EP0478611B1 - Breitstrahlender ultraschallwandler - Google Patents

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EP0478611B1
EP0478611B1 EP90909133A EP90909133A EP0478611B1 EP 0478611 B1 EP0478611 B1 EP 0478611B1 EP 90909133 A EP90909133 A EP 90909133A EP 90909133 A EP90909133 A EP 90909133A EP 0478611 B1 EP0478611 B1 EP 0478611B1
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EP
European Patent Office
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transducer
sound
plates
synthetic
lamellae
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EP90909133A
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English (en)
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Valentin Magori
Thomas MÖCKL
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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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

Definitions

  • the present invention relates to a wide-beam ultrasound transducer as specified in the preamble of claim 1.
  • the ultrasonic transducer of the cited document has a sound characteristic impedance that comes relatively much closer to that of air. This is achieved by means of a sandwich structure consisting of individual piezoelectric lamellae arranged at intervals from one another, in planes parallel to one another, the interspaces between these lamellae corresponding to the intervals being filled with a dimensionally stable material which has a small value for the acoustic characteristic impedance .
  • the material filling the gaps forms at least one closed surface of this electroacoustic transducer including the piezoelectric lamellae, namely a surface for the radiation and / or for the reception of acoustic radiation. In this case, for example, this material filling the gaps can extend beyond at least one of the edge surfaces of the individual slats, so that these edge surfaces of the slats are covered by this material filling the gaps with respect to the external environment.
  • Such a known transducer can be designed in such a way that this surface of the same intended for radiation and / or reception has a relatively large dimension relative to the air wavelength of the emitted or received acoustic radiation. If the individual piezoelectric lamellae are excited to produce a convex oscillation, a sound wave with a largely flat phase front is emitted from this surface of the transducer.
  • Piezoelectric ceramic is used as the material for the lamellae, e.g. Lead zirconate, lead titanate, barium titanate and the like, these materials to improve their respective properties doping and / or substitution of i.a. May contain manganese, niobium, neodymium, etc.
  • the material for filling the spaces between the lamellae in this known converter is e.g. a thermoplastic. E.g. the whole body made of this material and the piezoelectric lamellae is hot glued together. The gaps can also be filled with a silicone rubber potting.
  • the object of the present invention is to provide an electroacoustic transducer with a favorable adaptation of the acoustic characteristic impedance to the medium air, which as the acoustic radiation lobe has one which has a relatively small width in one coordinate direction x perpendicular to the direction z of the axis of the acoustic radiation , ie has a small opening angle, and which has a wide beam in the coordinate direction y perpendicular to this direction x and to the axis direction z, ie has a large opening angle in this direction.
  • the structural design of the transducer to be specified should be such that, starting from a basic type, the choice of individual dimensions means that individual types with different opening angles that can be predefined from one another can be obtained in the y direction.
  • the wide opening angle should be selectable in the range from 50 ° to 100 ° (-6 dB) for the individual type of converter.
  • Sharp converters such as the converters known from DE-A-2 537 788 and GB-A-1 530 347 also have an opening angle of 5 ° to 10 ° (-6 dB).
  • a converter according to the invention with e.g. An opening angle of 70 ° in the direction labeled y above and with a sharp directivity in the x direction is an extremely wide-beam ultrasound transducer.
  • the cross-section of the sound lobe of such a transducer according to the invention is relatively flat in the x-direction, but broad in the y-direction and overall represents an at least approximately elliptical-like surface. With increasing distance (z - z0 ) from the surface Zo of the transducer, this cross-sectional area becomes ever larger, without, however, losing its characteristic shape of a transducer radiating wide in a transverse direction y.
  • this transducer 1 shows the principle of a transducer 1 designed according to the invention and selected in terms of its relative dimensions according to the invention.
  • this transducer 1 consists of a piezoelectric ceramic lamella 2 provided with electrodes (not shown in the figure) and of layers or plates 3, 13 from one Plastic material.
  • the length of the rectangular composite body of the transducer 1 shown is designated by L. Its width is labeled B. Its total thickness is denoted by D, which is the sum of the thickness dimensions d p of the plates 3, 13 and the thickness dimension d k of the lamella 2.
  • the area of the transducer 1 designated by 5 is the radiation or sound receiving area provided or selected according to the invention.
  • the arrows 6 refer to the radiation provided according to the invention.
  • the ceramic lamella 2 and the layers or plates 3, 13 are firmly connected to one another, as shown.
  • the connecting means adheresive
  • the connecting means can be the material of the layers or plates 3, 13 themselves.
  • a converter according to the invention can also consist of several ceramic lamellae and a corresponding number of layers or plates.
  • the material of the plates 3, 13 on both sides of the piezoelectric lamella 2 is selected with regard to the low acoustic impedance Z and with the smallest possible Poisson number u less than 0.3 and with regard to the highest possible vibration quality Q greater than 20.
  • Low acoustic impedance serves as good an adaptation as possible to the sound transmission medium air.
  • a small Poisson number helps to avoid transverse modes if possible. This is because these can occur when the thickness D is even smaller than the width B of the transducer 1.
  • High quality Q of this material enables vibration deflection in the material of the plates 3, 13 to be achieved, which is close to, preferably exceeds, the vibration deflection of the ceramic lamella 2.
  • Such a material is that material which is described in DE-C-25 37 788 and in GB-A-1 530 347 and which is an epoxy resin filled with hollow glass or silicon dioxide balls, also under the Scotch trademark. Ply is known. Another material is polystyrene, a "glass foam", a sintered glass, etc. As far as the material of Plates / layers 3, 13 ... is referred to as plastic, the mineral "glass" is also included in the forms specified in the sense of the invention.
  • a vibration mode of the transducer 1 is guaranteed according to the invention, in which the surface 5 vibrates approximately in the same phase, i.e. executes a "piston oscillation" with a high coupling factor.
  • FIG 2 shows an embodiment according to the invention with two ceramic fins 2 and with 3 plates 3, 13, 23.
  • Fig. 3 shows an embodiment of the invention also with two ceramic fins 2, a plate 3 and 2 compared to the thickness of the plate 3 considerably thinner coatings 31 and 32, which are located on the outwardly facing surfaces of the ceramic fins 2.
  • An embodiment according to FIG. 1 is preferably selected if the quality Q p of the material of the plates 3, 13... Is less than the quality Q k of the piezoceramic of the lamellae 2. If Q p is approximately equal to Q k , the choice of a converter according to FIG. 1 is recommended. If Q p is greater than Q k , an embodiment according to FIG. 3 is expediently chosen, namely with 1/2 d p greater than d p 'greater than 1 / 5 d p .
  • the objective is decisive, in the case of a vibration behavior of the radiation surface 5 that is as phase-symmetrical as possible (transverse to the lamellae), to ensure an amplitude that decreases towards the edge regions, which results in a directional behavior that is poor in side lobes.
  • the plastic material can also cover the entire surface 5, as shown in FIG. 4 with the layer region 51.
  • Optimal sound effectiveness for a vibration mode results for a transducer according to the invention if the thickness ratio d p : d k is optimally selected.
  • Other disturbing modes are avoided by observing the above rule, namely that the plastic is selected or is present in such a (eg foamed) form that its Poisson number is less than 0.3.
  • the optimal d p : d k ratio is when the transducer dimensioned in this way has a vibration amplitude or sound velocity when excited by resonance, which is half the size of a transducer (with the same external dimensions), but which is made purely of the piezoelectric material exists or is not such a composite converter. The vibration energy is then divided in half between the two material parts of the individual transducer.

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Abstract

Breitbandiger Ultraschallwandler in Schichtbauweise, bestehend aus mit Elektroden versehenen Piezokeramiklamellen (2) und Platten/Schichten (3, 13), in Form eines Quaders mit einem Verhältnis Breite (B) : Länge (L) = 0,42, bei dem die Dickenverhältnisse der Piezokeramiklamellen und Platten/Schichten so bemessen sind, daß konphases Schwingungsverhalten einer seitlichen Fläche des Quaders erzielt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen breitstrahlenden Ultraschallwandler wie er im Oberbegriff des Anspruches 1 angegeben ist.
  • Aus der US-A-4 677 337 ist ein piezoelektrischer Wandler bekannt, der als Sendewandler oder als Empfangswandler für Luftultraschall zu verwenden ist. Mit dem aus dieser Druckschrift bekannten Wandler sind wesentliche Probleme gelöst worden, die im Zusammenhang stehen mit dem extremen Unterschied zwischen dem akustischen Wellenwiderstand des schallübertragenden Mediums Luft und dem akustischen Wellenwiderstand eines den Ultraschall aussendenden bzw. empfangenden festen Körpers. Dieser akustische Wellenwiderstand wird auch als Schallkenn-Impedanz bezeichnet.
  • Der Ultraschallwandler der genannten Druckschrift hat eine Schallkenn-Impedanz, die dem Wert derjenigen von Luft relativ wesentlich näher kommt. Erreicht ist dies durch einen Sandwich-Aufbau, der aus einzelnen in Abständen voneinander, in Ebenen parallel zueinander angeordneten piezoelektrischen Lamellen besteht, wobei die den Abständen entsprechenden Zwischenräume zwischen diesen Lamellen mit einem formstabilen Material gefullt sind, das einen kleinen Wert der Schallkenn-Impedanz hat. Das die Zwischenräume ausfüllende Material bildet wenigstens eine geschlossene Fläche dieses die piezoelektrischen Lamellen einschließenden elektroakustischen Wandlers, nämlich eine Fläche für die Abstrahlung und/oder für den Empfang akustischer Strahlung. Dabei kann z.B. dieses die Zwischenräume ausfüllende Material über wenigstens jeweils eine der Kantenflächen der einzelnen Lamellen hinausreichen, so daß diese Kantenflächen der Lamellen durch dieses die Zwischenräume ausfüllende Material gegenüber der äußeren Umgebung abgedeckt sind.
  • Ein solcher bekannter Wandler kann so ausgeführt sein, daß diese für Abstrahlung und/oder Empfang vorgesehene Fläche desselben gegenüber der Luftwellenlänge der ausgesandten bzw. empfangenenen akustischen Strahlung relative große Abmessung hat. Werden die einzelnen piezoelektrischen Lamellen zu konphaser Schwingung angeregt, so wird von dieser Fläche des Wandlers ausgehend eine Schallwelle mit weitgehend ebener Phasenfront ausgesandt.
  • Als Material für die Lamellen wird piezoelektrische Keramik verwendet, z.B. Bleizirkonattitannat, Bleititanat, Bariumtitanat und dergleichen, wobei diese Materialien zur Verbesserung ihrer jeweiligen Eigenschaften Dotierungen und/oder Substitionen von u.a. Mangan, Niob, Neodym usw. enthalten können. Das Material zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Lamellen ist bei diesem bekannten Wandler z.B. ein thermoplastischer Kunststoff. Z.B. ist der ganze aus diesem Material und den piezoelektrischen Lamellen bestehende Körper heiß miteinander verklebt. Die Zwischenräume können dort aber auch mit einem Verguß aus Silikongummi gefüllt sein.
  • Hinsichtlich weiterer Einzelheiten bezüglich des konstruktiven Aufbaus und der Herstellung eines solchen bekannten Wandlers sei auf die obengenannte Druckschrift hingewiesen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektroakustischen Wandler mit günstiger Anpassung der Schallkenn-Impedanz an das Medium Luft anzugeben, der als Schallstrahlungs-Keule eine solche hat, die in der einen Koordinatenrichtung x senkrecht zur Richtung z der Achse der Schallstrahlung eine relativ geringe Breite, d.h. einen kleinen Öffnungswinkel, hat, und der in der zu dieser Richtung x und zur Achsenrichtung z jeweils senkrechten Koordinatenrichtung y breitstrahlend ist, d.h. in dieser Richtung großen Öffnungswinkel besitzt. Der konstruktive Aufbau des anzugebenden Wandlers soll derart sein, daß, ausgehend von einem Grundtyp, durch die Wahl einzelner Bemessungen einzelne Typen mit vorgebbar voneinander unterschiedlichen Öffnungswinkeln in in y-Richtung zu erhalten sind. Insbesondere soll der breite Öffnungswinkel im Bereich von 50° bis 100° (-6 dB) für den Einzeltyp des Wandlers wählbar sein.
  • Diese Aufgabe wird mit einem Wandler mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
  • Richtscharfe Wandler wie z.B. auch die aus der DE-A-2 537 788 und der GB-A-1 530 347 bekannten Wandler haben einen Öffnungswinkel von 5° bis 10° (- 6 dB). Ein erfindungsgemäßer Wandler mit z.B. 70° Öffnungswinkel in der oben mit y bezeichneten Richtung und mit scharfer Richtwirkung in der x-Richtung ist ein ausgesprochen breitstrahlender Ultraschallwandler. In einer zur axialen Richtung z jeweils senkrechten Ebene ist der Querschnitt der Schallkeule eines solchen erfindungsgemäßen Wandlers in der x-Richtung relativ flach, in der y-Richtung dagegen breit und stellt insgesamt eine wenigstens angenahert ellipsenähnliche Fläche dar. Mit zunehmendem Abstand (z - z₀) von der Oberfläche Zo des Wandlers wird diese Querschnittsfläche immer größer, ohne jedoch ihre charakteristische Form eines in einer Querrichtung y breitstrahlenden Wandlers zu verlieren.
  • Um die oben angegebene Aufgabenstellung zu lösen, war versucht worden, den aus der US-A-4 677 337 bekannten Wandler weiterzuentwickeln. Es zeigte sich aber, daß die spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung auf diese Weise nicht zu lösen war. Schwierigkeiten entstanden z.B., wenn die Dicke des die Zwischenräume ausfüllenden Kunststoffs wesentlich größer ist, als die Dicke der piezoelektrischen Lamellen. Bei Impulsbetrieb führte die Anregung der Lamellen aufgrund der geringen Schallwellengeschwindigkeit in Richtung y nicht mehr zu konphaser Oberflächenverformung, sondern ließ störende Oberflächenwelligkeit auftreten. Bei Resonanzanregung eines impulsbetriebenen Wandlers mit damit notwendigerweise verbundenen Einschwingen zeigte sich der Gewinn an Wirkungsgrad als relativ begrenzt. Bei einer Konstruktion und Bemessung mit der Zielrichtung hoher mechanischer Verluste, d.h. geringer Schwinggüte, war die Belastbarkeit des Wandlers der Wärmeentwicklung wegen relativ stark begrenzt. Die Verwendung des schon erwähnten Silikongummis oder eines diesem vergleichbaren Materials, derartige Materialien haben relativ große Querkontraktion, ergab zu starke Modenkopplung mit Dickenresonanzen des in Sandwich-Bauweise aufgebauten Schichtwandlers, namlich sobald die Stapelhöhe einen bestimmten Wert überschreitet. Für Impulswandler ist dies an sich von Vorteil, da ein Multimode-Impulswandler notwendigerweise breitbandig ist. Für einen monofrequenten Wandler ist jedoch eine Modenkopplung meist mit einer Beeinträchtigung des elektromechanischen Kopplungsfaktors und damit des elektroakustischen Wirkungsgrades verbunden. Für monofrequent betriebene Wandler, wie sie für die Erfindung vorgesehen, bzw. erforderlich sind, ist eine weitestgehende Kontrolle des Auftretens von Eigenmoden der im Wandler enthaltenen piezoelektrischen Lamellen hinsichtlich der Frequenz, der Form der Schwingung und des elektromechanischen Kopplungsfaktors k unerläßlich, nämlich um definierte Richtungscharakteristik und besten Wirkungsgrad zu erzielen. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe müßte also ein prinzipiell neuer Weg beschritten werden, auch wenn ein erfindungsgemäßer Wandler generell wiederum aus rechteckigen piezoelektrischen Lamellen und Verbundmaterial besteht.
    • Fig. 1
    zeigt das Prinzip eines erfindungsgemäßen Wandlers,
    Fig. 2 und 3
    zeigen spezielle Ausführungsformen,
    Fig. 4
    zeigt eine Ausführungsform mit ganzflächiger Kunststoffüberdeckung.
  • Fig. 1 zeigt das Prinzip eines erfindungsgemäßen gestalteten und in seinen relativen Abmessungen erfindungsgemäß gewählten Wandlers 1. In der in der Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung besteht dieser Wandler 1 aus einer mit (in der Figur nicht dargestellten) Elektroden versehnen piezoelektrischen Keramiklamelle 2 und aus Schichten oder Platten 3, 13 aus einem Kunststoffmaterial. Die Länge des dargestellten rechteckigen Verbundkörpers des Wandlers 1 ist mit L bezeichnet. Seine Breite ist mit B bezeichnet. Seine Gesamtdicke ist mit D bezeichnet, die die Summe der Dickenabmessungen dp der Platten 3, 13 und der Dickenabmessung dk der Lamelle 2 ist.
  • Die mit 5 bezeichnete Fläche des Wandlers 1 ist die entsprechend der Erfindung vorgesehene bzw. ausgewählte Abstrahl- bzw. Schallempfangsfläche. Mit den Pfeilen 6 ist auf die erfindungsgemäß vorgesehene Abstrahlung hingewiesen.
  • Die Keramiklamelle 2 und die Schichten bzw. Platten 3, 13 sind flächig, wie dargestellt, fest miteinander verbunden. Bei thermoplastischem Material kann das Verbindungsmittel (Klebstoff) das Material der Schichten bzw. Platten 3, 13 selbst sein.
  • Ein erfindungsgemäßer Wandler kann auch aus mehreren Keramiklamellen und entsprechend vielen Schichten bzw. Platten bestehen.
  • Der Vollständigkeit halber sei auf die Druckschrift IEEE, Transactions on Sonics and Ultrasonics, Vol. SU 15 (1968) S. 97/105 verwiesen, wofür eine rechteckige piezoelektrische Platte, jedoch nur für allein eine einzelne aktive Platte, zahlreiche Resonanzschwingungsformen angegeben sind.
  • Das Material der Flatten 3,13 beiderseits der piezoelektrischen Lamelle 2 ist hinsichtlich niedriger Schallkenn-Impedanz Z und hinsichtlich einer möglichst kleinen Poissonzahl u kleiner als 0,3 und hinsichtlich möglichst hoher Schwinggüte Q größer als 20 ausgewählt. Niedrige Schallkenn-Impedanz dient möglichst guter Anpassung an das Schallübertragungsmedium Luft. Kleiner Poissonzahl trägt dazu bei, möglichst keine Quermoden anzuregen. Diese können nämlich schon dann auftreten, wenn die Dicke D noch kleiner als die Breite B des Wandlers 1 ist. Hohe Güte Q dieses Materials ermöglicht Schwingungsauslenkung im Material der Platten 3, 13 zu erreichen, die der Schwingungsauslenkung der Keramiklamelle 2 nahekommt, vorzugsweise übertrifft. Ein Beispiel für derartiges Material ist das jenige Material, was in der DE-C-25 37 788 und in der GB-A-1 530 347 beschrieben und das ein mit Glas- oder Siliziumdioxid-Hohlkugeln gefülltes Epoxydharz, auch unter dem Warenzeichen Scotch-Ply bekannt, ist. Ein ananderes Material ist Polystyrol ein "Glasschaum", ein Sinterglas ccer dergl.. Soweit hier das Material der Platten/Schichten 3, 13 ... als Kunststoff bezeichnet ist, ist auch der Mineralstoff "Glas" in wie angegebenen Formen im Sinne der Erfindung eingeschlossen.
  • Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der beiden in der Fig. 1 angebenen Abmessungen B und L bemessen zu:
       B:L wenigstens angenähert = 0,42.
  • Mit dieser Bemessungsvorschrift ist gemäß der Erfindung ein Schwingungsmode des Wandlers 1 gewährleistet, bei dem die Fläche 5 weitestgehend angenähert konphas schwingt, d.h. eine "Kolbenschwingung" ausführt, und zwar bei gleichzeitig hohem Kopplungsfaktor.
  • Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei Keramiklamellen 2 und mit 3 Platten, 3, 13, 23.
  • Die Fig. 3 zeigt eine ebenfalls erfindungsgemäße Ausführungsform mit zwei Keramiklamellen 2, einer Platte 3 und mit 2 vergleichsweise zur Dicke der Platte 3 erheblich dünneren Beschichtungen 3₁ und 3₂, die sich auf den nach außen weisenden Oberflächen der Keramiklamellen 2 befinden.
  • Bevorzugt wird eine Ausführungsform nach Fig. 1 gewählt, wenn die Güte Qp des Materials der Platten 3, 13 ... kleiner als die Güte Qk der Piezokeramik der Lamellen 2 ist. Gilt Qp ungefähr gleich Qk empfiehlt sich die Wahl eines Wandlers nach Fig. 1. Ist Qp größer als Qk wird zweckmäßigerweise eine Ausführungsform nach Fig. 3 gewählt, und zwar mit 1/2 dp größer dp' größer 1/5 dp. Für die jeweilige Wahl ist die Zielsetzung maßgebend, bei möglichst (quer zu den Lamellen) konphasem Schwingungsverhalten der Abstrahlfläche 5 eine zu den Randbereichen abnehmende Amplitude zu gewährleisten, was ein Richtverhalten bewirkt, das arm an Nebenzipfeln ist.
  • Für alle Ausführungsformen gilt, daß das Kunststoffmaterial auch die ganze Fläche 5 überdecken kann, wie dies die Figur 4 mit dem Schichtbereich 51 zeigt.
  • Optimale Schall-Effektivität für einen Schwingungsmode ergibt sich für einen erfindungsgemäßen Wandler, wenn das Dicken-verhältnis dp:dk optimal gewählt ist. Störende andere Moden werden dadurch vermieden, daß die obige Vorschrift eingehalten ist, nämlich daß der Kunststoff so ausgewählt ist bzw. in einer solchen (z.B. geschäumten) Form vorliegt, daß dessen Poissonzahl kleiner als 0,3 ist. Optimales dp:dk-Verhältnis liegt vor, wenn der so bemessene Wandler bei Resonanzanregung eine Schwingungsamplitude bzw. Schallschnelle hat, die halb so groß ist, wie sie bei einem Wandler (mit gleichen Außenabmessungen) vorliegt, der jedoch rein aus dem piezoelektrischen Material besteht bzw. kein solcher Verbundwandler ist. Die Schwingungsenergie ist dann hälftig auf die beiden Material-Anteile des einzelnen Wandlers verteilt.

Claims (5)

  1. Elektroakustischer Schichtwandler (1) mit einem Wandlerkörper in der Form eines Parallelepipeds mit der Länge (L), der Breite (B) und der Dicke (D) und einer Fläche des Wandlerkörpers als schallabstrahlender und/oder -empfangender Fläche (5), wobei dieser Wandlerkörper einerseits aus wenigstens einer mit Elektroden versehenen Lamelle (2) aus piezoelektrischem Material und andererseits aus wenigstens zwei Platten/ Schichten (3, 13, 23 ...; 3₁, 3₂...) aus einem Kunststoff besteht und wobei diese Lamellen und Platten/Schichten in Richtung der Dicke (D) abwechselnd aufeinanderfolgend miteinander verbunden sind,
    gekennzeichnet dadurch,
    - daß das Verhältnis der Breite (B) zur Länge (L) des Quaders wenigstens angenähert den Wert 0,42 hat,
    - daß die lange seitliche Fläche (DxL) des Quaders die schallabstrahlende und/oder -empfangende Fläche (5) ist und
    - wobei der Kunststoff ein Material mit einer mechanischen Schwinggüte (Q) in der Größenordnung der des piezoelektrischen Materials der Lamellen (2) ist, dieses Kunststoffmaterial eine vergleichsweise zum piezoelektrischen Material der Lamellen (2) niedrigere Schallkenn-Impedanz (Z) hat und die Poisson-Zahl des Kunststoffmaterials kleiner/gleich 0,3 ist.
  2. Wandler nach Anspruch 1,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß das Dickenverhältnis dp:dk mit dp für die Anteile (3, 13, 23 ...; 3₁, 3₂, ...) aus dem Kunststoff und mit dk für die Anteile (2) aus dem piezoelektrischen Material so gewahlt ist, daß die Schallschnelle des so ausgeführten Wandlers (1) wenigstens angenähert halb so groß ist wie die des piezoelektrischen Materials bei gleichen Anregungsbedingungen, vorzugsweise gleiche Spannung, jeweils im Resonanzfall ist.
  3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß das Kunststoffmaterial der Platten/Schichten (3, 13, 23; 3₁, 3₂ ...) ein geschäumtes Glas ist.
  4. Wandler nach Anspruch 1 oder 2,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß das Kunststoffmaterial der Platten/Schichten (3, 13, 23; 3₁, 3₂...) ein grobporiges Sinterglas ist.
  5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    gekennzeichnet dadurch,
    daß die schallabstrahlende bzw. -empfangende Fläche (5) des Wandlerkörpers die Oberfläche eines geschlossenen Schichtbereichs (51), bestehend aus dem Kunststoffmaterial, ist.
EP90909133A 1989-06-23 1990-06-22 Breitstrahlender ultraschallwandler Expired - Lifetime EP0478611B1 (de)

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EP0478611A1 EP0478611A1 (de) 1992-04-08
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19512417C2 (de) * 1995-04-03 1997-02-06 Marco Systemanalyse Entw Piezoelektrischer Ultraschallwandler
DE19527018C1 (de) * 1995-07-24 1997-02-20 Siemens Ag Ultraschallwandler
US6288477B1 (en) * 1999-12-03 2001-09-11 Atl Ultrasound Composite ultrasonic transducer array operating in the K31 mode
DE102006013220B3 (de) * 2006-03-22 2007-08-02 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Streifenschwinger
GB2545004B (en) * 2015-12-03 2019-04-03 Rolls Royce Plc Method and apparatus for machining objects
CN108433744B (zh) * 2018-04-23 2023-11-28 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 超声换能器、超声探头、超声探针以及超声水听器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2814575A (en) * 1954-08-13 1957-11-26 Hodes Lange Corp Method and apparatus for cleaning ampoules with the aid of ultrasonic vibration
US2901644A (en) * 1955-12-05 1959-08-25 Tibbetts Lab Inc Electromechanical device and method of making same
US3024701A (en) * 1956-12-03 1962-03-13 Alvin M Marks Flake glass panel structures
BE637983A (de) * 1961-05-02
US3674945A (en) * 1970-03-11 1972-07-04 Raytheon Co Acoustic impedance matching system
DE2537788C3 (de) * 1975-08-25 1980-04-10 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Ultraschallwandler
AT353506B (de) * 1976-10-19 1979-11-26 List Hans Piezoelektrischer resonator
DE2851745C2 (de) * 1978-11-30 1985-01-10 Elektrotechnik Ehmann Gmbh, 6953 Gundelsheim Mehrschichtige Membran für einen elektroakustischen Wandler
JPS612028Y2 (de) * 1980-05-24 1986-01-23
DE3101208C2 (de) * 1981-01-16 1983-05-11 W.C. Heraeus Gmbh, 6450 Hanau Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtsystems
US4523122A (en) * 1983-03-17 1985-06-11 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric ultrasonic transducers having acoustic impedance-matching layers
FR2551611B1 (fr) * 1983-08-31 1986-10-24 Labo Electronique Physique Nouvelle structure de transducteur ultrasonore et appareil d'examen de milieux par echographie ultrasonore comprenant une telle structure
DE8408180U1 (de) * 1984-03-16 1986-07-17 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Piezoelektrischer Luft-Ultraschallwandler mit Breitbandcharakteristik
DE3430186A1 (de) * 1984-08-16 1986-02-27 Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München Verfahren zur herstellung eines poroesen piezoelektrischen materials und nach diesem verfahren hergestelltes material
US4656384A (en) * 1984-10-25 1987-04-07 Siemens Aktiengesellschaft Ultrasonic detection sensor in hybrid structure with appertaining electronic circuit
US4756808A (en) * 1985-05-31 1988-07-12 Nec Corporation Piezoelectric transducer and process for preparation thereof
US4810675A (en) * 1986-01-24 1989-03-07 Potters Industries, Inc. Process for making lightweight body suitable for use as an additive in an article of manufacture
DE3731649A1 (de) * 1987-09-19 1989-03-30 Schott Glaswerke Verfahren zur herstellung von offenporigen sinterkoerpern

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