DE4031639A1 - Einrichtung und verfahren zur ungleichfoermigen polung von piezoelektrischen uebertragern - Google Patents

Description

Bisheriger Stand der Technik A. Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf piezoelektrische Übertrager und ganz speziell auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur ungleichförmigen Polung von piezoelektrischen Übertragern.

B. Probleme des bisherigen Stands der Technik

Piezoelektrische Übertrager werden für eine Vielzahl verschiedener Anwendungen benutzt. Als Beispiele sind die Ultraschallholographie, die akustische Abbildung und die zerstörungsfreie Untersuchung unter Anwendung der elektromagnetischen Übertragung wie zum Beispiel Ultraschall aufzuführen. Diese Anwendungen und die Vorteile der piezoelektrischen Übertrager sind dem Fachmann geläufig.

Ein piezoelektrischer Übertrager, der zum Beispiel zur zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfung eingesetzt wird, besteht in der Regel aus einer Platte aus piezoelektrischem keramischem Material (als Beispiel sei hier PZT angeführt), die an elektrische Leitungen angeschlossen ist und in einem Gehäuse untergebracht ist. Vor der Anwendung wird die Platte durch die sogenannte Polung vorbereitet, das heißt durch Einstellung der Polarisation durch die gesamte Platte hinweg. Das bedeutet, daß elektrische Energie über einen gewissen Zeitraum durch die Platte hindurchfließt. Die Platte wird sodann in die Übertragerumman­ telung oder das Übertragergehäuse eingebaut und an die elektrische Schaltung angeschlossen.

Die Wirkungsweise piezoelektrischer Ultraschallübertrager ist dem Fachmann bekannt. Um Ultraschallenergie zu übertragen, wird eine zeitabhängige elektrische Spannung an die piezoelek­ trische Platte angelegt. Dadurch wird die Platte zum Schwingen gebracht, wodurch wiederum hochfrequente Schallwellen erzeugt werden.

Der Übertrager kann auch als Empfänger dienen. In einem solchen Fall empfängt die piezoelektrische Platte Schallenergie empfangen, wird in Schwingung versetzt und erzeugt daraufhin ein zur empfangenen Schallenergie proportionales kleines elektrisches Signal. Dieses Signal kann für weitere Anwendungen auch ver­ stärkt werden.

Das Verfahren der Plattenpolung, das heißt der Erzeugung einer Erstpolarisation in der Platte, bevor die Platte in den Übertrager eingesetzt wird, ist in bezug auf den Betrieb des Übertragers kritisch. Normalerweise ist die Platte gleichförmig gepolt. Das bedeutet, daß ein gleichförmiges elektrisches Feld über die gesamte Platte hinweg durch Befestigung von Elektroden auf den einander gegenüberliegenden Seiten der Platte angelegt wird. Beide Seiten der Platte werden mit einer leitenden Schicht überzogen, so daß sich die elektrische Spannung erwartungsgemäß gleichmäßig durch die gesamte Platte hindurch verteilen kann.

Die Art und Weise, in der das piezoelektrische Element gepolt ist, bestimmt dessen Strahlungsdiagramm oder -charak­ teristik. Dies ist bei Anwendung eines solchen Übertragers zur Erzielung zuverlässiger und interpretierbarer Ergebnisse von großer Bedeutung.

So setzt zum Beispiel die Anwendung dieser Arten von Übertragern zur zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfung voraus, daß die Ultraschallstrahlungscharakteristik allgemein bekannt ist, damit erstens die durch Überwachung der Reflektion der Ultraschallenergie erhaltenen Ergebnisse genau und zuverlässig ausgewertet werden können, und zweitens, damit die Ultraschallenergie ein Strahlenprofil oder -bild aufweisen kann, das bei der Analyse von Materialien auf Fehler hin so effizient wie nur möglich eingesetzt werden kann (zum Beispiel zur Eliminierung unvorteilhafter Strahlungseigenschaften wie Nahfeld­ schwingungen oder Nebenzipfel; Herabsetzung oder Eliminierung einer Strahlenbeugung; Erzeugung eines Strahls, dessen Reflektionen mit größerer Genauigkeit analysiert werden können). Konventionelle gleichförmig gepolte piezoelektrische Übertrager erzeugen über ihre Fläche hinweg ein annähernd gleichförmiges Feld. Obwohl ihre Herstellung einfach sein mag, sind die von gleichförmig gepolten Übertragern erzeugten Feldprofile recht kompliziert.

So haben zum Beispiel die von gleichförmig gepolten piezo­ elektrischen Übertragern erzeugten Feldprofile im Nahfeld große Schwingungsweiten. Außerdem gibt es im Strahlenprofil Nebenzipfel. Obgleich diese Arten von Strahlungscharakteristiken dem gegenwärtigen Stand der Technik gemäß bekannt sind, bereiten sie bei Anwendungen, wie zum Beispiel bei der zerstörungsfreien Prüfung, Schwierigkeiten und Nachteile.

Einige Beispiele derartiger Probleme werden nachstehend dargelegt. Die großen Schwingungen im Nahfeldaxialdruck enthalten Nullen. Fehler, die bei den Nahfeldnullen liegen, können deshalb leicht übersehen werden. Zweitens erfordert das komplizierte, aus gleichförmig gepolten Übertragern erhaltene Strahlenprofil bei der quantitativen zerstörungsfreien Prüfung komplizierte analytische Techniken. Für die Praxis bedeutet dies, daß diese Komplikationen ernstzunehmende Konsequenzen nach sich ziehen; so sind zum Beispiel die Verarbeitungszeiten bedeutend länger, und es sind mehr Verarbeitungsschritte notwendig als in den Fällen, in denen ein einfacheres oder ein anderes Strahlenprofil zur Verfügung steht.

Der Nachteil einer komplizierten, für gleichförmig gepolte Übertragerstrahlen erforderlichen Analyse sollte keinesfalls unterschätzt werden; denn um relevante und zuverlässige Informa­ tionen aus der Ultraschall-Prüfung zu erhalten, sind sehr lange Rechen- und Verarbeitungszeiten notwendig. Dies setzt kompli­ zierte Rechenoperationen voraus und erfordert selbstverständlich hohe Rechenzeiten. Jegliche Minderung des Rechenaufwands wäre in jedem Fall von Vorteil. Durch die Eliminierung der nachteiligen Strahlenprofilformen und die Anwendung vorteilhafter Strahlenprofilformen kann eine bedeutende, ja sogar eine alle Erwartungen übertreffende Reduktion der Rechenverarbeitungszeit erreicht werden. In manchen Fällen kann eine Reduktion um das Tausendfache oder sogar mehr erzielt werden.

Als weiteres Beispiel eines Problems nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist anzuführen, daß konventionelle Ultraschall­ strahlen aus gleichförmig gepolten Übertragern, ebenso wie die meisten Energiestrahlen, über gewisse Entfernungen hinweg einer bedeutenden Strahlenbeugung oder Strahlenstreuung ausgesetzt sind. Somit ist der Wirkungsbereich derartiger Strahlen begrenzt. Ebenso sind zum Zweck von Ultraschalltests oder der zerstörungsfreien Ultraschall-Prüfung Beugungen bei der Analyse des Strahls oder der Strahlenreflektionen in Erwägung zu ziehen.

Wenn es möglich wäre, die Beugung von Ultraschallstrahlen zu reduzieren oder zu eliminieren, könnte der Wirkungsbereich des Strahls erheblich gesteigert werden, und viele andere Anwendungen mit Ultraschallprüfung könnten verbessert werden. Außerdem könnten neue Anwendungen entwickelt werden. Einschlägigen Berichten gemäß wurde gefunden, daß die Beugung des Strahls bedeutend reduziert oder eliminiert werden kann, wenn das Strahlenprofil der elektromagnetischen Wellen in eine von einer Besselschen Funktion definierte Form abgeändert wird. Wenn eine ähnliche Strahlenumformung auf Ultraschallübertrager anwendbar wäre, bestünde eventuell die Möglichkeit, die mit akustischen Wellen zusammenhängenden Beugungsprobleme zu eliminieren. Gleichförmig gepolte Übertrager weisen diese Art von Beugungs­ problemen auf.

Es ist daher leicht einzusehen, daß ein gleichförmig gepolter Übertrager für bestimmte Anwendungsgebiete mit Mängeln behaftet ist. Aus diesem Grund werden Übertrager gebraucht, die nicht durch die Probleme und Mängel eines gleichförmig gepolten Übertragers gekennzeichnet sind.

Es wurde nun gefunden, daß, für den Fall, daß der Übertrager derart in Schwingungen versetzt werden könnte, daß das Amplitudenprofil an der Fläche des Übertragers einer Gaußschen Funktion entspräche - wobei dieses Profil in der Mitte ein Maximum erreicht und in Richtung der Peripherie einer Gaußschen Funktion entsprechend abfällt - das Strahlenprofil ausgesprochen einfach wäre, wodurch das oben dargelegte Problem gelöst wäre. Der Gaußsche Strahl wiese dabei in seiner axialen Amplitude keine Oszillationen auf, und es gäbe keine Nebenzipfel. Darüber hinaus wird das Querprofil eines Gaußschen Strahls bei jeder beliebigen Entfernung vom Übertrager von einer Gaußschen Funktion beschrieben.

Dem gegenwärtigen Stand der Technik gemäß ist es bekannt, daß eine Gaußsche Funktion grafisch dargestellt eine in etwa glockenförmige Kurve ergibt. Es wurden daraufhin Versuche unternommen, einen derartigen piezoelektrischen Übertrager herzustellen, der einen sogenannten Gaußschen Strahl erzeugen könnte.

Bei den meisten dieser Versuche wurde eine gleichförmig gepolte piezoelektrische Übertragerplatte eingesetzt, wobei allerdings die Platte mittels einer ungleichförmigen Steuer­ spannung und eines ungleichförmigen Felds betrieben wurde. Mit anderen Worten, die Vorbereitung und die erstmalige Polung der Platte findet mittels traditioneller Verfahren statt, mit dem Ergebnis, daß eine gleichförmig gepolte Platte erhalten wird. Demgegenüber wird allerdings die zur Steuerung des Übertragers benutzte elektrische Spannung auf ungleichförmige Weise, insbesondere in einer annähernd Gaußschen Form, an die gleichförmig gepolte Platte angelegt.

Bei einem solchen Verfahren wurde auf der einen Seite der gleichförmig gepolten Übertragerplatte oder des gleichförmig gepolten Übertragerelements eine sternförmige Elektrode mit acht Zacken eingesetzt. Die durch diese sternförmige Elektrode gegebene Steuerspannung sowie das Feld entsprachen annähernd einer Gaußschen Funktion. Dieses Verfahren wird von K. V. Hasel­ berg und J. Krautkramer in dem Artikel "Ein Ultraschall-Strahler für die Werkstoffprüfung mit verbessertem Nahfeld", Acustica 9, Seite 359-364 (1959), beschrieben.

Bei anderen Verfahren wurden annähernd Gaußsche Strahlen erzeugt, indem auf der einen Seite eines gleichförmig gepolten Übertragerelements ganzseitig ein galvanischer überzug aufge­ bracht wurde, und dagegen auf der anderen Seite eine kleine Elektrode mit einem Durchmesser, der in etwa dreimal der Elektro­ dendicke entsprach, eingesetzt wurde. Cf. F. D. Martin und M. A. Breazeale, "A Simple Way to Eliminate Diffraction Lobes Emitted by Ultrasonic Transducers", J. Acoust. Soc. Am. 49, Seite 1668-1669 (1971), und G. Du und M. A. Breazeale, "Ultrasonic Field of a Gaussian Transducer", J. Acoust. Soc. Am. 78, Seite 2083-2086 (1985). Bei anderen Versuchen waren Elektroden vorgesehen, die auf einer gleichförmig gepolten Platte, die sich aus mehreren konzentrischen Ringen zusammensetzte, befestigt waren, wobei jeder einzelne dieser Ringe von einer unterschiedlichen Spannung gesteuert wurde, die von einem Spannungsteilernetz bereitgestellt wurde. Cf. P. S. Zerwekh und R. O. Claus, "Ultrasonic Transducer with Gaussian Radial Velocity Distribution", in Proc. 1981 IEEE Ultrason. Symp., Cat. No. 81CH1689-9; und R. O. Claus und P. S. Zerwekh, "Ultrasonic Transducer with a Two-Dimensional Gaussian Field Profile", IEEE Trans. Sonics and Ultrasonics 30, Seite 36-39 (1983).

Mittels dieser Verfahren wurden in der Tat annähernd Gauß­ sche Übertragerstrahlungscharakteristiken erzeugt, mit denen Nahfeldschwingungen und Beugungsnebenzipfel vermieden werden können. Jedes dieser Verfahren erfordert jedoch zusätzliche komplizierte und aufwendige Einrichtungen und Verfahren, um einem gleichförmig gepolten Übertragerelement ungleichförmige Steuerspannungen und Felder zur Verfügung zu stellen.

Ein neuerer Versuch, einen piezoelektrischen Übertrager Gaußscher Funktion herzustellen, wird in dem an ′T Hoen verliehenen U.S. Patent Nr. 45 18 889 vorgestellt. Diese Lösung sieht ein sich aus parallelen Stäben aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial zusammensetzendes Grundgefüge vor, das zum Einsatz als Übertragerelement konfiguriert ist. Anschließend werden verschiedenartige Polarisationen auf den verschiedenen Bereichen dieses Verbundelements erzeugt. In diesem Patent von ′T Hoen wird auch kurz angegeben, daß das flache ungleichförmig gepolte piezoelekrische Element dadurch produziert werden kann, daß man auf der einen Seite des Elements einen Materialblock angrenzen läßt. Der Materialblock weist elektrische Eigenschaften, wie zum Beispiel einen spezifischen Widerstand und eine Dielektrizitätskonstante, auf, die einen Spannungsteiler bewirken. Anschließend wird durch den Materialblock und das flache Element Elektrizität durchgeleitet. In dem erwähnten Patent wird sodann behauptet (ohne allerdings irgendwelche Nachweise zu erbringen), daß die Polarisation des flachen PZT- Elements ungleichförmig sein wird und je nach Geometrie und Konfiguration des Materialblocks Gaußsches Verhalten aufweisen kann.

Das Patent von ′T Hoen ist also mit ähnlichen Mängeln behaftet, denn es erfordert einen recht komplizierten Aufbau, um ein ungleichförmig gepoltes Übertragerelement herzustellen. Die parallelen Stäbe stellen keine kontinuierliche Übertrageroberfläche dar. Hinzu kommt, daß das oben beschriebene, einen Materialblock anwendende Alternativverfahren nicht als zweckmäßig angesehen wird. Die hohe Dielektrizitäts­ konstante des piezoelektrischen Keramikmaterials macht es unmöglich, das piezoelektrische Element zu polarisieren, denn fast die gesamte Spannung muß zwangsläufig in den Zwischenraum zwischen einem Materialblock und der piezoelektrischen Platte fallen.

Es ist daher leicht einzusehen, daß in diesem technischen Bereich ein echter Bedarf nach einem ungleichförmig gepolten piezoelektrischen Übertrager herrscht. Dabei geht es nicht nur darum, Übertrager herstellen zu können, die nicht mit den Mängeln gleichförmig gepolter Übertrager behaftet sind, sondern auch darum, die Möglichkeit zu haben, selektiv die ungleichförmige Polung einer Vielzahl verschiedener Strahlencharakteristiken für die unterschiedlichsten Anwendungen einzuverleiben. Weiterhin geht es um die Fähigkeit, ungleichförmig gepolte Übertrager herzustellen, die keine komplizierten Steuerspannungen oder Apparaturen, durch die ungleichförmige Steuerspannungen zur Verfügung gestellt werden, oder speziell konfigurierte Verbundübertragerelemente erforderlich machen. Es besteht also ein echter Bedarf nach einem ungleichförmig gepolten Übertrager, der in standardmäßige konventionelle Übertragersonden eingebaut werden kann.

Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht aus diesem Grunde darin, eine Einrichtung und ein Verfahren zur ungleichförmigen Polung piezoelektrischer Übertrager zu schaffen, wodurch die beim gegenwärtigen Stand der Technik bestehenden Probleme und Mängel gelöst oder gemindert werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung geschaffen werden soll, die es möglich machen, ver­ schiedene Polungs- oder Feldprofile in piezoelektrische Übertragerelemente zu inkorporieren.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, wodurch die Möglichkeit gegeben ist, spezifische Funktionen, wie zum Beispiel Gaußsche oder Besselsche Funktionen, in die Strahlungscharakteristiken der Übertragerelemente einzuverleiben.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zur Verfügung zu stellen, wonach, falls erwünscht, die Beseitigung der Nahfeldnullen und der Nebenzipfel in den Strahlungsdiagrammen der gleichförmig gepolten Übertrager ermöglich wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, womit die Erzeugung von Strahlungscharakteristiken und -diagrammen erwünschter mathematischer Funktionen möglich ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, wodurch eine Beugung oder Streuung des Strahls minimiert wird, um, falls erwünscht, eine Strahlenstreuung zu reduzieren, die den Leistungsverlust des Strahls oder die Entfernung, die dieser durchdringen kann, herabsetzen würde.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, wodurch die Möglichkeit gegeben wird, spezifische Strahlungsdiagramme wie zum Beispiel Besselsche oder Gaußsche Funktionsprofile zu generieren.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, worin der Übertrager, falls erwünscht, einen weiten Bereich aufweist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, wodurch die Möglichkeit gegeben wird, die Strahlbreite und -frequenz, falls erwünscht, unabhängig von einander zu verstellen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, mit denen ein ungleichförmig gepolter piezoelektrischer Übertrager hergestellt werden kann, der die gleiche physikalische Struktur und Dimension wie ein konventionelles gleichförmig gepoltes Element aufweist, so daß ein solcher Übertrager direkt und ohne irgendwelche Abänderung in gegenwärtig kommerziell verfügbare Übertragersonden eingebaut werden kann.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß obiger Beschreibung zu schaffen, die leistungsfähig, wirtschaftlich und zuverlässig sind.

Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind unter Bezug auf die beiliegenden Spezifikationen und Patentansprüche ersichtlich.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur ungleichförmigen Polung von piezoelek­ trischen Übertragern. Die Einrichtung und das Verfahren führen letzten Endes zu einer piezoelektrischen Übertragerplatte, welche die gleichen grundlegenden physikalischen Dimensionen und Eigenschaften aufweist wie eine konventionelle gleichförmig gepolte Platte, die in der Regel als paralleler Platten­ kondensator konfiguriert ist. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, die Übertragerelemente gemäß der vorliegenden Erfindung in der gleichen Weise wie konventionelle Übertrager zu verpacken, (falls gewünscht) rückseitig zu verstärken und mit Elektroden zu bestücken. Die ungleichförmige Polung einer solchen Platte ermöglicht die Erzeugung von Feld- oder Strahlungscharakteristi­ ken mit gewünschten Eigenschaften, ohne zusätzliche aufwendige und komplizierte Strukturen oder komplizierte Steuerspannungen zu erfordern.

Die Erfindung bietet ein unkompliziertes und effizientes Verfahren zur Herstellung ungleichförmig gepolter Übertrager­ platten, die nachstehend abgekürzt manchmal Übertragerplatten genannt werden. Verschiedene Elemente der Platte sind auf verschiedene Stärken gepolt. Vorgegebene räumliche Bilder der Polarisationsstärke können in die Übertragerplatte eingebaut werden um auf diese Weise die gewünschten Feldprofile von der Platte aus zu erreichen.

Ein Stück piezoelektrisches Keramikmaterial mit einer Dicke, die höher ist als die des Materials, das letzten Endes die eigentliche Übertragerplatte darstellt, wird zunächst mit in der Regel parallelen flachen, entgegengesetzt gerichteten Oberflächen ausgerüstet. Eine Fläche wird flach belassen. Die andere Fläche wird durch spanabhebende Bearbeitung oder mittels anderer Ver­ fahren verändert, um dadurch in der Oberfläche Vertiefungen gemäß der letzten Endes gewünschten Art von Übertrager­ strahlungscharakteristiken zu schaffen.

So wird zum Beispiel zur Erzeugung eines Gaußschen Strahlungsdiagramms mittels spanabhebender Bearbeitung eine hemisphärische Vertiefung in der Mitte der Oberfläche vorgesehen. Ist eine Besselsche Funktion mit 3 Nebenzipfeln erwünscht, wird durch spanabhebende Bearbeitung in der Mitte eine hemisphärische Vertiefung zusammen mit zwei konzentrischen hemisphärischen Rillen, die um diese verlaufen, vorgesehen. Es ist offensicht­ lich, daß durch verschiedene am piezoelektrischen Material vorzu­ nehmende Veränderungen auch andere Strahlungscharakteristiken erzeugt werden können.

Die oberen und unteren Elektroden werden sodann bezüglich der oberen und unteren Flächen des piezoelektrischen Materials in Position gebracht. Um zu gewährleisten, daß das piezoelektrische Material elektrisch leitfähig ist, kann eine elektrisch hochlei­ tende Schicht, wie zum Beispiel ein Metallfilm, zum Beipiel auf beide Flächen des piezoelektrischen Materials aufgedampft werden. Die Metallisierung (das Aufdampfen eines Metallfilms auf die Flächen des piezoelektrischen Keramikmaterials) muß so durchgeführt werden, daß bestimmte flache und/oder gebogene Flächenbereiche des piezoelektrischen Keramikmaterials ganz gezielt beschichtet sind, um die erwünschten Polungsfelder (z. B. Gaußsche oder Besselsche) in der Platte zu generieren.

Die Elektroden werden anschließend in Kontakt miteinander gebracht und, je nach dem gewünschten Endstrahlungsdiagramm, wird eine elektrische Spannung vorgegebener Größe, Polarität und Dauer durch das piezoelektrische Material angelegt. In einigen Fällen werden mehrere Elektroden auf den entgegengesetzten Seiten posi­ tioniert, wobei auf jeder Seite verschiedenartige Spannungspola­ ritäten angelegt werden.

Die Polarisation des piezoelektrischen Materials - und somit das Endstrahlungsdiagramm - hängt von der Zahl der Parameter ab. Zu diesen Parametern gehören, ohne sie darauf zu beschränken, die Dicke des piezoelektrischen Materials, die Spannungsgröße, die Form der Vertiefungen oder Veränderungen, die an der Oberfläche des Materials vorgenommen wurden, die Dauer der Spannungsanlegung und die Temperatur.

Nach der Entfernung der Polungselektroden vom piezoelek­ trischen Material wird dieses piezoelektrische Material geschnitten, um die Vertiefungen zu entfernen und um eine piezo­ elektrische Platte der gewünschten Dicke zu erhalten. Die Dicke der Platte hängt unmittelbar mit der Mittenfrequenz des Strahls zusammen, die letzten Endes von der Platte erzeugt wird. Sowohl die obere als auch die untere Fläche der Platten wird anschließend, soweit dies noch nicht vorgenommen worden ist, mit einem Metallfilm beschichtet (z. B. durch Metallisierung oder Aufdampfung), und danach ist die piezoelektrische Platte soweit bereit, in ein konventionelles Gehäuse oder eine konventionelle Ummantelung von Übertragersonden eingesetzt zu werden. Anschließend werden die entsprechenden elektrischen Verbindungen hergestellt, und der Übertrager ist betriebsbereit und kann eine Strahlungscharakteristik der gewünschten Form von der ungleichförmig gepolten Platte aus erzeugen.

Je nach Art der spanabhebenden Bearbeitung oder Veränderung der einen Fläche des piezoelektrischen Materials und der Art der vorgegebenen elektrischen Spannung, die daraufhin an das piezo­ elektrische Material angelegt wird, können verschiedene Strahlungsprofile erhalten werden. Die endgültige piezo­ elektrische Platte besteht ausschließlich aus einer flachen. parallelen, kreisförmigen piezoelektrischen Platte, die auf beiden Seiten mit einem elektrisch leitenden Material, wie zum Beispiel einem aufgedampften Metallfilm, beschichtet ist. Die Platte kann je nach Wunsch rückseitig verstärkt oder unverstärkt sein. Sobald die Platte in die Übertragersonde eingebaut ist, sind keinerlei spezialisierte Einrichtungen, zusätzliche Komponenten oder spezielle Verfahren zum Steuerung der Platte erforderlich. Diese Erfindung stellt aus diesem Grunde eine effiziente und wirtschaftliche Art und Weise dar, piezoelektrische Übertragerplatten konventioneller Formgebung zur Anwendung in gegenwärtig kommerziell erhältlichen Übertragersonden herzustellen, wobei die besagten Platten aber in der Lage sind, gewünschte Strahlungscharakteristiken, die sich von denen gleichförmig gepolter Übertragerplatten unterscheiden, zu erzeugen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Abb. 1 zeigt eine Übertragersonde aus perspektivischer Sicht.

Abb. 2 stellt eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Materialteils dar, dessen eines Ende eine durch spanabhebende Bearbeitung erhaltene hemispärische Vertiefung aufweist.

Abb. 3 stellt eine vergrößerte Ansicht der Abb. 2 entlang der Linie 3-3 in Aufriß und Schnitt dar.

Abb. 4 zeigt eine Ansicht der Abb. 1 und 2 in Aufriß und Schnitt sowie das Schema der in diesen Abbildungen dargestellten Konfiguration zur Polung des piezoelektrischen Materialteils.

Abb. 5(a) zeigt eine grafische Darstellung der Strahlungscharakteristik einer piezoelektrischen Übertrager­ platte, die gemäß den in Abb. 2-4 gezeigten Schritten hergestellt wurde, wobei die Strahlungscharakteristik in Abhängigkeit der Zeit dargestellt ist.

Abb. 5(b) zeigt eine grafische Darstellung der Strahlungscharakteristik der in Abb. 2-4 dargestellten piezoelektrischen Übertragerplatte, wobei die Strahlungs­ charakteristik in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt ist.

Abb. 6(a) zeigt eine dreidimensionale räumliche Zeichnung der Ultraschallfeld-Strahlungscharakteristik der piezoelektrischen Übertragerplatte, die mittels der in Abb. 2-4 dargestellten Schritte hergestellt wurde.

Abb. 6(b) zeigt eine Vorderansicht von Abb. 6(a) im Aufriß.

Abb. 7 stellt eine Besselsche Funktion bis zur dritten Null grafisch dar.

Abb. 8 ist eine perspektivische Ansicht eines piezo­ elektrischen Stabs, in dessen eines Ende in der Mitte durch spanabhebende Bearbeitung eine hemisphärische Vertiefung und konzentrisch zu dieser zwei hemisphärische Rillen vorgesehen sind.

Abb. 9 stellt eine vergrößerte Ansicht des oberen Endes des in Abb. 8 entlang der Linie 9-9 dargestellten Stabs in Aufriß und Schnitt dar.

Abb. 10 zeigt eine Schnittansicht der Komponenten, die zur ungleichförmigen Polung des in Abb. 8 und 9 dargestellten piezoelektrischen Gegenstands verwendet wurden.

Abb. 11(a) zeigt eine dreidimensionale Zeichnung der Ultraschallfeld-Strahlungscharakteristik der den in Abb. 8-10 dargestellten Schritten entsprechend hergestellten piezoelektrischen Übertragerplatte.

Abb. 11(b) zeigt eine Vorderansicht von Abb. 11(a) in Aufriß und Schnitt.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorkiegenden Erfindung

Es folgt eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Diese Beschreibung beabsichtigt, diese Erfindung besser verständlich zu machen, ohne allerdings diese Erfindung auf die hierin erwähnten Ausführungs­ formen zu beschränken. In dieser Beschreibung wird Bezug auf die dieser Erfindung beiliegenden Abbildungen genommen. Die dabei zur Anwendung kommenden Bezugsziffern identifizieren spezifische, in den Zeichnungen dargestellte Elemente oder Merkmale. Innerhalb der gesamten Beschreibung werden die gleichen Bezugsziffern verwendet, um in den verschiedenen Abbildungen gleiche Elemente oder Merkmale zu bezeichnen, es sei denn, es wird anderweitig darauf hingewiesen.

Diese Beschreibung beinhaltet zwei Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die erste Ausführungsform stellt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines piezoelek­ trischen Übertragers dar, der eine sogenannte Gaußsche Strahlungscharakteristik aufweist. Die zweite Ausführungsform bezieht sich auf einen ungleichförmig gepolten piezoelektrischen Übertrager mit einer sogenannten Besselschen Strahlungs­ charakteristik. Es soll hierbei betont werden, daß diese Erfindung nicht auf Gaußsche oder Besselsche Strahlen­ charakteristiken beschränkt ist und daß im Rahmen dieser Erfindung Verfahren zur Polung von Übertragern zur Erzeugung von Strahlendiagrammen der verschiedensten Art beinhaltet sind, ebenso wie auf der Grundlage dieser Erfindung andere Arten von Strahlencharakteristiken geschaffen werden können. Diese detaillierte Beschreibung der beiden Ausführungsformen soll zum Verständnis des Lesers beitragen, inwieweit diese Erfindung hinsichtlich Gaußscher und Besselscher Strahlungscharakteristiken Anwendung findet. Ähnliche Verfahren können zur Herstellung ungleichförmig gepolter piezoelektrischer Übertrager mit anderen Arten von Strahlungscharakteristiken eingesetzt werden.

Unter besonderer Bezugnahme auf Abb. 1 wird in vereinfachter Darstellung in aufgelösten Einzelteilen eine Übertragersonde 10 gezeigt. Die Sonde 10 schließt ein konventionelles rohrförmiges, für eine Kolbensonde vorgesehenes Gehäuse oder Ummantelung 12 ein, in das oder die eine runde piezoelektrische Platte 14 eingesetzt werden kann. Die Platte 14 hat leitende Oberflächen (in der Regel Metallfilme) 16 und 18, die auf den beiden entgegengesetzen Seiten aufmetallisiert oder aufgetragen werden, sowie eine Anschlußlasche 20, die auf Seite 16 befestigt ist.

In dieser Ausführungsform der Sonde 10 besteht das Gehäuse 12 aus Metall und ist so konfiguriert, daß es mit Seite 18 in leitenden Kontakt kommt, sobald die Platte 14 in das Gehäuse 12 eingeschoben ist. Das Gehäuse 12 ist bei Masse 22 elektrisch geerdet. Die Platte 14 kann zum Beispiel vom oberen Ende des Gehäuses 12 eingelegt werden und innen auf einem hervorstehenden ringförmigen Metallrand 23 ruhen, so daß Seite 18 geerdet ist. Aber auch andere Konfigurationen zur Erdung von Seite 18 bei Einsatz der Platte 14 in das Gehäuse 12 können verwendet werden. Es wird darauf hingewiesen, daß Abbildung 1 ganz offensichtlich einen rückseitig unverstärkten Übertrager darstellt und daß, wenn gewünscht, Gaußsche, Besselsche oder beliebig andere Übertrager gemäß dieser Erfindung, rückseitig verstärkt werden können, wie dies dem Fachmann in diesem Wissensgebiet geläufig ist.

Eine von der elektrischen Quelle 24 ausgehende elektrische Anregerspannung wird über Draht 26 an die Oberfläche 16 via Anschlußlasche 20 angelegt.

Die Sonde 10 zeigt die allgemeine Konfiguration für eine konventionelle piezoelektrische Übertragersonde. Eine derartige Konfiguration ist dem Experten in diesem Fachgebiet bekannt. Wird elektrische Spannung an Platte 14 angelegt, schwingt das piezoelektrische Material als Reaktion auf die Elektrizität, so daß Hochfrequenz-Ultraschallwellen erzeugt werden. Die physika­ lischen Eigenschaften der Platte 14 (z. B. Durchmesser, Dicke usw.) sowie das räumliche Bild der Polarisationsstärke entlang der Platte 14 sind Faktoren, die die Strahlungscharakteristik des von der Übertragersonde 10 übertragenen Ultraschalls beeinflussen.

Eines der Hauptmerkmale der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, daß piezoelektrische Übertragerplatten wie zum Beispiel Platte 14, die eine ungleichmäßige Polarisation über die gesamten Oberflächen aufweisen, hergestellt werden können und daß dies durch Vorbereitung der flachen kreisförmigen Platte erreicht werden kann, so daß diese ohne Abänderungen oder Nachrüstungen in eine konventionelle Sonde wie zum Beispiel Sonde 10 eingesetzt werden kann. Aufgrund dieser Erfindung ist es also möglich, das gewünschte Ziel der ungleichförmigen Polung und gleichzeitig vorgegebene ausgewählte Sondenstrahlungscharakteristiken anzubieten, ohne komplizierte und aufwendige zusätzliche Komponenten oder einen aufwendigen Betrieb zu erfordern.

Die Vorteile einer Gaußschen Übertragerstrahlungscharak­ teristik gegenüber einer gleichförmigen Sondenstrahlungs­ charakteristik wurden schon früher dargelegt. Unter Bezugnahme auf Abb. 2-7 werden nachstehend das Verfahren und die Apparatur zur Herstellung Gaußscher piezoelektrischer Übertragerplatten in Form von der in Abb. 1 dargestellten Platte 14 beschrieben. Abb. 2 zeigt einen Endteil eines piezoelektrischen keramischen Stabs 28 (in der vorliegenden Ausführungsform weist dieser einen Durchmesser von 1,91 cm auf), der senkrecht zur Längsachse 32 des Stabs 28 eine flache Endfläche 30 aufweist.

Durch spanabhebende Bearbeitung ist zentriert um die Achse 32 in der Mitte der Endfläche 30 eine hemisphärische Vertiefung eingebracht. Dies kann mittels eines Kugelschneiders, der von L. R. Oliver and Co., Inc., Anchorville, MI 48 004, erhältlich ist, oder mittels anderer Werkzeuge vorgenommen werden. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein mit Oberflächenschleifpartikeln bedeckter Kugelschneider verwendet. Der Kugelschneider wird bei hoher Geschwindigkeit in einem bestimmten Winkel zur Achse 32 zum Rotieren gebracht, um auf diese Weise den Nullgeschwindigkeitspunkt an der Spitze eines solchen Kugelschneiders zu vermeiden. Den Kugelschneider läßt man sodann langsam in den Stabs 28 eindringen, wobei Wasser als Schmiermittel für die spanabhebende Bearbeitung verwendet wird. Am Ende des Verfahren wird der Kugelschneider langsam gedreht, um der hemisphärischen Vertiefung 34 gute Oberflächenglätte zu verleihen.

Das Ende des Stabs 28 wird anschließend entlang der Linie 36 abgesägt, um ein Teil 38 zu erhalten, wie es in Abb. 3 in vergrößertem Querschnitt dargestellt ist. Dabei wird zwischen Linie 36 und Linie 44 unter der hemisphärischen Vertiefung 34 eine Dicke beibehalten, die letzten Endes die flache zweiseitige, in der Übertragersonde 10 eingesetzte Platte 14 definiert.

Es wird darauf hingewiesen, daß eine Vielzahl von Parametern die endgültige Polung der Platte 14, die mittels dieses Verfahrens hergestellt wird, bestimmen. Unter diesen Parametern sind zu erwähnen: der Halbmesser 40 der hemispärischen Vertiefung 34; die Dicke 42 der letzten Endes aus Teil 38 erhaltenen Platte 14 (d. h. der Abstand zwischen Linie 36 und Linie 44); die während der Polung angelegte Spannungsgröße; der Zeitraum, während welchem bei der Polung Spannung angelegt wird und die Polungstemperatur. Diese Parameter werden deshalb aufgrund präselektierter Kriterien ausgewählt, um das in Abb. 3 dargestellte Teil 38 herzustellen.

Abb. 4 zeigt die zur Polung von Teil 38 erforderliche Apparatur. Eine obere Elektrode 46, die in Form einer Messing­ kugel mit einem der hemisphärischen Vertiefung 34 entsprechenden Halbmesser 48, konfiguriert ist, wird in Bezug auf die hemi­ sphärische Vertiefung 34 positioniert. Eine untere Elektrode 50 aus Messing mit einer kreisförmigen flachbodigen Einbuchtung 52, die einen dem Durchmesser des unteren Endes des Teils 38 entsprechenden Durchmesser aufweist, wird so positioniert, daß sie das untere Ende von Teil 38 aufnehmen kann.

Wie Abb. 4 verdeutlicht, ist die Elektrode 46 an die positive Seite einer variablen elektrischen Stromquelle 54 angeschlossen, während die untere Elektrode 50 mit der negativen und geerdeten Seite der Stromquelle 54 verbunden ist.

Piezoelektrisches Material wie zum Beispiel Teil 38 hat eine außerordentlich hohe Dielektrizitätskonstante. Lägen die Elektroden 46 und 50 direkt an Teil 38 an, würde diese hohe Dielektrizitätskonstante dazu führen, fast die gesamte angelegte Polungsspannung über den Zwischenraum oder die Zwischenräume an den Auflagerungsstellen zum Abfallen zu bringen, anstatt diese Spannung durch das piezoelektrische Material zu führen, um das Material zu polarisieren. Eine dünne Schicht oder ein dünner Film eines hochleitfähigen Materials wird aus diesem Grund auf die hemisphärische Vertiefungsfläche 34 und die untere Fläche 56 des piezoelektrischen Teils 38 aufmetallisiert. In der bevorzugten Ausführungsform ist diese Schicht oder dieser Film ein Gold-auf-Chrom-Film. Als erstes wird die Chromschicht zwecks guter Haftbarkeit am piezoelektrischen Keramikmaterial aufgetragen. Es ist offensichtlich, daß auch andere leitfähige Schichten und Materialien eingesetzt werden können.

Die Elektroden 46 und 50 werden sodann in innige Verbindung mit dem Teil 38 gebracht (wobei sich dazwischen die leitfähigen Schichten befinden), und die Stromquelle 54 wird eingeschaltet, um ein hohes Gleichspannungspotential über das Teil 38 anzulegen. Es ist offensichtlich, daß die obere Kugel der Elektrode 46 aufgrund der Goldplattierung der hemisphärischen Vertiefung 34 nicht unbedingt genauestens mit der Größe und Form der hemisphärischen Vertiefung 34 übereinstimmt, wobei es in erster Linie darauf ankommt, daß die Elektrode 46 mit der Plattierung in der Vertiefung in gutem leitfähigem Kontakt steht. Darüber hinaus ist es offensichtlich, daß die untere Fläche 56 von Teil 38 in die Einbuchtung 52 der Elektrode 50 versenkt wird, so daß die vertikale Komponente des elektrischen Felds an den unteren Ecken auf Null gedrückt wird. Es wird angenommen, daß das durch das Teil 38 erzeugte elektrische Feld dadurch einem Gaußschen Feld ähnlicher ist als dies ohne die Einbuchtung 52 der Fall wäre.

Es wird besonders darauf hingewiesen, daß die Elektroden 46 und 50 durch eine aus einem hochleitfähigen Material bestehende Halterung, zum Beispiel einem (hier nicht abgebildeten) aus Plexiglas bestehenden käfigartigem Aufsatz, in Position gehalten werden. Es können selbstverständlich auch andere Arten von Halterungen verwendet werden.

Durch das Teil 38 wird das elektrische Feld über einen vor­ gegebenen Zeitraum angelegt, während die Elektroden und das piezoelektrische Material bei einer erhöhten Temperatur (ungefähr 95°C ± 2°C) gehalten werden. Anschließend wird das Teil 38 entfernt, und der die hemisphärische Vertiefung 34 enthaltende Bereich von Teil 38 wird oberhalb der in Abb. 3 eingezeich­ neten Linie 44 abgetrennt, um die piezoelektrische Übertragerplatte 14 zu erhalten (cf. Abb. 1).

Zum Einsatz in den Übertrager 10 werden beide Seiten der Platte 14 mit einem leitfähigen Material plattiert. In dieser Ausführungsform ist die untere Fläche schon mit dem Gold- und Chromfilm beschichtet. Die obere freiliegende Fläche (entlang der Schnittlinie 44) wird anschließend mit der gleichen Plattie­ rung beschichtet. Die Platte 14 wird sodann in das Metallgehäuse 12 eingesetzt. Die untere, mit Film 18 beschichtete Fläche wird an das Metallgehäuse 12 kurzgeschlossen, und eine kleine Metallasche 20 wird an der oberen Fläche in der Nachbarschaft des äußeren Randes befestigt, um durch diese Lasche den Draht 26 mit der elektrischen Stromquelle 24 zu verbinden. Die Lasche 20 ist am äußeren Rand befestigt, weil an dieser Stelle die Schwingung vernachlässigbar gering ist. Es ist offensichtlich, daß diese Konfiguration sowohl mit rückseitig verstärkten als auch unverstärkten Übertragern verwendet werden kann, wie dies dem Fachmann auf diesem Gebiet geläufig ist.

Die Übertragersonde in Abb. 10 kann sodann durch einen (hier nicht abgebildeten) konventionellen piezoelektrischen Über­ trageranstriebsstromkreis angetrieben werden. Das Strahlungs­ diagramm der Übertragersonde 10 wäre für dessen Mittenfrequenz ein Gaußsches Strahlenmodell. Ein Beispiel für einen Antrieb zur Erzeugung eines Gaußschen Ultraschallsondenstrahls ist ein Panametrics Impulsgeber-Treiber, der von Panametrics, Waltham, Mass. 02 254 erhältlich ist, in dem die Steuersspannung ein negativer Nadelimpuls von minus 175 Volt ist.

Die allgemeinen Verfahrensschritte zur Herstellung einer Gaußschen piezoelektrischen Übertragersonde wurden schon beschrieben. Die einzelnen Verfahrensschritte für eine spezifische Gaußsche Sonde sind untenstehend beschrieben.

Für einen Gaußschen Übertrager mit einer Mittenfrequenz von 2,25 Megahertz (MHz) wird die Enddicke der Platte 14 unter Inanspruchnahme der folgenden Gleichung errechnet:

f₀ = v/2d,

wobei v die Geschwindigkeit der Längstonwellen in der Platte angibt, d die Dicke der kreisförmigen Platte bedeutet und f₀ für die ungedämpfte Dickenschwingungsart-Grundfrequenz steht.

In dieser bevorzugten Ausführungsform besteht der Stab 28 aus einem piezoelektrischen Material, das dem Fachmann als PZT-5A bekannt ist. Der Stab 28 hat einen Durchmesser von 1,91 Zenti­ metern. Es ist bekannt, daß beim PZT-5A-Material v ungefähr 0,40 Zentimeter/Mikrosekunde (cm/µs) beträgt. Bei Anwendung der Glei­ chung wäre die Dicke der Platte 14 schließlich ungefähr 0,089 Zentimeter).

Die Größe des in Abb. 3 gezeigten Teils 38 wird auch dadurch beeinflußt, wie groß die hemisphärische Vertiefung 34 sein muß, um die erforderliche Polung zu erzielen. Der Radius 48 der hemisphärischen Vertiefung 34 und sein Verhältnis hinsicht­ lich dessen, was letzten Endes die Platte 14 sein wird, bestimmt die Orientierung und die Stärke des elektrischen Felds, das durch das Teil 38 hindurchfließen wird. Um zu gewährleisten, daß ein ausreichendes elektrisches Feld erzeugt wird, wurden Tests durch­ geführt, bei denen eine Kugelelektrode direkt über einer großen flachen leitfähigen Platte eingesetzt wurde. Mit Hilfe von in diesem Fachgebiet bekannten Mitteln wurden die Z-Komponenten des elektrischen Felds, das von einer einen Durchmesser von 1,27 Zentimeter messenden Kugelelektrode 0,122 Zentimeter oberhalb der leitfähigen Platte erzeugt wurde, zusammengestellt, wobei die Felder in drei horizontalen Ebenen gemessen wurden, nämlich bei Line 44, Linie 36 und bei Halbierungspunkt 45 zwischen den Linien 36 und 44. Daraus ergab sich, daß durch die durch die Linien 36 und 44 definierte Endplatte 14 hindurch ein ausreichendes elektrisches Feld erzeugt wird, das einer Gaußschen Funktion mit den gewünschten Eigenschaften entspricht.

Die Dicke 58 des in Abb. 3 dargestellten Teils 38 betrug demnach 0,76 Zentimeter. Darin ist auch die Dicke von 0,089 Zentimeter für die Endplatte 14 (gemessen zwischen den Linien 36 und 44), der 0,64 Zentimeter messende Radius 40 der hemisphärischen Vertiefung 34 sowie ein Abstand von 0,033 Zen­ timetern zwischen Linie 44 und der unteren Fläche der hemisphäri­ schen Vertiefung 34 für den Schnitt oder die Schnittbreite einer Diamant-Wafersäge, die zur Trennung direkt oberhalb der Linie 44 verwendet wird, enthalten.

Das elektrische Feld, das in etwa erforderlich ist, um das Gaußsche Feld zu erzeugen, wird unter Anwendung der von D. R. Corson und P. Lorrain in Introduction to Eletromagnetic Field and Waves, Kapitel 4 (W. H. Freeman, San Francisco 1962) vorgestellten Verfahren errechnet.

Die Polung des Teils 38, die mit der in Abb. 4 darge­ stellten grundlegenden Konfiguration durchgeführt wird, findet dadurch statt, daß das Teil in Diffusionspumpenöl, das von Dow- Corning unter der Produktbezeichnung 702 erhältlich ist, bei einer Temperatur von 95° Celsius plus oder minus 2° Celsius eingetaucht wird. In der bevorzugten Ausführungsform erzeugt der angelegte Hochspannungsgleichstrom von 3700 Volt in der Mitte des Teils 38 am Halbierungspunkt zwischen Linien 44 und 36 (Linie 45) ein Feld von 75 Volt/mil (29,5 kV/cm). Das maximale Feld beträgt 80,8 Volt/mil in der Mitte des Teils 38 entlang der Linie 44 und 73,2 Volt/mil in der Mitte der durch Linie 36 definierten Ebene. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird das Feld vier Minuten lang angelegt und danach entfernt. Es versteht sich also, daß die Kapazität des Teils 38 vor bzw. nach der Polung 1012 Picofarad (pF) plus oder minus 2 pF bzw. 1193 pF plus oder minus 2 pF beträgt, was nach der Polung einer Erhöhung von ungefähr 18% gleichkommt.

Nach der Polung wird das Teil 38 entfernt und durch Schneiden in eine Platte geformt, um ein Übertragerelement mit einer Mittenfrequenz von ungefähr 2,25 MHz herzustellen. In dieser bevorzugten Ausführungsform wird, für den Fall, daß die Platte 14 rückseitig nicht verstärkt ist, von der Platte ein Schmalband-Ultraschallimpuls (Q = 13) erzeugt.

Es versteht sich, daß durch Änderung des Radius 40 der hemi­ sphärischen Vertiefung 34 das Signal des Gaußschen Übertragers vergrößert werden kann, so daß die Feldstärke mit der radialen Entfernung von der Mitte des Übertragers langsamer abfällt. Wie schon oben ausgeführt wurde, kann die Wahl einer anderen Art piezoelektrischen Materials und die Verwendung einer anderen Dicke ebenfalls die Eigenschaften des Übertragers beeinflussen.

Ebenso versteht es sich von selbst, daß ein weiterer wichtiger Vorteil der Anwendung eines Gaußschen Strahls sowohl in isotropen Medien als auch in anisotropen Medien darin besteht, daß der Ultraschallstrahl durch eine einfache Gleichung, anstatt durch das komplexe Modell, das für gleichförmig gepolte Übertrager erforderlich ist, beschrieben werden kann. Eine Diskussion dieser Vorteile ist bei R. B. Thompson und E. F. Lopes, J. Nondestr. Eval. 4, Seite 107-123 (1984) und bei R. B. Thompson und B. P. Newberry, "A Model for the Propagation of Gaussian Beams in Anisotropic Media", in Review of Progress in Quantitative NDE, Band 7, Hrgr. D. O. Thompson und D. E. Chimenti (Plenum Press, New York 1988), Seite 31-39) zu finden. Dadurch ist die Möglichkeit gegeben, zur schnellen Erzeugung von Strahlenprofilen Informationen hinsichtlich des Gaußschen Strahls effizient und einfach in einen Computer einzuprogrammieren.

Wie schon oben erwähnt, eliminiert der Gaußsche Strahl außerdem Nebenzipfel sowie die Beugung des Strahls in einem solchen Maße, daß die Verbreiterung der Strahlenbreite selbst bei relativ niedrigen Frequenzen von 2,3 MHz in großen Ausbreitungs­ entfernungen von 22 cm relativ geringfügig ist. Dies ist beim Einsatz zur zerstörungsfreien Prüfung ausgesprochen wünschenswert.

Abb. 5A und 5B zeigen grafische Darstellungen von Ultraschallimpulsen, die mit der Übertragersonde 10, die eine ungleichförmig gepolte Platte 14 mit Gaußscher Strahlungs­ charakteristik aufweist, erzeugt wurde. Abb. 5A zeigt die Zeitebene eines Schmalbandimpulses, der von einer rückseitig unverstärkten Übertragersonde 10 erzeugt und von einem planparallelen Target in einer Entfernung von 10 cm in Wasser reflektiert wurde. Dabei ist die stetig glatt verlaufende Form des Impulses ersichtlich.

Abb. 5B zeigt die Frequenzebene des Ultraschallim­ pulses, wobei sein Mittelpunkt bei ungefähr 2,3 MHz liegt.

Abb. 6A und 6B zeigen eine dreidimensionale grafische Darstellung des Feldprofils einer ungleichförmig gepolten Gauß­ schen Übertragersonde 10, das von einer Abtastpunktsonde gemessen wurde. Abb. 6A veranschaulicht in dreidimensionaler Form das glockenförmige und stetig glatt verlaufende Strahlungsdiagramm ohne Nebenzipfel. Dies kommt auch in Abb. 6B in der im Aufriß dargestellten Vorderansicht zum Ausdruck.

Es ist daher leicht ersichtlich, daß die Erfindung die Herstellung eines vorteilhaften ungleichförmig gepolten Gaußschen piezoelektrischen Übertragers der Zielsetzung der Erfindung ent­ sprechend gestattet. Ebenso ist es mit dieser Erfindung möglich, verschiedene Arten von Strahlungscharakteristiken zu erzeugen. Als Beispiel wird dazu unter Bezugnahme auf Abb. 7 bis 11A und 11B untenstehend eine zweite bevorzugte Ausführungsform gemäß dieser Erfindung beschrieben.

Es wurde gefunden, daß ein Ultraschallübertrager mit einer auf Besselschen Funktionsprofilen beruhenden Strahlungscharak­ teristik besonders für die zerstörungsfreie Prüfung große Vorteile bieten könnte. Eine Sonde mit Besselschem Profil kann einen Strahl erzeugen, der bei der Fortpflanzung nur sehr geringe Beugung (Strahlenverbreiterung) aufweist. Wie leicht einzusehen ist, hat ein intensiver, beugungsloser, parallel geführter Ultraschallstrahl ein ungeheures Potential für praktische Anwendungen in den vielfältigsten Anwendungsbereichen.

Obgleich eine Besselsche Funktion ein bedeutend komplexeres Profil als das des einfachen glockenförmigen Profils einer Gaußschen Funktion darstellt, kann mit der vorliegenden Erfindung eine piezoelektrische Übertragersonde, die annähernd einer Besselschen Funktion entspricht, erzielt werden. Abb. 7 veranschaulicht ganz allgemein eine annäherend Besselsche Funktion. Eine echte Besselsche Funktion würde aus einem großen Zipfel in der Mitte und einer unendlichen Zahl von sowohl positiven als auch negativen Nebenzipfeln bestehen. Die Art der Besselschen Funktionen ist dem Fachmann geläufig. Es wird darauf hingewiesen, daß die Haupteigenschaft der Besselschen Funktion im Hauptzipfel in der Mitte mit schwingenden Nebelzipfeln zu sehen ist, wobei die aufeinander folgenden Phasen jeweils zueinander gegenläufig sind. Dies heißt bei Anwendung auf die Übertragerplatte, daß bestimmte Bereiche des Übertragers Kompressionszyklen ausgesetzt sind, während benachbarte Bereiche einem Expansionszyklus unterliegen.

Das Verfahren zur Herstellung der eine Besselsche Funktion aufweisenden Übertragerplatte 14 ähnelt sehr stark dem Verfahren, das für die Herstellung der Gaußschen Sonde beschrieben wurde. Unter besonderer Bezugnahme auf Abb. 8 bis 11A und 11B folgt die Beschreibung der Apparatur und des Verfahrens zur Erzeugung der Besselschen Funktion, wobei besondere Betonung auf den Unterschieden der zur Herstellung einer Übertragersonde mit Gaußscher Funktion einzusetzenden Apparatur und Methode liegt.

Abb. 8 stellt einen piezoelektrischen Stab 68, der dem Stab 28 in Abb. 2 ähnelt, dar. Anstatt einer einzigen großen hemisphärischen Vertiefung in der Mitte der Endfläche 70 wird in dieser Endfläche 70 durch spanabhebende Bearbeitung eine kleine hemisphärische Vertiefung 72, die von einer ersten und einer zweiten konzentrischen Rille 74 und 76 mit bogenförmigem Boden umgeben ist, vorgesehen.

Nachdem diese Vertiefungen durch spanhebende Bearbeitung in die Endfläche eingearbeitet sind, was ebenfalls wieder mittels eines marktgängigen, mit Schleifpartikeln bedeckten Kugelend­ fräsers auf einer konventionellen Einrichtung in einer Maschinen­ werkstatt stattfinden kann, wird der Stab 68 entlang einer durch Linie 78 definierten Ebene geschnitten, um eine untere Oberfläche zu markieren die in der Regel parallel zur Endfläche 70 verläuft.

Abb. 9 zeigt eine Querschnittansicht eines piezoelek­ trischen Teils 80 mit der Vertiefung 72 und Rillen 74 und 76. Wie daraus zu ersehen ist, sind die Tiefe und der Halbmesser der Vertiefung 72 größer als die Tiefe und der Halbmesser der Rille 74. Die Tiefe der Rille 75 mißt weniger als die Tiefe der Rille 74, wobei der Radius grob gesehen der Rille 74 entspricht. Bei einem Vergleich der Abb. 9 mit Abb. 7 wird ersichtlich, daß die Vertiefungen in Teil 80 sich der Besselschen Funktions­ kurve von Abb. 7 nähern, wobei Rillen 74 und 76 die Nebenzipfel für die Besselsche Funktion darstellen.

Das Teil 80 wird in einer Weise gepolt, die der hinsichtlich der ersten Ausführungsform für die Gaußsche Sonde beschriebenen Weise ähnelt. Untenstehend werden die wichtigsten Unterschiede aufgeführt.

Aus Abb. 10 wird ersichtlich, daß auf den entgegenge­ setzten Seiten des Teils 80 eine Mehrzahl von Elektroden verschiedener Polaritäten verwendet werden. Das Teil 80 wird zunächst zur Polung vorbereitet, indem Gold-über-Chrom-Filme 84a, 84b und 84c in die hemisphärische Vertiefung 72 und in die Rillen 74 und 76 aufgedampft werden, wobei dem Fachmann geläufige Methoden eingesetzt werden. Der Film 84 ist in Abbildung 10 dargestellt, und es vesteht sich von selbst, daß die Filme 84a, 84b bzw. 84c in den Vertiefungen 72, 74 bzw. 76 nicht miteinander in Kontakt stehen, so daß also keine Elektrizität zwischen den Vertiefungen hin- und hergeleitet werden kann.

Dieselbe Art von Film wird auch auf die Unterseite von Teil 80 aufgebracht. Es versteht sich jedoch von selbst, daß dieser Film nur deshalb aufgebracht wird, um sozusagen die Vertiefungen und den Film 84 in den Vertiefungen 72, 74 und 76 auf der Oberfläche von Teil 80 wiederzuspiegeln. Mit anderen Worten: ein kreisförmiges Segment des Films 85a mit ungefähr dem gleichen Durchmesser wird direkt unterhalb der hemisphärischen Vertiefung 72 niedergeschlagen. Ein abliegender konzentrischer Ring von Film 85b mit ungefähr der gleichen Querbreite wird um diesen ringförmigen Bereich direkt unter der Rille 74 aufgebracht. Ein räumlich getrennter, aber ähnlicher konzentrischer Außenring des Films 85c wird direkt unterhalb der Rille 76 aufgebracht. Zwischen diesen Bereichen 85a, 85b und 85c besteht keinerlei elektrische Wechselwirkung.

Die Anordnung der oberen Elektroden besteht aus einer Kugelelektrode 86 in der Mitte, die so gestaltet ist, daß sie zumindest im großen und ganzen mit der hemispärischen Vertiefung 72 in Eingriff steht. Die Elektrode 86 ist an die positive Seite einer Hochspannungsgleichstromquelle angeschlossen. Die Elektroden 88, die in der Regel eine zylindrische Form mit abgerundeten Enden 90 aufweisen, sind so ausgelegt, daß sie in die abliegenden Bereiche in Rille 74 ineinanderpassen. Analog dazu greifen die äußeren Elektroden 92, die ebenfalls eine zylindrische Form mit abgerundeten Enden 94 aufweisen, in die Rille 76 ein.

Wie aus Abb. 10 ersichtlich ist, sind die äußeren Elektroden 92 ebenfalls an die positive Seite der elektrischen Stromquelle angeschlossen, während die Elektroden 88 an die negative oder geerdete Seite der Stromquelle angeschlossen sind.

Die Anordnung 96 einschließlich der Elektroden 86, 88 und 92 kann aus diesem Grunde gleichzeitig mit den oberen Vertiefungen 72, 74 und 76 des Teils 80 in Eingriff gebracht werden. Alle Elektroden sind, ebenso wie die leitfähigen Beschichtungen in der Vertiefung 72 und den Rillen 74 und 76, ebenfalls wieder elektrisch isoliert sowie von einander getrennt.

Eine untere Anordnung 98 von Elektroden entspricht der oberen Elektrodenanordnung 96. Die untere Anordnung 98 besteht jedoch aus einer mittleren Elektrode 100, die weitgehend die gleiche Form wie die Elektroden 88 und 92 aufweist, aber im Gegensatz zu Elektrode 86 kein Kugelende hat. Die Elektroden 102 sind in einem gewissem Abstand zueinander angeordnet und gegen die Elektrode 100 in der Mitte elektrisch isoliert, während die Elektroden 104 elektrisch isoliert und in einem gewissen Abstand von den Elektroden 102 angeordnet sind.

Die Elektroden 100, 102 und 104 sind an die elektrisch leit­ fähigen Filmbeschichtungen 85a, 85b und 85c auf der Unterseite des Teils 80 angepaßt. Die Elektrode 100 ist an die negative oder geerdete Seite der elektrischen Stromquelle angeschlossen; die Elektroden 102 sind an die positive Seite angeschlossen, und die Elektroden 104 sind ebenfalls an die geerdete oder negative Seite angeschlossen. Es soll besonders darauf hingewiesen werden, daß alle Elektroden in der unteren Anordnung 98 durch die Federungen 106 federbelastet sind. Darüber hinaus wird von der Seitenwand 110 in der unteren Anordnung 98 eine Aussparung 108 gebildet, die in passendem Eingriff mit dem Teil 80 steht. Der elektrische Kontakt zwischen den Elektroden der unteren Anordnung 88 und dem Film 84 unten auf dem Teil 80 wird durch die federbe­ lasteten Elektroden verbessert. Die oberen und unteren Anordnungen 96 und 98 sind dadurch in der Lage, das Teil 80 während der Polung in die Aussparung 108 einzuklemmen. Die Anordnungen 96 und 98 und die Verbindungen zur elektrischen Stromquelle können ebenfalls wieder in einer (hier nicht gezeigten) isolierten Halterung wie zum Beispiel einer käfigförmigen Einrichtung angeordnet und festgehalten werden.

Nachdem die oberen und unteren Elektrodenanordnungen 96 und 98 in Eingriff mit dem Teil 80 gebracht sind, werden diese in ein Ölbad versenkt , wobei das Bad auf eine Temperatur von 95°C plus oder minus 2°C erhitzt wird, und es wird über einen vorgegebenen Zeitraum Hochspannungsgleichstrom zugeführt. Das Teil 80 wird sodann entfernt und auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach werden, ähnlich wie bei der ersten beschriebenen Ausführungsform, die oberen Einbuchtungen (Vertiefung 72, Rillen 74 und 76) abgesägt, wobei der Schnitt durch eine Ebene parallel zur Unterseite von Teil 80 direkt unterhalb des Bodens der hemisphärischen Vertiefung 72 (cf. Linie 81 in Abb. 9) verläuft. Darüber hinaus versteht es sich von selbst, daß der Film 85, mit dem verschiedene Bereiche und Ringe auf der Unterseite von Teil 80 beschichtet sind, zum Beispiel durch Abschmirgeln entfernt wird.

Auf diese Weise wird eine piezoelektrische Platte, wie zum Beispiel Platte 14 in Abb. 1, mit einer ungleichförmigen Polung gemäß einer Besselschen Funktion erhalten. Die abschlie­ ßenden Herstellungsschritte bestehen aus der Beschichtung beider Seiten der Platte mit Gold-über-Chrom-Filmen gemäß dem Fachmann geläufigen Verfahren und der Installierung der Platte in ein Gehäuse, um eine Übertragersonde wie die in Abb. 1 dargestellte Übertragersonde 10 herzustellen.

Die Spezifikationen einer Sonde Besselscher Funktion gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Mittenfrequenz von 2,25 MHz aufweist, folgen. Die Dicke des Teils 80, das aus dem Stab 68 (mit Durchmesser von 2,54 Zenti­ metern) beträgt ungefähr 0,56 Zentimeter. Die hemisphärische Vertiefung 72 in der Mitte ist am tiefsten Punkt 0,44 Zentimeter tief und hat einen Halbmesser von 0,25 Zentimetern. Die Rille 74 hat einen Halbmesser von 0,56 Zentimetern, eine Breite von 0,32 Zentimetern und eine maximale Tiefe von 0,26 Zentimetern. Die Rille 76 hat einen Halbmesser von 0,97 Zentimetern, eine Breite von 0,32 Zentimetern und eine maximale Tiefe von 0,16 Zentimetern.

Analog zur ersten Ausführungsform dieser Erfindung wurde beim Kalibrieren der Dicke des Teils 80 die Schnittbreite eines Diamantsägeblatts miteingerechnet, so daß nach Entfernen der hemisphärischen Vertiefung 72 und der Rillen 74 und 76 eine flache, 0,09 Zentimeter dicke, dem Grundlängsschwingbereich von 2,25 MHz entsprechende Platte mit parallen Flächen erhalten wird. Die Halbmesser der hemisphärischen Vertiefung und der Rillen 74 und 76 wurden so gewählt, daß sie der in Abb. 7 dargestellten Besselschen Funktion J₀(x) entsprechen. Die Tiefen dieser Vertiefungen 72, 74 und 76 wurden außerdem festgelegt, um elektrische Feldstärken in übereinstimmung mit der Amplitude der Besselschen Funktion zu erzeugen. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das elektrische Feld am ersten Nebenzipfel 40% des elektrischen Felds in der Mitte, während das elektrische Feld des zweiten (äußeren) Zipfels 30% des Feldes in der Mitte beträgt. Die Vertiefung 72 und die Rillen 74 und 76 werden durch Spanabhebung bearbeitet, um annährend diese Proportionen zu erreichen.

Es ist ebenfalls ersichtlich, daß jede der beiden Rillen 74 und 76 in der durch Abb. 7-11 dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung drei in einem gewissen Abstand von einander angeordnete Elektroden 88 und 92 aufweist, die in der Regel in gleichmäßigen Abstand um die Rillen 74 und 76 angeordnet sind. Entsprechend dazu sind drei Elektroden 102 und 104 im Abstand zueinander um die Ringe des Films auf der Unterseite des Teils 80 angeordnet. Obgleich in der grafischen Darstellung von Abb. 10 nur zwei obere und untere Elektroden pro Rille zu sehen sind, ist es selbstverständlich, daß drei zu bevorzugen sind, und daß, falls gewünscht, noch mehr Elektroden verwendet werden können.

In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Spannung von 3.522 Volt vier Minuten lang in den in Abb. 10 gezeigten Polaritäten über die Elektroden hinweg angelegt. Die aus dem Teil 80 herausgeschnittene Platte wurde anschließend im Metallgehäuse einer Übertragersonde ohne rück­ seitige Verstärkung eingesetzt und mit Breitband- Spannungsimpulsen gesteuert.

Bei Erregung wird die Platte durch die Sonde Besselscher Funktion so zum Schwingen gebracht, daß der mittlere Bereich und der äußere Bereich im Hinblick auf den konzentrischen Bereich in der Mitte phasenverschoben schwingen. Die Stärke und die räum­ liche Strahlungscharakteristik des erzeugten Ultraschallfelds sind in Abb. 11A und 11B grafisch dargestellt. Wie zu ersehen ist, zeigt Abbildung 11A die Amplitude (ohne Bezug auf die Polarität) in drei Dimensionen für die Besselsche Sonde. Abb. 11A zeigt die Feldamplitude in einer Ebene parallel zur und in einem Abstand von 2,85 Zentimetern von der Übertragerstirnfläche. Abb. 11B zeigt eine Vorderansicht der Abb. 11A in Aufriß und Schnitt. Ein Vergleich der Abb. 11B mit Abb. 7 zeigt die Übereinstimmung der Über­ tragerstrahlungscharakteristik mit der Besselschen Funktion. Wie auch Abb. 6A und 6B wurde Abb. 11B durch eine zweidimensionale Abtastung in einer zur Stirnseite des Übertragers senkrechten und die Achse der Übertragerplatte enthaltenden Ebene erhalten. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung wurde eine Abtastung mit der Punktsonde durchgeführt, wobei eine effektive Entfernung von 0,32 Zentimetern bis 23, 18 Zentimetern und eine Seitenentfernung von plus oder minus 1,97 Zentimentern abgedeckt wurde. Es ist darauf hinzuweisen, daß in Abb. 11B die Stärke des ersten mittleren Zipfels größer ist als die im Besselschen Modell in Abb. 7. Diese Stärke kann durch Verringerung der Tiefe der ersten Rille 76 in Teil 80 herabgesetzt werden, wodurch die Stärke des Polungsfeldes an dieser Stelle reduziert wird.

Weiterhin versteht es sich von selbst, daß die Beugung für diese Übertrager von der Frequenz, der Zahl der Zipfel und der Breite eines Zipfels abhängt. In der bevorzugten Ausführungsform für den Besselschen Übertrager mit einer Grundfrequenz von 2,25 MHz ist die Beugung geringer, wenn die Übertragerplatte erregt wird, um bei der Frequenz der dritten Harmonischen von ungefähr 7 MHz Ultraschallwellen zu erzeugen. Es wurde weiterhin gefunden, daß für den Fall, daß die Zahl der Zipfel groß ist, der Bereich eines Übertragers Besselscher Funktion direkt proportional zur Frequenz und Zahl der Zipfel sowie direkt proportional zum Quadrat der Breite der Strahlungslappen ist. Diese Beziehung ist durch die Gleichung unten folgendermaßen beschrieben:

R = (Konstante) (f) (n) (w²),

wobei
f die Frequenz,
n die Zahl der Zipfel und
w die Breite des Zipfels bedeuten.

Unter Anwendung dieser Gleichung kann mit einem großen Besselschen Übertrager (große Zahl von Zipfeln und große Breite des Zipfels) ein breiter Bereich (oder geringe Streuung) erreicht werden. Es ist deshalb leicht einzusehen, daß durch die Erhöhung der Zahl der Zipfel und der Größe des Übertragers eine Reduktion der Beugung erzielt werden kann.

Besonders hervorzuheben ist, daß die vorliegende Erfindung viele Formen und Ausführungsformen annehmen kann. Das Wesen und die Natur dieser Erfindung sind in den beiliegenden Patentansprüchen definiert, und durch die in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Ausführungsformen ist keinesfalls beabsichtigt, den Geltungsbereich der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.

Claims (38)

1. Verfahren zur ungleichförmigen Polung eines piezoelektrischen Übertragermaterials, das darin besteht:
daß an einer ersten flachen Oberfläche eines piezoelek­ trischen Materials eine Änderung vorgenommen wird, um mindestens eine Vertiefung zu erhalten;
daß das piezoelektrische Material zugeschnitten wird, um eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche, die in der Regel parallel zur ersten Oberfläche angeordnet ist, zu erhalten;
daß ein elektrisch hochleitendes Material mindestens an bestimmte Bereiche der ersten und zweiten Oberfläche aufmetallisiert wird;
daß eine Elektrode in jede Vertiefung eingesetzt wird, so daß sie mit dieser in Eingriff steht;
daß eine Elektrode der entgegengesetzten Polarität auf der zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Elektrode zum Anliegen gebracht wird;
daß Hochspannungsgleichstrom über einen vorgegebenen Zeitraum durch die Elektroden und das piezoelektrische Material angelegt wird;
daß das piezoelektrische Material so zugeschnitten wird, daß jegliche Vertiefungen entfernt werden und eine in der Regel plan­ parallele zweiseitige Platte hergestellt wird; und
daß die Platte in eine Übertragersonde eingesetzt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, in dem die Vertiefung hemisphärisch ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem die in die Vertiefung eingesetzte Elektrode hemisphärisch ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, in dem in der Elektrode entgegengesetzter Polarität eine Vertiefung vorgesehen wird, mit der ein Teil des piezoelektrischen Materials, einschließlich der zweiten Oberfläche, in Eingriff gebracht wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das elektrisch hochleitende Material einen Metallfilm darstellt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Metallfilm auf die erste und die zweite Oberfläche aufgetragen wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem sich der Metallfilm aus einer Grundschicht aus Chrom, die mit einer Goldschicht überzogen ist, zusammensetzt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Oberfläche verändert wird, um zwei oder mehrere Vertiefungen zu erhalten.

9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem leitendes Material ausschließlich in die Vertiefungen auf der ersten Oberfläche sowie ausschließlich auf die entsprechenden getrennten und elektrisch isolierten Stellen auf der zweiten Oberfläche aufmetallisiert wird.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, bei dem die ersten und zweiten Elektrodensätze auf die verschiedenen Bereiche der Beschichtungen auf den entgegengesetzten Flächen positioniert werden können, wobei jede direkt gegenüber einem Elektrodenpaar der entgegengesetzten Polarität angeordnet wird.

11. Verfahren zur Herstellung ungleichförmig gepolter piezoelektrischer Übertragerelemente, das darin besteht:
daß eine gewünschte Strahlungscharakteristik für das Element bestimmt wird;
daß die Strahlungscharakteristik durch eine mathematische Funktion quantifiziert wird;
daß ein planparalleles Ende des piezoelektrischen Materials in einer zur mathematischen Funktion in Beziehung gesetzten Weise gestaltet wird;
daß die gestalteten Flächen auf dem planparallelen Ende des piezoelektrischen Materials mit einer Markierung versehen werden;
daß auf Bereichen, die den gestalteten Flächen auf dem planarparallelen Ende des piezoelektrischen Materials entsprechen, eine entgegengesetzte planarparallele Fläche des piezoelektrischen Materials mit einer Markierung versehen wird; daß das piezoelektrische Material zwischen den Elektroden der vorgewählten Polarität untergebracht wird;
daß den Elektroden über einen vorgewählten Zeitraum hinweg elektrischer Strom zugeführt wird;
daß die gestalteten Teile entfernt werden, um ein zweiseitiges, planparalleles piezoelektrisches Element zu erhalten, und
daß beide Seiten des planparallelen Elements vollständig mit einem Film eines leitfähigen Materials beschichtet sind.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die mathematische Funktion eine Gaußsche Funktion ist.

13. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die mathematische Funktion eine Besselsche Funktion ist.

14. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die hemisphärische Vertiefung in der Mitte in das planparallele Ende des piezo­ elektrischen Materials eingearbeitet ist.

15. Verfahren gemäß Anspruch 14, bei dem die sphärisch geformte Elektrode in die hemisphärische Vertiefung eingesetzt werden kann, so daß diese in Eingriff miteinander stehen.

16. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem die dem planparallelen Ende entgegengesetzt angeordnete Elektrode eine ausgesparte Vertiefung enthält, die so ausgelegt ist, daß das piezoelektrische Teil, einschließlich der gegenüberliegenden planparallelen Fläche, damit in Eingriff steht.

17. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem die mathematische Funktion eine Besselsche Funktion ist.

18. Verfahren gemäß Anspruch 17, bei eine hemisphärische Vertiefung in der Mitte und zwei konzentrische Rillen in das planparallele Ende des piezoelektrischen Materials eingearbeitet sind.

19. Verfahren gemäß Anspruch 18, bei dem die auf jeder der planparallelen Flächen aufgebrachte leitende Schicht auf Bereiche der Oberfläche aufmetallisiert ist, die voneinander getrennt und gegeneinander isoliert sind.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die Elektrodensätze mit den Beschichtungen auf den gegenüberliegenden planparallelen Flächen in Korrelation stehen, wobei jeder Elektrodensatz mindestens ein Elektrodenpaar der entgegengesetzten Polarität einschließt.

21. Verfahren für die ungleichförmige Polung von piezoelek­ trischen Übertragern, das darin besteht:
daß durch spanabhebende Bearbeitung eine hemisphärische Vertiefung in einem planparallelen Ende eines piezoelektrischen Stabs vorgesehen ist;
daß das Ende des die hemisphärische Vertiefung enthaltenden Endes des Stab entlang einer zur Endfläche parallelen, in einem bestimmten Abstand von der Endoberfläche verlaufenden Ebene geschnitten wird, um eine untere Fläche zu erhalten;
daß die hemisphärische Vertiefung und die untere Fläche mit einem leitfähigen Material beschichtet ist;
daß eine in der Regel kugelförmig ausgebildete Elektrode in die plattierte hemisphärische Vertiefung eingesetzt wird, so daß diese eingreifend ineinander passen;
daß die untere Fläche des piezoelektrischen Materials in eine in der Regel kreisförmige Vertiefung in einer zweiten Elektrode eingesetzt wird, so daß diese eingreifend ineinander passen;
daß das piezoelektrische Material und die erste und zweite Elektrode in ein erhitztes Medium eingebracht werden;
daß Hochspannungsgleichstrom der entgegengesetzten Polarität über einen vorgegebenen Zeitraum hinweg an die erste und die zweite Elektrode angelegt wird;
daß das piezoelektrische Material und die Elektroden sowie die erste und zweite Elektrode aus dem erhitzten Medium entfernt werden;
daß der die hemisphärische Vertiefung enthaltende Bereich des piezoelektrischen Materials entfernt wird, um eine planparallele zweiseitige Platte herzustellen, wobei diese Platte eine ungleichförmige, sich einer Gaußschen Funktion annähernde Funktion enthält.

22. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem die hemisphärische Vertiefung eine Tiefe aufweist, die dem Profil eines gewünschten, während der Polung in dem piezoelektrischen Stab einzustellenden elektrischen Feld entspricht.

23. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der zum Schneiden des Stabendes notwendige Schritt im voraus so ausgewählt ist, daß die Entfernung zwischen der zur Endfläche parallelen Ebene mit der Mittenfrequenz des Übertragers korreliert ist.

24. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem das erhitzte Medium Öl ist.

25. Verfahren gemäß Anspruch 21, bei dem der Durchmesser der hemisphärischen Vertiefung proportional zur elektrischen Feldstärke durch das piezoelektrische Material ist.

26. Verfahren zur ungleichförmigen Polung eines piezoelektrischen Übertragers, das darin besteht:
daß die obere planparallele Fläche eines piezoelektrischen Stabs durch spanabhebende Bearbeitung so behandelt wird, daß eine hemisphärische Vertiefung und eine erste und zweite konzentri­ sche, die Vertiefung umgebende Rille geschaffen werden;
daß leitendes Material auf den Oberflächen der Vertiefung und Rillen aufgebracht wird;
daß der Metallstab entlang einer Ebene, die in einem gewissen Abstand zur die Endfläche des Stabs definierten Ebene angeordnet ist, geschnitten wird, um eine untere Fläche zu erhalten;
daß das leitende Material auf der unteren Fläche in einem in der Regel der Vertiefung und der ersten und zweiten Rille entsprechenden Schema aufgetragen wird;
daß eine kugelförmige Elektrode in die Vertiefung eingefügt wird, so daß diese in Eingriff miteinander stehen;
daß eine oder mehrere Elektroden in jede Rille eingesetzt wird oder werden, so daß diese miteinander in Eingriff;
daß eine Elektrode an das leitende Material auf der unteren Fläche gegenüber der Vertiefung angelegt wird;
daß eine Elektrode oder mehrere Elektroden an das hochleitende Material an der unteren Fläche angelegt wird oder werden, so daß diese in der Regel mit den Elektroden in den Rillen übereinstimmen;
daß Hochspannungsgleichstrom an die Elektroden angelegt wird, so daß ausgerichtete und entsprechende Elektroden in der Vertiefung und den Rillen im Vergleich zu der unteren Fläche entgegengesetzte Polaritäten aufweisen;
daß die Elektroden entfernt werden; und
daß das piezoelektrische Material weggeschnitten wird, um die Vertiefung und die Rillen zu entfernen, um dadaurch eine planparallele zweiseitige Platte, die ungleichförmig gepolt ist, zu erhalten.

27. Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem der Abstand, die Tiefe und der Durchmesser der hemisphärischen Vertiefung und der ersten und zweiten konzentrischen Rille proportional zum Strahlungs­ diagramm für den Übertrager ist.

28. Verfahren gemäß Anspruch 27, bei dem das Strahlungsdiagramm in der Regel einer Besselschen Funktion ähnelt.

29. Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem der Abstand, die Tiefe und der Durchmesser der hemisphärischen Vertiefung und den ersten und zweiten konzentrischen Rillen proportional zum einer Besselschen Funktion entsprechenden Verhältnis zwischen einem prominenten Zipfel in der Mitte und ersten und zweiten Nebenzipfeln auf jeder Seite des mittleren Zipfels sind.

30. Verfahren gemäß Anspruch 26, bei dem drei Elektroden an in gewissem Abstand voneinander angeordneten Stellen um jede Rille herum und in jeder Rille angeordnet werden können.

31 Verfahren gemäß Anspruch 30, bei dem eine Mehrzahl von Elektroden an in gewissem Abstand voneinander angeordneten Stellen, die den Elektroden für jede Rille entsprechen, angeordnet werden können.

32. Verfahren gemäß Anspruch 31, bei dem die der hemisphärischen Vertiefung und der zweiten konzentrischen Rille entsprechenden Elektroden die gleiche Polarität aufweisen, während die der ersten konzentrischen Rille entsprechenden Elektroden die entgegengesetzte Polarität aufweisen.

33. Verfahren gemäß Anspruch 26, das den ersten Schritt zur Installation der planparallelen zweiseitigen Platte in einem Gehäuse für Übertragerkolbensonden zwecks Anschluß an eine Übertragerantriebseinrichtung umfaßt.

34. Einrichtung zur ungleichförmigen Polung von piezoelektrischen Übertragern, die sich zusammensetzt aus:
einer ersten Elektrodeneinrichtung, die mit durch spanabhebende Bearbeitung erhaltene Vertiefungen in einem planparallelen Ende des piezoelektrischen Materials in Eingriff gebracht werden kann;
einer zweiten Elektrodeneinrichtung mit der relativ zur ersten Elektrodeneinrichtung entgegengesetzten Polarität, die am piezoelektrischen Material gegenüber der ersten Elektrodenein­ richtung befestigt ist;
Vorrichtung zum Aufrechterhalten des Kontaktes zwischen der ersten und zweiten Elektrodeneinrichtung und dem piezoelek­ trischen Material;
Hochspannungsgleichstrom zum Anschluß an die elektrische Stromzufuhr zur Elektrodeneinrichtung über einen vorgegebenen Zeitraum.

35. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, bei dem die erste Elektrodeneinrichtung so ausgelegt ist, daß sie eine Oberfläche aufweist, die den Eingriff in ein planparalleles Ende des piezo­ elektrischen Materials erlaubt.

36. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, bei dem die zweite Elektrodeneinrichtung so ausgelegt ist, daß sie zumindest einen Teil des piezoelektrischen Materials entgegengesetzt zum planparallelen Ende des piezoelektrischen Materials aufnehmen kann, so daß sie damit in Eingriff steht.

37. Vorrichtung gemäß Anspruch 34, die sich weiterhin auseinan­ dersetzt aus einer leitenden Schicht, die auf die durch spanabhebende Bearbeitung erhaltenen Vertiefungen auf dem planparallelen Ende des piezoelektrischen Materials sowie auf den entsprechenden Stellen auf dem piezoelektrischen Material gegenüber dem planparallelen Ende aufmetallisiert ist.

38. Vorrichting gemäß Anspruch 33, die sich weiterhin auseinan­ dersetzt aus einer Einrichtung zur Entfernung eines Teils des piezoelektrischen Materials, das die Vertiefungen enthält, um somit eine zweiseitige planparallele piezoelektrische Platte ungleichförmiger Polarität herzustellen.