DE1566005A1

DE1566005A1 - Ultrasonic conduction

Info

Publication number: DE1566005A1
Application number: DE19671566005
Authority: DE
Inventors: Helmut Probst
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1967-06-09
Filing date: 1967-06-09
Publication date: 1971-01-14

Description

"Ultraschalleitung" Die Erfindung betrifft eine Ultraschalleitung mit einer Eingangsfläche, auf der eine Ultraschalletzahlerfläche angeordnet ist und mit wenigstens zwei um ein Vielfaches der Wellenlänge voneinander entfernten Grenzflächen, die Ultraschallwellen im wesentlichen phasensprungfrei reflektieren. "Ultrasonic line" The invention relates to an ultrasonic line with an input surface on which an ultrasonic meter surface is arranged and with at least two boundary surfaces which are separated by a multiple of the wavelength and which reflect ultrasonic waves essentially without phase jumps.

Bevorzugt findet eine solche Ultraschalleitung Verwendung im Zusammenhang mit einer Ultraschallverzögerungsleitung, die dizu dient, ein elektrisches Signal eine bestimmte Zeit zu verzögern, und zwar um eine solche Zeit, die der Ultraschall benötigt, um die Ultraschalleitung vom Anfang bis zum Ende zu durchlaufen. dm Anfang und am Ende einer solchen Leitung sind elektromechanische Wandler angeordnet, die eine elektrische Schwingung in Ultraschallwellen umwandeln und umgekehrt. Als ultraschalleitende Medien für solche Ultraschalleitungen kommen nicht nur feste Körper, sondern auch flüssige und gasförmige Körper in Frage, wenngleich man feste Körper, z. B. aus Glas, Ferrit oder dergleichen, bevorzugt verwendet.Preferably is such ultrasonic line use in connection with an ultrasonic delay line Dizu serves to delay an electrical signal for a certain time, namely to such a time required for the ultrasound to the ultrasonic line from the beginning to the end to go through. Electromechanical transducers are arranged at the beginning and at the end of such a line, which convert an electrical oscillation into ultrasonic waves and vice versa. As ultrasound-conducting media for such ultrasound lines , not only solid bodies, but also liquid and gaseous bodies come into question, although solid bodies, e.g. B. made of glass, ferrite or the like, preferably used.

Um zu erreichen, daß ein möglichst großer Anteil der von einem Strahler ausgestrahlten Ultraschallenergie zu einem Empfänger gelangt, muß man außer auf eine gute akustische Ankopplung auch darauf*bedacht sein, die Verluste de$ Ultraschalles in der Leitung so gering wie möglich zu halten. Dazu gehört es auch, daB man die Divergenz des von dem Strahler ausgehenden Schallbündels klein hält. Hält man das divergierende Schallbündel durch reflektierende Grenzflächen zusammen, so ergeben sich im allgemeinen un- terschiedliche Laufzeiten zwischen den einzelnen Schallstrahlen, und es können Interferenzen auftreten, die zu einer Verringerung der Empfangsenergie führen.In order to ensure that the greatest possible proportion of the ultrasonic energy emitted by a radiator reaches a receiver, one must, in addition to a good acoustic coupling, also ensure that the losses of the ultrasound in the line are kept as low as possible. This also includes keeping the divergence of the sound beam emanating from the radiator small. Holding the diverging ultrasonic beam by reflecting boundary surfaces together, generally result Differing propagation times between the individual sound beams, and interference may occur, leading to a reduction in reception energy.

Die Divergenz, also die Verbreiterung den von einem ebenen Strahler ausgehenden Strahlenbündels, ist umso geringer, je größer die Länge und die Breite des Schallstrahlers (Schallquelle, z. B. Wandler) sind. Strahlt ein Wandler j seine Energie von einer ebenen, kreiörmigen Fläche in einen Halbraum ab, das ist also, wenn keine Störung der Ausbreitung der Schallwellen durch Begrenzungsflächen des Schalleiters auftritt, so wird die Hauptkeule des Strahlungsdiagramma,wie in Figur 1 dargestellt, durch den Winkel a begrenzt, dessen Sinus proportional dem Verhältnis von Wellenlänge zum Durchmesser der aktiven Fläche des Strahlers 1 ist. Je kleiner dieser quotient.ist, desto geringer ist auch die in den Nebenzipfeln enthaltene Energie; außerhalb des Nahfeldes nimmt die Intensitit der Strahlung umgekehrt proportional zum Quadraät der Entfernung ab. Das trifft auch annähernd für einen in der Praxis häufig verwendeten Strahler mit rechteckiger Strahlerfläche zu. Man würde in dem Ultraschalleiter ein Parallel-Strahlen-Bündel nur dann erhalten, wenn man einen Strahler verwenden würde, bei welchem die Abmessungen der abstrahlenden Fläche im Vergleich zur Wellenlänge sehr groß wären, oder bei sehr großem Abstand zwischen Strahler und Empfänger.The divergence, i.e. the broadening of the beam emanating from a plane radiator, is smaller, the greater the length and the width of the sound radiator (Sound source, e.g. transducer). A converter shines j its energy from a flat, circular surface in a half-space, that is, if there is no disturbance of the propagation of the sound waves through the boundary surfaces of the sound conductor, the main lobe of the radiation diagrama, as shown in Figure 1 , is limited by the angle a, the sine of which is proportional to the ratio of the wavelength to the diameter of the active surface of the radiator 1 is. The smaller this quotient. Is, the lower the energy contained in the side lobes; outside the near field the intensity of the radiation decreases inversely proportional to the square of the distance. This also approximately applies to a radiator with a rectangular radiator surface that is frequently used in practice. A parallel beam bundle would only be obtained in the ultrasonic conductor if one were to use a radiator in which the dimensions of the radiating surface would be very large compared to the wavelength, or if the distance between the radiator and the receiver was very large.

Dieser Abstand zwischen Ultraschallstrahler und Ultraschallempfänger ist in der Praxis meist durch das Produkt von Schallgeschwindigkeit und Verzögerungszeit vorgegeben. Aus Fertigungs- und Kostengründen können auf der anderen Seite die Strahlerflächen, das sind also die aktiven, ultraschallabstrahlenden Flächen der Wandler, nicht beliebig groß gemacht werden, auch aus dem Grund nicht, weil mit zunehmender-Strahlerfläche auch der Querschnitt des Ultraschalleiters vergrößert werden müßte. Darüber hinaus verwendet'man meist elektromechanische Wandler nach dem piezoelektrischen Prinzip, die elektrisch gesehen, Kondensatoren darstellen, deren Kapazität proportional der aktiven Strahlerfläche ist. Eine große Kapazität der Wandler ist aber im allgemeinen unerwünscht.This distance between the ultrasonic emitter and the ultrasonic receiver is in practice mostly due to the product of the speed of sound and the delay time given. For manufacturing and cost reasons, on the other hand, the radiator surfaces, So these are the active ones that emit ultrasound Surfaces of the Converters cannot be made arbitrarily large, also for the reason that with As the emitter area increases, the cross-section of the ultrasonic conductor also increases would have to be. In addition, electromechanical converters are mostly used the piezoelectric principle, which from an electrical point of view represent capacitors, whose capacity is proportional to the active radiator area. A great capacity however, the converter is generally undesirable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Ultraschalleitung vorzusehen, die trotz geringen Querschnitts und damit geringer ultraschallstrahlender Fläche einen hohen Wirkungsgrad infolge verbesserter Bündelung des sich in ihr fortbewegenden Ultraschallbündels besitzt.The present invention is based on the object of a new ultrasonic line provide that despite the small cross-section and thus less ultrasonic radiation Area has a high degree of efficiency as a result of improved bundling of the moving in it Possesses ultrasound beam.

Die Erfindung ist durch die Kombination folgender Merkmale gekennzeichnet: a) die reflektierenden Grenzflächen sind paarweise parallel, insbesondere planparallel zueinander angeordnet,' b) die reflektierenden Grenzflächen stehen in ihren Spuren auf der insbesondere eben ausgebildeten Strahlerfläche senkrecht, c) in der die Grenzflächen verbindenden Richtung ist die Ausdehnung der aktiven Strahlerfläche mindestens so groß wie die die beiden Grenzflächen verbindende Eingangsfläche.The invention is characterized by the combination of the following features: a) the reflective interfaces are parallel in pairs, in particular plane-parallel arranged to one another, 'b) the reflective interfaces are in their tracks perpendicular to the radiator surface, which is especially flat, c) in the direction connecting the interfaces is the extension of the active radiator surface at least as large as the input surface connecting the two interfaces.

Selbstverständlich ist es bei Verwendung der erfindungsgemäßen Ultraschalleitung als Ultraschallverzögerungsleitung mit elektromechanischen Wandlern zweckmäßig, nicht nur die ultraschallabstrahlende Fläche, sondern auch die ultraschallempfangende Fläche in der beschriebenen Weise zu dimensionieren.It goes without saying that the ultrasonic line according to the invention is used useful as an ultrasonic delay line with electromechanical transducers, not only the ultrasound emitting surface, but also the ultrasound receiving one Dimension the area in the manner described.

Der Vorteil der Erfindung besteht@darin, das man bei erfindungsgemäßer Ausbildung des Ultraschalleiters in dem heiter ein-Schallatrahlenbündel erhält, das praktisch einem idealen Parallel-Strahlen-Bündel entspricht, und zwar etwa in der Weise, als würde man eine Ultraschallleitung vor sich haben, mit einem Ultraschallstrahler, dessen Abmessungen mindestens in einer Richtung als unendlich groß anzusehen sind. Die erf: r.3ungsgemäße Wirkung wird dadurch barvorgerufen, das die zueinander parallelen Grenzflächen nahezu ideale Spiegelflächen darstellen, die die tatsächliche Breite des Strahlers und damit des Ultraschalleitern unendlich oft vervielfachen. Das bedeutet, man kann Wandler verwenden, die wegen ihrer geringen Abmessungen eine kleinere Kapazität haben und darüber hinaus billiger sind.The advantage of the invention is @ that one with inventive Training of the ultrasonic conductor in which a cheerful beam of sonic rays is received, which practically corresponds to an ideal parallel beam, approximately in like having an ultrasound line in front of you, with an ultrasound emitter, whose dimensions are to be regarded as infinitely large in at least one direction. The effect according to the invention is caused by the fact that the mutually parallel Boundaries represent almost ideal mirror surfaces that have the actual width of the radiator and thus of the ultrasonic conductor infinitely many times. That means, man can use converters that, because of their small dimensions, have a smaller capacitance and are also cheaper.

Anhand des in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiels wird der Anmeldungsgegenstand nachfolgend näher erklärt. Die Figur 3 zeigt eine Ansicht von unten auf die Ultraschalleitung nach Figur-2.Using the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3 the subject of the application is explained in more detail below. Figure 3 shows a View from below of the ultrasonic line according to FIG. 2.

Der echalleitende Körper 2 ist ein Festkörper und besteht z. B. aus einem geeigneten Glas oder einem Ferrit. Der Körper ist eine Scheibe von der Breite a und der aus Figur 2 ersichtlichen Form. Er besitzt eine Eingangsfläche 3 und eine Empfangsfläche 4, die um einen gewissen Winkel gegeneinander geneigt sind. An der Eingangsfläche 3 ist ein elektromechanischer Wandler 5 als Ultraschallstrahler angeordnet. Auf der Empfangsfläche befindet sich ein vorzugsweise gleichartig ausgebildeter elektromechanischer Empfangswandler 6. Das von dem Strahler 5 erzeugte Strahlenbündel verläuft in der durch die Strahlachse.? darge-stellten Weise innerhalb des Schalleiters. Es wird an der Reflexionsfläche 8 reflektiert und gelangt zu der »npfangsfläche 4 und auf den 6. Gemäß der Erfindung müssen nun folgende Bedingungen erfüllt sein: a) die beiden reflektierenden Grenzflächen 9 und 10 müssen parallel zueinander verlaufen, b) die beiden reflektierenden Grenzflächen 9 und 10 müssen senkrecht auf der Eingangsfläche 3 des ultraschalleitenden Körpers stehen, c) schließlich muß die Ausdehnung der aktiven Strahlenfläche des Eingangswandlers 5 in Richtung zwischen den beiden Grenzflächen 9 und 10 mindestens so groß sein wie der Abstand zwischen diesen beiden Grenzflächen d. h. sie müssen mindestens die Breite a des ultraschalleitenden Körpers 2 aufweisen.The echo-conducting body 2 is a solid body and consists, for. B. from a suitable glass or a ferrite. The body is a disk with the width a and the shape shown in FIG. It has an input surface 3 and a receiving surface 4, which are inclined to one another at a certain angle. An electromechanical transducer 5 is arranged as an ultrasonic emitter on the input surface 3. An electromechanical receiving transducer 6, preferably of the same design, is located on the receiving surface. The beam generated by the radiator 5 runs in the direction of the beam axis. shown way within the sound conductor. It is reflected on the reflective surface 8 and reaches the receiving surface 4 and 6. According to the invention, the following conditions must now be met: a) the two reflective interfaces 9 and 10 must run parallel to one another, b) the two reflective interfaces 9 and 10 must be perpendicular to the input surface 3 of the ultrasound-conducting body, c) finally, the extension of the active radiation surface of the input transducer 5 in the direction between the two interfaces 9 and 10 must be at least as large as the distance between these two interfaces, i.e. they must be at least the Have width a of the ultrasound conductive body 2.

Bei der dargestellten Form des Schalleiters ist es erforderlich, die Polarisationsrichtung der Wandler so zu wählen, daß Transversalwellen erzeugt werden, die, bezüglich der Figuren 2 und 3 gesehen, in der Zeichenebene schwingen, Die beiden an Luft grenzenden Grenzflächen 9 und 10 wirken wie Spiegelebenen. Das bedeutet, daß innerhalb des schalleitenden Körpers eine Wellenausbreitung stattfindet, die innerhalb des Schalleiters genauso verläuft, wie wenn der Wandler, nunmehr in Figur 2 betrachtet, senkrecht zur Zeichenebene eine .unendlich große Ausdehnung hätte. Es ist zweckmäßig, den in Figur 2 eingezeichneten Winkel ß zwischen der Achse 7 des Strahlenbündels 5 und den seitlichen Grenzflächen des ultraschalleitenden Körpers so zu wählen, daß er nicht wesentlich kleiner ist als der in der Figur 1 dargestellte Winkel x der Hauptstrahlungskeule. In diesem Falle trifft auf die schmalen Seitenflächen 1-1 und 12 praktisch keine Strahlung auf, die eine störende Reflexion verursachen könnte. Je länger die Wandler, in Polarisationnrichtung gesehen, ausgebildet sind, desto kleiner kann der Winkel ß gewählt werden und desto größer ist der Anteil der vom Eingangswandler abgestrahlten Energie, die vom Empfangswandler 6 aufgenommen wird. Es soll an dieser Stelle nochmals erwähnt werden, daß es gemäß der Erfindung zweckmäßig ist, die aktive Breite des Empfangswandlers 6 ebenfalls etwa gleich der Breite a des ultraschalleitenden Körpers zu machen.In the form of the sound conductor shown, it is necessary to select the polarization direction of the transducers so that transverse waves are generated which, as seen with reference to FIGS. 2 and 3, oscillate in the plane of the drawing . This means that a wave propagation takes place within the sound-conducting body, which is exactly the same within the sound conductor as if the transducer, now viewed in FIG. 2, had an infinitely large extension perpendicular to the plane of the drawing. It is expedient to choose the angle β drawn in FIG. 2 between the axis 7 of the beam 5 and the lateral boundary surfaces of the ultrasound conductive body so that it is not significantly smaller than the angle x of the main radiation lobe shown in FIG. In this case, practically no radiation hits the narrow side surfaces 1-1 and 12 which could cause a disruptive reflection. The longer the transducers are designed, as seen in the polarization direction, the smaller the angle β can be selected and the greater the proportion of the energy radiated by the input transducer that is absorbed by the receiving transducer 6. It should be mentioned again at this point that it is expedient according to the invention to make the active width of the receiving transducer 6 also approximately equal to the width a of the ultrasound-conducting body.

Die zueinander parallelen reflektierenden Grenzflächen sollen auch in unmittelbarer Nähe der schallstrahlenden Fläche die gewünschten Reflexionseigenschaften haben. Sie sollen also möglichst dicht an die Strahlerfläche heranreichen. Der Abstand sollte nicht viel größer sein als fünf Wellenlängen.The mutually parallel reflective interfaces should also the desired reflection properties in the immediate vicinity of the sound-emitting surface to have. They should therefore come as close as possible to the radiator surface. The distance shouldn't be much larger than five wavelengths.

Gemäß einer Weiterbildung kann es zweckmäßig sein, die Reflexionsfläche 8 des ultraschalleitenden Körpers zylindrisch auszubilden. Legt man den grümmungsmittelpunkt in die Mitte zwischen den beiden Wandlern, so erhält man eine 11ultraschall-optische Abbildung" des Wandlers 1 auf den Wandler 2. Eine in Richtung der Zeichenebene auftretende Divergenz des Ultraschallbündels wird dadurch weitgehend rückgängig gemacht und man erhält in gewissem Sinne eine Fokussierung, bei der nahezu die gesamte, vom Eingangswandler abgestrahlte Energie auf den Ausgangswandler konzentriert wird,-wenn man von den unvermeidlichen Verlusten im Verzögerungsmedium selbst absieht.According to a further development, it can be expedient to use the reflection surface 8 of the ultrasonic conductive body is cylindrical to train. Lays one obtains the center of curvature in the middle between the two transducers an 11-ultrasound-optical image "of the transducer 1 on the transducer 2. A Divergence of the ultrasound beam occurring in the direction of the plane of the drawing is thereby largely reversed and you get a focus in a certain sense, with almost all of the energy radiated from the input converter to the output converter is concentrated, -if one of the inevitable losses in the delay medium himself refrains.

Eine andere bevorzugte Möglichkeit, Verluste durch Divergenz des Strahlenbündels in der Zeichenebene zu verringern, besteht darin, daß man die Länge des Ausgangswandlers groß wählt, daß sie fast der Breite der Strahlungskeule in Figur 1 entspricht.Another preferred possibility of losses through divergence of the beam To reduce it in the plane of the drawing, it consists in increasing the length of the output transducer selects large so that it corresponds almost to the width of the radiation lobe in FIG.

Zur Vermeidung von Mehrfachreflexionen (Echos) hat es sich bei dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbei- als spiel/g tig erwiesen, das Ultraschallstrahlenbündel durch eine Art "Aperturblende" zu begrenzen. In der Praxis kann man eine solche Ausblendung z. B. dadurch erreichen, daß man die Größe der Reflexionsfläche 8, wie in Figur 3 dargestellt, dadurch verringert, daß man die Ecken durch Ab- .schrägongea 13 und 14 ersetzt. Durch richtige Winkelstellung dieser Flächen 13 und 14. kann man erreichen, daß die dort auftreffenden Ultraschallstrahlen so reflektiert werden, daß sie im Ausgangswandler kein Signal erzeugen. Eine andere Möglichkeit der Strahlbündelbegrenzung besteht darin, die an die gewünschte Reflexionsfläche 8 angrenzenden Flächen mit einem schallabsorbierenden und die Reflexion vermindernden Stoff zu bedecken, Zur Befestigung des erfindungsgemäßen Ultraschalleiters in einem Gerät oder dergleichen eignen sich besonders die schmalen, gegenüber der Hauptstrahlungsrichtung geneigten Seitenflächen, Zur Verhinderung von Beeinflussungen der Laufzeit der Strahlen in dem schalleitenden Körper ist es zweckmäßig, an reflektierende, an Luft grenzende Grenzflächen gegen Einflüsse der Atmosphäre, insbesondere gegen Feuchtigkeit zu schützen, z. B. durch Bedecken mit einem Schaumstoff. Als geeignet hat sich der unter dem Handelsnamen "Styropor" bekannte Schaumstoff erwiesen.In order to avoid multiple reflections (echoes) it has been in the embodiment shown in Figures 2 and 3 as The ultrasonic beam has been proven to be playable to be limited by a kind of "aperture diaphragm". In practice, such a mask can be used. This can be achieved, for example, by reducing the size of the reflective surface 8, as shown in FIG. By correct angular position of these surfaces 13 and 14, one can achieve that the ultrasonic beams incident there are reflected in such a way that they do not generate a signal in the output transducer. Another possibility of beam limitation is to cover the surfaces adjoining the desired reflection surface 8 with a sound-absorbing and reflection-reducing material Preventing influences on the running time of the rays in the sound-conducting body, it is useful to protect reflective, air-bordering interfaces against influences of the atmosphere, in particular against moisture, z. B. by covering with a foam. The foam known under the trade name "Styropor" has proven to be suitable.

Claims

P atentan s-j2 rü che ultrasonic line with an input surface on which an ultrasonic emitter surface is arranged and with at least two boundary surfaces which are separated by a multiple of the wavelength and which reflect ultrasonic waves essentially without phase jump, characterized by the combination of the following features: 1 a) die_reflektierenden Boundaries are arranged in pairs parallel, in particular plane-parallel to one another, b) the reflective boundary surfaces are in their tracks on the especially flat radiator surface, # s.wkreck @ c) in the direction connecting the boundary surfaces is the Expansion of the active radiator surface at least as much S ("t, ret @ @, - as large as the one

corridor area.

2. Ultrasonic line according to claim 1, characterized in that the The distance between the boundary surfaces and the active radiator surface is less than ten times, especially five times the wavelength of ultrasound.

3. Ultrasonic conduction according to claim 1 or claim 2, characterized in that the track of the boundary surfaces coincides approximately with the edge of the radiator surface.

4. Ultrasonic conduction according to one of claims 1 to 3, characterized in that when using a Radiator surface for generating transverse waves at least one of the direction of oscillation not; ar311el interfaces inclined in such a way with respect to the main direction of radiation is that the direction of the first intensity minimum of the radiation pattern is approximately coincides with this interface.

5. Ultrasonic line according to claim 4, characterized characterized in that the divergence of the beam occurring in the direction of oscillation is reversed by a cylindrical grind of a reflective surface,

6. Ultrasonic line according to claim 4, characterized in that boundary surfaces which are not parallel to the direction of oscillation are designed or arranged in such a way that edge parts of the diverging beam are masked out.

7. Ultrasonic line according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that instead of the ultrasonic. radiator surface an ultrasonic receiving surface is provided. B. ultrasonic line, in particular according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that at least one of the reflective interfaces is encapsulated moisture-tight.