HU216670B - Hang- vagy ultrahang-érzékelő hang- vagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére - Google Patents
Hang- vagy ultrahang-érzékelő hang- vagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére Download PDFInfo
- Publication number
- HU216670B HU216670B HU9700904A HUP9700904A HU216670B HU 216670 B HU216670 B HU 216670B HU 9700904 A HU9700904 A HU 9700904A HU P9700904 A HUP9700904 A HU P9700904A HU 216670 B HU216670 B HU 216670B
- Authority
- HU
- Hungary
- Prior art keywords
- sound
- ultrasonic sensor
- disc
- ultrasonic
- transducer
- Prior art date
Links
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 title description 14
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 10
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 45
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 9
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 9
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 5
- 239000006261 foam material Substances 0.000 claims description 4
- 239000010985 leather Substances 0.000 abstract 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 abstract 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 7
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 6
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 230000003670 easy-to-clean Effects 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002463 transducing effect Effects 0.000 description 2
- 206010037660 Pyrexia Diseases 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 210000000887 face Anatomy 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 210000001061 forehead Anatomy 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
- B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
- B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
- B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
- B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
- B06B1/0607—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements
- B06B1/0611—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using multiple elements in a pile
- 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
- G10K13/00—Cones, diaphragms, or the like, for emitting or receiving sound in general
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)
- Thermotherapy And Cooling Therapy Devices (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
A találmány tárgya hang- vagy űltrahang-érzékelő hang- vagyűltrahanghűllámők leadására és/vagy vételére, amely síkhőmlőkfelülettel (34) ellátőtt sűgárzóelemet (3), valamint átalakítóele et (1) tartalmaz, ahől az átalakító elem (1) a hőmlőkfelületet(34) gerjesztőfrekvencia alapján rezgésbe hőzó, és így a teljeshőmlőkfelület megközelítően azőnős amplitúdójú, megközelítően azőnősfáz sú, a hőmlőkfelület (34) felületi nőrmálisával párhűzamőskilengéseit őkőzó átalakító elem. A találmány szerint ahőmlőkfelületen (34) kőncentrikűs bőrdák (32) vannak elrendezve, ahőlkét, egymással zőmszédős bőrda (32) között mindenkőr egy-egykőncentrikűs rés (33) helyezkedik el, tővábbá egy tárcsa (5),különösen fémből való tárcsa a hang- vagy űltrahang-érzékelőthőmlőksíkban lezáróan van elr ndezve, amely tárcsa (5) a bőrdákkal(32) szilárdan össze van kötve, és amely a bőrdákkal (32) nemösszekötött, membránként (51) szőlgáló szegmenseket képez. ŕ
Description
A találmány tárgya hang- vagy ultrahang-érzékelő hangvagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére, amely sík homlokfelülettel ellátott sugárzóelemet, valamint átalakító elemet tartalmaz, ahol az átalakító elem a homlokfelületet gerjesztőfrekvencia alapján rezgésbe hozó, és így a teljes homlokfelület megközelítően azonos amplitúdójú, megközelítően azonos fázisú, a homlokfelület felületi normálisával párhuzamos kilengéseit okozó átalakító elem.
Az ultrahang-érzékelőket például sugárzóként és/vagy vevőként reflekciós mélységméréshez alkalmazzák, különösen tartályban lévő töltet töltési szintjének mérésére, vagy töltési magasság mérésére, például csapolócsatomában vagy szállítószalagon.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő által leadott impulzus a töltőanyag felületéről visszaverődik. Az impulzus érzékelőtől a felületig és vissza történő haladásának futásidejét határozzák meg, és ennek alapján határozzák meg a töltési szintet, illetve a töltési magasságot.
Az ilyen jellegű hang- vagy ultrahang-érzékelőket az ipar számos területén, például az élelmiszeriparban, a vízzel és szennyvízzel foglalkozó iparban és a vegyiparban alkalmazzák. Különösen a vegyiparban van szükség az olyan hang- vagy ultrahang-érzékelőkre, amelyek nagy vegyszerállósággal rendelkeznek, és amelyek tág hőmérséklet-tartományban alkalmazhatók. Az élelmiszeriparban ezenkívül követelmény, hogy az ilyen érzékelők előnyösen sík homlokfelülettel rendelkezzenek, és így könnyebben tisztíthatok legyenek.
Az összes említett alkalmazási területen szükség van arra, hogy az érzékelők sugárzási karakterisztikája kis nyílásszöggel, illetve nagy főirányú hanghullámnyalábbal és kis mellékirányú hanghullámnyalábbal rendelkezzen.
A DE OS 2906704 számú közzétételi irat hangvagy ultrahanghullámok kisugárzására és/vagy vételére olyan hang- vagy ultrahang-érzékelőt ismertet, amelynek sík homlokfelülettel ellátott sugárzóeleme, valamint érzékelőeleme van, és amelynél az érzékelőelem a homlokfelületet oly módon hozza rezgésbe, hogy a teljes homlokfelület megközelítően azonos fázisú, megközelítően azonos amplitúdójú, a homlokfelület felületi normálisával párhuzamos lengéseket végez.
Az érzékelő kúp alakú, fémes sugárzóelemmel és alaptesttel van ellátva. Átalakító elemként a sugárzóelem és az alaptest közé befogott piezoelektromos elem szolgál, amelyben vastagsági rezgéseket gerjesztenek.
Az érzékelő sugárzási karakterisztikáját lényegében a homlokfelület átmérője és a frekvencia határozza meg. Ebben az esetben a kisugárzott hangnyaláb nyílásszögének szinusza úgy alakul, mint a kisugárzott hangvagy ultrahanghullám hullámhosszából és a sugárzóelem homlokfelületének átmérőjéből képzett hányados. Annak érdekében, hogy kis nyílásszögű hangnyalábot érjenek el, nagy átmérőt kell alkalmazni. Az átmérő választható méretét viszont korlátozza, hogy a homlokfelület egy meghatározott átmérő fölött járulékos hajlítási rezgéseket végez. Ebből következően a hangnyaláb nyilásszöge mindenkor egy minimális mérettel rendelkezik.
Mivel azon közeg akusztikai impedanciája, amely közegbe a hanghullámot vagy ultrahanghullámot kell sugározni, például levegő, és a sugárzóelem akusztikai impedanciája egymástól erősen eltér, a sugárzóelem elé elasztomerből készült illesztőréteg van elrendezve. Az ilyen kialakítású hang- vagy ultrahang-érzékelő hátránya, hogy az elasztomerből készült illesztőréteg alkalmazása miatt azon hőmérséklet-tartomány korlátozott, amelyben az érzékelő alkalmazható. Egyrészt az elasztomerek kisebb hőmérséklet-tartományban alkalmazhatók, mint a fémek, másrészt pedig az elasztomereken belüli hangsebesség erősen hőmérsékletfüggő. Az elasztomer által meghatározott hőmérséklet-tartományon kívül így tehát az illesztőréteg hatástalan.
A Technisches Messen című folyóiratban (51. évfolyam, 1984, 9. füzet, a 313 - 317. oldalakon, különösen a 314. oldalon) az „Ultrahangtöltésiszint-mérő készülékekben történő mértérték-feldolgozás” cím alatt megjelent cikkben olyan nagy teljesítményű hangérzékelőt ismertetnek, amely két fémhengerrel, egy, a két fémhenger közé befogott átalakító elemmel és egy, a fémhengerek egyikére rácsavart, membránként kiképzett, titánból készült fedéllel van ellátva.
A fémből készült sugárzóelem az illesztőréteggel összehasonlítva nagyobb mechanikai tartóssággal rendelkezik, és nagyobb hőmérséklet-tartományban alkalmazható.
Az átalakító elem két piezoelektromos elemből áll, amelyeknek segítségével az érzékelőben axiális rezgéseket gerjesztenek. A gerjesztő frekvenciák megfelelő kiválasztásával a membrán rezonanciába hozható.
A membrán rezgésének amplitúdója a membrán középpontjában maximális, és pereme felé csökken.
A membrán átmérője viszont nem növelhető tetszőlegesen, mivel a membrán meghatározott vastagság és meghatározott gerjesztőfrekvencia esetén egy meghatározott átmérő fölött magasabb rendű hajlítási rezgéseket végez. Ez például merevebb membrán alkalmazásával megakadályozható. A merevebb membrán viszont a hang- vagy ultrahang-érzékelőnek a vétel során mérhető érzékenységét erősen csökkenti.
Mivel a membrán jelentős lengő-fárasztó igénybevételnek van kitéve, szükség van arra, hogy mechanikailag nagyon értékes anyagot, például titánt alkalmazzanak. Az ilyen anyagok viszont meglehetősen költségesek.
A találmány révén megoldandó feladat, hogy olyan hang- vagy ultrahang-érzékelőt hozzunk létre, amely mechanikailag robusztus és kémiailag ellenálló, és amely beállítható sugárzási karakterisztikával, például előnyösen kis nyílásszögű sugárzási karakterisztikával jellemezhető.
A feladat megoldására hang- vagy ultrahanghullámok sugárzására és/vagy vételére olyan hang- vagy ultrahang-érzékelőt hoztunk létre, amely sík homlokfelülettel ellátott sugárzóelemet, valamint átalakító elemet tartalmaz, ahol az átalakító elem a homlokfelületet gerjesztő frekvencia alapján rezgésbe hozó, és így a teljes homlokfelület megközelítően azonos amplitúdójú, megközelítően azonos fázisú, a homlokfelület felületi normálisával párhuzamos kilengéseit okozó átalakító elem,
HU 216 670 Β ahol a találmány szerint a homlokfelületen koncentrikus bordák vannak elrendezve, ahol két, egymással szomszédos borda között mindenkor egy-egy koncentrikus rés helyezkedik el, továbbá egy tárcsa, különösen fémből való tárcsa a hang- vagy ultrahang-érzékelőt homloksíkban lezáróan van elrendezve, amely tárcsa a bordákkal szilárdan össze van kötve, és amely a bordákkal nem összekötött, membránként szolgáló szegmenseket képez.
A találmány egy előnyös kiviteli példája szerint a membránok olyan hajlítási rezgéseket végeznek, amelyeknek rezonanciafrekvenciája a gerjesztőfrekvenciánál nagyobb vagy vele azonos.
A találmánynak egy további előnyös kiviteli alakja szerint a középső membrán hajlítási rezgésének rezonanciafrekvenciája a gerjesztőfrekvenciánál nagyobb vagy vele egyenlő, míg a többi membrán - belülről kifelé haladva - növekvő rezonanciafrekvenciákkal rendelkezik.
Előnyös az olyan kiviteli alak is, amelynél a membránok hajlítási rezgéseinek rezonanciafrekvenciái egymással azonosak és egyértelműen nagyobbak, mint a geijesztőfrekvenciák, ahol továbbá minden egyes membrán és a tárcsának a mindenkor hozzá csatlakozó, a bordákkal összekapcsolt tartományai által végzett rezgések azonos fázisúak.
Célszerű az olyan kialakítás is, amelynél a résbe csillapítóanyag, különösen habanyag van behelyezve.
Előnyös továbbá, ha a rések a réseket lezáró membránok maximális kilengésénél kis mértékben nagyobb mélységgel vannak kiképezve.
A találmány előnye, hogy az így kialakított hangvagy ultrahang-érzékelő sima felülettel rendelkezik, és így különösen könnyen tisztítható, továbbá fémes, tehát vegyileg ellenálló és mechanikailag robusztus sugárzó felülettel rendelkezik, továbbá, hogy 150 °C-ig terjedő hőmérsékleteknél alkalmazható, és iránykarakterisztikája beállítható.
A találmányt az alábbiakban két előnyös kiviteli példa kapcsán, a további előnyök ismertetésével, a rajzra való hivatkozással részletesebben is ismertetjük, ahol az azonos elemeket az ábrákon azonos hivatkozási jelekkel láttuk el. A rajzon az
1. ábrán egy találmány szerinti hang- vagy ultrahang-érzékelő hosszmetszete, a
2. ábrán egy másik kivitelű hang- vagy ultrahangérzékelő hosszmetszete látható.
Az 1. ábrán hang- vagy ultrahanghullámok sugárzására és/vagy vételére szolgáló, találmány szerinti hangvagy ultrahang-érzékelőnek egy előnyös kiviteli példája látható. Ezen hang- vagy ultrahang-érzékelő 2 alaptestből, 3 sugárzóelemből, valamint hengeres 1 átalakító elemből áll, amely 1 átalakító elem a 2 alaptest és a 3 sugárzóelem közé van befogva. Az 1 átalakító elem vastagsági rezgéseket végez axiális irányban, és ezáltal a hang- vagy ultrahang-érzékelőben axiális rezgéseket gerjeszt.
Az 1. ábrán bemutatott kiviteli példa esetén az 1 átalakító elem két egymásra helyezett, gyűrűs tárcsa alakú, piezoelektromos la, lb elemből áll, amelyek egymással ellentétes, nyilakkal jelképesen jelölt axiális irányú polarizációval rendelkeznek. A két piezoelektromos la, lb elem között egy, a két la, lb elemhez társított, közös gyűrűs tárcsa alakú 11 elektród van elrendezve. Az la, lb elemek mindegyike a közös 11 elektróddal ellentétes oldalán egy további, szintén gyűrűs tárcsa alakú 12a, 12b ellenelektróddal van ellátva. A 11 elektród és a két 12a, 12b ellenelektród nem ábrázolt összekötő vezetékeken keresztül egy szintén nem ábrázolt váltakozófeszültség-forrással van összekötve. Ebben az esetben a 12a, 12b ellenelektródok azonos U1 potenciálon, míg all elektród az U1 potenciálhoz képest 180°-kal fázisban eltolt U2 potenciálon van.
Az így felépített 1 átalakító elem két kör alakú 13, 14 homlokfelülettel rendelkezik. A 13 homlokfelülettel határos a 2 alaptest. A 2 alaptest egy henger, központi axiális átmenő 21 belső furattal. A 2 alaptest nagy sűrűségű anyagból, például acélból van, és a 3 sugárzóelemmel ellentétes irányba leadott hangenergia csökkenését biztosítja.
A 14 homlokfelülettel határos a 3 sugárzóelem. A 3 sugárzóelem csonkakúp alakú elem, például alumíniumból. A csonkakúpnak a nagyobb átmérőjű körfelülete az 1 átalakító elemmel ellentétes oldalon helyezkedik el, és sík 34 homlokfelületet képez. A 3 sugárzóelem az 1 átalakító elem felé eső oldalon 311 belső menettel ellátott, központi axiális 31 furattal van ellátva, amely tengelyirányban a csonkakúpba benyúlik.
Az 1 átalakító elem tengelyirányban, tehát 13, 14 homlokfelületeire merőleges irányban 4 befogóeszköz segítségével a 2 alaptest és a 3 sugárzóelem közé van befogva. Ezen kiviteli példa esetén a 4 befogóeszköz egy feszítőcsap, amely az 1 átalakító elemmel ellentétes oldalról a 2 alaptest központi 21 belső furatába van bevezetve, és amely az 1 átalakító elemen teljes mértékben áthaladva a 3 sugárzóelem 31 furatának 311 belső menetébe van becsavarva, ezáltal az 1 átalakító elem elő van feszítve.
A 3 sugárzóelemnek az 1 átalakító elemmel ellentétes 34 homlokfelületén koncentrikus gyűrű alakú 32 bordák vannak elrendezve. Mindenkor két, egymással szomszédos 32 borda között egy-egy gyűrűs tárcsa alakú 33 rés keletkezik. Ezen speciális geometriát úgy hozzuk létre, hogy például egy kiindulási állapotban csonkakúp alakú 3 sugárzóelemből a gyűrűs tárcsa alakú 33 réseket kiesztergáljuk. Mivel a 3 sugárzóelem előnyösen fémből, különösen alumíniumból van előállítva, ez az előállítási eljárás költségek vonatkozásában rendkívül előnyös és egyszerű.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő homloka síkban van lezárva egy előnyösen fémes 5 tárcsa segítségével, amely például alumíniumból vagy nemesacélból készül, és amely a 32 bordákkal szilárdan össze van kötve, előnyösen össze van hegesztve. Az 5 tárcsa szabadon fekvő szegmensei így kör, illetve gyűrűs tárcsa alakú 51 membránokat képeznek, amelyek peremeiken a 32 bordákkal létrehozott erőzáró kapcsolat révén szilárdan be vannak fogva.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő például egy, az 1. ábrán nem bemutatott hengeres, egyik végén nyitott
HU 216 670 Β házban van elrendezve, ahol a ház és a hang- vagy ultrahang-érzékelő között lévő üregek villamosán nem vezető elasztomerrel vannak kitöltve.
Sugárzási üzemben a 11 elektródra és a 12a, 12b ellenelektródokra kapcsolt váltakozó feszültség a piezoelektromos la, lb elemeket vastagsági rezgésbe hozzák. Mivel az 1 átalakító elem a 4 befogóeszközön keresztül a 2 alaptesttel és a 3 sugárzóelemmel szilárdan össze van kötve, az 1 átalakító elemből, 2 alaptestből és 3 sugárzóelemből álló összetett rezgőrendszer axiális irányban rezeg.
A 3 sugárzóelem sík 34 homlokfelülete így a váltakozó feszültség gerjesztőfrekvenciája révén oly módon kerül rezgésbe, hogy a teljes 34 homlokfelület megközelítően azonos fázisú, megközelítően azonos amplitúdójú, a 34 homlokfelület felületi normálisával párhuzamos lengéseket hajt végre.
Annak érdekében, hogy a 34 homlokfelület minél nagyobb amplitúdóval rezegjen, az 1 átalakító elemet előnyösen olyan gerjesztőfrekvenciával gerjesztjük, amely az összetett rezgőrendszer rezonanciafrekvenciájának felel meg. Az összetett rezgőrendszer axiális irányban mért hossza ebben az esetben egy fél hullámhossz egész számú többszörösének felel meg, annak a súlyozott átlagolással megállapítandó fiktív hullámhossznak, amellyel az összetett rezgőrendszerben a gerjesztőfrekvenciájú hang- vagy ultrahanghullámok rendelkeznek.
Ezen rezgés a 32 bordák révén közvetítve az 51 membránokra kerül átvitelre. Ezen 51 membránokban, mivel a 32 bordákkal a peremen szilárdan össze vannak kötve, hajlítási rezgéseket geijesztünk. Ezen hajlítási rezgések révén biztosítva van az ultrahang-érzékelőnek a levegőhöz való megfelelő illeszkedése. Amplitúdó-túlnövekedés akkor lép fel, ha az 51 membránok rezgési amplitúdója nagyobb, mint a 32 bordáké. Az amplitúdó-túlnövekedés maximális, ha a geijesztőfrekvencia a mindenkori 51 membrán rezonanciafrekvenciájával megegyezik. Ebben az esetben a mindenkori 51 membrán hajlítási rezgése a gerjesztőfrekvenciához képest 180°-os fáziseltolással jellemezhető. A mindenkori 51 membrán kilengése a vele határos 32 borda kilengésével ellentétes.
Ebben az esetben a mindenkori 51 membrán és az 5 tárcsának a vele szomszédos 32 bordákkal szilárdan összekötött két felülete ellentétes fázisú hanghullámokat sugároznak.
Destruktív interferencia lép fel. Annak érdekében, hogy az ezáltal létrejött veszteségeket kis mértéken tartsuk, szükség van arra, hogy az 51 membránok felületeinek összege az 5 tárcsának a 32 bordákkal szilárdan öszszekötött felületei összegével szemben nagy legyen.
Minél nagyobb mértékben van a mindenkori 51 membrán rezonanciafrekvenciája a gerjesztőfrekvencia fölött, annál kisebb az ismertetett fáziseltolás. Ezzel egyidejűleg viszont csökken az amplitúdó-túlnövekedés, és ezáltal a mindenkori 51 membrán által leadott hangteljesítmény is.
A mindenkori 51 membrán rezonanciafrekvenciáját döntően annak közepes sugara és merevsége határozza meg. Azonos szélességű 32 bordák közötti, sugárirányban mért azonos távolságok esetén a külső 51 membránok rezonanciafrekvenciája tehát kisebb lenne, mint a belső 51 membránoké. Két szomszédos 32 borda közötti, sugárirányban mért távolság csökkenésével a 32 bordák között elrendezett 51 membrán rezonanciafrekvenciája növekszik.
Előnyös, ha az összes 51 membrán rezonanciafrekvenciája nagyobb, mint a gerjesztőfrekvencia. Ezáltal a magasabb rendű hajlítási hullámok keletkezését kizárjuk.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő sugárzási karakterisztikája a 32 bordák közötti, sugárirányban mért távolságok révén, tehát az egyes 51 membránok hajlítási rezgéseire jellemző rezonanciafrekvenciák egymáshoz és a gerjesztőfrekvenciához való illesztésével beállítható. Az alábbiakban erre két példát ismertetünk részletesebben.
A reflexiós távolságmérésre alkalmas sugárzási karakterisztikával rendelkező hang- vagy ultrahang-érzékelőt úgy hozzuk létre, hogy a méreteket oly módon választjuk meg, hogy a kör alakú középső 51 membrán rezonanciafrekvenciája a geijesztőfrekvenciával azonos vagy nála nagyobb, és a többi gyűrűs tárcsa alakú 51 membránok rezonanciafrekvenciái úgy vannak beállítva, hogy a kisebb külső sugárral rendelkező 51 membrán kisebb rezonanciafrekvenciával rendelkezzen, mint a nagyobb külső sugárral rendelkező 51 membrán. A kör alakú középső 51 membrán rezonanciafrekvenciája a legkisebb.
így tehát az amplitúdó-túlnövekedés és ezáltal a leadott hangenergia az 5 tárcsa mentén - belülről kifelé haladva - csökken. Az 5 tárcsa átlója mentén mérhető amplitúdó-eloszlás megközelítően Gauss-görbének felel meg. A mellékirányú sugárnyalábok által leadott hangenergia lényegesen kisebb, mint egy dugattyús rezgőeszköznél, amely nem rendelkezik bordákkal és tárcsával.
Az 5 tárcsa összes tartományának megközelítően azonos fázisú sugárzását azzal érhetjük el, hogy az 51 membránok rezonanciafrekvenciái azonosak és egyértelműen nagyobbak - például 10%-kal -, mint a gerjesztőfrekvencia. Ebben az esetben az egyes 51 membránok rezgései és az 5 tárcsa velük szomszédos és a mindenkori határos 32 bordákkal összekötött tartományainak rezgései között lényegében fáziseltolódás nem jön létre.
Amennyiben a hang- vagy ultrahang-érzékelőt arra alkalmazzuk, hogy meghatározott időtartamú hangvagy ultrahangimpulzusokat sugározzon, úgy arra kell ügyelni, hogy a hang- vagy ultrahang-érzékelő az 1 átalakító elem révén történő gerjesztés befejeztével lehetőleg ne jöjjön utórezgésbe.
Ennek érdekében az 51 membránok és a 3 sugárzóelem 34 homlokfelülete közötti távolság, tehát a 33 rések mélysége előnyösen úgy van méretezve, hogy kis mértékben nagyobb legyen, mint a 33 réseket lezáró 51 membránok maximális kilengése. A 33 résekben lévő levegőnek az 51 membránok hajlítási rezgései által történő kompressziója (sűrítése) olyan csillapítást hoz létre, amelynek révén az érzékelő utórezgése lényegesen csökkenthető.
HU 216 670 Β
Az utórezgés csökkentése azzal is biztosítható, hogy a 33 résekbe 6 csillapítóanyag, például habanyag van behelyezve. Ilyen habanyag például a 3 sugárzóelemre lehet ragasztva. A 6 csillapítóanyag különösen a 33 résekben gyűrű alakban körülfutó hullámok kialakulását akadályozza meg.
Az összetett rezgőrendszemek a 32 bordák és az 5 tárcsa révén kiképzett előrésze a hajlítási rezgés által biztosítja a hang- vagy ultrahang-érzékelő akusztikai impedanciájának azon közeg akusztikai impedanciájához való illesztését, amely közegbe a hangenergiát le kell adni. Nincs szükség arra, hogy olyan anyagból készült járulékos réteget alkalmazzunk, amelynek akusztikai impedanciája az 5 tárcsa anyagáé és azon közegé között van, amelybe a hangenergiát kell kisugározni, ez a réteg például elasztomerből lehetne.
Az 5 tárcsára érkező hang- vagy ultrahanghullám az 5 tárcsát, különösen az 51 membránokat hajlító rezgésbe hozza, amely rezgés a 3 sugárzóelemen keresztül az 1 átalakító elemre kerül átvitelre. Ezáltal a piezoelektromos la, lb elemeket rezgésbe hozzuk. így piezoelektromos feszültség keletkezik, amely a 11 elektródon és a 12a, 12b ellenelektródokon keresztül további feldolgozáshoz rendelkezésre bocsátható.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő az előnyösen fémes 5 tárcsával van lezárva. Ezáltal a hang- és ultrahang-érzékelő hozzávetőleg 150 °C-ig terjedő hőmérsékleteken alkalmazható. A hőmérséklet-tartományt csupán azon hőmérséklet-tartomány korlátozza, amelyben az 1 átalakító elem alkalmazható. Az 1 átalakító elem és az 5 tárcsa közötti távolság megnövelésével még nagyobb hőmérséklet-tartományok érhetők el. Ebben az esetben arra kell ügyelni, hogy az összetett rezgőrendszer axiális irányban mért hossza fél hullámhossz egész számú többszörösének feleljen meg, annak a súlyozott átlagolással megállapítandó fiktív hullámhossznak, amellyel az összetett rezgőrendszerben a gerjesztőfrekvenciájú hang- vagy ultrahanghullámok rendelkeznek.
Mivel a 3 sugárzóelem, a 32 bordák és az 5 tárcsa előnyösen fémből vannak, csupán kismértékű hőmérséklettől függő frekvenciaeltérések lépnek fel.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő kémiailag nagy ellenálló képességgel jellemezhető, és mechanikusan meglehetősen robusztus. A hang- vagy ultrahang-érzékelő különösen jól alkalmazható az élelmiszeriparban, mivel a közeggel érintkezésbe kerülő 5 tárcsa sík alakú, és így jól tisztítható.
A találmány nem korlátozódik a leírt érzékelőhöz való alkalmazásra, hanem az összes olyan hang- vagy ultrahang-érzékelőnél alkalmazható, amelyek olyan sík homlokfelülettel rendelkező sugárzóelemmel vannak ellátva, amely sík homlokfelület az 1 átalakító elem által gerjesztőfrekvencia alapján oly módon jön rezgésbe, hogy a teljes homlokfelület megközelítően azonos fázisú, megközelítően azonos amplitúdójú, a homlokfelület felületi normálisával párhuzamos kilengéseket végez.
A 2. ábrán egy ilyen jellegű hang- és ultrahang-érzékelőnek egy további kiviteli alakja látható.
A 2. ábrán hosszmetszetben csupán vázlatosan bemutatott hang- vagy ultrahang-érzékelőnél az 1 átalakító elem csupán egyetlenegy, tárcsa alakú piezoelektromos elemmel van ellátva. Ezen 1 átalakító elemmel egy szintén tárcsa alakú, azonos átmérőjű 7 fedőlap van szilárdan összekötve. A 7 fedőlapot ugyanúgy, mint az 1. ábrán bemutatott kiviteli példához tartozó 3 sugárzóelemet oly módon hozzuk rezgésbe, hogy annak teljes, kör alakú, az 1 átalakító elemmel ellentétes oldali homlokfelülete hozzávetőleg azonos fázisú, hozzávetőleg azonos amplitúdójú, a homlokfelület felületi normálisával párhuzamos kilengéseket végez.
A 7 fedőlapon az 1. ábrán bemutatott kiviteli példához hasonlóan koncentrikus 32 bordák vannak elrendezve, amelyekre szintén 5 tárcsa van rögzítve.
A hang- vagy ultrahang-érzékelő például egy, a 2. ábrán nem látható, hengeres, egyik végén nyitott házban van elrendezve, ahol a ház és a hang- vagy ultrahang-érzékelő között meglévő üregek villamosán nem vezető elasztomerrel vannak kitöltve.
A 2. ábrán bemutatott kiviteli példa az 1. ábrán bemutatott kiviteli példához képest azt az előnyt biztosítja, hogy nagyon kicsi szerkezeti magassággal rendelkezik, és hogy egyetlenegy piezoelektromos elemmel van ellátva, amely elegendő a hang- vagy ultrahang-átalakító gerjesztésére.
Claims (6)
- SZABADALMI IGÉNYPONTOK1. Hang- vagy ultrahang-érzékelő hang- vagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére, amely sík homlokfelülettel (34) ellátott sugárzóelemet (3), valamint átalakító elemet (1) tartalmaz, ahol az átalakító elem (1) a homlokfelületet (34) gerjesztőfrekvencia alapján rezgésbe hozó, és így a teljes homlokfelület megközelítően azonos amplitúdójú, megközelítően azonos fázisú, a homlokfelület (34) felületi normálisával párhuzamos kilengéseit okozó átalakító elem, azzal jellemezve, hogy a homlokfelületen (34) koncentrikus bordák (32) vannak elrendezve, ahol két, egymással szomszédos borda (32) között mindenkor egy-egy koncentrikus rés (33) helyezkedik el, továbbá egy tárcsa (5), különösen fémből készült tárcsa a hang- vagy ultrahang-érzékelőt homloksíkban lezáróan van elrendezve, amely tárcsa (5) a bordákkal (32) szilárdan össze van kötve, és amely a bordákkal (32) nem öszszekötött, membránként (51) szolgáló szegmenseket képez.
- 2. Az 1. igénypont szerinti hang- vagy ultrahang-érzékelő, azzal jellemezve, hogy a membránok (51) a gerjesztőfrekvenciával azonos vagy nála nagyobb rezonanciafrekvenciájú hajlítási rezgéseket megvalósító membránok.
- 3. A 2. igénypont szerinti hang- vagy ultrahang-érzékelő, azzal jellemezve, hogy a középső membrán (51) hajlítási rezgésének rezonanciafrekvenciája a gerjesztőfrekvenciánál nagyobb vagy vele egyenlő, míg a többi membrán (51) - belülről kifelé haladva - növekvő rezonanciafrekvenciákkal rendelkezik.HU 216 670 Β
- 4. Az 1. igénypont szerinti hang- vagy ultrahang-érzékelő, azzal jellemezve, hogy a membránok (51) hajlítási rezgéseinek rezonanciafrekvenciái egymással azonosak, és egyértelműen nagyobbak, mint a gerjesztőfrekvenciák, ahol továbbá minden egyes membrán (51) és a tárcsának (5) a mindenkor hozzá csatlakozó, a bordákkal (32) összekapcsolt tartományai által végzett rezgések azonos fázisúak.
- 5. Az 1. igénypont szerinti hang- vagy ultrahang-ér zékelő, azzal jellemezve, hogy a résbe (33) csillapító anyag (6), különösen habanyag van behelyezve.
- 6. Az 1. igénypont szerinti hang- vagy ultrahang 5 érzékelő, azzal jellemezve, hogy a rések (33) a rése két (33) lezáró membránok (51) maximális kilengésé nél kismértékben nagyobb mélységgel vannak kiké pezve.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19620133A DE19620133C2 (de) | 1996-05-18 | 1996-05-18 | Schall- oder Ultraschallsensor |
Publications (4)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| HU9700904D0 HU9700904D0 (en) | 1997-07-28 |
| HUP9700904A2 HUP9700904A2 (hu) | 1998-04-28 |
| HUP9700904A3 HUP9700904A3 (en) | 1998-12-28 |
| HU216670B true HU216670B (hu) | 1999-08-30 |
Family
ID=7794713
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| HU9700904A HU216670B (hu) | 1996-05-18 | 1997-05-15 | Hang- vagy ultrahang-érzékelő hang- vagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5726952A (hu) |
| EP (1) | EP0807924B1 (hu) |
| CA (1) | CA2203583C (hu) |
| DE (2) | DE19620133C2 (hu) |
| HU (1) | HU216670B (hu) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19758243A1 (de) * | 1997-12-30 | 1999-07-15 | Endress Hauser Gmbh Co | Schallwandlersystem |
| DE10156259A1 (de) * | 2001-11-09 | 2003-05-22 | Valeo Schalter & Sensoren Gmbh | Ultraschallsensor und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallsensors |
| US7117738B2 (en) * | 2003-10-02 | 2006-10-10 | Denso Corporation | Liquid level detecting apparatus |
| AT413890B (de) * | 2004-02-27 | 2006-07-15 | Univ Wien Tech | Verfahren und sensorvorrichtung zur gewinnung von informationen über die position eines objekts mit einem ultraschallsensor |
| DE102004020895B4 (de) * | 2004-04-28 | 2012-05-24 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung des Füllstandes eines Mediums |
| DE102005056895A1 (de) * | 2005-11-28 | 2007-05-31 | Endress + Hauser Gmbh + Co. Kg | Vorrichtung zur Ermittlung und Überwachung des Füllstands eines Füllguts in einem Behälter gemäß der Laufzeitmessmethode |
| KR20130080860A (ko) | 2006-01-31 | 2013-07-15 | 파나소닉 주식회사 | 초음파 탐촉자 |
| DE102006058926B4 (de) * | 2006-12-12 | 2020-09-24 | Endress+Hauser SE+Co. KG | Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung einer Prozessgröße |
| FR2931016B1 (fr) * | 2008-05-07 | 2010-08-13 | Ixsea | Antenne acoustique a circuits imprimes integres |
| KR101593994B1 (ko) * | 2009-09-04 | 2016-02-16 | 삼성전자주식회사 | 고출력 초음파 트랜스듀서 |
| US8797830B2 (en) * | 2011-02-02 | 2014-08-05 | General Monitors, Inc. | Explosion-proof acoustic source for hazardous locations |
| DE102012201884A1 (de) | 2012-02-09 | 2013-08-14 | Robert Bosch Gmbh | Schallwandler |
| TWI487886B (zh) * | 2014-03-26 | 2015-06-11 | Univ Nat Kaohsiung Applied Sci | Integrated Sensing Device with Ultrasonic Transducer and Microphone and Its Method |
| US9506833B2 (en) | 2014-03-26 | 2016-11-29 | General Monitors, Inc. | Ultrasonic gas leak detectors and testing methods |
| GB201408833D0 (en) * | 2014-05-19 | 2014-07-02 | Skoogmusic Ltd | Control apparatus |
| DE102015113561A1 (de) | 2015-08-17 | 2017-02-23 | Endress + Hauser Flowtec Ag | Ultraschallwandler zum Einsatz in Ultraschall- Durchflussmessgeräten zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit oder dem Volumendurchfluss von Medien in einer Rohrleitung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Ultraschallwandlers |
| US10632499B2 (en) * | 2016-12-09 | 2020-04-28 | Sensus USA, Inc. | Thickness mode transducers and related devices and methods |
| DE102018200324A1 (de) * | 2018-01-11 | 2019-07-11 | Robert Bosch Gmbh | Ultraschallsensor und Fluidtank mit Ultraschallsensor |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2943297A (en) * | 1950-04-27 | 1960-06-28 | Raymond L Steinberger | Multiple element electroacoustic transducer |
| US3370186A (en) * | 1965-02-05 | 1968-02-20 | Blackstone Corp | Ultrasonic transducers |
| US3457543A (en) * | 1968-02-26 | 1969-07-22 | Honeywell Inc | Transducer for producing two coaxial beam patterns of different frequencies |
| US3739327A (en) * | 1970-12-16 | 1973-06-12 | Dynamics Corp Massa Div | Electroacoustic transducers of the mass loaded vibratile piston type |
| US3949349A (en) * | 1972-04-13 | 1976-04-06 | Fred M. Dellorfano, Jr. | Dual electroacoustic transducers |
| JPS52131676A (en) * | 1976-04-27 | 1977-11-04 | Tokyo Shibaura Electric Co | Probe for ultrasonic diagnostic device |
| US4183007A (en) * | 1978-02-22 | 1980-01-08 | Fischer & Porter Company | Ultrasonic transceiver |
| US4246449A (en) * | 1979-04-24 | 1981-01-20 | Polaroid Corporation | Electrostatic transducer having optimum sensitivity and damping |
| CA1136257A (en) * | 1980-04-21 | 1982-11-23 | Stanley Panton | Broadly tuned directional transducer |
| US4333028A (en) * | 1980-04-21 | 1982-06-01 | Milltronics Ltd. | Damped acoustic transducers with piezoelectric drivers |
| US4633119A (en) * | 1984-07-02 | 1986-12-30 | Gould Inc. | Broadband multi-resonant longitudinal vibrator transducer |
| DE3721209C2 (de) * | 1987-06-26 | 1997-04-30 | Grieshaber Vega Kg | Schall-/Ultraschallmeßgerät |
| US5515342A (en) * | 1988-12-22 | 1996-05-07 | Martin Marietta Corporation | Dual frequency sonar transducer assembly |
| US5218575A (en) * | 1992-09-04 | 1993-06-08 | Milltronics Ltd. | Acoustic transducer |
| US5452267A (en) * | 1994-01-27 | 1995-09-19 | Magnetrol International, Inc. | Midrange ultrasonic transducer |
-
1996
- 1996-05-18 DE DE19620133A patent/DE19620133C2/de not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-04-10 EP EP97105884A patent/EP0807924B1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-04-10 DE DE59708924T patent/DE59708924D1/de not_active Expired - Lifetime
- 1997-04-24 CA CA002203583A patent/CA2203583C/en not_active Expired - Fee Related
- 1997-04-28 US US08/847,714 patent/US5726952A/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-05-15 HU HU9700904A patent/HU216670B/hu not_active IP Right Cessation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0807924A3 (de) | 1999-06-02 |
| EP0807924B1 (de) | 2002-12-11 |
| CA2203583A1 (en) | 1997-11-18 |
| US5726952A (en) | 1998-03-10 |
| EP0807924A2 (de) | 1997-11-19 |
| HUP9700904A2 (hu) | 1998-04-28 |
| HUP9700904A3 (en) | 1998-12-28 |
| DE19620133C2 (de) | 2001-09-13 |
| HU9700904D0 (en) | 1997-07-28 |
| DE59708924D1 (de) | 2003-01-23 |
| CA2203583C (en) | 2000-02-08 |
| DE19620133A1 (de) | 1997-11-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| HU216670B (hu) | Hang- vagy ultrahang-érzékelő hang- vagy ultrahanghullámok leadására és/vagy vételére | |
| US6107722A (en) | Ultrasound transducer | |
| US4333028A (en) | Damped acoustic transducers with piezoelectric drivers | |
| US4525645A (en) | Cylindrical bender-type vibration transducer | |
| NL193046C (nl) | Stelsel voor het omzetten van geluid. | |
| Toda | Cylindrical PVDF film transmitters and receivers for air ultrasound | |
| Kang et al. | The high frequency flexural ultrasonic transducer for transmitting and receiving ultrasound in air | |
| JP3062170B2 (ja) | 音響変換装置 | |
| Toda | Phase-matched air ultrasonic transducers using corrugated PVDF film with half wavelength depth | |
| JPH06269090A (ja) | 圧電型超音波送受波器 | |
| US6070468A (en) | Micromachined ultrasonic leaky wave air transducers | |
| US4823327A (en) | Electroacoustic transducer | |
| US6269700B1 (en) | Contactless ultrasonic device for dimensional inspection | |
| EP0039986B1 (en) | An acoustic transducer system | |
| Okada et al. | New airborne ultrasonic transducer with high output sound pressure level | |
| US11039255B2 (en) | Wide-passband capacitive vibrating-membrane ultrasonic transducer | |
| US6122970A (en) | Ultrasonic transducer | |
| JP2937153B2 (ja) | 超音波トランスデューサ及びこれを用いる水中用送受波器 | |
| WO2020230270A1 (ja) | 振動センサ | |
| NL8900961A (nl) | Elektro-acoustische omzetter met een buigzame en dichte uitzendende schaal. | |
| US6002649A (en) | Tapered cylinder electro-acoustic transducer with reversed tapered driver | |
| JP2666730B2 (ja) | 低周波水中送波器 | |
| JP3183232B2 (ja) | 円筒型送波器 | |
| JP2009077130A (ja) | 超音波振動子 | |
| KR102083505B1 (ko) | 유도초음파용 트랜스듀서의 출력/감도를 향상하는 공진기 장치 및 출력 향상 조절 방법 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Lapse of definitive patent protection due to non-payment of fees |