HU208047B - Ultrasonic converter - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya összetett szerkezetű piezokerámialapkás ultrahang-átalakító, elsősorban távolságmérés céljára. Piezokerámia lapkából (1), illesztőrétegből (2), csillapítórétegből (7) áll, mindezek egy házban (5) vannak elhelyezve. A megoldásra jellemző egy kény- szerrezgő membrán (3), amely a piezokerámia lapka (1) és az illesztőréteg (2) között van, továbbá egy kitámasztó (4), amely az illesztőréteg (2) furatában helyezkedik el. 1. ábra HU 208 047 A leírás terjedelme: 6 oldal (ezen belül 1 lap ábra)

Description

A találmány tárgya összetett szerkezetű piezokerámialapkás ultrahang-átalakító, elsősorban távolságmérés céljára.

Az ultrahang-átalakítókat elterjedten alkalmazzák távolságmérésre különféle rendszerekben és készülékekben, amelyeknek alapelve a következő: Az ultrahang-átalakítót T ideig tartóultrahang-frekvenciás jellel gerjesztik, mint egy hangszórót, ezáltal a céltárgy felé ultrahangot sugároznak ki, ezután a céltárgyról visszaverődő ultrahangot mikrofonnal, általában ugyanazzal az ultrahang-átalakítóval érzékelik. Végül a távolságot az eltelt időből számítják ki. Ez a közismert módszer a következő követelményeket támasztja az ultrahang-átalakítókkal szemben:

Elsősorban legyen az ultrahang-átalakító jó hatásfokú, azaz a visszhang által keltett feszültségnek és a meghajtó feszültségnek a hányadosa nagy legyen. A hatásfok növelésének egyik módszere az, hogy a kisugárzás és a vétel iránykarakterisztikájának kúpszögét a kisugárzó felület növelésével igyekszünk csökkenteni. Ennek az ár növekedése szab határt. A hatásfok növelésének másik módszere a piezokerámia lapka - amelyet ultrahang-átalakítóként használunk - és az ultrahang terjedésének közege - általában levegő, vagy víz közötti akusztikus illesztés javítása. Közismert szabály, hogy két - egymástól síkfelülettel elhatárolt - eltérő hullámimpedanciájú közeg egymáshoz illeszthető egy harmadik - közéjük helyezett - közeggel, amelynek rétegvastagsága negyed hullámhossznyi, vagy annak páratlan számú többszöröse. Az szükséges az illesztéshez, hogy az illesztőréteg anyagának hullámimpedanciája a szomszédos közegek hullámimpedanciáinak mértani közepe legyen.

ΖΗΖρΧΖ,Γ (i.) azaz pixcHPpXCpXppccif² (II.) ahol Z a hullámimpedancia, p a sűrűség, c a hangsebesség, a p index az egyik közegre, esetünkben a piezokerámia lapkára, az 1 index a másik közegre, itt a levegőre, végül az i index az illesztőközegre utal.

Másik követelmény az ultrahang-átalakítóval szemben, hogy legyen nagy belső csillapítása azért, hogy a kibocsátott ultrahang impulzust ne kövesse utórezgés. A távolságmérés tartományának alsó határát egyrészt a kisugárzott jelsorozat T hossza, másrészt az utórezgéseknek az időtartama határozza meg. A T időtartam nem csökkenthető korlátlanul, mert idő szükséges ahhoz, hogy a hangsugárzó - mint mechanikai rezgő rendszer - működésbe jöjjön, és maximális energiával sugározzon. Az utórezgések csökkentésére viszont számos megoldás született. Az itt ismertetett követelményeket a következő, példaként bemutatott szerkezeti megoldással igyekeznek kielégíteni az ultrahang-átalakító konstrukcióknál:

Az ultrahang-átalakítót egy piezokerámia lapka köré építik fel. A piezokerámia lapka elé (a sugárzás irányában) v₂ vastagságú, p₂ sűrűségű és c₂ hangsebességű anyagból készült illesztőréteget alkalmaznak. Az illesztőréteg anyaga általában poliésztergyanta, amelybe nagy szilárdságú könnyű szemcsés töltőanyagot kevernek, így valósítják meg a II. egyenlet szerinti követelményeket. Az illesztőrétegnek a piezokerámia lapkával ellentétes homloklapja egy műanyag fazék alakú ház fenéklapjára fekszik fel, amely külső membránként szolgál. Egyes megoldásoknál magának az illesztőrétegnek a piezokerámia lapkával ellentétes homloklapja szolgál külső membránként. A piezokerámia lapka mögé (a sugárzással ellentétes irányban) csillapító réteget alkalmaznak. E réteg anyagának nagy a belső akusztikus csillapítása, ez az anyag például nagy fajsúlyú fém adalékot, ólomgolyókat tartalmazó szilikongumi vagy poliuretán gyanta. Az elrendezések hengerszimmetrikusak, az elemek egymáshoz csatlakozó felületei kör alakúak. A piezokerámia-lapka két homlokfelületén fémelektródák szolgálnak a villamos hozzávezetés és elvezetés céljára. Az illesztőréteg (d^ átmérője általában nagyobb a piezokerámia lapka (dj) átmérőjénél, ennek célja a fókuszálás javítása, azaz a kisugárzási- és vételi iránykarakterisztika kúpszögének csökkentése. Ilyen megoldások ismerhetők meg a HU 194397 és az US 4131018 lajstromszámú szabadalmi leírásokból.

A fókuszálás javítása, azaz az iránykarakterisztika kúpszögének csökkentése céljából alkalmazott megoldás az úgynevezett terhelőgyűrű alkalmazása. Ez a terhelőgyűrű alumíniumból készül és az illesztőrétegnek a hátoldali, a piezokerámia lapkán túlnyúló felületére van felragasztva, tehát körülveszi a piezokerámia lapkát. Ilyen megoldást ismertet a DE P 3301848 lajstromszámú szabadalmi leírás.

Az itt ismertetett megoldások nem hoztak elegendő hatásfok javulását és nem csökkentették elegendő mértékben a lecsengési időt, így bonyolultságuk, technológiai költségességük nincs arányban eredményességükkel.

A találmány célja egy olyan összetett szerkezetű piezokerámia lapkás ultrahang-átalakító kialakítása, amelynél a piezokerámia lapka az ismert megoldásoknál jobb hatásfokkal adja át az energiát az illesztőrétegen keresztül a besugárzott térnek, iránykarakterisztikája kis kúpszögű, a lecsengési idő kisebb az ismert megoldásokhoz képest. Mindezek mellett ne legyen számottevően drágább az ismert megoldásoknál és stabil felépítésű legyen.

A találmány alapgondolatának két eleme van. Egyrészt a találmány azon a felismerésen alapszik, hogy az előző célkitűzésekkel jellemzett ultrahang-átalakító megvalósítható egy kényszerrezgő membrán alkalmazásával. Ez a piezokerámia lapka és az illesztőréteg közé van elhelyezve, (d₃) átmérője pedig közeláll az illesztőréteg (d₂) átmérőjéhez, amely viszont legalább kétszerese a piezokerámia lapka (d^ átmérőjének.

A kényszemezgető membrán a piezokerámia lapka frekvenciájával megegyező frekvenciájú rezgést végez. Másrészt hozzátartozik a találmány alapgondolatához az, hogy a kényszerrezgő membránt (és azon keresztül a piezokerámia lapkát) a középső részén megtámasztjuk egy kitámasztóval. Ez nagy csillapítású anyagból készül, az illesztőréteg furatában van elhelyezve és a

HU 208 047 Β külső membránra támaszkodik. A találmány alapgondolatát képező felismerés tehát az, hogy a kényszerrezgő membrán és a kitámasztó együttes alkalmazása a hatásfokot lényegesen növeli és a lecsengési időt csökkenti.

A találmány tehát egy olyan összetett szerkezetű piezokerámia lapkás ultrahang-átalakító, amely célszerűen hengerszimmetrikus elrendezésű. Egy (dj) átmérőjű piezokerámia lapkából, ettől a sugárzás irányában elhelyezett (d^) átmérőjű illesztőrétegből (d₂>2xdj), külső membránból, továbbá a sugárzással ellentétes irányban lévő csillapítórétegből áll. Mindezek egy házban vannak elhelyezve. Ezeken kívül a találmány szerinti megoldás jellemző módon a piezokerámia-lapka és az illesztőréteg között kényszerrezgő membránt tartalmaz, amelynek (d₃₎ átmérője közeláll az illesztőréteg (d₂) átmérőjéhez. A megoldásra ugyancsak jellemző egy kitámasztó, amely az illesztőréteg tengelyében lévő furatban van elhelyezve, hasáb alakú, célszerűen henger alakú, egyik homloklapjával a kényszerrezgő membránra, másik homloklapjával a külső membránra támaszkodik. A kitámasztó nagy belső csillapítású anyagból készül.

A találmányt részletesen az 1. ábra alapján ismertetjük, ahol az ábra a találmány szerinti átalakító hengerszimmetrikus kiviteli alakját keresztmetszetben mutatja.

Az (1) piezokerámia-lapka átmérője d_rgyel van jelölve az ábrán, bár a lapka nem szükségszerűen kör alakú. A mai technológiai ismereteink szerint nagyon előnytelen volna más, pl. négyzet vagy téglalap alakú piezokerámia lapkát gyártani, de ez a találmány szempontjából közömbös. Nem kör alakú lapka esetén a (dj) átlóméretet jelentene és hasonló meggondolás érvényes az elrendezés többi, az ábrán d-vel jelölt méretű, de nem szükségszerűen kör metszetű hengerszimmetrikus elemére. Az elrendezés elemei az (5) házba vannak beépítve, amely fazék alakú és az ábra szerint a fenéklapja van (6) külső membránként kiképezve (vékonyítva). Kialakítható a találmány szerinti átalakító oly módon is, hogy az (5) ház a kisugárzás irányban nyitott önmagában, a (2) illesztőréteget egy különálló (6) külső membrán határolja el a külső tértől és a (6) külső membrán fel van szerelve, ragasztva az (5) házra. Végül, ha (2) illesztőréteg anyaga nem kíván védelmet, a (6) külső membrán el is hagyható. A (2) illesztőréteg vastagságát (v₂) méretét a negyed hullámhossz páratlan számú többszörösére kell választani, anyagi állandóit a (II) egyenlet szerint kell méretezni. Ennek alapja az a követelmény, hogy a (2) illesztőréteg képezzen hullámimpedancia illesztést a külső tér anyaga, pl. a levegő felé. Ha a (2) illesztőréteg külső felületén attól eltérő anyagú (6) külső membrán van, akkor azt is illeszteni kell. A (2) illesztőréteg anyaga általában műanyag, például poliésztergyanta, amely nagy szilárdságú, könnyű aprószemcsés anyagot tartalmaz adalékként. A (3) kényszerrezgő membrán (d₃) átmérője közel áll - 10...20%-on belül azonos - a (2) illesztőréteg (d₂) átmérőjéhez. Ez utóbbi viszont legalább kétszerese az (1) piezokerámialapka (d,) átmérőjének. A (3) kényszerrezgő membrán szilárd rugalmas anyagból, fémből, például alumíniumból készül. A (3) kényszerrezgő membrán úgy van méretezve, hogy önfrekvenciája eltér az (1) piezokerámia-lapka önfrekvenciájától, kényszerrezgést végez, kialakulnak rajta a kényszerrezgő lemezek közismert, a Bessel- függvények segítségével meghatározható csomóvonalai. A (4) kitámasztó a (2) illesztőréteg középvonalában, tengelyében van, henger alakú vagy hasáb alakú, egyik homloklapjával a (3) kényszerrezgő membránra, másik homloklapjával a (6) külső membránra támaszkodik. Méreteit tapasztalataink szerint úgy célszerű megválasztani, hogy (d₄) átmérője a magasságának - azaz a (2) illesztőréteg (v^ vastagságának - kétszerese legyen. Nagy akusztikus csillapítású anyagból, például poliuretán habanyagból vagy szilikongumiból készül, amelybe nehézfém adalékot, például kis méretű ólomgolyókat kevernek. Attól függően, hogy a (6) külső membrán az (5) ház fenéklapjának vékonyításával van-e kialakítva, vagy önálló szerkezeti elemet képez, eltérő lehet a (4) kitámasztó és a (2) illesztőréteg elkészítési módja, és így szerkezete is. Például megtervezhető olyan kiviteli alak is, amelynél a (2) illesztőréteget és a (4) kitámasztót vékonyfalú öntési sablon választja el egymástól, amely bent marad. Az (1) piezokerámia-lapka mögötti teret a (7) csillapítóréteg tölti ki az (5) házban. Ez nagy akusztikus csillapítású anyagból készül, amely célszerűen megegyezik a (4) kitámasztó anyagával. A (7) csillapítórétegnek a formai kialakítása és az (5) házban való elhelyezése a találmány szempontjából közömbös. Ugyancsak közömbös az (1) piezokerámia-lapka elektromos hozzávezetésének és elvezetésének a megoldása is.

A találmány szerinti megoldású piezokerámia-lapkás ultrahang-átalakító úgy működik, hogy az (1) piezokerámia-lapka a rávezetett elektromos ultrahangfrekvenciás jel hatására saját önfrekvenciáján rezgésbe jön, ugyanezen a frekvencián rezgésbe hozza a (3) kényszerrezgő membránt. A (2) illesztőréteg közepén elhelyezett (4) kitámasztó csillapítója az egész elrendezés középső tartományainak rezgését.

Méréseink szerint a piezokerámia-lapkás ultrahangátalakítónál a találmány szerinti (3) kényszerrezgő membrán és a (4) kitámasztó együttes alkalmazása azzal az előnnyel jár, hogy a hatásfok mintegy kétszeresére nő meg, emellett a lecsengési idő csökken. Ez a mérési tartománynak a kiterjesztését teszi lehetővé. Mindezek az előnyök változatlan méretű ultrahang-átalakítónál, számottevő költségnövekedés nélkül érvényesülnek. A találmány szerinti kialakítású átalakító stabil, jól gyártható, azonos műszaki paraméterekkel reprodukálható.

Claims (3)

1. Összetett szerkezetű piezokerámia-lapkás ultrahang-átalakító, elsősorban távolságmérés céljára, amely célszerűen hengerszimmetrikus elrendezésű, (d[) átmérőjű piezokerámia-lapkákból, a sugárzás irányában lévő (d₂) átmérőjű illesztőrétegből és esetlegesen külső membránból, a sugárzással ellentétes irányban pedig csillapítórétegből áll, mindezek egy házban

HU 208 047 Β vannak befoglalva, az illesztőréteg (d₂) átmérője több mint kétszerese a piezokerámia-lapka (d_x) átmérőjének, azzal jellemezve, hogy a piezokerámia-lapka (1) és az illesztőréteg (2) között rugalmas, szilárd anyagú kényszerrezgő membrán (3) van, amelynek (d₃) átmé- 5 rője közel áll az illesztőréteg (2) (d₂) átmérőjéhez, továbbá az illesztőréteg (2) tengelyében lévő furatban hasáb alakú, célszerűen henger alakú kitámasztó (4) van, amely egyik homloklapjával a kényszerrezgő membránra (3), másik homloklapjával a külső memb- 10 ránra (6) támaszkodik és nagy belső csillapítású anyagból készül.

2. Az 1. igénypont szerinti ultrahang-átalakító, azzal jellemezve, hogy a csillapítórétegnek (7) és a kitámasztónak (4) az anyaga szilikongumi, az illesztőrétegnek (2) az anyaga poliésztergyanta, amely szemcsés szerkezetű nagy szilárdságú töltőanyaggal van elkeverve, a kényszerrezgő membrán (3) anyaga pedig alumíniumlemez.

3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti ultrahang-átalakító, azzal jellemezve, hogy a kitámasztó (4) anyagában töltőanyagként ólompor van elkeverve.