DE4423639C2

DE4423639C2 - Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen in gasförmigen Medien

Info

Publication number: DE4423639C2
Application number: DE19944423639
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl Phys Knittel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 1994-07-06
Filing date: 1994-07-06
Publication date: 1997-01-23
Anticipated expiration: 2014-07-07
Also published as: DE4423639A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft Ultraschallwandler zum Abstrahlen und Empfang von Ultraschallwellen in gasförmigen Medien, bestehend aus einer piezoelektrischen Keramik und einem Anpassungskörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Durch die DE-25 41 492-C2 ist ein Ultraschallwandler mit einem Piezokörper bekanntgeworden, der piezoelektrisch zu Ultraschallschwingungen anzu regen ist und mit einer auf der einen Stirnfläche des Piezokörpers aufgebrachten Schicht mit einer Dickenabmessung von λ/4 der Schallwelle und aus einem Material mit einer Größe des Schallwellenwiderstandes, die zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Materials des Piezokörpers und demjenigen des Mediums liegt, in das der Ultraschall abzustrahlen ist. Dieses Material ist die Schicht einer Schaumstoffplatte, die eine gegenüber der Flächenabmessung des Piezokörpers wesentlich größere Flächenabmessung mit über den Rand des Piezokörpers überstehenden Bereich hat. An dem überstehenden Bereich der Schaumstoffplatte ist auf der Seite des Piezokörpers ein Beschwerungsring angebracht, der im Vergleich zur Schaumstoffplatte ein derart großes Gewicht hat, daß die Grenzfläche zwischen dem Piezokörper und dem Beschwerungsring einerseits und der Schaumstoffplatte andererseits eine Knotenfläche der Schwingung des ganzen Ultraschallwandlers ist. Ein derartiger Aufbau eines Ultraschallwandlers liefert nur eine ungenügende Schallabstrahlung mit geringem Öffnungswinkel.

Durch die DE-34 01 979-C1 ist ein ähnlicher Ultraschallwandler mit piezoelektrischem Wandlerelement bekanntgeworden, das piezoelektrisch zu Ultraschallschwingungen mit einem geringeren Öffnungswinkel als der Ultraschallwandler des vorgenannten Dokumentes anregbar ist und der auf der einen Stirnfläche einen flächenmäßig wesentlich größeren λ/4-Anpas sungskörper aufweist, der im über den piezokeramischen Wandler radial überstehenden Bereich als λ/2-Schwinger ausgebildet ist. Der Anpassungs körper dient zur Anpassung der akustischen Impedanz zwischen der Piezo keramik und dem umgebenden gasförmigen Medium und besteht aus einem Material mit einer Größe des Schallwellenwiderstandes zwischen dem Wert des Schallwellenwiderstandes des Materials des Wandler elementes und demjenigen des Mediums. Der Anpassungskörper besitzt eine gegenüber der Flächenabmessung des Wandlerelementes größere Flächenabmessung mit einem über den Rand des Wandlerelementes überstehenden Bereich, der als λ/2-Schwinger ausgebildet ist und dessen Dicke λ/2 der Schallwelle beträgt.

Durch die DE-39 11 047-C2 ist ein ähnlich aufgebauter Ultraschallwandler mit einem verbesserten Schallkeulenprofil bekanntgeworden, bei dem die dem Wandlerelement abgewandte Fläche des λ/4-Anpassungskörpers eine zur Hauptfläche des Wandlerelementes verhältnismäßig geringfügig unter schiedliche Fläche, insbesondere einen dazu verhältnismäßig geringfügig abweichenden Durchmesser, aufweist. Auf diese Weise sollen sehr kleine Ultraschallwandler mit starker zentraler Hauptkeule herstellbar sein. Derartige flächenmäßig groß und klein dimensionierte Ultraschallwandler liefern wohl verbesserte Schallabstrahlungen mit geringem Öffnungswinkel bzw. mit einer relativ starken, zentralen Hauptkeule, jedoch sind die Schallkeulenprofile noch nicht günstig genug. Außerdem ist die Winkel verteilung relativ konstant und fest vorgegeben.

Durch die US 5 212 671 ist ein Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen für eine Schalleinkopplung in Flüssig keiten, wie menschliches Gewebe, bekannt geworden, der aus vier Schichten besteht, nämlich aus einer rückwärtigen Schicht, einer Reflexionsschicht, einer piezokeramischen Schicht mit beidseitig aufgebrachten Elektroden sowie einer Anpassungsschicht. Die Anpassungsschicht ist bevorzugt eine homogene Scheibe des Durchmessers der Keramikscheibe. Auf der Rück seite der Keramikscheibe ist die Reflexionsschicht angeordnet, auf der eine dickere rückseitige Materialschicht sich befindet, die eine zentrische, zylinderförmige Erhöhung besitzt, mit der die Materialschicht in ein Ringloch des ringförmigen Reflektors eingreift. Das Zentrum und die Nach barschaft des Zentrums der Piezokeramik schwingen in λ/2-Resonanz, während die ringförmig umgebende Schicht mit λ/4-Resonanz schwingt, womit der Wandler prinzipiell in zwei Resonanzfrequenzen zu schwingen imstande ist. In beiden Fällen führt die Keramik Dickenschwingungen aus. Damit schwingt der innere Teil der Keramikscheibe mit der doppelten Frequenz des äußeren Teils in Resonanz mit einem Verhältnis von 1 : 2.

Technische Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der sowohl eine sehr schmale, als auch eine sehr breite Winkelcharakteristik aufweist, und der Ultraschall wandler zwischen beiden Abstrahlcharakteristiken umschaltbar sein soll.

Offenbarung der Erfindung und deren Vorteile

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäße Ultraschallwandler besitzt den hervorstechenden Vorteil, daß dieser mit einer vorgebbaren entweder sehr schmalen oder breiten Winkelcharakteristik die Schallabstrahlung durchführt, wobei eine besondere Ausführungsform des Ultraschallwandlers in vorteilhafter Weise zwischen den beiden Abstrahlcharakteristiken umschaltbar ist.

Aus der Tatsache, daß üblicherweise bei Ultraschallwandlern des Standes der Technik die Dicke der Anpassungsschicht auf die radiale Grund resonanz der piezoelektrischen Keramik abgestimmt wird, resultiert ein nahezu konstantes Verhältnis zwischen der Dicke der Anpassungsschicht und dem Durchmesser der Piezokeramik, was somit näherungsweise die Schwingungsfrequenz des Ultraschallwandlers festlegt. Mit der Frequenz konstante N_p für die radiale Schwingung der Keramik und dem Keramik durchmesser D_K erhält man für die Ultraschallwandlerfrequenz f:

f = N_p/D_K.

Die Wellenlänge λ errechnet sich mit der Schallgeschwindigkeit c_M im umgebenden Medium, zu:

λ = c_M/f = c_M · D_K/N_p.

Der Öffnungswinkel Θ der Abstrahlcharakteristik ist für kleine Winkel proportional zur Wellenlänge λ und umgekehrt proportional zum Wandler durchmesser D_w:

Θ = λ/D_w.

Da der Durchmesser der abstrahlenden Wandlerfläche D_w ungefähr dem der Piezokeramik entspricht, kann D_w durch D_K ersetzt werden. Substituiert man in der letzten Formel λ durch c_M · D_K/N_p, so erhält man:

Θ ≈ c_M/N_p.

Der Öffnungswinkel wird danach in erster Näherung nur durch Schall geschwindigkeit c_M und Frequenzkonstante der Keramik N_p bestimmt und ist unabhängig von der verwendeten Wandlerfrequenz. Mit c_M = 344 in/sec für die Schallgeschwindigkeit in Luft und N_p = 2000 als typische Frequenzkonstante der Piezokeramik erhält man Θ ≈ 10 Grad.

Ultraschallwandler, die auf dem λ/4-Prinzip beruhen und eine breitere Abstrahlcharakteristik aufweisen (breite Abstrahlkeule), lassen sich nach obiger Betrachtung erfindungsgemäß realisieren, wenn der Durchmesser der Anpassungsschicht wesentlich kleiner als der der Piezokeramik ist (Ultraschallwandler gemäß Patentanspruch 1).

Um hingegen eine gebündelte Schallfeldverteilung zu erzielen (schmale Abstrahlkeule), ist nach obiger Betrachtung der Durchmesser der Anpas sungsschicht wesentlich größer zu wählen als der Durchmesser der Keramik, was bekanntermaßen nur in geringem Umfang möglich ist, beispielsweise durch Vergrößerung der Anpassungsschicht in Form eines λ/2-Rings oder durch Vergrößerung der Anpassungsschicht mit einem metallischen Gegenring; diese Maßnahmen vergrößern die effektive Abstrahlfläche über den Radius der Piezokeramik hinaus.

Zusätzlich oder alternativ zu dieser λ/2-Maßnahme wird erfindungsgemäß eine Verringerung des Öffnungswinkels der Schallfeldverteilung durch Erhöhen der Ultraschallwandlerfrequenz erreicht, vorzugsweise dadurch, daß die Piezokeramik auf der 1. Oberwelle schwingt. Zur Erzielung einer schmalen Schallkeule muß die Abstrahlfläche groß und die Frequenz hoch sein, vorzugsweise über der Grundfrequenz der Piezokeramik liegen, insbesondere auf der 1. Oberwelle schwingen (Patentanspruch 4).

Kurzbeschreibung der Zeichnung, in der zeigen

Fig. 1a den prinzipiellen mechanischen Aufbau eines Ultraschallwand lers gemäß dem λ/4-Prinzip mit breiter Abstrahlcharakteristik im Schnitt längs eines Durchmessers

Fig. 1b eine Draufsicht auf den Ultraschallwandler der Fig. 1a,

Fig. 2 die Sendecharakteristik des Wandlers der Fig. 1,

Fig. 3 die Transceivercharakteristik eines Wandlers mit einer Resonanzfrequenz von 70 kHz,

Fig. 4 ein Wandler mit Vergrößerung des Anpassungskörpers in Form eines λ/2-Ringes gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 5 ein Wandler mit Vergrößerung des Anpassungskörpers mit einem metallischen Gegenring gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 6 eine typisch erzielbare Oberflächenschwingungsamplitudenver teilung zur Darstellung der Phasenumkehr der Schwingungs amplitude außerhalb des Keramikradius der Fig. 4 oder 5,

Fig. 7 einen Schnitt längs eines Durchmessers durch die Piezokeramik eines Wandlers mit rotationssymmetrischer Schwingung und einer Symmetrieebene in der halben Höhe der Keramik, mit einer kreisförmigen Knotenlinie,

Fig. 8a einen Wandler gemäß Fig. 7 mit einem ringförmigen Anpas sungskörper, dessen Innenradius in der Größenordnung der Knotenlinie liegt, im Schnitt längs eines Durchmessers bzw. in Seitenansicht,

Fig. 8b eine Draufsicht von oben auf den Ultraschallwandler der Fig. 8a auf den Anpassungskörper,

Fig. 9a eine Draufsicht auf die Oberseite einer Piezokeramik, bei der die Elektroden in zwei Bereiche unterteilt sind, wie sie in der Fig. 8a Verwendung findet,

Fig. 9b eine Seitenansicht der Piezokeramik der Fig. 9a auf die peripher umlaufende Schmalseite im Zeichnungsblatt direkt von unten gemäß dem Bezugspfeil 36,

Fig. 9c die untere Ansicht der Piezokeramik gemäß der Fig. 9a,

Fig. 10 die Schwingungsform des Wandlers der Fig. 8a und 8b,

Fig. 11 die Sendecharakteristik des Wandlers der Fig. 8,

Fig. 12 die Transceivercharakteristik des Wandlers der Fig. 8,

Fig. 13a einen Wandler mit umschaltbarer Abstrahlcharakteristik im Schnitt längs eines Durchmessers,

Fig. 13b eine Draufsicht auf den Ultraschallwandler der Fig. 13a,

Fig. 14 ein ausgewählter Schwingungsmodus des Wandlers gemäß der Fig. 13,

Fig. 15 ein weiterer ausgewählter Schwingungsmodus des Wandlers gemäß der Fig. 13,

Fig. 16a einen Wandler mit umschaltbarer Abstrahlcharakteristik im Schnitt längs eines Durchmessers gemäß Fig. 13 mit einem Ausstich innerhalb des Anpassungskörpers,

Fig. 16b eine Draufsicht auf den Ultraschallwandler der Fig. 16a,

Fig. 17 einen weiteren Wandler mit umschaltbarer Abstrahl charakteristik im Schnitt längs eines Durchmessers und

Fig. 18 einen weiteren Wandler mit umschaltbarer Abstrahl charakteristik im Schnitt längs eines Durchmessers.

Die Fig. 1a und b zeigen den prinzipiellen mechanischen Aufbau eines Ultraschallwandlers mit breiter Abstrahlcharakteristik, bestehend aus einer flächigen piezoelektrisch anregbaren Keramikscheibe 3, die auf einer der beiden Hauptoberflächen, deren Normale in die Hauptabstrahlrichtung weist, zur akustischen Impedanzanpassung zwischen der Keramikscheibe 3 und dem umgebenden gasförmigen Medium einen Anpassungskörper 1 aufweist, der vorzugsweise ein zylindrischer λ/4-Anpassungskörper ist. Der Anpassungskörper 1 kann in Richtung größerer Radien als dünne, ring förmige Schicht 2 der Breite a weitergeführt sein, die ausschließlich zur elektrischen Isolation der Abstrahlfläche des Ultraschallwandlers dient. Die Schichtdicke der Isolationsschicht 2 kann so dünn gewählt sein, daß sie keinen Einfluß auf das Schwingungsverhalten des Ultraschallwandlers hat.

Fig. 2 zeigt die berechnete Sendecharakteristik des Ultraschallwandlers der Fig. 1a und 1b, Fig. 3 die berechnete Transceivercharakteristik des Ultraschallwandlers mit einer Resonanzfrequenz von 70 kHz und einem Durchmesser der Anpassungsschicht von 13 mm. Die Transceivercharak teristik bestimmt sich aus der Sende- und der Mikrofoncharakteristik und besitzt daher einen schmaleren Öffnungswinkel.

Fig. 7 zeigt die Schwingungsform einer Piezokeramik, die auf der 1. Oberwelle schwingt. Da die Schwingung rotationssymmetrisch ist und eine Symmetrieebene in der halben Höhe der Keramik existiert, ist nur der notwendige Teil des Schwingungsmodus dargestellt. Man erkennt, daß auf der Keramikoberfläche eine kreisförmige Knotenlinie existiert, auf der die Schwingungsamplitude null ist und sich die Phase umkehrt.

Die Fig. 8a und 8b zeigen einen Ultraschallwandler mit einem ringförmigen Anpassungskörper 8, der eine kreisrunde, zentrische Aus sparung 9 aufweist, die zur Keramikscheibe 3 hin einen dünnen Material boden 10 zur Isolation besitzt. Der Innenradius des Anpassungskörpers 8 liegt in der Größenordnung der Knotenlinie; der Außenradius entspricht zum Beispiel dem der Keramikscheibe 3. Die Dicke des Ringes beträgt λ/4 der Wellenlänge im Anpassungskörper 3 bei der Frequenz der ersten radialen Oberschwingung der Keramikscheibe 3.

Der Anpassungskörper 3 kann als Isolationsschicht 10 über die freie Fläche innerhalb des Ringes 8 weitergeführt werden, was ausschließlich der elektrischen Isolation der Piezokeramik 3 auf der Abstrahlfläche 8 dient. Die Schichtdicke der Isolationsschicht 10 kann so dünn sein, daß die Schwin gung des Ringes 8 des Anpassungskörpers 3 nicht beeinträchtigt wird.

Eine verbesserte bzw. optimale elektrische Anregung dieser Schwingung wird erzielt, wenn die Elektroden der Keramikscheibe 3 in zwei Bereiche 12, 13 unterteilt sind, was in den Fig. 9a bis 9c gezeigt ist. In der Fig. 9a ist zur Ausbildung einer stegförmigen Elektrodenstruktur die mittlere kreisförmige Elektrode 15 mittels eines Steges 37 zur Kontaktierung an den peripheren Rand geführt und gemäß der Fig. 9b auf diesem Rand seitlich als Bereich 13 zum Anlöten einer Zuleitung ausgeführt. Die äußere Ringelektrode 14 ist mittels des seitlichen Bereichs 12 auf die periphere Umfangsfläche zur Kontaktierung geführt. Die Trennlinie dieser zwei Bereiche 12 und 13 stellt wieder die Knotenlinie der Keramikscheibe 3 dar. Bei der Ansteuerung des Ultraschallwandlers wird die scheibenförmige Innenfläche 16 der einen Keramikseite mit der ringförmigen Außenfläche 14 der anderen Keramikseite leitend verbunden. Die Kontaktierung des inneren scheibenförmigen Bereiches 15 kann über die genannte stegförmige Elektrodenstruktur, die zum Rand der Keramik führt, realisiert werden. Die Kontaktierung der Keramikseite, die dem Anpassungskörper zugewandt ist, erfolgt an der Keramikaußenseite durch zwei Bereiche 12, 13, die beispiels weise Lötflächen darstellen können.

Die Schwingungsform des kompletten Ultraschallwandlers ist in Fig. 10 dargestellt, in der die ausgeprägte Dickenschwingung des Ringes des Anpassungskörpers erkennbar ist. Fig. 11 zeigt die berechnete Sende charakteristik eines Ultraschallwandlers gemäß der Fig. 9a bis 9c mit einem Innendurchmesser des Ringes von 13 mm, einem Außendurch messer von 30 mm und einer Ringdicke von 3 mm. Die ausgeprägten Nebenkeulen spielen im Tranceiverbetrieb, bei dem die Sendecharakteristik mit der Mikrofoncharakteristik überlagert wird, eine untergeordnete Rolle. Die Transceivercharakteristik ist in Fig. 12 dargestellt. Man erkennt, daß bereits die ersten Nebenkeulen um 22 dB abgeschwächt sind. Alle anderen Nebenkeulen werden um mindestens 48 dB abgeschwächt.

Die Fig. 13a und 13b zeigen einen Ultraschallwandler mit umschalt barer Abstrahlcharakteristik, der aus einer runden Keramikscheibe 3 besteht, auf der ein Anpassungskörper 20 angeordnet ist, der aus einem inneren zylindrischen, erhöhten Teil 22, der bei Anregung Weitwinkel charakteristik aufweist, sowie aus einem ringförmigen Teil 21 mit Richtcharakteristik besteht. Die Elektroden der Keramikscheibe 3 sind wie beim Ringwandler der Fig. 9a bis 9c gestaltet.

Schaltet man beide Elektrodenflächen einer Seite der Keramikscheibe 3 parallel und regt mit der Grundresonanzfrequenz der Keramik an, schwingt der zylindrische innere Teil 22 des Anpassungskörpers 20 in Resonanz; der zugehörige Schwingungsmodus ist in Fig. 14 dargestellt. Man erkennt, daß der äußere Ring 21 in Ruhe ist, während der zylindrische innere Teil 22 Dickenschwingungen ausführt. Die Resonanzfrequenz beträgt beim gezeigten System ca. 66 kHz.

Verbindet man die innere Elektrode der einen Hauptoberfläche der Keramikscheibe 3 mit der äußeren Elektrode der anderen Hauptoberfläche und umgekehrt und regt mit der Resonanz der ersten radialen Oberschwingung der Keramik an, erhält man die in Fig. 15 gezeigte Schwingung. Hier schwingt überwiegend der Ring 21 in Dickenrichtung, während der zylindrische innere Teil 22 des Anpassungskörpers 20 relativ unbewegt bleibt. Die Abstrahlcharakteristik ist sehr schmal und entspricht der des Ultraschallwandlers nach Fig. 1.

Die Fig. 16a und 16b zeigen einen Ultraschallwandler gemäß der Fig. 13a und 13b, bei dem der Anpassungskörper 23 zwischen dem zylindrischen inneren Teil 24 und dem äußeren, ringförmigen, niedrigeren Teil 25 einen rundumlaufenden Ausstich 26 am Fuße des inneren Teils 24 besitzt, um eine gute Entkopplung zwischen dem Ring 25 und dem inneren Zylinder 24 zu erzielen.

In den Fig. 17 bzw. 18 ist ein derartiger Ultraschallwandler gemäß der Fig. 13 oder 16 mit der Gestaltung der oberen Hauptoberfläche des Anpassungskörpers gemäß der Fig. 4 bzw. 5 des Standes der Technik kombiniert. Der Anpassungskörper 27 besitzt einen zylindrischen, inneren Teil 28, der von einem niedrigeren, äußeren und ringförmigen Teil 29 umgeben ist. Auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche besitzt der Anpassungskörper 27 eine zentrisch angeordnete, kreisrunde Vertiefung 30, innerhalb derselben die Keramikscheibe 3 angeordnet ist. Die Vertiefung 30 beläßt auf dem Anpassungskörper 3 auf derselben Seite einen peripher umlaufenden Ring 31.

Statt einer Vertiefung und eines dadurch verbleibenden Ringes des Anpassungskörpers kann der Anpassungskörper 32 mit zylindrischem, inneren Teil 33 und äußerem Ringteil 34 auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche einen peripher angeordneten metallischen Gegenring 35 aufweisen, in dessen inneren Fläche die Keramikscheibe 3 angeordnet ist, vergleichbar dem Ultraschallwandler der Fig. 5.

In den letzten Fig. 16, 17 und 18 führen der kleine Durchmesser des inneren Zylinders und die niedrige Anregungsfrequenz zu einer breiten Abstrahlcharakteristik. Umgekehrt ergibt sich für den Ring wegen der hohen Schwingungsfrequenz und der großen Abstrahlfläche eine sehr schmale Abstrahlcharakteristik.

Im Betrieb der schmalen Abstrahlcharakteristik wird die Keramikscheibe so kontaktiert, daß die innere Elektrode der einen Keramikseite mit der äußeren Elektrode der anderen Keramikseite verbunden ist. Die Anre gungsfrequenz liegt in der Nähe der ersten radialen Oberschwingung der Keramikscheibe. Für die breite Abstrahlcharakteristik wird die Keramik scheibe so kontaktiert, daß jeweils beide Elektrodenflächen einer Keramik seite miteinander verbunden werden. Die Anregungsfrequenz liegt in der Nähe der radialen Grundschwingung der Keramikscheibe.

Claims

1. Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen in gasförmigen Medien, bestehend aus einer scheiben förmigen piezoelektrisch anregbaren, in Dickenrichtung polarisierten Keramik (3), die auf beiden Hauptoberflächen je eine Elektrodenfläche aufweist und die auf einer der Hauptoberflächen, deren Normale in die Hauptabstrahlrichtung weist, zur akustischen Impedanzanpassung zwischen der Piezokeramik und dem umgebenden gasförmigen Medium einen zylindrischen λ/4-Anpassungskörper (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer breiten Abstrahlcharakteristik der Anpassungs körper (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) aus einem zentrisch angeordneten, zylindrischen Teil (1′, 5, 9, 22, 28, 33) besteht, der von einem ringförmig umlaufenden, äußeren Teil (2, 21, 25, 29, 34) umgeben ist, welcher niedriger als der zylindrische Teil ist, wobei die Höhe des zylindrischen Teils einem Viertel der Wellenlänge λ im Material des Anpassungskörpers entspricht und auf die radiale Grundresonanz der Keramikscheibe (3) abgestimmt ist, und der Radius des zylindrischen Teils, der für die Breite der Abstrahlcharakteristik des Wandlers bestimmend ist, wesentlich kleiner als der Durchmesser der Piezokeramik ist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des zentrisch angeordneten, zylindrischen Teils (1′, 5, 9, 22, 28, 33) des Anpassungskörpers (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) mit zunehmen dem Abstand zur Keramikscheibe (3) abnimmt.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmig umlaufende, äußere Teil (2, 21, 25, 29, 34) des Anpassungskörpers (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) gegenüber der Höhe bzw. Dicke des zylindrischen Teils (1′, 5, 9, 22, 28, 33) zur Verhinderung von parasitären, störenden Resonanzen dünn ist, vorzugsweise zwischen einem Zehntel bis einem Fünftel beträgt, und eine elektrische Isolierschicht auf der Abstrahlseite der Keramikscheibe (3) darstellt.

4. Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultra schallwellen in gasförmigen Medien, bestehend aus einer scheiben förmigen piezoelektrisch anregbaren, in Dickenrichtung polarisierten Keramik (3), die auf beiden Hauptoberflächen je eine Elektrodenfläche aufweist und die auf einer der Hauptoberflächen, deren Normale in die Hauptabstrahlrichtung weist, zur akustischen Impedanzanpassung zwischen der Piezokeramik und dem umgebenden gasförmigen Medium einen zylindrischen λ/4-Anpassungskörper (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer schmalen Abstrahlcharakteristik der Anpas sungskörper (9) im wesentlichen aus einem mit einer kreisrunden, zentri schen Aussparung (9′) versehenen, ringförmigen Teil (8) besteht, dessen Dicke einem Viertel der Wellenlänge (λ) im Anpassungskörper (9) ent spricht und auf die erste radiale Oberschwingung der Keramikscheibe (3) abgestimmt ist und der Außenradius des Rings (8) ungefähr gleich dem Radius der Keramikscheibe ist und der Innenradius mit der Knotenlinie der ersten radialen Oberschwingung der Keramikscheibe zusammenfällt, wobei der ringförmige Teil (8) einen

5. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen zur Kontaktierung der Keramikscheibe in einen scheibenförmigen inneren Teil und einen ringförmigen äußeren Teil unterteilt sind und der Radius der Trennlinie mit der Knotenlinie der ersten radialen Oberschwingung der Keramik zusammenfällt, auf der Elektroden fläche, die dem Anpassungskörper zugewandt ist, zur Kontaktierung der dem Anpassungskörper zugewandten Hauptoberfläche der Keramikscheibe die Ringfläche mit einer stegförmigen Aussparung versehen ist, durch die das elektrische Potential der scheibenförmigen inneren Elektrode an die Außenseite der Keramikscheibe geführt ist.

6. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Elektrode der einen Hauptoberfläche der Keramikscheibe (3) mit der äußeren Elektrode der anderen Hauptoberfläche in kontaktierender Weise verbunden ist, wobei die Anregungsfrequenz in der Nähe der ersten radialen Oberschwingung der Keramikscheibe liegt.

7. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmeser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe (3) ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 4 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmesser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe (3) ist und außerhalb der Keramik die Dicke λ/2 hat, wobei λ die Wellenlänge des Ultraschalls im Material des Anpassungs körpers ist.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmesser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe ist und die Knotenebene, die durch die Klebefläche mit der Keramik gebildet wird, durch einen Gegenring (35) aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz vergrößert ist.

10. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere freie Fläche der Keramikscheibe mit einer dünnen Schicht aus Anpassungsmaterial belegt ist, die zur elektrischen Isolierung der Keramikscheibe auf der Abstrahlseite dient, wobei die Dicke der Isolations schicht so klein gewählt ist, daß keine parasitären, störenden Resonanzen entstehen.

11. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere freie Fläche der Keramik mit einer zylinderförmigen Schicht Anpassungsmaterial der gleichen Dicke wie die des umgebenden Ringes, belegt ist, die ebenfalls in Resonanz, aber mit einer um 180 Grad verschobenen Phasenlage schwingt.

12. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikscheibe im Mittelpunkt eine kleine zentrische Bohrung aufweist, durch die eine Anschlußlitze zur Kontaktierung der inneren Elektrodenfläche, die dem Anpassungskörper zugewandt ist, geführt ist.

13. Ultraschallwandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere freie Fläche der Keramikscheibe (3) mit einer dünnen Schicht Anpassungsmaterial belegt ist, die mit der Ringoberseite eine ebene Fläche ausbildet, wobei über der inneren Elektrodenfläche, die dem Anpassungs körper zugewandt ist, ein Hohlraum entsteht, der zur Kontaktierung dient.

14. Ultraschallwandler zum Abstrahlen und/oder Empfangen von Ultraschallwellen in gasförmigen Medien, bestehend aus einer scheiben förmigen piezoelektrisch anregbaren, in Dickenrichtung polarisierten Keramik (3), die auf beiden Hauptoberflächen je eine Elektrodenfläche aufweist und die auf einer der Hauptoberflächen, deren Normale in die Hauptabstrahlrichtung weist, zur akustischen Impedanzanpassung zwischen der Piezokeramik und dem umgebenden gasförmigen Medium einen zylindrischen λ/4-Anpassungskörper (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer umschaltbaren Abstrahlcharakteristik der Anpassungskörper (1, 4, 6, 8, 20, 23, 27, 32) aus einem zylinderförmigen inneren Teil und einem ringförmigen, niedrigeren äußeren Teil besteht, wobei der Wandler so anregbar ist, daß entweder der Zylinder oder der Ring in Resonanz schwingt, die Höhe des inneren Zylinders einem Viertel der Wellenlänge (λ) im Anpassungskörper entspricht und auf die Grund schwingung der Keramik abgestimmt ist, die Dicke des Ringes ebenfalls einem Viertel der Wellenlänge (λ) des Anpassungskörpers entspricht und auf die erste radiale Oberschwingung der Keramik abgestimmt ist, wobei die Ringdicke, wegen der höheren Frequenz der ersten Oberschwingung der Keramik, entsprechend geringer als die des Zylinders ist.

15. Ultraschallwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen der Keramikscheibe (3) in einen scheibenför migen inneren Teil und einen ringförmigen äußeren Teil unterteilt sind, wobei der Radius der Trennlinie mit der Knotenlinie der ersten radialen Oberschwingung der Keramik zusammenfällt, auf der Elektrodenfläche, die dem Anpassungskörper zugewandt ist, zur Kontaktierung der dem Anpassungskörper zugewandten Seite der Keramikscheibe die Ringfläche mit einer stegförmigen Aussparung versehen ist, durch die das elektrische Potential der scheibenförmigen inneren Elektrode an die Außenseite der Keramikscheibe geführt ist.

16. Ultraschallwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmesser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe ist.

17. Ultraschallwandler nach Anbruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmesser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe ist und außerhalb der Keramik die Dicke λ/2 hat, wobei Lambda (λ) die Wellenlänge des Ultraschalls im Material des Anpassungs körpers ist.

18. Ultraschallwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringdurchmesser des Anpassungskörpers größer als der der Keramikscheibe ist und die Knotenebene, die durch die Klebefläche mit der Keramikscheibe gebildet ist, durch einen Gegenring (35) aus einem Material mit hoher akustischer Impedanz, vergrößert ist.

19. Ultraschallwandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß an der Trennlinie zwischen innerem Zylinder und äußerem Ring des Anpassungskörpers ein Ausstich zur Entkopplung der Ringschwingung und der Zylinderschwingung angeordnet ist.