DE8904225U1 - Ultraschallwandler - Google Patents

Description

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Weber & Heim -1 -

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P 239

Ultraschallwandler

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß Oberbegriff de-s Anspruchs 1 .

Ein derartiger Ultraschäilwardler ist beispielsweise aus der DE-PS 25 41 492 oder der DE-PS 34 01 979 bekannt. Diese bekannten Ultraschallwandler umfassen ein kreisscheibenförmiges piezoelektrisches und &iacgr; ß sb·?sondere piezokeramisches Wandler-Clement, auf dem ein &Lgr; /4-Anpassungskörper zur Anpassung des fichajlwellenwiderstandes an Luft aufgebracht ist.

Für diese Impedanzanpassung werden bei den vorgenannten Ultra- -challwandlern radial weit über den Randbereich des Wandlerelementes hinausragende A /4-Anpassungskörper verwendet. Zusätzlich werden auf der dem piezoelektrischen Wandlerelement zugewandten Fläche des überstehenden Bereichs des Anpassungskörpers entweder Beschwerungsringe vorgesehen oder dieser Bereich als &lgr;/2-Schwinger ausgebildet.

Mit diesen vorbekannten Ultraschallwandlern werden zwar relativ konzentrierte,zentrische Hauptkeulen im Schallkeulenprofil erreicht, die von einigen Nebenkeulen begleitet sind. Im Hinblick auf den Materialaufwand und auch die Größe stellen diese Wandler noch keine befriedigende Lösung dar.

Unter Berücksichtigung dieser Nachteile liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Ultraschallwandler mit vergleichbarer Strahlungschdrakteristik . aber geänderter Konfiguration zu gestalten, die auch im Hinblick auf unterschiedliche Frequenzen gut anpaßbar ist.

&Ggr; Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem gattungsgemäßen

Ultraschallwandler durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils : des Anspruchs 1 gelöst .

f| Der wesentliche Gedanke der Erfindurg kann darin gesehen weriS? den, von der bisherigen, über den Durchmesser gesehen ge-

iff·«;

B schlossenen Form des Anpassungskörpers abzugehen und stattdes- &psgr; sen auf dem piezokeramischen Wandlerelement einen Ringzylinder

als &Lgr;/4-Anpassungskörper aufzubringen. Dieser Ringzylin- y- der ist im einfachsten Fall koaxial zur Hauptachse d^r Strah-

\ lungsrichtung ausgelegt , wobei der Außendurchmesser dem Aus-

·; sendurchmesser des Wandlerelementes entspricht.

; Als Wandlerelement selbst kann eine dünne Piezokeramikscheibe &Ggr; dienen oder anstelle der Scheibe auch ein Kreisring gleichen Innen- und Auflendurchmessert, wie der Ringzylinder des &lgr;/4-Anpassungskörpers treten.

Wider Erwarten erreicht man auch mit einem derartigen "Ringwandler" eine sehr starke, schmale zentrale Hauptkeule, die mehrere Nebenkeulen aufweist. Dieses Schallkeulenprofil selbst ' hängt von den Materi^lparametern , der Betriebsfrequenz und ■ vor allen Dingen von der Abstimmung des Innen- zum Außendurchmesser des Anpa.ssungskörpers ab. Üblicherweise liegt der Innendurchmesser des Anpassungskörpers im Bereich von 1/4 bis 1/2 des Außendurchmessers des Ultraschallwandlers. Der Innendurchmesser bleibt normalerweise frei.

D«»r freie Innendurchmesser kann aber auch gerade dazu benutzt werden, diesen Ringwandler als Kompensations- und Steuerungselement für andere weitgehend kreisförmig gestaltete Wandler zu verwenden, die in den Innendurchmesser passen.

Die Abstimmung des Innen= zum Außendurchmesser des Ringwandlets wird zweckmäßigerweise so getroffen, daß die Amplitude der Vertikalschwingung, d.h. der Schwingung parallel zur Hauptstiahlungsrichtunq bzw. senkrecht zur Hauptfläche des

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Wandlerelementes, keine Amplitudenumkehr oder einen Knoten punkt aufweist. Es ist daher möglich, durch eine entsprechende Anpassung des Innendurchmessers die Kopplung zwischen vortikalschwingung und vorhandenen radialen Schwingungen so zu legen, daß ein maximaler, relativ gebündelter Schalldruck in Strahlungsrichtung vorhanden ist.

Ein Vorteil des Ringwandlers muß auch darin gesehen werden. c*.ai\ e»r durch den fr'ien Innendurchmesser als "Außenwandler" zu einem kreisförmigen, innenliegenden Kompaktwandler dienen kann, um beispielsweise durch separate Ansteuerung die Unterdrückung oder Schwächung bzw. die Verstärkung von gewünschten Schallkeulen mit realisieren zu können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels im Vergleich zum Stand der Technik noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la, Ib einen axialen Schnitt durch einen Ultraschallwandler einer ersten Ausführungsform nach dem Stand der Technik mit seinem Schallkeulenprofil, wobei für nachfolgende Profile gleiche Freguenz und Energie zugrundegelegt sind;

Fig. 2a, 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ultraschallwandlers nach dem Stand der Technik mit seinem Schallkeulenprofil und

Fig. 3a einen Axialschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers;

Fig. 3b eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen Schallwandler nach Fig. 3a, und

Fig. 3c das Schallkeulenprofil eines erfindungsgemäßen Ringwandlers.

In Fig. 1a ist ein bekannter Ultraschallwandler 8 im Axialschnitt dargestellt. Dieser Ultraschallwandler 8 hat ein

piezokeramisches, kreisförmiges Wandlerelement 2, auf dem in Strahlungsrichtung ein &Lgr;/4-Anpassungskörper 9 aufgebracht isl. Der &lgr;/4-Anpassungskörper dient zur Anpassung des Schallwellenwiderstandes an Luft . Auf seiner Unterseite,radial beabstandet zum Wandlerelement 2 trägt dieser Anpassungskörper 9 einen Beschwerungsring 10.

Das. zu die.ipm H1 tr-?scha 1 !wandler gehörende Schsllkeulenprufi 1 für eine bestimmte Frequenz und Energieabstrahlung ist in Fig. 1b gezeigt. Neben einer sehr schmalen, zentralen Hauptkeule sind relativ starke, direkt benachbarte Nebenkeulen vorhanden. Nebenkeulen dieser Art sind gegebenenfalls störend und können zu Fehlmeldungen bei der Abtastung führen.

Ein weiterer Ultraschallwandler 12 nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2a dargestellt. Auch dieser Ultraschallwandler weist z.B. aufgebondet auf dem piezoelektrischen Wandlerelement 2 einen &lgr;/4-Anpassungskörper 13 auf, der weit über den radialen Außendurchmesser hinausragt. In diesen überstehenden Bereich ist der Anpassungskörper in Strahlungsrichtung als &lgr;/2-Schwinger 14 konstruiert.

Das entsprechende Schallkeulenprofil zu &tgr;&igr; Ultraschwallwandler 12 nach Fig. 2a ist in Fig. 2b dargestellt. Die zentrale Schallkeule ist hierbei etwas breiter geworden als im Vergleich zu Fig. 1b. Die Nebenkeulen sind auch wesentlich zurückgedrängt .

In Fig. 3a ist im Axialschnitt durch die Mittellinie ein erfindungsgemäßer Ringwandler 1 gezeigt. Dieser Ringwandler 1 weist ebenfalls ein scheibenförmiges und insbesondere kreisförmiges, piezokeramisches Wandlerelement 2 auf. Auf diesem Wandlerelement 2 ist nunmehr mit einem freibleibenden Innenraum 4 ein Ringzylinder 3 aufgebondet, der in Strahlungs-

richtung, d.h. senkrecht zur Hauptfläche des Wandlerelementes 2, die Dicke &lgr;/4 aufweist. Der Aufiendurchmesser des Ringzylinders 3 schließt mit dem Außendurchmesser 5 des Wandlerelementes 2 ab.

Der Ringwandler nach Fiq. 3a ist - wie in Fig. 3b erkennbar kreisförmig gestaltet. Andere polygonale Formen sind denkbar. In kreis formigsr Konfiguration kann der Inrienuürchmesäer etwa 1/3 dea Außendurchmessers betragen.

Die genaue Abstimmung des Innendurchmessers zum Außendurchmesser hängt vor allen Dingen von der Betriebsfrequenz, aber auch von Materialkonstanten (ies Anpassungskörpers ab.

Das Schallkeulenprofil bei gleicher Frequenz und Energie wie in den Fig. 1 und 2 ist für den Ringwandler in Fig. 3c gezeigt. Die zentrale Hauptkeule wird dabei von mehreren vergleichsweise stärkeren Nebenkeulen begleitet. Besonderer Vorteil des Ringwandlers ist jedoch, daß der freie Innendurchmesser von einem anderen kreisförmigen Kompaktwandl?r eingenonünen werden kann. In diesel FsIl signet sich besonders, daß auch der Ringwandler von der Piezokeramik her als Ring gestaltet ist.

Die Vertikalschwingungen in Dickenrichtung, die üblicherweise mit Radialschwingungen überlagert sind, können daher durch die Anpassung von Innen- und Außendurchmesser so gesteuert werden, daß Amplitudenumkehr oder Amplitudenknoten im Amplitude ndi a gramm der Vertikalschwingung vermieden werden.

Claims (5)

1. Ansprüche

   mit einem zur Abstrahlung von Ultraschallschwingungen anregbaren piezoelektrischen Handlerelement , das auf seiner Hauptfläche im wesentlichen in Richtung der Hauptabstrahlung einen &lgr;/4-Anpassungskörper aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der &lgr;/4-AnpassungskÖrper (3) als Ringzylinder ausgebildet ist, dessen Außendurchmesser (5) dem des piezoelektrischen Wandlerelementes (2) entspricht.
2. 2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß das piezoelektrische Wandlerelement (2) eine kreisförmige Scheibe ist.
3. 3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Wandlerelement scheibe ist.

   (2}

   eine Ring
4. 4. UltraschalJLwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß der Innendurchmesser des Ringzylinders (3) im Bereich 1/4 bis 1/2 des Außendurchmessers liegt.
5. 5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die dem Wandlerelement (2) abgewandte Hduptfläche (6) des Anpassungskörpers (3) parallel zum Wandlerelemenl (2) vorgesehen ist.