DE2262492B2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche eben wegen dieses gleichen Effekts ausgeschlossen, da 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischen- bei umgekehrter Ausbreitungsrichtung für den Ultraraum zwischen der aktiven Oberfläche (2) des schall an Stelle einer Energiebündelung eine Energie-Wandlerkörpers (6) und dem Reflektor (4) von 50 trennung auftritt, die eine wirksame Ausnutzung eineinem Material (16, 26) mit gutem Leitvermögen fallender Ultraschallenergie unmöglich macht.

für Ultraschallwellen erfüllt ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 2, dadurch einen Ultraschallwandler der eingangs erwähnten Art gekennzeichnet, daß der konvergente Wandler- in der Weise auszubilden, daß er den angestrebten körper aus einem zylindrischen Ring aus einem 55 Energieverstärkungseffekt sowohl bei einem Einsatz Ultraschallwellen gut absorbierenden Material als Ultraschallsender als auch bei einem Einsatz als besteht, dessen eine Grundfläche konkav aus- Ultraschallempfänger zeigt.

gebildet und mit einer Schicht aus piezoelektrischem Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

Material überzogen ist. gelöst, daß der Reflektor an mindestens einem der

8. Ultraschallwandler nach einem der An- 60 Bohrung im Wandlerkorper gegenüberstehenden Teilsprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bereich ein Plättchen aus piezoelektrischem Material konvergente Wandlerkorper (2, 6) und der Reflek- aufweist.

tor (4) in einem dicht abgeschlossenen Gefäß (20) Bei einem Einsatz des erfindungsgemäß ausgebiluntergebracht sind, das eine der Bohrung (8) im deten Ultraschallwandlers als Ullraschallsender kon-Wandlerkörper (6) gegenüberstehende Öffnung (22) 65 vergieren die vom Wandlerkorper ausgehenden Ultraaufweist, die durch eine Ultraschallwellen nur ge- schallwellen am Ultraschallreflektor, und der reflekringfügig absorbierende nachgiebige Membran (24) tierte Ultraschallstrahl verläßt den Wandler durch verschlossen ist, und daß das Gefäß (20) mit einer die Bohrung im Wandlerkorper hindurch. Der erfin-

,»maß ausgebildete Ultraschallwandler läßt ^SeT auch als Ultraschallempfänger verwenden. • Wallenden Ultraschallwellen gehen dann durch P^iefune im konvergenten Wandle-körper hindurch d auf dem Reflektor angeordneten

f«hrune im konverge p

Γη von dem auf dem Reflektor angeordneten Umsehen Plättchen aufgefangen, das seiner- £ 1 Se des Empfängers spielt. ^· Ir zweite Punkt ist sehr wichtig, da ohne dieses ^D ? ^elektrische PläUchen der Wandler als r nur eine sehr geringe Funktionstüchtigkeit Äen würde. Wenn der Wandler nämlich bei der Ϊ Jon ohne dieses zweite Plättchen eine gute Ver-Eng der Intensität des Ultraschallsignals ergibt, ^rt-Hpbeim Empfang von Ultraschallsignalen eine v inde ungTon deren Intensität um einen Faktor ^Ver der in etwa dem Verstärkungsfaktor bei der

f ssion entspräche

ÄSSS.S?^tührungsronn der Erfin-Ξη der ken/ergente Wandlerkörper und der T Roiaionssymmetrie auf und ist der DurcheV reflektierenden Bereichs des Reflektors den Außendurchmesser des Wandler-S etwa gleich dem Durchmesser der Boh-Tm Wandlerkö-rper.

Bezeichnet man dabei mit D den Außendurchmesser des konvergenten Wandlerkörpers und mit d den Durchmesser der Bohrung im Wandlerkörper, die L₁ wesentlichen gleich dem Durchmesser des reflek-

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist

bildenden fokussierten piezoelektrischen Platte 2 und einem als Reflektor für Ultraschall wirkenden Paraboispiegel 4 zusammen. Bei einer bevorzugten Aus-unrungsform ist die aktive Oberfläche der piezoeieK-

irischen Platte 2 eine Kugelkalotte, und der Brennpunkt des Wandlers liegt im Zentrum der entsprechenden Kugel. Der Brennpunkt F des Speg*4hÄ mit dem Brennpunkt der piezoelektrischen Platte Z zusammen. Die piezoelektrische Platte 2 ist auf einem

Träger 6 befestigt, der den Körper des Wandlers biUdet Die Platte 2 und der Träger 6 werden entlang,ihrer Symmetrieachse von einer zylindrischen Bohrung 8 durchquert. Dabei weist die piez elektrische.Platte2 einen AußendurchmesserD auf, während die Boh-

x₅ rung 8 einen Durchmesser d besitzt. Das Bunde der von der piezoelektrischen Platte 2 abgestrahlten Ultraschallwellen 10 konvergiert im Brennpunkt F des Spiege.s 4, und es wird an diesem reflektiert wobei ein reflektierter Ultraschallstrahl 12 entsteht der den

» Wandler durch die Bohrung 8 hindurch verlaßt. D« von einem solchen Ultraschallwandler abgestrahlte Uhraschallenergie ist im wesentlichen gleich der von ei, em Wandler mit dem Durchmesser d abgegebenen Ultraschallenergie multipliziert mit dem Faktor

^V°Wenn der Brennpunkt für das von der piezoelek-

irischen Platte 2 abgestrahlte Ultraschallbündel nicht

mit dem Brennpunkt F für den Reflektor 4 zusarnmen-

fällt, so wird der auftretende Ultraschall 12 entweder

^SPiÄf₈e„ sind v„_rlei,l,_fe WeHe_rtild»„_e=n u„, A»_Sg_estalt»n_Ben de, Erfindung ,n -- Un_1Cr- »h.

In

da,ges,=llt der

Ausführungsbeispiele veranschaulicht; dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine schematische Darstellung des Grundprinzips für einen Ultraschallwandler miv Energieverstärkung durch Energiekonzentration,

F i g. 2 einen nach diesem Prinzip aufgebauten Wandler mit Feststoff kopplung,

F i g. 3 einen entsprechenden Wandler mit Flüssigkeitskopplung und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für einen als Ultraschallempfänger verwendbaren Ultraschallreflektor.

Die Prinzipdarstellung in F i g. 1 veranschaulicht die Verstärkung des Ultraschallsignals bei der Emission Der dargestellte Ultraschallwandler mit Energieverstärkune setzt sich aus einer die aktive Oberfläche e zLyunucisyiiiiutuiv zur Achse XX' auf, so die Einrichtung an Hand des in F i g. 2 darlchnittes vollständig beschreiben . 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 Λ'Λ" eine Bohrung 8 auf. Ebenso gibt es wieder einen 1, der ebenfalls auf einen als Dämpfer wirkenden l rager 14 aufgeklebt ist und in seinem zentralen Abschnitt ein piezoelektrisches Plättchen trägt. Der Brennpunkt F des Parabolspiegels 4 fällt mit dem Brennpunkt des Ultraschallwandlers zu-

sammen. Der in F i g. 2 dargestellte Ultraschallwandler ist daher ein fokussierender Wandler, und es ist ohne weiteres 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 Feststoffmilieu 16 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 19 für den Empfang von Ultraschallwellen angebracht.

In F i g. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Ultraschallwandler mit Energieverstärkung unter Verwendung eines flüssigen Koppelmediums dargestellt. Der gesamte Aufbau dieses Wandlers ist in einem dicht abgeschlossenen Gefäß 20 untergebracht, das wiederum Drehsymmetrie zu einer Symmetrieachse XX' 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 absortiert 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 Vorzugsweise Wasser eignet.

Bei einer in F i g. 4 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 F i g. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich auch unter Verwendung eines Ultraschallreflektors ausführen, wie er in F i g. 4 dargestellt ist.

Bei den oben beschriebenen und in der Zeichnung dargestellten speziellen Ausführungsbeispielen weist der Ultraschallwandler mit Energieverstärkung Rotationssymmetrie 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 verstärkter Ultraschallstrahl von rechteckigem Querschnitt.

Ein Vorteil des dargestellten Ultraschallwandlers liegt vor allem darin, daß man bei seiner Verwendung 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 2 — eintreffende Signal für die Informationsverarbeitung.

Bei den in F i g. 2 und 3 dargestellten Ultraschallwandlern kann 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Flüssigkeit (26) mit hohem Leitvermögen für Ultraschallwellen gefüllt ist (F i g. 3). Patentansprüche:

1. Ultraschallwandler mit einem Wandler- 5
körper von konvergenter und eine Symmetrieebene aufweisender Form, der eine durchgehende

und an seiner aktiven Oberfläche mündende Boh- Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschal,-

rung enthält, und mit einem der aktive.! Oberfläche wandler mit einem Wandlerkorper von konvergenter

des Wandlerkörpers gegenüberstehenden und die io und eine Symmetrieebene aufweisender Form der

gleiche Symmetrieebene wie dieser aufweisenden eine durchgehende und an seiner aktiven Oberfläche

Reflektor für Ultraschallenergie, dessen reflek- mündende Bohrung enthalt, und mit einem der ak-

tierende Oberfläche ein solche Form aufweist, daß tiven Oberfläche des Wandlerkorpers gegenüber-

der reflektierte Ultraschall .n der Stelle seines stehenden und die gleiche Symmetneebene wie dieser

Durchgangs durch die Bohrung im Wandlerkorper 15 aufweisenden Reflektor fur Ultraschallenergie, dessen

in einer zu dessen Symmetneebene senkrechten reflektierende Oberfläche eine solche Form aufweist,

iibene im wesentlichen gleichen Querschnitt auf- daß der reflektierte Ultraschallstrahl an der Stelle

weist wie die Bohrung im Wandlerkorper, d a- seines Durchgangs durch die Bohrung im Wandler-

durch gekennzeichnet, daß der Re- körper in einer zu dessen Symmetneebene senkrechten

flektor (4) an mindestens einem der Bohrung (8) 20 Ebene im wesentlichen den gleichen Querschnitt auf-

im Wandlerkörper (6) gegenüberstehenden Teil- weist wie die Bohrung im Wandlerkorper.

bereich ein Plättchen (15) aus piezoelektrischem Ein Ultraschallwandler dieser Art ist in der US-PS

Material aufweist. 25 65 159 beschrieben. Bei diesem bekannten Wandler

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch ist im Zentrum eines durch Zuführung von elektrischer gekennzeichnet, daß der konvergente Wandler- 25 Energie zu Ultraschallschwingungen anregbaren Wandkörper (6) und der Reflektor (4) Rotationssym- lerkörpers von halbkugelförmiger Gestalt ein akustimetrie aufweisen und der Durchmesser des reflek- scher Spiegel aus dünnem Aluminiumblech angetierenden Bereichs des Reflektors klein gegen den ordnet, und diesem Spiegel axial gegenüber enthält Außendurchmesser des Wandlerkorpers und etwa der Wandlerkorper eine durch einen Gummistopfen gleich dem Durchmesser der Bohrung (8) im 3° verschlossene öffnung, an die axial nach außen ein Wandlerkorper ist. Rohr anschließt, das ebenso wie das hohle Innere des

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, Wandlerkorpers mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) als Koppelmedium für die vom Wandlerkörper konvex und parabolisch ausgebildet ist und sein abgestrahlten Ultraschallwellen dient. An seiner Brennpunkt (F) mit dem des konvergenten Wand- 35 offenen Seite ist der Wandlerkörper anschließend an lerkörpers (6) zusammenfällt. den Spiegel durch ein Gehäuse abgeschlossen, das auf

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, seiner Innenseite mit einem akustischen absorbierend dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) wirkenden Material ausgekleidet ist.

eben ausgebildet und vom Wandlerkörper (6) um Bei elektrischer Erregung seines Wandlerkorpers

eine etwa dessen Brennweite entsprechende Strecke 40 strahlt der bekannte Wandler Ultraschall in Form

entfernt angeordnet ist. eines parallelen Strahlenbündels in das außen an-

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, gesetzte Rohr ab, wobei der geometrische Aufbau dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (4) aus eine Energieverstärkung durch Energiekonzentration einer konkaven und parabolischen Platte (28) und bewirkt. Dank dieses Effekts läßt sich der bekannte einer darauf aufgeklebten Spiegellinse (29) be- 45 Wandler mit Erfolg als Ultraschallsender betreiben; steht (F i g. 4). seine Verwendung als Ultraschallempfänger jedoch ist