestehen. Dieses Dämpfungsmaterial hat die Aufgabe, das Schwingungssy­ stem ausreichend zu dämpfen, um möglichst kurze Nachschwingzeiten zu erhalten.

Durchmesser und Dicke der Schwingmembran bestimmen die Resonanzfrequenz des Ultra­ schallwandlers und den Öffnungswinkel des Schallstrahls.

Wandler dieser Bauart werden vorzugsweise auf der ersten Oberschwingung betrieben, da hier die Wandler ihre größte Empfindlichkeit haben. Bei dieser Betriebsart bilden sich rota­ tionssymmetrisch - ausgehend vom Mittelpunkt der Schwingmembran - ein Schwingungs­ bauch, ein Schwingungsknoten, ein Schwingungsbauch und am äußeren Rand, dem Auf­ hängungspunkt der Schwingmembran, wieder ein Schwingungsknoten aus. Die beiden Schwingungsbäuche schwingen zueinander mit einer Phasenverschiebung von 180°. Dies verursacht den für diese Wandler typischen Schallstrahl mit einer breiten Hauptschallkeule und der ausgeprägten rotationssymmetrischen Schallnebenkeule. Gerade diese Schallne­ benkeule ist für die Eingangs beschriebenen Anwendungen von großem Nachteil, da die Schallintensität zwischen der Schallnebenkeule und der Schallhauptkeule sehr stark ein­ bricht und in diesem Bereich somit keine Echos empfangen werden können. Ein weiterer Nachteil ist, daß durch die Schallnebenkeule der Öffnungswinkel des Schallstrahl für die praktische Anwendung zu groß wird. Versuche, mit Schalltrichtern den Öffnungswinkel des Schallstrahl zu verkleinern, haben zu keiner befriedigenden Lösung geführt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler dieser Art so weiterzubilden, daß nur die Hauptschallkeule für die gestellten Meßaufgaben genutzt wird und die rotationssymmetrische Schallnebenkeule so weit unterdrückt wird, daß sie keine auswertbaren Signale mehr liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Bedämpfung des Schwingsystems nicht in das Schwingtöpfchen einzubringen, sondern auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran. Das Dämpfungsmaterial wird ringförmig auf der Außenseite der Schwingmembran aufgebracht und deckt den Bereich zwischen inneren und äußeren Schwingungsknoten vollständig ab. Bei einer solchen Ausbildung absorbiert das Dämpfungsmaterial den durch den zweiten Schwingungsbauch abgestrahlten Anteil des Schallstrahls und läßt in diesem Bereich der Schwingmembran auch keinen Empfang von Echosignalen zu. Für dieses Dämpfungsmaterial wird vorzugsweise ein Silikonkautschuk oder ein geschlossenporiger Schaumstoff verwendet.

Bei einer bevorzugten Ausführung ragt das Dämpfungsmaterial noch über den äußeren Rand der Schwingmembran hinaus und umschließt zugleich die umlaufende Topfwan­ dung. Vorteilhaft ist, daß das Dämpfungsmaterial hier zu einem Formteil ausgearbeitet wer­ den kann. Somit kann das Schwingelement einfach in das Formteil eingepreßt werden, was den fertigungstechnischen Aufwand erheblich reduziert.

Die Erfindung und deren vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des Ultraschallwandlers.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschall­ wandlers.

Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers.

In Fig. 5 ist als Schnittzeichnung dargestellt, wie die Schwingmembran auf ihrer 1. Ober­ schwingung arbeitet.

Fig. 6 zeigt ein Richtdiagramm eines Ultraschallwandlers nach dem Stand der Technik.

In Fig. 5 ist ein Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik mit einem topfförmigen Schwingelement (1), seiner Schwingmembran (2) und der auf der Innenseite des Schwingelements befestigte piezokeramische Schwinger (3) zu sehen. Die beiden Drähte (4) dienen zum elektrischen Anschluß des Schwingers. Wegen der besseren Übersicht ist in der Zeichnung das üblicherweise in das Schwingtöpfchen eingebrachte Dämpfungsmate­ rial nicht dargestellt.

Die Schwingmembran schwingt auf ihrer 1. Oberschwingung. Die Momentaufnahmen der maximalen Membranauslenkungen zeigen den im Mittelpunkt der Membran liegenden Schwingungsbauch (22), den sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Schwin­ gungsknoten (21), den äußeren rotationssymmetrischen Schwingungsbauch (23) und den äußeren Schwingungsknoten (20), der mit dem Aufhängungspunkt der Membran zusam­ menfällt.

In dem Richtdiagramm in Fig. 6 sieht man die für einen Ultraschallwandler gemäß Fig. 5 typische rotationssymmetrische Hauptschallkeule (100) und die rotationssymme­ trische Schallnebenkeule (101).

Fig. 1 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Weiterbildung des Ultraschallwand­ lers. Auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran (2) ist ringförmig ein Dämpfungsmaterial (30) aufgebracht. Das Dämpfungsmaterial deckt die Schwingmembran zwischen dem inneren Schwingungsknoten (21) und dem äußeren Schwingungsknoten (20) vollständig ab.

Über die Materialeigenschaften und die Schichtdicke des Dämpfungsmaterials wird das Nachschwingverhalten des Schwingsystems und die Bedämpfung der Schallnebenkeule eingestellt. Neben der halbkreisförmigen Ausgestaltung der Wulst sind auch andere For­ men möglich. Wichtig ist nur, daß die Wulst eine Materialstärke hat, die die Schallneben­ keule ausreichend bedämpft.

Das Richtdiagramm in Fig. 2 zeigt, daß durch das außen auf der Schwingmembran auf­ gebrachte Dämpfungsmaterial nun die Nebenschallkeule vollständig unterdrückt wird.

In der bevorzugten Ausführung in Fig. 3 umschließt das Dämpfungsmaterial (40) zusätz­ lich die umlaufende Topfwandung des Schwingelements (1). Das Dämpfungsmaterial ist zu einem Formteil ausgearbeitet, in dem das Schwingelement nachträglich eingepreßt und durch eine umlaufende Lippe (41) gehalten wird.

Schwingelement und Formteil können anschließend durch Preßsitz in ein Gehäuse einge­ bracht werden.

Es ist auch möglich, das Dämpfungsmaterial durch ein Spritzverfahren direkt auf das Schwingelement aufzutragen. In diesem Fall ist das Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden, wodurch Wasser- und Schmutzeinschlüsse zwischen Dämp­ fungsmaterial und Schwingkörper vermieden werden.

In der Ausführung der Erfindung nach Fig. 4 ist das Schwingelement (1) in ein dünn­ wandiges Formteil (50) eingesetzt. Die kleinere Trichteröffnung hat einen Durchmesser, der etwa dem des Schwingungsknoten (21) entspricht. Der Rand dieser Trichteröffnung und die Schwingmembran sind mit einem Silikonkautschuk (52) abgedichtet. Das Form­ teil ist vorzugsweise aus einem schlag- und witterungsfestem Kunststoff gefertigt. In dem Zwischenraum zwischen Schwingelement und Formteil ist ein Dämpfungsmaterial (51) eingebracht. Da das Dämpfungsmaterial in dieser Ausführungsform gegen äußere Umwelt­ einflüsse geschützt ist, kann hierfür auch ein flockiger Stoff wie Glaswolle benutzt wer­ den.

Abschließend sollen die Vorteile der Erfindung noch einmal zusammengefaßt werden: Ultraschallwandler, die aus einem topfförmigen Schwingelement und einem auf dem Topf­ boden aufgebrachten piezokeramischen Schwinger aufgebaut sind, haben ihre größte Emp­ findlichkeit, wenn sie auf der 1. Oberschwingung betrieben werden. In dieser Betriebsart bildet sich jedoch ein Schallstrahl mit einer rotationssymmetrischen Hauptschallkeule und einer rotationssymmetrischen Schallnebenkeule aus.

Erfindungsgemäß wird auf der Schwingmembran der ringförmige Bereich zwischen inne­ rem und äußerem Schwingungsknoten mit einem akustischen Dämpfungsmaterial abge­ deckt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung bewirkt, daß die Schallnebenkeule vollständig unterdrückt wird und so die Hauptschallkeule mit ihrer vollen Empfindlichkeit für die Ein­ gangs beschriebenen Meßaufgaben genutzt werden kann. Das aufgebrachte Dämpfungsma­ terial bedämpft zusätzlich das Schwingsystem, wodurch die üblicherweise in das Schwing­ töpfchen eingebrachte Bedämpfung entfallen kann. Über den Durchmesser und die Dicke der Schwingmembran kann der Öffnungswinkel der Hauptschallkeule variiert werden.

Claims (4)

1. Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbreitungsmedium, bestehend aus ei­ nem topfförmigen Schwingelement mit einer umlaufenden Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran wirkenden Topfboden ein piezokeramischer Schwinger angebracht ist dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran, ausgehend vom ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmem­ bran bis zum äußeren Rand des Schwingelements, ein akustisches Dämpfungsmaterial aus­ reichender mechanischer Stabilität ringförmig aufgebracht ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Schwingelements in einem Gehäuse das aufgebrachte Dämpfungsmaterial noch über den äußeren Rand des Schwingelements hinausragt und zugleich den Topfmantel mit um­ schließt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das aufge­ brachte Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden ist.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dünnwandi­ ges, trichterförmiges Formteil ausreichender mechanischer Stabilität vor der Schwingmem­ bran angebracht ist und die kleinere Öffnung des Formteils einen Durchmesser hat, der in der gleichen Größenordnung liegt wie der des ersten Schwingungsknoten der Schwing­ membran und daß diese Öffnung zentriert über dem ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran liegt, wobei das akustisches Dämpfungsmaterial in dem Hohlraum zwi­ schen dem Formteil und dem Schwingelement ringförmig eingebracht ist.