DE2129036A1 - Elektroakustischer Ultraschallgeber und empfänger - Google Patents

Description

PATENT A K WALTS DR.-ING. WOLFF, H.BARTELS, DR. BRANDES, DR.-ING. HELD Dipl.-Phys.Wolff

STUTTGART 1 }-2.'Λ

LANGE STRASSE 51 TELEFON. (0711) 296310 und 297295

TELEX. 0722312

Peg.-Nr. 123 032 / 84O8ahs

SOPHIA , 78 MANTES LA VlLLE (Frankreich)

Elektroakkustischer Ultraschallgeber ■und -empfänger

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Die Erfindung betrifft einen elektroakkustischen Ultraschallgeber und -empfänger, insbesondere für Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe des Doppler-Effektes, mit einem gegebenenfalls plättchenförmigen Wandler, der reversibel elektrische Energie in Schallenergie umwandelt, wobei die Frequenz der abgestrahlten Schallwellen oberhalb der normalerweise hörbaren Frequenzen liegt. Die Erzeugung von Schallwellen erfolgt mittels sinusförmiger elektrischer Wechselspannungen hoher Frequenz, die in der Weise moduliert v/erden, daß sie v/ährend einer bestimmten Zeitspanne eine konstante Amplitude haben und während einer anderen bestimmten Zeitspanne nicht existieren. Diese Modulation wird am häufigsten in periodischen Intervallen durchgeführt (Rechteckmodulation). Wenn die vom Wandler abgegebenen Schallwellen, an dessen elektrischem Teil eine solche elektrische Spannung liegt, auf ein ortsfestes Hindernis treffen, werden sie zum Wandler zurückreflektiert, wobei sich zwar die Frequenz •nicht ändert, aber nach Ablauf einer gewissen Zeit eine gedämpfte Amplitude festzustellen ist.

Wenn sich das die Schallwellen reflektierende Hindernis bewegt, ist die Frequenz der reflektierten Wellen infolge des auftretenden Doppler-Effektes verschieden von der Frequenz der emittierten Wellen und hängt von der Bewegungsgeschwindigkeit des Hindernisses ab. Innerhalb eines hinreichend kurzen Zeitintervalles ändert sich die Amplitudendämpfung der reflektierten Welle nur wenig mit der Entfernung oder der Annäherung des bewegten Hindernisses.

Ein Vergleich zwischen den Frequenzen der ausgesandten und der empfangenden Schallwellen.erlaubt es, die Geschwindigkeit des bewegten Hindernisses zu bestimmen. Die bekannten elektronischen Verfahren zum Vergleich der Frequenzen gehören

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nicht zum Gegenstand der Erfindung. Hier interessiert im Hinblick auf die Geschwindigkeitsmessung allein die Verwendung von Wandlern.

Für den Empfang von Ultraschallechos sind Wandler mit zwei Plättchen bekannt, von denen eines für die Emission und das andere für den Empfang verwendet wird. Es ist auch bekannt, Wandler mit nur einem Plättchen zu verwenden, und zwar dann, wenn die für die Schallwellenabgabe erforderlichen elektrischen Spannungen und die beim Empfang der reflektierten Schallwellen entstehenden elektrischen Spannungen nicht gleichzeitig am Wandler liegen. Das bedeutet, daß vor dem Erzeugen neuer Schallwellen die Rückkehr oder der Empfang des akkustischen Echos abgewartet wird. Die dadurch entstehende Wartezeit hängt im wesentlichen von der Entfernung des bewegten Hindernisses und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Ultraschallwellen ab.

Es ergibt sich demnach eine schlechte zeitliche Ausnutzung eines Ultraschallgebers mit einem solchen Wandler und es ist unter diesen Umständen unmöglich, zeitlich dicht aufeinanderfolgende Messungen der Geschwindigkeit vorzunehmen.

Der Vorteil eines Wandlers mit nur einem Plättchen besteht hingegen darin, daß der Raumbedarf entsprechend gering ist und eine kleinere Anzahl von elektrischen Anschlüssen notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen elektroakkustischen Schallgeber und -empfänger .zu schaffen, der in kürzeren Zeitabständen und insbesondere ununterbrochen Schallwellen senden und empfangen kann.

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Diese Aufgabe ist ausgehend von einem Ultraschallgeber der eingangs genannten Art erfindungsgennß dadurch gelöst, daß der elektrische Teil des Wandlers mit drei passiven elektrischen Elementen geeigneter Impedanz eine abgeglichene Brückenschaltung bildet, daß parallel zur einen Brückendiagonalen ein elektrischer Wechselspannungsgenerator und daß parallel zur anderen Brückendiagonalen ein Empfänger für die vom Wandler beim Eintreffen reflektierter Schallwellen abgegebene elektrische Wechselspannung geschaltet ist.

Beim Aussenden von Schallwellen liegt demnach eine elektrische Spannung an den auf einer Brückendiagonalen liegenden

b Klemmen. Der Wandler sendet akkustische Wellen aus. An den Klemmen der anderen Brückendiagonalen ist die elektrische Spannung so lange gleich Null. Wenn die reflektierte Schallwelle zurückkehrt, gibt der elektrische Teil des Wandlers eine zu einer Unsymmetrie in der Brückenschaltung führende elektrische Spannung ab. Ein Teil dieser dem akkustischen Echo entsprechenden Spannung erscheint dann an den Klemmen der ι anderen Brückendiagonalen, zwischen denen zuvor keine Spannung aufgetreten war. Diese Anordnung realisiert eine Impedanz zwischen den der Emission und dem Empfang zugeordneten elektrischen Schaltkreisen, wie noch näher gezeigt werden wird.
Die elektrische Abstimmung des Wandlers kann entweder mit-

W tels einer parallel zu seiner eigenen Impedanz geschalteten

Impedanz oder mittels einer der drei anderen Impedanzen der Brüc'tenschaltung geschehen.

Vorteilhafterweise sieht man mindestens ein Bandfilter vor, das dazu dient, die elektrischen Energien auf für Geschwindigkeitsmessungen brauchbare Frequenzen zu verteilen. Bei dem Wandler kann es sich um ein an sich bekanntes piezoelektrisches Keramikplättchen oder um jede andere Art von

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elektroakkustischem Wandler handeln, der im Ultraschallbereich arbeitet.

Mit dem erfindungsgemäßen Ultraschallgeber können Schallwellen in sehr kurzen Zeitabständen abgestrahlt werden. Da bei Verwendung eines plättchenförmigen Wandlers nur ein Wandler mit einem einzigen Plättchen erforderlich ist, hat der erfindungsgemäße Ultraschallgeber für diesen Fall geringe Abmessungen und weniger elektrische Anschlüsse zum elektrischen Teil des Wandlers. Die geringeren Abmessungen kommen· durch die Einsparung eines Plättchens zustande. Vorteilhaft ist am erfindungsgemäßen Ultraschallgeber auch, daß er in einer rohrförmigen Sonde untergebracht werden kann, bei der es genügt, ein einziges verbindendes Koaxialkabel zwischen den Wandler und die Brückenschaltung einzuziehen. Einrichtungen für Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe des Doppler-Effektes mit einem Ultraschallgeber nach der Erfindung können Abmessungen haben, die lediglich in der Größenordnung von Millimetern liegen.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand zweier durch die Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Ultraschallgebers im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein verallgemeinertes Schaltbild beider Ausführungsformen;

Fig. 2 ein Schaltbild der ersten Ausführungsform und

Fig. 3 ein Schaltbild der zweiten Ausführungsform.

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Fig. 1 zeigt einen elektroakkustischen Wandler 1 mit der Impedanz Z, als aktives Element einer elektrischen Brückenschaltung 2, die noch drei weitere passive elektrische Elemente mit den Impedanzen Z , Z- und Z. umfaßt. Wenn die Brückenschaltung 2 abgeglichen ist, gilt zwischen den vier Impedanzen folgende Beziehung:

^Zl ^Z3 ^{s Z}2 V

Ein HF-Generator 3 hoher Leistung, der den elektrischen Teil des Wandlers 1 speist und damit zur Aussendung von Ultraschallwellen Veranlassung gibt, liegt parallel zur -' einen Brückendiagonalen CB an den Klemmen C und B. Wenn die Brückenschaltung 2 abgeglichen ist, d.h. wenn die oben genannte Beziehung erfüllt ist, liegt zwischen den Klemmen A und D der anderen Brückendiagonalen keine Spannung und der Wandler 1 wird durch einen Teil der vom Generator 3 gelieferten elektrischen Energie erregt. Eine Empfangsschaltung 4 ist an die Klemmen A und D der Brückenschaltung 2 angeschlossen. Eine vom Generator

3 stammende Sendespannung hat auf diese Empfangsschaltung

4 überhaupt keinen Einfluß. Das gilt allerdings nur unter der Bedingung, daß die Eingangsimpedanz der Empfangsschaltung 4 im Vergleich zu den Impedanzen der Brückenschaltung 2 nicht zu gering ist. Diese Bedingung ist im allgemeinen erfüllt, da die Eingangsimpedanz diejenige eines-Verstärkers ist.

Es soll nun der Empfang ausgesandter Schallwellen durch den Wandler 1 und ihre Umwandlung in elektrische Signale betrachtet v/erden.

Wenn nach dem Abschluß der Erzeugung von Spannungen für die Emission der elektrische Teil des Wandlers 1 ein elektrisches Empfangssignal abgibt, besteht keine Gefahr, daß

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sich die beiden Signale im Wandler oder allgemeiner noch in der Brückenschaltung überlagern. Ein Teil des Empfangssignals oder Echos erscheint zwischen den Klemmen Ά und D an der Empfangsschaltung 4, die es in geeigneter Weise verstärkt und einem Verbraucherkreis zuführt. Wenn das Echosignal dagegen zu einem Zeitpunkt im Wandler 1 erscheint, in dem die Spannungen für die Emission noch erzeugt werden, überlagern sich die beiden elektrischen Signale im Wandler 1. Dennoch entspricht das Eintreffen des Echosignals der Superposition eines Ausgangszustandes elektrischer Größen entsprechend der Emission und eines zweiten Zustandes, in dem man im Wandler eine dem Signalecho entsprechende Spannung hinzufügt,- Man kann daher diesen Zustand als die überlagerung des Sende- und des Empfangszustandes betrachten, die zuvor getrennt betrachtet wurden, d.h. als nicht gleichzeitig existent. Nach Maßgabe dieser Superposition erscheint zwischen den Klemmen A und D der Brückenschaltung 2 nur ein Bruchteil des vom Wandler empfangenen Echosignals. Das Echosignal kann der Empfangsschaltung 4 mit einem guten Wirkungsgrad übermittelt werden, wenn die Impedanzen Z- bis Z. denjenigen des Generators 3 und der Empfangsschaltung 4 angepaßt werden. Es ist zu bemerken, daß zwischen den Klemmen B und C gleichfalls ein Teil dieses Signals feststellbar ist. Diese Erscheinung kann aber die Emission/Verhindern, da die Echosignale ganz wesentlich schwächer sind als die Emissionssignale, zwischen denen im allgemeinen ein Verhältnis besteht, das kleiner als 1 : 1000 ist. Wegen der eben erwähnten Tatsache, daß nämlich die Emissionssignale hinsichtlich Amplitude und Energie ganz erheblich größer sind als die Echosignale, ist es notwendig, den Höchstwert desjenigen Teiles des Emissionssignales zu beschränken, der auf den Eingang des Verstärkers der Empfangsschaltung

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infolge einer leicht gestörten Abgleichung der Brückenschaltung 2 übertragen werden könnte. Diese Spannung könnte eine Sättigungsnachwirkuna im Sinne einer Unempfind-'lichkeit des Verstärkers für ein neues Eingangssignal hervorrufen. Auf dem Gebiet der Ultraschalltechnik bekannte Schaltungen erlauben es, dieser Gefahr zu begegnen. Sie können am Eingang des Verstärkers als zusätzliche Maßnahme angeordnet werden. Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform gemäß Fig. 1, bei der der Wandler ein piezoelektrisches Keramikplättchen aufweisen soll. Die Impedanz Z. zwischen den Klemmen A und B ist die Impedanz des elektrischen Teiles des piezoelektrischen Wandlers. Die Impedanz Z„ zwischen den Klemmen B und D sov/ie die Impedanz Z_ zwischen den Klemmen D und C sind durch je einen Kondensator C2 bzw. C3 gebildet. Schließlich entsteht die Impedanz Z₂ zwischen den Klemmen C und A aus einem ohmschen Widerstand R4 und einem Kondensator CA, die parallelgeschaltet sind. Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 3 sind der Widerstand R4 und der Kondensator C4 dagegen in Reihe geschaltet. Bis auf diese andersartige Anordnung stimmen die beiden Ausführungsformen gemäß Fig. 2 und 3 überein und werden im folgenden gemeinsam betrachtet. Der Anschluß des Generators 3 an die Klemmen B und C der Brückenschaltung 2 ist mittels eines Transformators T3 erfolgt, der die Impedanzen einander anpaßt und einen Übergang der Gleichspannung vom Generator 3 auf die Brückenschaltung 2 verhindert. Die Empfangsschaltung 4 ist an die Klemmen A und D ebenfalls mit Hilfe eines Transformators T4 angeschlossen, dessen Funktion*, dieselbe ist wie diejenige des Transformators T3. Vorzugsweise sind die Kapazitäten der Kondensatoren C2 und C3 gleich. In diesem Fall muß, damit die Brückenschaltung

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abgeglichen ist, die Gesamtimpedanz des Widerstandes R4 und des Kondensators C 4 gleich der Impedanz des elektrischen Teiles des Wandlers 11 sein.

Die oben genannte, für die abgeglichene Brückenschaltung geltende Gleichung ist für die beiden Ausführungsformen gemäß den Fig. 2 und 3 erfüllt. Die Bedingung galt oben für den Fall, daß die Kondensatoren C2 und C3 gleiche Kapazität haben. Falls dies nicht zutrifft und Z. die Gesamtimpedanz des Widerstandes R4 und des Kondensators C4 unabhängig von deren Anordnung sowie Z die Impedanz des keramischen piezoelektrischen Wandlers 11 bezeichnet, gilt folgende Beziehung:

^Zl ^C2 ^{= C}3 ^Z4 *

Bei geeigneter Wahl der Impedanzen der Brückenschaltung hat die übertragung sowohl der ausgesendeten Energie als auch der in Form von Echos empfangenen Energie einen Wirkungsgrad von etwa 0,5.

Die erläuterten Ausführungsformen sind natürlich mancher Abwandlung fähig, insbesondere was die Impedanzen der Brückenschaltung anbetrifft. Die Impedanzen können beispielsweise durch Parallelschalten anderer elektrischer Impedanzen modifiziert werden, insbesondere in der Absicht, den Wandler elektrisch auf seine mechanische Resonanzfrequenz abzustimmen. Insbesondere für Geschwindigkeitsmessungen mit Hilfe des Doppler~Effektes werden die Impedanzen der Brückenschaltung zweckmäßigerweise so ausgewählt, daß die Bandbreite auf die gewünschten Frequenzen entfällt.

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Claims (4)

1. - 10 -

   Patentansprüche

   I)/ Elektroakkustischer Ultraschallgeber und -empfänger '""" mit einem gegebenenfalls plättchenförmigen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Teil des Wandlers (1) mit drei passiven elektrischen Elementen (C2; C3; C 4t R4) geeigneter Impedanz eine abgeglichene Brückehschaltung (2) bildet, daß parallel zur einen Brückendiagonalen (CB) ein elektrischer Wech- ψ selspannungsgenerator (3) und daß parallel zur anderen Brückendiagonalen (AD) ein Empfänger (4) für . die vom Wandler beim Eintreffen reflektierte: Schallwellen abgegebene elektrische Wechselspannung geschaltet ist.
2. 2) Ultraschallgeber nach Anspruch 1, dessen Wandler ein piezoelektrisches Keramikplättchen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der drei elektrischen Elemente (C2; C3; C4j R4); Kondensatoren (C2, C3) sind und das dritte Element (C4, R4) durch einen Kondensator (C4) und einen ohmschen Widerstand (R4) gebildet ist, die parallel oder in Reihe geschaltet sind.
3. 3) Ultraschallgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitäten der ersten beiden Elemente (C2, C3) und die Impedanzen des elektrischen Teiles des Wandlers (11) und des dritten Elementes (C4, R4) je gleich sind.
4. 4) Ultraschallgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ,· für Gesc-hwindigkeitsmessungen mit Hilfe des Doppier-Effektes, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen

   109885/1 185:

   - li -

   der drei passiven elektrischen Elemente so gev/ählt sind, daß die Bandbreite der Brückenschaltung (2) im Frequenzbereich für Geschwindigkeitsmessungen liegt.

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