EP0340624A2 - Elektroakustischer Wandler - Google Patents

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EP0340624A2
EP0340624A2 EP89107599A EP89107599A EP0340624A2 EP 0340624 A2 EP0340624 A2 EP 0340624A2 EP 89107599 A EP89107599 A EP 89107599A EP 89107599 A EP89107599 A EP 89107599A EP 0340624 A2 EP0340624 A2 EP 0340624A2
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EP
European Patent Office
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housing
face
flange
sound
annular
Prior art date
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Application number
EP89107599A
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English (en)
French (fr)
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EP0340624A3 (de
EP0340624B1 (de
Inventor
Dieter Stutzke
Ernst Dipl.-Ing. Eckstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hontzsch GmbH
Original Assignee
Hontzsch GmbH
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Publication date
Application filed by Hontzsch GmbH filed Critical Hontzsch GmbH
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Publication of EP0340624A3 publication Critical patent/EP0340624A3/de
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Publication of EP0340624B1 publication Critical patent/EP0340624B1/de
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B06B1/0674—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface and a low impedance backing, e.g. air
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/004—Mounting transducers, e.g. provided with mechanical moving or orienting device

Definitions

  • the invention relates to an electroacoustic transducer for use as a sound transmitter and / or sound receiver for sound fields in gaseous media with an electrostrictive or piezoelectric body, which is arranged in a housing which at least partially surrounds the body in a ring and is provided with electrodes which are used to tap an acoustic Vibrations occurring in the body alternating electrical voltage or to act upon the body with a structure-borne vibrating electrical alternating voltage.
  • a piezoceramic body is embedded in a silicone material which fills a tubular housing which is open at both ends.
  • the housing is accommodated on a solid support within a bore which extends from the side of the support facing the sound field to a rear side, where the housing is fastened by means of a flange arranged on one end face thereof.
  • the soft silicone material can be removed relatively quickly in the area of the opening facing the sound field. As a result, electrodes of the piezoceramic body can be exposed and damaged.
  • This object is achieved in that the housing faces the sound field with a closed end face and the piezoelectric body firmly on this end face, however, is arranged with mobility in relation to the annular housing part enclosing the piezoelectric body.
  • the invention is based on the finding that structure-borne sound vibrations between the end face and the piezoelectric body can be transmitted practically without loss if the coupling between the end face and the piezoelectric body is harder.
  • the mobility of the piezoelectric body relative to the housing part surrounding it means that the vibrations generated by the piezoelectric body are radiated from the end face into the gaseous medium or the vibrations impinging on the end face from the sound field are effectively transmitted to the piezoelectric body.
  • the housing wall can vibrate largely undisturbed. Otherwise, only negligible sound reflections occur at the interface between the piezoelectric body and the housing, because the densities of the body material, generally a ceramic, and of the material from which the housing is made can have similar values.
  • the potting compound or connecting layer used to fasten the piezoelectric body to the end face of the housing should on the one hand be sufficiently hard for an effective transmission of mechanical vibrations or sound waves between the piezoelectric body and the end face and on the other hand be so soft that the intensity of the vibrations or Sound waves have a pronounced main maximum at a resonance frequency and, if necessary, secondary maxima occurring in other, in particular adjacent frequency ranges, are comparatively weak. It depends the optimum hardness of the casting compound or connection layer also depends on the layer thickness.
  • the suppression of the secondary maxima is desirable because this means that the electronic outlay for a driver circuit to excite the mechanical vibrations or sound waves in the piezoelectric body, or an evaluation circuit for processing the electrical voltage that can be tapped at the piezoelectric body, the amplitude of which corresponds to the mechanical excitation in the piezoelectric body Vibrations or sound waves is changed, is significantly reduced.
  • the desired hardness of the casting compound or compound layer or the like can be added by adding quartz powder. can be set.
  • the housing is removed from its end face with the interposition of flexible material that counteracts the transmission of mechanical vibrations or sound waves, such as e.g. Silicone, to hold.
  • the interposition of the soft material ensures that practically no structure-borne noise is transmitted from the housing to the solid supporting part. Rather, the vibrations or sound waves are transmitted practically exclusively between the piezoelectric body and the gaseous medium surrounding the housing.
  • the single figure shows a flow meter with electroacoustic transducers according to the invention.
  • A, for example, cuboid, essentially solid metal or support body 1 is penetrated by a channel 2 through which a part of a gaseous medium flows.
  • a rod-shaped interfering body 3 Arranged within the channel 2 is, for example, a rod-shaped interfering body 3, which generates vortices due to the flow of the gaseous medium.
  • Electroacoustic transducers 4 and 5 are arranged on two opposite sides of the channel 2, one of which works as a sound transmitter and the other as a sound receiver.
  • the transducers 4 and 5 are arranged such that the sound field generated passes through the region of the vortices generated by the disturbing body 3 in the gas flow.
  • the sound waves generated by the transducer 4 are scattered to a greater or lesser extent, so that depending on the flow velocity of the gaseous medium, sound with different intensity is applied to the transducer 5 working as a receiver hits.
  • the transducers 4 and 5 have the same structure and are arranged in principle in the same way on the metal or support body 1.
  • transverse bores 7 are arranged on the metal or support body 1 on parts opposite one another with respect to the channel 2 and extend from the outside of the metal or support body 1 to the channel 2.
  • the transducers 4 and 5 each have a substantially cylindrical housing 8 which faces the channel 2 with a closed end 8 '. At the opposite open end of the housing 8, a flange 8 ⁇ is arranged. Between flange 8 ⁇ and end face 8 'has in comparison to the end face 8' thick peripheral wall of the housing 8 an area of small wall thickness 8 ′′′. For this purpose, an annular groove open to the outside is formed in the peripheral wall.
  • the diameter of the housing 8 is slightly smaller than the diameter of the bore 7. Accordingly, an annular gap remains between the wall of the bore 7 and the outer circumference of the housing 8.
  • the flange 8 ⁇ is accommodated in a step-widened area of the bore 7 without direct contact with the metal or support body 1.
  • a soft potting compound which forms a flange 8 ⁇ holding intermediate layer 9, which also has the task of transmitting structure-borne noise between the housing 8 or the flange 8 dem and the metal or Prevent supporting body 1. At the same time, this prevents mechanical vibrations or sound waves generated by the transducer 4 from reaching the transducer 5 directly via the metal or support body 1 without passing through the channel 2 or the gas flow in the channel 2.
  • a piezoceramic body 10 is accommodated within the housing 8, which is provided on opposite end faces with electrodes 11, which can consist, for example, of vapor-deposited or baked metal layers. If an electrical alternating voltage is applied to the electrodes 11, mechanical vibrations or sound waves are excited due to the piezoelectric effect in the body 10. In reverse accordingly In this way, mechanical vibrations or sound waves in the piezoelectric body 10 generate an electrical alternating voltage that can be picked up at the electrodes 11.
  • the electrodes 11 or the like are not shown via cables. connected to electronic circuits (not shown) for applying an alternating electrical voltage to the electrodes 11 or for processing the alternating electrical voltage that can be tapped at the electrodes 11.
  • the piezoceramic body 10 is fastened on the inside of the closed end face 8 'of the housing 8 with the aid of a relatively hard casting compound which forms a thin connecting layer 12.
  • Epoxy resin is particularly suitable as the material for the connecting layer 12, which may contain a high volume fraction, e.g. more than 50 vol. %, can be mixed with quartz powder to ensure a desired hardness of the connecting layer 12.
  • the connecting layer 12 must be sufficiently hard to ensure good transmission of mechanical vibrations or sound waves between the end face 8 'of the housing 8 and the piezoceramic body 10. On the other hand, however, the connecting layer 12 must still be so soft that the intensity of the vibrations or sound waves at a resonance frequency has a clear main maximum and any secondary maxima that may occur in other, in particular adjacent, frequency ranges are only slightly pronounced. The secondary maxima should therefore be avoided or suppressed as much as possible, since this considerably reduces the electronic outlay for the circuits connected to the piezoceramic body 10.
  • the piezoceramic body 10 is dimensioned such that an annular space remains free between the outer surface of the body 10 and the cylindrical part of the housing 8, which allows an unimpeded relative movement between the cylindrical housing part and the piezoceramic body 10. If necessary, the piezoceramic body 10 can be weighted or connected to an inert mass at its end facing away from the end face 8 'of the housing 8. For example, it is possible to connect said end of the piezoceramic body 10 to a cover or sealing compound 14 that closes the open housing side.
  • the transducers 4 and 5 are generally completely identical. In the drawing, however, some details deviating from the converter 4 are shown on the converter 5.
  • the flange 8 ⁇ of the transducer 5 is held between two elastic O-rings 15 and 16, which are supported on the ring step of the bore 7 or on a pressure ring or a pressure plate 17, which are arranged on or in the enlarged region of the bore 7 is.
  • the O-ring 15 also serves as a seal for the enlarged area of the bore 7 with respect to the medium in the channel 2.
  • the flange 8 ⁇ can be subjected to bending if the O-rings 15 and 16 are clamped with appropriate pressure between the flange 8 ⁇ and the ring step of the bore 7 or the pressure ring or the pressure plate are.
  • the flange 8 ' has in the transducer 5 in the vicinity of the housing 8 an annular groove or an annular zone with a relatively small wall thickness.
  • the area of the ring groove or the ring zone is resilient, similar to a diaphragm, and accordingly permits stronger vibrations of the housing 8 relative to the rest of the flange 8 '.
  • the converters 4 and 5 work as follows:
  • the electrodes 11 are connected to an AC voltage source via lines, not shown, so that the piezoceramic body 10 is subjected to a corresponding AC voltage. Due to the piezoelectric properties of the body 10, the body 10 begins to pulsate, ie structure-borne sound vibrations are generated in the body 10. These are transmitted via the thin connecting layer 12 to the housing 8, and because of the relative mobility between the piezoceramic body 10 and the cylindrical part of the housing 8, relatively large amplitudes can occur as soon as a resonance frequency is reached. In view of large amplitudes, it is particularly advantageous if the end face 8 'is relatively thin compared to the adjacent peripheral surfaces of the housing 8.
  • peripheral wall is divided by the area 8 ′′′ with a small wall thickness, the parts of the housing 8 or the flange 8 ⁇ lying on the side of the area 8 ′′′ facing away from the end face 8 'relative should be heavy or massive.
  • the sound field generated in this way in channel 2 is influenced by the vortices present in the channel of the gaseous medium flowing through channel 2. Accordingly, depending on the flow rate of the gaseous medium, a different proportion of the sound power reaches the closed end face 8 'of the housing 8 of the transducer 5 working as a receiver.
  • the sound coming to the transducer 5 sets the closed end face 8 'of the associated housing 8 in vibrations, which are practically completely transferred to the piezoceramic body 10 due to the design and arrangement of the transducer 5. Due to the mechanical vibrations, a corresponding electrical alternating voltage can be tapped at the electrodes 11 of the piezoceramic body 10 of the transducer 5, which can be registered, for example, with an evaluation circuit.
  • the piezoelectric body 10 in a layered manner by arranging between the outer electrodes 11 a plurality of approximately parallel metal layers between layers of piezoceramic material.
  • the metal layers are alternately electrically connected to one or the other electrode 11.
  • relatively low voltages are sufficient to Piezoceramic material of the body 10 to generate high electrical fields and thus pronounced mechanical vibrations.
  • relatively high electrical powers can be generated.
  • the housing 8 is preferably made of metal, glass or ceramic material, the respective materials being selected or composed or alloyed as far as possible in such a way that the piezoelectric or electrostrictive body 10 and the housing 8 have approximately the same density and an approximately the same coefficient of expansion when the temperature changes.
  • both the housing 8 and the piezoelectric body 10 consist of ceramic materials.
  • thermal conductivity of ceramic materials is relatively good, so that temperature changes in the material propagate quickly and, if need be, brief mechanical stresses occur in the ceramic material due to a temperature gradient.
  • the mechanical stresses caused by temperature changes therefore have only a minor influence on the vibration behavior of the transducer.
  • the good thermal conductivity and the low coefficient of expansion also have the advantage that the connection or adhesive layer between the housing 8 and the piezoelectric or electrostrictive body 10 at Tem temperature changes on the converter is only slightly stressed on shear.
  • the vibrations generated by the piezoelectric or electrostrictive body 10 are transmitted particularly well to the housing 8 if ceramic material is used for the body 10 and housing 8, because the material properties are then particularly similar.
  • the housing 8 When the housing 8 is made of metal, it is fundamentally possible to conductively connect one of the electrodes 11 to the metal housing 8 and to connect the housing 8 as an electrical line between the one electrode and a driver or evaluation circuit.
  • the electrically conductive connection between the end face 8 'and the adjacent electrode 11 can be made, for example, by using an electrically conductive adhesive for the connecting layer 12, for example a silver-epoxy material.
  • the transducers according to the invention can also be used for other purposes in addition to flow meters.
  • the transducers are suitable for motion detectors which emit an ultrasound beam and evaluate the echo which may be thrown back, in order, for example, to use the Doppler effect to register movements of the objects or surfaces reflecting the sound waves.
  • the transducers according to the invention are also suitable for distance detectors in which a short sound pulse is emitted and the transit time is registered. Such detectors can also be used as level meters by determining the vertical distance of the top of the product from the detector.

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Abstract

Der Wandler (4,5), welcher als Schallsender bzw. Schallempfänger für Schallfelder in gasförmigen Medien dient, besitzt ein zum Schallfeld (2) hin geschlossenes Gehäuse (8) aus Metall, Glas oder - vorzugsweise - Keramikmaterial. Im Gehäuse (8) ist an der schallfeldseitigen Stirnfläche ein piezoelektrischer Körper (10) mit Beweglichkeit gegenüber den anderen Gehäuseflächen angeordnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen elektroakustischen Wandler zum Einsatz als Schallsender und/oder Schallempfänger für Schallfelder in gasförmigen Medien mit einem elektro­striktiven bzw. piezoelektrischen Körper, welcher in einem den Körper zumindest bereichsweise ringförmig umschließenden Gehäuse angeordnet sowie mit Elektroden versehen ist, die zum Abgriff einer bei akustischen Schwingungen im Körper auftretenden elektrischen Wechsel­spannung bzw. zur Beaufschlagung des Körpers mit einer Körperschallschwingungen erzeugenden elektrischen Wechsel­spannung dienen.
  • Bei bekannten derartigen elektroakustischen Wandlern ist ein piezokeramischer Körper in einem Silikonmaterial einge­bettet, welches ein an beiden Stirnenden offenes rohrarti­ges Gehäuse ausfüllt. Das Gehäuse ist an einem massiven Träger innerhalb einer Bohrung untergebracht, welche sich von der dem Schallfeld zugewandten Seite des Trägers zu einer rückwärtigen Seite erstreckt, wo das Gehäuse mittels eines an seinem einen Stirnende angeordneten Flansches befestigt ist.
  • Wenn die gasförmigen Medien Staub oder sonstige abrasive Stoffe enthalten, so kann das weiche Silikonmaterial im Bereich der dem Schallfeld zugewandten Öffnung des Gehäuses relativ schnell abgetragen werden. Dies hat zur Folge, daß Elektroden des piezokeramischen Körpers freigelegt und beschädigt werden können.
  • Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen elektroakusti­schen Wandler zu schaffen, welcher auch in stark verschmutz­ten gasförmigen Medien störungsfrei zu arbeiten vermag. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gehäuse dem Schallfeld mit einer geschlossenen Stirnfläche zugewandt und der piezoelektrische Körper fest an dieser Stirnfläche, jedoch mit Beweglichkeit gegenüber dem ringförmigen, den piezoelektrischen Körper umschließenden Gehäuseteil angeordnet ist.
  • Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß sich bei härterer Kopplung zwischen der Stirnfläche und dem piezoelektrischen Körper Körperschallschwingungen zwischen der Stirnfläche und dem piezoelektrischen Körper praktisch verlustfrei übertragen lassen. Gleichzeitig wird durch die Beweglichkeit des piezoelektrischen Körpers gegenüber dem ihn umschließenden Gehäuseteil erreicht, daß die vom piezoelektrischen Körper erzeugten Schwingungen von der Stirnfläche in das gasförmige Medium abgestrahlt bzw. die vom Schallfeld auf die Stirnfläche auftreffenden Schwingungen wirksam auf den piezoelektrischen Körper übertragen werden.
  • Da der piezoelektrische Körper nur mit einem verhältnismäßig kleinen Bereich des Gehäuses verbunden ist, kann die Gehäuse­wandung weitestgehend ungestört schwingen. Im übrigen treten an der Grenzfläche zwischen piezoelektrischem Körper und Gehäuse nur vernachlässigbare Schallreflektionen auf, weil die Dichten des Körpermaterials, im allgemeinen eine Keramik, sowie des Materials, aus dem das Gehäuse gefertigt ist, ähnliche Werte haben können.
  • Die zur Befestigung des piezoelektrischen Körpers an der Stirnfläche des Gehäuses dienende Vergußmasse bzw. Verbin­dungsschicht soll einerseits hinreichend hart für eine wirksame Übertragung mechanischer Schwingungen bzw. Schall­wellen zwischen dem piezoelektrischen Körper und der Stirn­fläche und andererseits noch so weich sein, daß die Intensität der Schwingungen bzw. Schallwellen bei einer Resonanzfrequenz ein ausgeprägtes Hauptmaximum aufweist und gegebenenfalls bei anderen, insbesondere benachbarten Frequenzbereichen auftre­tende Nebenmaxima vergleichsweise schwach sind. Dabei hängt die optimale Härte der Vergußmasse bzw. Verbindungsschicht auch von der Schichtdicke ab.
  • Die Unterdrückung der Nebenmaxima ist deshalb wünschenswert, weil dadurch der elektronische Aufwand für eine Treiber­schaltung zur Erregung der mechanischen Schwingungen bzw. Schallwellen im piezoelektrischen Körper bzw. einer Auswerte­schaltung zur Verarbeitung der am piezoelektrischen Körper abgreifbaren elektrischen Spannung, deren Amplitude mit den im piezoelektrischen Körper erregten mechanischen Schwingun­gen bzw. Schallwellen verändert wird, wesentlich vermindert wird.
  • Die gewünschte Härte der Vergußmasse bzw. Verbindungsschicht kann durch Beigabe von Quarzmehl od.dgl. eingestellt werden.
  • Zur Anordnung des Gehäuses an einem massiven Tragteil ist bevorzugt vorgesehen, das Gehäuse entfernt von seiner Stirnfläche unter Zwischenschaltung von nachgiebigem, einer Übertragung von mechanischen Schwingungen bzw. Schallwellen entgegenwirkendem Material, wie z.B. Silikon, zu haltern.
  • Durch die Zwischenschaltung des weichen Materials wird erreicht, daß praktisch keine Körperschallschwingungen vom Gehäuse auf das massive Tragteil übertragen werden. Vielmehr werden die Schwingungen bzw. Schallwellen prak­tisch ausschließlich zwischen dem piezoelektrischen Körper und dem das Gehäuse umgebenden gasförmigen Medium übertragen.
  • Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungs­beispieles verwiesen.
  • Dabei zeigt die einzige Figur einen Strömungsmesser mit erfindungsgemäßen elektroakustischen Wandlern.
  • Ein beispielsweise quaderartiger, im wesentlichen massiver Metall- bzw. Tragkörper 1 wird von einem Kanal 2 durchsetzt, den ein Teil eines gasförmigen Mediums durchströmt. Innerhalb des Kanals 2 ist ein beispielsweise stabartiger Störkörper 3 angeordnet, welcher aufgrund der Strömung des gasförmigen Mediums Wirbel erzeugt.
  • An zwei gegenüberliegenden Seiten des Kanales 2 sind elektroakustische Wandler 4 und 5 angeordnet, von denen einer als Schallsender und der andere als Schallempfänger arbeitet. Dabei sind die Wandler 4 und 5 derart angeordnet, daß das erzeugte Schallfeld den Bereich der vom Störkörper 3 erzeugten Wirbel in der Gasströmung durchsetzt.
  • Da die Wirbel den erzeugten Schall ablenken und die Turbulenz der Wirbel mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit ansteigt, werden auch die vom Wandler 4 erzeugten Schallwellen mehr oder weniger stark gestreut, so daß je nach Strömungsge­schwindigkeit des gasförmigen Mediums Schall mit unter­schiedlicher Intensität auf den als Empfänger arbeitenden Wandler 5 auftrifft.
  • Die Wandler 4 und 5 besitzen gleichen Aufbau und sind in prinzipiell gleicher Weise am Metall- bzw. Tragkörper 1 angeordnet.
  • Zur Aufnahme der Wandler 4 und 5 sind am Metall- bzw. Trag­körper 1 an einander bezüglich des Kanales 2 gegenüberlie­genden Teilen Querbohrungen 7 angeordnet, welche sich von der Außenseite des Metall- bzw. Tragkörpers 1 bis zum Kanal 2 erstrecken.
  • Die Wandler 4 und 5 besitzen jeweils ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 8, welches mit einer geschlossenen Stirnseite 8′ dem Kanal 2 zugewandt ist. Am entgegen­gesetzten offenen Stirnende des Gehäuses 8 ist ein Flansch 8˝ angeordnet. Zwischen Flansch 8˝ und Stirnseite 8′ besitzt die im Vergleich zur Stirnfläche 8′ dicke Umfangswand des Gehäuses 8 einen Bereich geringer Wandstärke 8‴. Dazu ist in der Umfangswand eine nach außen geöffnete Ringnut ausgebildet.
  • Der Durchmesser des Gehäuses 8 ist etwas geringer als der Durchmesser der Bohrung 7. Dementsprechend verbleibt zwischen der Wandung der Bohrung 7 und dem Außenumfang des Gehäuses 8 ein Ringspalt.
  • Der Flansch 8˝ ist in einem stufenförmig erweiterten Bereich der Bohrung 7 ohne unmittelbare Berührung des Metall- bzw. Tragkörpers 1 untergebracht. Zur Befestigung des Flansches 8˝ in der Erweiterung dient eine weiche Vergußmasse, welche eine den Flansch 8˝ halternde Zwischenschicht 9 bildet, die auch die Aufgabe hat, den Übertritt von Körperschallschwin­gungen zwischen dem Gehäuse 8 bzw. dem Flansch 8˝ und dem Metall- bzw. Tragkörper 1 zu verhindern. Damit wird gleich­zeitig vermieden, daß vom Wandler 4 erzeugte mechanische Schwingungen bzw. Schallwellen über dem Metall- bzw. Trag­körper 1 unmittelbar zum Wandler 5 gelangen, ohne den Kanal 2 bzw. die Gasströmung im Kanal 2 zu durchsetzen.
  • Innerhalb des Gehäuses 8 ist ein piezokeramischer Körper 10 untergebracht, welcher auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten mit Elektroden 11 versehen ist, die beispiels­weise aus aufgedampften bzw. eingebrannten Metallschichten bestehen können. Werden die Elektroden 11 mit einer elektri­schen Wechselspannung beaufschlagt, so werden aufgrund des piezoelektrischen Effektes im Körper 10 mechanische Schwin­gungen bzw. Schallwellen erregt. In entsprechend umgekehrter Weise erzeugen mechanische Schwingungen bzw. Schallwellen im piezoelektrischen Körper 10 eine an den Elektroden 11 abgreifbare elektrische Wechselspannung.
  • Die Elektroden 11 sind über nicht dargestellte Kabel od.dgl. mit nicht dargestellten elektronischen Schaltungen zur Beaufschlagung der Elektroden 11 mit einer elektrischen Wechselspannung bzw. zur Verarbeitung der an den Elektroden 11 abgreifbaren elektrischen Wechselspannung verbunden.
  • Mit der die eine Elektrode 11 aufweisenden Stirnseite ist der piezokeramische Körper 10 auf der Innenseite der geschlossenen Stirnfläche 8′ des Gehäuses 8 unter Zuhilfe­nahme einer relativ harten Vergußmasse befestigt, die eine dünne Verbindungsschicht 12 bildet.
  • Als Material für die Verbindungsschicht 12 ist Epoxydharz besonders geeignet, welches gegebenenfalls zu einem hohen Volumenanteil, z.B. mehr als 50 vol. %, mit Quarzmehl versetzt sein kann, um eine gewünschte Härte der Verbindungsschicht 12 zu gewährleisten.
  • Die Verbindungsschicht 12 muß hinreichend hart sein, um eine gute Übertragung mechanischer Schwingungen bzw. Schallwellen zwischen der Stirnfläche 8′ des Gehäuses 8 und dem piezo­keramischen Körper 10 zu gewährleisten. Dabei muß die Verbin­dungsschicht 12 andererseits jedoch noch so weich sein, daß die Intensität der Schwingungen bzw. Schallwellen bei einer Resonanzfrequenz ein deutliches Hauptmaximum aufweist und gegebenenfalls auftretende Nebenmaxima bei anderen, insbeson­dere benachbarten,Frequenzbereichen nur wenig ausgeprägt sind. Die Nebenmaxima sollen deshalb möglichst vermieden bzw. unter­drückt werden, weil dadurch der elektronische Aufwand für die mit dem piezokeramischen Körper 10 verbundenen Schaltungen wesentlich vermindert wird.
  • Der piezokeramische Körper 10 ist derart bemessen, daß zwischen der Mantelfläche des Körpers 10 und dem zylindri­schen Teil des Gehäuses 8 ein ringförmiger Abstandsraum frei bleibt, welcher eine ungehinderte Relativbewegung zwischen dem zylindrischen Gehäuseteil und dem piezo­keramischen Körper 10 gestattet. Gegebenenfalls kann der piezokeramische Körper 10 an seinem von der Stirnfläche 8′ des Gehäuses 8 abgewandten Ende mit einer träger Masse beschwert bzw. verbunden sein. Beispielsweise ist es möglich, das genannte Ende des piezokeramischen Körpers 10 mit einer die offene Gehäuseseite abschließenden Abdeckung bzw. Vergußmasse 14 zu verbinden.
  • Die Wandler 4 und 5 sind in der Regel völlig gleichartig ausgebildet. In der Zeichnung werden jedoch am Wandler 5 einige vom Wandler 4 abweichende Details dargestellt.
  • So ist der Flansch 8˝ des Wandlers 5 zwischen zwei elasti­schen O-Ringen 15 und 16 gehaltert, die auf der Ringstufe der Bohrung 7 bzw. auf einem Druckring bzw. einer Druck­platte 17 abgestützt sind, die am oder im erweiterten Bereich der Bohrung 7 angeordnet ist. Dabei dient der O-Ring 15 gleichzeitig als Abdichtung des erweiterten Bereiches der Bohrung 7 gegenüber dem Medium im Kanal 2.
  • Durch O-Ringe 15 und 16 mit unterschiedlichen Durchmessern kann der Flansch 8˝ auf Biegung beansprucht werden, wenn die O-Ringe 15 und 16 mit entsprechender Pressung zwischen dem Flansch 8˝ und der Ringstufe der Bohrung 7 bzw. dem Druckring oder der Druckplatte eingespannt sind.
  • Der Flansch 8˝ besitzt beim Wandler 5 in der Umgebung des Gehäuses 8 eine Ringnut bzw. eine Ringzone mit relativ geringer Wandstärke.
  • Der Bereich der Ringnut bzw. der Ringzone ist ähnlich einer Membrane nachgiebig und läßt dementsprechend stärkere Schwingungen des Gehäuses 8 relativ zum übrigen Flansch 8˝ zu.
  • Die Halterung des Flansches 8˝ mittels der O-Ringe 15 und 16, welche am Flansch 8˝ jeweils nur im Bereich eines schmalen Ringstreifens anliegen, sowie die Anordnung der Ringnut bzw. der dünnen Ringzone im Flansch 8˝ haben sich im Hinblick auf einen guten Wirkungsgrad der Wandler als besonders vorteilhaft erwiesen.
  • Die Wandler 4 und 5 arbeiten wie folgt:
  • Bei dem als Schallsender arbeitenden Wandler 4 werden über nicht dargestellte Leitungen die Elektroden 11 mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, so daß der piezokeramische Körper 10 mit einer entsprechenden Wechselspannung beauf­schlagt wird. Aufgrund der piezoelektrischen Eigenschaften des Körpers 10 beginnt derselbe zu pulsieren, d.h. im Körper 10 werden Körperschallschwingungen erzeugt. Diese übertragen sich über die dünne Verbindungsschicht 12 auf das Gehäuse 8, wobei aufgrund der Relativbeweglichkeit zwischen dem piezo­keramischen Körper 10 und dem zylindrischen Teil des Gehäuses 8 relativ große Amplituden auftreten können, sobald eine Resonanzfrequenz erreicht wird. Im Hinblick auf große Ampli­tuden ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stirnfläche 8′ im Vergleich zu den angrenzenden Umfangsflächen des Gehäuses 8 relativ dünn ist. Darüber hinaus werden große Amplituden auch dadurch begünstigt, daß die Umfangswand durch den Bereich 8‴ mit geringer Wandstärke unterteilt ist, wobei die auf der von der Stirnfläche 8′ abgewandten Seite des Bereiches 8‴ liegenden Teile des Gehäuses 8 bzw. des Flansches 8˝ relativ schwer bzw. massiv ausgebildet sein sollten.
  • Außerdem können große Amplituden unter Umständen noch dadurch begünstigt werden, daß das von der Stirnfläche 8′ abgewandte Ende des piezokeramischen Körpers 10 mit einer schweren Masse beschwert bzw. verbunden ist (beispielsweise mit der Abdeckung bzw. Vergußmasse 14), welche nach Art eines Widerlagers für den piezokeramischen Körper 10 wirkt.
  • Das auf diese Weise im Kanal 2 erzeugte Schallfeld, in der Regel ein Ultraschallfeld, wird durch die im Kanal vorhan­denen Wirbel des den Kanal 2 durchströmenden gasförmigen Mediums beeinflußt. Dementsprechend gelangt ein je nach Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Mediums unter­schiedlicher Anteil der Schalleistung auf die geschlossene Stirnfläche 8′ des Gehäuses 8 des als Empfänger arbeitenden Wandlers 5.
  • Der zum Wandler 5 gelangende Schall versetzt die geschlos­sene Stirnseite 8′ des zugehörigen Gehäuses 8 in Schwingungen, welche sich aufgrund der Ausbildung und Anordnung des Wandlers 5 praktisch vollständig auf den piezokeramischen Körper 10 übertragen. Aufgrund der mechanischen Schwingungen ist an den Elektroden 11 des piezokeramischen Körpers 10 des Wandlers 5 eine entsprechende elektrische Wechselspannung abgreifbar, welche beispielsweise mit einer Auswerteschaltung registriert werden kann.
  • Abweichend von der dargestellten Ausführungsform ist es grundsätzlich auch möglich, den piezoelektrischen Körper 10 schichtförmig aufzubauen, indem zwischen den äußeren Elektro­den 11 mehrere dazu etwa parallele Metallschichten zwischen Schichten aus piezokeramischem Material angeordnet sind. Die Metallschichten sind abwechselnd mit der einen oder anderen Elektrode 11 elektrisch verbunden. Bei dieser Anord­nung genügen relativ geringe elektrische Spannungen, um im piezokeramischen Material des Körpers 10 hohe elektrische Felder und damit ausgeprägte mechanische Schwingungen zu erzeugen. Umgekehrt können beim Auftreten mechanischer Schwingungen im piezokeramischen Material relativ hohe elektrische Leistungen erzeugt werden.
  • Das Gehäuse 8 besteht bevorzugt aus Metall, Glas oder Keramikmaterial, wobei die jeweiligen Materialien möglichst so ausgewählt bzw. zusammengesetzt oder legiert sind, daß der piezoelektrische bzw. elektrostriktive Körper 10 und das Gehäuse 8 etwa gleiche Dichte sowie einen etwa gleichen Ausdehnungskoeffizienten bei Temperaturänderungen aufweisen.
  • Diese Bedingungen lassen sich besonders gut erfüllen, wenn sowohl das Gehäuse 8 als auch der piezoelektrische Körper 10 aus Keramikmaterialien bestehen.
  • Diese Materialien besitzen darüber hinaus den Vorteil, daß sie bei Temperaturänderungen ihre Abmessungen bzw. ihre Dichte nur sehr wenig ändern, d.h. der Ausdehnungskoeffizient ist sehr gering. Dementsprechend kann sich auch das Schwin­gungsverhalten bei Temperaturänderungen nur wenig verändern.
  • Darüber hinaus ist das Wärmeleitvermögen von Keramikmateria­lien relativ gut, so daß sich Temperaturänderungen im Mate­rial schnell fortpflanzen und im Keramikmaterial allenfalls kurzzeitige mechanische Spannungen aufgrund eines Tempera­turgradienten auftreten. Somit haben die durch Temperatur­veränderungen bewirkten mechanischen Spannungen nur geringen Einfluß auf das Schwingverhalten des Wandlers.
  • Das gute Wärmeleitvermögen sowie der geringe Ausdehnungs­koeffizient bringen des weiteren den Vorteil mit sich, daß die Verbindungs- bzw. Klebeschicht zwischen Gehäuse 8 und piezoelektrischem bzw. elektrostriktivem Körper 10 bei Tem­ peraturänderungen am Wandler nur wenig auf Scherung beansprucht wird.
  • Im übrigen werden die vom piezoelektrischen bzw. elektro­striktiven Körper 10 erzeugten Schwingungen besonders gut auf das Gehäuse 8 übertragen, wenn für Körper 10 und Gehäuse 8 Keramikmaterial verwendet wird, weil dann die Materialeigenschaften besonders ähnlich sind.
  • Bei Herstellung des Gehäuses 8 aus Metall ist es grundsätz­lich möglich, eine der Elektroden 11 leitend mit dem Metall­gehäuse 8 zu verbinden und das Gehäuse 8 als elektrische Leitung zwischen die eine Elektrode und eine Treiber- bzw. Auswerteschaltung zu schalten. Die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Stirnfläche 8′ und der benachbarten Elektrode 11 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß für die Verbindungsschicht 12 ein elektrisch leitfähiger Kleber verwendet wird, beispielsweise ein Silber-Epoxyd-­Material.
  • Im übrigen können die erfindungsgemäßen Wandler außer für Strömungsmesser auch für andere Zwecke verwendet werden. Beispielsweise sind die Wandler für Bewegungsdetektoren geeignet, welche einen Ultraschall-Strahl aussenden und das gegebenenfalls zurückgeworfene Echo auswerten, um bei­spielsweise mittels des Dopplereffektes Bewegungen der die Schallwellen zurückwerfenden Gegenstände bzw. Flächen zu registrieren. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Wandler auch für Abstandsdetektoren geeignet, bei denen ein kurzer Schallimpuls ausgesandt und die Laufzeit re­gistriert wird. Derartige Detektoren können auch als Füll­standsmesser eingesetzt werden, indem sie den vertikalen Abstand der Füllgutoberseite vom Detektor bestimmen.

Claims (17)

1. Elektroakustischer Wandler zum Einsatz als Schallsender und/oder Schallempfänger für Schallfelder in gasförmi­gen Medien mit einem elektrostriktiven bzw. piezoelekt­rischen Körper, welcher in einem den Körper zumindest bereichsweise ringförmig umschließenden Gehäuse angeord­net sowie mit Elektroden versehen ist, die zum Abgriff einer bei akustischen Schwingungen im Körper auftreten­den elektrischen Wechselspannung bzw. zur Beaufschlagung des Körpers mit einer Körperschallschwingungen erzeugen­den elektrischen Wechselspannung dienen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (8) dem Schallfeld (Kanal 2) mit einer geschlossenen Stirnfläche zugewandt und der Körper (10) fest an dieser Stirnfläche, jedoch mit Beweglichkeit gegenüber dem ringförmigen, den Körper (10) umschließen­den Teil des Gehäuses (8) angeordnet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Körper (10) und dem denselben umschließenden Gehäuseteil ein Ringraum als Abstands­zone bzw. Luftspalt verbleibt.
3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der geschlossenen Stirn­fläche des Gehäuses (8) abgewandte Seite des Gehäuses (8) mit einem weichen Material, wie z.B. Silikon, abgedeckt bzw. vergossen ist.
4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (10) an der geschlossenen Stirnfläche des Gehäuses (8) mittels einer dünnschichti­gen Vergußmasse bzw. Verbindungsschicht (12), z.B. aus Epoxydharz, befestigt ist.
5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse bzw. Verbindungsschicht (12) einerseits hinreichend hart für eine Übertragung mecha­nischer Schwingungen bzw. Schallwellen zwischen dem Körper (10) und der Stirnfläche (8′) und andererseits noch so weich ist, daß die Intensität der Schwingungen bzw. Schallwellen bei einer Resonanzfrequenz ein ausge­prägtes Hauptmaximum aufweist und gegebenenfalls bei anderen, insbesondere benachbarten Frequenzbereichen auftretende Nebenmaxima vergleichsweise schwach sind.
6. Wandler nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse bzw. Verbindungs­schicht (12) mehr als 50 vol. % Quarzmehl und/oder Metallpulver enthält.
7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) entfernt von seiner Stirnfläche (8′) unter Zwischenschaltung von nachgiebigem, einer Übertragung von mechanischen Schwingungen bzw. Schallwellen entgegenwirkendem Material (Zwischenschicht 9), wie z.B. Silikon, an einem Tragteil (Metallkörper 1) gehaltert ist.
8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nahe bzw. an dem von der geschlossenen Stirnfläche abgewandten Stirnende des Gehäuses (8) ein Flansch (8˝) od.dgl. angeordnet ist, mit dem das Gehäuse (8) unter Zwischenschaltung einer Lage aus dem nachgiebigen Material (Zwischenschicht 9) am Tragteil (Metallkörper 1) anbringbar ist.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der das Gehäuse (8) ringförmig umschließende Flansch (8′) relativ schwer bzw. mit deutlich größerer Dicke als die übrige Wandung des Gehäuses (8) ausgebil­det ist.
10. Wandler nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Flansch (8′) mit einer Lage (9) aus weichem Material auf einer vom Schallfeld (Kanal 2) abgewandten Fläche des Tragteiles (Metallkörper 1) aufliegt und daß das Gehäuse (8) unter Freilassung eines ringförmigen Abstandsraumes in einer Bohrung (7) angeordnet ist, die das Tragteil (Metallkörper 1) von der flanschseitigen Fläche zu einer dem Schallfeld zugewandten Seite hin durchsetzt.
11. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangswand des Gehäuses (8) zwischen dessen Stirnfläche (8′) und einem zur Halterung des Gehäuses (8) dienenden Teil bzw. Bereich oder Flansch (8˝) einen ringförmigen Bereich (8‴) mit verminderter Wandstärke besitzt, z.B. indem der ringförmige Bereich (8‴) als eine zur Außenseite des Gehäuses (8) geöffnete Ringnut ausgebildet ist.
12. Wandler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuse- bzw. Flanschteile auf der von der Stirnfläche (8′) abgewandten Seite des ringförmigen Bereiches (8‴) schwerer und/oder massiver als die übrigen Teile des Gehäuses (8) sind.
13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (8′) im Vergleich zur angrenzenden Umfangswand des Gehäuses (8) eine geringe Wandstärke besitzt.
14. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Stirnfläche (8′) entfernte Ende des Körpers (10) mit einer trägen Masse bzw. mit einer das von der Stirnfläche (8′) entfernte Ende des Gehäuses (8) abschließenden Abdeckung oder Schicht (14) beschwert bzw. verbunden ist.
15. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) mittels eines von seiner Stirnfläche (8′) axial beabstandeten Flansches (8˝) zwischen O-Ringen (15,16) gehaltert ist.
16. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Halterung des Gehäuses (8) dienender, von dessen Stirnfläche (8′) axial beabstan­deter, gehäuseseitiger Flansch (8˝) in der Umgebung des Gehäuses eine Ringzone mit membranartig verminderter Wandstärke bzw. eine Ringnut aufweist.
17. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) aus Metall, Glas und/oder - vorzugsweise - Keramikmaterial besteht, wobei das Gehäusematerial vorzugsweise derart ausgewählt bzw. zusammengesetzt ist, daß das Material des Körpers (10) und das Gehäusematerial bei Temperaturänderung einen etwa gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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