DE2515503C3

DE2515503C3 - Ultraschallverzögerungsleitung zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus

Info

Publication number: DE2515503C3
Application number: DE19752515503
Authority: DE
Inventors: Toshiki Yokohama Omori; Takeo Ebina Yokohama
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 1974-04-10
Filing date: 1975-04-09
Publication date: 1979-10-18
Also published as: JPS50134350A; GB1486700A; DE2515503A1; DE2515503B2; IT1034982B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultraschallverzögerungsleitung zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus (n = 0) gebildet aus eineim Ultraschallwellenausbreitungsmedium, das zwei zueinander parallele Hauptbegrenzungsflächen und eine Stirnfläche oder zwei Stirnflächen aufweist, die einen gemeinsamen oder getrennte Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Ultraschallwelle in dem Ausbreitungsmedium bzw. zur Umwandlung der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal trägt bzw. tragen.

Eine Ultraschallverzögerungsleitung dieser Art ist beispielsweise aus der Druckschrift »IRE Transactions on Ultrasonics Engineering«, Juni 1960, Seite 35 bis 43, und Dezember 1962, Seite 30 bis 37 bekannt

Die bekannte UltraschaUverzögerungsleitung zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus (n = 0; auch mit SH-Modus bezeichnet) hat grundsätzlich eine Konstruktion, bei der ein Sendewar.dler und ein Empfangswandler an jeweils einer der beiden senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen eines quaderförmigen Ultraschallausbreitungsmediums verlaufenden Stiraflächen angeordnet sind. Das Ausbreitungsmedium hat die Gestalt eines rechteckförmigen Parallelepipeds und besteht aus Glas oder einem anderen geeigneten Werkstoff. Anstelle der beiden Wandler an den beiden Stirnflächen des Ausbreitungsmediums kann auch ein an einer Stirnfläche vorgesehener Wandler angeordnet sein, der sowohl zum Senden als auch zum Empfangen dient Bei dieser bekannten, im Nichtdispersionsmodus betriebenen Ultraschallverzögerungsleitung ist die Dicke des Ausbreitungsmydiums derart gewählt daß sie beispielsweise kleiner als das Fünffache der Wellenlänge λ der Ultraschallwelle und der Ultraschallwellen von vom Wand!er abgegebenen verschiedenartigen Schwingungsanen ist daß die Wellenaussendung senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen erfolgt daß eine sich parallel zu den Hauptbegrenzungsflächen fortpflanzende Ultraschallwelle vom Modus η = 0 zur Ausbreitung aktiv benutzt wird und daß die Erzeugung und Ausbreitung von Ultraschallwellen von einem Modus, der gleich oder größer als η = 1 ist erschwert werden.

^J5 Unter den bekannten Ultraschallverzögerungsleitungen zum Betrieb in einem Nichldispersionsmodus weist diejenige Konstruktion, bei der an den beiden Stirnflächen eines Ausbreitungsmediums in Gestalt eines rechteckförmigen Parallelepipeds Wandler zum Aussenden und Empfangen von Wellen vorgesehen sind, die folgende Schwierigkeit auf. Zusätzlich zu der gewünschten Ultraschallwelle mit einem Modus von π = 0. die sich mit einer Verzögerungszeit τ vom Sendewandler zum Empfangswandler direkt ausbreitet, treten auch ungewollte Wellen- oder Schwingungskomponenten auf. So ist beispielsweise eine reflektierte Welle (Echowelle) mit einer Verzögernngszeit von 3 r vorhanden. Diese Welle entsteht dadurch, daß die vom Sendewandler erzeugte Welle nach Durchlaufen des Ausbreitungsmediums vom Empfangswandler reflektiert wird, anschließend vom Sendewandler reflektiert wird und dann wieder den Empfangswandler erreicht. Durch wiederholte Reflexionen treten auch reflektierte Wellen mit Verzögerungszeiten von 5 r. 7 r auf. Von

⁵^ diesen reflektierten Wellen haben diejenigen mit Verzögerungszeiten von 5 r, 7 r. ... einen sehr niedrigen Energiepegel, so daß sie im wesentlichen vernachlässigbar sind. Die reflektierte Welle mit einer Verzögerungs/eit von 3 r ist allerdings verhältnismäßig energiereich, so daß sie als störend empfunden wird, wenn die UltraschaUverzögerungsleitung für eine genaue Arbeitsweise gedacht ist.

In ähnlicher Weise tritt bei den bekannten Ultraschallverzögerungsleitungen mit einer Konstruktion,

^br> hei denen an einer Stirnfläche des quaderförmigen Ausbreitungsmediums zum Aussenden und Empfangen der Wellen ein Wandler vorgesehen ist, das Problem auf, daß zusätzlich zu der gewünschten Ultraschallwelle

vom Modus π = 0, die an der einen Stirnfläche von dem Wandler erzeugt, von der anderen Stirnfläche des Ausbreitiuigsmediiiras reflektiert und nach einer Verzögerungszeit ν von dem Wandler wiedei empfangen wird, ungewollte reflektierte Schwingungs- oder WeI-lenkomponenten vorhanden sind. Die ungewollten Wellenkomponenten entstehen durch wiederholte Reflexion am Wandler und haben daher Verzögerungszeiten von 2 τ, 3 τ,Λ τ,-..

Bei dieseu bekannten Ultraschallverzögerungsleitungen zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus mit einer Ultraschallwelle vom Modus π = 0 ist somit die Unzulänglichkeit verbunden, daß infolge von Echowellenreflexion ungewollte Wellenkomponenten erzeugt werden. Bei der ersten Bauart Mit zwei Wandlern wird insbesondere die reflektierte Welle mit der Verzögerungszeit von 3 r als störend empfunden, während bei der Ultraschallwellenverzögerungsleitung mit einem Wandler die reflektierte Welle mit einer Verzögerungszeit von 2 τ die Hauptstörung darstellt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine im Nichtdispersionsmodus betreibbare Ultraschallverzögerungsleitung unter Verwendung einer sich senkrecht durch das Ausbreitungsmedium von einem Sendewandler zu einem Empfangswandler fortpflanzenden Ultraschallwelle vom Modus η = 0 zu schaffen, ohne daß an den Hauptbegrenzungsflächen Reflexionen auftreten und ohne daß reflektierte Echowellen mit Verzögerungszeiten von 3r,2r usw. erzeugt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs beschriebene Ultraschallverzögerungsleitung nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stirnfläche des Ausbreiiungsrnediurns um einen Winkel θ gegenüber einer Ebene geneigt ist, die senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verläuft, entlang derer sich die vom Wandler ausgesandte bzw. empfangene Welle ausbreitet, daß der oder die Wandler zwei zu der geneigten Stirnfläche parallel verlaufende Hauptoberflächen und zwei Seitenoberflächen aufweisen, die in den verlängerten Ebenen «o der Hauptbegrenzungsflächen liegen, und daß der oder die Wandler derart dimensioniert sind, daß sie eine Ultraschallwelle mit einem Modus von η = 0 aussenden bzw. empfangen.

Wenn eine parallel zu den Hauptbegrenzungsflächen laufende Ultraschallwelle an den Wandlern des Erfindungsgegenstandes reflektiert wird, entsteht infolge der beanspruchten Maßnahmen eine leflektierte Ultraschallwelle, die sich nicht mehr parallel zu den Hauptbegrenzungsflächen fortpflanzt. Die reflektierte Welle breitet sich daher nicht mehr in einfacher Weise in Richtung auf den Empfangswandler aus und wird demzufolge stark gedämpft. Dadurch kommt es zu einer wirksamen Unterdrückung der Echokomponenten.

Es sind zwar bereits Ultraschallverzögerungsleitungen vom Dispersionstyp bekannt, bei denen Wandler gegenüber den senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verlaufenden Ebenen Neigungen aufweisen, die jedoch zur Wellenausbreitung von Ultraschallwellen Gebrauch machen, deren Modus M) nä = 1 ist. Die nach der Erfindung ausgebildete Ultraschallverzögerungsleitung ist hingegen vom Nichtdispersionstyp und benutzt Ultraschallwellen mit einem Modus von η = 0. Sie unterscheidet sich daher gegenüber der bekannten Ultraschallverzögerungslei- < >5 tung vom Dispersionstyp in einem hohen Maß im Hinblick auf die Arbeitsweise.

Wenn man nämlich die Wandler in bezug auf die

senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verlaufenden Ebenen lediglich geneigt anordnet, werden von dem Sendewandler verhältnismäßig energiestarke Ultraschallwellen mit einen Modus von η = 1 oder mehr ausgesendet, die mit den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums nicht parallel sind. Solche Ultraschallwellen mit einem Modus von π = 1 oder mehr stellen in bezug auf die Ultraschallverzögerungsleitung vom Nich'Jispersionstyp nach der Erfindung nicht erwünschte überflüssige Wellen dar.

Obwohl beim Erfindungsgegenstand die Wandler in bezug auf eine senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verlaufende Ebene geneigt sind, sind die Wandler in einer solchen Weise ausgebildet, daß hauptsächlich eine Ultraschallwelle vom Modus η = 0 in einer parallel zu den Hauptbegrenzungsflächen verlaufenden Richtung erzeugt wird und daß die Erzeugung von Ultraschallwellen mit einem Modus von π = 1 und mehr, die für die Wellenausbreitung unnötig sind, unterdrückt wird. Dazu sind die Wandler nach der Erfindung insbesondere derart ausgestaltet, daß ihre oberen und unteren Seitenflächen innerhalb von Verlängerungen der Ebenen der Hauptbegrenzungsflächen liegen.

Demgegenüber sind bei bekannten Ultraschallverzögerungsleitungen vom Nichtdispersionstyp die Wandler derart ausgebildet, daß ihre Abmessungen kleiner als die Abmessungen der Stirnflächen des Ausbreitungsmediums sind. Aus diesem Grund wird von diesen Wandlern infolge des Anschlußeffekts eine Welle vom Dispersionsmodus erzeugt Es war daher bisher nicht möglicht, eine Uliraschallverzögerungsleitung mit einem guten Nichtdispersionsbetrieb zu erhalten. Nach der Erfindung wird durch die oben beanspruchte Ausgestaltung der Wandler das Auftreten des Anschluß- oder Abschlußeffekts der Wandler vermieden.

Aus der DE-OS 16 16 413 ist eine elektromechanische Verzögerungsleitung bekannt, bei der zwar die Stirnfläche des Ausbreitungsmediums senkrecht auf dessen Hauptbegrenzungsflächen steht, jedoch die beiden Hauptoberflächen des Wandlers nicht parallel zueinander ausgebildet sind. Die Neigung der einen Hauptoberfläche des Wandlers stellt jedoch keine äquivalente Maßnahme zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dar, da der geneigten Fläche eine vollkommen andere Funktion und Wirkung als beim Erfindungsgegenstand zukommt, nämlich den Bereich der Resonanzfrequenz zu vergrößern und damit das Durchlaßband zu verbreitern.

Aus der DE-AS 19 24 780 ist eine Ultraschallverzögerungsanordnung bekannt, deren Stirnfläche zwar gegenüber der Seitenoberfläche des Ausbreitungsmediurr-s geneigt ist, aber im Gegensatz zum Erfindungsgegenstand senkrecht gegenüber der Hauptbegrenzungsfläche des Ausbreitungsmediums verläuft. Die Neigung der Stirnfläche gegenüber der Seitenoberfläche des Ausbreitungsmediums dient einem anderen als dem erfindungsgemäßen Zweck und ist nicht geeignet, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in Verbindung mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen

Fig. IA und IB eine perspektivische Ansicht bzw. eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer Ultraschallverzögerungsleitung vom Nichtdispersionstyp nach der Erfindung, '

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Energiekennli-

nien von Ultraschallwellen vom Modus η — 0 und π = I und von dazugehörigen Echowellen mit einer Verzögerungszeit von 3 in Abhängigkeit vom Neigungswinkel Θ zwischen den Wandlern und einer senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verlaufenden Ebene,

F i g. 3A, 3B und 3C schematische Seitenansichten zum Erläutern der Ultraschallwellenerzeugung bei einem bekannten Wandler und einem Wandler nach der Erfindung,

F i g. 4A und 4B eine perspektivische Ansicht und eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Ultraschallverzögerungsleitung nach der Erfindung,

F i g. 5A und 5B eine Draufsicht und eine in Richtung des Pfeils B dargestellte Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Ultraschallverzögerungsleitung nach der Erfindung und

F i g. 6A bis 6D perspektivische und schematische Ansichten zum Erläutern der wichtigsten Schritte bei der Herstellung der in den F i g. 5A und 5B dargestellten Ultraschallverzögerungsleitung.

In den Fig. IA und IB ist eine nach der Erfindung ausgebildete Ultraschallverzögerungsleitung 10 zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus mit einem Ultraschallausbreitungsmedium 11 sowie einem Sende- 2^r> und Empfangswandler 12a und 122? dargestellt. Die Wandler sind mit den Stirnflächen 13a und 136 des Ausbreitungsmediums U verbunden. Die Stirnflächen 13a und 136 verlaufen parallel zueinander und sind darüber hinaus um einen Winkel θ gegenüber einer angenommenen Ebene A-A geneigt, die senkrecht auf den Hauptbegrenzungsflächen 14a und 146 des Ausbreitungsmediums 11 steht.

Die Wandler 12a und 126 enthalten piezoelektrische Platten ISa und 156 sowie Eingangselektroden 16a und 3i 166 und Ausgangselektroden 16c und 16c/ auf den einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Wandler 12a und 126, wie es in den Figuren dargestellt ist. Die inneren Oberflächen der Elektroden 16a und 16c sind mit den Stirnflächen 13a und 136 des Ausbreitungsmediums 11 verbunden.

Die bei der Darstellung nach der Fig. IA und IB obere Seitenfläche 17a bzw. 17c des Wandlers 12a bzw. 126 und die untere Seitenfläche 176 bzw. 17t/ des Wandlers 12a bzw. 126 liegen in Verlängerungen der Ebenen der Hauptbegrenzungsflächen 14a bzw. 146 des Ausbreitungsmediums 11.

Die piezoelektrischen Platten 15a und 156 sind parallel zu den Hauptoberflächen, die den Elektroden 16a. 166.16c und 16c/gegenüberliegen, polarisiert. Wenn ein an Anschlüssen 18a und 186 anliegendes elektrisches Signal mit einer Erregung von beispielsweise 4,4 MHz den Elektroden 16a und 166 aufgedrückt wird, führt die piezoelektrische Platte 15a eine Dicfcenscherungsschwingung aus und gibt an das Ausbreitungsmedhim 11 ^r>"> eine Ultraschallwelle mit einem Modus von π = 0 ab. Die sich geradlinig durch das Ausbreitungsmedium 11 fortpflanzende Ultraschallwelle vom Modus π = 0 wird von einem Wandler 126 empfangen, der denselben Aufbau wie der Wandler 12a hat An Anschlüssen 19a <* und 196 tritt somit ein elektrisches Signal auf, das gegenüber dem Signal an den Anschlössen 18a und 186 um eine gewisse Zeit (beispielsweise 64 usek) verzögert ist, die die Ultraschallwelle braucht, um das Ausbreitungsmedium 11 zudurchlaufen. ·*'■

An Hand der F i g. 2 wird die Wirkung beschrieben, die von einem Wandler hervorgerufen wird, der gegenüber einer senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums verlaufenden Ebene einen Neigungswinkel von θ aufweist.

Wenn der Winkel Θ von Null an zunimmt, d. h. von einer senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen des Ausbreitungsmediums gerichteten Winkelpositiön, ändert sich die vom Wandler 12a abgegebene Energie der Ultraschallwelle vom Modus η = 0 entsprechend der in der F i g. 2 dargestellten Kurve I. Wenn man demgegenüber bei einem bekannten Wandler mit senkrecht zu den Elektrodenoberflächen verlaufenden oberen und unteren Seitenflächen einen Neigungswinkel θ vorsieht, fällt die ausgesendete Energie der resultierenden Ultraschallwelle vom Modus η = 0 mit wachsendem Winkel Θ stark ab, wie es in der Fig.2 durch die Kurve II gezeigt ist. Da der nach der Erfindung ausgebildete Wandler 12a einen Aufbau zeigt, bei dem die obere und untere Seitenfläche 17a und 176 stets in den Verlängerungsebenen der Hauptbegrenzungsflächen 14a und 146 liegen, nimmt die Energie der abgegebenen Welle bei zunehmendem Winkel θ im Vergleich zum Wert bei θ = 0 nur geringfügig ab, wie es aus der Kurve I hervorgeht. Die Gründe für diese nur geringfügige Abnahme werden noch im folgenden dargelegt.

Darüber hinaus bewirkt die erfindungsgemäße Ausbildung der Ultraschallverzögerungsleitung, daß die Energie einer unerwünschten störenden Ultraschallwelle vom Modus η = 1 des Wandlers 12a nur unmaßgeblich zunimmt, wenn man den Winkel θ größer macht. Dies ist in der F i g. 2 durch die Kurve III dargestellt. Im Gegensatz dazu nimmt bei einem bekannten Wandler die Energie einer ungewollten Ultraschallwelle vom Modus η = 1 mit wachsendem Winkel θ stark zu, wie es die Kurve IV der F i g. 2 zeigt.

Für den Fall, daß der Winkel θ gleich oder kleiner als ein Winkel θι ist, bei dem sich die Ultraschallwelle vom Modus π = 1 mit minimalem Energieverlust ausbreitet, d. h. mit maximaler Energie (der Winkel θι wird durch Faktoren bestimmt wie die Signalfrequenz, also die Wellenlänge der Ultraschallwelle, sowie die Stärke des Ausbreitungsmediums und wird als Winkel vom Modus η = 1 bezeichnet), tritt eine sehr geringe Erzeugung von Ultraschallwellen vom Modus π = 2 und von höheren Werten für η auf. Diese Ultraschallwellen kann man daher in fast allen Fällen vernachlässigen. Die Abnahme der Energie der Ultraschallwelle vom Modus π = 0, wie es durch die Kurven I und II dargestellt ist, und die Zunahme der Energie der Ultraschallwelle vom Modus π = 1, wie es durch die Kurven IH und IV dargestellt ist, erfolgt näherungsweise komplementär.

Die Energie der mit einer Verzögerungszeit von 3 r echoreflektierten ultraschallwelle vom Modus π = 0 nimmt bei einer Zunahme des Winkels θ ab, wie es in der Kurve V gezeigt ist

Während die in der Kurve I dargestellte Ultraschallwelle vom Modus π = 0 zur Ausbreitung nowendig ist werden die Komponenten der Ultraschallwelle vom Modus π = 1 und der echoreflektierten Ultraschallwelle vom Modus η = 0 zur Ausbreitung nicht benötigt Die Summe dieser beiden nicht benötigten Wellen ist in der Kurve VI dargestellt Aus der Kurve Vl geht hervor, daß die genannten unnötigen Komponenten bei einer Zunahme des Winkels θ abnehmen.

Wenn sich der Winkel θ dem Winkel θι vom Modus π = 1 nähert nimmt die erzeugte Energie der Ultraschallwelle vom Modus π — 0 geringfügig ab und die Energie der Ultraschallwelle vom Modus π = 1 steigt geringfügig an. Wenn der Winkel θ größer als der Winkel θι wird, werden Ultraschallwellen vom Modus

η = 2 und von n>2 erzeugt. Wenn der Winkel Θ sehr groß wird, gestaltet sich die Bildung der Stirnfläche des Ausbreitungsmediums schwierig. Aus diesen und anderen Gründen wird für den Fall, daß der Winkel θι beispielsweise 30° beträgt, der Wert des Winkels θ innerhalb eines Bereiches von 5° bis 25° gemäß der Erfindung ausgewählt. Wenn beispielsweise die Dicke des Ausbreitungsmediums 0,6 mm beträgt und die Signalfrequenz 4,4 MHz entspricht, ergibt sich ein Winkel θι von 30°. Für den Winkel θ des Wandlers wird dann gemäß der Erfindung vorzugsweise ein Winkel von etwa 20° ausgewählt.

An Hand der F i g. 3A, 3B und 3C wird die Erzeugung von Ultraschallwellen vom Modus η = 0 und vom Modus /J=I für einen bekannten Wandler und für einen Wandler der Ultraschallverzögerungsleitung nach der Erfindung beschrieben.

Die F i g. 3A ist eine schematische Seitenansicht und zeigt die Erzeugung einer Ultraschallwelle vom Modus η = 0 für den Fall, daß ein bekannter Wandler 21 an einer geneigten Stirnfläche 13a eines Ausbreitungsmediums 11 vorgesehen ist. Der bekannte Wandler 21 ist von einem solchen Aufbau, daß die oberen und unteren Seitenflächen 22a und 22b senkrecht zu den Elektrodenhauptoberflächen verlaufen. Ein durch die Punkte P, Q und R begrenzter Bereich 23 trägt aus diesem Grund zur Erzeugung einer Ultraschallwelle 24 vom Modus /J = O nicht bei, sondern erzeugt unnötige Wellen 25, die nicht vom Modus η = 0, sondern von einem anderen Modus sind. Die ungewollte Welle 25 stellt in bezug auf die Erzeugung der Welle 24 vom Modus /J = O eine Störungswelle dar und bewirkt, daß die Erzeugung der Welle 24 vom Modus η = 0 unterdrückt wird. Wenn daher ein bekannter Wandler unter einem Winkel von θ geneigt angeordnet ist. wird die Erzeugung der Welle vom Modus /J = O stark herabgesetzt, wie es durch die Kurve II in der F i g. 2 angezeigt ist.

Da darüber hinaus die Hauptflächen des bekannten Wandlers 21 kleiner als die Stirnfläche 13a des Ausbreitungsmediums 11 ist, wird noch in unvorteilhafter Weise durch einen Anschluß- oder Abschlußeffekt eine ungewollte Welle 26 erzeugt.

Im Gegensatz zu dem bekannten Wandler weist der Wandler 12a gemäß der Erfindung, wie es in der F i g. 3B gezeigt ist, eine solche Gestalt und solche Abmessungen auf, daß die oberen und unteren Seitenflächen 17a und 176 innerhalb der Verlängerungsebenen der Hauptbegrenzungsflächen 14a und 146 des Ausbreitungsmediums 11 liegen. Der Wandler 12a weist daher keinen Bereich auf, der in bezug auf die Erzeugung einer Welle vom Modus η = ö zu einem Störungsbereich werden könnte, wie es bei dem bekannten Wandler 21 der Fall ist. Darüber hinaus wird trotz der Neigung des Wandlers 12a die Welle 27 vom Modus π = 0 mit hoher Effizienz erzeugt und ohne jegliche Unterdrückung. Wie es aus der in der Fig.2 dargestellten Kurve I hervorgeht, wird die Welle vom Modus π = 0 selbst bei großen Werten des Winkels θ mit hoher Energie erzeugt

Die Erzeugung einer Welle vom Modus π = 1 fan Wandler 12a wird an Hand der Fig. 3C betrachtet Ein durch Punkte S. T und U definierter Bereich 29 stellt bezüglich der Erzeugung einer WeDe 28 vom Modus π = 1 einen Störungsbereich dar und unterdrückt die Erzeugung dieser Welle. Ein von Punkten V, Wund X definierter Bereich 30 liegt den beiden Elektroden nicht gegenüber und trägt daher zur Erzeugung einer Welle vom Modus /J=I nichts bei. Infolgedessen nimmt die Erzeugung der Welle vom Modus η = 1 beinahe nicht zu, wenn der Winkel θ größer wird. Dies ist in der F i g. 2 durch die Kurve 111 dargestellt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Ultra-Schallverzögerungsleitung vom Nichtdispersionstyp nach der Erfindung entsprechend den Darstellungen nach der Fig.4A und 4B enthält eine Ultraschallverzögerungsleitung 40 ein Ultraschallausbreitungsmedium 41 und einen Wandler 42, der zum Senden und

ίο Empfangen von Ultraschallwellen mit einer Stirnfläche 43 des Ausbreitungsmediums 41 verbunden ist. Die Stirnfläche 43 ist in bezug auf eine zu den Hauptbegrenzungsflächen 44a und 446 des Ausbreitungsmediums 41 senkrecht verlaufenden Ebene A-A um einen Winkel Θ geneigt, und zwar in ähnlicher Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die andere Stirnfläche 45 des Ausbreitungsmediums 41 steht senkrecht auf den Hauptbegrenzungsflächen 44a und 446.

Der Wandler 42 enthält eine piezoelektrische Platte 46 sowie Eingangs- und Ausgangselektroden 47a und 476, die mit den entgegengesetzten Hauptoberflächen der piezoelektrischen Platte 46 verbunden sind. Die obere und untere Seitenfläche 48a und 4Sb des Wandlers 42 liegen in verlängerten Ebenen der Hauptbegrenzungsflächen 44a und 44b. Die piezoelektrische Platte 46 ist parallel zu den Hauptoberflächen der Elektroden 47a und 476 polarisiert

Wenn über Anschlüsse 49a und 49b den Elektroden 47a und 47b der piezoelektrischen Platte 46 ein elektrisches Signal zugeführt wird, führt die Platte eine Dickenscherungsschwingung aus und gibt an das Ausbreitungsmedium 41 eine Ultraschallwelle vom Modus η = 0 ab. Die auf diese Weise ausgesendete Ultraschallwelle vom Modus /J = O wird an der Stirnfläche 45 reflektiert, wandert wieder durch das Ausbreitungsmedium 41, wird vom Wandler 42 empfangen und erscheint an den Anschlüssen 49a und 496 als ein um eine besondere Zeit τ verzögertes Signal.
Der Wandler 42 ist bei diesem Ausführungsbeispiel in ähnlicher Weise ausgebildet und ausgestaltet wie der Wandler 12a des zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiels. Da die grundsätzliche Wirkungsweise der betrachteten Wandler dieselbe ist kann eine Einzelbeschreibung entfallen.

In den F i g. 5A und 5B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ultraschallverzögerungsleitung 60 vom Nichtdispersionstyp nach der Erfindung dargestellt, und zwar mit einem Ultraschallausbreitungsmedium 61 und einem Sendewandler 62a sowie einem Empfangswandler 626. Die beiden Wandler sind mit geneigten Seitenstirnfiächen 63a und 630 des Äusbreitungsmediums 61 verbunden. Das Ausbreitungsmedium 61 weist Hauptbegrenzungsflächen 64a und 646 sowie Seitenreflexionsflächen 65a bis 65c/ auf, die dazu dienen, eine Ultraschallwelle vom Modus π = 0, die vom Wandler 62a ausgesendet wird, aufeinanderfolgend zu reflektieren und dem Empfangswandler 626 zuzuleiten. Die geneigten Seitenstirnfiächen 63a und 636 sind zwischen den Seitenreflexionsflächen 656 und 65c bzw. zwischen den SeitenreflexionsHächen 65c und 65c/ angeordnet und in bezug auf eine zu den Hauptbegrenzungsflächen 64a und 646 senkrecht verlaufende Ebene um den Winkel θ geneigt

Die Wandler 62a und 626 sind somit in bezug auf eine Ebene, die senkrecht auf den Hauptbegrenzungsflächen 64a und 64 steht um den Winkel θ geneigt und ihre oberen Seitenflächen 66a und 66c sowie ihre unteren Seitenflächen 666 und 66c/ liegen in Verlängerungen der

Ebenen der Hauptbegrenzungsflächen 64a und 646. Die Ultraschallwelle vom Modus /J = O, die vom Wandler 62a ausgesendet wird, wird von den Seitenreflexionsflächen 65a, 656, 65c, 65c/ und 65a aufeinanderfolgend reflektiert und vom Wandler 626 empfangen. Vorn Wandler 62a wird eine Ultraschallwelle vom Modus n = 0 mit hoher Energie ausgesendet. Echoreflektierte Wellen vom Modus /7 = 0, eine Welle vom Modus η = 1 und andere ungewollte Komponenten sind wie bei dem zuerst beschriebenen Ausführungsbeispiel klein.

Auf den Hauptbegrenzungsflächen 64a und 646 des Ausbreitungsmediums 61 ist an Stellen, die nicht im Ausbreitungsweg der Ultraschallwelle vom Wandler 62a zum Wandler 626 liegen, ein Dämpfungsmaterial €7 vorgesehen, beispielsweise Siliconkautschuk. Das Dämpfungsmaterial 67 dämpft wirksam die Ultraschallwellenkomponenten, die die Neigung haben, sich in Bereichen auszubreiten, die nicht zu dem beabsichtigten Ausbreitungsweg gehören.

Die Seitenkantenfläche 65c kann eine leicht bogenförmige Gestalt haben, wie es aus der DE-OS 23 17 154 bekannt ist. Durch diese Maßnahme wird die Ultraschallwelle vom Sendewandler noch wirksamer auf den Empfangswandler gerichtet.

An Hand der F i g. 6A bis 6D soll erläutert werden, wie man beispielsweise die in den Fig.5A und 5B dargestellte Ultraschallverzögerungsleitung herstellen kann.

Wie es aus der Fig.6A hervorgeht, wird ein prismenförmiger Glasblock mit sechs Seitenflächen 72a bis 72/"hergestellt Die Enden dieses Glasblocks werden längs von Schnittebenen geschnitten, die um den Winkel θ gegenüber einer Ebene geneigt sind, die zu allen sechs Seitenflächen senkrecht verläuft. Der Glasblock 70 weist dann geneigte Stirnflächen 71a und 716 auf. Danach werden, wie es in der Fig.6B dargestellt ist. Wandler 73a und 736 mit den Seitenflächen 72c und 72e des Glasblocks 70 verbunden.

Anschließend wird der Block 70, wie es in der F i g. 6C dargestellt ist, längs von Schnittebenen geschnitten, die zu den geneigten Stirnflächen 71a und 716 parallel verlaufen. Die Schnittebenen haben einen bestimmten Abstand voneinander, so daß eine Anzahl von halbfertigen Ultraschallverzögerungsleitungen 74 mit einer besonderen Stärke (beispielsweise von 0,6 mm) entstehen. Die halbfertigen Ultraschallverzögerungsleitungen 74 werden dann entsprechend der Darstellungnach der F i g. 6D zwischen zwei Klemmbacken 75a und 756 in einer solchen Weise eingeklemmt, daß die einzelnen Verzögerungsleitungen 74 an ihren den Stirnflächen 71aund 716entsprechenden Schnittebenen in aufrechter Stellung fest aneinanderliegen. In diesem eingeklemmten Zustand werden die Seitenflächen 72d und 72a mit einer Schleifscheibe 76 abgeschliffen, und zwar derart, daß die abgeschliffenen Flächen senkrecht zu dem den Stirnflächen 71a und 716 entsprechenden Schnittebenen verlaufen. Infolge der Gleichbehandlung ist es bei dem Schleifvorgang lediglich erforderlich, von der Gesamtanzahl der Ultraschallverzögerangsleitungen 74 eine einzige durchzumessen.

Danach wird das Dämpfungsmaterial 67 auf den den Flächen 71a und 726 entsprechenden Schnittflächen der Verzögerungsleitungen 74 aufgebracht, Dadurch entsteht eine Anzahl der in den Fig.5A und 5B dargestellten Verzögerungsleitung 60. Wie man leicht erkennen kann, entsprechen die mit den Flächen 71a und 716 übereinstimmenden Schnittebenen den Hauptbegrenzungsflächen 64a und 646 die Seitenflächen 72c und 72e entsprechen den geneigten Flächen 63a und 636, die Seitenflächen 72a, 726,72t/und 72/entsprechen den Seitenreflexionsflächen 65a, 656, 65c und 65c/, und die Wandler 73a und 736 stimmen mit den Wandlern 62a und 626 überein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ultraschall verzögerungsleitung zum Betrieb in einem Nichtdispersionsmodus (n = 0) gebildet aus einem Ultraschallwellenausbreitungsmedium, das zwei zueinander parallele Hauptbegrenzungsflächen und eine Stirnfläche oder zwei Stirnflächen aufweist, die einen gemeinsamen oder getrennte Wandler zur Umwandlung eines elektrischen Signals in eine Ultraschallwelle in dem Ausbreitungsmedium bzw. zur Umwandlung der Ultraschallwelle in ein elektrisches Signal trägt bzw. tragen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stirnfläche (13a; 43; 63a) des Ausbreitungsmediums (11; 41; 61) um einen Winkel θ gegenüber einer Ebene geneigt ist, die senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen (14a, 14*; 44b; 64a, 64&Jdes Ausbreitungsmediums verläuft entlang derer sich die vom Wandler ausgesandte bzw. empfangene Welle ausbreitet daß der oder die Wandler zwei zu der geneigten Stirnfläche parallel verlaufende Hauptoberflächen und zwei Seitenoberflächen (17a, Mb; 48a, 48f>; 66a, 666,/ aufweisen, die in den verlängerten Ebenen der Hauptbegrenzungsflächen liegen, und daß der oder die Wandler derart dimensioniert sind, daß sie: eine Ultraschallwelle mit einem Modus von π = 0 aussenden bzw. empfangen.

2. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Winkel θ innerhalb eines Winkelbereiches von 0<{><θι ausgewählt ist wobei θι ein Winkel ist, bei dem die Wellenaussendungsenergie einer Ultraschallwelle vom Modus π = 1 ein Maximum ist.

3. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stirnfläche (45) des Ausbreitungsmediums (41) senkrecht zu den Hauptbegrenzungsflächen (44a, 44b) des Ausbreitungsmediums verläuft und daß der Wandler (4.2) an der anderen Stirnfläche eine Ultraschallwelle aussendet und die Ultraschallwelle nach Ausbreitung durch das Medium in der einen Richtung, Reflexion an der anderen Stirnfläche (45) und Ausbreitung durch das Medium in der entgegengesetzten Richtung wieder empfängt.

4. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausbreitungsmedium mehrfach geknickt ist und an den Knickstellen jeweils eine zusätzliche Reflexionsfläche (63a bis 65c/) angeordnet ist.

5. Ultraschallverzögerungsleitung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dämpfungsmaterial (67) auf den Hauptbegrenzungsflächen (64a, 64b) an Stellen angebracht ist. d>e nicht in einem vorgegebenen Ausbreitungsweg der sich durch das Ausbreitungsmedium (61) fortpflanzenden Ultraschallwelle liegen.