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Die Erfindung betrifft einen Schallwandler, insbesondere einen Ultraschallwandler, mit einem Wandlerelement, beispielsweise einer piezokeramischen Scheibe, und einer Anpassungsschicht, beispielsweise einem syntaktischen Schaum, zum Betrieb als Sender oder Empfänger von Ultraschallimpulsen, beispielsweise in einem gasförmigen Medium, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schallwandlers.
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Ein piezokeramisches Wandlerelement kann nur einen geringen Teil der Ultraschallleistung an die umgebende Luft abgeben, da die Grenzfläche Keramik/Luft hierfür wenig durchlässig ist, wobei die Durchlässigkeit umso geringer ist, je größer der Unterschied der akustischen Impedanz ist, die sich aus dem Produkt der Dichte und der Schallgeschwindigkeit im jeweiligen Werkstoff bzw. Medium errechnet. Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung einer oder mehrerer Anpassungsschichten bekannt, wobei theoretisch die Anpassungsschicht dann optimal ist, wenn die Schichtdicke ein ganzzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge der Schallwellen in der Anpassungsschicht beträgt und der akustische Widerstand in der Anpassungsschicht gleich der Wurzel aus dem Produkt der akustischen Impedanzen in den aneinander angrenzenden Medien ist, beispielsweise der piezokeramischen Scheibe einerseits und der Luft andererseits.
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Aus der
DE 25 37 788 A1 ist ein Ultraschallwandler zur Verwendung in einem Entfernungsmesser bekannt mit einem Wandlerelement zum Wandeln eines elektrischen Signals in Schallwellen. Mindestens eine Schallabstrahlfläche weist eine λ/4-Schicht auf, deren akustische Impedanz einen Wert hat, der zwischen der akustischen Impedanz des Wandlerelements und der akustischen Impedanz des den Ultraschallwandler umgebenden Mediums liegt, wobei λ die Wellenlänge des erzeugten Ultraschalls in der λ/4-Schicht ist. Die λ/4-Schicht wird dadurch hergestellt, dass gläserne Hohlkugeln mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm mit Polystyrollack vermischt werden. Nach dem Trocknen des Lackes erhält man einen Schaumstoff mit einer Porengröße von etwa 0,1 mm und einer Dichte von etwa 0,3 g/cm
3.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schallwandler sowie ein zugehöriges Herstellverfahren bereitzustellen, mit dem auf einfache Weise eine noch bessere Anpassung des Wandlerelements an das den Schallwandler umgebende Medium erreicht werden kann.
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Diese Aufgabe ist durch den im Anspruch 1 bestimmten Schallwandler und durch das im nebengeordneten Anspruch bestimmte Herstellverfahren gelöst. Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen bestimmt.
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In einer Ausführungsart ist die Aufgabe gelöst durch einen Schallwandler, bei dem das Anpassungselement mindestens teilweise ein ausgehärtetes Harz auf der Basis eines Imids aufweist, vorzugsweise das verwendete Harz vollständig aus einem Imid besteht. In einer besonderen Ausführungsart wird als Harz ein Bismaleimidharz verwendet.
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Bismaleimide weisen nach der Härtung eine hohe Temperaturbeständigkeit auf. Die für das Anpassungselement verwendeten Hohlkörper werden in das Imidharz eingebettet und bilden zusammen mit dem Imidharz einen Imidharz-haltigen syntaktischen Schaum, der eine hervorragende Anpassung der akustischen Impedanz des Wandlerelements, beispielsweise einer piezoelektrischen Blei-Zirkon-Titanat(PZT)-Keramik mit einer typischen akustischen Impedanz von 3·107 kg/(m2·s), an die akustische Impedanz von Luft mit etwa 4·102 kg/(m2·s), bietet. Das so hergestellte Anpassungselement weist deutlich bessere Eigenschaften auf als die bisher bekannten Anpassungselemente oder λ/4-Schichten.
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In einer Ausführungsart weist der syntaktische Schaum eine Dichte von mehr als 110 und weniger als 220 kg/m3 auf, insbesondere mehr als 130 und weniger als 200 kg/m3 und vorzugsweise mehr als 150 und weniger als 180 kg/m3. Dadurch ist die Anpassung der akustischen Impedanzen weiter verbessert.
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In einer Ausführungsart sind in dem syntaktischen Schaum mehr als 80% der Hohlkörper, insbesondere mehr als 90% und vorzugsweise mehr als 95% der Hohlkörper mit einer Schicht des imidhaltigen Harzes bedeckt. Die Schichtdicke kann weniger als 20 μm betragen, insbesondere weniger als 12 μm und vorzugsweise weniger als 8 μm.
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In einer Ausführungsart ist die Packungsdichte der Hohlkörper im Schaum weniger als 20%, insbesondere weniger als 15% und vorzugsweise weniger als 10% geringer als im Ausgangsmaterial der Hohlkörper. Beispielsweise kann die Packungsdichte der Hohlkörper im Ausgangsmaterial 60% betragen, im Schaum dagegen mehr als 48%, insbesondere mehr als 51% und vorzugsweise mehr als 54%.
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In einer Ausführungsart beträgt die Dicke des Anpassungselements mehr als das Dreifache und weniger als das Zwanzigfache der Dicke des Wandlerelements, insbesondere mehr als das Fünffache und weniger als das Fünfzehnfache und vorzugsweise mehr als das Achtfache und weniger als das Zwölffache. In einer Ausführungsart beträgt die Dicke des Wandlerelements weniger als 0,6 mm, insbesondere weniger als 0,4 mm und vorzugsweise weniger als 0,25 mm.
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Ein syntaktischer Schaum mit einem oder mehreren der vorstehend genannten Parameter führt bei vergleichsweise geringem spezifischen Gewicht zu einer sehr guten Schallleitung und insgesamt zu einer sehr guten Anpassung der akustischen Impedanz. Darüber hinaus ist der Schaum und damit das Anpassungselement sehr gut wärmebeständig bis mindestens 200°C und daher auch heißdampfsterilisierbar, sowie chemikalienfest und weist eine hohe Steifigkeit auf.
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In einer Ausführungsart ist die an das Wandlerelement angrenzende erste Schallkoppelfläche des Anpassungselements und/oder die an das den Schallwandler umgebende Medium angrenzende zweite Schallkoppelfläche des Anpassungselements unbearbeitet, insbesondere mechanisch unbearbeitet, beispielsweise nicht geschliffen oder gefräst. Untersuchungen haben gezeigt, dass dadurch die Anpassung der akustischen Impedanz weiter verbessert ist.
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In einer Ausführungsart ist eine zwischen den beiden Schallkoppelflächen angeordnete, insbesondere eine die beiden Schallkoppelflächen verbindende Oberfläche des Anpassungselements konvex geformt. Auch dadurch ist die akustische Anpassung weiter verbessert.
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Der erfindungsgemäße Schallwandler kann insbesondere zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit eines Fluides, beispielsweise eines Atemgasgemisches, eingesetzt werden. Hierzu werden Ultraschallimpulse sowohl in Richtung der Strömung als auch entgegengesetzt gesendet, und die Zeit, die jeweils zum Durchlaufen einer definierten Strecke notwendig ist, wird gemessen. Aus der Laufzeitdifferenz kann die Strömungsgeschwindigkeit berechnet werden. Mit Betriebsfrequenzen zwischen 100 und 500 kHz kann eine sehr hohe Genauigkeit erzielt werden. Ultraschall dieser Frequenz lässt sich auf einfache Weise mit Hilfe einer Scheibe aus Piezokeramik erzeugen, die auf den beiden parallelen Flächen mit einer Metallisierung versehen ist.
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Das Wandlerelement wird im Bereich seiner Resonanzfrequenz betrieben, die wesentlich durch die geometrischen Abmessungen bestimmt ist, im Falle einer Scheibe durch den Durchmesser und die Dicke. Wird an den Elektroden des Wandlerelements eine Wechselspannung angelegt, wird dieses zu Schwingungen angeregt und sendet Schallwellen aus. Umgekehrt kann an den beiden Elektroden eine dem Schalldruck proportionale Spannung abgegriffen werden, wenn Schallwellen auf das Wandlerelement auftreffen.
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Der erfindungsgemäße Schallwandler weist nicht nur eine optimale Anpassung der akustischen Impedanz auf, sondern auch eine ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit für die Anwendung der insbesondere in der Medizintechnik verwendeten Sterilisierungsverfahren. Besonders vorteilhaft ist außerdem, dass durch die Verwendung eines Imid-haltigen Harzes in Verbindung mit den vorzugsweise kugelförmigen Hohlkörpern, insbesondere Glashohlkörpern, eine geringe Dämpfung des Ultraschalls erreichbar ist. Durch die optimale Anpassung der akustischen Impedanz kommt es andererseits zu einem schnellen Abklingen der Schwingung nach Abschalten des elektrischen Anregungssignals, so dass Überlagerungen vermieden werden und eine hohe Pulsfolge erreichbar ist. Auf die im Stand der Technik zu diesem Zweck häufig eingesetzte rückseitige Bedämpfung des Wandlerelements, das sogenannte „Backing”, kann bei erfindungsgemäßen Schallwandlern verzichtet werden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Schallwandlerelements mit einem Wandlerelement und einem Anpassungselement, das Hohlkörper aufweist, die in ein imidhaltiges Harz eingebettet sind. Das imidhaltige Harz, insbesondere ein Bismaleimidharz, kann in Form eines Pulvers, einer Paste oder einer Flüssigkeit vorliegen. Zur Herabsetzung der Viskosität wird das Harz mit einem Lösungsmittel aufgeschlämmt und dann mit den Hohlkörpern vermischt. Danach wird das Lösungsmittel weitgehend verdampft und die so entstehende Paste wird bei Temperaturen von beispielsweise zwischen 150 und 180°C entsprechend den jeweiligen Vorschriften des Harzlieferanten ausgehärtet bzw. vernetzt. Dabei ist vorteilhaft, wenn möglichst wenig zusätzliche Luft in den Schaum eingearbeitet wird. In einer Ausführungsart wird die Mischung aus Imidharz und Hohlkörpern bereits während und/oder nach dem Abdampfen des Lösungsmittels in eine Unterdruck-Kammer gebracht, um ein Ausgasen von Luft und/oder das Abdampfen des Lösungsmittels zu beschleunigen.
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In einer Ausführungsart kann ein noch nicht ausgehärteter Grünling des Anpassungselements separat in einer Form hergestellt werden, gegebenenfalls auch in einer Form ausgehärtet werden, und anschließend mit dem Wandlerelement verbunden werden. Alternativ hierzu kann ein Grünling des Anpassungselements auf das Wandlerelement aufgesetzt werden und auf diesem ausgehärtet und insbesondere vernetzt werden und dabei gleichzeitig mit dem Wandlerelement fest verbunden werden. Danach ist das Wandlerelement ohne weitere Nachbearbeitung betriebsbereit.
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In einer Ausführungsart beträgt beim Aufschlämmen das Verhältnis der Masse des imidhaltigen Harzes (ohne den Anteil des Lösungsmittels) zu der Masse der Hohlkörper mehr als 0,8 und weniger als 1,9, insbesondere mehr als 1,0 und weniger als 1,7 und vorzugsweise mehr als 1,2 und weniger als 1,5. In einer Ausführungsart beträgt das Verhältnis der Masse von Bismaleimidharz zu der Masse der Hohlkörper, die aus Glashohlkugeln bestehen, zwischen 1,0 und 1,5, insbesondere zwischen 1,3 und 1,4.
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Als Glashohlkugeln können beispielsweise solche vom Typ K1 oder K11 verwendet werden, die von der Firma 3M als „Glass Bubbles” angeboten werden. Die „wahre Dichte” dieser Kugeln beträgt beispielsweise 125 bzw. 110 g/cm3. Die Packungsdichte beträgt 60%, mithin beträgt die Schüttdichte zwischen 60 und 75 g/cm3. Die Dichte des Bismaleimidharzes beträgt etwa 1.000 g/cm3. Um die Glaskugeln vollständig und ohne Lufteinschlüsse in das Harz einzubetten, müsste das Masseverhältnis von Harzmasse zu Glaskugelmasse theoretisch etwa 5 betragen. Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass sehr gute Ergebnisse bei einer Dichte des Schaums von 150 bis 180 g/cm3 erzielt werden, obgleich die akustische Impedanz in diesem Fall höher ist als die nach theoretischen Berechnungen optimale akustische Impedanz.
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Die Glashohlkugeln sind mit einer Harzschicht von wenigen μm Dicke bedeckt, insbesondere weniger als 10 μm, und die Packungsdichte von etwa 60% bleibt erhalten, insbesondere ist die Packungsdichte um weniger als 10% gegenüber dem Ausgangsmaterial reduziert, vorzugsweise um weniger als 5%. Wenn die Harzschicht sehr dünn ist, steigt die Dämpfung des Schalls im Anpassungselement; bei dickeren Harzschichten nimmt die Dichte des Schaumes zu.
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Beim Aushärten bzw. Vernetzen ist der Grünling auf mindestens zwei einander gegenüberliegenden Flächen in Anlage an einem Formenelement. Sofern der Grünling unmittelbar auf dem Wandlerelement ausgehärtet wird, kann das Wandlerelement, insbesondere dessen dem Anpassungselement zugewandte Oberfläche, eines der beiden Formelemente bilden. Auf diese Weise kann auch die Dicke des Anpassungselements auf einfache Weise reproduzierbar sehr genau hergestellt werden.
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In einer Ausführungsart wird der Verbund aus Wandlerelement und Anpassungselement mittels eines Elastomers in einem Gehäuse des Schallwandlers festgelegt. Das Gehäuse kann beispielsweise aus einem Polymerkunststoff bestehen, etwa Polyvinylidenfluorid (PVDF), und/oder topfförmig sein. Das Anpassungselement kann bündig mit dem Gehäuserand abschließen. Als Elastomer kann Silikonkautschuk eingesetzt werden, der beispielsweise über eine Öffnung in der Bodenfläche des Gehäuses in einen Hohlraum zwischen der Bodenfläche und dem Wandlerelement eingespritzt wird und beim Aushärten auch die Anschlussleitungen an das Wandlerelement innerhalb des Gehäuses fixiert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers,
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2 zeigt einen Zustand im Verlauf der Herstellung des Schallwandlers, bei dem das Anpassungselement ausgehärtet und fest mit dem Wandlerelement verbunden ist,
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3 zeigt einen Schnitt durch den in ein Gehäuse eingesetzten Schallwandler, und
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4 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt IV aus dem Anpassungselement der 3.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schallwandlers 1 in einem noch nicht vollständig hergestellten Zustand. Der Schallwandler 1 weist ein Wandlerelement 10 auf, das im Ausführungsbeispiel durch eine piezoelektrische Keramikscheibe mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 0,2 mm gebildet ist. Die im Wesentlichen vom Durchmesser bestimmte Schwingfrequenz des Wandlerelements 10 beträgt etwa 200 kHz. Auf den einander gegenüberliegenden planparallelen Stirnflächen ist auf das Wandlerelement 10 jeweils eine elektrisch leitfähige und vorzugsweise metallische Kontaktschicht 12, 14 aufgebracht. Vor dem Verbinden des Anpassungselements 20 mit dem Wandlerelement 10 wird die erste Kontaktschicht 12 mittels einer ersten Anschlussleitung 16 elektrisch kontaktiert, insbesondere wird ein erster Anschlussdraht angelötet. Gleichzeitig oder zu einem späteren Zeitpunkt kann eine zweite Anschlussleitung 18 an der gegenüberliegenden zweiten Kontaktschicht 14 angebracht werden, insbesondere angelötet werden.
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Das Anpassungselement 20 ist aus einem Imidharz, insbesondere Bismaleimidharz, mit darin eingebetteten Hohlkörpern, insbesondere Glashohlkugeln, in der Form eines syntaktischen Schaums gebildet. Im Ausführungsbeispiel ist das Anpassungselement 20 im Zustand der 1 noch ein Grünling, d. h. das Imidharz ist noch nicht vernetzt, so dass das Anpassungselement 20 noch nicht ausgehärtet ist. Für das Imidharz wurde ein Bismaleimid-Klebstoff vom Typ PX-305 der Firma Polymerics GmbH Berlin (www.polymerics.de) verwendet, dessen Viskosität durch Zugabe eines Lösungsmittels, beispielsweise Dichlormethan, herabgesetzt wird. Die so hergestellte Lösung kann auch als Zwischenschicht zwischen die zweite Kontaktschicht 12 und den Grünling des Anpassungselements 20 aufgetragen werden, um die Verbindung zwischen dem Wandlerelement 10 und dem Anpassungselement 20 zu verbessern. In die Lösung werden Glashohlkugeln, beispielsweise „Glass Bubbles” vom Typ K1 der Firma 3M, eingerührt, und diese Ausschlämmung kann auf eine flache Schale ausgegossen werden. Nach dem Verdunsten des Lösungsmittels verbleibt eine Schicht mit einer Dicke von beispielsweise 2,5 bis 3 mm, die bereits eine für die Weiterverarbeitung ausreichende Eigenstabilität aufweist. Aus dieser Schicht können in der gewünschten Form Grünlinge des Anpassungselements 20 ausgestochen oder ausgeschnitten werden und anschließend in Anlage an das Wandlerelement 10 gebracht werden.
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Die 2 zeigt einen Zustand im Verlauf der Herstellung des Schallwandlers 1, bei dem das Anpassungselement 20 bereits vernetzt und fest mit dem Wandlerelement 10 verbunden ist. Das Anpassungselement 20 weist zwei Schallkoppelflächen 21, 22 auf, wobei eine Schallkoppelfläche 21 in dichter Anlage an dem Wandlerelement 10 ist und die gegenüberliegende Schallkoppelfläche 22 die Schallabstrahlfäche bzw. Schalleinstrahlfläche des Schallwandlers 1 bildet. Auch für den Fall, dass der Grünling des Anpassungselements 20 bereits vor dem Anbringen an dem Wandlerelement 10 ausgehärtet wird, bleiben die beiden Schallkoppelflächen 21, 22 vorzugsweise unbearbeitet. Eine die beiden Schallkoppelflächen 21, 22 verbindende Oberfläche 24 des Anpassungselements 20, insbesondere die Mantelfläche des im Wesentlichen zylindrischen Anpassungselements 20 ist konvex geformt. Über die erste Anschlussleitung 16 ist ein elektrisch isolierender Schlauch gelegt, um insbesondere beim Einbau des Schallwandlers 1 in ein Gehäuse 30 einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern.
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Die 3 zeigt einen Schnitt durch den in ein Gehäuse 30 eingesetzten Schallwandler 1. Das Gehäuse 30 besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff. Die beiden Anschlussleitungen 16, 18 sind nach außerhalb des Gehäuses 30 geführt und dort elektrisch kontaktierbar. Das Gehäuse 30 ist im Wesentlichen topfförmig, wobei der Schallwandler 1 so weit in das Gehäuse eingesetzt wird, dass die Schallkoppelfläche 22 des Anpassungselements 20 im Wesentlichen bündig mit dem Rand des Gehäuses 30 abschließt. Auf einer der Schallkoppelfläche 22 gegenüberliegenden Bodenfläche weist das Gehäuse 30 Öffnungen für den Durchtritt der beiden Anschlussleitungen 16, 18 auf. Entweder über eine dieser Öffnungen oder über eine zusätzliche Öffnung 28 kann in den zwischen dem Wandlerelement 10 und der Bodenfläche des Gehäuses 30 verbleibenden Hohlraum eine Füllmasse 32 eingebracht werden, mittels welcher das Wandlerelement 1 mechanisch fest und vorzugsweise auch fluiddicht in dem Gehäuse 30 festlegbar ist. Als Füllmasse 32 kann beispielsweise ein Silikonkautschuk verwendet werden.
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Das Wandlerelement 10 ist von dem Gehäuse 30 beabstandet. Im Ausführungsbeispiel weist die Anordnung hierzu einen Ringspalt zwischen dem Wandlerelement 10 und dem Gehäuse 30 auf, der von der Füllmasse 32 ausgefüllt ist. Die Abmessung des Ringspaltes ist in der 3 nicht maßstäblich, insbesondere kann die Abmessung des Ringspaltes kleiner sein als in der 3 dargestellt. Die Füllmasse 32 schließt bündig mit dem Wandlerelement 10 ab. Alternativ oder ergänzend kann auch zwischen dem Anpassungselement 20 und dem Gehäuse 30 mindestens abschnittsweise ein Ringspalt vorgesehen sein, der vorzugsweise ebenfalls von der Füllmasse 32 ausgefüllt ist. In einer Ausführungsart kann die Füllmasse 32 an der Schallkoppelfläche 22 bündig mit dem Anpassungselement 20 abschließen. In diesem Fall kann durch den Ringspalt zwischen Anpassungselement 20 und Gehäuse 30 auch eine Einpassung eines von der Zylinderform abweichenden Anpassungselements 20, insbesondere eines in der 2 dargestellten tonnenförmigen Anpassungselements 20, in das Gehäuse 30 mit seiner zylindrischen Öffnung erfolgen.
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Die 4 zeigt in vergrößerter Darstellung einen Ausschnitt IV aus dem Anpassungselement 20 im vernetzten Zustand der 3. Die Hohlkörper 34, im Ausführungsbeispiel Glashohlkörper, sind in das Harz 36, im Ausführungsbeispiel ein Bismaleimidharz, eingebettet. Die Wandung 38 der Hohlkörper 34 ist so dünn, dass die Dichte des Anpassungselements 20 ausreichend gering ist, um eine optimale akustische Ankopplung des Wandlerelements 10 an das den Schallwandler 1 umgebende Medium zu gewährleisten. Die Außenoberfläche 40 der Wandung 38 ist mit einer vorzugsweise wenige μm dicken Schicht des Harzes 36 bedeckt, auch in den Bereichen, in welchen sich benachbarte Hohlkörper 34 sehr nahe kommen oder sogar aneinander anliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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