EP0438623B1 - Verfahren zum Kalibrieren oder Prüfen eines piezokeramischen Wandlers als Schallempfänger und Schallsender - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung oder Prüfung eines piezokeramischen Wandlers der in besonderer Weise dafür ausgebildet ist und als Sender, Empfänger, Hydrophon oder Schallmeßeinrichtung Verwendung findet.
• Bekannt ist seit langem, daß an den Grenzflächen bestimmter Kristalle bei Deformation elektrische Ladung entsteht. Bei Anlegen von Spannung deformiert der Kristall. Diese beiden Effekte machen sich piezokeramische Wandler als Schallempfänger oder Schallsender zu nutze.
• Piezoelektrische Wandler sind mit metallisierten Elektroden versehen, über welche einerseits die Piezoelektrizität in Form von elektrischer Ladung von bestimmten polykristallinen Werkstoffen, hervorgerufen durch mechanische Deformation infolge Zug oder Druck, abgegriffen und andererseits die mechanische Deformation in Form von Zug oder Druck, hervorgerufen durch Einspeisung von elektrischer Energie, bewirkt wird.
• Für die Kalibrierung von Schallmeßeinrichtungen, die mit piezoelektrischen Wandlern arbeiten, ergaben sich bisher Schwierigkeiten dadurch, daß piezoelektrische Wandler nur im zusammengebauten Zustand betreibbar sind. Die Bewertung des Empfangsübertragungsmaßes z.B. bei Unterwasserschallmessungen, mit sogenannten Hydrophonen, ist nur durch Differenzbildung zur Meßnormalen möglich. Die Dimensionierung und Anpassung eines Ladungsverstärkers an den piezokeramischen Wandler ist nach dieser Methode mühsam, da der Sensor durch keine andere Labor-Signalquelle ersetzt werden kann.
• Ausgehend von piezoelektrischen Wandlern der genannten Art ist es Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, mittels deren Hilfe der Nachweis der Prüfbarkeit der benutzen piezoelektrischen Eigengschaften erbracht und in Form von Parametern für die Spezifikation, z.B. bei Hydrophonen zur Verfügung gestellt werden. Dabei soll die Ermittlung der jeweiligen Kenngrößen mit geringem, wirtschaftlichen Prüfaufwand sowohl während der Entwicklungsphase, der Herstellungs-und Fertigungsphase, der Qualifikationsphase und der Einsatz- oder Nutzungsphase sichergestellt sein.
  Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Verbesserung der Kenndaten des zugehörigen Ladungsverstärkers und eine Weiterbildung der piezokeramischen Wandler-Goemetrie.
• Piezokeramische Wandler der genannten Art sind zur Durchführung absoluter Unterwasser-Schalldruckmessungen geeignet. Sie wandeln den akustischen Schall aufgrund des Piezoeffekts der verwendeten Keramik in eine meßbare, elektrische Größe (Ladung/Spannungssignal). Der piezokeramische Wandler arbeitet dabei als Schallempfänger, das heißt als Sensor. Wird umgekehrt die Keramik durch ein Wechselspannungssignal beaufschlagt, so besitzt dieselbe Keramik die Eigenschaft, die elektrische Energie in mechanischen Schall zu wandeln. Der piezokeramische Wandler arbeitet dabei als Schallsender, das heißt als Projektor. Diese Umkehr- oder Reziprozitätseigenschaften des piezokeramischen Wandlers sind so nutzbar, daß ein und dieselbe Piezokeramik gleichzeitig als Sender und Empfänger zu arbeiten vermag.
• In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ausbildung dargestellt.
  Die Darstellungen in der Zeichnung sind in der folgenden Beschreibung näher erläutert.
• In der Zeichnung sind unterschiedliche Wandlergeometrien als Beispiel dargestellt wie sie für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet sind.

Figur 1

in schematischer Darstellung den Aufbau eines piezokeramischen Wandlers in Zylinderscheibengeometrie,

Figur 2

einen piezokeramischen Wandler in Zylinderlochscheibengeometrie,

Figuren 3

bis 8 in Perspektive weitere Ausführungen mit Kugelkalottengeometrie,

Figur 9

einen beispielsweisen Meßaufbau unter Einsatz der piezoelektrischen Keramik in einem Schaltbild und

Figur 10

einem weiteren beispielsweisen Aufbau einer Meßeinrichtung unter Einsatz von piezoelektrischen Wandlern zur Ermittlung der Paarigkeits-Parameter von zwei Hydrophonen.

• Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Wandlers ist mit 1 ein Körper zylinderscheibenförmiger Geometrie aus Piezokeramik bezeichnet, dessen beide Stirnseiten 2 und 3 als Elektrode dienende, metallisierte elektrisch leitende Schichten 4 und 5 aufnehmen.
  Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine der elektrisch leitenden Schichten in elektrisch (galvanisch) voneinander getrennte Segmente 4a und 4b unterteilt auf ein und demselben, aus Piezokeramik bestehenden, homogenen Körper 1 aufgebracht. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1, stellt das Elektrodensegment 4a hier eine Sendeelektrode und das Segment 4b eine Empfangselektrode dar. Die elektrisch leitende Schicht 5 bedeckt die zweite Stirnseite des Körpers 1 und dient als gemeinsame Gegenelektrode.
• Durch das Anlegen eines Wechselspannungssignals an die Sende- und gemeinsame Elektrode entsteht ein elektrisches Wechselfeld, das den piezokeramischen Wandler in seiner Polarisationsrichtung Z zur mechanischen Wechseldeformation anregt.
  Dabei entstehen mechanische Spannungen in allen drei Achsen. Die dadurch generierte elektrische Ladung wird über der Empfangs- und gemeinsamen Elektrode 5 in Form eines Wechselspannungs-Ausgangssignals abgegriffen.
  Dabei besteht die mathematische Beziehung $${\text{Uin}}_{\text{≈}}{\text{= Uout}}_{\text{≈}}\text{· K.}$$

  

  wobei K den Reziprozitätsfaktor darstellt.
• Im folgenden soll unter dem Ausdruck "Segmentierung" bzw. unter dem Ausdruck "Segment" die Unterteilung der elektrisch leitenden Beschichtung des piezoelektrischen Trägerkörpers 1 in galvanisch elektrisch voneinander getrennte Abschnitte verstanden werden. Die piezoelektrischen Wandler sind ausschließlich mit metallisierten Schichten versehen, die hier mit 4 bzw. 5 bezeichnet sind.
• Gemäß Figur 2 ist die Segmentierung an einem aus Piezokeramik gebildeten zylinderlochscheibenförmigen Körper 1a dargestellt. Dabei trägt die zylinderförmige Bohrungsfläche zwei elektrisch getrennte, leitende Schichten 8 und 9 als Elektroden. Die elektrisch leitende Beschichtung 10 auf der Umfangsfläche des Zylinderscheibenkörpers stellt die gemeinsame Gegenelektrode der mit 8 und 9 bezeichneten Elektroden dar.
• Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 bis 8 sind als piezoelektrische Körper kugelförmige Halbschalen 13, 14 vorgesehen, wobei jede der Halbschalen einen piezoelektrischen Wandler darstellt.
• Die äußere und innere Schalenfläche 15 bzw. 16 der Halbschalen 13 bzw. 14 ist beschichtet mit elektrisch leitenden, metallischen Auflagen, wobei die Aufbringung der Beschichtung in bekannter Weise bewirkt wurde.
• Figur 3 zeigt piezoelektrische Wandler aus Piezokeramik mit Halbkugelgeometrie ohne Segmentierung. Zwei keramische Piezohalbkugeln 13, 14 werden zu einer piezokermaischen Kugel zusammengefügt. Sind die Innenflächen (Elektroden 11, 12) zusammengeschaltet und davon getrennt die Außenflächenelektroden 15, 16, so kann die Wandler-Kugelschale über ihre Elektroden entweder als Sender (Projektor) oder als Empfänger (Hydrophon) betrieben werden.
• Wie aus Figur 4 ersichtlich, ist bei dieser Ausführung die elektrisch leitende Beschichtung gemäß der Erfindung in elektrisch voneinander getrennte Segmente unterteilt. Die Halbschale 13 bildet hierbei insgesamt einen piezoelektrischen Wandler. Den zweiten Wandler bildet die Halbschale 14. Bei der Ausbildung des Wandlers nach Figur 4 ist eine der Halbschalen mit einer zentralen Bohrung 20 versehen und auf der Innenseite 21 und 23 eine elektrisch leitende Beschichtung aufgebracht. Die elektrisch leitende Beschichtung der Schaleninnenseite ist segmentiert in einen zur Bohrung 20 konzentrischen Innenbereich 23 und einen dazu konzentrischen Außenbereich 21.
  Hierbei kann nach dem Reziprozitätsgesetz der Wandler entsprechend als Sender oder als Empfänger, sowohl getrennt oder als Sender und Empfänger gleichzeitig betrieben werden.
• In den Figuren 5 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele für segmentierte, elektrisch leitende Beschichtungen zur Bildung von Elektroden mit Sende- und/oder Empfangseigenschaften, die gleichzeitig auf einer Piezokeramik benutzt werden. Es sind dabei drei-fach, fünf-fach, sieben-fach und neun-fach Segmentierungen vorgesehen. Eine Einschränkung der Segmentierung auf die in der Zeichnung angegebene Anzahl von Segmenten ist nicht gegeben.
• In Figur 9 ist ein Meßaufbau zur Ermittlung des Reziprozitätsverhaltens eines piezoelektrischen Wandlers während der Entwicklungs- oder Fertigungsphase dargestellt.
• Hierbei ist mit 30 ein Verstärker bezeichnet, der an ein hier nicht dargestelltes Hydrophon zur Unterwasser-Schallmeßung unter Verwendung eines auf piezoelektrischer Basis arbeitenden Wandlers 31 mit einem Sendesegment 32 und einem Empfangssegment 33, wie z.B. in einer Ausbildung gemäß Figur 4, bezeichnet,
  Ferner schließt an das Sendesegment 32 des Wandlers 31 die Sendesignalleitung 34 und an das Empfangssegment 33 die Empfangssignalleitung 35 an. Während die Sendesignalleitung 34 an einen Speicher-Oszilloskop 38 anschließt, ist die Empfangssignalleitung 35 an den Hydrophon-Verstärker 30 und gleichzeitig an das Analyse-System 39 gelegt.
  Die Sendesignalleitung 34 führt außer zum Speicher-Oszilloskop 38 zu einem Funktionsgenerator 36 und zum Analyse-System 39.
• Das Sendesegment 32 des Wandlers 31 wird mit dem Sendesignal beaufschlagt und wandelt dieses in Körperschall um.
  Das Empfangssegment empfängt ein vom Körperschall gewandeltes Empfangssignal.
• Der in Figur 9 gezeigte Meßaufbau dient zur Ermittelung der Kenngrößen während der Entwicklungs- oder Fertigungsphase. Die dargestellte Betriebs- und Prüfmethode eignet sich besonders gut zur Ermittlung von bestimmten Hydrophon-Kenngrößen, da störende Übertragungsschalldruck-Beeinflussungen, wie sie bei der Luftschallrohr- oder Wassertank- oder Pistofonmethode auftreten können, ausgeschlossen werden können.
  Die in Figur 9 aufgezeigte Prüf- und Meßmethode geht hauptsächlich von der physikalischen Kenntnis aus, daß das Reziprozitätsverhalten im Kleinspannungssignalbereich und in bestimmten Frequenzbereichen linear ist, das heißt die elektrische Feldstärke und die Deformation verhalten sich proportional zueinander.
• Der Meßaufbau gemäß dem Anwendungsbeispiel nach Figur 10 dient zur Ermittlung der Paarigkeit (Gleichlauf) von zwei Hydrophonen, nach der synchronen Reziprozitätsmethode. Die beiden Hydrophone sind hier mit A bzw. B bezeichnet. Entsprechen der Erfindung enthält jedes der Hydrophone A bzw. B einen piezoelektrischen Wandler A1 bzw. B1 mit je einem Empfangssegment B2 bzw. A2 und einem Sendesegment B3 bzw. A3. Die beiden Hydrophone A bzw. B sind über die Empfängssignalleitung 50' bzw. 50 und die Sendesignalleitung 51' bzw. 51 über einen Funktionsgenerator 54 mittels der Übertragungsleitungen 52' bzw. 52 aneinanderangeschlossen. Die Empfangssignalleitungen 50 führen zu einem Analyse-system 53, das mit einem Grafikplotter anschließt.
  Die Empfangssignalleitungen 50' bzw. 50 führen jeweils zum Empfangssegment B2 bzw. A2 und die Sendesignalleitungen 51' bzw. 51 zum Sendesegment B3 bzw. A3 des piezoelektrischen Wandlers A1 bzw. B1.

Claims (1)

1. Verfahren zum Kalibrieren oder Prüfen eines piezokeramischen Wandlers bestehend aus einem Keramikkörper (1a), der auf der einen Seite mindestens zwei galvanisch voneinander getrennte Elektroden (4a, 4b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Sendesignal auf eine der beiden voneinander getrennten Elektroden (4a) gegeben wird, daß als Empfangssignal das an der zweiten getrennten Elektrode (4b) vom Körperschall erzeugte elektrische Signal abgegriffen wird und daß die beiden elektrischen Signale miteinander verglichen werden.

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