DE1597005C - Elektromechanischer Hochleistungsschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Hochleistungsschallwandler, der als Halbwellen-Resonanzhorn ausgebildet ist und der aus einem ersten Abschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser und einem zweiten Abschnitt, der sich zur Resonanzhornspitze verjüngt, in der die'Schallenergie konzentriert wird, sowie einem zwischen den beiden Abschnitten angeordneten piezoelektrischen Schwinger und aus einer mechanischen Vorspannvorrichtung für den piezoelektrischen Schwinger besteht.

Es ist bereits ein' UltraschaU-Amplitüden-Transformator bekannt (Patentschrift 31192 des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin), der als ein mit einer Querschnittsänderung versehenes Halbwellen-Resonanzhorn ausgebildet ist. ES sind hierbei ,in der Nähe des Knotenpunktes Schwinger angeordnet.

Des weiteren ist aus der USA.-Patentschrift 066 232 ein Resonanzhorn mit einer Viertelwellenlänge bekannt, das zum freien Ende hin konisch verbreitert ist. Hierbei ist eine mechanische Vorspannvorrichtung bzw. ein Druckglied vorgesehen und die piezoelektrische Erregeryorrichtung ist zwischen den beiden Abschnitten des Halbwellenresonators angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wandler der

eingangs erörterten Art in der Weise zu verbessern, daß hohe Energie (in der Größenordnung von kW) bei möglichst geringem Volumen und Gewicht sowie bei hohem Wirkungsgrad abgenommen werden kann.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß das Resonanzhorn mit der mechanischen Vorspannvorrichtung für den piezoelektrischen Schwinger, einstückig ausgebildet ist, daß die Vorspannvor-. richtung in der der Hornspitze abgewandten Hälfte' _: des Resonanzhoms entweder innerhalb einer Zylinderbohrung oder auf einem Gewindebolzen des emstückigen Bauteiles angeordnet ist und daß der piezoelektrische Schwinger in an sich bekannter Weise in unmittelbarer Nähe des Schwingungsknotens, etwa in der Mitte des Resonanzhornes angeordnet ist.

Zweckmäßigerweise ist der piezoelektrische Schwinger zweiteilig ausgebildet und zwischen den beiden Teilen ist eine Elektrode angeordnet. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Isolationsschicht aus dielektrischem Material zwischen Schwinger und Gewindebolzen bzw. bei einer anderen Vaa5 riante eine Isolationsschicht aus dielektrischem Mate- : rial zwischen Schwinger und äußerem Gehäuseteil angeordnet. ■■"■;"'"■■'

Der erfindungsgemäße: Hochleistungsschallwandler ermöglicht eine Konzentration der vollen Leistung an einer extrem kleinen Spitze, so daß das Horn als Energiekonzentrator wirkt. Des weiteren wird auf • Grund der Tatsache, daß· im Falle der erfindungsgemäßen Ausbildung das Resonanzhorn in der Nähe des Knotens erregt wird, erreicht, daß der Punkt maximaler Energie an der optimalen Stelle auftritt.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt ■ i'^^i^:-~-'::■■- :.;

F i g. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des Resonanzhornes gemäß der Erfindung, ί:;■;■

F i g. 2 eine andere Ausführungsform des Resonanz- ^{: r:} homes gemäß der Erfinduhgj-'i;■/-. -.3';

F i g. 3 eine graphische Darstellung, in der die akustische Verschiebung gegen den Abstand von der Wandlerspitze aufgetragen ist,-ei ' ν : Fig.4 eine graphische Darstellung, die die maximale Übertragungsenergie in Abhängigkeit von der maximalen Beanspruchung für verschiedene Werte der akustischen Impedanz darstellt, ......

Fig. 5 eine andere Äusführungsform gemäß der Erfindung, bei der ein kettenlinienförmiges Horn verwendet wird,
- -Fig. 5a ein konisches Horn, - F i g. 5 b ein Horn in Exponentialform, Fi g. 5 c ein Horn in Fourier-Art und

Fig. 5d eine abgestufte Hornform, ähnlich der bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 1.

Fig. 1 zeigt eirie^Ausführungsform nach vorliegender Erfindung,' bei ^derjain 'abgestuftes Resonanzhorn halber Wellenlänge dargestellt ist. Dieses Horn; wird in seinem Inneren'erregt .und zwar in derl^ähe yg seines Schwingungsknotens? Dies; steht im Gegensatz .'··<:;;£ zu einer außen am oder in der Nähe des Schwingungs- C bauches aufgebrachten Erregung, wie dies üblich ist, · wenn die Hörner in einem Ultraschallwandlersystem r eingesetzt werden. : "AiL::; ''■'■".'. "

Insbesondere ist der Wandler ein abgestuftes Re- ' sonanzhorn halber Wellenlänge^ das in zwei Teile 10

und 20 unterteilt worden ist. Die beiden Schwingerelemente 16 und 18, die mechanisch in Serie wirken, sind zwischen die beiden Teile 10, 20 gesetzt. Der untere Teil 20, der die Stufe 13 enthält, weist einen zentrischen Gewindebolzen 24 auf, der sich nach oben in den oberen Teil 10 des Wandlers erstreckt. Der Abstandshalter 1.4 der Vorspannvorrichtung 14, 30 ist in der Mitte bei 32 durchbohrt, damit der Gewindebolzen 24 aufgenommen werden kann, ferner ist eine

Die Anfangsbeanspruchung an den piezoelektrischen Schwiiigerelementen (die durch die Vorspannvorrichtung durch Festziehen der Schraubenmutter 30 aufgebracht wird).ist konstant und vorbestimmbar. Sie kann in nicht erregtem Stadium gemessen werden, wobei davon ausgegangen wird, daß sie bei Erregung auf dem gleichen Beanspruchungswert bleibt.

In Fig. 2 ist eine andere Anordnung des Resonanzhornes gemäß der Erfindung dargestellt. Diese

Schraubenmutter 30 auf das mit Schraubgewinde ver- ίο Anordnung, zusammen mit der Anordnung nach

sehene Teil 28 des Gewindebolzens 24 aufgeschraubt und drückt den Abstandshalter 14 nach unten, der seinerseits einen Druck auf die Schwingerelemente 16 und 18 ausübt. Die Schraubenmutter 30 weist den

Fig. 1, zeigt klar, daß der gesamte Wandler ein Resonanzgebilde ist, d. h., daß das Resonanzelement das Horn ist, das die gesamte Anordnung aufnimmt. Insbesondere ist der wesentliche Unterschied zwischen

gleichen Durchmesser wie der obere Teil des Ab- 15 dem Aufbau nach Fj g. 1 und dem nach F i g. 2 darin Standshalters 14 auf und stellt eine Fortsetzung des- zu sehen, daß die Außenseite des oberen Teiles einstückig mit dem unteren Teil ausgebildet ist; in der Ausführungsform nach F i g. 1 hingegen ist der Innen

teil des oberen Teiles einstückig mit dem unteren Teil

einen oberen Teil besitzt.-Die Ausführungsform nach F i g. 2 besitzt ein äußeres Zugglied und ein inneres Druckglied im unteren Teil. Genauer ausgedrückt ist

selben dar.

Das Spannungsproblem im keramischen Material
oder an den Verbindungsstellen wurde bei dieser Anordnung dadurch gelöst, daß eine mechanische Vor- 20 ausgebildet. Die Ausführungsform in F i g. 1 weist ein spannung aufgegeben wurde. Diese Vorspannung inneres Zugglied und ein äußeres Druckglied auf, das wird über einen zentrischen Gewindebolzen.24, den
Abstandshalter 14 und die Schraubenmutter 30 als
Druckbeanspruchung aufgebracht, die größer ist als

die Wechselbeanspruchungsamplitude in den piezo- 25 bei der Aüsführungsform nach Fig. 1 der obere Teil elektrischen Schwingerelementen 16 und 18. zu Anfang nach abwärts gerichtet, während bei der

Das verjüngte Ende des Hornteiles 12 des Wand- Ausfuhrungsform nach F i g. 2 der obere Teil hohl lers weist einen wesentlich geringeren Durchmesser ausgebildet ist. In jedem Falle jedoch bildet nach dem als das dicke Ende auf. Die Schwingungsamplitude vollständigen Zusammenbau die gesamte Anordnung des verjüngten Endes ist etwa zehnmal größer als die 30 der Elemente die Resonanzanordnung. Infolgedessen des dicken Endes'. Die beiden piezoelektrischen ist die funktionelle Arbeitsweise beider Ausführungs-Schwingerelemente 16 und 18 weisen einen Durch- formen gleich.

messer auf, der dem Abstandshalter 14 und der Insbesondere kann der Wandler nach F i g. 2 auch

Schraubenmutter 30 entspricht. Die elektrischen EIe- so ausgebildet sein, daß er einen oberen Teil 110 und mente sind elektrisch parallel über eine gemeinsame 35 einen unteren Teil 120 besitzt. Die beiden Schwinger-

Elektrode 26 geschaltet. Diese Elektrode 26 besitzt eine Bohrung in der Mitte, und der Gewindebolzen 24 greift durch die piezoelektrischen Schwingerelemente 16 und 18 und die ähnlich geformte Elektrode 26 hindurch. Der Gewindebolzen ist gegenüber den piezoelektrischen Schwingerelementen 16 und 18 sowie gegenüber der Elektrode 26 durch elektrisches Isoliermaterial 19 aus Fiberglas, das mit einem Bindeharz imprägniert ist, oder mit einem ähnlich guten, nach-

elemente 116 und 118 sind zentrisch in bezug auf die beiden Teile angeordnet. Der untere Teil, der die Stufe 113 aufweist, enthält auch die äußere Hülse 115 des oberen Teiles.

In der Praxis besteht die gesamte Anordnung aus massivem Material und der obere Teil (im wesentlichen eine Hälfte) ist ausgebohrt. Die beiden piezoelektrischen Scheiben (ohne Öffnung) 116 und 118 sind an der Basis 117 der Bohrung angeordnet. Die Schei-

giebigen, stark dielektrischen Material isoliert. Der 45 ben 116 und 118 sind gegenüber der Innenseite der Gewindebolzen richtet den Abstandshalter aus und Hülse 115 durch entsprechendes. Isolationsmaterial die Isolierung darauf in radialer Richtung die piezo- 119 isoliert. Die Elektrode 126 ist zwischen den Scheielektrischen Schwingerelemente und die Elektrode. ben 116 und 118 angeordnet und wird durch elektri-

Die Stufe 13 im Horn ist etwa 1,25cm unterhalb sehe Energie erregt, die über den Durchführungsisolades Schwingüngsknotens und die piezoelektrischen 50 tor 128 eingespeist wird.

Schwingerelemente 16 und 18 sind oberhalb des Auf der Oberseite der Scheiben 116 und 118 inner-

Schwingungsknotens ausgebildet. Obgleich diese Aus- halb der Bohrung des oberen Teiles 115 ist das Druckglied 124, d.h. der Abstandshalter, angeordnet. Schließlich wird in die Zylinderbohrung 124 a der

bildung den Verstärkungsfaktor geringfügig herabsetzt, sind die Stufe und die wirksamen Elemente im

Abstand voneinander angeordnet, so daß der Schwin- 55 Schraubstöpsel 130 in Schraubeingriff mit derInnengungskrioten für die Vorspannung und zur Erzielung seite des oberen Teiles der Hülse 115 eingesetzt. Dieser Stöpsel wird zum Aufbringen der anfänglichen statischen Beanspruchung verwendet. Die Hülse 115

eines festen Sitzes für; die piezoelektrischen Schwingereiemente zur Verfügung steht. Letztere sind hierbei als scheibenförmige Gebilde mit einer konzentrischen Öffnung dargestellt. 1, xV \

f Bei dieser Ausgestaltung ist die Vorspannyorrichtüng einstückig und als Bestandteil des Homes ausgebildet. Diese Vorspanrivorrichtung besteht aus einem inneren Zugteil und einem äußeren Druckteil (oder

stellt das Zugelement der gesamten Anordnung dar. In der graphischen Darstellung nach Fig.3 ist eine Kurve dargestellt, bei der in der einen Richtung

die akustische Verschiebung und in der anderen Rich-,..-. rung der. Abstand von der Wandlerspitze für den in F i g. 1 gezeigten Wandler aufgetragen ist. Es ist dabei

umgekehrt). Die dynamische Beanspruchung ist ini 65 darauf hinzuweisen, daß der Schwingungsknoten, d. h.

Gewindebolzen und in dem Teil,' bestehend aus Ab- die Stelle der Nullverschiebung, gerade über den piezoelektrischen' Schwingerelementen auf der abgestuften Seite der Elemente angeordnet.ist.

Standshalter und Schraubenmutter, gleich, und beide sind im oberen Teil des Wandlers angeordnet.

Bei der Auslegung von Schall- oder Ultraschallvvandlern oder Übertragungsleitungen ist es manchmal notwendig, diese Auslegung nach Gesichtspunkten der Tonfrequenzbelastung zu treffen.

In den F i g. 5, 5 a, 5 b, 5 c und 5 d sind verschiedene Resonanzausbildungen dargestellt, die die erfindungsgemäße Idee aufweisen. F i g. 5 zeigt einen konischen Aufbau, F i g. 5 b einen Exponentialaufbau, F i g. 5 c einen Fourieraufbau und F i g. 5 d einen abgestuften Aufbau. In jeder dieser Darstellungen ist eine Langevin-Schichtung einstückig innerhalb des Verschiebungsverstärkers vorgesehen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 5 c hat das Fourierhorn den Vorteil niedriger innerer Beanspruchungen im Vergleich zu dem abgestuften Horn und einer hohen Steifigkeit im Vergleich zu dem Exponentialhorn. So stellt das Fourierhorn vierter Ordnung einen guten Kompromiß zwischen der Steifigkeit und der inneren Beanspruchung, wie sie bei Resonanz erzeugt wird, dar.

Ein weiterer Vorteil dieser Art der Formgebung besteht darin, daß sie mathematisch einfacher analysiert werden kann als ein abgestuftes Horn. Ganz allgemein bewirkt bei der Auslegung mit abgestuftem Horn der Streifen an der Stufe und unterschiedlichen Stellen der Stufe in bezug auf die Knotenebene Änderungen in der Verstärkung und Resonanzfrequenz, die mit der erwünschten Genauigkeit schwierig vorauszusagen sind. Somit ist eine exakte, abgestufte Hornanordnung notwendig. Ferner ist das eindimensionale mathematische Modell, das allgemein bei der Ableitung für die Horn-Differentialgleichung angenommen wird, nur eine grobe Annäherung. Im Falle einer Stufenhornanordnung bricht die Annahme einer einfachen Wellenverteilung über den Querschnitt des Hornes an der Stufe des Hornes ab, wenn höhere Verstärkungen in Betracht gezogen werden.

Ferner ist das Fourierhorn in idealer Weise für einen Halbwellenwandler der beschriebenen Art geeignet. Ein dickes Ende des Fourierhornes ist im wesentlichen zylindrisch, so daß eine Aufteilung des Querschnittes in eine zentrische Welle und einen konzentrischen äußeren Ring die während der Berechnung angenommene Kurvenform nicht ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   ί\. Elektromechanischer Hochleistungsschallwandler, der als Halbwellen-Resonanzhorn ausgebildet ist, bestehend aus einem ersten Abschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser und einem zweiten' Abschnitt, der sich zur Resonanzhornspitze verjüngt, in der die Schallenergie konzentriert wird, und einem zwischen den beiden Abschnitten angeordneten piezoelektrischen Schwinger und bestehend aus einer mechanischen Vorspannvorrichtung für den piezoelektrischen Schwinger, dadurch gekennzeichnet, daß das Resonanzhom (10, 12; 110, 120) mit der mechanischen Vorspannvorrichtung (14, 30; 124, 130) für den piezoelektrischen Schwinger (16,18; 116, 118) einstückig ausgebildet ist, daß die Vorspannvorrichtung' (14, 30; 124, 130) in der der Hornspitze (20; 120) abgewandten Hälfte des Resonanzhorns entweder innerhalb einer Zylinderbohrung (124 a) oder auf einem Gewindebolzen (24) des einstückigen Bauteils angeordnet ist und daß der piezoelektrische Schwinger in an sich bekannter Weise in unmittelbarer Nähe des Schwingungsknotens, etwa in der Mitte des Resonanzhorns angeordnet ist.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Schwinger (16, 18) zweiteilig ausgebildet ist und daß zwischen den beiden Teilen eine Elektrode (26) angeordnet ist.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (19) aus dielektrischem Material zwischen Schwinger (16, 18) und Gewindebolzen (24) angeordnet ist.
4. 4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (119) aus dielektrischem Material, zwischen Schwinger (16, 18) und äußerem Gehäuseteil (115) angeordnet ist.