DE2401356A1

DE2401356A1 - Elektro-akustischer wandler

Info

Publication number: DE2401356A1
Application number: DE2401356A
Authority: DE
Inventors: David Edward Birt; Patrick Harold Brown; Raymond Frank Sivyer; Stanley Taylor; John Wardley
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1973-01-11
Filing date: 1974-01-10
Publication date: 1974-08-08
Also published as: FR2324118B1; US3899709A; FR2324118A1; GB1447984A; JPS5030414A; NL7400372A

Description

EIKENBERG & BRÜMMERSTEDT

PATENTANWÄLTE IN HANNOVER

EMI LIMITED " 100/430

Elektro-akustiseher Wandler

Die Erfindung "betrifft einen elektrο-akustischen Wandler, und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit hohem Auflösungsvermögen, hoher Empfindlichkeit und großer Störfreiheit au schaffen, der insbesondere zur Übertragung elektrischer Signale geeignet ist, die ein Ultraschallbild unter Wasser darstellen.

Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Wandler aus einer auf Druck ansprechenden Kathodenstrahlröhre besteht, deren Stirnplatte aus einer mit

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einem Röhrenkolben abdichtend verbundenen Tragschicht aus akustisch durchlässigem Material und aus einer Schicht aus piezoelektrischem Material, die auf dem akustisch durchlässigen Material gelagert ist und auf ihr zugeführte Druckenderunden anspricht, zusammengesetzt ist, daß Ablenkmittel für einen Elektronenstrahl zur Abtastung der piezoelektrischen Schicht sowie Elektrodenmittel zur Ableitung von Ausgangssignalen von dieser Schicht vorgesehen sind, die ein Maß für räumliche Druckänderungen in dem piezoelektrischen Material sind.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Kathodenstrahlröhre, die unter Wasser zur Aufnahme e.ines Ultraschallfeldes verwendbar ist,

Fig. 2 eine Endansicht der Stirnplatte der in Fig. 1 dargestellten Röhre und

Fig. 3 eine bei der Herstellung verwendete Presse.

Gemäß Fig. 1 enthält ein Röhrenkolben Ί, beispielsweise aus Glas .oder Metall, eine Elektronenstrahlkanone mit einer thermionischen Kathode 2. Um einen gebündelten Elektronenstrahl auf die Stirnplatte 3 der Röhre zu richten, sind nicht dargestellte elektrostatische Ablenkplatten vorgesehen. Stattdessen können auch magnetische Ablenk- und Fokussierspulen verwendet werden. Gegenseitig isolierte Stifte ΛΛ sind mittels Hülsen 12 luftdicht durch den Kolben geführt und dienen als elektrische Anschlüsse für die verschiedenen inneren Elektroden. Die Stirnplatte besteht aus einer festen, akustisch durchlässigen Tragschicht 3» auf der piezo-elektrische V/andlerplatten 6 befestigt sind. Die Platten 6 v/erden beispielsweise durch Epoxydharzkleber in ihrer Lage gehalten, und eine Signalelektrodenplatte 5 i£L Form einer Aluminiumschicht, die als

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Sammelelektrode dient, ist auf der Stirnplatte vorgesehen. Die Stirnplatte ist ?ra Kolben 1 mittels eines Dichtuncrsnittels befestigt, das in der Lage ist, eine Hochvakuumdichtung aufrechtzuerhalten. Geeignete Verbindungen sind das unter dem Handelsnamen "Epikote 828 Kunstharz" oder das unter dem Hände lsnamen "Tor Sial" bekannte, von der US-Firma Varian Associates hergestellte Dichtungsmittel. Der Röhrenkolben sitzt in einer Rille 7 der Stirnplatte 3, so daß mit dem oben erwähnten Dichtungsmittel eine wirksame Vakuumabdichtung geschaffen werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß die Epoxydkunstharζschicht nicht immer ausreichend auf der Aluminiumschicht 5 haftet. Um dieses · Problem zu überwinden, wird diese Schicht 5 auf der Stirnplatte 3 in einem kammartigen Schema aufgebracht, das in Fig. 2 dargestellt ist. Ein solches Schema lässt einen ausreichend großen Bereich der Stirnplattenoberfläche frei, um einen ausreichenden Verbund mit dem Kunstharz herzustellen.

In die Stirnplatte eingebettet ist ein Leiter 9» der bei- ■ spielsweise aus einem Aluminiumdraht besteht und eine äußere, vakuumdichte, elektrische Verbindung zur Schicht 5 bildet.

Wenn der Röhrenkolben aus Glas besteht, kann auf der Innenfläche des Kolbens eine Anode 8 in Form einer Aluminiumschicht mit einem elektrischen Anschluss 4 vorgesehen werden. Die restliche Röhre wird evakuiert. Wenn der Röhrenkolben aus Aluminium besteht, wird das andere Ende des Kolbens mit einer NiIo K-Röhre weich- oder hartverlötet, die ihrerseits abdichtend mit einem die Elektronenkanone enthaltenden Glaskolben verbunden wird.

Wenn das Aluminium zur Vorbereitung der Evakuierung auf über 100C erhitzt wird, kann eine unterschiedliche Ausdehnung eintreten, die dadurch hervorgerufen wird, daß die^:Kunststoffe einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das letall besitzen. Eine Anpassung wird durch das gering nach-

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gebende Weichaluminium bewirkt.

Es können aber auch Kupfer und andere gut nachgebende Metalle an Stelle von Aluminium für den Röhrenkolben verwendet werden.

Die beschriebene Vorrichtung ist zur Aufnahme eines "Schallbildes" einer Ultraschallstrahlung unter V/asser geeignet. Um eine gute Übertragung der Strahlung durch die Stirnplatte zu erreichen, müssen die verwendeten Werkstoffe geeignete mechanische Eigenschaften haben, damit die akustischen Impedanzen der Stirnplatte und des umgebenden Wassers aneinander angepasst sind, während andererseits die Dicke der Schicht .5 groß genug sein muss, um eine Implosion der Röhre zu verhindern, ohne die auftreffende akustische Welle nennenswert zu dämpfen. Die akustische Impedanz der Tragschicht 3 sollte etwa gleich dem geometrischen Mittelwert der Impedanzen von Wasser und dem piezoelektrischen Material 6 sein. Die Tragschicht 3 hat vorzugsweise einen geringen Dampfdruck, wenn sie auf 130° C erhitzt wird, so daß die Röhre unter Anwendung üblicher Vakuumtechnik hergestellt werden kann, und vorzugsweise ist der thermische Ausdehnungskoeffizient etwa gleich dem der piezo-elektrischen Schicht 6.

Es hat sich gezeigt, daß drei Kunststoffmaterial!en für die Tragschicht besonders geeignet sind, Jedoch wird hierdurch nicht die Anwendung anderer Werkstoffe ausgeschlossen:

Epoxydkunstharz (Shell Epikote 828 mit Härter NMA und

Beschleuniger BDKA) Polyphenylinoxyd (N.V. Polychemie AKO-GE Holland)

Polyimid (Dupont de Nemours)

Ein anderes geeignetes Material ist Pyrexglas.

Die oben genannten Werkstoffe wurden ausgewählt, um mit

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X-Schnitt-Platten aus piezo-elektrischem Quarzmaterial zusam-r menzuarbeiten, das mit Zwischenräumen versehen ist, um die unterschiedliche Ausdehnung zu ermöglichen. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, das für die Verwendung von Ultraschallwellen mit einer Frequenz in der Größenordnung von 2 MHz geeignet ist, betrug die Dicke der Quarzplatten 5 1,4-3 mm, um darin eine akustische Halbwellenresonanz zu erzielen.

Experimentell wurde erwiesen, daß das unmittelbare Verkleben von Quarz auf eine Tragfläche aus-einem Material mit einer akustischen Impedanz, die etwa gleich der akustischen Impedanz des Quarzes ist, zu einem Verlust der Halbwellendickenresonanz führen kann, da der Quarz; und das als Tragfläche dienende Fenster dazu neigen, als einzelne Einheit zu schwingen, wodurch die Auflösung und die Empfindlichkeit verschlechtert werden.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist eine nachgiebige Schicht 1o zwischen der Fangvorrichtung und der Stirnplatte vorgesehen. Die nachgiebige Schicht 1o besteht aus einem Material, das einen Durchlass der Ultraschallenergie zur' Fangvorrichtung ermöglicht und die Platten der piezo-elektrischen Schicht zu planaren Schwingungen veranlasst, dabei aber gleichzeitig eine ausreichende Schwingungsentkopplung zwischen der Schicht und der Stirnplatte 3 bewirkt. Die Schicht 1o muss ferner vakuumverträglich sein, so daß sie nicht das Vakuum in der Kathodenstrahlröhre verschlechtert, und sie muss auch bei der Herstellung der Röhre den dabei auftretenden Temperaturen standhalten. Beispielsweise hat sich als nachgiebige Schicht eine Schicht aus o,8 mm dickem Viton-Gummi als geeignet erwiesen.

Obwohl die Einfügung der nachgiebigen Schicht 1o zu einer Fehlanpassung der akustischen Impedanzen führt, wird eine

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ausreichende Ultraschallenergie zur Schicht 6 übertragen. Die von der nachgiebigen Schicht Io bewirkte Sehvri.nsunssentkopplung verschlechtert nicht die Auflösung, da die Schicht 6 und die Stirnplatte 3 nicht als einzelne Einheit schwingen. Die Nachgiebigkeit der Schicht Io bewirkt auch eine Anpassung an die unterschiedliche thermische Ausdehnung vährend der Erhitzung unter Vakuum, und ggf. bei der Warmaushärtuns des Klebers. Es können auch andere nachgiebige Werkstoffe für die Schicht 1o verwendet xverden.

Der Kolben kann mit der Stirnplatte 3 dadurch abdichtend verbunden v/erden, daß sich die Schicht Io über den Umfang des Kolbens hinaus erstreckt, und daß der Kolben mit der Stirnplatte verklemmt wird, so daß der überstehende Teil der Schient Io zwischen dem Ende des Kolbens und der Stirnplatte zusammengedrückt wird. Die Zusammendrückung der Schicht 1o sorgt für eine ausreichende Abdichtung, und darüberhinaus wird durch das Vorhandensein des Viton-Gummis zwischen dem Kolben 1 und der Stirnplatte 3 eine unterschiedliche Ausdehnung zwischen den beiden Elementen zugelassen.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung einer Stirnplatte für den erfindungsgemäßen elektro-akustischen Wandler beschrieben.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht eine Presse zur Ausübung von Hitze und Druck auf die zur Herstellung der Stirnplatte benötigten Komponenten.

Gemäß der Zeichnung besteht die Presse aus erhitzten Ober- und Unterplatten 13 bzw. 14-, wobei die Unterplatte Ί4 in bezug auf die Oberplatte 13 hin- und herbewegbar ist. Neben den Platten 13 und 14- ist innerhalb der Presse Jeweils ein Messingblech 15 bzw. 16 vorgesehen, das jeweils eine Dicke von etv/a 3,2 mm aufweist. Das der Oberplatte benachbarte Messingblech

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liest oberhalb einer polierten .Plusseisenplatte 17 mit einer Dicke von etwa 12,7 iam, und zv/ischen der Platte 17 und dem Blech 15 sind mehrere Löschpapierblätter 18 vorgesehen. Beispielsweise werden acht Löschpapierblätter verwendet.

Die Oberplatte 13, das Blech 15 und die Platte 17 sind aneinander befestigt und bilden die eine Backe der Presse, und die Bodenplatte 14- bildet mit-dem Blech 16 die andere Backe der Presse.

Im Betrieb wird eine gespritzte Kunststoffstirnplatte, beispielsweise durch Verdampfung, mit einem elektrisch leitenden Material, wie z.B. Aluminium, beschichtet. Diese elektrisch leitende Schicht bildet die Signalplatte der Anordnung. Die beschichtete Oberfläche der Stirnplatte, die eine Oberfläche der Viton-Gummi-Schicht und die eine Oberfläche einer Gruppe von piezo-elektrischen Wandlerelementen, die die weiter unten noch näher erläuterte akustisch-elektrische Schicht bilden, werden beispielsweise durch Bestreichen oder Besprühen mit

Araldit—Primer DZ 8o beschichtet. Die beschichteten Komponenten v/erden dann etwa 2o bis 3o Minuten lang bei Raumtemperatur vorgetrocknet und anschließend etwa 3o Minuten bei 80 C vorgehärtet. Dann werden die beschichteten Oberflächen der Stirnplatte und des Gummis aufeinander gelegt und in die Presse eingeführt, wo sie mindestens 30 Minuten lang einer Temperatur von etwa 180°C und einem Druck im Bereich zwischen 7 bis 14 Kg/

cm · ausgesetzt v/erden. Dann lässt man die Komponenten auf Raumtemperatur abkühlen, bevor der Druck entfernt wird.

Nachdem die Stirnplatte mit der an ihr verklebten Vitaa-Gummischicht aus der Presse entnommen worden ist, wird die zuvor unbeschichtete Seite des"Vi1m-Gummis wie zuvor mit Araldit-Primer DZ 8o beschichtet, wobei die Beschichtung auf ein.er etwas größeren Fläche erfolgt, als es für die Wandlerelemente notwendig ist. Die zuvor erwähnten Vortrocknungs- und Voraushärtungsstufen werden wiederum angewendet, und dann werden die

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Wandlerelemente auf dem Viton-Gummi in der gewünschten Gruppenfornation angeordnet, wobei zwischen benachbarten Wandlern Zwischenräume gelassen werden, um die thermische Ausdehnung zu ermöglichen. Die Anordnung wird dann in die Presse gelegt und etwa 30 Minuten lang einer Temperatur von etwa -180° C und einem Druck im Bereich zwischen 3,5 bis 7 kg/cm ausgesetzt. Wiederum lässt man alle Komponenten auf Raumtemperatur abkühlen, bevor der Druck entfernt wird.

' Es sei bemerkt, daß die oben angegebenen Zeiten, Temperaturen und Drücke nicht kritisch sind und die Erfindung daher nicht auf diese Werte beschränkt ist.

Die Wirkungsweise der in ITig. 1 dargestellten Röhre ist wie folgt:

Der Anode 8 wird ein positives Potential von beispielsweise 1 000 Volt in bezug auf die Kathode zugeführt. Ein von der Kathode 2 a.usgesandter Elektronenstrahl wird veranlasst, in einem vorgegebenen Schema die piezo-elektrischen Platten 6 abzutasten und ist somit bestrebt, ein konstantes Potential von + Λ ooo Volt auf der freiliegenden Oberfläche der Quarzplatten 6 zu errichten. Davon ausgesandte Sekundärelektronen werden auf der freiliegenden Fläche wieder verteilt und ebenfalls von der Anode 8 gesammelt. Die Signalabnahmeelektrode 5 ist über eir.en Anschlussdraht 9 ari.t einem nicht dargestellten Video-Verstärker verbunden, der gegen Erde eine Impedanz von 1 000 Ohm besitzt. Wenn ein Schallabbild auf die Stirnplatte der Röhre trifft, werden räumliche Änderungen des piezoelektrischen Potentials über den piezo-elektrischen Elementen erzeugt, und zwar auf Grund von zeitlichen und räumlichen Druckänderungen, die durch die akustische Strahlung in der Stirnplatte induziert werden. Der Elektronenstrahl tastet einen einzelnen Bildpunkt des Schallabbildes verhältnismäßig langsam ab, so daß mehrere Schwingungen des piezo-elektrischen

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Potentials auftreten, während dieser Bildpunkt dem Elektronenstrahl ausgesetzt ist. Eine kapazitive Kopplung zwischen der' freiliegenden Fläche der elektrisch isolierenden, piezoelektrischen Platten 6 und der Signalplatte 5 bewirkt einen Verschiebungsstrom, durch den die freiliegende Fläche des Bildes auf +1 ooo Volt stabilisiert wird. Der Elektronenstrahl führt entweder mehr Elektronen zu, oder Elektronen fließen von Erde über die Verstärkerimpedanz und die Signalplatte 5. Somit

in
wird/der Elektrode 5 ein Wechselstromsignal induziert, wenn jeweils ein Bildpunkt abgetastet wird, und es wird ein Ausgangswechselstromsignal gewonnen, das ein Maß für die Frequenz, die Intensität und die räumliche Änderung der mit der Zeit sich ändernden, auf die Stirnplatte auftreffenden akustischen Strahlung ist. Es wurde gefunden, daß Quarz sich als piezo-elektrisches Material gut eignet, wenn es senkrecht zur X-Achse der Kristallstruktur geschnitten wird, da für eine wirksame Entladung der erwähnten Elementarkapazitäten seine Kapazität so klein als möglich sein muss, und die wirksame Impedanz des ihm zugeführten Elektronenstrahls muss ebenfalls klein sein. Quarzkristall erfüllt das Kapazitätskriterium, da es eine geringe Dielektrizitätskonstante von 4-,5 hat. Um eine Auflösung von 16o Bildpunkten pro Bildbreite zu erzielen, wird eine Schirmgröße von 3oo mm benötigt, und da Quarzkristallplatten nicht in dieser Größe geschnitten werden können, wird ein Mosaik aus kleinen Platten auf der Tragschicht 3 angebracht. '

Es sei bemerkt, daß an Stelle einer Signalplatte zur Ableitung eines Ausgangssignals als Abnahmeelektrode auch eine Schirmelektrode zur Sammlung der von der piezo-elektrischen Schicht ausgesandten Sekundärelektronen verwendet werden kann.

Die Grenzempfindlichkeit des elektro-akustischen Wandlers wird nicht durch das elektrische Verstärkerrauschen bestimmt, sondern durch große Hintergrundsignale, die von der nicht gleichmäßigen Erzeugung und Verteilung der Sekundärelektronen

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in der Röhre (d.h. von sog. "Schattensignalen¹¹)» und von Mangeln im Aufbau der Auffangvorrichtung herrühren.

Das durch Auftreffen von Ultraschallenergie auf einen einzelnen Punkt der Auffangplatte der Röhre empfangene Signal bedeckt eine kreisförmige Fläche, deren Durchmesser etwa gleich der Dicke der piezo-elektrischen Platte ist. Diese Dicke beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 1,4 mm und ist die Grenzauflösung der Auffangplatte. Da in der Auffangplatte keine Signalspeicherung erfolgt und der Elektronenstrahl nur auf die Augenblicksspannung der Fangplatte an der Auftreffstelle anspricht, enthält das Video-Ausgangssignal die auftreffende Ultraschallfreguenz. Berücksichtigt man die Größe eines Grenzauf lösungselementes , die linearen Abmessungen der Auffangplatte und die Abtastnorm, kann man das benötigte.Video-Ausgangssignal als einen modulierten 2 MHz-Träger mit zv/ei" Seitenb^ndem begrenzter Bandbreite betrachten. Die niederfreouenten "Schatten"-Signale fallen aus dieser Bandbreite heraus, und Fehlersignale enthalten nicht die Trägerfrequenz. /

Demzufolge· kann ein elektrisches Euter mit der erforderlichen Charakteristik in den Ausgangskanal der Röhre unmittelbar hinter einem Breitbandvorverstärker eingefügt v/erden. Die Praxis hat gezeigt, daß durch diese Maßnahme das dargestellte Bild verbessert werden kann. Schattensignale werden weitgehend eliminiert, ebenso wie viele der Hintergrundsignale auf Grund von Fehlern. Die Grenzempfindlichkeit wird etwa Ιο-fach verbessert.

Als Alternative können der Breitbandverstärker und das Filter durch einen abgestimmten Vorverstärker mit ähnlichen Eigenschafte ersetzt werden. Mit dieser Anordnung wird die Wirkungsweise weiter verbessert, da hiermit die niederfrequenten Signale zurückgewiesen werden können, die den oben erwähnten Breitbandverstärker überlasten können.

- Patentansprüche 409832/0719

Claims

PATENTANSPRÜCHE :

1. Elektro-akustischer Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß dieser aus einer auf Druck ansprechenden Kathodenstrahlröhre besteht, deren Stirnplatte aus einer mit einem Röhrenkolben (1) abdichtend verbundenen Tragschicht (3) aus akustisch durchlässigem "Material und aus einer Schicht (6) aus piezo-elektrischem Material, die auf dem akustisch durchlässigen Material gelagert ist und auf ihr zugeführte Druckänderungen anspricht, zusammengesetzt ist, daß Ablenkmittel für einen Elektronenstrahl zur Abtastung der piezoelektrischen Schicht (6) sowie Elektrodenmittel (5) zur Ableitung · von elektrischen Ausgangssignalen von dieser Schicht vorgesehen sind, die ein Maß für räumliche Druckänderungen in dem piezo-elektrischen Material sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenkolben (1) aus Glas besteht.

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Röhrenkolben (1) aus Metall besteht.

4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die piezo-elektrische Schicht (6) aus einem Mosaik kleiner Platten besteht.

5- Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenmittel (5) auf der Stirnplatte (3) in kammartigein Muster aufgebracht sind.

6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkmittel aus elektrostatischen Ablenkplatten bestehen.

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7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (6) aus piezo-elektrischem Material von der Stirnplatte (3) einen Abstand aufweist, der mit einer akustisch durchlässigen Schicht (1o) aus nachgiebigem Material ausgefüllt ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer aus einer Stirnplatte, einer Schicht aus nachgiebigem Material und einer Schicht aus piezoelektrischem Material bestehenden Anordnung für einen akustischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus nachgiebigem Material und die Stirnplatte unter Druck erhitzt v/erden, um sie miteinander zu verbinden, und daß dann die Stirnplatte, die Schicht aus nachgiebigem Material und die piezo-elektrische Schicht unter Druck erhitzt v/erden, um die piezo-elektrische Schicht mit der »Schicht aus nachgiebigem Material zu verbinden.

9. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskanal Mittel zur Zurückweisung von Signalen vorgesehen sind, deren !frequenz außerhalb des die erwünschten Ausgangssignale enthaltenden Frequenzbandes liegt,

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