DE1278624B - Ultraschalluebertragungseinrichtung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

H 03h

Deutsche KI.: 21 g - 34

Nummer: 1278 624

Aktenzeichen: P 12 78 624.2-35 (W 39111)

Anmeldetag: 8. Mai 1965

Auslegetag: 26. September 1968

Die Erfindung betrifft eine Ultraschallübertragungseinrichtung mit einer Ultraschallübertragungsbahn, an deren Ultraschall-Eintritts- und -Austrittsfläche je ein Ultraschallwandler angekoppelt ist, wobei zumindest einer der Wandler frequenzselektiv in der Weise ausgebildet ist, daß er für verschiedene Ultraschallfrequenzen an verschiedenen Stellen längs seiner an die Ultraschall-Eintritts- oder -Austrittsfläche der Bahn angekoppelten Fläche resonant ist.

Eine aus der USA.-Patentschrift 2779191 bekannte Ultraschallübertragungseinrichtung dieser Art ist als Frequenzanalysator aufgebaut. Hierbei hat der piezoelektrische Körper des frequenzselektiven Eingangswandlers beispielsweise Keilform, er ist also für verschiedene Frequenzen an verschiedenen Stellen seiner Fläche resonant. Jede dieser Stellen strahlt daher bei Gegenwart der entsprechenden Frequenzkomponente im Eingangssignal einen Ultraschallstrahl dieser Frequenz in das angrenzende Medium ab. Die abgestrahlten Ultraschallstrahlen treffen dabei auf eine Mehrzahl in Kontakt mit dem aussendenden Medium stehender elastischer Übertragungsglieder auf und regen diejenigen derselben an, welche bezüglich der jeweils abgestrahlten Frequenzen resonant sind. Hierauf ansprechende, jeder Frequenz gesondert zugeordnete Detektoren, die an diese Resonanzglieder angekoppelt sind, geben dann Aufschluß über die Natur des Frequenzspektrums des jeweiligen Eingangssignals. Dabei können im Einzelfall die Resonanzglieder auch ein einteiliges Ganzes bilden und auch einfach als das Ultraschallübertragungsmedium dienen. Auch kann ein Ausgangswandler vorgesehen sein, der wie der Eingangswandler in Keilform ausgebildet ist, um so eine Verzögerungsleitung mit ausgeprägt breitbandiger Übertragungskennlinie zu erhalten.

Demgegenüber ist die Erfindung auf den Entwurf von frequenzdispersiven Ultraschallübertragungseinrichtungen gerichtet, deren Verzögerungszeit sich also mit der Frequenz nach einer gewünschten linearen oder nichtlinearen Funktion ändert. Solche Ultraschallübertragungseinrichtungen sind bekannt, und je nach Anwendungsfall sind dabei Verzögerungszeiten erwünscht, die nach einer speziellen Funktion, auch nach einer nichtlinearen Funktion, mit wachsender Frequenz zu- oder abnehmen.

Zum Beispiel müssen bei bestimmten Nachrichtenübertragungssystemen die gleichzeitig anstehenden verschiedenfrequenten Anteile eines ankommenden Nachrichtensignals vor der Weiterverarbeitung zeitlich auseinandergezogen werden. Nachdem dann die erforderlichen Operationen durch das Nachrichten-Ultraschallübertragungseinrichtung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
6200 Wiesbaden, Hohlenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:

Marsena Robert Parker jun., Allentown, Pa.;
Irvin Ernest Fair, Center Valley, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 11. Juni 1964 (374 542,
374 544)

signal oder an demselben durchgeführt worden sind, müssen die zeitlich auseinandergezogenen Frequenzkomponenten des Nachrichtensignals wieder in eine allen Frequenzkomponenten gemeinsame Zeitlage zusammengeschoben werden. Hierzu sind paarweise zuzusammengefaßte dispersive Verzögerungsleitungen mit spiegelsymmetrischen Verzögerungskennlinien erforderlich, derart, daß für jede Frequenz innerhalb des Betriebsfrequenzbandes die Summe der durch die beiden Leitungen eines Paares eingeführten Verzögerung konstant ist. Weitere Anwendungsbeispiele für dispersive Verzögerungsleitungen finden sich in dem Artikel »The Theory and Design of Chirp Radars« in der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal«, Vol. 39, Nr. 4, S. 745 bis 808 (Juli 1960).

Eine bekannte Methode zur Erhaltung dispersiver

Verzögerungsleitungen beruht auf dem Umstand, daß gewisse Materialien von Hause aus ein frequenzdispersives Verhalten gegenüber bestimmten Ultraschallschwingungsformen zeigen. Bei mit solchen Materialien als Verzögerungsstrecke aufgebauten Verzögerungsleitungen läßt sich jedoch das speziell gewünschte Dispersionsverhalten, weil ausschließlich auf einer Materialeigenschaft gründend, nur durch Auswahl eines entsprechenden Materials realisieren. Die Anzahl der hierfür in Frage kommenden Materialien ist aber recht begrenzt. Weiterhin sind, weil

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die durch das Material der Verzögerungsstrecke Im folgenden ist die Erfindung an Hand der in

selbst erzeugte Dispersion allgemein nicht sonderlich der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele im groß ist, übermäßig lange Verzögerungsleitungen mit einzelnen beschrieben; es zeigt den sie dann begleitenden übermäßigen Verlusten F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausfüh-

zum Erhalt großer Dispersionen notwendig. Die 5 rungsbeispiels einer Dispersions-Verzögerungsleitung, nach dieser bekannten Methode gegebenen Möglich- F i g. 2 eine typische Verzögerungsfrequenz-Kenn-

keiten sind daher ersichtlich stark begrenzt. linie, die von einer Verzögerungseinrichtung nach

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Ultraschall- F i g. 1 erwartet werden kann,

Übertragungseinrichtungen der einleitend beschrie- F i g. 3 eine Abänderung der Ausführung der

benen Art zu schaffen, bei denen die Frequenzabhän- io F i g. 1 und

gigkeit der Verzögerung nach jeder gewünschten F i g. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen

Funktion verlaufen und auch große Werte bei kleinen Ausführung einer Dispersions-Verzögerungsleitung. Verlusten erreichen kann. In F i g. 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin-

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dung dargestellt, das aus einem flachen, grundsätzfür die Ultraschallübertragungseinrichtung der ein- 15 lieh keilförmigen Block 10 aus irgendeinem geleitend beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, eigneten Ultraschallfortpflanzungsmaterial besteht, daß zum Erhalt eines dispersiven Verhaltens die Ein- Zum Beispiel kann der Block 10 aus einem isotropi- und Austrittsflächen der Bahn gegeneinander derart sehen Material wie Glas oder glasartige Kieselerde orientiert sind, daß für die von den verschiedenen hergestellt sein oder aus einer Metallegierung mit Stellen des frequenzselektiven Wandlers ausgehenden 20 einer Korngröße, die klein im Vergleich zur Wellenoder an diesen eintreffenden, jeweils verschieden- länge der geführten elastischen Welle ist. Der Block frequenten Ultraschallwellen eine je verschiedene 10 hat ebene obere und untere Oberflächen, die im Laufstrecke innerhalb der Bahn resultiert. wesentlichen parallel sind und die einen Abstand

Damit wird erreicht, daß die unterschiedlichen Ver- haben, der nachfolgend als Querabmessung des zögerungszeiten für verschiedene Frequenzen das 35 Blocks 10 bezeichnet wird und der wenigstens zehn Ergebnis verschiedener Laufstrecken sind und nicht Wellenlängen der elastischen Wellenenergie beträgt, nur verschiedener Laufzeiten längs einer und der- so daß die Oberflächen die Fortpflanzung der geselben Laufstrecke. Es läßt sich daher bei entspre- wünschten Wellenform nicht wesenlich stören. Der chender Geometrie für die Ultraschallübertragungs- Block 10 hat weiterhin eine linke und eine rechte bahn und den frequenzselektiven Wandler praktisch 30 Kante oder Fläche 11 bzw. 12, die schräg zueinander jede gewünschte Dispersionskennlinie in einer viel angeordnet sind, so daß die Fortsetzungen dieser kleineren Anordnung mit einer viel kleineren mitt- Flächen sich unter einem spitzen Winkel Θ schneileren Ultraschallaufstrecke als bei den vorstehend be- den. Die Flächen 11 und 12 haben Längsabmessunschriebenen bekannten dispersiven Verzögerungs- gen senkrecht zur Querabmessung des Blocks 10, die leitungen erzielen. Die akustischen Verluste, die eine 35 jeweils zwischen mehreren hundert und mehreren Funktion der Laufstrecke sind, bleiben daher klein. tausend Ultraschallwellenlängen betragen können. Auch können größere Bandbreiten als bisher erreicht Die übrigen vorderen und rückwärtigen Flächen des werden. Blocks 10 sind für die Erfindung nicht kritisch, wo-

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist bei die Abstumpfung des »Keils« zur Bildung der der frequenzselektive Wandler einen piezoelektrischen 40 vorderen Fläche die Verpackung vereinfacht. VorKörper zwischen zwei Elektrodenbelägen auf, der an zugsweise ist wenigstens die größere hintere Fläche verschiedenen Stellen längs seiner Bahnankopplungs- mit einem akustischen Wellenabsorptionsteil 13 befläche unterschiedliche Dicke zwischen den Elek- kannter Art versehen, der etwaige akustische Energie trodenbelägen besitzt. Man hat daher für eine ange- ohne Reflexion absorbiert und ableitet, strebte spezielle Dispersionskennlinie nicht nur einen 45 Auf der linken Fläche 11 des Blocks 10 sind Mittel Entwurfsparameter, nämlich den durch die frei wähl- vorgesehen, um eine breitbandige oder mehrfrequente bare gegenseitige Orientierung der Ultraschallbahn- Welle aus Ultraschallwellenenergie einzuführen, die Eintritts- und -Austrittsfläche gegebenen, sondern sich mit einer breiten Wellenfront innerhalb des noch einen weiteren Entwurfsparameter zur Ver- Blocks 10 fortpflanzt. Diese Energie wird auf Grund fügung, nämlich den durch die frei wählbare Form 50 der Frequenz über die Länge der Fläche 11 verteilt, des Wandlerdickenprofils gegebenen, wodurch die wobei die Energie mit der tiefsten Frequenz im Band bestehenden Möglichkeiten ersichtlich erweitert vorherrschend auf das eine Ende der Fläche 11 und werden. die Energie mit der höchsten Frequenz auf das an-

Bei einer weiteren Ausführungsform weist der fre- dere Ende konzentriert wird. Wie dargestellt, besteht quenzselektive Wandler einen piezoelektrischen Kör- 55 dieses Mittel aus einer Quelle 15 für elektrische Imper zwischen zwei Elektrodenbelägen auf, von denen pulse mit mehrfrequenten Komponenten, die wenigder eine in Form einer Leiter vorliegt, auf deren stens das Frequenzband Z₁... /₂ umfassen und die an Länge sich der Abstand zwischen benachbartem einen Ultraschallwandler angelegt werden, der semer-Querschnitt ändert. Auch bei dieser Ausführungs- seits aus einem dünnen piezoelektrischen Kristall form werden die vorstehend erwähnten Vorteile er- 60 oder aus einem keramischen Teil 16 mit den leitenreicht, wobei zugleich — aus noch zu erläuternden den Elektroden 17 und 18 besteht. Dieser Wandler Gründen — eine besonders hohe Frequenzselektivität gleicht dem herkömmlicherweise verwendeten Wandim angegebenen Sinn für den Wandler erreicht wird. lern abgesehen davon, daß die Dicke des Teils 16 Besonders hochdispersives Verhalten läßt sich da- auf der Länge der Fläche 11 sich von einer maxidurch erreichen, wenn zwei hinsichtlich ihrer Fre- 65 malen Dicke am breitesten Teil des Blocks 10 von quenzselektivität einander entsprechende Wandler im wesentlichen einer halben Wellenlänge der Freals Eingangs- bzw. Ausgangswandler verwendet quenz J_x oder A/2 auf eine minimale Dicke A₂/2 oder werden. eine halbe Wellenlänge der Frequenz f.₂ ändert. Die-

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ser Wandler hat Oberflächenabmessungen, die mit Somit durchläuft die tiefere Frequenz Z₁ im Band der Fläche 11 vergleichbar sind, mit der er in ge- die Strecke I₁ von ihrem Erregungspunkt bis zu eigneter Weise verbunden wird, ferner ist er so ge- ihrem Empfangspunkt. Die höhere Frequenz /₂ polt, daß die gewünschte Ultraschallschwingungs- durchläuft die Strecke Z₂. Jede dazwischenliegende form hervorgebracht wird. Entsprechend einer be- 5 Frequenz durchläuft dazwischenliegende Strecken, vorzugten Ausführung ist die Polung des Teils 16 wie dies schematisch in F i g. 1 angegeben ist. Die derart, daß eine Schwingung in der Form erzeugt Energie wird bei jeder Frequenz von der Anfangswird, die bekannt ist, und die herkömmlicherweise als zeit aus genau um die Ultraschallaufzeit auf diesen Dicken-Scherungs-Schwingungsform bezeichnet wird, Strecken verzögert. Es ist daher offensichtlich, daß welche eine Teilchenverschiebung senkrecht zur obe- io der maximale Abstand zwischen den Rächen 11 und ren und unteren Oberfläche des Blocks 10 aufweist. 12 die maximale Verzögerung an dem einen Ende Es können auch Schwingungen in anderen Formen des Bandes bestimmt, während der minimale Abverwendet werden, doch treten bei der bevorzugten stand zwischen den Flächen die minimale Verzöge-Form Schwierigkeiten in bezug auf Schwingungs- rung am anderen Ende des Bandes und der spitze formumwandlungen nicht auf. Der auf der Fläche 12 15 Winkel & das Verhältnis zwischen den beiden Verangeordnete Ausgangswandler gleicht dem Eingangs- zögerungen bestimmt.

wandler. Er besteht aus den leitenden Elektroden 22 Da die verschiedenen Verzögerungszeiten für die

und 23 mit einem dazwischenliegenden schrägen Teil verschiedenen Frequenzkomponenten in der Tat das

24 aus kristallinem oder keramischem piezoelektri- Ergebnis von verschiedenen Laufstrecken und nicht

schem Material, das so gepolt ist, daß es auf dieselbe 20 nur das Ergebnis von verschiedenen Laufzeiten auf

Schwingungsform anspricht, wie sie vom Wandler demselben Weg sind, kann ein gegebenes Maß von

16-17-18 hervorgebracht wird. Das auf diese Weise Dispersion oder Streuung in einer sehr viel kleineren

erzeugte elektrische Feld wird von den Elektroden 22 Anordnung mit einer viel kleineren mittleren Weg-

und 23 erfaßt und einer geeigneten Ausgangs- länge hervorgebracht werden, als bei Dispersions-

belastungsimpedanz oder einer Verbrauchseinrich- 35 Verzögerungsleitungen der bisherigen Art. Da aku-

tung 25 zugeführt. stische Verluste eine Funktion der Weglänge sind, ist

Der frequenzempfindliche Charakter von schrägen die vorliegende Anordnung wirksamer als Leitungen

piezoelektrischen Wandlern wurde zuerst in der der bisherigen Art.

USA.-Patentschrift 2 308 360 geschildert. Er wurde Da die Frequenzbandbreite durch die maximale

in Einrichtungen angewendet, die in der USA.- 30 und die minimale Dicke der Wandler bestimmt ist,

Patentschrift 2 779 191 beschrieben sind. Diese ist es möglich, viel größere Bandbreiten als bei Lei-

USA.-Patentschrift 2779191 enthält weiter eine tungen der bisherigen Art zu erhalten,

mathematische Untersuchung der Erscheinung, die Fig. 2 zeigt eine typische Verzögerungsfrequenz-

hier nicht wiederholt zu werden braucht. Kennlinie, bei der die Kurve 31 eine Kennlinie für

Für die Zwecke der Erfindung reicht es aus, wenn 35 die Ausführung der F i g. 1 darstellt, bei der eine man versteht, daß, wenn eine Spannung mit einer maximale Verzögerung bei der niedrigsten Frequenz gegebenen Frequenz zwischen den Elektroden 17 und ein linearer Übergang zur höheren Frequenz und 18 angelegt wird, das piezoelektrische Element vorhanden sind. Durch Umkehr der Abschrägungen 16 Ultraschallenergie von derjenigen Stelle auf dem der Elemente 16 und 16 gegenüber der Abschrägung Keil, wo das Element 16 in Resonanz erregt wird, in 40 des Körpers 10 wird die reziproke Verzögerungsden Körper 10 einstrahlt. Im allgemeinen entspricht kennlinie erzeugt, die durch die Kurve 32 dargestellt dies der Stelle, wo die Ultraschallwellenlänge im Ma- ist. Selbstverständlich ist die durch die geraden terial des Elements 16 das Doppelte der Dicke auf- Flächen 11 und 12 hervorgebrachte lineare Bezieweist. Obwohl das Element elektrisch auf seiner gan- hung nur ein Beispiel. Eine oder beide dieser Flächen zen Fläche erregt wird, so wird es doch an Stellen, 45 können konkav oder konvex nach irgendeiner geodie von der Resonanzstelle entfernt sind, zunehmend metrischen, exponentiellen, logarithmischen oder anaußer Resonanz erregt, es wird daher in den Körper derweitigen Progression gekrümmt sein, um eine an-10 Ultraschallenergie mit abnehmender Intensität dere gewünschte Dispersionsänderung zu erzeugen, einstrahlen. Wenn im Gegensatz zu einer einzigen wie sie z. B. durch die Kurve 33 dargestellt ist.
gegebenen Frequenz ein mehrfrequentes Signal zwi- 50 Wenn auch die Ausführung mit keilförmigen sehen den Elektroden 17 und 18 angelegt wird, kann Querschnitten für den Eingangs- und den Ausgangsdie abgestrahlte Wellenfront aus zahlreichen ört- wandler wegen der durch ihre vereinte Frequenzlichen Strahlen bestehend bedacht werden, und zwar Selektivität erhaltenen vergrößerten Unterscheidung jeweils mit einer der Frequenzkomponenten des bevorzugt wird, so kann doch das Grundprinzip der mehrfrequenten Signals, die mit zylindrischen WeI- 55 Erfindung auch nur mit einem einzigen keilförmigen lenfronten von jedem Resonanzpunkt auf die Wand- Wandler durchgeführt werden. Eine derartige Ablerfläche gestrahlt werden. Da diese Strahlen zylin- änderung ist in F i g. 3 dargestellt, in der diejenigen drische Wellenfronten haben, divergieren sie sofort Bezugszahlen, die denjenigen der F i g. 1 entsprechen, und überlappen sich, wenn die Welle in dem Block zur Bezeichnung der entsprechenden Komponenten 10 fortschreitet. Daher trägt die Frequenzselektivität 60 benutzt werden. Die Abänderung besteht offensichtdes Ausgangswandlers 22-23-24 dazu bei, die Fre- lieh darin, daß der Eingangswandler aus einem quenzkomponenten wieder zu trennen. Wenn auch flachen piezoelektrischen Element 31 mit parallelen jeder Punkt auf der Fläche des piezoelektrischen Flächen und parallelen Elektroden 32 und 33 beElements 24 des Ausgangswandlers durch Wellen- steht, während der Ausgangswandler wie in F i g. 1 komponenten mit zahlreichen Frequenzen erregt 65 keilförmig bleibt. Im Betrieb wird die elektrische wird, so spricht doch ein gegebener Punkt am wirk- Energie der Quelle 15 durch den Wandler 31-32-33 samsten nur auf diejenige Frequenz an, bei der das in mehrfrequente Ultraschallschwingungen mit einer Element in Resonanz kommt. ebenen Wellenfront umgewandelt, die sich im we-

sentlichen über die volle Länge der Fläche 11 er- sind, so daß eine große Anzahl — in der Praxis von streckt. Wenn diese Wellenfront schräg in das piezo- mehreren hundert bis mehreren tausend — ähnelektrische Element 24 eindringt, bewirkt die Span- liehen, sich in Querrichtung erstreckenden leitenden nung, die die Welle entstehen läßt, die Ausbildung Stäben oder Querstegen 56 und 57 stehenbleibt, die eines vorherrschenden elektrischen Feldes zwischen 5 jeweils akustisch getrennte Elektroden bilden, welche den Elektroden 22 und 23 nur mit derjenigen Fre- wenigstens durch eine Seitenschiene 58 oder 59 elekquenz, für die Dicke wie in F i g. 1 Resonanz erzeugt. trisch miteinander verbunden sind, so daß sämtliche Wenn somit die Wellenfront den unteren dünnen Elektroden parallel mit der Ausgangsimpedanz oder Querschnitt des Teils 24 zuerst trifft, wird ein An- der Verbrauchseinrichtung 25 verbunden sind. Selbstsprechen mit den höheren Frequenzen des angeleg- io verständlich wirken äußerlich verbundene Elektroten Bandes erzeugt. Wenn die Zeit fortschreitet, den in gleicher Weise. Der Abstand zwischen den gehen die tieferen Frequenzkomponenten weiter über Mitten von benachbarten Elektroden ändert sich auf den Teil 24, bis sie ihren bestimmten Resonanzpunkt der Länge der Anordnung 52 entsprechend der Funkerreichen und zu einer Zeit wiedergegeben werden, tion, die zur Wiedergabe der Frequenzverzögerungsdie gegenüber der Empfangszeit genau um die 15 kennlinie in der Ausgangsenergie gewünscht wird. Strecke von der Quelle 11 bis zu diesem Resonanz- Insbesondere wird dieser Abstand so ausgeführt, daß punkt verzögert ist. Der elektrische Ausgang der eine vom Wandler 46-47-48 ankommende gegebene durch die Elektroden 22 und 23 erfaßt wird, stellt Wellenfront aufeinanderfolgende Elektroden der Andie Summe der getrennten Frequenzansprechwerte Ordnung 52 beim Fortschreiten mit einer Phasendifdar. ao ferenz zwischen den benachbarten Elektroden trifft,

Wie die Ausführung der Fig. 1 ist auch die An- die bei der technischen Art der Ultraschallwelle bei Ordnung der F i g. 3 reziprok, wobei eine mehrfre- der höchsten Frequenz im angelegten Band an einem quente, zwischen den Elektroden 22 und 23 ange- Ende der Elektrodenanordnung 52 und 360° der legte Welle in eine Ultraschallwelle umgewandelt niedrigsten Frequenz im angelegten Band am andewird, deren Energie auf Grund der Frequenz auf die 35 ren Ende der Elektrodenanordnung 52 beträgt. Da Fläche 12 verteilt ist. Da der piezoelektrische Teil die Ebene der Elektrodenanordnung 52 um den 31 bei einer gegebenen Frequenz nur auf eine Ener- Winkel Θ zur fortschreitenden Wellenfront geneigt gie anspricht, die senkrecht zu seiner Fläche an- ist, ist der physikalische Abstand gemessen entlang kommt, durchläuft jede Frequenzkomponente der der Anordnung l/sin Θ mal der gewünschten Wellen-Ultraschallwelle eine eindeutige Strecke von ihrem 30 länge. Es sei z. B. angenommen, daß die beabsich-Erzeugungspunkt zum Wandler 31-32-33 auf einem tigte Dispersionskennlinie eine Kennlinie ist, für die zur Wandlerfläche senkrechten Weg. die Verzögerung mit wachsender Frequenz nach

Wenn auch die wichtigste Anwendung der Erfin- einer linearen Funktion abnimmt. Dann beträgt der

dung zur Zeit auf der Änderung der Abhängigkeit Abstand für die Elektroden 56, die dem Wandler

der Frequenzkomponenten von der Verzögerungszeit 35 46-47-48 am nächsten sind, A/sin Θ, wobei I₂ die

in einem breitbandigen Signal zu beruhen scheint, so eine Oberflächenwellenlänge bei der höchsten Fre-

umfaßt selbstverständlich das Erfindungsprinzip auch quenz f₂ im Band ist, während der Abstand für die

den Betrieb bei einer einzigen Frequenz, wobei die Elektroden 57, die vom Wandler 46-47-48 am wei-

Amplitude der Signalverzögerung durch Änderung testen entfernt sind, X₁ZsIn Θ beträgt, wobei I_x die

ihrer Frequenz geändert werden kann. 40 Wellenlänge bei der niedrigsten Frequenz j_% ist und

In F i g. 4 ist eine weitere Ausführung der Er- der Abstand zwischen diesen Elektroden sich nach findung dargestellt, die aus dem flachen keilförmigen einer linearen Beziehung ändert. Selbstverständlich Block 10 der Quelle 15 für elektrische Impulse und kann dieser Abstand nach irgendeiner geometrischen, einem herkömmlichen Ultraschallwandler besteht, exponentiellen, logarithmischen oder einer anderen der einen dünnen piezoelektrischen Kristall oder 45 Progression geändert werden, wenn dies die geeinen keramischen Teil 46 mit den beiden leitenden wünschte Dispersionsänderung darstellt. Theoretisch Elektroden 47 und 48 enthält, sowie einem Aus- soll jede Elektrode eine Abmessung parallel zur gangswandler 55, der auf der Fläche 12 angeordnet Längsausdehnung der Anordnung 52 aufweisen, die ist und der einen solchen Aufbau aufweist, daß eine mit der Hälfte ihres Abstands vergleichbar ist, doch Vielzahl von akustisch getrennten Ansprechwerten 50 hat man in einem praktischen Fall festgestellt, daß elektrisch vereinigt werden, um einen Resonanzzu- eine gleichmäßige Abmessung, die kleiner als eine stand hervorzubringen, der sich entlang des Wand- halbe Wellenlänge der höchsten betrachteten Freiers unter dem Einfluß der vom Eingangswandler quenz ist, ausreicht, und wesentlich leichter herzu-46-47-48 erhaltenen Wellenfront progressiv mit der stellen ist.

Frequenz ändert. Bei einer bevorzugten Ausführung 55 Wenn auch die Anordnung des Teils 54 mit der besteht der Gitterwandler 55 aus einem dünnen Teil Elektrodenanordnung 52 und der auf ihren Flächen 54 aus Kristall oder einem keramischen piezoelek- ausgebildeten Elektroden 53 mit dem Teil 10 so vertrischen Material mit einer Längsabmessung, die mit bunden werden kann, daß eine der beiden Elektroder Abmessung der Fläche 12 vergleichbar ist. Der den an der Fläche 12 liegt, so erhält man doch die Teil 54 ist so gepolt, daß er auf die vom Wandler 60 beste Wirkungsweise, indem die Anordnung 52 in 46-47-48 erzeugte Schwingungsform anspricht. Auf der dargestellten Weise an der Fläche 12 angebracht der einen Oberfläche des Teils 54 befindet sich eine wird. Wenn ferner, wie beschrieben, die Anordnung einzige leitende Elektrode 53. Auf der anderen Ober- 52 dadurch hergestellt wird, daß sie auf dem Teil 54 fläche des Teils 54 ist eine kammartige oder leiter- aufgebracht wird, so sei doch darauf hingewiesen, artige Elektrodenanordnung 52 ausgebildet, z. B. da- 65 daß sie auch unmittelbar auf der Fläche 12 ausgedurch, daß eine gleichmäßige Schicht aus leitendem bildet werden kann.

Material auf der gesamten Fläche des Teils 54 auf- Im Betrieb wird die elektrische Energie der Quelle

gebracht ist und dann Teile der Schicht weggeätzt 15 durch den Wandler 46-47-48 in Ultraschall-

schwingungen umgewandelt, die eine Wellenfront aufweisen, welche sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Fläche 11 erstreckt. Wenn diese Wellenfront schräg in den Teil 54 eindringt, bewirken die Spannungen, die in dem Teil des piezoelektrischen Materials entstehen, der jeweils den aufeinanderfolgenden Elektroden der Anordnung 52 benachbart ist, daß ein elektrisches Feld sich zwischen jeder einzelnen Elektrode und der Elektrode 53 ausbildet. Die Zeit, bei der dies für jede einzelne Elektrode eintritt, ist gegenüber der Anfangszeit um die Strecke von der Fläche 11 zu dieser Elektrode verzögert. Wenn die Wellenfront dann die anderen Elektroden durchquert, wird sie durch jede Elektrode genau zu einer Zeit wiedergegeben, die der Laufzeit zu dieser Elektrode entspricht. Irgendwelche verbleibende Energie wird im Absorbtionsteil 13 abgeleitet.

Da die ersten Elektroden 56, die einen kleinen Teil der Gesamtanordnung bilden, einen solchen Abstand haben, daß ihre Phasendifferenz sehr nahe bei 360° bei der Frequenz/₂ liegt, die für einen Resonanzzustand bei Z₂ kennzeichnend ist, sind die elektrischen Felder, die jeweils von den Elektroden erfaßt werden, im wesentlichen in Phase, so daß ein elektrischer Ausgang entsteht, der das Signal Z₂ darstellt. Wenn die Zeit vergeht, laufen die Komponenten mit der Frequenz/₂ weiter über die Anordnung 52, wobei die einzelnen Elektrodenabstände eine Phasendifferenz erzeugen, die zunehmend größer als eine Wellenlänge ist, so daß die Anordnung sich fortschreitend weiter von der Resonanz bei der Frequenz/₂ entfernt. Daher liegt die Phase der Spannung, die durch jede nachfolgende Elektrode erfaßt wird, später als die vorhergehende, so daß der Ansprechwert einer Elektrode die Tendenz hat, den Ansprechwert einer anderen auszulöschen.

Für die Frequenz Z₁ am unteren Ende des Bandes ist die Lage genau umgekehrt. Da ihre Wellenlänge im wesentlichen größer als der Phasenabstand des Teils der Elektroden 56 ist, die dem Wandler 46-47-48 am nächsten sind, haben die Spannungen, die durch benachbarte Elektroden erfaßt werden, die Tendenz, sich auszulöschen. Wenn jedoch die Welle ihren Lauf über die Anordnung 52 fortsetzt, wird der Phasenabstand in einem anderen Teil gegebenenfalls gleich 360° bei der Frequenz Z₁ und kennzeichnend für einen Resonanzzustand bei f_v wobei die Spannungen, die durch benachbarte Elektroden in diesem Teil erfaßt werden, in Phase sind, so daß eine Ausgangsspannung entsteht.

Somit wird eine Ultraschallenergie mit der Frequenz /₂ in Resonanz durch den ersten Teil der Elektrodenanordnung erfaßt, während eine Welle der Frequenz Z₁ in Resonanz durch den letzten Teil der Elektrodenanordnung erfaßt wird und Wellenlängen mit mittleren Frequenzen in Resonanz durch mittlere Teile der Elektrodenanordnung erfaßt werden. Jede Frequenzkomponente hat eine Zeitverzögerung, die der Strecke vom Eingang bis zu dem Punkt proportional ist, wo der Abstand der Elektrode gleich einer Phasendifferenz von 360° ist und die gewünschte Resonanz erzeugt wird. Die Reihenfolge, in der die höchste Frequenzkomponente die niedrigste Frequenzkomponente oder eine dazwischenliegende Komponente erfaßt wird, und der Abstand vom Eingang, an dem diese Erfassung stattfindet, kann willkürlich durch eine geeignete Anordnung der Elektroden gewählt werden, um eine gewünschte Verzögerungskennlinie hervorzubringen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß der minimale Abstand zwischen den Flächen 11 und 12 die minimale Verzögerung am einen Ende des Bandes bestimmt, während der maximale Abstand zwischen den Flächen die maximale Verzögerung am anderen Ende des Bandes und der Winkel Θ das Verhältnis zwischen den beiden Verzögerungen bestimmt.

ίο Wie oben bemerkt wurde, kann sich die Anzahl der Elektroden von mehreren hundert bis mehreren tausend ändern, je den durch eine gegebene Anwendung gestellten Forderungen. Wenn eine gegebene Dispersions-Verzögerungskennlinie hergestellt werden soll, werden Kriterien verwendet, die von der Theorie der Abtastung hergeleitet sind, um eine geeignete Annäherung an eine gegebene Dispersionskennlinie zu bestimmen. Wenn die Anzahl der Abtastelemente, das ist die Anzahl der Elektroden,

ao gleich dem Produkt der doppelten Bandbreite und der differentiellen Verzögerung zwischen der maximalen und der minimalen Frequenz in dem Band ist, ist der Fehler Verzögerung geringer als der Reziprokwert der Bandbreite. In allen vorliegenden kornmerziellen Anwendungen ist die Bandbreite kleiner als die halbe Mittelfrequenz. Wenn daher die Anzahl der Elemente gleich dem Produkt aus der Mittelfrequenz und der differentiellen Verzögerung ist, wird der Fehler kleiner als der Fehler sein, der von der Theorie der Abtastung vorgeschrieben ist.

Die umgekehrte Funktion wird durchgeführt, um das Band Z₁ bis Z₂ zusammenzudrücken, wenn es zur Zeit des Anlegens an den Wandler 46-47-48 bereits dispergiert ist. Um den komplementären oder spiegelbildlichen Wert der oben beschriebenen Dispersionskennlinien hervorzubringen, muß der niederfrequente Elektrodenabstand am nächsten beim Eingang und der höherfrequente Abstand entfernt vom Eingang angeordnet werden, wie man es erreicht, wenn eine gegebene Elektrodenanordnung herumgedreht wird. Man erhält daher einen Ausgang vom Wandler 55 nur, wenn sämtliche Frequenzkomponenten an ihren jeweiligen Elektroden zur selben Zeit übereinstimmen.

Wenn es auch viel schwieriger ist, sich ein Bild von der Arbeitsweise zu machen, so ist die Anordnung doch voll reziprok. So erzeugt ein mehrfrequentes Signal, das parallel an alle Elektroden der Elektrodenanordnung 52 angelegt wird, eine mehrfrequente Welle, die von der Anordnung wegläuft, wobei jede Frequenzkomponente als Ultraschallwelle nur an derjenigen Stelle entsteht, bei der der Elektrodenabstand in Phase liegende Komponenten und eine örtliche Resonanz erzeugt. Qualitativ ist dies dadurch zu verstehen, daß man sich vergegenwärtigt, daß jede Elektrode einen piezoelektrischen Ansprechwert bei sämtlichen Frequenzen erzeugt und jeder Wert selbst in der Lage ist, eine Ultraschallfortpflanzung zu erregen. Wenn jedoch eine Vielzahl solcher Elektroden in einer Anordnung zusammengefaßt sind, erzeugen nur diejenigen Elektroden, welche in Phase sind, eine Fortpflanzung senkrecht zur Fläche 11, während alle anderen Elektroden die Tendenz haben, sich auszulöschen.

Da der Teil 14 auf eine gegebene Frequenz nur auf eine Energie anspricht, die senkrecht zu seiner Fläche ankommt, durchläuft jede Frequenzkomponente eine bestimmte Strecke von ihrem Erzeugungs-

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punkt zum Wandler 46-47-48 auf einem Weg senkrecht zu ihrer Fläche.

Wenn die einzelnen Elektroden der Anordnung gleichen Abstand haben, wird die Anordnung ein Bandpaßfilter, bei dem die Mittelfrequenz des Bandes diejenige Frequenz ist, bei der dieser Abstand Spannungen erzeugt, die 360° zueinander liegen, so daß sie sich in Phase vereinigen. Bei Frequenzen, die von der Mittelfrequenz entfernt liegen, haben die Spannungen verschiedene Phasen und suchen sich zu Null zu addieren und sich gegenseitig auszulöschen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Ultraschallübertragungseinrichtung mit einer Ultraschallübertragungsbahn, an deren Ultraschall-Eintritts- und -Austrittsfläche je ein Ultraschallwandler angekoppelt ist, wobei zumindest einer der Wandler frequenzselektiv in der Weise ausgebildet ist, daß er für verschiedene Ultraschallfrequenzen an verschiedenen Stellen längs seiner an die Ultraschall-Eintritts- oder -Austrittsfläche der Bahn angekoppelten Fläche resonant ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhalt eines dispersiven Verhaltens die Ein- und Austrittsflächen (11, 12, 52) der Bahn (10) gegeneinander derart orientiert sind, daß für die von den verschiedenen Stellen des frequenzselektiven Wandlers (16-17-18, 22-23-24, 53-54-55) ausgehenden oder an diesen eintreffenden, jeweils verschiedenfrequenten Ultraschallwellen (Z₁, f₂) eine je verschiedene Laufstrecke (Z₁, Z₂) innerhalb der Bahn resultiert.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzselektive Wandler einen piezoelektrischen Körper (24) zwischen zwei Elektrodenbelägen (22, 23) aufweist, der an verschiedenen Stellen längs seiner Bahnankopplungsfläche unterschiedliche Dicke (X₁Il, A₂/2) zwischen den Elektrodenbelägen besitzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der frequenzselektive Wandler einen piezoelektrischen Körper (54) zwischen zwei Elektrodenbelägen (53, 55) aufweist, von denen der eine in Form einer Leiter (55) vorliegt, auf deren Länge sich der Abstand zwischen benachbarten Querstegen (56, 57) ändert.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstege (56, 57) einen Mittenabstand haben, der sich von der Phasenwellenlänge bei der höchsten bis zur Phasenwellenlänge bei der niedrigsten, für das System bestimmten Frequenz (Z₁, /₂) ändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung jedes Querstegs in Längsrichtung nicht größer als eine halbe Wellenlänge der höchsten Frequenz ist, für die das System bestimmt ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch zwei, hinsichtlich ihrer Frequenzselektivität einander entsprechende Wandler (16-17-18, 22-23-24).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 946708;
USA.-Patentschriften Nr. 2308 360, 2779 191,

839 731;
»The Bell System Technical Journal«, Vol. 39,

Nr. 4, S. 745 bis 808 (Juli 1960).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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