DE3009048A1

DE3009048A1 - Piezoelektrischer mehrschichtwandler fuer ultraschall

Info

Publication number: DE3009048A1
Application number: DE19803009048
Authority: DE
Inventors: Heinrich Prof.-Dr. Kuttruff; Koengmo Dipl.-Ing. 5100 Aachen Sung
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-03-08
Filing date: 1980-03-08
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE3009048C2

Description

Piezoelektrischer Mehrschichtwandler für Ultraschall
Bei Ultraschallanwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik ist eine große Frequenzbandbreite der verwendeten Schallsender (Prüfköpfe) von großer Bedeutung; sie ict einerseits Voraussetzung für die zunehmend wichtiger werdende Ultraschallspektroskopie, zum anderen für die Erzeugung von Signalformen, die sich für eine Impulskompression, also für Korrelationsempfang eignen.
Die heute üblichen Ultraschall-Sendewandler bestehen im wesentlichen zumeist aus einer Scheibe piezoelektrischen Materials, die auf der Rückseite möglichst reflexionsfrei abgeschlossen ist. Vorder- und Rückseite wirken als gegenphasige Schallauellen und führen im Schallfeld zu Interferenzen, die auf Grund ihrer Frequenzabhängigkeit die nutzbare Bandbreite einengen.Die Frequenzbandbreite dieser Wandler kann durch Verminderung der Scheibendicke erhöht werden, was allerdings durch eine entsprechende Reduktion der Signalenergie erkauft werden muß.
Demgegenüber wird bei der vorliegenden Erfindung eine Erhöhung der Frequenzbandbreite bei gleichbleibender Gesamtdicke des Piezowandlers dadurch erzielt, daß dieser aus mehreren, gleich dicken und parallelen Schichten piezoelektrischen Materials besteht, die miteinander mechanisch verbunden sind und die teilweise gegenphasig arbeiten. Die Vorzeichen der von den einzelnen Schichten erzeugten Signale werden dabei entsprechend einem Barker-Code gewählt. Hierdurch werden die bandbreitenbegrenzenden Interferenzen zwar nicht völlig vermieden, auf Grund der Regellosigkeit des gewählten Vorzeichenmusters mitteln sich ihre Auswirkungen aber weitgehend heraus.
Die Gegenphasigkeit kann durch Verpolen der den einzelnen Schichten über Elektroden zugeführten Betriebsspannungen oder einfacher durch unterschiedliche Orientierung (bei kristallinen Stoffen) bzw. unterschiedliche Polarisation (bei piezokeramischen Stffen) bewirkt werden.
Figur Ia zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines solchen Mehrschichtwandlers für die Codelänge 13, der demgemäß aus 13 unterschiedlich orientierten bzw. polarisierten Piezoschichten der Dicke d besteht. Die Polarisationsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Liegt man an diesen Wandler eine sprungartig ansteigende elektrische Spannung U, so entsteht im wandler primär die in Figur 1b dargestellte örtliche Verteilung der elastischen Spannung 6. Ist der Wandler auf der einen Seite reflexionsfrei abgeschlossen, auf der anderen aber an ein Medium angekoppelt, so wird in dieses eine dem angegebenen Spannungsverlauf entsprechende elastische Welle abgestrahlt. Sie stellt also eine Barker-codierte Folge von Rechteckimpulsen dar.- In Figur 2 ist die berechnete Übertragungsfunktion des Mehrschichtwandlers logarithmisch dargestellt (c bezeichnet hier die Schallgeschwindigkeit des Nandlermaterials).
Die Herstellung eines solchen Mehrschichtwandlers kann am einfachsten durch Zusammenfügen entsprechend vieler piezoelektrischer Scheiben der Dicke d unter Zwischenlage eines geeigneten Bindemittels erfolgen. Hierfür kommen z.B. Flüssigkeitsfilme, Klebstoff oder auch niedrigschmelzende oder duktile Metalle in Betracht.
Um die Zahl der zwischen den einzelnen Scheiben anzuordnenden Koppelschichten zu verringern ist es zweckmäßig, benachbarte Schichten gleicher polarität durch äe eine einzige Scheibe entsprechend größerer Dicke zusammenzufassen. Auch die zusätzliche Einfügung passiver Schichten ändert nichts an dem beschriebenen Wirkungsprinzip.- Benutzt man einen Mehrschichtwandler als Ultraschallempfänger, so hat er wegen der Reversibilität des piezoelektrischen Wandlerprinzips die gleichen Übertragungseigenschaften wie im Sendebetrieb.
Der hier beschriebene Mehrschichtwandler hat nicht nur den Vorzug großer Frequenzbandbreite, er erzeugt zudem eine Barker-codierte Impulsfolge, also ein Signal, das sich zur Impulskompression eignet. Leitet man nämlich das mit einem solchen Mehrschichtwandler erzeugte Signal nach Durchlaufung der Meßstrecke einem "matched filter" zu, das dem erzeugten Barker-Code angepaßt ist, so wird es in die Autokorrelationsfunktion der Barker-codierten Impulsfolge zusammengerafft, die sich bekanntlich durch hohe zeitliche Bestimmtheit auszeichnet. Als matched filter" kann ein entsprechend dem Sender aufgebauter Mehrschicht-Empfangswandler verwendet werden.
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Claims

Piezoelektrischer Mehrschichtwandler für Ultraschall Patentansprüche: 1.) Piezoelektrischer Mehrschichtwandler für Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mehrere parallele Schichten piezoelektrischen Materials in gegenseitigem mechanischem Kontakt enthält, die teilweise gegenphasig arbeiten.
2.) Piezoelektrischer Mehrschichtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen piezoelektrischen Schichten gleich dick sind, gleiche Abstände haben, und daß ihre Polar täten nach Maßgabe eines Barker-Codes wechseln.
3.) Piezoelektrischer Mehrschichtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Dicken und Polaritäten der einzelnen Schichten so gewählt werden, daß die resultierende Polaritätsverteilung einem Barker-Code entspricht.
4.) Piezoelektrischer Mehrschichtwandler nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den piezoelektrischen Schichten passive Schichten angeordnet werden.