EP0807924A2 - Sound or ultrasound transducer - Google Patents

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EP0807924A2
EP0807924A2 EP97105884A EP97105884A EP0807924A2 EP 0807924 A2 EP0807924 A2 EP 0807924A2 EP 97105884 A EP97105884 A EP 97105884A EP 97105884 A EP97105884 A EP 97105884A EP 0807924 A2 EP0807924 A2 EP 0807924A2
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EP
European Patent Office
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sound
front surface
webs
membranes
excitation frequency
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EP97105884A
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EP0807924A3 (en
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Manfred Eckert
Karl Flögel
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Endress and Hauser SE and Co KG
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    • 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
    • B06B1/0618—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 of piezo- and non-piezoelectric elements, e.g. 'Tonpilz'
    • G—PHYSICS
    • 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
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Abstract

The sensor has a radiation element (3) with a planar front surface (34) and a transducer element (1) for oscillation of the front surface at a given stimulation frequency, so that the enture front surface is deflected in phase with the same deflection amplitude. The front surface has a number of concentric ribs (32) with concentric gaps (33) between them, with a metal disc (5) attached to the ribs so that the parts between the ribs act as a membrane segments.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall. Ultraschallsensoren werden z.B. als Sender und/oder Empfänger zur Entfernungsmessung nach dem Echolotprinzip verwendet, insb. zur Messung eines Füllstands, z.B. in einem Behälter, oder zur Messung einer Füllhöhe, z.B. in einem Gerinne oder auf einem Förderband.The invention relates to a sound or ultrasound sensor for transmitting and / or receiving sound or ultrasound. Ultrasonic sensors are e.g. used as a transmitter and / or receiver for distance measurement according to the sounder principle, especially for measuring a level, e.g. in a container, or to measure a level, e.g. in a channel or on a conveyor belt.

Ein vom Schall- oder Ultraschallsensor ausgesendeter Impuls wird an der Oberfläche des Füllgutes reflektiert. Die Laufzeit des Impulses vom Sensor zur Oberfläche und zurück wird ermittelt und daraus der Füllstand bzw. die Füllhöhe bestimmt.A pulse emitted by the sound or ultrasonic sensor is reflected on the surface of the product. The transit time of the pulse from the sensor to the surface and back is determined and from this the level or level is determined.

Derartige Schall- oder Ultraschallsensoren werden in vielen Industriezweigen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, der Wasser- und Abwasserbranche und in der Chemie, eingesetzt. Besonders in der Chemie sind Schall- oder Ultraschallsensoren von hoher chemischer Beständigkeit erforderlich, die in einem weiten Temperaturbereich einsetzbar sind. In der Lebensmittelindustrie wird zusätzlich gefordert, das derartige Sensor vorzugsweise frontbündig und somit leicht zu reinigen sind.Such sound or ultrasonic sensors are used in many branches of industry, e.g. used in the food industry, the water and wastewater industry and in chemistry. In chemistry in particular, sound or ultrasonic sensors of high chemical resistance are required, which can be used in a wide temperature range. In the food industry, it is additionally required that such a sensor is preferably flush with the front and thus easy to clean.

In allen genannten Anwendungsbereichen ist es erforderlich, daß die Sensoren eine Abstrahlcharakteristik mit einem geringen Öffnungswinkel bzw. einer großen Hauptschallkeule und geringen Nebenschallkeulen aufweisen.In all of the application areas mentioned, it is necessary for the sensors to have an emission characteristic with a have a small opening angle or a large main sound lobe and low secondary sound lobes.

In der DE-OS 29 06 704 ist ein Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall beschrieben mit

  • einem Abstrahlelement mit einer ebenen Frontfläche und
  • einem Sensorelement,
  • bei dem das Sensorelement die Frontfläche derart in Schwingungen versetzt, daß die gesamte Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche ausführt.
DE-OS 29 06 704 describes a sound or ultrasonic sensor for transmitting and / or receiving sound or ultrasound
  • a radiating element with a flat front surface and
  • a sensor element,
  • in which the sensor element vibrates the front surface in such a way that the entire front surface executes almost in-phase deflections with an almost equal amplitude parallel to the surface normal of the front surface.

Der Sensor umfaßt hier ein kegelförmiges, metallisches Abstrahlelement und einen Grundkörper. Als Wandlerelement dient ein zwischen Abstrahlelement und Grundkörper eingespanntes piezoelektrisches Element, das zu Dickenoszillationen angeregt wird.The sensor here comprises a conical, metallic radiation element and a base body. A piezoelectric element, which is clamped between the radiation element and the base body and serves to excite thickness oscillations, serves as the transducer element.

Die Abstrahlcharakteristik des Sensor ist im wesentlichen durch den Durchmesser der Frontfläche und die Frequenz bestimmt. Dabei verhält sich der Sinus des Öffnungswinkels der abgestrahlten Schallkeule wie der Quotient aus der Wellenlänge der abgestrahlten Schall- oder Ultraschallwelle und dem Durchmesser der Frontfläche des Abstrahlelements. Um eine Schallkeule mit kleinem Öffnungswinkel zu erhalten, ist daher ein großer Durchmesser zu verwenden. Die mögliche Größe des Durchmessers ist jedoch dadurch begrenzt, daß die Frontfläche oberhalb eines bestimmten Durchmessers zusätzlich Biegeschwingungen ausführt. Der Öffnungswinkel der Schallkeule weist folglich immer eine Mindestgröße auf.The emission characteristics of the sensor are essentially determined by the diameter of the front surface and the frequency. The sine of the opening angle of the emitted sound beam behaves like the quotient of the wavelength of the emitted sound or ultrasound wave and the diameter of the front surface of the radiation element. In order to obtain a sound beam with a small opening angle, a large diameter must therefore be used. The possible size of the diameter is limited, however, by the fact that the front surface also carries out bending vibrations above a certain diameter. The opening angle of the sound lobe is therefore always of a minimum size.

Da sich die akustische Impedanz des Mediums, in das der Schall oder Ultraschall auszusenden ist, z.B. Luft, und die des Abstrahlelements sehr stark unterscheiden, ist vor dem Abstrahlelement eine Anpaßschicht aus einem Elastomer angeordnet.Since the acoustic impedance of the medium in which the sound or ultrasound is to be emitted, for example air, and that of the radiating element differ very greatly, the Radiating element a matching layer made of an elastomer.

Ein Nachteil eines solchen Schall- oder Ultraschallsensors ist, daß durch die Verwendung der Elastomer-Anpaßschicht der Temperaturbereich, in dem der Sensor einsetzbar ist, eingeschränkt wird. Zum einen sind Elastomere nur in einem geringeren Temperaturbereich einsetzbar als Metalle, zum anderen ist die Schallgeschwindigkeit in Elastomeren stark temperaturabhängig. Außerhalb eines durch das Elastomer vorgegebenen Temperaturbereichs ist die Anpaßschicht somit unwirksam.A disadvantage of such a sound or ultrasonic sensor is that the temperature range in which the sensor can be used is restricted by the use of the elastomer matching layer. On the one hand, elastomers can only be used in a lower temperature range than metals, on the other hand, the speed of sound in elastomers is strongly temperature-dependent. Outside of a temperature range predetermined by the elastomer, the matching layer is therefore ineffective.

Ferner ist in der Zeitschrift Technisches Messen, 51. Jahrgang, 1984, Heft 9 auf den Seiten 313 bis 317, insb. S. 314, veröffentlichten Fachartikel mit dem Titel: 'Meßwertverarbeitung in Ultraschall-Füllstandsmeßgerilten' ein Hochleistungs-Schallsensor beschrieben, der umfaßt:

  • zwei Metallzylinder,
  • ein zwischen den Metallzylindern eingespanntes Wandlerelement und
  • einen auf einen der Metallzylinder aufgeschraubten, als Membran ausbebildeten Deckel aus Titan.
Furthermore, in the journal Technisches Messen, 51st year, 1984, volume 9 on pages 313 to 317, esp. P. 314, published technical articles with the title: 'Measured Value Processing in Ultrasonic Level Gauges' describes a high-performance sound sensor which comprises :
  • two metal cylinders,
  • a transducer element clamped between the metal cylinders and
  • a screwed onto one of the metal cylinders, designed as a membrane made of titanium.

Ein metallisches Abstrahlelement weist eine im Vergleich zu der Anpaßschicht höhere mechanische Beständigkeit auf und ist in einem größeren Temperaturbereich einsetzbar.A metallic radiating element has a higher mechanical resistance than the matching layer and can be used in a larger temperature range.

Das Wandlerelement besteht aus zwei piezoelektrischen Elementen, durch die der Sensor zu Axialschwingungen angeregt wird. Bei einer geeigneten Wahl der Anregungsfrequenz wird die Membran dadurch in Resonanz versetzt.The transducer element consists of two piezoelectric elements through which the sensor is excited to vibrate axially. With a suitable choice of the excitation frequency, the membrane is set in resonance.

Die Amplitude der Schwingung der Membran ist im Zentrum der Membran maximal und nimmt zu deren Rand hin ab.The amplitude of the vibration of the membrane is maximum in the center of the membrane and decreases towards the edge.

Der Durchmesser der Membran ist jedoch nicht beliebig vergrößerbar, da die Membran bei einer gegebenen Dicke und einer gegebenen Anregungsfrequenz oberhalb eines bestimmten Durchmessers Biegewellen höherer Ordnung ausführt. Dies kann z.B. durch die Verwendung einer steiferen Membran vermieden werden. Durch eine steifere Membran wird jedoch die Empfindlichkeit des Schall- oder Ultraschallsensors beim Empfang stark reduziert.However, the diameter of the membrane cannot be increased arbitrarily, since the membrane executes higher-order bending waves for a given thickness and a given excitation frequency above a certain diameter. This can e.g. can be avoided by using a stiffer membrane. A stiffer membrane, however, greatly reduces the sensitivity of the sound or ultrasonic sensor when it is received.

Da die Membran sehr hohen Dauerwechselbeanspruchungen ausgesetzt ist, ist es erforderlich, einen mechanisch sehr hochwertigen Werkstoff, z.B. Titan, zu verwenden. Solche Materialien sind jedoch teuer.Since the membrane is exposed to very high permanent alternating stresses, it is necessary to use a mechanically very high quality material, e.g. Titanium. However, such materials are expensive.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Schall- oder Ultraschallsensor anzugeben, der mechanisch robust und chemisch beständig ist und der eine einstellbare Abstrahlcharakteristik, z.B. mit einem vorzugsweise geringen Öffnungswinkel, aufweist.It is an object of the invention to provide a sound or ultrasonic sensor which is mechanically robust and chemically stable and which has an adjustable radiation characteristic, e.g. with a preferably small opening angle.

Hierzu besteht die Erfindung in einem Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall- oder Ultraschall mit einem Abstrahlelement, das eine ebene Frontfläche hat, und mit einem Wandlerelement, wobei das Wandlerelement die Frontfläche derart in Schwingungen aufgrund einer Anregungsfrequenz versetzt, daß die gesamte Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche ausführt, der dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der Frontfläche konzentrische Stege angeordnet sind, daß zwischen zwei benachbarten Stegen jeweils ein konzentrischer Spalt besteht und daß eine Scheibe, insb. aus Metall, den Schall- oder Ultraschallsensor frontbündig abschließt, die fest mit den Stegen verbunden ist und die nicht mit den Stegen verbundene, als Membranen dienende Segmente aufweist.For this purpose, the invention consists in a sound or ultrasonic sensor for transmitting and / or receiving sound or ultrasound with a radiating element that has a flat front surface, and with a transducer element, the transducer element causing the front surface to vibrate due to an excitation frequency such that the entire front surface carries out almost in-phase deflections with an almost equal amplitude parallel to the surface normal of the front surface, which is characterized in that concentric webs are arranged on the front surface, that there is a concentric gap between each two adjacent webs and that a disk, especially made of metal , the sound or ultrasound sensor is flush with the front, which is firmly connected to the webs and which has segments which are not connected to the webs and serve as membranes.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung führen die Membranen Biegeschwingungen aus, deren Resonanzfrequenzen größer oder gleich der Anregungsfrequenz sind.According to one embodiment of the invention, the membranes execute bending vibrations whose resonance frequencies are greater than or equal to the excitation frequency.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung der mittleren kreisförmigen Membran größer als die oder gleich der Anregungsfrequenz und die Resonanzfrequenzen der übrigen Membranen 51 steigen von innen nach außen an.According to a further advantageous embodiment of the invention, the resonance frequency of the bending vibration of the central circular membrane is greater than or equal to the excitation frequency and the resonance frequencies of the other membranes 51 increase from the inside to the outside.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Resonanzfrequenzen der Biegeschwingung der Membranen untereinander gleich und deutlich größer als die Anregungsfrequenz und jede Membran und die jeweils daran anschließenden mit den Stegen verbundenen Bereiche der Scheibe 5 schwingen gleichphasig.According to another advantageous embodiment of the invention, the resonance frequencies of the bending vibration of the membranes are identical to one another and significantly greater than the excitation frequency and each membrane and the regions of the disc 5 connected to the webs oscillate in phase.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in die Spalte ein Dämpfungsmaterial, insb. ein Schaumstoff, eingebracht.According to a further advantageous embodiment of the invention, a damping material, in particular a foam, is introduced into the column.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die Spalte eine Tiefe auf, die geringfügig größer ist als eine maximale Auslenkung der die Spalte abschließenden Membranen.According to a further advantageous embodiment of the invention, the gaps have a depth that is slightly greater than a maximum deflection of the membranes closing the gaps.

Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß ein solcher Schall- oder Ultraschallsensor eine glatte Oberfläche aufweist und somit besonders leicht zu reinigen ist, daß er eine metallische, also chemisch sehr beständige und mechanisch robuste, Abstrahlfläche aufweist, daß er bei Temperaturen von bis zu 150 °C einsetzbar ist und daß seine Richtcharakteristik einstellbar ist.Advantages of the invention are that such a sound or ultrasonic sensor has a smooth surface and is therefore particularly easy to clean, that it has a metallic, that is to say chemically very stable and mechanically robust, radiation surface that it is at temperatures of up to 150 ° C can be used and that its directional characteristic is adjustable.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nun anhand der Figuren der Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert; gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1
zeigt einen Längsschnitt durch einen ersten Schall- oder Ultraschallsensor, und
Fig. 2
zeigt einen Längsschnitt durch einen zweiten Schall- oder Ultraschallsensor.
The invention and further advantages will now become apparent from the figures of the drawing, in which two exemplary embodiments are shown, explained in more detail; Identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
Fig. 1
shows a longitudinal section through a first sound or ultrasonic sensor, and
Fig. 2
shows a longitudinal section through a second sound or ultrasonic sensor.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schall- oder Ultraschallsensors zum Senden und/oder Empfangen von Schall oder Ultraschall dargestellt. Dieser besteht aus einem Grundkörper 2, einem Abstrahlelement 3 und einem zwischen dem Grundkörper 2 und dem Abstrahlelement 3 eingespannten zylindrischen Wandlerelement 1. Das Wandlerelement 1 führt Dickenschwingungen in axialer Richtung aus und regt damit den Schall- oder Ultraschallsensor zu Axialschwingungen an.1 shows an exemplary embodiment of a sound or ultrasound sensor according to the invention for transmitting and / or receiving sound or ultrasound. This consists of a base body 2, a radiation element 3 and a cylindrical transducer element 1 clamped between the base body 2 and the radiation element 3. The transducer element 1 executes thickness vibrations in the axial direction and thus excites the sound or ultrasonic sensor to produce axial vibrations.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das Wandlerelement 1 aus zwei aufeinander angeordneten, ringscheibenförmigen piezoelektrischen Elementen 1a, 1b, die eine zueinander entgegengesetzte, durch Pfeile symbolisch dargestellte, Polarisation in axialer Richtung aufweisen. Zwischen den beiden piezoelektrischen Elementen 1a, 1b ist eine beiden Elementen 1a, 1b gemeinsame ringscheibenförmige Elektrode 11 angeordnet. Auf der der gemeinsamen Elektrode 11 abgewandten Seite weist jedes Element 1a, 1b eine weitere ebenfalls ringscheibenförmige Gegenelektrode 12a, 12b auf. Die Elektrode 11 und die beiden Gegenelektroden 12a, 12b sind über nicht dargestellte Verbindungsleitungen mit einer ebenfalls nicht dargestellten Wechselspannungsquelle verbunden. Dabei liegen die Gegenelektroden 12a, 12b auf gleichem Potential U1 und die Elektrode 11 auf einem gegenüber dem Potential U1 um 180° Phasenverschobenen Potential U2.In the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the transducer element 1 consists of two ring disk-shaped piezoelectric elements 1a, 1b arranged one on top of the other, which have an opposite polarization in the axial direction, symbolically represented by arrows. Between the two piezoelectric elements 1a, 1b, an annular disk-shaped electrode 11 common to both elements 1a, 1b is arranged. On the side facing away from the common electrode 11, each element 1a, 1b has a further counter-electrode 12a, 12b, likewise in the form of an annular disk. The electrode 11 and the two counter electrodes 12a, 12b are connected to an AC voltage source, also not shown, via connecting lines, not shown. Here, the counter electrodes 12a are, 12b at the same potential U 1 and the electrode 11 on a relative to the potential U 1 180 ° phase-shifted potential U. 2

Das so aufgebaute Wandlerelement 1 weist zwei kreisförmige Stirnflächen 13 und 14 auf. An die Stirnfläche 13 grenzt der Grundkörper 2 an. Dies ist ein Zylinder mit einer zentralen, axialen, durchgehenden Innenbohrung 21. Der Grundkörper 2 besteht aus einem Material hoher Dichte,z. B. aus Stahl und bewirkt eine Reduktion der in abstrahlelement-abgewandter Richtung abgestrahlten Schallenergie.The transducer element 1 constructed in this way has two circular end faces 13 and 14. The base body 2 adjoins the end face 13. This is a cylinder with a central, axial, continuous inner bore 21. The base body 2 consists of a material of high density, for. B. made of steel and causes a reduction of the sound energy emitted in the direction facing away from the radiation element.

An die Stirnfläche 14 grenzt das Abstrahlelement 3 an. Dies ist ein kegelstumpf-förmiges Bauelement, z.B. aus Aluminium. Diejenige Kreisfläche des Kegelstumpfs, die den größeren Durchmesser aufweist, ist vom Wandlerelement 1 abgewandt und bildet eine ebene Frontfläche 34. Das Abstrahlelement 3 weist auf der wandlerelement-zugewandten Seite eine zentrale axiale Bohrung 31 mit einem Innengewinde 311 auf, die sich ein Stück weit in axialer Richtung in den Kegelstumpf hinein erstreckt.The radiating element 3 adjoins the end face 14. This is a truncated cone-shaped component, e.g. made of aluminium. The circular surface of the truncated cone, which has the larger diameter, faces away from the transducer element 1 and forms a flat front surface 34. The radiating element 3 has a central axial bore 31 with an internal thread 311 on the side facing the transducer element, which extends a bit into extends axially into the truncated cone.

Es ist eine Einspannvorrichtung 4 vorgesehen, durch die das Wandlerelement 1 in axialer Richtung, also senkrecht zu seinen Stirnflächen 13, 14, zwischen dem Grundkörper 2 und dem Abstrahlelement 3 eingespannt ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Einspannvorrichtung 4 ein Spannbolzen, der von der wandlerelement-abgewandten Seite her in die zentrale Innenbohrung 4 des Grundkörpers 2 eingeführt ist, das Wandlerelement 1 vollständig durchdringt und in das Innengewinde 311 der Bohrung 31 des Abstrahlelements 3 eingeschraubt ist, so daß das Wandlerelement 1 vorgespannt ist.A clamping device 4 is provided, by means of which the transducer element 1 is clamped between the base body 2 and the radiation element 3 in the axial direction, that is to say perpendicular to its end faces 13, 14. In this embodiment, the clamping device 4 is a clamping bolt which is inserted into the central inner bore 4 of the base body 2 from the side facing away from the transducer element, completely penetrates the transducer element 1 and is screwed into the internal thread 311 of the bore 31 of the radiating element 3, so that the transducer element 1 is biased.

Auf einer wandlerelement-abgewandten Frontfläche des Abstrahlelements 3 sind konzentrische ringförmige Stege 32 angeordnet. Zwischen zwei benachbarten Stegen 32 besteht jeweils ein ringscheibenförmiger Spalt 33. Hergestellt wird diese spezielle Geometrie z.B. indem die ringscheibenförmigen Spalte 32 aus einem zunächst kegelstumpfförmigen Abstrahlelement 3 herausgedreht werden. Da das Abstrahlelement 3 vorzugsweise aus einem Metall, insb. Aluminium besteht, ist dies ein sehr kostengünstiges und einfaches Herstellverfahren.Concentric annular webs 32 are arranged on a front surface of the radiation element 3 facing away from the converter element. There is an annular disk-shaped gap 33 between each two adjacent webs 32. This special geometry is produced, for example, by initially creating the annular disk-shaped gap 32 be frusto-conical radiating element 3. Since the radiating element 3 preferably consists of a metal, in particular aluminum, this is a very inexpensive and simple manufacturing process.

Der Schall- oder Ultraschallsensor ist frontbündig abgeschlossen durch eine vorzugsweise metallische Scheibe 5, z.B. aus Aluminium oder Edelstahl, die fest mit den Stegen 32 verbunden, insb. verschweißt ist. Die freiliegenden Segmente der Scheibe 5 bilden somit kreis- bzw. ringscheibenförmige Membranen 51, die an deren Rand durch die kraftschlüssige Verbindung mit den Stegen 32 fest eingespannt sind.The sound or ultrasonic sensor is flush with the front by a preferably metallic disc 5, e.g. made of aluminum or stainless steel, which is firmly connected to the webs 32, in particular welded. The exposed segments of the disk 5 thus form circular or annular disk-shaped membranes 51, which are firmly clamped at the edge thereof by the non-positive connection with the webs 32.

Der Schall- oder Ultraschallsensor ist beispielsweise in einem, in Fig. 1 nicht dargestellten, zylindrischen an einem Ende offenen Gehäuse angeordnet, wobei die zwischen dem Gehäuse und dem Schall- oder Ultraschallsensor bestehenden Hohlräume mit einem elektrisch nichtleitenden Elastomer ausgefüllt sind.The sound or ultrasonic sensor is arranged, for example, in a cylindrical housing (not shown in FIG. 1) that is open at one end, the cavities existing between the housing and the sound or ultrasonic sensor being filled with an electrically non-conductive elastomer.

Im Sendeberieb werden die piezoelektrischen Elemente 1a, 1b durch die an die Elektrode 11 und die Gegenelektroden 12a, 12b anzulegenden Wechselspannung in Dickenschwingungen versetzt. Da das Wandlerelement 1 über die Einspannvorrichtung 4 fest mit dem Grundkörper 2 und dem Abstrahlelement 3 verbunden ist, führt der aus Wandlerelement 1, Grundkörper 2 und Abstrahlelement 3 gebildete Verbundschwinger Axialschwingungen aus.In the transmission mode, the piezoelectric elements 1a, 1b are set into thickness vibrations by the alternating voltage to be applied to the electrode 11 and the counterelectrodes 12a, 12b. Since the transducer element 1 is firmly connected to the base body 2 and the radiating element 3 via the clamping device 4, the composite oscillator formed from the transducer element 1, the base body 2 and the radiating element 3 executes axial vibrations.

Die ebene Frontfläche 34 des Abstrahlelements 3 wird somit durch die Anregungsfrequenz der Wechselspannung derart in Schwingungen versetzt, daß die gesamte Frontläche 34 nahezu phasengleiche Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen auf die Frontfläche 34 ausführt.The flat front surface 34 of the radiating element 3 is thus set in motion by the excitation frequency of the alternating voltage in such a way that the entire front surface 34 executes almost in-phase deflections with an almost equal amplitude on the front surface 34 parallel to the surface normal.

Um eine möglichst große Amplitude der Schwingung der Frontfläche 34 zu erzielen wird das Wandlerelement 1 vorzugsweise mit einer Anregungsfrequenz angetrieben, die der Resonanzfrequenz des Verbundschwingers entspricht. Die Länge L des Verbundschwingers in axialer Richtung entspricht dabei einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge, derjenigen durch gewichtete Mittelung zu ermittelnden fiktiven Wellenlänge, die Schall oder Ultraschall der Anregungsfrequenz in dem Verbundschwinger aufweist.In order to achieve the greatest possible amplitude of the oscillation of the front surface 34, the transducer element 1 is preferably driven with an excitation frequency that corresponds to the resonance frequency of the composite oscillator. The length L of the composite oscillator in the axial direction corresponds to an integral multiple of half a wavelength, that fictitious wavelength to be determined by weighted averaging, which has sound or ultrasound of the excitation frequency in the composite oscillator.

Vermittelt durch die Stege 32 wird diese Schwingung auf die Membranen 51 übertragen. Die Membranen 51 führen, da sie am Rand fest mit den Stegen 32 verbunden sind Biegeschwingungen aus. Durch diese Biegeschwingungen liegt eine gute Anpassung des Ultraschallsensors an Luft vor. Es tritt eine Amplitudenüberhöhung auf, d.h. die Schwingungsamplitude der Membranen 51 ist größer als die der Stege 32. Die Amplitudenüberhöhung ist maximal, wenn die Anregungsfrequenz mit der Resonanzfrequenz der jeweiligen Membran 51 übereinstimmt. Dann ist die Biegeschwingung der jeweiligen Membran 51 gegenüber der Anregungsfrequenz um 180° phasenverschoben. Die Auslenkung der jeweiligen Membran 51 ist derjenigen der an sie angrenzenden Stege 32 entgegengesetzt.Mediated by the webs 32, this vibration is transmitted to the membranes 51. The membranes 51 perform bending vibrations since they are firmly connected to the webs 32 at the edge. These bending vibrations mean that the ultrasonic sensor is well adapted to air. There is an increase in amplitude, i.e. the oscillation amplitude of the membranes 51 is greater than that of the webs 32. The amplitude increase is at a maximum if the excitation frequency coincides with the resonance frequency of the respective membrane 51. Then the bending vibration of the respective membrane 51 is 180 ° out of phase with respect to the excitation frequency. The deflection of the respective membrane 51 is opposite to that of the webs 32 adjoining it.

In diesem Fall strahlen die jeweilige Membran 51 und die fest mit den an sie angrenzenden Stegen 32 verbundenen beiden Flächen der Scheibe 5 gegenphasige Schallwellen aus.In this case, the respective membrane 51 and the two surfaces of the pane 5 firmly connected to the webs 32 adjoining them emit sound waves in opposite phases.

Es tritt destruktive Interferenz auf. Um die dadurch bedingte Verluste gering zu halten, ist es erforderlich, daß die Summe der Flächen der Membranen 51 groß gegenüber der Summe der Flächen der Scheibe 5, die fest mit den Stegen 32 verbunden sind, ist.Destructive interference occurs. In order to keep the resulting losses low, it is necessary that the sum of the areas of the membranes 51 is large compared to the sum of the areas of the disc 5, which are firmly connected to the webs 32.

Je weiter die Resonanzfrequenz der jeweiligen Membran 51 oberhalb der Anregungsfrequenz liegt, desto geringer ist die beschriebene phasenverschiebung. Gleichzeitig reduziert sich jedoch die Amplitudenüberhöhung und somit auch die von der jeweiligen Membran 51 abgestrahlte Schallleistung.The further the resonance frequency of the respective membrane 51 lies above the excitation frequency, the smaller the phase shift described. At the same time, however, the increase in amplitude and thus also the sound power emitted by the respective membrane 51 is reduced.

Die Resonanzfrequenz der jeweiligen Membran 51 ist maßgeblich durch deren mittleren Radius und deren Steifigkeit bestimmt. Bei äquidistanter Beabstandung gleichbreiter Stege 32 in radialer Richtung wäre die Resonanzfrequenz der äußeren Membranen 51 folglich niedriger, als die der inneren. Durch Verringerung des Abstandes zwischen zwei benachbarten Stegen 32 in radialer Richtung erhöht sich die Resonanzfrequenz der zwischen den Stegen angeordneten Membran 51.The resonance frequency of the respective membrane 51 is largely determined by its average radius and its rigidity. With equidistant spacing of webs 32 of equal width in the radial direction, the resonance frequency of the outer membranes 51 would consequently be lower than that of the inner ones. By reducing the distance between two adjacent webs 32 in the radial direction, the resonance frequency of the membrane 51 arranged between the webs increases.

Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz aller Membranen 51 oberhalb der Anregungsfrequenz. Dadurch wird das Auftreten von Biegewellen höherer Ordnung ausgeschlossen.The resonance frequency of all membranes 51 is preferably above the excitation frequency. This rules out the occurrence of higher order bending waves.

Die Abstrahlcharakteristik des Schall- oder Ultraschallsensors ist durch die Abstände zwischen den Stegen 32 in radialer Richtung, also durch die Abstimmung der Resonanzfrequenzen der Biegeschwingungen der einzelnen Membranen 51 aufeinander und auf die Antriebsfrequenz, einstellbar. Im folgenden sind zwei Beispiele hierfür angegeben.The radiation characteristic of the sound or ultrasound sensor can be set in the radial direction by the distances between the webs 32, that is to say by coordinating the resonance frequencies of the bending vibrations of the individual membranes 51 with one another and with the drive frequency. Two examples of this are given below.

Zum einen wird ein Schall- oder Ultraschallsensor mit einer für die Abstandsmessung nach dem Echolotprinzip geeigneten Abstrahlcharakteristik erzielt, indem die Abmessungen so gesetzt werden, daß die Resonanzfrequenz der kreisförmigen mittleren Membran 51 gleich oder größer als die Antriebsfrequenz ist und die Resonanzfrequenzen der anderen ringscheibenförmigen Membranen 51 so abgestimmt sind, daß eine Membran 51 mit einem kleineren Außenradius eine geringere Resonanzfrequenz aufweist, als eine Membran 51 mit einem größeren Außenradius. Die kreisförmige mittlere Membran 51 hat die niedrigste Resonanzfrequenz.On the one hand, a sound or ultrasonic sensor with a radiation characteristic suitable for the distance measurement according to the echo sounder principle is achieved by setting the dimensions so that the resonance frequency of the circular central membrane 51 is equal to or greater than the drive frequency and the resonance frequencies of the other annular disk-shaped membranes 51 are coordinated such that a membrane 51 with a smaller outer radius has a lower resonance frequency than a membrane 51 with a larger outer radius. The circular central membrane 51 has the lowest resonance frequency.

Die Amplitudenüberhöhung und damit die abgestrahlte Schallenergie nimmt somit entlang der Scheibe 5 von innen nach außen ab. Die Amplitudenverteilung entlang einer Diagonalen der Scheibe 5 entspricht näherungsweise einer Gaußkurve. Die durch Nebenkeulen abgestrahlte Schallenergie ist erheblich geringer als bei einem reinen Kolbenschwinger ohne Stege 32 und ohne Scheibe 5.The increase in amplitude and thus the radiated sound energy thus decreases along the pane 5 from the inside to the outside. The amplitude distribution along a diagonal of the disk 5 approximately corresponds to a Gaussian curve. The sound energy emitted by side lobes is considerably lower than in a pure piston oscillator without webs 32 and without disk 5.

Zum anderen wird eine nahezu gleichphasige Abstrahlung aller Bereiche der Scheibe 5 erzielt, indem die Resonanzfrequenzen der Membranen 51 alle gleich und deutlich, z.B. 10 %, größer als die Anregungsfrequenz sind. Es tritt dann nahezu keine Phasenverschiebung zwischen der Schwingung der einzelnen Membranen 51 und den an sie angrenzenden mit den jeweils benachbarten Stegen 32 verbundenen Bereichen der Scheibe 5 auf.On the other hand, an almost in-phase radiation of all areas of the pane 5 is achieved in that the resonance frequencies of the membranes 51 are all the same and clear, e.g. 10%, are greater than the excitation frequency. There is then almost no phase shift between the vibration of the individual membranes 51 and the regions of the disk 5 which adjoin them and which are connected to the respectively adjacent webs 32.

Wird der Schall- oder Ultraschallsensor dazu verwendet, Schall- oder Ultraschall-Impulse einer bestimmten Dauer auszusenden, so ist darauf zu achten, daß der Schall- oder Ultraschallsensor nach dem Ende der Anregung durch das Wandlerelement 1 möglichst nicht nachschwingt.If the sound or ultrasound sensor is used to emit sound or ultrasound pulses of a certain duration, care must be taken to ensure that the sound or ultrasound sensor does not reverberate after the end of the excitation by the transducer element 1.

Hierzu ist der Abstand zwischen den Membranen 51 und der Frontfläche 34 des Abstrahlelements 3, also die Tiefe der Spalte 33, vorzugsweise so bemessen, daß er geringfügig größer ist als die maximale Auslenkung der die Spalte 33 abschließenden Membranen 51. Die Kompression der in den Spalten 33 enthaltenen Luft durch die Biegeschwingungen der Membranen 51 bewirkt eine Dämpfung, durch die das Nachschwingen des Senors erheblich reduziert ist.For this purpose, the distance between the membranes 51 and the front surface 34 of the radiating element 3, ie the depth of the column 33, is preferably such that it is slightly larger than the maximum deflection of the membranes 51 closing the column 33. The compression of the columns 33 contained air by the bending vibrations of the membranes 51 causes a damping, through which the ringing of the sensor is significantly reduced.

Eine Reduktion des Nachschwingens wird gleichfalls erzielt, indem in die Spalte 33 ein Dämpfungsmaterial 6, z.B. ein Schaumstoff, eingebracht ist. Ein solcher Schaumstoff kann beispielsweise auf dem Abstrahlelement 3 aufgeklebt sein. Insb. ist die Ausbildung von ringförmig in den Spalten 33 umlaufenden Wellen durch das Dämpfungsmaterial 6 ausgeschlossen.A reduction in the reverberation is also achieved by a damping material 6, for example a, in the column 33 Foam, is introduced. Such a foam can, for example, be glued to the radiation element 3. Esp. the formation of annular waves in the gaps 33 through the damping material 6 is excluded.

Der durch die Stege 32 und die Scheibe 5 gebildete Vorbau des Verbundschwingers bewirkt durch die Biegeschwingung eine Anpassung der akustischen Impedanz des Schall- oder Ultraschallsensors an die akustische Impedanz des Mediums, in den die Schallenergie auszusenden ist. Insbesondere ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Schicht aus einem Material, dessen akustische Impedanz zwischen der des Materials der Scheibe 5 und der des Mediums in das die Schallenenergie auszusenden ist, z.B. aus einem Elastomer vorzusehen.The stem of the composite oscillator, which is formed by the webs 32 and the disk 5, brings about an adaptation of the acoustic impedance of the sound or ultrasonic sensor to the acoustic impedance of the medium into which the sound energy is to be emitted. In particular, it is not necessary to add an additional layer of a material whose acoustic impedance between that of the material of the disk 5 and that of the medium into which the acoustic energy is to be emitted, e.g. provided from an elastomer.

Eine auf die Scheibe 5 auftreffende Schall- oder Ultraschallwelle versetzt die Scheibe 5, besonders die Membranen 51 in Biegeschwingungen, die durch das Abstrahlelement auf das Wandlerelement 1 übertragen werden. Dadurch werden die piezoelektrischen Elemente 1a und 1b in Schwingungen versetzt. Es entsteht eine piezoelektrische Spannung die über die Elektroden 11, 12a und 12b einer weiteren Verarbeitung zugänglich ist.A sound or ultrasound wave impinging on the pane 5 sets the pane 5, in particular the membranes 51, in bending vibrations which are transmitted to the transducer element 1 by the radiating element. This causes the piezoelectric elements 1a and 1b to vibrate. A piezoelectric voltage is generated which is accessible for further processing via the electrodes 11, 12a and 12b.

Der Schall- oder Ultraschallsensor ist durch die vorzugsweise metallische Scheibe 5 abgeschlossen. Damit ist er bei hohen Temperaturen bis ca. 150 °C einsetzbar. Der Temperaturbereich ist lediglich durch den Temperaturbereich eingeschränkt, in dem das Wandlerelement 1 einsetzbar ist. Durch eine Verlängerung des Abstandes zwischen dem Wandlerelement 1 und der Scheibe 5 sind noch größere Temperaturbereiche erreichbar. Hierbei ist zu beachten, daß die Länge L des Verbundschwingers in axialer Richtung einem ganzzahligen Vielfachen einer halben Wellenlänge, derjenigen durch gewichtete Mittelung zu ermittelnden fiktiven Wellenlänge, die Schall oder Ultraschall der Anregungsfrequenz in dem Verbundschwinger aufweist, entspricht.The sound or ultrasound sensor is closed off by the preferably metallic disk 5. It can therefore be used at high temperatures up to approx. 150 ° C. The temperature range is only limited by the temperature range in which the converter element 1 can be used. By extending the distance between the transducer element 1 and the disk 5, even larger temperature ranges can be achieved. It should be noted here that the length L of the composite oscillator in the axial direction is an integral multiple of half a wavelength, that which is to be determined by weighted averaging fictitious wavelength, the sound or ultrasound of the excitation frequency in the composite oscillator corresponds.

Da das Abstrahlelement, die Stege 32 und die Scheibe 5 vorzugsweise aus Metall bestehen treten nur geringe temperaturbedingte Frequenzabweichungen auf.Since the radiation element, the webs 32 and the disk 5 are preferably made of metal, there are only slight temperature-related frequency deviations.

Der Schall- oder Ultraschallsensor ist chemisch sehr beständig und mechanisch sehr robust. Er eignet sich besonders gut für Anwendungen in der Lebensmittelindustrie, da die medium-berührte Scheibe 5 eben und somit gut zu reinigen ist.The sound or ultrasonic sensor is chemically very stable and mechanically very robust. It is particularly well suited for applications in the food industry, since the medium-contacted disc 5 is flat and therefore easy to clean.

Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz bei dem beschriebenen Sensor beschränkt, sonder ist vielmehr bei allen Schall- oder Ultraschallsensoren einsetzbar, die ein Abstrahlelement mit einer ebenen Frontfläche aufweisen, die durch das Wandlerelement 1 aufgrund einer Anregungsfrequenz derart in Schwingungen versetzt wird, daß die gesamte Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche ausführen.The invention is not limited to use with the sensor described, but rather can be used with all sound or ultrasonic sensors that have a radiation element with a flat front surface that is set in motion by the transducer element 1 due to an excitation frequency such that the entire Execute front surfaces of almost in-phase deflections with almost the same amplitude parallel to the surface normal of the front surface.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eines derartigen Schall- oder Ultraschallsensor.2 shows a further exemplary embodiment for such a sound or ultrasonic sensor.

Bei dem in Fig. 2 im Längschnitt lediglich schematisch dargestellten Schall- oder Ultraschallsensor weist das Wandlerelement 1 lediglich ein einziges scheibenförmiges piezoelektrisches Element auf. Mit diesem Wandlerelement 1 ist eine ebenfalls scheibenförmige Deckplatte 7 mit gleichem Durchmesser fest verbunden. Die Deckplatte 7 wird ebenso wie das Abstrahlelement 3 des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels zu Schwingungen derart angeregt, daß deren gesamte kreisförmige wandler-abgewandte Frontfläche nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche ausführt.2, the transducer element 1 has only a single disk-shaped piezoelectric element. With this transducer element 1, a likewise disk-shaped cover plate 7 with the same diameter is firmly connected. The cover plate 7, like the radiation element 3 of the exemplary embodiment shown in FIG. 1, is excited to vibrate in such a way that its entire circular front surface facing away from the transducer has almost in-phase deflections with almost executes the same amplitude parallel to the surface normal of the front surface.

Auf der Deckplatte 7 sind analog zu dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 konzentrische Stege 32 angeordnet, auf denen wiederum die Scheibe 5 befestigt ist.On the cover plate 7, analogous to the embodiment of FIG. 1, concentric webs 32 are arranged, on which in turn the disc 5 is fastened.

Der Schall- oder Ultraschallsensor ist beispielsweise in einem, in Fig. 2 nicht dargestellten, zylindrischen an einem Ende offenen Gehäuse angeordnet, wobei die zwischen dem Gehäuse und dem Schall- oder Ultraschallsensor bestehenden Hohlräume mit einem elektrisch nichtleitenden Elastomer ausgefüllt sind.The sound or ultrasonic sensor is arranged, for example, in a cylindrical housing (not shown in FIG. 2) that is open at one end, the cavities between the housing and the sound or ultrasonic sensor being filled with an electrically non-conductive elastomer.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 2 bietet gegenüber dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel den Vorteil, daß es eine sehr geringe Bauhöhe aufweist und daß ein einziges piezoelektrisches Element ausreicht, um den Schall- oder Ultraschallwandler anzuregen.The embodiment of FIG. 2 offers the advantage over the embodiment shown in FIG. 1 that it has a very low overall height and that a single piezoelectric element is sufficient to excite the sound or ultrasound transducer.

Claims (6)

Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schall oder Ultraschall - mit einem Abstrahlelement (3), das eine ebene Frontfläche (34) hat, und - mit einem Wandlerelement (1), - wobei das Wandlerelement (1) die Frontfläche (34) derart in Schwingungen aufgrund einer Anregungsfrequenz versetzt, daß die gesamte Frontfläche (34) nahezu gleichphasige Auslenkungen mit nahezu gleichgroßer Amplitude parallel zur Flächennormalen der Frontfläche (34) ausführt,
dadurch gekennzeichnet, - daß auf der Frontfläche (34) konzentrische Stege (32) angeordnet sind, - daß zwischen zwei benachbarten Stegen (32) jeweils ein konzentrischer Spalt (33) besteht und - daß eine Scheibe (5), insb. aus Metall den Schall- oder Ultraschallsensor frontbündig abschließt, -- die fest mit den Stegen (32) verbunden ist und -- die nicht mit den Stegen (32) verbundene, als Membranen (51) dienende Segmente aufweist. Sound or ultrasonic sensor for sending and / or receiving sound or ultrasound - With a radiation element (3), which has a flat front surface (34), and - With a transducer element (1), - The transducer element (1) causes the front surface (34) to oscillate due to an excitation frequency such that the entire front surface (34) executes deflections of almost the same phase with an amplitude of almost the same size parallel to the surface normal of the front surface (34),
characterized, - That on the front surface (34) concentric webs (32) are arranged, - That between two adjacent webs (32) there is a concentric gap (33) and - That a disc (5), in particular made of metal, closes the sound or ultrasonic sensor flush with the front, - Which is firmly connected to the webs (32) and - Which has not connected to the webs (32), serving as membranes (51) segments. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, die Membranen (51) Biegeschwingungen ausführen, deren Resonanzfrequenzen größer oder gleich der Anregungsfrequenz sind.Device according to claim 1, characterized in that the membranes (51) perform bending vibrations whose resonance frequencies are greater than or equal to the excitation frequency. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz der Biegeschwingung der mittleren Membran (51) größer als die oder gleich der Anregungsfrequenz ist, und daß die Resonanzfrequenzen der übrigen Membranen (51) von innen nach außen ansteigen.Device according to claim 2, characterized in that the resonance frequency of the bending vibration of the central membrane (51) is greater than or equal to the excitation frequency, and that the resonance frequencies of the other membranes (51) increase from the inside to the outside. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenzen der Biegeschwingungen der Membranen (51) untereinander gleich und deutlich größer als die Anregungsfrequenz sind und daß jede Membran (51) und die jeweils daran anschließenden mit den Stegen (32) verbundenen Bereiche der Scheibe 5 gleichphasig schwingen.Apparatus according to claim 1, characterized in that the resonance frequencies of the bending vibrations of the membranes (51) are equal to one another and significantly greater than the excitation frequency and that each membrane (51) and the regions of the disk 5 connected to the webs (32) are connected to them swing in phase. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Spalte (33) ein Dämpfungsmaterial (6), insb. ein Schaumstoff, eingebracht ist.Device according to claim 1, characterized in that a damping material (6), in particular a foam, is introduced into the gaps (33). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (33) eine Tiefe aufweisen, die geringfügig größer ist als eine maximale Auslenkung der die Spalte (33) abschließenden Membranen (51).Device according to claim 1, characterized in that the gaps (33) have a depth which is slightly greater than a maximum deflection of the membranes (51) closing the gaps (33).
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