DE3600639A1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallwandler zur Aussendung von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in ein flüssiges Ausbreitungsmedium. Der Ultraschallwandler besteht in den wesentlichen Bauteilen aus einem elektroakustischen Wandlerelement und einer an das flüssige Ausbreitungsmedium angrenzenden Anpassungsschicht (Ankoppelungsschicht), die eine akustische Impedanz hat, die zwischen der des Materials des Wandlerkörpers und der des Ausbreitungsmediums liegt und die eine Dicke eines Viertels oder eines mehrfachen ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge in dieser Anpassungsschicht hat (λ/4- Schicht).

Aus der Literatur (z. B. Ludwig Bergmann, "Der Ultraschall", S. Hirzel-Verlag, Stuttgart, 1954, Seite 15 bis 20 und Seite 168 bis 170) ist es bekannt, für einen Ultraschallwandler ein Anpassungsglied vorzusehen, um die an Grenzflächen reflektierte Energie zu vermindern. Bergmann gibt für die Durchlässigkeit (Verhältnis von durchgehender zu einfallender Intensität) einer Platte mit der Dicke d und dem Schallwiderstand Z ₂ = ϑ ₂ · v ₂ zwischen zwei Medien mit den Schallwiderständen Z ₁ = ϑ ₁ · v ₁ und Z ₃ = ϑ ₃ · v ₃ die Beziehung an, wobei und λ ₂ die Wellenlänge des Ultraschalls in der Anpassungsschicht ist.

Der Wellenwiderstand Z eines Mediums ist definiert als Produkt aus der Dichte ϑ des Materials und der Schallgeschwindigkeit v der Schallwellen in dem Medium (Z = ϑ · v). Wählt man die Platte aus einem Stoff, dessen Schallwiderstand Z ₂ zwischen den Schallwiderständen Z ₁ und Z ₃ der beiden angrenzenden Medien liegt, so läßt sich bei geeigneter Plattendicke ein weit besserer Schalldurchgang zwischen den beiden Medien erreichen, als wenn diese unmittelbar aneinandergrenzen. Die Durchlässigkeit der Ankopplungsschicht ist also sowohl von den Materialeigenschaften, d. h. dem Wellenwiderstand Z ₂ als auch von der Dimensionierung der Schicht, d. h. der Dicke d abhängig. Nach Bergmann wird ein Maximum für die Schalldurchlässigkeit einer Platte erreicht, wenn der Wellenwiderstand Z ₂ der Ankopplungsschicht gleich dem geometrischen Mittel der Wellenwiderstände Z ₁ und Z ₃ der beiden angrenzenden Medien ist.

Z ₂@gv= √Z ₁ · Z ₃

Eine weitere Bedingung für eine optimale Schalldurchlässigkeit der Anpassungsschicht ist, daß für die Dicke d der Anpassungsschicht dabei gelten muß mit n = 0, 1, 2, 3 usw. Eine solche reflexmindernde Schicht wird in der Optik als g/4-Schicht bezeichnet.

Für Wasser und Öle liegt der Wellenwiderstand bei etwa 1,5 · 10⁶ kg/(m²s). Als elektroakustischer Wandlerkörper wird wegen des guten Wirkungsgrades meist Piezokeramik verwendet; beispielsweise beträgt der Wellenwiderstand von Piezooxide PXE 5 der Firma Valvo 28. 3 · 10⁶/(m²s). Das Maximum der Schalldurchlässigkeit ergäbe sich dann für die Anpassungsschicht aus einem Material mit einem Wellenwiderstand von etwa 6,5 · 10⁶ kg/(m²s). Ein Material mit diesem oder einem ähnlichen Wellenwiderstand ist nicht in der Literatur bekannt, (siehe z. B. Krautkrämer "Ultraschall-Werkstoffprüfung", Springer-Verlag, 1982, Seite 609, Tabelle A1).

Es ist bekannt, daß durch Verwendung von Plexiglas mit einem Wellenwiderstand von etwa 3,2 · 10⁶ kg/(m²s) eine befriedigende Ankopplung an Flüssigkeiten möglich ist. Der große Nachteil von Plexiglas ist seine unbefriedigend physikalische und chemische Beständigkeit. So ist dieses Material nicht beständig gegen organische Lösungsmittel und aggressive Flüssigkeiten. Ähnliche Nachteile haben die häufig verwendeten Epoxidharze.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Ultraschallwandler so auszubilden, daß einerseits die bekannte Gesetzmäßigkeit der Anpassungsbedingungen möglichst gut erfüllt ist und andererseits eine gute physikalische und chemische Beständigkeit der Ankopplungsschicht gegenüber dem flüssigen Ausbreitungsmedium vorhanden ist.

Diese Aufgabe wird für einen Ultraschallwandler nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 durch eine Anpassungsschicht aus porenfreier Glaskeramik gelöst.

Allgemein versteht man unter Glaskeramik einen anorganischen porenfreien Werkstoff, der sowohl Glasphase als auch kristalline Phase enthällt. Die Schallgeschwindigkeit in der Glaskeramik ist etwa gleich der in der reinen Glasphase, während die Dichte mit etwa 2,5 · 10³/m³ kleiner ist.

Ein besonders geeignetes Glaskeramik-Material ist der Werkstoff "Macor" der Firma Corning Glass Works, New York, USA, der aus etwa 55% gleichmäßiger, plättchenförmiger Glimmerkristalle und etwa 45% Glasmatrix besteht. Für diese Glaskeramik "Macor" beträgt die hier interessierende longitudinale Schallgeschwindigkeit etwa 5090 m/s und damit der akustische Wellenwiderstand etwa 12,8 · 19⁶ kg/(m²s). Die Auswertung der oben angegebenen Beziehung zeigt eine vergleichbar gute Ultraschall-Durchlässigkeit für "Macor" und Plexiglas; dies konnte durch Versuche bestätigt werden. Die technischen Glaskeramikmaterialien bieten jedoch sehr gute mechanische, thermische und chemische Eigenschaften. Außerdem ist Glaskeramik leicht bearbeitbar und metallisierbar. Dadurch ist die Anpassungsschicht mit den erforderlichen Maßen sehr exakt herstellbar und es sind sehr beständige Verbindungen mit dem Gehäuse zu erzielen.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Schnitt durch einen Ultraschallwandler. Man erkennt zunächst ein zylindrisches Gehäuse 1, in dessen Innerem ein Wandlerelement 2 aus piezoelektrischem Material zentrisch angeordnet ist. Die Vorderseite des Ultraschallwandlers wird von der Anpassungsschicht 3 aus Glaskeramik gebildet, die als λ/4-Schicht ausgebildet ist. Auf der Innenseite der Anpassungsschicht 3 ist das Wandlerelement 2 aufgeklebt. Für hochdruckbeständige Ultraschallwandler besitzt das zylindrische Gehäuse 1 auf der Innenseite einen Ringvorsprung 4, auf dem die Anpassungsschicht 3 fest aufliegt. Zweckmäßigerweise dient die Nut 5 zwischen Gehäuse 1 und Anpassungsschicht 3 als Klebestelle oder Lötverbindung, so daß der Wandler absolut dicht gegenüber dem Schallausbreitungsmedium ist. Die Rückseite des Wandlerelements ist mit einer den Schall absorbierenden Vergußmasse 6 ausgegossen. Als Vergußmasse 6 eignet sich beispielsweise ein mit Mikroglashohlkugeln gefülltes Epoxidharz. Die beiden elektrischen Kabel 7 zur Versorgung des Wandlerelementes 2 mit Hochfrequenzenergie werden zweckmäßigerweise durch die Vergußmasse 6 herausgeführt.

Claims (2)

1. Ultraschallwandler zur Aussendung von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlängen in ein flüssiges Ausbreitungsmedium, mit einem Wandlerelement aus piezoelektrischem Material und mit einer an des Ausbreitungsmedium angrenzenden λ/4-Anpassungsschicht, die eine akustische Impedanz hat, die zwischen der des Materials des Wandlerelementes und der des Ausbreitungsmediums liegt, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aussendung in das flüssige Ausbreitungsmedium die λ/4-Anpassungsschicht (3) aus porenfreiem Glaskeramik-Material besteht, das sowohl die Glasphase als auch die kristalline Phase enthält und das eine an das Ausbreitungsmedium angepaßte akustische Impedanz aufweist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Glaskeramik-Material aus etwa 55% gleichmäßiger, plättchenförmiger Glimmerkristalle und etwa 45% Glasmatrix besteht.