DE2842086A1

DE2842086A1 - Elektroakustischer wandler mit hohem wirkungsgrad

Info

Publication number: DE2842086A1
Application number: DE19782842086
Authority: DE
Inventors: Valentin Dipl Phys Magori
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-09-27
Filing date: 1978-09-27
Publication date: 1980-04-03
Also published as: DE2842086C3; DE2842086B2

Description

Elektroakustischer Wandler mit hohem Wirkungsgrad.
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektroakustischen Wandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegeben ist.
Bei einem Vergleich der Leistungsfähigkeit derzeitig verfügbarer industrieller Luft-Ultraschall-Echolote mit den Sinnesorganen solcher Tiere, die sich mit Ultraschall orientieren, fällt auf, daß die industriellen Produkte diesbezüglich bei weitem nicht den Leistungsstand der Natur erreichen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektroakustischen Wandler anzugeben, der einen robusten Aufbau hat, der sich aus leicht verfügbaren, wenig aufwendigen Teilen realisieren läßt, der eine plane, dichte strahlende bzw. empfangende Oberfläche hat, der großen Wirkungsgrad, speziell bei relativ hoher Ausgangsleistung, aufweist, dessen elektrische Impedanz leicht verändert werden kann, dessen Richtdiagramm an unterschiedliche Anforderungen leicht angepaßt werden kann, der große Bandbreite, z.B. über eine Oktave und mehr, hat mehr, hat und dessen Hauptstrahlrichtung bzw. -empfangsrichtung sich mit elektronischen Mitteln schwenken läßt.
Diese Zielsetzungen werden mit einem elektroakustischen Wandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Patentanspruches 1 bzw. durch Ausgestaltungen und Weiterbildungen nach den zusätzlichen Merkmalen der Unteransprüche gelöst.
Weitere Erläuterungen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor.
Fig.1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig.2 zeigt eine Darstellung zur Fig.1, und zwar die Art einer Schwingbewegung der Platte.
Fig.3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit zwei pha senentgegengesetzt schwingenden Platten.
Fig.4 zeigt eine Ausführungsform mit in die Rückplatte einzulassenden Stützkörpern.
Fig.5 zeigt eine Ausführungsform mit scheibenförmigen Stützkörpern.
Fig.1 zeigt im Schnitt einen prinzipiellen Aufbau eines wie erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlers 1 für Schallabstrahlung bzw. zum Schallempfang. Mit 2 sind die Stützkörper aus piezoelektrischem Material wie Bariumtitanat, Bleizirkonattitanat oder dergl. bezeichnet. Z.B.
sind diese Stützkörper Stäbe mit beispielsweise rechteckigem Querschnitt mit vergleichsweise zu den Querschnittsabmessungen um ein mehrfaches größerer Länge.
Beispielsweise haben die Stützkörper eine Abmessung von 55x10xO.25 mm. Diese Stützkörper 2 sind am einen Ende an einer die Abstrahl- bzw. Schallaufnahmefläche bildenden, im Schnitt dargestellten Platte 3 befestigt, z.B. mit Epoxid-* angeklebt, von der bei Schallabstrahlung die akustischen Wellen ausgehen bzw. von der bei Schallempfang die einfallenden (Luft-)Schwingungen aufgenommen werden. Die Stützkörper 2 sind im Regelfall gleichmäßig, matrixförmig über die Fläche (der den Stützkörpern 2 zugewandten Rückseite) der Platte 3 verteilt. Die Platte 3 selbst kann rechteckige, kreisförmige oder auch elliptische Form oder dergl. haben, wie sie dem Grundsatz nach im Prinzip für Schallabstrahlflächen bekannt ist.
Die jeweils einen Enden der Stützkörper 2 sind mit (der Rückseite) der Platte 3 derart fest verbunden, daß piezoelektrisch erregte Längenänderungen (Schwingungen in den Richtungen der Doppelpfeile 5, d.h. senkrecht zur Plattenfläche) mechanisch zuverlässig auf die Platte 3 übertragen werden können bzw. für einen Empfänger Hubbewegungen der Platte 3 entsprechend zuverlässig auf die Enden und in die Stützkörper 2 eingeprägt werden können. An ihren jeweils anderen Enden sind die Stützkörper entsprechend einer Ausgestaltung der Erfindung an einer eine MBssenbeschwerung bildenden Platte 4 in gleicher Weise fest angebracht. Schwingungen in Längsrichtung der Stützkörper haben dann bei ausreichendem Gewicht dieser RUckplatte 4 an dieser Verbindungsstelle einen Schwingungsknoten, so daß die gegenüberliegenden, an der Platte 3 befestigten Enden eine Auslenkung (die mit dem Doppelpfeil 5 angedeutet ist) ausführen. Die einzelnen Stütz-*Kleber CIBA AV8 körper 2 aus piezoelektrischem Material haben bei beispielsweise rechteckigem Querschnitt auf den vorzugsweise größeren Seitenflächen aufgebrachte (für den einen Stützkörper 2 dargestellte) Elektroden 6 und 7.
An diesen Elektroden 6 und 7 sind elektrische Anschlußleitungen 8 und 9 angebracht.
Die Platte 3 kann z.B. derart steif sein, daß sie ganzflächig gleichphasig schwingt. Die Fig.2 zeigt dagegen in lediglich schematischer (Schnitt-)Darstellung das Schwingverhalten einer dünnen Platte 3, wobei sich aufgrund der piezoelektrisch erregten iängenschwingbewegung (Doppelpfeil 5) der Stützkörper 2 Eigenschwingungen der Platte 3 ausbilden. Mit der ausgezogenen Wellenlinie 3a ist die eine Maximalauslenkung dargestellt und mit der gestrichelten Wellenlinie 3b die dazu entgegengesetzte Schwingauslenkung gezeigt. Die ganze Oberfläche der beispielsweise rechteckförmigen Platte 3 schwingt somit bei der entsprechenden Anregung wie eine Vielzahl von einzelnen phasengleich angeregten Schwingelementen. Mit einer solchen schwingenden Platte 3a, 3b läßt sich eine besonders große Schwingamplitude von Flächenteilen der Platte 3 erreichen, und zwar aufgrund von Resonanzüberhöhungen. Besonders ausgeprägt ist dies, wenn bei vorgegebener Resonanzfrequenz der Stützkörper der Abstand dieser Stützkörper voneinander gleich der Wellenlänge der Schwingungen der Platte ist, wie dies die Fig.2 mit 3a und 3b zeigt.
Die Stützkörper 2 sind in einer zur Längsrichtung senkrechten Richtung, vorzugsweise senkrecht zu den Elektroden 6 und 7, polarisiert. Damit wird bei einer über die Anschlußleitungen 8 und 9 zugeführten elektrischen Spannung in den Stützkörpern 2 entsprechend der Tensorkomponenten d31, d.h. über den Quereffekt, die Schwingungserzeugung bewirkt. Die Frequenz der Anregungswech- selspannung und die Länge der Stützkörper 2 sind aufeinander abgestimmt, und zwar unter Berücksichtigung der Querschnittsabmessungen der Stützkörper 2.
Fig.3 zeigt dem Prinzip nach einen einerWeiterbildung der Erfindung entsprechend ausgebildeten Wandler 30 mit Stützkörper 2 und einer Platte 3, wie beim Beispiel der Fig.1. Anstelle der Rückplatte 4 des Beispiels der Fig.1 ist eine der Platte 3 gleichartige weitere Platte 31 an den Enden der Stützkörper 2 angebracht.
In diesem Fall haben die Stützkörper 2 einen Schwingungsknoten in der Mitte ihrer Länge und die Platten 3, 31 schwingen in einer Boxerschwingung. Die beiden Platten 3 und 31 sind somit gegenphasig schwingende Gebilde zur Schallabstrahlung und/oder zum Schallempfang.
Fig.4 zeigt in einem Teilausschnitt eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Wandlers 40, dessen Stützkörper 2 (in Fig.4 sind davon nur zwei Stück dargestellt) in die Rückplatte 41 eingelassen sind. Sie befinden sich in vergleichsweise zum Querschnitt der StUtzkörper 2 ausreichend größeren Bohrungen bzw. Aussparungen 42 der Rückplatte 41. Sie sind wie beim Wandler 1 mit ihren der Platte 3 entgegengesetzten Enden (am Boden der Aussparungen) an der Rückplatte 41 befestigt.
Zweckmäßigerweise sind die Aussparungen mit den darin befindlichen Stützkörpern 2 mit einer Wärmeleitpaste 43 ausgefüllt. Wärmeleitpaste 43 und Art und Weise des Ausfüllens ist Jedoch derart gewählt, daß die StUtzkörper 2 für sich die erforderlichen Längsschwingungen gemäß dem Doppelpfeil 5 ausführen können.
Die Rückplatte 41, im Regelfall aus Metall, dient beim Wandler 40 des Ausführungsbeispiels der Fig.4 somit nicht nur als Massenbeschwerung der Stützkörper 2, sondern auch zur Wärmeableitung, was insbesondere für Wandler für Abstrahlung hoher Schalleistungen von besonderem Interesse ist.
In der Fig.4 sind die in Fig.1 dargestellten Elektroden 6 und 7 mit ihren Anschlußleitungen 8 und 9 nicht nochmals wiedergegeben.
Fig.5 zeigt in einer perspektivischen Ansicht das Prinzip einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wandlers 50, bei dem die Stützkörper mit 52 bezeichnete rechteckige Streifen aus Piezokeramik sind. Solche Streifen aus Piezokeramik werden z.B. für eine piezoelektrische Taste nach dem Patent 2 314 420 ausgebildet. Auf ihren einander gegenüberliegenden Seitenflächen sind auf den Streifen Elektroden zur Zuführung bzw. zur Abnahme einer Wechselspannung angebracht. Auf dem äußersten Streifen 52 ist eine der Elektroden 56 mit gestrichelter Umrandung angedeutet. Mit 58 ist die zugehörige Anschlußleitung bezeichnet. Die übrigen Streifen 52 haben entsprechende Elektrodenbelegungen mit entsprechenden Anschlußleitungen.
Mit 3 sind die schallabstrahlende bzw. schallempfangende Platte und mit 4 die Rückplatte bezeichnet.
Für das Beispiel der Fig.5 hat die Platte 3 z.B. für Aluminium eine Fläche von 59x21 mm bei einer Dicke von 1 mm. Die Rückplatte, insbesondere ebenfalls aus Aluminium hergestellt, hat beispielsweise eine Abmessung von 75x29x8 mm.
Für einen Wandler 50 mit wie voranstehenden Abmessungen für die Platten 3 und 4 sind z.B. zwölf Streifen als Stützkörper vorgesehen. Die Abmessungen der einzelnen Streifen betragen 55x10x0,25. Die Anbringung der Streifen 52 "hochkant" ist aus der Darstellung der Fig.5 besonders gut zu ersehen.
Für die Wahl eines bestimmten lmpedanzwertes eines wie erfindungsgemäßen Wandlers 1, 30, 40, 50 können die einzelnen Anschlußleitungen 8, 9 der einzelnen Stützkörper 2, 52 miteinander in der Weise verbunden werden, daß entweder alle Stützkörper miteinander parallel geschaltet sind, miteinander in Reihe geschaltet sind oder Jeweils eine Anzahl Stützkörper miteinander zu Jeweils einer Gruppe miteinander in Reihe geschaltet sind und diese Gruppen wiederum parallel geschaltet sind.
Davon unabhängig bzw. dazu zusätzlich läßt sich eine vorgegebene Impedanz auch noch dadurch einstellen, daß für die einzelnen Stützkörper 2, 52 entsprechende Abmessungen oder spezielle Elektrodenstrukturen gewählt sind, wie dies prinzipiell bekannt ist.
Insbesondere für eine wie in Fig.4 angedeutete Auführungsform lassen sich Stützkörper 2 mit untereinander unterschiedlicher Läge verwenden, wobei bei einer Ausführung nach Fig.4 verschieden tiefe Aussparungen bzw.
Bohrungen oder Löcher 42 vorgesehen sind. Unterschiedlich lange Stützkörper 2 haben unterschiedliche Re sonanzfrequenzen. In Analogie zu den logarithmisch-periodischen Antennen sind damit Breitbandstrahler realisierbar, weil die Resonanzfrequenz benachbarter Stützkörper ein wenig unterschiedlich gewählt ist, und zwar aufgrund der unterschiedlichen Länge des Stützkörpers 2 und/oder auch aufgrund unterschiedlicher Dicke der Stützkörper 2 und/oder unterschiedlichen Abstandes der Stützkd.rper 2 voneinander sowie auch aufgrund unterschiedlicher Membrandicke. FUr verschiedene Frequenzen kommen dann verschiedene Zonen der Platte 3, 31 in Resonanz. In der Mitte der Zone ist der in Resonanz befindliche Stützkörper. Er wird beidseitig von Stützkörpern 2 flankiert, deren Impedanzen angenähert konJugiert komplex sind.
Wie schon im Zusammenhang mit der Figur erwähnt, kann eine Kühlung der Stützkörper 2, 52 von Vorteil sein.
Z.B. kann der Zwischenraum zwischen den Platten 3 und 4 bzw. 3 und 31 mit einem EWhlmittel durchströmt sein, das sowohl ein Ges (Luft) als auch eine Flüssigkeit sein kann, wobei bei letzterer dämpfende Wirkung und elektrische Leitfähigkeit zu beachten sind.
Aus der Jeweiligen Konfiguration des Schwingungsbildea der Platte 3 bzw. 31, wobei diese Konfiguration durch die Jeweilige Anregung der Stützkörper 2, 52 bewirkt ist, lassen sich unterschiedlich ausgebildete Abstrahl-bzw. Empfangskeulen und Nebenzipfel der Schallcharakteristik eines erfindungsgemäßen Wandlers variieren.
Hierzu werden die einzelnen Stützkörper 2 in einer von Gleichphasigkeit abweichenden Phasenlage durch die Anregungswechselspannung angeregt. FUr Schallempfang können die einzelnen Stützkörper 2, 52 über entsprechende Yerzögerungsglieder für individuelle Phasenlage miteinander verbunden sein.
Bei einem wie erfindungsgemäßen Wandler läßt sich auch die Richtung der Schallstrahlungs- bzw. -empfangskeule variieren. Auch diese Funktion wird durch entsprechende amplituden und/oder phasengesteuerte Anregung der einzelnen Stützkörper 2, 52 erreicht.
Eine steuerbare Richtungsänderung der Abstrahl- und/oder Empfangssrichtung ist insbesondere für Echolot-Füll- stands-Messung in Bunkern von Interesse, in denen Material, Getreide oder dergl. mit im einzelnen unbekanntem SchUttprofil eingefüllt bzw. entnommen wird.
10 Patentansprüche 5 Figuren

Claims

Patentansprüche = )) Elektroakustischer Wandler mit einer Schallabstrahl- bzw. -aufnahmefläche mit piezoelektrischem, mit Elektroden zum Anschluß bzw. zur Abnahme einer elektrischen Spannung versehenem Wandlerkörper, g e k e n nz e i c h n e t dadurch, daß der piezoelektrische Korper in der Form einer Anzahl über die Schallabstrahl-bzw. -aufnahmeplatte (3, 31) verteilter, an dieser angebrachter Stützkörper (2, 52) ausgebildet ist, die mit ihrem jeweils einem Ende an der Rückseite dieser Platte (3, 31) angebracht sind und deren piezoelektrisch erregte Längenänderungen die Abstrahlplatte (3, 31) in Schwingungsbewegungen versetzen bzw. in denen durch von der Schallaufnahmeplatte (3, 31) her übertragene und erzwungene Längenänderungen ein elektrisches Signal erzeugt wird, wobei die Länge in Richtung senkrecht zu dieser Platte (3, 31) definiert ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, g e k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Stützkörper (2, 52) an ihren beiden Enden mit Je einer Platte (3, 31) als Schallabstrahl-bzw. -aufnahmefläche verbunden sind.
3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Stützkörper (2, 52) mit ihrem Jeweils anderen Ende an einer Rückplatte (4, 41) des Wandlers (1, 30, 40, 50) angebracht sind.
4. Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Stützkörper in der Form streifenförmiger Körper (52) ausgebildet sind, die an der Schallabstrahl- bzw. -aufnahmeplatte (3) mit ihrer Breite als dem einen Ende des Stützkörpers senkrecht zu dieser Platte hochkant angebracht sind, wobei die Elek- troden (56) auf den Seitenflächen der streifenformigen Körper (52) angeordnet sind.
5. Wandler nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, g e k e n n -z e i c h n e t dadurch, daß die Elektroden (6, 7; 56) der einzelnen StUtzkörper (2, 52) über ihre Anschlußleitungen (8, 9; 58) derart elektrisch parallel geschaltet sind und/oder in Reihe geschaltet verbunden sind, daß eine vorgegebene Impedanz vorliegt.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die zur Schallabstrahl- bzw. -aufnahmeplatte (3, 31) senkrechte Längenabmessung bzw. Breite der StUtzkörper (2, 52) für die einzelnen Stützkörper untereinander unterschiedlich groß bemessen ist.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß wenigstens eine der zur Schallabstrahl- bzw. -aufnahmeplatte (3, 31) parallele (Dicken-)Abmessung der Stützkörper (?, 52) für wenigstens einzelne Stützkörper unterschiedlich groß bemessen ist.
8. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis -7, g e -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, mit denen die Stützkörper (2, 52) von einem Kühlmittel zu umgeben sind.
9. Wandler nach einem der Ansprüche 3 bis 8, g e - -k e n n z e i c h n e t dadurch, daß die Rückplatte (4, 41) zur Ableitung von Wärme aus den piezoelektrischen Stützkörpern (2, 52) ausgebildet ist.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abstände der Stützkörper (2, 52) voneinander gleich der Wellenlänge in der Platte (3, 31) für die vorgegebene Frequenz sind.