DE4228345A1 - Ultraschall-wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Wandler zum Senden und Empfangen von Ultraschall-Schwingungen vorgegebener Wellenlänge in einem flüssigen Ausbrei­ tungsmedium. Der Ultraschall-Wandler besteht in den wesentlichen Bauteilen aus einem elektroakustischen Wandlerelement und einer an das flüssige Ausbreitungs­ medium angrenzenden Anpassungsschicht (Ankopplungsschicht), die eine akustische Impedanz (akustischer Wellenwiderstand) hat, die zwischen der des Materials des Wandlerkörpers und der des Ausbreitungsmediums liegt.

Aus der Literatur (z. B. Ludwig Bergmann, "Der Ultraschall", S. Hirzel-Verlag, Stutt­ gart, 1954, Seite 15 bis 20 und Seite 168 bis 170) ist es bekannt, für einen Ultraschall­ wandler ein Anpassungsglied vorzusehen, um die an Grenzflächen reflektierte Energie zu vermindern. Bergmann gibt für die Durchlässigkeit (Verhältnis von durchgehender
zu einfallender Intensität) einer Platte mit der Dicke d und dem Schallwiderstand

Z₂ = ₂ · v₂ zwischen zwei Medien mit den Schallwiderständen
Z₁ = ₁ · v₁ und Z₃ = ₃ · v₃

die Bezeihung

an, wobei

und λ₂ die Wellenlänge des Ultraschalls in der Anpassungsschicht ist.

Der Wellenwiderstand Z eines Mediums ist definiert als Produkt aus der Dichte des Materials und der Schallgeschwindigkeit v der Schallwellen in dem Medium (Z = ·v). Wählt man die Platte aus einem Stoff, dessen Schallwiderstand Z₂ zwi­ schen den Schallwiderständen Z₁ und Z₃ der beiden angrenzenden Medien liegt, so läßt sich bei geeigneter Plattendicke ein weit besserer Schalldurchgang zwischen den beiden Medien erreichen, als wenn diese unmittelbar aneinandergrenzen. Die Durchlässigkeit der Ankopplungsschicht ist also sowohl von den Materialeigenschaften, d. h. dem Wellenwiderstand Z₂, als auch von der Dimensionierung der Schicht, d. h. der Dicke d, abhängig. Nach Bergmann wird ein Maximum für die Schalldurchlässigkeit einer Platte erreicht, wenn der Wellenwiderstand Z₂ der Ankopplungsschicht gleich dem geome­ trischen Mittel der Wellenwiderstände Z₁ und Z₃ der beiden angrenzenden Medien ist.

Für Wasser und Öle liegt der Wellenwiderstand bei etwa 1,5·10⁶ kg/(m²s). Als elektroakustischer Wandlerkörper wird wegen des guten Wirkungsgrades meist Piezoke­ ramik verwendet; beispielsweise beträgt der Wellenwiderstand von Piezoxid PXE 5 der Firma Valvo 28,3·10⁶ kg/(m²s). Das Maximum der Schalldurchlässigkeit ergäbe sich dann für die Anpassungsschicht aus einem optimalen Material mit einem Wellenwider­ stand von etwa 6,5·10⁶ kg/(m²s). Ein Material mit diesem oder einem ähnlichen Wellenwiderstand ist nicht in der Literatur bekannt, (siehe z. B. Krautkrämer "Ul­ traschall-Werkstoffprüfung", Springer-Verlag, 1982, Seite 609, Tabelle A1). Es ist bekannt, daß durch Verwendung von Plexiglas mit einem Wellenwiderstand von etwa 3,2·106 kg/(m²s) eine befriedigende Ankopplung an Flüssigkeiten möglich ist. Der große Nachteil von Plexiglas ist seine unbefriedigende physikalische und chemische Beständigkeit. So ist dieses Material nicht beständig gegen organische Lösungsmittel und aggressive Flüssigkeiten.

In der deutschen Patentschrift 25 37 788 wird ein Verbundwerkstoff als Anpassungs­ schicht an das Ausbreitungsmedium Luft beschrieben, der aus Hohlkugeln aus Glas oder Siliziumdioxid besteht, die mittels eines organischen Harzes, wie Epoxidharz, oder mittels Polystyrol gebunden sind.

In der deutschen Offenlegungsschrift 36 00 639 wird eine Anpassungsschicht aus porenfreiem Glaskeramik-Material beschrieben, das sowohl die Glasphase als auch die kristalline Phase enthält. Die Schallgeschwindigkeit in der Glaskeramik ist etwa gleich der in der reinen Glasphase, während die Dichte etwa 2,5·10³ kg/m³ ist. Eine beson­ ders geeignete Glaskeramik ist der Werkstoff mit dem Handelsnamen "Macor" der Firma Corning Glass Works, New York, USA. Für diesen beträgt die hier interessieren­ de longitudinale Schallgeschwindigkeit etwa 5090 m/s und damit der akustische Wellen­ widerstand etwa 12,8·106 kg/(m²s). "Macor" und Plexiglas zeigen eine vergleichbare Ultraschall-Durchlässigkeit. Da beide Werkstoffe für eine Anpassung an Flüssigkeiten nicht optimal sind, ist die Durchlässigkeit nicht maximal; d. h., es geht nur ein Teil der Ultraschall-Energie durch die Anpassungsschicht. Der restliche Anteil der Ultraschall­ Energie wird an der Anpassungsschicht beim Empfangen in die Flüssigkeit bzw. beim Senden in die Übergangsschicht entsprechend dem Reflexionsgesetz reflektiert. Mit anderen Worten, im Maximum der Schalldurchlässigkeit hat die Schallreflexion ein Minimum. Diese Schallreflexion an einer Anpassungsschicht kann zu erheblichen Störungen führen. Im allgemeinen besteht eine Ultraschall-Meßstrecke zum Messen der effektiven Ultraschallgeschwindigkeit, beispielsweise zur Durchfluß- oder Dichte-Mes­ sung eines Fluides, aus einer freien Meßstrecke mit dem flüssigen Ausbreitungsmedium und einem oder zwei Ultraschall-Wandlern. Bei bekannter Länge der freien Meßstrecke ist die Laufzeit der Ultraschall-Wellen ein Maß für die effektive Ultraschallgeschwindig­ keit. Werden die Ultraschall-Wellen an der Anpassungsschicht der Ultraschall-Wandler reflektiert, so können sekundäre Ultraschall-Wellen durch Mehrfachreflexionen in der freien Meßstrecke auftreten, die sich den primären Ultraschall-Wellen überlagern. Solche an sich bekannten Interferenzen können zur einer Auslöschung der primären Ultraschall-Wellen führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen solchen Ultraschall-Wandler so auszubilden, daß die bekannte Gesetzmäßigkeit der Anpassungsbedingungen möglichst gut erfüllt ist.

Diese Aufgabe wird für einen Ultraschall-Wandler nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichen des Patentanspru­ ches 1 gelöst.

Es wurde gefunden, daß sich ein Verbundwerkstoff aus Glasvollkugeln eingebettet in Epoxidharz herstellen läßt, der eine akustische Impedanz besitzt, die nahezu exakt der optimalen Impedanz entspricht, die für eine maximale Durchlässigkeit der Anpassungs­ schicht für Ultraschall-Wellen an ein flüssiges Ausbreitungsmedium erforderlich ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Ultraschall-Wandlern, die eine λ/4-Anpassungs­ schicht aus dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff besitzten, entsprechend der theoretischen Voraussage vernachlässigbar geringe Reflexionen von einfallenden Ultraschall-Wellen an der Anpassungsschicht entstehen.

Der erfindungsgemäß aufgebaute Ultraschall-Wandler ist also beispielsweise zum Aufbau einer Ultraschall-Meßstrecke für eine Dichte- und Durchfluß-Messung hervor­ ragend geeignet.

Ein erfindungsgemäßer Verbundwerkstoff für eine Anpassungsschicht an Wasser wurde mit einem Ausgangsmischungsverhältnis von einem Gewichtsteil Glasvollkugeln und zwei Gewichtsteilen Epoxidharz hergestellt. Als Glasvollkugeln wurden handelsübliche Perlen mit einem mittleren Durchmesser zwischen 0,17 mm und 0,18 mm verwendet; die Schüttdichte der Glasperlen wurde vom Hersteller mit 1,9·10³ kg/m³angegeben. Die gemessene Schallgeschwindigkeit in diesem Verbundwerkstoff ist etwa 2990 m/s, während die Dichte etwa 2,18·10³ kg/m³ beträgt. Damit ergibt sich ein akustischer Wellenwiderstand (Impedanz) von etwa 6,52·10⁶ kg/(m²s); d. h., die akustische Anpassung von piezoelektrischen Wandlerelementen an Wasser ist nahezu ideal.

Durch Änderung des Mischungsverhältnisses aus Vollkugeln und Epoxidharz ist es möglich, die Dichte und Schallgeschwindigkeit so zu variieren, daß der akustische Wellenwiderstand (Impedanz) an den idealen Wert angepaßt ist, der für ein anderes flüssiges Ausbreitungsmedium mit einem geänderten Wellenwiderstand erforderlich ist. Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff bietet gute mechanische Eigenschaften. Außerdem ist er leicht bearbeitbar und metallisierbar. Dadurch ist die Anpassungs­ schicht mit den erforderlichen Maßen sehr exakt herstellbar und es sind sehr beständi­ ge Verbindungen mit dem Gehäuse zu erzielen. Eine Metallisierung kann zu einer chemischen Beständigkeit und zum Korrosionsschutz auf der der Flüssigkeit ausgesetz­ ten Oberfläche aufgebracht werden.

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

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

Zur Dämpfung der Radialschwingungen des piezoelektrischen Wandlerelementes 2 dient ein Ring 8, der bündig um den zylindrischen Rand des kreisförmigen Wandler­ elementes 2 angebracht ist. Vorzugsweise besteht der Ring 8 aus Metall.

Claims (5)

1. Ultraschallwandler zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallschwingungen vorgegebener Wellenlängen in ein flüssiges Ausbreitungsmedium mit einem Wandlerelement aus piezoelektrischem Material und einer an das Ausbreitungsmedium angrenzenden Anpassungsschicht, die eine akustische Impedanz hat, die zwischen der des Materials des Wandlerelementes und der des Ausbreitungsmediums liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Anpassungsschicht aus Vollkugeln aus Glas oder Siziliumdioxid besteht, die mittels eines organischen Harzes wie Epoxidharz zu einem Verbundwerkstoff gebunden sind, der eine an das flüssige Ausbreitungsmedium angepaßte akustische Impedanz aufweist, so daß Reflexionen an dieser Anpassungsschicht fast vollständig verschwinden.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Verbundwerkstoffes das Ausgangsmischungsverhältnis aus einem Gewichtsteil Glasvollkugeln und etwa zwei Gewichtsteilen Epozydharz besteht.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Frequenz der Ultraschallschwingungen im Bereich von 1 MHz bis 2 MHz der mittlere Durchmesser der Glasvollkugeln Heiner als 0,2 mm beträgt.

4. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ring um den zylindrischen Rand des kreisförmigen, piezoelektrischen Wandlerelementes bündig angebracht ist, um die Radialschwingungen des Wandlerelementes zu dämpfen.

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus Metall besteht.