DE2541492A1 - ULTRASONIC CONVERTER - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.The invention relates to an ultrasonic transducer as described in the preamble of claim 1 is specified.
Für ein Ultraschall-Echolot-System sind Ultraschallwandler wünschenswert, die einen Schallstrahl mit besonders geringem Öffnungswinkel erzeugen. Dadurch können störende Reflexionen des Ultrastrahls vermieden werden, so daß ein besonders hohes Auflösungsvermögen erreicht werden kann. Unter Auflösungsvermögen wird verstanden, daß zwei nahe beinander liegende Objekte unterschieden werden können.For an ultrasonic echo sounder system, ultrasonic transducers are desirable which have a particularly low sound beam Generate opening angle. In this way, disruptive reflections of the ultra-ray can be avoided, so that a particularly high one Resolving power can be achieved. Resolving power is understood to mean that two are close together Objects can be distinguished.
Bei einem Ultraschallwandler sind die Abmessungen im wesentlichen durch die vorgesehene Betriebsfrequenz und das Material des Wandlers vorgegeben. Mit den Abmessungen des Ultraschallwandlers ist auch die Größe der" Schallabstrahlfläche des Wandlers bestimmt, wobei durch die Größe der Schallabstrahlfläche im wesentlichen der Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls bestimmt ist. Bei einer Betriebsfrequenz von ca. 49 KHz und Blei-Zirkonat-Titanat als Material für den Wandler ergibt sich ein Öffnungswinkel von etwa 10° bis 12° (1° = fr/180).In the case of an ultrasonic transducer, the dimensions are essentially determined by the intended operating frequency and the material of the Converter specified. With the dimensions of the ultrasonic transducer, the size of the "sound radiation surface of the transducer is determined, whereby the opening angle of the generated sound beam is essentially determined by the size of the sound-emitting surface is. At an operating frequency of approx. 49 KHz and lead-zirconate-titanate as the material for the transducer, the result is a Opening angle of around 10 ° to 12 ° (1 ° = fr / 180).
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler anzugeben, der einen Schallstrahl mit besonders geringem öffnungswinkel erzeugt« The object of the invention is to provide an ultrasonic transducer which generates a sound beam with a particularly small opening angle «
Diese Aufgabe wird durch einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Art gelöst, der entsprechend dem Kennzeichen des Patentanspruches 1 ausgebildet ist.This object is achieved by an ultrasonic transducer of the type mentioned, which corresponds to the characteristics of the Claim 1 is formed.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles,In the following the invention is based on an embodiment,
VPA 75 E 7116-Rtd 17 HtrVPA 75 E 7116-Rtd 17 Htr
709813/0965709813/0965
wie es in den Figuren dargestellt ist, erläutert.as shown in the figures, explained.
Dabei zeigt die Figur 1 eine Draufsicht, die Figur 2 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie U-II, wie sie in der Figur 1 eingezeichnet ist.FIG. 1 shows a plan view, and FIG. 2 shows a sectional view along the section line U-II, as shown in FIG.
Der Ultraschallschwinger besitzt einen kreisförmigen Piezokörper 1, der an seinen beiden Stirnflächen jeweils eine Metallelektrode 10, 11 besitzt. Diese können beispielsweise durch Einbrennversilberung hergestellt sein. An diese Elektroden sind Anschlußlitzen eingelötet, über diese Anschlußlitzen werden die Elektroden mit einer Wechselspannung versorgt. Dadurch wird der Keramikkörper vorzugsweise zu Radialschwingungen veranlaßt. Auf einer Stirnfläche des Keramikkörpers ist eine Schaumstoffschicht 2 aufgeklebt, die als >V4-Schicht ausgebildet ist. Das bedeutet, daß diese Schicht eine Dicke von λ/4 hat, wobei A die Wellenlänge des mittels des Keramikkörpers erzeugten Ultraschalls in dem Schaumstoff ist.The ultrasonic oscillator has a circular piezo body 1, each of which has a metal electrode on its two end faces 10, 11 owns. These can be produced, for example, by burn-in silver plating. Attached to these electrodes are Connection strands soldered in, the electrodes are supplied with an alternating voltage via these connection strands. This will make the Ceramic body preferably caused radial vibrations. on one end face of the ceramic body is a foam layer 2 glued on, which is designed as a> V4 layer. That means, that this layer has a thickness of λ / 4, where A is the wavelength of the ultrasound generated by means of the ceramic body is in the foam.
Die Λ/4-Schicht besteht aus einem Material, dessen akustischer Schallwellenwiderstand ein Maß besitzt, welches zwischen der Größe des Schallwellenwiderstandes des Piezokörpers und der Größe des Schallwellenwiderstandes des Mediums, in dem sich der Schall ausbreiten soll, liegt. Dieses Medium ist im allgemeinen Luft oder Wasser.The Λ / 4-layer consists of a material whose acoustic Acoustic wave resistance has a measure between the size of the acoustic wave resistance of the piezo body and the The size of the acoustic wave resistance of the medium in which the sound should propagate. This medium is in general Air or water.
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 λ/4-Schicht einen Wellenwiderstand von 9s c ß = (#LCL#K cK'* Dabei bezeichnet g die Dichte eines Mediums, c die Schallgeschwindigkeit in einem Medium, der Index s bezeichnet die Λ/4-Schicht, der Index L das Medium, in dem sich der Schall ausbreiten soll, d.h. z.B. Luft oder Wasser, der Index K bezeichnet den Keramikkörper. Allgemein bezeichnet gc den akustischen Schallwellenwiderstand eines Stoffes.In the ideal case, i.e. if the sound transducer only generates sound of a single frequency, and if the sound radiation area is very large compared to the wavelength, the λ / 4 layer has a wave resistance of 9 s c ß = (#L C L # K c K ' * Here , g denotes the density of a medium, c the speed of sound in a medium, the index s denotes the Λ / 4-layer, the index L denotes the medium in which the sound should propagate, e.g. air or water, the index K denotes In general, gc denotes the acoustic wave resistance of a material.
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Ist Luft das Ausbreitungsmedium für den erzeugten Schall, so sollte die λ/4-Schicht bei dem dargestellten Ultraschallwandler einen akustischen Schallwellenwiderstand besitzen, der zwischen den Werten 5 . 10 g/cm .s und 5 · 10 g/cin . s liegt.If air is the medium for the generated sound to propagate, the λ / 4 layer should be used in the ultrasonic transducer shown have an acoustic wave resistance between the values 5. 10 g / cm · s and 5 x 10 g / cin. s lies.
Die A/4-Schicht besitzt bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler wesentlich größere Abmessungen als der Keramikkörper. Der überstehende Bereich der A/4- Schicht ist auf der Seite des Keramikkörpers mit einem Beschwerungsring 3 verbunden. Dieser Beschwerungsring soll in Vergleich zur A/4-Schicht ein großes Gewicht und eine große Fläche haben. Er kann beispielsweise aus Aluminium bestehen. Dieser Beschwerungsring umschließt konzentrisch den Keramikkörper ohne diesen zu berühren.The λ / 4 layer has the ultrasonic transducer according to the invention much larger dimensions than the ceramic body. The protruding area of the A / 4 layer is on the side of the Ceramic body connected to a weighting ring 3. This Compared to the A / 4-layer, the weight ring should have a large weight and a large area. He can, for example, from Consist of aluminum. This weighting ring concentrically surrounds the ceramic body without touching it.
Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler arbeitet in der folgenden Weise: Der Piezokeramikkörper wird elektrisch zu Ultraschallschwingungen angeregt. Der Schall wird nahezu nur auf der Seite der λ/4-Schieht abgestrahlt, da auf dieser Seite des Keramikkörpers aufgrund der A/4-Schicht nahezu keine Schallreflexionen beim Durchgang des Ultraschalls vom Keramikkörper in die A/4-Schicht und weiter in das Schallausbreitungsmedium entstehen. Durch den Beschwerungsring wird erreicht, daß die Grenzflächen zwischen diesem Ring und der A/4-Schicht eine Knotenfläche darstellt, d.h. diese Grenzfläche ist beim Ultraschallbetrieb dos Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der A/4-Schicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt, d.h. alle Punkte der freien Fläche bewegen sich relativ zum Piezokeramikkörper gleichzeitig zur einen oder zur entgegengesetzten Richtung. Damit wird erreicht, daß der abgestrahlte Schallstrahl einen sehr kleinen Öffnungswinkel aufweist, da angenähernd eine räumlich durch die Größe der freien Oberfläche der A/4-Schicht begrenzte ebene Welle erzeugt wird.The ultrasonic transducer according to the invention works in the following way: The piezoceramic body is converted into ultrasonic vibrations electrically stimulated. The sound is almost only emitted on the side of the λ / 4 layer, as it is on this side of the ceramic body almost no sound reflections due to the A / 4 layer occur when the ultrasound passes from the ceramic body into the A / 4 layer and further into the sound propagation medium. The weighting ring ensures that the interfaces between this ring and the ¼ layer represent a knot area, i.e. this interface is almost at rest during the ultrasonic operation of the ultrasonic transducer. It is thereby achieved that the full size of the free face of the A / 4 layer oscillates almost in phase, i.e. all points of the free surface move relative to the piezoceramic body simultaneously in one direction or in the opposite direction. This achieves that the emitted sound beam has a very small opening angle, since it is approximately spatially due to the size the plane wave limited to the free surface of the A / 4 layer is generated.
Aufgrund der beschriebenen Wirkungsweise des Ultraschallwandlers ist es ersichtlich, daß der Beschwerungsring auch Teil eines Gehäuses sein kann, in welches der Ultraschallwandler eingebaut ist.Due to the described mode of operation of the ultrasonic transducer, it can be seen that the weighting ring is also part of a housing can be in which the ultrasonic transducer is built.
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In jedem Fall eignet sich der Beschwerungsring dazu, den Wandler in vorteilhafter Weise an einer Halterung zu befestigen.In any case, the weighting ring is suitable for fastening the transducer to a holder in an advantageous manner.
Durch den Beschwerungsring wird also erreicht, daß eine große Fläche, deren Abmessungen wesentlich größer sind, als die Stirnfläche des Keramikkörpers, zu gleichphasigen Schwingungen angeregt wird. Ohne den Beschwerungsring führt der Bereich der λ/4-Schicht, der über die Stirnfläche des Keramikkörpers hinausragt, unkontrollierte Schwingungen aus, die sich gegenseitig auslöschen, so daß eine Schallabstrahlujig praktisch nur in dem Bereich der /λ/4-Schicht erfolgt, der mit dem Keramikkörper verbunden ist. Da dieser Bereich eine kleine Flächenausdehnung besitzt, ähnelt der erzeugte Schallstrahl mehr einer räumlich begrenzten Kugelwelle , d.h. der Öffnungswinkel ist verhältnismäßig groß.By the weighting ring is achieved that a large Area, the dimensions of which are significantly larger than the face of the ceramic body, excited to in-phase vibrations will. Without the weighting ring, the area of the λ / 4-layer, which protrudes over the face of the ceramic body, uncontrolled vibrations that cancel each other out, so that a Schallabstrahlujig practically only in that Area of the / λ / 4 layer is carried out with the ceramic body connected is. Since this area has a small area, the generated sound beam is more similar to a spatial one limited spherical wave, i.e. the opening angle is relatively large.
Bei einem Ausführungsbeispiel des Ultraschallwandlers, für eine Betriebsfrequenz von ca. 40 kKz aufgelegt war, hatten die Elemente des Schallwandlers die folgenden Abmessung"·;.!: Der Keramikkörper aus Blei-Zirkonat-Titanat hatte eine Dicke von ca. 4,5 mm und einen Durchmesser von 52.5mm. Der Beschwerungsring bestand aus Aluminium und hatte eine Dicke von 8 mm, einen Außendurchraesser von 100 mm und einen Innendurchinesser von 56 min. Die Λ/4-Schicht hatte einen Durchmesser von ebenfalls 100 mm und eine Dicke von 16 mm.In one embodiment of the ultrasonic transducer, was applied for an operating frequency of approx. 40 kKz, the elements of the sound transducer had the following dimensions "·;.!: The lead-zirconate-titanate ceramic body had a thickness 4.5 mm and a diameter of 52.5 mm. The weight ring was made of aluminum and had a thickness of 8 mm, an outside diameter of 100 mm and an inside diameter of 56 min. The Λ / 4-layer had a diameter of also 100 mm and a thickness of 16 mm.
Die λ/4-Schicht kann in der folgenden Weise hergestellt v/erden: Ein Polystyrollack oder ein Epoxidlack wird mit Hohlkugeln aus Siliziumdioxid, die einen Durchmesser zwischen den V/erten 30 /um und 125 /Um und eine Wandstärke von 2 ,um aufweisen, vermischt. Derartige Hohlkugeln sind unter dem Namen Eccospheres SJ der Fa. Emmerson & Cumming bekannt. Ein aus vier Gewichtsteilen Benzol und einem Gewichtsteil Polystyrol bzw. Epoxid bestehender Lack wird mit zwei Gewichtsteilen dieser Hohlkugeln verrührt. Dabei wird darauf geachtet, daß möglichst keine Luftblasen entstehen. Anschließend wird die entstandene breiige Masse auf dem Boden eines Gefäßes zum Trocknen vergossen.The λ / 4 layer can be made in the following way: A polystyrene lacquer or an epoxy lacquer is made with hollow spheres made of silicon dioxide, which have a diameter between the v / erten 30 / µm and 125 / µm and a wall thickness of 2 µm, mixed. Such hollow spheres are known under the name Eccospheres SJ from Emmerson & Cumming. On off four parts by weight of benzene and one part by weight of polystyrene or epoxy paint is mixed with two parts by weight of this Mixing hollow spheres. Care is taken to ensure that no air bubbles are created. Then the resulting pulpy mass poured to dry on the bottom of a vessel.
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Nach einer Trockenzeit von 2 Tagen erhält man eine Schaunistoff-After a drying time of 2 days you get a Schaunistoff-
— 3 platte mit einer Dichte von ca. 0,16 g . cm . Diese Platte gibt beim Anschlagen mit einem harten Gegenstand einen hellen, fast metallischen Klang von sich. Dieser Schaumstoff besitzt einen akustischen Schallwellenwiderstand von ca. 2,1. 10 g/s .- 3 plate with a density of approx. 0.16 g. cm. This record emits a bright, almost metallic sound when struck with a hard object. This foam possesses an acoustic wave resistance of approx. 2.1. 10 g / s.
ο
cm . Die getrocknete Schaumstoffplatte wird auf das gewünschteο
cm. The dried foam board is placed on the desired
Maß zugeschnitten und an ihren Oberflächen plangeschliffen.Cut to size and ground flat on their surfaces.
Die Figur 3 zeigt ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers. Aufgetragen ist der Schalldruck in Polarkoordinaten in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel, d.h. dem Winkel, den die jeweilige Schallrichtung mit einer Senkrechten auf der Schallabstrahlfläche bildet.FIG. 3 shows an example of a directional diagram of an ultrasonic transducer according to the invention. That is applied Sound pressure in polar coordinates as a function of the radiation angle, i.e. the angle that the respective direction of sound has forms a perpendicular on the sound-emitting surface.
Die Position 1000 bezeichnet den Ultraschallwandler. Man erkennt, daß praktisch nur zu einer Seite des Wandlers Schall abgestrahlt wird, dementsprechend ist die Schallkeule 1001 wesentlich größer als die Schallkeule 1002, dabei ist die Länge einer Verbindung 1003 zwischen einem Punkt auf dem Schallkeulenrand und dem Wandler 1000 ein Maß für den Schalldruck in dieser Ausbreitungsrichtung. Der Öffnungswinkel der Schallkeule beträgt ca. 5°. Position 1000 denotes the ultrasonic transducer. It can be seen that sound is practically only radiated to one side of the transducer, accordingly the sound cone 1001 is significantly larger than the sound cone 1002, the length of a connection 1003 between a point on the edge of the sound cone and the transducer 1000 is a measure of the sound pressure in this direction of propagation. The opening angle of the sound cone is approx. 5 °.
3 Patentansprüche
3 Figuren 3 claims
3 figures
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Claims (4)
5 . 10 g /ein . s besteht, und daß der Schwingkörper ein Piezokörper (1) ist. ,4/2
5. 10 g / a. s exists, and that the oscillating body is a piezo body (1). ,
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