DE2054850A1

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Info

Publication number: DE2054850A1
Application number: DE19702054850
Authority: DE
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1969-12-22
Filing date: 1970-11-07
Publication date: 1971-07-01
Also published as: NL7018029A; US3783416A; GB1329152A; DE2054850B2

Description

dr. ing. H. NEGENDANK · dipping. H. HAUCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBUHG-MUNCHEN

ZÜSTELLUNQSANSCHRIFT: HAMBURG 36 · NEUER WAll 41

TEl. 36 74 88 CND 364110

TRLIOK. NBQEDAPATENT HAMBURG

OWENS-ILLINOIS, INC. München 15 mozartstr. 23

, „ . TEL. Π 38 00 8β

Toledo, Ohio 4?6O1/USA _{TBtBQR NBÖBJtAPATBNI MÜNCHBN}

Hamburg, den 5. November 1970

Feste Ultraschall-Verzögerungsleitung und
eine dafür geeignete Glaszusammensetzung

Die Erfindung betrifft feste Ultraschall-Verzögerungsleitungen, welche ein Verzögerungsleitungsmedium aus
Glas zwischen einem Eingangswandler zur Umwandlung von
elektrischer Energie in akustische Energie und einen
Ausgangswandler zur Umwandlung von akustischer Energie
in elektrische Energie umfassen. Insbesondere ist die
Erfindung auf eine Ultraschallverzögerungsleitung mit
einem Aluminiurasilikat-Glas als Verzögerungsleitungsmedium, das zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangswandler angeordnet ist, gerichtet.

In Ultraschallverzögerungsleitungen sind bereits Alkali-Dlei-Silikat-Glaszusammensetzungen als Verzögerungsleitungsraedien benutzt worden, aber diese Zusammensetzungen sind schwer zu schmelzen gewesen und für die meisten Einsatzzwecke nicht ausreichend temperatur- und zeitbeständig.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Glaszusammensetzung zu schaffen, die als Ultraschallverzögerungsmedium geeignet ist, insbesondere stabil, leicht schmelzbar und gut verformbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Ultraschallverzögerungsleitung, die ein Aluminiumsilikatglas als Akustik-Ver-

^ zögerungsleitungsmediura aufweist, das zwischen einem Eingangs wandler zur Umwandlung von elektrischer Energie in akustische Energie und einem Ausgangswandler zur Umwandlung von akustischer Energie in elektrische Energie angeordnet ist. Dieses Aluminiumsilikatglas besteht aus etwa T Mol A1_O . 1 Mol RO, wobei R ein zweiwertiges Metall ist, und etwa 3,55 bis 6,0 Mol SiO₂. Durch die Erfindung wird eine Glaszusammensetzung geschaffen, die als ein Zeitverzögerungsmedium in einer festen Ultraschallverzögerungsleitung verwendbar ist} dieses Glas ist im Hinblick auf Zeit und

" Temperatur stabil, leicht zu schmelzen und zu formen, und hat die folgenden Bestandteile in etwa den angegebenen molaren Mengen vorliegent

3»35 fei» 6,0 Mol Al₂O₃ 1 Mol
RO 1 Mol,

wobei HO das Oxyd eines zweiwertigen Metalls ist.

Die Krfindung wird durch die nachstehende Beschreibung

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noch genauer veranschaulicht, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird, von denen zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung, in welcher der Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung gegen die Menge SiO_p, ausgedrückt in Molenbruch der Gesamtzusammensetzung, wiedergegeben ist; sie zeigt Glaszusammensetzungen mit Zeitverzögerungskoeffizienten innerhalb von - 8 ppm/ C₁

Fig. 2 ein schematisches Bild einer Verzögerungsleitungsvorrichtung, bei der das Glas-Verzögerungsleitungsmedium der Erfindung verwendet wird.

Wie in der Fig. 2 gezeigt, umfaßt eine feste Ultraschall-Verzögerungsleitungs-Vorrichtung ein Glasverzögerungsmedium 1, einen Eingangswandler 2 zur Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie, einen Ausgangswandler 3 zur Umwandlung von akustischer Energie in elektrische Energie, einen elektrischen Eingangskreis 10 mit einem elektrischen Potential E„, -Volt und einen elektrischen Signal-Ausgangskreis 12 mit einem elektrischen Potential von E. -Volt.

Aus

Das Glasmedium kann ein Stab oder eine glatte polygonale Platte sein oder eine andere Form haben, welche das akustische Signal nach einer gewünschten (Verzögerungs-) Zeit in einem gewünschten Verzögerungszeitintervall aussendet·

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Durch die Erfindung ist eine feste Ultraschall-Verzögerungsleitung geschaffen, bestehend aus einem Eingangswandler zur Umwandlung elektrischer Energie in akustische Energie, einem Auegangswandler zur Umwandlung akustischer Energie in elektrische Energie, und einem dazwischen angeordneten Verzögerungsmedium aus Glas, welches ein Aluminiumsilikatglas ist, das 1 Mol Al_pO , 1 Mol RO und etwa 3,55 bis 6,0 Mol SiO enthält, wobei RO ein Oxyd eines zweiwertigen Metalls ist.

Auf Mole bezogen kann die Zusammensetzung der Gläser nach der Erfindung wie folgt beschrieben werden: xR0.yAl₂0 .zSiO₂, wobei x/y = 1 und t 0,64 bis 0,75 ist.

Die Erfindung schafft eine feste Glas-Ultraschall-Verzögerungsleitung, wobei die Glaszusammensetzung· stabil, leicht zu schmelzen und zu formen ist. Das Verzögerungsleitungsmedium aus Glas wird in festen Ultraschallverzögerungsleitungen für Fernsehgeräte, Fernsehsendestudios, kleinen Computern, Radarrexchweitemarkierungen (als Eichung für die Verwendung in Schiffen und Flugzeugen) und als Speicher für Kathodenstrahlröhren verwendet. Außer der großen Stabilität hinsichtlich Zeit und Wärme weist das Verzögerungsleitungsmedium aus Glas noch andere wertvolle Eigenschaften auf, die für gute Ultraschallverzögerungeleitungen wichtig sind, wie geringe Schallgeschwindigkeit innerhalb des Mediums, niedrige Dichte, außerordentlich niedriger Temperaturkoeffizient der

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Zeitverzögerung in dem kritischen Temperaturgebiet und eine geringe Attenuation (Verlustfaktor).

Die Schallgeschwindigkeit liegt gewöhnlich unter etwa 3,9 mm// see, vorzugsweise bei etwa 2,99 bis 3,S mm/usec. Die Dichte beträgt im allgemeinen etwa 2,3 bis 2,8 g/cm , vorzugsweise etwa 2,5 g/cm . Die Attenuation A ist gering, für Computerspeicher und Fernsehgeräte gering genug, nämlich unter 1 db/cm bei 20 HHz. Gewöhnlich liegt die Attenuation in einem Bereich von weniger als etwa 1,2 bis 0,9 db/cm bei 20 MIIz. Wie bereits gesagt, sind die Temperaturkoeffizienten der Zeitverzögerung und der Attenuation auch sehr gering, vorzugsweise kleiner als etwa 3 PP»/ C bzw. kleiner als etwa 1 db/cm. Die hervorragenden Zusammensetzungen nach der Erfindung haben ausgezeichnete TeraperaturkoeffisEienten der Zeitverzögerung, und in Fig. 1 ist die Menge SiO_ in Molenbruch in Zusammensetzungen gezeigt, die einen bestimmten Zeitverzögerungskoeffizienten innerhalb von - 8 ppm/ C haben.

Durch Verwendung der Glaszusammensetzungen nach der Erfindung al« ZeitverzögerungsmediuiH ist es möglich, den Temperaturkoeffizienten der Zeitverzögerung des Systems

über weite Zusamraensetzungsbereiche vorauszusagen und zu regeln. Materialien mit Null-Zeit-Verzögerungskoeffizienten können hergestellt werden. Vorteilhafterweise sind die Glas-ZUSaameneetzungen leicht zu formen und leicht zu bearbeiten. Die Dichten und Verzögerungszeiten können von den Zusammen-

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Setzungen her bestimmt werden, ebenso wie die Zusammensetzungen auf bestimmte Kriterien der Verzögerungszeit und der Attenuation zugeschnitten werden können.

In den erfindungsgemäßen Glaszusammensetzungen ist R ein zweiwertiges Metall, vorzugsweise ein Erdalkalimetall, wie Magnesium oder Calcium. Es können aber auch andere ^ Metalle, wie Cd, Pb, Fe, Ba und Gemische davon, wie 2. B. Gemische von Mg und Fe oder Mg und Ba verwendet werden.

Die folgenden Beispiele sind zur Veranschaulichung der Erfindung gebracht und stellen keine Begrenzung derselben dar.

BEISPIEL ■-"'

Es wurde eine Reihe von. AltuBiniumsilikatgläsera hergestellt, ^ bei denen die Art und Menge des Oxyds des zweiwertigen Metalls verschieden war. In der nachstellenden Tabelle I ist die Zusammensetzung der einzelnen Gläser in Mol-^a angegeben:

- 7 1722

2U5485Q

	Mn:	RO	Ba:	TABELLE	I	^A12°3	SiO₂	Dichte ff/cm3
Glas Nr.	Pb:	17.731	Bi:	R«0	15.284	66.985	2.6864
1	Mg:	17.39			16.743	65.867	3.4538
2	Mg:	8.528			16.719	66.356	2.7613
3	Ca:	16.752	FeO Fe₂	8.396	8.465	66.508	3.5512
4	Cd:	16.575	8.274	16.8OO	66.625	2.5431
5	Mg:	IO0803		17.944	71.253	2.7725
6		80672		17.014	67.137	2.5925
7		: 6.O83 O : 1.095

In der vorstehenden Tabelle sind R und R¹ zweiwertige Metalle.

Ferner wurde noch ein Kalium-Blei-Silikatglas als Glas Nr. 8 hergestellt; es hatte folgende Zusammensetzung: K„0 8,1 Gew.-5ε, PbO 43,9 Gew.-%, SiO₉ 47,7 Gew.-^.

Die vorstehend aufgeführten Gläser wurden zu kleinen Würfeln geformt und getestet. Die Ergebnisse der Prüfungen sind der folgenden Tabelle II zu entnehmen:

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TABELLE II

20 MHz Schub-Ultraschall-Werte

Glas

Nr.

d (ppm/

IT 25 dT

9,31

8,14 2,54

1,53 0,52

^ ο

3,4

V Schub (25°C)

./«/ „\ mm//usec, __ , . A(db/cm) ' j Kation

1,30
1,04
1, 18
0,89
1,52
1,01
1, 16

3,6501 3,7018

3,5309 3,8106 2,9914 3,5636 2,4733

Mn

Ca

Mg, Ba Mg, Fe

Pb

Cd

Die besten Ergebnisse wurden mit den Gläsern 3, 6 und 7 erhalten, welche die bevorzugten erfindungsgemäßen Zusammensetzungen darstellen.

Die vorstehende Tabelle zeigt, daß die Gläser 2, 3, 6 und in einigen Eigenschaften gleich oder besser sind als die Alkali-Blei-Silikatgläser, die bisher für diesen Zweck eingesetzt wurden. Die oben aufgeführten Eigenschaften wurden bei Temperaturen zwischen 24 und 75 °C bestimmt, also bei Temperaturen, die üblicherweise in elektronischen

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Vorrichtungen herrschen. Der Ausdruck 20 MIIz bezieht sich auf eine Schwingungszahl einer elektrischen oder elastischen Welle von 20 χ 10 Sekunden" "Schub" bedeutet eine elastische Transversalwelle. Diese Wellen werden durch Kristalle, wie AC-geschnittener kristalliner Quarz, erzeugt, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt sind. Der Ausdruck V₀ , , bezieht sich auf die Geschwindigkeit der Schubwellen, die durch das Muster hindurchgehen. Diese Quantität wird unter Anwendung der McSkimin's Impuls-Echo-Technik bestimmt. A in Dezibel pro cm wird gemessen als das Zwanzigfache des Logarithmus des Verhältnisses der Höhen der benachbarten Impulse in dem Medium geteilt durch den Abstand der hindurchgehenden Impulse, d.h.

V
A = - . 20 log -2.

wobei V die ursprüngliche Impulshöhe und V₁ die Höhe des Impulses ist, die er nach Hindurchgehen durch 1 cm des Verzögerungsmediums hat.

Der Temperaturkoeffizient der Zeitverzögerung ist hierin:

- IO -

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1 d^

25 dT

und ist definiert als:

T - 25

Das letzte Glas, Nr. 8, war ein Kontrollglas, nämlich ein bekanntes Kalium-Blei-Silikatglas. Die erfindungsgemäßen Gläser haben die allgemeine Zusammensetzung RO.A1„O .xSiO , worin χ etwa 3»55 bis 6 Mol, vorzugsweise k_tk$ bis k_f9 Mol, bedeutet. Solche Gläser sind hervorragende Zeitverzögerungsmedien, welche sich durch folgende Eigenschaften auszeichnen: 1. ausgezeichnete Temperatur- und Zeitstabilität, 2. niedrige Dichte, 3. günstige Wärmeausdehnungskoeffizienten, k. gute Verformungseigenschaften und 5· gute Glasqualität, wobei die Gläser frei von Defekten» wie Blasen, sind.

-.ti -

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Claims

Patentansprüche

1. Feste Ultraschall-Verzögerungsleitung, bestehend aus einem Eingangswandler zur Umwandlung von elektrischer

in
Energie/ akustische Energie, einem Ausgangswandler zur Umwandlung von akustischer Energie in elektrische
Energie und ein dazwischen angeordnetes Verzögerungsleitungsmedium aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas aus den nachstehend aufgeführten Bestandteilen in den angegebenen molaren Mengen besteht:

SiO₂ 3,55 bis 6,0

Al₂O₃ 1
RO 1,

wobei R ein zweiwertiges Metall ist.

2. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RO in dem Glas ein Oxyd eines
Erdalkalimetalls ist.

3. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RO in dem Glas Magnesiumoxyd ist.

k. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das RO in dem Glas das Oxyd eines

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zweiwertigen Elementes aus der Gruppe IIA des Periodischeli Systems ist.

5. Verzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas SiO₂ in einer Menge von 4,45 bis 4,9 Mol enthält.

fo.J Glaszusammensetzung zur Verwendung als Zeitverzögerungsmedium in einer festen Ultraschallverzögerungsleiturig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie die nachstehenden Bestandteile iii den angegebenen molaren Mengen enthält:

SiO₂ 3,55 bis 6,0

0 1
RO 1,

worin RO das Oxyd eines zweiwertigen Metalls ist.

7· Glaszuaammensetzung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß RO ein Erdalkalimetalloxyd ist.

8. Glaszusaimneneetzung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß RO Magnesiumoxyd ist.

9. Glaezueammensetzung nach Anspruch 5, dadurch ζeicteiet, daß RO C&> iet.

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10. GlasZusammensetzung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß RO PbO ist.

11. GlasZusammensetzung nach Anspruch 5t dadurch gekennzeichnet, daß RO ein Gemisch von Magnesium- und Eisen-Oxyd ist.

12. Glaszusammensetzung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß RO ein Gemisch von Magnesium- und Barium-Oxyd ist.

13· Glaszusammensetzung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie Siliziumdioxyd in einer Menge von 4,45 bis 4,9 Mol enthält.

14. Glaszusammensetzurjg nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie die folgenden Bestandteile in den angegebenen Mol-# enthält:

sio₂ 66,4 Al₂O₃ 16,7 BaO 8,4 MgO 8,5.

15· Glaszusammensetzung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, ublQ sie die folgenden Bestandteile in den angegebenen Mol-36 enthält ι

- 14 -

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SiO, CdO

71,3 17,9 10,8.

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/!Γ

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