DE1932135A1

DE1932135A1 - Glaeser fuer temperaturstabile Ultraschall-Verzoegerungsleitungen mit kleiner Daempfung

Info

Publication number: DE1932135A1
Application number: DE19691932135
Authority: DE
Inventors: Marga Faulstich; Neuroth Dipl-Phys Dr Norbert
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1969-06-25
Filing date: 1969-06-25
Publication date: 1971-01-21
Also published as: NL7008913A; JPS4814641B1; GB1290213A; DE1932135B2; FR2051333A5; BE752213A; CS151515B2; US3687697A

Description

Gläser für temperaturstabile Ultraschall-Verzögerungsleitungen mit kleiner Dämpfung

Die Erfindung bezieht sich auf Gläser für elektromechanlsche Verzögerungsleitungen, die einen sehr kleinen Temperaturkoeffizienten der Verzögerungszeit haben. Außerdem haben diese Gläser eine relativ kleine mechanische Dämpfung, so daß die Intensität des Signals beim Durchlaufen der Verzögerungsleitung nur wenig vermindert wird.

Bei einer elektromechanischen Verzögerungsleitung wird das elektrische Signal mit einem piezoelektrischen Wandler in Schallschwingungen umgewandelt. Diese durchlaufen den Glaskörper und werden am Ende des Schallweges durch einen zweiten piezoelektrischen Wandler wieder in elektrische Schwingungen umgewandelt. Das elektrische Signal am Ausgang der Verzögerungsleitung ist um die Zeit verzögert, die der Schall zum Durchlaufen des Glaskörpers benötigt. Diese Laufzeit ζ ist bedingt durch die Länge 1 des Schallweges und die Geschwindigkeit ν des Schalles im Glase gemäß der Beziehung

Bei verschiedenen Anwendungen wird gefordert, daß der Tempe-

1 dz raturkoeffizient der Laufzeit sehr klein ist, z. B. jf'rrr =

2 · 10 /⁰C. Mit den hier beschriebenen Gläsern ist es möglich, unter Verwendung von piezokeramischen Wandlern Verzö-

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gerungsleitungen zu bauen, die einen solch kleinen Temperatur-Koeffizienten der Verzögerungszeit haben.

In einem Festkörper sind zwei Schallwellentypen möglich: longitudlnale Wellen und Scherwellen. In Verzögerungsleitungen werden die Scherwellen bevorzugt, weil diese Wellen eine kleinere Geschwindigkeit als die longitudinalen Wellen haben. Die Frequenz bei der Messung liegt im Bereich um 5 Megahertz.

Für die Verminderung des elektrischen Signals beim Durchlaufen der Leitung sind zwei Faktoren von Bedeutung:

a) die mechanische Schwingungsdämpfung des Glases;

b) die innige Befestigung von Wandler und Glasr

Das logarithmische Dekrement der mechanischen Schwingungsdämpfung beträgt bei den Gläsern, die in dieser Erfindung beschrieben sind, bei einer Frequenz von 1 Kilohertz 0,35 ·10 bis 0,45 ·■ 10 , ist also niedriger als die bei bisher bekannten Spezialgläsern für diesen Zweck. Z. B. im Deutschen Patent Nr. 1 546 407 sind Gläser mit & = 2 ·1θ"³ bis 5 · 1O~³, und in der deutschen Patentanmeldung P 16 96 064.8 Gläser mit ^⁷= 0,5 · 10 bis 0,8 · 10 angegeben.

Für b) ist wichtig, daß sich das Glas gut metallisieren läßt. Dafür gibt es verschiedene Verfahren, z. B. das Aufdampfen und Einbrennen. Für diese Verfahren ist wünschenswert, daß man das Glas hoch erhitzen kann. Die Transformationstemperatur der Gläser gemäß der Erfindung liegt, wie schon bei den Gläsern der eben zitierten Erfindungen, im Bereich 540 bis 59O°C.

Die Schallgeschwindigkeit für Scherwellen ist bei den Gläsern dieser Erfindung niedriger und die akustische Impedanz größer als bei den bisher beschriebenen Gläsern für temperaturstabile

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Ultraschall-Verzögerungsleitungen mit hoher Erweichungstemperatur. Beides bedeutet eine technische Verbesserung. Die kleinere Schallgeschwindigkeit bedeutet eine Verkleinerung des Glaskörpers, die größere akustische Impedanz bedeutet einen geringen Reflexionsverlust beim übergang der Schallwellen vom Glas auf den Wandler. Der sehr geringe Gehalt an Alkalioxiden in den Gläsern der Erfindung gewährleistet eine geringe mechanische Nachwirkung.

Figur 1 zeigt den Aufbau einer Ultraschall-Verzögerungsleitung. An den Stirnseiten eines Glasstabes 1 mit rechteckigem Querschnitt sind die piezoelektrischen Wandler 2 befestigt.

Die erfindungsgemäßen Glaser bestehen aus folgenden Hauptkomponenten :

SiO₂	48	3	- 50	,5	Gew.-%
Li₂O	0		- 0	,7	It
Na₂O	0		- 0	,0	It
K₂O	0,		- 1		η
BaO	10	3	- 14		It
ZnO		- 7		η
PbO	30	- 45	,0	π
Sb₂O₃	0,	- 1	η

Dabei beträgt die Summe der Alkalioxide 0,3 bis 2,0 %.. Zur Stabilisation gegen Kristallisation kann man BaO bis zu 2 % durch andere Erdalkalioxide oder durch CdO, WO- bzw. Al₂O^ ersetzen, ohne daß die speziellen Eigenschaften, die für die beschriebene Verwendung des Glases wichtig sind, wesentlich verändert werden.

In der Tabelle sind einige Beispiele von erfindungsgemäßen Gläsern angeführt. Es sind die chemische Zusammensetzung und die wichtigsten physikalischen Eigenschaften angegeben:

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Tabelle

Glas Oxide:

SiO₂ Li₂O Na₂O K₂O BaO

ZnO

PbO

Sb₂O₃ CdO

WO₃ Al₂O₃

1 dz ζ~3τ ' (1O...6O°C, 4,4 MHz):

1Q⁶/°C

(log.Dekr. (1 kHz):

10³)

Schallgeschw. £.Scherw. (m/sek):

Dichte (g/cm ³):

akust.Impedanz 10⁶kg/(m2.sek)

Transformationstempera- t«r (°C)i

49,4	48,5	48,4	49,7	48,4
-		0,2	-	-
0,6	-	-	0,6	-
0,7	1/0	0,3	0,7	1,0
11,2	10,5	11,5	11,1	11,5
3,8	4,8	5,8	3,1	4,8
34,0	31,0	33,0	33,7	33,0
0,3	0,3	0,3	0,3	0,3
—	2,0	_	-	_

1,2 0,36

2722 3,58 9,75

550 0,8

1,5

0,8

1,2

1,0

1,2

0,41 0,38 0,37 0,43

2733 2742 2727 2730 3,58 3,63 3,57 3,59 9,76 9,96 9,74 9,80

572

555

542

577

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In Figur 2 und 3 ist der Temperatureinfluß auf die Verzögerungszeit einer Verzögerungsleitung aus den Gläsern der Tabelle mit 64 Mikrosekunden Verzögerungszeit dargestellt.

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Claims

Patentansprüche:

1. Gläser mit kleinem Temperaturkoeffizienten der Laufzeit für Ultraschallwellen, vorzugsweise für Scherwellen mit einer Frequenz von etwa 5 Megahertz, mit kleiner mechanischer Dämpfung, Transformationstemperaturen im Bereich von 540 bis 600 C und erhöhter akustischer Impedanz, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung in 6ew.-%:

SiO₂ 48 3 - 50 /5 Li₂O 0 - 0 ,7 Na₂O 0 - 0 ,0 κ₂ο 0, - 1 BaO 10 3 - 14 ZnO 2 - 7 PbO 30 - 45 ,0, Sb₂O₃ ο, - 1

wobei die Summe der Alkalioxide 0,3 bis 2,0 % beträgt.

2. Gläser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kristallisationsstabilisierung 0 bis 2 Gew.-% BaO durch CdO, SrO, WO- und/oder Al₂O, ersetzt werden.

3. Glas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgende chemische Zusammensetzung in Gew.-%

SiO₂ 49,4 Na₂O 0,6 K₂O 0,7 BaO 11,2 ZnO 3,8 PbO 34,0 Sb₂O, 0,3.

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4. Glas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

SiO₂ 49,7 Na₂O 0,6 K₂O 0,7 BaO 11,1 ZnO 3,1 PbO 33,7 Sb₃O₃ 0,3 WO₃ 0,8

5. Glas nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung in Gew.-%:

SiO₂ 48,4 K₂O 1,0 BaO U,5 ZnO" 4,8 PbO 33,0 Sb₂O₃ 0,3 Al₂O₃ 1,0

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