EP0807924B1 - Sound or ultrasound transducer - Google Patents
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- G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
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- G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general
Definitions
- the invention relates to a sound or ultrasonic sensor for sending and / or receiving sound or ultrasound.
- Ultrasonic sensors are e.g. as a transmitter and / or Receiver for distance measurement based on the sounder principle used, 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.
- a pulse sent by the sound or ultrasonic sensor is reflected on the surface of the product.
- the Duration of the pulse from the sensor to the surface and back is determined and from this the fill level or the fill height certainly.
- Such sound or ultrasonic sensors are used in many Industries, e.g. in the food industry, the Water and wastewater industry and in chemistry. Sound or ultrasonic sensors are particularly useful in chemistry of high chemical resistance required which can be used in a wide temperature range. In the food industry is also required to: such sensor preferably flush-mounted and therefore light are to be cleaned.
- the sensors In all mentioned areas of application it is necessary that the sensors have a radiation characteristic with a small opening angle or a large main sound lobe and have low sonic lobes.
- the sensor here comprises a conical, metallic one Radiating element and a basic body.
- a converter element serves between the radiating element and the base body clamped piezoelectric element that too Thickness oscillations is excited.
- the radiation characteristic of the sensor is essentially by the diameter of the front surface and the frequency certainly.
- the sine of the opening angle behaves the emitted sound lobe like the quotient from the Wavelength of the emitted sound or ultrasound wave and the diameter of the front surface of the radiating element.
- a large diameter must therefore be used.
- the possible Size of the diameter is limited, however, that the Front surface above a certain diameter additionally executes bending vibrations.
- the opening angle the sound lobe is therefore always of a minimum size.
- a disadvantage of such a sound or ultrasonic sensor is that by using the elastomer matching layer the temperature range in which the sensor can be used, is restricted. For one, elastomers are only one lower temperature range can be used than metals, for others the speed of sound is strong in elastomers temperature dependent. Outside one by the elastomer The adaptation layer is thus a predetermined temperature range ineffective.
- a metallic radiating element has one in comparison the matching layer higher mechanical resistance on and can be used in a wide temperature range.
- the transducer element consists of two piezoelectric ones Elements through which the sensor causes axial vibrations is excited. With a suitable choice of This excites the membrane in resonance added.
- the amplitude of the vibration of the membrane is at the center of the Maximum membrane and decreases towards the edge.
- the diameter of the membrane is not arbitrary enlargeable because the membrane is given a given thickness and a given excitation frequency above a certain one Executes higher-order diameter bending waves. This can e.g. by using a stiffer membrane be avoided. Through a more rigid membrane, however the sensitivity of the sound or ultrasonic sensor greatly reduced on receipt.
- the membrane has very high fatigue stresses exposed, it is required a very mechanical high quality material, e.g. Titanium. Such However, materials are expensive.
- the invention consists of a sound or Ultrasonic sensor for sending and / or receiving sound or Ultrasound with a radiating element that is flat Has front surface, and with a transducer element, the Transducer element the front surface in such vibrations due to an excitation frequency that the entire Front surface almost in-phase deflections with almost equally large amplitude parallel to the surface normal of the Executes front surface, which is characterized in that concentric webs are arranged on the front surface, that between two adjacent webs concentric gap exists and that a disc, esp. made of metal, the sound or ultrasonic sensor flush with the front completes, which is firmly connected to the webs and the not connected to the webs, serving as membranes Has segments.
- the Membranes bending vibrations, their resonance frequencies are greater than or equal to the excitation frequency.
- the resonance frequency of the bending vibration of the middle circular membrane larger than or equal to the excitation frequency and the resonance frequencies of the remaining membranes 51 rise from the inside to the outside.
- the resonance frequencies of the bending vibration of the membranes are identical and significantly larger than each other the excitation frequency and each membrane and each adjoining areas connected to the webs the disc 5 swing in phase.
- the gaps have a depth that is minor is greater than a maximum deflection of the column final membranes.
- Such Sound or ultrasonic sensor a smooth surface has and is therefore particularly easy to clean that he a metallic, chemically very stable and mechanically robust, radiation surface that he at Temperatures of up to 150 ° C can be used and that its Polar pattern is adjustable.
- Fig. 1 is an embodiment of a Sound or ultrasonic sensor according to the invention for Sending and / or receiving sound or ultrasound shown.
- This consists of a base body 2, one Radiating element 3 and one between the base body 2 and the radiating element 3 clamped cylindrical Transducer element 1.
- the transducer element 1 leads Thick vibrations in the axial direction and thus stimulates the sound or ultrasonic sensor to axial vibrations.
- the transducer element 1 consists of two annular disk-shaped piezoelectric elements 1a, 1b which are arranged one on top of the other and 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.
- 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
- the transducer element 1 thus constructed has two circular ones End faces 13 and 14. Bordering on the end face 13 the base body 2. This is a cylinder with one 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 in emitted in the opposite direction Sound energy.
- the radiating element 3 adjoins the end face 14. This is a truncated cone-shaped component, e.g. out Aluminum.
- the circular surface of the truncated cone that the has a larger diameter, is from the transducer element 1 turned away and forms a flat front surface 34.
- Das Radiating element 3 points towards the transducer element Side a central axial bore 31 with a Internal thread 311, which is a bit in axial Extends into the truncated cone.
- a clamping device 4 is provided, through which the transducer element 1 in the axial direction, that is perpendicular to its end faces 13, 14, between the base body 2 and the radiating element 3 is clamped.
- the embodiment is the jig 4 Clamping bolt from the side facing away from the converter element forth into the central inner bore 4 of the base body 2 is introduced, the transducer element 1 completely penetrates and into the internal thread 311 of the bore 31 of the Radiating element 3 is screwed so that Transducer element 1 is biased.
- 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 turning the annular disk-shaped gaps 32 out of an initially frustoconical 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.
- the sound or ultrasonic sensor is flush with the front closed by a preferably metallic disc 5, e.g. Made of aluminum or stainless steel, which are firmly attached to the Web 32 connected, esp. Is welded.
- the Exposed segments of the disc 5 thus form a circular or annular disk-shaped membranes 51 on the edge due to the non-positive connection with the webs 32 are clamped.
- the sound or ultrasonic sensor is, for example, in a, not shown in Fig. 1, cylindrical arranged at one end open housing, the between the housing and the sound or ultrasonic sensor existing cavities with an electrically non-conductive Are filled with elastomer.
- the flat front surface 34 of the radiation element 3 is thus by the excitation frequency of the AC voltage in such a way Vibrations offset that the entire front surface 34 almost in-phase deflections with almost the same size Amplitude parallel to the surface normal on the front surface 34 executes.
- the converter element 1 preferably driven with an excitation frequency that corresponds to the resonance frequency of the compound transducer.
- the Length L of the compound transducer in the axial direction corresponds to an integer multiple of half Wavelength to that by weighted averaging determining fictitious wavelength that sound or Ultrasound of the excitation frequency in the composite oscillator having.
- This vibration is mediated by the webs 32 on the Membranes 51 transferred.
- the membranes 51 lead because they on Bending vibrations are firmly connected to the webs 32 at the edge out. Due to these bending vibrations there is one good adaptation of the ultrasonic sensor to air.
- There is an increase in amplitude, i.e. the Vibration amplitude of the membranes 51 is larger than that the webs 32.
- the amplitude increase is maximum if the excitation frequency with the resonance frequency of the respective membrane 51 matches.
- the deflection of the respective membrane 51 is that of them adjacent webs 32 opposite.
- the resonance frequency of the respective membrane 51 is decisive by their mean radius and their Stiffness determined. With equidistant spacing webs of the same width in the radial direction would be the Resonance frequency of the outer membranes 51 consequently lower than that of the inner ones. By reducing the Distance between two adjacent webs 32 in a radial Direction increases the resonance frequency between the Web 51 arranged webs.
- the resonance frequency of all membranes 51 is preferably above the excitation frequency. This will make the appearance excluded from higher order bending waves.
- the radiation pattern of the sound or Ultrasonic sensor is characterized by the distances between the Web 32 in the radial direction, that is, by the vote the resonance frequencies of the bending vibrations of the individual Membranes 51 on top of each other and on the drive frequency, adjustable. The following are two examples of this specified.
- a sound or ultrasonic sensor with a suitable for distance measurement according to the sonar principle Radiation characteristics achieved by the dimensions so be set that the resonant frequency of the circular middle membrane 51 equal to or larger than that Drive frequency is and the resonance frequencies of the others annular disk-shaped membranes 51 are matched so 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 middle Membrane 51 has the lowest resonance frequency.
- the increase in amplitude and thus the radiated Sound energy thus takes along the pane 5 from the inside to the outside.
- the amplitude distribution along one Diagonals of the disc 5 approximately corresponds to one Gaussian curve.
- the sound energy emitted by side lobes is considerably lower than with a pure piston oscillator without webs 32 and without washer 5.
- the radiation is almost in phase achieved all areas of the disc 5 by the Resonance frequencies of the membranes 51 all the same and clearly, e.g. 10%, are greater than the excitation frequency. Then there is almost no phase shift between the Vibration of the individual membranes 51 and to them adjacent with the respective adjacent webs 32 connected areas of the disc 5.
- transducer element 1 does not reverberate.
- the distance between the membranes 51 and Front surface 34 of the radiating element 3, that is the depth of the Column 33, preferably dimensioned so that it is slight is greater than the maximum deflection of column 33 final membranes 51.
- the compression of the in the Columns 33 contained air due to the bending vibrations of the Membranes 51 cause damping through which the Ringing of the senor is significantly reduced.
- a reduction in reverberation is also achieved by placing a damping material 6, e.g. on Foam, is introduced.
- a damping material 6 e.g. on Foam
- Such a foam can For example, be glued to the radiation element 3. Esp. is the formation of a ring in the columns 33 revolving waves through the damping material 6 locked out.
- the sound or ultrasonic sensor is through the preferably metallic disc 5 completed. So that is it can be used at high temperatures up to approx. 150 ° C.
- the Temperature range is only by the temperature range restricted, in which the converter element 1 can be used. By extending the distance between the Transducer element 1 and disc 5 are even larger Temperature ranges attainable. It should be noted here that the length L of the compound transducer in the axial direction integer multiples of half a wavelength, of those to be determined by weighted averaging fictional wavelength, the sound or ultrasound of the Has excitation frequency in the composite oscillator, equivalent.
- the webs 32 and the disk 5 preferably made of metal occur only small temperature-related frequency deviations.
- the sound or ultrasonic sensor is very chemical resistant and mechanically very robust. It is suitable particularly good for applications in the food industry, because the medium-touched disc 5 is flat and therefore good to is clean.
- the invention is not for use in the described sensor is limited, but is rather at all sound or ultrasonic sensors can be used, the one Have radiating element with a flat front surface, the through the converter element 1 due to an excitation frequency is vibrated such that the entire Front surface almost in-phase deflections with almost equally large amplitude parallel to the surface normal of the Execute the front surface.
- Fig. 2 shows a further embodiment for one such sound or ultrasonic sensor.
- Transducer element 1 is only a single disk-shaped one piezoelectric element. With this converter element 1 is also a disk-shaped cover plate 7 same diameter firmly connected.
- the cover plate 7 is as well as the radiation element 3 of the one in FIG. 1 illustrated embodiment to vibrations such stimulated that their entire circular transducer-facing Front surface almost in-phase deflections with almost equally large amplitude parallel to the surface normal of the Front surface.
- the sound or ultrasonic sensor is, for example, in a, not shown in Fig. 2, cylindrical arranged at one end open housing, the between the housing and the sound or ultrasonic sensor existing cavities with an electrically non-conductive Are filled with elastomer.
- FIG. 2 offers compared to that in Fig. 1 illustrated embodiment the advantage that it has a very low height and that a single piezoelectric element is sufficient to the sound or To stimulate ultrasonic transducers.
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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 ultrasonic sensor for sending and / or receiving sound or ultrasound. Ultrasonic sensors are e.g. as a transmitter and / or Receiver for distance measurement based on the sounder principle used, 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 sent by the sound or ultrasonic sensor is reflected on the surface of the product. The Duration of the pulse from the sensor to the surface and back is determined and from this the fill level or the fill height certainly.
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 Industries, e.g. in the food industry, the Water and wastewater industry and in chemistry. Sound or ultrasonic sensors are particularly useful in chemistry of high chemical resistance required which can be used in a wide temperature range. In the food industry is also required to: such sensor preferably flush-mounted and therefore light are to be cleaned.
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 mentioned areas of application it is necessary that the sensors have a radiation characteristic with a small opening angle or a large main sound lobe and have low sonic 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.
- 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 equally large 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 one Radiating element and a basic body. As a converter element serves between the radiating element and the base body clamped piezoelectric element that too Thickness oscillations is excited.
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 radiation characteristic of the sensor is essentially by the diameter of the front surface and the frequency certainly. The sine of the opening angle behaves the emitted sound lobe like the quotient from the Wavelength of the emitted sound or ultrasound wave and the diameter of the front surface of the radiating element. To get a sound beam with a small opening angle, a large diameter must therefore be used. The possible Size of the diameter is limited, however, that the Front surface above a certain diameter additionally executes bending vibrations. The opening angle 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, e.g. Air, and the of the radiating element is very different, is before Radiating element a matching layer made of an elastomer arranged.
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 by using the elastomer matching layer the temperature range in which the sensor can be used, is restricted. For one, elastomers are only one lower temperature range can be used than metals, for others the speed of sound is strong in elastomers temperature dependent. Outside one by the elastomer The adaptation layer is thus a predetermined temperature range 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-Füllstandsmeßgeräten' 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.
- 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 one in comparison the matching layer higher mechanical resistance on and can be used in a wide 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 ones Elements through which the sensor causes axial vibrations is excited. With a suitable choice of This excites the membrane in resonance added.
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 at the center of the Maximum 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 is not arbitrary enlargeable because the membrane is given a given thickness and a given excitation frequency above a certain one Executes higher-order diameter bending waves. This can e.g. by using a stiffer membrane be avoided. Through a more rigid membrane, however the sensitivity of the sound or ultrasonic sensor greatly reduced on receipt.
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.Because the membrane has very high fatigue stresses exposed, it is required a very mechanical high quality material, e.g. Titanium. Such However, 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 Specify ultrasonic sensor that is mechanically robust and is chemically resistant and the one adjustable Radiation characteristics, e.g. with one preferably has a small opening angle.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Schall- oder Ultraschallsensor zum Senden und/oder Empfangen von Schalloder 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 of a sound or Ultrasonic sensor for sending and / or receiving sound or Ultrasound with a radiating element that is flat Has front surface, and with a transducer element, the Transducer element the front surface in such vibrations due to an excitation frequency that the entire Front surface almost in-phase deflections with almost equally large amplitude parallel to the surface normal of the Executes front surface, which is characterized in that concentric webs are arranged on the front surface, that between two adjacent webs concentric gap exists and that a disc, esp. made of metal, the sound or ultrasonic sensor flush with the front completes, which is firmly connected to the webs and the not connected to the webs, serving as membranes Has segments.
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 bending vibrations, their 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 is the resonance frequency of the bending vibration of the
middle circular membrane larger than or equal to
the excitation frequency and the resonance frequencies of the
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 are the resonance frequencies of the bending vibration
of the membranes are identical and significantly larger than each other
the excitation frequency and each membrane and each
adjoining areas connected to the webs
the
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 in the column is a damping material, esp. a foam, introduced.
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 minor is greater than a maximum deflection of the column final membranes.
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 Sound or ultrasonic sensor a smooth surface has and is therefore particularly easy to clean that he a metallic, chemically very stable and mechanically robust, radiation surface that he at Temperatures of up to 150 ° C can be used and that its Polar pattern 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.
- 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.In Fig. 1 is an embodiment of a
Sound or ultrasonic sensor according to the invention for
Sending and / or receiving sound or ultrasound
shown. This consists of a
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
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
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
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, through which
the
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
This special geometry is produced, for example, by turning the annular disk-shaped
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
closed by a preferably
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, for example, in a, not shown in Fig. 1, cylindrical arranged at one end open housing, the between the housing and the sound or ultrasonic sensor existing cavities with an electrically non-conductive Are filled with 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.The
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
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 maximize the amplitude of the vibration of the
To achieve
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.This vibration is mediated by the
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
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. To that
to keep contingent losses low, it is necessary
that the sum of the areas of the
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
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
Vorzugsweise liegt die Resonanzfrequenz aller Membranen 51
oberhalb der Anregungsfrequenz. Dadurch wird das Auftreten
von Biegewellen höherer Ordnung ausgeschlossen.The resonance frequency of all
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 pattern of the sound or
Ultrasonic sensor is characterized by the distances between the
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
suitable for distance measurement according to the sonar principle
Radiation characteristics achieved by the dimensions so
be set that the resonant frequency of the circular
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 takes along the
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, the radiation is almost in phase
achieved all areas of the
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 ultrasonic sensor is used to
Sound or ultrasound pulses of a certain duration
to send out, so make sure that the sound or
Ultrasonic sensor after the end of the excitation by the
If possible,
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
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 reverberation is also achieved
by placing a damping
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 formed by the
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 impinging on the
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 ultrasonic sensor is through the
preferably
Da das Abstrahlelement, die Stege 32 und die Scheibe 5
vorzugsweise aus Metall bestehen treten nur geringe
temperaturbedingte Frequenzabweichungen auf.Since the radiating element, the
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 very chemical
resistant and mechanically very robust. It is suitable
particularly good for applications in the food industry,
because the medium-touched
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 for use in the
described sensor is limited, but is rather at
all sound or ultrasonic sensors can be used, the one
Have radiating element with a flat front surface, the
through the
Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eines derartigen Schall- oder Ultraschallsensor.Fig. 2 shows a further embodiment for one such 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.In the longitudinal section in Fig. 2 only schematically
shown sound or ultrasonic sensor has that
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
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, for example, in a, not shown in Fig. 2, cylindrical arranged at one end open housing, the between the housing and the sound or ultrasonic sensor existing cavities with an electrically non-conductive Are filled with 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 compared to that in Fig. 1 illustrated embodiment the advantage that it has a very low height and that a single piezoelectric element is sufficient to the sound or To stimulate ultrasonic transducers.
Claims (6)
- A sonic or ultrasonic sensor for transmitting and/or receiving sound or ultrasoundwith a radiation element (3) which has a level front face (34), andwith a transformer element (1),the transformer element (1) setting the front face (34) into vibrations on account of an excitation frequency in such a way that the entire front face (34) performs almost in-phase displacements with an amplitude of almost equal magnitude parallel to the line at a right angle to the front face (34),concentric webs (32) are arranged on the front face (34),a concentric gap (33) is present between two adjacent webs (32) in each case, anda disc (5), in particular of metal, terminates the sonic or ultrasonic sensor in alignment with the front, and is connected to the webs (32) in a fixed manner and is provided therebetween with segments which are not connected to the webs (32) and which act as diaphragms (51).
- A device according to Claim 1, characterized in that the diaphragms (51) perform bending vibrations, the resonance frequencies of which are larger than or equal to the excitation frequency.
- A device according to Claim 2, characterized in that the resonance frequency of the bending vibration of the middle diaphragm (51) is larger than or equal to the excitation frequency, and the resonance frequencies of the remaining diaphragms (51) increase outwards from the inside.
- A device according to Claim 1, characterized in that the resonance frequencies of the bending vibrations of the diaphragms (51) are equal amongst themselves and are significantly greater than the excitation frequency, and each diaphragm (51) and the regions of the disc 5 respectively adjoining each diaphragm (51) and connected to the webs (32) vibrate in phase.
- A device according to Claim 1, characterized in that a damping material (6), in particular a foamed material, is introduced into the gaps (33).
- A device according to Claim 1, characterized in that the gaps (33) have a depth which is slightly larger than a maximum displacement of the diaphragms (51) terminating the gaps (33).
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