EP0390959A2

EP0390959A2 - Ultraschallwandler

Info

Publication number: EP0390959A2
Application number: EP89106914A
Authority: EP
Inventors: Neil Dr. Craigie
Original assignee: CRAIGIE Neil S Dr; Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: CRAIGIE, NEIL, STUART
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1989-04-18
Publication date: 1990-10-10
Also published as: EP0390959A3

Abstract

Ultraschallwandler (20) mit einem zur Abstrahlung von Ultraschallschwingungen anregbaren piezoelektrischen Wandlerelement (21). Während man bisher den Weg einer Überdimensionierung des Anpassungskörpers (22) in Durchmesser-Richtung betrieb, geht man bei der Erfindung den Weg, durch Anpassung der seitlichen Umfangsfläche des Anpassungskörpers einen effektiven, kleinstmöglichen Durchmesser des Anpassungskörpers (22) zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultraschallwandler gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Ultraschallwandler ist beispielsweise aus der DE-PS 25 41 492 oder der DE-PS 34 01 979 bekannt.
Die vorgenannten bekannten Ultraschallwandler haben für das bei der Konzeption für Ultraschallwandler bestehende grundsätzliche Problem, nämlich bei gleicher Energie einen möglichst hohen Schalldruck und eine große Schallamplitude zu erreichen, schon Lösungen aufgezeigt.
So hat man das Impedanz-Anpassungsproblem, das zwischen dem zu Schwingungen angeregten piezokeramischen Wandlerelement und der Luft besteht, durch das Aufbringen eines λ/4-Anpassungskörpers auf das piezokeramische Wandlerelement relativ zufriedenstellend gelöst. Hierbei wurde die akustische Impedanz des Anpassungskörpers zwischen der Impedanz der Piezokeramik und der der Luft gewählt.
Wie es in den Fig. 1 bis 4, auf die nachstehend noch eingegangen wird, zur besseren Gegenüberstellung mit der Erfindung dargestellt ist, müssen die bisher beschrittenen Lösungsalternativen im Hinblick auf eine gute Abstrahlcharakteristik eines Ultraschallwandlers bei möglichst kleiner Größe als unbefriedigend angesehen werden.
So bringt das ursprüngliche Konzept eines Ultraschallwandlers mit einem plättchenförmigen, piezokeramischen Wandlerelement und darauf aufgebondeter λ/4-Anpassungsschicht in Richtung der Hauptabstrahlung, wobei diese λ/4-Anpassungsschicht exakt dem piezokeramischen Wandlerelement angepaßt ist und z.B. kreiszylindrische Form aufweist, eine sehr breite zentrale Hauptkeule im Schallkeulenprofil mit einer Vielzahl relativ gleich starker Nebenkeulen.
Die in der DE-PS 25 41 492 vorgeschlagene Lösung des Ultraschallwandlers sieht als Anpassungskörper zwar eine λ/4-Schicht vor. Der Anpassungskörper selbst hat jedoch eine wesentlich größere Flächenabmessung mit über den Rand des piezokeramischen Wandlerelementes überstehenden Bereich. Zusätzlich ist auf der Unterseite dieses überstehenden Bereichs, sozusagen auf der Höhe des piezokeramischen Wandlerelementes, ein von diesem beabstandeter Beschwerungsring angebondet.
Das hierbei erreichte Schallkeulenprofil zeigt unter Zugrundelegung gleicher Anregungsfrequenz und Energie eine relativ schmale zentrale Hauptkeule, die jedoch von zwei äußerst starken, eng benachbarten ersten Nebenkeulen begleitet ist.
Die in der DE-PS 34 01 979 vorgeschlagene Lösungsalternative sieht in ganz vergleichbarer Weise einen flächenmäßig wesentlich größeren λ/4-Anpassungskörper vor, der im über den piezokeramischen Wandler sozusagen radial überstehenden Bereich als λ/2-Schwinger ausgebildet ist.
Das dadurch erreichte Schallkeulenprofil ist durch eine relativ starke, zentrale Hauptkeule und mehreren, schwächeren Nebenkeulen geprägt.
Gerade der Vergleich der vorausgehend angeführten drei Alternativen des Standes der Technik zeigt, daß man mit flächenmäßig kleinen Ultraschallwandlern noch kein günstiges Schallkeulenprofil mit starker zentraler Hauptkeule und stark zurückgedrängten Nebenkeulen erreicht. Auf der anderen Seite aber auch flächenmäßig groß dimensionierte Ultraschallwandler im Hin blick auf Dimensionierung, Ansteuerungsenergie und Schallkeulenprofil noch keine zufriedenstellende Lösung zeigen.
Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschallwandler der gattungsgemäßen Art bei kleiner Dimensionierung mit guter Abstrahlcharakteristik auszulegen und auch einfache Anpassungsmöglichkeiten an geänderte Parameter, insbesondere die Frequenz, zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Als grundlegender Gedanke der Erfindung kann daher gewertet werden, daß man sich nicht von einer Überdimensionierung des Anpassungskörpers auf dem piezokeramischen Wandlerelement leiten ließ, sondern eine Rückorientierung auf einen durchmessermäßig nahezu identischen λ/4-Anpassungskörper, wie das piezokeramische Wandlerelement durchführte. Hierbei jedoch mußte man überraschenderweise feststellen, daß die effektive Hauptabstrahlungsfläche bzw. Stirnfläche des λ/4-Anpassungskörpers geringfügig von der Hauptfläche des piezokeramischen Wandlerelementes abweicht.
Unter effektiver Strahlungsfläche soll nachstehend die Fläche verstanden werden, bis zu der im Amplitudendiagramm der Vertikal- bzw. Dickenschwingung des λ/4-Anpassungskörpers kein Knotenpunkt vorhanden ist oder eine Phasenumkehr der Amplitude nicht auftritt.
Als Ergebnis kann daher für die Erfindung die Erkenntnis festgehalten werden, daß die dem piezokeramischen Wandlerelement abgewandete Hauptfläche des λ/4-Anpassungskörpers in Strahlungsrichtung gesehen geringfügig größer oder kleiner ist als die auf dem piezokeramischen Wandlerelement aufgebondete und in der Regel übereinstimmende Fläche des Anpassungskörpers. Es wird daher bewußt eine Abweichung von einer im bisherigen Sinn streng kreiszylindrischen Form des λ/4-Anpassungskörpers durchgeführt, der erfindungsgemäß eine größere oder kleinere in Strahlungsrichtung orientierte Hauptfläche aufweist, wobei der Durchmesser bzw. die Größe der Hauptfläche ebenso wie die Umfangsfläche und deren Seitenlinie durch die Frequenz, die Materialparameter des Anpassungskörpers und die Dicke bestimmt wird.
Bei der Erfindung macht man sich daher die Erkenntnis zunutze, wonach die eigentlich erwünschte Dickenschwingung bzw. Vertikalschwingung senkrecht zur Hauptfläche des Ultraschallwandlers durch radiale Schwingungen überlagert wird. Diese Radialschwingungen sind vor allen Dingen dann vorhanden, wenn die Dicke des λ/4-Anpassungskörpers im Verhältnis zum Durchmesser des Anpassungskörpers relativ klein ist. Aus dieser Überlagerung von Vertikalschwingung und Radialschwingungs-Modi können kann Knotenpunkte bzw. Knotenringe entstehen, die eine kleinere effektive Strahlungsfläche mit sich bringen.
Obwohl man bisher diese Knotenpunkte durch eine überstehende Ringstruktur des λ/4-Anpassungskörpers beeinflußte und minimierte, hat die Erfindung erkannt, daß die Radialschwingungs-Modi im Anpassungskörper sehr empfindlich gegenüber den Reflexionsrandbedingungen am seitlichen Umfangsrand des Anpassungskörpers sind. Dies wirkt sich dementsprechend so aus, daß man die Schwingungen des Ultraschallwandlers durch kleine Änderungen im Durchmesser der Hauptfläche des Anpassungskörpers, bezogen auf den Durchmesser des piezokeramischen Wandlerelementes, und kleine Formänderungen der Umfangswand des Anpassungskörpers, erheblich beeinflussen kann.
Frequenz, Elastizitätsmodul und Poisson-Querzahl beeinflussen daher die genaue Form der seitlichen Umfangswand, wobei die Konfiguration so erfolgt, daß Knotenbildungen im Amplitudendiagramm der vertikalen Schwingung vermieden werden. In einfachster Konfiguration ist die Seitenlinie der Umfangsfläche des Anpassungskörpers eine Gerade, die divergiert oder konvergiert, so daß der Durchmesser der Hauptfläche des Anpassungskörpers geringfügig von der Hauptfläche des piezokeramischen Wandlerelements abweicht. Beispielsweise kann bei einem Durchmesser von 30 mm des Wandlerelementes der Durchmesser der dem Wandlerelement abgewandten Hauptfläche des Anpassungskörpers 32 mm betragen. Abhängig vom Verhältnis der Dicke des Anpassungskörpers zum Durchmesser des Wandlerelementes sind auch leicht positiv oder leicht negativ gekrümmte Seitenlinien vorteilhaft, um einen relativ zentrierten hohen Schalldruck zu erreichen.
Die Änderung des Durchmessers der Hauptfläche des Anpassungskörpers im Vergleich zur Wandlerfläche, der als kreisförmig angenommen wird, liegt geeigneterweise im Bereich von 4 % bis 15 %, speziell, um etwa 6 % bis 10 %. Obwohl koaxiale Kreisflächen zwischen Wandlerelement und Anpassungskörper üblich sind, kann die abgewandte Hauptfläche des Anpassungskörpers gegebenenfalls auch eine davon abweichende Kontur aufweisen, insbesondere, wenn der Durchmesser größer als der des Wandlerelementes ist.
Eine andere Variationsmöglichkeit besteht darin, den Durchmesser der auf die Wandlerfläche gebondeten Fläche des Anpassungskörpers geringfügig kleiner oder größer als die piezokeramische Wandlerfläche zu machen. Für gewisse Frequenzen und Wandlerdurchmesser bringt dies in Kombination mit der oben genannten Formung eine günstige Beeinflussung des Schallkeulenprofils.
Um die Nebenkeulen bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler noch besser beeinflussen zu können, scheint es äußerst vorteilhaft zu sein, einem erfindungsgemäßen, kegelstumpfförmigen Ultraschallwandler mit minimalem Luftabstand oder Zwischenabstand einen äußeren Ringwandler gleicher Dicke zuzuordnen. Hierbei besteht der Ringwandler aus einem ringartigen, piezokeramischen Wandlerelement mit einem Innendurchmesser geringfügig größer als der größte Durchmesser des inneren Anpassungskörpers. Beim Ringwandler ist auf dem Wandlerelement ein ringzylindrischer λ/4-Anpassungskörper aufgebondet, der üblicherweise streng zylindrisch ist.
Obwohl ein derartiger Ringwandler bereits für sich gesehen Vorteile im Vergleich zu Wandlern nach dem Stand der Technik bietet, eignet er sich besonders zur besseren Abstimmung der Abstrahlungscharakteristik des gesamten Ultraschallwandlers. So kann bei gleicher Hauptfläche ein mit einem Ringwandler kombinierter Ultraschallwandler, im Vergleich zur Hauptfläche eines alleinigen kegelstumpfförmigen Ultraschallwandlers, durch ein anderes Phasen- und Betragsverhältnis zwischen den beiden Wandlern, eine ganz gezielte Beeinflussung der Nebenkeulen herbeigeführt werden. So ist es möglich, die problematischen Nebenkeulen noch stärker zurückzudrängen, als dies bei reinen kegelstumpfförmigen Wandlern sowie bei den oben genannten bekannten Lösungen möglich ist. Andererseits eröffnen sich sogar Ausführungsformen, z.B. auf der einen Seite des Schallkeulenprofils gewollt ein breites Schallfeld mit intensiven Nebenkeulen zu erreichen, während auf der anderen Seite die Nebenkeulen so gut wie nicht vorhanden sind.
Die Erfindung wird nachstehend im Vergleich mit dem Stand der Technik anhand einiger Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein schematisch dargestelltes Ultraschallwandlerelement nach dem Stand der Technik mit zylindrischem Aufbau;
Fig. 2a ein entsprechendes Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 1, wobei für den nachfolgenden Vergleich von gleicher Frequenz, Leistung und gleichem Durchmesser eines piezokeramischen Wandlerelementes ausgegangen wird;
Fig. 2b ein Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 1 über dessen Radius;
Fig. 3a einen Axialschnitt durch einen Ultraschallwandler mit Beschwerungsring;
Fig. 3b ein Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 3a;
Fig. 3c ein entsprechendes Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 3a;
Fig. 4a einen Axialschnitt durch einen Ultraschallwandler nach dem Stand der Technik mit λ/2-Anpassungskörper;
Fig. 4b ein Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 4a;
Fig. 4c ein Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 4a über seinen Radius;
Fig. 5a einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallwandler in schematischer Darstellung;
Fig. 5b das Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 5a bei gleicher Frequenz und Leistung wie in den vorausgehenden Beispielen;
Fig. 5c ein Amplitudendiagramm der Vertikal- bzw. Dickenschwingung des Wandlers nach Fig. 5a über den Radius des Anpassungskörpers;
Fig. 6 ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers im Axialschnitt;
Fig. 6a das Amplitudendiagramm des Wandlers nach Fig. 6;
Fig. 7a einen Axialschnitt durch ein Beispiel einer Kombination eines kegelstumpfförmigen Wandlers mit einem Ringwandler;
Fig. 7b die Draufsicht auf den Wandler nach Fig. 7a;
Fig. 7c das Schallkeulenprofil des Wandlers nach Fig. 7a, 7b und
Fig. 7d das Amplitudendiagramm dieses Wandlers.

Der in Fig. 1 im Axialschnitt schematisch dargestellte Ultraschallwandler besitzt ein kreiszylindrisches, plattenförmiges piezokeramisches Wandlerelement 2, auf dem ein λ/4-Anpassungskörper 3 aufgebracht ist. Die Hauptabstrahlungsrichtung dieses Wandlers 1 verläuft senkrecht zur oberen Hauptfläche des Anpassungskörpers. Der Anpassungskörper 3 ist dabei im Durchmesser genau dem Wandlerelement 2 angepaßt.
In Fig. 2a ist das bei einer bestimmten Frequenz und Anregungsenergie und einem bestimmten Durchmesser des Wandlers 1 von z.B. 30mm erhaltene Schallkeulenprofil in horizontaler Ebene dargestellt. Dieses Schallkeulenprofil weist eine relativ breite, zentrale Hauptkeule 5 auf, die zu beiden Seiten von mehreren starken Nebenkeulen 6 begleitet ist.
Fig. 2b zeigt das Amplitudendiagramm des Wandlers 1 nach Fig. 1, wobei die Amplitude A auf der Ordinate als Funktion des Radius R des Wandlers 1 aufgetragen ist. Unter Amplitude A wird hierbei die Vertikal- bzw. Dickenschwingung des Wandlers 1 verstanden. In diesem Amplitudendiagramm der Fig. 2b wird sehr eklatant das Problem erkennbar, mit dem bei dem bekannten Wandler zu rechnen ist. Dieses Problem besteht darin, daß zum äußeren Radius R hin eine Phasenumkehr der Amplitude mit Knotenpunkt vorliegt, so daß nach dem Schnittpunkt mit der Abszisse R eine negative Amplitude bis zum maximalen Radius vorhanden ist. Diese Phasenumkehr der Amplitude, die flächenmäßig als Knotenring beim Wandler 1 auftritt, bringt daher keinerlei Schallabstrahlung in Richtung der Hauptabstrahlungsrichtung, sondern stellt einen Energieverlust dar, der auf alle Fälle vermieden werden kann.
Ein weiterer Ultraschallwandler 8 nach dem Stand der Technik ist in Fig. 3a gezeigt. Dieser entsprechend der DE-PS 25 51 492 aufgebaute Wandler 8 weist einen λ/4-Anpassungskörper 9 auf, der durchmessermäßig wesentlich über das piezoelektrische Wandlerelement 2 hinausragt. Auf der Unterseite des Anpassungskörpers 9 ist dabei ein Beschwerungsring 10 vorhanden.
Der Amplitudenverlauf des Wandlers 8 nach Fig. 3a ist in der Fig. 3c dargestellt. Die maximale, normierte Amplitude A ist in einer senkrechten Richtung zum Mittelpunkt des Wandlers 8 anzutreffen. Zum Außenbereich des Radius dieses Wandlers 8 hin tritt etwa nach zwei Drittel des Radius R eine Phasenumkehr mit negativer Amplitude auf, wobei diese negative Amplitude zum Umfangsrand erneut in eine positive Amplitude übergeht. In der Diagrammdarstellung kennzeichnet die senkrechte Linie am rechten Außenbereich den maximalen Radius bzw. die Umfangsfläche des Wandlers 8.
Auch bei diesem Wandler 8 nach Fig. 3a sind daher zwangsläufig Energieverluste vorhanden, wie man es dem Amplitudendiagramm entnehmen kann.
Das Schallkeulenprofil gemäß Fig. 3b ist durch eine relativ schmale Zentralkeule und zwei stark ausgeprägte Nebenkeulen gekennzeichnet.
Die Fig. 4a zeigt ebenfalls im Axialschnitt schematisch den weiteren Ultraschallwandler gemäß der DE-PS 34 01 979. Dieser Wandler 12 umfaßt ebenfalls einen λ/4-Anpassungskörper 13, der im radial über das Wandlerelement 2 hinausragenden Bereich 14 als λ/2-Schwinger ausgebildet ist. Das Schallkeulenprofil nach Fig. 4b zeigt eine den 10°-Bereich ausfüllende Hauptkeule und mehrere, jedoch kleinere Nebenkeulen, wobei der Unterschied zur Fig. 3b auf die Amplitudenverteilung (Fig. 4c) zurückzuführen ist.
Das in Fig. 4c gezeigte Amplitudendiagramm des Wandlers 12 nach Fig. 4a hat neben dem Hauptmaximum ein weiteres Nebenmaximum etwa im Bereich von zwei Drittel des maximalen Radius. Zwischen diesen Maximas ist ein Minimum mit nahezu keiner Amplitudenschwingung vorhanden. Im Randbereich jedoch ist auch hier eine wenn auch geringe Phasenumkehr festgestellt worden.
In Fig. 5a ist im Axialschnitt ein erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 20 vom Grundprinzip her dargestellt. Auf dem piezokeramischen Wandlerelement 21, das z.B. kreisförmig ist, ist ein λ/4-Anpassungskörper 22 aufgebondet. Die Fläche 23 des Wandlerelementes 21 entspricht dabei der unteren Fläche 24 des Anpassungskörpers. In Hauptstrahlungsrichtung S ist die seitliche Umfangsfläche divergierend gestaltet. Hierdurch er gibt sich eine hornähnliche bzw. kegelstumpfartige Gestalt für den Anpassungskörper, dessen dem Wandlerelement 21 abgewandte Hauptfläche 25 einen etwas größeren Durchmesser aufweist als das Wandlerelement 21. Im Beispiel nach Fig. 5a ist die Seitenlinie 26 daher eine Gerade, die z. B. eine Hauptfläche 25 mit einem Durchmesser von etwa 32 mm mit der Hauptfläche 24 von etwa 30 mm verbindet.
Abgestimmt auf eine entsprechende Frequenz, eine Materialkonstante und den Wandlerdurchmesser erhält man ein Amplitudendiagramm für die Dicken- bzw. vertikalen Schwingung gerade unter Berücksichtigung möglicher Überlagerungen durch die Radialschwingung, wie es in Fig. 5c dargestellt ist. Auf der Ordinate A ist dabei die Amplitude, bezogen auf die Maximalamplitude 1,0 in Abhängigkeit vom Radius R aufgetragen. Der rechte Unstetigkeitswert auf der Abszisse R kennzeichnet daher die Amplitude am äußeren Rand der vorderen in Abstrahlungsrichtung liegenden Hauptfläche 25 des Anpassungskörpers 22.
Entsprechend dem Amplitudendiagramm nach Fig. 5c liegt daher das Maximum der Vertikalamplitude etwas radial beabstandet von der Achse des Wandlers bzw. der Hauptstrahlungsrichtung, wobei jedoch ein Knotenpunkt oder eine Phasenumkehr der Amplitude aufgrund der Konfiguration der seitlichen Umfangsfläche in Abstimmung mit dem Durchmesser der vorderen Hauptfläche vermieden wird. Die Amplitudenverteilung nähert sich daher der einer starren Kolbenschwingung.
Im Schallkeulenprofil nach Fig. 5b erreicht man durch diese Gestaltung des λ/4-Anpassungskörpers 22 nach Fig. 5a eine zentrale Keule 28 im Bereich eines 10°-Strahlungswinkels von der Hauptstrahlungsrichtung 0 mit zwei kleineren, aber doch bemerkbaren Nebenkeulen 29.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Wandlers wird daher vor allen Dingen im Vergleich mit dem Wandler nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 1 und aus dem Vergleich der entsprechenden Schalldiagramme erkennbar. Durch die minimal geänderte Gestaltungskonfiguration des Wandlers 20 nach Fig. 5a, die jedoch eine Knotenbildung für die Vertikalschwingung weitestgehend ausschließt, erhält man eine wesentlich intensivere, gebündeltere Hauptkeule 28 im Vergleich mit der zentralen Hauptkeule 5 nach Fig. 2 des Standes der Technik.
Im Vergleich zu den anderen Wandlern 8 bzw. 12 der Fig. 3a und 4a erreicht man daher bei sehr kleinem Wandlerdurchmesser, was im Hinblick auf den Wirkungsgrad und die Kosten sehr beachtlich ist, einen äußerst effizienten Ultraschallwandler.
In Fig. 6 ist ein weiterer, erfindungsgemäßer Ultraschallwandler 40 dargestellt. Dieser Wandler 40 ist durch ein piezokeramisches Wandlerelement 21 gekennzeichnet, auf dem ein λ/4-Anpassungskörper aufgebracht ist, der im Axialschnitt eine konvex verlaufende Seitenlinie der Umfangsfläche aufweist.
Dieselbe Dicke in Strahlungsrichtung für Wandler und Anpassungskörper und auch die gleiche Resonanzfrequenz wie im Beispiel nach Fig. 5a vorausgesetzt, ist dieser positiv gekrümmte, konvexe Verlauf der Seitenfläche dann zweckmäßig, wenn das Wandlerelement z.B. einen kleineren Durchmesser, von etwa 20 mm anstatt von 30 mm hat. Der Verlauf der Vertikalamplitude ist in Fig. 6a dargestellt. Hierbei rückt das Amplitudenmaximum weiter an den Randbereich. Jedoch wird auch hier eine Amplitudenumkehr vermieden.
Im Hinblick auf eine weitere Verbesserung im Sinne eines Zurückdrängens der Nebenkeulen hat sich die in Fig. 7a dargestellte Kombination eines Wandlers nach Fig. 5a mit einem Ringwandler 52 erwiesen. Der gesamte Wandler 50 besteht daher aus einem inneren Kompaktwandler 51 mit Wandlerelement 21 und λ/4-Anpassungskörper 22. Minimal beabstandet durch einen Luftspalt 56 oder auch einen anderen Materialspalt wird dieser Wandler 51 durch einen Ringwandler 52 umgeben. Dieser Ringwandler 52 besitzt selbst ein ringförmiges, piezoelektrisches Wandlerelement 54, auf dem mit gleicher Stärke ein λ/4-Anpassungskörper in z.B. ringzylindrischer Form aufgebracht ist. Da diese beiden Wandler 51 und 52 phasen- und betragsmäßig gleich angesteuert, aber auch unterschiedlich angesteuert werden können, eröffnen sich hier Möglichkeiten, das Schallkeulenprofil in hervorragender Weise zu beeinflussen. Eine Form dieser Beeinflussung zeigt das in Fig. 7c dargestellte Schallkeulenprofil, in dem z.B. die in Fig. 5b noch relativ bemerkbaren Nebenkeulen 29 in die nunmehr sehr kleinen Nebenkeulen 59 zurückgedrängt sind.
In Fig. 7d ist das Amplitudendiagramm der vertikalen Schwingung der Wandlerkombination 50 nach Fig. 7a dargestellt. Im Vergleich mit dem Amplitudendiagramm nach Fig. 5c verschiebt sich daher das Maximum etwas näher an die Ordinate. Andererseits erhält man auch im Außenbereich des Radius eine positive Amplitude, die etwa im Bereich des halben Radius eine Z-förmige Übergangsstelle mit anschließendem Minimum der Amplitudenschwingung aufweist. Zum maximalen Radius hin nimmt die Amplitudenschwingung dann im positiven Bereich zu.
Dieses Beispiel nach Fig. 7d zeigt, daß in der Kombination eines Kompaktwandlers 51 mit einem Ringwandler 52 entsprechend der Fig. 7a ein breites Spektrum gewünschter Amplitudenverläufe für die Vertikalschwingung und damit auch für das Schallkeulenprofil einstellbar ist.
Die Erfindung eröffnet daher einen neuen Weg, auch bei sehr kleinen Ultraschallwandlern eine äußerst effektive Leistung bzw. Reichweite mit teilweise steuerbaren Nebenkeulen erreichen zu können.

Claims

1. Ultraschallwandler
mit einem zur Abstrahlung von Ultraschallschwingungen anregbaren piezoelektrischen Wandlerelement, das auf seiner Hauptfläche im wesentlichen in Richtung der Hauptabstrahlung einen λ/4-Anpassungskörper aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Wandlerelement (21) zugewandte Fläche (24) des λ/4-Anpassungskörpers (22,40) im wesentlichen der Hauptfläche (23) des Wandlerelementes entspricht, und daß die dem Wandlerelement (21) abgewandte Fläche (25) des λ/4-Anpassungskörpers eine zur Hauptfläche des Wandlerelementes geringfügig unterschiedliche Fläche, insbesondere einen dazu geringfügig abweichenden Durchmesser, aufweist.

2. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie (26) im Schnitt divergierend vorgesehen ist.

3. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie konvergierend vorgesehen ist.

4. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die die Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) verbindende Seitenlinie eine Gerade ist oder einen konkaven oder konvexen Verlauf aufweist.

5. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Durchmesser der Flächen (24,25) des Anpassungskörpers (22) um 4% bis 15%, insbesondere um 6% bis 10%, unterscheiden.

6. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die abgewandte Fläche (25) des Anpassungskörpers (22) von der Hauptfläche (23) des Wandlerelementes (21) eine abweichende Kontur aufweist.

7. Ultraschallwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Außenring radial angrenzend an die vordere Stirnfläche des Anpassungskörpers (22) vorgesehen ist, der selbst als Wandler (52) mit piezoelektrischen Ringwandlerkörper (54) und einem Ringanpassungskörper (55) gleicher Dicke wie der zentrale λ/4-Anpassungskörper aufgebaut ist.

8. Ultraschallwandler nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die piezoelektrischen Wandlerelemente (21,54) voneinander getrennt sind und insbesondere eine phasen- und betragsmäßig unterschiedliche Ansteuerung aufweisen.

9. Ultraschallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die dem Wandlerelement zugewandte Fläche (24) des λ/4-Anpassungskörpers (22,40) geringfügig kleiner oder größer als die Hauptfläche (23) des Wandlerelementes ist.