DE3833234A1 - Piezokeramischer wandler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Wandler, der
als Sender, Empfänger, Hydrophon oder Schallmeßeinrichtung
verwendet werden kann.
Bekannt ist seit langem, daß an den Grenzflächen bestimmter
Kristalle bei Deformation elektrische Ladung entsteht. Bei
Anlegen von Spannung deformiert der Kristall. Diese beiden
Effekte machen sich piezokeramische Wandler als Schall
empfänger oder Schallsender zu nutze.
Piezoelektrische Wandler sind mit metallisierten Elektroden
versehen, über welche einerseits die Piezoelektrizität in
Form von elektrischer Ladung von bestimmten polykristallinen
Werkstoffen, hervorgerufen durch mechanische Deformation
infolge Zug oder Druck, abgegriffen und andererseits die
mechanische Deformation in Form von Zug oder Druck, hervor
gerufen durch Einspeisung von elektrischer Energie, bewirkt
wird.
Für die Kalibrierung von Schallmeßeinrichtungen, die mit
piezoelektrischen Wandlern arbeiten, ergaben sich bisher
Schwierigkeiten dadurch, daß piezoelektrische Wandler nur
im zusammengebauten Zustand betreibbar sind. Die Bewertung
des Empfangsübertragungsmaßes z.B. bei Unterwasserschall
messungen, mit sogenanntan Hydrophonen, ist nur durch Dif
ferenzbildung zur Meßnormalen möglich. Die Dimensionierung
und Anpassung eines Ladungsverstärkers an den piezokerami
schen Wandler ist nach dieser Methode mühsam, da der Sensor
durch keine andere Labor-Signalquelle ersetzt werden kann.
Ausgehend von piezoelektrischen Wandlern der genannten Art
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen,
mittels deren Hilfe der Nachweis der Prüfbarkeit der be
nutzen piezoelektrischen Eigengschaften erbracht und in Form
von Parametern für die Spezifikation, z.B. bei Hydrophonen
zur Verfügung gestellt werden. Dabei soll die Ermittlung der
jeweiligen Kenngrößen mit geringem, wirtschaftlichen Prüf
aufwand sowohl während der Entwicklungsphase, der Herstel
lungs- und Fertigungsphase, der Qualifikationsphase und der
Einsatz- oder Nutzungsphase sichergestellt sein.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Verbesserung der
Kenndaten des zugehörigen Ladungsverstärkers und eine
Weiterbildung der piezokeramischen Wandler-Geometrie.
Die gestellten Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst von
Wandlern mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Ausbildungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteran
sprüchen.
Kern der Erfindung ist die Integration von Sender und
Empfänger auf einen einzigen Keramikkörper.
Piezokeramische Wandler der genannten Art sind zur Durch
führung absoluter Unterwasser-Schalldruckmessungen geeignet.
Sie wandeln den akustischen Schall aufgrund des Piezoeffekts
der verwendeten Keramik in eine meßbare, elektrische Größe
(Ladung/Spannungssignal). Der piezokeramische Wandler arbei
tet dabei als Schallempfänger, das heißt als Sensor. Wird
umgekehrt die Keramik durch ein Wechselspannungssignal be
aufschlagt, so besitzt dieselbe Keramik die Eigenschaft,
die elektrische Energie in mechanischen Schall zu wandeln.
Der piezokeramische Wandler arbeitet dabei als Schallsender,
das heißt als Projektor. Diese Umkehr- oder Reziprozitäts
eigenschaften des piezokeramischen Wandlers sind so nutzbar,
daß ein und dieselbe Piezokeramik gleichzeitig als Sender
und Empfänger zu arbeiten vermag.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungs
gemäßen Ausbildung dargestellt.
Die Darstellungen in der Zeichnung sind in der folgenden
Beschreibung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 in schematischer Darstellung den Aufbau eines
piezokeramischen Wandlers in Zylinderscheiben
geometrie,
Fig. 2 einen piezokeramischen Wandler in Zylinderloch
scheibengeometrie,
Fig. 3 bis 8 in Perspektive weitere Ausführungen mit
Kugelkalottengeometrie,
Fig. 9 einen beispielsweisen Meßaufbau unter Einsatz
der piezoelektrischen Keramika in einem
Schaltbild und
Fig. 10 einem weiteren beispielsweisen Aufbau einer
Meßeinrichtung unter Einsatz von piezoelek
trischen Wandlern zur Ermittlung der Paarig
keits-Parameter von zwei Hydrophonen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines
piezoelektrischen Wandlers ist mit 1 ein Körper zylinder
scheibenförmiger Geometrie aus Piezokeramik bezeichnet,
dessen beide Stirnseiten 2 und 3 als Elektrode dienende,
metallisierte elektrisch leitende Schichten 4 und 5 auf
nehmen.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine der elektrisch
leitenden Schichten in elektrisch (galvanisch) voneinander
getrennte Segmente 4 a und 4 b unterteilt auf ein und dem
selben, aus Piezokeramik bestehenden, homogenen Körper 1
aufgebracht. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1, stellt das Elektrodensegment 4 a hier eine Sende
elektrode und das Segment 4 b eine Empfangselektrode dar.
Die elektrisch leitende Schicht 5 bedeckt die zweite Stirn
seite des Körpers 1 und dient als gemeinsame Gegenelektrode.
Durch das Anlegen eines Wechselspannungssignals an die
Sende- und gemeinsame Elektrode entsteht ein elektrisches
Wechselfeld, das den piezokeramischen Wandler in seiner
Polarisationsrichtung Z zur mechanischen Wechseldeformation
anregt.
Dabei entstehen mechanische Spannungen in allen drei Achsen.
Die dadurch generierte elektrische Ladung wird über der
Empfangs- und gemeinsamen Elektrode 5 in Form eines Wechsel
spannungs-Ausgangssignals abgegriffen.
Dabei besteht die mathematische Beziehung
Uin≈=Uout≈×K
wobei K den Reziprozitätsfaktor darstellt.
Im folgenden soll unter dem Ausdruck "Segmentierung" bzw.
unter dem Ausdruck "Segment" die Unterteilung der elektrisch
leitenden Beschichtung des piezoelektrischen Trägerkörpers 1
in galvanisch elektrisch voneinander getrennte Abschnitte
verstanden werden. Die piezoelektrischen Wandler sind aus
schließlich mit metallisierten Schichten versehen, die hier
mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind.
Gemäß Fig. 2 ist die Segmentierung an einem aus Piezo
keramik gebildeten zylinderlochscheibenförmigen Körper 1 a
dargestellt. Dabei trägt die zylinderförmige Bohrungsfläche
zwei elektrisch getrennte, leitende Schichten 8 und 9 als
Elektroden. Die elektrisch leitende Beschichtung 10 auf der
Umfangsfläche des Zylinderscheibenkörpers stellt die gemein
same Gegenelektrode der mit 8 und 9 bezeichneten Elektroden
dar.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 3 bis 8 sind als
piezoelektrische Körper kugelförmige Halbschalen 13, 14 vor
gesehen, wobei jede der Halbschalen einen piezoelektrischen
Wandler darstellt.
Die äußere und innere Schalenfläche 15 bzw. 16 der Halb
schalen 13 bzw. 14 ist beschichtet mit elektrisch leitenden,
metallischen Auflagen, wobei die Aufbringung der Beschich
tung in bekannter Weise bewirkt wurde.
Fig. 3 zeigt nicht der Erfindung entsprechende piezoelek
trische Wandler aus Piezokeramika mit Halbkugelgeometrie
mit nicht segmentierten Elektroden. Zwei keramische Piezo
halbkugeln 13, 14 werden zu einer piezokeramischen Kugel
zusammengefügt. Sind die Innenflächen (Elektroden 11, 12)
zusammengeschaltet und davon getrennt die Außenflächen
elektroden 15, 16, so kann die Wandler-Kugelschale über
ihre Elektroden entweder als Sender (Projektor) oder als
Empfänger (Hydrophon) betrieben werden.
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, ist bei dieser Ausführung die
elektrisch leitende Beschichtung gemäß der Erfindung in
elektrisch voneinander getrennte Segmente unterteilt. Die
Halbschale 13 bildet hierbei insgesamt einen piezoelektri
schen Wandler. Den zweiten Wandler bildet die Halbschale 14.
Bei der Ausbildung des Wandlers nach Fig. 4 ist eine der
Halbschalen mit einer zentralen Bohrung 20 versehen und auf
der Innenseite 21 und 23 eine elektrisch leitende Beschich
tung aufgebracht. Die elektrisch leitende Beschichtung der
Schaleninnenseite ist segmentiert in einen zur Bohrung 20
konzentrischen Innenbereich 23 und einen dazu konzentrischen
Außenbereich 21.
Hierbei kann nach dem Reziprozitätsgesetz der Wandler ent
sprechend als Sender oder als Empfänger, sowohl getrennt
oder als Sender und Empfänger gleichzeitig betrieben werden.
In den Fig. 5 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele für
segmentierte, elektrisch leitende Beschichtungen zur Bildung
von Elektroden mit Sende- und/oder Empfangseigenschaften,
die gleichzeitig auf einer Piezokeramik benutzt werden.
Es sind dabei drei-fach, fünf-fach, sieben-fach und neun-
fach Segmentierungen vorgesehen. Eine Einschränkung der
Segmentierung auf die in der Zeichnung angegebene Anzahl
von Segmenten ist nicht gegeben.
In Fig. 9 ist ein Meßaufbau zur Ermittlung des Reziprozi
tätsverhaltens eines piezoelektrischen Wandlers während der
Entwicklungs- oder Fertigungsphase dargestellt.
Hierbei ist mit 30 ein Verstärker bezeichnet, der an ein
hier nicht dargestelltes Hydrophon zur Unterwasser-Schall
messung unter Verwendung eines auf piezoelektrischer Basis
arbeitenden Wandlers 31 mit einem Sendesegment 32 und einem
Empfangssegment 33, wie z.B. in einer Ausbildung gemäß Fig.
4, bezeichnet.
Ferner schließt an das Sendesegment 32 des Wandlers 31 die
Sendesignalleitung 34 und an das Empfangssegment 33 die
Empfangssignalleitung 35 an. Während die Sendesignalleitung
34 an einen Speicher-Oszilloskop 38 anschließt, ist die
Empfangssignalleitung 35 an den Hydrophon-Verstärker 30 und
gleichzeitig an das Analyse-System 39 gelegt.
Die Sendesignalleitung 34 führt außer zum Speicher-Oszil
loskop 38 zu einem Funktionsgenerator 36 und zum Analyse-
System 39.
Das Sendesegment 32 des Wandlers 31 wird mit dem Sendesignal
beaufschlagt und wandelt dieses in Körperschall um.
Das Empfangssegment empfängt ein vom Körperschall gewandel
tes Empfangssignal.
Der in Fig. 9 gezeigte Meßaufbau dient zur Ermittelung der
Kenngrößen während der Entwicklungs- oder Fertigungsphase.
Die dargestellte Betriebs- und Prüfmethode eignet sich be
sonders gut zur Ermittlung von bestimmten Hydrophon-Kenn
größen, da störende Übertragungsschalldruck-Beeinflussungen,
wie sie bei der Luftschallrohr- oder Wassertank- oder
Pistofonmethode auftreten können, ausgeschlossen werden
können.
Die in Fig. 9 aufgezeigte Prüf- und Meßmethode geht haupt
sächlich von der physikalischen Kenntnis aus, daß das Rezi
prozitätsverhalten im Kleinspannungssignalbereich und in
bestimmten Frequenzbereichen linear ist, das heißt die
elektrische Feldstärke und die Deformation verhalten sich
proportional zueinander.
Der Meßaufbau gemäß dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 10
dient zur Ermittlung der Paarigkeit (Gleichlauf) von zwei
Hydrophonen, nach der synchronen Reziprozitätsmethode.
Die beiden Hydrophone sind hier mit A bzw. B bezeichnet.
Entsprechend der Erfindung enthält jedes der Hydrophone A
bzw. B zwei piezoelektrische Wandler A 1 bzw. B 1 mit je
einem Empfangssegment B 2 bzw. A 2 und einem Sendesegment
B 3 bzw. A 3. Die beiden Hydrophone A bzw. B sind über die
Empfangssignalleitung 50′ bzw. 50 und die Sendesignallei
tung 51′ bzw. 51 über einen Funktionsgenerator 54 mittels
der Übertragungsleitungen 52′ bzw. 52 aneinanderangeschlos
sen. Die Empfangssignalleitungen 50 führen zu einem Analyse
system 53, das mit einem Grafikplotter anschließt.
Die Empfangssignalleitungen 50′ bzw. 50 führen jeweils zum
Empfangssegment B 2 bzw. A 2 und die Sendesignalleitungen 51′
bzw. 51 zum Sendesegment B 3 bzw. A 3 des piezoelektrischen
Wandlers A 1 bzw. B 1.
Claims (6)
1. Nach dem piezoelektrischen Effekt arbeitende Wandler
als Drucksender und Druckempfänger nach dem Reziprozi
tätsprinzip, dadurch gekennzeich
net, daß die metallisierten Elektroden eines nach
dem piezoelektrisch Effekt arbeitenden Wandlers in min
destens zwei Segmente oder Abschnitte unterteilt und
elektrisch, galvanisch voneinander getrennt angeordnet
sind (segmentiert).
2. Piezokeramischer Wandler mit gegenüberliegenden Elektro
den (4 a, 4 b, 5), gekennzeichnet durch eine Segmentierung
mindestens einer Elektrodenseite in Sender (4 a) und
Empfänger (4 b).
3. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn
zeichnet durch einen scheibenförmigen Keramikkörper (1)
mit einer Sendeelektrode (4 a) und einer Empfangselektrode
(4 b) auf einer Stirnseite (2) und einer gemeinsamen Elek
trode (5) auf der anderen Stirnseite (3).
4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sendeelektrode (4 a) und die Empfangselektrode (4 b) halb
kreisförmig sind und aneinanderliegen und daß die gemein
same Elektrode (5) kreisförmig ist.
5. Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet
durch einen Keramikkörper (1 a) in der Form eines Zylin
ders mit Längsbohrung mit Sendeelektrode (8) und
Empfangselektrode (9) auf der Bohrungsfläche und einer
gemeinsamen Gegenelektrode (10) auf der Umfangsfläche.
6. Wandler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet
durch Kugelkalottenforn der Keramik (13, 14) und der
Elektroden (11, 12, 15, 16), wobei die Innenflächen
elektroden die Form von Kugelzonen (21, 23) oder Kugel
zweiecken haben oder Abschnitte derselbigen bilden, wo
bei insbesondere eine Elektrode als Kugelzone ausgebil
det ist, die von mehreren Kugelzweieckabschnitten um
geben ist.
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Owner name: KESSLER, WOLFGANG, 88090 IMMENSTAAD, DE |
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