DE4114180C2 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbrei­ tungsmedium, bestehend aus einem topfförmigen Schwingelement mit einer umlaufenden Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran wirkenden Topfboden ein piezokerami­ scher Schwinger angebracht ist.

Zur Bereitstellung von berührungslos wirkenden Schutzeinrichtungen für fahrerlose Transportsysteme oder als Abstandswarngeräte für Kraftfahrzeuge wird eine Fläche in Fahrtrichtung abgetastet, die mindestens so breit wie das jeweilige Fahrzeug sein und eine Höhe von z. B. bis zu 1,5 Metern haben kann. Bei Verwendung von Ultraschall-Echolot- Systemen werden Ultraschallwandler benötigt, die einen breiten Schallstrahl haben, jedoch sollte der Öffnungswinkel des Schallstrahls auch nicht größer als 45° sein. Für derartige Anwendungen ist ein Öffnungswinkel des Schallstrahls von 40° vorteilhaft. Der Schall­ strahl sollte vorzugsweise über seinen gesamten Winkelbereich keine Einbrüche in der Schallintensität haben, um eine lückenlose Abtastung der Fläche zu gewährleisten.

In DE 38 26 799 A1 wird ein Ultraschallwandler offenbart, welcher ein topfförmiges Schwingelement umfasst, dessen Seitenwand von einem dämpfenden Material der zylindri­ schen Form umgeben ist. Dieser Ultraschallwandler zeigt neben seiner einfachen und kos­ tengünstigen Fertigung stabile Dämpfungswerte, jedoch erzeugt das topfförmige Schwing­ element desselben Schallnebenkeulen, so dass zwischen diesen und den Schallhauptkeulen keine Echos empfangen werden können und somit ein quasi Meßtotraum vorliegt. Die her­ kömmlichen Ultraschallwandler werden vorzugsweise auf der ersten Oberschwingung be­ trieben, da hier die Wandler ihre größte Empfindlichkeit haben. Bei dieser Betriebsart bil­ den sich rotationssymmetrisch - ausgehend vom Mittelpunkt der Schwingmembran - ein Schwingungsbauch, ein Schwingungsknoten, ein Schwingungsbauch und am äußeren Rand, dem Aufhängungspunkt der Schwingmembran, wieder ein Schwingungsknoten aus. Die beiden Schwingbäuche schwingen zueinander mit einer Phasenverschiebung von 180°. Die­ se Anordnung verursacht den für diese Ultraschallwandler typischen Schallstrahl mit einer breiten Hauptschallkeule und der ausgeprägten rotationssymmetrischen Schallnebenkeule. Die Schallnebenkeule ist von Nachteil, weil die Schallintensität zwischen der Schallneben­ keule und der Schallhauptkeule und der Schallhauptkeule sehr stark einbricht und in diesem Bereich somit keine Echos empfangen werden können. Hinzutretend ist es erforderlich, durch die Schallnebenkeule den Öffnungswinkel des Schallstrahls zu vergrößern.

Auch die DE 25 41 492 C2 beschreibt zwar einen Ultraschallwandler, bei welchem auf der Stirnfläche eines Piezokörpers eine Schaumstoffschicht aufgeklebt ist, die als λ/4- Schicht ausgebildet ist. Der kreisförmige Piezokörper wird seitlich von einem Beschwe­ rungsring begrenzt, wobei der Beschwerungsring von dem Piezokörper beabstandet ist. Der Beschwerungsring ermöglicht, Grenzflächen zwischen diesem Beschwerungsring und der Schaumstoffschicht eine Knotenfläche darstellen, wobei diese beim Ultraschallbetrieb des herkömmlichen Ultraschallwandlers in Ruhe nahezu verbleiben. Das Schwingungsele­ ment wird zumindest seitlich mit dem metallenen Beschwerungsring umgeben. Es zeigt sich aber, dass bei dem Dämpfungsmaterial beispielsweise aus Aluminium der herkömmliche Ultraschallwandler lediglich auf der Grundschwingung arbeitet und der herkömmliche Ultraschallwandler quasi tot ist.

Die EP 11 68 23 A1 schlägt einen Beschwerungsring vor, welcher zusätzlich eine Schaumstoffumhüllung hat, welcher auch einen Keramikschwinger und eine Anpaßschicht λ/4 umgibt, um einen Schallstrahl mit einer breiten Hauptschallkeule und einer rotations­ symmetrischen Schallnebenkeule zu erzeugen. Jedoch zeigt sich aber, dass die rotations­ symmetrischen Schallnebenkeulen möglichst zu unterdrücken sind, wie oben ausgeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler bereitzu­ stellen, bei dem die rotationssymmetrischen Schallnebenkeulen soweit unterdrückt werden, dass sie keine auswertbaren Signale liefern. Die Schallnebenkeulen sollen möglichst verhin­ dert werden, da die Schallintensität zwischen der Schallnebenkeulen und der Schallhaupt­ keule bei den oben genannten Ultraschallwandlern stark einbricht und in diesem Bereich somit keine Echos empfangen werden können. Zudem ist die durch das Auftreten von Schallnebenkeulen erforderliche Aufspreitzung des Öffnungswinkel des Schallstrahls zu vermeiden.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Ultraschallwandler gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen der Erfindung.

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbrei­ tungsmedium, bestehend aus einem topfförmigen Schwingelement mit einer umlaufenden Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran wirkenden Topfboden ein piezokerami­ scher Schwinger angebracht ist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass auf der dem. Aus­ breitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran, ausgehend vom ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran bis zum äußeren Rand des Schwingele­ ments, ein geschlossenporiger Schaumstoff als Dämpfungsmaterial ringförmig aufgebracht ist.

In einer bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ragt zur Befestigung des Schwing­ elements in einem Gehäuse das aufgebrachte Dämpfungsmaterial noch über den äußeren Rand des Schwingelements hinaus und umschließt zugleich den Topfmantel. Zudem kann das aufgebrachte Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden sein. Wei- terhin kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultra­ schallwandlers ein dünnwandiges, trichterförmiges Formteil ausreichender mechanischer Stabilität vor der Schwingmembran angebracht sein und die kleinere Öffnung des Formteils einen Durchmesser haben, wobei der in der gleichen Größenordnung liegt wie der des ers­ ten Schwingungsknoten der Schwingmembran, so dass diese Öffnung zentriert über dem ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran liegt, wobei das akustische Dämp­ fungsmaterial in dem Hohlraum zwischen dem Formteil und dem Schwingelement ringför­ mig eingebracht ist.

Es zeigt sich, dass durch die topfförmige Ausgestaltung des Schwingelementes und der Verwendung von geschlosssenporigem Schaumstoff als Dämpfungsmaterial auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingungsmembran weitgehend die unerwünschten Schallnebenkeulen unterdrückt werden können. Zudem kann das Dämp­ fungsmaterial den durch den zweiten Schwingungsbauch abgestrahlten Anteil des Schall­ strahls absorbieren und in diesem Bereich der Schwingmembran auch keinen Empfang von Echosignalen zulassen. Aufgrund der Verwendung des geschlossenporigen Schaumstoffs als Dämpfungsmaterial kann die Membran unter diesem Dämpfungsmaterial ungehindert schwingen, was auch erklärt, warum die abgestrahlte Welle in einem sogenannten Wellen­ sumpf, gebildet aus dem Dämpfungsmaterial, vernichtet werden kann.

Der Erfindung liegt dabei der Gedanke zugrunde, die Bedämpfung des Schwingsys­ tems nicht in das Schwingtöpfchen einzubringen, sondern auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran. Das Dämpfungsmaterial wird ringförmig auf der Außenseite der Schwingmembran aufgebracht und deckt den Bereich zwischen inneren und äußeren Schwingungsknoten vollständig ab. Bei einer solchen Ausbildung absorbiert das Dämpfungsmaterial den durch den zweiten Schwingungsbauch abgestrahlten Anteil des Schallstrahls und läßt in diesem Bereich der Schwingmembran auf keinen Empfang von Echosignalen zu. Für dieses Dämpfungsmaterial wird ein geschlossenporiger Schaumstoff verwendet. Für dieses Dämpfungsmaterial kann auch ein Silikonkautschuk verwendet wer­ den.

Bei einer bevorzugten Ausführung ragt das Dämpfungsmaterial noch über den äuße­ ren Rand der Schingmembran hinaus und umschließt zugleich die umlaufende Topfwan­ dung. Vorteilhaft ist, dass das Dämpfungsmaterial hier zu einem Formteil ausgearbeitet werden kann. Somit kann das Schwingelement einfach in das Formteil eingepreßt werden, was den fertigungstechnischen Aufwand erheblich reduziert.

Ausführungsbeispiele

Die Zeichnungen zeigen aufgrund der zeichnerischen Vereinfachung in schematischer, stark vergrößerter Weise ohne Anspruch auf eine maßstabsgetreue Wiedergabe Ausfüh­ rungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung ohne Beschränkung derselben auf diese in

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführung des Ultraschallwandlers.

Fig. 2 ein Beispiel für ein Richtdiagramm eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

Fig. 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers.

Fig. 5 eine Schnittzeichnung einer Schwingmembran in Betrieb auf 1. Oberschwingung und

Fig. 6 ein Richtdiagramm eines herkömmlichen Ultraschallwandlers.

In Fig. 5 sind ein herkömmlicher Ultraschallwandler mit einem topfförmigen Schwingelement 1, seiner Schwingmembran 2 und der auf der Innenseite des Schwingele­ ments befestigte piezokeramische Schwinger 3 zu sehen. Die beiden Drähte 4 dienen zum elektrischen Anschluß des Schwingers. Wegen der besseren Übersicht ist in der Zeichnung das üblicherweise in das Schwingtöpfchen eingebrachte Dämpfungsmaterial nicht darge­ stellt.

Die Schwingmembran schwingt auf ihrer 1. Oberschwingung. Die Momentaufnahmen der maximalen Membranauslenkungen zeigen den im Mittelpunkt der Membran liegenden Schwingungsbauch 22, den sich daran anschließenden rotationssymmetrischen Schwin­ gungsknoten 21, den äußeren rotationssymmetrischen Schwingungsbauch 23 und den äu­ ßeren Schwingungknoten 20, der mit dem Aufhängepunkt der Membran zusammenfällt.

In dem Richtdiagramm in Fig. 6 sieht man die für einen herkömmlichen Ultraschall­ wandler gemäß Fig. 5 typische rotationssymmetrische Hauptschallkeule 100 und die rotati­ onssymmetrische Schallnebenkeule 101.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ultraschall­ wandlers. Auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran 2 ist ringförmig ein Dämpfungsmaterial 30 aufgebracht. Das Dämpfungsmaterial deckt die Schwingmembran zwischem dem inneren Schwingungsknoten 21 und dem äußeren Schwingungsknoten 20 vollständig ab.

Über die Materialeigenschaften und die Schichtdicke des Dämpfungsmaterials wird das Nachschwingverhalten des Schwingsystems und die Bedämpfung der Schallnebenkeule eingestellt. Neben der halbkreisförmigen Ausgestaltung der Wulst sind auch andere Formen möglich. Wichtig ist nur, dass die Wulst eine Materialstärke hat, die die Schallnebenkeule ausreichend bedämpft.

Das Richtdiagramm des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers in Fig. 2 zeigt, dass durch das außen auf der Schwingmembran aufgebrachte Dämpfungsmaterial nunmehr die Nebenschallkeule vollständig unterdrückt wird. In der bevorzugten Ausführung in Fig. 3 umschließt das Dämpfungsmaterial 40 zusätzlich die umlaufende Topfwandung des Schwingelements 1. Das Dämpfungsmaterial ist zu einem Formteil ausgearbeitet, in dem das Schwingelement nachträglich eingepreßt und durch eine umlaufende Lippe 41 gehalten wird.

Das Schwingelement und das Formteil können anschließend durch Preßsitz in ein Gehäuse eingebracht werden. Es ist auch möglich, das Dämpfungsmaterial durch ein Spritzverfahren direkt auf das Schwingelement aufzutragen. In diesem Fall ist das Dämp­ fungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden, wodurch Wasser- und Schmutzein­ schlüsse zwischen Dämpfungsmaterial und Schwingkörper vermieden werden.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers ist in Fig. 4 das Schwingelement 1 in ein dünnwandiges Formteil 50 eingesetzt. Die kleinere Trichteröffnung hat einen Durchmesser, der etwa dem des Schwingungsknoten 21 ent­ spricht. Der Rand dieser Trichteröffnung und die Schwingmembran sind mit einem Silikon­ kautschuk 52 abgedichtet. Das Formteil ist vorzugsweise aus einem schlag- und witterungsfesten Kunststoff gefertigt. In dem Zwischenraum zwischen Schwingelement und Formteil ist ein Dämpfungsmaterial 51 eingebracht. Da das Dämpfungsmaterial in dieser Ausführungsform gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt ist, kann hierfür auch ein flo­ ckiger Stoff wie Glaswolle benutzt werden.

Es zeigt sich, dass vorteilhafterweise der erfindungsgemäße Ultraschallwandler, wel­ cher aus einem topfförmigen Schwingelement und einem auf dem Topfboden aufgebrachten piezokeramischen Schwinger aufgebaut ist, mitunter seine größte Empfindlichkeit haben kann, wenn er auf der 1. Oberschwingung betrieben wird. In dieser Betriebsart bildet sich jedoch ein Schallstrahl mit einer rotationssymmetrischen Hauptschallkeule und einer rotati­ onssymmetrischen Schallnebenkeule aus.

Erfindungsgemäß wird auf der Schwingmembran der ringförmige Bereich zwischen innerem und äußerem Schwingungsknoten mit einem akustischen Dämpfungsmaterial ab­ gedeckt. Diese vorteilhafte Ausgestaltung bewirkt, dass die Schallnebenkeule vollständig unterdrückt wird und so die Hauptschallkeule mit ihrer vollen Empfindlichkeit für die ein­ gangs beschriebenen Meßaufgaben genutzt werden kann. Das aufgebrachte Dämpfungsma­ terial dämpft zusätzlich das Schwingsystem, wodurch die üblicherweise in das Schwing­ töpfchen eingebrachte Bedämpfung entfallen kann. Über den Durchmesser und die Dicke der Schwingmembran kann der Öffnungswinkel der Hauptschallkeule variiert werden.

Claims (4)

1. Ultraschallwandler zur Aussendung und zum Empfang von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem gasförmigen Ausbreitungsmedium, bestehend aus einem topfförmigen Schwingelement (1) mit einer umlaufenden Seitenwand, wobei auf dem als Schwingmembran (2) wirkenden Topfboden ein piezokeramischer Schwinger (3) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Ausbreitungsmedium zugewandten Seite der Schwingmembran (2), ausgehend vom ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran bis zum äußeren Rand des Schwingelements, ein geschlossenporiger Schaumstoff als Dämpfungsmaterial (30, 40, 51) ringförmig aufgebracht ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung des Schwingelements in einem Gehäuse das aufgebrachte Dämpfungsmaterial noch über den äußeren Rand des Schwingelements hinausragt und zugleich den Topfman­ tel mit umschließt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das aufge­ brachte Dämpfungsmaterial fest mit dem Schwingelement verbunden ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein dünnwandiges, trichterförmiges Formteil ausreichender mechanischer Stabilität vor der Schwingmembran angebracht ist und die kleinere Öffnung des Formteils einen Durchmesser hat, der in der gleichen Größenordnung liegt wie der des ersten Schwingungsknotens der Schwingmembran und dass diese Öffnung zentriert über dem ersten Schwingungsknoten auf der Schwingmembran liegt, wobei das Dämp­ fungsmaterial in dem Hohlraum zwischen dem Formteil und dem Schwingelement ringförmig eingebracht ist.