DE4209374C2 - Luftultraschallwandler - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Luftultraschallwand­ ler, gebildet aus einer oder mehreren freitragend angeordneten Folien aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polymerma­ terial und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Anregungs­ signals, wobei die Folie bzw. Folien einseitigen Wölbungen aufweisen.

Unter Folien mit einseitiger Wölbung sind hierbei solche zu verstehen, die nur in einer in der Folienebene verlaufenden gedachten Schnittlinie eine Wölbung aufweisen, nicht hingegen in einer zu der gedachten Schnittlinie senkrecht verlaufendn Schnittlinie.

Aus der DE 25 08 555 C2 is tein piezoelektrischer piezoakustischer Wandler, gebildet aus einer durch ein gekrümmtes steifes Halteelement gehaltenen gewölbten piezoelektrischen Membran bekannt. Eine Ausführungsform dieses bekannten Wandlers weist eine rechteckige Membran auf, mit einem viereckigen Halteelement, wobei ein gegenüberliegendes Seitenpaar entgegengesetzt gekrümmt ist als das andere, so daß eine sattelförmige Membran entsteht.

Aus der US-Patentschrift 3 832 580, der DE 25 08 556 C2 sowie der DD-Patentschrift 224 503 sind Luftultraschallwandler bekannt, bei denen die piezoelektrische Folie durch einen rückwärtigen Schaumstoffkörper mechanisch un­ terstützt und zugleich bedämpft wird (siehe US-PS 3 832 580, Fig. 21, 22, 24; DE 25 08 556 C2, Fig. 3; DD-PS 224 503, Fig. 1, 3. Die Dämpfung, die aus den mechani­ schen Verlusten in dem Polymermaterial und der rückwärtigen Dämpfung bei schaumstoffunterstützten Folien resultiert, führt zu einer deutlich größeren Bandbreite als dies bei piezokerami­ schen Schwingern üblich ist. Mit der erhöhten Dämpfung nimmt jedoch gleichzeitig die Schalleistung ab. Aus der US-Patent­ schrift 3 832 580 ist es auch bekannt, einen Schallwandler aus mehreren gleichartigen nebeneinander in einer Ebene angeordne­ ten Einzelelementen aufzubauen. Weiterhin sind Schallwandler bekannt, bei denen eine mehrfach gewölbte Oberfläche durch die entsprechende Formgebung einer einzigen zusammenhängenden Pie­ zopolymerfolie realisiert wird. Nach der DDR-Patentschrift 224 503 können die Wölbungen parallel oder in Form konzen­ trischer Ringe angeordnet sein. Die Scheitelpunkte der Wölbung liegen in einer Ebene, um in Richtung der akustischen Wandler­ achse eine konphase Schallabstrahlung zu erreichen.

Aus den US-Patentschriften 4 460 841 und 4 395 652 sind auch Mehrelementschallwandler bekannt, bei denen durch entsprechende geometrische Anordnung der Einzelelemente die Richtcharakteri­ stik beeinflußt werden soll. Gemäß einer Ausführungsform nach der US-Patentschrift 4 395 652 (Fig. 5) besteht der Ultra­ schallwandler aus einem Substrat, auf dem eine Rückelektrode angeordnet ist, die aus konzentrisch angeordneten ringförmigen Bereichen besteht, wobei der Mittelpunkt der Radien der ring­ förmigen Bereiche mit dem Brennpunkt des Wandlers zusammenfällt und wobei die Radien der ringförmigen Bereiche sich jeweils um eine Wellenlänge der erzeugten Schallfrequenz unterscheiden. Auf dieser Rückelektrode ist dann ein polymerer piezoelektri­ scher Film aufgebracht sowie eine Frontelektrode. Die genannte unterschiedliche Bemessung der Krümmungsradien soll dazu die­ nen, daß bei konphaser Anregung der konzentrischen Schwingerbe­ reiche eine Verstärkung der Ultraschallwellen im Brennpunkt stattfindet.

Für komplexe Meßaufgaben im Bereich der Ultraschallsensorik, wie beispielsweise die schallbasierte Objektidentifikation und die akustische Bildverarbeitung sind Luftultraschallwandler mit großer Bandbreite und variabel gestaltbarer Richtcharakteristik erwünscht. Der eingangs beschriebenen bekannten Piezopolymerfo­ lienwandler weisen zwar eine relativ große Bandbreite auf, diese ergibt sich jedoch durch die hohe mechanische Dämpfung aus den mechanischen Verlusten in dem Polymermaterial oder der rückwärtigen Dämpfung bei schaumstoffunterstützten Folien. Die für die Erhöhung der Dämpfung erforderliche Schaumstoffunter­ stützung schränkt außerdem den Anwendungsbereich der Piezopoly­ merfolienwandler in erheblichem Maße ein. Bei hoher Luftfeuch­ tigkeit bzw. Einwirkung von Spritzwasser können die für Piezo­ folienwandler bekannten geeigneten Dämpfungsmaterialien Feuch­ tigkeit aufnehmen, woraus eine unerwünschte, oft nicht erfaß­ bare Beeinflussung der Wandlerparameter und der resultierenden Schalldruckamplitude resultiert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Luftul­ traschallwandler anzugeben, die eine große Bandbreite mit großer Schalleistung vereinen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Luftultraschall­ wandler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Angabe "freitragend angeordnet" bedeutet hierbei, daß die piezoelek­ trischen Folien nur im Bereich ihrer Ränder bzw. Schwingungs­ knoten mechanisch gehaltert oder unterstützt sind, im übrigen Bereich aber frei schwingen können.

Die einzelnen Wölbungen der piezoelektrischen Folie bzw. die einzelnen Folien können so ausgebildet und angeordnet sein, daß neben einer großen Bandbreite auch eine gewünschte Abstrahlcha­ rakteristik erzielt wird.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Folie bzw. die Folien Wölbungen mit sich kontinuier­ lich änderndem Krümmungsradius auf.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Folie bzw. Folien parallel oder konzentrisch zueinander ange­ ordnete Wölbungen auf mit unterschiedlichen Krümmungsradien.

Der erfindungsgemäße Luftultraschallwandler kann entweder aus einer einzigen Folie mit mehreren Wölbungen bestehen, wobei an den Grenzen benachbarter Wölbungen Stege angeordnet sind, die dort Schwingungsknotenlinien definieren, oder auch aus mehreren unterschiedlichen Wölbungen versehenen Folien bestehen.

Ausführungsformen der Erfindungen sind im folgenden anhand der Figuren beschrieben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Seitenansicht und Draufsicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt eines Einzelelements für einen Wandler, der aus einem Stapel mehrerer solcher Ele­ mente aufgebaut ist gemäß einer zweiten Ausführungs­ form der Erfindung.

Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung im Querschnitt.

Fig. 6 und 7 zeigen Draufsicht und Seitenansicht einer vier­ ten Ausführungsform der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 und 2 besteht ein Ultraschallwandler aus einer piezoelektrischen Polymerfolie 1, einem zur Halterung der Poly­ merfolie 1 dienenden Grundkörper 5, an dem die Polymerfolie 1 eingespannt ist, sowie Stegen 2 zur Unterstützung der Polymer­ folie 1. Wie Fig. 2 zeigt, sind die Stege 2 so angeordnet, daß sie untereinander und zur Randeinspannung 3 nicht parallel verlaufen, wodurch sich der Wölbungsradius der piezoelektri­ schen Folie 1 für jede Teilwölbung in axialer Richtung kontinu­ ierlich verändert. Jede piezoelektrische Polymerfolie 1 besteht aus einem geeigneten Polymermaterials, z. B. Polyvinylidenfluo­ rid sowie auf beiden Seiten angebrachten metallischen Elektro­ den aus Nickel-Kupfer oder Gold zur Anlegung eines Anregungssi­ gnals.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Teilelementes eines erfindungsgemäßen Luftultraschallwandlers. Ein Luftultra­ schallwandler ist aus einem Stapel mehrerer solcher Elemente aufgebaut, wobei die Krümmungsradien der Einzelelemente zur Er­ zielung einer gewünschten Breitbandigkeit unterschiedlich be­ messen sind. Die übereinandergestapelten Einzelelemente können elektrisch parallel geschaltet oder gegeneinander elektrisch isoliert angeordnet sein. Es besteht somit die Möglichkeit, beispielsweise Senden und Empfangen sowohl bei Parallelschal­ tung aller Einzelelemente vorzunehmen, als auch mit verschie­ denen Elementen für Senden und Empfangen.

Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung weisen jeweils jeweils eine zusammenhängende Piezofolie auf, bei denen die Verbindungslinie der Scheitelpunkt der Wöl­ bungen nicht in einer Ebene liegt, sondern wie in Fig. 4 eine konvexe Wölbung aufweist oder wie in Fig. 5 eine konkave Wöl­ bung aufweist. Durch diese Anordnung wird eine zusätzliche Be­ einflussung der Richtcharakteristik erreicht. Bei konkaver Krümmung wird das Schallsignal auf einen Punkt in Richtung der akustischen Wandlerachse fokussiert, während bei konvexer Krüm­ mung der akustische Öffnungswinkel in der Ebene senkrecht zu den Achsen der Einzelwölbungen vergrößert wird, im Vergleich zu einem Wandler, bei dem die Scheitelpunkte der Wölbungen auf einer Geraden liegen.

Fig. 6 und 7 zeigen die Draufsicht und die Seitenansicht eines ringförmigen Schallwandlers, wobei die Wölbungen der Pie­ zopolymerfolie 1 als von den Stegen 2 und der Randeinspannung 3 begrenzte Kreissegmente ausgebildet sind, so daß der Wölbungs­ radius der Piezopolymerfolie 1 mit zunehmendem Abstand vom geo­ metrischen Mittelpunkt des Wandlers kontinuierlich wächst. Da der Wölbungsradius nach außen hin kontinuierlich größer wird, schieben sich die Abschnitte der maximalen Wandlerempfindlich­ keit mit kleiner werdender Frequenz ebenso nach außen. Das Ver­ hältnis des scheinbaren Wandlerdurchmessers zur Schallwellen­ länge im Umgebungsmedium bleibt daher näherungsweise konstant. Dies bewirkt einen von der Frequenz unabhängigen Öffnungswin­ kel. Zur Fokussierung oder zur Vergrößerung des Öffnungswinkels können die Wölbungen auch schräg gegenüber der Abstrahlrichtung angeordnet werden. Im dargestellten Fall sind die Winkel aller Scheitellinien gegenüber der Hauptabstrahlrichtung gleich groß und kleiner als 90°. Auf diese Weise wird das Schallsignal auf einen vorgegebenen Punkt in der Hauptstrahlrichtung fokussiert.

Aus der Überlagerung der Schalldruckamplituden geometrisch ver­ schiedener Einzelelemente mit unterschiedlichen Bandmittenfre­ quenzen resultiert eine große Bandbreite des Wandlers. Durch Variation der geometrischen Lage der Einzelwölbungen zueinander ist die Abstrahlcharakteristik des Wandlers in weiten Bereichen einstellbar. Ein große Bandbreite ist Voraussetzung für die ef­ fektive Anwendung von Verfahren der digitalen Signalverarbei­ tung von Ultraschallsignalen zur akustischen Objektidentifika­ tion.

Claims (6)

1. Luftultraschallwandler, gebildet aus einer oder mehreren freitragend angeordneten Folien aus piezoelektrischem Material, insbesondere Polymermaterial, und Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Anregungssignals, wobei die Folie bzw. Folien einseitige Wölbungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien Wölbungen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen.

2. Luftultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien Wölbungen mit sich kontinuierlich änderndem Krüm­ mungsradius aufweisen (Fig. 2, 6, 7).

3. Luftultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie bzw. Folien nebeneinander, insbesondere parallel zueinander oder konzentrisch zueinander, angeordnete Wölbungen mit unterschiedlichen Krümmungsradien aufweisen (Fig. 3, 4, 5).

4. Luftultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus einer einzigen Folie mit mehreren Wölbungen besteht, wobei an den Grenzen benachbarter Wölbungen Stege angeordnet sind, die dort Schwingungsknotenlinien definieren (Fig. 1, 2, 4, 5, 6, 7).

5. Luftultraschallwandler nach einem oder mehreren der Ansprü­ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler aus mehreren Folien besteht (Fig. 3).

6. Luftultraschallwandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine ringförmige Aus­ bildung des Wandlers, wobei die Wölbungen als Kreissegmente ausgebildet sind, so daß der Krümmungsradius nach außen konti­ nuierlich größer wird (Fig. 6, 7).