Quarzsender hoher spezifischer Leistung für Ultraschallwellen. U m Ultraschall zum Beispiel unter Wasser abzustrahlen, ist es bekannt, dünne Quarzplat ten zwischen entsprechend bemessene, dicke Stahlplatten einzukitten, wie es etwa beim Langevin-Sender geschieht.
Erregt man einen derartigen Sender zu hohen spezifisehen Lei stungen und entfernt, ihn, insbesondere wäh rend des Betriebes, ohne die Spannung abzu schalten, aus dem Wasser bzw. aus dem Me dium, in das hinein er abstrahlen soll, so wird die Plattenkombination infolge der hohen Amplituden, die sie im ungedämpften Zustand erreicht, zerstört. Ein derartiger Sender ist also für medizinische Zwecke und für die Ma terialuntersuchung nicht geeignet.
Andere Ultrasehallsender vermeiden diesen Übelstand, indem sie eine ölfülliuig aufweisen, die eine hinreichend konstante Dämpfung bewirkt. Auch sie sind nicht sehr dauerhaft, da. sich das Öl infolge der hohen Hochfrequenzspan- nung und der entgasenden Wirkung des L1tra- schalles alsbald zersetzt. Überdies bedingt das Öl zahlreiche technische Schwierigkeiten in der Konstruktion.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Quarzsender hoher spezifischer Leistung, z. B. bis zu 20 Watt/cm2, bei welchem diese Nach teile vermieden sind. Derselbe zeichnet sich erfindungsgemäss dadurch aus, dass minde stens eine in in einem gasförmigen Medium seh%vingende, mit einer Spannung von Ultra sehallfrequenz erregte Quarzplatte eine Dicke von iQ/2 oder einem ganzzahligen Vielfachen davon aufweist, wobei AR die der Erregungs- frequenz - entsprechende Ultraschallwellen länge im Quarz bedeutet, und dass diese Quarz platte mindestens auf einer Seite mit einer Metallplatte verbunden ist,
die gemeinsam mit einer Quarz- und Metallplatte verbindenden Schicht eine solche Dicke aufweist, dass die Plattenkombination bei dieser Frequenz in Resonanz schwingt.
Die bei den bekannten Sendern auftreten den Kühlungsschwierigkeiten können ferner auf einfache Weise vermieden werden, indem die in der Plattenkombination entstehende Wärme über die Metallplatte an eine grosse Wärmekapazität abgeleitet wird.
In der Zeichnung zeigen Bild 1 ein Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemässen Quarzsenders, Bild 2 und 3 Detailvarianten, Bild 4 Diagramme.
Der Sender gemäss Bild 1 weist eine Quarz platte 1 und eine Metallplatte 2 auf, die durch eine gut haftende Verbindungsschicht 3 mit einander verbunden sind. Da Lösungsmittel enthaltende Verbindungsschichten infolge des langen Diffusionsweges praktisch nicht trock nen, wählte man bisher schmelzende Substan zen, wie Wachskolophonium, Pech, Siegellack u. a. m. Diese haben aber den Nachteil einer starken Temperaturabhängigkeit, platzen bei tieferen Temperaturen ab und zerfliessen bei höheren. Es wird deshalb vorgeschlagen, als Verbindungsschicht einen beim Abbinden polymerisierenden Kitt zu verwenden.
Bei der vorgesehenen Erregungsfrequenz des Senders erfolgt die Schwingung der Plat- tenkombination gemäss Bild 4a, wobei mit 1 wiederum der Quarz, mit 2 die Metallplatte und mit 3 die Kittschicht bezeichnet ist. Bild 4b veranschaulicht dagegen die Schwin- g-Ling der Plattenkombination beine oben er wähnten Langev in-Sender, bei welchem die Quarzplatte 1 mittels zweier Kittsehiehten 3 zwischen zwei Metallplatten 2 eingekittet ist.
Die dargestellten Kurven veranschaulichen die Schwingungsamplituden der in Dickenrielt- tung schwingenden Plattenelemente in Funk tion ihrer Lage. Man erkennt, dass sieh in Bild 4b die beiden Kittschichten 3 angenä hert im Bewegungsknoten, also dem Druck bauch, das heisst.
der Stelle höchster Drnek- und Zugbeanspi2ichiing, befinden, während sieh die Kittschicht 3 im Bild 4a im Bewe- gTingsbauch, also dem Druckknoten, das heisst der Stelle geringster Druck- und Zugbean- spritehung, befindet. Die Plattenkombination nach Bild 4a darf deshalb sehr hohe Sehwin- gungsamplituden erreichen, da. selbst dann die Kittsehieht praktisch keine Kräfte, sondern nur Bewegung überträgt. und somit nicht ab platzt.
Man sieht ferner, dass an den Grenz- flächen der Quarzplatte 1 Sehwingungsbäuehe sind, indem ihre Dicke 2,,i/2 beträgt, wobei 20 die Wellenlänge im Quarz bei der Erregungs frequenz bedeutet. Ferner befindet sieh auch an der untern Grenzfläche der Metallplatte 2 ein Schwingungsbauch, die Plattenkombina tion schwingt also in Resonanz.
Da es in vielen Fällen günstig sein kann, den Quarzsender zwecks besserer Anpassung an den Hochfrequenzgenerator niederohmiger zu machen, was durch eine entsprechende Ent- dämpfung und somit Entkopplung der Quarz platte von der Metallplatte geschehen kann, kann die Verbindungsschicht aus einem Mate rial geringeren Wellenwiderstandes gewählt. und entsprechend dicker bemessen werden, was zur Anordnung von Bild 2 führt.
Das Material der Verbindungsschicht muss hierbei möglichst kavitationsfrei sein, was durch eine gewisse Zähigkeit, wie sie zum Beispiel beim Anilin, Glyzerin, Rizinusöl und unvulkanisier- tem Kautschuk sich findet, erreicht wird. Auch in diesem Falle muss aber die Dicke der Quarzplatte 2,Q/2 betragen und muss die Plat tenkombination bei der Erregungsfrequenz in Resonanz schwingen.
Die Abführung der in der Plattenkombina tion entstehenden Verlustwärme erfolgt in je dem Falle über die Metallplatte 2 auf das Ge häuse S. Dieses kann mit einer Substanz hoher Wärmekapazität 9 gefüllt sein, z. B. Tetra- chresilsilikat, oder einer Substanz, deren Schmelzpunkt möglichst tief liegt (Phenol, Laurinsäure, Fixiersalz usw.) und deren Schmelzwärme möglichst hoch ist. In den Be triebspausen gibt die Substanz die absorbierte Wärme über das Gehäuse 8 wieder ab.
Da das Gehäuse 8 einen als Griff dienenden Fortsatz 11 aufweist, kann es vorteilhaft. sein, die Schwingungen der Metallplatte 2 vom Ge häuse fernzuhalten und dadurch ausserdem die Abstrahlung dieser Platte 2 noch zu steigern. Dieses kann durch Eindrehen einer Rille 15 geschehen, die das seitliche Abwandern der Radialwellen vermindert.
Da. die Platte 2 ausser Dickenschwingungen auch Quersehwin- giutgen, in diesem Falle also Radialsehwingun- gen, ausführt, kann. der Durchmesser dieser rings in die Platte eingedrehten Rolle 15 so gewählt werden, dass bei der vorliegenden Dik- kensehwingung sieh auch die Radialschwin- gung in Resonanz befindet, wobei infolge der engen Koppelung der beiden Wellenarten sieh wiederum die gewünschte Dickenschwingung entsprechend erhöht.
Das Optimum des innern Rillendurchmessers kann hierbei experimen tell bestimmt werden, indem durch kontinuier liches Abdrehen und zwischenzeitlich vorge nommene Abstrahlungsmessungen dieser R.il- lendurchmesser auf ein Optimum hin ge trimmt wird.
Die Zuführung der Hoehfrequenzspan- nung an die Quarzplatte 1 erfolgt. über die Rückelektrode 4, die einerseits einen möglichst guten elektrischen Kontakt mit der rückwär tigen Metallisierung der Quarzplatte bilden, anderseits durch ihre Berührung die Quarz schwingungen nicht unnötig dämpfen soll. Die Rückelektrode 4 ist deshalb an ihrer Auflage fläche mit. Sandstrahlgebläse oder andern me chanischen Mitteln stark aufgerauht oder mit einer spitzwinkligen Riffelung versehen.
Hier bei ist ein sehr guter elektrischer Kontakt ge währleistet, während infolge der zu kleinen Berührungsstellen die Ultraschallenergie nicht in die Rückelektrode abwandern kann.
Ein nicht in Öl arbeitender Ultraschall quarz neigt leicht zu Überschlägen an seinem Rande, was die Benutzung hoher Betriebs spannungen und damit die Erzeugung hoher Leistungen unmöglich macht. Diesbezüglich kann eine erhebliche Verbesserung dadurch erreicht werden, dass entgegen den üblichen Ausführungen der Durchmesser der Elektrode 4 nicht: kleiner, sondern grösser als die Quarz platte 1 gewählt wird, wodurch die andern falls an dem freien Quarzrand entstehenden freien elektrischen Ladungen, die die Über schläge erheblich fördern, abgeschirmt und unschädlich gemacht werden.
Bild 1 zeigt, ferner eine Zentrierkugel 5, die durch die Buchse 6 und die Feder 7 an die Elektrode 4 angedrückt wird. Das gut wärmeleitende Gehäuse 8 ist, wie bereits er wähnt, mit einer Kühlsubstanz hoher Wärme kapazität, z. B. einer solchen von hoher Schmelzwärme und tiefem Schmelzpunkt 9, gefüllt, welche durch die Einfüllschraube 10 eingebracht werden kann. Im Griff 11 ist ein Kugellager 12 eingebaut, welches das Kabel 13 drehbar in der Buchse 14 hält.
Bild 3 zeigt eine analoge Plattenkombina tion von grösserer abstrahlender Fläche, indem mit, der Metallplatte 2 statt einer einzelnen, mehrere Quarzplatten 1 durch entsprechende Kittschichten 3 verbinden sind. Die Anord nung der Quarzplatten kann hierbei so ge wählt sein, class eine vorgegebene und ge wünschte Strahlungscharakteristik, insbeson dere eine Erhöhung der Abstrahlung an den Rändern der Platte und eine Verminderung in der Mitte, erzielt wird. Dies kann beispiels weise dadurch geschehen, da.ss die Quarzplat ten am Rande der Metallplatte eng benach bart, in der Mitte hingegen mit grösseren Zwi schenräumen angeordnet sind.
Da die einzel nen Quarzplatten nur schwer in völlig gleicher Dicke erhältlich sind, lassen sie sieh nicht leicht so aufbringen, dass eine absolut plane Oberfläche entsteht. Eine plane Rückelektrode würde daher nur an vorstehenden Quarzplat ten anliegen und an den tieferliegenden zu Sprüherscheinungen führen. Um diesen Übel stand zu vermeiden, ist die Rückelektrode 4 mit einem elastischen Polster (Schwamm gummi) 4' gefüllt, welches ein Kupferdraht netz 4" an die metallisierten Rückflächen der Quarzplatten 1 und 1' drückt und auf diese Weise die an sich sehr wenig differierenden Dicken ausgleicht.
Quartz transmitter with high specific power for ultrasonic waves. In order to emit ultrasound under water, for example, it is known to cement thin quartz plates between appropriately sized, thick steel plates, as is the case with the Langevin transmitter.
If you excite such a transmitter to high specific Lei stungen and removed it, in particular during operation without switching off the voltage, from the water or from the medium into which it should radiate, the plate combination is due to the high amplitudes, which it reaches in the undamped state, destroyed. Such a transmitter is therefore not suitable for medical purposes and for material examination.
Other ultrasound transmitters avoid this inconvenience by having an oil filler that causes a sufficiently constant attenuation. They are not very permanent either. the oil will soon decompose as a result of the high high frequency voltage and the degassing effect of the ultrasound. In addition, the oil causes numerous technical difficulties in construction.
The present invention is a quartz transmitter with high specific power, e.g. B. up to 20 watts / cm2, in which these parts are avoided. According to the invention, the same is characterized in that at least one quartz plate which can be seen in a gaseous medium and is excited with a voltage of ultrasound frequency has a thickness of iQ / 2 or an integral multiple thereof, where AR is the one corresponding to the excitation frequency Ultrasonic wave length in quartz means, and that this quartz plate is connected to a metal plate on at least one side,
the layer connecting together with a quartz and metal plate has such a thickness that the plate combination vibrates in resonance at this frequency.
The cooling difficulties that occur with the known transmitters can also be avoided in a simple manner by dissipating the heat generated in the plate combination to a large heat capacity via the metal plate.
In the drawing, Figure 1 shows an embodiment of the quartz transmitter according to the invention, Figure 2 and 3 detail variants, Figure 4 diagrams.
The transmitter according to Figure 1 has a quartz plate 1 and a metal plate 2, which are connected to one another by a well-adhering connecting layer 3. Since solvent-containing connecting layers practically do not dry NEN due to the long diffusion path, you chose previously melting Substan zen such as wax rosin, pitch, sealing wax and. a. m. However, these have the disadvantage of a strong temperature dependence, flake off at lower temperatures and dissolve at higher temperatures. It is therefore proposed to use a cement that polymerizes during setting as the connecting layer.
At the intended excitation frequency of the transmitter, the plate combination oscillates according to Figure 4a, with 1 again denoting the quartz, 2 the metal plate and 3 the cement layer. 4b, on the other hand, illustrates the oscillation of the plate combination of the above-mentioned Langevin transmitters, in which the quartz plate 1 is cemented between two metal plates 2 by means of two putty lines 3.
The curves shown illustrate the vibration amplitudes of the plate elements vibrating in the direction of thickness as a function of their position. It can be seen that in Figure 4b the two cement layers 3 are approximated in the movement node, that is to say the pressure belly.
the point of highest stress and tension stress, while the cement layer 3 in Figure 4a is in the belly of movement, that is, the pressure knot, that is, the point of lowest stress and tensile stress. The plate combination according to Fig. 4a can therefore achieve very high visual oscillation amplitudes because. even then the cement sees practically no forces, but only transmits movement. and therefore does not flake off.
It can also be seen that at the boundary surfaces of the quartz plate 1 there are visual oscillation towers, in that their thickness is 2,, i / 2, where 20 means the wavelength in the quartz at the excitation frequency. Furthermore, there is also an antinode at the lower boundary surface of the metal plate 2, so the plate combination vibrates in resonance.
Since it can be beneficial in many cases to make the quartz transmitter lower-resistance for better adaptation to the high-frequency generator, which can be done by appropriate de-attenuation and thus decoupling of the quartz plate from the metal plate, the connecting layer can be selected from a material with a lower wave resistance . and dimensioned accordingly thicker, which leads to the arrangement of Figure 2.
The material of the connecting layer must be as cavitation-free as possible, which is achieved through a certain toughness, such as is found in aniline, glycerine, castor oil and unvulcanized rubber. In this case, too, the thickness of the quartz plate must be 2, Q / 2 and the plate combination must vibrate in resonance at the excitation frequency.
The dissipation of the resulting heat loss in the Plattenkombina tion takes place in each case via the metal plate 2 on the Ge housing S. This can be filled with a substance of high heat capacity 9, for. B. tetrachresilicate, or a substance whose melting point is as low as possible (phenol, lauric acid, fixing salt, etc.) and whose heat of fusion is as high as possible. During breaks in operation, the substance releases the absorbed heat via the housing 8 again.
Since the housing 8 has an extension 11 serving as a handle, it can be advantageous. be to keep the vibrations of the metal plate 2 from the Ge housing and thereby also to increase the radiation of this plate 2. This can be done by screwing in a groove 15, which reduces the lateral wandering of the radial shafts.
There. In addition to thickness vibrations, the plate 2 can also perform transverse vibrations, i.e. in this case radial vibrations. The diameter of this roller 15, which is screwed into the plate, can be chosen so that the radial oscillation is also in resonance with the thickness oscillation present, whereby the desired thickness oscillation is increased accordingly due to the close coupling of the two types of waves.
The optimum of the inner groove diameter can be determined experimentally by trimming this groove diameter towards an optimum through continuous turning and radiation measurements made in the meantime.
The high frequency voltage is fed to the quartz plate 1. About the back electrode 4, which on the one hand form the best possible electrical contact with the Rückwär term metallization of the quartz plate, on the other hand, the quartz vibrations should not unnecessarily dampen by their contact. The back electrode 4 is therefore on its support surface with. Sandblasting blower or other mechanical means heavily roughened or provided with an acute-angled corrugation.
Here at a very good electrical contact is guaranteed, while the ultrasonic energy cannot migrate into the back electrode due to the small contact points.
An ultrasonic quartz that does not work in oil tends to flash over at its edge, which makes the use of high operating voltages and thus the generation of high powers impossible. In this regard, a considerable improvement can be achieved in that, contrary to the usual designs, the diameter of the electrode 4 is not selected to be smaller, but larger than the quartz plate 1, whereby the free electrical charges that otherwise occur on the free quartz edge, which the over beats considerably promote, shielded and rendered harmless.
Figure 1 also shows a centering ball 5 which is pressed against the electrode 4 by the socket 6 and the spring 7. The highly thermally conductive housing 8 is, as it already mentioned, with a cooling substance of high heat capacity, for. B. one of high heat of fusion and low melting point 9, which can be introduced through the filler screw 10. A ball bearing 12 is installed in the handle 11, which keeps the cable 13 rotatably in the socket 14.
Figure 3 shows an analogous plate combination with a larger radiating surface, in that several quartz plates 1 are connected to the metal plate 2 instead of a single one by means of corresponding layers of cement. The arrangement of the quartz plates can be chosen so that a given and desired radiation pattern, in particular an increase in radiation at the edges of the plate and a reduction in the center, is achieved. This can be done, for example, by the fact that the quartz plates are closely spaced at the edge of the metal plate, but are arranged in the middle with larger spaces.
Since the individual quartz plates are difficult to obtain in completely the same thickness, they cannot be easily applied in such a way that an absolutely flat surface is created. A planar back electrode would therefore only rest against protruding quartz plates and lead to spray phenomena on the lower ones. In order to avoid this problem, the back electrode 4 is filled with an elastic pad (sponge rubber) 4 ', which presses a copper wire network 4 "to the metallized back surfaces of the quartz plates 1 and 1' and in this way the very little differentiating Balances thick.