DE4313229A1 - Ultraschall-Wandleranordnung mit einem Dämpfungskörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ultraschall-Wandleranordnung mit einem an einen Arbeitsfrequenzbereich angepaßten piezo­ elektrischen Wandlerteil, der mit einem Dämpfungskörper verbunden ist, wobei der Dämpfungskörper Teilchen enthält, die für Ultraschallwellen mit Frequenzen aus dem Arbeits­ frequenzbereich Streuzentren bilden.

Das Impuls- und Frequenzverhalten einer Ultraschall-Wand­ leranordnung wird auch von seiner akustischen Dämpfung be­ einflußt. Dazu ist ein zur Ultraschall-Wandleranordung ge­ hörender Wandlerteil an der der Abstrahlseite gegenüberlie­ genden Seite mit einem Dämpfungskörper verbunden. Der vom Wandlerteil in den Dämpfungskörper einlaufende Anteil der akustischen Schallwellen soll im Dämpfungskörper vollstän­ dig absorbiert werden, um störende Reflexionen zu unter­ binden.

Ein Dämpfungskörper der eingangs genannten Art ist in dem Artikel von Kossoff mit dem Titel: "The Effects of Backing and Matching on the Performance of Piezoelectric Ceramic Transducers", erschienen in IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU-13, No. 1, March 1966, pp. 20 bis 31, beschrieben. Die Rückseite eines PZT-Wandlerteils ist mit einem Dämpfungskörper akustisch gekoppelt, um die nach hinten abgestrahlte Schallenergie zu absorbieren. Der Dämp­ fungskörper kann aus einem Epoxidharz bestehen, worin Metallteilchen als Füllstoffe eingebracht sind. Um eine größere Dichte der Füllstoffe zu erhalten, ist dort auch angegeben, das Harz in einer rotierenden Zentrifuge aus­ härten zu lassen. Damit erhält man Anpassungsschichten mit einer variablen akustischen Impedanz. Die sich einstellende Packungsdichte und die Verteilung der Füllstoffe im Dämp­ fungskörper ist jedoch schlecht zu steuern bzw. einzu­ stellen. Für die Funktion des Dämpfungskörpers maßgebende Parameter variieren herstellungsbedingt. Dämpfungskörper mit reproduzierbaren Eigenschaften wären wünschenswert.

Ein Parameter, der in hohem Maße das Frequenzverhalten der Wandleranordnung beeinflußt, ist die akustische Impedanz. Eine Wandleranordnung arbeitet schmalbandig, wenn ein hoher Anteil der Schallenergie an der Grenze zwischen Wandler und Dämpfungskörper reflektiert wird. Andererseits arbeitet eine Wandleranordnung breitbandig, wenn die an der Grenz­ fläche Wandler und Dämpfungskörper auftreffende Schallener­ gie nahezu vollständig in den Dämpfungskörper eintreten kann. Der Reflexionsgrad der Schallenergie ist bestimmt durch das Verhältnis der akustischen Impedanzen von Wand­ lerteil und Dämpfungskörper. Liegt die akustische Impedanz des Dämpfungskörpers im Bereich des Wandlerteils, sind die Reflexionen an der Grenzfläche niedrig; die Reflexionen steigen mit zunehmendem Abstand der akustischen Impedanzen voneinander.

Je nach gewünschtem Einsatzbereich und Aufbau der Wandler­ anordnung wäre es auch wünschenswert andere Eigenschaften des Dämpfungskörpers, wie z. B. den elektrischen Widerstand oder die Dielektrizitätskonstante, genau einzustellen. Über einen elektrisch leitfähigen Dämpfungskörper kann z. B. das elektrische Ansteuersignal dem Wandlerteil zugeführt oder vom Wandlerteil abgegriffen werden. Für die Herstellung vorteilhaft wären Dämpfungskörper mit einer hohen Härte.

Einige an einen Dämpfungskörper gestellte Anforderungen, widersprechen sich jedoch. So sind z. B. in einem homogenen Material eine gute elektrische Leitfähigkeit und ein di­ elektrisches Verhalten per se nicht gemeinsam realisierbar. Es ist somit nicht möglich, alle an sich wünschenswerten Eigenschaften in einem herkömmlichen Dämpfungskörper gleichermaßen zu verwirklichen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Wandler­ anordnung mit einem Dämpfungskörper anzugeben, der ver­ schiedene Anforderungen, z. B. bezüglich der akustischen Eigenschaften, des benötigten Raumbedarfs, der Herstellbar­ keit oder der Genauigkeit der Parameter, gut erfüllen kann. In jedem Fall sollen störende Reflexionen oder Mehrfachre­ flexionen an der der Abstrahlseite gegenüberliegenden Rück­ seite des Wandlerteils vermieden werden, was bedeutet, daß einmal in den Dämpfungskörper eingetretene Schallwellen darin nahezu vollständig absorbiert werden sollen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Dämpfungskörper aus mindestens zwei miteinander verbundenen Dämpfungs­ schichten aufgebaut ist, die sich in mindestens einer die Wirkung der Dämpfungsschicht beeinflussenden Eigenschaft unterscheiden.

Durch den Schichtaufbau ist es möglich auch sich wider­ sprechende Eigenschaften, wie z. B. die akustische Impe­ danz, die Härte, den elektrischen Widerstand oder die Dielektrizitätskonstante, zu realisieren und gezielt einzu­ stellen. Von besonderem Vorteil ist dabei, daß die interes­ sierenden Größen, wie z. B. die akustische Impedanz, der jeweiligen Dämpfungsschicht eingestellt und gemessen werden können. Durch eine geeignete Kombination der Dämpfungs­ schichten mit genau eingestellten Eigenschaften kann ein auf die Anforderungen optimal abgestimmter Dämpfungskörper hergestellt werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß der Dämpfungskörper aus mindestens drei miteinander verbundenen Dämpfungsschichten aufgebaut ist und daß die mindestens eine Eigenschaft mit der Schichtenfolge eine fallende oder steigende Reihe bildet. So kann z. B. die akustische Impedanz je nach gefordertem Frequenzverhalten der Wandleranordnung eine fallende oder steigende Reihe bilden. Das wirkt sich vorteilhaft auf die Aufteilung der Schallintensität in durchgehende und reflektierte Anteile an den Grenzflächen aus. Für schmalbandige Wandleranord­ nungen wird ein hoher Wirkungsgrad und damit ein hoher Reflexionsgrad an der Grenze Wandler und erste Dämpfungs­ schicht angestrebt. Die durchtretende zu absorbierende Schallintensität ist gering. Bei breitbandigen Wandleran­ ordnungen soll der Reflexionsgrad an der Grenze Wandler und erster Dämpfungsschicht möglichst gering sein. Der größte Teil der Schallintensität, die nach hinten abgestrahlt wird, tritt in den Dämpfungskörper über und wird dort mög­ lichst vollständig absorbiert.

Während bei der an den Wandler angrenzenden Dämpfungs­ schicht die akustische Impedanz die Auswahl der Materialien zum Aufbau der Dämpfungsschicht bestimmt, können nun bei den weiteren Dämpfungsschichten in fallenden oder steigen­ dem Abstufungen die zusätzlichen geforderten Eigenschaften, wie z. B. der Dämpfungsgrad, die Materialauswahl zum Aufbau der Schichten bestimmen. Mit anderen Worten: obwohl sich einige an den Dämpfungskörper gestellte Anforderungen widersprechen, weist der Dämpfungskörper durch den Schicht­ aufbau alle gewünschten Eigenschaften, insbesondere an der Wandlergrenze und an der dem Wandler gegenüberliegenden Grenzfläche auf.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß die Dämpfungsschichten ein Kunstharz ent­ halten und daß die Verbindung der Dämpfungsschichten mit dem Kunstharz erfolgt, das in den Dämpfungsschichten ent­ halten ist. Damit ist eine blasenfreie Verbindung der ein­ zelnen Dämpfungsschichten herstellbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß mindestens eine Dämpfungsschicht aus einem mit einem aushärtbarem Material getränkten Metallsinter­ körper besteht. Über die Auswahl des Metalls, der Größe und Form der zu sinternden Metallteilchen und des Sinterpro­ zesses kann bei gegebener elektrischer Leitfähigkeit die akustische Impedanz und die Dämpfungseigenschaft der Dämp­ fungsschicht eingestellt werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da­ durch aus, daß mindestens eine Dämpfungsschicht eine hohe Härte aufweist. Dies wird z. B. durch die Verwendung von pulverförmigem keramischem Material, pulverförmigen Hart­ metallen oder Hartmetall-Legierungen als Füllstoff er­ reicht.

Zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstanten enthält in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung mindestens eine Dämp­ fungsschicht ein pulverförmiges piezokeramisches Material.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Ausführungsbeispielen be­ schrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine breitbandig arbeitende Ultraschall-Wandleranord­ nung mit einem piezokeramischen Wandlerteil, wobei die Dämpfungsschichten des Dämpfungskörpers mit zu­ nehmendem Abstand vom Wandlerteil für die akustische Impedanz eine fallende Reihe bilden, und

Fig. 2 eine schmalbandig arbeitende Ultraschall-Wandler­ anordnung mit einem aus fünf Schichten bestehenden Dämpfungskörper, wobei die Dämpfungsschichten mit zunehmendem Abstand vom Wandlerteil für die Impedanz eine steigende Reihe bilden.

Fig. 1 zeigt eine Ultraschall-Wandleranordnung für medizi­ nische Diagnostik oder Therapie mit einem piezokeramischen Wandlerteil 2, an dessen Rückseite ein Dämpfungskörper 4 befestigt ist. Der piezokeramische Wandlerteil ist z. B. als Einzelschwinger ausgebildet, der an gegenüberliegenden Seiten mit einer vorderseitigen Elektrode 6 bzw. einer rückseitigen Elektrode 8 versehen ist. Der piezoelektrische Wandlerteil 2 ist so polarisiert, daß bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 6 und 8 eine Schallwelle erzeugt wird, die sowohl von der Vorderseite, identisch mit der Elektrode 6, und von der Rückseite, iden­ tisch mit der Elektrode 8, abgestrahlt wird. Die vorder­ seitig abgestrahlte Schallenergie, die hier durch einen Pfeil 9 symbolisiert ist, wird als Nutzenergie bezeichnet, die in ein Untersuchungsgebiet gesendet wird. Die Nutzener­ gie umfaßt auch an der Grenzfläche der Elektrode 8 zum Dämpfungskörper 4 reflektierte Anteile.

Der Reflexionsfaktor an Grenzflächen wird bestimmt durch das Verhältnis der akustischen Impedanzen der Materialien, die an der Grenzfläche aneinanderstoßen. Bei der Ultra­ schall-Wandleranordnung nach Fig. 1 ist der Reflexionsfaktor der Intensität der Schallwelle zwischen dem Wandlerteil 2 und dem Dämpfungskörper 4 auf ungefähr 0,1% eingestellt. Das bedeutet, daß die von dem Wandlerteil 2 in Richtung Dämpfungskörper 4 laufende Schallwelle zu 0,1% an der Grenzfläche reflektiert und zu 99,9% durch die Grenzfläche hindurch in den Dämpfungskörper 4 einläuft. Die Wandleran­ ordnung nach Fig. 1 arbeitet somit breitbandig und zeigt ein gutes Impulsverhalten.

Der Dämpfungskörper 4 ist hier aus 6 Dämpfungsschichten 10, 12, 14, 16, 18 und 20 aufgebaut, wobei der Schichtaufbau parallel zu der Grenzfläche Wandlerteil 2 und Dämpfungs­ körper 4 verläuft. Die akustische Impedanz der Dämpfungs­ schichten 10 bis 20 bildet mit zunehmendem Abstand vom Wandlerteil 2 eine fallende Reihe. Bei der Dämpfungsschicht 10 ist die akustische Impedanz auf Z = 28·10⁶ kg/m²s (= MRayl) eingestellt. Das wird durch eine Zusammensetzung der Dämpfungsschicht 10 aus 89 Gew.-% Nickelpulver als Füll­ stoff 11 Gew.-% Epoxidharz erreicht. Die Dämpfungsschicht 10 hat eine mittlere Dichte von 5,22 g/cm³. Die Reflexion an der Grenze Wandler 2 und erster Dämpfungsschicht ist mit 0,1% gering.

Die zweite Dämpfungsschicht 12 besteht aus 89 Gew.-% pulverförmigem Kupfer in 11 Gew.-% Epoxidharz. Bei einer Dichte von 5,59 g/cm³ wird eine akustische Impedanz von Z = 25 MRayl erreicht. Der Reflexionsfaktor an der Grenze von erster und zweiter Dämpfungsschicht 10 bzw. 12 beträgt 0,3%.

Die dritte Dämpfungsschicht 14 besteht aus 60 Gew.-% PZT-Pulver, 29 Gew.-% Wolframpulver und 11 Gew.-% Epoxidharz. Die akustische Impedanz beträgt 22 MRayl, die Dichte 5,28 g/cm³. Der Reflexionsfaktor der Intensität hat den Wert 0,4% an der Grenzfläche von zweiter und dritter Dämpfungs­ schicht 12 bzw. 14.

Die vierte Dämpfungsschicht 16 ist aus 85 Gew.-% Messing­ pulver MS 58 und 15 Gew.-% Epoxidharz zusammengesetzt, die Dichte beträgt 4,36 g/cm³. Der Reflexionsfaktor der Inten­ sität an der Grenze von dritter und vierter Dämpfungs­ schicht 14 bzw. 16 beträgt 1%, die akustische Impedanz 18 MRayl.

Die fünfte Dämpfungsschicht 18 besitzt die akustische Impedanz von 12 MRayl. Dies erreicht man durch 51 Gew.-% Glaskugeln, 26 Gew.-% Wolframpulver und 23 Gew.-% Epoxid­ harz. Die Dichte beträgt 2,90 g/cm³. Der Reflexionsfaktor beträgt 4% an der Grenze von der vierten zur fünften Dämpfungsschicht 16 bzw. 18.

Die sechste Dämpfungsschicht 20 besteht zu 41 Gew.-% aus Magnesiumpulver und zu 59 Gew.-% aus Epoxidharz. Der Reflexionsgrad ist 17%, die Impedanz 5 MRayl. Die Dichte dieser Schicht wird zu 1,37 g/cm³ ermittelt.

Bemerkenswert ist bei diesem Dämpfungskörper 4, daß der Anteil an Epoxidharz mit zunehmender Entfernung der Dämp­ fungsschicht 10 bis 20 von dem Wandlerteil 2 erst gleich bleibt um dann anzusteigen. Damit nimmt auch die Dämpfung mit zunehmender Entfernung von Wandlerteil 2 zu.

Die Dicke der sechsten Schicht 20 ist wesentlich größer als die der fünf vorherigen Schichten 10 bis 18, die sowohl zur Dämpfung als auch zur Weiterleitung der Schallintensität in die Absorberschicht 20 ausgebildet sind.

Der Transmissionsfaktor von Wandlerteil 2 in die Schicht 20 würde ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Dämpfung in den Schichten 10 bis 18 ca. 78% der nach hinten abge­ strahlten Intensität betragen. Tatsächlich bewirkt die Dämpfung in den vorangehenden Schichten 10 bis 18, daß die nach hinten geleitete Schallintensität geringer ist.

Eine schmalbandig arbeitende Ultraschall-Wandleranordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Auch hier besteht wie in Fig. 1 der Wandlerteil 2 aus einer polarisierten Piezokeramik, die an gegenüberliegenden Flächen mit Elektroden 6 und 8 ver­ sehen ist. Hier ist der Dämpfungskörper 4 so aufgebaut, daß 81% der Intensität der auf die Grenzfläche zwischen dem Wandlerteil 2 und dem Dämpfungskörper 4 auftreffenden Schallwelle reflektiert wird, es tritt somit nur eine Schallwelle mit einer Intensität von 19% der ursprüng­ lichen Intensität durch die Grenzschicht in den Dämpfungs­ körper 4 ein.

Der Dämpfungskörper 4 ist hier aus vier aneinandergrenzen­ den Schichten 22, 24, 26 und 28 aufgebaut. Die unmittelbar an den Wandlerteil 2 angrenzende Schicht 22 besteht aus Lithium, das mit einer 3 µm dicken Silberschicht abgedeckt ist. Die akustische Impedanz dieser Schicht beträgt Z = 1,6 MRayl bei einer Dichte von 0,53 g/cm³.

Die zweite Schicht 24 besteht aus reinem Epoxidharz mit einer akustischen Impedanz von Z = 2,7 MRayl und einer spezifischen Dichte von 1,2 g/cm³. Während die ersten beiden Schichten 22 und 24 keine Füllstoffe enthalten, sind die folgenden Schichten mit Füllstoffen versehen. Die Dämp­ fungsschicht besteht aus 59 Gew.-% Epoxidharz mit 4 Gew.-% Magnesiumpulver, wodurch eine akustische Impedanz von Z = 5 MRayl bei einer spezifischen Dichte von 1,38 g/cm³ erreicht wird. Der Reflexionsfaktor an der Grenze beträgt 9%.

Die sich daran anschließende Schicht 28 besteht aus 72 Gew.-% Wismutpulver, 9 Gew.-% dendritischem Kupferpulver und 19 Gew.-% Epoxidharz. Die damit einstellbare akustische Impedanz beträgt Z = 10 MRayl, die Dichte des Materials 4,1 g/cm³. An der Grenze zwischen der dritten und vierten Schicht 26 bzw. 28 werden 11% reflektiert. Ebenfalls ist hier die Dicke der letzten Schicht 28 am größten.

Das Verhältnis der Teilchengröße der pulverförmigen Füll­ stoffe zur Wellenlänge der im Material laufenden Ultra­ schallwelle bestimmt die Wirkung der Teilchen oder Partikel als Streuzentren. Die einzelnen Partikel können wirksame Streuzentren bilden, wenn sie größer sind als ungefähr ein zehntel der Wellenlänge der Ultraschallwelle in dem Ma­ terial. Vorteilhaft liegt die Teilchengröße in der Gegend von 1/4 der Wellenlänge der Ultraschallwelle. Die Teil­ chengrößen liegen z. B. bei einer Wandleranordnung mit einer Mittenfrequenz von 5 MHz in folgenden Bereichen:

Material
Teilchengröße in µm
PZT-Keramik
∼50-300
Glas	∼50-300
Magnesium	∼100-500
Kupfer	∼20-300
Wolfram	∼10-500
Wismut	∼50-300
Nickel	∼20-500
Messing	∼50-500

Die einzelnen Dämpfungsschichten 10-20 und 22-28 sind mit demselben Expoxidharz miteinander verbunden, welches auch in den einzelnen Schichten enthalten ist. Damit ergibt sich eine blasenfreie Verbindung der Dämpfungsschichten untereinander.

Falls eine Dämpfungsschicht eine gute Leitfähigkeit auf­ weisen soll, kann die Schicht auch durch Sintern von Me­ tallpulver mit entsprechenden Teilchengrößen und tränken des Sintergutes mit Kunstharz hergestellt werden. So kann z. B. im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die Dämpfungs­ schicht 10 aus gesintertem mit Epoxidharz getränktem Nickelpulver bestehen.

Die hier beschriebenen Wandleranordnungen umfassen jeweils einen als Einzelwandler ausgebildeten Wandlerteil 2. Der Wandlerteil 2 kann jedoch auch als Array-Wandler mit einer Vielzahl von Elementarwandlern ausgebildet sein.

Claims (12)

1. Ultraschall-Wandleranordnung mit einem an einen Arbeitsfrequenzbereich angepaßten piezoelektrischen Wand­ lerteil (2), der mit einem Dämpfungskörper (4) verbunden ist, wobei der Dämpfungskörper (4) Teilchen enthält, die für Ultraschallwellen mit Frequenzen aus dem Arbeitsfre­ quenzbereich Streuzentren bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskörper (4) aus mindestens zwei miteinander verbundenen Dämpfungsschichten (10, 12, 14, 16, 18, 20 oder 22, 24, 26, 28) aufgebaut ist, die sich in mindestens einer akustischen Eigenschaft unter­ scheiden.

2. Ultraschall-Wandleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Dämpfungsschicht die Eigenschaft homogen ist.

3. Ultraschall-Wandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskörper (4) aus mindestens drei miteinander ver­ bundenen Dämpfungsschichten aufgebaut ist und daß die min­ destens eine Eigenschaft mit der Schichtenfolge eine fallende oder steigende Reihe bildet.

4. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft die akustische Impedanz ist.

5. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Eigenschaft die Dämpfung ist.

6. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsschichten ein Kunstharz enthalten.

7. Ultraschall-Wandleranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ bindung der Dämpfungsschichten mit dem Kunstharz erfolgt, das in den Dämpfungsschichten enthalten ist.

8. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen in jeder Dämpfungsschicht eine nach dem Material und/oder Anteil der Teilchen unterschiedliche Zu­ sammensetzung haben.

9. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dämpfungsschicht eine hohe Härte aufweist.

10. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Dämpfungsschicht pulverförmiges piezokera­ misches Material enthält.

11. Ultraschall-Wandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerteil (2) einen Körper aus polarisierter Piezo­ keramik umfaßt, der an zwei gegenüberliegenden Seiten mit Elektroden (6, 8) versehen ist.

12. Ultraschall-Wandleranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämp­ fungskörper (4) an einer Elektrode (8) befestigt ist.