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"Elektromechanische Verzögerungsleitung" Die Erfindung betrifft
eine elektromechanische Verzegerungsltitung aus einem mit je einem
Eingangs» und einem Ausgangswandler versehenen Laufzeitkörper,
in dem das zu verzögernde
Signal auf der Wege zwischen den Wandlern mehrfach
an Grenz -fIgehen reflektiert wird, und an dem die Wandler
auf zwei gegeneinander geneigten Flächen befestigt sind.
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Zu sind bereits verschiedene Arten von alektromeohanisohen
Verzögerunaeleitungen bekannt. Alle diese Verzögerungsleitungen machen von
der Tatsache Gebrauch, dass in festen Werk-stoffen Ultrasohallsahwingungen
beträchtlich stärker verzö-
gert werden können, als dies
bei reiaTelektrisohen Sehwingungen in irgendwelchen Mediv n möglich
ist. In der einfach-
sten Form sind alektromeahanische Verzögerungsleitungen
in
der Weise aufgebaut, dass sich die hinter de® Singangswandler
entstehende mechanische Schwingung geradlinig durch einen Verzögerungskörper
geeigneter Länge bis zu dem am arideren Ende des Körpers angebrachten
Ausgangswandler fortbewegt, wo die mechanische Schwingung in eine
elektrische zurtJekgewandelt wird.
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Um einerseits Materialkosten zu sparen und um andererseits
zu
vernünftigen Baulängen für derartige elektromechanische Verzögerungsleitungen
zu gelangen, wurde such bereits der Weg be-
schritten, das
zu verzögernde Signal den Laufzeitkörper über
reflektierende
Grenzflächen durchlaufen zu lassen: Eine Zusammenstellung derartiger:Laufzeitkörper,
in denen das Signal auf dem Wege zwischen den Wandlern mehrfach an
@Grenzfläohen des Laufzeitkörpers reflekt-lert Wird, findet
sich beispiels-
weise in dem Buch>"Ultrasonio Delay Lines", London,
Riffe
Ltd., 1963 auf den Seiten 88 ff. Die Problematik von Laufzeitleitungen
mit mehrfacher Relfexion des Ulträsehallsignala besteht nun
in einer exakten Formgebung und Justierung der
Wandler. Gelingt
es nämlich nicht, die gegenseitige'Lage der
die
Wandler tragenden Grenzflächen gegenüber den der Re. flexion dienenden
Grenzflächen exakt einzuhalten, so besteht
die Gefahr, dass
das zu verzögernde Signal nicht nur auf dem
gewünschten, mehrere
Reflexionsstellen enthaltenden Wege zu
dem Ausgangswandler gelangt,,sonderndass
zumindest Teile
des Signals vor oder nach dem Hauptsignal
bei dem Ausgangswandler eintreffen. Folge davon ist ein schlechter Echo-
abstand
und Dämpfungseinbrüche durch Interferenzen. Ausserdem hat eine ungenaue
Ausbildung des Strahlengangs zur
Folge, dass das Nutzsignal durch
Schwächung des Signals an
den einzelnen Reflexionsstellen eine sehr
geringe Amplitude
aufweist.
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Es ist nun bereits eine V-förmige Verzögerungsleitung
be-
kannt, bei der die Wandler an den Enden eines V-förmigen
Laufzeitkörpers
befestigt sind, während die Spitze des V-
förmigen Körpers
zur Verringerung von Streueffekten bei der
Reflexion und zur
Bündelung des Strahles als Zylinderfläche
oder als Kugelkalotte. ausgebildet
ist. Nachteilig an dieser
bekannten Anordnung, die nur mit einer einzigen
Reflexion
in dem Strahlengang des zu verzögernden Signals arbeitet,
ist es, dass zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses die
beiden Grenzflächen,
die die Wandler tragen, sehr genau
gegeneinander und gegen
die Spitze den Lauf zeitkörpera ju-
stiert sein müssen.
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Ein weiterer Nachteil ist das relativ grosse Volumen des
Laufzeitkörpers,
bezogen auf die erzielte Verzögerungs-
zeit, weil auch der Querschnitt
der Verzögerungsstrecke wegen der grösseren Keulenabmessungen grösser
gewählt werden muss.
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Es ist auch bereits eine Verzögerungeleitung vorgeschlagen
worden,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass sich beide Wandler
gemeinsam auf einer ebenen Grenzfläche des Laufzeitkör-
pers
befinden und dass der Laufzeitkörper eine zweite Grenzfläche
aufweist, die derart gekrümmt ist, dass sie senkrecht
von der ersten
Grenzfläche an den Laufzeitkörper abgestrahlte
Signale zumindest
annähernd in der Ebene der ersten Grenx-Fläche fokussiert, so dass sich ein
M-förmiger Verlauf des
Verzögerungsweges ergibt.
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Ausgehend von diesem älteren Vorschlag wird nun erfindungsgemäss
eine Verzögerungsleitung vorgeschlagen, die gekenn-
zeichnet ist,
dass durch einen W-förmigen Weg für das zu ver-
zögernde
Signal, durch zwei voneinander durch einen Einschnitt
in den
Laufzeitkörper
getrennte Reflexionsflächen, die den die Wandler
tragenden Flächen gegenüberliegen, und durch eine dritte Reflexions fläehe, die
gegenüber dem Einschnitt und zwischen den Wandlern liegt.
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Gegenüber den bekannten Einrichtungen weist die erfindungsgemässe
Verzögerungsleitung den Vorteil geringeren Materialbedarfs und damit geringeren
Gewichts sui`, was sich aus der gedrängten Form des Verzögerungsweges ergibt.
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Gleichzeitig ist durch den Einschnitt zwischen den beiden den Wandlern
gegenüberliegenden Reflexionsflächen sichergestellt, dass das Signal des Eingangswandlers
nicht teilweise nach einer einzigen Reflexion auf den Ausgangswandler gelangt. Werden
in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die den r
,- g Wandlern gegenüberliegenden
Reflexionsflächen als gekrümmte Flächen ausgebildet, so wird durch die dadurch erreichbare
Bündelung des reflektierten Signale eine Weitere Erhöhung der der Dämpfung
paraeitärer Signale erreicht.
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Au®eer durch Krümmung der den Wandlern gegenüberliegenden Re-
Flexionsflächen
kann eine Erhöhung des Störabstandes auch
durch eine spezielle
Ausbildung und/oder Anordnung der zwi-
schen den Wandlern gelegenen
dritten Reflexionsfläche er-
reicht werden. Eine besonders günstige Möglichkeit
der An-
ordnung der dritten Reflexionsfläche ist dadurch gekennzeichnet,
dass die zwischen den Wandlern liegende dritte
Reflexionsfläche
von der den f andern gegenüberliegenden Reflexionsfläche weiter entfernt
ist als die Wandler.
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Die dritte Reflexionsfläche ragt bei dieser Ausführungsform
einer erfindungsgemässen Verzögerungsleitung über die Wandler
hinaus und kann beim Laufzeitabgleioh leicht bearbeitet wer-
den.
Die an die eigentliche Reflexionsfläche angrenzenden
Teile der Oberfläche
des Laufzeitkörpers sind geeignet, die
Signalkomponenten, die die Reflexionsfläche
nicht unter dem
gewünschten Einfallswinkel treffen, so zu reflektieren,
dass
sie den Ausgangswandler nicht oder doch nur stark geschwächt
durch
mehrfache Reflexion und entsprechend lange Laufwege erreichen.
Eine andere günstige Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Verzögerungsleitung ist dadurch gekennzeichnet, dass die dritte
Reflexionsfläche
von den angrenzenden Flächen, die die Wandler tragen, durch Einschnitte
getrennt ist. Hierdurch wird ebenfalls eine Verbesserung des Störabstandes
er-
reicht.
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Weitere Merkmaie und Einzelheiten der Erfindung
werden
nachstehend anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Die
Fig. 1 und 2 zeigen je ein Ausführungsbeispiel für
eine
erfindungsgemässe Verzögerungsleitung.
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Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemässen
Verzögerungsleitung, die fertigungstechnisch besonders ein-
fach ist.
Die Wandler 1 und 2 sind an einem Laufzeitkörper 3 auf zwei gegeneinander
geneigten Flächen befestigt. Von
dem einen der Wandler, beispielsweise
dem Wandler 1, ge-
langt das zu verzögernde Signal auf dem in
der Zeichnung
strichpunktiert dargestellten Wege zu einer diesem Wandler
1
gegenüberliegenden ersten Reflexionsfläche 4. An dieser
Reflexionsfläche
4 wird das zu verzögernde Signal reflek-
tiert und gelangt von dort auf
dem eingezeichneten Weg über
zwei weitere Reflexionsflächen
5 und 6 zum Ausgangswandler 2.
Zwischen den Reflexionsflächen 4
und 6, die den Wandlern ge-
genüberliegen, befindet sich ein Einschnitt
7, der dazu dient,
unter einem falschen Winkel vom
Eingangswandler 1 abgestrahlte Signale am Erreichen der Reflexionsfläche
6 zu hindern.
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Hei dem in Fig. 2 dargestellten AusfUhrungsbeispiel,
bei
dem entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen ver-
sehen
sind wie in Fig. 1, sind gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäss
Pig. 1 weitere Massnahmen zur Erhöhung des
Echoabstandes getroffen.
So ist beispielsweise die zwi-
schen den Wandlern 1 und
2 liegende dritte Beflexionsfläche 5 in der Weise ausgebildet, dasm
sich zwischen den
Grenzen-dieser Reflexionsfläche und den Grenzen
der die
Wandler tragenden Flächen senkrecht verlaufende Teile der
Laufzeitkörperoberfläche
befinden. Hierdurch wird erreicht,
dass Signale, die von der dritten
Reflexionsfläche 5 unter
einem unerwünschten Winkel abgestrahlt wurden,
an den senkreehten Teilen eer Laufzeitkörperoberfläehe reflektiert
werden
und daher den Ausgangswandler 2 gar nicht oder nur
stark geschwächt
erreichen, wie bereits eingangs ausgeführt wurde. Eine weitere Verbesserung
des Echoabstandes bringt auch die Ausbildung der Reflexionsflächen
4 und 6 als gekrUmmte Flächen mit sich. Im Ausführungsbeispiel
haben die
gekrümmten Reflexionsflächen 4
und 6 die Form von Aus-
schnitten aus der Mantelfläche
von Zylindern. Hierbei hat es sich als günstig erwiesen, den Radius
des zu-
gehörigen Zylinders etwa gleich dem Abstand der zwischen
den
Wandlern liegenden Reflexionsfläche 5 von den den
Wandlern gegenüberliegenden
Refiexionntlächen 4 und 6
zu wählen und die Zylinderach$e
auf die Grenze zwischen
der dritten Reflexionsfläche und den senkrechten
Teilen
der Laufzeitkörperoberfläche zu legen. Weiterhin ist in
Fig.
2 der Einschnitt 7 zwischen den den Wandlern 1 und 2
gegenüberliegenden
Reflexionstläehen 4 und 6 im Gegensatz
zu dem Ausführungsbeispiel
gemäss ?ig. 1 an seinem Ende
mit einer runden Grenzfläche versehen,
was dazu dient,
die auftrdfenden Streusignale noch weiter aufzufächern,
um
somit deren Wirkung auf den Ausgangswandler zusätzlich
zu
verringern.
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Die Vorteile der erfindungsgemässen Verzögerungseinrichtung
sind in erster Linie unabhängig von den Materialien für den
Laufzeitkörper.
Sie lassen sich beispielsweise bei Laufzeit-
körpern aus Ferrit,
Glas, Stahl oder Quarz verwirklichen.
Besonders
vorteilhaft für die Herstellung einer billigen
erfindungsgemässen Verzögerungseinrichtung
iet jedoch die
Verwendung von gerrit, das als Sinterkörper
hergestellt
werden kann und bei dem gegenüber der Pressform
nur noch
die drei Reflexionsflächen und die die Wandler
tragenden
Flächen bearbeitet werden müssen. Dabei kann der Materialabtrag
beim Schleifen sehr gering gehalten werden, wenn der Pressling
schon weitgehend die endgültige Form besitzt.
Wird dagegen auf eine
erfindungsgemässe Verzögerungsleitung mit geringem Gewicht Wert gelegt, so
eignet sich besonders Glas als Material für den Laufzeitkörper.
Infolge der um
etwa 30 % geringeren Sahallgesohwindigkeit
in Glas gegen-
über Perrit wird mit einem Glas-Laufzeitkörper
mit kleine-
ren Abmessungen die gleiche Verzögerungszeit
erreicht.
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Als WandleriUr die erfindungsgemässe Verzögerungseinrichtung
kommen die flächenhaften Erreger für Dicken- und
Dickenscherschwingungen
in Frage, deren Querabmessungen gross gegenüber der
Wellenlänge sind. Wegen der geringen Schallgeschwindigkeit für transversale
Wellen werden Dickenscherschwingungen bevorzugt. Die Polarisation
der Wellen
kann dabei sowobl in Richtung der langen
Seite alt auch in
Richtung der kurzen Seite der im
allgemeinen rechteckigen
ersten Grenzfläche liegen. Vorteilhaft
sind besonders
Wandler mit seitlichen Abmessungen im Verhältnis von
etwa
2 s 1 mit einer Polarisation in Richtung der kürzeren
Seite der ersten Grenzfläche, die parallel zur kürzeren Kante des Wandlers
verläuft. Hierdurch wird erreicht, dass die in den Laufzeitkörper
abgestrahlte Welle in Richtung
der Normalen, d. h. senkrecht zu
den beiden Hauptflächen
des Laufzeitkörpers, polarisiert ist.
Eine in dieser Weise polarisierte Schallwelle ist, wie die Untersuchungen
von
C.M. van der Burgt, "Piezoelektrische Werkstoffe und Wandlertypen"
Philips-Forschungslaboratorium N.V. Philips'
Gloeilampenfabrieken, Eindhoven,
Niederlande, zeigen, un-
kritischer in bezug auf den Reflexionswinkel.
Bei dieser
Wellenform kommt es nämlich nicht zu einer Änderung des
Schwingungsmodes,.wenn
der Reflexionswinkel immer kleiner
wird, was insbesondere
für die Reflexion an der ersten
Grenzfläche von Bedeutung
ist. Das angegebene Seitenver-
hältnis für die Wandler
führt gleichzeitig zur Abstrahlung einer Welle, die weitgehend einer Zylinderwelle
entspricht.
Weiterhin ist bei dem angegebenen Verhältnis der seitlichen
Wandlerabmessungen
eine Verringerung der Wandlerbreite auf
einen Wert von
r bis 5 der Breite des Laufzeitkörpers mög-
lieh. Hierdurch
wird einerseits die Kapazität der Wandler im gleichen Masse
herabgesetzt, während andererseits die
Eingangsimpedanz umgekehrt
proportional zu der Kapazitätsverringerung ansteigt.
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Eine zusätzliche Möglichkeit, den Echoabstand
an der fertigen
Leitung zu verbessern, besteht in dem Aufbringen
von Material,
beispielsweise Klebstoff, Lot oder galvanisch Oder chemisch
abgeschiedenen
Schichten, auf die Reflexionsfläche zwischen den Wandlern.
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Ausser dem Laufzeitkörpermaterial, dessen Einfluss auf
Preis,
Abmessungen und Betriebsverhalten der gesamten
Verzögerungsleitung
bereits weiter oben ausführlich be-
handelt wurde, ist natürlich auch
das Wandlermaterial auf das Betriebsverhalten der Verzögerungsleitung
von
entscheidendem Einfluss. Als besonders günstig hat sich
insbesondere
im Frequenzbereich um 5 MHz die Kombination Ferritlaufzeitkörper
und Wandler aus piezoeiektrischem Material erwiesen. Die geneucte
Kombination macht es
möglich, eine grosse relative Bandbreite
bei geringer
Dämpfung, guter Anpassung, grossem Echoabstand und
einge-
ebnetem Eingangswiderstand zu verwirklichen.