DE10231402A1

DE10231402A1 - Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elements eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE10231402A1
Application number: DE2002131402
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dipl.-Ing. Potapov; Christian Dipl.-Ing. Degel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-01-22
Also published as: WO2004008432A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elements eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mit vorgegebener Wellenlänge in ein Belastungsmedium, das über eine dem Belastungsmedium zugewandte Vorderseite, über die durch das aktive Element erzeugbare, axialwärts gerichtete Schallwellen in das Belastungsmedium abgestrahlt oder in das aktive Element eingekoppelt werden, und über eine die Vorderseite wenigstens teilweise begrenzende Seitenfläche verfügt, über die durch das aktive Element erzeugbare Randwellen abgestrahlt oder eingekoppelt werden, die sich im Wesentlichen orthogonal zu den axialwärts gerichteten Schallwellen ausbreiten. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Seitenfläche und einem der Seitenfläche zugewandten Medium eine akustische Anpassung derart vorgenommen wird, dass wenigstens ein Teil der in den von der Seitenfläche des aktiven Elements austretenden Randwellen innewohnenden Schallenergie in Form von axialwärts gerichteten Schallwellen umgewandelt wird und/oder in umgekehrter Weise wenigstens ein Teil der in den axialwärts gerichteten Schallwellen innewohnenden Schallenergie in auf die Seitenfläche gerichtete Randwellen umgewandelt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elements eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen sowie auf eine Vorrichtung zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen.

Gattungsgemäße Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen zählen seit Jahrzehnten zum Stand der Technik und werden in großem Umfang in den unterschiedlichsten technischen, wie auch medizinischen Bereichen hauptsächlich zur zerstörungsfreien bzw. schonenden Untersuchung von Materialien oder Gegenständen eingesetzt. Auch dienen geeignet konvektionierte Ultraschallwellen zur gezielten Materialbearbeitung, stellvertretend für die Vielzahl derartiger Bearbeitungstechniken sei an dieser Stelle auf die Zertrümmerung von Nierensteinen mit Ultraschallwellen hingewiesen.

Zum Erzeugen von Ultraschallwellen sehen Ultraschallwandler typischerweise ein als Piezokeramik ausgebildetes aktives Element vor, das üblicherweise scheibchen- oder plättchenförmig ausgebildet ist und somit als Flächenelement über eine flächige Vorder- und Rückseite verfügt. Durch gezieltes Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an das aktive Element deformiert sich das Flächenelement aufgrund magnetostriktiver Effekte derart, dass sich der Abstand zwischen der Vorder- und Rückseite mit der Frequenz der an das aktive Element angelegten Wechselspannung variiert. Durch diese auch als Dickenschwingungen des aktiven Elementes bezeichneten Vibrationen werden akustische Wellen ausgehend von der Vorder- und Rückseite in das umliegende Belastungsmedium abgestrahlt. Wird die Rückseite mit einem schallabsorbierenden Material, das sogenannte Backingmaterial, versehen, so vermag der Ultraschallwandler Ultraschallwellen vornehmlich über seine Vorderseite axialwärts gerichtet, d.h. senkrecht zur Ebene der Vorderseite, in das unmittelbar umliegende Belastungsmedium abzustrahlen.

Um die Schalleinkopplung in das Belastungsmedium zu verbessern, ist auf der Vorderseite wenigstens eine akustische Anpassungsschicht vorgesehen, die einen akustischen Wellenwiderstand aufweist, der zwischen dem der Piezokeramik und dem des Belastungsmediums liegt. Zudem sind zur mechanischen Befestigung und dem Schutz des aktiven Elementes gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen das aktive Element tragende und auf dieses in den meisten Fällen dämpfend wirkende Komponenten vorgesehen, die überdies von einem mechanisch stabilen Gehäuse umgeben sind. Alle mit dem aktiven Element in akustischer Wirkverbindung stehenden Komponenten bzw. Medien üben jedoch einen entscheidenden Einfluss auf die gesamten akustischen Eigenschaften des Ultraschallwandler aus, die es gilt zu optimieren.

Diese umfassen insbesondere die Bandbreite, das Zeit-Puls-Verhalten, mit dem das aktive Element die Abstrahlung einzelner Schallwellen zu erzeugen in der Lage ist, die Empfindlichkeit, durch die die Nachweisgrenze von in das aktive Element einkoppelbarer Ultraschallwellen definiert wird, sowie die fokale Abstrahlcharakteristik, die insbesondere in technischen Einsatzfällen von Relevanz ist, bei denen Ultraschallwellen einer räumlichen Fokussierung unterliegen.

Ist man bestrebt, alle vorstehend genannten akustischen Eigenschaften (Bandbreite, Zeit-Puls-Verhalten, Empfindlichkeit und fokale Abstrahlcharakteristik) zu verbessern, so stößt man mit den gegenwärtig bekannten Mitteln unter den jeweiligen Eigenschaften auf konkurrierende Optimierungsverhalten. Ist bspw. ein Ultraschallwandler mit hoher Empfindlichkeit und großer Bandbreite gewünscht, bspw. für den Einsatz bei bilderzeugenden Untersuchungsmethoden in der Medizin, und wird zugleich aus Gründen einer hohen Messauflösung ein möglichst geringes Puls-Zeit-Verhalten gefordert, so treten diese gewünschten Eigenschaften in sofern miteinander in Konflikt, als Maßnahmen zur Verbesserung der Bandbreite bezüglich des Ultraschallwandlers zwar zur Reduzierung des Puls-Zeit-Verhaltens beitragen aber andererseits die Empfindlichkeitscharakteristik des Ultraschallwandlers erheblich verschlechtern. Umgekehrt führen Maßnahmen für eine Verbesserung der Nachweisempfindlichkeit des Ultraschallwandlers zur Verschlechterung seiner Bandbreite Eigenschaften.

Die den vorstehend aufgezeigten Schwierigkeiten beim Bemühen Ultraschallwandler zu optimieren zugrundeliegende Problematik rührt nicht zuletzt von den Vielfachreflexionen akustischer Wellen zwischen und innerhalb jenen Komponenten her, aus denen der Ultraschallwandler selbst besteht und die miteinander in unterschiedliche Weise akustisch gekoppelt sind.

Hinzu kommt die Tatsache, dass die im Inneren des aktiven Elementes, das typischerweise als ein scheibchen- oder plattenförmiges Piezoelement ausgebildet ist, durch die externe Spannungsversorgung induzierte elektrische Feldstärke nicht nur die vorstehend beschriebenen Dickenverformungen innerhalb des aktiven Elementes hervorruft, durch die die Dicke, d.h. der Abstand von Vorder – und Rückseite des aktiven Elementes verändert wird, sondern auch senkrecht dazuliegende Querverformungen induziert, die das aktive Element in radialer Richtung, d.h. längs der Ebene der Vorder- und Rückseite des aktiven Elementes dynamisch deformiert. Folglich sind die Dicken- und die sogenannten Radialschwingungen innerhalb des aktiven Elementes miteinander gekoppelt, so dass bei entsprechender Impulsanregung des aktiven Elementes nicht nur Dickenwellen entstehen, die von der Vorder- und Rückseite des aktiven Elementes in das umgebende Medium axialwärts austreten, sondern auch Radial- oder Randwellen erzeugt werden, die mit den eigentlichen nutzbringenden Dickenwellen in Wechselwirkung treten und letztlich zu einem komplizierten akustischen Wellenfeld führen.

Um das akustische Schwingungsverhalten eines Ultraschallwandlers auf die vorstehend genannten akustischen Eigenschaften zu optimieren, ist wie bereist erwähnt, die Verwendung einer geeigneten Anpassschicht oder auch die Kombination geeigneter Anpassschichten auf der Vorderseite des aktiven Elementes bekannt. So gilt es insbesondere, den akustischen Wellenwiderstand der Anpassschicht derart zu wählen, dass dieser zwischen den akustischen Wellenwiderständen betreffend das aktive Element sowie das Belastungsmedium liegt. Sei bspw. der Fall angenommen, dass das Belastungsmedium Wasser oder ein Öl ist, das typischerweise einen akustischen Wellenwiderstand (akustische Impedanz) Z_BM von etwa 1, 5 MR (MR = 10⁶ kg/(m²s) beträgt, so ergibt sich aus der Literatur bekannten Berechnungsgrundlage, Z = √ZBM·ZP, für einen optimalen Wellenwiderstand Z, die Anpassungsschicht betreffend, (siehe hierzu Ludwig Bergmann, „Der Ultraschall", S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1954, Seite 15–20 und Seite 168–160), wobei Z_P der akustische Wellenwiderstand des aktiven Elementes ist und typischer Weise ca. 28,5 MR beträgt, zu etwa 6,5 MR.

Um eine derart optimale akustische Anpassung zwischen dem Belastungsmedium und dem akustischen Element erzielen zu können, sind verschiedene aus gehärteten Harzen und Metall- oder Metalloxidpulvern bestehende Verbundwerkstoffe entwickelt worden, wie sie bspw. aus den US 2,427,348 , US 4,184,094 sowie US 4,680,499 hervorgehen. Zwar führen derartig konvektionierte Anpassschichten aufgrund ihrer großen Dichte, bedingt durch die Beimischung von Metall- bzw. Metalloxidpulvern zu einer weitgehend idealen akustischen Anpassung zwischen dem aktiven Element und dem Belastungsmedium, jedoch verfügen diese Materialien auch über hohe Dämpfungseigenschaften, wodurch wiederum die Empfindlichkeit des gesamten Ultraschallwandlers reduziert wird. In gleicher Weise wird das Breitbandverhalten des Ultraschallwandlers nachhaltig beeinflusst. Um die Empfindlichkeit sowie das Breitbandverhalten des Ultraschallwandlers zu verbessern ist eine Kombination aus mehreren Anpassschichten bestehend aus unterschiedlichen Materialien zu verwenden, wie es bspw. aus der US 6,307,302 hervorgeht. Dies führt jedoch zu einem erhöhten Aufwand in der Herstellung und somit zur Verteuerung derartiger Ultraschallwandler.

Zur Verbesserung der Breitbandigkeit des Ultraschallwandlers wird in der US 5,212,671 vorgeschlagen, die Rückseite des aktiven Elementes mit einer Reflexionsschicht mit veränderlicher Dicke vorzusehen, durch die jedoch die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers negativ beeinflusst wird.

Handelt es sich zudem bei den Ultraschallwandlern um sog. Fokuswandler, bei denen das axialwärts gerichtete Schallwellenfeld auf eine Fokalebene oder einen Fokuspunkt gerichtet wird, so wirken sich Veränderungen am Ultraschallwandler, die die akustischen Eigenschaften betreffen, auch auf die Fokuslage des Ultraschallwandlers aus. Nähere Einzelheiten hierzu können der US 5,984,871 entnommen werden.

Neben den besprochenen akustischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers in Bezug auf Empfindlichkeit, Breitbandigkeit und in Fällen von Fokalwandlern in Bezug auf die fokale Charakteristik, spielen als qualitätsbestimmende Faktoren auch weitere Aspekte betreffend Fertigungskosten, Reproduzierbarkeit sowie Zuverlässigkeit und Lebensdauer eine wichtige Rolle. So unterliegen Ultraschallwandler insbesondere in technischen Einsatzbereichen, in denen hohe Temperaturen aber insbesondere hohe Temperaturunterschiede auftreten, thermisch bedingten Materialausdehnungseffekten, die aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungsverhalten der einzelnen Komponenten des Ultraschallwandlers zu thermischen Verspannungen innerhalb und zwischen einzelner Konstruktionselemente führen. Derartige thermische Spannungen können zu plastischen Verformungsresten oder auch Mikrorissen in den einzelnen Komponenten führen, die letztlich zu irreversiblen Funktionsstörung führen. Insofern weisen Ultraschallwandler, die zyklischen Temperaturunterschieden ausgesetzt sind, weitaus geringere Lebensdauern und Funktionszuverlässigkeiten auf, als jene, die unter konstanten Temperaturbedingungen betrieben werden.

Im Hinblick auf die Lebensdauer aber insbesondere auf die Qualität des Ultraschallwandlers sowie dessen Funktionszuverlässigkeit kommt es im Wesentlichen auf die Qualität der Verbindung der Anpassschicht mit dem aktiven Element sowie die Verbindung des aktiven Elementes mit entsprechenden Halte- und/oder Dämpfungskörpern an. So ist es bekannt die als Anpassschichtplättchen ausgebildete Anpassschicht spannungsfrei auf die Vorderseite des aktiven Elementes zu kleben. Hierzu wird stets eine dünne Klebeschicht zwischen dem Anpassschichtplättchen und der Vorderseite des aktiven Elementes vorgesehen, die jedoch insbesondere im Hochfrequenzbereich für die Empfindlichkeit, Breitbandigkeit und Homogenität des akustischen Feldes einen zusätzlich negativen Einflussfaktor darstellt. Darüber hinaus sind für eine hohe Qualität der Klebeverbindungen harte Reinheits-, Rauheits- und Parallelitätsbedingungen an die Klebeschicht zu stellen.

Im Gegensatz zur Klebetechnik ist auch der Einsatz von Gießverfahren bekannt, mit denen die Anpassschicht in gießfähiger Form unter Vermeidung jeglicher Klebezwischenschichten direkt auf die Vorderseite des aktiven Elementes aufbringbar ist. Beim Gießverfahren werden zudem keine harten Produktionsbedingungen vorausgesetzt, wie sie vorstehend zum Klebeverfahren gefordert werden. Das Gießverfahren erlaubt es zudem verhältnismäßig kostengünstige Anpassschichten mit komplizierten Formen bspw. mit unterschiedlichen Krümmungsradien zu entwickeln und herzustellen. Jedoch ist das zwischen der Anpassschicht und der Vorderseite des aktiven Elementes herrschende Haftvermögen kleiner als im Falle der Verwendung einer entsprechenden Klebeschicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Ultraschallwandler in ihren akustischen Eigenschaften zu verbessern. Insbesondere gilt es in diesem Zusammenhang, die Empfindlichkeit, die Breitbandigkeit, das zeitliche Pulsverhalten sowie die fokale Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers zu optimieren, ohne dabei eine der vorstehend genannten Eigenschaften zu verschlechtern. Neben den akustischen Eigenschaften eines Ultraschallwandlers gilt es überdies, weitere, die Qualität eines Ultraschallwandlers bestimmende Faktoren zu verbessern. Im einzelnen gilt es, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Ultraschallwandlers zu verbessern, die Reproduzierbarkeit zu optimieren und die Fertigungskosten zu senken.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Anspruch 1 betrifft ein Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elementes eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen. Gegenstand des Anspruches 8 ist eine Vorrichtung zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mit vorgegebener Wellenlänge. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der gesamten Erfindungsbeschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elementes eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mit vorgegebener Wellenlänge in ein Belastungsmedium, das über eine dem Belastungsmedium zugewandte Vorderseite, über die durch das aktive Element erzeugbare, axialwärts gerichtete Schallwellen in das Belastungsmedium abgestrahlt oder in das aktive Element eingekoppelt werden, und über eine in die Vorderseite wenigstens teilweise begrenzende Seitenfläche verfügt, über die durch das aktive Element erzeugbare Randwellen abgestrahlt oder eingekoppelt werden, die sich im wesentlichen orthogonal zu den axialwärts gerichteten Schallwellen ausbreiten, derart weitergebildet, dass zwischen der Seitenfläche und einem der Seitenfläche zugewandten Medium eine akustische Anpassung derart vorgenommen wird, dass wenigstens ein Teil der in dem von der Seitenfläche des aktiven Elements austretenden Randwellen innewohnende Schallenergie in Form von axialwärts gerichteten Schallwellen umgewandelt wird und/oder in umgekehrter Weise wenigstens ein Teil der in den axialwärts gerichteten Schallwellen innewohnende Schallenergie in auf die Seitenfläche gerichtete Randwellen umgewandelt wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee sieht die gezielte Nutzung jener Schallenergie vor, die in den von der Seitenfläche des Ultraschallwandlers ausgehenden Randwellen enthalten ist. Die Nutzung dieser Schallenergie wird dadurch bewerkstelligt, indem die Seitenfläche des aktiven Elementes unmittelbar mit einem akustischen Anpassungselement verbunden ist, das die Seitenfläche vorzugsweise schichtförmig vollständig überdeckt.

In Abhängigkeit von Form und Gestalt des aktiven Elementes ist die Seitenfläche unterschiedlich ausgebildet. So weist im Falle eines scheibchenförmig, kreisrunden aktiven Elementes – diese Ausbildungsform ist für aktive Elemente weit verbreitet – die Seitenfläche die Gestalt einer Zylindermantelfläche auf, hingegen setzt sich im Falle eines n-eckig geformten plättchenförmigen aktiven Elementes die Seitenfläche aus n-Seitenflächenteilen zusammen. Je nach Ausbildung der Seitenfläche ist das Anpassungselement individuell an die Seitenflächenkontur anzupassen, um mit dieser eine innige akustische Kopplung eingehen zu können.

Durch das akustische Anpassungselement wird erreicht, dass die durch die Radialschwingungen initiierten Randwellen möglichst verlustarm in das die Seitenfläche umgebende Anpassungselement eingekoppelt werden. Das Anpassungselement selbst sieht eine der Seitenfläche gegenüberliegende Begrenzungsfläche vor, an der ein akustischer Impedanzsprung zu einem die Begrenzungsfläche des Anpassungselement umgebenden Mediums herrscht, d.h. der akustische Wellenwiderstand des unmittelbar an der Begrenzungsfläche des Anpassungselement angrenzenden Mediums ist ungleich dem akustischen Wellenwiderstand des Anpassungselementes selbst. In bevorzugter Weise ist der Impedanzsprung möglichst groß zu wählen, so dass ein beträchtlicher Anteil der auf die Begrenzungsfläche des Anpassungselements auftreffenden Randwellen innerhalb des Anpassungselementes in Richtung der Seitenfläche reflektiert wird. Auf diese Weise bilden sich Vielfachreflexionen unter den sich innerhalb des Anpassungselements ausbreitenden Randwellen aus, die das Anpassungselement in einem kleinen, aber vorhandenen Ausmaß zu deformieren vermögen. Durch die aufgrund der Vielfachreflexionen initiierten Materialdeformationen innerhalb des Anpassungselementes entstehen orthogonal zu der innerhalb des Anpassungselementes orientierten Hauptausbreitungsrichtung der Randwellen Längsschwingungen, die als Anregungsquelle für axialwärts gerichtete Randwellen dienen.

Im Falle eines als kreisrundes Plättchen ausgebildetes aktives Elements und eines die Seitenfläche als dünnwandige Zylindermantelschicht umgebenden Anpassungselementes dient das Anpassunsselement aufgrund der durch die Vielfachreflexionen unter den Randwellen initiierten Deformationen innerhalb des Anpassungselementes als zusätzliche zylindrische Anregungsquelle, von der aus axialwärts gerichtete Randwellen in das unmittelbar an der Vorderseite des aktiven Elementes angrenzende Belastungsmedium ausgehen.

Um die Ausbildung der sich innerhalb des Anpassungselementes durch Vielfachreflexion überlagernden Randwellen zu verstärken, ist es vorteilhaft, einen möglichst großen akustischen Impedanzsprung an der Grenzfläche zwischen dem Anpassungselement und dem der Seitenfläche des aktiven Elementes zugewandten Mediums zu wählen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine unmittelbar bündig mit dem Anpassungselement verbundene Reflektorfläche vorgesehen, an der die sich radial innerhalb des Anpassungselementes ausbreitenden Randwellen in Richtung der Seitenfläche des aktiven Elementes nahezu vollständig reflektiert werden. Das Reflektorfläche selbst ist vorzugsweise als Teil eines das aktive Element nebst der für die Funktionsweise des Ultraschallwandlers erforderlichen Komponenten umgebenden Gehäuses ausgebildet. Vorzugsweise ist das Gehäuse nebst Reflektorflächen aus Metall oder einem harten Kunststoffmaterial gefertigt, um einen möglichst großen akustischen Impedanzsprung zwischen dem Anpassungselement und dem Gehäuse bzw. der Reflektorfläche zu erzielen. Die Reflektorfläche ist stets koparallel zur Seitenfläche orientiert, um auf diese Weise in sich zurücklaufende Randwellen zur Ausbildung stehender Wellen innerhalb des Anpassungselements zu erhalten.

Das die Seitenfläche umgebende Anpassungselement besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die akustische Anpassungssicht, die für gewöhnlich auf der Vorderseite des aktiven Elementes vorgesehen ist und für eine möglichst verlustarme akustische Einkopplung der von der Vorderseite des aktiven Elementes ausgehenden axialwärts gerichteten Dickenwellen in das der Vorderseite gegenüberliegende Belastungsmedium. Das Anpassungselement ist in diesem Falle einstöckig mit der Anpassungsschicht verbunden und bildet zusammen mit der Anpassungsschicht eine dreidimensionale akustische Komponente.

Ebenso ist es möglich, das Anpassungselement lediglich in Art eines die Seitenfläche ringförmig umgebendes Schichtelement auszubilden, das die Seitenfläche konturgetreu umfasst. In diesem Fall eignet sich das ringförmige akustische Anpassungselement – eher vergleichbar mit einer die Seitenfläche zweidimensional überdeckenden Schicht – neben seinen bereits erwähnten akustischen Eigenschaften zudem als mechanisches Fixierelement in Ausbildung einer Klebefuge. So vermag das als Klebefuge ausgebildete Anpassungselement im Sinne eines Fügemittels das aktive Element innerhalb eines Gehäuses, das zugleich als akustische Reflektorfläche dient, zu fixieren.

Auch eignet sich das Vorsehen mehrerer akustischer Anpassungsschichten, die gleichsam einer Sandwichstruktur um die Seitenfläche des aktiven Elementes angeordnet sind und zu einer möglichst verlustfreien Einkopplung der Randwellen in das Anpassungselement beitragen und zudem einen möglichst großen Impedanzsprung an der Grenzfläche zum Medium, beispielsweise in Form eines umliegenden Edelstahlgehäuses, realisieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur akustischen Anpassung eines vorstehend erläuterten Ultraschallwandlers wirkt sich nicht nur positiv auf die akustischen Eigenschaften des Wandlers in Bezug auf die Erzeugung von Ultraschallwellen aus, sondern dient auch einem verbesserten Empfang von Ultraschallwellen. So führen auf die axialwärts orientierte Vorderseite des Anpassungselementes auftreffende Ultraschallwellen ebenso zur Deformation des Anpassungselementes, wodurch zwischen der Seitenfläche des aktiven Elementes und der der Seitenfläche gegenüberliegenden Grenzfläche des Anpassungselement durch Vielfachreflexionen sich überlagernde Randwellen ausbilden, die letztlich Radialschwingungen innerhalb des aktiven Elementes generieren. Hierdurch wird die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers entscheidend verbessert.

Berechnungen sowie experimentelle Ergebnisse bestätigen, dass die erfindungsgemäßen Maßnahmen das akustische Feld des Ultraschallwandlers aufgrund der Überlagerung von Rand- und Dickenwellen verändert, wodurch sich beispielsweise die 3 dB-Grenze des akustischen Fokus des Ultraschallwandlers weiter in das Fernfeld verschiebt und sich zugleich die Empfindlichkeit des Wandlers verbessert. Auch zeigt sich, dass durch Vorsehen eines die Seitenfläche unmittelbar umgebenden akustischen Anpassungselementes eine zusätzliche seitliche Belastung des aktiven Elementes verbunden ist, wodurch sich die Breitbandigkeit des Wandlers erweitert.

Um den, in der Aufgabenformulierung aufgeworfenen Aspekt bezüglich einer verbesserten mechanischen Belastbarkeit bzw.

Robustheit des Ultraschallwandlers gegenüber thermischen Belastungen und insbesondere zyklischen thermischen Belastungen zu berücksichtigen, gilt ein wesentliches Augenmerk auf die Herstellung bzw. auf die Verbindung des Anpassungselementes mit der Seitenfläche des aktiven Elementes zu legen.

So treten bei herkömmlichen Ultraschallwandlern die Funktionalität der Wandler erheblich beeinträchtigende Schub- und Zugspannungen zwischen der akustischen Anpassungsschicht und der Vorderseite des aktiven Elementes auf, insbesondere in den Randzonen des aktiven Elementes bei wechselnden Temperaturbelastungen. Dies rührt vor allem daher, dass das aktive Element vornehmlich an seinem rückseitigen Randbereich mit Träger- und/oder Dämpferstrukturen verbunden ist, die für einen sicheren Halt des aktiven Elementes innerhalb des Ultraschallwandlers sorgen. Da derartige Trägerstrukturen verglichen zum aktiven Element über unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen, sind thermisch induzierte Materialspannungen zwischen den jeweilig fest miteinander verfügten Komponenten unvermeidbar. Zur Reduzierung derartiger, thermisch induzierter Schub- und Zugspannungen, insbesondere in der Randzone des aktiven Elementes, dienen verschiedene erfindungsgemäße konstruktionsbedingte Lösungsvorschläge, die eine weitgehende Kompensation vorstehender Spannungen ermöglichen.

In einer ersten Lösungsvariante dient eine die Seitenfläche des aktiven Elementes umgebende Klebefuge als einziges mechanisches Fixiermittel des aktiven Elementes innerhalb des Gehäuses des Ultraschallwandlers. Die Klebefuge besteht vorzugsweise aus einer ausgehärteten Mischung eines Epoxyharzes und dem Pulver von Aluminiumoxid und eignet sich in vorteilhafter Weise als akustische Anpassungsschicht bzw. akustischer Wellenleiter für die aus den Seitenflächen austretenden Randwellen. Zudem eignet sich die Klebefuge als nahezu idealer Wärmeleiter zwischen der Seitenfläche des aktiven Elementes und der akustischen Reflektorfläche des Ultraschallgehäuses, das vorzugsweise als Edelstahlgehäuse ausgebildet ist, wodurch die thermischen Spannungen in der Randzone des aktiven Elementes sowie der damit verbundenen akustischen Anpassungsschicht reduziert werden. Die Rückseite des aktiven Elementes ist mit einem handelsüblichen Backingmaterial kontaktiert, das in Form einer weichen gehärteten Vergussmasse über eine nur niedrige akustische Impedanz sowie einen niedrigen elastischen Modul im Vergleich zum Edelstahlgehäuse sowie der Klebefuge verfügt.

Eine zweite alternative Maßnahme zur Reduzierung thermisch bedingter Schub- und Zugspannungen in der Randzone des aktiven Elementes sieht eine gemeinsame, einstöckige Ausbildung und Herstellung der die Vorderseite des aktiven Elementes überdeckenden akustischen Anpassungsschicht gemeinsam mit dem die Seitenfläche des akustischen Elementes umgebenden akustischen Anpassungselement vor. Im Rahmen eines Gießverfahrens wird sowohl die akustische Anpassungsschicht als auch das die Seitenfläche umgebende Anpassungselement einstöckig derart durch Auftrag einer Vergussmasse auf das aktive Element aufgebracht, so dass das die Seitenfläche umgebende Anpassungselement die Rückseite des aktiven Elementes zumindest teilweise überragt, vorzugsweise sogar umgreift. Beim Aushärten der Vergussmasse wird die Haftfestigkeit mit der Oberfläche des aktiven Elementes nicht nur durch die Adhäsionskräfte bestimmt, sondern zusätzlich auch durch auftretende Schrumpfverformungen und damit verbundene Zusatzspannungen innerhalb der erstarrten Vergussmasse, die sowohl die Anpassungsschicht als auch das Anpassungselement bildet. Im Wege der Vergussmassenerstarrung tritt eine maximale Schrumpfspannung im Bereich der Randzone des aktiven Elementes auf, in der sich ohnehin bei zyklischer Temperaturbelastung die höchsten Schub- und Zugspannungen ausbilden. Auf diese Weise ist es möglich, dass die herstellungsbedingten Schrumpfspannungen gefährliche, auf den Ultraschallwandler einwirkende Schub- und Zugspannungen, bei zyklischen Temperaturbelastungen nahezu kompensieren. Auf weitere Einzelheiten zur Detaillösung eines vorstehend erwähnten Ultraschallwandlers wird auf die Ausführungen der nachfolgenden Ausführungsbeispiele verwiesen.

Auch bietet die gezielte Anwendung des Gießverfahrens zur Herstellung der Anpassungsschicht sowie Anpassungselement innerhalb eines Verfahrensschrittes die Möglichkeit einer entscheidenden Kostenreduzierung für die Herstellung derart optimierter Ultraschallwandler. Auch hierzu sei auf die Ausführungsbeispiele im folgenden verwiesen.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1a-c schematisierte Darstellung der Schwingungsanregung innerhalb eines die Seitenfläche des aktiven Elementes umgebenden akustischen Anpassungselementes,
2a-c schematisierte Darstellung zur Schwingungsanregung innerhalb eines die Seitenfläche des aktiven Elementes umgebenden Anpassungselement mit Reflektor-Gehäuse,
3 Darstellung des aus Dicken- und Randwellen zusammengesetzten axialwärts in ein Belastungsmedium gerichtetes Ultraschallwellenfeldes,
4 erstes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers,
5 zweites Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers, sowie
6 drittes Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit Die 1a bis 1c zeigen jeweils einen schematisierten Querschnitt durch das aktive Element 1 eines Ultraschallwandlers, das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als scheibchenförmige Piezokeramik ausgebildet ist. Es sei angenommen, dass das aktive Element 1 eine kreisrunde Scheibchenkontur aufweist, die eine Vorderseite 1V und eine Rückseite 1R aufweist und von einer zylindermantelförmig ausgebildeten Seitenfläche 1S umgeben ist. Wie auch der Darstellung zu entnehmen ist, ist die Scheibchendicke des aktiven Elementes 1, also die Höhe der Seitenfläche 1S klein im Vergleich zum Scheibchendurchmesser, der typischerweise mehrere Millimeter bis einige cm annehmen kann. Ohne den Erfindungsgedanken einzuschränken, ist es selbstverständlich möglich, das aktive Element 1 abweichend zur dargestellten Ausführungsform, bei der das aktive Element als monolithische Piezokeramik ausgebildet ist, auch aus anderen magnetostriktiven Materialien zu fertigen und beispielsweise in Form recht- oder vieleckiger Plättchengestalt auszubilden.
Das aktive Element 1 ist an seinem rückseitigen Randbereich mit einem ringförmig konischen Halteelement 4 fest verfügt, bspw. unter Verwendung einer geeigneten Klebetechnik. Überdies ist die Vorderseite 1V des aktiven Elementes 1 sowie die Seitenfläche 1S von einer erstarrten Vergussmasse 2 umgeben, die zur Erläuterung des Erfindungsgedankens in zwei Bereiche aufteilbar ist, nämlich die unmittelbar auf der Vorderseite 1V aufgebrachte akustische Anpassungsschicht 3V sowie das die Seitenfläche 1S des aktiven Elementes 1 umgebende akustische Anpassungselement 3S. Die längs der Seitenkanten des aktiven Elementes 1 eingezeichneten strichlierten Linien dienen lediglich dem besseren Verständnis zur Unterscheidung zwischen den Bereichen der Anpassungsschicht 3V und dem Anpassunsgelement 3S, die im übrigen, wie bereits erwähnt, einstöckig aus einer Vergussmasse 2 gefertigt sind. Ferner sei angenommen, dass die in 1 dargestellten Komponenten, insbesondere die Anpassungsschicht 3V und das Anpassungselement 3S von einem Belastungsmedium BM, beispielsweise Luft, umgeben sind.
Wird nun an das aktive Element 1 ein elektrisches Wechselpotential über geeignete Elekrodenanschlüsse angelegt (nicht dargestellt), so beginnt das aktive Element 1 aufgrund magnetostriktiver Effekte sich in zyklischer Weise zu deformieren. In 1b ist ein Deformationszustand dargestellt, in dem sich das aktive Element 1 sowohl in Bezug zur eingezeichneten x- als auch y-Achse kontrahiert. Die zur Verdeutlichung der Deformationswirkung eingetragenen Pfeile erhellen die Auswirkung des kontrahierten aktiven Elementes 1 auf die erstarrte Vergussmasse 2, d.h. auf die Anpassungsschicht 3V sowie das Anpassungselement 3S. Aufgrund der mechanisch festen Adhäsionsverbindung zwischen dem aktiven Element 1 und der erstarrten Vergussmasse 2 deformiert sich die Vergussmasse 2 in gleicher Weise wie das kontrahierte aktive Element 1.
In gleicher Weise überträgt sich der Zustand der Expansion von dem aktiven Element 1 auf die erstarrte Vergussmasse 2 gemäß 1c. In markanter Weise ist in 1c in den Randbereichen des aktiven Elementes 1, insbesondere in Bezug auf die axialwärts gerichtete y-Richtung eine lokale Materialerhöhung M+ der erstarrten Vergussmasse 2, also im Bereich das Anpassungselement 3S, relativ zu der übrigen Vorderseite der Anpassungsschicht 3V zu erkennen.
Die Ausprägung der Materialerhöhung M+ gemäß 1c in den Randbereichen der erstarrten Vergussmasse 2 während des expandierten Zustandes des aktiven Elementes 1 und insbesondere die umgekehrte Ausbildung einer entsprechenden Vertiefung in den Randbereichen der erstarrten Vergussmasse 2 während des kontrahierten Zustandes des aktiven Elementes, die.sich im Ausführungsbeispiel gemäß der 1 nicht merklich einstellt, kann dadurch erreicht werden, indem die seitlichen Bereiche der erstarrten Vergussmasse 2 von einem, vorzugsweise aus metallischem Werkstoff, beispielsweise aus Edelstahl bestehenden Reflektor-Gehäuse R umgeben sind. Dieser Fall ist in 2a bis c dargestellt. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 sieht das Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein die Komponenten 1, 2 und 4 umgebendes Gehäuse R vor, das im besonderen das Anpassungselement 3S seitlich umgibt. Hierbei ist es wesentlich, dass die innenliegenden Reflektorwände des Reflektor-Gehäuses R parallel zur Seitenfläche 1S des aktiven Elementes orientiert sind. Eingedenk der Tatsache, dass aufgrund der zyklischen Deformation des aktiven Elementes 1 relativ zur x-Achse Randwellen seitlich über die Seitenfläche 1S in das Anpassungselement 3S ausgestrahlt werden und radial gerichtet auf die Reflektorwand des Reflektor-Gehäuses R treffen und dort aufgrund eines vorhandenen akustischen Impedanzsprunges zum größten Teil in die entgegengesetzte Richtung reflektiert werden, bilden sich innerhalb des Anpassungselementes 3S Vielfachreflexionen unter den Randwellen aus, die in Überlagerung zu den oberflächig wahrnehmbaren Vertiefungen M– bzw. Überhöhungen M+ gemäß der 2b und c im Randbereich der erstarrten Vergussmasse 2 führen. Eben dieser Randbereich, d.h. die axialwärts gerichtete Vorderseite des Anpassungselementes 3S, dient unter Bezugnahme auf 3, die im wesentlichen die Anordnung gemäß 2 zeigt, als akustische Anregungsquelle zur axialwärts (y-Richtung) gerichteten Abstrahlung von Randwellen RW in Überlagerung mit den von der Vorderseite 1V ausgehenden Dickenwellen DW des aktiven Elementes 1.
Die Phase der Randwellen RW unterscheidet sich von der Phase der Dickenwellen DW um 180°. Durch die sich im Nah- als auch Fernfeld überlagernden Wellenfelder aus Rand- und Dickenwellen ergibt sich ein akustisches Gesamtultraschallwellenfeld, dessen akustische Fokalebene FE weiter in das Fernfeld wandert.
Basierend auf dem Prinzip der gezielten Überlagerung der sich axialwärts (y-Richtung) ausbreitenden Randwellen RW innerhalb eines Belastungsmediums BM mit den sich ohnehin axialwärts abgestrahlten Dickenwellen DW, werden im folgenden drei konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben, die auf der Basis der erfindungsgemäßen akustischen Anpassung beruhen.
In 4 ist ein Ultraschallwandler gezeigt, der ein die wichtigsten Komponenten des Ultraschallwandlers umgebendes zylinderförmiges Gehäuse G vorsieht. Im Inneren des Gehäuses G ist das aktive Element 1 in Form einer kreisrunden Keramikscheibe vorgesehen, dessen Seitenfläche 1S radial von einer Klebefuge 5 umgeben ist. Die Klebefuge 5 stellt das akustische Anpassungselement 3S dar und sorgt einerseits für eine möglichst verlustfreie Einkopplung von Randwellen in die Klebefuge 5 und dient überdies über die mechanische Fixierung des aktiven Elementes 1 gegenüber der Gehäusewand G. Die Vorderseite des akustischen Elementes 1 ist gesondert von einer Anpassungsschicht 3V überzogen, die für eine akustische Anpassung zwischen dem aktiven Element 1 und dem Belastungsmedium BM sorgt.
Die Klebefuge 5 besteht vorzugsweise aus einer ausgehärteten Mischung eines Epoxidharzes und Pulver von Aluminiumoxid.
Die Klebefuge 5 schließt bündig mit der Vorderseite 1V des aktiven Elementes 1 ab und überragt dabei die Rückseite 1R des aktiven Elementes 1. Mit Ausnahme einer die Reflektorwand des Gehäuses G seitlich überdeckenden Randüberhöhung ist die Vorderseite der Klebefuge 5 mit der Anpassungsschicht 3V überzogen. Zur Vermeidung thermisch bedingter Verspannungen zwischen dem aktiven Element 1 und angrenzenden Komponenten, dient. die Klebefuge 5 überdies als Wärmeleiter, wodurch thermische Spannungen in der Randzone des aktiven Elementes 1 sowie der akustischen Anpassungsschicht 3V deutlich reduziert werden können.
Die Rückseite 1R des aktiven Elementes ist mit einem Dämpfungskörper 6 kontaktiert, der seinerseits zur Auffüllung des Restvolumens innerhalb des Gehäuses G von Backingmaterial 7 umgeben ist. Das Backingmaterial ist aus einer weichen gehärteten Vergussmasse (Silikon 10) gefertigt, die über eine niedrige akustische Impedanz sowie einen niedrigen Elastizitätsmodul im Vergleich zur Impedanz des Dämpfungskörpers 6, des Gehäuses G sowie der Klebefuge 5 verfügt .
Zur elektrischen Kontaktierung des aktiven Elementes 1 sind überdies Anschlussstrukturen 8, eine elektrische Induktivität 9 sowie eine Steckerbuchse 10 vorgesehen.
Eine weitere konstruktionsbedingte Lösungsmöglichkeit einer möglichst spannungsfreien Halterung des aktiven Elementes 1 innerhalb des Gehäuses G eines Ultraschallwandlers ist in 5 dargestellt.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 4 ist die Anpassungsschicht 3V auf der Vorderseite 1V des aktiven Elementes einstückig mit dem Anpassungselement 3S im Wege eines Gießverfahrens ausgebildet. Ferner ist das aktive Element 1 rückseitig mit einem ringförmigen Halterelement 4 fest verfügt, der an seinem Außenumfang eine konische Ausnehmung 4A vorsieht. In die konische Ausnehmung 4A des Halterelementes 4 wird im Rahmen eines Gießverfahrens Vergussmasse zur Herstellung des akustischen Anpassungselementes 3S, das einstückig mit der akustischen Anpassungsschicht 3V an der Vorderseite des aktiven Elementes 1 verbunden ist, eingebracht. Im Wege der sich während des Erstarrungsprozesses innerhalb der Vergussmasse 2 einstellenden Schrumpfspannung vermag das Anpassungselement 3S verbunden mit der Anpassungsschicht 3V das akustische Element 1 kraftbeaufschlagt zumindest am Randbereich gleichmäßig zu umschließen. Durch die sich während des Erstarrungsvorganges innerhalb der Vergussmasse 2 einstellenden Schrumpfverformungen bilden sich auf dem Randbereich des aktiven Elementes 1 wirkende Zusatzspannungen aus, die zu einer regelrechten Umfangspressung auf das aktive Element 1 führen. Die sich ausbildende, auf das aktive Element 1 wirkende Umfangspressung vermag zum einen den an der Unterseite des aktiven Elementes 1 angeklebten Halter 4 zusätzlich fest gegen das aktive Element 1 zu verpressen und dient zum anderen zur Kompensation von sich innerhalb der Randzone des aktiven Elementes 1 aufgrund zyklischer Temperaturbelastungen ausbildenden Schub- und Zugspannungen. Hierdurch wird das Risiko von irreversiblen Schädigungen innerhalb des Wandlers und damit verbundene Funktionsstörungen erheblich reduziert. Dazu trägt auch die Klebefuge 5 bei, die eine starre Verbindung als Anpassungselement 3S zum umliegenden Gehäuse G darstellt. Der restliche Zwischenraum zwischen der Rückseite des aktiven Elementes 1 und dem Innenraum des Gehäuses G ist mit Backingmaterial gefüllt, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel gemäß 4 beschrieben ist.
Die in 5 gezeigte Ausführungsform zeigt aufgrund der einstöckig gegossenen Anpassungsschicht 3V in Verbindung mit dem Anpassungselement 3S nicht nur erhebliche Vorzüge in Bezug auf die akustischen Parameter wie Empfindlichkeit und Breitbandigkeit, sondern ermöglicht ein hohes Maß an Reproduzierbarkeit und gewährleistet überdies eine hohe Lebensdauer trotz zyklischer Temperaturbelastungen.
In 6 ist das dritte Ausführungsbeispiel für einen Ultraschallwandler mit einer kleinen Apertur angegeben, für dessen Herstellung nur geringe Herstellkosten verbunden sind. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist im Falle der 6 das aktive Element 1 mit seiner Rückseite 1R an einem konischen Halter 4 angeklebt, der einen Innenraum 41 einschließt, der mit einem elektrisch leitenden Kleber, vorzugsweise Silberleitkleber, gefüllt ist. Während des Aushärtens des Silberleitklebers wird neben der Ausbildung eines zuverlässigen elektrischen Kontaktes ebenso ein zuverlässiger akustischer Kontakt hergestellt, wobei der Silberleitkleber die Aufgabe eines effektiven Dämpfungskörpers übernimmt. Gleichsam dem Ausführungsbeispiel in 5 ist auch im Ausführungsbeispiel gemäß 6 die akustische Anpassungsschicht 3V einstöckig mit dem akustischen Anpassungselement 3S verbunden, wobei das die Seitenflächen 1S des aktiven Elementes 1 umschließende Anpassungselement 3S ebenso die Rückseite des aktiven Elementes 1 zumindest teilweise überragt und umschließt. Auch in diesem Fall, gleichsam der Ausführungsform in 5, bilden sich nach entsprechender Herstellung mittels Gießverfahren und Erhärtung der die Anpassungsschicht 3V und das akustische Anpassungselement 3S darstellende Vergussmasse 2 Schrumpfungsspannungen aus, die die mechanische Fixierung des aktiven Elementes 1 auf dem Halter 4 unterstützen sowie möglicherweise auftretende thermische Zug- und Schubspannungen aufgrund zyklischer Temperaturbelastungen, insbesondere in den Randbereichen des aktiven Elementes 1, kompensieren.
Von besonderer Bedeutung ist die Auswahl der für die Herstellung der akustischen Anpassungsschicht 3V sowie des Anpassungselementes 3S erforderlichen Vergussmasse, die vorzugsweise aus einer niedrig-viskosen Vinylester-Laminierharz-Mischung besteht, in die Pulver aus Aluminiumoxid mit Korngrößen von ca. 2 μm Durchmesser als Mischungsbestandteile beigemengt sind. Das Pulver aus Aluminiumoxid besteht vorzugsweise aus Pulverkörnchen mit kugelförmiger Oberfläche, die eine hohe Benetzbarkeit mit dem Vinylester-Laminierharz aufweist. Beim Mischen beider Komponenten kann zuverlässig davon ausgegangen werden, dass keine Luftblasen auf den Korngrenzen der Aluminiumoxidpulverkörnchen vom Harz eingeschlossen werden. Ferner treten beim Aushärten der Vergussmasse Schrumpfverformungen auf, wodurch die Haftheftigkeit zwischen dem Vinylester-Laminierharz und den kugelförmigen Korngrenzen des Aluminiumpulvers erhöht wird. Nach der Aushärtung des auf Basis vorstehender Mischung beruhenden Verbundwerkstoffes wird eine wesentliche Reduzierung der Dämpfungszahl für hohe Frequenzen erzielt, bei einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hoher akustischer Impedanz, Wasserbeständigkeit und Temperaturleitfähigkeit. Schließlich sind die Herstellkosten derartiger Vergussmaterialien nicht besonders hoch.

1: Aktives Element
10: Steckerbuchse
11: Silberleitkleber
1R: Rückseite des aktiven Elementes
1S: Seitenfläche
1V: Vorderseite des aktiven Elementes
2: Vergussmasse
3S: Anpassungselement
3V: Anpassungsschicht
4: Halterelement
5: Klebefuge
6: Dämpfungskörper
7: Backingmaterial
8: Anschlussstrukturen
9: Induktivität
BM: Belastungsmedium
DW: Dickenwellen
F: Fokalebene
G: Gehäuse
RW: Randwellen
41: Innenraum
FE: Fokalebene
4A: Konische Ausnehmung
M+: Materialerhöhung
M–: Materialerniedrigung

Claims

Verfahren zur akustischen Anpassung eines aktiven Elements eines elektroakustischen Wandlers zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mit vorgegebener Wellenlänge in ein Belastungsmedium, das über eine dem Belastungsmedium zugewandte Vorderseite, über die durch das aktive Element erzeugbare, axialwärts gerichtete Schallwellen in das Belastungsmedium abgestrahlt oder in das aktive Element eingekoppelt werden, und über eine die Vorderseite wenigstens teilweise begrenzende Seitenfläche verfügt, über die durch das aktive Element erzeugbare Randwellen abgestrahlt oder eingekoppelt werden, die sich im wesentlichen orthogonal zu den axialwärts gerichteten Schallwellen ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Seitenfläche und einem der Seitenfläche zugewandten Medium eine akustische Anpassung derart vorgenommen wird, dass wenigstens ein Teil der in den von der Seitenfläche des aktiven Elements austretenden Randwellen innewohnende Schallenergie in Form von axialwärts gerichtete Schallwellen umgewandelt wird und/oder in umgekehrter Weise wenigstens ein Teil der in den axialwärts gerichteten Schallwellen innewohnende Schallenergie in auf die Seitenfläche gerichtete Randwellen umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar auf der Seitenfläche des aktiven Elementes wenigstens ein Anpassungselement aufgebracht wird, für dessen akustischen Wellenwiderstand folgende Zusammenhänge gelten: mit: Z_LP akustischer Wellenwiderstand des aktiven Elements in Abstrahlrichtung der Randwellen, Z_2D akustischer Wellenwiderstand des Anpassungselements, Z_BM akustischer Wellenwiderstand des Belastungsmediums, Z_LB akustischer Wellenwiderstand des der Seitenfläche zugewandten Mediums.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Belastungsmedium und das der Seitenfläche zugewandte Medium derart gewählt wird, dass gilt: Z_BM ≠ Z_LB Z_LP > Z_2D Z_2D > ZBM Z_2D > Z_B Z_2D > Z_B
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement in Bezug auf Material- und Formwahl derart ausgewählt und um die Seitenfläche des aktiven Elementes angeordnet wird, dass die sich innerhalb des Anpassungselements ausbreitenden Randwellen aufgrund eines an der Begrenzungsfläche zwischen dem Anpassungselement und dem der Seitenfläche zugewandten Medium herrschenden akustischen Impedanzsprung in Überlagerung treten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement durch die sich innerhalb des Anpassungselement überlagernden Randwellen axialwärts dynamisch deformiert wird oder dass durch Einkopplung von axialwärts gerichteten Schallwellen in das Anpassungselement innerhalb des Anpassungselements auf die Seitenfläche gerichtete Randwellen initiiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement in Bezug auf Material- und Formwahl derart ausgewählt und um die Seitenfläche des aktiven Elementes angeordnet wird, dass im Bereich der Seitenfläche innerhalb des aktiven Elementes auftretende Schub- und Zugspannungen durch das Anpassungselement aufgenommen und kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement derart an der Seitenfläche angebracht wird, dass das Anpassungselement die der Vorderseite des aktiven Elementes abgewandte Rückseite zumindest axialwärts überragt.
Vorrichtung zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen mit vorgegebener Wellenlänge in ein Belastungsmedium, mit einem elektroakustischen Wandler, der ein aktives Element aufweist, das über eine dem Belastungsmedium zugewandte Vorderseite, über die durch das aktive Element erzeugbare, axialwärts gerichtete Schallwellen in das Belastungsmedium abstrahlbar oder in das aktive Element einkoppelbar sind, und eine die Vorderseite wenigstens teilweise begrenzende Seitenfläche verfügt, über die durch das aktive Element erzeugbare Randwellen abstrahlbar oder einkoppelbar sind, die sich im wesentlichen orthogonal zu den axialwärts gerichteten Schallwellen ausbreiten, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Seitenfläche und einem der Seitenfläche zugewandten Medium wenigstens ein akustisches Anpassungselement vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement die Seitenfläche in Art einer Schicht umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement einstöckig mit einer die Vorderseite des aktiven Elementes überdeckenden akustischen Anpassungsschicht gefertigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement die der Vorderseite des aktiven Elementes gegenüberliegende Rückseite überragt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement die Rückseite des aktiven Elementes zumindest teilweise umgreift.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das der Seitenfläche zugewandte Medium eine parallel zur Seitenfläche orientierte Reflektorfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche Teil eines den elektroakustischen Wandler umgebendes Gehäuse ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorfläche aus Metall oder einem Hartkunststoffmaterial besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement eine größte, in Richtung der Randwellenausbreitung orientierte Dicke d_m aufweist, für die gilt:
mit m ungerade Zahlen, λ_L Wellenlänge der Randwellen im Anpassungselement.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass für den akustischen Wellenwiderstand des aktiven Elementes, des Anpassungselementes sowie des der Seitenfläche zugewandten Mediums folgende Beziehung gilt:
mit Z_2D: akustischer Wellenwiderstand des Anpassungselements Z_LP: akustischer Wellenwiderstand des aktiven Elements in Abstrahlrichtung der Randwellen Z_LB: akustischer Wellenwiderstand des der Seitenfläche zugewandten Mediums
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement als Haftschicht ausgebildet ist, die das aktive Element über die Seitenfläche mit einer Innenflächen einer die Seitenfläche umgebenden Materialschicht fest verfügt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht aus einem gehärteten Kunstharz mit beigemischten Al₂O₃-Pulver besteht
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das akustische Element in Flächenbereichen an seiner der Vorderseite gegenüberliegenden Rückseite mit einem Halter verfügt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement die Vorderseite sowie die Seitenfläche des aktiven Elementes umgibt und derart auf das aktive Element aufgebracht ist, dass das Anpassungselement zumindest im Bereich der Seitenfläche im Wege durch Materialschrumpfung herbeigeführte Schrumpfspannung auf das aktive Element einwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement die Rückseite des aktiven Elementes zumindest teilweise überragt oder einschliesst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement als erstarrungsfähige Vergussmasse ausgebildet ist und in einem erweichten Zustand auf das aktive Element aufgebracht und im Wege einer Abkühlung erstarrt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der akustische Wellenwiderstand des Anpassungselements im Bereich zwischen 2 und 7 MR liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die der Vorderseite des aktiven Elementes gegenüberliegende Rückseite mit einem Backingmaterial verbunden ist, das einen akustischen Wellenwiderstand aufweist der kleiner als der Wellenwiderstand des aktiven Elementes ist.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Backingmaterial eine weiche Vergussmasse ist mit einem Elastizitätsmodul der kleiner ist als alle anderen Komponenten Vorrichtung, die mit dem Backingmaterial in Berührung treten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Anpassungselement eine axialwärts gerichtete, dem Belastungsmedium zugewandte akustisch wirksame Oberfläche aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die akustisch wirksame Oberfläche parallel zur Vorderseite des aktiven Elementes orientiert ist.