DE2262492A1

DE2262492A1 - Ultraschallwandler mit energieverstaerkung

Info

Publication number: DE2262492A1
Application number: DE19722262492
Authority: DE
Inventors: Robert Saglio
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1971-12-23
Filing date: 1972-12-20
Publication date: 1973-06-28
Also published as: IT976128B; FR2164496B1; DE2262492B2; FR2164496A1

Description

410-19.9¹IOP '20. 12. 1972

Commissariat a" 1'Energie Atomique, Paris (Prankreich)

Ultraschallwandler mit EnergieverStärkung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler mit Energieverstärkung.

Ein Ultraschallwandler ist ganz allgemein eine Einrichtung, die im wesentlichen aus einer piezoelektrischen Platte besteht, die auf einen die Ultraschallwellen dämpfenden Träger aufgeklebt ist. Wenn man dann die piezoelektrische Platte elektrisch erregt, sendet sie Ultraschallwellen aus, und umgekehrt gibt sie ein elektrisches Signal ab, wenn sie einem Ultraschallfeld ausgesetzt wird.

Nach dem bisherigen Stande der Technik verwendet man dann, wenn man einen Ultraschal!strahl erhalten will, einen

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Ultraschallwandler, wie er oben beschrieben ist. In diesem Falle ist die Intensität des Ultraschallfeldes in dem gerade neben der piezoelektrischen Platte liegenden Bereich durch die Energie begrenzt, welche die Platte abzugeben vermag.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler zu schaffen, der bei gleichem Querschnitt für den abgestrahlten Ultraschallstrahl eine erheblich größere Ultraschallenergie abzugeben vermag als die bisher bekannten Ultraschallwandler.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wandlerkörper von konvergenter und eine Symmetrieebene aufweisender Form mit einer durchgehenden und an seiner aktiven Oberfläche mündenden Bohrung und durch einen der aktiven Oberfläche des Wandlerkörpers gegenüberstehenden und die gleiche Symmetrieebene wie dieser aufweisenden Reflektor für Ultraschallenergie, dessen reflektierende Oberfläche eine solche Form aufweist, daß der reflektierte Ultraschallstrahl an der Stelle seines Durchgangs durch die Bohrung im Wandlerkörper in einer zu dessen Symmetrieebene senkrechten Ebene im wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweist wie die Bohrung im Wandlerkörper, und an mindestens einem dieser Bohrung gegenüberstehenden Teilbereich ein Plättchen aus piezoelektrischem Material aufweist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Ultraschallwandlers konvergieren die vom Wandlerkörper ausgehenden Ultraschallwellen am Ultraschallreflektor, und der reflektierte Ultraschallstrahl verläßt den Wandler durch die Bohrung im Wandlerkörper hindurch.

Der so entstehende Wandler läßt sich auch als Ultraschallempfänger verwenden. Die einfallenden Ultraschall-

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wellen gehen dann durch die Bohrung im konvergenten Wandlerkörper hindurch und werden von dem, auf dem Reflektor angeordneten piezoelektrischen Plättchen aufgefangen, das seinerseits die Rolle des Empfängers spielt.

Dieser zweite. Punkt ist sehr wichtig, da ohne dieses zweite piezoelektrische Plättchen der Wandler als Empfänger nur eine sehr geringe Punktionstüchtigkeit aufweisen würde. Wenn der Wandler nämlich bei der Emission ohne dieses zweite Plättehen eine gute Verstärkung der Intensität des Ultraschallsignals ergibt, würde beim Empfang von Ultraschallsignalen eine Verminderung von deren Intensität um einen Paktor auftreten, der in etwa dem Verstärkungsfaktor bei der Ultrasehallemission entspräche.

Bei einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung weist die ,Kombination aus dem konvergenten Wandlerkörper und dem Reflektor Rotationssymmetrie auf und ist der Durchmesser des reflektierenden Bereichs des Reflektor klein gegen den Außendurchmesser des Wandlerkörpers und im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Bohrung im Wandlerkörper „

Bezeichnet man"dabei mit D den Außendurchmesser des konvergenten Wandlerkörpers und mit d den Durchmesser der Bohrung im Wandlerkörper, die im wesentlichen gleich dem Durchmesser des reflektierten ültraschallstrahlB ist* so erfährt die Intensität des Ultrasehallfeldes ein© Multiplikation um etwa den Faktor

D² - d²

d²

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor konvex und parabolisch ausgebildet und sein Brenn-

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punkt fällt mit dem des konvergenten Wandlerskörpers zusammen.

Bei einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist der Reflektor eben ausgebildet und vom V/andlerkörper um eine etwa dessen Brennweite entsprechende Strecke entfernt angeordnet, wobei der Abstand des Reflektors vom Wandlerkörper eine Einstellung von dessen Brennweite ermöglicht.

Bei einer dritten Ausführungsform der Erfindung besteht der Reflektor aus einer konkaven und parabolischen Platte und einer darauf aufgeklebten Spiegellinse.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren UnteransprUchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele veranschaulicht; dabei zeigen in der Zeichnung:

Fig. 1 ein Prinzipschema für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallwandler mit Energieverstärkung,

Fig. 2 einen entsprechenden Wandler mit Feststoffjcopplung, Fig. J5 einen gleichen Wandler mit Flüssigkeitskopplung,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallwandler mit Energieverstärkung und

Fig. 5 ein zweites Ausführungsbeispiel für einen als Ultraschallempfänger verwendbaren Ultraschallreflektor.

Die Prinzipdarstellung in Fig. 1 veranschaulicht die Verstärkung des Ultraschallsignals bei der Emission. Der

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dargestellte Ultraschallwandler mit Energieverstärkung setzt sich aus einer die aktive Oberfläche bildenden fokussierten piezoelektrischen Platte 2 und einem als Reflektor für Ultraschall wirkenden Parabolspiegel 4 zusammen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die aktive Oberfläche der piezoelektrischen Platte 2 eine Kugelkalotte, und der Brennpunkt des Wandlers liegt im Zentrum der entsprechenden Kugel. Der Brennpunkt P des Spiegels 4 fällt mit dem Brennpunkt der piezoelektrischen Platte 2 zusammen. Die piezoelektrische Platte 2 ist auf einem Träger 6 befestigt, der den Körper des Wandlers bildet. Die Platte 2 und der Träger 6 werden entlang ihrer Symmetrieachse von einer zylindrischen Bohrung 8 durchquert. Dabei weist die piezoelektrische Platte 2 einen Außendurchmesser D auf, während die Bohrung 8 einen Durchmesser d besitzt. Das Bündel der von der piezoelektrischen Platte 2 abgestrahlten Ultraschallwellen 10 konvergiert im Brennpunkt F des Spiegels 4, und es wird an diesem reflektiert, wobei ein reflektierter Ultraschallstrahl 12 entsteht, der den Wandler durch die Bohrung 8 hindurch verläßt. Die von einem solchen Ultraschallwandler abgestrahlte Ultraschallenergie ist im wesentlichen gleich der von einem Wandler mit dem Durchmesser d abgegebenen Ultraschallenergie multipliziert mit dem Paktor

D² - d² ■

a²

Werden beispielsweise D zu 80 mm und d zu 20 mm bemessen, so ergibt sich ein Multiplikationsfaktor von 15.

Wenn der Brennpunkt für das von der piezoelektrischen Platte 2 abgestrahlte Ultraschallbündel nicht mit dem Brennpunkt P für den Reflektor 4 zusammenfällt, so wird der auf-

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tretende Ultraschallstrahl 12 entweder konvergent oder divergent.

Man kann ebenso gut einen Spezialfall des Parabolspiegels, nämlich einen ebenen Spiegel verwenden. Wenn dieser ebene Spiegel zwischen der piezoelektrischen Platte 2 und dem Brennpunkt P angeordnet wird, so wird der reflektierte Ultraschallstrahl konvergent. Wird dagegen der ebene Spiegel· jenseits des Brennpunktes F angeordnet, so wird der reflektierte Ultraschallstrahl 12 divergent. In diesem Falle muß mit Rücksicht auf die lichte Weite der Bohrung 8 der öffnungswinkel des von der piezoelektrischen Platte 2 abgestrahlten Ultraschallbündels relativ gering sein, und der Spiegel 4 muß an einer dem Brennpunkt F ziemlich nahe gelegenen Stelle angeordnet werden.

In Fig. 2 ist ein erstes AusfUhrungsbeispiel für einen Wandler mit Energieverstärkung dargestellt, der sowohl als Sender als auch als Empfänger für Ultraschallenergie dienen kann. Die dargestellte Anordnung weist eine Zylindersymmetrie zur Achse XX' auf, so daß sich die Einrichtung anhand des in Fig. 2 dargestellten ebenen Schnittes vollständig beschreiben läßt. Auch in Fig. 2 gibt es wieder eine piezoelektrische Platte 2, die auf einen Träger 6 aufgeklebt ist, der als Dämpfer für Ultraschallwellen wirkt, also aus einem Ultraschallwellen absorbierenden Material besteht. Der Träger 6 weist entlang der Symmetrieachse XX' eine Bohrung 8 auf. Ebenso gibt es wieder einen Parabolspiegel,4, der ebenfalls auf einen als Dämpfer wirkenden Träger Ik aufgeklebt ist und in seinem zentralen Abschnitt ein piezoelektrisches Plättchen I5 trägt. Der Brennpunkt F des Parabolspiegels 4 fällt mit dem Brennpunkt des Ultraschallwandlers zusammen. Der in Fig. 2 dargestellte Ultraschal.!wandler ist daher ein fokusslerender Wandler, und es ist ohne weiteres

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klar, daß man genau die gleiche Einrichtung mit einer ebenen piezoelektrischen Platte herstellen kann, indem man auf diese Platte eine konvergente Linse aufklebt. Die Kombination aus dem Spiegel 4 und der piezoelektrischen Platte 2 ist in ein Peststoffmilieu l6 eingebettet, das Ultraschallwellen nur geringfügig absorbiert und damit als Koppelmedium wirkt. Der so erhaltene Wandler läßt sich als Sender und als Empfänger schalten. Dazu sind an der piezoelektrischen Platte 2 elektrische Anschlüsse 18 für die Abstrahlung von Ultraschallwellen und am piezoelektrischen Plättchen 5 elektrische Anschlüsse I9 für den Empfang von Ultraschallwellen angebracht.

In Fig. 3 ist ein AusfUhrungsbeispiel für einen Ultraschallwandler mit Energieverstärkung unter Verwendung eines flüssigen Koppelmediums dargestellt. Der gesamte Aufbau dieses Wandlers 1st in einem dicht abgeschlossenen Gefäß 20 untergebracht, das wiederum Drehsymmetrie zu einer Symmetrieachse XX¹ aufweist und eine der Bohrung 8 im Träger 6 gegenüberstehende öffnung 22 enthält. Diese Öffnung 22 ist nur durch eine nachgiebige Membran 24 verschlossen, die Ultraschallwellen nur geringfügig absorbiert und die Herstellung eines Kontaktes zu einem zu untersuchenden Werkstück gestattet. Das dichte Gefäß 20 und die Membran 24 definieren auf diese Weise ein abgeschlossenes Volumen, das von einer Koppelflüssigkeit 26 erfüllt wird, als die sich vorzugswei-. se Wasser eignet.

In Fig. 4 ist eine dritte AusführungsVariante für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallwandler veranschaulicht. Dieser Wandler besitzt eine piezoelektrische Platte und einen als Dämpfer für Ultraschallwellen wirkenden Träger 6 mit einer Bohrung 8. Bei dieser AusfuhrungsVariante ist als Koppelmedium ein Feststoffmilieu 16' von der Form eines

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Kegelstumpfes vorgesehen, dessen große Grundfläche der aktiven Oberfläche der piezoelektrischen Platte 2 benachbart ist, während seine kleine Grundfläche als parabolische und konkave Kalotte J>0 ausgebildet ist. Diese Kalotte 30 bildet die Grenzfläche zwischen dem Koppelmedium und dem umgebenden Medium und spielt die gleiche Rolle wie der Parabolspiegel 4 bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Als Material für das Koppelmedium 16' kommt insbesondere ein Acrylglas in Frage, wie es unter dem Handelsnamen Plexiglas vertrieben wird.

Bei einer in Fig. 5 veranschaulichten Ausführungsvariante für den Parabolspiegel eines als Sender und Empfänger brauchbaren Ultraschallwandlers besteht dieser Spiegel aus einer piezoelektrischen Platte 28, auf die eine Spiegellinse 29 aufgebracht ist. Diese Ausführungsvariante ermöglicht eine Vergrößerung des Signal/Rausch-Verhältnisses.

Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich auch unter Verwendung eines Ultraschallreflektors ausführen, wie er in Fig. 5 dargestellt ist.

Bei den oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten speziellen Ausführungsbeispielen weist der Ultraschallwandler mit Energieverstärkung Drehsymmetrie auf, es sei jedoch nochmals betont, daß dieser Wandler grundsätzlich nur eine Symmetrieebene zu besitzen braucht. So können beispielsweise die Umrisse für den konvergenten Wandler und den Reflektor unbeschadet der Spiegeloberfläche rechteckig sein. Bei dieser AusführungsVariante ergibt sich dann ein ver-

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stärkter Ultraschallstrahl von rechteckigem Querschnitt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallwandlers liegt darin, daß man bei Verwendung des konvergenten Wandlers als Sender und Empfänger die gleiche Information zweimal - an dem piezoelektrischen Plättchen 15 und an der piezoelektrischen Platte 2 - mit unterschiedlicher Amplitude und zeitlich versetzt erhält. Dies ermöglicht Jede gewünschte Informationsverarbeitung wie beispielsweise eine Aufzeichnung mit zwei verschiedenen Schwellen, eine erste Aufzeichnung gemäß einer JA/NEIN-Entscheidung und eine zweite Aufzeichnung mit proportionaler Registrierung oder die Verwendung des zuerst eintreffenden Signals an dem piezoelektrischen Plättchen 15 - zur Synchronisation · für das an zweiter Stelle - an der piezoelektrischen Platte eintreffende^ Signal* für die Informationsverarbeitung.

Die Erfindung beschränkt sich naturgemäß nicht auf die Besonderheiten der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, vielmehr fallen insbesondere alle mögliehen Kombinationen davon in den Rahmen der Erfindung. Insbesondere kann bei den in Fig. 2, 3 und M- dargestellten Ultraschallwandlern der dort verwendete Parabolspiegel durch einen ebenen Spiegel oder einen Kugelspiegel ersetzt werden. Außerdem können die piezoelektrische platte 2 und das piezoelektrische Plättchen 15 aus jedem beliebigen Material mit piezoelektrischem Verhalten bestehen, wobei die spezielle Materialwahl von den Einsatzbedingungen und insbesondere der Betriebstemperatur abhängt.

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Claims

Patentansprüche

Ultraschallwandler mit Energieverstärkung, gekennzeichnet durch einen Wandlerkörper (6) von konvergenter und eine Symmetriebenp aufweisender Form mit einer durchgehenden und an seiner aktiven Oberfläche (2) mündenden Bohrung (8) und durch einen der aktiven Oberfläche des Wandlerkörpers gegenüberstehenden und die gleiche Symmetrieebene wie dieser aufweisenden Reflektor (4) für Ultraschallenergie, dessen reflektierende Oberfläche eine solche Form aufweist, daß der reflektierte Ultraschallstrahl an der Stelle seines Durchgangs durch die Bohrung im Wandlerkörper in einer zu dessen Symmetrieebene senkrechten Ebene im wesentlichen den gleichen Querschnitt aufweist wie die Bohrung im Wandlerkörper, und an mindestens einem dieser Bohrung gegenüberstehenden Teilbereich ein Plättchen (15) aus piezoelektrischem Material aufweist.
2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus dem konvergenten Wandlerkörper (6) und dem Reflektor (4) Rotationssymmetrie aufweist und der Durchmesser des reflektierenden Bereichs des Reflektors klein gegen den Außendurchmesser des Wandlerkörpers und im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Bohrung (8) im Wandlerkörper ist.
3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) konvex und parabolisch ausgebildet ist und sein Brennpunkt (F) mit dem des konvergenten Wandlerkörpers (6) zusammenfällt.

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4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor·(4) eben ausgebildet und vom Wandlerkörper (6) um eine etwa dessen Brennweite entsprechende Strecke entfernt angeordnet ist.
5· Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) aus einer konkaven und parabolischen Platte (28) und einer darauf aufgeklebten Spiegellinse (29) besteht;
6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis' 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum zwischen der aktiven Oberfläche (2) des Wandlerkörpers (6) und dem Reflektor (4) von einem Material (16, 16', 26) mit gutem Leitvermögen für Ultraschallwellen erfüllt ist.
7- Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konvergente Wandler aus einem zylindrischen Ring aus einem Ultraschallwellen gut absorbierenden Material besteht, dessen eine Grundfläche konkav ausgebildet und mit einer Schicht aus piezoelektrischem Material überzogen ist.
8. Ultraschallwandler nach einem cer Ansprüche 1 bis J_a dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus dem konver-genten Wandler (2, 6) und dem Reflektor (4) in einem dicht abgeschlossenen Gefäß (20) untergebracht ist, das eine der Bohrung (8) im Wandlerkörper (6) gegenüberstehende Öffnung (22) aufweist, die durch eine Ultraschallwellen nur geringfügig absorbierende nachgiebige Membran (24) verschlossen ist, und daß das Gefäß (20) mit einer Flüssigkeit (26) mit hohem Leitvermögen für Ultraschallwellen gefüllt ist.

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9· Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einem konvergenten Wandler (2, 6) und einem Kegelstumpf (l6^r) besteht, dessen große Grundfläche der aktiven Oberfläche (2) des Wandlers benachbart ist und dessen kleine Grundfläche (30) konkav ausgebildet ist und einen Teilbereich eines Paraboloids mit mit der Achse des Kegelstumpfes zusammenfallender Achse bildet, und daß der Kegelstumpf aus einem Material mit gutem Leitvermögen für Ultraschall besteht.

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