DE2038687A1

DE2038687A1 - Akustischer Wandler

Info

Publication number: DE2038687A1
Application number: DE19702038687
Authority: DE
Inventors: Mitchell Richard Frank
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1969-07-29
Filing date: 1970-07-28
Publication date: 1971-02-04
Also published as: CA948304A; FR2064799A5; US3671784A; GB1314818A

Description

DIpL-In;. F..J. KUPFEnMANN Patentanwalt

**μλ«: N. Y. Philips' GloeilampenfabrlekM Ak».No. PHB-31.986

Anmeldung vom. 27. Juli, 1970 N.V. Philips¹ Gloeilampenf abrielcen, Eindhoven/Holland

"Akustischer Wandler."

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischer Wandler, 4er aus piezoelektrischem Material besteht und mit Elektroden versehen ist, und auf einen magnetoekustiscben Wandler, der aus pie.zomagnetischem Material besteht und elektromagnetische Mittel zum Erzeugen eines Magnetfeldes enthält.

Die am meisten verwendeten Quellen von Ultraschallwellen enthalten Üblicherweise eine aus piezoelektrischem Material bestehende Platte, die zwischen zwei Elektroden gelegt ist.. Si· piezoelektrische Eonstante und die momentane elektrische Pelditärke E oder der momentane Pluß D sind näherungsweiee durch das ganae Material gleich und sinken bei jeder Elektrode auf Hull ab. Die durch das Anlegen eines Potential,·". Unterschiedes'zwischen den Elektroden erzeugte piezo- ■ \ •lektriecht Spannung ist somit nahezu durch das ganze Material

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gleich. Diese Art Wandler weist ein Resonanzverhalten auf, das die übliche akustische Bandbreite beschränkt, und das außerdem bewirkt, daß die Blind- und Widerstandskomponenten der elektrischen Impedanz sich schnell mit der Frequenz ändern, und daß die Blindkomponente innerhalb des akustischen Durchlaßbandes ihr Vorzeichen wechselt. Dadurch ergeben sich Schwierigkeiten in bezug auf die elektrische Anpassung des Wandlers.

In der britischen Patentschrift Nr. 1 159 423 wird ein Wandler beschrieben, bei dem die piezoelektrische.Konstante des Materials allmählich in der Portpflanzungsrichtung der erhaltenen mechanischen Spannungswelle durch das Material abnimmt. Weiter wird in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung Nr* P 19 06 080.1 ein Wandler beschrieben, bei dem entweder ein piezoelektrisches Material oder ein piezomagnetisches Material verwendet werden kann und in dem sich die durch ein angelegtes Signal hervorgerufene piezoelektrische oder piezomagnetische Spannung linear in der !?ortpflanzungsrichtung der akustischen Störung ändert. Obgleich diese Art Wandler auf befriedigende Weise auf das Anlegen eines kurzen Impulses anspricht, weisen die Blind- und Widerstandskomponenten der elektrischen Impedanz bei Frequenzänderung noch Änderungen auf, die, wenn auch weniger stark als bei einem Wandler mit einer gleichmäßigen piezoelektrischen Spannung dennoch ausreichen, um bei der Anpassung an eine elektrische An- · Ordnung Schwierigkeiten zu bereiten, insbesondere an dem Niederfrequenz-Ende des akustischen Durchlaßbandes wenn der Wandler in einer großen akustischen Bandbreite gebraucht werden soll, z.B. für Anwendungen wie Sonar- oder Unterwasserkommunikationssysteme.

Die Erfindung bezweckt, einen akustischen Wandler zu schaffen, der an dem Niederfrequenz-Ende des nützlichen akustischen Durchlaßbandes eine verbesserte elektrische

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Impedanz aufweist.

Der Wandler nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß er einen Körper aus einem Material enthält, in dem · eine mechanische Spannung durch Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes erzeugt wird, wobei dieser Körper erste und zweite einander zugekehrte Grenzflächen besitzt, und wobei die erste Grenzfläche nahezu frei von akustischer Belastung ist, während die zweite Grenzfläche derart ausgebildet ist, daß sie nahezu völlig akustisch an eine Schall-Wellenübertragungsanordnung angepaßt ist, wobei ein Paar Speiseklemmen mit Felderzeugungsmitteln zum Erzeugen eines Feldes in dem Material mit diesem verbunden sind, und wobei das Material und die Felderzeugungsmittel derart beschaffen sind, daß ein zwischen den Klemmen angelegtes elektrisches Potential bewirkt, daß in dem Material eine vom Feld erzeugte Spannung auftritt, wodurch ' eine mechanische Spannung hervorgerufen wird, die sich in einer Fortpflanzungsrichtung durch das Material von der ersten Grenzfläche zu der zweiten Grenzfläche fort-'pflanzen kann, wobei sowohl die Größe als auch deren Änderungsgeschwindigkeit der vom Feld erzeugten Spannung nahezu gleichmäßig in der Fortpflanzungsrichtung von der erwähnten ersten Grenzfläche zu der erwähnten zweiten Grenzfläche abnehmen, derart, daß der Blindanteil der akustischen Komponente der Impedanz über der Speiseklemme sein Vorzeichen innerhalb des akustischen Durchlaßbandes des Wandlers nicht wechselt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ändert sich die Größe der vom Feld erzeugten Spannung in der Fortpflanzungsrichtung als Funktion des Abstandes von der ersten Grenzfläche und zwar entsprechend dem Amplituden-, term (d - χ - ^ Sin "^), wobei unter d der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grenzfläche zu verstehen ist.

Der Wandler kann ein elektroakustischer Wandler sein,' der-

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einen Körper aus piezoelektrischem Material enthält und mit Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im . Material versehen ist, wobei die Elektroden mit den erwähnten Speiseklemmen verbunden sind.

Bei dieser Ausführungsform entspricht die erwähnte vom Feld erzeugte Spannung der piezoelektrischen Spannung, worunter in diesem Zusammenhang das Produkt eE oder hD zu verstehen ist, wobei D den elektrischen Fluß, E das elektrische Feld darstellt und e und h genormte piezoelektrische Konstanten sind.

Wenn die piezoelektrische Kopplungskonstante des Materials bei einer Lageänderung in der erwähnten Richtung konstant ist, körn die erforderliche Änderung der piezoelektrischen Spannung dadurch erhalten werden, daß dafür gesorgt wird, ds?, das angelegte Potential ein elektrisches Feld erzeugt¹ oder einen elektrischen Fluß durch das Material verursacht, wobei das Feld oder der Fluß sich auf die gewünschte Weise ändern. Wenn andererseits das elektrische Feld oder der elektrische Fluß durch das ganze. Material in der erwähnten Pachtung konstant ist, kann die erforderliche Änderung der piezoelektrischen Spannung dadurch erhalten werfen, daß sichergestellt wird, daß die piezoelektrische Kopplungskonstante des Materials sich auf die gewünschte Weise durch das Material in der erwähnten Richtung ändert. Außerdem können sowohl das elektrische Feld oder der elektrische Fluß als auch die piezoelektrische Kopplungskonstante geändert werden, vorausgesetzt, daß die erhaltene piezoelektrische Spannung sich auf die gewünschte Weise ändert.

Auch kann der Wandler ein magnetoakustischer Wandler sein, der einen Körper aus piezomagnetischem Material und elektromagnetische Mittel enthält, die mit den erwähnten Speiseklemmen verbunden sind und ein Magnetfeld im erwähnten Material erzeugen. In diesem Falle entspricht die von Feld erzeugte Spannung der piezomagnetischen Spannung, die sich

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auf die gewünschte Weise ändern kann, wenn dafür gesorgt wird, daß die erwähnten elektromagnetischen Mittel ein Magnetfeld oder einen Magnetfluß in dem Material hervorrufen, das Feld oder der Pluß sich auf die gewünschte . Weise ändert, oder daß die piezomagnetische Kopplungskonstante geändert wird oder sowohl das. PeId als auch die Kopplungskonstante zusammen geändert werden, um die erforderliche Wirkung zu erzielen.

Es ist einleuchtend, daß eine akustische Welle, die von der erwähnten Schallwellenübertragungsanordnung über die zweit· Grenzfläche in einer der Portpflanzungsrichtung entgegengesetzten Richtung in den Körper wandert, ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal an dessen Speiseklemmen erzeugen wird. Der Wandler ist daher derart ausgebildet, daß er sowohl als Sender wie auch als Empfänger arbeiten kann.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Pig. 1 schematisch einen elektroakustisehen Wandler nach der Erfindung,

Pig. 2 eine graphische Darstellung der piezoelektrischen Konstante längs der Porfcflanzungsachse des Wandlers nach Pig. 1, Pig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des Wandlers nach.

Pig. 1 und ' . ' ·

Pig. 4a, 4b, 5a und 5b und 6a und 6b

graphische Darstellungen der Änderungen in den Widerstands- und Blindkomponenten der elektrischen impedanz eines dem nach Fig. 1 ähnlichen Wandlers für verschiedene Kurven der Änderung einer piezoelektrischen Konstante in Abhängigkeit vom Abstand zwischen der ersten Grenefläoht und dem Punkt,/zu dem die Konstante wirkt.

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Fig. 1 zeigt schematisch im Schnitt eine Ausführungsform eines elektroakustischen Wandlers nach der Erfindung. Ein Körper 1 aus piezoelektrischem Material, z.B. Cadmiumsulfid, ist mit leitenden Elektrodenschichten 2¹, 3' versehen, die mit zwei Speiseklemmen 4, 5 verbunden und an einer ersten und einer zweiten Grenzfläche 2 bzw. 3 des Körpers 1 befestigt sind. Die andere Seite der Elektrodenschicht 3' ist ein akustischer Kontakt mit einem akustischen Portpflanzungsglied 6. Die akustische Portpflanzungsimpedanz dea Gliedes 6 muß nahezu völlig an die akustische Portpflanzungsimpedanz des Materials 1 angepaßt sein, oder es muß ein geeignetes Impedanzanpassungsglied zwischengefügt werden. Die Außenfläche der Elektrodenschicht 2¹ auf der ersten Grenzfläche 2 des Körpers 1 muß nahezu frei von akustischer Belastung sein, was z.B. dadurch erreicht werden kann, daß diese Fläche einem Gas, z.B,Luft, oder einer Vakuumumgebung, ausgesetzt wird. Das akustische F.ortpianzungsglied 6 kann eine Ultraschallverzögerungsleitung oder ein zu einem Körper aus Wasser führendes Impedanzanpassungsfenster sein. Die Elektroden 2¹ und 3¹ können aus einem aufgedampften Metall, wie Gold, hergestellt sein.

Das Material 1 wird z.B. durch Aufdampfen erhalten, derart, daß seine piezoelektrische Kopplungekonstante h von einem Höchstwert an oder in der Nähe der ersten Grenzfläche 2 in der Fortpflanzungsrichtung einer akustischen vom Wandler erzeugten Störspannung, die durch den Pfeil 7 angedeutet wird, abfällt, entsprechend der Punktion:

d^_ nx h . h₀ ( d - χ - _2n Sin _d).

Dabei stellt h den Höchstwert der piezoelektrischen Kopplunge: konstante h an der ersten Grenzfläche 2 dar, während d, den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Grenzfläche und 3 und χ den Abstand von der ersten Grenzfläche 2 in Riohtung'des Pfeiles 7 darstellt, bis zu der der ermittelte

Wert von h *fclrt.

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Die Kurve der Änderung der piezoelektrischen Konetante h * f (x); ist in der graphischen Darstellung der Pig. 2 durch die durchgezogene Kurve 10 dargestellt. Eine lineare Änderung der piezoelektrischen Konetante mit dem Abstand χ ist durch eine gestrichelte Linie 11 dargestellt, und es dürfte einleuchten, daß während die Geschwindigkeit der Änderung der piezoelektrischen Konstante längs der Linie konstant ist, die entsprechende Änderungsgeschwindigkeit, die mit der Kurve 10 angegeben ist, nahezu gleichmäßig in ' der mit 7 bezeichneten Richtung abnimmt.

Ein Wandler der in Pig. 1 dargestellten Art hat ein elektrisches Ersatzschaltdiagramm nach Pig. 3. An den Speiseklemmen 4 und 5 tritt eine Kapazität C_Q auf, die die statische Kapazität darstellt, und die im wesentlichen durch die Kapazität zwischen den Elektroden 2', 5' nach Pig. 1 gebildet wird. Diese Kapazität ist in bezug auf die Frequenz nahezu konstant und kann erforderlichenfalls leicht mit Hilfe einer Induktivität völlig kompensiert werden. An den Speiseklemmen 4 und 5 treten auch die akustischen Widerstands- und Blindimpedanzen Z₁ bzw. Z₂ in Reihe mit einer kapazitiven Reaktanz -h Co auf, durch die piezoelektrische Kopplungswirkung im Verhältnis hC :1

2 transformiert. Die Reihenreaktanz -h Co ist üblicherweise gering und ihre Wirkung ist vernachlässigbar. Die Werte Z₁ und Z₂ sind jedoch insofern wichtig, weil sie sich mit der Frequenz ändern können, und damit in bezug auf die Anpassung des Wandlers an eine elektrische Anordnung Schwierigkeiten hervorrufen können.

Die Pig. 4a und 4b sind graphische Darstellungen der Änderung Z₁, Z₂ mit der Frequenz für einen elektroakustisohen Wandler der in Flg. 1 dargestellten Art, wobei Ale Größe der piezoelektrischen Konstante h und das elektrische Feld gleichmäßig sind, d.h., daß die piezoelektrische Spannung Im gansen Körper 1 gleich ist. Xs ist einleuchtend, daß sowohl die Widerstands- als auoh die Blindkomponente der

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akustischen Impedanz periodisch wesentlichen Änderungen in der Größe unterworfen sind. Die Spitzen des Wertes von Z₁ bezeichnen Frequenzbänder, über die akustische Leistung vom Wandler abgeführt wird, und könnten das nützliche Durchlaßband der Vorrichtung bilden.

Aus Pig. 4b ist aber ersichtlich, daß die Reaktanz Z₂ in der Mitte jedes Durchlaßbandes ihr Vorzeichen wechselt und von einer Kapazität zu einer Induktivität umgewandelt wird, Dadurch wird die elektrische Anpassung des Wandlers innerhalb eines Durchlaßbandes besonders schwierig.

Pig. 5a und 5b sind graphische Darstellungen der Änderung von Z₁ und Z₂ mit der Frequenz für einen elektroakustischen Wandler der in Fig. 1 dargestellten Art, wobei die piezoelektrische Konstante h und somit die piezoelektrische Spannung sich linear ändert, pemäß der in Fig. 2 dargestellten gestrichelten Linie 11.Es ist einleuchtend, daß, obgleich die Änderungen von Z₁ und Z₂ in diesem Falle .weniger stark sind, ihre Größe bei niedrigerer Frequenz noch relativ groß ist, während die Reaktanz Z₂ noch vielfach ihr Vorzeichen wechselt, wodurch sich die Vorrichtung bei niedriger Frequenz schwer elektrisch anpassen läßt.

Fig. 6 a und 6b sind graphische Darstellungen der Änderungen von Z₁ und Z₂ mit der Frequenz für einen elektroakustischen Wandler nach der Erfindung der in Fig. 1 dargestellten Art. Es dürfte einleuchten, daß die akustische Widerstandsimpedanz Z₁ nun eine optimale Kurven-Form aufweist, bei der neben einer angemessenen Anpassung bei niedriger Frequenz nur eine geringe Amplitudenwelligkeit in dem akustischen Durchlaßband erhalten wird, das an sich zu höheren Frequenzen •glatt verläuft. Dementsprechend bleibt die akustische Blindimpedanz Z₂ wenigstens bei den niedrigeren Frequenzen Irapasitlv, jedenfalls bis die Reaktanzänderung vernachläesigbar wird, wodurch die elektrische Anpassung vereinfacht wird.

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Obgleich nur eine Ausführungeform beschrieben wurde, bei der eine optimale Änderung in der piezoelektrischen Spannung in der dargestellten Richtung 7 bönutzt wird, können auch andere Änderungen zur Steuerung der Impedanzfrequenzanpassung benutzt werden, wobei vermieden wird, daB die Blindkomponente bei den niedrigeren Frequenzen ihr Vorzeichen wechselt, wenigstens solange die Größe der Blindkomponente noch vom Einfluß ist. Die Form anderer optimaler Änderungen wird dem Fachmann auf dem.Gebiet der Filter- und Antennentheorie klar sein. Derartige Änderungen müssen eine nahezu gleichmäßige Abnahme in der Änderungegescbwindigkeit der piezoelektrischen Spannung von der ersten Grenzfläche 2 zu der zweiten Grenzfläohe 3 aufweisen, wobei die piezoelektrische Spannung·an der letzteren Grenzfläche nahezu gleich ITuIl sein- soll. Die Erfindung ' kann auch bei magnetoakustischen Wandlern verwendet und sowohl für Empfangswandler als auch für Sendewandler angewandt werden.

Jedes der Verfahren zur Herstellung eines Wandlers mit einer linearen Änderung der piezoelektrischen Spannung, die in der deutschen Patentanmeldung P 19 06 080.1 beschrieben sind, kann zur Herstellung von Wandlern nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden, und solche Verfahren bilden daher auch Gegenstand der vorliegenden Beschreibung.

PATENTANSPRÜCHE: '

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Claims

PATENTANSPRÜCHE: ' .

Akustischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem Körper aus einem Material besteht, in dem durch Anlegen eines magnetischen oder elektrischen Feldes eine mechanische Spannung erzeugt wird, wobei dieser Körper einander zugekehrte erste und zweite Grenzflächen aufweist, und wobei die erste Grenzfläche nahezu frei von akustischer Belastung ist, während die zweite Grenzfläche derart ausgebildet ist, daß sie nahezu völlig akustisch an ein Schallwellentibertragungsgl£ed angepaßt werden kann, wobei ein Paar ^eiseklemmen elektrisch mit Felderzeugungsmitteln zum Erzeugen eines Feldes in dem Material vorhanden sind, "und wobei das Material und die Felderzeugungsmittel derart beschaffen sind, daß ein zwischen den erwähnten Klemmen angelegtes elektrisches Potential in dem Material eine vom Feld erzeugte Spannung hervorruft, die eine mechanische Spannung erzeugt, die sich in einer Fortpflanzungerichtung durch das Material von der ersten Grenzfläche zu der erwähnten zweiten Grenzfläche fortpflanzen kann, wobei sowohl die Größe als auch die Änderungsgeschwindigkeit der Größe der vom Feld erzeugten Spannung nahezu gleichmäßig in der Portpflanzungsrichtung von der

zweiten
ersten Grenzfläche zur/Grenzfläche abnimmt.

2.)Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der vom Feld erzeugten Spannung sich in der Fortpflanzungsrichtung als Funktion des Abstandes χ von der ersten Grenzfläche ändert, und zwar nahezu entsprechend dem Amplitudenterm

d 22· " · (d - χ - _2n Sin _d),

wobei d den Abstand zwischen der ersten Grenzfläche und der zweiten Grenefläohe darstellt, und wobei die Anordnung derart ausgebildet 1st, daß der Blindanteil der akustischen Komponente der Impedanz über der Speise-

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klemme sein Vorzeichen innerhalb des akustischen Durch- . laßbandes des Wandlers nicht wechselt.

3.) Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein piezoelektrisches Material ist und der Körper mit Elektroden versehen » 1st, die mit den Speiseklemmen verbunden sind und die \ in dem Körper eine piezoelektrische Spannung erzeugen. _?

4.) Akustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn- \

zeichnet, daß die piezoelektrische Kopplungskonstante . !_

des^Materials durch den Körper nahezu konstant ist, ί

während die Änderung der piezoelektrischen Spannung fJ der Fortpflansungeriohtung daduroh erhalten wird,

daß sichergestellt wird, daß das an die Klemmen \

ang&egte Potential ein elektrisches Feld.im Körper !

hervorruft, dessen Amplitude sich in der Fortpflanzung-. I

richtung als Funktion des Abetandes χ nahezu ent- \

sprechend dem Amplitudenterm ändert. ' · ;

5.) Akustischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekenn- J,

zeichnet, daß das elektrische Feld durch .den ganzen . \

Körper nahezu konstant verläuft, und daß die Änderung ■ !

der piezoelektrischen Spannung dadurch erhalten wird, ' daß die piezoelektrische Kopplungskonstante des . , j

Materials in der .Fortpflanzungsrichtung als Funktion ^ des Abetandes χ nahezu entsprechend dem Amplitudenterm. geändert wird. . ' ·

6.) Akustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- .

zeichnet, daß das erwähnte Material ein plezomagnetisches . Material ist, während elektromagnetische Mittel mit den 'Spelsekiemaeii verbunden sind und eine piezomagnetlsche Spannung im Körper erzeugen. '■ '

7·) Akuetieohtr Wandler nach Anspruch 6, daduroh gekenn-

«•lohnet, daß die piesomagnetleohe Kopplungskonstante . · *

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des Materials nahezu konstant durch den ganzen Körper ist ι und daß die elektromagnetischen Mittel derart angeordnet sind, daß ein Magnetfeld im Körper erzeugt wird, dessen Amplitude sich in der Fortpflanzungsrichtung als Funktion des Atistandes χ nahezu entsprechend dem Amplitudenterm ändert.

8.) Akustischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld nahezu konstant durch den ganzen Körper verläuft, und daß die Änderung in der piezomagnetischen Spannung dadurch erhalten wird, daß die piezomagnetische Kopplungskonstante des Materials in der Fortpflanzungsrichtung als Funktion des Abstandes χ nahezu entsprechend dem Amplitudenterm geändert wird.

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