DE10106477C2

DE10106477C2 - Ultraschallwandler mit Gehäuse

Info

Publication number: DE10106477C2
Application number: DE2001106477
Authority: DE
Inventors: Martin Heinz; Thomas Trautmann; Rainer Schmitt
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2002-12-19
Anticipated expiration: 2021-02-14
Also published as: DE10106477A1; WO2002065446A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit Gehäuse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Üblicherweise besteht eine Ultraschallwandlereinheit aus einer Piezokeramik, die auf einer Membrane aufgeklebt oder mit dieser zumindest akustisch gekoppelt ist, die wiederum in einem topfförmigen Gehäuse integriert ist. Die Piezokeramik wird über zwei Drähte an zwei gegenüberliegenden Seiten elektrisch kontaktiert, die rückseitig aus dem Gehäuse geführt sind. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung wird die Piezokeramik in mechanische Schwingungen versetzt, die sich wiederum über die Membrane an ein, unmittelbar an der Membran angrenzendes Medium, wie Gase, Wasser etc., übertragen. Die Membrane wird üblicherweise als Viertelwellenlängen-Anpaßschicht ausgeführt, um die Übertragung der Schallenergie durch Anpassung der akustischen Impedanz der Piezokeramik an das Medium zu optimieren. Der rückwärtige Raum hinter der Piezokeramik innerhalb des topfförmiges Gehäuses wird üblicherweise mit einem Dämpfungsmaterial, dem sogenannten Backing ausgefüllt, um rückwärtig und radial abgestrahlte Schallanteile der Keramik zu bedämpfen und eine breitbandigere Charakteristik bei verbessertem Ausschwingverhalten des Wandlers zu erreichen.

Da die Membrane in dieser Standardbauform fest mit dem Gehäuse verbunden ist, können Schallschwingungen über das Gehäuse ausgekoppelt werden, die sich als Körperschall über die Halterung des Wandlers weiter ausbreiten können. Dies kann zu Überlagerungen von Störsignalen mit den eigentlichen Meßsignalen führen. Werden in einem Meßsystem bspw. zwei Wandler als Sender und Empfänger eingesetzt, z. B. bei der Strömungsmessung, so können Schallsignale nicht nur über das Ausbreitungsmedium sondern wegen der vorstehend beschriebenen Körperschallkopplung auch direkt vom Sende- zum Empfangswandler gelangen, was zu erheblichen Meßfehlern führt.

Stand der Technik

Unter den Gesichtspunkten der Reduzierung der Körperschallkopplung ist in der DE 41 38 528 C1 ein Ultraschall-Wandler beschrieben, dessen mit einer Piezokeramik verbundene Membrane über Dämpfungsringe mit dem eigentlichen Wandlergehäuse entkoppelt ist. Da jedoch eine gewisse Fixierung der Membran am Rand des Gehäuses erforderlich ist, ist die Membran mit zwei Bolzengewinden verbunden, die über eine Schraubverbindung mit dem Wandlergehäuse aus Befestigungsgründen in direkter Wirkverbindung steht. Diese Bolzen- Schraubverbindungen stellen jedoch Schwachstellen im Bemühen um die Schwingungsentkopplung zwischen dem Wandlergehäuse und der Membran dar, so dass von der Membrane ausgehende Schwingungen nur teilweise vom Gehäuse entkoppelt sind.

In der amerikanischen Druckschrift US 5,737,963 wird vorgeschlagen, das Ultraschallwandlergehäuse über elastisch ausgebildete Dichtungsringe radial an der Außenwand des Gehäuses zu fassen, um eine Körperschallentkopplung über die Dichtungsringe herbeizuführen. Ein ähnlicher Gedanke ist der DE 38 32 947 C2 zu entnehmen, in der das Wandlergehäuse nur über einen einzigen O-Ring im Schwingungsknoten des Gehäuses gehalten wird. Um eine dauerhafte und korrekte Zentrierung und Ausrichtung des Wandlers sicherzustellen, muß hierfür jedoch ein O-Ring mit relativ niedriger Elastizität gewählt werden. Daher können mit dieser Lösung Körperschallanteile nur sehr unvollständig unterdrückt werden, so daß noch eine Übertragung von Schallanteilen auf das restliche Meßsystem erfolgen kann.

Die noch am wirkungsvollsten ausgebildete, bekannte Maßnahme zur Vermeidung der Körperschallübertragung zwischen dem Wandlergehäuse und angrenzenden Bauteilen ist der DE 197 44 229 A1 zu entnehmen, bei der das gesamte Gehäuseinnere sowie die Rückseite des Ultraschallwandlergehäuses mit einem schalldämpfenden Formteil ausgefüllt und teilweise umgeben ist, das gleichzeitig als Fixierung für die elektrischen Verbindungsleitungen zur Piezokeramik dient. Das teilweise das Wandlergehäuse überragende elastische Formteil weist zudem eine umlaufende Aufnahmenut auf, mit der das Formteil in eine entsprechende Gegenkontur eingesetzt werden kann.

Allen vorstehend bekannten Lösungen zur Begegnung des Problems der Körperschallübertragung bei Ultraschall-Wandlersystemen ist gemein, das Wandlergehäuse selbst über speziell geformte Gummihalterungen zu entkoppeln. Insbesondere für komplexere Ultraschallwandler, bei denen mehrere Schwingungsmodi zur Erzeugung einer größeren Bandbreite ausgenutzt werden, wobei das gesamte Wandlergehäuse deutliche Einflüsse auf das akustische Verhalten des Wandlers hat, sind die vorgenannten Lösungen nicht geeignet, da eine deutliche Rückwirkung der Gummihalterungen auf das Gehäuse und somit auch auf die akustischen Eigenschaften des Wandlers vorherrscht.

Einen andere Möglichkeit der Reduzierung der Körperschallkopplung wird in der DE 197 44 229 A1 aufgezeigt. Hier wird ein Ultraschallwandler beschrieben, bei dem der von der Bodenfläche abgewandte Rand von einem Entkopplungsring umgeben ist. Dieser Entkopplungsring, der gleichzeitig als Halter für die Anschlussleitung ausgebildet ist, füllt das Gehäuse im wesentlichen aus und besteht aus Dämpfungsmaterial. Zwischen dem Entkopplungsring und einem Fixlager ist ein direkter Kontakt herstellbar, indem der gesamte Ultraschallwandler in eine Ausnehmung derart eingedrückt wird, dass es zu einem Quetschen der Aussenseite des Entkopplungsringes kommt.

Somit ist auch bei dieser Ausführungsform eines Ultraschallwandlers problematisch, dass das Schwingungsverhalten des Gehäuses durch die Schallentkopplungsmaßnahmen beeinträchtigt wird. Darüberhinaus ist ein derart ausgeführter Ultraschallwandler nur innerhalb eines Fixlagers zu befestigen, das als Ausnehmung mit speziellen, auf den Ultraschallwandler abgestimmten Abmaßen ausgeführt ist.

Darstellung der Erfindung

Es besteht daher die Aufgabe, einen Ultraschallwandler mit Gehäuse, das mit einer Wandung und mit einer als Membran ausgebildeten Bodenplatte, mit der ein mit Anschlussleitungen verbundenes Piezoelement in Wirkverbindung steht, ein halbabgeschlossenes Volumen umgibt, in dem Dämpfungsmaterial vorgesehen ist, und das über einen Halter an ein Fixlager befestigbar ist, derart weiterzubilden, dass einerseits Körperschallübertragungen zwischen dem Gehäuse und einem das Wandlergehäuse aufnehmendes Fixlager vollständig ausgeschlossen werden können, andererseits das Schwingungsverhalten des Gehäuses in keinster Weise durch die Schallentkopplungsmaßnahmen beeinträchtigt wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Ultraschallwandler nicht über das Wandlergehäuse zu fixieren, sondern über das innerhalb des Wandlergehäuses eingebrachte Dämpfungsmaterial, das sog. Backing. Erfindungsgemäß ist daher ein Ultraschallwandler gemäß des Oberbegriffes des Anspruchs 1 dadurch ausgebildet, dass der Halter, über den der Ultraschallwandler an ein Fixlager befestigt wird, einen Halterabschnitt aufweist, der in das Dämpfungsmaterial hineinragt und mit diesem eine Wirkverbindung eingeht, so dass die gesamte Haltekraft für den Ultraschallwandler mit Gehäuse vom Dämpfungsmaterial vollständig aufgenommen wird. Dabei ist darauf zu achten, dass der Halter nicht in Kontakt mit dem Gehäuse des Ultraschallwandlers tritt, ebensowenig mit schallübertragenden Komponenten, die wiederum mit dem Gehäuse verbunden sind.

Das den Innenraum des Gehäuses ausfüllende Dämpfungsmaterial ist vorzugsweise ein Schaum, ein Elastomer, ein Schmelzkleber oder aus ein Gießharz mit unterschiedlichen Zusätzen, wie beispielsweise Füllstoffe in Art von Rußpartikeln oder sonstigen schalldämmenden Materialien, also Dämpfungsmaterialien, die bei der Herstellung des Ultraschallwandlers in einem anfänglichen fließfähigen Zustand in das Innere des Gehäuses eingebracht werden können und sich in einer Art verfestigen, sodass sie die im verfestigten Zustand elastische und somit schalldämpfende Eigenschaften besitzen.

Das Einbringen des mit dem Dämpfungsmaterial in Wirkverbindung tretenden Halterabschnittes des Halters in das Dämpfungsmaterial erfolgt in einem Stadium, in dem das Dämpfungsmaterial im fließfähigen Zustand in das Innere des Gehäuses eingegossen werden kann, indem der Halterabschnitt in die fließfähige Masse des Dämpfungsmaterials eingetaucht oder mit dieser vergossen wird und anschließend in einer definierten Stellung während des Verfestigungsvorganges des Dämpfungsmaterials verbleibt. Auf diese Weise wird der Halterabschnitt vollumfänglich vom Dämpfungsmaterial umschlossen und geht mit diesem eine dauerhafte nicht lösbare Wirkverbindung ein.

Ferner weist der Halter einen aus dem Gehäuse herausragenden Befestigungsabschnitt auf, der in Abhängigkeit der Befestigungsart individuell ausgebildet sein kann. Vorzugsweise ist der Befestigungsabschnitt in Art eines Verbindungsflansches ausgebildet und verfügt über ein Anschlussgewinde zur lösbar festen Verbindung an einem entsprechend ausgebildeten Fixlager.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist es erstmals möglich, den Halter vollständig akustisch vom Schwingungsverhalten des Gehäuses zu entkoppeln und zugleich eine mechanisch stabile und dauerhafte Verbindungsmöglichkeit für ein Ultraschallwandlergehäuse zu schaffen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnittsdarstellung durch ein Ultraschallwandlergehäuse,

Fig. 2a, b Darstellung eines Halters,

Fig. 3 Querschnittsdarstellung durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlergehäuses,

Fig. 4a, b Diagrammdarstellung für das Puls-Echo-Verhalten eines Ultraschallwandlers.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist ein Ultraschallwandler mit Gehäuse in der Querschnittsdarstellung gezeigt. Das Gehäuse 1 ist topfförmig ausgebildet und weist eine als Viertelwellenlängen-Anpassschicht ausgebildete Membrane 11 auf, die zugleich dem Gehäuseboden entspricht. Auf der Innenseite der Membrane 11 bzw. des Gehäusebodens ist eine Piezokeramik 2 aufgeklebt, die über zwei Kontaktstellen mit Verbindungsdrähten 3 verbunden ist. Das Innere des Ultraschallwandlergehäuses 1 ist mir Dämpfungsmaterial 4 vollständig gefüllt, das wie vorstehend bereits beschrieben, aus einem Schaum, aus Elastomeren, aus Gießharz mit entsprechenden Füllstoffen oder aus einem Schmelzkleber bestehen kann.

Durch die offene Seite des topfförmig ausgebildeten Gehäuses 1 ragt ein Halter 5 teilweise in den Bereich des Dämpfungsmaterials 4 hinein. Der in den Bereich des Dämpfungsmaterials 4 hineinreichende Halterabschnitt 51 ist in Art eines Widerhakens ausgebildet und weist zudem schräg zur Piezokeramik 2 verlaufende Flanken 52 auf. Die Anordnung sowie Ausbildung der Flanken 52 ist derart gewählt, dass möglicherweise rückseitig der Piezokeramik 2 in das Dämpfungsmaterial abgestrahlte Schallwellen von den Flanken 52 nicht auf die Piezokeramik 2 zurückreflektiert werden können. Auf diese Weise können stehende Wellen innerhalb des Ultraschallwandlers vermieden werden.

Der Halter 5 ist als Drehteil ausgebildet und weist einen mittigen hohlen Durchgangskanal 53 auf, durch den die Verbindungsdrähte 2 verlaufen. Ferner sieht der Halter 5 einen aus dem Gehäuse herausragenden Befestigungsabschnitt 54 vor, der individuell je nach Befestigungstechnik ausgebildet sein kann. Schließlich wird das topfförmige Gehäuse 1 rückseitig von einer Dämpfungsplatte 6 begrenzt, das selbst auch aus Dämpfungsmaterial, beispielsweise aus einem Polyurethan- Elastomer besteht und sowohl mit dem topfseitigen Gehäuse rückseitig als auch mit dem Halter 5 innen vergossen ist. Da selbst ein ideales Dämpfungsmaterial nicht alle von der Piezokeramik rückseitig und radial abgestrahlte Schallenergie bedämpfen kann, können durch das Dämpfungsmaterial 4 Reste von Schallenergie in den eingegossenen Halter 5 gelangen und dort unerwünschte Resonanzen hervorrufen. Diese Resonanzen können jedoch durch das in den Halter 5 eingegossene Dämpfungsmaterial 6 nahezu vollständig unterdrückt werden.

Durch das auf der Wandlerrückseite aufgebrachte elastische Dämpfungsmaterial 6 wird der Wandler rückseitig versiegelt ohne dass Körperschall vom Wandlergehäuse 1 zum Halter 5 übertragen werden kann.

In Fig. 2a ist eine Seitendarstellung des Halters 5 dargestellt. Der Befestigungsabschnitt 54 weist ein Anschlussgewinde 5A auf, das über einen Sechskant 5B mit Hilfe eines geeigneten Werkzeuges verdreht werden kann.

Der in das Dämpfungsmaterial hineinragende Halterabschnitt 51 weist wie bereits vorstehend beschrieben, eine widerhakenförmige Kontur auf, mit schräg verlaufenden Flanken 52 sowie Vertiefungsrillen 55, die für eine Verdrehsicherheit des Halters 5 innerhalb des mit dem Halter 5 vergossenen Dämpfungsmaterials 4 gewährleistet. In Fig. 2b ist eine untere Ansicht des Halters 5 entsprechend dargestellt.

In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform für einen Ultraschallwandler mit Gehäuse in Querschnittsdarstellung gezeigt. Im Unterschied zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weist der in Fig. 3 dargestellte Halter 5 einen Befestigungsabschnitt 54 auf, der in Form einer koaxialen Steckerverbindung, beispielsweise BND, TNC oder UHF ausgebildet ist. Hierzu ist innerhalb des Hohlkanals 53 ein Koaxialstecker 56 vorgesehen, zum unmittelbaren Einstecken in eine entsprechende Koaxialbuchse. Wieder ist der Rest des Hohlkanals 53 mit entsprechendem Dämpfungsmaterial 6 gefüllt.

In Fig. 4a, b sind Diagramme dargestellt, die das Puls-Echo-Verhalten eines Ultraschallwandlers wiedergeben. Hierzu ist entlang der Abszisse der Diagramme die Zeitachse und entlang der Ordinate der Schallpegel aufgetragen. Im Falle der Fig. 4a ist ein typisches Puls-Echo-Verhalten eines Ultraschallwandlers bei Übertragung von Körperschall über das Wandlergehäuse dargestellt (siehe die zwischen den beiden Kreuzen befindlichen Signalschwankungen). In Fig. 4b ist das Puls-Echo- Verhalten eines erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallwandlers dargestellt. Im Falle der Fig. 4a erkennt man deutlich, dass das Puls-Echo zeitlich verzerrt und mit Frequenzanteilen bereichert ist, die durch das Gehäuse bedingt sind. In der Fig. 4b ist das Puls-Echo zeitlich schärfer gefasst, wobei keine zusätzlichen Frequenzanteile hinzukommen (siehe hierzu die durch Kreuze eingegrenzten Bereiche entlang der Zeitachsen).

Bezugszeichenliste

1

Ultraschallwandlergehäuse

2

Piezokeramik

3

Verbindungsleitungen

4

Dämpfungsmaterial

5

Halter

51

Halterabschnitt

52

Flanken

53

Hohlkanal

54

Befestigungsabschnitt

55

Vertiefungen

6

Dämpfungsplatte

5

A Gewinde

5

B Werkzeugkontur

5

C Flanken

5

D Vertiefungen

Claims

1. Ultraschallwandler mit Gehäuse, das mit einer Wandung und einer als Membran ausgebildeten Bodenplatte, mit der ein mit Anschlußleitungen verbundenes Piezoelement in Wirkverbindung steht, ein halbabgeschlossenes Volumen umgibt, in dem Dämpfungsmaterial vorgesehen ist, und das über einen Halter an ein Fixlager befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter einen Halterabschnitt aufweist, der in das Dämpfungsmaterial hineinragt und mit diesem eine Wirkverbindung eingeht, sodass die gesamte Haltekraft für den Utraschallwandler mit Gehäuse vom Dämpfungsmaterial aufnehmbar ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterabschnitt in das halbabgeschlossene Volumen von einer offenen Seite des Gehäuses hineinragt, die dem Piezoelement gegenüberliegt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterabschnitt in Art eines Widerhakens ausgebildet ist und dem Piezoelement zugewandt schräg zur Piezoelementfläche verlaufende Abschnitte aufweist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterabschnitt über Nuten oder Erhebungen verfügt.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Halterabschnitt über eine Reibschlussverbindung oder über einen Haftvermittler mit dem Dämpfungsmaterial in Verbindung steht.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter einen aus dem Gehäuse herausragenden Befestigungsabschnitt aufweist, der in Art eines Verbindungsflansches ausgebildet ist und/oder ein Anschlußgewinde aufweist.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsabschnitt eine Außenkontur aufweist, die mittels eines Werkzeugschlüssels betätigbar ist, um den Halter zu Befestigungszwecken zu drehen.

8. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter einen Durchgangskanal aufweist, durch den die Anschlußleitungen vom Piezoelement durch das Dämpfungsmaterial außerhalb des Gehäuses führbar sind.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgangskanal wenigstens teilweise mit Dämpfungsmaterial gefüllt ist.

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Durchgangskanals eine Verbindungseinheit für die Anschlußleitungen vorgesehen ist.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinheit als koaxial-Steckverbindung ausgebildet ist.

12. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Bodenplatte das Piezoelement aufgeklebt ist.

13. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte als 1/4-Wellenlängen-Anpaßschicht (λ/4) ausgebildet ist.

14. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Halter als Drehteil ausgebildet ist.

15. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial aus einem sich selbst verfestigendem Fließmaterial mit im verfestigtem Zustand elastischen Eigenschaften ist, und dass der Halteabschnitt des Halters mit dem Dämpfungsmaterial vergossen ist.

16. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das halbabgeschlossene Volumen der Bodenplatte gegenüberliegend mit einer zusätzlichen Dämpfungsplatte, durch die der Halter hindurchragt, vollständig geschlossen ist.

17. Ultraschallwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsplatte aus einem gießfähigem Material besteht.

18. Ultraschallwandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein Polyurethan- oder Silikon-Elastomer ist.

19. Ultraschallwandler nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das gießfähige Material wenigstens teilweise im Durchgangskanal des Halters vorgesehen ist.

20. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsmaterial ein Schaum, Elastomer, Schmelzkleber oder ein Gießharz mit Füllstoffen ist.