DE2025084C - Ultraschallmikrophon - Google Patents

Description

P nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der piczoelektrisehe Vibrator (4, 24, 35) in der Mitte mit einer durchgehenden Bohrung (6) versehen ist, die von einer Verbindungsachse (5, 25, 36) durchsetzt Prfindune bezieht sich auf ein Ultrascaall-

Die 5J™rjr*_in(!m niezoelektrischen keramischen

^^""^ef^i^eschwingungsmodus

Vibrator, der ™*!τ£~^* Stirnfläche an

^S^Bä^S^^SSSiaaMm Vibrato? Stirnfläche miteinanaer

^"^Skrophone können beispielsweise im

^^^Seuenmgen verwendet werden,

„ Rahmen J^J^^ Form von Ultraschall

bei denen Me ^¹S" _rf beispiejsweise für

durthd« Luft *j£™£ _ode'_{r fi}/_Versc_hiedene

J^, _che Sicl/°uge Je nach der gewählten lun

*<> richtung und der ^^^^^ί Steuersignale werden dabei

mikrofon ^ί^^
angestrebt, wobei zumeisi

crwunsdu ,st■ _{Wandler für Uhrasch} ,,

Anspruch ,

oder ein anderes Bindemittel (5) nut ein Ende der Verbindungsachse aufgebracht .st (Fig. 7).

4. Ultraschallmikrophon nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (14) direkt mit der Mitte des piezoelektrischen Vibrators (13) verbunden ist und daß der Koeffizient der Kupplung zwischen den beiden Bauteilen zum Verändern der Ansprechcmpnndlichkeitskennlinie eins.el.bar ist (Fig. 12. 15).

5. Ultraschallmikrophon nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einstellen des Kupplungskoeffizienten ein ringförmiges Verbindungsstü?k (21) zwischen dem Resonator und dem piezoelektrischen Vibrator angeordnet ist _(Fie 12)

6 Ultraschallmikrophon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter piezoelektrischer Vibrator (4') vom ersten piezoelektrischen Vibrator (4) in einem bestimmten Abstand zwischen den einander zugekehrten Flächen angeordnet ist und daß beide Vibratoren mit der mittleren Bohrung (6) versehen sind, die zur mechanischen Verbindung derselben von einer den trichterförmigen Vibrator (7) tragenden Verbindungsachse (5') durchsetzt ist (Fig. 10).

7. Ultraschallmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem piezoelektrischen Vibrator (24) mit trichterförmigem Resonator (26) und dem Gehäuse (28) zusätzlich ein zylindrischer Resonator (27) angeordnet ist (Fig. 16).

8. Ultraschallmikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Klemmenplattc (29) aufweist, in deren oberer Fläche eine Ausnehmung (30) ausgebildet ist, in die eine mit einer Vielzahl von Zungen (34) versehene Halteplatte (31) eingesetzt ist, auf der der piezoelektrisehe Vibrator (35) ruht, und daß an der oberen bezug zur l-rcqucn/ Ls st zweckmäßig ,, Vibrator /u verwenden, de aus ^z*^el J.bra >'" eUmennn mit B^eschwingungsmodus zusammen

gcset/t ist. aanaHUrh,- P-.t

Ks ist cn Waller bekann J^f^J£■'-schrift 6Λ5 973) ,dcnnstonto ''^₀' 3" gen vorgesehen ,,, Se.ne Konstruktion ist vor JU

daran, pcr.cl.tct c.ne ^mtr^^^}^^r

4» anpassung zwischen der Luft und der pMzotlektnsehen Vorrichtung /u schaffen die: im Vergleich /u Luft eine verhältnismäßig hohe mechanische In pedanz aufweist. Die entsprechende Anordnung umfaßt ein Wandlerelement einer^ mechanischen Resonanz-

frequenz, die etwa gleich der Signalfrequenz ist, und einer mechanischen Impedanz bei dieser Frequenz, die im Vergleich zur Impedanz des Übertragungsmediums verhältn.smaß.g hoch ist. Außerdem ist e.n resonanter mechanischer Impedanzubertrager vorge-

sehen, der im Biegeschwingungsmodus vibriert und der Kupplung zwischen dem Wandlerelement und dem Übertragungsmedium dient Dieser Impedanzübertrager besteht aus einem Resonator in Form eines Brückenglieds aus einem dünnen, U-formigen

Metallstreifen mit einer Einbuchtung und m.t Beinen, die mit der Oberfläche des dimorphen piezoelektrischen Elements verbunden sind. Das ganze ist in einem aus einer Basis und einer Kappe bestehenden Gehäuse untergebracht. Die Einbuchtung des Brückenglieds hat eine geringere Flache als die parallele Fläche des dimorphen Elements betragt, und ist über ein konisches Horn an die Luft gekuppelt. Da das dimorphe Element und das Bruckenglied die gleiche mechanische Resonanzfrequenz

haben, ergibt sich eine Kennlinie mit zwei Maxima. Wird das Mikrophon in Luft von vermindertem Druck verwendet, so ergibt sich eine Charakteristik in Form zweier sehr scharfer Maxima mit geringer

3 * 4

Höhe dazwischen. Eine flachere Charakteristik kann hung zwischen dem Koeffizienten der Kupplung des

durch Dämpfung eines der beiden Teile erzielt piezoelektrischen Vibrators mit dem Zusatzresonator

«erden, beispielsweise durch mechanisches Belasten und der Ansprechempfindlichkeitskennlinie des Mi-

des Brückenglieds oder elektrisches Belasten des krophons nach Fig. 13,

dimorphen Elements. 5 Fig. 15 eine Schnittansicht einer durch Verein-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die fachung der Ausführungsform nach Fig. 12 und 13

Empfindlichkeit des Ultraschallmikrophons erheblich erhaltenen weiteren Form der Erfindung,

zu erhöhen uad die Ansprechcharakteristik dabei in Fig. 16 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht

weiten Grenzen wählen zu können. Diese Aufgabe einer Abwandlung der Ausführungsform nach F ig. 1,

wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mit io Fig. 17 eine graphische Darstellung der durch

der Mitte des insgesamt scheibenförmigen Vibrators die Ausführungsform nach Fig. 16 erzielten An-

ein hohler Resonator aus dünnem Metall eines sprecbempfindlichkeitskennlinie,

hohen Q-Faktors verbunden ist, dessen Außenfläche Fig. 18 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht

eine für Schallabgabevorrichtungen an sich bekannte noch einer weiteren Form der Erfindung ohne

Kegelform aufweist, und daß der Vibrator und der *s Gehäuse, und

Resonator zur Anregung durch stehende Wellen in Fig. 19 in auseinandergezogener Anordnung eine

an sich bekannter Weise in einem resonatorseitig perspektivische Ansicht der Ausführungsform nach

offenen Gehäuse angeordnet sind. Die sich durch den F i g. 13.

auftreffenden Ultraschall im Gehäuse ausbildenden Die Fig. 1 bis 3 zeigen dne Grundform des

stehenden Wellen führen zu einer seh r günstigen ao erhndungsgemäßen UltraschallmiLrophons, das eine

Ausnützung der empfangenen Ultraschallschwingung Klemmenplatte 1 aufweist, die in der Mitte ihrer

und können durch besondere Ausbildung der Ge- oberen Seite mit einer beliebig großen Au^riehmung 2

häusewände weitgehend beeinflußt werden. Die versehen ist, die von einer Vielzahl von Vorwölbun-

stehenden Wellen werden vom Resonator als gen J umgeben ist. Ein scheibenförmiger piezoelek-

Schwingungen aufgenommen, der sie verstärkt an *5 trischer Vibrator 4 ist auf der Klemmenplatte 1

den Vibrator weitergibt. Durch kleine Änderungen angeordnet, wobei seine Unterseite durch ein

in den mechanischen Parametern des erfindungs- elastisches Bindemittel mit den oberen Enden der

gemäßen Ultraschallmikrophons lassen sich zahl- Vorwölbungen 3 der Klemmenplatte 1 verbunden ist.

reiche verschiedene Ansprechcharakteristiken insbe- Der piezoelektrische Vibrator 4 ist mit einer zentra-

sondere in Abhängigkeit von der Frequenz erzielen. 30 len Bohrung 6 versehen, durch die sich eine Ver-

V/eitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der bindungsachse 5 erstreckt, die an der Innenwand der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschrei- Bohrung befestigt ist. Ein angekuppelter trichterbung. A üf der Zeichnung ist die Erfindung beispiels- förmiger Resonator 7 aus einem Metall, z. B. Aluweise veranschaulicht, und zwar zeigt minium, mit hohem Q-Faktor ist an der Verbin-

F i g. 1 eine Schnittansicht einer Grundform des 33 dungsachse 5 oberhalb des Vibrators 4 befestigt,

erfindungsgemäßen Ultraschallmikrophons, Eine Abschirmplatte 8 ist an der Unterseite der

F i g. 2 in auseinandergezogener Anordnung eine Klemmenplatte 1 mittels Klemmen 9 befestigt, die die

perspektivische Ansicht des UltraschaHmikrophons Klemmenplatte 1 und die Abschirmplatte 8 durch-

nach Fig. 1, setzen. Das Ganze ist in einem Gehäuse 10 unterge-

F i g 3 die Ersatzschaltung des obigen Mikro- 40 bracht, das unten offen ist und dessen unteres offenes

ph ms, Ende mit dem Umfang der Kiemmsnplatte 1 fest

I· i g. 4 eine graphische Darstellung der Admittanz- verbunden ist. Das Gehäuse ist an seinem oberen

kennlinie des Mikrophons, Ende mit einer öffnung 11 versehen, die mit einem

Fig. 5a bis 5c graphische Darstellungen der Be- Schutzgitter 12 abgedeckt ist. Alle Teile der Einheit

Ziehungen zwischen der Größe des Mikrophon- 45 sind konzentrisch in bezug zueinander angeordnet,

gehäuses und der An'prechcmpfindlichkeitskennllnie, Der piezoelektrische Vibrator 4 weist zwei schei-

Fig. 6 die Beziehung zwischen der Länge der benartige keramische Vibratorelemente auf, die

Verbindiingsachst und der Ansprechempfindlich- Fläche auf Fläche miieinander verbunden und in

keitskennlinie, entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind.

Fig. 7 eine Seitenansicht der Einrichtung zum ;i Bei dieser Grundausführungsform kann, wie unten

Verändern der Länge der Verbindungsachse, 'κ-schrieben, durch Verändern der Größe des Ge-

F i g. 8 die Beziehung zwischen dem Durchmesser häuses 10, der Länge der Verbinciungsachse 5, der

des Zusatz-Resonators und der Admiitanzkennlinie, Form des Resonators 7 u. dgl. die Ansprechempfind-

Fig. 9 die Beziehung zwischen der Form des lichkeitskennlinie stark verändert werden. Es ist

Zusatzresonators und der Ansprechempfindlichkeits- 55 auch möghch, durch Verändern der Größe des

kennlinie. Resonators? die Admittanzkennlinie nach Wunsch

Fig. 10 eine Seitenansicht einer anderen Form einzustellen,

des erfindungsgemäßen Mikrophons ohne Gehäuse, Fig. 5a, 5b und 5c zeigen die Beziehung zwischen

Fig. 11 eine graphische Darstellung der durch der Größe des Gehäuses 10 und der Ansprech-

das Mikrophon nach Fig. 10 erhaltenen Ansprech- 60 empfindlichkeitskennlinie des Ultraschallmikrophons

empfindlichkeitskennlinie, der dargestellten Grundform. Durch Verändern der

Fig. 12 eine Schnittansicht noch einer weiteren, Größe des Gehäuses 10 kann, wie sich aus den durch Vereinfachung der Anordnung gemäß F i g. 1 F i g. 5a und 5b ergibt, die Ansprechempfindlichkeitsund 2 erzielten Form der Erfindung, kennlinie stark verändert werden. Es ist auch mög-

F i g. 13 in auseinandergezogener Anordnung eine 65 Hch, durch leichtes Abweichen der Resonanzfrequenz

perspektivische Ansicht der .Ausführungsform nach des piezoelektrischen Vibrators 4 von der des Gc-

F i g. 12, häuses 10 ein Ultraschallmikrophon mit einer hohen

Fig. 14 eine graphische Darstellung der Bezie- Ansprechempfindlichkeit über einen weiten Bereich

zu schaffen, wie Fig. 5c zeigt. Fig. 6 zeigt die Beziehung zwischen der Länge der Verbindungsachse 5 und der Ansprechempfindlichkeit des Mikrophons. Durch Wahl der Länge/ der VerbindungR-achse S von 8,5 mm, 7,0 mm und 5,5 mm wird ihre Mittenfrequenz fo auf fos, fo2 bzw. foi verändert, wodurch entsprechende Veränderungen der Frequenzkennlinie des Ultraschallmikrophons, wie dargestellt, erzielt werden.

In diesem Fall kann die Länge Z der Verbindungsachse 5 durch Auftragen von Lötmittel oder einem anderen Bindemittel 5" auf das obere Ende der Verbindungsachse S verändert werden, wodurch das Einstellen der Länge / vereinfacht werden kann.

Fig. 8 zeigt die Admittanzkennlinie, die man durch Verändern des Durchmessers D des Resonators 7 bei konstanter Dicke t erhält. Wie man sieht, wird bei Verändern des Durchmessers des Resonators? auf 20 mm, 10 mm und 5~6mm die Admittanzkennlinie so verändert, wie durch (a), (b), bzw. (c) dargestellt. Fig. 9 zeigt die Ansprcchempfindlichkeitskennlinie, die man mit verschiedenen Formen des Resonators 7 erhält, und es ist zu sehen, daß eine Veränderung der Form des Resonators auch eine große Veränderung der Ansprechempfindlichkeitskennlinie des Mikrophons bewirkt.

Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Vielzahl piezoelektrischer Vibratoren 4, 4' durch eine die Vibratoren in der Mitte durchsetzende stabförmige Verbindungsachse5' miteinander mechanisch verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform kann durch Verändern der Mittenfrequenz in den Piezoelektrischen Vibratoren 4, 4', wie Kurve c in Fig. 11 zeigt, eine zweispitzigc Empfindlichkcitskennlinie geschaffen werden.

Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht einer vereinfachten Form des Ultraschallmikrophons nach F i g. 1 und 2. Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht des Ultraschallmikrophons nach Fig. 12 in auseinandergezogener Anordnung. Bei der Ausführungsforni nach den Fig. 12 und 13 wird ein piezoelektrischer Zweiclcmcntvibrator 13 verwendet, der zwei scheibenförmige keramische Vibratorelcmcntc aufweist, die Fläche auf Fläche miteinander verbunden sind. Die Schwingungsform des piezoelektrischen Vibrators 13 ist so, daß eine Schwingung durch Verwerten höherer Harmonischer (am zweckmäßigsten der ersten höheren Harmonischen) in der Biege- oder Ablenkschwingung der keramischen Vibralorclcmentc erzielt wird. Ein trichterförmiger Zusatzresonator 14 aus Aluminium oder einem anderen Metall mit hohem Q-Faktor ist so über dem piezoelektrischen Vibrator 13 angeordnet, daß seine Spitze über ein ringförmiges Verbindungsstück 21 aus Isoliermaterial beispielsweise durch ein Bindemittel mit dem Mittelpunkt des piezoelektrischen Vibrators 13 verbunden ist. Ausgangslcitungsdrähtc 15 und 16 sind mit den entgegengesetzten Elektroden im piezoelektrischen Vibrator 13 verbunden, der mit einem elastischen Bindemittel auf einer Klcmmcnplattc 17 befestigt ist. Ferner sind zwei Klemmen 18 vorgesehen, und die obere öffnung eines Gehäuses 20 ist mit einem Gitter abgedeckt.

Bei dem I Htraschallmikrophon gemäß Fig. 12 und 13 ist die Ansprechempfindlichkeit dus piezoelektrischen Vibrators 13 an sich in bezup auf ein llUraschallwcllcnsignal verhältnismäßig gering. Diese Ansprcchempfindlichkcit kann jedoch durch Verbinden des Resonators 14 mit dem piezoelektrischen Vibrator 13 und durch Verändern der Masse, der Form und anderer Faktoren sowie der Bedingung und des Koeffizienten der Kupplung zwischen beiden stark verbessert werden. Die Ansprechcmpfindlichkeitskennlinien, die man mit verschiedenen Koeffizienten der Kupplung zwischen dem piezoelektrischen Vibrator 13 und dem Resonator 14 erzielt, sind in Fig. 14 dargestellt, wobei die Kurve A die Ansprechempfindlichkeit des piezoelektrischen Vibrators 13 allein und die Kurven B, C und D jeweils die Ansprechempfindlichkeit bei drei verschiedenen Koeffizienten der Kupplung zwischen dem piezoelektrischen Vibrator 13 und dem Resonator 14 wiedergeben, wobei B für den niedrigsten und D für den höchsten Koeffizienten stehen.

Eine einfachere Form des Ultraschallmikrophons nach Fig. 12 und 13 ist in Fig. 15 veranschaulicht, bei der das Verbindungsstück 21 nach Fig. 12 bis

13 weggelassen wird und die Spitze des Resonators

14 direkt mit dem Mittelpunkt des piezoelektrischen Vibrators 13 verbunden ist.

Fig. 16 zeigt ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verbessertes Ultrasdiallmikrophon. Bei dieser Ausführungsform wird ein den piezoelektrischen Vibrator umgebender zylindrischer Resonator verwendet.

In Fig. Id weist das Mikrophon eine Klennncnpiatle lv\ zwei die Klemmcnplattc 21' durchsetzende Klemmen 22. auf der oberen Seite der Klemrncnptattc 21 u'.'SL-wbii-Jcic Vorsprünge 23 zum Hallen des Vihiiitors, cii'on auf den Vorsprüngen 23 ruhenden kcramisihcn V'irator 24, eine den VibraUi 24 in der MiMc u.i-cH«.et/cndc und darin bcfr'igte Verbindung aeiue IS. einen auf der Vcrbinchmgsachsc 25 ix·n.st it-'.cn trichterförmigen Rcsonatoi 26, einen .lul de. kL-mmenplntte 21' befestigten und Ίοη ker;miiMi:e!i Vilir.ii. ·γ 24 umgebenden zylindrischen KuMMiaVr 7.7 u>;J <:i,, Gehäuse 28 auf, das das (Vmze einschließt. Bei elf Anordnung nach Fig. 16 '!'ent der /v!i;i'trivi.he V.snnntor 27 zum Steuern der SK-h-

lU 7

j C, und wie F i ρ 17

/ei»!. k,.'in tue linsr U/i»- Ansprcchcmpfindlichkeiiskennhnx /> in eine /»cisjiii/ipo Kennlinie α verändert werden. Muliircli nun ein breiteres Band erhall

I· in. 1* it line SdmiUansicht eines Aiisfiii.ni'ipsbeisp.ds tlci T.iiindung. ΐχ· dem das piezoelektrische Illein.ni nuf tier Klemmenplatte befestigt ist. Fi u 19 zei.et ctiu- ρ...-spcklivisciir Ansicht in auscinanJcrgczoaent · Amirdmmc l);i«· auch für dieses Air'uhrunt-i visp-.e! notwendige lesonatorscitig offene Gehäuse ist in den Fi_:·. 18 und 19 nicht dargestellt

Die Aiisfiilirunpsform nach den Fig. 18 und 19 weist eine K' nirrenplaUe 29 auf, in deren olvrer I lache tine Ausiichmunp 30 ausgebildet ist. feiner eine am Hoden der Ausnehmung 30 befest lute scneiKiiförmige Ifaltcplattc 31. zwei einstückig mit oer !ladeplatte 31 ausgebildete und sich nach unten durch löcher 33 in der Klcmmenplattc 29 crstrckkendc Klemmen 32. zwei durch Stanzen in der 11alleplattc3I ausgebildete und sich diametral gegenüberliegende Zungen 34, einen durch die Zungen 34 auf eier Haltcplattc 31 gehaltenen piezoelektrisch-·:! Vibrator 35, eine den piezoelektrischen Vibrator 35 in der Mute durchsetzende und darin befestigte Vcrbindungsachsc 36, einen an der Vcrbindunesachse 36 ncfcstigtcn trichterförmigen Resonator 37 und zwei durch Schrauben 39 an der oberen Mäche dci Klcm-

(ο

menplatte 29 befestigte Haltestücke 38, deren innere Enden federnd gegen die obere Fläche des piezoelektrischen Vibrators drücken. Jedes der Haltestücke 2S ist um die Schraube 39 drehbar, so daß der keramische Vibrator 35 abnehmbar befestigt werden kann.

Wie oben beschrieben, kann die Anspr-jchempfindlichkeitskennlinie des erfindungsgemäßen Ultraschallmikrophons durch Verändern der Größe des Gehäuses, der Länge der Verbindungsachse, der Form des Resonators und des Koeffizienten der Kupplung

zwischen dem piezoelektrischen Vibrator und dem Resonator sowie durch Anordnen eines zusätzlichen zylindrischen Resonators eingestellt werden. Demnach führt eine richtige Wahl dieser Faktoren zu

S einer ausgezeichneten Ansprechempfindlichkeitskcnnlinie des Mikrophons.

Ferner kann das erfindungsgemäße Ultraschallmikrophon einfach durch Ankuppeln des trichterförmigen Resonators an den piezoelektrischen Vibrator

ίο hergestellt werden, wodurch die Herstellung vereinfacht wird und wirtschaftliche Vorteile erzielt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Ultraschallmikrophon mit einem piezoelektrischen keramischen Vibrator, der aus zwei im Biegeschwingungsmodus schwingenden, scheibenfönnigen, Stirnfläche an Stirnfläche miteinandcr verbundenen Vibratorelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Mitte des insgesamt scheibenförmigen Vibrators (4, 13, 24, 35) ein hohler Resonator (7, 14, 26, 37) aus dünnem Metall eines hohen Q-Faktors verbunden ist, dessen Außenfläche eine für Schallabgabevorrichtungen an sich bekannte Kegelform aufweist, und daß der Vibrator und der Resonator zur Anregung durch stehende Wellen in an sich bekannter Weise,in emem resonatorscit.g oilmen Gehäuse (10, 20, 28) an-Fläche der Klemmenpiatte (29) den piezoelektri-Vibrator (35) federnd niederdruckende fTfit sind (Fig. 18, 19).