DE19644676A1

DE19644676A1 - Schallwandler

Info

Publication number: DE19644676A1
Application number: DE19644676A
Authority: DE
Inventors: Wieslaw Bicz
Original assignee: Sonident Anstalt
Current assignee: Sonident Anstalt
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 1997-05-07

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schallwandler im Ultraschallbereich, der als Sender und auch als Empfänger einsatzbar ist und die Verwendung eines piezokeramischen Wandlerelementes vorsieht.

Der bisher bekannte Wandler enthält eine planparallele aktive Schicht aus Piezomaterial, die von sich aus als Resonanzkörper wirkt, eine oder mehrere Anpassungsschich ten an der Seite, auf die der Ultraschall auftrifft und einen Dämpfungskörper, um die Resonanzeigenschaften des Piezomaterials zu senken. Eine solche mehrschichtige Kon struktion ist vielfach beschrieben, und es wurden auch di verse Theorien angegeben, die die Berechnung solcher Wand lertypen ermöglichen. Allerdings verlangen die elektri schen Eigenschaften solcher Wandler die Anordnung zusätz licher Elemente, die den Wandler elektrisch an die Genera toren und Empfangsverstärker anpassen.

Von den Wandlern, die die interne Struktur eines Körpers abbilden sollen (Defektoskopie, Medizintechnik), wird ver langt, daß die kurze und starke Impulse senden können und eine Breitbandigkeit beim Empfang vorhanden ist. Diese Problematik ist in dem Buch von M.G. Silk dargelegt. Es sind daraufhin viele diverse Konstruktionen vorgeschlagen und auch verwirklicht worden, die zu diesem Ziel führen sollen. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Bei einem Vorschlag werden die Piezokeramik- oder Kri stallscheiben durch Kompositscheiben aus Keramikstücken in Epoxidharz ersetzt. Diese sogenannten Kompositwandler haben viele Vorteile, verlangen jedoch stets noch Däm pfungsschichten sowie eine elektrische Anpassung. Außerdem sind sie ziemlich teuer in der Herstellung und auch nicht breitbandig genug.
2. Bei einem weiteren Vorschlag werden sehr dünne Piezo polymerfolien herangezogen. Diese Folien haben zwar die Eigenschaft, daß die damit ausgestattetem Wandler eine ver hältnismäßig große Breitbandigkeit besitzen, jedoch kann auch hierbei nicht gänzlich auf Dämpfungsschichten verzich tet werden, da die Folien durch ihre Planparallelität Reso nantoreigenschaften besitzen. Auch ist die elektrische An passung ziemlich schwierig, und die Folienwandler zeichnen sich durch eine geringe Signalamplitude beim Senden aus.
3. Ein weiterer Vorschlag sieht vor, massive Scheiben aus Piezokeramik zu verwenden, die aber mit modifizierten Ober flächen ausgestaltet sind. In dem US-Patent 3 968 680 wer den Wandler vorgeschlagen, die Piezoscheiben mit nicht parallelen Wänden enthalten. Wandler mit nicht parallelen Flächen der Keramikscheiben sind auch in anderen Publika tionen erwähnt, so z. B. in dem Artikel von P. G. Barthe und P. J. Benekeser "A Staircase Model of Tapered Piezo electric Transducer". Abgedruckt ist dieser Artikel in IEEE Ultrasonic Symposium 1987. Untersuchungen haben ge zeigt, daß solche Wandler eine relativ gute Breitbandigkeit besitzen und auch kurze Impulse produzieren können. Die von ihnen abgegebenen Signale sind jedoch relativ schwach und auch die Breitbandigkeit ist für viele Fälle trotzdem nicht ausreichend.

Eine weitere Konstruktion mit einem Wandler aus einer rauhen hinteren Oberfläche der Piezoscheibe wird in dem EP 0 634 227 beschrieben. Eine weitere Wandlerausführung mit strukturierter Rückseite ist in der EP 6 029 994 beschrie ben worden. Bei dieser Ausführung ist die Rückseite des Wandlers mit flachen Rillen strukturiert, wobei die Stärke der Piezoscheibe unterhalb des Rillenbodens um ein Mehr faches größer ist als die Rillentiefe (vgl. Sp. 10, 12). Außerdem ist eine weitere Voraussetzung für die Funktionsfä higkeit dieses Wandlers, daß das elektrische Feld im Be reich des verbliebenen Materials homogen ist (Spalte 12 und Sp. 6). Das verbliebene Material funktioniert dabei als ak tives Element; der Rillenbereich wirkt nur als Dämpfung und erlaubt den Verzicht auf eine Rückdämpfung. Der Wandler ge mäß der letztgenannten europäischen Patentschrift erzeugt auch einen relativ langen Impuls, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Diese Eigenschaft wird als nachteilig betrachtet. Zwar sind bei dieser Ausführung die Probleme, die die Klebe schicht verursacht beseitigt, aber die lange Impulsantwort bewirkt, daß dieser Wandler nicht für alle Zwecke einsetz bar ist.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, einen leicht herstellbaren extrem flexiblen Wandler für den Ultraschallbereich zu schaffen, der über eine große Band breite verfügt, eine technologische Wiederholbarkeit auf weist und mit einer starken Intensität arbeitet. Darüber hinaus soll eine gute Übertragungsfunktion, also eine kurze Impulsantwort, gewährleistet sein und die Amplitude als auch die Phase in einem breiten Frequenzspektrum einen flachen Verlauf haben.

Alle die genannten Forderungen werden mit einem Schallwand ler gemäß Anspruch 1 erfüllt. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Schallwandler, dessen Aktivelement aus einem polari sierten piezoelektrischen Block besteht, dessen hintere Fläche keine glatte Oberfläche, sondern eine stark modifi zierte Struktur besitzt, einen extrem kurzen Schallimpuls produziert und auf Anpassungsschichten und mechanische Dämpfung verzichten kann. Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß sich als Struktur insbesondere die Anord nung von tiefen Rillen oder Einschnitten in der hinteren Seite des polarisierten piezoelektrischen Blockes, wobei die Vorderseite und die Rückseite des Blockes mit einem Elektrodenbelag versehen ist. Die Materialstärke zwischen dem Rollenboden und der Vorderseite des Wandlerelementes muß sehr gering gehalten sein, so daß dieser Bereich nun eine elektrische Isolierfunktion bewirkt. Die Bereiche zwischen den Rillen bilden Erhebungen, die in Spitzen auslaufen. Als besonders geeignet haben sich kegel- oder pyramidenförmig auslaufende Erhebungen erwiesen. Mit den erfindungsgemäßen Wandlern können extrem kurze Schallimpulse produziert werden und es kann auf Anpassungsschichten und mechanische Dämpfung verzichtet werden. Nicht nötig ist auch dabei die elektrische Anpassung, da die Impedanz nur ca. 50 Ohm be trägt. Die Polarisationsrichtung des Wandlerelementes ist zwar prinzipiell in einem Winkel von ca. 90° zur Sende fläche, jedoch hat das elektrische Feld im Wandler eine komplizierte Form, da fast die gesamte hintere Aktivele mentfläche mit einem Belag versehen ist, der als Elektrode dient, wobei nur der Boden der Einschnitte nicht mit einer Elektrode bedeckt werden muß. Die vordere Wandlerwand ist, wie üblich, glatt und mit einer flachen Elektrode bedeckt. Sie muß aber nicht eben sein, sondern kann sich auch ge krümmt verhalten, z. B. um die räumliche Gestaltung des Im pulses modifizieren zu können, den der Wandler produziert.

Mit dem Wandler gemäß der Erfindung kann ein Impuls von ca. 20-ns-Länge gesendet werden. Der Wandler besitzt eine relativ flache Übertragungsfunktion der Amplitude und Phase im gesamten Ultraschallbereich. Seine Signalamplitude und Empfindlichkeit lassen sich durchaus mit den in dieser Hinsicht hervorragenden Kompositwandlern vergleichen. Der Wandler benötigt jedoch keinerlei elektrische Anpassung und ist erheblich einfacher herzustellen als alle zum Stand der Technik genannten Wandlertypen. Es ist auch leicht, die Wiederholbarkeit seiner Eigenschaften zu gewährleisten, da sie fast allein von der Präzision der Bearbeitung abhängig sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeich nungen erläutert.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung des Impulsverlaufes,

Fig. 2 das piezokeramische Wandlerelement in einer mög lichen erfinderischen Ausgestaltung,

Fig. 3 ein rundes Wandlerelement für einen kleinen Schallwandler,

Fig. 4 ein Modifikation des Wandlers gemäß Fig. 3,

Fig. 5 das piezoelektrische Wandlerelement gemäß Fig. 2 mit eingezeichneten Elektroden,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Schallwandler,

Fig. 7 die Verbindung des Wandlerelementes mit einem Festkörper,

Fig. 8 den Spannungsverlauf des erfindungsgemäßen Schallwandler,

Fig. 9 eine Generatorschaltung und Empfängerschaltung für den Schallwandler gemäß der Erfindung.

Die graphische Darstellung der Fig. 1 zeigt die Kürze des mit der erfindungsgemäßen Konstruktion erreichten Impulses.

In Fig. 2 ist eine mögliche erfindungsgemäße Ausbildung des Wandlerelementes 1 dargestellt. Der Wandlerblock besteht aus polarisierter Piezokeramik. Die Polarisationsrichtung des Wandlerblockes verläuft in einem Winkel von 90° zur Sendefläche. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist nach Strukturieren die Vorderseite 2 - also die mit Ultra schallwellen beaufschlagte Seite - des Wandlerelementes 1 weiterhin eben, während die Rückseite 3 stark strukturiert ist. In die Rückseite sind sehr tiefe Rillen 4 einge bracht. Die Bereiche zwischen den Rillen 4 sind Erhebungen, die in dem Ausführungsbeispiel aus einem Block 5 bestehen, der in Form einer Pyramide 6 ausläuft. In der gezeichneten Form verlaufen die Rillen parallel, was nicht erforderlich ist, denn diese können jeden beliebigen Verlauf haben; sie müssen nur sehr tief gehalten sein. Auch die Pyramidenform der Erhebungen ist nicht zwingend.

In den Fig. 3 und 4 sind runde an ihrer Rückseite struk turierte Blöcke als Wandlerelemente 7 und 8 gezeigt. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist rund und trägt eine Mittenvertiefung 9 und eine spitz zu- und umlaufende Wand 10. Das Wandlerelement 8 gemäß Fig. 4 zeigt eine runde Ril le 11 mit einer in der Mitte angeordneten Pyramide oder Ke gel 12. Die spitz zulaufende Wand 13 ist jenseitens der Rille 11 angeordnet.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch auf einem Wandler element mit eckiger Grundfläche Rillen und Erhebungen gemäß der Fig. 3 und 4, also eine konzentrische Strukturierung, nebeneinander anzuordnen.

Allen Ausführungen gemeinsam ist das Merkmal, daß die Stär ke a zwischen Rillenboden und der Vorderseite des Wandler elementes sehr gering gehalten ist. Dieser Bereich hat nur eine elektrische Isolierfunktion. In der Praxis hat sich eine Konstruktion bewährt, wobei die Stärke a ca. 0,05 mm bei einer Rillenbreite von ca. 0,1 mm beträgt und einer Breite der Erhebungen von ca. 0,5 mm, sowie deren Höhe von 1 mm.

Die Fig. 5 zeigt eine Belegung des Wandlerelementes 1 ge mäß Fig. 2 mit Elektroden. Die Elektrode an der Vordersei te ist mit 14 bezeichnet, während die Elektrode der Rück seite 15 sich über alle Erhebungen zieht, wie die Schraf fierung, die die Elektrode der Rückseite kenntlich macht, zeigt. Die Elektrode 15 der Rückseite muß nicht den Boden der Rillen überziehen.

Maßgebend für die Wirkungsweise der Wandler ist das durch die Strukturierung gegebene elektrische Feld, das inhomogen sein muß. Dieses elektrische Feld hat eine komplizierte Form, da die Elektrode die gesamte hintere Aktivelement fläche bedeckt. Die vordere bei Sendung schallabstrahlende Wand ist eben und mit einer flachen Elektrode 14 versehen. Die Vorderseite des Wandlerelementes muß nicht eben, sie kann auch gekrümmt sein, um die räumliche Gestaltung des Impulses modifizieren zu können, die der Wandler produ ziert.

Falls die vordere Fläche nicht eben, sondern gekrümmt ist, müssen die Rillen der Rückseite dieser Tatsache angepaßt sein.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Wandlers wird durch das Zusammenspiel der stark inhomogenen elektrischen Feldes mit den Longitudinar- und Schereffekten im Bereich der Erhebun gen zwischen den Rillen erhalten. Die Erfindung geht dabei davon aus, daß das elektrische Feld in dem aktiven Bereich des Wandlers stark modifiziert, also inhomogen sein muß. Diese Tatsache vermittelt eine extreme Breitbandigkeit und bringt wesentliche energetische Vorteile. Es hat sich experimentell gezeigt, daß die Wandler mit konzentrischen Strukturen ein stärkeres Signal als vergleichbare Wandler mit flachen Wänden erzeugen. Dadurch ist es möglich, auch sehr kleine Wandler nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag mit einem Durchmesser von weniger als 0,5 mm herzustellen, die noch verwertbare Signale liefern.

Außerdem wurde festgestellt, daß durch Änderung der Ver teilung des elektrischen Feldes die abgestrahlte Welle be einflußt werden kann. So hat sich vorteilhaft gezeigt, daß bei der Konstruktion gemäß Fig. 2 und Fig. 5 des Wandler elementes die Welle eine ebene Wellenfront aufweist, die sich wesentlich von der Wellenfront eines bekannten Wand lers mit flachen oder leicht modifizierter Vorder- und Rückseite unterscheidet. Eine Strukturierung in Form eines konzentrischen Ringes produziert eine sphärische Welle. Die Erfindung eröffnet somit auch eine Gestaltungsmöglichkeit der austretenden Welle durch eine vorbestimmte Verteilung des elektrischen Feldes.

Ein Schallwandler 16 gemäß der Erfindung ist im Längs schnitt in Fig. 6 gezeigt. Das Wandlerelement 17 ist dabei gemäß Fig. 5 ausgebildet und sitzt am oberen Ende des Ge häuses 18. Der elektrische Anschluß erfolgt über das Kabel 19, das eine Verbindung zu beiden Elektroden darstellt. Der Innenraum des Gehäuses 18 ist mit einer Vergußmasse 20 mit niedriger akustischer Impedanz ausgefüllt. Zum Schutz des Wandlerelementes 17 ist dieses mit einer Schutzschicht 21 versehen, die auf der senkrechten Gehäusewandung aufliegt.

Fig. 7 zeigt im Prinzip die Anordnung des in Vergußmasse 22 eingebetteten Wandlerelementes 23, wobei die Vergußmasse 22 eine niedrige akustische Impedanz besitzt. Die Vergußmasse 22 mit dem Wandlerelement 23 ist auf dem Festkörper 24 auf geklebt. Die Elektrodenanschlüsse des Wandlerelementes sind mit 25 und 26 bezeichnet.

Es hat sich gezeigt, daß es zweckmäßig ist zum Erhalt des in Fig. 8 gezeigten Spannungsverlaufes, den Wandler ent sprechend den in Fig. 9 gezeigten Schaltung anzuregen.

Gemäß dieser Schaltung wird die gewünschte elektrische Spannung langsam zwischen den Elektroden des Wandlers auf gebaut und dann die Elektroden des Wandlers kurzfristig kurzgeschlossen und zwar mit einem Schaltelement, das beim Kurzschluß nur wenige Ohm Impedanz besitzt. Es hat sich ge zeigt, daß die Aufbauzeit in mehr als 4 Mikrosekunden und der Kurzschluß in kurzer Zeit mindestens 30 ns erfolgen soll, um optimale Bedingungen zu erhalten. Der Kurzschluß des Piezoelementes erlaubt die Maximierung der Impulsampli tude und verhindert die Nachschwingung des Systems. Durch Änderung der Kurzschlußzeit läßt sich in gewissen Grenzen die Länge des Impulses steuert.

Claims

1. Schallwandler für den Ultraschallbereich, der sowohl als Sender als auch als Empfänger einsetzbar ist unter Ver wendung eines piezokeramischen Wandlerelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Elektroden belegte Vorder- und Rückseite des aktiven Wandler-Elements so strukturiert ist, daß eine stark inhomogene Verteilung des elektrischen Feldes er folgt.

2. Schallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Wandlerelement aus einem polarisierten piezoelektrischen Block besteht, auf dessen hinterer Seite sehr tiefe Einschnitte oder Rillen vorgesehen sind, wobei die Vorderseite und Rückseite des Blockes mit einem Elektrodenbelag versehen ist.

3. Schallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwände der Rillen mit einem Elektrodenbe lag versehen sind.

4. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen parallel zueinander verlaufen, sich kreu zen, Kurven bilden oder in jedem beliebigen Muster zu einander verlaufen.

5. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Fläche des Wandlerblockes eben oder ge krümmt glatt ist, wobei außer der Elektrode noch eine Schutzschicht aufgebracht ist.

6. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialstärke des Blockes am Boden der Rillen so gering wie möglich bemessen ist.

7. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche zwischen den Rillen Erhebungen bilden.

8. Schallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen etwa 3 bis 8 mal so breit wie die Rillen selbst und mehr als 5 mal höher als die Rillen breite bemessen sind.

9. Schallwandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen spitz zulaufend ausgebildet sind.

10. Schallwandler nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen zwischen den Rillen in Form einzel ner Kegel oder Pyramiden auslaufen.

11. Schallwandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen zwischen den Rillen im unteren Be reich Blöcke bilden, die kegel- oder pyramidenförmig auslaufen.

12. Schallwandler nach Ansprüche 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen in Form parallel angeordneter Linien verlaufen, sich kreuzen, Kurven bilden, konzentrisch verlaufen oder einzelne Ringe bilden oder zufällig ver teilt sind.

13. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerblock im Querschnitt rund bemessen ist und eine Mittenvertiefung vorgesehen ist, die von einer spitz zulaufenden erhabenen Wand umgeben ist.

14. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerblock im Querschnitt rund oder oval be messen ist und die Rillen Kreise oder Kurven bilden zwischen denen spitz zulaufende erhabene Wände vorge sehen sind.

15. Schwallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Wandlerelement in einem Material mit niedriger akustischer Impedanz eingebettet und mit elektrischen Anschlüssen an den Elektroden versehen und in einem Gehäuse gefaßt ist.

16. Schallwandler nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Wandlerelement auf einem Festkörper auf geklebt ist.

17. Verfahren zur Anregung eines Schallwandlers, insbeson dere eines Schallwandlers nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler zunächst langsam innerhalb mehrerer Mikrosekunden unter die gewünschte Spannung gesetzt wird, um ihn dann sehr schnell in wenigen Nanosekunden mit einer möglichst geringen Impedanz kurzzuschließen.