DE3441563A1 - Kombinierte ultraschallwandler aus keramischen und hochpolymeren piezoelektrischen materialien - Google Patents

Description

• Kombinierte Ultraschallwandler aus keramischen und hochPoly-
• meren PiezoeleXtrischen Materialien Ultraschallwandler aus piezoelektrischen Materialien für Zwecke der zerstörungsfreien Materialprüfung oder der medizinischen Diagnostik bestehen zumeist aus piezoelektrischen Elementen, die (s. Fig. 1) in Form dünner Scheiben oder Schichten 1 mit vorder- und rückseitigen Elektroden 2 und 3 versehen und auf ein Trägermaterial 4 aufgebracht sind (siehe z.B.: Krautkrämer, J., Krautkrämer, H., Werkstoffprüfung mit Ultraschall, 4. Aufl., Springer Verlåg, Berlin 1980). Besitzen Trägermaterial 4 und Wandlermaterial 1 annähernd densölben Wellenwiderstand Z = 9c (9 Dichte, e S6hallgeschwindigkeit), so ist das Wandlerelement bei geringer Dicke der Elektroden 2 und 3 rückseitig nahezu (akustisch) ieflexionsfrei abgeschlossen. Das Übertragungsverhalten des piezoelektrischen Wandlermaterials, welches im Sendefall als Verhältnis S von erzeugtem Schalldruck vor dem Wandler zur Genet>atorleerlaufspannung, mit der der Wandler betrieben wird, und im Empfangs fall als Verhältnis M von Leerlaufspannung am Wandler zum einfallenden Schalldruck angegeben werden kann, ergibt sich aus dem Verhältnis von Schallgeschwindigkeit cl und Dicke da des Wandlermaterials: Bei der Frequenz f0 = cl/dl tritt das erste Minimum im Betragsspektrum der Übertragungsfunktionen S und M auf (A/2 Resonanz,A = Wellenlänge im Wandlermaterial). Dabei wird vorausgesetzt, daß durch hinreichend hohe Dämpfung im Trägermaterial keine Vielfachreflexionen auftreten. Bei piezokeramischen Wandlerelementen kommen dafür die in der Literatur beschriebenen Materialien in Frage, z.B. Kunstharz-Metallpulver-Gemische, während bei piezoelektrischen Hochpolymeren, z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF),.
• dafür zahlreiche nichtpiezoelektrische Kunststoffe (PVDF, PVC, Plexiglas u.a.) verwendet werden können.
• Bei Abstrahlung in Übettragingsmedien die einen ähnlichen Wellenwiderstand wie das Wandlermaterial besitzen, tritt in dem Fall, daß der Wellenwiderstand Z4 des rückwärtigen Trägermaterials 4 gegenüber dem des Wandlermaterials sehr viel höher ist, das erste Minimum im Spektrum der Übertragungsfunktionen annähernd bei f = c/2d auf (A/4 Resonanz). Derartige Verhältnisse liegen bei der Verwendung von piezoelektrischen Hochpolymer-Folien, z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), als Wandlermaterial vor, wenn diese auf Metalle oder keramische Materialien mit hohem Wellenwiderstand als Trägermaterial aufgebracht werden und das Übertragungsmedium Wasser, Kunststoffe oder andere Substanzen mit ähnlich niedrigen Wellenwiderständen wie bei piezoelektrischen Hochpolymeren ist (siehe z.B.: Swartz, R.G,-Plummer, J.D., On the generation of highfrequency acoustic energy with polyvinylidene fluoride, IEEE Trans. Son. Ultrason. SU-27 (1980), 295 - 303). Das Verhältnis der Wellenwiderstände von rückwärtigem Trägermaterial und Wandlermaterial beträgt dabei typischerweise 10 und mehr.
• Bei Ankopplung an Medien mit derart niedrigen Wellenwiderständen (z.B. Wasser) besitzen Hochpolymer-Folien, z.B. Polyvinylidenfluorid (PVDF), gegenüber anderen, insbesondere piezokeramischen Materialien den Vorteil guter akustischer Impedanz anpassung, hoher Flexibilität, leichter Formbarkeit-der piezoelektrischen Folien, z.B. zur Herstellung mehrfach gekrümmter Wandleroberflächen, und aufgrund der möglichen geringen Schichtdicken den Vorzug hoher Resonanzfrequenzen für Dickenschwingungen und breitbandigen Ubertragungsverhaltens (z.B. Platte,. M.
• Ultraschallwandler aus Polyvinylidendifluorid mit breitbandigem Übertragungsverhalten und fokussierenden .Eigenschaften, Acustica 54 (1983), S. 23-32). Bei einem Verhältnis von Schallgeschwindigkeit zu Dicke der piezoelektrischen Elemente aus keramischen und hochpolymeren Materialien, das dem Verlauf nach Jeweils ähnliches Übertragungsverhalten S und M von Wandlern aus den beiden unterschiedlichen Materialien zur Folge hätte, jedoch wegen der leichten Zerbrechlichkeit dünner keramischer Scheiben nur oberhalb einer gewissen Mindestdicke mit vertretbarem Aufwand realisierbar ist, ist die Empfangsempfindlichkeit M von Wandlern aus piezoelektrischen Hochpolymeren wie PVDF gegenüber den Werten M von Wandlern aus piezokeramischen Materialien vergleichbar oder höher. Die Sendeempfichkeit S ist dagegen häufig eine Größènordnung kleiner als bei piezokeramischen Wandlern. Durbh Verwendung jeweils einer oder mehrerer piezoelektrischèr Elemente aus beiden Arten von piezoelektrischen Materialien, die in bezüglich Schallausbreitungsrichtung übereinanderliegender und akustisch verbundener Weise angeordnet werden, lassen sich die jeweils vorteilhaften Eigenschaften beider Materialarten in kombinierter Weise zur Herstellung spezieller Ultiaschallwandler gleichzeitig nutzen.
• In der Materialprüfung und der medizinischen Diagnostik mit Ultraschall wird meistens ein und derselbe Wandler als Sender und Empfänger betrieben ("Impuls-Echo-Betrieb"), indem durch geeignete elektronische Schaltungen die Elektroden des Wandlers abwechselnd mit dem Ausgang eines elektrischen Signalgenerators und dem Eingang eines Empfangsverstärkers verbunden werden0 Dabei müssen wegen der endlichen Schaltzeiten gewisse Totzeiten zwischen Sende- und Empfangsphase in Kauf genommen werden, wodurch beispielsweise oberflächennahe Fehler in PrUfstücken wegen der kurzen Schallaufzeiten zwischen Wandler und Prüfstück schlecht nachweisbar werden. Daher werden häufig auch Wandler für getrennten Sende- und Empfangsbetrieb ("SE-Prüfköpfe) verwendet (siehe: Krautkrämer, J., Krautkrämer, H., Werkstoffpt+ung mit Ultraschall), bei denen je ein Element 1 aus piezoelektrischen Materialien mit den Elektroden 2 und 3 zum Senden am Generatorausgang und ein Element 1 mit den Elektroden 2 und 3t zum ständigen Empfang am Eingang des Empfangsverstärkers angeschlossen ist. Dabei werden beide Elemente 1 und 1' im prüfkopfgehäuse 5 z.B. seitlich versetzt wie in Fig. 2 a angeordnet. Oftmals werden diese noch wie in Fig. 2 b in Schallausbreitungsrichtung gegeneinander geneigt und mit einer Vorlaufstrecke 6 aus möglichst schwach absorbierenden Kunststoffen, z.B. Plexiglas, oder anderen geeigneten Materialien versehen. Der räumliche Versatz von Sende- und Empfangselement hat in nachteiliger Weise zur Folge, daß die Hauptrichtkeulen von Sende- und Empfangselementen 1 und 1 nicht vollständig überlappen, so daß eine Verringerung der im Übertragungsmedium an Fehlern reflektierten Schallanteile gegenüber dem Fall des vollständigen Überlappens der Hauptrichtkeulen insbesondere im Nahfeld unmittelbar vor dem Wandler in Kauf genommen werden muß.
• Diese Nachteile werdeAavdutch :vrien, daß erfindungsgemäß ein oder mehrere Wandlerelemente aus piezokeramischen Materialien, die rückseitig Je nach erwünschtem Übertragungsverhalten auf ein entsprechend auszuwählendes Trägermaterial aufgebracht sind, einen Sender/Empfänger und gleichzeitig das rückwärtige Trägermaterial für das (die) darauf angeordnete Element(e) aus piezoelektrischen Hochpolymeren bilden, so daß die piezoelektrischem Hochpolymer-Schichten als Sender/Empfänger mit rückwärtigem schallharten Abschluß wirken. Dabei sind die Richtungsabhängigkeiten der Sende- oder Empfangsempfindlichlceit bis auf einen geringfügigen axialen Versatz in Schallausbreitungsrichtung durch die endliche Dicke der einzelnen.Elemente des Schichtpakets bei jeweils gleicher Betriebsfrequenz identisch. Bei Verwendung als SE-PrUfkopf wird durch Betreiben des (der) piezokeramischen Elements (Elemente) als Sender, des (der) Elements (Elemente) aus piezoelektrischen Hochpolymeren als Empfänger die im allgemeinen hohe Sende empfindlichkeit von Piezokeramiken und die hohen Empfangs empfindlichkeiten von piezoelektrischen Hochpolymeren wie Polyvinylidenfluorid (PVDF) ausgenutzt.
• Wird erfindungsgemäß (Fig. 3) der eine Wandler durch die piezokeramische Schicht 9 , der andere Wandler durch zwei piezoelektrische Folien 1o,11 eines Hochpolymers entgegengesetzter Polarisationsrichtung gebildet, die über die Elektroden 2,7,8 und deren Zuleitungen elektrisch parallel geschaltet sind, wobei die mit Element 9 gemeinsame Elektrode2 auf Erdpotential liegt, ist sichergestellt, daß Sender und Empfänger hinreichend elektrisch entkoppelt sind, so daß eine Totzeit durch Ubersteuerung des Empfangsverstärkers infolge elektrischen Ubersprechens des Sendeimpulses auf den Empfangskanal vermieden wird. Wegen der umgekehrten Polarisationsrichtungen der zu einem Wandler zusammengefaßten Elemente 10 mit Dicke d10 und 11 mit Dicke d11, wobei d10 gleich d11 ist, verhalten sich diese in bekannter Weise akustisch wie eine einzelne Schicht der Gesamtdicke (d10+ d11).
• Bei Abstrahlung in dem Hochpolymer akustisch angepaßte Medien besitzen Hochpolymer Schichtpaket mit den Elementen 10,11, deren Dicken d10 und d11 gleich sind, und Piezokeramik 9 dann annähernd gleiches Übertragungsverhalten, wenn die Verhältnisse c9/d9 und c10/d10-c1l/dll übereinstimmen (c9,c10 und c11 = Schallgeschwin igkeiten in den Elementen 9,10 und 11). Für die Kombination PVDF und Bleitirkonattstanat- i.st dz.ês ist dies 9 etwa dann der Fall, wenn d9 gleich td10ist. Ein derartiger SE-Wandler besitzt daher im Impuls-R6flexions-Betrieb dasselbe FrequenzUbertragungsverhalten wie eine einzelne piezokeramische Schicht der Dicke d9, die durch elektronische Umschaltung abwechselnd als Sender und Empfänger bbtfXeben ird. Bei Ankopplung an Medien mit einem niedrigeren Wellenwiderstand als das verwendete hochpolymere Wandlermatetia1- wirkt die vorderseitige Schicht des Hochpolymers für das piezokeramische Wandlerelement wie eine sonst bei Wandlern aus keramischen Materialien, z.B. für Wasserankopplung, verwendete 2/4-Anpassungsschicht. Die Verringerung der Bandbreite des Übertragungsverhaltens der piezoelektrischen Hochpolymer Schicht gegenüber dem Fall identischer Wellenwiderstände ist bei nicht allzu großen Unterschieden der Wellenwiderstände (z.3. im Falle PVDF-Wasser) gering.
• Da piezoelektrische Hochpolymer-Folien mit Dicken bis in den Bereich von einigen 10 m herstellbar sind und wegen ihrer hohen Flexibilität auch bei derart geringen Schichtdicken leicht verarbeitbar sind, lassen sich wegen der möglichen hohen Werte von c10/2d10=c11/2d11 mit den zusammengeschalteten Elementen 10 und 11 aüs piezoelektrischen Hochpolymeren bei Ankopplung an akustisch angepaßte Medien sehr viel höhere Bandbreiten erzielen als mit der piezokeramischen Schicht 9. Dementsprechend läßt sich auck die Bandbreite des für Impuls-Echo-Betrieb maßgeblichen Empfindlichkeitsprodukts S.M des als SE-Prüfkopf betriebenen Kombinationswandlers gegenüber dem Fall eines nur aus piezokeramischen Elementen bestehenden Wandlers erhöhen.
• Erfindungsgemäß läßt sich eine derartige Wandlerkombination auch in der Weise auslegen, daß das (die) piezokeramische (n) Elemente(e) und das (die) Element(e) aus piezoelektrischen Hochpolymeren jeweils für sich getrennt im Impuls-Reflexions-Verfahren betrieben werden, wobei diese durch geeignet unterschiedliche Verhältnisse von Schallgeschwindigkeit zu Dicke des jeweiligen Materials und geeignete Wahl des rückseitigen Trägermaterials der keramischen Elemente unterschiedliche Bandbreiten besitzen. Auf diese Weise lassen sich im Prüfkopf zwei Wandler mit unterschiedlichem Übertragungsverhalten auf ein und Lemselben Trägermatril unerringe.:Bei Betrieb als Stoßrellenprüfkopf können dabeiin Abhångigkeit von der jeweils ewählten Schichtdicke akustische Impulse mit unterschiedlichen «litdauern erzeugt werden. Eine derartige Wandlerkombination, xei der mit der geringen Schichtdicke die hohe Bandbreite von folien aus piezoelektrischen Hochpolymeren ausgenutzt wird, ann z.B. in automatischen Prüfverfahren zur Grob- und Fein-Luflösung benutzt werden, ohne ein Auswechseln der Schallköpfe rornehmen zu müssen.
• denn gleichzeitig fokussierende Eigenschaften eines nach Fig. 3 >der in ähnlicher Weise aufgebauten Kombinationswandlers für Jltraschall benötigt werden, läßt sich in bekannter Weise ein lls akustische Linse wirkender Körper 12 aus Kunststoff, z.B.
• Plexiglas, bei Wasserankopplung auf die ebene Wandleroberfläche lufbringen, wobei die an das Übertragungsmedium grenzende Oberfläche in geeigneter Weise gekrümmt ist (siehe Fig. 4a). Bestehen die Elemente 10 und 11 des vorderen Wandlers aus piezoelektrischen Hochpolymeren, lassen sich gleichzeitig verschiedene fokussierende Eigenschaften für die Wandlerelemente 10,11 und 9 dadurch erreichen, daß der in Fig. 4 a für beide Wandler als akustische Linse wirkender Kunststoffkörper 12 wie in Fig, 4b zwischen dem ebenen Wandler 9 und die nun in der gleichen Weise wie die Oberfläche des Ifunststoffkprpers gekrümmten Wandlerelemente 10 und 11 angebracht wird. Der Kunststoffkörper 12 wirkt sodann für Wandlerelement 9 als akustische Linse, für die Wandlerelemente 10 bzw. 11 als rückwärtiges Trägermaterial mit annähernd reflexionsfreiem Übergang. Besitzt das Linsenmaterial einen hohen Wellenwiderstand, so wirkt dieses für die Piezopolymer-Folie als reflektierender Abschluß. Die Bandbreite ergibt sich bei Abstrahlung in angepaßte Medien wieder aus dem der hältnis von Schallgeschwindigkeit und Dicke der Folie und der Art des rückwärtigen Materials. Fig. 4c zeigt am Beispiel der sphärisch gekrümmten Linse 12 aus Plexiglas bei Abstrahlung in Wasser die sich ergebenden, unterschiedlichen Fokuspunkte f1 und f2. Die Linsenoberfläche kam auch andere als sphärisch gekrümmte Oberfläche besitzen, z.B. Konus- oder Toroidform. Im Falle von PVDF läßt sich die mehrfache Krümmung der Wandleroberfläche durch verschiedene Thermoformprozesse erreichen (z.B.
• Platte, M., Ultraschallwandler aus Polyvinylidendifluorid mit breitbandigem Übertragungsverhalten und fokussierenden Eigenschaften, Acustica 54 (1983), S 23 - 32). Mit derartigen Kombinationswandlern mit unterschiedlichen Fokustiefen f lassen sich in Prüf'verfahren beispielsweise unterschiedliche Tiefenlagen hervorheben, wenn beide Wandler abwechselnd als Sender und Empfänger betrieben werden. Die Doppelschicht 10, 11 des zweiten Wandlers kann dabei auch durch eine einzige ersetzt weden.
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Claims (4)

1. Patentansprüche 0 Kombinationswandler für Ultraschall,bestehend aus mehreren piezoelektrischen Elementen, die jeweils für sich oder in Gruppen zu mehreren Elementen zusammengeschaltet als Sender und/oder Empfänger wirken, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elemente in - bezüglich Schallausbreitungsrichtung - übereinanderliegender und akustisch verbundener Weise angeordnet sind und eine Kombination von Elementen I aus keramischen oder anderen piezoelektrischen Materialien mit hohem Wellenwiderstand (Material I') und Elementen II aus piezoelektrischen Eochpolymeren (Material II') verwendet wird, wobei die Elemente II zwischen der an das Ubertragungsmedium grenzenden Oberfläche des Wandlers und den aus Material I' bestehenden Elementen t angeordnet sind.
2. 2. Kombinationswandler für Ultraschall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zusammenschalten der Elemente I als Sender und der Elemente II als Empfänger die dbereinanderbefindliöhen Wandlerelemente einen SE - Wandler mit getrenntem und ständig betriebsbereitem Ultraschallsender und -empfänger mit überlappenden Hauptrichtkeulen bilden.
3. 3. Kombinationswandler für Ultraschall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandlerelemente I und die Wandlerelemente 11 jeweils für sich als Sender und Empfänger geschaltet sind, wobei durch unterschiediiche Verhältnisse von Schallgeschwindigkeit zu Dicke der Elemente I und der Elemente II jeweils für sich Wandler mit unterschiedlichem Übertragungsverhalten und Auflösungsvermögen entstehen.
4. 4. Kombinationswandler für Ultraschall nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Element aus Material t' und zwei elektrisch parallel geschaltete Elemente mit entgegengesetzter Polarisationsrichtung aus Material TT' nach Aufbau von Fig. 3 verwendet werden0 Kombinationswandler für tItrschall nach Anspruch 1 und 2 oder Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrischer Hochpolymer Polyvinylidenfluorid verwendet wird.

   Kombinationswandler für Ultraschall nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem (den) als Sender und/oder Empfänger betriebenen Element (Elementen) zwischen diesem (diesen) und dem Übertragungsmedium ein als akustische Linse wirkender Körper beflndet, auf dessen dem übertragungsmedium zugewandten und gekrümmten Oberfläche ein oder mehrere als-Sender und Empfänger betriebene Elemente II angebracht sind.

   ombinationswandler für Ultraschall nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Linsenmaterial ein Kunststoff, als Material für das (die) vorderseitige(n), dem Übertragungsmedium zugewandte(n) Wandlerelement(e) Polyvinylidenfluorid verwendet wird.