DE2157325B2 - Elektrostatischer Ultraschallwellenwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrostatischen Ultraschallwellenwandler umfassend einen Kondensator mit zwei durch ein dünnes elektrostatisch aufgeladenes Dielektrikum voneinander getrennten schwingungsfähigen Belegungen, die an eine elektrische Sende- und/oder Empfangsschaltung angeschlossen sind und von denen eine mit dem Ausbrekungsmedium in Berührung steht, in dem sich die zu sendenden und/oder zu empfangenden Ultraschallwellen fortpflanzen. Derartige Ultraschallwellenwandler dienen zur Umwandlung von elektrischen Spannungen mit vorzugsweise zwischen 20 kHz und 200 MHz liegenden Frequenzen in mechanische Schwingungen und umgekehrt. Die bekannten Ultraschallwellenwandler dieser Art haben den Nachteil, daß sie nur mit einer relativ geringen Bandbreite verzerrungsfrei arbeiten.

Bei gewissen anderen im Bereich unterhalb von 20 kHz arbeitenden Wandlern ist es ferner bekannt, ein Dielektrikum zu verwenden, welches durch Anlegen einer elektrischen Gleichspannung von verhältnismäßig hohem Wert an die das Dielektrikum einschließenden Belegungen vorher ständig aufgeladen wurde. Die Benutzung derartiger »Elektrete« genannter dielektrischer Folien mit elektrostatischen Ladungen ersetzt dann die äußere Polarisation, was bei gewissen Anwendungen, z. B. bei Hörprothesen, vorteilhaft sein kann.

Schließlich ist es aus dem Journal of the Audio Ingeneering Society, July 1962, Vol. 10, Nr. 3, Seiten 212 bis 215, bekannt, bei einem Kondensatorkopfhörer als Dielektrikum ein«: metallbeschichtete Kunststoffolie zu verwenden, die eine innere Polarisationsspannung in der Größenordnung von etwa 100 V aufweist. Diese Spannung kann durch Anlegen einer Gleichspannung mit entgegengesetzter Polarität gemessen werden, wobei nur Verzerrungen zweiter Ordnung auftreten, wenn die Amplituden der äußeren Vorspannung und der inneren Polarisation gleich groß sind. Wird die äußere Vorspannung in derselben Richtung weiter erhöht, so nehmen die Verzerrungen zweiter Ordnung ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das auswertbare Frequenzband eines Ultraschallwellenwandlers der eingangs genannten Art zu verbreitern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß

ίο vorgeschlagen, daß das Dielektrikum in einer auf dem Gebiet der akustischen Frequenzen an sich bekannten Weise durch eine Vorbehandlung dauernd elektrostatisch aufgeladen ist und daß die Belegungen mit einer Gleichspannungsquelle verbunden sind, deren Polarität jener der zur Polarisation des Dielektrikums verwendeten Spannungsquelle entgegengesetzt ist, so daß sich das durch die äußere Polarisation erzeugte elektrostatische Feld und das durch die ständige Aufladung des Dielektrikums erzeugte elektrostatische Feld zueinan-

M der addieren.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß bei einer derartigen Kombination eines Elektretes mit einer äußeren Gleichspannungsquelie nicht nur keine Depolar-sation des Elektretes auftritt, wie man dies hätte befürchten können, sondern daß der erfindungsgemäße Ultraschallwellenwandler mit einer äußerst breiten Bandbreite arbeitet, was beträchtliche Vorteile für eine gewisse Anzahl von Anwendungen bietet So läßt sich beispielsweise eine unverzerrte Ultraschallwellenfern übertragung von elektrischen Signalen erreichen, was insbesondere die Beibehaltung einer scharfen vorderen Flanke der Sonarimpulse ermöglicht, wodurch die Genauigkeit der betreffenden Messungen verbessert werden kann. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße Ultraschallwellenwandler Ultraschallwellenverbindungen mit Frequenzmodulation, was insbesondere die Herstellung von Unterwasserfernsprechern zuläßt

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Dielektrikum von einer festen Folie mit einer Dicke von ungefähr 3 bis 70 μ gebildet, die von den beiden Belegungen durch sehr dünne Luftschichten getrennt ist. Diese Luftschichten rühren von dem Vorhandensein von Unregelmäßigkeiten auf den einander gegenüberliegenden Flächen der Folie und der

Belegungen her.

Die Figuren erläutern die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels. Es zeigt

F i g. 1 einen zur Ausrüstung eines erfindungsgemäßen Ultraschallwellenwandlers geeigneten elektrischen

Kondensator während seiner Aufladung und

Fig.2 eine schematische Darstellung eines mit dem Kondensator gemäß F i g. 1 ausgerüsteten Ultraschallwellenwandlers. Der Wandler enthält in an sich bekannter Weise einen Kondensator mit zwei leitenden Platten oder Folien 1 und 2 (welche ggf. durch leitende Überzüge von nichtleitenden Platten oder Folien gebildet werden können), welche durch Zwischenschaltung einer dielektrischen Folie 3 auseinandergehalten werden, wobei automatisch eine sehr dünne Luftschicht 4 zwischen jeder Seite der Folie 3 und der gegenüberliegenden leitenden Fläche durch die unvermeidlichen Unregelmäßigkeiten dieser Fläche bestehenbleibt. Als Folie 3 wird ein Elektret verwendet. In Fig. 1 ist

^b5 lediglich der Kondensator dargestellt, dessen Belegungen 1 und 2 mit einer Gleichspannungsquelle 5 verbunden sind, welche sie mit einer relativ hohen Gleichspannung Vt bleibend auflädt.

In Fig.2 ist der mit diesem vorher aufgeladenen Kondensator versehene Ultraschallwellenwandler betriebsbereit dargestellt Die Gleichspannungsquelle 5 ist hier durch eine Gleichspannungsque.'-e 6 ersetzt, deren Anschluß an die Belegungen 1 und 2 gegensinnig zu der Gleichspannungsquelle 5 erfolgt Dadurch addieren sich die in den Luftschichten 4 zwischen der Folie 3 und den gegenüberliegenden Belegungen 1 und 2 durch die ständige Aufladung des Elektretes (d. h. der Folie 3) bzw. durch die äußere Gleichspannungsquelle 6 erzeugten elektrostatischen Felder.

Der Wert der von der Gleichspannungsquelle 6 abgegebenen Gleichspannung V₂ wird möglichst hoch gewählt, jedoch mit der Einschränkung, daß das elektrostatische Feld im Inneren der dielektrischen Folie 3 kleiner als die Durchbruchsfeldstärke des Dielektrikums ist und daß das elektrostatische Feld in den Luftschichten 4 zwischen der Folie 3 und den Belegungen 1 und 2 kleiner als das Iorrsierungspotential dieser Luftschichten ist

Die Belegungen 1 und 2 sind ferner über einen Entkopplungskondensator 7 mit Sende- und Empfangsanordnungen 8 bzw. 9 verbunden. Die Sendeanordnung 8 kann an die Belegungen 1 und 2 die in Ultraschallwellen umzuwandelnde Spannung mit hoher Frequenz anlegen. Eine Drosselspule 10 schützt die Spannungsquelle 6 gegen diese Frequenz.

Die Folie 3 kann aus einem beliebigen gewünschten Dielektrikum bestehen, insbesondere Polypropylen, Polystyrol, Poiycarbonat, Glimmer oder einem der unter den Handelsmarken Mylar, Teflon, Kapton, Bakelit usw.

bekannten Kunststoff.

Als keineswegs beschränkendes Beispiel sind nachstehend einige Angaben über eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwellenwandiers gemacht, welche in einem Frequenzbereich zwischen 100 kHz und 200 MHz befriedigend gearbeitet hat:
Das Dielektrikum wurde durch ein Polypropylenblatt mit einer Dicke von 10 μ gebildet; die vorherige Polarisation dieses Polypropylenblattes wurde durch Anlegen einer Spannung V\ von 1200V während 5 Minuten an ihre beiden Seiten erhalten; die hierauf während des Betriebes gegensinnig zu der Spannung Vj angelegte äußere Gleichspannung V₂ hatte einen Wert von knapp 400 V; der erhaltene Ultraschaliwellenwandler besitzt für eine Arbeitsfrequenz von 20MHz eine Bandbreite von ± 10 MHz.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrostatischer Ultraschallweilenwandler umfassend einen Kondensator mit zwei durch ein dünnes elektrostatisch aufgeladenes Dielektrikum voneinander getrennten schwingungsfähigen Belegungen, die an eine elektrische Sende- und/oder Empfangsschaltung angeschlossen sind und von denen eine mit dem Ausbreitungsmedium in Berührung steht, in dem sich die zu sendenden und/oder zu empfangenden Ultraschallwellen fortpflanzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (3) in einer auf dem Gebiet der akustischen Frequenzen an sich bekannten Weise durch eine Vorbehandlung dauernd elektrostatisch aufgeladen ist und daß die Belegungen (1, 2) mit einer Gleichspannungsquelle (6) verbunden sind, deren Polarität jener der zur Polarisation des Dielektrikums (3) verwendeten Spannungsquelle (S) entgegengesetzt ist, so daß sich das durch die äußere Polarisation erzeugte elektrostatische Feld und das durch die ständige Aufladung des Dielektrikums (3) erzeugte elektrostatische Feld zueinander addieren.

2. Ultraschallwellenwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum (3) von einer festen Folie mit einer Dicke von ungefähr 3 bis 70 Mikron gebildet ist, die von den beiden Belegungen (1,2) durch sehr dünne Luftschichten (4) getrennt ist