DE69317616T2

DE69317616T2 - Akustischer Wandler

Info

Publication number: DE69317616T2
Application number: DE69317616T
Authority: DE
Inventors: Bogdan Cherek
Original assignee: Federal Industries Industrial Group Inc
Current assignee: Siemens Canada Ltd
Priority date: 1992-09-04
Filing date: 1993-09-01
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2013-09-02
Also published as: EP0590799A3; ES2115728T3; EP0590799B1; US5218575A; JPH077796A; ZA935767B; EP0590799A2; ATE164468T1; CA2105491A1; AU646625B1; DK0590799T3; DE69317616D1; CA2105491C

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

ERFINDUNGSGEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Schallwandler zum Einsatz in Impulsecho-Schallentfernungsmeßsystemen und insbesondere Wandler vom Biegeschwingungstyp.

STAND DER TECHNIK

Das am 1. Juni 1982 erteilte US-Patent Nr. 4,333,028 (Panton) beschreibt einen Biegeschwingungswandler, der sich zum Einsatz in Impulsecho- Schallentfernungsmeßsystemen eignet, und erörtert auch Biegeschwingungswandler des Standes der Technik wie solche, die in einem Artikel in Ultrasonics, November 1978, "An Ultrasonic Transducer for High Power Applications in Gases" beschrieben werden, die Eigenschaften wie beispielsweise einen äußerst hohen Gütefaktor aufwiesen, wodurch sie sich nicht für Systeme mit Echo-Entfernungsmessung eigneten. Der Panton-Wandler hat sich bei einer großen Anzahl von Anwendungen als sehr erfolgreich erwiesen, doch sind bei gewissen Anwendungen Probleme dahingehend aufgetaucht, daß es schwierig war, Materialien zu finden, um die an der Wandlerplatte angebrachten Anpassungsringe zu bilden, wobei die Materialien gleichbleibende akustische Eigenschaften aufweisen und über längere Zeiträume hinweg bei Anwendungen ein gutes Leistungsvermogen zeigen, die mit extremen Temperaturen (hoch oder niedrig) und/oder aggresiven Atmosphären verbunden sind.
Um diesen Problemen zu begegnen, ist in dem US- Patent Nr. 4,768,615 (Steinebrunner et al.) vorgeschlagen worden, die von Panton verwendeten Anpassungsringe durch eine steife, mit Öffnungen versehene Maskierungsplatte vor der Biegeschwingerplatte zu ersetzen, wodurch kreisförmige Ringe definiert werden, die die Strahlung von benachbarten Schwingungsbauchzonen der Schwingerplatten maskieren, während Luft zwischen den Ringen ein verlustarmes Ankopplungsmittel bildete, das die verbleibende Zone der Platte an die Atmosphäre anpaßte. Eine derartige Maskierungsplatte kann zwar ohne weiteres für extreme Temperaturen und aggressive Atmosphären widerstandsfähig gemacht werden, doch ist die Anordnung von Natur aus weniger effizient als diejenigen bevorzugten Ausführungsformen der Panton-Anordnung, die versuchen, die Strahlungsphasen von benachbarten Schwingungsbauchzonen anzupassen, da die Strahlung von abwechselnden Schwingungsbauchzonen notwendigerweise verloren geht, und die Ankopplung der verbleibenden Zonen durch die Luft zwischen den Ringen macht es weniger leicht, für das System einen Gütefaktor zu erhalten, der niedrig genug ist, ein schnelles Nachkimgen des Wandlers nach Übertragung eines Entfernungsmeßimpulses zu liefern. Weiterhin ist es schwierig, ausreichend Vorsorge dagegen zu treffen, daß Materialteilchen zwischen der Maskierungsplatte und der schwingenden Platte eingeschlossen werden, was sich auf das Leistungsvermögen des Wandlers schädlich auswirkt.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Biegeschwingungswandlers zum Einsatz bei Impulsecho-Entfernungsmeßanwendungen, der praktische Schwierigkeiten angeht, die, wie die Erfahrung gezeigt hat, bei den Wandlern sowohl von Panton als auch von Steinebrunner et al. angetroffen werden können, und der weiterhin die Möglichkeit bietet, einfacher hergestellt werden zu können als beide Bauarten nach dem Stand der Technik, gleichzeitig aber ihre Vorteile kombiniert.
Erfindungsgemäß ist in einem breit abgestimmten richtungsabhängigen Wandlersystem vom Biegeschwingungstyp, das eine im allgemeinen ebene Strahlplatte mit einer bei im wesentlichen anliegender Betriebsfrequenz des Systems höheren Biegeschwingungsresonanz und ein Wandlerelement mit einer Wirkfläche, die viel kleiner als die Platte ist, wobei das Wandlerelement an eine ihrer Schwingungsbauchzonen angekoppelt ist, umfaßt, die Verbesserung vorgesehen, bei der abwechselnde Schwingungsbauchzonen einer strahlenden Oberfläche der Platte Ringe von Öffnungen definieren, die einen wesentlichen Teil der Fläche jeder derartigen Zone belegen, wodurch die strahlende Fläche derartiger Zonen wesentlich reduziert wird.
Bei einer bevorzugten Anordnung ist für das Wandlerelement ein Gehäuse vorgesehen, das Wandlerelement ist an die Mitte der Platte angekoppelt, die kreisförmig ist, und das Gehäuse ist mit einem Flansch versehen, der mit schallabtötendem Material bedeckt ist und hinter derjenigen Fläche der Platte gegenüber der strahlenden Oberfläche liegt, wobei die rückwärtige Fläche der Platte zwischen einem Randgebiet und ihrer Mitte keinerlei mechanische Ankopplung an das schallabtötende Material aufweist. Eine derartige Freiheit wird vorzugsweise durch Zwischenschaltung einer nicht an der Platte haftenden Folie zwischen der Platte und dem schallabtötenden Material sichergestellt.
Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen diametralen Schnitt durch einen Wandler gemäß der Erfindung;
Figur 2 ein Draufsicht auf eine strahlende Oberfläche der Strahlplatte des Wandlers von Figur 1.
Unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 ähnelt der Gesamtaufbau des Wandlers im allgemeinen dem Gesamtaufbau der in den oben betrachteten Patenten von Panton und Steinebrunner et al. gezeigten Wandler, abgesehen davon, daß vor einer kreisförmigen ebenen Strahlplatte 2 jegliche strahlformenden Bauteile fehlen. Die kreisförmige Platte 2 ist durch eine Schraube 6 und eine Unterlegscheibe 7 mit einer Mitte ihrer rückwärtigen Fläche an einem Ende eines axialen Treiberpfostens 4 befestigt, wobei das andere Ende des Treiberpfostens 6 mit einem ersten Beladungsblock 8 einer Wandlerbaugruppe verbunden ist, die ein ringförmiges Element 10 aus piezoelektrischem Keramik wie zwischen leitfähigen Spannunterlagen 12, 14 und dem ersten und einem zweiten, massiveren Belastungsblock 16 geschichtetem Blei- Zirkonat-Titanat umfaßt, was durch einen axialen Bolzen 18 zusammen und an dem Pfosten 6 befestigt ist. Impulse mit Wechselpotential, die zum Bestromen des Wandlers verwendet werden, werden von der Sekundärwicklung eines Ringkerntransformators 20 aus innerhalb eines Wandlergehäuses 22 über die Spannunterlagen 12 und 14 an das Element 10 angelegt, wobei eine Primärwicklung des Transformators über ein abgeschirmtes Kabel 24, das durch eine Öffnung in einem Ende des Gehäuses geht, extern mit einem Impulsecho-Veränderungsgerät verbunden ist. Die Frequenz des Wechselpotentials liegt bei oder in der Nähe einer Resonanzfrequenz für den Biegeschwingungsmodus der Platte 3, um eine Biegeschwingung höherer Ordnung anzuregen, die in der schwingenden Platte eine Reihe von abwechselnden ringförmigen Schwingungsknoten- und Schwingungsbauchzonen aufbaut.
Die Wandlerbaugruppe ist in eine Lage aus Kork 26 eingewickelt, und sie und der Transformator 20 sind innerhalb des Gehäuses 22 verkapselt durch Füllen des Gehäuses mit einer geringfügig elastischen Vergußmasse 28, die so gewählt ist, daß sie den Betriebstemperaturen, denen der Wandler möglicherweise ausgesetzt ist, standhalten kann. Das Gehäuse 22 weist einen kreisförmigen Flansch 30 auf, der sich hinter die rückwärtige Fläche der Platte 2 erstreckt. Der Flansch 30 ist mit einer schallabtötenden Lage aus Material 32 wie beispielsweise Kork oder einem alternativen Material abedeckt, das so gewählt ist, daß es höheren Arbeitstemperaturen standhalten kann, wobei die Lage von einer dünnen Schicht oder einer dünnen Folie 34 aus Metall oder Kunststoff bedeckt ist, die Schall reflektiert und dazu dient, Verluste an mechanische Ankopplung 10 oder übermäßige Absorption durch das Material 32 zu verhindern. Bei dem gezeigten Beispiel ist das äußere Randgebiet der Platte 2 über einen Wulst 36 aus Bondmaterial, beispielsweise ein elastomeres Silikonharz, mit dem Flansch 30 verbunden, wobei die Verbindung mit der Platte 2 durch einen Ring aus kleinen Löchern 38 in der Platte verbessert wird. Der Wulst sollte sich (wie gezeigt) in einer Schwingungsknotenzone befinden.
Die Schwingungsbauchzonen der Platte 2 in Figuren 1 und 2 sind mit A1, A2, A3, A4, A5, A6, A7, A8 und A9 numeriert, wobei angemerkt wird, daß die Numerierung derartiger Zonen nur beispielhaft ist. Die geradzahligen Zonen A2, A4, A6 und A8 weisen Ringe aus Öffnungen 40 auf, wobei Anzahl und Größe der Öffnungen ausreichen, den strahlenden Flächenbereich dieser Zonen wesentlich zu reduzieren, ohne die mechanische Integrität der Platte wesentlich zu beeinträchtigen. Durch diese bereichsmäßige Reduzierung der geradzahligen Zonen wird die Strahlung von diesen Zonen wesentlich reduziert, wodurch auch die Auslöschung von Strahlung von den ungeradzahligen Zonen, die zu den geradzahligen Zonen in Gegenphase schwingen, reduziert wird, wobei die Öffnungen auf die geradzahligen Zonen einen selektiven dämpfenden Effekt haben, was die Strahlung von diesen Zonen weiter reduziert und dazu beiträgt, den Gütefaktor der Baugruppe zu steuern und die Anpassung an Luft zu verbessern.
Da die Schwingungsamplitude der Platte von der Mitte zu den Rändern schnell abfällt, wird bevorzugt, die Öffnungen in den geradzahligen Zonen auszubilden, so daß die große Amplitude der Strahlung von Zone A1 ausgenutzt werden kann anstatt ausgelöscht werden zu müssen. Die Rate des Amplitudenabfalls kann durch Variieren der Dicke der Platte in radialer Richtung gesteuert werden, doch werden die zusätzlichen Komplikationen bei der Auslegung und bei der Herstellung üblicherweise die Vorteile, die sich aus der Verwendung eines derartigen Merkmals ergeben, überwiegen.
Größe, Form, Abstand und Ort der Ringe aus Löchern können variiert werden, um den Frequenzgang des Wandlers zu justieren. Die Löcher wirken sich relativ wenig auf die Abstimmfrequenz des Wandlers aus. Bei dem in Figuren 1 und 2 gezeigten Beispiel kommen runde Löcher 40 zum Einsatz, die einen Durchmesser aufweisen, der etwa drei Viertel der Breite einer Schwingungsbauchzone (d.h., des Abstands zwischen Schwingungsknoten) beträgt, und die in Ringen mit einem Abstand von etwa 1,4 Durchmessern angeordnet sind. Obwohl dadurch der Bereich einer Schwingungsbauchzone um etwa 50% reduziert wird, ist die Reduzierung der Strahlung wesentlich größer, und zwar sowohl, weil sich die Reduzierung in der Mitte der Zone konzentriert, wo die Strahlung am größten wäre, als auch aufgrund des dämpfenden Effekts der Löcher. Formen und Abstände der Löcher können variiert werden, selbst von Zone zu Zone innerhalb einer bestimmten Einheit, und zwar im Hinblick auf das Justieren der Polarmuster- und Bandbreiten-Eigenschaften des Wandlers, das Optimieren des Gütefaktors (der ausreichend niedrig gehalten werden sollte, um übermäßiges Nachschwingen zu verhindern) und die Verbesserung der Bandbreite und auch das Optimieren der Wirksamkeit, was erfordert, von der an den Wandler angelegten elektrischen Energie so viel wie möglich in das von dem Wandler erzeugte Schallstrahlbündel zu übertragen. Dazu sollte bemerkt werden, daß die Löcher 40 nicht nur die Strahlungseigenschaften der Platte beeinflussen und ihre Anpassung an die Atmosphäre verbessern. Sie beeinflussen die Positionen der Biegeschwingungsknoten und -bäuche in der Platte nur unwesentlich. Die Eigenschaften unterschiedlicher Ringe von Löchern 40 können justiert werden, um die Durchlaßeigenschaften des Wandlers auf eine Art und Weise zu formen, die anderen Formen der mehrpoligen Filterung in gewisser Weise analog ist. Größe, Form und Anzahl der Löcher in verschiedenen Zonen können auch justiert werden, um die Anteile der von verschiedenen Zonen abgestrahlten Energie zu steuern und so das Polarstrahlungsmuster des Wandlers zu justieren, das zum größten Teil durch Interferenz zwischen Strahlung von den verschiedenen Zonen bestimmt wird. Die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Parametern ist derart, daß optimale Konfigurationen empirisch bestimmt werden müssen, und zwar gemäß den jweiligen Grundlagen der theoretischen Akustik und den gewünschten Eigenschaften des Wandlers. Die in Figur 2 dargestellte Anordnung stellt eine gegenwärtig bevorzugte Allzweckanordnung dar. Der Abstand zwischen den Löchern sollte im allgemeinen unter etwa 1,6 Durchmessern liegen und ausreichend größer sein als das theoretische Minimum von einem Durchmesser, um die Platte ausreichend stark und steif zu halten, und ihr Durchmesser sollte etwa 50% bis 100% der Entfernung zwischen benachbarten Knoten betragen.
Für eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit ist es wichtig, daß sich zwischen der Platte 2 und der Folie 34 keine Materieteilchen festsetzen, da dies zu einer mechanischen Wechselwirkung führen kann, die die Wandlereigenschaften verändert. Es wird somit bevorzugt, daß Wandler, die in Umgebungen eingesetzt werden sollen, in denen schädliche Materieteilchen vorliegen, vor der Platte mit einer akustisch im wesentlichen transparenten Deckschicht 44 versehen werden, die dahingehend wirksam ist, Teilchen auszusperren, die so groß sind, daß sie für die Leistungsfähigkeit des Wandlers eine Gefahr darstellen könnten. Ein geeignetes Material für die Deckschicht 44 ist ein Gewebe aus Polytetrafluorethylen mit einer Porengröße im Mikrometerbereich, wie beispielsweise das unter dem Warenzeichen GORETEX vertriebene Gewebe.
Bei den oben beschriebenen Anordnungen sind Änderungen möglich. Beispielsweise könnten sich vom Flansch 30 oder der Lage 32 nach vorne gerichtete Vorsprünge in die Löcher 40 erstrecken und sogar dazu verwendet werden, vor der Platte 2 eine Struktur wie beispielsweise Maskierungsringe zu stützen, die denen vergleichbar sind, die in dem Patent von Steinebrunner et al. offenbart werden. Dies könnte zwar unter Beibehaltung vieler der Vorteile der vorliegenden Erfindung eine vollständigere Unterdrückung von Strahlung von den geradzahiigen Schwingungsbauchzonen gestatten, doch würde die Struktur des Wandlers erheblich komplizierter werden.
Die Löcher 40 können neben der runden Form eine Vielzahl anderer Formen aufweisen, beispielsweise quadratisch, segmentär, sechseckig oder rautenförmig, oder sie können in Gruppen aus zwei, vier oder einer beliebigen anderen Anzahl von kleineren Löchern verschiedener Formen ausgebildet sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß keine Konfiguration gegenüber kreisförmigen Löchern, die leicht herzustellen sind, wesentliche Vorteile aufweist, und quadratische Löcher scheinen zu einer geringfügig schlechteren Leistungsfähigkeit zu führen.

Claims

1. Breit abgestimmtes richtungsabhängiges Wandlersystem vom Biegeschwingungstyp, das eine im allgemeinen ebene Strahlplatte (2) mit einer bei im wesentlichen anliegender Betriebsfrequenz des Systems höheren Biegeschwingungsresonanz und ein Wandlerelement (10) mit einer Wirkfläche, die viel kleiner als die Platte (2) ist, wobei das Wandlerelement an eine ihrer Schwingungsbauchzonen angekoppelt ist, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß abwechselnde Schwingungsbauchzonen (A2, A4, A6, A8) einer strahlenden Oberfläche der Platte (2) Ringe von Öffnungen (40) definieren, die einen wesentlichen Teil der Fläche jeder derartigen Zone belegen, wodurch die strahlende Fläche derartiger Zonen wesentlich reduziert wird.

2. Wandlersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Wandlerelement (10) ein Gehäuse (22) vorgesehen ist, das Wandlerelement (10) an eine Mitte der Platte (2) angekoppelt ist, die Platte kreisförmig ist und das Gehäuse (22) mit einem Flansch (30) versehen ist, der hinter einer rückwärtigen Fläche der Platte (2) gegenüber der strahlenden Oberfläche liegt, wobei die rückwärtige Fläche der Platte zwischen einem Randgebiet und ihrer Mitte keinerlei mechanische Ankopplung an den Flansch (30) aufweist.

3. Wandlersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (30) mit einem schallabtötenden Material (32) bedeckt ist und zwischen dem schallabtötenden Material (32) und der Platte (2) eine Folie (34) aus einem an der Platte anhaftenden Material angeordnet ist.

4. Wandlersystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Randgebiet der Platte mit dem Flansch flexibel verbunden ist.

5. Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlende Oberfläche der Platte (2) von einer Bahn (44) aus im wesentlichen schalldurchlässigem Material bedeckt ist, das für Materialteilchen im wesentlichen undurchdringlich ist.

6. Wandlersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (44) aus einem Webstoff mit Mikrometerporen ist.

7. Wandlersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (40) kreisförmige Löcher sind.

8. Wandlersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (40) einen Durchmesser aufweisen, der etwa drei Viertel der Breite der Schwingungsbauchzone beträgt, in der sie ausgebildet sind.

9. Wandlersystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (40) so beabstandet sind, daß sie einen Abstand aufweisen, der etwa das 1,4fache ihres Durchmessers beträgt.

10. Wandlersystem nach Anspruch 2 oder einem von Anspruch 2 abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß beim Bezeichnen von Schwingungsbauchzonen (A) mit bei in der Mitte bei 1 beginnenden Zahlen die Öffnungen (40) in geradzahligen Zonen (A2, A4, A6, A8) ausgebildet sind.