DE841515C - Piezoelektrischer Ultraschallgeber sehr hoher Energiedichte - Google Patents

Description

• Piezoelektrischer Ultraschallgeber sehr hoher Energiedichte Es sind eine Reihe verschiedener Konstruktionen bekannt, nach denen piezoelektrische Ultraschallgeber gebaut werden.
• Grundsätzlich unterscheidet man solche, bei denen der piezoelektrische Kristall (Quarz) in Luft schwingt und solche, bei denen er in 01 schwingt.
• Wenn es auch eine Reihe von anderen Überlegungen gibt, aus denen heraus die Anordnung des Quarzes früher in 01 vorgenommen worden ist, so sieht man doch immer wieder, daß die Anordnung in 01 besonders dann bevorzugt wird, wenn man sehr hohe elektrische Feldstärken an den Quarz legen will. Überschreitet nämlich die Feldstärke am Quarz einen gewissen Höchstwert, so schlägt ein elektrischer Funke parallel zum Quarz über und begrenzt damit die Möglichkeit einer weiteren Spannungserhöhung.
• Gleichzeitig wird hierdurch dann auch die abgestrahlte Leistung pro Flächeneinheit begrenzt. Um diese Begrenzung zu vermeiden, bettet man üblicherweise den Quarz in C51, das besonders gut gereinigt sein muß, damit es die nötige hohe Überschlagssicherheit besitzt.
• Eine solche Anordnung hat vor allem den Nachteil, daß das 01 Ultraschallenergie aufnimmt und absorbiert und sich dadurch erwärmt. Um schädliche Einflüsse einer solchen Ölfüllung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Konstruktion des Schallgebers so zu wählen, daß der Quarz stets in Luft schwingt und keinerlei Ölfüllung verwendet wird.
• Um nun trotzdem die Spannung über das Maß erhöhen zu können, das sonst als Überschlagsgrenze von der Natur vorgeschrieben ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Druck der Luft, die den Quarz umgibt, zu erhöhen.
• Arbeitet man z. B. bei einem Überdruck von r Atm., so läßt sich die doppelte Spannung am Quarz aufrechterh41teii5; ohne. daß es zu einem i `berschlag kommt.
• Die doppelte Spannung am Quarz ruft aber die vierfache Leistung des schwingenden Systems hervor, da die Leistung quadratisch mit der Spannung anwächst. Man sieht also, daß mit einer verhältnismäßig leicht zu bewirkenden Erhöhung des Luftdruckes eine enorme Erhöhung der abgestrahlten Schalleistung ermöglicht wird.
• Die Erhöhung des Luftdruckes zur Verbesserung der Isolationseigenschaften der Luft ist an sich in der Starkstromtechnik bekannt. Sie bewirkt eine Herabsetzung der freien Weglänge von Ladungsträgern proportional dem Luftdruck und damit eine entsprechende Erhöhung der Durchbruchfeldstärke, die zti einer Ionisation und damit zu einem Lichtbogen führen würde. _ Die Ausnutzung dieses physikalischen Effektes bei der Konstruktion von Ultraschallsendern bringt sehr erhebliche Vorteile mit sich, nämlich neben einer wesentlichen Vereinfachung der gesamten Konstruktion auch eine Verkleinerung der äußeren Abmessungen des Kopfes und insbesondere eine Beseitigung von Ultraschallverlusten, die sonst in dem zur Isolation benötigten 01 auftreten würden und eine besondere Kühlung .mittels Wasser .erforderlich machen.
• Ordnet man außerdem in direkter Nähe des Quarzes auch den Hochfrequenztransformator an, der die zur Erregung des Quarzes erforderliche hohe Spannung erzeugt, so läßt sich mittels des gleichen Überdruckes auch die Isolationsfestigkeit dieses Transformators wesentlich verbessern, und zwar in gleicher Weise wie die des Quarzes.
• Mit anderen Worten: es läßt sich ein Schallgeber mit Hochspannungsspule für die vierfache Leistung mit praktisch den gleichen äußeren Abmessungen bauen, wenn man lediglich den Luftdruck im Innern auf i Atm. Überdruck erhöht.
• Die Anordnung gemäß vorstehender Erfindung hat noch den weiteren Vorteil, daß es unmöglich ist, daß Flüssigkeiten, die mit dem Schallgeber beschallt werden sollen, in das Innere des eigentlichen-Schallgebers eindringen können, da der im Innern herrschende Überdruck, sollte der Schallgeber an irgendeiner Stelle etwas undicht sein, zu einem Austreten von Luft Anlaß gibt, aber das Eintreten von Flüssigkeiten verhindert.
• Der Überdruck im Innern läßt sich technisch auf verschiedene Weise herstellen.
• Am einfachsten ist es, den Schallgeber während seiner Benutzung mittels eines gebräuchlichen Reduzierventils mit einer Druckluftflasche zu verbinden. Dabei wird das Reduzierventil auf den gewünschten Überdruck eingestellt.
• In Fällen, in denen die Verwendung einer Druck-!tiftflasche zu umständlich erscheint, genügt es auch, den Schallgeber dicht mit einem Vorratsgefäß zu \-erbinden und dieses mit einer Fahrradpumpe auf den gewünschten Überdruck aufzupumpen: 1[an kann den Überdruck in dem Vorratsgefäß auch dadurch erzeugen, daß man in seinem Innern eine elektrische Heizwicklung anbringt, welche durch .Temperatursteigerung den Gasdruck entsprechend erhöht. In diesem Fall muß man lediglich während der Betriebspausen (Abkühlung des Vorratsgefäßes) dafür sorgen, daß, falls durch Undichtigkeiten während des Betriebes etwas Luft ausgeströmt ist, diese durch ein besonderes Ventil während der Pause wieder nachströmen kann, so daß in kaltem Zustand im Innern wieder der gleiche Luftdruck wie außen herrscht.
• Ferner wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, statt mit Luft den Schallgeber mit einem anderen Gas, z. B. Kohlensäure oder Edelgasen zu füllen, die eine bessere Überschlagssicherheit besitzen als Luft.
• Eine weitere Möglichkeit, im Innern des Schallgebers einen Überdruck zu erzeugen, besteht darin, daß man an geeigneter Stelle die aus der Starkstromtechnik bekannten als Hartgas bezeichneten Stoffe anbringt, die mittels einer elektrischen Heizeinrichtung erwärmt und dadurch zur Abgabe von Gas gebracht werden können.
• Durch die Verwendung dieser und ähnlicher, bei höherer Temperatur in gasförmige Bestandteile zerfallende Stoffe läßt sich in beliebiger Weise durch Regelung des Heizstromes im Innern ein bestimmter Überdruck einstellen und auf lange Zeit aufrechterhalten. Läßt der Druck durch irgendwelche Undichtigkeiten im Laufe der. Zeit nach, so läßt er sich durch erneutes Heizen sofort wieder auf den gewünschten Wert steigern.
• Schließlich kann man auch erfindungsgemäß den Ultraschallgeber selbst oder ein mit ihm druckdicht verbundenes Vorratsgefäß mit einer kleinen Menge einer leicht verdampfenden Flüssigkeit, z. B. Tetrachlorkohlenstoff, Chloroform; Difluordichlormerhan oder anderen beschicken, die bei erhöhter Temperatur verdampfen, dadurch den Druck im Innern erhöhen und damit gleichzeitig die Überschlagsspannungsfestigkeit des so entstehenden Luft-Dampf-Gemisches wesentlich erhöhen. Auch hier läßt sich durch eine zusätzliche Reizeinrichtung jeder gewünschte Zustand einstellen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Piezoelektrischer Ultraschallsender hoher Leistungsdichte; dadurch gekennzeichnet, daß der zur Schwingungserzeugung benutzte piezoelektrische Kristall in einer luftdichten Kapsel angeordnet ist und daß der Luftdruck im Innern dieser Kapsel zur Erhöhung der elektrischen Überspannungsfestigkeit erhöht wird.
2. 2. PiezoelektrischerUltraschallerzeuger hoher Leistungsdichte nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Erzeugung der hohen elektrischen Spannung erforderliche Hoch" frequenztransformator im Innern der gleichen Kapsel angebracht wird und sich gleichfalls unter erhöhtem Luftdruck befindet.
3. 3. Piezoelektrischer Ultraschallerzeuger hoher Leistungsdichte nach Anspruch i und/oder a, dadurch gekennzeichnet, daß die ihn umschließende Kapsel mittels eines Rohrsystems fest mit einer Druckluft enthaltenden Vorratsflasche verbunden ist, welche mittels eines Reduzierventils einen bestimmten gewünschten Druck im Innern der Kapsel einzustellen erlaubt.
4. 4. PiezoelektrischerUltraschallerzeugerhoher Leistungsdichte nach Anspruch r und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die denselben umschließende Kapsel fest und luftdicht mit einem `'orratsgefiiß verbunden ist, in das beispielsweise mittels einer Fahrradpumpe zusätzlich Luft gepumpt wird, um den gefordeten Überdruck zu erreicheci.
5. 5. PiezoelektrischerUltraschallerzeuger hoher Leistungsdichte nach Anspruch r oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die denselben umschließende Kapsel mit einem Vorratsgefäß fest und luftdicht verbunden ist, in dessen Innerm eine elektrische Heizwicklung angeordnet ist, die es ermöglicht, durch Erhöhen der Temperatur den Luftdruck zu erhöhen.
6. 6. Piezoelektrischer U ltraschallerzeuger hoher Leistungsdichte nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein besonderes Ventil vorgesehen ist, mittels dessen während der Betriebspausen und im abgekühlten Zustand Luft von außen nachströmen kann.
7. 7. PiezoelektrischerUltraschallerzeugerhoher Leistungsdichte nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daB die denselben umschließende Kapsel aus einem besonderen Vorratsgefäß mit ;einem schwer ionisierbaren Gas, z. B. Kohlensäure oder Edelgase gefüllt wird, um die Überschlagsspannung zu erhöhen. B. PiezoelektrischerUltraschallerzeuger hoher Leistungsdichte nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die denselben umschließende Kapsel selbst . oder ein mit ihr luftdicht verbundenes Vorratsgefäß Stoffe, z. B. Hartgas enthält, die durch eine elektrische Heizung in einer genau regelbaren Weise zur Abgabe gasförmiger Komponenten gezwungen werden können, wodurch der gewünschte Gasdruck sich im Innern einstellen läßt. 9. PiezoelektrischerUltraschallerzeugerhoher Leistungsdichte nach * Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas neben Luft Dämpfe leicht siedender Flüssigkeiten mit hoher Durchschlagsfestigkeit, z. B. Tetrachlorkohlenstoff, Verwendung finden.