CN103026183A - 用于在流体介质中使用的超声波换能器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在流体介质中的使用的超声波换能器（114）。该超声波换能器（14）包括至少一个壳体（122）和至少一个至少部分地接收在壳体（122）中的换能器芯（134）。所述换能器芯（134）包括至少一个声电换能器元件（136）。在所述壳体（122）中还接收至少一个阻尼材料（142）。所述阻尼材料（142）具有至少一个基体材料（170）和至少一个加入到基体材料（170）中的第一填充材料（172）和至少一个加入到基体材料（170）中的第二填充材料（174）。所述第一填充材料（172）具有比基体材料（170）低的比重。所述第二填充材料（174）具有比基体材料（170）高的比重。

Description

用于在流体介质中使用的超声波换能器

背景技术

由现有技术已知用于不同的应用领域的超声波换能器。因此超声波换能器例如在流体介质以及例如气体和/或液体中使用，以便测量流体介质的液位和/或流动特性，例如质量流量或体积流量或速度。尤其是这种超声波换能器在内燃机的吸气和/或排气管中使用。变换地或附加地，超声波换能器也可以例如作为距离传感器在空气或其它气体或液体中使用。也可以在本发明的范围中按照本发明改进的超声波换能器的例子在DE20302582U1、EP0766071A1中、在DE102007010500A1中或在将要公开的DE102009046144.2中描述。

超声波换能器通常具有一个电声换能器元件，例如压电换能器元件，它被设置用于将电信号转换为超声波信号或将超声波信号转换为电信号。因此，由现有技术已知基于压电陶瓷的超声波换能器，它附加地可以包括至少一个阻抗匹配层，例如λ/4阻抗匹配层，其中，电声换能器元件和可选的至少一个阻抗匹配层形成一个换能器芯。该换能器芯能够安装在壳体、例如壳体套筒中。在这里一般的难点在于抑制寄生超声波路径，它穿过传感器壳体的材料向着换能器芯或在相反方向上延伸。这样的寄生超声波路径否则会使测量信号失真，由此例如求出的关于待测量的流速的值经常超过公差极限。因此由现有技术、例如以上引用的文献原则上已知在壳体内部中使用的阻尼元件。例如可以在换能器芯和壳体套之间设置去耦合元件。此外在很多情况下在套筒内部设置一个阻尼填料。由现有技术在此已知不同的阻尼材料。由H.Wang等人的“Passive Materials for High FrequencyUltrasound Transducers”，1999SPIE Conference Proceedings，Society of PhotoOptical Instrumentation Engineers已知用于阻抗匹配、用于浇注和作为超声波传感器的棱镜材料的无源材料。在这里使用由金属氧化物和塑料组成的混合物以及由钨和塑料组成的混合物。由F.El-Tantawy等人的“A novelultrasonic transducer backing from porous epoxy resin-titanium-silane couplingagent and plasticizer composites”，Materials Letters58(2003)154-158已知用于超声波阻尼的复合材料，它含有具有钛颗粒的环氧树脂。由M.Grewe等人的“Acoustic Properties of Particle/Polymer Composites for UltrasonicTransducer Backing Applications”，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.37，No.6，November1990，506-514同样已知由钨颗粒和乙烯基-塑料组成的混合物作为超声波换能器的阻尼材料。

尤其是在开发用于气体的基于超声波传播时间的测量的流量传感器时通常难点在于，在使用阻抗匹配层时通常也仅能够在待测量的气体中产生比较小的超声波振幅，从而与超声波信号叠加的、通过传感器壳体传递的固体声含量特别要紧地起作用。另一方面，超声波换能器在存在侵蚀介质时不能简单地通过软的且由此不那么坚固的材料在固体声方面去耦合地悬挂在壳体中。覆盖位于其后的、软的去耦合的保护膜本身大多传递不可忽视的固体声含量。因此如以前一样存在对阻尼材料的需求，阻尼材料能够引起超声波换能器的改善的固体声去耦合。

发明内容

相应地提出一种超声波换能器和一种用于制造超声波换能器的方法，它避免已知的超声波换能器的上述缺点。本发明的贡献尤其是：实现了对超声波换能器的改进的阻尼，其方式是固体声含量尽管不一定在其振幅方面、但是在其发射时间间隔方面被限制，使得它在用于真正的有效信号的接收时间间隔开始时已经被衰减。由此能够实现对超声波传播时间的更精确的测量和由此又实现更精确的流量测量。对于在流量测量中的使用变换地或附加地，按照本发明的超声波换能器但是也可以用于很多其它的用途，例如上述用途中的一个或多个。所提出的超声波换能器尤其是由于突出的阻尼特性允许用在具有至少两个超声波换能器的装置中，这些超声波换能器相互交替地作用。但是原则上也可实现其它的布置。

提出一种用于在流体介质、尤其是气体和/或液体中使用的超声波换能器。它包括至少一个壳体和至少一个至少部分地接收在壳体中的换能器芯。壳体在此应理解为一个结构，它具有至少一个至少部分封闭或也可能部分打开的内室，例如空室。壳体可以例如套筒状地构成，尤其是至少基本上旋转对称地构成。壳体可以尤其是实现以下任务，即给容纳在壳体的内室中的超声波换能器部件提供相对于机械和/或化学影响的保护。壳体可以例如由塑料和/或金属材料制成。但是原则上也可实现陶瓷壳体。

换能器芯包括至少一个声电换能器元件。声电换能器元件在此应理解为一个元件，它被设置用于将声学信号（例如超声波）转换为电信号和/或反之亦然。声电换能器元件尤其可以是至少一个压电换能器元件，例如压电陶瓷，优选具有两个或多个电极。但是原则上可想到其它的设计方案。换能器芯还可以包括至少一个阻抗匹配体，例如至少一个阻抗匹配层，例如在上述现有技术中描述的阻抗匹配层。阻抗匹配层优选具有位于声电换能器元件的声学阻抗和流体介质的声学阻抗之间的声学阻抗，理想地在这些声学阻抗的几何平均上。此外可以在换能器芯中设置其它元件，例如一个或多个热匹配层，它们例如被设置用于使声电换能器元件的膨胀系数与阻抗匹配层或一般阻抗匹配体的膨胀系数相匹配。也已知这样的结构。因此换能器芯例如可以具有多部件式的结构，具有声电换能器元件和在其面向流体介质的侧上具有可选的阻抗匹配体以及还可选地在阻抗匹配体与声电换能器元件之间具有至少一个热匹配体。下面还要详细地描述例子。

在壳体中还接收至少一个阻尼材料。阻尼材料可以例如形成至少一个阻尼元件或形成这样的阻尼元件的组成部分。阻尼材料可以例如径向地包围声电换能器元件和/或换能器芯。阻尼材料也可以在换能器芯和/或声电换能器元件的背对流体介质的一侧上被接收。尤其是阻尼材料应当优选直接在至少一个部位上与声电换能器元件接触。尤其是阻尼材料可以被接收在声电换能器元件和/或换能器芯与壳体之间，例如在壳体和换能器芯之间的中间空间中。不同的设计方案在下面详细地被描述。

阻尼材料包括至少一个基体材料，例如优选形成整个阻尼材料的主要份额并且可以例如形成均匀的基体的材料。尤其是基体材料可以包括至少一个塑料，优选热固性塑料和/或弹性体材料。变换地或附加地，但是原则上也可以想到使用热塑性材料。基体材料可以尤其是被这样地设计，使得它基本上引起阻尼材料和/或由阻尼材料形成的阻尼体的粘合，其方式是它例如作为阻尼材料的其余成分之间的粘合剂作用。

阻尼材料还包括至少一个加入、例如混入基体材料中的第一填充材料和至少一个加入、尤其是混入基体材料中的第二填充材料。这些填充材料可以尤其是以颗粒形式存在，从而例如填充材料的颗粒彼此优选不接触，而是通过基体材料引起粘合。填充材料可以尤其是在基体材料中基本上均匀分布，例如散开。除了使用两个不同的填充材料的思想，本发明的重要构思在于，第一填充材料（其中也可以设置多个第一填充材料）具有比基体材料低的比重（即较小的密度）并且第二填充材料具有比基体材料高的比重。

阻尼材料可以尤其是如上所述安放在壳体和换能器芯之间的至少一个中间空间中。换能器芯尤其是可以直接地或间接地逆着电声换能器的辐射方向向后支撑在至少一个支撑元件、尤其是壳体的至少一个支撑元件上。壳体可以为此目的向后、即在背对流体介质的侧上封闭地构成。对于壳体在背对流体介质的侧上完全封闭，变换地或附加地也可以设置一个或多个开口，通过这些开口换能器芯和/或超声波换能器的接收在壳体中的其它部件能够向后膨胀，其中同时仍应当得到支撑。变换地或附加地，所述至少一个支撑元件也可以包括一个或多个从壳体边缘伸入到超声波换能器内部的支撑元件，例如一个或多个支撑凸缘、卷边帽、向内弯折的叶片或类似物。不同的实施例在下面详细地被说明。

基体材料可以尤其是包括塑料材料。基体材料尤其是可以包括可时效硬化的塑料，例如在时效硬化状态中。可时效硬化的塑料在此应理解为塑料，它具有至少一个流态的、能流动的状态和至少一个时效硬化状态，在时效硬化状态中塑料不会或至少不再基本上在超声波换能器的运行中常见的力作用下在宏观上改变其形状。例如塑料在时效硬化的情况下能够改变其化学形式，例如其方式是在时效硬化期间发生塑料交联。但是变换地或附加地也可以发生相变。基体材料可以例如包括塑料材料，它在时效硬化状态中具有在10与100邵氏A之间的硬度。特别优选在20至70之间，例如在50和60之间以及特别优选55的邵氏A硬度，例如具有55邵氏A硬度的双组分硅树脂。尤其是塑料可以包括至少一个环氧树脂和/或至少一个硅树脂材料。通常例如可以使用可时效硬化的弹性体材料。可时效硬化的塑料可以基本上具有一个任意的时效硬化过程。例如可以出现化学诱发的时效硬化。变换地或附加地，也可以使用热的和/或光化学的时效硬化过程。塑料可以例如是单组分和/或多组分塑料。其中例如可以设置固化剂材料，它例如被混合在塑料的第二材料中，以便化学地开始时效硬化过程。尤其是可以使用双组分硅树脂材料。如下面还要详细说明那样，在这里在未时效硬化的状态中基体材料的和/或整个阻尼材料的粘度在很多情况中具有关键作用。在这里特别优选的是，基体材料在未时效硬化的状态中具有至少200mPas、尤其至少500mPas的粘度。这样的粘度可以例如通过适当选出基体材料和/或通过基体材料的适当化学改性来实现。未时效硬化的状态在此通常应理解为一种状态，其中基体材料和/或阻尼材料这样地可变形，使得它们可置入到壳体中。在此如下面要详细说明那样，例如可以使用浇注过程。基体材料可以尤其是在非时效硬化的状态中具有触变特性。这意味着，基体材料优选在一个状态（其中没有或仅有很小的剪切力作用在基体材料上）中具有高的粘度，而在剪切力或较高的剪切力的作用下出现较低的粘度。

第一填充材料具有比基体材料低的比重。第一填充材料尤其是可以具有一个比重，该比重为基体材料的比重的最多0.9，优选最多0.5和特别优选最多0.1或更少。第一填充材料尤其是可以具有以下填充材料中的一个或多个：空心体，尤其是空球；具有可变形（例如塑性和/或弹性）壳、尤其是塑料壳的空心体，例如由聚乙烯或其它塑料材料制成；塑料空心体、尤其是填充气体的塑料空心体，尤其是填充气体的塑料空球；玻璃空心体、尤其是填充气体的玻璃空心体。第一填充材料如上所述尤其可以是粒状的填充材料，即包括大量颗粒的填充材料。第一填充材料可以尤其是具有在正常条件下大小（例如等效直径、尤其是d₅₀等效直径）为最多200微米、优选最多100微米和特别优选最多20微米或小于20微米的颗粒，例如空球。第一填充材料尤其是可以具有不超过1.0g/cm³、尤其是不超过0.5g/cm³、优选不超过0.1g/cm³和特别优选不超过0.08g/cm³的比重。

第二填充材料同样优选可以包括一个或多个类型的颗粒。尤其是第二填充材料可以包括以下填充材料中的一个或多个：金属、尤其是钨；碳化钨；紫铜；镍；锌白铜；青铜；包含金属的化合物，例如金属氧化物、尤其是具有上述金属之一的化合物；粉末状的填充材料，尤其是金属粉末和/或陶瓷粉末。第二填充材料尤其是可以具有至少5g/cm³、优选至少10g/cm³和特别优选至少15g/cm³的比重。第二填充材料可以尤其是具有颗粒大小（例如等效直径、尤其是d₅₀等效直径）不超过50微米和特别优选不超过10微米以及尤其是不超过5微米和特别优选不超过2微米的粉末。第二填充材料可以尤其是具有所述阻尼材料的至少15%、优选至少50%和特别优选至少66%的重量百分比。第一填充材料可以尤其是具有所述阻尼材料的至少0.05%、优选至少0.15%和特别优选至少0.5%的重量百分比。

除了按照所描述的设计方案中的一个或多个的超声波换能器外，还提出一种用于制造超声波换能器的方法。超声波换能器尤其是在此可以是按照本发明的设计方案中的一个或多个的超声波换能器，从而在超声波换能器的可能设计方案方面可以参考上面的描述。但是原则上也可根据所提出的方法制造其它的超声波换能器。在下面提出的方法步骤中可以在此以所述的顺序执行，但是基本上也可以以另一种顺序执行。也可执行附加的未提到的方法步骤。另外也可以在时间上并行地、在时间上重叠地或单个地或成组地重复执行提到的方法步骤中的单个或多个。

在提出的方法中将至少一个换能器芯至少部分地放入一个壳体中。所述换能器芯包括至少一个声电换能器元件。在所述壳体中还放入至少一个阻尼材料。在所述阻尼材料中接收至少一个基体材料和至少一个加入到基体材料中的第一填充材料以及至少一个加入到基体材料中的第二填充材料。填充材料的加入可以同样是所提出的方法的组成部分。第一填充材料在此具有比基体材料小的比重，而第二填充材料具有比基体材料高的比重。所述基体材料可以尤其是具有至少一个可时效硬化的材料，其中，将所述可时效硬化的材料在未时效硬化的状态（这也可以包括未完全时效硬化的状态，见上）下装入到壳体中并且接下来时效硬化。

填充材料中的至少一种，尤其是第一填充材料可以在加入到基体材料中之前（这优选在将阻尼材料装入到壳体中之前进行）通过一个或多个方法步骤被预处理。因此可以尤其是首先通过热处理预先膨胀填充材料中的至少一个，尤其是第一填充材料，然后将其加入到基体材料中和/或阻尼材料中。该方法特别适合于例如上述类型的包括空心体、例如塑料空心体和/或玻璃空心体的填充材料。在预先膨胀之前可以使填充材料、例如第一填充材料尤其是与阻尼材料的至少一个成分、尤其是与基体材料的至少一个成分、例如硅树脂的树脂成分交联，以便接下来经受预先膨胀。附加地或替代地可以在将阻尼材料加入到壳体中之后进行填充材料、尤其是第一填充材料的膨胀，例如在基体材料的时效硬化之前或期间。

对于将阻尼材料和/或基体材料置入壳体中而言，可以尤其是使用浇铸过程，例如真空浇铸过程。真空浇铸过程可以尤其是具有优点，即阻尼材料和/或基体材料的脱气可以同时地和/或在即将置入到壳体中之前进行。阻尼材料和/或基体材料可以在置入到壳体中之后被凝胶化。

在所提出的超声波换能器和所提出的方法中，阻尼材料包括基体材料，例如起阻尼作用的塑料，具有至少两个呈至少两个填充材料形式的混入物，其中一个比基体材料轻，另一个比基体材料重。作为基体材料尤其是可以考虑硅树脂。金属可以尤其适合作为较重的混入物。较轻的混入物例如可以设计成空室的形式。它们例如直接被包围在基体材料内部或在附加的包套中，例如呈塑料空心体和/或塑料空球的形式。

由现有技术已知的具有金属混入物的阻尼材料尽管比较好地阻尼声电换能器元件的过渡振动，因为它通过高的密度和由此高的声学阻抗良好地匹配于声电换能器元件，但是相应地将很多固体声传送给壳体。具有塑料空球、没有金属颗粒的泡沫材料或阻尼材料尽管足够好地去耦合，但是由于相应小的密度和由此小的声学阻抗也从声电换能器元件接收少的能量，从而换能器元件在短的具有脉冲的激励之后也更长时间地执行振动，这些振动在该较长的时间间隔内可以通过其他的固体声路径传递。这样的去耦合在使用在声电换能器元件上的保护膜时例如绕过该保护膜并且通常是无用的。具有塑料空球没有金属颗粒的泡沫材料或阻尼材料此外比较差地阻尼径向和厚度振动的压电元件并且在任何情况下适合阻尼以比较小的声学阻抗耦合输入的振动，如其例如在膜式振动器中存在那样，例如在泊车操控系统中。

根据本发明令人惊讶地发现，如下面通过比较测量还详细证明的那样，恰好重的和轻的填充材料（分别相对于基体材料而言）的组合具有特别好的阻尼特性。这是令人惊讶的，因为在较轻和较重的填充材料混合时在宏观上看声学阻抗大多通过较重的填充材料决定，尤其是当较重的填充材料明显重于基体材料并且在整个阻尼材料中占据比较大的百分比时。因此可以设想，较轻的填充材料的附加混入几乎不应带来改变。但是与该设想相反，仅仅这样的填充材料的组合就导致有效的去耦合。例如第一填充材料可以形成阻尼材料中的具有比基体材料小的声学阻抗的区域。第二填充材料可以形成具有比基体材料的声学阻抗高的声学阻抗的区域（例如又颗粒状的参杂）。具有高的和低的声学阻抗的包围区域的塑料组合能够以该方式导致有效的去耦合。超声波换能器可以尤其是这样地构成，即壳体可以向着流体介质具有至少一个耦合开口，通过耦合开口可以输出超声波信号到流体介质和/或从流体介质接收超声波信号。耦合开口可以尤其是通过保护膜封闭。通过阻尼材料可以至少部分地补偿保护膜的不利作用并且同时利用这样的保护膜的优点。按照本发明的超声波换能器的有效阻尼和/或去耦合导致，总共需要比在传统的超声波换能器中少的阻尼材料，尤其是较小的阻尼材料体积。由此明显减小了基于阻尼材料、例如阻尼填料的热膨胀而作用在连接金属线上的行程。例如可以这样地减少壳体中的阻尼材料的量，使得声电换能器元件的表面、例如压电体表面正好被覆盖，从而它例如被阻尼材料覆盖不超过1mm。具有小于1mm、例如具有不超过0.5mm的覆盖基本上是可能的。通过正好覆盖声电换能器元件的表面连同所属的接触部位，后者有利地被保护并且比在壳体的较高阻尼填充时明显更坚固，例如相对于温度冲击而言。

附图说明

本发明的实施例在图中示出并且在下面的说明书中详细阐述。其示出：

图1示出用于确定流动特性的超声波传感器装置的一个实施例；

图2至6示出按照本发明的超声波换能器的不同设计方案；

图7A和7B示出例如按照图1的传感器装置中的超声波换能器对于不同的按照本发明的和不按照本发明的阻尼材料的信号分布；

图8示出按照本发明的阻尼材料的示意的成分；和

图9示出用于制造按照本发明的阻尼材料的示意方法。

具体实施方式

在图1中示出一个传感器装置110的实施例，它例如可以被用于确定流动管112中的流体介质的流动特性。该传感器装置110在所示的实施例中包括两个超声波换能器114，它们被安置在流动管112的管壁116中并且它们在图1中用P1和P2表示。传感器装置110可以例如被用于求出通过流动管112的流速。两个在流动方向上错开地安装的超声波换能器114（P1和P2）直接地发送或如在图1中所示通过一个反射面118相互发射超声波脉冲。超声波信号的所希望的信号传播也被称为有效路径120并且在图1中以虚线表示。此外固体声通过管壁116和/或通过超声波换能器114的壳体122在两个超声波换能器114之间传递。固体声传递在图1中象征性地通过实线箭头124表示。

在图2至6中示意地示出不同的超声波换能器114。在这里图2至4、5B和6分别从侧面示出超声波换能器114的剖视图，而图5A从背对流体介质的一侧示出根据图5B的超声波换能器114的背侧视图。超声波换能器114分别包括具有内室126的壳体122。壳体122例如基本上套筒形地构成并且向着流体介质具有一个耦合开口128，在该耦合开口上形成用于辐射出和/或接收超声波信号的辐射面130。辐射开口128在所示的实施例中被一个保护膜132、例如塑料保护膜覆盖。在内室126中还容纳至少一个换能器芯134。初级的声电转换，例如机电转换在一个包含在换能器芯134中的声电换能器元件136内部进行。例如声电换能器元件在这里指的是被电接触的压电陶瓷，它因此在图2中在不限制可能的设计方案的情况下也通过P表示。还通过一个在图2中也以A表示的阻抗匹配层138进行声电换能器元件136与待测量的介质的声学阻抗匹配。保护膜132在图2中以F表示。换能器芯134还可以包括另外的元件，例如在图4中举例地示出那样，包括至少一个热匹配体140、尤其是在声电换能器元件136和阻抗匹配层138之间。不同的其它设计方案是可行的。换能器芯134安放在图中举例地套筒形地示出的壳体122中并且相对于待测量的介质通过保护膜132覆盖，以防例如受到湿气、侵蚀性介质和磨蚀性颗粒影响。

此外在内室126中，即在换能器芯中放置阻尼材料142，该阻尼材料也可以被称为减振材料，以便对换能器芯134减振。该阻尼材料142可以例如以硅树脂的形式实现和/或作为浇注材料实现。阻尼材料142可以如在图2、4、5A、5B和6中的实施例中所示完全地填满换能器芯134和壳体122之间的中间空间直到填充高度144。填充高度144可以被这样地选择，使得换能器芯134的一个指离流体介质的表面和/或连接触点146优选完全被阻尼材料142覆盖。变换地或附加地，在换能器芯134和壳体122之间的中间空间中还可以装入较宽的元件，如在图3中的实施例中举例地所示那样。在该情况中，例如还可以在中间空间中容纳一个稳定元件148。例如该稳定元件148可以包括由液态硅树脂（例如Liquid Silicone Rubber,LSR）制成的材料。稳定元件148可以例如用于使换能器芯134、尤其是阻抗匹配层138定心和/或稳定，和/或在最终产品中满足在换能器芯134、尤其是阻抗匹配层138和壳体122之间的补偿元件的功能，从而例如能够减小超声波换能器114内部的张力。

附加地在换能器芯134中可以如上所述地容纳至少一个另外的材料和/或至少一个另外的元件。例如它在这里可以如上所述是至少一个热匹配体140。该匹配体或该层可以被用于使通过阻抗匹配层138的热膨胀产生的张力保持远离声电换能器元件136，例如压电元件。为此，该热匹配体140的膨胀系数应当接近声电换能器元件136的膨胀系数，例如约10ppm/°K或更小。附加地或替代地，热匹配体140可以被用于限制声电换能器元件136、例如压电体的弯曲能力。即直的较薄的压电体除了主要使用的平整模式和厚度模式之外还具有弯曲振动，该弯曲振动通过一个另外的声学阻抗耦合输入到周围的阻尼材料142中。大多重要的是，阻尼材料被这样地调整，使得所有三个振动类型都被有效地减振。此外热匹配体140为此可以具有声学耦合作用，尤其是进一步改善与待测量的介质的阻抗匹配，因为相应的材料通常可以具有在声电换能器元件的声学阻抗和阻抗匹配层138的声学阻抗之间的声学阻抗。就此而言，热匹配体140也可以被看作阻抗匹配层138或阻抗匹配体的部分，它这时在其材料特性方面被分为不同的区域和/或在特性上具有梯度或阶梯。这些区域中的各个区域也可以满足其它功能，例如进一步改善相对于声电换能器元件136和/或压电电极的附着结构。

如尤其是在图5中所示，超声波换能器114还可以包括至少一个稳定元件和/或至少一个支撑元件150。借助该支撑元件150能够使超声波换能器114内部相对于来自测量介质的压力变稳定，其方式是该压力通过膜132、换能器芯134和阻尼材料142传送到壳体122上。该支撑元件150在这里可以如在图5A和5B中所示具有壳体122的背侧封盖，该背侧封盖可以完全地或部分地进行。在图5A和5B中这通过撑条152实现，在这些撑条之间可以设置开口154。相反在根据图6的实施例中设有一个环绕的边缘156，它也可以被构造为卷边或类似部。不同的其它设计方案是可想到的，它们能够实现将端侧的压力传导到壳体122上。因此支撑元件150例如可以具有收缩部、凸台、支撑面或支撑肋或所提到的和/或其它支撑元件150的组合。但是壳体122的过强的或甚至完全的封闭通常是不利的，因为这时阻尼材料142在温度改变时的热膨胀和/或收缩仅仅可以在测量介质的方向上才可减压，由此保护膜132或保护膜在壳体122上的固定会承受过强的负载。支撑元件150的所提到的措施可与之前列举的超声波换能器114的变型以不同的组合实现。

在图7A和7B示意地示出发送和接收结果以及信号幅值的时间变化过程。在这里在图7A中举例地示出在图1中的第二超声波换能器114（P2）上的信号，例如电压信号，以及在图1B中示出在图1中的第一超声波换能器114（P1）上的信号U1。信号U2或U1分别作为时间t（微秒）的函数。在这里超声波换能器P1上的发送时间点分别被限定为时间零点。根据测量介质、温度、超声波换能器114的距离、流速和类似参数，有效信号这时例如晚200微秒地遇上相应的另一个换能器P2。超声波换能器P2上的有效信号在图7A中用附图标记158表示，并且超声波换能器P1上的有效信号在图7B中用附图标记160表示。在相反方向上的超声波测量，即在超声波换能器P1上的超声波测量例如在1毫秒之后开始，其方式是在P2上发出一个超声波信号，该超声波信号例如在大约1200微秒时在P1上被接收（图表7B中的曲线160）。

还在图7A和7B中示出四种不同的阻尼材料的特性。在这里曲线162至168示出不同的干扰信号，即不是通过真正的有效信号158或160引起的信号。曲线162示出作为阻尼材料的硅树脂的干扰信号，曲线164示出具有作为填充材料的弹性体空球的硅树脂的干扰信号，曲线166示出作为阻尼材料152的硅树脂和钨颗粒的干扰信号，以及曲线168示出作为具有作为填充材料的弹性体空球和钨的基体材料的硅树脂的干扰信号。即图7A和7B通过曲线162至168示出四种不同的阻尼材料142的特性。作为塑料空球在这里使用Akzo Nobel公司的型号为

的塑料空球。它在下面举例地被详细阐述。钨以钨颗粒的形式被使用。

如图7B所示，在P1上的发送过程之后的过渡振动仅在非常弱的阻尼时才是紧要的。在该情况中，在信号从P2传入时，P1仍会过渡振动，并且由此使待测量的信号失真。这么弱的阻尼例如在使用软的硅树脂时和/或在阻尼材料142由于所混合的空球而过轻并且由此相对于声电换能器元件136、例如压电体错误地阻抗匹配时得到。否则过渡振动没有两个超声波换能器114之间的固体声串扰那么要紧。P1对P2的串扰不仅对于硅树脂而且对于具有塑料空球或钨颗粒的硅树脂是要紧的，即不管空球还是钨都不导致改善。这些添加剂甚至有使串扰变坏的趋势，因为在空球时压电体过少地被减振（声学错误匹配）以及因为在钨时声学匹配这么好以至于固体声同样增加。相反具有空球和钨形式的填充材料的硅树脂示出了完全不同的特性，如由区县168得出那样，它尤其是表现在振动能量的非常快速的接收上。仅仅在该情况中在图7A中的200微秒的时间接收窗、即直到有效信号158入射的接收窗没有直接从超声波换能器P1传递到超声波换能器P2的固体声份额。尽管声电换能器元件136的过渡振动通常没有那么紧要，但是对此可以根据该参数更好地理解阻尼材料的工作方式。首先令人惊讶的是，空球混合物与钨一起比仅仅用钨作为填充材料更强烈地影响过渡振动。显然加入钨是为了完全将声音耦合输入到阻尼材料中。硅树脂和空球本身可能很好地减振，只要声音位于阻尼材料142中即可，但是由于声学错误匹配，声音首先完全不进入材料中并且因此也不被阻尼。另一方面，具有钨的硅树脂本身尽管接收声能，但是不能足够有效地阻尼声能。可能在该情况中甚至振动能量重新被回送给声电换能器元件136。对于最后的论点，振荡的固体声分布对应于该材料中的曲线166。首先硅树脂作为具有重的、在声学上硬的填充材料钨和轻的、在声学上软的填充材料空球的基体材料能够接收振动能量（通过重的填充材料钨）和阻尼振动能量（通过轻的呈空球形式的填充材料）。可能在后一种阻尼中不仅在填充材料上的散射，而且通过空球的透热和绝热压缩的耗散起到作用。

根据图8和9最后应该举例地描述可能的阻尼材料142及其制造和处理。如上所述，阻尼材料142按照本发明包括至少一个基体材料170以及至少一个第一填充材料172（在图8中通过未填满的圆示出并且也以“E”表示）以及至少一个第二填充材料174（在图8中象征性地通过填满的颗粒示出并且也以“W”表示）。作为阻尼材料142的基体材料（也称为基础材料）在图案中使用一个与-40℃至140℃的温度使用范围相匹配的、良好附着的、具有55邵氏A硬度的2K硅树脂。应当指出，在下面描述的实施例仅仅应当理解为举例的，并且其它的基体材料以及其它的填充材料172、174也可以用作所示的材料。

作为第一填充材料172在第一变型中使用塑料空球。塑料空球可以与较重颗粒形式的第二填充材料174一起也许对于充分的固体声减少是足够的，如在各个图案中可观察到的那样。相反当例如在真空中对阻尼材料142脱气时，由于缺少空室以及由此由于缺少第一填充材料172而没有显示出足够的脱耦。塑料空球以1%的重量百分比使用。塑料空球也被称为“微囊”。它们可以例如混合到硅树脂的树脂成分中。为此在第二变型中优选使用预先膨胀的、填充了丁烷的亚乙烯基氯化物树脂-空球（亚乙烯基氯化物-丙烯腈-共聚物），它由Expancell公司以相同名称的商标制造。

在添加硬化剂之前，具有约2微米颗粒大小的钨金属粉末作为第二填充材料174以2：1的重量比例同样被混合到树脂成分中。这举例地在图8和9中示出。图8举例地示出最终的阻尼材料142，而图9示出阻尼材料142的可能制造的方法过程。在这里附图标记176表示基体材料170的树脂成分，附图标记178表示基体材料170的硬化剂成分。在将第一填充材料172和接下来或之前第二填充材料174与树脂成分176的混合之后添加硬化剂成分178。

可选地作为第一填充材料172使用预先膨胀的塑料空球。预先膨胀的塑料空球的使用在阻尼材料142的时效硬化阶段是有利的。否则在时效硬化期间可能产生剧烈的体积变化，这会不利地影响阻尼材料142的粘结和最后不利地影响材料特性。尤其是必须在工艺技术上确保塑料空球只有在树脂交联之后才膨胀，由此不会由于空球的膨胀而在已经交联的硅树脂内部出现应力。后者可以在接下来的温度处理步骤、例如退火形式期间以空球压缩形式被减少。相应的过程执行虽然是可能的，但是在实践中不易控制。

塑料空球因此在图9中所示的方法中优选不是直接混合到硅树脂中，而是首先例如与基体材料170的树脂成分176的交联。交联的塑料空球在图9中也称为母料180。这样交联的塑料空球或通常这样交联的第一填充材料172、即与基体材料170的至少一个成分交联的第一填充材料172，然后通过温度作用被预先膨胀。在加入第二填充材料174的同时、之前或之后，所谓的母料与剩余的树脂成分176例如硅树脂以所需的混合比混合或添加到其中。

这样设有重的填充材料和轻的填充材料的硅树脂优选经受至少一个脱气步骤。例如脱气可以通过真空进行，以便避免不可控制的气泡形成。真空浇铸过程也是有利的，尤其是用于将未时效硬化的基体材料170加入到壳体122中。

所需的混合比例通常尤其是取决于声电换能器元件176和/或换能器芯134的几何形状。例如较厚的压电盘（例如具有2mm厚度和8mm直径的压电盘）允许通过上述的比例被良好地减振，其中，给定的塑料空球含量也说明了恰好仍可浇铸的极限并且相对于此也允许明显地被减小，而不得到固体声脱耦的变差。而钨含量不应当减少太多。一半钨量（混合比1：1）可能得到最大值稍微减小的、但是为此在时间分布上已经明显持续更长的串扰。

在较薄的压电元件或者说声电换能器元件136（例如具有8mm直径和0.2mm厚度的尺寸）的情况下，除了初级使用的平整和厚度振动之外还形成弯曲振动，这些弯曲振动通过较小的声学阻抗作用在周围的阻尼材料142上。由于该较小的阻抗和附加较小的压电体质量，对于该应用情况其它的混合比是有利的，其中较少地添加硬化剂成分178，这引起较小的交联或者减少的邵氏硬度，并且其中钨含量或者第二填充剂174的含量例如被减少到1：1。另一种情况是，这样的压电体放置在阻抗匹配体138上以及可选地至少一个热匹配体140上，如在图4中所示，从而尽管压电质量本身保持得很小，但是压电元件或者声电换能器元件136的弯曲能力被抑制。

作为塑料空球的替代，如上所述，提供了很多其它的第一填充材料172。例如提供玻璃空球，但是它由于其硬的壳而通常不可压缩并且由此明显没那么有效。相对于此优选第一填充材料172，其中设有至少一个在固定的聚集态中的外壳，但是它优选具有可压缩或可变性的特性，其中，该外壳包围至少一个流体介质，优选至少一个气体。

一个通常很重要的方面是第一填充材料172、例如空球的颗粒的颗粒大小，和/或第二填充材料174、例如金属颗粒和/或陶瓷颗粒的颗粒大小。至少在牛顿流体中并且在球形的填充材料时，粘度η、下降或上升速度v、颗粒半径r和填充材料密度（通常在下面以ρ_K表示，例如在图8中第一填充材料172的ρ_KE和第二填充材料174的ρ_KW）和填充材料和基体材料170（尤其是流体，例如硅树脂）的ρ_F如下地相关联：

$\mathrm{\η}=\frac{2\·g\·r^2}{9\·v}\·({\mathrm{\ρ}}_K-{\mathrm{\ρ}}_F)$

这意味着，粘度应当选择得这么高，使得阻尼材料142在时效硬化之前或期间不开裂，但是另一方面应当选择得这么低，使得该材料仍然保持可足够地处理，例如可浇铸。另一方面，填充材料应当选择得尽可能小。另一方面填充材料大小又会影响它相对于超声波的散射能力。最佳的散射在理论上在所使用的超声波频率的波长范围中实现，但是这在几百KHz和典型声速时在塑料中对应于过大的颗粒。最后颗粒大小的精密确定作为避免开裂和优化散射之间的折衷是力求达到的。

例如对于钨颗粒可以假设10微米的颗粒大小，并且要求1小时或更多的沉积时间，这例如在填充和高炉工艺中表示实际时间。这时允许在假设例如1g/cm³的流体密度时容易算出：粘度在填充和高炉工艺上应当为至少500mPas，以便阻止开裂。如果粘度大于该值，那么也允许颗粒的粒度更大。塑料空球由于较小的密度差ρ_κ-ρ_F允许明显大于钨颗粒，而不会出现开裂。塑料空球的典型平均直径可以例如小于10微米（未膨胀）或60微米（未膨胀）或更小。基体材料170和/或基体材料170的一个或多个成分176、178的触变是优选的。硅树脂的触变可以例如通过添加致热的硅酸实现。附加地或变换地也可以使用其它填充材料，例如硅酸盐或陶瓷颗粒，也可以与明显更重的金属颗粒组合。得到的触变性提高了粘度，其中，剪切粘度可以比较低，因为硅树脂这时明显不同于牛顿流体。由此也能够使较大的填充材料保持悬浮，而通过剪切力在例如用于灌装的配量针的区域中可以得到良好的可浇铸性，因为在该区域中粘度短时间地减小并且至少在真空下也能够浇铸更窄且更深的间隙。

对于阻尼材料142的改进的、尤其是最佳的材料特性，另外推荐阻尼材料142和/或基体材料170的一个或多个成分176、178和/或整个基体材料170的凝胶化。这可以例如通过温度处理实现，例如在100℃时保持半个小时，然后在150℃或但是（根据所使用的硅树脂-基底材料）另一个温度剖面图形式中时效硬化，该温度剖面图不立即到达最终时效硬化温度。通过这些措施一方面改善材料内部特性（例如内聚、硅树脂在填充材料上的附着、脆性的避免）而且改善外部特性（例如封闭表面的形成和附着）。

如上所述，所示的材料例子仅仅应理解为举例。因此例如代替材料钨也可以将其它金属用作第二填充材料174，或者也可以使用比基体材料170、例如硅树脂明显更重的非金属填充材料。

在图9中的方法过程中，上述的可选方法步骤被举例地示出。因此在那里用附图标记182举例地表示上述方法的各个成分。用附图标记184一般地表示一个或多个混合步骤。附图标记186表示混合的成分。用附图标记188表示硬化剂成分178的混合。附图标记190表示未时效硬化的阻尼材料142。附图标记192一般地表示一个时效硬化过程。但是附图标记192也可以表示不同的其它方法步骤，例如混合和/或脱气和/或配量，尤其是将未时效硬化的阻尼材料190加入到内部空间126中。附图标记192还可以包括凝胶化，如上所述。用附图标记194最后表示时效硬化的阻尼材料。

Claims (13)

1.用于在流体介质中的使用的超声波换能器（114），包括至少一个壳体（122）和至少一个至少部分地接收在壳体（122）中的换能器芯（134），其中，所述换能器芯（134）包括至少一个声电换能器元件（136），其中，在所述壳体（122）中还接收至少一个阻尼材料（142），所述阻尼材料（142）具有至少一个基体材料（170）和至少一个加入到基体材料（170）中的第一填充材料（172）和至少一个加入到基体材料（170）中的第二填充材料（174），所述第一填充材料（172）具有比基体材料（170）低的比重并且所述第二填充材料（174）具有比基体材料（170）高的比重。

2.根据权利要求1的超声波换能器（114），其中，所述基体材料（170）包括可时效硬化的塑料、尤其是硅树脂材料。

3.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述基体材料（170）在未时效硬化的状态中具有以下特性中的一个或多个：

至少200mPas、尤其是至少500mPas的粘度；

触变特性；

4.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第一填充材料（172）选自：空心体，尤其是空球；具有可变形壳、尤其是塑料壳的空心体；塑料空心体、尤其是填充气体的塑料空心体；玻璃空心体、尤其是填充气体的玻璃空心体。

5.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第一填充材料（172）具有在正常条件下最大200微米、优选最大100微米和特别优选最大20微米或小于20微米的大小的颗粒。

6.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第一填充材料（172）具有不超过1.0g/cm³、尤其是不超过0.5g/cm³、优选不超过0.1g/cm³和特别优选不超过0.08g/cm³的比重。

7.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第一填充材料（172）具有所述阻尼材料（142）的至少0.05%、优选至少0.15%和特别优选至少0.5%的重量百分比。

8.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第二填充材料（174）选自：金属、尤其是钨；碳化钨；紫铜；镍；锌白铜；青铜；包含金属的化合物，例如金属氧化物、尤其是具有上述金属之一的化合物；粉末状的填充材料，尤其是金属粉末和/或陶瓷粉末。

9.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第二填充材料（174）具有至少5g/cm³、优选至少10g/cm³和特别优选至少15g/cm³的比重。

10.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第二填充材料（174）具有颗粒大小不超过50微米、优选不超过10微米、尤其是不超过5微米和特别优选不超过2微米的粉末。

11.根据以上权利要求之一的超声波换能器（114），其中，所述第二填充材料（174）具有所述阻尼材料（142）的至少15%、优选至少50%和特别优选至少66%的重量百分比。

12.用于制造超声波换能器（114）、尤其是根据以上权利要求之一的超声波换能器（114）的方法，其中，将至少一个换能器芯（134）至少部分地放入一个壳体（122）中，所述换能器芯（134）包括至少一个声电换能器元件（136），其中，在所述壳体（122）中还放入至少一个阻尼材料（142），在所述阻尼材料（142）中接收至少一个基体材料（170）和至少一个加入到基体材料（170）中的第一填充材料（172）以及至少一个加入到基体材料（170）中的第二填充材料（174），所述第一填充材料（172）具有比基体材料（170）低的比重并且所述第二填充材料（174）具有比基体材料（170）高的比重。

13.根据权利要求12的方法，其中，所述基体材料（170）具有至少一个可时效硬化的材料，其中，将所述可时效硬化的材料在未时效硬化的状态下置入到壳体（122）中并且接下来时效硬化。

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