DE2742492A1

DE2742492A1 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2742492A1
Application number: DE19772742492
Authority: DE
Inventors: Kohji Toda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-09-21
Publication date: 1978-09-28
Also published as: US4173009A; DE2742492B2; DE2742492C3

Description

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BeSchreibung

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, um Ultraschallstrahlen, insbesondere konvergente Ultraschallstrahlen, zu erzeugen.

Auch wenn ein Medium optisch opak ist, ist es möglich, die interne Struktur des Mediums zu beobachten, solange das Medium akustisch transparent ist. Mit Hilfe von Ultraschallenergie erzeugte Fotografien können in solchen Anwendungsfällen erzeugt werden, wo das Medium optisch opak ist, beispielsweise in der medizinischen Anwendung, bei Mikroskopen, bei der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, bei der Unterwasserbeobachtung und/oder der Erdbebenforschung.

Es wurden bereits Ultraschallwandler zur Erzeugung von fokussierten Ultraschallwellen vorgeschlagen. Bei einigen dieser Ultraschallwandler wird eine Phasenschieberplatte für die akustische Strahlung, ein kreisförmige Feldanordnung, eine akustische Linse oder ein fotoakustischer Wandler verwendet. Die früheren Wandler sind jedoch nicht ausreichend oder bei der Fokussierung der Ultraschallwellen zu kompliziert für den Anwendungsfall der Betrachtung der inneren Strukturen von einem bestimmten Medium.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Bisherigen neuen und verbesserten Ultraschallwandler zu schaffen.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist der erfindungsgemässe Ultraschallwandler in dem Hauptanspruch gekennzeichnet, während die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung charakterisieren. Der erfindungsgemässe Ultraschallwandler kann auf einfache Weise einen gut konvergenten Ultraschall erzeugen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungs-

gemässen Ultraschallwandlers;

Fig.2(A) bis 2(D) einige Beispiele der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung von Fig.1;

Figur 3 eine graphische Darstellung zur Erläu

terung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemässen Ultraschallwandlers mit den Elektrodenanordnungen aus den Fig.2(A) und 2(B);

Figur 4 eine graphische Darstellung zur Erläu

terung dos Arbeitsprinzips des erfindungsgemässen Wandlers im Fall der Elektrodenanordnungen aus den Fig.2(C) und 2(D); und

Fig.5 und 6 graphische Darstellungen der experimen-

tiellen Resultate von Messungen mit dem erfindungsgemässen Wandler.

Figur 1 zeigt den Aufbau des erfindungsgemässen Ultraschallwandlers. In einem Gehäuse 1 ist eine Flüssigkeit 2 enthalten, und ein piezoelektrischer Körper 3 mit der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung 4 auf seiner Oberfläche

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ist in der Flüssigkeit 2 vorgesehen. Beispiele für die Flüssigkeit 2 sind Wasser, Äther, Azeton und Glyzerin.

Mögliche Ausführungen der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung 4 sind in den Figuren 2(A) bis 2(D) gezeigt. Figur 2 (A) zeigt eine Einphasenelektrode, bei der zwei kammförmige Elektroden 4(a) und 4(b) ineinandergreifend angeordnet sind (Doppelkamm-Elektrode), so dass jeder Finger jeder Elektrode mit einem Finger der anderen Elektrode abwechselt, wobei eine einphasige Wechselspannung an die beiden Anschlüsse (a) und (b) der Elektroden zugeführt wird. Figur 2(B) zeigt eine Dreiphasenelektrode, bei der drei kammförmige Elektroden 4(a), 4(b) und 4(c) ineinandergreifend auf der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers so angeordnet sind, dass jeder Finger jeder Elektrode mit einem Finger der anderen Elektrode abwechselt, wobei die Periode jedes Fingers, der zu derselben Elektrode gehört, gleich drei ist, und wobei eine dreiphasige Wechselspannung an die Anschlüsse (a), (b) und (c) angelegt wird. Figur 2(C) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Einphasenelektrode, und Figur 2(D) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Dreiphasenelektrode.

Die Einphasenelektrode in Figur 2(A) oder 2(C) liefert zwei Ultraschallstrahlen in zueinander entgegengesetzten Richtungen, während die Dreiphasenelektrode in den Figuren 2(B) oder 2(D) einen einzigen Ultraschallstrahl in einer vorgegebenen Richtung liefert. Die Elektrode in Figur 2(C) und Figur 2(D) kann einen Strahl mit einer Brennlinie erzeugen, dh., der Ultraschallstrahl konvergiert auf einer Linie, während die Elektrode in den Figuren 2(C) und 2(D) einen Strahl mit einem Brennpunkt erzeugen kann, dh., dass der Ultraschallstrahl auf einen bestimmten Punkt konvergiert.

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Das bevorzugte Material für die Elektroden ist beispielsweise eine Kombination, von Chrom (Cr) und Gold (Au), welches hoch wasserbeständig ist. Einige bevorzugte Materialien für den piezoelektrischen Wandler sind LiNbO₃, Quarz, Bi₁₂GeO- und keramisches Material der Pb(Zr, Ti)O₃-Gruppe (beispielsweise "91-A", ein Material, welches von der Firma TDK Electronics, Tokyo/Japan, hergestellt wird).

Im folgenden wird die Periode der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung anhand der Figuren 3 und 4 erläutert, wobei Figur 3 den Fall einer Elektrodenanordnung genäss den Figuren 2(A) und 2(B) und Figur 4 den Fall einer Elektrodenanordnung von Figur 2(C) und Figur 2(D) zeigt.

Das Verhältnis zwischen der Wellenlänge 2^ in der Flüssigkeit von einer Schallwelle mit der Frequenz f und der Richtung {ψ\ des stärksten Ultraschallstrahls ist durch die folgende Formel gegeben, die eine Übereinstimmung mit den experimentiellen Ergebnissen zeigt:

sin 1^ = /l_f/d (1)

wobei d die Periodenlänge der Elektrode ist. Daher ist die Bedingungen, dass der an jedem Punkt der Elektrodenanordnung erzeugte Schall auf den Punkt P fokussiert wird, dh. die Bedingung, dass der an jedem Punkt erzeugte Schall durch den Punkt P hindurchtritt und sich an dem Punkt P in Phase befindet, durch die folgende Formel (2) gegeben:

X_n ² = R_n ² - L² = k^^L + k₂n²/?_f ² (2)

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wobei r der Abstand zwischen der η-ten Elektrode und η

dem Punkt Q, R der Abstand zwischen der η-ten Elektrode und dem Punkt P, und k.. und k» Konstanten sind. Für die Einphasenelektrode, die in Figur 2(A) gezeigt ist, gilt k₁ = 1 und k« = 1/4. Für die Dreiphasenelektrode, die in Figur 2(B) gezeigt ist, gilt k₁ = 2/3 und k₂ = 1/9. Die gewünschte Periodenlänge der Elektrode kann durch einen Computer aus den Formeln (1) und (2) berechnet werden.

Die folgende Tabelle zeigt die experimentiellen Ergebnisse für die Winkel der strahlenförmig abgestrahlten Ultraschallstrahlung für einige Kombinationen von piezoelektrischem Material und Flüssigkeit.

\Piezoelektr .Mate- \rial u.Oberfl.- ^\Geschwindigk. _πΊ.. . iSvd.Schall- FlussigK><_N wellen u. Schallwelle^^· I geschwindigkeit""¹*-^	LiNbO₃ I31°rot Y,X (4ooom/sec)	Quarz Y, X (3159m/sec)	J ^Bi12^Ge02o (111),(11o) I(17o8m/sec) 1	Piezoelektr. Keramik I(91-A V. TDK) I (21oom/sec)
Wasser (1482.6m/sec)	21,8°	28, o°	6o,24°	ί 44°
Äther (1oo6m/sec)	14,6°	18,6°	36°	28,2°
Azeton (119om/sec)	17,3°	22,1°	44,2°	34, o°
! Glyzerin ί (1923m/sec) I	28,7°	37,5°	/	64,5°

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Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, dass, wenn ein kleiner Wert von ψΐ erwünscht ist, die Kombination einer Flüssigkeit mit einer niedrigen Schallgeschwindigkeit und eines piezoelektrischen Materials mit hoher Oberflächengeschwindigkeit für den Schall bevorzugt ist.

Aus den vorstehenden Erläuterungen ist ferner ersichtlich, dass die Charakteristiken der Konvergenz der Schallwelle von der Frequenz der Schallwelle abhängt. Die Figuren 5 und 6 zeigen die experimentiellen Ergebnisse im Zusammenhang mit den Fokussierungseigenschaften eines Wandlers, der für eine Betriebsfrequenz von 2,5 MHz entworfen ist und aus einer Kombination von 91-A-piezoelektrischer Keramik und Wasser besteht. In Figur 5 gibt die horizontale Achse den Abstand von der Schallquelle und die vertikale Achse die Breite des Strahls an. Die Kurven in Figur 5 zeigen die Form des Ultraschallstrahls in bezug auf den Parameter der Frequenz. Die Kurven wurden durch Messung des Richtverhältnisses des Schallstrahles bei verschiedenen Frequenzen erhalten, und die Form des Schallstrahles wurde aus dem Richtverhältnis abgeleitet. Die Brennweite bei jeder Frequenz kann aus den Kurven in Figur 5 errechnet werden, und das Ergebnis dieser Berechnung ist in Figur dargestellt.

Es konnte experimentiell gezeigt werden, dass der erfindungsgemässe Wandler eine analoge Beziehung erfüllt, dh., dass der Ultraschallwandler mit der halben Grosse der Elektrodenanordnung eine Brennweite von 16 cm bei einer Mittelfrequenz von 5 MHz und eine Strahlbreite von 3,8 mm zeigt. Die Brennweite ändert sich auch entsprechend für jede Frequenz. Der erfindungsgemässe Wandler mit der in-

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einandergreifenden Elektrodenanordnung auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Materials in einer Flüssigkeit kann somit einen konvergenten Ultraschallstrahl erzeugen, indem eine Wechselspannung an die Elektrodenanordnung angelegt wird.

Das Anwendungsfeld des erfindungsgemässen Wandlers ist nicht auf die Fotografie oder die Betrachtung von internen Strukturen von Werkstoffen begrenzt. Der erfindungsgemässe Wandler ist auch auf anderen Anwendungsbereichen verwendbar, bei denen ein konvergenter Schallstrahl erforderlich ist. Beispielsweise kann eine Flüssigkeit dadurch zersprüht werden, dass der Schallstrahl auf die Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Luft fokussiert wird.

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Leerseite

Claims

PATENTANWALT

KLAUS D. KIRSCHNER

DIPL-PHYSIKER

BAVARIARING 38 D-aOOO MÜNCHEN

Kohji Toda, Japan

IHR ZEICHEN: YOUR REFERENCE:

ME₁NZEIChEN: Y 1 °O4 K/bÖ

MV REFERENCE:

DATUM:

21.9.1977

Ultraschallwandler

Patentansprüche

AJ Ultraschallwandler, gekennzeichnet durch eine in einem Gehäuse (1) enthaltene Flüssigkeit (2), einen Körper (3) aus piezoelektrischem Material in der Flüssigkeit (2), eine ineinandergreifende Elektrodenanordnung (4), die auf der Oberfläche des Körpers (3) angeordnet ist, und eine Einrichtung, um eine Wechselspannung an die Elektrodenanordnung (4) anzulegen.

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2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine
Dreiphasenelektrode aufweist,und dass die Wechselspannung eine' Dreiphasenspannung ist.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine
Einphasenelektrode ist,und dass die Wechselspannung eine Einphasenspannung ist.
4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit Wasser, Äther, Azeton oder Glyzerin ist.
5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodenlänge zwischen den jeweiligen Fingern
der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung die folgende Gleichung erfüllt:

2 _ j , 2 T 2

wobei r die horizontale Länge zwischen dem η-ten Finger der Elektrode und dem Brennpunkt, Tl- die Wellenlänge der Schallwelle in der Flüssigkeit, L der vertikale Abstand zwischen der Elektrode und dem Brennpunkt und k₁ und k_ Konstanten sind.
6. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine Vielzahl von kammförmigen Elektroden aufweist, und dass alle
Finger der kammförmigen Elektroden geradlinig ausgebildet sind.

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7. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifenden Elektrodenanordnungen bogenförmig verlaufende Finger aufweisen.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ineinandergreifende Elektrodenanordnung kreisbogenförmig verlaufende Finger aufweist.

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