WO1993011527A1 - Ultraschall-dämpfungsmaterial - Google Patents

Ultraschall-dämpfungsmaterial Download PDF

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WO1993011527A1
WO1993011527A1 PCT/DE1992/000961 DE9200961W WO9311527A1 WO 1993011527 A1 WO1993011527 A1 WO 1993011527A1 DE 9200961 W DE9200961 W DE 9200961W WO 9311527 A1 WO9311527 A1 WO 9311527A1
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Irene Jennrich
Peter Rapps
Reinhold Fiess
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    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the invention is based on a damping material with a soft rubber according to the preamble of the main claim.
  • an ultrasonic sensor is known, in which a piezoceramic vibrator is attached to the bottom of a pot-shaped transducer housing and in which on the inside of the transducer housing in the region of the pot bottom, which acts as a membrane, two ultrasound sensors located opposite one another.
  • Damping bodies are arranged.
  • the damping bodies have a damping effect on the vibration of the covered membrane segments and thus serve to shape the transmitting and / or receiving lobe of the ultrasonic transducer. As a further effect, this also affects the ringing, which ultrasonic transducers of this type show after switching off the transmission power supply.
  • the damping material should be a soft rubber with a Shore hardness between 40 degrees and 60 degrees, depending on whether the transducer is used as a transmitter, a receiver or both.
  • the damping bodies have to be closely matched to the dimensions of the ultrasound transducer, to the properties of the materials used and to the respective operating frequency.
  • the damping material according to the invention with the characterizing features of the main claim has the advantage that, for example in the case of an ultrasonic oscillator, it enables both an optimal shaping of the sound lobe and a short post-oscillation of the ultrasonic oscillator.
  • the latter property is particularly desirable when the ultrasonic vibrator is used both for transmitting and for receiving, because the ultrasonic vibrator is only ready to receive after the transmission energy has decayed.
  • both the direction of propagation of the sound lobe and the ringing duration can be optimally determined.
  • Particularly simple production processes for the desired damping material result from mixing with a blowing agent, for example an H-siloxane or by introducing a gas into the still liquid rubber, because this process gives good reproducible results.
  • the damping material is prefabricated in plates and has an adhesive layer on at least one surface.
  • the prefabricated material can be punched out in the appropriate size and fastened to the intended surface of the oscillating body in a simple manner with a precise fit and with small tolerances. This enables a simple automatic pre-assembly of the transducer.
  • a double-sided adhesive film can be applied to the damping material, so that further specially shaped damping bodies can advantageously be applied. In the manufacturing process, this avoids, for example, undesirable solvent vapors which would otherwise be unavoidable when an adhesive layer is applied.
  • silicone foam is particularly well suited because of its constant mechanical behavior over a wide temperature range, because of its high resistance to aging and its favorable physiological properties.
  • FIG. 1 shows a section through the structure of the damping material
  • FIG. 2 an ultrasonic transducer with the damping material in section and FIG. 3 in plan view.
  • the damping material 1 consists of a foamed soft rubber, as can be foamed, for example, by means of a castable two-component silicone rubber by adding a blowing agent such as H-siloxane.
  • the propellant created many irregularly distributed cavities or bubbles 2 in the damping material. Due to the manufacturing process, the distribution of the cavity size can be predetermined.
  • the cavities usually have spherical closed cells, the size of which is matched to the vibration frequency to be damped. Both the average size of the cavities 2 or their diameter 3 and the specific density of the material can be specified by the selected soft rubber and the manufacturing process. A particularly short ringing time results if the damping material has the following parameters:
  • damping plates can be produced very easily and inexpensively by targeted foaming of a pourable 2-component silicone rubber.
  • the material is initially in one known casting process in plate form and provided on one side with an adhesive layer or a double-sided adhesive film 4. Then it is punched into the desired shape and glued to the provided locations on the membrane 6.
  • air bubbles are stirred or blown into the liquid silicone rubber components, the still liquid silicone rubber material is poured onto the relevant parts of the membrane and allowed to vulcanize there.
  • a stamp is inserted into the housing 8, which acts together with the housing edge and bottom as a casting mold and is removed again after the silicone material has hardened.
  • the bubbles are "frozen” by vulcanization.
  • the vulcanization time must be so short that the gas bubbles do not rise to the surface before curing and thus interfere with the statistical distribution.
  • FIG. 2 and the top view of FIG. 3 show the application of the subject matter of the invention to an ultrasonic transducer (US transducer).
  • the annular housing 8 shown in cross-section is covered on one cross-sectional area with a membrane 6.
  • a piezo oscillator 7 is arranged approximately in the center of the membrane.
  • the remaining inner surface of the membrane 6 is completely or partially covered with appropriately shaped stamped parts of the damping material 1.
  • the damping material 1 is fixed to the membrane 6 by means of a silicone adhesive or a double-sided adhesive film.
  • a particularly effective fixation also results from coating the damping plate with a silicone resin adhesive solution, which is initially covered by a protective film when the molded parts are punched out.
  • Such molded parts can be manufactured very inexpensively and are easy to handle.
  • the protective film is removed and the damping plate attached to the desired position glued on. This very simple and inexpensive assembly method can be used particularly well in series production, since good reproducible results are achieved with low manufacturing tolerances.
  • damping bodies in the form of circular sections are arranged on the inside of the membrane in order to influence the propagation or reception lobe.
  • damping bodies dampen the mechanical vibration of the vibrating diaphragm, since on the one hand they increase the vibrating mass to a high degree and on the other hand they change the rigidity of the diaphragm.
  • the damping of the mechanical vibration system is thereby increased, the vibration distribution on the membrane being changed.
  • the damper body works optimally if the following conditions are met:
  • the damping material must have the highest possible density.
  • the material of the damping body must absorb sound waves, especially waves with a high frequency, as well as possible. This measure results in a short reverberation of the system.
  • a particularly high sound absorption can be achieved in rubber-like polymers if the material contains small cavities.
  • Sound usually propagates in solids in the form of longitudinal waves. At the interfaces to the cavity, the longitudinal deformation is converted into a transverse deformation. In viscose-elastic rubber, the energy of the transverse wave is converted into heat by molecular relaxation. Energy is thus extracted from the sound wave.
  • the damping material can not only be used to dampen the vibrating diaphragm of an ultrasonic transducer. Rather, applications can also be provided in the audible range, although the density of the material and the size of the cavities distributed in it must be taken into account.

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Abstract

Es wird ein Dämpfungsmaterial (1) mit einem Weichgummi zur Dämpfung von Schwingungen vorgeschlagen, das vorzugsweise zur Verkürzung der Nachschwingdauer eines Ultraschall-Schwingers (7) verwendbar ist. Das Dämpfungsmaterial (1) weist Hohlräume (2) auf, deren Grösse oder Durchmesser auf die zu dämpfende Schwingfrequenz abgestimmt ist. Das Dämpfungsmaterial (1) wird mittels einer Klebschicht (4) oder einer doppelseitigen Klebefolie auf die Schwingmembran (6) aufgebracht.

Description

Ultraschall-Dämpfunσsmaterial
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Dämpfungsmaterial mit einem Weich¬ gummi nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 31 37 745 ist ein Ultraschall-Sensor bekannt, bei dem ein piezokeramischer Schwinger am Boden eines topfformigen Wandlergehäuses angebracht ist und bei dem an der Innenseite des Wandlergehäuses im Bereich des Topfbodens, der als Membran wirkt, zwei einander gegenüberliegende Ultraschall-Dämpfungskörper angeordnet sind. Die Dämpfungskörper wirken dämpfend auf die Schwingung der abgedeckten Membransegmente und dienen damit der Formung der Sende- und/oder Empfangskeule des Ultraschall-Schwingers. Als weiterer Effekt wird dadurch zwar auch das Nachscϊ ringen beeinflußt, das Ultraschall-Wandler dieser Bauart nach Abschalten der Sendeenergiezufuhr zeigen. Eine gezielte Ver¬ kürzung der Nachschwingdauer ist auf diesem Wege nicht erreichbar, da auch die mechanischen Abmessungen des Wandlers die Nachschwing¬ dauer beeinflussen. Gemäß der DE-OS 31 37 745 soll das Dämpfungs¬ material ein Weichgummi mit einer Shore-Härte zwischen 40 Grad und 60 Grad sein, je nachda-n ob der Wandler als Sender, als Empfänger oder als beides eingess zt wird. Bereits in der DE-OS 3137 745 wird darauf hingewiesen, daß die Dämpfungskörper eng auf die Abmessungen des Ultraschall-Wandlers, auf die Eigenschaften der verwendeten Materialien und auf die je¬ weilige Arbeitsfrequenz abgestimmt sein müssen.
Es hat sich gezeigt, daß ein Weichgummi mit der Shore-H rte von 40 bis 60 Grad nicht immer die gewünchte Dämpfungseigenschaften auf¬ weist, weil die alleinige Spezifikation der Shore-Härte für die Fin¬ dung des geeignetsten Materials nicht ausreichend ist. Andere Mate¬ rialeigenschaften müssen zusätzlich abgestimmt werden, zumal dann, wenn neben, der Formung der Sende- und Empfangskeule auch noch eine Minimierung der Nachschwingdauer angestrebt wird.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Dämpfungsmaterial mit den kennzeichnenden Merk¬ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß es bei¬ spielsweise bei einem Ultraschallschwinger sowohl eine optimale Formung der Schall-Keule ermöglicht, als auch ein kurzes Nachschwin¬ gen des Ultraschallschwingers gewährleistet. Letztere Eigenschaft ist besonders dann wünschenswert, wenn der Ultraschallschwinger sowohl zum Senden als auch zum Empfangen eingesetzt wird, weil der Ultraschallschwinger erst nach dem Abklingen der Sendeenergie emp¬ fangsbereit ist.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Dämpfungsmaterials möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß durch das Aufbringen des Dämpfungsmaterials auf vorgegebene Bereiche des Schwingkörpers, beispielsweise der Membran eines Ultra¬ schall-Schwingers, sowohl die Ausbreitungsrichtung der Schallkeule als auch die Nachschwingdauer optimal festgelegt werden können. Besonders einfache Herstellverfahren für das gewünschte Dämpfungs¬ material ergeben sich durch Mischen mit einem Treibmittel, bei¬ spielsweise einem H-Siloxan oder Einleitung eines Gases in den noch flüssigen Kautschuk, weil dieses Verfahren gute reproduzierbare Ergebnisse liefert.
Besonders vorteilhaft ist ferner, daß das Dämpfungsmaterial in Plat¬ ten vorgefertigt und an wenigstens einer Oberfläche eine Klebschicht aufweist. Dadurch kann das vorgefertigte Material in der passenden Größe ausgestanzt und durch Klebung auf einfache Weise paßgenau mit geringen Toleranzen an die vorgesehene Fläche des Schwingkörpers befestigt werden. Das ermöglicht eine einfache automatische Vor¬ montage des Schwingers.
Anstelle der Klebschicht ist eine doppelseitige Klebefolie auf das Dämpfungsmaterial aufbringbar, so daß vorteilhaft weitere speziell geformte Dämpfungskörper aufgebracht werden können. Im Herstellungs¬ prozeß werden dadurch beispielsweise unerwünschte Lösungsmittel¬ dämpfe vermieden, die sonst beim Auftragen einer Klebschicht un¬ vermeidbar sind.
Es hat sich als Vorteil herausgestellt, daß die Verwendung von Sili¬ konschaum wegen seinem gleichbleibenden mechanischen Verhalten über einen großen Temperaturbereich, wegen seiner hohen Alterungsbestän¬ digkeit und seinen günstigen physiologischen Eigenschaften besonders gut geeignet ist.
Weitere Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung entnehmbar. Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge¬ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur
1 zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des Dämpfungsmaterials, Figur
2 einen Ultraschallschwinger mit dem Dämpfungsmaterial im Schnitt und Figur 3 in Draufsicht.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In Figur 1 ist ein Ausschnitt aus einem Dämpfungsmaterial 1 im Quer¬ schnitt dargestellt. Das Dämpfungsmaterial 1 besteht aus einem ge¬ schäumten Weichgummi, wie es beispielsweise durch einen gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuk durch Zusatz eines Treibmittels wie H-Siloxans aufschäumbar ist. Durch das Treibmittel sind in dem Dämp¬ fungsmaterial viele unregelmäßig verteilte Hohlräume oder Blasen 2 entstanden. Bedingt durch den Herstellungsprozeß ist die Verteilung der Hohlraumgröße vorgebbar. Die Hohlräume haben meist kugelförmige geschlossene Zellen, deren Größe auf die zu dämpfende Schwingungs- freoTxenz abgestimmt ist. Sowohl die mittlere Größe der Hohlräume 2 bzw. deren Durchmesser 3 als auch die spezifische Dichte des Mate¬ rials, ist durch den gewählten Weichgummi und den Herstellungsprozeß vorgebbar. Eine besonders kurze Nachschwingzeit ergibt sich, wenn das Dämpfungsmaterial folgende Parameter aufweist:
- Geschäumter Gummi mit einer Dichte von 0,8 bis 1,0 g/ccm
- Shore-Härte A ca. 20 bis 30
- Durchmesser der Hohlräume zwischen 0,1 und 1 mm in der stati¬ stischen Verteilung.
Mit diesem Material lassen sich durch gezieltes Aufschäumen eines gießbaren 2-Komponenten-Silikonkautschuks sehr einfach und preiswert Dämpfungsplatten herstellen. Das Material wird zunächst in einem bekannten Gießverfahren in Plattenform hergestellt und einseitig mit einer Klebeschicht oder einer doppelseitigen Klebefolie 4 versehen. Danach wird es in die gewünschte Form gestanzt und auf die vorge¬ sehenen Stellen der Membran 6 geklebt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, in die flüssigen Silikon-Kautschuk-Komponenten Luftblasen einzurühren oder einzublasen, das noch flüssige Silikon-Kautschuk-Material auf die betreffenden Stellen der Membran zu gießen und dort vulkanisieren zu lassen. Vor dem Gießen wird in das Gehäuse 8 ein Stempel eingeführt, der zusammen mit dem Gehäuserand- und -boden als Gießform wirkt und nach dem Aushärten des Silikonmaterials wieder herausgenommen wird. Durch das Vulkanisieren werden die Blasen "eingefroren". Die Vulka¬ nisationszeit muß so kurz sein, daß die Gasblasen vor dem Aushärten nicht an die Oberfläche steigen und damit die statistische Vertei¬ lung stören.
Im Schnittbild der Figur 2 bzw. in Draufsicht der Figur 3 ist die Anwendung des Erfindungsgegenstandes an einem Ultraschall-Schwinger (US-Schwinger) dargestellt. Das im Querschnitt dargestellte ringför¬ mige Gehäuse 8 ist an einer Querschnittsfläche mit einer Membran 6 abgedeckt. Im Innenraum ist etwa mittig zur Membran ein Piezoschwin- ger 7 angeordnet. Die restliche Innenfläche der Membran 6 ist ganz oder teilweise mit entsprechend geformten Stanzteilen des Dämpfungs¬ materials 1 belegt. Die Fixierung des Dämpfungsmaterials 1 an die Membran 6 erfolgt mittels eines Silikonklebers oder einer doppel¬ seitigen Klebefolie. Eine besonders wirkungsvolle Fixierung ergibt sich auch durch Beschichten der Dämpfungsplatte mit einer Silikon¬ harzklebelösung, die zunächst beim Ausstanzen der Formteile durch eine Schutzfolie abgedeckt ist. Derartige Formteile lassen sich sehr preiswert herstellen und einfach zu handhaben. Vor der Befestigung wird die Schutzfolie abgezogen und die Dämpfungsplatte an die gewünschte Stelle aufgeklebt. Dieses sehr einfache und preiswerte Montageverfahren läßt sich insbesondere in der Serienfertigung gut verwenden, da gute reproduzierbare Ergebnisse mit geringen Ferti¬ gungstoleranzen erreicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, anstelle der inneren Seite, die äußere Seite der Membran 6 mit der Dämpfungs¬ platte zu belegen.
Im folgenden wird die Wirkungsweise des Dämpfungsmaterials an dem ültraschallwandler der Figur 2 oder 3 beschrieben. Bei dem bekannten US-Wandler werden zur Beeinflussung der Ausbreitungs- bzw. Empfangs¬ keule kreisabschnittsförmige Dämpfungskörper auf der Membraninnen¬ seite angeordnet. Diese Dämpfungskörper bed mpfen jedoch die mecha¬ nische Schwingung der Schwingmembran, da sie einerseits die schwin¬ gende Masse in hohem Maße erhöhen und andererseits die Steifigkeit der Membran verändern. Dadurch wird die Dämpfung des mechanischen Schwingsystemε erhöht, wobei die Schwingverteilung auf der Membran verändert wird. Diese Maßnahmen wirken sich auf die Frequenz, die Güte und die Abstrahl- bzw. Empfangscharakteristik des Ultraschall¬ wandlers aus. Um eine Optimierung zu erhalten, muß die Form, Größe und Anordnung des Dämpfungskörpers durch entsprechende Versuche er¬ mittelt werden.
Eine optimale Wirkungsweise des Dämpfungskörpers ergibt sich, wenn folgende Bedinungen erfüllt werden:
1. Er muß die Membranschwingung an den von ihm abgedeckten Bereichen möglichst gut unterbinden. Diese Maßnahme ergibt eine gute Formung der Schallkeule. Das Dämpfungsmaterial muß dazu eine möglichst hohe Dichte haben. 2. Das Material des Dämpfungskörpers muß Schallwellen, besonders Wellen mit der Arbeitsfreguenz, möglichst gut absorbieren. Diese Maßnahme ergibt kurzes Nachschwingen des Systems.
Eine besonders hohe Schallabsorption läßt sich in gummiartigen Poly¬ meren dann erreichen, wenn das Material kleine Hohlräume enthält.
Schall pflanzt sich in Festkörpern üblicherweise in Form von Longi- tudinalwellen fort. An den Grenzflächen zm Hohlraum wird die longi- tudinale Deformation in eine transversale Deformation umgewandelt. Im viskoseelastischen Gummi wird die Energie der Transversalwelle wiederum durch molekulare Relaxation in Wärme übergeführt. Der Schallwelle wird somit Energie entzogen.
Da sich die Forderungen nach möglichst hoher Dichte einerseits und Vorhandensein von Hohlräumen im Material andererseits widersprechen, ist ein Kompromiß zu finden. Durch Versuche an Ultraschall-Wandlern mit Frequenzen zwischen 20 KHz und 50 KHz wurde ermittelt, daß ein Silikonschaum-Material mit einer Dichte zwischen 0,8 g/ml und 1 g/ml und gleichmäßig verteilten, geschlossenen Hohlräumen mit Durchmes¬ sern z"fischen 0,1 mm und 1 mm am besten geeignet ist. Die stati¬ stische Verteilung der Hohlraumgröße bewirkt, daß Schallwellen innerhalb einer großen Bandbreite ihrer Frquenz absorbiert werden. Dies ist von Vorteil, da infolge der kurzzeitigen Sendephase immer auch Schwingungen außerhalb der gewünschten Arbeitsfrequenz angeregt wurden. Das Dämpfungsmaterial trägt dazu bei, diese unerwünschten Schwingungen vorteilhaft zu unterdrücken.
Das Dämpfungsmaterial ist nicht nur zur Dämpfung der Schwingmenbran eines Ultraschall-Schwingers verwendbar. Vielmehr sind Anwendungen auch im hörbaren Bereich vorsehbar, wobei allerdings die Dichte des Materials und die Größe der in ihm verteilten Hohlsräume zu berück¬ sichtigen sind.

Claims

Ansprüche
1. Dämpfungsmaterial mit einem Weichgu mi zur Dämpfung von Schwin¬ gungen, die vorzugsweise an einem Schwingkörper auftreten, wobei das Dämpfungsmaterial eine vorgegebene Shore-Härte aufweist und wenig¬ stens teilweise mit dem Schwingkörper verbunden ist, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) im Innern eine Vielzahl von unregelmäßig verteilten Hohlräumen oder Blasen (2) aufweist und daß die Dämpfungseigenschaften des Schwingkörpers (5) durch die spezi¬ fische Dichte und die Größe der Hohlräume oder Blasen (2) des Dämp¬ fungsmaterials (1) vorgebbar sind.
2. Dämpfungsmaterial nach Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Aufbringen des Dämpfungsmaterials (1) an einen Ultra¬ schallschwinger (5) die Nachschwingdauer reduzierbar ist.
3. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) auf vorge¬ gebene Bereiche des Schwingkörpers aufgebracht ist.
4. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume oder Blasen (2) durch Aufschäumen eines Silikonkautschuks mittels Zusatz eines Treib¬ mittels herstellbar sind.
5. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume oder Blasen (2) durch Einrühren oder Einblasen eines Gases in den Silikon-Kautschuk herstellbar sind.
6. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) in Form von Platten herstellbar ist.
7. Dämpfungsmaterial nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) an wenigstens einer Oberfläche eine Kleb¬ schicht (4) aufweist.
8. Dämpfungsmaterial nach Ansprüche 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebschicht (4) eine doppelseitige Klebefolie aufweist.
9. Dämpfungsmaterial nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Silikonkautschuk in flüssigem Zustand auf den Schwingkörper (5) aufgegossen wird und dort vulkanisiert wird.
10. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmaterial (1) für den Fre¬ quenzbereich von ca. 20 bis 50 kHz verwendbar ist, daß das Dämp¬ fungsmaterial eine Shore-Härte von ca. 10 bis 40, eine spezifische Dichte von ca. 0,8 bis 1 g/ccm aufweist und Hohlräume mit einer statistischen Verteilung der Durchmesser von ca. 0,1 bis 1 mm auf¬ weist.
11. Dämpfungsmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungsmittel im Ultraschallbe¬ reich anwendbar ist.
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