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Ultraschallwandler Die Erfindung betrifft einen Schallwandler, wie
er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
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Insbesondere betrifft die Erfindung piezoelektrische Ultraschallwandler.
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Bei Ultraschallwandlern, z.B. piezoelektrischenoder magnetooptischen
Wandlern, kommt es aufgrund der sehr unterschiedlichen Wellenwiderstände des Wandlermaterials,
z.B. der Keramik, und der Luft zu Schwierigkeiten: Es ergibt sich ein sehr schmalbandiges
Resonanzverhalten, die Empfindlichkeit des Wandlers beim Betrieb als Mikrophon ist
gering, der Wirkungsgrad ist verhältnismäßig klein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten auszuräumen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler gelöst, der entsprechend
dem Kennzeichen des Anspruches 1 ausgebildet ist.
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Bei der Erfindung wird also auf einer Schallabstrahlfläche des Wandlers
eine X /4Schicht aufgebracht, d.h. eine Schicht, deren Dicke einem Vier-tel der
Wellenlänge des erzeugten Ultraschalls in dieser Schicht entspricht. Diese Schicht
besteht aus einem Material, dessen akustische Impedanz (Schallwellenwiderstand)
ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Wandlermaterials
und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten
soll-, liegt. Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.
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Im Idealfall, d.h. wenn der Schallwandler nur Schall einer
einzigen
Frequenz erzeugt, und wenn die Schallabstrahlfläche sehr groß gegenüber der Wellenlänge
ist, hat die #/4-Schicht einen Wellenwiderstand von fScs = (çcL XcK)1/2. Dabei bezeichnet
Q die Dichte eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index
s bezeichnet die X /4-Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten
soll, d.h.
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z.B. Luft oder Wasser, der Index K bezeichnet das Wandlermaterial,
z.B. Keramik. Allgemein bezeichnet Qc die akustische Impedanz eines Stoffes.
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Handelt es sich um einen piezokeramischen Ultraschallwandler, und
ist Luft das Ausbreitungsmedium für den erzeugten Schall, so sollte die # /4-Schicht
eine akustische Impedanz von ca.
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8 . 103 g . cm-2s-1 besitzen.
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Es ist außerordentlich schwierig, ein für die # /4-Schicht geeignetes
Material zu finden. Dieses Material soll eine verhältnismäßig kleine Dichte und
eine niedrige Schallgeschwindigkeit aufweisen, dabei soll es mechanisch robust und
homogen sein und eine hohe Schwinggüte, d.h. eine gertge Dämpfung aufweisen.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wurden gläserne Hohlkugeln, deren
Durchmesser ca. 0,1 mm betrug, mit Polystyrollack vermischt.
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Nach dem Trocknen des Lackes erhielt man einen Schaumstoff mit einer
Porengröße von ca. 0,1 mm und einer Dichte von ca. 0,3 g.cm Dieses Material besaß
eine akustische Impedanz von 3,6 . 104 g . cm 2 -? Bei einem anderen Ausführungsbeispiel
wurde ein Schaumstoff aus einer Mischung von Polystyrollack mit Hohlkugeln aus Siliziumdioxid,
die einen Durchmesser zwischen den Werten 30 um und 125 lum und eine Wandstärke
von ca. 2 /Um aufwiesen, Kergestellt.
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Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres SI der Fa.
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Emerson & Cumming bekannt. Diese Kugeln bilden ein weißes Pulver
mit einer Dichte von ca. 0,18 g . cm 3, die Dichte der Kugelwandungen beträgt im
Mittel ca. 0,26 g . cm 3.
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Ein aus vier Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol
bestehender Lack wurde mit zwei Gewichtsteilen dieser Siliziumdioxid-Hohlkugeln
verrührt. Dabei wurde darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen.
Anschließend wurde die entstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum
Trocknen vergossen. Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaumstoffplatte
mit einer Dichte von ca. 0,16 g . cm 5.
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Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen
hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff weist eine Schallgeschwindigkeit
von ca. 1450 m/s auf, damit ergibt sich eine akustische Impedanz von 2.1 . 104 g
. cm 2s 1.
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Die Porengröße des Schaumes ist durch die Siliziumdioxid-Hohlkugeln
vorgegeben. Die Dichte des Schaumes ist kleiner als die Dichte des Hohlkugelpulvers.
Dies ist dadurch zu erklären, daß beim Verdunsten des Benzols das Polystyrol durch
Kappillarkräfte an den Berührungspunkten zwischen den Kugeln kleine Polystyroltröpfchen
bildet, der übrige Zwischenraum zwischen den Hohlkugeln bleibt leer. Im Vergleich
zur dichtesten Kugelpackung der Siliziumdioxid-Hohlkugeln vergrößert sich damit
der Abstand dieser Kugeln untereinander, so daß die Dichte des fertigen Schaumstoffes
geringer ist als die Dichte des Hohlkugelpulvers. Dieser Schaumstoff hat sehr günstige
akustische Eigenschaften, dafür sind wahrscheinlich die elastischen Eigenschaften
der Kohlkugeln verantwortlich.
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Das beschriebene Mischungsverhältnis für den Schaumstoff aus Siliziumdioxid-Hohlkugeln
hat sich als optimal herausgestellt, bei kleinerem Polystyrolanteilleidet die mechanische
Stabilität des Schaumstoffes, während eine Steigerung des Polystyrolanteiles um
den Faktor 1,5 bereits die akustischen Eigenschaften deutlich verschlechtert, ohne
die mechanische Stabilität des Schaumstoffes zu verbessern. Auch der richtige Benzolanteil
ist wichtig, zuwenig Benzol ergibt einen zähen Brei, der sich nur schwer verrühren
und vergießen läßt. Zuviel Benzol erschwert das Mischen, weil die Siliziumdioxid-Hohlkugeln
dann auf dem Benzol-Polystyrol-Gemisch schwimmen, außerdem besitzt eine derartige
Mischung -eine
lange Trocknungszeit und neigt zu Rißbildung und
Schrumpfung.
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Statt Polystyrol können auch Epoxydharz oder andere organische Harze
verwendet werden.
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Die getrocknete Schaumstoffplatte sollte an keiner Stelle dünner als
5 mm sein. Durch Schneiden und Schleifen werden danach die für den Ultraschallwandler
vorgesehenen >/4-Schichten hergestellt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert.
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Die Figuren 1 und 4 zeigen Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen
Ultraschallwandlern.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen Richtdiagramme eines herkömmlichen und
eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, wie er in Figur 1 abgebildet ist.
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Die Figur 1 stellt einen piezokeramischen Ultraschallwandler dar.
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Dieser besitzt einen piezoelektrischen Keramikkörper 1, der beispielsweise
zylindrisch ist und einen Durchmesser von 8,5 mm und eine Länge von 6.9 mm besitzt.
Die Piezokeramik ist in der Richtung der Längsachse des Zylinders gepolt. Die Stirnflächen
dieses Zylinders sind mit den Elektroden 2 und 3 versehen, die z.B.
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aus Silber bestehen können und durch Einbrennen hergestellt werden
können. An diese Elektroden sind die Anschlußlitzen 20, 30 angelötet, sie können
mit einer Wechselspannungsquelle verbunden werden, so daß der Schallwandler Ultraschall
schwingungen mit der Frequenz der Wechselspannung ausführt. Zumindest eine der Elektroden
ist kappenartig etwas über den Rand der Stirnfläche des Keramikzylinders herumgezogen.
Damit ist es möglich, die Anschlußlitze 30 seitlich anzulöten, so daß die Stirnfläche
auf dieser Seite des Zylinders vollständig plan ist, wie es zum Aufbringen der X/4-Schicht
31 vorteilhaft ist. Im Bereich einer Schwingungsknotenlinie, die hier mit der Linie
Sbezeichnet ist, kann der Ultraschallwandler in eine Halterung (nicht dargestellt)
eingespannt
werden.
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Dieser Ultraschallwandler unterscheidet sich also von herkömmlichen
Ultraschallwandlern im wesentlichen durch die >/4-Schicht In den Figuren 2 und
3 ist ein Richtdiagramm eines derartigen erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers einem
Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallwandlers gegenübergestellt. Dargestellt
ist der Schalldruck, der vom jeweiligen Wandler erzeugt wird, in Abhängigkeit vom
Winkel zwischen der Schallabstrahlrichtung und der Längsachse des Schallwandlers.
Die Figuren sind in Polarkoordinaten dargestellt.
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Ein herkömmlicher Ultraschallwandler erzeugt gemäß Figur 2 zwei zueinander
symmetrische Schallkeulen 100, 101. Dabei entspricht die Länge einer Verbindung
2000 des Koordinatensprungs, d.h. des Wandlers 300, mit einem Punkt auf einer Schallkeule
dem Maß des Schalldruckes für die Abstrahlrichtung, die im dargestellte-n Fall mit
der Längsachse des Wandlers einen Winkel X bildet.
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In Figur 3 ist ein entsprechendes Diagramm für einen erfindungsgemäßen
Ultraschallwandler dargestellt, dabei ist die elektrische Eingangsleistung, die
dem Ultraschallwandler zugeführt wird, so eingestellt, daß eine der Keulen 200,
201 die gleiche Form wie z.B. die Keule 100 in Figur 2 besitzt. Die andere Schallkeule
201 ist beim erfindungsgemäßen Ultraschallwandler sehr klein, die auf dieser Seite
abgestrahlte Schall energie kann nahezu vernachlässigt werden.
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Es ist verständlich, daß im dargestellten Fall die dem herkömmlichen
Ultraschallwandler zugeführte elektrische Eingangsleistung entsprechend der gesamten,
in den zwei gleich großen Schallkeulen abgestrahlten Schall-Leistung wesentlich
größer ist als die dem erfindungsgemäßen Schallwandler zugeführte Eingangsleistung.
Das Verhältnis der Eingangsleistungen beträgt ungefähr 1:2.
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uurch die >/4-Schicht auf einer Abstrahlfläche des Wandlers wird
also der Vorteil erreicht, daß fast nur von dieser beschichteten Fläche Schall abgestrahlt
wird. Dadurch brauchen keine Reflektoren vorgesehen zu werden, mit denen die gesamte
abgestrahlte Schallenergie in eine Richtung gelenkt werden kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler wird vorteilhafterweise
der Wirkungsgrad verbessert, da die mechanische Schwingungsamplituden innerhalb
der Keramik aufgrund der besseren akustischen Anpassung an die Luft kleiner sind.
Die /4-Schicht vermindert drastisch die Schallreflexionen an der Schallabstrahlfläche.
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Dadurch wird innerhalb des Ultraschallwandlers weniger Schallenergie
in Wärme umgewandelt, so daß die abgestrahlte Schallleistung erhöht wird.
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Bei gleicher elektrischer Eingangsleistung erhöht sich die Schallleistung,
die von der Stirnseite mit der #/4-Schicht abgestrahlt wird, um ca. 5,5 db gegenüber
einem sonst gleichartigen Schallwandler, der keine /4Schicht aufweist.
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Die Verbesserung des Wirkungsgrades kann beispielsweise in der folgenden
Weise überprüft werden: Um ion Wirkungsgrad nicht direkt messen zu müssen, aies
ist meßtechnisch nur schwer möglich, wird als Meßgröße die Übertragungsdämpfung
zwischen einem als Sender und einem anderen als Empfänger betriebenen Ultraschallwandler
gemessen. Die Ubertragungsdämpfung ist das Verhältnis der an den Sender angelegten
elektrischen Eingangsspannung U1 zu der am Empfänger abgegriffenen Ausgangsspannung
U2, d.h. der Quotient Ui/U2 Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler eignet sich
besonders gut für Entfernungsmesser. Dabei wird ein Ultraschallimpuls ausge-.
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sandt, dieser wird von einem Objekt zum Ultraschallwandler reflektiert,
so daß an diesem Ultraschallwandler nach Ablauf der Laufzeit des Ultraschallimpulses
(vom Wandler zum Objekt und zurück) ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal
abgegriffen
werden kann. Bei einem minimalen Objektabstand von
ca.
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40 cm beträgt die akustische Laufzeit ca. 2,4 ms.
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Bislang war es schwierig, bei Ultraschallwandlern eine genügend kurze
Abklingzeit zu erreichen. Unter Abklingzeit versteht man die Zeitspanne, die ein
Ultraschallwandler nach Aussendung eines Schallimpulses braucht, um wieder in den
Ruhezustand zu gelangen.
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Hier wirkt die >/4-Schicht sehr vorteilhaft, da sie wegen der besseren
Schallabstrahlung für eine höhere Dämpfung sorgt, so daß die Abklingzeit drastisch
vermindert wird. Aufgrund der Erfindung wird also vermieden, daß die Restschwingung
des Wandlers mit dem nächstmöglichen Echoimpuls, d.h. mit dem von einem Objekt reflektierten
Schallimpuls, interferiert. Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers besaß eine Abklingzeitkonstante von
0,24 ms, d.h. nach einer Zeitspannung von 0,24 ms ist die Amplitude des Schallwandlers
auf ihren halben Wert abgesunken.
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Aufgrund der höheren Dämpfung besitzt der erfindungsgemäße Ultraschallwandler
vorteilhafterweise eine größere Bandbreite, d.h.
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auch bei Frequenzen, die von der .Resonanzfrequenz des Wandlers abweichen,
kann noch eine große Schallintensität erzeugt werden bzw. eine Schallintensität
in ein elektrisches Ausgangssignal umgewandelt werden.
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Der in der Figur 1 dargestellte Ultraschallwandler besitzt eine Serienresonanzfrequenz
von 190 KHz und eine Parallelresonanzfrequenz von 230 KHz. Aufgrund der höheren
Leistungsaufnahme bei dieser Reaonanz wurde der Wandler in Parallelresonanz betrieben.
Dabei beziehen sich Parallelresonanz und Serienresonanz auf das Ersatzschaltbild
des Wandlers. Bei Parallelresonanz wird die Resonanz einer Kapazität und einer dazu
parallel liegenden Induktivität angeregt, bei Serienresonanz die Resonanz einer
Kapazität und einer dazu in Reihe liegenden Induktivität.
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Die in der Figur 1 dargestellte Bauform eines Ultraschallwandlers
besitzt
den Vorteil, daß der erzeugte Schall gut gebündelt ist.
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Dies ist insbesondere bei Entfernungsmessern ein Vorteil.
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Ein anderes vorteilhaftes Beispiel für einen Wandler mit A/4-Schicht
ist ein Radialschwinger, wie er in Figur 4 dargestellt ist. Dieser Wandler besitzt
einen scheibenförmigen, kreisförmigen Keramikkörper 11, der auf seinen beiden Stirnflächen
die Elektroden 12, 13besitzt. Auf einer Elektrode ist eine A/4-Schicht 14 aufgeklebt.
Wird an die Elektroden eine Wechselspannung gelegt, so führt der Keramikkörper Radialschwingungen
aus, gleichzeitig werden in Dickenrichtung des Keramikkörpers Kontraktionen und
Expansionen erzeugt. Durch die >/4-Schicht auf der einen Stirnfläche wird vorteilhafterweise
erreicht, daß fast nur von dieser Stirnfläche Schallenergie abgestrahlt wird, nicht
aber von der anderen Stirnfläche bzw. vom Körperrand.
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Eine A/4-Schicht kann auch bei anderen Wandlerkonstruktionen verwendet
werden1 z.B. bei einem Biegeschwinger, bei dem eine Keramiklamelle zu Biegeschwingungen
erregt wird. In diesem Falle liegt die A l4-Schicht auf einer Seite der Lamelle.
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Es ist auch möglich, magnetostriktive Ultraschallwandler an einer
Schallabstrahlfläche mit einer #/4-Schicht auszurüsten.
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4 Patentansprüche 4 Figuren