DE2448318A1

DE2448318A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung von schall- oder ultraschallwellen hoher leistung

Info

Publication number: DE2448318A1
Application number: DE19742448318
Authority: DE
Inventors: Darrow Lake Miller; William Young Wells
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1973-10-25
Filing date: 1974-10-10
Publication date: 1975-05-07
Also published as: GB1451247A; NL7412063A; US3872330A; JPS5075025A

Description

Di:'i .mo

9. Oktober Gzt/Ra.

Rockwell International Corporation, El Segundo, Kalifornien/USA

Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Schall- oder Ultraschallwellen hoher Leistung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Er/.eugung von Schalloder Ultraschallwellen hoher Leistung sowie .einen entsprechenden akustischen Hochleistungswandler und insbesondere einsn elektroakustischer Wandlerj der den piezoelektrischen Effekt ausnutzt.

Ultraschall -Hochleistungswandler werden zur Entdeckung bzw. Erfassung kleiner Fehler oder Unregelmäßigkeiten tief innerhalb von Me tallStrukturen und anderen Körpern benötigt. Um z.B. eine ausreichende Auflösung zur Erfassung kleiner (Durchmesser von i bis 1,2 mm) Brüche, Hohlräume oder anderer Fehlerstellen in Metallstrukturen, Metallverbindungsstellen, faserartigen Zusammensetzungen und Fsdönverbindungenund ähnlichem zu erzielen, muß die Schallwellenlänge im Verhältnis zum mittleren Durchmesser der Fehlerstelle klein sein, vorzugsweise l/h oder¹l/lO des mittleren Durchmessers der Fehlerstelle. Somit wird ein Ultraschallwandler für äußerst hohe Frequenzen (i bis 25 MHs) benötigt. Einige Materialien weise», insbesondere bei höheren Frequenzen eine hohe akustische Dämpfung auf. Dementsprechend sind zur Durchführung einer verlässlichen zerstörungsfreien Prüfung kritischer Teile oder Werkstücke Hoch-

509819/0682

BAD ORIGINAL

_ 2 —

frequenz-Ultraschallwandler hoher Leistung eine unabdingbare Vo raus set zung.

Auch gibt es andere Anwendungsgebiete außer der Prüfung von Teilen oder Werkstücken. Zum Beispiel werden in der Medizin in hohem Maße Röntgenstrahlen zur Untersuchung des menschlichen Körpers auf Knochenbrüehe, Tumore und andere Krankheitsherde oder Verletzungen verwendet und werden wohl auch weiter in solchen Fällen verwendet werden, in denen eine "Schnelluntersuchung" ausreicht. In Fällen, in denen der Untersuchungszeitraum für den Körpör wegen der Auswirkungen der Röntgenstrahlen zu groß ist, sind andere Untersuchungsverfahren erforderlich. Die Anwendung von Ultraschall hat sich hier wie auch für Therapie und zahnärztliche Belange als sehr nützlich erwiesen. Jedoch absorbieren die Körpergewebe einen großen Teil der akustischen Energie, insbesondere bei hohen Frequenzen. Dementsprechend sind zur Entdeckung kleiner Verletzungen oder anderer kleiner Details Ultraschallwandler erforderlich, die einen höheren Wirkungsgrad bei diesen hohen Frequenzen aufweisen.

Eine Steigerung der Schallreflexion von einer Fehlorstollen-Zwischenschicht relativ zum räumlichen Reflexions-Rauschpegel, kann durch Konzentration akustischer Energie auf die Fehlerstelle erzielt werden. Dies kann durch Kollimation oder Fokussierung des Strahles erfolgen, jedoch stellt der Gesarat-Absorptionsverlust im Material einen begrenzenden Faktor dar. Zur Überwindung dieses Grenzfaktors ist es erforderlich, den Energiegehalt der auftreffenden Schallwelle zu erhöhen.

Einige Wandler, wie etwa elektromagnetische Wandler, erlauben wegen ihrer Masse keinen Betrieb bei hohen Frequenzen. Magneto-

509819/06 82

BAD ORIGINAL

striktionsgeräte sind aufgrund von Wirbelstromverlusten auf Frequenzen unterhalb von 50 kHz beschränkt. Einige piezoelektrische Geräte sind klein und in der Lage, bei hohen Frequenzen bis zu 25 MHz betrieben zu werden, weisen jedoch nur eine begrenzte Leistungsfähigkeit auf. Die Kapazität eines piezoelektrischen Kristalles ( Quarz, Rochelle oder Lithiumsulfat) oder einer dünnen Schicht eines ferroelektrischen Stoffes (Bariumtitanat, Bleititanatzirkonat, Bleimetaniobat oder dergl.) ist der Fläche von Elektroden an gegenüberliegenden Seiten direkt und dem Abstand zwischen den Elektroden umgekehrt proportional. Bei für hohe Frequenzen verwendeten dünnen piezoelektrischen Elementen ist somit die Kapazität sehr hoch, insbesondere für keramische Stoffe mit hohem Wirkungsgrad, wie etwa Blei-Metaniobat oder Bleizirkonat-Titanat, die eine hohe Dielektrizitätskonstante (250 bis 1700) aufweisen. Eine hohe Kapazität bedingt wiederum eine niedrige kapazitive Impedanz. Bei einer Frequenz von 10 MEz weist z.B. ein piezoelektrisches Element aus Blei-rMetaniobat mit einer Dielektrizitätskonstanten von 250 und Abmessungen von 6,35 mm χ 15,88 mm normalerweise eine kapazitive Impedanz von annähernd 10 0hm gegenüber einer angelegten Spannungsquelle auf. Ein Bleizirkonat-Titanat-Wandler der gleichen Größe würde sogar eine im Verhältnis zu seiner höheren Dielektrizitätskonstanten niedrigere Impedanz aufweisen,

Wegen dieser niedrigen Impedanz ist es sehr schwierig, piezoelektrische Anordnungen mit einer handelsüblichen 50 Ohm-Leistungsquelle zu erregen. Bei handelsüblichen Impulsgenerator- und Anzeigegeräten besteht der Stromkreis normalerweise aus einem elektrischen Speicherkondensator (von üblicherweise 330 pF), der über einen hochohmigen Widerstand (von üblicherweise 220 Kiloohm) während einer relativ langen Zeitdauer ge-

509819/0 682

laden und dann mit einem einzelnen piezoelektrischen Element verbunden wird. Ein elektronischer Schalter, wie z.B. ein Gasthyratron oder ein Thyristor, wird zur kurzzeitigen Entladung des Kondensators verwendet. Dies hat sich jedoch als nicht vollständig zufriedenstellend erwiesen, da nicht die gesamte in dem Kondensator abgespeicherte Energie dem piezoelektrischen Element zugeführt wird, sondern sich stattdessen auf den Speicherkondensator und die Kapazität des piezoelektrischen Elementes aufteilt. Eine aufeinanderfolgende Impulssteuerung mehrerer piezoelektrischer Elemente zur Steigerung der möglichen Ausgangsleistung würdo ein kompliziertes Hochspannungs-Impulsgebersystem niedriger Impedanz erfordern, das in der Lage sein muß, mit einer Impulsfrequenz zu arbeiten, die annähernd von der Geschwindigkeit der elastischen Welle geteilt durch die Wellenlänge im piezoelektrischen Material bestimmt wird. Wird zur Vermeidung eines derartigen Hochfrequenz-Impulsgebersystems jede Einheit gleichzeitig impulsgesteuert, so würde das Ergebnis (wie beim Stand der Technik) ähnlich wie bei einer mit niedriger Frequenz arbeitenden Einrichtung sein, deren Kennfrequenz und Eigenschaften von ihrer Länge und Masse bestimmt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Erzeugung von Schallwellen zu schaffen, deren Betrag während ihrer zeitlichen Portpflanzung selektiv gesteigert oder vermindert werden kann sowie einen akustischen Hochleistungswandler zur Erzeugung derartiger Schallwellen zu schaffen. Hierbei soll die verfügbare elektrische Umsetzungsenergie in einem einzelnen piezoelektrischen Element im Vergleich zu den Impulsverfahren und Impulsgebern des Standes der Technik gesteigert werden. Außerdem soll eine Anzahl piezoelektrischer Elemente akustisch gekoppelt werden, so daß einige oder alle Elemente derart betätigt

509819/0682

werden können, daß die elastische Welle eines jeden betätigten Elementes entweder phasengleich zu der durch das Element fortschreitenden elastischen Welle hinzuaddiert wird, wodurch eine Verstärkung der Welle erzielt wird, oder daß sie phasenverschoben ist und somit von der durch die Elemente fortschreitenden elastischen Welle subtrahiert wird. Ferner soll eine Einrichtung geschaffen werden, mittels der das erste Element einer Reihe von akustisch miteinander gekoppelten piezoelektrischen Elementen impulsgesteuert wird sowie eine Einrichtung zur darauffolgenden Verwendung der voraufgehend erzeugten elastischen Welle selbst zur sequentiellen Triggerung der restlichen Elemente, so daß die elastische Welle eines jeden Elementes mit der nächsten gekoppelt wird und phasengleich zu der in dem nächsten Element erzeugten elastischen Welle hinzuaddiert wird.

Diese Aufgabe der Erfindung wii'd durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen einer Anzahl piezoelektrischer Elemente während einer relativ langen Zeitdauer gelöst, die in einer Dickenrichtung d33 parallel zur Schallübertragungs- oder Schalldurchtrittsachse polarisiert sind. (Alternativ können die piezoelektrischen Elemente auch in einer anderen Richtung elektrisch polarisiert sein, wie z.B. rechtwinklig zur Schalldurchtrittsachse (d-^) und können derart in Reihen angeordnet sein, daß die mechanische Expansion und Kontraktion entlang der Schall- ., durchtritts- oder Schallübertragungsachse verläuft.) Die piezoelektrischen Elemente werden gleichzeitig über eine Anordnung hoher Impedanz mittels einer Hochspannungsquelle geladen. Die durch nie Kapazität der piezoelektrischen Elemente gespeicherte elektrische Energie wird während einer relativ kurzen Zeitspanne über eine Anordnung niedriger Impedanz entladen, um eine Leistungsumsetzung mit hohen Spitzenwerten in jedem entladenen

509819/0682

Element zu erzeugen, beginnend mit dem ersten Element am einen Ende der Gruppe und fortschreitend durch die Gruppe. Jedes Element wird mit einer Geschwindigkeit bzw. Frequenz entladen, die erlaubt, daß die während der extrem kurzen Entladungszeit in einem jeden vorherigen Element durch einen piezoelektrischen Vorgang erzeugte elastische Welle phasengleich der von dem gegenwärtig entladenen piezoelektrischen Element erzeugten elastischen Welle hinzuaddiert wird (oder subtrahiert wird, falls dies erwünscht ist). Hierdurch wird erreicht, daß eine akustische Welle hoher Leistung (im Schall- oder Ultraschallbereich) sich vom Ende des letzten entladenen Elementes ausbreitet.

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft einen akustischen Hochleistungswandler, der aus einer Anzahl akustisch miteinander gekoppelter piezoelektrischer Elemente besteht. Zur Erzielung einer maximalen Ausbeute der in jedem Element verfügbaren Energie werden die piezoelektrischen Elemente gleichzeitig mittels einer Hochspannungsquelle über eine Strecke mit hohem Impedanzwert während einer relativ langen Zeitdauer geladen. Eine elektrische Einrichtung ist zur aufeinanderfolgenden Entladung eines jeden Elementes über eine Strecke mit niedriger Impedanz vorgesehen. Die gespeicherte Energie wird dabei von jedem Element in einer sehr kurzen Zeit abgegeben, so daß ein akustischer Impuls hoher Spitzenleistung erzeugt wird. Jedes Element wird mit einer elektrischen Phasenverzbgerung entladen, so daß die elastische Welle eines jeden Elementes phasengleich der elastischen Welle des vorherigen Elementes hinzuaddiert wird, wodurch sich eine Verstärkung der akustischen Welle ergibt ₉ während sie längs der Durchtrittsstrecke fortschreitet. Die gesamte Folge wird mit

509819/0682

einer gewünschten Frequenz oder Geschwindigkeit wiederholt, um einen akustischen Strahl hoher Spitzenleistung zu erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. i teilweise im Schnitt eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 das vollständige elektrische Schaltbild der Treiberschaltung des Wandlers nach Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform der Erfindung, ι

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Erfordernis von Isolation zwischen den Elementen

in Wegfall kommt,

Fig. 5 und 6 eine Veranschaulichung der entsprechenden geladenen und entladenen Zustände der piezoelektrischen Elemente nach der Ausführungsform von Fig. k, und

Fig. 7 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die für Impulsbetrieb im sonischen Frequenzbereich geeignet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform der Erfindung ι ist hier lediglich mit drei piezoelektrischen Elementen 11, 12 und 13 dargestellt. In der Praxis kann natürlich jede belie-

509819/0682

_ 3 —

folge Anzahl von Elementen verwendet werden. Jedes Element besteht aus piezoelektrischem Material, wie etwa Blei-Metaniobat, Blei-Titanat-Zirkonat, Bariumtitanat oder dergleichen, das in bekannter Weise mittels Keramik-Herstellungsverfahren aufbereitet worden ist und bessere piezoelektrische Eigenschaften aufweist als einige natürliche Kristalle, wie etwa Quarz, da es mehreren Polarisationsvorgängen in einem starken elektrostatischen Feld unterworfen wird.

Im Handel sind aufbereitete und polarisierte piezoelektrische Keramikstoffe eines großen Bereiches elektromechanischer Umsetzungseigenschaften verfügbar, und zwar in verschiedenen Größen, Formen und Dicken (halbe oder ganze Wellenlänge), wobei die Dielektrizitätskonstanten von 5 bis 1700 reichen. Hinsichtlich der Dielektrizitätskonstante, der Frequenzkonstante, der elektromechanischen ümsetzungsparameter zur Erzielung einer optimalen Länge oder Dicke (gemessen entlang der Achse der Schallfortpflanzung, d.h., entlang der Achse der gewünschten piezoelektrischen mechanischen Spannung oder Deformation), der Kapazität und der Umsetzungseigenschaften wird das Material gewöhnlich entsprechend einer bestimmten vorgegebenen Frequenz ausgewählt. Für hohe Frequenzen wird das piezoelektrische Material gewöhnlich in einer sclieibenartigen Konfiguration verwendet, damit die Polarisation in der Dickenrichtung erfolgen kann. (Eine stabähnliche Konfiguration ist für Elemente zur Erzeugung großer Wellenlängen vorteilhaft. Die stabförmigen piezoelektrischen Elemente werden rechtwinklig (d-.) polarisiert, damit die mechanische Expansion und Kontraktion an jedem Ende auftritt.) Die Scheiben sind gewöhnlich eine halbe Wellenlänge dick. Die exakte Dicke hängt von der Frequenzkonstanten des Materials ab. In der folgenden Tabelle sind weitere elektromechanische Eigenschaften von Blei-Metaniobat aufgeführt, das als Kezite K 81 der Firma Keremos, Inc., Lizton, Indiana, USA, im Handel erhältlich ^±s*_B0981 9/Q682

f t

I *

— 9 —

Tabelle I Elektromechanische Eigenschaften von Blei-Metaniobat

Kv: relative Dielektrizitätskonstante ' 250 d„_?: piezoelektrische Dehnungskonstante

(1Ο~¹² Coulomb/Newton) 85

g^^i piezoelektrische Spannungskonstante

(1O~³ Volt · Meter/Newton) JiO

d,^: piezoelektrische Dehnungskonstante

(IO""¹² Coulomb/Newton) - -15

g₅₁: piezoelektrische Spannungskonstante

(1O~³ Volt · Meter/Newton) -7

Verlustfaktor bei 1 KHz . <l,0

spezifischer Widerstand (Ohm · era) IO

Qm = mechanisches Q (Dickenrichtung bzw. -bereich) <10 Frequenzkonstante (Dickenrichtung bzw. -bereich)

(kHz · 2,5^t cm/sec.) 58

Curie-Temperatur (°C) *

·—i 2

dh = hydrostatische Konstante (.10"" Coulomb/Newton) 55

Dichte (g/cm³) 5,8

509819/0682

Bei einer Betriebsfrequenz von 2,25 MHz und Verwendung eines Materials, das die in Tabelle I aufgeführten Eigenschaften aufweist, beträgt die Halbwellendicke für die Scheiben-Konfiguration ungefähr 0,635 mm und die Kapazität ungefähr 1000 pF für eine Scheibe mit einem Durchmesser von 19»O5 mm. Die piezoelektrischen Scheiben (oder Stäbe, wenn die Elemente, rechtwinklig polarisiert sind) sind entlang der Achse des Schalldurchtritts bzw. der Schal!übertragung angeordnet (geschichtet) und mittels eines niedrige akustische Verlustwerte aufweisenden Materials elektrisch voneinander isoliert, wie bei der ersten Ausführungsform der Erfindung in Fig. 1 dargestellt ist. Eine zweite, in Fig. k dargestellte Ausführungsform der Erfindung für ganze Wellen erfordert keine Isolation zwischen den Elementen. Bevor die Scheiben geschichtet werden, werden sie auf beiden Seiten mit Elektroden in Form dünner Filme aus leitendem Material, wie z.B. aufgedampftem 'Silber, versehen, wobei ein schmaler Abgriff sich an der Kante einer jeden Fläche erstreckt, über den die elektrischen Verbindungen zu dem Folge-Trigger-Steuerschaltkreis 14 hergestellt werden.

Beim Zusammenfügen der mit Elektroden versehenen Scheiben in aufeinanderfolgend betriebsfähige piezoelektrische Elemente,, werden Plättchen 15 und 16 aus elektrisch isolierendem Material, wie z.B. Glimmer, zwischen den piezoelektrischen Elementen eingesetzt bzw. einzementiert. Ein erfolgreich verwendetes Bindemittel war ein Epoxyd EC 1469, das von der Minnesota Mining and Manufacturing Corporation hergestellt wird„ Jedoch kann ein beliebiges Epoxyd oder anderes Bindemittel verwendet werden,

- - - · den

das in flüssigem Zustand aufgebracht wird und dann in/festen Zustand übergeht, wobei eine gute Klebverbindung und eine Zwischenschicht mit niedrigem akustischen Verlustfaktor gebildet

509819/0682

- 11 - .' ■

wird. Wegen seiner zusätzlichen Isolationseigenschaften wird vorzugsweise ein Epoxyd verwendet, jedoch können auch andere Bindemittel verwendet werden. Wie im folgenden genauer beschrieben wird, dient das Material nicht nur dazu, die Elemente und ihre elektrisch verbindenden Abgriffe zuzusammenzuhalten, sondern bildet auch ein akustisches Übertragungsmedium mit niedrigem Reflexionsfaktor und niedrigem Verlustfaktor zwischen jedem Element, Erfindungsgemäß werden jedoch auch andere Isolierstoffe, wie etwa Öl oder Flüssigkeiten, z.B. in Form eines dünnen Filmes verwendetj um niedrige akustische Verlustwerte zwischen den Elementen zu erzielen.

Nachdem die Elemente mit den Isolierplättchen verbunden worden sind, wird eine akustische Dämpfung 17 für die reflektierte Welle mit der Rückseite des ersten Elementes verbunden. Ein zufriedenstellendes akustisches Dämpfungsmittel für einen Betrieb bei 2,25 MHz stellt ein mit Metall angereichertes Einbettungsmaterial dar, das die in Tabelle II aufgeführten Eigenschaften aufweist.

Tabelle II

- Akustisches Dämpfungsmaterial

1. Epoxyd-Einbettungsmaterial:

10 g Epoxyd (Typ 3-M EC1469) gemischt mit h g Katalysatorsubstanz (u)

2. Dämpfungsfüllmasse:*

2 g Toluol gemischt mit 0,3 g Alon (Aluminiumoxyd) und 32 g Wolframpulver (-325 mesh) - /^

3. Verbinden der Gemische, Einfüllen in eine Gußform und Aushärten in einem Ofen bei 48,89°C während 20 bis 30 Minuten.

509819/0682

Die Dicke des Dämpfungsmittels beträgt annähernd 1,27 cm und umfaßt den Hauptanteil der in Fig. 1 dargestellten Wandlerhöhe. Es ist daher ersichtlich, daß die in der Zeichnung dargestellten Dimensionen nicht proportional sind. Die gedämpfte Schicht piezoelektrischer Elemente wird dann in einem an einem Ende offenen Gehäuse angeordnet, wobei das dritte Element mit der Öffnung fluchtend ausgerichtet ist.

TJm die Elemente an ihrem Platz zu befestigen, wobei die elektrischen Leitungen durch das Gehäuse verlaufen, wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird das Gehäuse mit einem Kunststoffmaterial ausgefüllt. Alternativ kann die Schicht piezoelektrischer Elemente auch derart mit Kunststoff vergossen werden, daß der Kunststoff selbst das Gehäuse darstellt oder sie können in einem ölgefüllten Gehäuse angeordnet werden, damit sich ein dünner Isolierfilm zwischen jedem Element ciusbildet. In beiden Fällen können schnell unterbrechbare Steckverbindungen oder Buchsen zum Verbinden der elektrischen Leitungen mit der Außenseite vorgesehen werden, so daß die Verbindungen zum Schaltkreis lh leicht geändert werden können. Der vollständige, aus drei Elementen bestehende Ultraschall-Hochleistungswandler ist dann bereit, auf dem zu prüfenden Objekt angeordnet zu werden. Eine Flüssigkeit, Paste oder ein anderes akustisches Kopplungsmittel wird zur akustischen Kopplung des Wandlers mit dem zu prüfenden Gegenstand verwendet. Ein geeignetes trockenes Einbettungsmaterial zur akustischen Kopplung ist in der US-Patentschrift 3 66? 842 beschrieben.

Die Folge-Trigger-Steuerschaltung für den Wandler nach Fig. ist in Fig. 2 dargestellt. Zwecks leichteren Verständnisses der Schaltungsanordnung sind die piezoelektrischen Elemente voneinander getrennt dargestellt, obwohl sie mittels eines

509819/0682

BAD ORIGINAL

Isolierstoffes akustisch miteinander gekoppelt sind. Diese Kopplung ist durch eine gestrichelte Linie vom einen Element zum nächsten angedeutet.

Eine Triggerinipulsquelle 20 gibt einen einzelnen Impuls jeweils dann ab, wenn der Wandler betätigt werden soll. Zwischen den Triggerimpulsen werden die Elemente auf eine Hochspannung von 2pO V oder mehr mittels einer Spannungsquelle 21 über separate Widerstände 22, 23 und 2h aufgeladen. Diese Widerstände werden groß gewählt (üblicherweise 150 Kiloohra), und die Ladezeit wird derart gesteuert (durch Verändern eines Reihenwiderstandes 25), daß sie kurzer ist als der Kehrwert der Triggerimpulsfrequenz* Hierdurch wird sichergestellt, daß eine maximale Energie gespeichert wird, die dann als Antwort, auf jeden Triggerimpuls abgegeben wird.

Ein Triggerimpuls wird mittels eines Impulstransformators T. mit der Steuerelektrode eines Thyristors 26 gekoppelt, der dann zündet unö eine Entladungsstrecke niedriger Impedanz für das erste Element 11 bildet. Die von der plötzlichen Spannungsänderung ara Element 11 erzeugte elektrische Welle verursacht eine Druckänderung am nächsten Element 12. Sind z.B. die Elemente derart polarisiert, daß die elektromotorische Kraft der Quelle 25 das piezoelektrische Material veranlaßt, sich in Richtung der vertikalen Achse zusammenzuziehen, verursacht die von der plötzlichen Entladung des Elementes 11 herrührende elastische Welle eingangs, daß das nächste Element 12 sich noch mehr in Richtung der vertikalen Achse zusammenzieht. Dies verursacht eine vorübergehende Steigerung der Spannung am Element 12. Dieser Spannungsstoß wird über einen Kondensator 2? einem Widerstand 28 zugeführt, der zwischen der Steuerelektrode

50981 9/0682

BAD ORDINAL

- lh -

und der Kathode eines Thyristors 29 liegt, um diesen zu triggern, wodurch das nächste Element veranlaßt wird, sich zu entladen und dadurch eine elastische Welle oder ein Teil einer elastischen Welle gebildet wird, die phasengleieh zu der elastischen. Welle des ersten Elementes hinzuaddiert wird. Um diese Phasen-« heziehung herzustellen, kann ein Verzögerungsglied 30- verwendet werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, oder die RC-Zeitkonstante des Kondensators 2? und des Widerstands 28 kann derart gewählt werden, daß sich das zweite Element nicht entlädt, bevor nicht die elastische Welle vom ersten Element eine ausreichende Distanz zurückgelegt hat, um phasengleieh mit der vom zweiten Element vereinigt zu werden. Das dritte Element entlädt sich dann darauffolgend in ähnlicher Weise und schließt einen Betriebs-· zyklus ab. Bevor der nächste Triggerimpuls der Triggerimpulsquelle 20 ansteht, werden alle Elemente parallel für den nächsten Zyklus wieder aufgeladen. Das* Ergebnis ist ein akustischer Energie-Entladuugsstoß bei jedem Triggerinipuls > wobei sich jedes Element unabhängig voneinander einer fortschreitenden Welle folgend entlädt, die anfangs durch die elektrische Entladung des ersten Elementes erzeugt wurde. Dieser Vorgang wird in zeitlicher Folge mit einer Suchirapulsfrequenz von 800 bis 1000 lmpvilsen/Sekunde wiederholt.

Erfindungsgeiuäß befinden sich auch piezoelektrische Elemente in dem Gerät, die nicht geladen und/oder entladen werden. Außerdem muß ein jedes piezoelektrisches Element nicht immer in dor Reihenfolge entladen werden (um einen Impuls hoher Energie und längerer Dauer zu erzeugen).

Falls dies in einem bestimmten Fall erforderlich ist, kann das Verzögerungsglied 30 oder die RC-Zeitkonstante des Kondensators' 27 und des Widerstandes 28 derart eingestellt werden, daß die

509819/0682

BAD ORIGINAL

Entladung des zweiten Elementes phasenverschoben zur elastischen Welle des zweiten Elementes erfolgt, wodurch sich gesamt ein Abfall des Betrages der fortschreitenden elastischen Welle an dieser Position ergibt.

Die Leistungsfähigkeit von im Ultraschall-Frequenzbereich verwendeten Wandlern wurde bisher durch ihre geringe physische Größe, durch die Halbwellendicke und durch Wärmeverlusteigenschaften beeinträchtigt bzw. begrenzt. Einzelne Hochfrequenzelemente wurden durch Anlegen eines Spannungsimpulses kurzer Dauer (ungefähr 1 Mikrosekunde) von einer Spannungsquelle niedriger Impedanz (50 Ohm) an das piezoelektrische Material erregt bzw. betätigt. Dieses Verfahren ist nicht sehr wirksam, und es wurde eine geringe Leistungsübertragung bei Ultraschallfrequenzen erzielt.

Geschichtete piezoelektrische Elemente mit elektrischen Eingangsleistungen von 1 bis 15 kW wurden lediglich in den unteren Schallfrequenzbereichen (500 bis 20 kHz) als Wandler zur Erzeugung hoher akustischer Leistungen ve.rwendet. Einige Wandler bestehen aus einer Anzahl von Querdehnungsplatten (45° Z-Schnitt) , mit dazwischenliegenden, elektrisch parallelgeschalteten Folienoder Blattelektroden. Die Enden und nicht die Flächen der Platten der gestapelten Kristalle wirken gleichzeitig zusammen, um eine einzige seitliche Ausdehnung vollständig unterschiedlich zui* erfindungsgemäßen Anordnung zu erzielen. Andere kombinierte Anordnungen des Standes der Technik verwenden in bestimmten Fällen dünne,parallel miteinander verbundene Scheiben aus Y~Schnitt-LitIiiumsulfat, um einen Würfel oder eine Stange zu ! bilden, in denen wiederum alle Platten gemeinsam' expandieren [ und sich zusammenziehen, um einen einzigen starken piezoelektrischen Vo liunen-Expans ions effekt zu erzielen, der in keiner Weise

509819/0682

BAD ORIGINAL'

das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung betrifft. Dicke Scheiben, lange Stangen, große Rohre, Ringe oder andere Formen werden ebenfalls in dieser Weise verwendet, doch werden im allgemeinen derartige Wandler lediglich im sonischen Frequenzbereich verwendet, und bei Verwendung kombinierter Anordnungen arbeiten alle Sektionen gleichzeitig, wobei jede einzelne Scheibe, jeder Ring oder jede andere geometrische Konfiguration ihre Dimensionen gemeinsam in der gleichen Richtung und zur gleichen Zeit ändern.

Bei einer weiteren, in der US-Patentschrift 3 693 415 offenbarten Vorrichtung werden piezoelektrische Mehrfachelemente verwendet, die,in gleichem Abstand angeordnet,in einer Reihe relativ zum Werkstück placiert werden, wobei aufeinanderfolgende Einheiten oder Gruppen derart erregt werden, daß aufeinanderfolgende Brennpunkte entlang einer Strecke auf der äußeren Oberfläche des Werkstückes verlaufen. Die Winkel sind derart, daß die Impulse im wesentlichen zur gleichen Zeit an einem Punkt innerhalb des Werkstückes auftreffen.Bei Verwendung mehrerer Wandler wird ein wesentlicher Teil des Werkstückes abgedeckt» Bei diesem Verfahren wird eine Anzahl Wandler benötigt, die jeweils unabhängig voneinander¹mit vorgegebenen festen Winkeln arbeiten. Die Ausgangsamplitude eines Wandlers wird nicht derjenigen des nächsten und übernächsten Wandlers als zeitliche Funktion hinzuaddiert, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist. Übliche Impulsverfahren werden angewandte Die längere akustische Strecke in der Probe ermöglicht dies. Ähnliche Verfahren wie das-oben erwähnte werden beim Stand der Technik zur Abtastung einer großen Fläche mit Oberflächenwelle** angewandt, wobei sequentiell betriebene Mehrfachwandler verwendet werden. Eine weitere ähnliche Vorrichtung nach einer anderen

509819/0682

Erfindung verwendet eine Flüssigkeit in Verbindung mit Mehrfachelektroden. Diese und andere Vorrichtungen des Standes der Technik verwenden jedoch nicht die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewandten vorteilhaften Prinzipien.

Die vorliegende Erfindung basiert auf dem gleichzeitigen Aufladen einer Anzahl von Elementen über eine hohe Impedanz mittels einer üblichen Spannungsquelle und anschließendem Entladen der gespeicherten Ladungen in den Elementen, wobei dies jeweils während einer kurzen Zeitdauer (geringer als eine Mikrosekunde) über eine Strecke niedriger Impedanz (wesentlich kleiner als 0,1 Ohm) erfolgt. Zur Wiederaufladung der Elemente für den nächsten Zyklus wird die gleiche übliche Quelle hoher Impedanz verwendet, und jedes Element lädt sich unabhängig über eine relativ lange Zeitdauer auf. Somit werden alle piezoelektrischen Elemente gleichzeitig während des Zeitintervalles zwischen den akustischen Suchimpulsen der Quelle 20 wieder aufgeladen. Die Ladezeit ist relativ lang (0,001 bis 0,08 Sekunden) verglichen mit der Hüllkurve des akustischen Energie-Entladungsstoßes (0,2 bis 1 Mikrosekunde). Die in den Elementen gespeicherte Energie wird in mechanische Energie umgesetzt, die die Elemente deformiert, also dünner oder dicker macht, abhängig von der Polarisation der Elemente und der Polarität der Spannungsquelle. Die gesamte in jeder Einheit gespeicherte Energie ist dem Quadrat der Batterie- oder Versorgungsspannung proportional und kann außerordentlich hoch sein verglichen mit üblichen Impulsanregungsverfahren, bei denen lediglich ein Teil der Impulsspannung dem Wandler zugeführt wird. .Da die gesamte gespeicherte Energie in ungefähr 1 Mikrosekunde oder weniger abgegeben werden kann, wird ein akustischer

509819/0682

Entladungsstoß hoher Spitzenleistung von jedem Element in der Schicht oder dem Stapel erzielt. Es gilt: Wattsekunden = 1/2CE , ■wobei C die Kapazität eines Elementes und E die Spannung der Spannungsquelle 2i sind.

Wird angenommen, daß eine Energie von 8 χ 10 Wattsekunden in jedem piezoelektrischen Element gespeichert ist, so wird bei Abgabe dieser Energie innerhalb einer Mikrosekunde die für die Umsetzung in mechanische Energie verfügbare elektrische Spitzenleistung annähernd 800 Watt pro Element betragen. Wird die Energie innerhalb etwa 200 Nanosekunden abgegeben, würde die Umsetzungs-Spitzenleistung annähernd k Kilowatt pro Element betragen. Werden weiterhin die Zwischenschicht und andere Verlustfaktoren vernachlässigt und eine 100 $>ige elektromechanische Umsetzung angenommen, so würde die von der Energiegleichung beschriebene Leistungs-Zeitabhängigkeit theoretisch mit der Anzahl der Elemente in der Schicht oder dem Stapel multipliziert. Ein derartiges Beispiel ist jedoch offensichtlich unrealistisch. Elektromechanische Umsetzungsfaktoren liegen zwischen 0,5 und 0,8, und es treten Zwischenschicht-Absorptions- und räumliche Verluste auf. Das Beispiel dient jedoch zur Veranschaulichung der Tatsache, daß eine Spitzen-Leistungsverstärkung von -wesent lichem Ausmaß mittels dieses Verfahrens erzielt werden kann. Wenn "n" Elemente sich in dem Stapel befinden und jedes Element von einem Thyristorschalter während einer Zeitdauer kurzgeschlossen wird, die im wesentlichen phasengleich mit der elastischen Welle vom vorherigen Element ist, wird die Amplitude der längs des Stapels fortschreitenden elastischen Welle vergrößert. Die Batteriespannung wird somit effektiv mit "»",multipliziert, und es wird eine Verstärkung üer Leistung der elastischen Welle erzielt.

£09819/0682

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird die von der Schallenergie in jedem piezoelektrischen Element induzierte Spannung zur Triggerung des Thyristors des nächsten Elementes und des aufnehmenden Elementes verwendet. Buchsen 31 dienen zum Anschluß eines geeigneten Aufzeichnungsoder Anzeigegerätes. Sowohl das übertragene oder gesendete Signal als auch das zurückkehrende Echosignal können durch Verwendung des letzten Elementes 13 sowohl als empfangenden als auch als sendenden oder, übertragenden piezoelektrischen Wandler beobachtet werden. Durch ,.Verwendung eines einstellbaren Verzögerungsgliedes in den Steuerelektrodenstromkreisen der Thyristoren ist es möglich, das übertragene akustische Signal auf maximale Werte zu bringen, indem die Verzögerungsglieder 30 solange eingestellt werden, bis ein maximales Echo von der Fehlerstelle unter Standardbedingungen erhalten wird.

Bei einer zweiten, unter Bezug auf Fig. 3 noch zu beschreibenden Ausführungsform der Erfindung werden die Thyristoren sequentiell mittels separater Multivibrat'oren getriggert. Zur Vereinfachung sind auch in der Ausführungsform nach Fig. 2 enthaltene gleiche Schaltungskomponenten mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Ein Impuls der Triggerimpulsquelle triggert einen ersten Multivibrator 32. Die Vorderflanke des positiv verlaufenden Ausgangssignals am "wahren" Ausgangsansehluß (l) ist über einen Differenzierkreis mit der Steuerelektrode des Thyristors 26 gekoppelt. Der Differenzierkreis, besteht aus einem Kondensator 33 und einem Widerstand 34, der das erste Element 11 betätigt. Wenn sich der Multivibrator nach einer vorbestimmten Zeitdauer zurückstellt, nimmt sein "falscher" Ausgang (θ) positive Werte an und triggert einen Multivibrator 35 zur Triggerung des zweiten Elementes 12. Nach

509819/0682

einer vorbestimmten Zeitdauer stellt sich der Multivibrator 35 zurück und triggert einen Multivibrator 36, um das dritte Element 13 zn erregen. Die Perioden der Multivibratoren sind derart eingestellt, daß die Elemente sequentiell und phasengleich mit der vom ersten Element erzeugten fortschreitenden elastischen Welle entladen werden.

Es können auch andere Techniken zur Erzielung einer sequentiellen Triggersteuerung verwendet werden. Zum Beispiel kann eine Laufzeitkette oder Verzögerungsleitung mit Abgriffen für jeden Thyristor anstelle einer Kette aus Multivibratorschaltungen verwendet werden. Alternativ können auch digitale Verfahren unter Verwendung eines Taktimpulsgebers und eines Zählers zur zeitlichen Steuerung der Perioden zwischen der Aktivierung der Elemente angewendet werden. Analoge Verfahren weisen als Vorteil gegenüber einem scharfen Triggerimpuls ein statisches Steuersignal für jedes Element auf. Ein Vorteil eines statischen Steuersignals besteht darin, daß dann andere elektronische Schalteinrichtungen zur Entladung des Elementes, wie z.B. ein Transistorschalter verwendet werden können, der während des Anliegens des Steuersignals leitend ist. Bei höheren Entladungsspannungon können zwei Transistorschalter in Reihe geschaltet und gleichzeitig durch das gleiche Steuersignal eingeschaltet werden. Auch weitere Möglichkeiten sind dem Fachmann sicherlich geläufig. Wesentlich ist vor allem, daß die Elemente während einer relativ langen Zeitdauer von einer gemeinsamen Spannungsquelle hoher Impedanz geladen werden und in Phasenfolge über Schalter sehr niedriger Impedanz entladen werden. Je kürzer die Entladedauer ist, um so größer ist die zur Umsetzung in mechanische Energie verfügbare elektrische Spitzenleistung.

509819/0682

BAD ORIGINAL

Es kann eine beliebige Anzahl von Elementen zur weiteren Steigerung der bei Betätigung der Elemente in Phase mit der elastischen Welle vom ersten Element erzielten Leistungsverstärkung verwendet werden. Jedoch existiert eine maximale Anzahl von Elementen, über die hinaus aufgrund der Verluste zwischen den Elementen kein praktischer Vorteil mehr auftritt. Dies ist der Fall, wenn der Beitrag des η-ten Elementes zur Verstärkung oder Erhöhung des übertragenen Signals lediglich ungefähr 10 % beträgt. Der Ausgangsleistungsbeitrag (P ) des η-ten Elementes

p ο ·

ist dann .(lO/lOO) der Eingangsleistung P..

Die Leistungsreduktion aufgrund der Dämpfung a der Isolierplättchen zwischen den Elementen ist für das n-te Element:

(es sei

Somit ergibt sich durch Einsetzen:

² P ■ P

do/100)

log

(n-l)a = 10 log 1000
(n-l)a = 30

a = 2£

509819/0682

Zum Beispiel liegt die praktische Grenze für die Anzahl der Elemente bei ungefähr 50, wenn "a" 0,6 dl) "beträgt. Aufgrund der in jedem Element gespeicherten Energie sind jedoch unter Umständen nur wenige Elemente erforderlich. Die Verstärkung in db "bei η Element en für ein einziges Element kann den folgenden Gleichlingen entnommen werden, wobei n>l ist:

Leistung eines Elementes: P
Leistung zweier Elementes P + (KP)
Leistung dreier Elemente: P + (KP) + (K²P)

ρ ¹Z

Leistung von vier Elementen: P + KP * K "P + KP Leistung von η Elementen = P + (K+K²+K³+ ... K¹¹"¹) P

P +

Verstärkung (db) = 10 log

_1Q

Verstärkung (db) = 10 log.' (l + SlKⁿ

wobei K die Durchlässigkeit der Zwischenschicht in % ist.

Andere Möglichkeiten innerhalb dieses Konzeptes des gleichzeitigen Ladens und sequentiellen Entladens geschichteter piezoelektrischer Elemente ergeben sich für einen Fachmann aus der Art, wie die Elemente zwecks enger akustischer Kopplung bei minimalen Kopplungsverlusten geschichtet sind. Optimal würde eine Schichtung der Elemente Rückseite an Rücks'eite ohne jedes dazwischenliegende Isoliermaterial sein. Eine in Fig. h veran--

509819/0682

BAD OBlGlNAt

2U8318

schaulichte Anordnung erlaubt es, benachbarte Elemente direkt olme Isolatoren miteinander zu verbinden und gestattet, daß sich die oberen und unteren Oberflächen der Schicht bzw, des Stapels auf Massepotential befinden.

Bei dieser Anordnung werden die Elemente paarweise entladen. Die Elemente eines Paares werden entgegengesetzt mit der Ver-. sorgungsspannung E. -verbunden. Alle Elemente in der Schicht bzw, dem Stapel'weisen die gleiche, durch Punkte bezeichnete ferroelelctrische Polarisation auf. Dementsprechend wird bei einem bestimmten Paar, wie z.B. dem ersten Paar aus Elementen 41 und 42 das Laden der Elemente eine Kontraktion des Elementes 41 und eine longitud-inale Expansion des Elementes 42, d.h. entlang der Achse ä.er Schicht, wie in Fig. 5 dargestellt, verursachen. Wird ein Schalter S. geschlossen, so dehnt sich das Element 41 aus_y und das Element 42 zieht sich gleichzeitig zusammen. Der Ruhezustand des ersten Elementpaares nach Schließen des Schalters S. und vollständigem Entladen der gespeicherten Ladung ist in Pig. 6 veranschaulicht. Das Gesamtergebnis besteht darin, daß eine elastische Welle dieses Paares mit dem nächsten. Paar gekoppelt wird, das dann in Phasenfolge durch Schließen eines Schalters S„ betätigt wird. Die Schalter sind hier als mechanische Schalter dargestellt, können jedoch in der Praxis natürlich auch durch elektronische Einrichtungen, wie z.B. Thyristoren ersetzt werden·.

Da die Elemente bei dieser alternativen Anordnung der Schicht oder des Stapels paarweise arbeiten, soll der Ausdruck "piezoelektrische Elemente, die gleichzeitig geladen-und in Phasenfolge entladen werden" so verstanden werden, daß damit auch paarweise angeordnete piezoelektrische Plättchen gemeint sind,

50 9 819/0682

BAD ORIGINAL

- 2k -

wobei jedes Paar ein Element Mldet. Die Prinzipien und Schaltungsanordnungen zur sequentiellen phasengleiehen Entladung der Elemente sind die gleichen wie für die anderen Ausführungsformen der Erfindung.

Wie bereits erwähnt, ist es wünschenswert, ein hohes Ladepotential zu verwenden. Dementsprechend können bei Wandlern für" den Ultraschallbereich bei Steigerung der Betriebsfrequenz Überschläge an den Kanten der Elemente auftreten. Dies beruht darauf, daß die halbe .ode.r ganze Wellenlängendicke bei Steigerung der Frequenz abnimmt. Dieses Problem kann durch richtige Auswahl der piezoelektrischen und diese umgebenden Materialien vermieden werden. Piezoelektrische Stoffe sind in einem weiten Bereich von Dielektrizitätskonstanten (4,5 bis 1700) erhältlieh.

Das piezoelektrische Bodenelement, das als Empfänger oder aufnehmender Wandler verwendet wird, kann aus einem Material hoher Spannungskonstante (GL_)-hergestellt sein, um optimale Empfangskennwerte zu erzielen. Die anderen Elemente der Schicht oder des Stapels können aus Material einer hohen Oehmmgskonstante (D--) hergestellt sein, um eine gute elektroraeehanische Umsetzung sicherzustellen. Das empfangende Element sollte geometrisch oder bezüglich des Ultraschalls phasenisoliert sein, um eine ausgezeichnete Auflösung nahe der Oberfläche sicherzustellen. Bei Pestkörperschaltkreisen ist es praktisch, sie in die piezoelektrische Schicht zu integrieren und den gesamten Wandler innerhalb eines Gehäuses anzuordnen. Hierdurch werden Impulsgeberleitungen minimaler Länge erhalten, was eine Voraussetzung für den Betrieb im Ultraschall-Frequenzbereich ist. Mikroelektronische integrierte Schaltkreise des Standes der Technik erfüllen in ausreichendem Maße diesen Zweck.

509819/0682

Bei niedrigen (sonischen) Frequenzen ist die Dicke eines jeden Elementes aufgrund der größeren halben oder ganzen Wellenlänge notwendigerweise größer als bei hohen Frequenzen. Dementsprechend würde die Kapassitat eines jeden Elementes aufgrund des größeren ATj-starides zwischen den Elektroden zu klein sein, um einen ausreichenden-Energiebe trag speichern zu können. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch bei niedrigen Frequenzen angewendet werden, indem die Kapazität eines jeden Elementes wirksam gesteigert wird. Dies wird durch Teilung der Dicke eines jeden Elementes in Unterelemente erreicht und Aufbau der tinterelemente in der gleichen Weise, wie dies bei den bereits beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung der Fall ist, wobei die Untereleraente jedoch elektrisch paralielgeschaitet sind. Die parallel geschalteten !Filterelemente werden dann gleichzeitig als einzelnes Element phasengleich mit der entlang des Stapels von den benachbarten parallelgeschalteten Unterelementen fortschreitenden elastischen Welle getriggert. Die zusammengefaßte Länge der geschichteten Unterelemente ergibt größere Wellenlängen (niedrigere Frequenzen), während die gesamte Kapazität der elektrisch parallelgeschalteten Unterelemente eine größere Kapazität zur Energiespeicherung ergibt. In Fig.-7 ist dieses Verfahren für die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 veranschaulicht. Zur ' leichteren Verständlichkeit wurden für entsprechende Elemente die gleichen Bezugsziffern mit kleinen Buchstaben a, b, c ... für Komponenten von Unterelementen verwendet. Das gleiche Verfahren kann in analoger Weise auch zur Anpassung der Ausführungsformen der Erfindung nach den Fig. h bis 6 an niedrige Frequenzen verwendet werden.

509819/0682

BAD ORIGINAL

Claims

- 26 Patentansprüche

7l.J Verfahren zur Erzeugung von Schallwellen Kittels einer Anzahl akustisch gekoppelter piezoelektrischer Elemente, vor? denen zumindest ein Element zwecks Dehnung und Kontraktion entlang der Achse der Sehallübertragung polarisiert ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Aufladen zumindest eir.es der Elemente mittels einer Spanmmgsquelle, Entladen eines jeden geladenen Elementes und Steuern der Entladung, so daß der Betrag der Schallwelle erhöht oder erniedrigt wird.

2. Verfahren zur Erzeugung von.Schall- oder Ultraschallwellen mittels einer Anzahl .akustisch gekoppelter piezoelektrischer Elemente, die zwecks Dehnung und Kontraktion entlang der Achse der SchaHwellenübertragimg polarisiert sind, gekennzeichnet durch die Schritte: gleichzeitiges Aufladen der Elemente über eine hohe Impedanz mittels einer Spstnnungsquelle, aufeinanderfolgendes Entladen der Elemente., wobei jedes Element über eine Strecke niedriger Impedanz entladen wird, und Steuerung der Entladung eines jeden aufeinanderfolgenden Elementes, nachdem das erste Element entladen worden ist, so daß die Entladung phasengleich mit der durch das Element .fortschreitenden elastischen Welle von dem vorherigen Element erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Entladung eines joden dem ersten Element folgenden Elementes durch Erfassen der von der Schallonergio der durch das Element fortschreitenden elastischen Welle in dem Element induzierten Spannung erfolgt, und daß ein Schalter zur Entladung des Elementes getriggert wird, in den die induzierte Spannung erfaßt worden ist.

509819/0682

bäd original

k. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Entladung eines jeden dem ersten Element folgenden Elementes derart in einer Phasenfolge erfolgt, daß sich die von jedem folgenden Element erzeugte elastische Welle oder ein Teil davon in Phase mit der durch die Gruppe der Elemente fortschreitenden elastischen Welle befindet und· sich zu dieser hinzuaddiert.

5. Verfahren nach. Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Entladung eines jeden dem ersten Element folgenden Elementes derart in einer Phasenfolge erfolgt, daß die von einem jeden folgenden Element erzeugte elastische Welle oder ein Teil davon zu der durch die Gruppe der EIemente fortschreitenden elastischen Welle phasenverschoben ist und von ihr subtrahiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Entladung eines jeden dem ersten Element folgenden Elementes derart in einer Phasenfolge erfolgt, daß die von einem oder mehreren folgenden Elementen erzeugte elastische Welle oder ein Teil davon sich in Phase mit der durch die Gruppe der Elemente fortschreitenden elastischen Welle befindet und zu dieser hinzuaddiert τ/ird, und, daß die von einem oder mehreren folgenden Elementen erzeugte elastische Welle gegenüber der durch die Gruppe der Elemente fortschreitenden elastischen Welle phasenverschoben ist und von dieser subtrahiert wird.

509819/0682

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet _f daß jedes Element aus einer Vielzahl piezoelektrischer üntereleraente besteht, die schichtartig oder stapelartig angeordnet und akustisch miteinander gekoppelt sind, und daß die Unterelemente eines jeden Elementes gleichzeitig entladen r/erden und somit ein längeres Element zur Bildung von Schallwellen niedriger Frequenz und hoher Energie bilden.

8. Verfahren zur Erzeugung von Schall- oder Ultraschallwellen mittels einer Anzahl akustisch gekoppelter piezoelektrischer Elemente, die zwecks Dehnung und Kontraktion entlang der Achse der Schallwellenübertragung polarisiert sind, gekennzeichnet durch die Schritte: gleichzeitiges Aufladen der Elemente über eine hohe Impedanz mittels einer Spannungsquelle, Entladen der Elemente, wobei jedes Element über eine Strecke niedriger Impedanz entladen wird, und Steuern der Entladung der Elemente, wobei zumindest ein Element phasenverschoben zu der elastischen Welle entladen wird, die durch die Gruppe der Elemente fortschreitet.

9. Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen, gekennzeichnet durch eine Vielzahl akustisch gekoppelter piezoelektrischer Elemente, von denen zumindest ein Element zwecks Dehnung und Kontraktion entlang der Achse der Schallübertragung polarisiert ist, durch eine Einrichtung zum Laden jedes Elementes, durch eine Einrichtung zum Entladen jedes geladenen Elementes, und durch eine Einrichtung zur Steuerung jeder Entladung, so daß der Betrag der Schallwelle erhöht oder verringert wird.

509819/0682

BAD ORIGINAL·

~ 29 -

10..Vorrichtung zur Erzeugung eines akustischen Energie-Entla— dungsstoßes aus Ultraschallwellen hoher Leistung, gekennzeichnet durch stapelartig geschichtete, akustisch miteinander gekoppelte piezoelektrische Elemente, die jeweils aus einer Scheibe piezoelektrischen Materials bestehen, die zwecks Uetriebs im Dickenbereich in einer Richtung entlang einer Achse des Stapels polarisiert ist,₀die senkrecht zu den flachen Seiten der stapelartig geschichteten Elemente verläuft j wobei sich ein separater leitender Film auf jeder Seite einer jeden Scheibe befindet, durch eine Einrichtung hoher Impedanz zum gleichzeitigen Laden der Kapazität der Elemente, durch' Aufbringen einer elektrischen Ladung auf jedes Element, und durch eine Einrichtung zum sequentiellen Entladen eines jeden Elementes über eine separate Entladungsstrecke niedriger Impedanz in Phase mit der entlang der Schallachse fortschreitenden elastischen Wolle.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungseinrichtung einen mit jedem Element verbundenen separaten elektronischen Schalter niedriger Impedanz mit jeiveils einer mit dem leitenden PiIw auf einer Seite eines Elementes verbundenen Anode, einer mit dem leitenden Film auf der anderen Seite des Elementes verbundenen Kathode und einer Steuerelektrode aufweist, sowie einen Kondensator zwischen der Anode und der Steuerelektrode eines jeden Schalters.mit Ausnahme des ersten Schalters am einen Ende dee Stapels, einen mit der Steuerelektrode und der Kathode eines jeden Schalters mit Ausnahme des ersten Schalters verbundenen Widerstand und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Spannungsimpulses zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des ersten Schalters aufweist, wobei der

5098 19/0682

BAD ORIGINAL

Spannungsimpuls eine vorgegebene Polarität besitzt, um den ersten Schalter in die Leitung zu treiben und dabei das ' am Ende befindliehe Element, mit dem der erste Schalter verbunden ist, zu entladen und wobei jedes dem am Ende befindlichen Element folgende Element polarisiert ist, tun einen induzierten Spannungsimpuls der vorgegebenen Polarität als Antwort auf die von einem vorherigen Element in dem Stapel fortschreitende elastische Welle zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der elektronischen Schalter niedriger Impedanz ein gesteuerter Gleichrichter ist.

13. Vorrichtimg nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladeeinrichtung einen mit jedem Element des Stapels verbundenen separaten elektronischen Schalter niedriger Impedanz sowie eine Steuereinrichtung auf v/eist, um öle elektronischen Schalter zwecks Entladung der Elemente in Phasenfolge über eine niedrige Impedanz sequentiell zu betätigen, so daß sich eine elastische Welle eines jeden Elementes phasengleich zu der von einem vorherigen Element fortschreitenden elastischen Welle binzuaödiert.

14. Vorrichtung nach Anspruch'10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente eine Vielzahl piezoelektrischer Unterelenente aufweisen, die jeweils mit einem separaten leitenden J'ilri auf jeder Seite versehen sind, wobei die Unterelemente eines Elementes akustisch gekoppelt und polarisiert sind, um in Dickenrichtung entlang der Achse betrieben zu werden und alle Unterelemente eines Elementes elektrisch parallelgeschaltet sind, um gleichzeitig geladen zu werden und von der Entladeeinrichtung gleichzeitig entladen zu werden.

509819/0682

BAD ORIGfNAL

2U8318

15. Vorrichtung zur Erzeugung eines akustischen Energie-Entladungsstoßes axis Schallwellen hoher Leistung, gekenn-

' zeichnet durch eine stangenartige Konfiguration akustisch miteinander gekoppelter piezoelektrischer Elemente, von denen zumindest ein Element an den Seitenflächen polarisiert ist, um im Endbereich und senkrecht zur Richtung des Durchtritts der Schallwelle" betrieben zu werden, durch eine Einrichtung hoher Impedanz zum gleichzeitigen Aufladen der Kapazität der Elemente durch Aufbringen einer elektrischen Ladung auf jedes Element, und durch eine Einrichtung zum sequentiellen Entladen eines jeden Elementes über eine setiarate Entladungsstrecke niedriger Impedanz in Phase mit der entlang der Schallachse fortschreitenden elastischen ¥elle.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein piezoelektrisches Element für einen Betrieb in Dickenrichtung in einer Richtung entlang einer Achse der aus Elementen bestehenden Stange polarisiert ist.

509819/0682

BAD OBiGlNAt

Le

erseite