DE3009048C2 - Piezoelektrischer Mehrschichtwandler für Ultraschall - Google Patents

Description

Länge 5:

Länge 7:

Länge 11:

Länge 13:

+ + Η h

+ + Η 1 1

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Mehrschichtwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei Ultraschallanwendungen in der zerstörungsfreien Materialprüfung oder in der medizinischen Diagnostik ist eine große Frequenzbandbreite der verwendeten Schallsender (Prüfköpfe) von großer Bedeutung. Sie ist nämlich Voraussetzung für ein möglichst gutes Ortsauflösungsvermögen, für die Anwendung der zunehmend wichtiger werdenden Ultraschallspektroskopie sowie für die Erzeugung von Signalformen, die sich für eine Impulskompression durch 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 der Scheibe wirken als gegenphasige Schallquellen und führen im Schallfeld zu Interferenzen, die auf Grund ihrer Frequenzabhängigkeit die nutzbare Bandbreite einengen. Die Frequenzbandbreite dieser Wandler kann grundsätzlich durch Verminderung der Scheibendicke erhöht werden, was allerdings mit einer entsprechenden Reduktion der Signalenergie erkauft werden muß.

Demgegenüber wird bei einem Wandler der eingangs genannten Art durch die vorliegende Erfindung eine Erhöhung der Frequenzbandbreite bei gleichbleibender Gesamtdicke des Piezowandlers dadurch erreicht, daß die einzelnen piezoelektrischen Schichten nach Maßgabe eines Barker-Codes gegenphasig arbeiten. Wesentlich im Sinne dieser Erfindung ist dabei, daß die Barker-Codes durch kleine Werte ihrer Autokorrelationsfunktion außerhalb von deren zentralem Maximum gekennzeichnet sind. Die erfindungsgemäße Wirkung tritt umso deutlicher auf aus je mehr Elementen der durch die Schichtenfolge des Wandlers realisierte Binärcode besteht. Durch diese Maßgaben unterscheidet sich der hier beschriebene Mehrschichtwandler grundlegend von dem seit langem bekannten »bimorphen Piezowandler«, der aus nur zwei piezoelektrischen, gegenphasig betriebenen Schichten besteht und für ganz andere Zwecke entwickelt wurde.

Unter den Barker-Codes versteht man ganz bestimmte Binär- oder Vorzeichenfolgen, etwa die nachstehend Einen Mehrschichtwandler aus fünf Binärelementen nach Art eines Barker-Codes kann man demnach aus fünf gleich dicken piezoelektrischen Scheiben aufbauen, von denen die vierte gegenphasig zu den übrigen arbeitet Man kann ihn aber auch aus nur drei Scheiben aufbauen, von denen die erste dreimal so dick ist wie die anderen und die mittlere Scheibe gegenphasig zu den beiden äußeren Scheiben arbeitet.

Allgemein werden durch die Regellosigkeit des gewählten Vorzeichenmusters die bandbreitenbegrenzenden Interferenzen im Schallfeld zwar nicht vollständig vermieden, ihre Auswirkungen aber doch sehr weitgehend unterdrückt

Die Gegenphasigkeit kann durch Verpolen der den einzelnen Schichten über aufgebrachte Elektroden zugeführten Betriebsspannungen bewirkt werden oder einfacher durch unterschiedliche Orientierung (bei kristallinen Stoffen) bzw. unterschiedliche Polarisation (bei keramischen oder hochpolymeren Piezomaterialien). In den beiden letzteren Fällen brauchen nur die äußersten Schichtoberflächen mit Elektroden versehen zu sein, da die erforderlichen Betriebsspannungen an den Innenschichten durch kapazitive Spannungsteilung automatisch entstehen.

F i g. 1 a zeigt schematisch den grundsätzlichen Aufbau eines solchen Mehrschichtwandlers für den Barker-Code der Länge 13. Er besteht demgemäß aus 13 unterschiedlich orientierten bzw. polarisierten Piezoschichten der Dicke d Die Polarisationsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. Legt man an seine Endelektroden eine sprungartig ansteigende elektrische Spannung U, so entsteht in ihm momentan die in F i g. Ib dargestellte örtliche Verteilung der elastischen Spannung σ. Ein ihr entsprechendes Schallsignal wird anschließend in ein an einer Seite des Wandlers angekoppeltes Medium abgestrahlt, sofern der Wandler auf der anderen Seite reflexionsfrei abgeschlossen ist. Dieses Signal ist eine Barker-codierte Folge von Rechteckimpulsen. — In entsprechender Weise können auch andere pseudostochastische Binärsignale erzeugt werden.

In Fig.2 ist die für das Nahfeld eines Mehrschichtwandlers nach F i g. 1 berechnete Übertragungsfunktion logarithmisch dargestellt, c bezeichnet die Schallgeschwindigkeit des Wandlermaterials.

Die Herstellung eines solchen Wandlers kann am einfachsten durch Zusammenfügen entsprechend vieler piezoelektrischer Scheiben gleicher Dicke d mit Hilfe eines geeigneten Bindemittels erfolgen. Hierfür kommen z. B. Flüssigkeitsfilme, Klebstoffe oder auch niedrigschmelzende oder duktile Metalle in Betracht.

Wie schon oben an Hand eines Beispiels erläutert, kann man die Zahl der Scheiben und damit auch der Koppelschichten dadurch verringern, daß man benachbarte Scheiben gleicher Polarität zu je einer einzigen Scheibe entsprechend größerer Dicke zusammenfaßt. Auch die Einfügung passiver Schichten ändert nichts an dem beschriebenen Wirkungsprinzip.

Benutzt man einen Mehrschichtwandler der hier beschriebenen Bauart als Schallempfänger, so hat er wegen der Reversibilität des piezoelektrischen Wand-

lerprinzips die gleichen Übertragungseigenschaften wie beim Sendebetrieb.

Der beschriebene Mehrschichtwandler hat nicht nur den Vorzug großer Frequenzbandbreite, er erzeugt als Signal zudem die durch seinen Aufbau vorgegebene Impulsfolge, nämlich eine Barker-codierte Folge von Rechteckimpulsen, wie in Fig. la erläutert Solche Signale können zur Impulskompression benutzt werden. Leitet man nämlich das mit einem solchen Mehrschichtwandler erzeugte Signal nach Durchlaufung einer Meßstrecke einem »matched filter« zu, das dem gesendeten Signal angepaßt ist, so wird es in die Autokorrelationsfunktion des Signals zusammengerafft, die sich bei pseudostochastischen Signalen bekanntlich durch ein hohes Maß an zeitlicher Bestimmtheit auszeichnet Als »matched filter« kann ein entsprechend dem Sender aufgebauter Mehrschicht-Empfangswand-.'er verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Mehrschichtwandler für Ultraschall, der mehr als zwei parallele Schichten piezoelektrischen Materials in gegenseitigem mechanischem Kontakt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen piezoelektrischen Schichten nach Maßgabe eines Barker-Codes gegenphasig arbeiten.

2. Piezoelektrischer Mehrschichtwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen piezoelektrischen Schichten gleich dick sind und gleiche Abstände voneinander haben.

3. Piezoelektrischer Mehrschichtwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken und Polaritäten der einzelnen piezoelektrischen Schichten so gewählt werden, daß die resultierende Polaritätsverteilung einem Barker-Code entspricht

aufgeführten: