DE977266C

DE977266C - Sende- oder Empfangseinrichtung fuer Ultraschallwellen mit Richtstrahlerwirkung mittels einer in Ultraschallschwingungen versetzten Platte

Info

Publication number: DE977266C
Application number: DEC20663A
Authority: DE
Inventors: Jacques Ducuing; Jean Claude Simon
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1959-01-29
Filing date: 1960-01-29
Publication date: 1965-09-09
Also published as: FR1410952A

Description

Die Erfindung betrifft eine Sende- oder Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen mit Richtstrahlerwirkung, die eine in Ultraschallschwingungen versetzte Platte besitzt.

Zur Ultraschallbehandlung menschlicher oder tierischer Gewebe sind Ultraschallstrahler bekannt, die eine Platte aus piezoelektrischem Quarz enthalten, deren Dicke ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge ist. Die Platte wird auf den zu behandelnden Körper aufgelegt und strahlt dann im wesentlichen senkrecht zu ihrer Oberfläche, aber ohne ausgeprägte Richtwirkung.

Demgegenüber ist es das Ziel der Erfindung, eine Einrichtung zur Abstrahlung bzw. zum Empfang von Ultraschallwellen mit ausgeprägter Richtwirkung zu schaffen, bei der die Strahlungsrichtung im Ermessen des Konstrukteurs liegt.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Dicke der Platte klein gegen die Wellenlänge ist, daß die Platte zwei größere Seiten und zwei kleinere Seiten besitzt, daß zwei magnetostriktive Vibratoren entlang einer der beiden kleinen Seiten mit der Platte in Berührung stehen und in der Platte Biegeschwingungen senkrecht zur Plattenoberfläche erzeugen, daß die Platte im Abstand von einem metallischen Körper angebracht ist, und daß eine Schicht aus einem Material, das die gleiche akustische Impedanz wie Luft besitzt, zwischen der Platte und dem metallischen Körper angeordnet ist.

Bei der Einrichtung nach der Erfindung erfolgt die Abstrahlung der Ultraschallwellen unter einem Winkel zur Plattenoberfläche, wobei die Richtwirkung um so größer ist, je größer die Ausdehnung

509 655/8

der Platte m der Ausbreitungsrichtung der Wellen ist. Der Winkel, unter dem die Strahlungsrichtung gegen die Plattenoberfläche geneigt ist, hängt bei gegebenem Material von der Wahl der Plattendicke ab. Dieser Winkel kann sehr klein gemacht werden, so daß die Strahlungsrichtung nahezu parallel zur Plattenoberfläche liegt.

Infolge ihrer flachen Form kann der Ultraschallstrahler leicht auf der Außenseite eines schnell beweglichen Körpers, beispielsweise eines Torpedos, angebracht werden. Der metallische Körper ist dann die Außenwand des Torpedos.

Zur Verhinderung jeder Streustrahlung an den Kanten der Platte sind vorzugsweise die Seitenflächen der Platte gleichfalls mit Material bedeckt, das die gleiche akustische Impedanz wie Luft besitzt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt ao Fig. ι eine schematische Schnittansicht des Ultraschallstrahlers und

Fig. 2 eine Oberansicht der Anordnung von Fig. i.

Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Ultraschallstrahler ist in ein Medium II, beispielsweise Wasser, eingetaucht. Er enthält eine Platte 1, die aus Metall oder einem Kunststoff besteht.

Diese Platte steht an ihrer Unterseite mit einer Schicht 2 aus einem vollkommen reflektierenden Material in Berührung, beispielsweise Luft, Vakuum oder auch einem Feststoff, der die gleiche akustische Impedanz wie Luft hat. Diese Schicht liegt ihrerseits auf einem Metallkörper 7, beispielsweise einem Torpedo.

Zwei magnetostriktive Vibratoren 3 und 4, die auf die zu sendende Frequenz abgestimmt sind, liegen an der einen Schmalseite der Platte auf deren beiden Seiten an. In diesen Vibratoren werden Längsschw.ingungen erzeugt, deren Achse senkrecht zur Plattenebene steht. Sie werden durch zwei Wicklungen 5 und 6 erregt, die gegenphasig gespeist werden. Diese beiden Vibratoren besitzen die Form von magnetostriktiven Schienen, die zu beiden Seiten der Platte auf diese aufgelegt sind und sich über deren ganze Breite erstrecken. Um jede Streustrahlung an den Seiten zu verhindern, sind die Seitenflächen der Platte von Bändern 8 aus einem Material umgeben, das die gleiche akustische Impedanz wie Luft hat.

Die beiden Vibratoren erregen in der Platte 1 transversale Biegeschwingungen. Bei einer Platte von rechteckigem Querschnitt breiten sich diese Biegeschwingungen in der Platte mit einer Geschwindigkeit F₁ aus, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

* V Q

darin sind: Ε — Elastizitätsmodul, ρ = Dichte des Mediums I, ν = Betriebsfrequenz, K-Ae; in dieser Formel ist A ein Faktor, der von der Form der Platte abhängt, und e die Dicke der Platte, d. h. die parallel zu der Schwingungsrichtung liegende Dimension, die klein gegen die Wellenlänge ist.

Wenn die Platte in ein Medium II eingetaucht ist, in dem die Schallgeschwindigkeit den Wert Vn hat, strahlt sie in einer Richtung ab, die durch die Gleichung

cos Θ =

Vn

(2)

gegeben ist. Außer dieser Beziehung ist zu ersehen, daß F₁ größer als F_n sein muß, damit eine Abstrahlung stattfindet.

Es wurden Versuche mit einer Platte aus Duralumin durchgeführt, bei der die Geschwindigkeit F₁ 1500 m/sec betrug. (ν=ζ· ίο* Hz; e=7mm.) Wenn diese Platte in Wasser (II) eingetaucht war, lag der Winkel Θ in der Größenordnung von 3⁰.

Es ist offensichtlich, daß die Richtwirkung um so größer ist, je größer die Abmessung der Platte in der Ausbreitungsrichtung der Schwingungen ist. Bei dem angegebenen Beispiel wird diese Dimension zwischen 10 und 16 λ gewählt, wobei λ die Wellenlänge in dem Biegeschwingungsmedium I ist.

Aus den Gleichungen (1) und (2) läßt sich ableiten, daß die Strahlungsrichtung einerseits von der Frequenz ν und andererseits von der Dicke der Platte abhängt.

Es lassen sich nach diesem Prinzip Ultraschallstrahler herstellen, deren Strahlungsrichtung von der Dicke der schwingenden Platte abhängt, wobei in bestimmtem Maß die Strahlungsrichtung dadurch verändert werden kann, daß die Sendefrequenz geändert wird. Insbesondere läßt sich durch eine geeignete Wahl der Geschwindigkeit V₁ eine Strahlungsrichtung erzielen, die beliebig nahe an der Längsachse der Platte liegt.

Die Materialschicht (III) verhindert jede Abstrahlung auf der Seite, an der der Ultraschallstrahler befestigt ist. Sie ermöglicht dadurch einerseits eine Erhöhung des Sendewirkungsgrads in der Richtung Θ und andererseits die Vermeidung von störenden Schwingungen und Resonanzen in dem Torpedo oder sonstigem Metallkörper, auf dem sie angeordnet ist.

Claims

110 PATENTANSPRÜCHE:

I. Sende- oder Empfangseinrichtung für Ultraschallwellen mit Richtstrahlerwirkung mittels einer in Ultraschallschwingungen versetzten Platte, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (e) der Platte (1) klein gegen die Wellenlänge ist, daß die Platte zwei größere Seiten und zwei kleinere Seiten besitzt, daß zwei magnetostriktive Vibratoren (3, 4, 5, 6) entlang "einer der beiden kleinen Seiten an einem Ende der Platte mit dieser in Berührung stehen und in der Platte (1) Biegeschwingungen senkrecht zur Plattenoberfläche erzeugen, daß die Platte (1) im Abstand von einem metallischen Körper (7) angebracht ist, und daß eine Schicht (2) aus

einem Material, das die gleiche akustische Impedanz wie Luft besitzt, zwischen der Platte (i) und dem metallischen Körper (7) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenflächen der Platte (1) gleichfalls mit Material (8) bedeckt sind,

S.

das die gleiche akustische Impedanz wie Luft besitzt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 994 643; »Instruments«, Vol. 25, Dezember 1952,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen