DE2611780B2

DE2611780B2 - Ultraschallwandler und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE2611780B2
Application number: DE762611780A
Authority: DE
Inventors: Walter Eli Port Huron Mich. Levine (V.St.A.)
Original assignee: Bindicator Co LLC
Current assignee: Venture Measurement Co LLC
Priority date: 1975-03-20
Filing date: 1976-03-19
Publication date: 1979-03-01
Also published as: FR2307428A1; DE2611780C3; GB1541748A; DE2611780A1; US4081889A; US4015319A; CA1071322A; US4163917A

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Ein solcher Ultraschallwandler kann eingesetzt werden zur Messung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder -behälter. Wie in der US-PS 29 43 296 gezeigt ist kann ein Ultraschallwandler beispielsweise an der Oberwand des Vorratstanks befestigt und so ausgerichtet werden, daß er Impulse nach unten auf die Oberfläche gespeicherten Materials richtet und von dort reflektierte Echoimpulse empfängt nachdem diese den Hohlraum zwischen der Tankoberseite und der Materialoberfläche durchlaufen haben. Mit Hilfe einer elektronischen Schaltungsanordnung, typischerweise einem Analogsignalprozessor, wird die Materialhöhe an Hand der Laufzeit zwischen der Abstrahlung eines Sendeimpu! es und dem Empfang eines Echoimpulses bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ultraschallwandler vei fügbar zu machen, der wirtschaftlich herzustellen ist, zuverlässig arbeitet, während der Herstellung auf einfache Weise auf eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt werden kann und besonders geeignet ist zur Verwendung bei einer Vorrichtung zur Überwachung der Materialhöhe in einem Vorratstank oder -behälter, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung aufzuzeigen,

Diese Aufgabe wird <lurch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebenen Merkmale gelöst. Ausgestaltungen und Weilerbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden die Erfindung und ihre Vorteile an Hand von Ausführungsformen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Schrägansicht, teilweise im Schnitt, eines Materialvorratstanks, dessen Füllhöhe mit Höhe einer Abstandsmeßvorrichtung überwacht wird, die mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers bestückt ist, wobei die Abstandsmeßvorrichtung in größerem Maßstab als der Tank dargestellt ist,

Fig.2 eine vertikale Schnittansicht des Sende/Empfangsteils der in Fig. 1 dargestellten Abstandsmeßvorrichtung.

Fig. 3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in F i B. 2.

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Fig.4 eine Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. 2,

F i g. 5 eine Schnittansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers, der für die m den Fi g. 1 bis 4 dargestellten Abstandsmeßvorrichtung verwendbar ist, und zwar gegenüber Fig.2 um !80° gekippt.

F i g. 6 eine Darstellung der Resonanzfrequenzkennlinien des in F i g. 5 gezeigten Ultraschallwandlers und

Fig.7 und 8 die Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinien verschiedener Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

In Fig. 1 ist ein Materialvorratstank 10 gezeigt, der eine zylindrische Seitenwand 12 und ein Oberteil 14 aufweist Ein Material 16, das flüssig oder fest sein kann, wie beispielsweise Getreide, Kohle oder Steine, ist im Tank 10 gespeichert und besitzt eine obere Oberfläche 18, die überwacht werden soll, um p.ine Anzeige für die Materialhöhe zu schaffen. Der Tank 10 kann aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein und eine geeignete Vorrichtung (nich· dargestellt) zum Einfüllen und Ablassen von Material 16 in den Tank bzw. aus dem Tank aufweisen.

Eine Wandlerantennenanordnung 20 ist im Inneren des Tankes so angeordnet, daß sie von der Tankcberseite 14 herabhängt Sie weist einen parabolischen Reflektor 22 und einen Ultraschallwandler auf, der im Reflektorbrennpunkt angeordnet ist. Der Reflektor 22 reflektiert Ultraschallimpulse, die vom Wandler 24 nach oben austreten, nach unten zur Obe/fläche 18 hin, wie es 26 zeigt, und empfängt Echoimpulse, die von der Oberfläche 18 nach oben reflektiert worden sind, und richtet die Echoimpulse auf den Wandler 24. Die Sende- und Echoimpulse durchlaufen den Hohlraum zwischen dem Tankoberteil 14 und der Materialoberfläche 18. Die Wandlerantennenanordnurig 20 ist mittels eines Koaxialkabels 28 mit einer Materiaihöhensteuerelektronik 30 verbunden.

Der Aufbau einer Ausführungsform der Wandlerantennenanordnung 20 ist ausführlich in den Fig.2 bis 5 gezeigt, die alle maßstabsgerecht gezeichnet sind. Gernäß den F i g. 2 bis 4 ist ein Parabolreflektor 22 aus mit Fiberglas verstärktem Kunststoff gegossen und umfaßt ein integriertes zylinderförmiges Reflektorgehäuse 150, das sich vertikal vom eigentlichen Reflektor 152 erstreckt. Innerhalb des Gehäuses 130 befindet sich ein Impedanzanpassungsimpulsumformer 154 mit Primär- und Sekundärwicklungen, die um einen toroidförmigen Kern aus ferromagnetischem Material in einem bevorzugten Sekundär/Primär-Wicklungsverhältnis von 5 :1 gewickelt sind. Dadurch, daß auf solche Weise ein Impulsumformer in der Steuerelektronik-Wandler-Verbindungsleitung vorgesehen ist, werden Elektronik und Wandler jeweils an die Impedanz des Kabels 28 (rig. 1) angepaßt, während gleichzeitig eine 25 :1-Impedanzerhöhung zwischen der Kabelleitung und dem Wandler erreicht wird. Dies führt zu einer beträchtlichen Verbesserung des Leistungsübertragungswirkungsgrades zwischen der Elektronik und dem Wandler Überdies erlaubt ~s die Anordnung des Impulsformers beim Wandler, entfernt von der Steuerelektronik, zur Verbindung der Steuerdektronik mit dem Wandler ein Kabel niedriger Impedanz zu verwenden und die Hochspannungsschaltungen der Anlage innerhalb einer Schutzumhüllung beim Wandler unterzubringen.

Die UmfprmerwL'dungen sind mit einer Anschlußleiste 155 verbunden und die Primärwicklung ist von da aus über ein Kabel 28 mii der Steuerelektronik 30 (Fi e. Π

verbunden. Ein Thermistor 156, der eine Anzeige für die Umgebungstemperatur innerhalb des Vorratstanks 10 (Fig. I) gibt, ist in der Wand des Gehäuses 152 eingebettet und über eine zweite Anschlußleiste 158 (Fig. 3) und ein Kabel 54 mit der Steuerelektronik 30 verbunden. Das auf diese Weise der Elektronik 30 vom Thermistor 154 zur Verfügung gestellte Signal kann verwendet werden, um Veränderungen der Geschwindigkeit der Ultraschallmeßimpulse in Luft zu kompensieren.

Eine Reflektorgehäuseabdeckung 160 ist auf das Gehäuse 152 gepreßt und an diesem befestigt. Es nimmt ein mit Gewinde versehenes Ende 164 eines Wandlerbefestigungsnippels 162 auf. Das Gehäuse 152 wird dann mit einem geeigneten Einkapselungsmittel, wie RTV, einer bei Raumtemperatur vulkanisierenden synthetischen Kautschukverbindung gefüllt. Ein zweites mit Gewinde versehenes Nippelende 166 kann eine Befestigungsmutter 168 aufnehmen, um die Wandlcrantennenanordnung 20 sicher am Tankoberteil 14 zu befestigen. Ein akustischer Absorberblock 167 aus Fiberglas ist gegenüber dem Wandler 24 mittig im Reflektor 154 angeordnet, um die Erzeugung stehender Wellen zwischen dem Wandler und dem Reflektor zu unterbinden. Der Block 167 wird mittels eines Schirms 169 in Stellung gehalten.

Drei parallele, hohle, nickelplattierte Rohre !70 aus Stahl oder rostfreiem Stahl sind am Reflektor 22 befestigt, z. B. durch Muttern 172 und Klemmringe 173. und halten den Ultraschallwandler 24 im Reflektorbrennpunkt. Ein dreieckiger Befestigungsblock 176 aus glasfaserverstärktem Kunststoff weist an den einzelnen Dreiecksspitzen Gewindelöcher 178 zur Aufnahme der jeweiligen mit Gewinde versehenen Enden der Tragrohre 170 auf. Das offene Ende einer Wandlerbecheranordnung 174 ist axial in eine Mittelbohrung 180 im Block 176 gepreßt und mittels einer Schraube 177 in seiner Stellung festgelegt, die von fluchtenden Löchern 179, 181 im Gehäuse 176 bzw. einer Becherwand 190 aufgenommen wird, wobei das Loch 181 /ur Aufnahme der Schraube mit einem Gewinde versehen ist. Ein Kabel 182 ist mit einem Anschlußblock 155 (Fig. 3) verbunden und dann durch eines der Halterohre 170 (F i g. 2) geführt, um die Sekundärwicklung des Umformers 154 mit Becheranordnungsanschlüssen 184. 186 (F i g. 4) zu verbinden. Der Hohlraum 188 (F i g. 2). der durch die Bechennordnung 174 und den Block 176 gebildet ist. ist mit RTV-Einkapslungsmittel gefüllt, und eine Abdeckung 189 ist am Block 176 befestigt, um den Hohlraum und die Rohrlöcher 178 abzudecken.

Nach Fig. 5 umfaßt die Wandlerbecheranordnung 174 ein rohrförmiges Gehäuse oder eine hohle Kapsel 190. die vorzugsweise ?us Aluminium hergestellt ist und eine Kapselenden 192, 194 öffnende axiale zylindrische Bohrung 1% aufweist, und ein aus Schichten zusammengesetztes Schwingelement 195, das einen piezoelektrischen Kristall 198 mit sich gegenüberliegenden parallelen Vorder- und Hinterstirnflächen 197, 199 aufweist, der mittels einer Schicht 202 aus Haftmaterial an einer Wandleraufsatzplatte oder einer Mpmbran 200 befestigt ist. die vorzugsweise aus Aluminium besteht. Wenn der Kristall 198 durch die Steuerelektronik 30 {Fig- 1) erregt wird, bilden der Kristall und die Membran 200 ein schwingendes Verbundsystem, das inneren Biegespannungen ausgeset7t wird. Die neutrale Biegeachse der Kristaü/Membran-Kombination befindet sich vorzugsweise in der Haftschicht 202 oder innerhalb der Membran 200 dicht neben der Haftschicht, um sicherzustellen, daß der Kristall 198 entweder Zug- oder Druckspannungen ausgesetzt wird, jedoch nicht beiden gleichzeitig, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Kristall- oder Membranbruchs oder ein Loslösen des Kristalls von der Membran verringert wird. Weitere Information hinsichtlich der Parameter und Konstruktionskrilerien für den Aufbau eines Verbundsystems so, daß die neutrale Biegeachse in der genannten Weise angeordnet ist, kann man »Strengths of Materials. Part 2, Advanced Theory and Problems«, S. Timoshenko. 2. Ausgabe. 13. Druck, D. Van Nostrand Co., Inc., New York, N.Y., entnehmen, und außerdem sind weitere Einzelheiten nachfolgend angegeben. Das Haftmittel ist vorzugsweise leitend, wie silberdotiertes Epoxy oder mit Silber angereichertes Lot. Die Membran 200 ist in das Ende 194 der Kapsel 190 mit Preßsitz eingepreßt, wie es ausführlicher nachfolgend erläutert ist, nachdem eine oder beide zueinander passenden IJmfangsoberflächen mit einem geeigneten anaeroben Füllmittel beschichtet worden sind, um die Spalte zwischen dem Membranumfang und der Kapselwand zu füllen und somit die mechanische Kopplung zwischen dem Element 195 und der Kapsel 190 durch Ausschalten von Grenzschichllücken zwischen diesen zu verbessern.

Eine Anschlußleiste 204 ist an der Kapsel 190 mittels einer Schraube 206 befestigt, die in einer entsprechenden Gewindeöffnung 208 in der Kapselwand aufgenommen wird. Der Anschluß 184 ist elektrisch mit der Schraube 206 verbunden, und somit mit der Kapsel 190, der Membran 200. der Haftschicht 202 und der Kristallfläche 194. um diese Kristallfläche über ein Kabel 182 zu erden. Ein Anschluß 186 an der Leiste 204 ist über einen Leiter 210 und einen Lötverbindungspunkt 212 mit der rückwärtigen Kristallfläche 199 verbunden.

Ein akustisch absorbierender Block 214 füllt den Rest des Hohlraums 1% und weist vorzugsweise ein federndes Synthetikmaterial. wie RTV. und ein nichtleitendes Material in Teilchenform, wie Sand oder Quarz, auf. und zwar mit einem RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5:1 bis 20:1. Das in Teilchenform vorliegende Material, das in F i g. 5 durch Körner 215 angedeutet ist, erhöht die Dichte des Absorbers 214 und trägt dazu bei. die von der Kristallrückfläche 199 ausgehenden Ultraschallwellen zu brechen und zu absorbieren. Die RTV/Teilchen-Mischung verringert auch den £>-Wert des Wandlers durch Massezufügung und Veränderung der Federkonstanten des Vibratorelements. an welchem die Mischung haftet. Der (?-Wert wird für das Gebiet der Wandler allgemein definiert ils das Verhältnis der Wandlerresonanzfrequenz devidiert durch die Halbwertbandbreite, d. h„ die Bandbreite an demjenigen Punkt, an welchem der Wandler die halbe Leistung aufweist. Derzeit wird bei Materialhöhensteuerungsanwendungen ein ζ) im Bereich zwischen 14 und 17 bevorzugt. Für den ζ)-Wert der Becheranordnung ohne den RTV/Teilchen-Absorber fand man generell einen Wert zwischen 70 und 90. Man fand auch, daß abhängig von der Art des im Absorber 214 verwendeten RTV-Harzes der Absorber die Resonanzfrequenz des Wandlers ändert, indem er die Resonanzfrequenz entweder erhöht oder erniedrigt, beispielsweise um einen Betrag zwischen 200 und 300 Hz. Die Wirkung dieser Frequenzänderung auf die Konstruklionsmethode wird nachfolgend ausführlich behandelt.

Die bevorzugte Methode zur Herstellung des Wandlers 24 kann folgendermaßen umrissen werden

Der Krislall 198 wird zunächst iin der Membran 200 befestigt. Dann wird der Leiter 210 auf der Riickflächc 199des Kristalls 198 angelötet, wie es bei 2i2dargestellt ist. Die Membnn wird vorgcrcinigl und mit einem schnellwirkenden anaeroben I laftstoffcinbringungsverbcssercr beschichtet. Die innere Oberfläche der Kapsclbohrung 196 wird gleichermaßen behandelt. Die Membran wird dann über dem offenen Ende 194 der Kapsel 190 und in koaxialer Ausrichtung mit dieser angeordnet, wobei der Membranrand auf dem Kapsclende ruht. Anaerobes Füllmaterial wird t'.inn rund um ilen Umfang der Membran und auf der inneren Oberfläche der Bohrung 196 aufgebracht. Die Membran wird dann um einen vorbestimmten Anfangs-Disianzleilweg in die Kapsel gedrückt, wie nachfolgend erläutert ist.

I"ig. 6 ist eine graphische Darstellung, welche die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Vorstehen der Membran zeigt. Diese Kurve ist rhnralcfprkiisrh fin eine Ausführungsform des Wandlers 24, für den eine Membran aus Aluminium 2024-T4 mit einem Durchme?; scr von 28.0543 mm und einer Dicke von 2.4765 mm verwendet wird. Bei dem zur Aufzeichnung der Kurve in I'i g. 6 verwendeten Kristall 198 handelte es sich um einen von Transducer Products, Inc. Torringion, Conn., Katalog Nr. I.TZ-2, verkauften piezoelektrischen Krislall mit einem Durchmesser von 25,3746 mm und einer Dicke von 2,1209 mm. Bei dem Haft- oder Befestigungsmittel 197 handelte es sich um silberdotierten leitenden Epoxykitt, der unter der Katalognummcr K 8-4">38 von Hysol Division of Dexter Corporation, City of Industry. California, verkauft wird. Man fand, daß die Abmessung der Kapsei 190 geringe Bedeutung für die Kurvenform hat. In F i g. 6 isi die Frequenz in K Hz in logarithmischem Maßslab in Abhängigkeit von Millimetern des Herausstchens der Membran aufgetragen, d. h., in Abhängigkeit von der Distanz, um welche die Membran aus dem Kapselendc 194 herausragt. Diese Distanz ist in Fig. 6 durch die Bezugsziffer 216 angedeutet. Aus Fig. 6 sieht man, daß, wenn die Membran 200 in die Kapsel 190 gedrückt wird, die Resonanzfrequenz stetig zunimmt, bis die äußere Membranfläche bündig mit dem Kapselende 194 abschließt. Wenn die Membran 200 weiter über den Punkt des Bündiganliegens hinaus in die Kapsel gedruckt wird, bleibt die Resonanzfrequenz praktisch konstant.

Es wird nun zur bevorzugten Methode des Zusammenbaus des Wandlers 24 zurückgekehrt. Die Membran 200 wird teilweise um eine anfängliche vorbestimmte Distanz in die Kapsel 190 gedruckt, beispielsweise so lange, bis die Distanz 216 etwa gleich 0,508 mm ist. Ein Signalgenerator mit variabler Frequenz und ein Oszillograph werden dann über dem Kristall zwischen dem Leiter 210 und der Kapsel 190 angeschlossen. Die Generatorausgangsfrequenz wird dann variiert, bis durch Beobachtung auf dem Oszillographen der Punkt minimaler Signalamplitude gefunden ist, der bei der Resonanzfrequenz der Anordnung auftritt. Während man die Anordnung auf konstanter Temperatur hält, wird dann die Membran 200 weiter in die Kapsel 190 gedruckt, wodurch die Resonanzfrequenz der Anordnung erhöht wird, bis ein Wert /b für die leere Becheranordnung erreicht ist. Dieser Vorgang wird vorzugsweise in einer Reihe diskreter Schritte durchgeführt, während das Osziüographausgangssigna! beobachtet und der Signalgenerator neu eingestellt wird. Der Anschlußstreifen 204 wird dann an der Kapsel 190 befestigt und der Leiter 210 wird am Anschluß 186 angelötet.

Aus Gründen der Tcmperaturstabilitäl, die nachfolgend in Verbindung mit F i g. 8 ausführlich beschrieben werden, wird die derzeit für den Absorber 214 bevorzugte Einfüllverbindung verwendet, die von der Dow Corning Corp. of Midland, Michigan unter der Bezeichnung 96-083 RTV auf dem Markt ist. Wenn der Absorber 214 das 96-083 RTV aufweist, bewirkt dies eine Erhöhung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbcchers 174 gegenüber der ursprünglich abgestimmten Resonanzfrequenz der leeren Bechcranordnung /n um einen Betrag zwischen 200 bis 300 Hz. Folglich wird bei dem betrachteten Beispiel, bei welchem die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz ist und das bevorzugte 96-083 RTV verwendet wird, zunächst eine Resonanzfrequenz f_n der leeren Becheranordnung zwischen 19,7 bis 19,8 KHz erreicht (l· :g. 7), weriri ein Voräiclidu.siaiiu 2ίό zwischen 0,5588 und 0,635 mm besteht. 3118 RTV von Dow Corning Corporation ist ebenfalls verwendet worden, und es bewirkt eine Verringerung der Resonanzfrequenz des gefüllten Wandlerbechers um 200 bis 300 Hz. Was Fig. 7 betrifft, für welche 3118 RTV im betrachteten Beispiel zu verwenden ist und bei welcher die gewünschte endgültige Resonanzfrequenz 20,0 KHz beträgt, liegt die Vorstehdistanz 216 des leeren Bechers zwischen 0,127 und 0,2286 mm.

Es wird dann ein Test durchgeführt, um den (?-Wert der Anordnung zu bestimmen. Ein Mikrophon wird außerhalb des Bechers in Nachbarschaft der Membran 200 unter einem Winkel von 60° bis 70" vor der Vorderfläche der Membran angeordnet. Der Signalgenerator mit variabler Frequenz wird wieder bei der vorbestimmten Resonanzfrequenz. f_n und bei einer vorbestimmten Spannungsamplitude, beispielsweise 20 V Wechselstrom, betrieben. Das Ausgangssignal des Mikrophons wird dann unter Verwendung eines Voltmeters und eines geeigneten Verstärkers abgelesen, und zwar üblicherweise in Millivolt. Das Verhältnis des Mikrophonaüsgangssignals zum Kristalieingang ist nicht von Bedeutung. Das Mikrophonausgangssignal wird dann mit | 2/2 oder etwa 0,707 multipliziert. Die Frequenz des Signalgenerators wird dann erhöht, bis das Mikrophonausgangssignal bei diesem niedrigeren Ausgangswert liegt, d. h„ 0,707 mal so groß wie die Resonanz-Mikrophonausgangsspannung ist. Dies tritt bei einer oberen Frequenz f\ auf. Die Generatorfrequenz wird dann unter die Resonanzfrequenz abgesenkt, bis das Mikrophonausgangssignal wieder das O,7O7fache seines Resonanzwertes zeigt. Dies tritt bei eine." niedrigeren Frequenz h auf. Der ζ)-Wert für die Anordnung kann dann bestimmt werden als gleich:

Jn
J\-h '

Wie verstehend angegeben. liegt dieses Q normalerweise oberhalb 70.

Um den <?-Wert durch Belastung der Rückseite 199 des Kristalls 198 zu verringern, wird nun die Mischung aus RTV und Material in Teilchenform bereitet. Wenn der berechnete ζ)-Wert der leeren Becheranordnung dicht bei 70 liegt erzeugt ein RTV/Teilchen-Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 10/1 eine ausreichende Kristallbelastung, urn ein gewünschtes endgültiges Q von 14 bis 17 zu erreichen. Für höhere Werte des berechneten Q ist ein höheres RTV/Teilchen-Verhältnis erforderlich Fin

20/1-Verhältnis ist das allgemeine Maximum. Diese nach Gewohnheit oder Erfahrung berechnete Mischung wird in das Kapselende 192 gegossen, bis der Hohlraum 196 im wesentlichen gefüllt ist. d. h. bis lediglich die Anschlüsse 184, 186 freiliegend bleiben. Wie vorstehend angegeben, senkt die RTV/Teilchen-Mischung nicht nur das Q auf den gewünschten Wert, sondern sie verändert auch die Resonanzfrequenz der Anordnung, d. h. sie erhöht oder erniedrigt die Resonanzfrequenz um 200 bis 300 Hz, was von der Art des verwendeten RTV abhängt, innerhalb sehr enger Grenzen, deren Mitte bei der gewünschten Resonanzfrequenz von 20 KHz liegt. Dies gilt natürlich unter der Annahme, daß alle anderen Parameter, wie Bechervolumen usw., konstant bleiben. Nachdem die RTV-Tcilehen-Mischung ausgehartet ist, wird die Anordnung in eine geeignete Beschichtungsverbindung getaucht, um die Aluminiummembran 200 und die Kapsel 190 gegen Korrosion zu schützen. Alternativ und vorzugsweise können die Kapsel 190 und Die zuvor genannten Faktoren werden auch bei der Auswahl der korrelierten Abmessungen von Kristall 198 und Membran 200 in Betracht gezogen derart, daß die neutrale Biegeachse des Verbundträger aus dem Kristall herausgeschoben wird und entweder innerhalb oder dicht neben dem zwischen Kristall und Membran befindlichen Haftmaterial liegt. Diese Anordnung der neutralen Achse des Vibratorelements stellt sicher, daß der Kristall während seiner Biegung in Abhängigkeil von der angelegten Spannung nicht gleichzeitig Ziig- und Druckspannungen ausgesetzt wird. Wenn sich das zusammengesetzte Vibnitorclcmcnt 195 aus seinem normalen, flachen Ruhezustand nach oben oder in die Kapsel 190 biegt, wird der Kristall 198 somit gänzlich Druckspannungen ausgesetzt. Gleichermaßen wird der Kristall während der Auslenkung des Elements 195 aus dem flachen Zustand nach außen aus der Kapsel 190 heraus lediglich Druckspannungen ausgesetzt. Auf Grund dieser Arbeitsweise besteht eine geringe

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tet werden, so daß Änderungen hinsichtlich der Beschichtungsdicke beim zuvor beschriebenen Abstimmvorgang ausjustiert werden können. Die Wandlerbecheranordnung 174 ist dann vollständig und bereit, um in den Block 176 gepreßt und am Reflektor 22 befestigt werden zu können, wie es in den F i g. 2 bis 4 gezeigt ist.

Um die zuvor beschriebene Abstimmethode hinsichtlich Verschleiß und Reißen des Schwingelements des Wandlers am vorteilhaftesten durchzuführen, ist es zu bevorzugen, ein geschichtetes, zusammengesetztes Schwing- oder Vibratorelement 195 mit kreisförmiger Abmessung vorzusehen, bei welchem das piezoelektrische Element in Form eines piezokeramischen Kristalls 198 das innerste Teil des Vibratorelements darstellt, hinter dem sich die RTV/Teilchen-Masse 215 befindet, und das äußerste Teil ist die Metallmembran 200, so daß diese einen Schutz und eine Dichtung für die inneren Wandlerkomponenten und insbesondere den Kristall bildet. Der Durchmesser der Membran 200 ist größer gemacht als derjenige des Kristalls 198, so daß der Metallrand der Membran der einzige Teil des Vibratorelements ist, der während der Preßsitzabstimmung und der Befestigung direkt mit der Innenwand der Wandlerkapsel 190 in Eingriff kommt. Ist diese bevorzugte Konfiguration gegeben, sind der Durchmesser und die Dicke des Kristalls mit dem Durchmesser und der Dicke der Membran derart korreliert, daß, wenn man die Parameter der Elastizitätsmodule des Kristall- und des Membranmaterials, das Volumen dieser Komponenten, die Federkonstante und Masse dieser Komponenten, die gewünschte Arbeitsfrequenz des Wandlers und Abstrahlenergie- und Wirkungsgradfaktoren in Erwägung zieht, das Vibratorelement 195 vorzugsweise als ein Verbundträger konzipiert ist, dessen Knotenpunkte des ersten Biegeschwingungsmoduls (Schwingung längs der Hauptachse der Anordnung, durch die Kristallerregung induziert) am Membranumfang oder in dessen dichter Nähe auftreten, um dadurch während des Wandlerbetriebs auftretende Spannungen am Kristall zu vermindern. Diese Anordnung der Knotenpunkte wirkt auch mit dem beschriebenen ausjustierbaren Preßsitz-Abstimmvorgang dadurch zusammen, daß die Resonanzfrequenz des Verbundsystems empfindlich gemacht wird gegenüber dem Ausmaß der mechanischen Kopplung zwischen dem Umfang der Membran und der mit dieser im Eingriff stehenden Wand der Wandlerkapsel.

snhcn Vibralorspannungcn beschädigt wird, die durch die piezoelektrische Belastung des Verbundsystems induziert werden. Bei einem speziellen Beispiel, das den vorstehenden Betrachtungen entsprechend aufgebaut war, erhielt man optimale Ergebnisse bei Verwendung eines piezokcramischen Kristalls mit einem Durchmesser von 27,94 mm und einer Dicke von 2,032 mm und einer Aluminiummembran mit einem Durchmesser von 28,067 mm und einer Dicke von 2,09677 mm. Bei einer anderen Ausführungsform mit generell gleicher Konfiguration erhielt man akzeptable Resultate bei Verwendung eines piezokeramischen Kristalls mit einem Durchmesser von 25,4 mm und einer Dicke von 2,032 bis 2,0828 mm in Verbindung mit einer Aluminiummcmbran, die einen Durchmesser von 28,067 mm und eine Dicke im Bereich von 2,45872 bis 2,4638 mm aufweist.

Wenn man die zuvor beschriebenen Ergebnisse, d. h. die Ausschaltung von Spannungsumkehrungen im Kristall, auch dadurch erhalten kann, daß man die neutrale Biegeachse des zusammengesetzten Elements weiter in die Membran verschiebt, nimmt die Größe der auf den Kristal! ausgeübten Spannungen proportional zum Abstand der neutralen Achse vom Kristall zu. Zusätzlich führt ein Aufbau, bei welchem die neutrale Biegeachse in einem wesentlichen Ausmaß ins Innere der Membran gelegt wird, zu einer Erhöhung der Materialkosten auf Grund der damit einhergehenden Vergrößerung der Membrandicke. Deshalb liegt die neutrale Achse bei einer optimalen Konfiguration in der Schicht des Haftmaterials zwischen dem Kristall und der Membran, wenn auch eine Anordnung der Achse innerhalb der Membran dicht neben der Haftschicht ebenfalls die meisten der zuvor diskutierten verbesserten Ergebnisse erzeugt

Die Methode der Abstimmung durch veränderliches Einschieben kann auf Vibratorelemente angewendet werden, deren Struktur und Konfiguration von derjenigen verschieden ist, wie sie in F i g. 5 bei 195 gezeigt ist. Beispielsweise kann das Vibratoreiement genau ein Trägerglied in Form eines piezoelektrischen Kristalls aufweisen, der entweder direkt mit der Wand der Wandlerkapsel in Eingriff gebracht werden kann oder der eine geeignete Kapselstruktur mit metallischem Rand aufweist, um den Kristall während des Einsetzens und während dessen Preßsitzbefestigung in der Kapsel zu schützen. Auch ist es möglich, wenn auch weniger vorzuziehen, die Abstimmwirkung durch andere Mittel zur Veränderung des Ausmaßes der mechanischen

Il

112

Koppimg zwischen dein Unifiing der Membran und der damit zusammenwirkenden Gehäusi;trägerstruktur zu erreichen. Ucispiclsweise kann der Kristall mit bewcgl'-"hem Sitz in eine Metallkapsel bis zu einer vorbestimmten Stelle in dieser eingesetzt und dann die Wand tier Kapsel kalt bearbeitet oder auf andere Weise in diskreten Stufen ausgebildet werden, um den Membranunifang mit Preßsit/ aufzunehmen und dadurch stufenweise das axiale Ausmaß der Berührung zwischen dem Membranumfarig und der Kapselwand zu erhöhen, bis die mechanische Kopplung /wischen diesen die gewünschte Arbeitsfrequenz des Vibratorclemcnis erzeugt. Das zuvor beschriebene Preßsitzverfahren mit einstellbarer Einfügung wird jedoch vom Standpunkt eines leichter« Zusammenbaus und einer Vereinfachung der Befestigungen und der erforderlichen Werkzeugausriistung bevorzugt.

Die bevorzugte Orientierung eier Kristall/Mcmbran-Plattc im Wandler ist bei der hier angegebenen AiIWUIiUiIiIg du!al i. daß uui Krisiaii be/.ügiich der Membran im Inneren der Kapsel angeordnet ist. und /war sowohl au' Grund der zuvor erwähnten Schutzeigenschaften als auch um die elektrischen Verbindungen zum Kristall zu ermöglichen und zu schlitzen. Die Abstimmethode kann jedoch auch praktiziert werden, wenn die Orientierung der Platte umgekehrt ist; d. h.. wenn der Kristall gegenüber der Kapsel als äußerster Teil des Verbundträgers angeordnet ist, insbesondere bei jenen Anwendungen, bei welchen die Schutzfaktoren nicht zum Tragen kommen.

Pci den zuvor offenbarten Ajsführungsformcn werden für die Befestigung des Kristalls an der Membran Haftbefestigungsmethoden bevorzugt, und zwar im Hinblick auf eine leichte Herstellung. Es können jedoch auch andere Methoden und Strukturen zur Befestigung des Kristalls an der Membran verwendet werden, vorzugsweise jene, welche eine direkte Seite-an-Seite-Berührung zwischen dem Kristall und der Membran ergeben, um Energieverluste durch das dazwischenliegende Haftmaterial zu vermeiden. Beispielsweise kann eine Montage mittels eines geeigneten mechanischen ßelestigungselements, wie es im Stand der Technik bekannt ist, verwendet werden, ohne eic Vorteile des vorliegenden Abstimmverfahrens oder auch jene Vorteile, die der zuvor beschriebenen speziellen Kristall/Membran-Trägergeometrie zuzuschreiben sind, unwirksam zu machen. Solche mechanisch befestigten, zusammengesetzten Vibratorelemente erfordern jedoch eine enge Steuerung der Teiletoleranzen und der mechanischen Spannungen im zusammengebauten Zustand. Deshalb stellen die zuvor erwähnten Haftbefestigungsmethoden die derzeit bevorzugte Art für den Aufbau des Kristall/Membran-Vibratorelements dar.

Es hat sich in Verbindung mit den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gezeigt, daß sowohl das in der Haftschicht 202 verwendete Material als auch der Grad des Preßsitzes zwischen Membran 200 und Kapsel 190 je eine Auswirkung auf das Temperaturverhalten der gesamten Wandlerbecheranordnung 174 hat. Fig. 7 ist eine zusammengesetzte graphische Darstellung, weiche die Temperaturkennlinien von drei unterschiedlich aufgebauten AusführungsforiTien der Wandlerbecheranordnung vor dem Einfügen des Absorbers 214 zeigt. In F i g. 7 ist die Resonanzfrequenz in KHz in linearem Maßstab in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur in °C aufgetragen. Das Hinzufügen des Absorbers 214 zur Becheranordnung erniedrigt die jeweiligen Kurven der F i g. 7, hat jedoch ansonsten keine Auswirkung auf die dargestellten Kennlinien.

In F i g. 7 zeigt Kurve 220 die Frequenz-Temperatur-Kennlinic einer leeren Wandlerbccheranordnung, bei welcher eine Membran mit einem Durchmesser von 28.0543 mm in eine Kapsel mit einem Bohrut.gsdurchmerser von 27,98318 mm vollständig eingepreßt ist, d. h., bis zum Punkt bündigen Abschließens, bei welchem die Distanz 216 (F ig. 5) gleich Null ist. Somit ist der Betrag des Übermaßes bei der der Kurve 220 zugeordneten Ausführungsform 0,07112 mm. Bei der Ausführungslorm gemäß Kurve 220 war der pie/.okeramischc Kristall an der Membran befestigt mittels Silber enthaltendem Epoxy, wie es zuvor in Verbindung mit F I g. 6 angegeben worden ist.

Kurve 224 in F i g. 7 zeigt die Temperaturkcnnlinie eines leeren Wandlerbechers, bei welchem eine Membran mit einem Durchmesser von 28,08478 mm in eine Kapsclbohrung mit einem Durchmesser von 27,99588 mm gepreßt ist, so daß der Betrag des Übermaßes gleich 0,0889 mm ist. In gleicher Weise zeigt Kurve 226 die Kennlinie bei einer Membran mit einem Durchmesser von 28,08478 mm, die in eine Kapsclbohrung mit einem Durchmesser von 28,0035 mm gepreßt ist, so daß das Mcmbran/Kapsel-Übermaß gleich 0,08128 mm beträgt (durch die Umrechnung von Zoll in Millimeter Rundungsfchlcr aufgetreten sein). Bei den Ausführungsformen gemäß 224 und 226 waren die Kristalle an den Membranen jeweils nicht mittels leitendem Epoxy, sondern mittels mit Silber angereichertem I.ot (SN62J befestigt. Erstens stellt man im Hinblick auf die Kurven 224, 226 fest, daß die Verwendung von mit Silber angereichertem Lot an Stelle von Epoxy als Haftbefestigungsmittel eine deutliche Auswirkung auf die Wandlertcmperaturkcnnlinie hat und dazu neigt, die Kennlinie eben zu machen und die Wandlerresonanzfrequenz über einen ausgedehnten Temperaturbereich stabiler zu machen. Man stellt auch fest, daß der strammere Preßsitz infolge Übermaßes bei der Ausfüi.rungsform gemäß 224 gegenüber demjenigen gemäß 226 eine zusätzlich erhöhte Ebenungswirkung auf die Kennlinie hat, was zu einer Kurve 224 führt, die über einen Umgebungstemperaturbereich von fast 100⁰C im wesentlichen flach ,>dcr eben ist. Als ein Bemessungskriterium hat man gefunden, daß ein maximales Übermaß zwischen Membran und Kapselwand wünschenswert ist, bei welchem der Punkt erreicht wird, an welchem die Teile kaltgeschweißt werden, ohne daß jedoch eine dauernde Deformierung entweder der Membran oder der Kapsel verursacht wird.

Es hat sich gezeigt, daß der Temperaturbereich, über welchen der Wandler wirksam arbeitet, und die Stabilität des Wandlers bei irgendeiner gegebenen Temperatur bedeutend verbessert werden, wenn der Absorber 214 unter bestimmten ausgewählten Zeit- und Temperaturbedingungen erwärmt wird, um zu bewirken, daß die gesamte Masse des flüssigen RTV innerhalb der Becheranordnung 174 aushärtet, und zwar bei einer Temperatur oberhalb der maximalen Umgebungstemperatur, bei welcher der Wandler erwartungsgemäß arbeiten soll. Man glaubt, daß diese Erscheinung wenigstens teilweise auf der Tatsache beruht, daß die RTV-Gummiverbindung, wenn sie ausgehärtet ist, bei der Aushärtungstemperatur im Inneren im wesentlichen spannungsfrei ist. Irgendeine Erhöhung der Wandlerbetriebstemperatur oberhalb der Aushärtungstemperatur bewirkt, daß sich die zuvor auseehärfetp Vprhindnn?

ausdehnt, einen Druck auf die Rückseite des Kristalls ausübt und dadurch die Resonanzfrequen;. der gefüllten Becheranordnung erniedrigt. Umgekehrt bewirkt jegüche Verringerung der Temperatur unter die Aushärtungstemperatur, daß sich die ausgehärtete RTV-Verbindung zusamme) jzieht und dadurch den Druck auf die Rückseite des Kristalls verringert. Man hat gefunden, daß die Wirkung der Umgebungstemperatur-Änderungen auf die Wandlerresonanzfrequenz unterhalb der Aushäriungstemperatur der Verbindung weniger bedeutend als oberhalb dieser Temperatur ist. Ein Beispiel für diese Erscheinung zeigt Fig.8, bei welcher es sich um eine zusammengesetzte graphische Darstellung handelt, welche die Resonanzfrequenz-Temperatur-Hsnnlinien zweier gefüllter Wandler mit unterschiedlichen RTV-Füll verbindungen und unterschiedlichen effektiven Aushärtungstemperaturen zeigt. In F i g. 8 ist die Resonanzfrequenz in KHz in Abhängigkeit von der Temperatur in °C dargestellt, und zwar beide in linearer Skala.

In Fig.8 zeigt Kurve 230 die Resonanzfrequenz-Temperalur-Kennlinie eines gefüllten Wandlerbechers 174 (Fig. 5) mit einer einen Durchmesser von 28,03906 mm aufweisenden Membran, die in eine Kapselbohrung mit einem Durchmesser von 27,9857 mm gepreßt ist, wobei die Anordnung mit 3118 RTV von Dow Corning gefüllt ist. Der gewichtsmäßige Prozentsatz des in Teilchenform vorliegenden Materials 2!5(Fi g. 5)im Absorber 214 kann die Kurven in Fig.8 aufwärts und abwärts verschieben, hat jedoch keine Auswirkung auf die Steigung der Kurven und wird aus diesem Grund nicht weiter in Verbindung mit Fig.8 diskutiert. Eine Kurvenschar für verschiedene Teilchengewichtsverhältnisse kann von Fachleuten für jede in Betracht kommende RTV-Verbindung leicht entwickelt werden. Die zum Kurvenbeispiel 230 gehörende Wandlerbecheranordnung mit Kapsel, Vibratorelement und flüssigem RTV-Absorber wurde eine Stunde lang in einen auf 125° C vorgeheizten Ofen gegeben. Die »Triggerw-Temperatur des 3118 RTV, d. h. die minimale Umgebungstemperatur, bei welcher das RTV aushärtet, liegt jedoch beträchtlich unterhalb von 125°C, was es einem Teil der Verbindung erlaubt, vor dem Erreichen der Ofentemperatur auszuhärten. Deshalb hat die Kurve 230 eine im wesentlichen gleichförmige Steigung zwischen Raumtemperatur (25°C) und etwa 70⁰C Oberhalb dieser Temperatur fällt die Kurve rasch mit einer Rate von über 160 HtJ⁰C ab. Das scharfe »Knie« 232 der Kurve 230 zeigt, daß die RTV-Verbindung eine effektive Aushärtungstemperatur oberhalb 70⁰C hatte.

Kurve 234 in Fig.8 zeigt dr Resonanzfrequenz-Temperatur-Kennlinie eines Wandlers mit einer einen Durchmesser von 28,0594 mm aufweisenden Membran, die in eine Kapselbohrung mit einem Drehmesser voi 27.9806 mm gepreßt ist, und die Anordnung ist dam unter Verwendung von 96-083 RTV von Dow Corninj gefüllt worden. Die Anordnung einschließlich de: flüssigen RTV wurde wieder etwa eine Stunde lang ii einen auf 125⁰C vorgeheizten Ofen gegeben. Die Triggertemperatur des 96-083 RTV liegt jedoch in de Nähe von 125°C, so daß die gesamte Verbindunj effektiv bei dieser Temperatur aushärtete. Folglicl weist die Kurve 234 über einen Arbeitsumgebungstem peraturbereich von 25 bis 125°C eine im wesentlicher gleichförmige Neigung von etwa 8 Hz/°C auf.

Aus vorausgehender Beschreibung in Verbindung mi den F i g. 6 und 8 ersieht man folgendes: Wenn di( Arbeitsumgebungstemperatur des Wandiers im vorau« bekannt ist, kann der Wandler beim Zusammenbau au eine gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt wer den. Wenn es beispielsweise bekannt ist, daß eir bestimmter Wandler in einer Atmosphäre mit einer Umgebungstemperatur von 80⁰C arbeiten wird unc eine Resonanzfrequenz von 20.0 KHz haben soll, wird zunächst Kurve 234 in F i g. 8 oder eine dieser ähnliche Kurve, die jedoch für den bestimmten zu verwendenden Membran- und Bohrungsdurchmesser aufgezeichnet ist herangezogen, um die gewünschte Resonanzfrequen bei Raumtemperatur (25°C) zu erhalten. Von diesem Wert werden 250 Hz (d. h, zwischen 200 und 300 Hz) abgezogen, um die Raumtemperatur-Resonanzfrequen; des Wandlerbecheis ohne den Absorberblock (unte Verwendung von 96-083 RTV) zu erhalten. Dann wire F i g. 6 oder eine der F i g. 6 ähnliche Kurve, die jedoch für die zu verwendende spezielle Membran und Kapse aufgezeichnet ist, herangezogen, um die zum Erhalt de gewünschten Raumtemperatur-Resonanzfrequenz de leeren Bechers erforderliche Membranherausragung ζ bestimmen. Der Zusammenbau des Wandlers kann dann entsprechend der zuvor beschriebenen Methode vo sich gehen. Wenn die maximale Arbeitstemperatur de: Wandlers unterhalb 70⁰C, der effektiven Aushärtungs temperatur des Wandlers gemäß Beispiel nach Kurve 230. liegen soll, arbeitet dieser Wandler natürlich zufriedenstellend, wenn er 3118 RTV enthält.

Das im Zusammenhang mit Fig.6 beschrieben bevorzugte Zusammensetzverfahren ist im wesentlichen umkehrbar, d. h., wenn die Membran 200 zu weit in die Kapsel 190 gepreßt worden ist, kann sie aus der Kapsel zurückgedrückt werden, um die mechanisch Kopplung zwischen der Membran und der Kapselwam zu reduzieren, und zwar entweder schrittweise, um di gewünschte Resonanzfrequenz durch »Zurücklaufen herab auf der Kurve der F i g. 6 zu erreichen, oder durc vollständiges Herausnehmen der Membran aus de Kapsel und erneuten Beginn in beschriebener Weise.

I lici/u 4 Hliiii Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, bei dem in einer hohlen die einen Endes ■"> offen ist ein Vibratorelement mit einem piezoelektrischen Kristall mit dem entgegengesetzten Ende der Kapsel mechanisch verbunden wird, wobei der Anfangs-<?-Wert des Wandlers wenigstens teilweise durch die Schwingeigenschaften des Vibratorele- ι ο ments innerhalb der hohlen Kapsel bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Q-Wertes auf einen gewünschten Endwert

(a) eine Mischung aus einer bei Raumtemperatur vulkanisierenden synthetischen Kautschukverbindung (RTV) und aus nichtleitendem teilchenförmigen Material in einem vorbestimmten Gewichtsverhältnis, das sowohl vom Anfangsais auch vom End-(?-Wert abhängt hergestellt wird,

(b) die Mischung derart in das offene Ende der Kapsel gegossen wird, daß sie über dem Vibratorelement liegt und dieses berührt, und

(c) die Mischung innerhalb der Kapsel ausgehärtet wird, um eine elastische Masse zu erzeugen, die am Vibratorelement haftet und eine Absenkung des Q-Wertes des Wandtirs innerhalb vorbestimmter Grenzen des gewünschten End-Q-Wertes bewirkt

2. Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers naci: Anspruch 1, der eine vorbestimmte maximale Arbeitstemperatur aufweist dadurch gekennzeichnet daß Schritt (c) oberhalb dieser maximalen Arbeitstemperaiur ausgeführt wird. ji

3. Verfahren nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(d) das Vibratorelement auf einem offenen Ende der Kapsel und koaxial zu dieser angeordnet wird und

(e) daß die mechanische Kopplung zwischen dem Vibratorelement und der Kapsel solange geändert wird, bis die Resonanzfrequenz des Vibratorelements und der Kapsel gleich einer _r ersten vorgewählten Frequenz ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die¹ Schritte (d) und (e) vor den Schritten (b) und (c) ausgeführt werden und daß durch die Schritte (b) und (c) eine Einstellung dieser v> Resonanzfrequenz auf eine zweite vorbestimmte Resonanzfrequenz bewirkt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen des Schrittes (e) das Vibratorelement unter Preßsitzpassung mit variab- « ler Distanz in ein Ende der Kapsel eingefügt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß im Rahmen des Schrittes (e) das Vibratorelement in einer Reihe von progressiven Schritten in das Kapselende gedrückt wird, bis die Resonanzfrequenz gleich der ersten vorbestimmten Frequenz ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

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(f) ein anaerobes Füllmittel um den Umfang des Vibratorelements angeordnet wird, bevor dieses in die Kapsel gedrückt wird.

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8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß

(g) die Resonanzfrequenz des Wandlers gemessen wird, während das Vibratorelement im Preßsitz in die Kapsel gedrückt wird, um zu bestimmen, wann die erste vorbestimmte Resonanzfrequenz erreicht ist

9. Verfahren nach einem der Ansprüdie 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß ein Vibratoreiement verwendet wird, das einen piezoelektrischen Kristall und eine Membran aufweist und daß eine Oberfläche des Kristalls an der Membran festgeheftet wird.

10. Verfahren nach nach einem der Ansprüche I bis 9, dadurch gekennzeichnet daß das RTV und das teilchenförmige Material in einem Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 gemischt werden.

11. Mit einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 hergestellter Ultraschallwandler mil einem gewünschten End-Q-Wert dadurch gekennzeichnet daß der Wandler eine hohle Kapsel (190) und ein Vibratorelement (195) aufweist, das einen piezoelektrischen Kristall (198) aufweist und mit der Kapsel mechanisch gekoppelt ist daß die Kapsel (190) und das mit dieser gekoppelte Vibratorelement (195) einen Anfangs- Q-Wert aufweisen, der wenigstens teilweise durch die Schwingungseigenschaften des Vibratorelements. innerhalb der Kapsel bestimmt ist und daß mit dem Vibratorelement ein akustisch dämpfendes Mittel (214) verbunden ist das aus einer Mischung aus RTV und einem nichtleitenden teilchenförmigen Material besteht wobei deren Gewichtsmischungsverhältnis sowohl an den Ausgangs- wie auch an den End-Q- Wert angepaßt ist

12. Ultraschaliwandler nach Anspruch 11, der in einer Umgebung verwendbar ist, die zu einer maximalen Arbeitstemperatur führt, dadurch gekennzeichnet, daß das RTV enthaltende akustisch dämpfende Mittel (214) eine effektive Aushärttemperatur oberhalb dieser maximakn Arbeitstemperatur aufweist

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das eine bestimmte Umfangsdicke aufweisende Vibratorelement (195) unter Preßsitzpassung in das offene Ende der Kapsel (190) bis zu einer Tiefe eingesetzt ist, die kleiner als die Umfangsdicke des Vibratorelements (195) ist und von der vorbestimmten Resonanzfrequenz abhängt, die eine Funktion der Tiefe des Preßsitzes ist.

14.! Jltraschaliwandler nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapsel (190) Zylinderform aufweist, daß das Vibratorelement (195) bei der vorbestimmten Resonanzfrequenz im ersten Biegeschwingungszustand arbeitet und daß der Knotenpunkt des ersten Biegeschwingungszustands am Umfang des Vibratorelements liegt.

15. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche Il bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibratorelement (195) neben dem piezoelektrischen Kristall (198) eine flache, kreisförmige Membran (2ÖÖ) und eine Vorrichtung zur Haftbefestigung des Kristalls an der an den Kristall angrenzenden Oberfläche der Membran aufweist.

16. Ultraschallwandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die neutrale Biegeachse des Vibratorelements (195) innerhalb der Haftbefestigungsvorrichtung (202) oder innerhalb derMembran

(200) dicht neben der Haftbefestigungsvorrichtung (202) liegt

17. Ultraschallwandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrandurchmesser größer als der Kristalldurchmesser ist und daß der Membranumfang mechanisch mit der Kapsel (190) gekoppelt ist.

18. Ultraschaliwandler nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischung aus RTV ma dem teilchenförmigen Material ein Gewichtsverhältnis von 5/1 bis 20/1 aufweist

19. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche K bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Haftmittel (202) elektrisch leitend ist

20. Ultraschallwandler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet daß das Haftmittel (202) mit Silber angereichertes Lot aufweist

21. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 11 bis 20. dadurch gekennzeichnet, daß er als Signalquelle und Signalempfänger in einer Abstandsmeßvorrichtung (Echolot) verwendet wird.