DE4233256C1

DE4233256C1 - Schall- oder Ultraschallwandler

Info

Publication number: DE4233256C1
Application number: DE4233256A
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Ing Floegel
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 1992-10-02
Filing date: 1992-10-02
Publication date: 1993-12-02
Anticipated expiration: 2012-10-03
Also published as: WO1994007615A1; CA2124952C; DK0615471T3; EP0615471A1; ES2075778T3; EP0615471B1; JP2798501B2; ZA937293B; CA2124952A1; JPH06511131A; AU4819393A; AU664645B2; US5583293A

Description

Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezokeramikscheibe, die zu Radialschwingun gen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umge benden Metallring.

Bei einem Schall- oder Ultraschallwandler mit einer zu Radial schwingungen anregbaren Piezokeramikscheibe ist die Betriebs frequenz üblicherweise die Radialresonanzfrequenz der Piezo keramikscheibe, die durch die Abmessungen der Piezokeramik scheibe bestimmt ist. Der Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt auch die Größe der Schallabstrahlfläche, die für den Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls maßgeblich ist. Bei einem aus der DE-PS 25 41 492 bekannten Ultraschallwand ler der eingangs angegebenen Art ist zur Verringerung des Öffnungswinkels bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramik scheibe auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe eine als Anpaßschicht dienende Schaumstoffplatte aufgeklebt, die eine wesentlich größere Flächenabmessung als die Piezokeramik scheibe hat. Der überstehende Bereich der Schaumstoffplatte ist mit dem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring verbunden, der als Beschwerungsring dient, damit die Grenz fläche zwischen dem Beschwerungsring und der Piezokeramik scheibe eine Knotenfläche darstellt, die beim Betrieb des Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe bleibt. Dadurch wird er reicht, daß die freie Stirnfläche der Anpaßschicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt. Damit der Metall ring diese Wirkung eines Beschwerungsrings ergibt, darf er die Piezokeramikscheibe nicht berühren. Bei diesem bekannten Ultraschallwandler ist zwar die Schallabstrahlfläche gegen über der Fläche der Piezokeramikscheibe vergrößert, die Be triebsfrequenz ist aber weiterhin durch den Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt. Eine Verringerung der Betriebs frequenz kann nur durch Verwendung einer größeren Piezokera mikscheibe erreicht werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schall- oder Ultraschallwandlers der eingangs angegebenen Art, der bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramikscheibe eine gegenüber der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe verringer te Betriebsfrequenz aufweist.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radial schwinger bildet.

Bei dem Schall- oder Ultraschallwandler nach der Erfindung ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe für Radial schwingungen fest gekoppelt, so daß die beiden Teile ein in Radialschwingungen gemeinsam schwingendes Masse-Feder-Element bilden. Die Gesamtfläche des so gebildeten Radialschwingers wirkt als Abstrahlfläche, die mit einer im wesentlichen Gauß′schen Amplitudenverteilung vollkommen gleichphasig schwingt, so daß ein kleiner Öffnungswinkel des Schallstrahls ohne störende Nebenkeulen erzielt wird. Die Radialresonanz frequenz dieses Radialschwingers ist jedoch niedriger als die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe; sie ist von den Abmessungen des Metallrings abhängig. Es ist daher mög lich, durch entsprechende Bemessung des Metallrings unter Verwendung gleicher Piezokeramikscheiben Schall- oder Ultra schallwandler mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen herzu stellen.

Vorzugsweise ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe durch Aufschrumpfen verbunden.

In üblicher Weise kann auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe und dem Metallring gebildeten Radial schwingungers eine Anpaßschicht aufgebracht sein.

Weitere Erläuterungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schall- oder Ultraschallwandler nach der Er findung,

Fig. 2 die Amplitudenverteilung über die Abstrahlfläche des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1,

Fig. 3 die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1 und

Fig. 4 die Frequenzkennlinie des ganzen Schall- oder Ultra schallwandlers von Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Schall- oder Ultraschallwandler besteht aus einer runden Piezokeramikscheibe 10, auf deren beiden Stirnflächen Metallelektroden 12, 14 angebracht sind. Die Piezokeramikscheibe 10 ist von einem Metallring 16 umgeben, der in kraft- und formschlüssiger Verbindung mit der Mantelfläche der Piezokeramikscheibe steht. Der Metallring 16 kann mit der Piezokeramikscheibe 10 beispielsweise durch Auf schrumpfen verbunden sein, d. h., daß er in erwärmtem Zustand um die Piezokeramikscheibe gelegt wird und beim Abkühlen die Piezokeramikscheibe fest umschließt. Der Metallring 16 be steht beispielsweise aus Aluminium.

Wenn an die Elektroden 12 und 14 eine Wechselspannung ange legt wird, wird die Piezokeramikscheibe 10 zu Radialschwin gungen angeregt. Infolge der engen Kopplung mit dem Metall ring 16 werden diese Radialschwingungen auf den Metallring übertragen, so daß sich das ganze Gebilde wie ein einziger Radialschwinger verhält. Durch eine auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe 10 und des Metallrings 16 aufgebrach te Anpaßschicht 18, deren Dicke einer Viertelwellenlänge der erzeugten Schall- oder Ultraschallwelle entspricht, wird er reicht, daß die erzeugte Schall- oder Ultraschallwelle im wesentlichen nur auf dieser Seite abgestrahlt wird.

Fig. 2 zeigt die Amplitudenverteilung der Schwingungen über die ganze Fläche des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 bestehenden Radialschwingers. Die Amplituden verteilung entspricht weitgehend der erwünschten Gauß′schen Verteilung. Die Schwingungen sind über die ganze Fläche gleichphasig, so daß ein Strahlungsdiagramm ohne störende Nebenkeulen erhalten wird, dessen Öffnungswinkel durch die Gesamtfläche des Radialschwingers bestimmt ist.

Fig. 3 zeigt die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe 10, wobei die Radialresonanzfrequenz mit f_R bezeichnet ist. Fig. 4 zeigt im gleichen Maßstab die Frequenzkennlinie des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 gebildeten Ra dialschwingers. Es ist zu erkennen, daß dieser Radialschwin ger im wesentlichen das gleiche Frequenzverhalten wie die Piezokeramikscheibe 10 hat, wobei jedoch die Radialresonanz frequenz wesentlich niedriger ist; sie liegt zwischen der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe 10 und der Radialresonanzfrequenz des Metallrings 16. Durch entsprechen de Bemessung des Metallrings 16 ist es daher möglich, unter Verwendung der gleichen Piezokeramikscheibe 10 eine gewünsch te niedrigere Radialresonanzfrequenz einzustellen.

Die Diagramme von Fig. 2, 3 und 4 lassen erkennen, daß sich der aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 be stehende Radialschwinger hinsichtlich Amplitudenverteilung, Phasenverteilung und Frequenz wie eine Piezokeramikscheibe verhält, die einen größeren Durchmesser als die Piezokeramik scheibe 10 hat.

Claims

1. Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezo keramikscheibe, die zu Radialschwingungen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radialschwinger bildet.

2. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring mit der Piezokeramikschei be durch Aufschrumpfen verbunden ist.

3. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring aus Aluminium besteht.

4. Schall- oder Ultraschallwandler nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe und dem Metall ring gebildeten Radialschwingers eine Anpaßschicht aufge bracht ist.