DE2835367A1

DE2835367A1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: DE2835367A1
Application number: DE19782835367
Authority: DE
Inventors: John H Thompson; Robert H Whittaker; Charles R Wilson
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-08-17
Filing date: 1978-08-11
Publication date: 1979-03-01
Also published as: FR2400814A1; US4156158A; GB2004116B; JPS5443492A; FR2400814B1; CA1107383A; GB2004116A

Description

Elektroakustischer Wandler

Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler mit einer primären Resonanzfrequenz, bestehend aus einem Wandlerkörper mit einander gegenüberliegenden Hauptflächen, von welchen die eine Hauptfläche mit einer Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung und die andere Hauptfläche mit einer Vielzahl von Schlitzen in einer zweiten Richtung versehen sind, wobei die Schlitze in der ersten Richtung gegen die Schlitze in der zweiten Richtung winklig versetzt sind.

Bisherige, scheibenförmig aufgebaute Wandler reagieren mit unerwünschten Radialresonanzen auf stoßartige Erregung im selben Umfang wie auf die gewünschte Dickenschwingungs-Resonanz, wenn das Verhältnis der Dicke zum Durch-messer ansteigt. Diese Wechselwirkung ist häufig so stark, daß die Genauigkeit des Systems, in welchem der Wandler verwendet wird, beträchtlich zurückgeht. Um unerwünschte Schwingungsarten zu eliminieren, verwenden mehrere bekannte Wandler piezoelektrische Elemente, bei welchen in eine Hauptfläche eine erste Anzahl von Nuten und ferner eine zweite Anzahl von Nuten eingeschnitten ist, die rechtwinklig zu den ersten Nuten verlaufen. Dadurch entsteht ein zweidimensionales Fs/mü Feld

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Feld von pfostenartigen Erhöhungen.

Bei einem solchen Aufbau kann der elektrische Kontakt auf der flachen Oberfläche des piezoelektrischen Elementes verhältnismäßig einfach hergestellt werden, jedoch erfordert eine adäquate Befestigung der Elektroden an allen postenartigen Erhöhungen sehr viel Zeitaufwand und ist nicht ohne Schwierigkeiten vorzunehmen. Ferner ergibt sich aufgrund der Art der Schnitte bzw. Nuten im piezoelektrischen Element eine unsymmetrische thermische Ausdehnung, welche das Element in einer unerwünschten Weise verbiegen oder verwerfen kann.

Es ist auch ein weiterer Wandler bekannt, bei dem auf der einen Hauptfläche Nuten eingeschnitten sind, zu welchen weitere auf der rückseitigen Hauptfläche eingeschnittene Nuten rechtwinklig verlaufen. Dieser Wandler wird anschließend mit einem Epoxydharz vergossen, um die Bandbreite des Wandlers zu vergrößern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für elektroakustische Wandler der eingangs erwähnten Art Maßnahmen zu finden, mit welchen unerwünschte Schwingungen und das Ansprechen auf Rauschsignale in dem Wandleraufbau reduziert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einige der Flanken der ersten Schlitze mit Flanken der zweiten Schlitze derart in Verbindung stehen, daß Resonanzen außer der Resonanz bei der primären Resonanzfrequenz unterdrückt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Die Vorteile

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Strömungsmessers, für welchen die Erfindung Verwendung findet;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Komponenten des Strömungsmessers;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Wandler, wie er für einen Strömungsmesser Verwendung findet;

Fig. 4 eine Ansicht des aktiven Wandler elemente s;

Fig. 5 die Form einer Schwingung zur Erregung des Wandlers im Strömungsmesser;

Fig. 6 verschiedene Kurven, um verschiedene Betriebsarten des Wandler elemente s gemäß Fig. 4 zu erläutern;

Fig. 7 eine Ausführungsform eines Wandlerelementes gemäß der Erfindung;

Fig. 7A und 7B Draufsichten auf die obere und untere Hauptfläche des Wandlerelementes gemäß Fig. 7;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Wandlerelementes gemäß Fig. 7 mit flachen Schlitzen zum Anbringen von Elektrodenbändern;

Fig. 9 das Wandlerelement gemäß der Erfindung für einen Strömungsmesseraufbau;

Fig. 10

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Fig. 10 einen Schnitt durch den Strömungsmesserauffaau gemäß Fig. 9;

Fig. 11 ein Diagramm über den Verlauf des Scheinleitwertes bei einem Wandleraufbau gemäß Fig. 10;

Fig. 12 ein Diagramm über den Verlauf des Scheinleitwertes bei einem Wandleraufbau gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 13 ein Diagramm, aus dem Abhängigkeiten der dickenabhängigen Resonanzfrequenzen von dem Verhältnis der Stegbreite zur Dicke des Wandlerelementes hervorgehen;

Fig. 14A bis 14D unterschiedliche Größen der Wandlerelemente, um die Kurven gemäß Fig. 13 zu ermitteln.

In Fig. 1 ist in einer Schnittdarstellung ein Strömungsmesser gezeigt der aus einem Rohrabschnitt 10 besteht, in welchem das gasförmige oder flüssige in Richtung des Pfeiles fließende Medium gemessen werden soll. Um eine genaue Strömungsanzeige zu erhalten, sind zwei Wandlereinheiten 12 und 13 in Bohrungen am Rohrabschnitt 10 eingesetzt, um akustische Energie län^s der gemeinsamen Ausbreitungsstrecke 14 gegeneinander zu projizieren.

In Fig. 2 ist der Schaltungsaufbau eines Strömungsmessers dargestellt und umfaßt einen Sender 16, der gleichzeitig elektrische Impulse zu den Wandlereinheiten 12 und 13 über jeweils einen zugeordneten Sende-Empfangsschalter 18 bzw. 19 abgibt. Als Folge davon wird ein akustischer Impuls von der Wandlereinheit 12 in Strömungsrichtung sowie gleichzeitig von der Wandler einheit 13 in Gegenströmungsrichtung abgegeben. Da. der in Strömungsrichtung sich ausbreitende Impuls durch die Strömung

eine

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eine Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit erfährt, wird der Impuls von der stromabwärts gelegenen Wandlereinheit früher empfangen als der von der stromabwärts gelegenen Wandlereinheit 13 abgegebene Impuls bei der stromaufwärts gelegenen Wandlereinheit empfangen werden kann. Die Wandler einheit en sprechen jeweils auf die Vorderflanke der Impulse an und übertragen die empfangenen Impulse über den zugeordneten Sende-Empfangsschalter 18 bzw. 19 zu einem Vergleichsnetzwerk 22, in welchem der Daufzeitunterschied und damit die Strömungsgeschwindigkeit errechnet wird.

In Fig. 3 ist eine bekannte Wandlereinheit im Schnitt dargestellt. Diese Wandlereinheit umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 24, von dem nur das vordere Ende gezeigt ist, das in eine Bohrung des Rohrabschnittes 10 gemäß Fig. 1 eingesetzt und in diesem befestigt wird. Das zylindrische Gehäuse hat ein akustisches Fenster 26, welches die akustische Verbindung zu dem auszumessenden Strömungsmedium herstellt. Hinter dem akustischen Fenster 26 ist innerhalb des zylindrischen Gehäuses 24 eine piezokeramische Wandlerscheibe 28 angeordnet. Zwischen die Elektrodenfläche dieser Wandlerscheibe 28 und das akustische Fenster 26 ist eine isolierende Scheibe 30 eingefügt, wogegen auf der gegenüberliegenden Seite der Wandler scheibe 28 ein Stützkörper 32 angeordnet ist, der die nach rückwärts abgegebene akustische Energie absorbiert. Eine federvorgespannte Kolbenanordnung 34 drückt gegen den Stützkörper 32 und stellt sicher, daß die einzelnen Elemente untereinander und mit dem akustischen Fenster in dichter Kontaktberührung stehen.

Die Wandlerscheibe 28 ist in Fig. 4 perspektivisch dargestellt und besteht aus einem Wandlermaterial wie z. B. Bariumtitanat oder Bleizirkonat-Titanat, welches während des Herstellungsverfahrens in eine Richtung gepolt wird, was durch Pfeile angedeutet ist. Die obereund untere Hauptfläche 36 und. 38 laufen parallel zueinander in einem Ab-

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stand T, der die Dicke der Wandlerscheibe kennzeichnet. Der Durchmesser der Wandlerscheibe ist D für den Fall einer kreisförmigen Scheibe.

Die obere und die untere Hauptfläche 36 bzw. 38 wird in geeigneter Weise versilbert, so daß man elektrische Anschlußelektroden für die Wandlerscheibe erhält, über welche zur Erregung z.B. ein in Fig. 5 als Sp rung funktion dargestelltes Signal angelegt wird. Infolge dieser Erregung führt die Wandlerscheibe Resonanzschwingungen unterschiedlicher Art aus. So kann z.B. die primäre Schwingungsform eine Dickenschwingung sein, bei der sich die obere und untere Hauptflaehe 36 bzw. 38 zyklisch in entgegengesetzten Richtungen entsprechend dem angelegten elektrischen Signal verschiebt. Die Wandlerscheibe schwingt jedoch auch unerwünschterweise als Radialschwinger, wobei die Seitenwand des Wandlers sich nach innen und außen verschiebt und unerwünschte akustische Energie im interessierenden Bandbereich verursacht, welche die richtige Erfassung bzw. Feststellung der Vorderflanke des empfangenen resultierenden Schwingungssignals verhindert.

Dieses Problem ist mit Hilfe der in Fig. 6 dargestellten Kurven zu erläutern, wobei die Frequenz auf der horizontalen Achse und die Freifeld-Spannungsempfindlichkeit auf der vertikalen Achse aufgetragen ist. Bei einer Dickenschwingung liegt die Resonanz bei der Frequenz L·,. und hat bei dieser Frequenz ein Maximum, wie aus der Kurve 40 hervorgeht. Die Kurve 42 zeigt die Resonanzfrequenz aufgrund der Radialschwingung, wobei diese Resonanzfrequenz mit f gekennzeichnet ist. Die Dicken-Schwingresonanz hängt funktionell von dem Wandlermaterial einer Frequenzkonstante und der Dicke T der Wandlerscheibe ab und wird für ein bestimmtes Bleizirkonat-Titanatmaterial in guter Näherung durch die nachfolgende Formel beschrieben:

Formel

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⁷⁸

T 25,4-T T

wobei die Dimension für f kHz und für T mm ist. Für dasselbe Material wird die Radial-Schwingresonanz f durch die nachfolgende Gleichung angenähert:

₌ 88 ₌ 3,46

R 25,4-D D

wobei die Dimension für f kHz und für D mm ist. Aus diesen

rl

zwei Gleichungen kann man entnehmen, daß mit anwachsendem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke der Abstand zwischen der gewünschten und d&r unerwünschten Resonanzfrequenz zunimmt. Im allgemeinen gilt deshalb für einen gegebenen Durchmesser, daß mit zunehmender Dicke der Wandlerscheibe sich die Betriebsfrequenz erniedrigt. Für Anwendungsfälle,, bei denen der Betrieb im Megahertzbereich abläuft, kann die Wandler scheibe extrem dünn sein, wodurch sich ergibt, daß die beiden Resonanzfrequenzen f und f relativ weit auseinanderliegen. Ein Betrieb bei höheren Frequenzen ergibt jedoch eine größere akustische Absorptiondes Übertragungsmediums und wenn die akustische Übertragung quer über ein vem ältnismäßig großes Rohr erfolgt, sind damit zwangsläufig höhere akustische Verluste verbunden, so daß es wünschenswert ist, zu niedrigeren Be-■friebsfrequenzen überzugehen. Da die Bohrungen im Rohr nicht zu groß werden sollen, steigt das Verhältnis der Dicke zum Durchmesser der Wandler scheibe an, wodurch die Probleme infolge von Mischschwingungen zunehmen. Durch die vorliegende Erfindung wird,wie durch die gestrichelte Kurve 44 erkennbar wird, die Radial-Schwingresonanz ganz wesentlich reduziert, wenn nicht sogar völlig eliminiert. Dagegen steigt die Amplitude bei der gewünschten Dicken-Schwingresonanz an, wobei sich gleichzeitig die Resonanzfrequenz nach tieferen Frequenzwerten

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werten verschiebt.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Wandlereinheit gemäß der Erfindung dargestellt, wobei die Erfindung anhand einer Wandlerscheibe beschrieben wird, obwohl auch andere Körperformen in gleicher Weise verwendbar sind. Die Wandlerscheibe 50 ist aus einem gepolten Wandlermaterial wie z. B. Bleizirkonat-Titanat hergestelltund hat auf einer ersten bzw. der oberen Hauptfläche eine Vielzahl von in das Material eingeschnittenen Schlitzen 52j wodurch sich eine Vielzahl von Oberflächenbereichen mit jeweils einer Breite W ergeben. In die zweite Hauptfläche bzw. die untere Hauptfläche sind ebenfalls eine Vielzahl von Schlitzen 56 eingeschnitten, wobei diese Schlitze unter einem Winkel vorzugsweise rechtwinklig zu den Schlitzen in der oberen Hauptfläche 54 verlaufen. Die obere Hauptfläche ist in Draufsicht in Fig. 7A und die unt ere Hauptfläche in einer entsprechenden Draufsicht in Fig. 7B dargestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsforna verlaufen die Schlitze jeweils parallel zueinander und sind senkrecht in die obere Hauptfläche 54 sowie die untere Hauptfläche 58 eingeschnitten. Unter einem anderen Winkel eingeschnittene Schlitze würden zu trapezförmigen Pfosten unterschiedlicher Größe führen, was mit einer Änderung der Frequenz f verbunden wäre, wobei sich gleichzeitig eine ungleichförmige Abstrahlung von der Oberfläche des Wandlers ergeben würde.

Da die Schlitze von beiden Hauptflächen 54 und 58 aus in die Wandlerscheibe eingeschnitten sind, ergibt sich eine im wesentlichen symmetrische thermische Ausdehnung, wodurch die Möglichkeit des Verziehens oder Ausbeulens der Wand! er scheibe während des Betriebs, wie es bei bekannten Scheiben der Fall ist, verringert wird.

Durch

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Durch die Anordnung der Schnitte wird dieselbe Dicke für die Wandlerscheibe beibehalten, jedoch die radiale Schwingung unterbrochen, indem das Wandlermaterial in eine Vielzahl von einander entkoppelter Pfosten unterteilt ist.

Für den Anwendungsfall der Strömungsmessung, bei welcher das Wandlerelement dicht mit einer benachbarten Komponente gekoppelt sein muß, ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, eine akustische Fehlanpassung zu eliminieren, welche zu einem Verlust der übertragenen akustischen Energie führen würde. Die elektrischen Anschlüsse können an der Wandlerscheibe gemäß Fig. 7 in der in Fig. 8 dargestellten Weise vorgenommen werden. Zu diesem Zweck ist in zumindest die eine Hauptfläche 54 ein flacher Schlitz 60 eingeschnitten, der quer zu der Vielzahl von Schlitzen 52 verläuft, und zwar vorzugsweise längs eines Durchmessers. Dieser flache Schlitz 60 hat eine wesentlich geringere Tiefe als die Schlitze 52 und verläuft senkrecht zu diesem. Jedoch ist der flache Schlitz 60 etwas breiter ausgeführt, um ein Elektrodenband 62 aufzunehmen, welches mit Hilfe eines leitfähigen Epoxydharzes in den Schlitz geklebt sein kann. Dieses Elektrodenband 62 hat eine größere Länge als dem Durchmesser der Wandlerscheibe 50 entspricht so daß die elektrischen Anschlüsse an den abstehenden Teilen des Elektrodenbandes angebracht werden können. Durch das Einschneiden des Schlitzes 60 entfällt die Herstellung elektrischer Kontaktverbindungen auf den versilberten Oberflächen beiderseits des flach en Schlitzes, jedoch kann die elektrische Kontinuität mit dem leitenden Epoxydharz und dem Elektrodenband wieder hergestellt werden.

Wenn es wünschenswert bzw. erforderlich ist, kann ein zweiter flacher Schlitz 64 in der unteren Hauptfläche 58 vorgesehen sein, der ebenfalls quer und vorzugsweise senkrecht zu den Schlitzen 56 verläuft und ein weiteres Elektrodenband 66 aufnimmt. Dieses Elektrodenband 66

kann

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kann in der gleichen Weise mit einem leitenden Epoxydharz in dem Schlitz befestigt sein. Die Dicke der Elektrodenbänder 62 und 66 ist so gewählt, daß sie jeweils in die ihnen zugeordneten flachen Schlitze passen und nicht über die zugeordneten Hauptflächen vorstehen.

Mit Hilfe dieser flachen Schlitze 60 und 64 sowie der Elektrodenbänder 66 können sehr einfach und leicht an der Wandler scheibe geeignete elektrische Kontakte angebracht werden. Falls derartige Schlitze und Elektrodenbänder nicht vorgesehen sind, werden die elektrischen Kontaktverbindungen z. B, auf die Oberflächen der Stege aufgelötet, welche zwischen den einzelnen Schlitzen 52 bzw. 56 liegen. Für eine Wandlerscheibe mit sechs eingeschnittenen Schlitzen ergeben sich somit sieben Stege, wovon fünf zwischen den Schlitzen und zwei außerhalb der Schlitze liegen. Damit wären die elektrischen Kontaktverbindungen an allen sieben Stegen auf der Oberfläche anzubringen. Wenn man eine Ausführungsform der bekannten Art in diesem Zusammenhang betrachtet, wobei die zweite Vielzahl von Schlitzen senkrecht zur ersten Vielzahl von Schlitzen in dieselbe Oberfläche eingeschnitten ist, würden sich insgesamt 49 individuelle Kontaktbereiche oder Oberflächen ergeben, welche elektrisch kontaktiert werden müßten. Allgemein ist zu sagen, daß bei einer Ausführungsform gemäß der Erfindung elektrische Kontaktverbindungen an η Oberflächenbereichen der Stege angebracht werden müssen, wogegen bei dem beschriebenen Stand der Technik die elektri-

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sehen Kontaktanschlüsse an η Oberflächenebenen anzubringen sind.

Eine Wandlereinheit mit einer Wandler scheibe gemäß Fig. 8 istin

Il

Fig. 9 dargestellt. Ein akustisches Koppelelement 70 in Form einer Scheibe mit parallelen Front- und Rückflächen wird gegen die Hauptfläche 54 der Wandlerscheibe 50 gedrückt und mit dieser z.B. durch eine dünne Schicht eines leitenden Epoxydharzes 72 verbunden. Die zweite Hauptfläche 58 der Wandlerscheibe 50 ist mit einem Stütz-

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körper 74 ebenfalls durch eine dünne Schicht eines leitenden Epoxydharzes 76 verbunden.

Dieser Aufbau wird, wie aus Fig. 10 entnehmbar ist, in einem zylindrischen Gehäuse 80 untergebracht, das ein akustisches Fenster 82 in der in Verbindung mit Fig. 3 beschriebenen Weise hat. Der Stützkörper 74 dient ebenfalls zur Absorption der nach rückwärts abgegebenen akustischen Energie, wogegen das Koppelelement 70 dazu dient, die akustische Energie vom Wandler durch das akustische Fenster 82 auszukoppeln.

Um die akustische Energie von der Wandlerscheibe 50 durch das akustische Fenster 82 mit einem minimalen akustischen Energieverlust auszukoppeln, ist das Koppelelement 70 aus einem Wandlermaterial entsprechend dem für die Wandlerscheibe benutzten Material hergestellt, jedoch ist das Koppelelement nicht gepolt, so daß keine Wandlerfunktion entsteht. Das Koppelelement ist an die charakteristische mechanisch-akustische Impedanz (Dichte ρ χ Schallgeschwindigkeit c χ Flächenbereich A) des Wandlerelementes selbst angepaßt.

Die charakteristische akustische Impedanz des akustischen Fensters 82 ist der Impedanz der Wandler scheibe 50 und des Koppelelementes möglichst weitgehend angenähert, jedoch besteht zwischen dem akustischen Fenster und der zu messenden Flüssigkeit eine Impedanz, so daß eine akustische Reflexion an der Grenzschicht zwischen akustischem Fenster und Flüssigkeit entsteht. Diese reflektierte Energie würde im Fenster eingefangen werden bzw. aufgenommen werden, wenn dieses nicht an das piezokeramische Element angepaßt wäre. Bei der vorliegenden Anordnung wird die reflektierte Energie über das Koppelelement 70 und die Wandlerscheibe 50 nach rückwärts übertragen und schließlich im Stützkörper 74 absorbiert, der ebenfalls eine charakteristische akustische

Impedanz

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Impedanz hat, die möglichst weit an die der piezokeramischen Elemente angepaßt ist. Als typischer Stützkörper kann Wolfram Verwendung finden., dessen charakteristische akustische Impedanz etwas niedriger als die des Wandlerelementes ist. Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch das Schlitzen des Wandlerelementes der Bereich A und der Wert der Schallgeschwindigkeit c im Element reduziert wird, wodurch sich auch die charakteristische akustische Impedanz des Elementes reduziert und diese besser an die des Stütz'körpers angepaßt werden kann.

Als Beispiel wurde der in Fig. 9 dargestellte Aufbau hergestellt und in einem Gehäuse gemäß Fig. 10 untergebracht, das anschließend in einem Admittanz-Meßgerät zur Bestimmung der Resonanzfrequenz ausgemessen wurde. Als Wandlermaterial wurde ein Material der Firma Clevite Corporation mit der Typenbezeichnung PZT-5A verwendet, wobei die Wandlerscheibe einen Durchmesser von etwa 12, mm und eine Dicke von etwa 6,25 mm hatte. Die auf der ersten und zweiten Hauptfläche angebrachten Schlitze hatten eine Schlitzbreite von etwa 0, 254 mm und eine Schlitztiefe von etwa 5, 08 mm. Insgesamt waren auf jeder Oberfläche sechs Schlitze angebracht. Der flache Schlitz auf den beiden Hauptflächen für das Anbringen der Elektrodenbänder war etwa 1, 6 mm breit und etwa 0, 025 mm tief.

Der Verlauf des Scheinleitwertes bzw. der Admittanz dieser Wandlerscheibe istin Fig. 11 dargestellt, wobei der Blindleitwert in Milliohm auf der vertikalen Achse und der Leitwert in Milliohm auf der horizontalen Achse angegeben ist. Als Scheinleitwert-Meßgerät wurde ein Gerät vom Modell Dranetz 202 verwendet, welches in Abhängigkeit von verschiedenen Eingangsfrequenzen 2 Ausgangsgleichspannungen liefert, wovon die eine proportional dem Leitwert G und die andere proportional dem

Schein-

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Scheinleitwert B ist. Wenn diese Werte auf einem Koordinatensystem gemäß Fig. 11 aufgetragen werden, ergibt sich die dargestellte Kurve. Bei einer solchen Kurve wird eine Resonanzfrequenz durch eine Schleife gekennzeichnet, und zwar iisbesondere ergibt sich die Frequenz an der Stelle, an der die Schleife den maximalen Leitwert hat. Die Kurve in der Darstellung gemäß Fig. 11 zeigt lediglich eine Schleife, d.h. eine einzige Resonanz, und zwar bei einer Frequenz von 320 kHz.

In Fig. 12 ist in entsprechender Weise der Scheinleitwert für eine nicht geschlitzte Wandlerscheibe, wie sie in dem Aufbau gemäß Fig. 3 Verwendung findet, in derselben Halterung aufgezeichnet. Aus der Kurve gemäß Fig. 12 kann der große Unterschied und insbesondere die augenfällige Verbesserung durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung entnommen werden. Aus dieser Kurve gemäß Fig. 12 kann man ablesen, daß eine ungeschlitzte Wandlerscheibe Resonanzfrequenzen bei 103 kHz, 140 kHz, 153 kHz, 167kHz, 201 kHz, 222 kHz, 286 kHz, 338 kHz, 386 kHz, 440 kHz, 461 kHz, 493 kHz, 532 kHz, 607 kHz und 696 kHz hat.

Aus diesen voraus stehenden Angaben kann man entnehmen, daß die Betriebsfrequenz eines Wandlerelementes durch das Vorsehen von Schlitzen gemäß der Lehre der Erfindung gegenüber dem bekannten Normalaufbau modifiziert werden kann. Wenn ein bestimmter Frequenzbereich gewünscht wird, wird dieser zweckmäßigerweise durch Versuche empirisch ermittelt, indem bestimmte variable Größen durch Änderungen der Parameter gewonnen werden. Eine Hilfe hierbei kann die in Fig. 13 dargestellte Kurvenschar sein, bei der auf der horizontalen Achse die Resonanzfrequenz mal der Dicke des Wandlerelementes in kHz χ 25, 4 mm und auf der horizontalen Achse das Verhältnis der Stegbreite W gemäß Fig. 7 zur Dicke T des Wandlerelementes aufgetragen ist.

Um die Kurve 90 gemäß Fig. 13 zu erhalten, wird eine Platte eines

piezo-

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piezoelektrischen Keramikmaterials in mehrere Proben unterteilt, und zwar in der in den Fig. 14A bis 14C angegebenen Weise. Alle diese Proben haben dieselbe Dicke T, jedoch verschiedene Oberflächenbereiche, wobei die Kantenlänge bei der Probe gemäß Fig. 14A die

Größe W , bei der Probe 14B die Größe W, , bei der Probe 14C die a b

Größe W und bei der Probe 14D die Größe W, hat. Damit werden c d

die Verhältnisse W zu T entsprechend den Werten auf der horizontalen Achse gemäß Fig. 13 bestimmt.

Für diese Proben wurde die Serienresonanzfrequenz gemessen, indem eine konstante Spannung angelegt und die Frequenz so lange verändert wurde, bis man einen maximalen Strom erhielt. Diese Frequenz beim maximalen Strom ist die Resonanzfrequenz, welche mit der Dicke der Probe multipliziert die zweite Koordinate für einen Punkt auf der Kurve 90 gibt. Dieses Verfahren wurde für die einzelnen Proben wiederholt und damit die Kurve 90 bestimmt, für welche die Gleichung gilt:

kHz . 25,4 mm = 63,58 - 4,83 (W/T) - 5, 95 (W/T)² für O4W/T<1,5

Die obige Gleichung erhält man durch ein Computerprogramm, das unter der Bezeichnung "Polfit" von der Firma On-Line Systems, Inc. in Pittsburgh, Pennsylvania, USA erhältlich ist.

Die Kurve 90 repräsentiert daher ein Element, bei dem alle Schlitze ganz durch das Element hindurch verlaufen. Ein solcher Aufbau wäre praktisch nicht zu handhaben und deshalb kann die Kurve 80 auch nur als Ausgangskurve benutzt werden, wobei man dann die Kurve 92 durch Schnittiefen von 80 % und die Kurve 93 durch Schnittiefen von 60 % erhalten kann. Wie man sieht, folgt die Kurve 92 mit einer Schnitt tiefe von 80 % verhältnismäßig genau der Kurve 99, jedoch ist sie in

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vertikaler Richtung gegen diese versetzt. Man kann diese Kurve nur dadurch erhalten, daß man bei e iner ersten Probe Schnitte mit einer Schnittiefe von 80 % (auf beiden Seiten wie in Fig. 7) anbringt und dann eine zweite Probe anfertigt, bei der die Breite der Stege und damit die Oberflächenbreite zur Dicke verschieden ist. Weitere Kurven können in entsprechender Weise erstellt werden, jedoch erhält man bei einer Schnittiefe von 80 % der Dicke ein besonders günstiges Ergebnis. Die in Fig. 13 dargestellten Kurven wurden mit Hilfe eines Bleizirkonat-Titanat-Piezokeramikmaterials ermittelt, welches auch als NAVY III bekannt ist.

Als Beispiel wird angenommen, daß aus dem Material NAVY III e ine Wandlerscheibe hergestellt werden soll, die eine Betriebsfrequenz von 200 kHz hat. Zu diesem Zweck wird eine Scheibe mit 24, 5 mm Dicke benutzt und vier Schnitte auf beiden Seiten in der beschriebenen Weise angebracht, die bis zu einer Tiefe von 80 % der Scheibendicke verlaufen Wenn die Schnittbreite 0, 508 mm beträgt, ergibt sich dabei eine Breite für die Stegoberfläche von 4, 67 mm.

Anschließend wird beliebig ein Verhältnis W/T mit einem Wert von 0, 6 gewählt. Bei diesem Wert zeigt die Kurve 92 gemäß Fig. 13 einen Wert in der Größenordnung von 58,8 kHz mal 25,4 mm. Daraus errechnet sich eine Dicke T bei dem Verhältnis W/T gleich 0, 6 und einer Stegbreite W= 4, 67 mm von 7, 79 mm. Wenn dieses mit dem Wert von 58, 8 durch Dividieren verarbeitet wird, ergibt sich eine resultierende Frequenz von 191, 5 kHz. Dieser Wert liegt etwas unter dem Entwurfswert von 200 kHz, jedoch kann dies innerhalb der Toleranzbereiche für den vorge sehenen Anwendungsfall liegen.

Wenn als weiteres Beispiel für das Verhältnis W/T der Wert 0, 7 gewählt wird, errechnet sich eine Dicke von 6, 65 mm. Aus der Kurve 92 ergibt

sich für

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sich für das Verhältnis W/T = 0, 7 ein Wert von 57, 8 kHz . 25, 4 mm, welcher durch die Dicke dividiert zu einer Frequenz von 219,8 kHz führt. Diese Frequenz liegt etwas über der Entwurfsfrequenz.

Als nächster Schritt wird das Verhältnis W/T = 0, 63 gewählt, was eine Dicke der Wandlerscheibe von 7, 41 mm ergibt und einen Wert von 58,1 kHz . 25,4 mm. Wenn dieser Wert durch die Dicke dividiert wird, ergibt sich eine Frequenz von 199, 9 kHz, welche der gewünschten Betriebsfrequenz von 200 kHz sehr nahekommt. Damit kann man von dem speziellen piezokeramischen Material,ausgehend mit vier Schnitten, die gewünschte Wandlerscheibe bei einer Dicke von 7, 41 mm erhalten.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß für ein bestimmtes piezokeramisches Material eine vorgegebene Anzahl von Kurven erstellt werden kann, um den Entwurf von derartigen Wandlerelementen zu erleichtern. Wenn der Aufwand von sekundärer Wichtigkeit ist, kann durch eine größere Anzahl von Proben mit unterschiedlichen Schnitttiefen und unterschiedlichen Schnittbreiten sowie unterschiedlichen Stegbreiten eine Kurvenschar mit wesentlich größerer Genauigkeit ermittelt werden.

Obwohl die vorausstehend erläuterten Beispiele für eine bestimmte Dicke des Wandlerelementes eine Lösung darstellen, ist es auch möglich, das Verfahren umzukehren, um bei einer gegebenen Dicke die Anzahl der Schlitze zu bestimmen, welche in einem Wandlerelement anzubringen sind, um eine bestimmte Betriebsfrequenz zu erhalten. .

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Elektroakustischer Wandler mit einer primären Resonanzfrequenz, bestehend aus einem Wandlerkörper mit einander gegenüberliegenden Hauptflächen, von welchen die eine Hauptfläche mit einer Vielzahl von Schlitzen in einer ersten Richtung und die andere Hauptfläche mit einer Vielzahl von Schlitzen in einer zweiten Richtung versehen sind, wobei die Schlitze in der ersten Richtung gegen die Schlitze in der zweiten Richtung winklig versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Flanken der ersten Schlitze (52) mit Flanken der zweiten Schlitze (56^ derart in Verbindung stehen, daß Resonanzen außer der Resonanz bei der primären Resonanzfrequenz unterdrücktwerden.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der ersten Schlitze parallel zueinander verlaufen.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der zweiten Schlitze parallel zueinander verlaufen.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der ersten Schlitze (52) senkrecht zu den Flanken der zweiten Schlitze (56Ϊ verlaufen.

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5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der einen Hauptfläche (54) ein weiterer flacher Schlitz (60) vorgesehen ist, der quer zu den Flanken der ersten Schlitze (52) verläuft und in welchem ein Elektrodenband angeordnet ist.

6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Schlitz (60) breiter als die Breite der ersten Schlitze (52) ist.

7.' Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der flache Schlitz (60) in der ersten Hauptfläche (54) senkrecht zu den ersten Schlitzen (52) verläuft.

8. Wandler nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen parallel zueinander verlaufen.

9. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der ersten Schlitze (52) senkrecht von der ersten Hauptfläche (54) aus in den Wandlerkörper verlaufen.

10. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken derzweiten Schlitze (56) senkrecht von der zweiten Hauptfläche (58) aus in den Wandlerkörper verlaufen.

11. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Schlitze (52) gleichmäßig voneinander entfernt ausgebildet sind.

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FLEUCHAUS & WEHSER

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12. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11., dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Schlitze (56) in einem gleichen Abstand zueinander ausgebildet sind.

13. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerkörper aus einem gepolten Wandlermaterial besteht.

14. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß neben der ersten Hauptfläche (52) ein Stützkörper (54) zum Absorbieren akustischer Strahlung angeordnet ist, wobei dieser Stützkörper (74) eine charakteristische mechanisch-akustische Impedanz (CA) hat, die kleiner als die des Wandlerkörpers ist, und daß die ersten Schlitze (52) derart dimensioniert sind, daß die charakteristische mechanisch-akustische Impedanz des Wandlerkörpers auf einen Wert reduziert wird, um diese an den Wert des Stützkörpers (74) möglichst nah anzupassen.

909808/0871