DE19620133A1 - Schall- oder Ultraschallsensor - Google Patents
Schall- oder UltraschallsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallsensor
zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall.
Ultraschallsensoren werden z. B. als Sender und/oder
Empfänger zur Entfernungsmessung nach dem Echolotprinzip
verwendet, insb. zur Messung eines Füllstands, z. B. in
einem Behälter, oder zur Messung einer Füllhöhe, z. B. in
einem Gerinne oder auf einem Förderband.
Ein vom Schall- oder Ultraschallsensor ausgesendeter Impuls
wird an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert. Die
Laufzeit des Impulses vom Sensor zur Oberfläche und zurück
wird ermittelt und daraus der Füllstand bzw. die Füllhöhe
bestimmt.
Derartige Schall- oder Ultraschallsensoren werden in vielen
Industriezweigen, z. B. in der Lebensmittelindustrie, der
Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt.
Besonders in der Chemie sind Schall- oder Ultraschall
sensoren von hoher chemischer Beständigkeit erforderlich,
die in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar sind. In
der Lebensmittelindustrie wird zusätzlich gefordert, das
derartige Sensor vorzugsweise frontbündig und somit leicht
zu reinigen sind.
In allen genannten Anwendungsbereichen ist es erforderlich,
daß die Sensoren eine Abstrahlcharakteristik mit einem
geringen Öffnungswinkel bzw. einer großen Hauptschallkeule
und geringen Nebenschallkeulen aufweisen.
In der DE-OS 29 06 704 ist ein Schall- oder
Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall-
oder Ultraschall beschrieben mit
- - einem Abstrahlelement mit einer ebenen Frontfläche und
- - einem Sensorelement,
- - bei dem das Sensorelement die Frontfläche derart in Schwingungen versetzt, daß die gesamte Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche ausführt.
Der Sensor umfaßt hier ein kegelförmiges, metallisches
Abstrahlelement und einen Grundkörper. Als Wandlerelement
dient ein zwischen Abstrahlelement und Grundkörper
eingespanntes piezoelektrisches Element, das zu
Dickenoszillationen angeregt wird.
Die Abstrahlcharakteristik des Sensor ist im wesentlichen
durch den Durchmesser der Frontfläche und die Frequenz
bestimmt. Dabei verhält sich der Sinus des Öffnungswinkels
der abgestrahlten Schallkeule wie der Quotient aus der
Wellenlänge der abgestrahlten Schall- oder Ultraschallwelle
und dem Durchmesser der Frontfläche des Abstrahlelements.
Um eine Schallkeule mit kleinem Öffnungswinkel zu erhalten,
ist daher ein großer Durchmesser zu verwenden. Die mögliche
Größe des Durchmessers ist jedoch dadurch begrenzt, daß die
Frontfläche oberhalb eines bestimmten Durchmessers
zusätzlich Biegeschwingungen ausführt. Der Öffnungswinkel
der Schallkeule weist folglich immer eine Mindestgröße auf.
Da sich die akustische Impedanz des Mediums, in das der
Schall oder Ultraschall auszusenden ist, z. B. Luft, und die
des Abstrahlelements sehr stark unterscheiden, ist vor dem
Abstrahlelement eine Anpaßschicht aus einem Elastomer
angeordnet.
Ein Nachteil eines solchen Schall- oder Ultraschallsensors
ist, daß durch die Verwendung der Elastomer-Anpaßschicht
der Temperaturbereich, in dem der Sensor einsetzbar ist,
eingeschränkt wird. Zum einen sind Elastomere nur in einem
geringeren Temperaturbereich einsetzbar als Metalle, zum
anderen ist die Schallgeschwindigkeit in Elastomeren stark
temperaturabhängig. Außerhalb eines durch das Elastomer
vorgegebenen Temperaturbereichs ist die Anpaßschicht somit
unwirksam.
Ferner ist in der Zeitschrift Technisches Messen, 51.
Jahrgang, 1984, Heft 9 auf den Seiten 313 bis 317, insb. S.
314, veröffentlichten Fachartikel mit dem Titel:
"Meßwertverarbeitung in Ultraschall-Füllstandsmeßgeräten" ein Hochleistungs-Schallsensor beschrieben, der umfaßt:
"Meßwertverarbeitung in Ultraschall-Füllstandsmeßgeräten" ein Hochleistungs-Schallsensor beschrieben, der umfaßt:
- - zwei Metallzylinder,
- - ein zwischen den Metallzylindern eingespanntes Wandlerelement und
- - einen auf einen der Metallzylinder aufgeschraubten, als Membran ausbebildeten Deckel aus Titan.
Ein metallisches Abstrahlelement weist eine im Vergleich zu
der Anpaßschicht höhere mechanische Beständigkeit auf und
ist in einem größeren Temperaturbereich einsetzbar.
Das Wandlerelement besteht aus zwei piezoelektrischen
Elementen, durch die der Sensor zu Axialschwingungen
angeregt wird. Bei einer geeigneten Wahl der
Anregungsfrequenz wird die Membran dadurch in Resonanz
versetzt.
Die Amplitude der Schwingung der Membran ist im Zentrum der
Membran maximal und nimmt zu deren Rand hin ab.
Der Durchmesser der Membran ist jedoch nicht beliebig
vergrößerbar, da die Membran bei einer gegebenen Dicke und
einer gegebenen Anregungsfrequenz oberhalb eines bestimmten
Durchmessers Biegewellen höherer Ordnung ausführt. Dies
kann z. B. durch die Verwendung einer steiferen Membran
vermieden werden. Durch eine steifere Membran wird jedoch
die Empfindlichkeit des Schall- oder Ultraschallsensors
beim Empfang stark reduziert.
Da die Membran sehr hohen Dauerwechselbeanspruchungen
ausgesetzt ist, ist es erforderlich, einen mechanisch sehr
hochwertigen Werkstoff, z. B. Titan, zu verwenden. Solche
Materialien sind jedoch teuer.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schall- oder
Ultraschallsensor anzugeben, der mechanisch robust und
chemisch beständig ist und der eine einstellbare
Abstrahlcharakteristik, z. B. mit einem vorzugsweise
geringen Öffnungswinkel, aufweist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Schall- oder
Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall-
oder Ultraschall mit einem Abstrahlelement, das eine ebene
Frontfläche hat, und mit einem Wandlerelement, wobei das
Wandlerelement die Frontfläche derart in Schwingungen
aufgrund einer Anregungsfrequenz versetzt, daß die gesamte
Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu
gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der
Frontfläche ausführt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß
auf der Frontfläche konzentrische Stege angeordnet sind,
daß zwischen zwei benachbarten Stegen jeweils ein
konzentrischer Spalt besteht und daß eine Scheibe, insb.
aus Metall, den Schall- oder Ultraschallsensor frontbündig
abschließt, die fest mit den Stegen verbunden ist und die
nicht mit den Stegen verbundene, als Membranen dienende
Segmente aufweist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung führen die
Membranen Biegeschwingungen aus, deren Resonanzfrequenzen
größer oder gleich der Anregungsfrequenz sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung der
mittleren kreisförmigen Membran größer als die oder gleich
der Anregungsfrequenz und die Resonanzfrequenzen der
übrigen Membranen 51 steigen von innen nach außen an.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung sind die Resonanzfrequenzen der Biegeschwingung
der Membranen untereinander gleich und deutlich größer als
die Anregungsfrequenz und jede Membran und die jeweils
daran anschließenden mit den Stegen verbundenen Bereiche
der Scheibe 5 schwingen gleichphasig.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung ist in die Spalte ein Dämpfungsmaterial, insb.
ein Schaumstoff, eingebracht.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung weisen die Spalte eine Tiefe auf, die geringfügig
größer ist als eine maximale Auslenkung der die Spalte
abschließenden Membranen.
Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein solcher
Schall- oder Ultraschallsensor eine glatte Oberfläche
aufweist und somit besonders leicht zu reinigen ist, daß er
eine metallische, also chemisch sehr beständige und
mechanisch robuste, Abstrahlfläche aufweist, daß er bei
Temperaturen von bis zu 150°C einsetzbar ist und daß seine
Richtcharakteristik einstellbar ist.
Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der
Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele
dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in
den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen ersten
Schall- oder Ultraschallsensor, und
Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen zweiten
Schall- oder Ultraschallsensor.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallsensors zum
Senden und/oder Empfangen von Schall oder Ultraschall
dargestellt. Dieser besteht aus einem Grundkörper 2, einem
Abstrahlelement 3 und einem zwischen dem Grundkörper 2 und
dem Abstrahlelement 3 eingespannten zylindrischen
Wandlerelement 1. Das Wandlerelement 1 führt
Dickenschwingungen in axialer Richtung aus und regt damit
den Schall- oder Ultraschallsensor zu Axialschwingungen an.
In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht
das Wandlerelement 1 aus zwei aufeinander angeordneten,
ringscheibenförmigen piezoelektrischen Elementen 1a, 1b,
die eine zueinander entgegengesetzte, durch Pfeile
symbolisch dargestellte, Polarisation in axialer Richtung
aufweisen. Zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen
1a, 1b ist eine beiden Elementen 1a, 1b gemeinsame
ringscheibenförmige Elektrode 11 angeordnet. Auf der der
gemeinsamen Elektrode 11 abgewandten Seite weist jedes
Element 1a, 1b eine weitere ebenfalls ringscheibenförmige
Gegenelektrode 12a, 12b auf. Die Elektrode 11 und die
beiden Gegenelektroden 12a, 12b sind über nicht
dargestellte Verbindungsleitungen mit einer ebenfalls nicht
dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden. Dabei
liegen die Gegenelektroden 12a, 12b auf gleichem Potential
U₁ und die Elektrode 11 auf einem gegenüber dem Potential U₁
um 180° Phasenverschobenen Potential U₂.
Das so aufgebaute Wandlerelement 1 weist zwei kreisförmige
Stirnflächen 13 und 14 auf. An die Stirnfläche 13 grenzt
der Grundkörper 2 an. Dies ist ein Zylinder mit einer
zentralen, axialen, durchgehenden Innenbohrung 21. Der
Grundkörper 2 besteht aus einem Material hoher Dichte, z. B.
aus Stahl und bewirkt eine Reduktion der in
abstrahlelement-abgewandter Richtung abgestrahlten
Schallenergie.
An die Stirnfläche 14 grenzt das Abstrahlelement 3 an. Dies
ist ein kegelstumpf-förmiges Bauelement, z. B. aus
Aluminium. Diejenige Kreisfläche des Kegelstumpfs, die den
größeren Durchmesser aufweist, ist vom Wandlerelement 1
abgewandt und bildet eine ebene Frontfläche 34. Das
Abstrahlelement 3 weist auf der wandlerelement-zugewandten
Seite eine zentrale axiale Bohrung 31 mit einem
Innengewinde 311 auf, die sich ein Stück weit in axialer
Richtung in den Kegelstumpf hinein erstreckt.
Es ist eine Einspannvorrichtung 4 vorgesehen, durch die
das Wandlerelement 1 in axialer Richtung, also senkrecht zu
seinen Stirnflächen 13, 14, zwischen dem Grundkörper 2 und
dem Abstrahlelement 3 eingespannt ist. In diesem
Ausführungsbeispiel ist die Einspannvorrichtung 4 ein
Spannbolzen, der von der wandlerelement-abgewandten Seite
her in die zentrale Innenbohrung 4 des Grundkörpers 2
eingeführt ist, das Wandlerelement 1 vollständig
durchdringt und in das Innengewinde 311 der Bohrung 31 des
Abstrahlelements 3 eingeschraubt ist, so daß das
Wandlerelement 1 vorgespannt ist.
Auf einer wandlerelement-abgewandten Frontfläche des
Abstrahlelements 3 sind konzentrische ringförmige Stege 32
angeordnet. Zwischen zwei benachbarten Stegen 32 besteht
jeweils ein ringscheibenförmiger Spalt 33.
Hergestellt wird diese spezielle Geometrie z. B. indem die
ringscheibenförmigen Spalte 32 aus einem zunächst
kegelstumpfförmigen Abstrahlelement 3 herausgedreht werden.
Da das Abstrahlelement 3 vorzugsweise aus einem Metall,
insb. Aluminium besteht, ist dies ein sehr kostengünstiges
und einfaches Herstellverfahren.
Der Schall- oder Ultraschallsensor ist frontbündig
abgeschlossen durch eine vorzugsweise metallische Scheibe
5, z. B. aus Aluminium oder Edelstahl, die fest mit den
Stegen 32 verbunden, insb. verschweißt ist. Die
freiliegenden Segmente der Scheibe 5 bilden somit kreis-
bzw. ringscheibenförmige Membranen 51, die an deren Rand
durch die kraftschlüssige Verbindung mit den Stegen 32 fest
eingespannt sind.
Der Schall- oder Ultraschallsensor ist beispielsweise in
einem, in Fig. 1 nicht dargestellten, zylindrischen an
einem Ende offenen Gehäuse angeordnet, wobei die zwischen
dem Gehäuse und dem Schall- oder Ultraschallsensor
bestehenden Hohlräume mit einem elektrisch nichtleitenden
Elastomer ausgefüllt sind.
Im Sendebetrieb werden die piezoelektrischen Elemente 1a, 1b
durch die an die Elektrode 11 und die Gegenelektroden 12a,
12b anzulegenden Wechselspannung in Dickenschwingungen
versetzt. Da das Wandlerelement 1 über die
Einspannvorrichtung 4 fest mit dem Grundkörper 2 und dem
Abstrahlelement 3 verbunden ist, führt der aus
Wandlerelement 1, Grundkörper 2 und Abstrahlelement 3
gebildete Verbundschwinger Axialschwingungen aus.
Die ebene Frontfläche 34 des Abstrahlelements 3 wird somit
durch die Anregungsfrequenz der Wechselspannung derart in
Schwingungen versetzt, daß die gesamte Frontfläche 34 nahezu
phasengleiche Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer
Amplitude parallel zur Flächennormalen auf die Frontfläche
34 ausführt.
Um eine möglichst große Amplitude der Schwingung der
Frontfläche 34 zu erzielen wird das Wandlerelement 1
vorzugsweise mit einer Anregungsfrequenz angetrieben, die
der Resonanzfrequenz des Verbundschwingers entspricht. Die
Länge L des Verbundschwingers in axialer Richtung
entspricht dabei einem ganzzahligen Vielfachen einer halben
Wellenlänge, derjenigen durch gewichtete Mittelung zu
ermittelnden fiktiven Wellenlänge, die Schall oder
Ultraschall der Anregungsfrequenz in dem Verbundschwinger
aufweist.
Vermittelt durch die Stege 32 wird diese Schwingung auf die
Membranen 51 übertragen. Die Membranen 51 führen, da sie am
Rand fest mit den Stegen 32 verbunden sind Biege
schwingungen aus. Durch diese Biegeschwingungen liegt eine
gute Anpassung des Ultraschallsensors an Luft vor.
Es tritt eine Amplitudenüberhöhung auf, d. h. die
Schwingungsamplitude der Membranen 51 ist größer als die
der Stege 32. Die Amplitudenüberhöhung ist maximal, wenn
die Anregungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz der
jeweiligen Membran 51 übereinstimmt. Dann ist die
Biegeschwingung der jeweiligen Membran 51 gegenüber der
Anregungsfrequenz um 180° phasenverschoben. Die Auslenkung
der jeweiligen Membran 51 ist derjenigen der an sie
angrenzenden Stege 32 entgegengesetzt.
In diesem Fall strahlen die jeweilige Membran 51 und die
fest mit den an sie angrenzenden Stegen 32 verbundenen
beiden Flächen der Scheibe 5 gegenphasige Schallwellen aus.
Es tritt destruktive Interferenz auf. Um die dadurch
bedingte Verluste gering zu halten, ist es erforderlich,
daß die Summe der Flächen der Membranen 51 groß gegenüber
der Summe der Flächen der Scheibe 5, die fest mit den
Stegen 32 verbunden sind, ist.
Je weiter die Resonanzfrequenz der jeweiligen Membran 51
oberhalb der Anregungsfrequenz liegt, desto geringer ist
die beschriebene Phasenverschiebung. Gleichzeitig reduziert
sich jedoch die Amplitudenüberhöhung und somit auch die von
der jeweiligen Membran 51 abgestrahlte Schalleistung.
Die Resonanzfrequenz der jeweiligen Membran 51 ist
maßgeblich durch deren mittleren Radius und deren
Steifigkeit bestimmt. Bei äquidistanter Beabstandung
gleichbreiter Stege 32 in radialer Richtung wäre die
Resonanzfrequenz der äußeren Membranen 51 folglich
niedriger, als die der inneren. Durch Verringerung des
Abstandes zwischen zwei benachbarten Stegen 32 in radialer
Richtung erhöht sich die Resonanzfrequenz der zwischen den
Stegen angeordneten Membran 51.
Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz aller Membranen 51
oberhalb der Anregungsfrequenz. Dadurch wird das Auftreten
von Biegewellen höherer Ordnung ausgeschlossen.
Die Abstrahlcharakteristik des Schall- oder
Ultraschallsensors ist durch die Abstände zwischen den
Stegen 32 in radialer Richtung, also durch die Abstimmung
der Resonanzfrequenzen der Biegeschwingungen der einzelnen
Membranen 51 aufeinander und auf die Antriebsfrequenz,
einstellbar. Im folgenden sind zwei Beispiele hierfür
angegeben.
Zum einen wird ein Schall- oder Ultraschallsensor mit einer
für die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip geeigneten
Abstrahlcharakteristik erzielt, indem die Abmessungen so
gesetzt werden, daß die Resonanzfrequenz der kreisförmigen
mittleren Membran 51 gleich oder größer als die
Antriebsfrequenz ist und die Resonanzfrequenzen der anderen
ringscheibenförmigen Membranen 51 so abgestimmt sind, daß
eine Membran 51 mit einem kleineren Außenradius eine
geringere Resonanzfrequenz aufweist, als eine Membran 51
mit einem größeren Außenradius. Die kreisförmige mittlere
Membran 51 hat die niedrigste Resonanzfrequenz.
Die Amplitudenüberhöhung und damit die abgestrahlte
Schallenergie nimmt somit entlang der Scheibe 5 von innen
nach außen ab. Die Amplitudenverteilung entlang einer
Diagonalen der Scheibe 5 entspricht näherungsweise einer
Gaußkurve. Die durch Nebenkeulen abgestrahlte Schallenergie
ist erheblich geringer als bei einem reinen Kolbenschwinger
ohne Stege 32 und ohne Scheibe 5.
Zum anderen wird eine nahezu gleichphasige Abstrahlung
aller Bereiche der Scheibe 5 erzielt, indem die
Resonanzfrequenzen der Membranen 51 alle gleich und
deutlich, z. B. 10%, größer als die Anregungsfrequenz sind.
Es tritt dann nahezu keine Phasenverschiebung zwischen der
Schwingung der einzelnen Membranen 51 und den an sie
angrenzenden mit den jeweils benachbarten Stegen 32
verbundenen Bereichen der Scheibe 5 auf.
Wird der Schall- oder Ultraschallsensor dazu verwendet,
Schall- oder Ultraschall-Impulse einer bestimmten Dauer
auszusenden, so ist darauf zu achten, daß der Schall- oder
Ultraschallsensor nach dem Ende der Anregung durch das
Wandlerelement 1 möglichst nicht nachschwingt.
Hierzu ist der Abstand zwischen den Membranen 51 und der
Frontfläche 34 des Abstrahlelements 3, also die Tiefe der
Spalte 33, vorzugsweise so bemessen, daß er geringfügig
größer ist als die maximale Auslenkung der die Spalte 33
abschließenden Membranen 51. Die Kompression der in den
Spalten 33 enthaltenen Luft durch die Biegeschwingungen der
Membranen 51 bewirkt eine Dämpfung, durch die das
Nachschwingen des Sensors erheblich reduziert ist.
Eine Reduktion des Nachschwingens wird gleichfalls erzielt,
indem in die Spalte 33 ein Dämpfungsmaterial 6, z. B. ein
Schaumstoff, eingebracht ist. Ein solcher Schaumstoff kann
beispielsweise auf dem Abstrahlelement 3 aufgeklebt sein.
Insb. ist die Ausbildung von ringförmig in den Spalten 33
umlaufenden Wellen durch das Dämpfungsmaterial 6
ausgeschlossen.
Der durch die Stege 32 und die Scheibe 5 gebildete Vorbau
des Verbundschwingers bewirkt durch die Biegeschwingung
eine Anpassung der akustischen Impedanz des Schall- oder
Ultraschallsensors an die akustische Impedanz des Mediums,
in den die Schallenergie auszusenden ist. Insbesondere ist
es nicht erforderlich, eine zusätzliche Schicht aus einem
Material, dessen akustische Impedanz zwischen der des
Materials der Scheibe 5 und der des Mediums in das die
Schallenergie auszusenden ist, z. B. aus einem Elastomer
vorzusehen.
Eine auf die Scheibe 5 auftreffende Schall- oder
Ultraschallwelle versetzt die Scheibe 5, besonders die
Membranen 51 in Biegeschwingungen, die durch das
Abstrahlelement auf das Wandlerelement 1 übertragen werden.
Dadurch werden die piezoelektrischen Elemente 1a und 1b in
Schwingungen versetzt. Es entsteht eine piezoelektrische
Spannung die über die Elektroden 11, 12a und 12b einer
weiteren Verarbeitung zugänglich ist.
Der Schall- oder Ultraschallsensor ist durch die
vorzugsweise metallische Scheibe 5 abgeschlossen. Damit ist
er bei hohen Temperaturen bis ca. 150°C einsetzbar. Der
Temperaturbereich ist lediglich durch den Temperaturbereich
eingeschränkt, in dem das Wandlerelement 1 einsetzbar ist.
Durch eine Verlängerung des Abstandes zwischen dem
Wandlerelement 1 und der Scheibe 5 sind noch größere
Temperaturbereiche erreichbar. Hierbei ist zu beachten, daß
die Länge L des Verbundschwingers in axialer Richtung einem
ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge,
derjenigen durch gewichtete Mittelung zu ermittelnden
fiktiven Wellenlänge, die Schall oder Ultraschall der
Anregungsfrequenz in dem Verbundschwinger aufweist,
entspricht.
Da das Abstrahlelement, die Stege 32 und die Scheibe 5
vorzugsweise aus Metall bestehen treten nur geringe
temperaturbedingte Frequenzabweichungen auf.
Der Schall- oder Ultraschallsensor ist chemisch sehr
beständig und mechanisch sehr robust. Er eignet sich
besonders gut für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie,
da die medium-berührte Scheibe 5 eben und somit gut zu
reinigen ist.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz bei dem
beschriebenen Sensor beschränkt, sonder ist vielmehr bei
allen Schall- oder Ultraschallsensoren einsetzbar, die ein
Abstrahlelement mit einer ebenen Frontfläche aufweisen, die
durch das Wandlerelement 1 aufgrund einer Anregungsfrequenz
derart in Schwingungen versetzt wird, daß die gesamte
Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu
gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der
Frontfläche ausführen.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eines
derartigen Schall- oder Ultraschallsensor.
Bei dem in Fig. 2 im Längschnitt lediglich schematisch
dargestellten Schall- oder Ultraschallsensor weist das
Wandlerelement 1 lediglich ein einziges scheibenförmiges
piezoelektrisches Element auf. Mit diesem Wandlerelement 1
ist eine ebenfalls scheibenförmige Deckplatte 7 mit
gleichem Durchmesser fest verbunden. Die Deckplatte 7 wird
ebenso wie das Abstrahlelement 3 des in Fig. 1
dargestellten Ausführungsbeispiels zu Schwingungen derart
angeregt, daß deren gesamte kreisförmige wandler-abgewandte
Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu
gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der
Frontfläche ausführt.
Auf der Deckplatte 7 sind analog zu dem Ausführungsbeispiel
von Fig. 1 konzentrische Stege 32 angeordnet, auf denen
wiederum die Scheibe 5 befestigt ist.
Der Schall- oder Ultraschallsensor ist beispielsweise in
einem, in Fig. 2 nicht dargestellten, zylindrischen an
einem Ende offenen Gehäuse angeordnet, wobei die zwischen
dem Gehäuse und dem Schall- oder Ultraschallsensor
bestehenden Hohlräume mit einem elektrisch nichtleitenden
Elastomer ausgefüllt sind.
Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 bietet gegenüber dem in
Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß
es eine sehr geringe Bauhöhe aufweist und daß ein einziges
piezoelektrisches Element ausreicht, um den Schall- oder
Ultraschallwandler anzuregen.
Claims (6)
1. Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder
Empfangen von Schall oder Ultraschall
- - mit einem Abstrahlelement (3), das eine ebene Frontfläche (34) hat, und
- - mit einem Wandlerelement (1),
- - wobei das Wandlerelement (1) die Frontfläche (34) derart in Schwingungen aufgrund einer Anregungsfrequenz versetzt, daß die gesamte Frontfläche (34) nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche (34) ausführt, dadurch gekennzeichnet,
- - daß auf der Frontfläche (34) konzentrische Stege (32) angeordnet sind,
- - daß zwischen zwei benachbarten Stegen (32) jeweils ein konzentrischer Spalt (33) besteht und
- - daß eine Scheibe (5), insb. aus Metall den Schall- oder Ultraschallsensor frontbündig abschließt,
- - die fest mit den Stegen (32) verbunden ist und
- - die nicht mit den Stegen (32) verbundene, als Membranen (51) dienende Segmente aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
die Membranen (51) Biegeschwingungen ausführen, deren
Resonanzfrequenzen größer oder gleich der
Anregungsfrequenz sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung der
mittleren Membran (51) größer als die oder gleich der
Anregungsfrequenz ist, und daß die Resonanzfrequenzen
der übrigen Membranen (51) von innen nach außen
ansteigen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Resonanzfrequenzen der Biegeschwingungen der
Membranen (51) untereinander gleich und deutlich
größer als die Anregungsfrequenz sind und daß
jede Membran (51) und die jeweils daran anschließenden
mit den Stegen (32) verbundenen Bereiche der Scheibe (5)
gleichphasig schwingen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in die Spalte (33) ein Dämpfungsmaterial (6),
insb. ein Schaumstoff, eingebracht ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spalte (33) eine Tiefe aufweisen, die
geringfügig größer ist als eine maximale Auslenkung
der die Spalte (33) abschließenden Membranen (51).
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