EP0552696A2 - Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall - Google Patents

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EP0552696A2
EP0552696A2 EP93100652A EP93100652A EP0552696A2 EP 0552696 A2 EP0552696 A2 EP 0552696A2 EP 93100652 A EP93100652 A EP 93100652A EP 93100652 A EP93100652 A EP 93100652A EP 0552696 A2 EP0552696 A2 EP 0552696A2
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EP
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layer
sound
transducer
transducers
tub
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EP93100652A
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EP0552696A3 (de
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Rainer Jung
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Elma Hans Schmidbauer & Co KG GmbH
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    • 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
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • 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
    • B06B1/0607—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 multiple elements
    • B06B1/0611—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 multiple elements in a pile
    • 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
    • B06B1/0607—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 multiple elements
    • B06B1/0622—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 multiple elements on one surface
    • B06B1/0629—Square array

Definitions

  • the invention relates to a device for generating sound or ultrasound, in particular as an electroacoustic transducer with a layer structure made of sound-conducting solid materials.
  • transducers equipped with piezoceramics and sandwich-like structures which mostly work in longitudinal vibration modes, have prevailed.
  • the transducers or their coupling pieces are glued to, for example, the bottom and side walls of stainless steel tubs, vibrating plates and sheets of submersible transducers, since for physical reasons they advantageously consist of aluminum alloys.
  • transducer coupling pieces and the sheet metal of the radiating side made of stainless steel, i.e. made of the same basic material are also selected.
  • the coupling pieces can then be welded into pre-punched material or with this by e.g. Solder can be connected directly. Disadvantages result from increased expenditure on energy and preparation, a lower efficiency of the transducers and changes in the tension and joining of the base material of the radiating side.
  • the present invention has for its object to design the transducer structure so that a direct and quasi-lossless introduction of sound energy into a medium is possible, but that expensive connection techniques are eliminated.
  • the electroacoustic efficiency should be maintained and undesired energy losses, e.g. in the form of bending vibrations.
  • a common coupling piece is provided as a front sound-emitting layer (1) for a plurality of elements (10, 11, 12) of a plurality of transducers (S).
  • transducer elements It is essential that a large number of transducer elements are fixed to a single layer.
  • These elements of transducers can be one or more piezoceramics which are connected to the layer by means of corresponding fastening elements.
  • a further layer is inserted between this sound-emitting layer and the transducer elements, which forms a connection with high connection strength with the first layer and together with the first layer forms the coupling piece for connection to further elements of the transducer.
  • a device according to the invention is proposed in a simple way, which enables an almost lossless coupling or transmission of sound or ultrasound waves to liquid or other media in containers in which sound or ultrasound-specific effects are intended.
  • These include, in particular, ultrasonic cleaning baths and tubs, immersion transducers, vibrating plates and the like, the sheet of which is preferably made of rustproof and chemically resistant materials.
  • transducers provide the prerequisite for a high connection strength between materials with different acoustic impedance and thickness. It is advantageous to use suitable material combinations in such a way that the thick layer has a significantly lower acoustic impedance than the thin layer. This is e.g. given the ratio of aluminum for the thick layer to stainless steel for the thin layer.
  • One or one of the layers can be made from a non-metallic material, for example from a fiber-reinforced plastic, a ceramic or the like. consist.
  • the invention includes all materials that can be used as a sound-emitting layer.
  • the thickness / s of the layer (s) is / are otherwise frequency-determining.
  • a part of the transducer namely the body or bodies, is worked out of the one or, if several layers are used, of the thick layer so that the much thinner layer remains unchanged. If several bodies are provided, they are connected by the thinner layer, the thinner layer forming the sound-radiating side. From a sound physics point of view, in this case both layers together form the coupling piece of the respective transducer.
  • piezoceramics and pressure pieces from e.g. Completed in steel, any number of transducers can be configured on a thin layer, depending on the desired size, power and frequency. However, it should not be overlooked that it is also within the scope of the invention that a single body is connected to a thin layer for building up, for example, further piezoceramics and pressure pieces.
  • This asymmetrical operation of transducers composed of unequal masses also increases the intensity towards the emitting side.
  • the sound energy is transmitted directly and without loss via the thin layer, which on the one hand is part of the transducer and on the other hand is in direct contact with the medium to which sound or ultrasonic energy is to be emitted.
  • the thicker layer is additionally processed in such a way that undesirable bending resonances due to free spaces or web frames be avoided.
  • the bodies are arranged, for example, at a distance from one another or there is a web frame between the bodies.
  • the thin layer itself can be designed as a container, a tub or a plate.
  • the thin layer can be designed as a container, a tub or a plate.
  • the thin layer can be integrated into a container, a tub or a plate in such a way that it is directly connected to the medium.
  • elements 10, 11, 12 and 14 are connected to a layer 1 of sound-emitting material, each of which is part of a transducer S.
  • the elements are two piezoceramics 11 and 12 lying one on top of the other, the piezoceramic 12 resting against a pressure piece and the entire arrangement via a pressure screw 14 with the Layer 1 is connected.
  • Layer 1 forms a common coupling piece for the transducer elements.
  • FIG. 2 shows a two-layer oscillating plate P made of a metal composite material.
  • two layers 1 and 2 form a coupling piece for the construction of electro-acoustic transducers and have a different acoustic characteristic impedance for a logitudinal vibration mode.
  • the thin layer 1 is preferably made of stainless steel and additionally has bores 3 for screwing or screwing into a stainless steel trough or the like.
  • the thicker layer 2 contains machined bodies 4, which consist of an aluminum alloy. Threaded bores 5 for screwing with piezoceramics and pressure pieces shown in FIGS. 1 and 8 are formed in these bodies 4.
  • the bodies 4 with a square outline are worked out of the layer 2 in such a way that a distance a between them prevents a standing bending wave.
  • the shape of the body depends on the cost and can be different; truncated pyramids are suitable for good load adaptation, for example a body in paraboloidal shape is also conceivable.
  • FIGS. 4 and 5 show a similar vibrating plate P1 as shown in FIGS. 2 and 3. It is used, for example, to build up immersion transducers and likewise consists of layers 1 and 2. In contrast to FIG. 2, however, a peripheral edge strip 6 of width b is left between layer 2 and layer 1, which is used to weld a hood 7 on.
  • the bodies 4a molded out of the second layer 2 have a circular plan.
  • a web frame 8 of low height is worked out from layer 2 in order to prevent bending waves in layer 1.
  • the shape and height of the web frame 8 can vary.
  • the truncated cone is also an effective shape.
  • the remaining parts of a sound transducer according to FIGS. 1 and 8 can then be connected to the respective body 4a.
  • Figures 6 and 7 show an extremely simple and inexpensive structure for realizing multiple arrangements for adequate applications.
  • the layer 2 is not or only slightly machined apart from the threaded bores 5 and an edge strip 6.
  • Layers 1 and 2 thus form a common coupling piece of a defined and frequency-determining thickness c for a large number of transducers. Any bending phenomena of the vibrating plate P2 towards the radiating side of the layer 1 are effectively avoided. Small sheet-like depressions 9 can be advantageous, which are shown in broken lines in FIGS. 6 and 7.
  • the remaining parts of a sound transducer according to Figures 1 and 8 can be built on this vibrating plate P2.
  • the layer 1 in these oscillating plates shown in FIGS. 2 to 7 can advantageously, but not exclusively, itself as a container, tub, plate or the like. be trained.
  • FIG. 8 shows a variant of an individual sound transducer S, which works as a half-wave composite transducer in the longitudinal vibration mode. It consists of an at least two-layer composite or clad metal with layers 1 and 2, the axially poled Piezoceramics 10 and 11, the pressure piece 12 made of steel, connections 13a and 13b and the pressure screw 14. By means of this pressure screw 14, the piezoceramics, pressure pieces and connections can each be fixed in the threaded bores 5 of the body 4.
  • the bodies 4 can also be molded into this one layer 1.
  • layer 1 or layers 1 and 2 can be metallic but also non-metallic materials, for example plastics. Fiber composites or ceramic materials can also be used with preference.
  • this converter is preferred if the material combination of the composite material is stainless steel to aluminum.
  • the thin layer 1, i.e. the layer made of stainless steel, can then easily be used with appropriate containers, tubs, plates or the like. same material or different material.
  • a connection of both layers from the same material can e.g. by ring hump welding, friction welding, soldering, electron beam welding or the like.
  • the described embodiments can be varied in their geometry and can be easily implemented using modern mechanical processing techniques.
  • the structure according to the invention also allows the transmission of other vibration modes, for example transverse, torsional or radial vibrations.
  • the sound transducer configuration shown in the exemplary embodiment according to FIG. 8 must be modified accordingly. It is also conceivable to construct transducers whose axial direction of expansion is not is only / 2 but also a multiple of / 2 and which may have several working frequencies.

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Abstract

Bei einer Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen soll ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen sein. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen.
  • Es sind viele Arten des Aufbaus und der Anordnung von elektroakustischen Wandlern bekannt, um möglichst verlustarm Schallenergie in flüssige Medien zu übertragen. Die spezifischen Schallwirkungen sind im Ultraschallbereich, bedingt durch das Auftreten von Kavitation, am größten und werden durch kostengünstige Wandlerherstellung bei der Ultraschallreinigung am meisten genutzt.
  • Durchgesetzt haben sich dabei im wesentlichen mit Piezokeramiken bestückte und sandwichartig aufgebaute Wandler, die zumeist in longitudinalen Schwingungsmoden arbeiten.
  • Vielen Vorrichtungen gemeinsam ist die unbedingt notwendige kraftschlüssige Verbindung der einzelnen Wandler mit der Fläche, die mit dem flüssigen Medium in Kontakt steht. Dazu werden die Wandler bzw. deren Kopplungsstücke mit beispielsweise Boden- und Seitenwänden von Edelstahlwannen, -schwing-platten und -blechen von Tauchschwingern verklebt, da sie aus physikalischen Gründen vorteilhaft aus Aluminiumlegierungen bestehen.
  • Derartige Anordnungen sind beispielsweise in der DE-OS 21 20 654 und der US-PS 3 318 578 beschrieben. Diese Anordnungen sind kostengünstig herstellbar und daher relativ weit verbreitet. Entscheidende Nachteile sind allerdings eine begrenzte Haltbarkeit und Beständigkeit der Klebungen, die keinesfalls höheren Temperaturen und erhöhten mechanischen Belastungen ausgesetzt werden dürfen. Ihre Lebensdauer ist begrenzt.
  • Andere mechanische Verbindungstechniken, wie beispielsweise das Reibschweißen oder eine Verbindung mittels angeschweißter Bolzen, haben sich aus Kostengründen nicht durchgesetzt.
  • Unter Inkaufnahme einer verminderten Schallamplitude auf der schallabstrahlenden Seite, d.h., einer verminderten Ultraschallintensität, werden auch Wandler-Kopplungsstücke und das Blech der abstrahlenden Seite aus Edelstahl, d.h., aus dem gleichen Grundmaterial gewählt. Die Kopplungsstücke können dann in vorgestanztes Material eingeschweißt oder mit diesem durch z.B. Löten direkt verbunden werden. Nachteile ergeben sich durch einen erhöhten Energie- und Vorbereitungsaufwand, einen geringeren Wirkungsgrad der Wandler sowie durch Spannungs- und Fügeveränderungen des Grundmaterials der abstrahlenden Seite.
  • Alle bekannten Vorrichtungen setzen die Existenz von einzelnen, häufig schon montierten elektroakustischen Wandlern voraus, die zur Schallübertragung mit einem Blech, einer Wanne oder ähnlichem verbunden werden. Die Anbringung und/oder Ankopplung separater Wandler an das die Schwingung übertragende Blech führt oft zu unerwünschten Biegeschwingungen und Materialermüdungen. Vermehrte Kavitations- und Korrosionserscheinungen sind die Folge. In der DE-OS 26 05 898 und der DE-OS 39 33 519 sind deshalb verschiedene kostenaufwendige Vorrichtungen und Maßnahmen vorgeschlagen, um diese Nachteile zu minimieren.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wandleraufbau so zu gestalten, daß eine direkte und quasi verlustfreie Einbringung der Schallenergie in ein Medium möglich ist, daß jedoch teure Verbindungstechniken entfallen. Der elektroakustische Wirkungsgrad soll dabei erhalten und unerwünschte Energieverluste, z.B. in Form von Biegeschwingungen, minimiert werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe führt, daß ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen ist.
  • Wesentlich ist dabei, daß an einer einzigen Schicht eine Vielzahl von Wandlerelementen festgelegt sind. Bei diesen Elementen von Wandlern kann es sich um eine oder mehr Piezokeramiken handeln, die über entsprechende Befestigungselemente mit der Schicht verbunden sind.
  • In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist zwischen diese schallabstrahlende Schicht und die Wandlerelemente noch eine weitere Schicht eingefügt, welche mit der ersten Schicht eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingeht und mit der ersten Schicht zusammen das Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Elementen des Wandlers bildet.
  • Hierdurch wird auf einfachem Wege eine erfindungsgemäße Vorrichtung vorgeschlagen, die eine nahezu verlustlose Ankopplung bzw. Übertragung von Schall- oder Ultraschallwellen an flüssige oder andere Medien in Behältnisse ermöglicht, in denen schall- oder ultraschallspezifische Wirkungen beabsichtigt sind. Hierzu zählen insbesondere Ultraschall-Reinigungsbäder und -Wannen, Tauchschwinger, Schwingplatten und dgl. mehr, deren Blech vorzugsweise aus nichtrostenden und chemisch resistenten Werkstoffen hergestellt ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht somit in diesem Ausführungsbeispiel aus einer mindestens zweischichtigen Schwingplatte oder -tafel, wobei aus Teilen dieser Schwingplatte auch selbst ein Behältnis od. dgl. herausgeformt sein kann. Diese erste dünne Schicht ist dabei sowohl Teil des eigentlichen Wandlers als auch gleichzeitig schallabstrahlende Oberfläche. An die dünne Schicht schließt eine dickere Schicht an, auf der sandwichartig weitere Elemente des akustischen Wandlers aufgebaut sind, wie beispielsweise entsprechende Piezokeramiken und Druckstücke.
  • Durch die Verwendung eines zwei- oder mehrschichtigen Verbund- oder plattierten Metallmaterials für den Aufbau von Wandlern ist die Voraussetzung für eine hohe Verbindungsfestigkeit zwischen Werkstoffen unterschiedlicher Schallkennimpedanz und Dicke gegeben. Vorteilhaft ist die Nutzung geeigneter Materialkombinationen in der Form, daß die dicke Schicht eine wesentlich niedrigere Schallkennimpedanz aufweist als die dünne Schicht. Dies ist z.B. beim Verhältnis von Aluminium für die dicke Schicht zu Edelstahl für die dünne Schicht gegeben.
  • Die eine oder eine der Schichten kann aus einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, einer Keramik od. dgl. bestehen. Vom Erfindungsgedanken sind alle Werkstoffe umfaßt, welche als schallabstrahlende Schicht Verwendung finden können.
  • Die Dicke/n der Schicht/en ist/sind im übrigen frequenzbestimmend.
  • Erfindungsgemäß wird ein Teil des Wandlers, nämlich der oder die Körper, aus der einen oder, bei Verwendung meherer Schichten, aus der dicken Schicht so herausgearbeitet, daß die wesentlich dünnere Schicht unverändert stehen bleibt. Sollten mehrere Körper vorgesehen sein, so werden diese durch die dünnere Schicht verbunden, wobei die dünnere Schicht die schallabstrahlende Seite bildet. Aus schallphysikalischer Sicht bilden in diesem Fall beide Schichten zusammen das Kopplungsstück des jeweiligen Wandlers. Mit Piezokeramiken und Druckstücken aus z.B. Stahl komplettiert, kann so eine beliebige Anzahl von Wandlern auf einer dünnen Schicht konfiguriert werden und zwar in Abhängigkeit von der gewünschten Größe, Leistung und Frequenz. Dabei darf allerdings nicht übersehen werden, daß im Rahmen der Erfindung auch liegt, daß an eine dünne Schicht ein einziger Körper zum Aufbau beispielsweise weiterer Piezokeramiken und Druckstücke anschließt.
  • Dieser asymmetrische Betrieb von mit ungleichen Massen zusammengesetzen Wandlern bewirkt zudem eine Verstärkung der Intensität zur abstrahlenden Seite hin. Über die dünne Schicht, die einerseits gleichzeitig Bestandteil des Wandlers ist, andererseits direkt mit dem Medium in Kontakt steht, an das Schall- oder Ultraschallenergie abgestrahlt werden soll, wird die Schallenergie direkt und verlustlos übertragen.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die dickere Schicht zusätzlich so bearbeitet, daß durch Freiräume oder Stegrahmen unerwünschte Biegeresonanzen vermieden werden. Aus diesem Grunde sind die Körper beispielsweise in einem Abstand voneinander angeordnet oder aber es befindet sich zwischen den Körpern ein Stegrahmen.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die dünne Schicht selbst als ein Behältnis, eine Wanne oder eine Platte ausgebildet sein kann. Ferner besteht auch die Möglichkeit, die dünne Schicht in ein Behältnis, eine Wanne oder eine Platte so zu integrieren, daß sie direkt mit dem Medium in Verbindung steht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
    • Figur 1 eine Seitenansicht eines Ausschnittes aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall;
    • Figur 2 eine Seitenansicht einer Schwingplatte;
    • Figur 3 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 2;
    • Figur 4 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Schwingplatte;
    • Figur 5 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 4;
    • Figur 6 eine Seitenansicht einer geringfügig mechanisch bearbeiteten Schwingplatte;
    • Figur 7 eine Draufsicht auf einen Teil der Schwingplatte gemäß Figur 6;
    • Figur 8 eine schematische Seitenansicht eines mit einer Zentralschraube montierten Schallwandlers.
  • Gemäß Figur 1 sind mit einer Schicht 1 aus schallabstrahlendem Material Elemente 10,11,12 und 14 verbunden, welche jeweils Teile eines Wandlers S sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Elementen um zwei aufeinanderliegende Piezokeramiken 11 und 12, wobei der Piezokeramik 12 ein Druckstück anliegt und die gesamte Anordnung über eine Druckschraube 14 mit der Schicht 1 verbunden ist. Die Schicht 1 bildet ein gemeinsames Kopplungsstück für die Wandlerelemente.
  • In Figur 2 ist eine zweischichtige Schwingplatte P aus metallenem Verbundmaterial gezeigt. Hier bilden zwei Schichten 1 und 2 ein Kopplungsstücke zum Aufbau von elektroakustischen Wandlern und weisen eine unterschiedliche Schallkennimpedanz für einen logitudinalen Schwingungsmodus auf. Die dünne Schicht 1 besteht bevorzugt aus Edelstahl und besitzt zusätzlich Bohrungen 3 zum An- oder Einschrauben in eine Edelstahlwanne od. dgl.. Die dickere Schicht 2 beinhaltet herausgearbeitete Körper 4, welche aus einer Aluminiumlegierung bestehen. In diese Körper 4 sind Gewindebohrungen 5 zum Verschrauben mit in Figur 1 und 8 gezeigten Piezokeramiken und Druckstücken eingeformt.
  • Durch beispielsweise Fräsen oder Sägen sind aus der Schicht 2 die Körper 4 mit quadratischem Grundriß so herausgearbeitet, daß ein Abstand a zwischen ihnen eine stehende Biegewelle verhindert.
  • Die Form der Körper ist kostenabhängig und kann verschieden sein; für eine gute Lastanpassung eignen sich Pyramidenstümpfe, beispielsweise ist auch ein Körper in paraboloider Form denkbar.
  • An diese Körper 4 schließen die restlichen Teile eines Schallwandlers an, wie dies beispielsweise in Figur 8 gezeigt ist.
  • In Figur 4 und 5 ist eine ähnliche Schwingplatte P1 wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Sie dient beispielsweise dem Aufbau von Tauchschwingern und besteht ebenfalls aus einer Schicht 1 und 2. Im Gegensatz zu Figur 2 ist jedoch zwischen der Schicht 2 und der Schicht 1 ein umlaufender Randstreifen 6 der Breite b freigelassen, welcher zum Aufschweißen einer Haube 7 genutzt wird.
  • Die aus der zweiten Schicht 2 herausgeformten Körper 4a weisen im Gegensatz zur Figur 2 einen kreisförmigen Grundriß auf. Zusätzlich ist aber aus der Schicht 2 ein Stegrahmen 8 geringer Höhe herausgearbeitet, um Biegewellen in der Schicht 1 zu verhindern. Die Form und Höhe des Stegrahmens 8 kann variieren. Für die Körper 4a ist beispielsweise auch der Kegelstumpf eine effektive Form. An den jeweiligen Körper 4a können dann die restlichen Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 1 und 8 anschließen.
  • Die Figuren 6 und 7 zeigen einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau zur Realisierung von Mehrfachanordnungen für adäquate Anwendungen. Im Unterschied zu den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 5 ist die Schicht 2 bis auf die Gewindebohrungen 5 und einen Randstreifen 6 nicht oder nur geringfügig bearbeitet. Die Schichten 1 und 2 bilden so ein gemeinsames Kopplungsstück einer definierten und frequenzbestimmenden Dicke c für eine Vielzahl von Wandlern. Eventuelle Biegeerscheinungen der Schwingplatte P2 hin zur abstrahlenden Seite der Schicht 1 werden wirksam vermieden. Geringe flächenförmige Vertiefungen 9 können von Vorteil sein, welche in den Figuren 6 und 7 gestrichelt dargestellt sind. Die übrigen Teile eines Schallwandlers entsprechend Figur 1 und 8 können auf dieser Schwingplatte P2 aufgebaut werden.
  • Die Schicht 1 bei diesen in den Figuren 2 bis 7 gezeigten Schwingplatten kann vorteilhafterweise aber nicht ausschließlich selbst als Behältnis, Wanne, Platte od.dgl. ausgebildet sein.
  • In Figur 8 ist eine Variante eines einzelnen Schallwandlers S dargestellt, der als Halbwellen-Verbundschwinger im Längsschwingungsmodus arbeitet. Er besteht aus einem mindestens zweischichtigen Verbund- oder plattierten Metall mit den Schichten 1 und 2, den axial gepolten Piezokeramiken 10 und 11, dem Druckstück 12 aus Stahl, Anschlüssen 13a und 13b und der Druckschraube 14. Mittels dieser Druckschraube 14 können die Piezokeramiken, Druckstücke und Anschlüsse jeweils in den Gewindebohrungen 5 der Körper 4 festgelegt werden.
  • Die Körper 4 können bei Verwendung des einschichtigen Aufbaus gemäß Figur 1 auch in diese eine Schicht 1 eingeformt sein.
  • Für die Schicht 1 bzw. die Schichten 1 und 2 kommen verschiedene Materialien in Frage. Dies können insbesondere metallische aber auch nicht-metallische Werkstoffe, beispielsweise Kunststoffe sein. Auch Faserverbundstoffe oder keramische Stoffe können bevorzugt Anwendung finden.
  • Bei einem mehrschichtigen Aufbau ist eine bevorzugte Verwendung dieses Wandlers gegeben, wenn die Materialkombination des Verbundwerkstoffes Edelstahl zu Aluminium ist. Die dünne Schicht 1, d.h., die Schicht aus Edelstahl, kann dann leicht mit entsprechenden Behältnissen, Wannen, Platten od.dgl. gleichen Materials oder anderen Materials verbunden werden. Eine Verbindung beider Schichten aus gleichem Material kann z.B. durch Ringbuckelschweißen, Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen od. dgl. erfolgen.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen sind in ihrer Geometrie variierbar und durch moderne mechanische Bearbeitungstechniken leicht zu realisieren. Der erfindungsgemäße Aufbau gestattet auch die Uebertragung anderer Schwingungsmoden, z.B., von Transversal-, Torsions- oder Radialschwingungen. Dazu ist insbesondere die im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 gezeigte Schallwandlerkonfiguration entsprechend abzuändern. Denkbar ist auch der Aufbau von Wandlern, deren axiale Ausdehnungsrichtung nicht nur /2 sondern auch ein Vielfaches von /2 beträgt und die unter Umständen mehrere Arbeitsfrequenzen haben können.
    Figure imgb0001

Claims (20)

  1. Vorrichtung zum Erzeugen von Schall oder Ultraschall insbesondere als elektroakustischer Wandler mit einem Schichtaufbau aus schalleitenden Festkörperwerkstoffen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein gemeinsames Kopplungsstück als vordere schallabstrahlenden Schicht (1) für eine Mehrzahl von Elementen (10, 11, 12) einer Mehrzahl von Wandlern (S) vorgesehen ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß eine vordere Schicht (1) als schallabstrahlende Schicht und eine darauf folgende Schicht (2) eine Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit eingehen und zusammen ein Kopplungsstück zum Verbinden mit weiteren Elementen (10,11,12) des Wandlers bilden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1 und 2) eine unterschiedliche Schallkennimpedanz besitzen und damit frequenzbestimmende Teile des Wandlers (S) sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (1, 2) unterschiedlich dick sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht (1) die schallabstrahlende Seite bildet, während aus der dickeren Schicht (2) oder, falls die Schicht (1) alleine Anwendung findet, aus der Schicht (1) Körper (4) zum Konfigurieren mit weiteren Elementen zu einem oder mehreren Wandlern herausgearbeitet sind.
  6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung mit hoher Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Schichten (1, 2) durch eine weitere Metallschicht erfolgt.
  7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1 bzw. 1 oder 2) aus einem nicht-metallischen Werkstoff, beispielsweise einem Kunststoff, einem Faserverbundwerkstoff, einer Keramik od.dgl. besteht.
  8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) aus Edelstahl und die Schicht (2) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
  9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Körper (4) als ebenflächige oder krummflächige Körper, z.B. als quader-, zylinder-, prismen-, pyramiden- oder kegelstumpfförmige Körper ausgebildet sind.
  10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (4) eine Gewindebohrung (5) zum Anschließen der weiteren Schichten (10, 11, 12) des Wandlers (S) aufweist.
  11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schicht (1 bzw. 2) zumindest eine Piezokeramik (10, 11) sowie ein Druckstück (12) anschließt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente (10, 11, 12) über eine Druckschraube (14) mit der Schicht (1 bzw. 2) verbunden sind.
  13. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1) ein Behältnis, eine Wanne, eine Platte od. dgl. ausbildet oder ein Bestandteil eines Behältnisses, einer Wanne, Platte od. dgl. ist.
  14. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Schicht (1 bzw. 2) mehrere Körper (4) beispielsweise durch spanabhebende Bearbeitung herausgeformt sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper (4) einen Abstand (a) voneinander einhalten.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körpern (4) Stege und/oder ein Stegrahmen (8) mit vorbestimmter Höhe und Breite vorgesehen ist.
  17. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (1 bzw. 2) eine Mehrzahl von Gewindebohrungen (5) für eine Mehrzahl von weiteren Elementen (10, 11, 12) für eine Mehrzahl von Wandlern (S) aufweist.
  18. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die schallabstrahlende Schicht (1) eines oder mehrerer Wandler mit einem Behältnis, einer Wanne, einer Platte od.dgl. verbunden ist/sind.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen der Schicht (1) und dem Behältnis, der Wanne, der Platte od.dgl. durch Ringbuckelschweißen, Reibschweißen, Löten, Elektronenstrahlschweißen od. dgl. erfolgt.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis, die Wanne, Platte od.dgl. aus dem gleichen Werkstoff besteht, wie die schallabstrahlende Schicht (1), vorzugsweise aus Edelstahl.
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