DE2742492C3

DE2742492C3 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE2742492C3
Application number: DE2742492A
Authority: DE
Inventors: Kohji Yokosuka Kanagawa Toda
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1977-09-21
Publication date: 1984-07-19
Also published as: US4173009A; DE2742492B2; DE2742492A1

Description

r_n = Jc₁ π ).f L + fc, n² /?_f

wobei r„ die horizontale Länge zwischen dem n-ten Finger der Elektrode und dem Brennpunkt, Af die Wellenlänge der Schallwelle in der Flüssigkeit, L der vertikale Abstand zwischen der Elektrode und dem Brennpunkt und Jti und fo Konstanten sind.

2. Wandler nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser, Äther, Azeton oder Glyzerin ist

3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifende Elektrodenanordnung eine Dreiphasenelektrode aufweist, und daß die Wechselspannung eine Dreiphasenspannung ist.

4. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifenden Elektrodenanordnungen bogenförmig verlaufende Finger aufweisen.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ineinandergreifende Elektrodenanordnung kreisbogenförmig verlaufende Finger aufweist

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler, der als Sende- und/oder Empfangswandler eingesetzt werden kann gemäß Oberbegriff des Hauptanspruches.

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. Für die genannten Anwendungsfälle ist es jedoch unter anderem wichtig, daß konvergente Ultraschallstrahlen erzeugt werden.

Ein Ultraschallwandler der eingangs erwähnten Art ist bekannt (US-PS 21 69 304). Der Ultraschall wandler dient dabei der Auswahl hochfrequenter Wellen mittels eines Bezugsgitters, weiches durch eine mit Schlitzen versehene Platte gebildet ist. Mit diesem Ultraschallwandler läßt sich jedoch eine konvergente Ultraschall-Strahlung nicht in ausreichendem Maße erzielen.

Dies gilt in gleicher Weise für einen weiter bekannten Ultraschallwandler (DE-OS 25 50 188), der dazu bestimmt ist, in flüssigem oder gasförmigem Medium benutzt zu werden und für den Betrieb in großer Eintauchtiefe, in der der hydrostatische Druck es so schwierig macht, den aktiven Teil des Wandlers von seinem Gehäuse zu entkoppeln. Zu diesem Zweck ist eine spezielle Entkopplungseinrichtung vorgesehen, so daß mit dem bekannten Ultraschallwandler zwar ein Beitrag zu dem Problem der Druckfestigkeit geleistet, jedoch kein Beitrag zum Erzeugen einer ausreichend konvergenten Ultraschallsirahlung gegeben wird.
Man hat bereits versucht, Ultraschallwar.,1ler zur

ίο Erzeugung von fokussierten Schallwellen zu bauen. Bei einigen dieser Ultraschallwandler wird eine Phasenschieberplatte für die akustische Strahlung, eine kreisförmige Feldanordnung, eine akustische Linse oder ein fotoakustischer Wandler verwendet. Diese Wandler

is sind jedoch nicht ausreichend, was die Fokussierung der Ultraschallwellen betrifft, und zur Fokussierung der Ultraschallwellen sind für den Anwendungsfall der Betrachtung der inneren Strukturen von bestimmten Medien zu komplizierte Maßnahmen erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen in bezug auf die Fokussierung der abgestrahlten Ultraschallwellen verbesserten Ultraschallwandler zu schaffen.

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

In Zusammenhang mit linearen Wandleranordnungen (DE-OS 23 45 088) ist die Ausbildung von ineinandergreifenden Leitern bekannt, die mit piezoelektrischen Elementen ausgerichtet sind, jedoch dient dies zur Verbesserung des Auflösungsvermögens bei Abtastung eines Bildfeldes zu dessen Reproduktion.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemä-Ben Ultraschallwandlers,

F i g. 2(A) bis 2(D) einige Beispiele der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung von F i g. 1,

Fig.3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers mit den Elektrodenanordnungen aus den F ig. 2(A) und 2(B),

F i g. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Arbeitsprinzips des erfindungsgemäßen Wandlers im Fall der Elektrodenanordnungen aus den F i g. 2(C) und 2(D) und

Fig.5 und 6 graphische Darstellungen der experimentiellen Resultate von Messungen mit dem erfindungsgemäßen Wandler.

F i g. 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 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 F i g. 2(A) bis 2(D) gezeigt. Fig.2(A) zeigt eine Einphasenelektrode, bei der zwei kammförmige Elektroden 4(a) und A(b) ineinandergreifend angeordnet sind (Doppelkamm-Elektrodt), 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. F i g. 2(B) zeigt eine Dreiphaseneiektrode, bei der drei kammförmige Elektroden 4(a), A(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. Fig.2(C) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Einphasenelektrode, und F i g. 2(D) zeigt das Ausführungsbeispiel einer kreisförmigen Dreiphasenelektrode.

Die Einphasenelektrode ir. F i g. 2(A) oder 2(C) liefert zwei Ultraschallstrahlen in zueinander entgegengesetzten Richtungen, während die Dreiphasenelektrode in den Fig.2(B)oder 2(D) einen einzigen Ultraschallstrahl in einer vorgegebenen Richtung liefert. Die Elektrode in Fig.2(C) und Fig.2(D) kann einen Strahl mit einer Brennlinie erzeugen, d. h, der Ultraschallstrahl konvergiert auf einer Linie, während die Elektrode in den F i g. 2(C) und 2(D) einen Strahl mit einem Brennpunkt erzeugen kann, d. h„ daß der Ultraschallstrahl auf einen bestimmten Punkt konvergiert

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 LiNbCb, Quarz, Bi^GeO» und keramisches Material der Pb(Zr, Ti)C>3-Gruppe.

Im folgenden wird die Periode der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung anhand der Fig.3 und 4 erläutert, wobei F i g. 3 den Fall einer Elektrodenanordnung gemäß den F i g. 2(A) und 2(B) und F i g. 4 den Fall einer Elektrodenanordnung von Fig. 2(C) und F ig. 2(D) zeigt

Das Verhältnis zwischen der Wellenlänge λ/· in der Flüssigkeit von einer Schallwelle mit der Frequenz /und der Richtung (#) des stärksten Ultraschallstrahls ist durch die folgende Formel gegeben, die eine Obereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen zeigt:

sin ΰ =

wobei efdie Periodenlänge der Elektrode ist.

Daher ist die Bedingung, daß der an jedem Punkt der Elektrodenanordnung erzeugte Schall auf den Punkt P fokussiert wird, d. h. 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:

= IS-I? = Λ,Π/,ί.

wobei r„ der Abstand zwischen der n-ten Elektrode und dem Punkt Q. R_n der Abstand zwirnen der n-ten Elektrode und dem Punkt P, und k\ und An Konstanten sind.

Für die Einphasenelektrode, die in F i g. 2(A) gezeigt ist gilt k, = 1 und Jc₂= 1/4. Für die Dreiphasenelektrode, die in F i g. 2(B) gezeigt ist, gilt k\ =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 experimentellen Ergebnisse für die Winke! der strahlenförmig abgestrahlten Ultraschallstrahlung für einige Kombinationen von piezoelektrischem Material und Flüssigkeit.

Flüssigk. u. Schallwellengeschwindigkeit

Wasser (1482,6 m/sec)
Äther (1006 m/sec)
Azeton (1190 m/sec)
Glyzerin (1923 m/sec)

Piezoelektr. Material u. Oberfl.-Geschwindigk. d. Schallwellen

LiNbO₃ Quarz Bi_!2Ge0₂o Piezoelektr.

131° rot Y, X Y₁X (411), (110) Keramik

(91-A v. TDK)

(4000m/sec) (3159m/sei.·) (1708 m/sec) piOOm/sec)

21,8°
14,6°
17,3°
28,7°

23,0° 18,6° 22,1° 37,5° 60,24°

36°

44,2°

44°
28,2°
34,0°
64,5°

Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, daß, wenn ein kleiner Wert von # 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 Schallweile von der Frequenz der Schallwelle abhängt. Die Fig.5 und 6 zeigen die experimentellen 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 F i g. 5 gibt die horizontale Achse den Abstand von der Schallquelle und die vertikale Achse die Breite des Strahls an. Die Kurven in F i g. 5 zeigen die Form des Ultraschcüslrahls in bezug auf den Parameter der Frequenz. Die Kurven wurden durch so 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 iri Fig.5 errechnet werden, und das Ergebnis dieser Berechnung ist in F i g. 6 dargestellt.

Es konnte experimentiell gezeigt werden, daß der erfindungsgemäße Wandler eine analoge Beziehung erfüllt, d. h., daß der Ultraschallwandler mit der halben Größe 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 ineinandergreifenden 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.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

15

35

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. UJtraschallwandler, bei dem ein auf seiner Oberfläche mit Elektroden versehener Körper aus piezoelektrischem Material in einem eine Flüssigkeit enthaltenden Behälter untergebracht und eine Einrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine ineinandergreifende Elektrodenanordnung (4) auf einer Oberfläche des Körpers (3) angeordnet ist, und daß die Periodenlänge zwischen den jeweiligen Fingern der ineinandergreifenden Elektrodenanordnung die folgende Gleichung erfüllt: