EP0615471B1 - Schall- oder ultraschallwandler - Google Patents

Schall- oder ultraschallwandler Download PDF

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EP0615471B1
EP0615471B1 EP93920823A EP93920823A EP0615471B1 EP 0615471 B1 EP0615471 B1 EP 0615471B1 EP 93920823 A EP93920823 A EP 93920823A EP 93920823 A EP93920823 A EP 93920823A EP 0615471 B1 EP0615471 B1 EP 0615471B1
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metal ring
ultrasonic transducer
radial
sonic
piezoceramic
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Karl Flögel
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06BMETHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0655Methods 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 of cylindrical shape
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a sound or ultrasound transducer with a round piezoceramic disk, which can be excited to radial vibrations, and with a metal ring surrounding the piezoceramic disk.
  • the operating frequency is usually the radial resonance frequency of the piezoceramic disk, which is determined by the dimensions of the piezoceramic disk.
  • the diameter of the piezoceramic disc also determines the size of the sound radiation area, which is decisive for the opening angle of the generated sound beam.
  • a foam plate serving as a matching layer is glued onto the end face of the piezoceramic disc and has a substantially larger surface area than the piezoceramic disc.
  • the protruding area of the foam sheet is connected to the metal ring surrounding the piezoceramic disk, which serves as a weighting ring, so that the interface between the weighting ring and the piezoceramic disk represents a node area which remains almost at rest during operation of the ultrasound transducer. It is thereby achieved that the free end face of the matching layer vibrates almost in phase in its full size.
  • the metal ring In order for the metal ring to have this effect of a weighting ring, it must not touch the piezoceramic disc.
  • the sound radiation area is enlarged compared to the area of the piezoceramic disk, but the operating frequency is still determined by the diameter of the piezoceramic disk. The operating frequency can only be reduced by using a larger piezoceramic disc.
  • the object of the invention is to provide a sound or ultrasound transducer of the type specified at the outset, which, given the dimensions of the piezoceramic disk, has an operating frequency that is lower than the radial resonance frequency of the piezoceramic disk.
  • the metal ring surrounds the outer surface of the piezoceramic disk in a positive and non-positive manner so that it forms a radial oscillator with it.
  • the metal ring is firmly coupled to the piezoceramic disk for radial vibrations, so that the two parts form a mass-spring element that vibrates together in radial vibrations.
  • the total area of the radial oscillator thus formed acts as a radiation surface which oscillates completely in phase with an essentially Gaussian distribution of amplitudes, so that a small opening angle of the sound beam is achieved without disturbing side lobes.
  • the radial resonance frequency of this radial oscillator is lower than the radial resonance frequency of the piezoceramic disk; it is from the dimensions of the metal ring. It is therefore possible to produce sound or ultrasonic transducers with different operating frequencies by appropriately dimensioning the metal ring using the same piezoceramic disks.
  • the metal ring is preferably connected to the piezoceramic disk by shrinking on.
  • a matching layer can be applied to one end face of the radial oscillator formed by the piezoceramic disk and the metal ring.
  • the acoustic or ultrasonic transducer shown in FIG. 1 consists of a round piezoceramic disk 10, on the two end faces of which metal electrodes 12, 14 are attached.
  • the piezoceramic disk 10 is surrounded by a metal ring 16 which is in a non-positive and positive connection with the outer surface of the piezoceramic disk.
  • the metal ring 16 can be connected to the piezoceramic disk 10, for example by shrink-fitting, that is to say that it is placed around the piezoceramic disk in the heated state and when it cools down Piezoceramic disk tightly encloses.
  • the metal ring 16 is made of aluminum, for example.
  • the piezoceramic disk 10 If an alternating voltage is applied to the electrodes 12 and 14, the piezoceramic disk 10 is excited to radial vibrations. As a result of the close coupling with the metal ring 16, these radial vibrations are transmitted to the metal ring, so that the entire structure behaves like a single radial oscillator.
  • an adaptation layer 18 applied to the one end face of the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16 the thickness of which corresponds to a quarter wavelength of the generated sound or ultrasound wave, it is achieved that the generated sound or ultrasound wave is emitted essentially only on this side.
  • FIG. 2 shows the amplitude distribution of the vibrations over the entire surface of the radial oscillator consisting of the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16.
  • the amplitude distribution largely corresponds to the desired Gaussian distribution.
  • the vibrations are in phase over the entire surface, so that a radiation diagram without disturbing side lobes is obtained, the opening angle of which is determined by the total area of the radial oscillator.
  • FIG. 3 shows the frequency characteristic of the piezoceramic disk 10, the radial resonance frequency being designated f R. 4 shows the frequency characteristic of the radial oscillator formed from the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16 on the same scale. It can be seen that this radial oscillator has essentially the same frequency response as the piezoceramic disk 10, but the radial resonance frequency is significantly lower; it lies between the radial resonance frequency of the piezoceramic disk 10 and the radial resonance frequency of the metal ring 16. By appropriately dimensioning the metal ring 16, it is therefore possible to set a desired lower radial resonance frequency using the same piezoceramic disk 10.
  • FIGS. 2, 3 and 4 show that the radial oscillator consisting of the piezoceramic disk 10 and the metal ring 16 behaves like a piezoceramic disk with respect to amplitude distribution, phase distribution and frequency, which has a larger diameter than the piezoceramic disk 10.

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Abstract

Der Schall- oder Ultraschallwandler enthält eine runde Piezokeramikscheibe (10), die zu Radialschwingungen anregbar ist, und einen Metallring (16), der die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe (10) form- und kraftschlüssig umschliesst, so dass er mit dieser einen Radialschwinger bildet. Der so gebildete Schall- oder Ultraschallwandler hat eine Abstrahlfläche, die der Gesamtfläche von Piezokeramikscheibe und Metallring entspricht, und eine Radialresonanzfrequenz, die niedriger als die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezokeramikscheibe, die zu Radialschwingungen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring.
  • Bei einem Schall- oder Ultraschallwandler mit einer zu Radialschwingungen anregbaren Piezokeramikscheibe ist die Betriebsfrequenz üblicherweise die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe, die durch die Abmessungen der Piezokeramikscheibe bestimmt ist. Der Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt auch die Größe der Schallabstrahlfäche, die für den Öffnungswinkel des erzeugten Schallstrahls maßgeblich ist. Bei einem aus der DE-B-25 41 492 bekannten Ultraschallwandler der eingangs angegebenen Art ist zur Verringerung des Öffnungswinkels bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramikscheibe auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe eine als Anpaßschicht dienende Schaumstoffplatte aufgeklebt, die eine wesentlich größere Flächenabmessung als die Piezokeramikscheibe hat. Der überstehende Bereich der Schaumstoffplatte ist mit dem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring verbunden, der als Beschwerungsring dient, damit die Grenzfläche zwischen dem Beschwerungsring und der Piezokeramikscheibe eine Knotenfläche darstellt, die beim Betrieb des Ultraschallwandlers nahezu in Ruhe bleibt. Dadurch wird erreicht, daß die freie Stirnfläche der Anpaßschicht in ihrer vollen Größe nahezu gleichphasig schwingt. Damit der Metallring diese Wirkung eines Beschwerungsrings ergibt, darf er die Piezokeramikscheibe nicht berühren. Bei diesem bekannten Ultraschallwandler ist zwar die Schallabstrahlfläche gegenüber der Fläche der Piezokeramikscheibe vergrößert, die Betriebsfrequenz ist aber weiterhin durch den Durchmesser der Piezokeramikscheibe bestimmt. Eine Verringerung der Betriebsfrequenz kann nur durch Verwendung einer größeren Piezokeramikscheibe erreicht werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Schall- oder Ultraschallwandlers der eingangs angegebenen Art, der bei gegebenen Abmessungen der Piezokeramikscheibe eine gegenüber der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe verringerte Betriebsfrequenz aufweist.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radialschwinger bildet.
  • Bei dem Schall- oder Ultraschallwandler nach der Erfindung ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe für Radialschwingungen fest gekoppelt, so daß die beiden Teile ein in Radialschwingungen gemeinsam schwingendes Masse-Feder-Element bilden. Die Gesamtfläche des so gebildeten Radialschwingers wirkt als Abstrahlfläche, die mit einer im wesentlichen Gauß'schen Amplitudenverteilung vollkommen gleichphasig schwingt, so daß ein kleiner Öffnungswinkel des Schallstrahls ohne störende Nebenkeulen erzielt wird. Die Radialresonanzfrequenz dieses Radialschwingers ist jedoch niedriger als die Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe; sie ist von den Abmessungen des Metallrings abhängig. Es ist daher möglich, durch entsprechende Bemessung des Metallrings unter Verwendung gleicher Piezokeramikscheiben Schall- oder Ultraschallwandler mit unterschiedlichen Betriebsfrequenzen herzustellen.
  • Vorzugsweise ist der Metallring mit der Piezokeramikscheibe durch Aufschrumpfen verbunden.
  • In üblicher Weise kann auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe und dem Metallring gebildeten Radialschwingungers eine Anpaßschicht aufgebracht sein.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1
    einen Schall- oder Ultraschallwandler nach der Erfindung,
    Fig. 2
    die Amplitudenverteilung über die Abstrahlfläche des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1,
    Fig. 3
    die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe des Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1 und
    Fig. 4
    die Frequenzkennlinie des ganzen Schall- oder Ultraschallwandlers von Fig. 1.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Schall- oder Ultraschallwandler besteht aus einer runden Piezokeramikscheibe 10, auf deren beiden Stirnflächen Metallelektroden 12, 14 angebracht sind. Die Piezokeramikscheibe 10 ist von einem Metallring 16 umgeben, der in kraft- und formschlüssiger Verbindung mit der Mantelfläche der Piezokeramikscheibe steht. Der Metallring 16 kann mit der Piezokeramikscheibe 10 beispielsweise durch Aufschrumpfen verbunden sein, d.h., daß er in erwärmtem Zustand um die Piezokeramikscheibe gelegt wird und beim Abkühlen die Piezokeramikscheibe fest umschließt. Der Metallring 16 besteht beispielsweise aus Aluminium.
  • Wenn an die Elektroden 12 und 14 eine Wechselspannung angelegt wird, wird die Piezokeramikscheibe 10 zu Radialschwingungen angeregt. Infolge der engen Kopplung mit dem Metallring 16 werden diese Radialschwingungen auf den Metallring übertragen, so daß sich das ganze Gebilde wie ein einziger Radialschwinger verhält. Durch eine auf die eine Stirnfläche der Piezokeramikscheibe 10 und des Metallrings 16 aufgebrachte Anpaßschicht 18, deren Dicke einer Viertelwellenlänge der erzeugten Schall- oder Ultraschallwelle entspricht, wird erreicht, daß die erzeugte Schall- oder Ultraschallwelle im wesentlichen nur auf dieser Seite abgestrahlt wird.
  • Fig. 2 zeigt die Amplitudenverteilung der Schwingungen über die ganze Fläche des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 bestehenden Radialschwingers. Die Amplitudenverteilung entspricht weitgehend der erwünschten Gauß'schen Verteilung. Die Schwingungen sind über die ganze Fläche gleichphasig, so daß ein Strahlungsdiagramm ohne störende Nebenkeulen erhalten wird, dessen Öffnungswinkel durch die Gesamtfläche des Radialschwingers bestimmt ist.
  • Fig. 3 zeigt die Frequenzkennlinie der Piezokeramikscheibe 10, wobei die Radialresonanzfrequenz mit fR bezeichnet ist. Fig. 4 zeigt im gleichen Maßstab die Frequenzkennlinie des aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 gebildeten Radialschwingers. Es ist zu erkennen, daß dieser Radialschwinger im wesentlichen das gleiche Frequenzverhalten wie die Piezokeramikscheibe 10 hat, wobei jedoch die Radialresonanzfrequenz wesentlich niedriger ist; sie liegt zwischen der Radialresonanzfrequenz der Piezokeramikscheibe 10 und der Radialresonanzfrequenz des Metallrings 16. Durch entsprechende Bemessung des Metallrings 16 ist es daher möglich, unter Verwendung der gleichen Piezokeramikscheibe 10 eine gewünschte niedrigere Radialresonanzfrequenz einzustellen.
  • Die Diagramme von Fig. 2, 3 und 4 lassen erkennen, daß sich der aus der Piezokeramikscheibe 10 und dem Metallring 16 bestehende Radialschwinger hinsichtlich Amplitudenverteilung, Phasenverteilung und Frequenz wie eine Piezokeramikscheibe verhält, die einen größeren Durchmesser als die Piezokeramikscheibe 10 hat.

Claims (4)

  1. Schall- oder Ultraschallwandler mit einer runden Piezokeramikscheibe (10), die zu Radialschwingungen anregbar ist, und mit einem die Piezokeramikscheibe umgebenden Metallring (16), dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring die Mantelfläche der Piezokeramikscheibe form- und kraftschlüssig umschließt, so daß er mit dieser einen Radialschwinger bildet.
  2. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (16) mit der Piezokeramikscheibe (10) durch Aufschrumpfen verbunden ist.
  3. Schall- oder Ultraschallwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring (16) aus Aluminium besteht.
  4. Schall- oder Ultraschallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die eine Stirnfläche des von der Piezokeramikscheibe (10) und dem Metallring (16) gebildeten Radialschwingers eine Anpaßschicht (18) aufgebracht ist.
EP93920823A 1992-10-02 1993-09-24 Schall- oder ultraschallwandler Expired - Lifetime EP0615471B1 (de)

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DE4233256A DE4233256C1 (de) 1992-10-02 1992-10-02 Schall- oder Ultraschallwandler
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